本發(fā)明涉及大范圍表面流場圖像測試系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法，屬于流速測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

大范圍表面流場圖像測試系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室河工模型或原型河流表面流速測量。其原理是：在水流表面散播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)間間隔的流場圖像，經(jīng)圖像處理提取示蹤粒子像，在相鄰兩幅流場圖像中進(jìn)行粒子匹配，找到t1時(shí)刻示蹤粒子經(jīng)過δt時(shí)間后在t2時(shí)刻的圖像，計(jì)算出δt時(shí)間內(nèi)粒子位移l，從而求得示蹤粒子的速度，即是對(duì)應(yīng)水流點(diǎn)的速度v：v＝l/δt，從圖像上提取位移l的單位為像素，為獲取實(shí)際流速大小，需要將建立像素與實(shí)際尺度之間的關(guān)系，該過程稱為標(biāo)定，a＝l/n，α為單位像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際尺寸，l、n分別為水流表面實(shí)際長度與圖像上對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)。

圖1為表面流場圖像測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，原型河流應(yīng)用時(shí)，攝像機(jī)只能架設(shè)在岸灘上，為獲取河流中心的流速，攝像機(jī)需要以一定角度傾斜布置，導(dǎo)致采集的圖像不同區(qū)域存在不同的變形。因此，迫切需要一種自動(dòng)標(biāo)定裝置，本發(fā)明通過追蹤兩束激光的交叉點(diǎn)，運(yùn)用幾何關(guān)系建立圖像像素與實(shí)際尺度轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種適于大范圍表面流場圖像測試系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法，通過追蹤兩束激光的交叉點(diǎn)，運(yùn)用幾何關(guān)系建立圖像像素與實(shí)際尺度轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種大范圍表面流場圖像測試系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定裝置，包括第一旋轉(zhuǎn)托盤、第二旋轉(zhuǎn)托盤、第一激光發(fā)射裝置和第二激光發(fā)射裝置，所述第一激光發(fā)射裝置位于第一旋轉(zhuǎn)托盤上，第二激光發(fā)射裝置位于第二旋轉(zhuǎn)托盤上，在河岸上安裝有攝像機(jī)。

作為優(yōu)選，所述第一旋轉(zhuǎn)托盤位于第一升降架上，所述第二旋轉(zhuǎn)托盤位于第二升降架上，第一升降架和第二升降架安裝于河邊，下降最低位置為河流最低水位。

一種適于大范圍表面流場圖像測試系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定裝置的方法，包括以下步驟：

(1)將第一激光發(fā)射裝置和第二激光發(fā)射裝置發(fā)射的第一激光和第二激光調(diào)整到同一平面；

(2)調(diào)整第一旋轉(zhuǎn)托盤和第二旋轉(zhuǎn)托盤，使第一激光和第二激光兩束光重合,第一激光和第二激光中心點(diǎn)之間的距離為a，以第一激光中心為原點(diǎn)，與第二激光中心連線為x軸，根據(jù)右手定則建立原型坐標(biāo)系；

(3)第一旋轉(zhuǎn)托盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度為a11，第二旋轉(zhuǎn)托盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度為a21，攝像機(jī)拍攝激光圖像m1，兩束激光交點(diǎn)p1在圖像坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(xm1,ym1)，在原型坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(x1,y1)，則有：

y1＝a/(cota11+cota21)

x1＝y(tǒng)1cota11；

(4)第一旋轉(zhuǎn)托盤轉(zhuǎn)動(dòng)a12，第二旋轉(zhuǎn)托盤轉(zhuǎn)動(dòng)a22，攝像機(jī)拍攝激光圖像m2，兩束激光交點(diǎn)p2在圖像坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(xm2,ym2)，在原型坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(x2,y2)，則有：

y2＝a/(cota12+cota22)

