我国经济发展迅猛,带来了越来越复杂的空气污染扩散问题。在城市中,存在着较多的工业区与居民区混合的状况,加之任意释放的低排量污染源,使环境的管理工作越来越难。要有效改善城市的环境,预防和控制空气的污染及扩散,可应用相似原理,在环境风洞中进行污染扩散的模拟实验^{[1, 2, 3, 4]}，其中污染物的流场分布以及变化状况是该风洞中最需要解决的室内实验问题^{[5, 6, 7]}。无疑,开发大范围、无干扰、低成本、不稳定且非定常地剧烈分离流场的数字图像量测系统,具有非常重要的理论意义及实际应用价值。本文建立了一套完整的粒子图像瞬时流场量测处理及识别的硬件和软件系统,运用该系统可对复杂流场信息进行提取与处理。

将示踪粒子释放在流体中并跟随它的位置,由此测出的粒子所在流场中的速度称为粒子图像运动速度(particle image velocimetry,PIV)。它是记录同一示踪粒子在同一或不同平面上不同时刻运动位置的记录方式。PIV是利用计算机对流场中粒子进行非接触且定量化的一种瞬态图像处理测速技术,不会影响流场,且能同时进行多点测速,满足流体速度的时效性,可用于二维平面速度场速度矢量的测试^[5],同时能以十分直观的图形使结果一目了然。该技术的基本原理是利用流体中示踪粒子对光的散射作用,将众多粒子在不同时刻、不同的图像记录在图像存储媒体上,再利用物理测试及图像处理方法求出粒子在一定时间间隔内的运动距离,由此可求得粒子所在位置的速度。粒子图像测速技术的原理如图 1所示,有待测速的粒子图像的位移Δx、Δy必须足够小,此时Δx/Δt、Δy/Δt分别和速度U、V很好地近似,轨迹必须接近直线且速度应近似恒定。具体关系如下:

图 1

Fig. 1

图 1 PIV原理的示意图 Fig. 1 Schematic of PIV

可见,要得到全流场瞬间速度的信息就可以用非接触测速法瞬时“冻结”多个粒子的这种位移,再知道两次记录的时间间隔就可以了。如将流场图像通过图像接口卡直接送入计算机进行采集和处理,就可以形成实时量测系统。

粒子图像测速系统的硬件部分由激光器、CCD摄像机、反射镜、光束扩展器、多媒体实时压缩存贮板、多帧存图像接口板及计算机等组成。软件部分由流场数据分析、图形显示及图像处理系统组成。该系统具有由瞬时粒子图像场得到瞬时浓度场的功能,也可对瞬时采集的PIV图像进行计算得到速度场的功能。系统流程框架如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 量测系统框架图 Fig. 2 Optical measurement and control system

图 3为PIV系统硬件部分。空气、水或油等流体由粒子发生器进入,再经流量计进入测试体内。同时,测试体内的目标被激光系统形成片光照明,CCD从垂直于片光的角度拍摄流场,将获得流场的信息发送给计算机进行处理。

图 3

Fig. 3

图 3 PIV硬件系统 Fig. 3 PIV hardware system

实验中的粒子发生器是遥控式环保烟油热升华烟雾发生器,粒子的粒径为1 ~500 μm。激光器是532 nm端面泵浦全固态绿光激光器,最大功率为1.02 W 。片光能量集中,感光性好,实验中直径为1 mm的半圆柱透镜可扩展光束且形成片光,它的折射率大约为1.5。根据实验工况,光路设计成水平截面。在光束扩展时,该透镜不能完全均化光强分布,尚需相关软件修正由于光强不均造成的影响。CCD分辨率为640×480,最低照度值为0.1 lx的韩国TP801型工业摄像机,摄像机曝光时间的可调范围为1×10^-4～2×10^-2 s。图像处理和识别的核心是一台PIV计算机,其内存8 GB,硬盘1.0 TB,其它可通配。其计算机内配有CL550多媒体图像实时压缩卡,它的压缩比为1～200,一般采用压缩率为50,图像的失真率可忽略。该卡可将实时采集的视频信号压缩并存贮在计算机硬盘内,取代录像机功能。图像板是一种实时多帧存贮式的图像采集处理器,可连续采集32幅图像,分辨率为512×512,流动图像的灰度级为256,其对比度与输入亮度可调。精度要求不高时,图像板可连续采集128幅分辨率为256×256的流动图像或64幅分辨率为256×5 129(或512×256)的图像。在该图像板上,系统软件将对不同图像进行滤波、二值化、边缘增强、伪彩色等预处理。通过对比度、亮度的调节及噪声抑制等预处理,将CCD采集到的图像经A/D由全电视信号变为数字信号,送至帧存进行处理,映射为帧存图像。帧存图像随时再通过D/A转换为电视信号,由监视器输出。行场同步信号、消噪信号等图像板所需的电视时序,在与图像信号合成送往监视器的同时,还与CCD摄像机同步,这样便可顺利实现整个流场的图像实时采集,处理和实时显示。

