[发明专利]一种基于变分光流模型的流体速度测量方法

说明书

本发明属于图像处理相关技术领域，其公开了一种基于变分光流模型的流体速度测量方法，该方法包括：采用质量守恒方程替代变分光流模型数据项中的亮度平衡方程，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；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，将亮度参数代入优化后的变分光流模型即可求得流体的速度。该方法综合考虑了粒子图像信息和流体物理理论，不仅适用于低速不可压缩湍流，也适用于高超声速可压缩流场，同时针对粒子图像的噪声和光照影响具有较好的鲁棒性。

技术领域

本发明属于图像处理相关技术领域，更具体地，涉及一种基于变分光流模型的流体速度测量方法。

背景技术

随着测量技术的发展，流体流动测量技术逐渐取代了流动可视化技术在实验流体动力学研究中的地位。通过测量技术提取流体速度场，可以更深入的分析复杂的流场结构。粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)作为一种非接触、全场、瞬时测量技术，已成为流体流动测量的主要技术手段之一，并被广泛应用于航空航天、生物医学和纳米制造等领域。PIV技术测量的原理是将示踪粒子播撒到流体中以跟随流体运动，使用预先设定间隔时间的两束脉冲激光照明流体中某一平面内的示踪粒子，同时利用相机同步捕获两帧粒子图像。最后，通过确定粒子在两帧图像之间的位移和预先预定的间隔时间来计算流体速度场。

从PIV图像中提取粒子场运动速度的测量方法有两类：互相关方法和变分光流方法。互相关方法将粒子图像按照查询窗口的尺寸划分为网格，询问窗口是图像中的子域，通常大小在64×64pixels和16×16pixels之间。通过计算连续两帧图像查询窗口的最大相关系数来确定每个窗口的速度矢量，这个速度矢量代表着查询窗口内所有粒子的平均速度。互相关测量方法得到的速度场分辨率直接依赖于查询窗口的尺寸，通常要比PIV图像的分辨率低一个数量级。同时由于每一个速度矢量都是窗口内的平均速度，在流体速度梯度较大的区域，互相关方法的测量误差就会较大。变分光流方法假设示踪粒子亮度在连续两帧图像中保持不变的(亮度一致性假设)，建立了变分光流模型中的数据项。同时假设流场速度场具有连续平滑的性质(平滑约束假设)，并以此建立了变分光流模型中的平滑项。通过对建立的光流模型进行变分求解，可以得到与图像分辨率一样的速度场，即每像素一个速度矢量。变分光流模型通常是基于计算机视觉理论，并不是从流体力学基本方程中推导出来的。针对复杂流动结构，比如激波、回流区、剪切层、强涡流等，亮度一致性假设和平滑约束假设并不是严格成立的，变分光流方法的测量误差就会较大。同时变分光流方法对PIV实验中出现的图像采集噪声和激光光照不均匀的现象非常敏感，测量鲁棒性低。因此，亟需设计一种适用于高速复杂流体的流体速度测量方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于变分光流模型的流体速度测量方法，避免了求解过程中对亮度的不合理假设，更加符合实际运动过程，误差更小，同时针对图像采集噪声和激光光照影响具有较好的鲁棒性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于变分光流模型的流体速度测量方法，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所述流体的速度。