[发明专利]一种基于FHT-CC的流场图像自适应运动矢量估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FHT-CC的流场图像自适应运动矢量估计方法，属于非接触式瞬时全场流速测量技术领域。

背景技术

在过去的二十多年间，Adrian和Merzkirch等一批优秀科学家，在粒子图像测速（PIV）这种非接触式瞬时全场流速测量技术的实现和应用领域进行了深入研究，使得粒子图像测速从原理成为一种适用的技术，极大提高了实验室环境下各种复杂流动的测量能力。迄今为止，在二维全场测速技术中，PIV是最成熟的一种新技术，已迅速变为测速的标准方法，其产品也已走向市场(美国TSI公司、Aerometrics公司和丹麦Dantec公司等均有成套产品推出)。

粒子跟踪测速方法是现今实验流体力学发展中的一个里程碑，它通过摄像的方法记录流场的流动形态,采用图像分析技术计算出整个流场的流速分布,是一种瞬时、无扰的全场测速技术,近年来在研究涡流和湍流等复杂流动中得到了广泛的应用。其中粒子图像估计流体的运动矢量是PIV技术的核心和难点。

但是对于利用树叶等天然漂浮物和漩滚、表面波等天然水面模式作为水流示踪物的大尺度粒子图像测速（LSPIV）而言，大多数天然水面模式产生于明渠紊流，它们没有明确的粒子特性，并且通常存在振荡、扩散及形变运动，因而缺乏稳定的几何特征，使得粒子跟踪测速方法难以直接适用。直接互相关（DCC）的空域相关匹配法是流体的运动矢量中常用的计算方法，但是对于LSPIV，待测流场面积往往覆盖数百至数千平方米，图像分辨率需达到百万至千万像素，远大于目前实验室十万像素的数量级，使得基于DCC的空域相关匹配法计算量很大，难以满足流场、流量连续监测的实时性要求。频域相关匹配法基于快速傅立叶变换互相关（FFT-CC），当输入为实信号时，输出为复信号，虚部的计算将消耗大量的时间和存储资源。此外，由于频域相关匹配采用固定的观测窗口，没有考虑出入分析区域的示踪物，窗口尺度对测量精度的影响较为敏感。目前PIV中的自适应选窗方法以相关系数作为迭代条件，要求分析区域内的粒子数在8～15以上，才能保证有效匹配的相关系数保持稳定，这在河流水面图像中通常难以满足。因此，河流水面流场的运动矢量估计面临着特有的挑战，研究针对水面模式这类非刚体目标的运动矢量估计方法具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于FHT-CC的流场图像自适应运动矢量估计方法，采用FHT-CC作为相关测度，在保持相关曲面等效性和完整性的同时，大幅度精简计算量。

为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于FHT-CC的流场图像自适应运动矢量估计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：先获取一张流场图像，隔了一个时间长度后，获取另一张流场图像，将两张流场图像的信号转换为傅里叶频域形式；

步骤二：利用二维哈特利变换互相关模型计算上述两幅流场图像的频域相关测度，再经逆变换得到空域相关曲面；

步骤三：采用高斯曲线方程拟合出上述空域相关曲面峰值的亚像素坐标；

步骤四：根据采样定理确定计算上述空域相关曲面的窗口尺度搜索区间，在该区间内采用自适应选窗技术搜索相关曲面信噪比的局部峰值得到最佳窗口尺度，并将最佳窗口尺度下步骤三求得的相关曲面峰值的亚像素坐标作为流场图像的运动矢量。

步骤二所述二维哈特利变换互相关（FHT-CC）模型：

C_H(u,v)＝F_He(u,v)G_He(u,v)+F_He(u,v)G_He(u,v)+F_He(u,-v)G_Ho(u,v)-F_Ho(u,v)G_He(u,-v)，