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    188宝金博页面版: 波流实验中的图像处理技术

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    内容提示： 第 24 卷第 4 期 水 利 水 电 科 技 进 展 2004 年 8 月 波流实验中的图像处理技术 孙鹤泉 ， 沈永明 ， 邱大洪 ， 李广伟 ( 大连理工大学海岸和近海工程 国家重点实验室 ， 辽宁 大连 l 16023) 摘要 ： 介 绍 了两种利用 图像 处理技术 实现 非接 触测量的分析方 法 ： 基 于 图像 互相 关分 析的二 维 PⅣ 流场测试技术 以及在 污染物扩散 实验 中采用 的基 于图像 分析 的测 量方 法 ， 对 PIV 技 术 中的 互相 关 分析算 法及其 快速 实现 手段 以及通过分析 实验 图像 获取 污染物扩散 信 息的具 体算 法进 行 分析 ， 几 组 实验 图像 的分析 结果表 明， 这两种...

    文档格式：PDF | 页数：3 | 浏览次数：98 | 上传日期：2013-10-13 15:48:22 | 文档星级：
    第 24 卷第 4 期 水 利 水 电 科 技 进 展 2004 年 8 月 波流实验中的图像处理技术 孙鹤泉 ， 沈永明 ， 邱大洪 ， 李广伟 ( 大连理工大学海岸和近海工程 国家重点实验室 ， 辽宁 大连 l 16023) 摘要 ： 介 绍 了两种利用 图像 处理技术 实现 非接 触测量的分析方 法 ： 基 于 图像 互相 关分 析的二 维 PⅣ 流场测试技术 以及在 污染物扩散 实验 中采用 的基 于图像 分析 的测 量方 法 ， 对 PIV 技 术 中的 互相 关 分析算 法及其 快速 实现 手段 以及通过分析 实验 图像 获取 污染物扩散 信 息的具 体算 法进 行 分析 ， 几 组 实验 图像 的分析 结果表 明， 这两种 测量方法是可靠和 实用的 。 关键词 ： 图像 处理 ； PIV ； 互相 关分析 ； 流 场 ； 污染物测量 ； 波流 实验 中图分类号 ： T V139． 2 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1006— 7647(2004)o4— 0037一 O3 通常在波流实 验 中采用 的流 速测 量仪器 ， 只能 对流场进行单点 测量 ， 且 多数 仪器 在应 用 时需要 接 触 流场 ， 不 能对测量 区域 内的流场进行无扰动测量 ． 如超声波 多普勒测 速仪 ADV ， 测 量探 头需 要进入 水 体 内部才能进行测量 ， 而且只能进行单点测量 ． 当流 速变化对 外部干扰敏感且在空 间上 变化剧烈并需要 测量 流速 的二 维分 布时 ， 接触 式 的单 点测 量仪器 已 经无法满足测量要求 ． 计算机 技术 与 图像 处理技 术 的快速发 展 ， 使流 场测 试技术得 以迅速发 展与 提高 ． PⅣ( particle image veloeimetry， 粒子 图像 测速 ) 【 I-2 J技 术是 近 1O 年发 展 起来 的非接触 流场 测量技 术 ， 通 过对 流场 图像 的互 相关分析获取流速 信息 ， 克 服 了接触 式单 点测 量设 备的局限性 ， 能够 进行 平 面二维 乃至 三维 流场 的测 试 ， 是一 种非常有发展 前景的无扰 动流场 测量技术 ， 已经成功地应用在海洋工程 实验和航空实验 的流场 测量 中 ， 如波浪实验 、 潮 流实验的流速测试 以及航天 风洞实验 中的气 体运动 测量 等 ， 为科 研人 员深 入 了 解流场 内部 的速度 分布提供了有效 的手段 ． 利用图像处理技术实现污染物扩散的实验研究 同样得到了科研人 员 的高度 重视 ， 通 过 对模 型实验 中污染物 图像 的分 析 ， 可 以获得污染 物在 波浪 、 水流 等动力条件下浓度 和分 布范 围 的变化情 况 ， 进 而掌 握污染物迁移 、 扩散 的机理 ， 为近海 区域排 污系统 的 设计提供依据 ． 1 PIV 技术 PIV 技术是一种基于 流场 图像 互 相关分 析 的流 场测量技术 ， 能够无扰动 、 精确有效地测 量二 维流速 分布 ． 近 1O多年来 ， 随着激光技术 、 计算机 技术与 图 像处理技术 的发 展 ， PIV 技 术 有 了长 足 的发 展 和 广 泛 的应用 ． 作为 H V 技术 核心 的流场 图像分 析方 法 主要是通过二维互 相 关分 析 ， 并利 用速 度 的基本 定 义 ， 通 过测量示 踪粒 子在 已知 时 间间 隔 内的位移 实 现对流场 内部速度 分布 的测量 ． 1． 1互相关分析理论 如果 t。 时刻 的流场 图像表示 为 ， l( ， Y) = ， ( ， Y) + nl( ， Y) ， t2 = tl + △ t 时刻 的流场 图像就 可 表示为 ， 2( ， Y ) = ， ( + A x ， Y + A y ) + n2( ， Y ) ， 其 中 ， nl ( ， Y) 和 n2( ， Y) 为随机噪音 ， 且与有效 图 像 函数 ， ( ， Y) 不相关． 计算 ， l ( ， Y) 与 ， 2( ， Y) 的 互相 关 函数 rl2( ， r ) ， 结合 自相关 函数 在 原 点取 得最 大值 的特性[3,4J ， 可以得 到如下公式 ： r1 2( r ， r ) ≤ r1 2( 一A x ，一△， ， ) 由此可 知 ， 互相关 函数 的最 大值 所在 位置 对应 流场 间的相 对 位移 ， 即水质 点 在时 刻 t。 与 t 之 间 的位 移， 进而可以计算 出流场在 △t 内的速度． 如图 1所 示 ， 对流场实验 中连续 获得 的两 幅 图像划 分均 匀 网 格 ， 通过计算每一网格对之间的互相关函数 ， 利用互 相关 函数最大值的位置即可确定所有网格中心位置 的平均相 对位移 ， 从而 能够 获得 整 幅 图像 对 应 的流 场运动分布． 为了提高运算效率， 具体的算法实现可 采用二维快速 Fourier 变换 (2D— FFr ) [ - ]或二维快 速 Hartley 变 换 ( 2D — FHT ) L5 J 实 现 互 相 关 函 数 的快 速 ( 1) 计算 ． 基 金项 目： 国家杰 出青年 科学基 金资 助项 目(50125924) ； 国家 自然科学 基金 重点资 助项 目( 1 0332050) 作者简介 ： 孙鹤泉( 1973- - ) ， 男， 山东莱州人 ， 讲师， 硕士， 从事信息技术在海洋工程中的应用研究． · 37 · 维普资讯 http://www.cqvip.com

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