国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

基于回歸分析的表面流場(chǎng)粒子匹配算法

2020-02-28 07:52周國(guó)梁晏成明
水利水電科技進(jìn)展 2020年1期
關(guān)鍵詞:差法同源流場(chǎng)

陳 紅,周國(guó)梁,閆 靜,嵇 陽(yáng),晏成明

(1. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2. 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510635)

我國(guó)河流上興建了大量水利、水運(yùn)、交通等涉河工程,受河流復(fù)雜水沙運(yùn)動(dòng)作用,大中型涉河工程關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)多通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究確定。其中,流速是河流物理模型試驗(yàn)中最基本的參量[1-2],試驗(yàn)工況確定、水流結(jié)構(gòu)分析、模型驗(yàn)證或工程方案比選均依賴流速數(shù)據(jù)分析,流速測(cè)量準(zhǔn)確性直接關(guān)系到試驗(yàn)成果水平。目前常用流速測(cè)量?jī)x器有畢托管[1]、微型旋槳流速儀[3]、超聲波多普勒流速儀(acoustic Doppler velocimetry,ADV)[3]、大尺度流場(chǎng)圖像測(cè)速儀( large-scale particle image velocimetry,LSPIV)[3]、熱線熱膜流速儀(hot wire/hot film anemometry, HWFA)[4]、激光多普勒流速儀 (laser Doppler velocimetry/anemometry, LDV/LDA)[5]、粒子圖像測(cè)速儀(particle image velocimetry,PIV)[6-10]等。物理模型試驗(yàn)水體含雜質(zhì)較多,易阻塞畢托管或損壞HWFA敏感元件,因此畢托管和HWFA不適用于物理模型試驗(yàn)。PIV和LDV測(cè)量范圍有限,布置煩瑣,易受雜質(zhì)干擾,也無(wú)法適用于物理模型試驗(yàn)[11-13]。微型旋槳流速儀和ADV常用于物理模型流速測(cè)量,微型旋槳流速儀操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、測(cè)量精度較高,然而,對(duì)流態(tài)干擾較大,存在測(cè)量盲區(qū),流速較小時(shí)測(cè)量誤差大。ADV測(cè)量精度高,可同時(shí)測(cè)量三維點(diǎn)流速和流向,但超聲波在空氣和水體中傳播速度不同,測(cè)量時(shí)應(yīng)將發(fā)射接收探頭置于水面下才能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,對(duì)流態(tài)有一定干擾,而且其價(jià)格昂貴,難以大規(guī)模應(yīng)用。LSPIV通過(guò)測(cè)量水流表面示蹤粒子計(jì)算對(duì)應(yīng)水流質(zhì)點(diǎn)流速,具有測(cè)量范圍大、測(cè)量效率高、不干擾流場(chǎng)形態(tài)等顯著優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于物理模型試驗(yàn)。

LSPIV系統(tǒng)主要包括示蹤粒子、圖像采集和圖像處理等[14],王興奎等[15]基于圖像采集卡研發(fā)了LSPIV系統(tǒng),建立了最鄰近算法實(shí)現(xiàn)了粒子匹配,并測(cè)量了三峽工程物理模型表面流場(chǎng),分析了工程前后流場(chǎng)變化。唐洪武等[16]改進(jìn)了粒子匹配算法,采用Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和修正,并應(yīng)用到快速自航船模船尾流場(chǎng)及航道斷面流場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量。陳誠(chéng)[17]對(duì)示蹤粒子跟隨性和圖像處理技術(shù)進(jìn)行了深入研究,并應(yīng)用于黃河模型試驗(yàn)中。LSPIV最核心技術(shù)是示蹤粒子匹配,常規(guī)采用最鄰近算法,但當(dāng)粒子密度較大時(shí),粒子匹配誤差會(huì)大幅增加,降低流場(chǎng)測(cè)量精度,影響工程前后流速變化分析。

本文針對(duì)粒子密度大時(shí)粒子匹配誤差大等問(wèn)題,改進(jìn)了最鄰近匹配算法,提出多幀回歸粒子匹配算法,在此基礎(chǔ)上開發(fā)了改進(jìn)型大尺度模型表面流場(chǎng)圖像測(cè)試系統(tǒng)(ILSPIV),并將該系統(tǒng)應(yīng)用于八卦洲河工模型,同時(shí)與旋槳流速儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 流場(chǎng)圖像特征

