一种水流中分布式PTV流场测量系统及其测量方法

摘要

本发明公开了一种水流中分布式PTV流场测量系统，包括河工模型、示踪粒子、一组智能相机、一组ＰＯＥ交换机、无线路由器和流场计算系统；所述示踪粒子均匀分布在河工模型的水流中，所述智能相机安装在河工模型的水流表面上方，所述智能相机与ＰＯＥ交换机连接，所述ＰＯＥ交换机与无线路由器相连接，所述无线路由器与无线网卡联通，流场计算系统与无线网卡连接。本发明还提供了基于无线测量的水流中分布式PTV流场测速方法。本发明通过采用把算法嵌入到智能相机进行处理，提高了测量速度，直接输出测量数据，克服了现有技术中输出图像数据，数据量大，无法实现无线测量，而且由于处理速度低，无法瞬时测量的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水流中分布式PTV流场测量系统及其测量方法，具体涉及一种水流中表面流场的分布式图像测速系统及其测量方法，属于水力学及河流动力学技术领域。

背景技术

水流结构是水力学及河流动力学的核心内容，模型试验是开展水流研究的重要手段，而流速测量技术是获取水流结构数据的基础，开展模型试验流场测量技术的研究对提高水流泥沙研究水平十分必要和迫切，可为水利工程建设、防洪、航运、水生态治理与修复、水污染防治与水环境改善等提供先进的技术支撑。

目前在水流模型试验研究中，广泛应用的是粒子图像跟踪测速技术（PTV, Particle Tracking Velocimetry），主要用于河工及港工模型大范围瞬时表面流场的测量。但目前的PTV流场测量系统多采用普通模拟摄像头，需要通过视频线与图像采集卡进行多通道图像采集，当测量范围较大时，通常需要布置数十个甚至上百个摄像头，布线非常复杂繁琐。此外，计算机需对多个摄像头的图像进行循环处理，计算出每个摄像头拍摄区域的流场然后进行全场拼接，才能得到全流场。当摄像头数量较多时，图像处理时间会比较长，就很难保证测量的是瞬时流场，布线复杂、图像处理时间长等难题急需得到解决，已经严重制约了水流研究水平的提高。

目前采用有线测量方式，布线较复杂，增加了安装难度，另外，由于每台计算机图像采集卡支持的通道数有限，当摄像头数量太多时，需要多台计算机，操作不方便。而且由于线太多，经常会出现信号干扰，影响成像质量。

综上所述，模型试验流场测量技术是水流研究的关键技术，为了克服目前PTV流场测速技术难以解决的难题，急需研发一种能够实现无线测量、满足瞬时性要求的粒子图像测速的装置或系统，进一步提高流场测量技术水平。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的第一目的是提供一种分布式PTV流场瞬时测量系统。

本发明的另一目的是提供一种分布式PTV流场瞬时测量方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种水流中分布式PTV流场测量系统，包括河工模型、示踪粒子、一组智能相机、一组ＰＯＥ交换机、无线路由器和流场计算系统；所述示踪粒子均匀分布在河工模型的水流中，所述智能相机安装在河工模型的水流表面上方，所述智能相机与ＰＯＥ交换机连接，所述ＰＯＥ交换机与无线路由器相连接，所述无线路由器与无线网卡联通，流场计算系统与无线网卡连接；所述智能相机内部设有图像处理模块。

优选地，所述图像处理模块包括：图像采集模块、与图像采集模块相连的阈值分割模块、与阈值分割模块相连的区域标记模块、与区域标记模块相连的斑点提取模块，与斑点提取模块相连的粒子坐标模块。

优选地，所述流场计算系统包括：电脑和计算分析软件，所述计算分析软件包括粒子匹配模块、与粒子匹配模块相连的坐标转换模块、与坐标转换模块相连的流速提取模块、与流速提取模块相连的流场拼接模块以及与流场拼接模块相连的流场显示模块。

优选地，所述每个POE交换机分别与若干个智能相机连接，无线路由器分别与每个POE交换机相连接。

    优选地，所述示踪粒子呈椭圆形状，所述示踪粒子的长轴宽度是示踪粒子短轴宽度的2~4倍。

优选地，所述示踪粒子分为白色，所述示踪粒子采用PP材料与天然石膏调制而成，示踪粒子的密度接近水的密度，漂浮于水流表面。

一种分布式PTV流场瞬时测量方法，所述测量步骤如下：

a）在水流中均匀布撒彩色示踪粒子漂浮在水流表面；

b）用若干个智能相机拍摄示踪粒子的运动图像并内设的通过图像处理程序，自动提取粒子坐标，所述图像处理程序包括如下步骤：通过图像采集模块采集图像信息，然后进行图像阈值分割，通过区域标记模块对示踪粒子进行区域标记，然后将进行区域标记的示踪粒子进行粒子坐标提取；

c）POE交换机与若干个智能相机相连，并通过无线路由器将智能相机输出的粒子坐标数据输出到计算机的流场计算系统；

d）流场计算系统采用粒子匹配算法计算得到表面流场，包括以下步骤：

1)采用粒子运动距离最短的方法对连续两帧图像中的粒子进行匹配，针对第1帧图像中的每个示踪粒子，在第二帧图像中设定搜索半径，在搜索范围内与之距离最短的作为匹配粒子；