x2＝y(tǒng)2cota12；

(5)p1和p2之間的實(shí)際距離為：

(6)p1和p2之間在圖像上的像素距離為：

(7)則單位像素與實(shí)際尺度之間的關(guān)系為：

α＝l/n。

在本發(fā)明中，激光器間隔一定距離分別安裝于旋轉(zhuǎn)盤上，且激光中心處于同一平面，調(diào)節(jié)激光器角度使兩束激光完全重合，記錄旋轉(zhuǎn)盤位置和角度。分別旋轉(zhuǎn)兩束激光，使兩束激光在攝像機(jī)拍攝范圍內(nèi)相交，攝像機(jī)采集交點(diǎn)圖像，然后再次旋轉(zhuǎn)激光、采集交點(diǎn)圖像。由于旋轉(zhuǎn)角度和兩組激光器距離已知，利用三角函數(shù)獲取激光交點(diǎn)坐標(biāo)，從而計(jì)算出兩個(gè)交點(diǎn)的實(shí)際距離；經(jīng)圖像處理獲取激光交點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)，計(jì)算得到兩個(gè)交點(diǎn)的圖像距離,實(shí)際距離與圖像距離對(duì)應(yīng)，即可完成系統(tǒng)標(biāo)定。本發(fā)明只采用一臺(tái)攝像機(jī)和兩個(gè)激光發(fā)射裝置，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成簡單，而且標(biāo)定方法巧妙，對(duì)系統(tǒng)的配置要求低，大大節(jié)省了裝置的成本，而且，標(biāo)定精確度高。

有益效果：本發(fā)明的大范圍表面流場圖像測試系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定裝置，通過將第一激光和第二激光調(diào)整的重合面與水面平行，通過攝像機(jī)實(shí)時(shí)追蹤兩束激光的交點(diǎn)，運(yùn)用幾何關(guān)系建立圖像像素與實(shí)際尺度轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定，然后將標(biāo)定的結(jié)果反饋給攝像機(jī)，更精確的測算流速。

附圖說明

圖1為表面流場圖像測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2為第一激光和第二激光轉(zhuǎn)過的角度圖。

圖3為計(jì)算原理圖；

圖4為一個(gè)實(shí)施例的原理圖。

圖5為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖5所示，本發(fā)明的大范圍表面流場圖像測試系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定裝置，包括第一旋轉(zhuǎn)托盤2、第二旋轉(zhuǎn)托盤5、第一激光發(fā)射裝置3和第二激光發(fā)射裝置4，所述第一激光發(fā)射裝置3位于第一旋轉(zhuǎn)托盤2上，第二激光發(fā)射裝置4位于第二旋轉(zhuǎn)托盤5上，所述第一旋轉(zhuǎn)托盤2位于第一升降架1上，第二旋轉(zhuǎn)托盤5位于第二升降架6上，在河岸上安裝有攝像機(jī)7。

一種上述的大范圍表面流場圖像測試系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定裝置的方法，包括以下步驟：

(1)將第一激光發(fā)射裝置3和第二激光發(fā)射裝置4發(fā)射的第一激光和第二激光調(diào)整到同一平面；

(2)調(diào)整第一旋轉(zhuǎn)托盤2和第二旋轉(zhuǎn)托盤5，使第一激光和第二激光兩束光重合,第一激光和第二激光中心點(diǎn)之間的距離為a，以第一激光中心為原點(diǎn)，與第二激光中心連線為x軸，根據(jù)右手定則建立原型坐標(biāo)系，如圖2所示；

(3)第一旋轉(zhuǎn)托盤2轉(zhuǎn)動(dòng)角度為a11，第二旋轉(zhuǎn)托盤5轉(zhuǎn)動(dòng)角度為a21，攝像機(jī)7拍攝激光圖像m1，兩束激光交點(diǎn)p1在圖像坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(xm1,ym1)，在原型坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(x1,y1)，則有：

y1＝a/(cota11+cota21)

x1＝y(tǒng)1cota11；

(4)第一旋轉(zhuǎn)托盤2轉(zhuǎn)動(dòng)a12，第二旋轉(zhuǎn)托盤5轉(zhuǎn)動(dòng)a22，如圖3所示，攝像機(jī)7拍攝激光圖像m2，兩束激光交點(diǎn)p2在圖像坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(xm2,ym2)，在原型坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(x2,y2)，則有：

y2＝a/(cota12+cota22)

x2＝y(tǒng)2cota12；

(5)p1和p2之間的實(shí)際距離為：

(6)p1和p2之間在圖像上的像素距離為：

(7)則單位像素與實(shí)際尺度之間的關(guān)系為：

α＝l/n。

實(shí)施例1

1)旋轉(zhuǎn)第二旋轉(zhuǎn)托盤5轉(zhuǎn)動(dòng)90°，如圖4所示，第一旋轉(zhuǎn)托盤2轉(zhuǎn)動(dòng)角度為a1，攝像機(jī)7拍攝激光圖像m1，兩束激光交點(diǎn)在圖像上的坐標(biāo)為(x1,y1)，則有：

b1＝a*tana1；

2)第一旋轉(zhuǎn)托盤2轉(zhuǎn)動(dòng)角度為a2，攝像機(jī)7拍攝激光圖像m2，兩束激光交點(diǎn)在圖像上的坐標(biāo)為(x2,y2)，則有：

b2＝a*tana2；

3)則單位像素與實(shí)際尺度之間的關(guān)系為：

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。