粒子图像测速技术在河工模型试验中的应用

近年来计算机图像处理技术有了很大的发展，已在许多生产、科研领域中得到广泛应用，粒子图像测速系统是该技术在河工模型表面流场测量中的应用，它将芯片技术、计算机技术、图像技术和数字信号技术等结合在一起，利用流体中跟随性较好的示踪粒子的成像来测量流体的速度，能实现对模型表面流场的实时采集、处理，最后生成流场矢量分布图，具有测量速度快、精度高、范围广的优点，该系统在南水北调中线穿黄河段河工模型流场测量中取得     

河工模型试验中的DPIV技术及其应用

粒子图像测速是一种快速全流声测量方法。本文根据河工模型试验的特点建立了一套多ＣＣＤ的ＤＰＩＶ测量系统，在自然光照明的条件下对河工模型近千平方米区域内流体的表面流场进行了快速测量；根据河工模型中粒子分布的特点，对ＰＩＶ常用的速度撮算法（互相关和二次傅立叶变换）进行了改进，提高了速度提取的效率，在一定的分辨率前提下达到了对河工模型表面流场实时测量和记录的要求，测量误差较小。     

DPIV系统在河工模型试验中的应用研究

河工模型有同其它模型不同的特点，给流场的测量带来一定的困难，而DPIV系统是一种适合于河工模型的快速的流场测量方法。本文根据河工模型流场测量的特点建立了一套DPIV系统，可以对近平方米区域内的流体表面流场进行快速测量。并且根据河工模型中示踪粒子分布的特点，提出了DPIV速度计算的改进算法，提高了速度计算的效率，达到了对河工模型流场的实时测量和记录的要求。     

基于回归分析的表面流场粒子匹配算法

针对表面流速图像测试中高浓度粒子条件下测量误差大的问题,改进了最邻近匹配算法,提出基于回归分析的表面流场粒子匹配算法,即多帧回归粒子匹配算法。该算法综合粒子距离、运动轨迹、运动趋势等因素,应用一元线性回归分析法拟合粒子中心坐标,通过相关系数完成粒子匹配,实现最佳同源粒子追踪。运用多帧回归粒子匹配算法开发了改进型大尺度模型表面流场图像测试系统(ILSPIV),并将ILSPIV应用到八卦洲河工模型,ILSPIV和旋桨流速仪测量的断面垂线平均流速分布形态及数值基本一致,表明多帧回归粒子匹配算法能提升高浓度粒子条件下流速测量精度,更好地满足工程实践研究需求。     

一种复杂物料输送及除杂气动系统的仿真分析与实验研究

该文描述了一种复杂物料输送、除杂气动系统。基于离散相粒子模型模拟复杂物料,并通过与试验数据对比建立特殊边界上多孔介质模型,采用气/粒子两相流数值模拟方法对物料输送、除杂系统进行了数值仿真;数值分析了系统流场特征,获得了物料良好气力输送、除杂的仿真预报。根据仿真结果研制了该系统模型试验平台,并进行了模型试验。仿真结果与试验结果吻合良好。     

高拱坝混凝土振捣机器人系统研发及应用

常态混凝土浇筑人工振捣施工存在工作强度高、作业主观性强等不足,现有振捣监控方法主要进行振捣位置、振捣时间等参数监控,且均依靠人工经验评估振捣是否密实,难以实现混凝土振捣质量的精确评估。针对上述问题,研发了融合表面图像机器视觉识别的混凝土振捣机器人系统,该系统包括振捣机器人本体、云端监控平台以及通讯子系统。基于工业机器人、自动化控制、机器视觉等技术研制振捣机器人本体,实现高拱坝仓面混凝土无人振捣作业;同时,建立基于改进残差网络（Residual Network,Res Net）的混凝土振捣表面图像的分类模型,实现振捣密实性的科学分析。此外,基于B/S架构研发云端监控平台,并通过无线通讯子系统实现与振捣机器人本体之间信息的传输与交互,实现振捣作业信息的可视化与远程控制。现场试验验证了振捣机器人系统的可靠性和可行性。研究成果为高拱坝混凝土振捣实现无人化作业、精细化质量控制提供了新的思路和技术手段,也可用于其它大体积混凝土施工中,具有十分重要的应用和推广价值。     

