[发明专利]一种基于运动图像回溯的床面颗粒辨识追踪方法

权利要求书

1.基于运动图像回溯的床面颗粒辨识追踪方法，其特征在于：对符合采集条件的水槽床面颗粒运动图像信息进行辨识与跟踪，获取颗粒随机运动的全过程特征信息；

具体包含以下步骤：

步骤1），基于水下摄影的明槽床面颗粒状态图像采集技术，通过实时监控获取水槽床面颗粒运动的图像信息；

泥沙颗粒控制条件：粒度比较均匀的窄级配泥沙，D₅₀=0.8~1.5mm；水流强度控制范围：弗汝德数F_r=0.25~0.36；相应床面颗粒运动控制强度为：Shields数θ=0.021~0.042；图像采集要求：视频像素为640×480，图像采集频率不低于120帧/s，每个采集视频时长不低于20s；保证视频图像数量达到2400帧以上，每两帧图像间隔0.0083秒以内；

步骤2），对获取的视频进行预处理，利用二值法调节其图像数据分辨率，使每帧图片都适用于后续辨识与跟踪处理；

步骤3），对采集视频图像采用特征检测和提取算法进行读取、解析；首先引入视觉.前景探测器作为检测模块，采用二维高斯混合模型检测前景；随后使用斑点分析组件函数检测连通域，通过去背景化，将背景与前景中的运动颗粒分开，获取辨识追踪运动目标；随后，在综合考虑光照、颗粒形态等因素对颗粒检测面像素域面积影响的基础上，根据颗粒大小与形态学特征对前景图像中的噪点进行剔除；剔除的噪点为椭圆长边小于拍摄视野内运动颗粒粒径2/3的目标，对剔除噪点以后的前景内连通域进行形态矫正后，确认获取有效的辨识追踪运动目标；利用中心输出端口定位运动目标质心，并输出纵横坐标（x_p0, y_p0）；

步骤4），给每一颗料获取的运动目标以数字编号命名，链接后续帧流图像中所识别的前景对象运动颗粒，使用运动回溯方法辨识、追踪每个运动粒子在不同帧像中的位置；基于帧间粒子辨识模型，确定在连续帧中粒子运动位置：辨识过程是通过回溯颗粒运动历史及运动特征，对颗粒在下一帧图像中可能到达的区域范围进行分析定位；基于其帧间投影位置，通过对粒子多个比较循环的重复识别，剔除匹配性差的目标，提取匹配性优良的目标，辨识锁定目标颗粒在当前帧中的位置，从而将其与以往帧流中的某一颗粒链接成功，并以该颗粒的编号命名；其它目标将视为首次起动的颗粒，以新的编号命名，在以后的帧流图像中再进行筛选与之链接的目标，实现对其的辨识追踪；同时利用动态阈值和形态学斑点分析法去除数据噪声，最终确定被检测辨识出的运动颗粒在每帧图像中的质心位置，获取在观测区中的颗粒纵横坐标（x_p, y_p）；

步骤5），活性粒子与惰性粒子的识别：在低强度起动环境条件下，选择采样间隔Δt内顺流向位移达0.1D₅₀为颗粒运动阈值u_c，进行颗粒活跃性甄别；若颗粒持续运动的u_p ≥ u_c，则颗粒处于运动状态，属活性粒子；反之，则认为颗粒处于等待状态，属静止或微幅摆动的惰性粒子；根据起动阈值对采集数据进行分类识别，摈除惰性粒子颤抖效应的噪声干扰，筛选出满足起动阈值以上的床面活性粒子；依据Baek-Lee松弛算法进行粒子运动追踪与运动状态的三维重构；

通过上述对颗粒活动性的甄别，提高颗粒运动数据质量与可靠度；

步骤6），每个运动颗粒在连续帧间移动时的质心被标识后，采集在不同帧间运动的活性粒子质心像素坐标（x_p，y_p），以此方法在帧流图像中锁定各帧中目标颗粒位置，然后在帧之间识别每个活性粒子的自身运动轨迹，在连续帧图像中追踪同一颗粒形成坐标轨迹链；计算确定其在流场中的纵向位移Δx_p和横向位移Δy_p，获取各种运动特征值，包括速度、加速度（1~4式）、相对于流向的位移角、最大运动距离以及颗粒运动轨迹等多尺度信息，实现对目标颗粒运动过程的追踪与运动状态多维信息的采集；

Δx_p= x_p（t +Δt）- x_p（t） （1）

Δy_p= y_p（t +Δt）- y_p（t） （2）

u_px=Δx_p/Δt）;u_py =Δy_p/ Δt （3）

a_px=Δu_px/Δt）;a_py =Δu_py/Δt （4）

式中：x_p（t）和x_p（t+Δt）分别为在t时刻和经过Δt后，活性粒子的质心像素纵坐标；y_p（t）和y_p（t+Δt）分别为在t时刻和经过Δt后，活性粒子的质心像素横坐标；Δt为视频采样时间间隔；

步骤7），基于滤波的有效活性粒子数据集建立：采用滤波除噪技术对床面活性粒子进行运动过程的完整有效性识别，建立有效活性粒子运动数据集；根据完整性定义，视频刚开始即离开采集视场或视频将完时才进入采集视场的粒子数据均属信息不完整的无效数据；为满足颗粒至少经历一次“运动-停止-运动”状态转换，选择运动轨迹累积位移超过10D₅₀为床面活性粒子的有效样本；使筛选出的有效活性粒子数据具备运动、等待交替出现的全部行为特征，以及运动时间与等待时间交替出现的完整时间特征；根据上述标准界定具有完整状态转换的有效序列样本，对所有床面活性粒子数据进行滤波除噪筛选；剔除运动不完整的无效颗粒数据，最终筛选出有效活性颗粒轨迹样本集和空间坐标数据集N_s ；

步骤8），追踪中的颗粒定位误差处理：在床面运动颗粒识别跟踪时，为避免将颗粒单个坐标链接到运动轨迹中产生的定位误差，采用两种降低误差的方法；一是对颗粒运动轨迹数据进行滤波处理：沿颗粒运动轨迹，搜索颗粒各单步位移；然后滤除其中的颗粒运动无效步长L_s（L_sD₅₀/4）；二是对采集颗粒图像清晰度的限制要求：在分析图像中，单颗粒子的直径不小于3个像素，由此限制试验颗粒的最小直径；这样就可以避免跟踪模糊度、减小定位误判，保证颗粒追踪质量；

步骤9) ，对沿运动轨迹的颗粒速度进行平滑滤波处理；然后在确认选择的有效活性粒子长轨迹数据集里，进行颗粒状态特征值的分析与提取；输出床面颗粒的拉格朗日坐标轨迹链表和活性粒子的各种运动特征值。