[发明专利]基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法

权利要求书

1.一种基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法，其特征是，包括下列步骤：在利用三维测量平台获得双视角粒子原始图片的基础上，通过数字图像处理，根据粒子区域特征，提取出同一时刻不同视角中各粒子的二维质心坐标，基于极线几何及粒子属性约束条件，确定出同一粒子在不同视角中的对应关系，同时结合准现场标定参数及三维测量模型，计算得到单帧图像中粒子的三维质心坐标，以粒子三维特征参数作为匹配特征，设定球形查询窗口，建立空间极坐标系，分别求取坐标系在三个轴方向上的投影角度，并结合空间极径距离的阈值约束，从而唯一确定出同一粒子在多帧图像中运动的空间点。

2.如权利要求1所述的基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法，其特征是，所述步骤进一步细化为：

1)对获取的连续多帧双视角粒子图像，利用数字图像处理技术，提取出各粒子的二维质心坐标，根据已有的标定参数及测量模型，计算出各粒子的三维质心坐标；

2)在第一帧图像中，以待匹配粒子质心为中心点，以帧间粒子运动的最大距离值为半径设定球形查询区域，区域内的其他粒子为其邻近点，以中心点为原点建立空间极坐标系；

3)在第二帧图像中，可能与第一帧中待匹配粒子为同一粒子的称为候选粒子，其质心为候选点，以候选点为中心，同样开设与第一帧半径值相同的球形查询窗口，并建立相应的空间极坐标系，查询区域内的其他粒子质心为候选点的邻近点；

4)分别在第一帧和第二帧图像中，计算每一个邻近点与中心点的空间极径距离值以及三个坐标轴方向的投影角度，并将第一帧与第二帧中每个邻近点的距离计算值和三个角度的计算值进行比较，并设定阈值约束；

5)定义相似系数目标函数，第二帧中的每个候选点都可得出一个相应的相似系数，而满足阈值条件最多即相似系数最大的候选点，即为与待匹配粒子为同一粒子的运动匹配点。

3.如权利要求1所述的基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法，其特征是，确定出同一粒子在多帧图像中运动的空间点的具体步骤为：

当获得连续两幅图像中各粒子的三维质心点，设定球形查询窗口半径R_h阈值为不低于粒子的最大运动距离Δd_max，一般取R_h＝Δd_max；

假定连续两帧图像分别为第i帧和第i+1帧，则在第i帧图像中，以待匹配粒子三维质心点m为球心，R_h为半径作一个球形查询区域，点m的空间坐标为该区域内除点m外还有K个粒子，称为点m的邻近点，以m_k表示(k＝1，...，K)，其空间坐标分别为以点m为原点，建立空间极坐标系，则在第i帧图像中其他邻近点与m的关系可通过空间极径和三个轴方向的投影角度来唯一确定，其中

rmki=(xmki-xmi)2+(ymki-ymi)2+(zmki-zmi)2---(1)]]>

θmkxi=arcsinxmki-xmirmki,]]>θmkyi=arcsinymki-ymirmki,]]>θmkzi=arcsinzmki-zmirmki---(2)]]>

在第i+1帧图像中，可能与第i帧中待匹配粒子为同一粒子的称之为候选粒子，其质心点为候选点，以n表示。对于点n，同样开设一半径值为R_h的球形查询窗口，并建立相应的空间极坐标，其中n_g(g＝1，...，G)为候选点的邻近点，G为邻近点的个数，空间极径为三个轴方向的投影角度分别为

根据第i帧与第i+1帧中空间极径与投影角度值定义相似系数函数S_mn：

Smn=Σk=1KΣg=1GH(ϵr-|rmki-rngi+1|,ϵθx-|θmkxi-θngxi+1|,ϵθy-|θmkyi-θngyi+1|,ϵθz-|θmkzi-θngzi+1|)---(3)]]>

其中，H(r，θ_x，θ_y，θ_z)为阶跃函数：

H(r,θx,θy,θz)=1,r>0,θx>0,θy>0andθz>0;0,otherwise...,---(4)]]>

ε_r为空间极径的阈值，通常取值小于5个像素；ε_θx，ε_θy和ε_θz分别为三个轴方向投影角度的设定阈值，通常取值小于30°；对于第i+1帧图像中每一个m点的候选粒子点，都可以根据目标函数S_mn得到一个相似系数，其中相似值最大的点，即为与待匹配粒子质心点m为同一粒子的匹配点。