PIV技术的硬件系统融入了计算机、现代光学、电子及图像信息处理等多门应用技术,为复杂流场的观测提供了准确和方便的方法^[8]。

由于平面上的各点反射特征不均匀,加上背景光的影响,特别是复杂流场中,会导致摄取的信息模糊、粒子图像的像质不好等现象,影响图像利用率,除了通过硬件技术,还可采用改善像质的中值滤波、边缘增强、图像分割等软件系统来处理。在获取粒子图像后,需信息提取软件经一定算法提取它的速度信息,对其信息进行插补及修正,以获得整个流场的流速分布。整个软件系统采用C语言编制,并参考文献^[2]、^[3]、^[9]的方法分析和修正了流场中粒子的图像。操作可在提示性弹出菜单下完成,结果可由计算机屏幕显示并打印。该软件测速系统可为流动量测实验提供一个新的瞬时浓度场和速度场的信息采集、分析和后处理的服务,具有如下主要硬件通讯功能:

(1) 控制CCD的曝光时间、延时时间、采集速率、拍摄图像的位数。

(2) 图像采集卡开关控制、图像的实时显示、图像的单帧采集、图像对的采集和采集中断控制等。

(3) 利用自行开发的硬件底层驱动程序,采集计算机的硬件设备信息,以便和软件系统的license对比,确认软件的合法性。

该软件系统具有求取浓度场、速度场及旋度场等主要数据的处理功能。软件系统的各个界面采用统一继承设计,各个用户参数选择界面能够记住用户的最后一次参数设置、用户默认的参数选项、拥有统一的界面风格。主要功能如下:

(1) 求取浓度场。在浓度场分析中,基于VRML和OpenGL技术,软件可分析的功能主要包括单个浓度场图像的任意线上浓度的分布、多个浓度场图像的任意点上浓度的分布、多个浓度场图像的任意线上浓度的分布、多幅累加与平均图像、浓度场的图像信息熵分布及图像自动去除噪声等。浓度场等值线分析界面如图 4所示,(a)显示的是浓度场灰度图像,(b)显示的是浓度场等值线。

图 4

Fig. 4

图 4 浓度场等值线分析界面 Fig. 4 Analysis interface of concentration contour

(2) 求取速度场。在速度场分析之前,从相应对话框中可以选择七种运动估计算法、窗口或搜索窗口的大小、阈值大小、网格步长、两帧图像之间的时间间隔、图像映射到真实空间的比例尺、输出文件格式和显示的渐变颜色等。计算分为全场计算模式、区域计算模式和点计算模式。速度场分析界面如图 5所示。

图 5

Fig. 5

图 5 速度场分析界面 Fig. 5 Analysis interface of velocity field

(3) 求取旋度场。其中,在旋度场分析之前,可以从相应对话框中选择五种旋度场分析的算法、二元拟合和插值算法、显示的渐变颜色等。旋度场分析界面如图 6所示。

图 6

Fig. 6

图 6 旋度场分析界面 Fig. 6 Analysis interface of curl field

(4) 求取流线。用户可以更改流线的密度、总数、流线起止点和局部密度。流线分析界面如图 7所示。

图 7

Fig. 7

图 7 流线分析界面 Fig. 7 Analysis interface of streamline

(5) 求取速度在不同分轴上的偏导数分量场。

(6) 离散数据集(标量场和矢量场)等值线/区的绘制和渲染、拟合和插值等。

(7) 对图像进行动画播放功能、视频处理功能。这些方便的后处理为实验报告和论文的誊写提供了优美的界面。

(8) 非线性特征参数计算。如计算分形维数、关联维数、嵌入维数、时间延迟、Kolmogorov熵、Lyapunov指数、信息熵等。

(9) 输出数据为ASCII TXT格式、二进制向量场格式、图像数据格式(由于采用对象连接与嵌入OLE技术和组件对象模型COM技术,几乎包括BMP、JPG、J2K、GIF、TIFF等所有Windows平台上的图像格式)、Tecplot格式和XML格式。

(10) 增强的Tecplot外挂功能。该功能是在Tecplot平台上二次开发的,对于数据场的某些后处理,只需点击一个或几个命令按钮即可实现。

针对复杂流场模拟中图像的特点,建立了一套完整的粒子图像瞬时流场量测处理及识别的硬件和软件系统。硬件系统主要包括图像采集系统、激光光源系统、粒子发生系统和同步控制系统等子系统,并给出和分析了瞬时浓度场图像测量的硬件系统。软件系统采用模块化设计,主要研发了图像采集、瞬时浓度场的分析和后处理三合一的测量软件系统。所设计的系统可实现复杂流场信息的提取与处理。