三维粒子图像测速

互相关理论与概念
在PIV里，互相关主要研究连续两 张图像里的亚格子区域之间的相关 度，就是这两个亚格子里的粒子群 分布形态的相似性。一般而言，由 于在PIV连续两张图像里的时间间 隔非常小，所以第一张图像粒子群 态在这么短的时间基本上在第二章 图像里不会有大的变化。
图4.2 -1 互相关计算示意图
沿相机视线画网格的网格模型
网格模型一
网格模型二
新的网格划分是基于沿着相机光线进 行网格划分的思想，这样可以生成规 整的w投影矩阵，而且w的权值计算也 简单了，不需要进行面积计算，只是 赋值，有0,0.5,0.25这三种值。这样是 会节省计算时间，而且在计算w矩是 不会有误差的。
互相关
• 互相关的概念 • 互相关数值实验 • 基于变形的双格互相关分析
互相关数值实验
乘法互相关公式： 减法互相关公式：
C(∆X, ∆Y) = ∑∑ f1(Xi ,Yj ) − f2(Xi +∆X,Yj +∆Y)
i=1 j=1 N N
C(∆ ,∆ )=∑∑f1(Xi,Yj )×f2(Xi +∆ , j +∆ ) X Y XY Y
i= j= 1 1
N N
乘法互相关相关谱：
三维粒子图像测速技术工作模块示意图
三维粒子图像技术以三维重构技术为核心，建立起流场粒子三维结构分布。相机标定 是对三维粒子图像测速系统进行标定，提高精度。示踪粒子与流场，互相关息息相关。 互相关技术主要是通过互相关方法建立起粒子场的速度场。
相机标定
三维重构
示踪粒子
互相关
本文的工作任务如工作模块示意图所示，主要集中在最为复杂也是核心的三维重构技 术的研究。并做了相关的相机标定的研究与分析（本文的相机标定的主要工作皆由靳 秀青学姐所做），以及相关的互相关技术的研究。
•
左图为三维空间粒子场的动画
从三维空间粒子场的动 画中看到各种角度下三 维空间粒子场的二维度 结构形态
层析ART重构数值模拟实验
左图用于层析重构的成像模型。在个顶 视成像平面里展示了，像素单元线，测 量空间是二维体素阵列。灰度水平表示 出对应于像素 的权重系数 的值
左，右下图说明：原图是一个大格子的黑白间隔图，我们把它视为三维空间里的一个水平截面 重构图就是对原图的还原，可以把黑色格子看成是粒子（相对来说是非常非常的粒子），重构 后，可以看出，黑色格子—粒子的图像周边变得模糊，黑色粒子重构后有了“影子”
图4.4-2
互相关
To时刻图像
T1时刻图像
图4.4-3
互相关
在速度梯度为0时如图4.4-1所示， 也就是代表了流场无变形，互相关是 很好解决的，不会存在大误差。在速 度梯度不为0时如图4.4-2 图4.4-3所 示，流场有了变形，做互相关的两张 图像里的粒子形态也有了变形，这时 所做的互相关误差就比较大了。
在对采集图像进行分析时，首先需要明确一个概念“判读区”：它是指 图像中一定位置取一定尺寸的方形图，通过对判读区进行信号处理，就可 以获取速度。假设系统在t0 以及t0+∆t 这两个时刻分别获取图4.2 -1中图1 和图2，在图1 和图2 中相同位置获取两个同样尺寸大小的判读区f (m, n)以 及g (m, n)，(m,n)表示f 与g 分别在图1 与图2 中的相对位置，对f 与g 进行 处理就可以获得此判读区对应位移s，示意图如图4.2 -1 所示：
多相机流场测量系统的标定和 速度重构算法研究
包全 指导老师： 指导老师：夏振炎
课题研究意义
1.从PIV角度看：粒子图像测量技术(PIV)作为一种无扰，瞬时，全场的， 流场测量技术，在现代流场测量中发挥了极其重要的作用，是流场测 速研究的发展方向之一。随着二维PIV走向成熟，新课题对流场测速技 术提出更高的要求，推动了三维PIV深入研究，但三维PIV的复杂性使 流场三维速度测量变得更加困难。 2.从湍流研究看：湍流具有非定常、三维和非线性等特征，增加了湍 流实验观测的难度，所以开展对湍流场的实验测量方法和技术的研究, 来进一步了解湍流的发展演化机理是非常必要和迫切的。PIV等流动显 示和测量技术近年来得到了迅速发展，但是针对三维性、非定常等湍 流特征，现代技术还没有完全解决，需要新的更有效方法来从机理上 分析湍流中流动结构及其形成原因，因此，这方面的研究已成为湍流 研究的前沿课题。开展新的流体力学实验测量手段—基于多相机的瞬 态三维激光层析测量关键技术的研究，包括多相机流场测量的标定技 术和速度重构算法。
毕设感悟
• 科研信仰： 科学一定是简单的！ • 科研感悟： 搞科研的~~~ ~~~ 没有信息就是瞎子！ 不懂英语就是文盲！！ 不懂计算机的简直就是流氓！！！
致谢
• • • • 夏老师： 姜老师： 靳秀青学姐： 实验室的师兄师姐：
三维重构
• 三维重构概念 • 三维重构之层析PIV • 沿相机视线画网格的网格模型
三维重构概念
• 三维重构是计算机视觉研究的主要内容，主要是从二维图像获取三维景物的 三维结构信息，其过程是一个复杂的逆问题，需要借助各种优化技术和射影 几何理论来解决，而且对噪声或离散化引起的误差极其敏感。 研究的主要内容是：1，三维到二维正变换 2，二维到三维的逆变换 3，虚像影子的认识 4，二维到三维的信息丢失
相机标定
• 相机标定的内容及意义 • 相机标定结果（主要靳秀青学姐做的） • 三维空间粒子场的标定
相机标定内容
xp 1 0 0 cosϕ 0 sinϕcosκ −sinκ 0X − X0 yp = 0 cosω −sinω 0 1 0 sinκ cosκ 0 Y −Y0 zp 0 cosω cosω sinϕ 0 cosϕ 0 0 1 Z −Z0 ∆x = x0 − x(kr2 +k2r4) 1 ∆y = y0 − y(kr2 +k2r4) 1 x = x − x0, y = y − y0, r2 = (x2 + y2) x(kr2 +k2r4), y(kr2 +k2r4)为 光 修 项 k1, k2为 正 数 屈 度 正 ， 修 系 。 1 1
参数
X0 ,Y0 , Z0 ,ω,ϕ,κ, x0 , y0 , f , k1, k2
称为照相系统标定参数 它们可以通过标定确定
两相机标定结果Hale Waihona Puke Baidu
左图： 所用左右相机对标定板拍 摄的图像
右图： 左右两个相机标定结果的标 定参数
此标定结果是使用matlab相机标定工具箱所得
三维空间粒子场的标定
三维粒子图像测速 技术的研究对象是 三维空间粒子场， 可以考虑直接从三 维空间粒子场着手， 将相机标定与三维 重构结合起来，直 接对三维空间粒子 场进行标定，得出 三维空间粒子场的 标定参数，大大地 提高了精度。
减互相关相关谱：
x 10 6
4
x 10 3
6
5.5 5
2.5
4.5
2 10 5 1 10 0 5 -5 0 -5 -10 -10
4 3.5 3 10 5 0 -5 -10 -10 -5 0 5 10
1.5
基于变形的双格互相关分析
To时刻图像 T1时刻图像
连续性和相邻性
图4.4-1
互相关 To时刻图像 T1时刻图像