2) 通过标定，将图像坐标换算为实际坐标，将粒子运动距离除以时间得到流速：V=△d/△t；

3)在每个智能相机拍摄范围内设置两个明显的特征点，通过匹配特征点，进行平移和旋转变换，完成全流场的拼接。

4)将各个粒子的坐标及流速进行全场显示。

有益效果：本发明提供的彩色粒子图像测速系统相对于现有技术而言，结构简单，易于搭建，有利于推广使用；通过采用把算法嵌入到智能相机进行分布式图像处理和无线测量，解决了采用摄像头与采集卡有线相连的方式，布线复杂，计算时间长，难以满足瞬时同步测量的要求。本发明通过智能相机内设程序和无线测量提高了测量速度，直接输出测量数据，实现瞬时测量，保证了数据实时准确性。

本发明的一种分布式PTV流场测量方法，可以显著提高流场测量准确率和效率，从而促进水流研究水平提升，为防洪抗旱、保护水环境等提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明的分布式PTV流场测量系统示意图。

图2为流场显示示意图。

图3为本发明中智能相机中图像处理模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种水流中分布式PTV流场测量系统，包括河工模型1、示踪粒子2、一组智能相机3、一组ＰＯＥ交换机4、无线路由器5、无线网卡7和流场计算系统8；所述示踪粒子2均匀分布在河工模型1的水流中，所述智能相机3安装在河工模型1的水流表面上方，所述智能相机3与ＰＯＥ交换机4连接，所述ＰＯＥ交换机4与无线路由器5相连接，所述无线路由器5与无线网卡7联通，流场计算系统8与无线网卡7连接；所述智能相机3内部设有图像处理模块，所述图像处理模块包括：图像采集模块、与图像采集模块相连的阈值分割模块、与阈值分割模块相连的区域标记模块、与区域标记模块相连的斑点提取模块，与斑点提取模块相连的粒子坐标模块。

所述流场计算系统8包括：电脑和计算分析软件，所述计算分析软件包括粒子匹配模块、与粒子匹配模块相连的坐标转换模块、与坐标转换模块相连的流速提取模块、与流速提取模块相连的流场拼接模块以及与流场拼接模块相连的流场显示模块；所述每个POE交换机4分别与若干个智能相机3连接，无线路由器5分别与每个POE交换机4相连接；所述示踪粒子2呈椭圆形状，所述示踪粒子2的长轴宽度是示踪粒子短轴宽度的2~4倍；所述示踪粒子2分为白色，所述示踪粒子2采用PP材料与天然石膏调制而成，示踪粒子2的密度接近水的密度，漂浮于水流表面。

河工模型1是根据天然河流按照一定比尺缩小而成的实体模型，是在河流海岸中航道整治、河流治理等关键问题中，用以模拟河道水流泥沙运动及河床演变情况的一种重要研究手段。

本实施例中采用的示踪粒子，呈椭圆流线形状，示踪粒子的长轴宽度是示踪粒子2短轴高度的2~4倍，优选为长轴宽度是短轴高度的3倍。颜色为白色，该示踪粒子采用PP材料与天然石膏调制而成，与水流密度接近，漂浮于水流表面，跟随性好，不易搁浅，不易聚集。

智能相机3采用康耐视In-Sight Micro，该智能相机含有多种视觉工具库，包括图像采集工具库、斑点提取工具库等。垂直于实体河工模型1水流表面，采集示踪粒子2的运动图像，并自动提取出粒子坐标数据。粒子坐标数据通过无线路由器无线传输至流场计算系统，该系统包括粒子匹配模块、坐标转换模块、流速提取模块、流场拼接模块及流场显示模块，计算分析软件实时采集智能相机输出的粒子坐标数据，进行计算分析后显示流场。

一种分布式PTV流场瞬时测量方法，所述测量步骤如下：

a）在水流中均匀布撒彩色示踪粒子漂浮在水流表面；

b）用若干个智能相机拍摄示踪粒子的运动图像并内设的通过图像处理程序，自动提取粒子坐标，所述图像处理程序如图3所示，包括如下步骤：通过图像采集模块采集图像信息，然后进行图像阈值分割，通过区域标记模块对示踪粒子进行区域标记，然后将进行区域标记的示踪粒子进行粒子坐标提取；

c）POE交换机与若干个智能相机相连，并通过无线路由器将智能相机输出的粒子坐标数据输出到计算机的流场计算系统；

d）流场计算系统采用粒子匹配算法计算得到表面流场，包括以下步骤：

1)采用粒子运动距离最短的方法对连续两帧图像中的粒子进行匹配，针对第1帧图像中的每个示踪粒子，在第二帧图像中设定搜索半径，在搜索范围内与之距离最短的作为匹配粒子；

2) 通过标定，将图像坐标换算为实际坐标，将粒子运动距离除以时间得到流速：V=△d/△t；

3)在每个智能相机拍摄范围内设置两个明显的特征点，通过匹配特征点，进行平移和旋转变换，完成全流场的拼接。

4)将各个粒子的坐标及流速进行全场显示。

图2所示为流场显示图，流速矢量9为标识流速坐标、大小及方向。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。