本发明属于多相流三维测量领域。为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，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：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，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，从而唯一确定出同一粒子在多帧图像中运动的空间点。本发明主要应用于多相流三维测量。
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；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。
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，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Rh阈值为不低于粒子的最大运动距离Δdmax，一般取Rh＝Δdmax；
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，Rh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mk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Rh的球形查询窗口，并建立相应的空间极坐标，其中ng(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Smn：
εr为空间极径的阈值，通常取值小于5个像素；εθx，εθy和εθz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Smn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。
基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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
[0004] 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。
[0005] 所述步骤进一步细化为：
[0006] 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；
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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。
[0011] 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Rh阈值为不低于粒子的最大运动距离Δdmax，一般取Rh＝Δdmax；
[0012] 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，Rh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mk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
[0013]
[0014]
[0015] 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Rh的球形查询窗口，并建立相应的空间极坐标，其中ng(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
[0016] 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Smn：
[0017]
[0018] 其中，H(r，θx，θy，θz)为阶跃函数：
[0019]
[0020] εr为空间极径的阈值，通常取值小于5个像素；εθx，εθy和εθz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Smn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。
[0021] 本发明通过设定粒子三维匹配特征和球形查询窗口，建立空间极坐标系，根据搜索范围内相邻粒子质心坐标点的极径与三个方向的极角，定义并计算出每个点的相似系数目标函数，选取最大者即为匹配粒子，从而实现了三维测量系统中连续多帧粒子图像的准确匹配，为后续粒子三维运动轨迹重建及空间测速奠定坚实基础。
附图说明
[0022] 图1为基于两台高速摄像机的粒子图像采集和三维测量系统。
[0023] 图2为基于单台高速摄像机的粒子图像采集和三维测量系统。
[0024] 图3为基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法示意图。
[0025] 图4为粒子序列图像(以多气泡为例)。
[0026] 图5为粒子运动匹配和轨迹重建结果(以多气泡为例)。
具体实施方式
[0027] 本方法适用于基于两台高速摄像机组成的多相流特征参数三维测量平台中广义粒子(气泡、液滴、固体颗粒)的运动匹配，同样也适用于基于单台高速摄像机和相应光学系统(如折光分光光路)组成的虚拟三维测量平台中粒子图像的运动匹配。
[0028] 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等约束条件，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，可以计算得到单帧图像中粒子的三维质心坐标。为了增强对于粒子三维运动特性的适应，本发明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，打破常规极径与单一极角的约束，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。
[0029] 具体匹配方法如下：
[0030] 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；
[0031] 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；
[0032] 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；
[0033] 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；
[0034] 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。
[0035] 本发明提供了一种基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法，该方法充分考虑粒子的空间运动特性，基于空间极坐标，确定了以粒子三维质心点为匹配特征、以球形立体空间为搜索区域的运动匹配方法。
[0036] 下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0037] 图1和图2所示为粒子三维图像采集和测量系统。其中图1为基于两台高速摄像机的粒子采集及三维测量系统，两台高速摄像机交汇、对称摆放，从两个不同视角采集多相流中粒子图像并进行匹配和三维重建；图2为基于单台高速摄像机的粒子采集及三维测量系统(以折光分光光学系统组成为例)，其中C为实体高速摄像机，经两组反射镜组P1、P2和M1、M2虚拟为左、右虚拟摄像机CL、CR，在此基础上获得多相流的双视角粒子图像并进行匹配和三维重建。本发明专利适用于以上两类平台中采集的粒子图像三维运动匹配。
[0038] 图3所示为基于空间极坐标的粒子三维运动匹配方法示意图，其根据采集所得的连续两帧图像，利用匹配粒子三维质心与周围其他粒子质心之间的空间距离及投影角度关系，建立相似度目标函数来进行匹配和跟踪，下面结合本图做进一步详释。
[0039] 当获得连续两幅图像中各粒子的三维质心点(图中以“×”表示)，则第一幅图像中待匹配粒子的候选粒子，将位于第二幅图像中以待匹配粒子为圆心，半径固定的某球形区域内。根据设备恒定的帧间隔Δt以及所测量粒子最大运动速度Δvmax，可获得连续帧粒子的最大运动距离Δdmax，由此，设定球形查询窗口半径Rh阈值为不低于粒子的最大运动距离Δdmax，一般取Rh＝Δdmax。
[0040] 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，Rh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mk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
[0041]
[0042]
[0043] 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Rh的球形查询窗口，并建立相应的空间极坐标，其中ng(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
[0044] 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Smn：
[0045]
[0046] 其中，H(r，θx，θy，θz)为阶跃函数：
[0047]
[0048] εr为空间极径的阈值，通常取值小于5个像素。εθx，εθy和εθz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Smn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。
[0049] 以气液两相流中多气泡图像运动匹配为例，图4所示为基于单台高速摄像机的三维测量系统所摄取的粒子(气泡)序列图像。经过一系列数字图像处理，包括灰度化、差影反色、滤波、阈值分割、形态学处理、图像填充以及连通区域标记与消除，可提取出各粒子(气泡)的二维质心坐标，根据已有的参数及数学模型，计算出各粒子(气泡)的三维质心坐标，作为匹配特征。
[0050] 根据本发明中基于空间坐标的粒子三维匹配方法，对相邻两帧粒子(气泡)进行运动匹配，在此基础上基于序列图像可以有效重建出粒子(气泡)三维运动轨迹。该发明方法实用性强，可以准确、有效地实现多相流中粒子图像的三维运动匹配。
