图像测试技术习题计算机软件测试_计算机-软件测试.pdf

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1、PIV测试技术原理与最新进展 流场测速新方法研究中，至今已发展了激光多普勒LDV(Laser Doppler Velocimetry)、PIV(Particle Image Velocimetry)等技术。LDV的综合性能较高，具有高精度、高分辨率和非接触测量等优点，通常作为仪器标校技术使用，但 LDV只能实现单点测量。PIV技术是一种全场、动态、非接触测量手段，已获得广泛使用，成功应用于风洞、水洞、水槽燃烧及喷射等实验中。PIV研究始于上个世纪 80 年代，随着光学和计算机图像处理技术的迅猛发展，PIV取得了长足进步，测量精度和容积率与LDV接近。许多研究成果已实用化，特别是常规二维PIV相

2、当成熟。技术进步新的要求和流场测速新课题的挑战不断出现，迫切需要三维PIV的深入研究。虽然三维 PIV 更具实际意义，但要实现对流场的三维速度测量，技术更复杂、要求更高、更严格。目前，三维PIV研究进展迅速，主要体现在对流场切面瞬时、连续的或某个容积内瞬时的三维速度测量，实测效果良好。已出现的三维 PIV主要有以下几种:PIV、PTV 和全息(HPIV)等。国外在 PIV研究领域起步较早、技术先进，许多研究成果商用化、产品化。国内研究总体不及国外，成果转化相对滞后，但研究对象涉及了几乎所有的PIV课题。本文针对 PIV 技术，重点介绍三维 PIV 原理和实现方法，并分析了三维PIV研究的若干进

3、展。一、PIV原理 在被测流场中布撒示踪粒子，在激光片光源照射下，利用图像记录设备连续获得时间序列图像。应用图像处理算法，得到粒子在图像上的位移。当已知曝光间隔时间 t=t2-t1 时，获得粒子在图像上的平均速度V，其原理如图 1 所示。考虑系统光学放大倍率后，就能计算出粒子实际速度。如果t 很小，可用该速度近似粒子在 t1 时刻位置的瞬时速度。因此，PIV测量以平均速度代替瞬时速度，示踪粒子速度代替所在位置的流场速度。PIV 系统框图如图 2 所示，其实现过程一般分为三步：通过硬件设备采集流场图像，应用图像处理算法提取速度信息，显示流场的速度矢量分布。影响 PIV测量的因素众多并相互作用、相

4、互牵制，需综合考虑，实现高精度 PIV测量难度较大。（1）流场图像采集。PIV系统的硬件主要有激光光源、辅助光学元器件、相机、同步器、示踪粒子和图像处理设备如 PC机等。多数 PIV系统仅能截取流场的某个切面进行测量，需采用激光片光源照明流场。早期的相机使用胶片记录粒子图像(Graphic PIV)，不仅后续处理耗时且繁琐，也不能结合计算机图像处理技术。近年来，随着高分辨率、高速相机的性价比不断提高，数字式 CCD 相机已占主导地位(Digital PIV)。高能、高频脉冲式激光器的应用则要求光源和相机在同步器辨率和非接触测量等优点通常作为仪器标校技术使用但只能实现单点测量技术是一种全场动态非

5、接触测量手段已获得广泛使用成功应用于风洞水洞水槽燃烧及喷射等实验中研究始于上个世纪年代随着光学和计算机图像处理技术的迅和流场测速新课题的挑战不断出现迫切需要三维的深入研究虽然三维更具实际意义但要实现对流场的三维速度测量技术更复杂要求更高更严格目前三维研究进展迅速主要体现在对流场切面瞬时连续的或某个容积内瞬时的三维速度测品化国内研究总体不及国外成果转化相对滞后但研究对象涉及了几乎所有的课题本文针对技术重点介绍三维原理和实现方法并分析了三维研究的若干进展一原理在被测流场中布撒示踪粒子在激光片光源照射下利用图像记录设备连续的控制下配合工作。示踪粒子的选择和布撒是获取流场图像的关键因素。为了使粒子的运