河道安全巡检中的船舶可视化监测方法

针对河道安全巡检中的船舶可视化监测难题,基于高分辨率彩色图像识别技术,提出了一种河工模型试验中船模运动轨迹可视化测量方法和一种基于无人机的河道船舶轨迹跟踪方法。试验结果表明,船模运动轨迹可视化测量方法的测量值与实际值之间的最大相对误差为-3.284%,精度可以满足河工模型试验要求;船舶轨迹跟踪中采用加速稳健特征变换(SURF)方法对无人机图像进行配准,能有效地消除无人机位置飘移对船舶运动轨迹跟踪结果的影响,实现河道中多个船舶目标的运动轨迹同步可视化跟踪监测。     

粒子图像测速发展综述

粒子图像测速(PIV)是一种基于流场图像互相关分析的非接触式瞬时全流场测量技术,它融合了计算机、光学及图像处理技术等交叉学科,在流体力学、空气动力学以及生命科学等领域有着广泛的应用。随着PIV技术的进步,其测量功能由早期的二维平面发展成三维空间,为瞬态流场的可视化提供了强有力的工具。从测试原理及系统组成的角度,重点介绍了立体PIV、全息PIV、层析PIV及微PIV等最新三维PIV技术,总结了PIV技术的发展和研究现状,最后探讨了PIV技术的未来发展趋势。     

河工模型试验量测新技术的开发及应用

量测技术水平是决定河工模型试验成果质量的关键因素之一。为此,介绍了近期在河工模型断面板制作、河势与流场观测、动床地形三维测量方面的研发成果,包括:提出了基于文本编辑的自动断面板脚本绘制方法,同时结合激光切割机的应用,解决了人工绘制断面板费时费力、数控雕刻机成本高和一般科研人员难以使用等问题;将无人机航拍技术应用于实验室河工模型试验流态、河势和流场观测,与常规固定式摄像机相结合,为试验成果的进一步分析提供了独特视角和丰富、可靠的参考信息;将运动结构恢复三维地形重建技术应用于河工模型冲淤地形测量中,并结合河工模型试验冲淤地形的特点提出具体应用方法。     

基于Cesium的流场可视化研究

由于三维虚拟仿真技术在各领域实际应用中缺少与专业的可视化软件有机结合的应用平台,尤其是流场可视化技术在虚拟仿真三维平台的运用。为了在 B /S 端三维虚拟仿真平台下实现流场可视化集成与展示,使用 GPGPU 技术完成流体方程在 GPU 中的并行计算,采用颜色、箭头、纹理变换、LIC 等多种流场可视化技术,实现在 Cesium 三维仿真平台流场展示。在 ThinkPad s5 笔记本上实现了 Web 端虚拟仿真三维平台流场可视化展示,结果显示,在浏览器分辨率 1 396×641 下,平台运行帧率保持 30 fps 以上,保证了画面流畅,同时实现了实时交互操作。综上所述,本平台弥补了 C /S端的不足,扩展了应用范围,丰富了原有系统的数据展示效果,为实时性、大容量科学计算及展示提供了核心技术,有望在虚拟现实和数值模拟方面得到更广泛应用。     

基于成像的表面位移分析系统关键技术研究及应用

非接触式表面位移测量是一种无损测量技术,在诸多工程领域有着广泛的用途。针对混凝土应力应变测试和河道瞬时全流场测量的应用,详细地描述了数字散斑测量和粒子成像测速这2个典型的基于成像的表面位移分析系统的研发,指出了具有共性的一些关键技术和难点,并提供了对应的解决方法。试验结果证明了本方法的有效性。然而,该方法仍存在较多技术缺失,包括多视角CCD相机的三维测速、多目标全轨迹追踪、不同场景测量数据高精度融合等,需要进行进一步研究。     

Surface wave measurements with IoT image processing

This study develops two different approaches to perform temporal and spatial measurements of surface wave profile for experimental studies in transparent wave flumes. Both are based on image acquisition and processing with an Internet of Things (IoT) system consisting of three sets of GoPro camera cum Raspberry Pi connected wirelessly together in a local LAN. The first approach uses advanced edge algorithms with perspective transformation of the multiple cameras for the detection, while the second approach adopts Convolutional Neural Network (CNN) algorithms instead with training of the processed image data using information from additional discrete probes installed. Their accuracy is assessed under a range of experimental conditions of regular and irregular waves with different wave heights and periods, based on metrics that consist of the average errors of the predicted water surface profile as well as position errors for wave crests and troughs. The effects on the measurement accuracy due to the image acquisition frequency, camera resolution and camera location are also investigated. The results show that higher wave steepnesses generally lead to larger detection errors, and measurements for irregular waves are also more challenging. In addition, positioning the cameras closer to the wave flume sidewalls yields better detection results as expected, particularly in resolving wave crests and troughs, although the field of view narrows at the same time. However, higher video frequencies and camera resolutions might not necessarily improve the accuracy contrary to common expectation due to jaggedness in the image processing. Overall, both approaches are shown to be viable for the measurement of wave profile in the laboratory. The first approach is more straight forward in terms of implementation, and it performs well for regular wave conditions. The second approach requires more complex training of the neural networks, but its accuracy is significantly higher particularly for irregular waves.     

