彩色时序粒子轨迹测量系统_中国暖通空调网 - 技术交流
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模拟·论文

彩色时序粒子轨迹测量系统
2018-02-28 | 中国暖通空调网 |【
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王 欢1,邵晓亮2,李先庭1,林炎顷1,王宝龙1,石文星1
1. 清华大学建筑学院;2. 北京科技大学

[摘 要]空气流场的测量在室内环境的研究中起到基础性作用。目前采用气泡作为示踪粒子对空气场进行示踪和三维测量的技术路线主要包括粒子直接追踪测量方法(PTV)和粒子轨迹测量方法(PSV)。通过对比分析两种方法的优缺点,本文提出一种新的技术路线,彩色时序粒子轨迹测量方法(CSPSV)。该方法通过增加时间序列信息,将气泡在具体时间点的位置信息与时间积分得到的轨迹信息融合到一张照片内,丰富了测量信息的维度,实现PTV PSV 的技术优势有机融合。由于不需要再进行轨迹重建,图像的拍照频率得到大幅下降,降低了系统的技术要求、设计与使用难度。通过旋转标定的实验表明该系统适合于房间尺度的三维速度场测量,并可以在较大范围内保持高精度。

[关键词]彩色时序;粒子轨迹;通风;三维速度测量;数字图像处理

室内空气流场对提高环境热舒适、降低环境营造能耗以及保障室内空气品质具有重要影响,因而空气流场测量技术成为重要的研究领域。随着科技的进步,该领域正吸引越来越多的研究注意。鉴于室内气流一般处于湍流状态、速度不稳定,同时又是无色透明,对其测量并不容易。

空气流动的可视化可以通过多种方式实现,其中较简单、使用悠久的方式是释放烟雾或有颜色的气体作为标记,然后观察标记气体的流动。这种方式直观、容易实现,缺点是现象只能持续很短的时间,能够提供的量化信息量也较少。随着测量技术的发展,激光多普勒测速(LDA),多坐标超声波风速计(UA)和粒子图像测速技术(PIV)被开发出来。其中,UA LDA 可以提供测量点的三坐标速度信息,虽然借助移动系统可以依次测量选定位置的速度场信息。但是因为在测量期间难以保证流场不受影响并且保持稳定,而移动测量本身也很耗时,使得这两项技术只适合用于实验室的稳态工况测量。PIV 是目前应用最广并且成功商业化的速度场测量系统,已经应用于空气流场的测量。由于依赖高功率又昂贵的激光器,PIV 的测试空间被限定在几十厘米的平面或更小的空间体内,难以满足室内空气流动的测量尺度需求。

PIV 相比,PTV 采用更高的拍照频率,根据两张或更多相邻时间间隔照片上的粒子图像来直接追踪示踪粒子或气泡的运动。通过引入更多相机,并根据系统的标定参数来获得粒子的三维坐标信息,PTV 能够以较高的空间和时间精度提供流场的三维坐标和运动方向信息[1]。然而PTV 所使用的粒子追踪方法和3D 重构算法要求连续两帧照片间粒子的位移在几个像素以内,从而在室内环境测量中需要相机的快门频率达到100Hz 以上[2],如此大量图像数据对数据存储和处理系统提出了严峻的挑战,也使得该系统的每次采样时间难以超过数秒[2,3]。尽管并行计算[4] 和智能相机[5] 技术能够在一些程度上帮助解决部分问题,但随之而来的系统复杂程度的提升也降低了系统。

PSV 是另一利用粒子图像进行速度测量的方法,其采用较长的曝光时间来直接记录示踪粒子的运动轨迹,然后根据每个轨迹的长度计算运动速度[6,7]. 更长的曝光时间使得粒子轨迹比单独粒子的点更为清晰,同时避免了使用粒子追踪算法。然而粒子轨迹本身不包含运动方向信息,这是PSV 最为主要的难题之一,吸引了众多研究者。一种办法是将其中一台相机的曝光时长设置为另一台的一半,然后将长轨迹在算术中点截成两段与段轨迹分别配对[8]。由于室内气流处于高度的湍流状态,长轨迹数值上的中点与运动过程中点很多时候不是同一个点,这在增加配对难度的同时也引入误差。另一种使用广泛的方式是通过对比连续的两张照片,将具有相类似特征的轨迹认为来自同一个粒子然后为其标记上起始点[9]。该方法一方面需要两张照片的间隔时间非常短,另一方面需要示踪粒子浓度特别低。第三种方法是使用多脉冲激光或者在特定时间段关闭照明系统形成轨迹上的特征点[10],通过在一般轨迹上增加时间信息的办法,该技术得到流场方向信息。一般适用于流场比较稳定并且气泡 密度不高的场合。由于室内流场流动的高度湍流性,捕捉到的轨迹极有可能是弯曲,使得特征点识别和捕获变得非常困难,而三维空间的测量使得该问题更为突出,限制了该方法在复杂流动测量中的使用。