在模型水流表面播散跟隨性能好的示蹤粒子跟隨水流運(yùn)動(dòng),利用CCD攝像頭記錄一定時(shí)間間隔的流場(chǎng)圖像(如圖1所示),經(jīng)圖像處理提取示蹤粒子像,通過(guò)粒子匹配,獲取t1時(shí)刻示蹤粒子經(jīng)過(guò)Δt時(shí)間后在t2時(shí)刻的圖像,得到Δt時(shí)間內(nèi)粒子位移,從而求得示蹤粒子的速度,即對(duì)應(yīng)水流點(diǎn)的速度。

圖1 流場(chǎng)粒子圖

圖1流場(chǎng)圖像中示蹤粒子為白色,RGB灰度值較大。在圖像中選取5個(gè)粒子像,依次讀取中心點(diǎn)、邊緣點(diǎn)及相鄰背景點(diǎn)灰度值,RGB灰度值如表1所示?;叶戎当砻鞑煌恢檬聚櫫W覴GB灰度值存在一定差異,粒子中心點(diǎn)及邊緣點(diǎn)處灰度值大于背景點(diǎn)灰度值,且隨著背景點(diǎn)灰度值增大,粒子中心點(diǎn)及邊緣點(diǎn)處灰度值也相應(yīng)增大,粒子中心點(diǎn)、邊緣點(diǎn)、背景點(diǎn)灰度值變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致,示蹤粒子中心點(diǎn)灰度值與對(duì)應(yīng)背景點(diǎn)灰度值存在一定相關(guān)關(guān)系。

表1 示蹤粒子RGB灰度值

2 粒子像提取

粒子像提取是將示蹤粒子從圖像中分離出來(lái),獲取示蹤粒子中心坐標(biāo)。傳統(tǒng)粒子提取算法主要采用閾值分割,分割算法如下式:

(1)

式中:gi(x,y)為第i幀圖像在坐標(biāo)(x,y)處灰度值;ki(x,y)為閾值分割后圖像灰度值;T為閾值。

圖2 閾值分割結(jié)果對(duì)比

閾值分割處理前景和背景差異較小的圖像時(shí)分割效果較差。對(duì)圖1直接進(jìn)行閾值分割,處理結(jié)果如圖2(a)所示。幀差法的基本原理是首先對(duì)相鄰兩幀圖像做差分運(yùn)算,再通過(guò)閾值變換消除背景、分離運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息,該方法能提高背景和前景差異,有利于閾值分割,適用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和背景差異較小的圖像檢測(cè),具有算法簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。幀差法計(jì)算方法如下:

pi(x,y)=gi+1(x,y)-gi(x,y)

(2)

式中:pi(x,y)為幀差法處理后圖像灰度值。

幀差法能消除背景影響,即使背景存在因外部條件導(dǎo)致的灰度差異,只要該差異小于背景與示蹤粒子間的差異,仍可采用幀差法和閾值分割組合(幀差法閾值分割)提取示蹤粒子。幀差法閾值分割先采用式(2)計(jì)算出pi(x,y),然后將gi(x,y)=pi(x,y)代入式(1)得出ki(x,y)。對(duì)圖1進(jìn)行幀差法閾值分割,結(jié)果如圖2(b)所示,幀差法閾值分割能有效消除模糊背景,示蹤粒子提取準(zhǔn)確度更高。

選取幀差法閾值分割處理圖像,對(duì)第i幀和i+1幀圖像進(jìn)行幀差法閾值分割得到ki(x,y),對(duì)第i+1幀和i+2幀圖像進(jìn)行幀差法閾值分割得到ki+1(x,y),對(duì)ki(x,y)和ki+1(x,y)進(jìn)行和運(yùn)算,得到hi(x,y):

(3)

hi(x,y)是第i幀、i+1幀、i+2幀粒子像全部疊加在一起得到的粒子圖像,背景灰度值為0,粒子灰度值為255。沿x、y方向依次讀取坐標(biāo)灰度值,當(dāng)灰度值為255時(shí),即可判別該坐標(biāo)為粒子像坐標(biāo),記為(xm,yn),m=0,1,…,l1;n=0,1,…,l2;l1、l2分別為提取出的x、y方向上粒子像的最大數(shù)。

