圖像測試技術(shù)習題

1、PIV 測試技術(shù)原理與最新進展 姓名：丁小慶 學號： 510111909 流場測速新方法研究中，至今已發(fā)展了激光多普勒 LDV (Laser Doppler Velocimetry )、PIV ( Particle Image Velocimetry)等技術(shù)。LDV 的綜合性能較高， 具有高精度、高分辨率和非接觸測量等優(yōu)點，通常作為儀器標校技術(shù)使用，但 LDV只能實現(xiàn)單點測量。PIV技術(shù)是一種全場、動態(tài)、非接觸測量手段，已獲得 廣泛使用，成功應用于風洞、水洞、水槽燃燒及噴射等實驗中。PIV研究始于上個世紀80年代，隨著光學和計算機圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，PIV取得了長足進步，測量精度和容積率與

2、LDV接近。許多研究成果已實用化，特別是常規(guī)二維 PIV相當成熟。技術(shù)進步新的要求和流場測速新課題的挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)，迫切需要 三維PIV的深入研究。雖然三維PIV更具實際意義，但要實現(xiàn)對流場的三維速度 測量，技術(shù)更復雜、要求更高、更嚴格。目前，三維PIV研究進展迅速，主要體現(xiàn)在對流場切面瞬時、 連續(xù)的或某個容積內(nèi)瞬時的三維速度測量， 實測效果良好。 已出現(xiàn)的三維PIV主要有以下幾種:PIV、PTV和全息(HPIV)等。國外在PIV研究領(lǐng)域起步較早、技術(shù)先進，許多研究成果商用化、產(chǎn)品化。 國內(nèi)研究總體不及國外，成果轉(zhuǎn)化相對滯后，但研究對象涉及了幾乎所有的 PIV 課題。本文針對 PIV 技術(shù)，重點

3、介紹三維 PIV 原理和實現(xiàn)方法，并分析了三維 PIV研究的若干進展。一、 PIV 原理 在被測流場中布撒示蹤粒子， 在激光片光源照射下， 利用圖像記錄設備連續(xù)獲得 時間序列圖像。 應用圖像處理算法， 得到粒子在圖像上的位移。 當已知曝光間隔 時間 t = t2 - t1時，獲得粒子在圖像上的平均速度 V，其原理如圖1所示。考 慮系統(tǒng)光學放大倍率后，就能計算出粒子實際速度。如果 t很小，可用該速度近似粒子在t1時刻位置的瞬時速度。因此，PIV測量以平均速度代替瞬時速度， 示蹤粒子速度代替所在位置的流場速度。PIV系統(tǒng)框圖如圖2所示，其實現(xiàn)過程一般分為三步：通過硬件設備采集流場圖 像，應用圖像處

4、理算法提取速度信息，顯示流場的速度矢量分布。影響PIV測量的因素眾多并相互作用、相互牽制，需綜合考慮，實現(xiàn)高精度PIV測量難度較大。被測氓場> 鬧像鐵取步震一速度信息獲取 <-囹像預蛀理 I歩轟二藏場泉示步騾三RS 2 PIV系統(tǒng)框圖fig. 2 Sketch, of PIX 劉血in(1) 流場圖像采集。PIV系統(tǒng)的硬件主要有激光光源、輔助光學元器件、相 機、同步器、示蹤粒子和圖像處理設備如 PC機等。多數(shù)PIV系統(tǒng)僅能截取流場的 某個切面進行測量，需采用激光片光源照明流場。早期的相機使用膠片記錄粒子 圖像(Graphic PIV)，不僅后續(xù)處理耗時且繁瑣，也不能結(jié)合計算機圖像處

5、理技術(shù)。 近年來，隨著高分辨率、高速相機的性價比不斷提高，數(shù)字式 CCD相機已占主 導地位(Digital PIV)。高能、高頻脈沖式激光器的應用則要求光源和相機在同步 器的控制下配合工作。示蹤粒子的選擇和布撒是獲取流場圖像的關(guān)鍵因素。為了使粒子的運動能夠代表流場的真實流動，對示蹤粒子的直徑大小、密度、形狀、 光散射性能、播撒均勻性及濃度(根據(jù)流場中粒子濃度高低可分為不同模式：LSV、 PIV和PTV，統(tǒng)稱為PIV技術(shù))等都有要求，保證粒子對流動介質(zhì)具有較好的跟 隨性，并獲得高質(zhì)量的粒子圖像。在 某些特殊場合，可利用流場本身含有的微小顆粒作為示蹤粒子。（2）速度信息獲取。當?shù)玫搅鲌鰣D像后， P