一般是室内空气场测量的尺度在米级别,PIV 所使用微米级颗粒就不能折射和反射足够的光强,所以需要选择合适大小的示踪粒子。氦气填充气泡(HFB)具有密度与空气相同,迟滞时间低反光和折射光效果好的特点,其相对合适的直径(1 4mm)和相对长的存活时间使其广泛用作大尺度空气流场的示踪与测量[1114]。本文中使用商业氦气填充气泡机来产生13mm 直径的氦气气泡。

正如上文所述,PTV PSV 均有自身的优势和特点,但两者的测试空间均还有限。而室内空气流动的相关研究急需一种能够在一般房间尺度使用,同时能够提供三维流场测量的测试系统。本文中提出了彩色序列粒子轨迹测量方法,通过在照明系统中增加时序信息,该方法得以结合上述两种技术的优点,同时由于不需要轨迹重构,而降低了相机系统的需求。能在测量空间覆盖数立方米的情况下保证较高的精度。本文主要介绍系统原理和典型运行方式及数字图像处理步骤并验证了系统精度。

1 系统原理与运行方式

1.1 系统原理概述

根据摄影学原理,相机所得到的图像会受到多种因素的影响包括,光源特性、物体表面的反射特性、相机镜头特性等等[15]。利用多脉冲来使得单张照片包含更多信息的想法已经有人提出并被证明可行和有效[16,17]。鉴于示踪气泡本身透明并且可以反射性能较好,改变光源的颜色就可以改变气泡在照片上的颜色,从而可以在单张照片上加入更多的信息。研究人员[1820] 已经使用该特征,使用彩色光线层对空间进行标记用于区分深度方向的运动信息,从而实现单相机的三维速度场测量。而在CSPSV 中彩色光场是按照时间序列进行组织,用以标记时间序列,如图1 所示,而三维信息是利用两台相机形成双目视觉来获得。

 CSPSV 成像原理示意
1 CSPSV 成像原理示意

2 给出了CSPSV 系统典型布置形式图,其中CSIS位于测试区域的一侧,其发光范围覆盖了测试区域,为测试区域提供彩色时序照明。气泡机产生浮力中性的氦气气泡用于示踪测试空间内的空气。两台相机距离测试空间一段距离,同时两者形成一定夹角,使视角的重叠部分覆盖整个测试空间,从不同角度获取示踪气泡的流动信息。相机拍摄的照片再利用图像处理算法软件进行处理。

CSPSV 系统布置
2 CSPSV 系统布置

如上文分析,PTV PSV 之间的差别主要是图像获得以及图像处理过程,而使用同样的白光照明系统和黑白相机用于增强对比度。CSPSV 希望结合PTV PSV 的优点,途径是利用彩色时序照明系统(CSIS) 将测试空间内气泡的反射光编码成彩色序列,再利用彩色相机进行捕获,从而获得更为丰富的信息。具体的,在一般的PTV PSV 系统中,照明系统起到的作用仅仅是照亮流场内的示踪气泡,获得与背景相比足够高的对比度。而在CSPSV 系统中,采用彩色时序照明系统(CSIS)用于时序标记。CSIS 包含三种颜色的脉冲光源:红、绿和蓝和一种连续照明白光光源。通过控制这些脉冲按照一定时序闪烁,测试空间内的光场将会按照时序呈现不同的颜色。由于示踪气泡在随空气运动而相机的曝光时间又较长,得到的照片中会在气泡运动的白色轨迹上呈现多个彩色的点,如图3。将彩色图像转化到灰阶图像并将其绘制到z 轴上后如图4 所示。由于采用了三种不同颜色的光源,该彩色时序不仅反映了时间间隔的信息,同时反映了时间的先后顺序及气泡的方向,从而使得单张照片包含了更多气泡的运动信息。

CSPSV 典型照片 图4 灰阶图像
3 CSPSV 典型照片   图4 灰阶图像

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