6、动能够代表流场的真实流动，对示踪粒子的直径大小、密度、形状、光散射性能、播撒均匀性及浓度(根据流场中粒子浓度高低可分为不同模式：LSV、PIV 和PTV，统称为 PIV 技术)等都有要求，保证粒子对流动介质具有较好的跟随性，并获得高质量的粒子图像。在 某些特殊场合，可利用流场本身含有的微小颗粒作为示踪粒子。（2）速度信息获取。当得到流场图像后，PIV在本质上转化为图像处理技术。经过相机标定、滤波等预处理后，通过粒子匹配算法获得粒子在像平面上的位移，进而计算出粒子的运动速度矢量分布。计算粒子在图像上的位移是最关键的环节，也是 PIV研究的难点。最早采用光学杨氏条纹法、自相关法等来匹配粒子图像，但

7、本身具有不可克服的缺点。目前，PIV算法一般采用灰度图像互相关法处理粒子图像，粒子匹配率和精度较高。PIV 算法用粒子簇的运动代替点运动，适合于粒子浓度较高、粒子簇速度变化不大的场合。PTV算法对单颗粒子识别、跟踪并计算位移，粒子匹配率和空间分辨率较低，可通过减小粒子体积来提高空间分辨率，但同时会降低粒子的散射光强。比较常用的 PTV算法有：BICC，VGT，SPRING，42FRAM。正在发展的粒子匹配算法有拓扑图论、神经网络、遗传算法、模糊聚类方法等。（3）速度矢量场显示。经过误配矢量(人工或算法自动)剔除后，得到最终数据并显示，必要时还可使用插值算法以获得更稠密的速度矢量分布。流动测量新

8、课题对 PIV 技术提出更高要求，促使 PIV 研究迈向新的高度，在动态范围、测量精度、测量时间、粒子布撒技术和图像处理算法等方面仍存在需要研究和改进的地方。当前，PIV研究至少在以下几个方面继续深化，这些工作的进展和突破，依赖于硬件设备的提升、新方法的研究和应用。完善二维 PIV。近几年来，常规二维 PIV的研究重点是发展高精度、强健的粒子像平面位移估算方法。例如，图像匹配策略和各种提速算法；减小测量误辨率和非接触测量等优点通常作为仪器标校技术使用但只能实现单点测量技术是一种全场动态非接触测量手段已获得广泛使用成功应用于风洞水洞水槽燃烧及喷射等实验中研究始于上个世纪年代随着光学和计算机图像处

9、理技术的迅和流场测速新课题的挑战不断出现迫切需要三维的深入研究虽然三维更具实际意义但要实现对流场的三维速度测量技术更复杂要求更高更严格目前三维研究进展迅速主要体现在对流场切面瞬时连续的或某个容积内瞬时的三维速度测品化国内研究总体不及国外成果转化相对滞后但研究对象涉及了几乎所有的课题本文针对技术重点介绍三维原理和实现方法并分析了三维研究的若干进展一原理在被测流场中布撒示踪粒子在激光片光源照射下利用图像记录设备连续差；采用亚像素定位方法提高位移估计精度；提高粒子像中心定位精度；提高分辨率；使用形变窗口提高精度和分辨率。多相流 PIV。由于大量多相流动现象的存在，发展多相流 PIV成为必然趋势。改进

10、普通 PIV 技术，选择合适的示踪粒子和恰当的照明方式。先转化为单相，利用已有技术分别对单相粒子图像进行处理，分离和转换多相流的粒子图像是关键。微 PIV。实现对微小尺度流动的速度场测量，可满足微机械系统(MEMS)、生物芯片等研究的需要。其原理和普通 PIV相同，但在流场照明方式、粒子布撒、图像获取以及匹配算法等方面存在较大差别。三维 PIV。研究覆盖了对切面三维速度场及某个容积内三维速度场的测量。前者的技术较为成熟，后者的难度高于前者，特别是空间三维连续速度场测量技术的难度最大，对诸如非定常、非周期体三维流动研究具有重要现实意义。二、三维 PIV 技术 当前的许多新课题以三维流动为对象，因

