《PIV圖像分析》課件

PIV圖像分析粒子圖像測(cè)速(PIV)是一種非侵入式技術(shù)，用于測(cè)量流體速度場(chǎng)。PIV技術(shù)利用圖像分析來跟蹤流體中微小粒子的運(yùn)動(dòng)，從而計(jì)算流體速度。PIV技術(shù)概述速度測(cè)量技術(shù)PIV，粒子圖像測(cè)速技術(shù)，是一種非侵入式流動(dòng)測(cè)量方法，可以獲取流場(chǎng)中速度分布。激光光片照明PIV利用激光光片照射流場(chǎng)，使流場(chǎng)中添加的微小粒子散射激光。相機(jī)圖像采集相機(jī)捕捉到粒子散射光圖像，通過分析圖像中粒子位移，計(jì)算流場(chǎng)速度。PIV技術(shù)原理粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)是一種基于圖像分析的流場(chǎng)測(cè)量方法。1圖像采集使用高速相機(jī)拍攝流場(chǎng)中帶標(biāo)識(shí)粒子的圖像序列。2圖像處理對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理、配準(zhǔn)和濾波。3相關(guān)運(yùn)算使用相關(guān)算法計(jì)算圖像中粒子的位移。4速度場(chǎng)計(jì)算根據(jù)粒子位移和時(shí)間間隔計(jì)算速度場(chǎng)。PIV技術(shù)優(yōu)勢(shì)非侵入式測(cè)量無需在流體中放置探針，避免對(duì)流場(chǎng)造成干擾。高空間分辨率可獲取高分辨率的速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，揭示流場(chǎng)細(xì)節(jié)。高時(shí)間分辨率可捕捉瞬時(shí)流動(dòng)現(xiàn)象，揭示流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化。全場(chǎng)測(cè)量可同時(shí)獲取整個(gè)流場(chǎng)的速度信息，提供全局視角。PIV系統(tǒng)硬件組成PIV系統(tǒng)硬件組成主要包括：高分辨率相機(jī)脈沖激光器同步控制器數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)圖像采集流程1觸發(fā)信號(hào)同步光源與相機(jī)2圖像曝光采集兩幀圖像3數(shù)據(jù)保存存儲(chǔ)圖像文件圖像采集流程通常包括觸發(fā)信號(hào)、圖像曝光和數(shù)據(jù)保存等步驟。首先，觸發(fā)信號(hào)用于同步光源和相機(jī)，確保兩幀圖像的拍攝時(shí)間間隔精確可控。然后，相機(jī)根據(jù)觸發(fā)信號(hào)曝光采集兩幀圖像，記錄不同時(shí)刻流場(chǎng)中粒子的位置變化。最后，圖像文件被保存，以便進(jìn)行后續(xù)的分析處理。相機(jī)類型與參數(shù)相機(jī)類型PIV系統(tǒng)通常采用高分辨率的CCD或CMOS相機(jī)，以捕捉清晰的圖像。高幀率相機(jī)可以記錄流體運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)變化。參數(shù)設(shè)置曝光時(shí)間要足夠短，以避免粒子運(yùn)動(dòng)模糊。分辨率要足夠高，以確保圖像清晰度。幀率要足夠快，以捕捉流體運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)。光源選擇與布置光源類型PIV實(shí)驗(yàn)中常采用脈沖激光器作為光源，確保在短時(shí)間內(nèi)獲得清晰的粒子圖像。光源功率光源功率應(yīng)足以照亮測(cè)試區(qū)域，同時(shí)避免過強(qiáng)的光線導(dǎo)致圖像飽和。光源方向光源方向應(yīng)垂直于相機(jī)方向，避免光線直接照射相機(jī)鏡頭。光源位置光源位置應(yīng)確保測(cè)試區(qū)域均勻照明，并避免陰影遮擋粒子圖像。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)流場(chǎng)區(qū)域選擇根據(jù)研究目標(biāo)確定流場(chǎng)區(qū)域，例如風(fēng)洞測(cè)試段或模型周圍。光源與相機(jī)位置根據(jù)流場(chǎng)規(guī)模和粒子大小，合理選擇光源類型、功率和相機(jī)型號(hào)。粒子選擇與沉積選擇合適的粒子，確保粒子大小、密度和折射率適合實(shí)驗(yàn)條件。測(cè)試樣品準(zhǔn)備11.樣品類型選擇根據(jù)研究對(duì)象和實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適樣品類型。比如研究空氣動(dòng)力學(xué)，可以使用飛機(jī)模型。22.樣品尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)合適尺寸的樣品，方便放置在測(cè)試區(qū)域內(nèi)。33.表面處理樣品表面處理要平滑光潔，避免影響粒子圖像的采集和分析。44.固定與支撐選擇合適的固定方式，保證樣品在測(cè)試過程中穩(wěn)定且不會(huì)影響流場(chǎng)。粒子選擇與沉積粒子尺寸選擇合適的粒子尺寸，與流體密度和粘度相匹配。