6、IV 在本質(zhì)上轉(zhuǎn)化為圖像處理技術(shù)。 經(jīng)過相機標定、濾波等預處理后，通過粒子匹配算法獲得粒子在像平面上的位移， 進而計算出粒子的運動速度矢量分布。 計算粒子在圖像上的位移是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)， 也是PIV研究的難點。最早采用光學楊氏條紋法、自相關(guān)法等來匹配粒子圖像， 但本身具有不可克服的缺點。目前，PIV算法一般采用灰度圖像互相關(guān)法處理粒 子圖像，粒子匹配率和精度較高。PIV算法用粒子簇的運動代替點運動，適合于 粒子濃度較高、粒子簇速度變化不大的場合。PTV算法對單顆粒子識別、跟蹤并 計算位移， 粒子匹配率和空間分辨率較低， 可通過減小粒子體積來提高空間分辨 率，但同時會降低粒子的散射光強。比較常用的

7、PTV算法有：BICC,VGT, SPRING, 42FRAM。正在發(fā)展的粒子匹配算法有拓撲圖論、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模糊聚 類方法等。（3）速度矢量場顯示。經(jīng)過誤配矢量 （人工或算法自動 ）剔除后，得到最終數(shù)據(jù) 并顯示，必要時還可使用插值算法以獲得更稠密的速度矢量分布。 流動測量新課 題對PIV技術(shù)提出更高要求，促使PIV研究邁向新的高度，在動態(tài)范圍、測量精 度、測量時間、粒子布撒技術(shù)和圖像處理算法等方面仍存在需要研究和改進的地 方。當前，PIV研究至少在以下幾個方面繼續(xù)深化，這些工作的進展和突破，依 賴于硬件設備的提升、新方法的研究和應用。 完善二維PIV。近幾年來，常規(guī)二維PIV的研究重

8、點是發(fā)展高精度、強健 的粒子像平面位移估算方法。 例如， 圖像匹配策略和各種提速算法； 減小測量誤 差；采用亞像素定位方法提高位移估計精度； 提高粒子像中心定位精度； 提高分 辨率；使用形變窗口提高精度和分辨率。 多相流PIV。由于大量多相流動現(xiàn)象的存在，發(fā)展多相流 PIV成為必然趨 勢。改進普通PIV技術(shù)，選擇合適的示蹤粒子和恰當?shù)恼彰鞣绞健?先轉(zhuǎn)化為單相， 利用已有技術(shù)分別對單相粒子圖像進行處理， 分離和轉(zhuǎn)換多相流的粒子圖像是關(guān) 鍵。 微PIV。實現(xiàn)對微小尺度流動的速度場測量，可滿足微機械系統(tǒng)（MEMS）、 生物芯片等研究的需要。其原理和普通PIV相同，但在流場照明方式、粒子布撒、圖像獲取

9、以及匹配算法等方面存在較大差別。 三維PIV。研究覆蓋了對切面三維速度場及某個容積內(nèi)三維速度場的測量。 前者的技術(shù)較為成熟， 后者的難度高于前者， 特別是空間三維連續(xù)速度場測量技 術(shù)的難度最大，對諸如非定常、非周期體三維流動研究具有重要現(xiàn)實意義。 二、三維 PIV 技術(shù)當前的許多新課題以三維流動為對象，因而更加迫切需要深入開展三維 PIV 研究，以更好地揭示流場內(nèi)部復雜的三維結(jié)構(gòu)，更深刻地反映流場的流動機理， 從本質(zhì)上反映流場的性質(zhì)。按照光源對流場的照明方式，現(xiàn)有的三維PIV技術(shù)可分為兩大類：一是對某個 切面內(nèi)三維速度的測量 （2D-3cPIV ，片光照明 ） ，目的是在提取切面二維速度分 量

