污染擴(kuò)散流場(chǎng)數(shù)字圖像量測(cè)系統(tǒng)

詹　詠,江　沛,符聰雨,王瑞琪,張宣宣,滿向陽(yáng)（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093）

污染擴(kuò)散流場(chǎng)數(shù)字圖像量測(cè)系統(tǒng)

詹詠,江沛,符聰雨,王瑞琪,張宣宣,滿向陽(yáng)
（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093）

為在環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中模擬污染物的擴(kuò)散流場(chǎng)及變化情況,基于光學(xué)粒子散射理論和數(shù)字圖像處理技術(shù),并利用粒子圖像測(cè)速（particle image velocimetry,PIV）技術(shù),研制了一套具有全流場(chǎng)量測(cè)、非接觸及低成本等特征的瞬態(tài)流場(chǎng)定量光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。將系統(tǒng)用于環(huán)境風(fēng)洞模擬中,可對(duì)城市小區(qū)、街道峽谷及交通高架污染物等的擴(kuò)散狀況進(jìn)行定性觀察,還可對(duì)污染物的流場(chǎng)進(jìn)行定量量測(cè)。可為污染物流場(chǎng)的理論研究、數(shù)值計(jì)算及環(huán)境規(guī)劃提供參考。

流場(chǎng)；圖像測(cè)試技術(shù)；污染擴(kuò)散

引 言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛,帶來(lái)了越來(lái)越復(fù)雜的空氣污染擴(kuò)散問(wèn)題。在城市中,存在著較多的工業(yè)區(qū)與居民區(qū)混合的狀況,加之任意釋放的低排量污染源,使環(huán)境的管理工作越來(lái)越難。要有效改善城市的環(huán)境,預(yù)防和控制空氣的污染及擴(kuò)散,可應(yīng)用相似原理,在環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行污染擴(kuò)散的模擬實(shí)驗(yàn)［1-4］,其中污染物的流場(chǎng)分布以及變化狀況是該風(fēng)洞中最需要解決的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題［5-7］。無(wú)疑,開發(fā)大范圍、無(wú)干擾、低成本、不穩(wěn)定且非定常地劇烈分離流場(chǎng)的數(shù)字圖像量測(cè)系統(tǒng),具有非常重要的理論意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文建立了一套完整的粒子圖像瞬時(shí)流場(chǎng)量測(cè)處理及識(shí)別的硬件和軟件系統(tǒng),運(yùn)用該系統(tǒng)可對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)信息進(jìn)行提取與處理。

1　粒子圖像測(cè)速技術(shù)的基本原理

將示蹤粒子釋放在流體中并跟隨它的位置,由此測(cè)出的粒子所在流場(chǎng)中的速度稱為粒子圖像運(yùn)動(dòng)速度（particle image velocimetry,PIV）。它是記錄同一示蹤粒子在同一或不同平面上不同時(shí)刻運(yùn)動(dòng)位置的記錄方式。PIV是利用計(jì)算機(jī)對(duì)流場(chǎng)中粒子進(jìn)行非接觸且定量化的一種瞬態(tài)圖像處理測(cè)速技術(shù),不會(huì)影響流場(chǎng),且能同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)速,滿足流體速度的時(shí)效性,可用于二維平面速度場(chǎng)速度矢量的測(cè)試［5］,同時(shí)能以十分直觀的圖形使結(jié)果一目了然。該技術(shù)的基本原理是利用流體中示蹤粒子對(duì)光的散射作用,將眾多粒子在不同時(shí)刻、不同的圖像記錄在圖像存儲(chǔ)媒體上,再利用物理測(cè)試及圖像處理方法求出粒子在一定時(shí)間間隔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離,由此可求得粒子所在位置的速度。粒子圖像測(cè)速技術(shù)的原理如圖1所示,有待測(cè)速的粒子圖像的位移Δx、Δy必須足夠小,此時(shí)Δx/Δt、Δy/Δt分別和速度U、V很好地近似,軌跡必須接近直線且速度應(yīng)近似恒定。具體關(guān)系如下:

可見(jiàn),要得到全流場(chǎng)瞬間速度的信息就可以用非接觸測(cè)速法瞬時(shí)“凍結(jié)”多個(gè)粒子的這種位移,再知道兩次記錄的時(shí)間間隔就可以了。如將流場(chǎng)圖像通過(guò)圖像接口卡直接送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集和處理,就可以形成實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)。

