[发明专利]基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法

说明书

技术领域

本发明属于多相流三维测量领域，特别涉及一种基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法。 

背景技术

多相流是自然界和人类生活中普遍存在的现象，在水利、能源、环保、机械等诸多领域都已得到了日益广泛的应用，具有重要的研究价值。为了深入研究多相流动机理，准确表述分散相的运动特性，需要对多相流中广义粒子(气泡、液滴、固体颗粒等)的特征参数进行三维测量，如三维轨迹、速度场等。粒子的跟踪和运动匹配是粒子三维测量中一个不可或缺的关键环节，用以确定同一粒子在连续帧中所处的运动位置，判断连续多帧图像中各个粒子的动态对应关系。 

针对多相流中粒子运动匹配，典型方法有基于匹配概率的迭代估算法、神经网络匹配算法、蚁群优化算法以及基于粒子运动特征算法等。前三类算法基于特定数学模型，精度高但运算速度慢。基于粒子运动特征的匹配算法根据粒子运动情况设定搜索范围，结合特定约束条件锁定匹配粒子，精度较高且运算速度快，但目前该类方法大多应用于二维图像流场粒子的测速与跟踪，未充分考虑空间粒子三维运动的客观属性。基于立体视觉测量系统，如两台或多台高速摄影机建立的三维测量系统，或单台高速摄像机及相应光学系统建立的虚拟立体三维测量系统，可以实现双视角测量对象的信息融合，更好地反映粒子三维运动特性，并深入分析其各相流动机理。因此，如何实现三维测量系统下多相流粒子图像的三维运动匹配，成为粒子特征参数三维测量和重建中亟待解决的重要问题。 

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法，从而对非稳多相流场中采集的连续多帧粒子图像进行准确、有效地三维运动匹配，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法，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。 

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。 

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