11、而更加迫切需要深入开展三维 PIV 研究，以更好地揭示流场内部复杂的三维结构，更深刻地反映流场的流动机理，从本质上反映流场的性质。按照光源对流场的照明方式，现有的三维 PIV技术可分为两大类:一是对某个切面内三维速度的测量(2D-3cPIV，片光照明)，目的是在提取切面二维速度分量的同时获得第三个空间速度分量；另一种技术是测量某个容积内体流动的三维速度(3D-3cPIV，体积光照明)，实现真正意义上的全场三维 PIV。可以根据相邻切面的二维速度场，运用三维流动的连续性方 辨率和非接触测量等优点通常作为仪器标校技术使用但只能实现单点测量技术是一种全场动态非接触测量手段已获得广泛使用成功应用于风洞

12、水洞水槽燃烧及喷射等实验中研究始于上个世纪年代随着光学和计算机图像处理技术的迅和流场测速新课题的挑战不断出现迫切需要三维的深入研究虽然三维更具实际意义但要实现对流场的三维速度测量技术更复杂要求更高更严格目前三维研究进展迅速主要体现在对流场切面瞬时连续的或某个容积内瞬时的三维速度测品化国内研究总体不及国外成果转化相对滞后但研究对象涉及了几乎所有的课题本文针对技术重点介绍三维原理和实现方法并分析了三维研究的若干进展一原理在被测流场中布撒示踪粒子在激光片光源照射下利用图像记录设备连续程计算出切面法线方向的第三个速度分量，这种方式本质上仍属于二维 PIV方法。目前，三维 PIV的主要思路是计算粒子的三

13、维空间坐标，经过粒子匹配后，再根据三维空间位移，获得粒子的三维速度矢量。2D-3cPIV原理 理论上讲，从不少于两部相机的粒子图像中才能提取第三个速度分量。多数采用两部相机两光轴的构成形式，模仿人眼双目测距原理，根据成像几何关系，计算粒子的空间坐标。如图 3 所示，、分别表示左右相机的光学中心，f 为焦距。P点代表被照明的真实粒子，在三维空间坐标系 下的坐标为 ，在像平面像素坐标系中的坐标为 。辨率和非接触测量等优点通常作为仪器标校技术使用但只能实现单点测量技术是一种全场动态非接触测量手段已获得广泛使用成功应用于风洞水洞水槽燃烧及喷射等实验中研究始于上个世纪年代随着光学和计算机图像处理技术的迅

14、和流场测速新课题的挑战不断出现迫切需要三维的深入研究虽然三维更具实际意义但要实现对流场的三维速度测量技术更复杂要求更高更严格目前三维研究进展迅速主要体现在对流场切面瞬时连续的或某个容积内瞬时的三维速度测品化国内研究总体不及国外成果转化相对滞后但研究对象涉及了几乎所有的课题本文针对技术重点介绍三维原理和实现方法并分析了三维研究的若干进展一原理在被测流场中布撒示踪粒子在激光片光源照射下利用图像记录设备连续 几何共线方程（粒子中心、相机光学中心和粒子像中心在一条直线上）是其理论基础，反映了相机像平面坐标与三维空间坐标的映射关系，矩阵表达式为：简记为 。其中，K 为像平面坐标向量，是被照明粒子的空间坐

15、标向量。、分别由相机的内外部参数决定。首先标定相机，确定出相机的内外参数。在式（1）中，若知道粒子的空间坐标和图像坐标，即已知 和 ，求 ，这是相机的标定过程。左右相机的标定是分别进行的，所有相机具有和式（1）相类似的表达式。测量时，辨率和非接触测量等优点通常作为仪器标校技术使用但只能实现单点测量技术是一种全场动态非接触测量手段已获得广泛使用成功应用于风洞水洞水槽燃烧及喷射等实验中研究始于上个世纪年代随着光学和计算机图像处理技术的迅和流场测速新课题的挑战不断出现迫切需要三维的深入研究虽然三维更具实际意义但要实现对流场的三维速度测量技术更复杂要求更高更严格目前三维研究进展迅速主要体现在对流场切面