圖1　PIV原理的示意圖Fig.1　Schematic of PIV

2　粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)的建立

粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)的硬件部分由激光器、CCD攝像機(jī)、反射鏡、光束擴(kuò)展器、多媒體實(shí)時(shí)壓縮存貯板、多幀存圖像接口板及計(jì)算機(jī)等組成。軟件部分由流場(chǎng)數(shù)據(jù)分析、圖形顯示及圖像處理系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)具有由瞬時(shí)粒子圖像場(chǎng)得到瞬時(shí)濃度場(chǎng)的功能,也可對(duì)瞬時(shí)采集的PIV圖像進(jìn)行計(jì)算得到速度場(chǎng)的功能。系統(tǒng)流程框架如圖2所示。

圖2　量測(cè)系統(tǒng)框架圖Fig.2　Optical measurement and control system

2.1硬件組成

圖3為PIV系統(tǒng)硬件部分?？諝?、水或油等流體由粒子發(fā)生器進(jìn)入,再經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入測(cè)試體內(nèi)。同時(shí),測(cè)試體內(nèi)的目標(biāo)被激光系統(tǒng)形成片光照明,CCD從垂直于片光的角度拍攝流場(chǎng),將獲得流場(chǎng)的信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

實(shí)驗(yàn)中的粒子發(fā)生器是遙控式環(huán)保煙油熱升華煙霧發(fā)生器,粒子的粒徑為1～500μm。激光器是532 nm端面泵浦全固態(tài)綠光激光器,最大功率為1.02 W。片光能量集中,感光性好,實(shí)驗(yàn)中直徑為1 mm的半圓柱透鏡可擴(kuò)展光束且形成片光,它的折射率大約為1.5。根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況,光路設(shè)計(jì)成水平截面。在光束擴(kuò)展時(shí),該透鏡不能完全均化光強(qiáng)分布,尚需相關(guān)軟件修正由于光強(qiáng)不均造成的影響。CCD分辨率為640×480,最低照度值為0.1 lx的韓國(guó)TP801型工業(yè)攝像機(jī),攝像機(jī)曝光時(shí)間的可調(diào)范圍為1×10—4～2×10—2s。圖像處理和識(shí)別的核心是一臺(tái)PIV計(jì)算機(jī),其內(nèi)存8 GB,硬盤1.0 TB,其它可通配。其計(jì)算機(jī)內(nèi)配有CL550多媒體圖像實(shí)時(shí)壓縮卡,它的壓縮比為1～200,一般采用壓縮率為50,圖像的失真率可忽略。該卡可將實(shí)時(shí)采集的視頻信號(hào)壓縮并存貯在計(jì)算機(jī)硬盤內(nèi),取代錄像機(jī)功能。圖像板是一種實(shí)時(shí)多幀存貯式的圖像采集處理器,可連續(xù)采集32幅圖像,分辨率為512×512,流動(dòng)圖像的灰度級(jí)為256,其對(duì)比度與輸入亮度可調(diào)。精度要求不高時(shí),圖像板可連續(xù)采集128幅分辨率為256×256的流動(dòng)圖像或64幅分辨率為256×5 129（或512×256）的圖像。在該圖像板上,系統(tǒng)軟件將對(duì)不同圖像進(jìn)行濾波、二值化、邊緣增強(qiáng)、偽彩色等預(yù)處理。通過(guò)對(duì)比度、亮度的調(diào)節(jié)及噪聲抑制等預(yù)處理,將CCD采集到的圖像經(jīng)A/D由全電視信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),送至幀存進(jìn)行處理,映射為幀存圖像。幀存圖像隨時(shí)再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為電視信號(hào),由監(jiān)視器輸出。行場(chǎng)同步信號(hào)、消噪信號(hào)等圖像板所需的電視時(shí)序,在與圖像信號(hào)合成送往監(jiān)視器的同時(shí),還與CCD攝像機(jī)同步,這樣便可順利實(shí)現(xiàn)整個(gè)流場(chǎng)的圖像實(shí)時(shí)采集,處理和實(shí)時(shí)顯示。

PIV技術(shù)的硬件系統(tǒng)融入了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代光學(xué)、電子及圖像信息處理等多門應(yīng)用技術(shù),為復(fù)雜流場(chǎng)的觀測(cè)提供了準(zhǔn)確和方便的方法［8］。