3 粒子匹配

示蹤粒子像包含了第i幀、i+1幀、i+2幀示蹤粒子像,粒子濃度較大時(shí),無(wú)法通過(guò)最鄰近匹配算法進(jìn)行粒子同源匹配。根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)連續(xù)性,多幀同源示蹤粒子像遵循以下原則:①同源示蹤粒子運(yùn)動(dòng)位移量較??;②同源示蹤粒子運(yùn)動(dòng)軌跡連續(xù)光滑,不存在突變,表現(xiàn)為多幀同源示蹤粒子像運(yùn)動(dòng)軌跡近似直線,回歸分析時(shí)相關(guān)系數(shù)最大。本文改進(jìn)了最鄰近匹配算法,提出了多幀回歸粒子匹配算法,算法的步驟如下:

步驟1搜索第i+1時(shí)刻同源疑似點(diǎn)。原則①表明示蹤粒子運(yùn)動(dòng)范圍是以初始時(shí)刻坐標(biāo)為圓心,最大運(yùn)動(dòng)位移量d0(與運(yùn)動(dòng)速度相關(guān),可由斷面平均流速估計(jì))為半徑的圓,根據(jù)該原則初步確定同源點(diǎn),稱為第i+1時(shí)刻同源疑似點(diǎn)。從示蹤粒子像坐標(biāo)提取起始點(diǎn)(xm,yn),為提高圖像處理速度,設(shè)立正方形查詢窗口,邊長(zhǎng)2r,在該正方形范圍內(nèi)提取點(diǎn)(xm+k,yn+h),其中k=-r, -r+1,…,r,h=-r, -r+1,…,r,兩個(gè)點(diǎn)的距離d1為

(4)

如果d1

步驟2搜索第i+2時(shí)刻同源疑似點(diǎn)。以點(diǎn)(xm+k,yn+h)為中心,在邊長(zhǎng)為2r的正方形查詢窗口內(nèi)提取點(diǎn)(xm+k+g,yn+h+f),其中g(shù)=-r, -r+1,…,r,f=-r, -r+1,…,r。計(jì)算這兩個(gè)點(diǎn)的距離d2,如果d2

(5)

總平方和為

(6)

假設(shè)上述三點(diǎn)擬合直線方程為

y=ax+b

(7)

(8)

(9)

相關(guān)系數(shù)Rm為

(10)

圖3 同源疑似示蹤粒子像

依次對(duì)其他同源疑似點(diǎn)與起始點(diǎn)(xm,yn)進(jìn)行回歸分析,相關(guān)系數(shù)最大的作為同源點(diǎn),完成全流場(chǎng)粒子匹配。

圖3為根據(jù)原則①處理獲取的同源示蹤粒子像,黑色點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y0),其同源疑似點(diǎn)有點(diǎn)(x0+1,y0-1)、(x0+1,y0)和(x0,y0+1);點(diǎn)(x0+1,y0-1)的同源疑似點(diǎn)有(x0+2,y0-2)、(x0+2,y0-1)和(x0+1,y0);點(diǎn)(x0+1,y0)的同源疑似點(diǎn)有(x0+1,y0-1)、(x0,y0+1)和(x0+2,y0-1);點(diǎn)(x0,y0+1)的同源疑似點(diǎn)有(x0-1,y0+2)和(x0+1,y0),則對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)最高的點(diǎn)為點(diǎn)(x0,y0)、(x0+1,y0-1)和(x0+2,y0-2),其擬合直線為

y=x

(11)

擬合直線相關(guān)系數(shù)為1,依次類推可得,黑色點(diǎn)與紅色點(diǎn)屬于同源粒子。

基于回歸分析的粒子匹配算法開發(fā)了改進(jìn)型大尺度模型表面流場(chǎng)圖像測(cè)試系統(tǒng)(ILSPIV),對(duì)圖1表面流場(chǎng)粒子圖像進(jìn)行處理,得到流速矢量如圖4所示,總體上矢量圖錯(cuò)誤較少,矢量與粒子軌跡重合度高。