粒子類型常見粒子類型包括玻璃微珠、空心玻璃微珠和聚苯乙烯微珠。粒子濃度控制粒子濃度，避免遮擋光源或影響流場(chǎng)。粒子沉積將粒子均勻沉積在測(cè)試樣品表面，確保足夠的粒子數(shù)量。圖像預(yù)處理1圖像去噪消除圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量。中值濾波高斯濾波2圖像增強(qiáng)改善圖像對(duì)比度和清晰度，突出目標(biāo)特征。直方圖均衡化圖像銳化3圖像分割將圖像分割成不同的區(qū)域，以便于后續(xù)的分析和處理。閾值分割邊緣檢測(cè)圖像配準(zhǔn)與濾波圖像配準(zhǔn)確保不同圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為后續(xù)分析提供一致的參考框架。常見方法包括互信息配準(zhǔn)、特征點(diǎn)配準(zhǔn)等。圖像濾波去除圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量，為后續(xù)分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。常用濾波器包括高斯濾波、中值濾波等。圖像增強(qiáng)改善圖像對(duì)比度，突出感興趣區(qū)域，便于觀察和分析。常見的圖像增強(qiáng)技術(shù)包括直方圖均衡化、伽馬校正等。相關(guān)運(yùn)算原理交叉相關(guān)算法PIV圖像分析中使用交叉相關(guān)算法比較兩幅圖像，找到最大相關(guān)系數(shù)位置，該位置代表著流體粒子的位移?；ハ嚓P(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)用于量化兩個(gè)信號(hào)之間的相似性。在PIV中，互相關(guān)函數(shù)用于比較不同時(shí)間點(diǎn)的圖像，以找到流體粒子位移。傅里葉變換傅里葉變換將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到頻域，可以更有效地進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和濾波操作，提高計(jì)算效率和精度。速度場(chǎng)計(jì)算1交叉相關(guān)算法交叉相關(guān)算法利用圖像中粒子位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出每個(gè)像素點(diǎn)的位移矢量。2插值方法為了得到更平滑的速度場(chǎng)，需要對(duì)交叉相關(guān)計(jì)算得到的矢量進(jìn)行插值處理，常用的方法有線性插值、雙線性插值等。3速度場(chǎng)后處理對(duì)計(jì)算得到的速度場(chǎng)進(jìn)行平滑處理，消除噪聲，并將速度場(chǎng)轉(zhuǎn)換為更易于理解的形式，如矢量圖或等值線圖。速度矢量可視化PIV分析結(jié)果可視化，直觀展示流場(chǎng)速度分布。速度矢量以箭頭表示，長(zhǎng)度和方向?qū)?yīng)速度大小和方向。通過顏色梯度或等值線，可展現(xiàn)速度變化趨勢(shì)。速度分析指標(biāo)平均速度計(jì)算特定區(qū)域內(nèi)所有速度矢量的平均值，反映流體整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。速度方差衡量流體速度波動(dòng)程度，反映流體湍流程度。渦量描述流體旋轉(zhuǎn)程度，幫助識(shí)別流場(chǎng)中的漩渦結(jié)構(gòu)。湍流統(tǒng)計(jì)量分析湍流強(qiáng)度衡量流體速度波動(dòng)程度，反映湍流的劇烈程度。湍流尺度表示湍流渦旋的大小，反映湍流結(jié)構(gòu)特征。湍流能譜描述不同尺度湍流渦旋的能量分布，反映湍流能量傳遞過程。其他統(tǒng)計(jì)量包括偏度、峰度、自相關(guān)函數(shù)等，提供更多湍流特性信息。典型應(yīng)用案例PIV技術(shù)應(yīng)用廣泛，包括流體力學(xué)、機(jī)械工程、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。該技術(shù)可用于研究各種流體流動(dòng)現(xiàn)象，例如湍流、邊界層、渦流等。PIV技術(shù)可應(yīng)用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、水槽實(shí)驗(yàn)、工業(yè)生產(chǎn)過程、生物醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域。該技術(shù)可幫助人們更好地了解流體流動(dòng)規(guī)律，并進(jìn)行流體控制和優(yōu)化。風(fēng)洞流場(chǎng)測(cè)量風(fēng)洞是模擬飛行器周圍氣流的設(shè)備，PIV技術(shù)可用于測(cè)量風(fēng)洞中的流場(chǎng)速度和方向。通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以研究飛行器的氣動(dòng)力特性，例如升力、阻力、側(cè)滑力等，以及各種氣動(dòng)現(xiàn)象，例如邊界層分離、尾流現(xiàn)象等。