10、的同時獲得第三個空間速度分量； 另一種技術(shù)是測量某個容積內(nèi)體流動的三維 速度（3D-3CPIV，體積光照明），實現(xiàn)真正意義上的全場三維PIV?？梢愿鶕?jù)相鄰 切面的二維速度場，運用三維流動的連續(xù)性方 程計算出切面法線方向的第三個速度分量，這種方式本質(zhì)上仍屬于二維PIV方法。目前，三維PIV的主要思路是計算粒子的三維空間坐標，經(jīng)過粒子匹配后，再根 據(jù)三維空間位移，獲得粒子的三維速度矢量。2D-3CPIV 原理理論上講，從不少于兩部相機的粒子圖像中才能提取第三個速度分量。 多數(shù) 采用兩部相機兩光軸的構(gòu)成形式，模仿人眼雙目測距原理，根據(jù)成像幾何關(guān)系， 計算粒子的空間坐標。如圖3所示，01、Or分別表示

11、左右相機的光學中心，f為焦距。P點代表被 照明的真實粒子，在三維空間坐標系 OwXwYwZw下的坐標為（Xw,Yw,Zw），在像平面像素坐標系中的坐標為 （u,v）圖 3 2I>3cPn' 埋國Fis-J Dhgniiiirf !I>3cPn*4 2I>3cPn. feHLi'JtjFig.4 Cjiintni Anug&mnt 2I>VPIT幾何共線方程（粒子中心、相機光學中心和粒子像中心在一條直線上） 是其理論基礎，反映了相機像平面坐標與三維空間坐標的映射關(guān)系，矩陣表達式為:0】0；U：0Ot0 10-Xwl|Yw1_1乙簡記為K=MjMeX

12、w=MXw。其中,K為像平面坐標向量,Xw是被照明粒子的空間坐標向量。Mj、Me分別由相機的內(nèi)外部參數(shù)決定。首先標定相機，確定出相 機的內(nèi)外參數(shù)。在式（1）中，若知道粒子的空間坐標和圖像坐標，即已知K和Xw， 求M，這是相機的標定過程。左右相機的標定是分別進行的，所有相機具有和式（1）相類似的表達式。測量時，K和M已知，求解Xw獲得粒子的空間坐標。 設粒子在不同時刻的空間坐標為(Xwtl,Ywtl,Zwtl)和(Xwt2,Ywt2,Zwt2),則它的三維速 度是：|U|=|Xwt2 Xw/(t2tj|v| =|Ywt2 Ywt/(t2 ti) 網(wǎng)=|Zwt2 -Zw/t-切 方向由t1時刻位置

13、指向t2時刻位置。三、三維PIV研究若干進展在各種主客觀因素的推動下，三維 PIV研究進展迅速。2D-3CPIV歷經(jīng)10余年 的發(fā)展，技術(shù)逐漸成熟，已出現(xiàn)多種商品。目前，2D-3CPIV的主要缺點是速度矢量的第三個(離面)分量沒有平面內(nèi)兩個分量的精度高，研究重點集中在拓展 應用范圍、提高測量精度和空間P時間分辨率等方面。相機標定精度決定測量精 度，片光和標定板之間的偏差是測量誤差的主要 因素。傳統(tǒng)標定法要求標定板和片光嚴格共面，導致標定過程耗時且煩瑣。自標定技術(shù)能有效提高標定精度，簡化標定過程。另外，2Dt-3cPIV(切面三維連續(xù)速度場)在保持適當空間分辨率的同時能使時間分辨率達到幾百甚至數(shù)十kHz，可滿足高速流動測量的需要。當前，三維PIV研究的重點轉(zhuǎn)向?qū)θS空間體流動的測量。可采用片光連續(xù) 掃描方式獲取切面三維速度場，然后由若干相鄰切面整合成體流動的三維速度場。 這種方法利用現(xiàn)有的PIV算法而容許流場內(nèi)粒子濃度較高，但算不上真正的體 三維PIV。數(shù)字全息技術(shù)能實現(xiàn)3D-3CPIV測量，并進