圖4 表面流場(chǎng)矢量圖

4 實(shí)際應(yīng)用

長(zhǎng)江南京河段八卦洲左汊河道沿程阻力遠(yuǎn)大于右汊,導(dǎo)致左汊逐漸淤積、萎縮,既影響左汊沿岸生產(chǎn)生活,又影響南京長(zhǎng)江河段整體河勢(shì)穩(wěn)定。因此,需要采取有效工程措施穩(wěn)定八卦洲汊道河勢(shì),提高左汊分流比。為對(duì)比研究工程效果,采用物理模型研究了工程前后洲頭流速分布等變化情況。根據(jù)試驗(yàn)要求,確定八卦洲汊道整治物理模型模擬范圍,上邊界為大勝關(guān),下邊界至九鄉(xiāng)河,模擬河段總長(zhǎng)度約43 km。選定模型平面比尺λL= 480,垂直比尺λH= 120,流速比尺λv= 10.95。

試驗(yàn)工況流量為15 290 m3/s,選定測(cè)流斷面位于分流口,分別采用旋槳流速儀和ILSPIV對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。旋槳流速儀測(cè)量數(shù)據(jù)為斷面垂線平均流速,ILSPIV測(cè)量流速為表面流速,根據(jù)有關(guān)理論兩者流速關(guān)系為

vc=0.85vb

(12)

式中:vc為斷面垂線平均流速;vb為表面流速。

依據(jù)式(12)將ILSPIV測(cè)量的表面流速數(shù)據(jù)換算成斷面垂線平均流速,圖5給出了兩種測(cè)試技術(shù)獲得的工程前后斷面垂線平均流速??傮w上,兩種測(cè)試技術(shù)測(cè)量的斷面垂線平均流速分布形態(tài)相似,局部流速點(diǎn)存在一定偏差,相對(duì)誤差小于2.7%。ILSPIV測(cè)量的工程前后流速變化范圍為-0.25~0.22 m/s,旋槳流速儀測(cè)量的工程前后流速變化范圍為-0.18~0.22 m/s,表明工程前后兩種技術(shù)測(cè)量結(jié)果相對(duì)變化量基本一致,對(duì)工程影響評(píng)估無(wú)差異。

圖5 兩種測(cè)試技術(shù)獲得的工程前后斷面垂線平均流速對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

粒子匹配是影響LSPIV測(cè)量精度最重要的因素之一,為提高粒子匹配精度,改進(jìn)了最鄰近匹配算法,提出了多幀回歸粒子匹配算法,從動(dòng)態(tài)圖像中提取連續(xù)幀,分組疊加再做減運(yùn)算,采用一元線性回歸,以相關(guān)系數(shù)為評(píng)估參數(shù),確保了高粒子濃度條件下粒子的精確匹配。運(yùn)用多幀回歸粒子匹配算法開發(fā)了ILSPIV,將ILSPIV應(yīng)用到八卦洲河工模型試驗(yàn),ILSPIV和旋槳流速儀測(cè)量的斷面垂線平均流速分布形態(tài)一致,相對(duì)偏差小于2.7%,工程前后兩種技術(shù)測(cè)量結(jié)果相對(duì)變化量偏差小,表明多幀回歸粒子匹配算法能提升高濃度粒子條件下流速測(cè)量精度,更有利于工程前后流速變化分析和評(píng)估。

猜你喜歡
差法同源流場(chǎng)
車門關(guān)閉過(guò)程的流場(chǎng)分析
例談“定比點(diǎn)差法”在解幾問(wèn)題中的應(yīng)用
以同源詞看《詩(shī)經(jīng)》的訓(xùn)釋三則
“鋌”有“直”義的詞源學(xué)解釋——兼說(shuō)/直/義的同源詞族
基于動(dòng)態(tài)差法的交通量監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用
同源賓語(yǔ)的三大類型與七項(xiàng)注意
關(guān)于用逐差法計(jì)算紙帶加速度合理性的討論
虔誠(chéng)書畫乃同源
天窗開啟狀態(tài)流場(chǎng)分析
“鬧”中取靜點(diǎn)差法
石阡县| 通城县| 进贤县| 福安市| 崇文区| 莱西市| 清水河县| 车致| 四川省| 外汇| 阳新县| 沽源县| 辰溪县| 九龙县| 新绛县| 开阳县| 榕江县| 乌鲁木齐县| 同江市| 大庆市| 和龙市| 巴林右旗| 莫力| 会泽县| 那坡县| 呼玛县| 九龙城区| 芦山县| 阳新县| 陇南市| 通许县| 屏东县| 安义县| 略阳县| 和林格尔县| 太康县| 南澳县| 浦县| 衡阳市| 抚顺县| 通化市|