基于昊控表面流场计算算法的大尺度粒子图像测速方法技术

本发明专利技术公开了一种基于昊控表面流场计算算法的大尺度粒子图像测速方法，克服现有大尺度测速技术的局限性，在保证精度的前提下，单镜头可覆盖20米X20米以上的范围，并可实现便携安装和测量；克服传统测速需添加人工示踪物的复杂性，在不添加人工示踪物的前提下即可测得准确流场数据，克服传统PIV算法的局限性，算法软件包括了流态自动识别技术，防伪流算法，图像自动矫正技术等，保证测量结果的高精度和高精细度。同时，本发明专利技术所采用的硬件设备设计精巧，便于携带，使得操作工序变得简便并易于实现。

【技术实现步骤摘要】
基于昊控表面流场计算算法的大尺度粒子图像测速方法
本专利技术涉及图像测速方法，尤其涉及了一种基于昊控表面流场计算算法的大尺度粒子图像测速方法。
技术介绍
大尺度表面流场测速技术，基于传统PIV技术的衍生系统，将传统小尺度流场测量延伸至大尺度表面二维流场的测量。测量过程中采用自然光照明，以现场自然水体模态（如水面波纹、大尺度涡结构、泥沙浓度非均匀分布、漂浮杂质等）作为测流跟踪对象，以一定倾角拍摄大尺度表面流场，通过畸变校正、正向投影等图像预处理技术，将图像转换为真实坐标下图像，通过对流动模态的处理计算二维表面流场。近年来，国内外学者对于LSPIV(Large-scaleParticleImageVelocimetry)方法进行了广泛研究。随着电子及计算机等相关技术的飞速发展，实验室图像粒子测速技术（PIV）衍生的基于图像处理测算大范围表面流场（LSPIV）的方法出现（Large-scaleparticleimagevelocimetryforflowanalysisinhydraulicengineeringapplications.I.Fujita,M.Muste,A.Kruger），并在硬件设备设计和图像处理算法等方面取得了突破性进展，初步验证了其在极端条件下河道、海洋、水利工程等水流监测方法的可行性，很大程度上解决了现场测量的困境。国外主要以日本kobeUniversity，美国UniversityofIowa以及法国Hydrology-HydraulicsResearchUnit等三个研究团队为主，推动LSPIV的进展（Large-scaleparticleimagevelocimetryformesurementsinriverineenvironments.M.Muste,I.Fujita,A.Hauet）。1998年，Fujita率先提出了LSPIV的概念（Large-scaleparticleimagevelocimetryforflowanalysisinhydraulicengineeringapplications.I.Fujita,M.Muste,A.Kruger）。2003年，Creutin等人将一台数字摄像机安装于岸边14m高的楼顶上，以60deg的倾角拍摄接近5000m2的水面，后期处理图像估测Iowa河的流量（RivergaugingusingPIVtechniques:aproofofconceptexperimentontheIowaRiver.J.D.Creutin,M.Muste,A.A.Brandley,S.C.Kim,A.Kruger）。2008年，Hauet等人组装了一套用Webcam搭建的在线系统，每两分钟拍摄一对图像，并由一台专用电脑下载服务器端的图像进行实时分析、流量计算和结果存储，用户可以在线实时浏览流量数据（Experimentalsystemforreal-timedischargeestimationusinganimage-basedmethod.A.Hauet,A.Kruger,W.F.Krajewski,A.Bradley,M.Muste,J.D.Creutin,M.Wilson）。2008年，Jodeau等人设计了一套移动式LSPIV系统，在一根轻质伸缩杆的顶端用一台数字摄像机拍摄视频，对Arc河的洪水流量进行测量（ApplicationandevaluationofLS-PIVtechniqueforthemonitoringofriversurfacevelocitiesinhighflowconditions.M.Jodeau,A.Hauet,A.Paquier,J.LeCoz,G.Dramais）。2010年，LeCoz等人设计了一套由DigitalWebcam、工业PC和供电模块等部分组成的固定式LSPIV系统，同样对Arc河的洪水流量进行测量，并与Jodeau的结果进行对比(Performanceofimage-basedvelocimetry(LSPIV)appliedtoflash-flooddischargemeasurementsinMediterraneanriver.J.LeCoz,A.Hauet,Pierrefeu,G.Dramais,B.Camenen)。2011年，Tsubaki等人使用CCTV视频获取河流监控图像，用于估算洪水期间的流量变化，但CCTV图像分辨率较低且压缩后损失质量，增大误差(Measurementoftheflooddischargeofasmall-sizedriverusinganexistingdigitalvideorecordingsystem.R.Tsubaki,I.Fujita,S.Tsutsumi)。2011年，Fujita等人研发了使用高清航拍方式连续拍摄河流水面图像，再用拼接技术得到整个河道的流场结果，突破了传统固定式LSPIV测量范围的局限性(ApplicationofaerialLSPIVtothe2002floodoftheYodoRiverusingahelicoptermountedhighdensityvideocamera.I.Fujita,Y.Kunita)。2012年，Bechle等人研发了使用双相机拍摄河道流场的系统，同时拍摄视场重叠的进场和远场，使得整个测流断面的信息都能较为精准的捕获，避免远处因像素精度不高导致误差较大，USB信号发生器控制双相机的同步触发(Developmentandapplicationofanautomatedriver-estuarydischargeimagingsystem.A.J.Bechle,C.H.Wu,W.C.Liu,N.Kimura)。LSPIV在国外科研和应用领域得到了足够关注，但在国内仍使用较为传统的方式进行水文测量（如ADP、ADCP），对于新兴LSPIV的探索仍处于起步阶段。近年来，河海大学的研发团队在此方面也做了大量工作，进行了便携式近红外智能相机的研制，结合处理器模块、图像传感器模块、光学系统、网络通信模块和电源模块组成图像测速仪（专利：基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪CN102914667A；智能相机三可变镜头电机的驱动电路CN103001549A）；加入了LED补光灯控制模块（专利：一种大尺度粒子图像测速仪CN202453371U）；研发类似Bechle等人的双相机测速系统（专利：一种基于双摄像机视场拼接的大尺度粒子图像测速系统CN202512133U）；并将球载式航拍系统应用到山洪的应急监测（专利：面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统CN102879603A）；以及通过改进算法提高图像质量，减小计算误差（专利：非接触式河流表面流场成像量测方法CN102866260A；一种基于目标特征的运动矢量估计方法CN103035011A）目前，LSPIV在国外的研究和应用较为广泛，国内处于起步阶段，并不为水文/海洋等工作者所熟知，相应服务于水文测量的LSPIV系统在市面上并不多见。本系统除了将LSPIV系统产品化、正规化之外，还在算法上进行了优化与改进。目前市场上存在的商用大本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于昊控表面流场计算算法的大尺度粒子图像测速方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：将数据采集装置中的率定组件、相机组件、控制组件、存储组件与供电组件连接，连接方式是相机组件通过信号线与控制组件相连，相机组件通过数据线与存储组件相连，相机组件、控制组件、存储组件通过电源线与供电组件相连，数据采集装置连接之后对待测物体进行检测；第二步：对待测物体进行数据采集，采集方法采用率定方法与测量方法：所述的率定方法是指：数据采集装置按照率定策略固定，控制组件经信号线向相机组件发送曝光策略，相机组件执行曝光策略，拍摄率定组件并在相机内成像，所成像通过综合矫正方法进行矫正，矫正参数存储在存储组件中；所述的测量方法是指：数据采集装置按照测量采集策略固定，控制组件经信号线向相机组件发送曝光策略，相机组件执行曝光策略，拍摄被测目标并在相机内成像，上述图像经数据线传输至存储组件；第三步：对被测物体进行处理：所述被测物体为水体表面，被测水体表面波破碎面积达到总水体面积的30%以上时不需处理；在表面流速小于且破碎波面积小于水体总面积的30%时，采用添加荧光染色溶液的方式，利用溶液浓度分布的天然非均匀性来进行表面流动示踪，拍摄装置搭建好后在距拍摄范围上游2.5‑3.5m内人工均匀在整个水面播撒示踪剂，待示踪溶液扩散均匀后开始测量；第四步：对采集好的图像进行处理，其处理方式为使用昊控表面流场计算算法进行流速计算。...

