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

污染擴散流場數(shù)字圖像量測系統(tǒng)

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

為在環(huán)境風洞實驗中模擬污染物的擴散流場及變化情況,基于光學粒子散射理論和數(shù)字圖像處理技術,并利用粒子圖像測速（particle image velocimetry,PIV）技術,研制了一套具有全流場量測、非接觸及低成本等特征的瞬態(tài)流場定量光學測量系統(tǒng)。將系統(tǒng)用于環(huán)境風洞模擬中,可對城市小區(qū)、街道峽谷及交通高架污染物等的擴散狀況進行定性觀察,還可對污染物的流場進行定量量測。可為污染物流場的理論研究、數(shù)值計算及環(huán)境規(guī)劃提供參考。

流場；圖像測試技術；污染擴散

引 言

我國經(jīng)濟發(fā)展迅猛,帶來了越來越復雜的空氣污染擴散問題。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)境的管理工作越來越難。要有效改善城市的環(huán)境,預防和控制空氣的污染及擴散,可應用相似原理,在環(huán)境風洞中進行污染擴散的模擬實驗［1-4］,其中污染物的流場分布以及變化狀況是該風洞中最需要解決的室內(nèi)實驗問題［5-7］。無疑,開發(fā)大范圍、無干擾、低成本、不穩(wěn)定且非定常地劇烈分離流場的數(shù)字圖像量測系統(tǒng),具有非常重要的理論意義及實際應用價值。本文建立了一套完整的粒子圖像瞬時流場量測處理及識別的硬件和軟件系統(tǒng),運用該系統(tǒng)可對復雜流場信息進行提取與處理。

1　粒子圖像測速技術的基本原理

將示蹤粒子釋放在流體中并跟隨它的位置,由此測出的粒子所在流場中的速度稱為粒子圖像運動速度（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刻運動位置的記錄方式。PIV是利用計算機對流場中粒子進行非接觸且定量化的一種瞬態(tài)圖像處理測速技術,不會影響流場,且能同時進行多點測速,滿足流體速度的時效性,可用于二維平面速度場速度矢量的測試［5］,同時能以十分直觀的圖形使結果一目了然。該技術的基本原理是利用流體中示蹤粒子對光的散射作用,將眾多粒子在不同時刻、不同的圖像記錄在圖像存儲媒體上,再利用物理測試及圖像處理方法求出粒子在一定時間間隔內(nèi)的運動距離,由此可求得粒子所在位置的速度。粒子圖像測速技術的原理如圖1所示,有待測速的粒子圖像的位移Δx、Δy必須足夠小,此時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近似恒定。具體關系如下:

可見,要得到全流場瞬間速度的信息就可以用非接觸測速法瞬時“凍結”多個粒子的這種位移,再知道兩次記錄的時間間隔就可以了。如將流場圖像通過圖像接口卡直接送入計算機進行采集和處理,就可以形成實時量測系統(tǒng)。

圖1　PIV原理的示意圖Fig.1　Schematic of PIV

2　粒子圖像測速系統(tǒng)的建立

粒子圖像測速系統(tǒng)的硬件部分由激光器、CCD攝像機、反射鏡、光束擴展器、多媒體實時壓縮存貯板、多幀存圖像接口板及計算機等組成。軟件部分由流場數(shù)據(jù)分析、圖形顯示及圖像處理系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)具有由瞬時粒子圖像場得到瞬時濃度場的功能,也可對瞬時采集的PIV圖像進行計算得到速度場的功能。系統(tǒng)流程框架如圖2所示。

圖2　量測系統(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)生器進入,再經(jīng)流量計進入測試體內(nèi)。同時,測試體內(nèi)的目標被激光系統(tǒng)形成片光照明,CCD從垂直于片光的角度拍攝流場,將獲得流場的信息發(fā)送給計算機進行處理。

