[发明专利]一种基于变分光流模型的流体速度测量方法

权利要求书

1.一种基于变分光流模型的流体速度测量方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，采用质量守恒方程替代变分光流模型的数据项中的亮度平衡方程，并将所述质量守恒方程中的密度参数替换为亮度参数，而后对该数据项进行噪声修正，同时，将流体的速度分解为多种形式的运动分量，并对分解的每项分别进行平滑约束和噪声修正后求和获得所述变分光流模型的平滑项，以此方式得到优化后的变分光流模型；

S2，获取采集的具有示踪粒子的连续两帧粒子图像的亮度参数，将所述亮度参数代入优化后的所述变分光流模型即可求得流体的速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S21，对采集的连续两帧粒子图像进行降采样获得对应层中分辨率大小一致的第一帧粒子图像金字塔和第二帧粒子图像金字塔；

S22，根据所述第一帧粒子图像和第二帧粒子图像在该层的亮度获取亮度梯度，将所述亮度梯度代入所述变分光流模型获得速度场(u₁，v₁)，采用该速度场(u₁，v₁)对第二帧粒子图像金字塔中的对应层进行变形，根据变形后的第二帧粒子图像金字塔以及所述第一帧粒子图像的亮度获取亮度梯度，将该亮度梯度再次代入所述变分光流模型获得速度场增量(δu₁，δν₁)，并将速度增量(δu₁，δv₁)增加至所述速度场(u₁，v₁)获得所述速度场(u₂，v₂)，将所述速度场(u₂，v₂)对第二帧粒子图像金字塔的对应层进行变形，根据变形后的第二帧粒子图像金字塔以及所述第一帧粒子图像的亮度获取亮度梯度，将该亮度梯度再次代入所述变分光流模型获得速度场增量(δu₂，δv₂)，以此方式迭代次数达到预设值则执行下一层图像；

S23，对所述下一层图像重复执行步骤S22直至第底层图像执行结束所得速度场即为流体速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述对该数据项进行噪声修正具体为采用双边滤波器进行修正；对分解的每项进行噪声修正具体为采用双边滤波器和/或基于图像亮度信息的函数进行修正。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S1中修正后的数据项E_data’的具体表达式为：

其中，Ω为整个二维图形空间，x和y分别为像素坐标，I为输入的粒子图像，u(x)＝(u(x)，v(x))^T是流体速度场，BF_I＝G_s·G_I是双边滤波器，其中，G_s是空间高斯滤波器，G_I是亮度高斯滤波器。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将流体的速度分解为多种形式的运动分量具体为采用亥姆霍兹速度分解定理将流体的速度分解为将所述流体的运动分为平移运动分量u、线变形运动分量χ、剪切变形运动分量θ和旋转运动分量ζ。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中所述并对分解的每项进行平滑约束的具体表达式为：

其中，为x方向的速度梯度；为y方向的速度梯度；为x方向的线变形梯度；为y方向的线变形梯度；为剪切变形梯度；为旋转变形梯度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，修正后的所述平滑项E_smooth’的具体表达式为：

其中，BF_ω＝G_s·G_ω为双边滤波器，G_s为空间高斯滤波器，G_ω为涡量高斯滤波器，为非二次惩罚函数，τ＝0.001，为所述图像亮度梯度信息的函数。