多介质下三维粒子图像测速算法研究

When measuring the flow field with three-dimensional particle image velocimetry (3DPIV) technology, there are usually two or more kinds of media between vision system and tracing particles, such as air, glass, water and so on. These media not only change the optical path, but also decrease quality of particle images. The multimedia influence will cause large errors to the measurement results. In order to solve this problem, this research work is carried out: Firstly, the optical phenomena, such as refraction, scattering, absorption caused by the media, will be studied based on the principle of PIV in this project, and the media effect rules will be concluded with PIV experiments. Secondly, a new 3DPIV method will be proposed based on the previous works，which includes restoration algorithm of degenerative particle image, matching algorithm of distortion image and matching algorithm of homonymy points on different images. The method proposed in this project can decrease or eliminate the impact of media and improve the precision of 3DPIV, because the internal factors and external factors of 3DPIV are considered together during investigation on 3DPIV method. So the research of this project is of benefit to the application fields of PIV.

当使用粒子图像测速技术对目标流场进行测量时，在成像系统与示踪粒子间往往存在着两种及两种以上的介质，如空气、玻璃、水等。这些介质不仅改变了粒子成像时的光路而且降低了粒子像的质量，因此测速过程中若不考虑介质的影响便会导致测量结果出现较大的误差。针对这一情况，本项目结合粒子图像测速原理对由介质所引起的折射、散射、吸收等现象进行研究，发现并归纳出介质对粒子图像测速过程的影响规律，并在此基础上提出一种新式的三维粒子图像测速方法，其中包括：粒子退化图像的还原算法、畸变图像的匹配算法以及同名点的对应方法。该套方法的研究综合考虑了粒子图像测速方法自身的影响因素以及系统运行时的外部影响因素，有效地降低或消除了介质的影响，提高了粒子图像测速的准确程度，从而拓展了粒子图像测速技术的应用领域。

粒子图像测速技术是在流动显示技术基础上发展起来的一种非接触式的测量方法。由于该技术可以对一定范围内的目标流场进行无扰动、瞬态、全场的细微剖析，因此在流体力学研究领域具有着重要的应用价值。本课题立足于三维粒子图像测速技术，旨在解决多种光学介质下流场的空间重建问题。根据粒子图像算法结构，课题的研究工作分为三个部分：1) 粒子图像的静态分析；2)粒子图像间的匹配；3) 介质影响下粒子的空间重构。在第一部分研究内容中，课题研究以提取图像中的示踪粒子为主线，探索了像面上粒子间的结构特点，并通过自适应阈值法进行图像分析，基于图像分割技术提出了粒子散斑的检测方法以及混叠粒子的辨识方法。在第二部分研究内容中，课题研究工作以折射畸变影响下同名粒子点的搜索为主线，将局部匹配与全局优化相融合、将区域匹配与特征匹配相融合，一方面探索不同角度下粒子图像间的立体匹配方法，另一方面探索不同时刻下前后帧粒子图像间的配准方法。通过研究提出了分层匹配策略，大幅度地降低了匹配过程中错误矢量的产生。在第三部分研究内容中，课题研究以高精度重构示踪粒子的空间位置为主线，推导了折射畸变影响下的坐标修正公式，并结合摄像机标定技术对短基线视觉系统下的粒子重构进行了实验分析，通过重构过程的矫正大幅度地缩小了实验测量值与真值之间的差距。本课题研究从粒子识别到同名点追踪匹配再到三维重构，系统地分析了实验过程中介质对粒子图像测速结果的影响，探讨了现代图像测量方法在粒子图像测速技术中的演化与发展，并在此基础上提出了一系列的粒子图像分析的优化方法，有效地降低了流体测量时的实验误差，提高了图像测速方法的可靠性，进一步推动了粒子图像测速技术的发展。