[发明专利]自由界面附近层析粒子图像测速方法

权利要求书

1.一种自由界面附近层析粒子图像测速方法，适用于气液界面或者液液界面附近的测量，其特征在于，

包括以下步骤：

步骤S1：布置至少三台相机和照明光源，并对相机的位置进行标定，布置界面标记物和播撒示踪粒子后利用相机拍摄得到粒子图像；

步骤S2：对粒子图像进行预处理：在粒子图像中区分界面标记物和示踪粒子并得到界面标记物在粒子图像中的分布和相邻两帧图像之间界面标记物的移动关系，对原粒子图像进行第一图像预处理以得到用于界面识别的预处理图像，对原粒子图像进行第二图像预处理以得到用于计算速度场的预处理图像；

步骤S3：基于用于界面识别的预处理图像识别界面位置；

步骤S4：基于用于计算速度场的预处理图像进行空间重构和互相关计算以获取速度场；

所述步骤S2中对原粒子图像进行第一图像预处理以得到用于界面识别的预处理图像具体包括以下步骤：

步骤S21：遮盖画面中界面标记物存在区域以外区域的亮度分布，使其亮度值为零，分别得到遮盖后的多帧图像的第一亮度分布；

步骤S22：采用图片形态学灰度开操作对遮盖后的多帧图像分别进行处理，分别得到多帧图像的第二亮度分布；

步骤S23：基于相邻两帧图像之间界面标记物的移动关系得到两帧图像之间图像变形的变换矩阵；

步骤S24：对于双帧曝光模式的图片，使用变换矩阵将第二帧图像变换得到第一帧图像所在时刻应出现的亮度分布情况，且将该亮度分布和第一帧图像的第二亮度分布进行对比并取各像素点的亮度值较小者，从而得到第一帧图像的预处理结果，按照同样的方式得到第二帧图像的预处理结果。

2.如权利要求1所述的自由界面附近层析粒子图像测速方法，其特征在于，

所述步骤S2中具体通过以下步骤得到界面标记物在原始粒子图像中的分布：

综合利用界面标记物和示踪粒子的半径、亮度和在画面中移动速度的差异来确定界面标记物在不同相机的画面中大致出现的范围，再使用腐蚀方法和周围区域亮度计数方法大致确定界面标记物在画面中出现的区域；

对相邻两帧画面进行互相关计算，查询窗口移动范围限定在界面标记物位移范围附近，若该查询窗口所在区域有界面标记物，互相关的相关系数将会接近于1，若没有界面标记物，相关系数接近于0，由此也可以大致确定界面标记物在画面中所出现的区域；

综合以上两个依据，判断界面标记物在画面中出现的范围，并得到该范围对应的上边界，再使用锁相平均平滑上边界的位置。

3.如权利要求1所述的自由界面附近层析粒子图像测速方法，其特征在于，

所述步骤S2中对原粒子图像进行第二图像预处理以得到用于计算速度场的预处理图像具体包括以下内容：

采用遮盖算法M(l)＝M(x,y)*l(x,y)对原粒子图像进行遮盖，分别得到遮盖后的多帧图像的第一亮度分布，其中l(x,y)为亮度分布，

当yl(x)–d时，M(x,y)＝0；

当l(x)–dyl(x)时，M(x,y)＝0.5*(y–(l(x)–d))/d；

当l(x)yl(x)+h时，M(x,y)＝0.5；

当l(x)+hyl(x)+h+d，M(x,y)＝0.5*(l(x)+h+d-y)/d；

当yl(x)+h+d时，M(x,y)＝0；

遮盖M和图像亮度分布l为两个尺寸相同的矩阵，l(x)表示界面标记物出现区域的边界，h表示界面标记物和示踪粒子共存区域的高度，d表示缓冲区域的宽度，x、y表示像素点的平面位置坐标，h和d由相机分辨率和相机倾角确定；

对于双帧曝光模式的图片，使用步骤S23中的变换矩阵对遮盖后的第二帧图像进行变形，将第一帧原图像的亮度分布中各个像素点的亮度值对应减去经过遮盖、变形后的第二帧图像的亮度分布中各个像素点的亮度值的两倍，得到第一帧图像的预处理结果；对第二帧图像采用相同的步骤进行处理。

4.如权利要求3所述的自由界面附近层析粒子图像测速方法，其特征在于，

对于第二图像预处理后出现亮度数值为负的情况，所述步骤S2还包括以下内容：

将图像中各个像素数值类型变为无符号整型；或者将图像中出现负值的像素点的亮度值改为零。