劉自放，任慶凱，梁 丹，孫浩鵬

（長春工程學(xué)院計算機工程與技術(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，進行示蹤粒子定位與位移分析，進而得到粒子的運動信息；最后通過對示蹤粒子運動信息的統(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，攝像機用圖像處理芯片的功能越來越強大，運算速度也越來越快。同時，與之相應(yīng)的普通微型計算機圖形處理軟硬件能力的增強，使得采用普通高清數(shù)碼攝像機與微型計算機搭建PIV平臺，進行示蹤粒子流態(tài)檢測成為可能。

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

1 試驗方法與流程

本試驗采用的方法是：利用普通的高清攝像機攝制可見示蹤粒子隨液體運動的數(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)碼圖片進行分析處理獲取示蹤粒子坐標(biāo)信息，再進行相鄰圖片粒子坐標(biāo)信息的比對找到粒子運動軌跡，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 試驗裝置

本試驗原為檢測污水處理裝置性能而設(shè)。試驗容器為透明水箱，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)。試驗裝置如圖2所示。

2.2 攝像機

試驗采用的攝像機為普通高清數(shù)碼攝像機，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

普通高清攝像機攝制的示蹤粒子數(shù)碼影像需要利用專門軟件和計算機程序進行處理，圖像處理的核心為幀圖像粒子識別與臨幀運動粒子跟蹤，整個處理過程可在微型計算機上進行，普通能夠進行三維圖形圖像處理的臺式計算機即可勝任數(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

本試驗采用的設(shè)備與器材普通常見，搭設(shè)試驗臺簡捷方便，試驗裝置與目前其他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)碼攝像機進行流態(tài)檢測的方法，目前尚未有更多的文獻報道，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

本試驗方法可測試的容積尺寸主要取決于數(shù)碼攝像機的最大像素數(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，攝像機邊長像素數(shù)指攝像機成像畫幅長或?qū)挼姆直媛省Ｈ绻麛z像機像素數(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，能夠滿足本實驗需要。

（2）粒子的顏色。由于本試驗采用的是可視影像捕捉粒子的運動狀態(tài)，故顏色的選擇是示蹤粒子成像質(zhì)量的重要因素。本試驗在無色透明的液體中進行，示蹤粒子的顏色分別采用了紅、藍、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，主要是光線在有機玻璃和水中傳播時，藍綠色光線衰減較少，導(dǎo)致圖片顏色呈現(xiàn)偏藍綠的現(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。本試驗采用的數(shù)碼攝像機幀率為1／30s，粒子運動趨勢靠相鄰兩張圖片比對取得。如果粒子運動速度過大，則會將實際運動曲線描繪成折線，造成流體運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。本實驗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，利用計算機模擬試驗確定。實驗結(jié)果（部分樣本數(shù)值省略）見表1。

表1 模擬粒子隨機投放試驗數(shù)據(jù)

由模擬粒子隨機投放試驗可知，本試驗小球數(shù)量以不超過50粒為宜。

4.3 實驗裝置的照明與背景

（1）光源的采用。本試驗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。實驗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。試驗中，攝像時的背景越簡單，后續(xù)圖像的處理就越容易，試驗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，且在像平面上形成擴散的圓，該圓稱為彌散圓。彌散圓在本試驗中限制其直徑不應(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，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、普通著色塑料示蹤粒子，在保證一定的光源照射強度下，進行透明容器內(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)量可按具體試驗情況用計算機模擬試驗方法確定。

測試中，光源類型與強度，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；然后利用計算機編程的方法解析數(shù)碼圖片，得到示蹤粒子的運動信息。得到粒子運動信息數(shù)據(jù)后，可進一步對其進行分析，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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