【技术特征摘要】
1.基于昊控表面流场计算算法的大尺度粒子图像测速方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：将数据采集装置中的率定组件、相机组件、控制组件、存储组件与供电组件连接，连接方式是相机组件通过信号线与控制组件相连，相机组件通过数据线与存储组件相连，相机组件、控制组件、存储组件通过电源线与供电组件相连，数据采集装置连接之后对待测物体进行检测；第二步：对待测物体进行数据采集，采集方法采用率定方法与测量方法：所述的率定方法是指：数据采集装置按照率定策略固定，控制组件经信号线向相机组件发送曝光策略，相机组件执行曝光策略，拍摄率定组件并在相机内成像，所成像通过综合矫正方法进行矫正，矫正参数存储在存储组件中；所述的测量方法是指：数据采集装置按照测量采集策略固定，控制组件经信号线向相机组件发送曝光策略，相机组件执行曝光策略，拍摄被测目标并在相机内成像，图像经数据线传输至存储组件，所述的率定组件包括标定板与地面标定点，所述的标定板为80*80cm的钢板，钢板上均匀分布7*7个圆点，各圆点间距离为10cm；所述的地面标定点为水体表面所在河道的两侧间隔1m均匀排列的10个圆点；所述的率定策略是指：所述的率定组件选定相机后对准标定板的中心点拍摄图像，曝光时间20—30ms；所述的综合矫正方法是指：进行二维与三维坐标转换，使用最小二乘法求得一系列最优坐标，再将实际坐标代入求得图像的最优坐标，求得相机组件的畸变误差和矫正参数，使用最优坐标对相机组件拍摄的所有图像进行初始修正，具体步骤为：A对镜头畸变进行校正：单相机通过垂直拍摄标定板，建立已知点三维坐标和对应图像二维坐标的方程关系，获得畸变校正参数，对获取的图像进行此预处理；B对正向投影进行校正：相机垂直被测水体表面拍摄所带来的图像畸变误差最小，使用昊...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖谦，阮哲伟，
申请(专利权)人：南京昊控软件技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32