一種灰度增強層析piv重構(gòu)方法、裝置和設備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于灰度增強的層析粒子圖像測速技術(shù)，尤其涉及一種灰度增強層析 粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry,簡稱PIV)重構(gòu)方法、裝置和設備。
【背景技術(shù)】
[0002] PIV是一種現(xiàn)代激光測速技術(shù)，主要運用于流場速度測量，通過追蹤示蹤粒子在流 場中的運動來得到速度場。最近興起的層析粒子圖像測速技術(shù)（層析PIV)成功地將二維 PIV推廣到三維流場測量，能夠獲得瞬時的三維三分量（3D3C)的速度場。該技術(shù)通過不同 視角下（一般為4個相機）粒子散射成像重構(gòu)出空間粒子的真實分布，然后采用三維互相 關(guān)計算相鄰曝光粒子間的位移?？臻g粒子重構(gòu)是該方法的關(guān)鍵。
[0003] 層析PIV的相機布置如圖1所不，其中相機為'+'字型布置?？臻g測量體E中的 示蹤粒子被激光照亮以后按照投影關(guān)系同時成像在四個不同視角的相機之上。投影成像的 粒子灰度一般呈高斯分布，大小與示蹤粒子大小和散射強度有關(guān)，一般占3X3像素。從測 量空間到相機平面的投影關(guān)系可以事先標定得到，映射函數(shù)決定了粒子之間的相對位置。 如果將空間測量體E離散成和像素（pixel)大小相當?shù)捏w素（voxel)，投影成像可以簡化成 一系列線性方程組：
[0004] WE = I (1)
[0005] 即假設粒子圖像是空間粒子灰度沿視線投影積分的結(jié)果。其中W為投影權(quán)重函 數(shù)，Wu表示第j個體素對第i個像素的貢獻，該貢獻與投影距離有關(guān)，距離越小貢獻越大。 空間灰度重構(gòu)可以認為是一個逆投影過程，就是已知粒子圖像I和權(quán)重函數(shù)W求空間灰度 分布E。由于離散的體素個數(shù)遠遠大于已知的像素個數(shù)，所以該逆問題存在不定解。為了 求解該方程組，需要額外添加約束條件。目前，主流的層析PIV都采用基于熵最大的倍增代 數(shù)重構(gòu)技術(shù)（multiplicative algebraic reconstruction technique，MART)對粒子場進 行重構(gòu)還原。該方法被證明是當前最適合層析PIV重構(gòu)的，該方法迭代收斂速度快，重構(gòu)的 精度較高，其迭代公式可簡單表述為：
[0006] Ek+1= Ek(I/ffEk)uW (2)
[0007] 其中，k代表迭代次數(shù)，I/WEk代表對投影誤差的評估，空間灰度E會根據(jù)誤差的大 小不斷逼近最優(yōu)解。
[0008] 然而，在實際的使用中發(fā)現(xiàn)，重構(gòu)精度會受到相機個數(shù)與視角，粒子濃度和映射函 數(shù)精度等因素的影響，出現(xiàn)粒子拉長和虛假粒子兩個非常棘手的問題。所謂粒子拉長，是指 層析PIV在理想情況下重構(gòu)出來應該是高斯分布的球形粒子，正如平面PIV中的粒子服從 高斯分布一樣。但由于相機視角以及個數(shù)原因，投影灰度并不能完全反應粒子的空間形狀， 導致了在相機軸線方向（測量體厚度方向）粒子被拉長。
[0009] 此外，虛假粒子也是層析PIV重構(gòu)面臨的一個難點。圖像采集實際上是一個投影 積分過程，空間連續(xù)的粒子灰度被映射到離散的平面圖像之上。MART算法就是希望通過這 樣的欠采樣圖像重構(gòu)出空間粒子灰度分布，這是反投影過程。由于可利用的粒子位置信息 有限，導致在所有相機視線的交點處都可能出現(xiàn)粒子，但是這個粒子是否真實存在就不得 而知。
[0010] 通過上面的分析可知，層析PIV方法中的MART算法并沒有利用粒子形狀、灰度等 許多有用的信息，導致了其自身更新速度很慢，甚至不正確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為解決現(xiàn)有存在的技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供一種灰度增強層析PIV重構(gòu)方 法、裝置和設備。
[0012] 本發(fā)明實施例提供了一種灰度增強層析粒子圖像測速（PIV)重構(gòu)方法，該方法包 括：
[0013] A、在完成倍增代數(shù)重構(gòu)技術(shù)MART迭代后，統(tǒng)計空間灰度場中的粒子拉長比；
[0014] B、依據(jù)所述粒子拉長比確定逆擴散強度因子，并依據(jù)所述逆擴散強度因子和逆擴 散方程更新所述空間灰度場；
[0015] C、依據(jù)統(tǒng)計得到的粒子濃度計算灰度抑制因子，并依據(jù)所述灰度抑制因子對所述 已更新的空間灰度場的粒子灰度進行重新分配；
[0016] 之后進行下一次MART迭代。
[0017] 其中，所述統(tǒng)計空間灰度場中粒子拉長比，包括：
[0018] 在空間灰度場中采用局部峰值的方法識別粒子，并對這些粒子的灰度做統(tǒng)計平均 得到所有粒子灰度的平均結(jié)果；對該結(jié)果進行三維高斯擬合，得到所述空間灰度場各方向 的高斯擬合的標準差，依據(jù)所述標準差計算所述粒子拉長比。
[0019] 其中，所述三維高斯擬合按照如下公式進行：
【主權(quán)項】
