河工模型中漩涡参数图像测量研究

摘要

随着信息时代的来临,各项学科交叉发展,利用计算机辅助技术来提高水利行业的科技水平成为当今技术融合背景下一个重要发展趋势,其中基于计算机图像处理的河工模型量测技术越来越多的应用在河工模型试验的研究与实用中。当前图像处理技术在河工模型试验中的应用多集中在对表面流场和河势的测量,对于水库模型中进水口上表面的有害漩涡的监视与测量目前还不多见,本文在总结已有的应用于河工模型测量的图像处理算法与方案的基础上,结合漩涡特性参数与漩涡有害性之间的关系特点,提出了一种基于计算机图像处理的模型漩涡流场参数的测量方法,以实现利用计算机图像测量法对河工模型试验中产生的漩涡流场的有害性进行判断。
　　本文在“黄河模型”网络监测系统环境下,搭建一个用于对模型中漩涡流场进行观测的监控平台。在紧密围绕河工模型试验中图像测量技术的同时,详细介绍了模型漩涡流场图像测量系统的构建,以及对典型的漩涡流场范围、半径的提取和对漩涡表面切向速度的测量的实现方法。
　　首先,通过具有网络路由功能的数字摄像机,将拍摄到的一组漩涡图像经过网络传输至主处理计算机。在完成漩涡图像去噪、压缩等预处理后,按照不同的测量目的,采用不同的图像处理方法分别进行相关参数的提取与计算。在漩涡图像的获取与传输部分,提出了一种基于“熵准则”的改进的EZW图像编码压缩算法以满足传输的图像清晰度与网络带宽之间的要求,同时也使得输出码流符合稀疏信号的特征,为实现最新的压缩传感技术,极大的提高图片的传输效率以满足河工模型检测系统的实时性需求提供了可能。
　　在进行漩涡半径的测量时,根据预处理后漩涡图像的特点,采用针对性的对比度拉伸进行图像增强;再通过对常用典型的边缘检测算子比较,选取适合漩涡图像的LOG算子对漩涡进行边缘检测,并提出一种基于漩涡纹理特征向量的消除伪轮廓的方法,对漩涡无旋部分由于水纹波动而形成的伪边缘点进行清除,以实现漩涡边界的准确提取;最后,利用平面图形的形心坐标计算公式获取漩涡中心坐标,计算漩涡中心到旋涡边界的像素点个数经比例换算后得出漩涡的实际半径。
　　为实现漩涡表面切向速度的测量,本文采用能对单个示踪粒子进行匹配跟踪的PTV技术,将示踪粒子撒入漩涡表面,通过测量两帧相邻图像间隔时间内参考粒子的位移,计算出该粒子所在漩涡流场中位置的切向速度。在进行测量计算之前,本文利用MATLAB仿真比对了PTV技术匹配算法中常用的四帧图像法、PCSS法、SPG法和VGT法在漩涡流场环境中的匹配效率,仿真验证了VGT法在漩涡场中有较为理想的粒子匹配结果,并选取其作为本文 PTV计算时的匹配法,为准确的实现对漩涡表面流场中切向速度的测量提供了保证。

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1 绪 论

1.1 我国河工模型及其量测技术的发展

1.2 图像处理技术在河工模型中的应用

1.3 河工模型试验中的有害漩涡问题

1.4 本文研究的具体内容及研究意义

2 漩涡流场图像采集和预处理

2.1 图像的采集

2.2 图像的预处理

2.3 图像综合处理

2.4 本章小结

3 漩涡半径测量方法

3.1 对比度增强

3.2 边缘检测

3.3 边缘连接与轮廓提取

3.4 漩涡中心的确定与半径的测量

3.5 本章小结

4 漩涡切向速度测量方法

4.1 漩涡切向速度测量方法基础

4.2 粒子图像测速原理

4.3 漩涡切向速度测量实现

4.4 本章小结

5 漩涡参数测量系统设计及实验分析

5.1 实验系统设计

5.1.1 硬件系统设计

5.2 测量结果

5.3 本章小结

6 结论和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文