简易粒子图像测速(PIV)技术开发与优化技巧

粒子图像测速(PIV)技术是一种瞬态流动平面二维速度场测试技术,在细部流场实测领域得到重视,但是成熟的PIV产品价格高昂。鉴于此,介绍了一种简易的PIV装置,主要由高速摄像机、激光发射器、柱面透镜和示踪粒子构成,以较低成本即可基本实现商业用PIV产品的功能。为了验证简易PIV性能,设计了PIV简易装置,采用Fluent软件模拟,并结合PIV技术对比分析了简易PIV装置的优缺点,同时对影响结果的粒径大小和粒子跟随性进行了优化。结果表明,简易PIV装置适宜选用玉米粉作为示踪粒子,并需要根据示踪粒子跟随性所能达到的最大进口水流速度选择高速摄像机的帧率,最终能够较好地实现流场实测,进而达到对PIV技术进行开发和优化的目的,其分析结果将为后续研究者提供参考。     

图像处理技术在河工模型试验流场量测中的应用

本文系统介绍了图像处理在流场分析中的应用及摄录像系统的配置、操作和计算软件开发的一般原理，对系统的量测误差作了全面的分析并用专门设计的试验进行了检验，量测误差小于1.0％。本文研制开发的流场图像处理系统操作录活，软件功能齐全，能够快速得出全流场表面流速的大小和方向，为河工模型试验提供了一个全新的流场量测方法。     

多路水深流速自动采集系统设计与应用

针对河工模型试验中多点流速自动测量的需要,设计了一种多点水深流速同步自动采集系统。系统由计算机通过RS485总线与多台水深流速仪相连,组成多点水深流速自动测量。水深流速仪能够自动测量当前水深,并根据测得的水深和规定的测量法则,如1点法、3点法、5点法等,自动对流速传感器进行垂线定位和流速采集。系统通过串行通信方式控制各台水深流速仪,实现各垂线流速的同步测量、数据传输、显示、保存和查询功能,并能自动生成需要的测量记录报表。该系统显著提高了模型试验断面流速测量的效率和水深测量与定位的精度。     

AN IMPROVED PTV SYSTEM FOR LARGE-SCALE PHYSICAL RIVER MODEL

To measure the surface flow in a physical river model, an improved system of Large-Scale Particle Tracking Velocimetry （LSPTV） was proposed and the elements of the PTV system were described. Usually the tracer particles of a PTV system seeded on water surface tend to form conglomerates due to surface tension of water. In addition, they can not float on water surface when water flow is shallow. Ellipsoid particles were used to avoid the above problems. Another important issue is particle recognition. In order to eliminate the influence of noise, particles were recognized by the processing of multi-frame images. The kernel of the improved PTV system is the algorithm for particle tracking. A new 3-frame PTV algorithm was developed. The performance of this algorithm was compared with the conventional 4-frame PTV algorithm and 2-frame PTV algorithm by means of computer simulation using synthetically generated images. The results show that the new 3-frame PTV algorithm can recover more velocity vectors and have lower relative error. In addition, in order to attain the whole flow field from individual flow fields, the method of stitching individual flow fields by obvious marks was worked out. Then the improved PTV system was applied to the measurement of surface flow field in Model Yellow River and shows good performance.     

河工模型断面水面边界激光快速扫描测量

针对河工模型大范围断面垂线流速的自动采集系统对水面边界快速测量的需要,研制出了一种基于激光扫描原理的水面边界快速测量装置,该装置采用高分辨率线阵式CCD和激光三角法原理,实现了模型断面水面边界的快速扫描测量,并已成功应用于河工模型大范围流速同步采集与应用示范项目中。该方法具有测量速度快、精度高、无接触等优点,是河工模型水面边界快速测量很好的解决方案。