實驗中的粒子發(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,實驗中直徑為1 mm的半圓柱透鏡可擴展光束且形成片光,它的折射率大約為1.5。根據(jù)實驗工況,光路設計成水平截面。在光束擴展時,該透鏡不能完全均化光強分布,尚需相關軟件修正由于光強不均造成的影響。CCD分辨率為640×480,最低照度值為0.1 lx的韓國TP801型工業(yè)攝像機,攝像機曝光時間的可調(diào)范圍為1×10—4～2×10—2s。圖像處理和識別的核心是一臺PIV計算機,其內(nèi)存8 GB,硬盤1.0 TB,其它可通配。其計算機內(nèi)配有CL550多媒體圖像實時壓縮卡,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。該卡可將實時采集的視頻信號壓縮并存貯在計算機硬盤內(nèi),取代錄像機功能。圖像板是一種實時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,流動圖像的灰度級為256,其對比度與輸入亮度可調(diào)。精度要求不高時,圖像板可連續(xù)采集128幅分辨率為256×256的流動圖像或64幅分辨率為256×5 129（或512×256）的圖像。在該圖像板上,系統(tǒng)軟件將對不同圖像進行濾波、二值化、邊緣增強、偽彩色等預處理。通過對比度、亮度的調(diào)節(jié)及噪聲抑制等預處理,將CCD采集到的圖像經(jīng)A/D由全電視信號變?yōu)閿?shù)字信號,送至幀存進行處理,映射為幀存圖像。幀存圖像隨時再通過D/A轉(zhuǎn)換為電視信號,由監(jiān)視器輸出。行場同步信號、消噪信號等圖像板所需的電視時序,在與圖像信號合成送往監(jiān)視器的同時,還與CCD攝像機同步,這樣便可順利實現(xiàn)整個流場的圖像實時采集,處理和實時顯示。

PIV技術的硬件系統(tǒng)融入了計算機、現(xiàn)代光學、電子及圖像信息處理等多門應用技術,為復雜流場的觀測提供了準確和方便的方法［8］。

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

2.2軟件組成

由于平面上的各點反射特征不均勻,加上背景光的影響,特別是復雜流場中,會導致攝取的信息模糊、粒子圖像的像質(zhì)不好等現(xiàn)象,影響圖像利用率,除了通過硬件技術,還可采用改善像質(zhì)的中值濾波、邊緣增強、圖像分割等軟件系統(tǒng)來處理。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,對其信息進行插補及修正,以獲得整個流場的流速分布。整個軟件系統(tǒng)采用C語言編制,并參考文獻［2］、［3］、［9］的方法分析和修正了流場中粒子的圖像。操作可在提示性彈出菜單下完成,結果可由計算機屏幕顯示并打印。該軟件測速系統(tǒng)可為流動量測實驗提供一個新的瞬時濃度場和速度場的信息采集、分析和后處理的服務,具有如下主要硬件通訊功能:

（1）控制CCD的曝光時間、延時時間、采集速率、拍攝圖像的位數(shù)。

（2）圖像采集卡開關控制、圖像的實時顯示、圖像的單幀采集、圖像對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)動程序,采集計算機的硬件設備信息,以便和軟件系統(tǒng)的license對比,確認軟件的合法性。

該軟件系統(tǒng)具有求取濃度場、速度場及旋度場等主要數(shù)據(jù)的處理功能。軟件系統(tǒng)的各個界面采用統(tǒng)一繼承設計,各個用戶參數(shù)選擇界面能夠記住用戶的最后一次參數(shù)設置、用戶默認的參數(shù)選項、擁有統(tǒng)一的界面風格。主要功能如下:

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

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

（3）求取旋度場。其中,在旋度場分析之前,可以從相應對話框中選擇五種旋度場分析的算法、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)、流線起止點和局部密度。流線分析界面如圖7所示。

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

（5）求取速度在不同分軸上的偏導數(shù)分量場。

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

（7）對圖像進行動畫播放功能、視頻處理功能。這些方便的后處理為實驗報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)計算。如計算分形維數(shù)、關聯(lián)維數(shù)、嵌入維數(shù)、時間延遲、Kolmogorov熵、Lyapunov指數(shù)、信息熵等。

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

（10）增強的Tecplot外掛功能。該功能是在Tecplot平臺上二次開發(fā)的,對于數(shù)據(jù)場的某些后處理,只需點擊一個或幾個命令按鈕即可實現(xiàn)。

3　結 論

針對復雜流場模擬中圖像的特點,建立了一套完整的粒子圖像瞬時流場量測處理及識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濃度場圖像測量的硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)采用模塊化設計,主要研發(fā)了圖像采集、瞬時濃度場的分析和后處理三合一的測量軟件系統(tǒng)。所設計的系統(tǒng)可實現(xiàn)復雜流場信息的提取與處理。

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

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（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

國家自然科學基金（51279108）；上海大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（SH201510252117、SH2014122）；上海市科委基礎研究重大項目（13DJ1400105）；滬江基地研究專項（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