1. 一種灰度增強層析粒子圖像測速Piv重構(gòu)方法，其特征在于，該方法包括： A、 在完成倍增代數(shù)重構(gòu)技術(shù)MART迭代后，統(tǒng)計空間灰度場中的粒子拉長比； B、 依據(jù)所述粒子拉長比確定逆擴散強度因子，并依據(jù)所述逆擴散強度因子和逆擴散方 程更新所述空間灰度場； C、 依據(jù)統(tǒng)計得到的粒子濃度計算灰度抑制因子，并依據(jù)所述灰度抑制因子對所述已更 新的空間灰度場的粒子灰度進行重新分配； 之后進行下一次MART迭代。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述統(tǒng)計空間灰度場中粒子拉長比，包 括： 在空間灰度場中采用局部峰值的方法識別粒子，并對這些粒子的灰度做統(tǒng)計平均得到 所有粒子灰度的平均結(jié)果；對該結(jié)果進行三維高斯擬合，得到所述空間灰度場各方向的高 斯擬合的標準差，依據(jù)所述標準差計算所述粒子拉長比。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述三維高斯擬合按照如下公式進行：
其中，所述X，y，z代表重構(gòu)體的三維空間坐標，z為重構(gòu)體厚度方向，Xtl, y(l，2(|代表粒子 中心的物理位置，I代表單個粒子的灰度，Itl代表粒子中心的灰度值，d τχ，cUy，cUz為X，y，z 方向粒子拉長的初始直徑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述依據(jù)空間灰度場各方向的高斯擬合 的標準差計算所述粒子拉長比，依據(jù)如下公式進行：
其中，所述rd為粒子拉長比，所述(1,為粒子圖像直徑，所述〇 τ為粒子高斯擬合后在 x，y方向標準差的平均值，〇 τ = l/8(d TX+cUy)，所述〇 τζ為粒子高斯擬合后在ζ方向的標 準差，σ τζ= l/4d τζ。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述依據(jù)所述粒子拉長比確定逆擴散強 度因子，依據(jù)如下公式進行：
其中，所述S表示逆擴散強度因子，所述rd為粒子拉長比，所述Ρι= -1.40, ρ2 =-L 97, p3= L 41〇
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述依據(jù)所述逆擴散強度因子和逆擴散 方程更新所述空間灰度場，依據(jù)如下公式進行：
該公式為所述逆擴散方程，所述（表示灰度關(guān)于z方向的二階導數(shù)，Ek表示所述MART 迭代后的灰度，扔表示在z方向逆擴散后的灰度，δ為所述逆擴散強度因子，k為MART迭 代次數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述依據(jù)統(tǒng)計得到的粒子濃度計算灰度 抑制因子，包括： 依據(jù)公式（a)和統(tǒng)計得到的粒子濃度計算得到AjP Bg;利用灰度矩陣的最大值歸一化 所述粒子灰度場，并結(jié)合公式（b)計算得到虛假粒子的概率分布，并依據(jù)所述虛假粒子的 概率分布計算得到所述灰度抑制因子，所述灰度抑制因子α與所述虛假粒子的概率分布g 之和為1 ;其中，
其中，B1= 4· 17ΧΚΓ5, a2= -3, a3= 6· 42ΧΚΓ2, Id1= I. 82ΧΚΓ1，b2= 2· 65ΧΚΓ3， PPP為統(tǒng)計得到的粒子濃度；
其中，E為所述灰度矩陣，民是用最大灰度歸一化后的相對灰度，所述g為虛假粒子的 概率分布。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述依據(jù)所述灰度抑制因子對所述已更 新的空間灰度場的粒子灰度進行重新分配方法，依據(jù)如下公式進行：
其中，所述m為所述步驟C的迭代次數(shù)，k為MART迭代次數(shù)，當m = 1時，所述^為步 驟B中得到的空間灰度場。
9. 一種灰度增強層析粒子圖像測速PIV重構(gòu)裝置，其特征在于，該裝置包括：MART迭代 處理模塊、粒子拉長抑制模塊和虛假粒子抑制模塊；其中， 所述MART迭代處理模塊，用于對空間灰度場進行MART迭代處理； 所述粒子拉長抑制模塊，用于在所述MART迭代處理模塊完成MART迭代后，統(tǒng)計空間灰 度場中的粒子拉長比；依據(jù)所述粒子拉長比確定逆擴散強度因子，并依據(jù)所述逆擴散強度 因子和逆擴散方程更新所述空間灰度場； 所述虛假粒子抑制模塊，用于依據(jù)統(tǒng)計得到的粒子濃度計算灰度抑制因子，并依據(jù) 所述灰度抑制因子對所述已更新的空間灰度場的粒子灰度進行重新分配；之后通知所述 MART迭代處理模塊進行下一次MART迭代。
10. -種灰度增強層析粒子圖像測速PIV重構(gòu)設備，其特征在于，該設備包括：權(quán)利要 求9所述的裝置。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種灰度增強層析粒子圖像測速(PIV)重構(gòu)方法，該方法包括：在完成倍增代數(shù)重構(gòu)技術(shù)(MART)迭代后，統(tǒng)計空間灰度場中粒子拉長比；依據(jù)所述粒子拉長比確定逆擴散強度因子，并依據(jù)所述逆擴散強度因子和逆擴散方程更新所述空間灰度場；依據(jù)統(tǒng)計得到的粒子濃度計算灰度抑制因子，并依據(jù)所述灰度抑制因子對所述已更新的空間灰度場的粒子灰度進行重新分配，之后進行下一次MART迭代。本發(fā)明還同時公開了一種實現(xiàn)所述方法的裝置和設備。
【IPC分類】G06T11-00
【公開號】CN104680564
【申請?zhí)枴緾N201510110129
【發(fā)明人】高琪, 王洪平, 王晉軍, 魏潤杰
【申請人】北京航空航天大學, 魏潤杰
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月12日