[发明专利]一种物理模型试验中的测速方法

权利要求书

1.一种物理模型试验中的测速方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用颜色便于分辨的的涂层将物理模型试验平台绘制成若干个相同尺寸的方格，以便于进行流速计算时对地形进行距离标定；

步骤2、选用2～3mm的碎纸片作为试验水流流速的示踪粒子，利用多个摄像头收集物理模型试验的水流表面流场的视频资料；

步骤3、将步骤2得到的视频资料提取成一系列图像；

步骤4、利用基于平面移动的棋盘标定方法对摄像头进行标定，求出摄像头的内外参数和畸变参数，根据得到的参数对提取的图像进行矫正，从而得到无畸变的图像；具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、利用MATLAB制作一黑白相间的棋盘，将其打印出来粘贴在一个平面木板上制成棋盘板，作为标定物，棋盘大小根据摄像头拍摄的控制区域规模而定；

步骤4.2、在摄像头下调整棋盘板的方向，使摄像头采集棋盘板不同姿态的图像；

步骤4.3、基于OpenCV开源数据库，利用C++编写棋盘标定程序求出摄像头的内外参数和畸变参数；4.3具体包括以下步骤：

步骤4.3.1、设三维世界坐标为(X_W,Y_W,Z_W)，三维相机坐标点为(X,Y,Z)，图像的物理坐标点为(x,y)，图像像素的二维坐标点为(u,v)，世界坐标点通过旋转和平移变换转化为相机坐标点，即(X,Y,Z)＝R|T(X_W,Y_W,Z_W),R为旋转矩阵,T为平移向量；再由透视投影变换、缩放和平移变换最终转化为(u,v)，最终两坐标之间的转换公式为[u,v,1]＝M[X_W,Y_W,Z_W,1]，其中，M为两平面的单应性矩阵；

步骤4.3.2、根据世界坐标系下的已知角点，采用Harris角点检测法从图像中提取棋盘格角点，得到图像像素坐标系下的角点，得到两平面的单应性矩阵，即M＝K[R|T]，其中，R为旋转矩阵，T为平移向量，K为相机的内参矩阵，矩阵中fcx，fcy为焦距fc在x,y方向上像素度量表示，(u₀,v₀)为图像主点坐标点；

步骤4.3.3、在估算理想无畸变的情况下，求得内参数fcx，fcy，u₀，v₀；

步骤4.3.4、利用最小二乘法估算径向畸变下的畸变系数，并通过泰勒级数展开式来校正：x_c＝x(1+k_c1r²+k_c2r⁴+k_c3r⁶)，y_c＝y(1+k_c1r²+k_c2r⁴+k_c3r⁶)，得到在忽略横向畸变情况下，摄像头实际存在径向畸变下的畸变系数k_c1，k_c2，k_c3；

步骤4.3.5、利用最大似然估计进行优化，提升估计精度，设拍摄n张棋盘格图像，每张图像有m个角点，则第i幅图像上角点M_j在上述计算得到的摄像机矩阵下图像上的投影点为其中，R_i和t_i为第i幅图像对应的旋转矩阵和平移向量，K为内参数矩阵，构造的最大似然函数为

步骤4.3.6、利用多参数非线性系统优化问题的Levenberg-Marquardt算法进行迭代求最优解，即公式为取值最小，m_ij为第i幅图像上的角点；

步骤5、对步骤4得到的一系列无畸变的图像采用自适应LSPIV方法进行流速计算，具体包括以下步骤：

步骤5.1、利用地形绘制55cm*55cm的方格，将每个摄像头控制的区域进行地形距离标定；

步骤5.2、在对应的地形距离标定下，选择该摄像头拍摄的一系列无畸变图像水流的流动区域；

步骤5.3、在步骤5.2选出的畸变图像水流的流动区域中给出询问区域的尺寸，尺寸为32*32、64*64或128*128；

步骤5.4、通过应用窗口函数和频率滤波方法，迭代地调整各个询问区域的大小、形状和位置，以适应局部示踪粒子密度、流速和梯度，在迭代过程中，采用通用的离群点检测验证算法来防止离群点干扰迭代；

步骤5.5、利用互相关算法计算出相邻两幅图像搜索区域之间的示踪粒子的瞬时速度；

步骤5.6、将步骤5.5得到的一系列瞬时速度矢量图叠加成一张时均流速图；

步骤5.7、根据每个摄像头的地形距离标定结果，通过更改距离标定原点的坐标值，利用图像拼接处理，得到整个试验研究区域的水流表面的时均流速矢量图和时均流速云图。