[发明专利]基于仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场图像畸变矫正系统及方法

说明书

本发明提供了一种基于仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场图像畸变矫正系统及方法，包含标定纸，结构物外套箱体，PIV系统与后处理算法。标定纸内置在结构物中，且需布满待测平面，可直接观察到畸变后图像；结构物外套水密箱体包覆待测结构物，箱体内充满结构物内溶液，从箱体外界观察的观察窗为平面，观察到的图像畸变情况已基本矫正；PIV系统包括两台高速相机、激光器、同步器、计算机；通过后处理软件获取畸变前后图像像点的多项式映射关系，将映射关系逆向应用于直接拍摄情况下结构物内部的流动图像，获取未经过畸变的真实流动情况。通过管道内流动流场的PIV试验数据进行正畸效果验证，可为后续的复杂结构物内流场试验数据的处理与分析提供数据支撑。

技术领域

本发明属于流体力学试验技术领域，具体涉及一种仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场光学测量系统及方法。

背景技术

测量结构物内部流动情况时，可透过透明结构物模型进行试验，但由于结构物折射率与水体不同，相机所采集的粒子图像会由于折射不同而发生畸变，从而引起测试结果的误差。通过溶液配比的方式实现固液两相的折射率匹配，不适用于大范围水体环境。矫正在研究透明结构物内的流体运动特性时图像所产生的畸变误差，将是解决更复杂结构物内流场试验测试的一个重要途径。畸变矫正方法可为后续的复杂结构物内流场试验数据的处理与分析提供数据支撑。粒子图像测速即PIV是上世纪八十年代发展起来的一种使流体可视化的流场测量技术，随着计算机技术、光电技术、图像处理技术等多个学科的突飞猛进，PIV技术作为一种多点、无接触、瞬态的流场测量手段，受到人们青睐，将PIV技术运用于管道流研究不仅能够提高测量的准确性还能够对流场流动特征进行较为精确的表征。

基于仿射与B样条网格变换的正畸方法是一种非刚性图像配准方法，仿射变换是指通过平移、旋转、缩放组合的全局线性变换对图像进行整体变换；基于B样条网格的图像配准方法是通过构建B样条控制点网格，控制输入图像的局部变换。利用控制点网格的层次结构生成一系列函数，通过应用B样条细化，将这些函数的和等效为一个可以产生平滑、连续变换的B样条函数。具体做法是：在结构物阻挡前后的标定板图像中能够确定一组特征坐标点，这些特征坐标点称为控制点。基于B样条的变换，将畸变后图像中的控制点映射到畸变前图像的对应点上，在控制点之间提供一种光滑的变换位移场，根据控制点的运动位移值，通过优化算法拟合出图像中每个点的运动位移。

图像光学畸变校正大多针对成像系统光学器件。本发明则是针对流场或视场本身，根据几何光学，利用后处理手段对PIV测量原始数据进行的光学畸变校正。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场图像畸变矫正系统及方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种基于仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场图像畸变矫正系统，包括标定纸、透明结构物、结构物外套箱体、PIV系统与后处理算法；所述标定纸内置在透明结构物中，且布满待测平面；所述结构物外套箱体包覆待测透明结构物，结构物外套箱体内充满结构物内溶液；所述PIV系统包括第一高速相机、第二高速相机、同步器、激光器及计算机，第一高速相机、第二高速相机、激光器及计算机均连接在同步器上；所述后处理算法是通过后处理软件获取畸变前后图像像点的多项式映射关系，将映射关系逆向应用于直接拍摄情况下结构物内部的流动图像，可获取未经过畸变的真实流动情况。

进一步地，所述标定纸，通过透明结构物观察得到畸变后的图像；通过结构物外套箱体观察标定纸得到基本矫正的畸变前图像。

进一步地，若待测透明结构物不方便进行结构物外套箱体的包覆，可构建等比例同透明材料模型，仅用于畸变前后映射关系的获取。

一种基于仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场图像畸变矫正方法，具体步骤如下：