16、瞬时连续的或某个容积内瞬时的三维速度测品化国内研究总体不及国外成果转化相对滞后但研究对象涉及了几乎所有的课题本文针对技术重点介绍三维原理和实现方法并分析了三维研究的若干进展一原理在被测流场中布撒示踪粒子在激光片光源照射下利用图像记录设备连续 和 已知，求解 获得粒子的空间坐标。设粒子在不同时刻的空间坐标为 和 ，则它的三维速度是：方向由 时刻位置指向 时刻位置。三、三维 PIV 研究若干进展 在各种主客观因素的推动下，三维 PIV研究进展迅速。2D-3cPIV历经 10 余年的发展，技术逐渐成熟，已出现多种商品。目前，2D-3cPIV的主要缺点是速度矢量的第三个(离面)分量没有平面内两个分量的

17、精度高，研究重点集中在拓展应用范围、提高测量精度和空间 P时间分辨率等方面。相机标定精度决定测量精度，片光和标定板之间的偏差是测量误差的主要 因素。传统标定法要求标定板和片光严格共面，导致标定过程耗时且烦琐。自标定技术能有效提高标定精度，简化标定过程。另外，2Dt-3cPIV(切面三维连续辨率和非接触测量等优点通常作为仪器标校技术使用但只能实现单点测量技术是一种全场动态非接触测量手段已获得广泛使用成功应用于风洞水洞水槽燃烧及喷射等实验中研究始于上个世纪年代随着光学和计算机图像处理技术的迅和流场测速新课题的挑战不断出现迫切需要三维的深入研究虽然三维更具实际意义但要实现对流场的三维速度测量技术更复

18、杂要求更高更严格目前三维研究进展迅速主要体现在对流场切面瞬时连续的或某个容积内瞬时的三维速度测品化国内研究总体不及国外成果转化相对滞后但研究对象涉及了几乎所有的课题本文针对技术重点介绍三维原理和实现方法并分析了三维研究的若干进展一原理在被测流场中布撒示踪粒子在激光片光源照射下利用图像记录设备连续速度场)在保持适当空间分辨率的同时能使时间分辨率达到几百甚至数十 kHz，可满足高速流动测量的需要。当前，三维 PIV研究的重点转向对三维空间体流动的测量。可采用片光连续扫描方式获取切面三维速度场，然后由若干相邻切面整合成体流动的三维速度场。这种方法利用现有的 PIV 算法而容许流场内粒子浓度较高，但算

19、不上真正的体三维 PIV。数字全息技术能实现 3D-3cPIV测量，并进一步实现 3Dt-3cPIV，展现了该技术的潜在前景。透视体三维 PIV和 DDPIV 也是体流动测速的有效方法，近年来，DDPIV技术成为重要的研究方向。在散焦 PIV光学模型中，模板上两个孔的位置处于透镜的直径上。为了避免对景深内粒子的歧异理解，实际中采用了三部相机呈等边三角形布置，这和事先假设不相一致，引起较大误差.Kajitanil Dabirid对此进行了研究，并推导了改进后的计算公式，提高了 DDPIV的测量精度。辨率和非接触测量等优点通常作为仪器标校技术使用但只能实现单点测量技术是一种全场动态非接触测量手段已获得广泛使用成功应用于风洞水洞水槽燃烧及喷射等实验中研究始于上个世纪年代随着光学和计算机图像处理技术的迅和流场测速新课题的挑战不断出现迫切需要三维的深入研究虽然三维更具实际意义但要实现对流场的三维速度测量技术更复杂要求更高更严格目前三维研究进展迅速主要体现在对流场切面瞬时连续的或某个容积内瞬时的三维速度测品化国内研究总体不及国外成果转化相对滞后但研究对象涉及了几乎所有的课题本文针对技术重点介绍三维原理和实现方法并分析了三维研究的若干进展一原理在被测流场中布撒示踪粒子在激光片光源照射下利用图像记录设备连续