圖3　PIV硬件系統(tǒng)Fig.3　PIV hardware system

2.2軟件組成

由于平面上的各點(diǎn)反射特征不均勻,加上背景光的影響,特別是復(fù)雜流場(chǎng)中,會(huì)導(dǎo)致攝取的信息模糊、粒子圖像的像質(zhì)不好等現(xiàn)象,影響圖像利用率,除了通過(guò)硬件技術(shù),還可采用改善像質(zhì)的中值濾波、邊緣增強(qiáng)、圖像分割等軟件系統(tǒng)來(lái)處理。在獲取粒子圖像后,需信息提取軟件經(jīng)一定算法提取它的速度信息,對(duì)其信息進(jìn)行插補(bǔ)及修正,以獲得整個(gè)流場(chǎng)的流速分布。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編制,并參考文獻(xiàn)［2］、［3］、［9］的方法分析和修正了流場(chǎng)中粒子的圖像。操作可在提示性彈出菜單下完成,結(jié)果可由計(jì)算機(jī)屏幕顯示并打印。該軟件測(cè)速系統(tǒng)可為流動(dòng)量測(cè)實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)新的瞬時(shí)濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)的信息采集、分析和后處理的服務(wù),具有如下主要硬件通訊功能:

（1）控制CCD的曝光時(shí)間、延時(shí)時(shí)間、采集速率、拍攝圖像的位數(shù)。

（2）圖像采集卡開關(guān)控制、圖像的實(shí)時(shí)顯示、圖像的單幀采集、圖像對(duì)的采集和采集中斷控制等。

（3）利用自行開發(fā)的硬件底層驅(qū)動(dòng)程序,采集計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備信息,以便和軟件系統(tǒng)的license對(duì)比,確認(rèn)軟件的合法性。

該軟件系統(tǒng)具有求取濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)及旋度場(chǎng)等主要數(shù)據(jù)的處理功能。軟件系統(tǒng)的各個(gè)界面采用統(tǒng)一繼承設(shè)計(jì),各個(gè)用戶參數(shù)選擇界面能夠記住用戶的最后一次參數(shù)設(shè)置、用戶默認(rèn)的參數(shù)選項(xiàng)、擁有統(tǒng)一的界面風(fēng)格。主要功能如下:

（1）求取濃度場(chǎng)。在濃度場(chǎng)分析中,基于VRML和OpenGL技術(shù),軟件可分析的功能主要包括單個(gè)濃度場(chǎng)圖像的任意線上濃度的分布、多個(gè)濃度場(chǎng)圖像的任意點(diǎn)上濃度的分布、多個(gè)濃度場(chǎng)圖像的任意線上濃度的分布、多幅累加與平均圖像、濃度場(chǎng)的圖像信息熵分布及圖像自動(dòng)去除噪聲等。濃度場(chǎng)等值線分析界面如圖4所示,（a）顯示的是濃度場(chǎng)灰度圖像,（b）顯示的是濃度場(chǎng)等值線。

（2）求取速度場(chǎng)。在速度場(chǎng)分析之前,從相應(yīng)對(duì)話框中可以選擇七種運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法、窗口或搜索窗口的大小、閾值大小、網(wǎng)格步長(zhǎng)、兩幀圖像之間的時(shí)間間隔、圖像映射到真實(shí)空間的比例尺、輸出文件格式和顯示的漸變顏色等。計(jì)算分為全場(chǎng)計(jì)算模式、區(qū)域計(jì)算模式和點(diǎn)計(jì)算模式。速度場(chǎng)分析界面如圖5所示。

（3）求取旋度場(chǎng)。其中,在旋度場(chǎng)分析之前,可以從相應(yīng)對(duì)話框中選擇五種旋度場(chǎng)分析的算法、二元擬合和插值算法、顯示的漸變顏色等。旋度場(chǎng)分析界面如圖6所示。

（4）求取流線。用戶可以更改流線的密度、總數(shù)、流線起止點(diǎn)和局部密度。流線分析界面如圖7所示。

圖4　濃度場(chǎng)等值線分析界面Fig.4　Analysis interface of concentration contour

（5）求取速度在不同分軸上的偏導(dǎo)數(shù)分量場(chǎng)。

（6）離散數(shù)據(jù)集（標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)）等值線/區(qū)的繪制和渲染、擬合和插值等。

（7）對(duì)圖像進(jìn)行動(dòng)畫播放功能、視頻處理功能。這些方便的后處理為實(shí)驗(yàn)報(bào)告和論文的謄寫提供了優(yōu)美的界面。

（8）非線性特征參數(shù)計(jì)算。如計(jì)算分形維數(shù)、關(guān)聯(lián)維數(shù)、嵌入維數(shù)、時(shí)間延遲、Kolmogorov熵、Lyapunov指數(shù)、信息熵等。

