高清數(shù)碼攝像機(jī)示蹤粒子影像流態(tài)檢測試驗(yàn)研究

劉自放，任慶凱，梁 丹，孫浩鵬

（長春工程學(xué)院計算機(jī)工程與技術(shù)學(xué)院，長春130012）

0 引言

粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)是通過對示蹤粒子進(jìn)行圖像拍攝得到流場矢量信息的一種流場測量技術(shù)。這種測量技術(shù)首先要對比重適宜隨流場而動的示蹤粒子進(jìn)行瞬時圖像采集，圖像采集數(shù)量與時間間隔視測試任務(wù)具體要求與裝置的技術(shù)性能而定；再利用時間相鄰的圖像，進(jìn)行示蹤粒子定位與位移分析，進(jìn)而得到粒子的運(yùn)動信息；最后通過對示蹤粒子運(yùn)動信息的統(tǒng)計分析，還原出被測流場的流態(tài)。

目前，示蹤粒子法用于氣體、液體、氣液兩相及多相流態(tài)檢測已相當(dāng)普遍，技術(shù)日趨成熟。但目前普遍采用的示蹤粒子檢測方法，多需配置有激光光源的光學(xué)攝像系統(tǒng)。這種專門的且復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)與價格相對較為昂貴的設(shè)備，使一般使用者望而卻步。因此使得PIV技術(shù)的推廣應(yīng)用受到了限制。

隨著普通高清數(shù)碼攝像技術(shù)推向民用，攝像機(jī)用圖像處理芯片的功能越來越強(qiáng)大，運(yùn)算速度也越來越快。同時，與之相應(yīng)的普通微型計算機(jī)圖形處理軟硬件能力的增強(qiáng)，使得采用普通高清數(shù)碼攝像機(jī)與微型計算機(jī)搭建PIV平臺，進(jìn)行示蹤粒子流態(tài)檢測成為可能。

這種利用普通高清攝像機(jī)、普通光源、普通可視粒子進(jìn)行PIV測試的方法，是對PIV應(yīng)用技術(shù)的拓展與補(bǔ)充，也有利于加速PIV技術(shù)在多領(lǐng)域、多用途方面的推廣。

1 試驗(yàn)方法與流程

本試驗(yàn)采用的方法是：利用普通的高清攝像機(jī)攝制可見示蹤粒子隨液體運(yùn)動的數(shù)碼影像，然后利用數(shù)碼影像處理軟件將影像轉(zhuǎn)換為系列靜止圖片，通過對單幀數(shù)碼圖片進(jìn)行分析處理獲取示蹤粒子坐標(biāo)信息，再進(jìn)行相鄰圖片粒子坐標(biāo)信息的比對找到粒子運(yùn)動軌跡，最終通過統(tǒng)計分析得到被測流場的數(shù)據(jù)。流態(tài)測試流程如圖1所示。

2 檢測裝置與器材

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)原為檢測污水處理裝置性能而設(shè)。試驗(yàn)容器為透明水箱，呈扁平型，內(nèi)壁凈尺寸長×高×厚為800mm×600mm×100mm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，壁厚0.8mm；箱內(nèi)水流采用單管排孔側(cè)底部曝氣驅(qū)動，曝氣管順厚度方向安裝，排孔間距10mm，孔徑為1mm；氣源來自于氣泵，氣量大小通過針孔閥調(diào)節(jié)，由氣體浮子流量計觀測讀數(shù)。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

2.2 攝像機(jī)

試驗(yàn)采用的攝像機(jī)為普通高清數(shù)碼攝像機(jī)，1／3.2″CMOS影像感應(yīng)器，分辨率為1 920×1 080像素，幀速率為30幀／s。

2.3 示蹤粒子

本測試中的示蹤粒子為肉眼可視粒子，材質(zhì)為彩色聚苯乙烯塑料小球，表面光滑，粒子密度為1.04g／cm3，粒子直徑為5mm。

圖1 數(shù)碼影像示蹤粒子液體流態(tài)檢測方法流程圖

圖2 數(shù)碼影像示蹤粒子流態(tài)檢測示意圖

3 示蹤粒子影像處理

普通高清攝像機(jī)攝制的示蹤粒子數(shù)碼影像需要利用專門軟件和計算機(jī)程序進(jìn)行處理，圖像處理的核心為幀圖像粒子識別與臨幀運(yùn)動粒子跟蹤，整個處理過程可在微型計算機(jī)上進(jìn)行，普通能夠進(jìn)行三維圖形圖像處理的臺式計算機(jī)即可勝任數(shù)碼圖片處理工作。通過對數(shù)碼圖片處理信息的分析，可最終得出液體流場的流態(tài)分布結(jié)果。本試驗(yàn)采用的影像處理方法和流程如圖3所示。