PIV技術(shù)可用于測(cè)量風(fēng)洞中不同位置的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析流場(chǎng)變化規(guī)律，為飛行器設(shè)計(jì)提供重要的參考數(shù)據(jù)。水槽流場(chǎng)測(cè)量水流速度分布PIV技術(shù)可測(cè)量水槽中水流的瞬時(shí)速度和方向。流動(dòng)現(xiàn)象分析可研究水流的湍流度、漩渦結(jié)構(gòu)等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。工業(yè)生產(chǎn)流場(chǎng)PIV技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)流程中廣泛應(yīng)用。用于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)效率和降低能耗。例如，在汽車制造過程中，PIV可用于分析車身周圍氣流流動(dòng)，優(yōu)化車身設(shè)計(jì)，降低風(fēng)阻。在化工生產(chǎn)中，PIV可用于分析反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)，提高反應(yīng)效率，減少能耗。生物醫(yī)學(xué)流場(chǎng)PIV技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)流場(chǎng)分析中發(fā)揮重要作用。例如，研究血液流動(dòng)、心臟瓣膜功能、藥物輸送效率等。PIV可以提供詳細(xì)的流場(chǎng)信息，幫助醫(yī)生診斷和治療疾病，促進(jìn)醫(yī)學(xué)研究和藥物開發(fā)。數(shù)據(jù)處理軟件商業(yè)軟件商業(yè)軟件提供專業(yè)的圖像處理功能，例如，PIVlab、DaVis等。它們通常提供完善的功能，包括圖像預(yù)處理、相關(guān)運(yùn)算、速度場(chǎng)計(jì)算等。開源軟件開源軟件如MATLAB、Python，具有靈活性和可擴(kuò)展性。用戶可以使用這些平臺(tái)自定義圖像處理算法，滿足特定需求。軟件選擇選擇軟件需考慮分析目標(biāo)、數(shù)據(jù)量、預(yù)算等因素。結(jié)合具體應(yīng)用需求，選擇最合適的軟件工具。軟件界面操作1數(shù)據(jù)導(dǎo)入從硬盤或網(wǎng)絡(luò)加載圖像數(shù)據(jù)。2參數(shù)設(shè)置調(diào)整相機(jī)、光源和粒子信息。3圖像處理對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理和相關(guān)計(jì)算。4結(jié)果分析顯示速度場(chǎng)和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。5報(bào)告輸出生成包含結(jié)果和分析的報(bào)告。PIV軟件通常提供友好的用戶界面，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、參數(shù)設(shè)置、圖像處理和結(jié)果分析。處理流程示例圖像導(dǎo)入將PIV圖像導(dǎo)入軟件，并進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置。圖像預(yù)處理對(duì)圖像進(jìn)行濾波、校正等操作，去除噪聲和干擾。相關(guān)運(yùn)算利用互相關(guān)算法，計(jì)算圖像中不同位置的位移。速度場(chǎng)計(jì)算將位移信息轉(zhuǎn)化為速度場(chǎng)，獲得流場(chǎng)中的速度分布。數(shù)據(jù)分析對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取流場(chǎng)的平均速度、湍流強(qiáng)度等參數(shù)?？梢暬故緦⒎治鼋Y(jié)果以圖形和表格形式展示，方便用戶直觀理解。數(shù)據(jù)可視化PIV圖像分析的最終結(jié)果通常以速度矢量場(chǎng)的形式呈現(xiàn)?？梢暬椒ò伾成?、箭頭或流線圖等，以便清晰直觀地展示流體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。用戶可以通過交互式界面縮放、旋轉(zhuǎn)或平移速度場(chǎng)，更深入地分析流場(chǎng)特征。除了基本的速度矢量場(chǎng)，PIV分析還可以生成其他可視化結(jié)果，例如速度輪廓圖、渦量場(chǎng)、湍流強(qiáng)度圖等，幫助用戶更全面地理解流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)果分析與報(bào)告數(shù)據(jù)可視化結(jié)果可視化，將速度場(chǎng)、湍流等數(shù)據(jù)以直觀的圖表、動(dòng)畫形式呈現(xiàn)，便于分析和理解。分析報(bào)告編寫詳細(xì)的分析報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)參數(shù)、數(shù)據(jù)處理方法、結(jié)果分析、結(jié)論等，并提供清晰的圖表和圖像?？偨Y(jié)與展望11.PIV技術(shù)成熟PIV技術(shù)已