（9）輸出數(shù)據(jù)為ASCII TXT格式、二進(jìn)制向量場(chǎng)格式、圖像數(shù)據(jù)格式（由于采用對(duì)象連接與嵌入OLE技術(shù)和組件對(duì)象模型COM技術(shù),幾乎包括BMP、JPG、J2K、GIF、TIFF等所有Windows平臺(tái)上的圖像格式）、Tecplot格式和XML格式。

（10）增強(qiáng)的Tecplot外掛功能。該功能是在Tecplot平臺(tái)上二次開發(fā)的,對(duì)于數(shù)據(jù)場(chǎng)的某些后處理,只需點(diǎn)擊一個(gè)或幾個(gè)命令按鈕即可實(shí)現(xiàn)。

3　結(jié) 論

針對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)模擬中圖像的特點(diǎn),建立了一套完整的粒子圖像瞬時(shí)流場(chǎng)量測(cè)處理及識(shí)別的硬件和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要包括圖像采集系統(tǒng)、激光光源系統(tǒng)、粒子發(fā)生系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)等子系統(tǒng),并給出和分析了瞬時(shí)濃度場(chǎng)圖像測(cè)量的硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),主要研發(fā)了圖像采集、瞬時(shí)濃度場(chǎng)的分析和后處理三合一的測(cè)量軟件系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜流場(chǎng)信息的提取與處理。

［1］ 張麗娜,趙林,陳璐.數(shù)值風(fēng)洞與物理風(fēng)洞對(duì)煙塔合一排煙的比較研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2013,36（5）:141-146.

［2］ 李宋,吳文權(quán),詹詠.瞬態(tài)濃度場(chǎng)的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26（4）:340-343.

［3］ LU X,WU W Q,ZHAN Y.Instantaneous concentration measurement in environment wind tunnel［C］//Proceedings of the International Conference on Energy and the Environment.Shanghai:Shanghai Scientific and Technical Publishers,2003,11（2）: 1339-1343.

［4］ YU J H,TIAN L W,ZHUANG W Q,et al.Prediction of the pollutant diffusion discharged from wind tower of the city traffic tunnel［J］.Tunnelling and Underground Space Technology,2014,42:112-121.

［5］ ZHANG H,SHI W D,CHEN B,et al.Experimental study of flow field in interference area between impeller and guide vane of axial flow pump［J］.Journal of Hydrodynamics,2015,26（6）:894-901.

［6］ MATHEW B,ALAZZAM A,ABUTAYEH M,et al.Modeling the trajectory of microparticles subjected to dielectrophoresis in a microfluidic device for field flow fractionation［J］.Chemical Engineering Science,2015,138:266-280.

［7］ 徐丙立,林琿,胡亞,等.多點(diǎn)源空氣污染高斯擴(kuò)散模式并行方法研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34（11）:1145-1149.

［8］ 王燕.旋轉(zhuǎn)式電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移的圖像測(cè)試技術(shù)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014,27（1）:61-62.

［9］ 詹詠,何玉武,曾小磊.混凝控制指標(biāo)下渦漩運(yùn)動(dòng)對(duì)混凝影響的研究［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33（8）:401-404.

（編輯:劉鐵英）

Measurement system of pollutant diffusion simulation

ZHAN Yong,JIANG Pei,EU Congyu,WANG Ruiqi,ZHANG Xuanxuan,MAN Xiangyang
（School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China）

Since the flow field measurement of city pollutant diffusion simulation in the environmental wind tunnel is not perfect yet,further development is needed.Using particle image velocimetry（PIV）,this project,based on numerical image processing technique and optical particle scattering,aims to develop instant flow-field quantitative optical measurement and control system,which has the characteristics of non-contact,whole-field measurement, large measured area,low cost and so on.This system could not only qualitatively observe pollutant diffusion of the city biotopes,street canyons and elevated traffic,but also quantitatively measure the pollutant flow field,providing adequate data for the study on the theory of numerical calculation and environmental planning.

flow field；image processing technique；pollutant diffusion

X 5

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.02.015

1005-5630（2016）02-0173-05

2015-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51279108）；上海大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（SH201510252117、SH2014122）；上海市科委基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目（13DJ1400105）；滬江基地研究專項(xiàng)（B14003）

詹 詠（1971—）,女,副教授,主要從事交通污染控制工程方面的研究。E-mail:jannet6@163.com