圖3 數(shù)碼影像數(shù)據(jù)處理方法流程圖

4 測試過程中的主要技術(shù)問題

本試驗(yàn)采用的設(shè)備與器材普通常見，搭設(shè)試驗(yàn)臺簡捷方便，試驗(yàn)裝置與目前其他PIV方法相比價格低廉，在滿足測試要求的前提下，不失為一種可借鑒和推廣的方法。采用普通數(shù)碼攝像機(jī)進(jìn)行流態(tài)檢測的方法，目前尚未有更多的文獻(xiàn)報道，可供借鑒方法有限，下面就本方法中需要解決的主要問題作如下探討。

4.1 可測試容器的大小

本試驗(yàn)方法可測試的容積尺寸主要取決于數(shù)碼攝像機(jī)的最大像素數(shù)與流場測試精度要求。每個像素能夠描述的線性尺寸越小，測試精確度越高。測試精確度可用像素解析度P表示，像素解析度P含義為每像素所表示的長度，單位為mm／pix?？蓽y容器最大線性尺寸Xmax與攝像機(jī)邊長像素數(shù)Npix及像素解析度P間的關(guān)系可用公式（1）表示如下：

容器線性尺寸指容器的長L或容器的寬B，攝像機(jī)邊長像素數(shù)指攝像機(jī)成像畫幅長或?qū)挼姆直媛省Ｈ绻麛z像機(jī)像素數(shù)為1 920×1 080，像素解析度為0.5mm／pix，則可測畫幅尺寸為960mm×540mm。

4.2 示蹤粒子的選擇

在測試過程中，粒子的選擇要解決以下主要問題。

（1）粒子的材質(zhì)。粒子選材的主要因素是粒子的密度。在流態(tài)檢測要求允許范圍內(nèi)，采用粒子密度略大于液體的密度，粒子的重力沉降帶來的影響容易處理。在可忽略液體黏度改變的前提下，本試驗(yàn)采用向液體中投加大密度溶質(zhì)的方法，將液體的密度調(diào)整為與粒子的密度相當(dāng)，將重力對粒子運(yùn)動的影響盡可能減少到最低，以保證粒子較好的隨水性。經(jīng)篩選，采用了聚苯乙烯塑料小球，其密度為1.04g／cm3，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)需要。

（2）粒子的顏色。由于本試驗(yàn)采用的是可視影像捕捉粒子的運(yùn)動狀態(tài)，故顏色的選擇是示蹤粒子成像質(zhì)量的重要因素。本試驗(yàn)在無色透明的液體中進(jìn)行，示蹤粒子的顏色分別采用了紅、藍(lán)、黃、棕、黑5種顏色，經(jīng)過對比，發(fā)現(xiàn)紅色粒子圖像成像質(zhì)量最佳。分析其原因，主要是光線在有機(jī)玻璃和水中傳播時，藍(lán)綠色光線衰減較少，導(dǎo)致圖片顏色呈現(xiàn)偏藍(lán)綠的現(xiàn)象。在這種情況下，紅色物體產(chǎn)生的影像與背景影像有較好的顏色區(qū)分度。

（3）粒子的粒徑。本試驗(yàn)中，分別選用了直徑為5mm、8mm、10mm的示蹤粒子，5mm直徑的粒子已經(jīng)可以達(dá)到預(yù)期的效果?？紤]到粒子的隨水性和盡量減小粒子對水流的影響，本試驗(yàn)不考慮在采用直徑大于5mm的示蹤粒子。

（4）粒子的速度。本試驗(yàn)采用的數(shù)碼攝像機(jī)幀率為1／30s，粒子運(yùn)動趨勢靠相鄰兩張圖片比對取得。如果粒子運(yùn)動速度過大，則會將實(shí)際運(yùn)動曲線描繪成折線，造成流體運(yùn)動速度與方向的分析誤差。如果將粒子的相對位移控制在容器最大線性尺寸的1／50，則可認(rèn)為分析誤差不大。本實(shí)驗(yàn)裝置的最大線性尺寸為1 000mm，故粒子在1／25s時間間隔內(nèi)的線性位移限制為20mm，以此推算，液流的運(yùn)動速度最大不宜超過0.5m／s。

（5）粒子的數(shù)量。粒子數(shù)量大，瞬時流態(tài)反映效果好，但粒子的追蹤識別難度也相應(yīng)較大；反之粒子數(shù)量少，瞬時流態(tài)反映效果降低，但粒子的追蹤識別難度也相應(yīng)降低。如考慮粒子線性位移平均距離為10mm，則以該粒子位移終點(diǎn)為圓心，以10mm為半徑繪制一圓，如該圓內(nèi)有其他粒子存在，則有可能與該粒子相撞。粒子相撞產(chǎn)生軌跡交叉，造成后續(xù)圖像處理難度加大。粒子投放數(shù)量采用蒙特卡羅方法，利用計算機(jī)模擬試驗(yàn)確定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（部分樣本數(shù)值省略）見表1。

表1 模擬粒子隨機(jī)投放試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由模擬粒子隨機(jī)投放試驗(yàn)可知，本試驗(yàn)小球數(shù)量以不超過50粒為宜。

4.3 實(shí)驗(yàn)裝置的照明與背景

（1）光源的采用。本試驗(yàn)照明光源分別采用了白熾燈、碘鎢燈、日光燈、日光作為光源，以日光照明的方案效果最好，其原因是日光照射具有足夠的強(qiáng)度，圖片色彩還原好，便于后期數(shù)碼影像地處理。

（2）光源照明方式。實(shí)驗(yàn)的光照方向分別采用了順光、側(cè)光、頂光、順測光、順側(cè)頂光、背光和散射光，以散射光照明的方案效果最好。

（3）攝像背景的處理。試驗(yàn)中，攝像時的背景越簡單，后續(xù)圖像的處理就越容易，試驗(yàn)中采用了普通白背景、帶有反光效果的投影幕為背景，以投影幕做背景時效果較好。

4.4 攝像參數(shù)的選擇

攝像時的參數(shù)主要有快門和光圈。

快門的速度。普通攝像機(jī)的幀率為1／25s，因此攝像時的快門速度不應(yīng)低于1／50s，光線充足時，宜選擇1／100～1／500s或更短幀曝光時間的快門速度。若快門速度慢，則曝光時間長，運(yùn)動的示蹤粒子會在圖片上表現(xiàn)為邊緣模糊甚至“拖尾”的影像，造成示蹤粒子影像模糊，粒子定位準(zhǔn)確度降低。

光圈的取值。光圈數(shù)值不僅可以影響影像曝光量的大小，同時還可以影響景深的大小。景深是沿攝像方向能夠清晰拍攝物體的長度范圍。光圈大，景深小，容易造成景深以外的物體攝制影像不清晰；而光圈小，雖有較大的景深，卻難以保證圖像有足夠的曝光量。為了使攝制的影像在測試容器沿攝制方向的縱深范圍內(nèi)有清晰圖像，攝制時應(yīng)保證景深dL大于測試容器沿攝制方向的厚度。景深影響因素可用公式（2）表示。

式中：F——光圈數(shù)值；

δ——允許的彌散圓直徑；

L——攝制距離；

f——鏡頭的焦距。

彌散圓直徑δ的含義為：物體上一點(diǎn)在影像感應(yīng)器上成像時，由于存在像差，成像光束不會聚于一點(diǎn)，且在像平面上形成擴(kuò)散的圓，該圓稱為彌散圓。彌散圓在本試驗(yàn)中限制其直徑不應(yīng)超過一個像素的尺寸，否則造成物體影像模糊，影響成像質(zhì)量，圖像后續(xù)處理困難。對于普通高清數(shù)碼攝像機(jī)，采用感光片尺寸約為1／3英寸（1英寸＝25.4mm）左右，一個像素單元的尺寸約為0.002mm。若攝制距離為1.5m左右，f為50mm左右，按公式（2）計算，光圈F的數(shù)值應(yīng)取3左右。此時不僅有足夠大的光圈，同時景深也滿足要求。

5 結(jié)語

利用普通高清數(shù)碼攝像機(jī)、普通著色塑料示蹤粒子，在保證一定的光源照射強(qiáng)度下，進(jìn)行透明容器內(nèi)的液流流態(tài)檢測是一種可行且易用的PIV方法。

該方法可測試的模型尺寸主要取決于攝像機(jī)的分辨率和成像質(zhì)量，以及測試結(jié)果要求的像素解析度。

測試用示蹤粒子可采用聚苯乙烯塑料小球，直徑可選擇為5～10mm，顏色采用紅色為宜，密度應(yīng)略大于測試液體的密度；測試中，采用向液體內(nèi)加入溶質(zhì)的方法使液體密度與小球密度相當(dāng)，以改善小球的隨水性；示蹤粒子的投放數(shù)量可按具體試驗(yàn)情況用計算機(jī)模擬試驗(yàn)方法確定。

測試中，光源類型與強(qiáng)度，攝像時主要參數(shù)（光圈大小、快門速度、景深大小和攝像距離等）的選擇，攝像環(huán)境條件（模型后背景、模型表面鏡面現(xiàn)象等）等，均能影響成像質(zhì)量。上述影響因素應(yīng)在測試攝像過程中予以關(guān)注。

測試需進(jìn)行的數(shù)碼影像處理，可利用現(xiàn)有圖形圖像處理制作軟件，先進(jìn)行從影像到系列圖片的轉(zhuǎn)換與圖片的預(yù)處理，以完成示蹤粒子的捕捉；然后利用計算機(jī)編程的方法解析數(shù)碼圖片，得到示蹤粒子的運(yùn)動信息。得到粒子運(yùn)動信息數(shù)據(jù)后，可進(jìn)一步對其進(jìn)行分析，得到測試裝置內(nèi)液流流態(tài)的矢量圖等其他測試結(jié)果。

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