[發明專利]一種基于粒子特征檢索的PIV圖像預處理方法

有效

• 申請號: 201910011203.3
• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN109919853B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 王成鵬;楊馨;王英玉;楊錦富;王文碩
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T7/136
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明公開了一種基于粒子特征檢索的PIV圖像預處理方法，包括步驟如下：觀察PIV圖像，分析粒子的特征，包括：粒子邊界像素點的灰度值g，粒子邊界像素點的灰度值與背景噪聲所在像素點的灰度值的差值Δ，粒子沿橫向或縱向所占據的像素個數d，并對所述三項特征設置閾值；掃描圖像的灰度矩陣，運用上述三項特征的閾值條件對圖像進行閾值分割，將圖像中的所有像素劃分為PIV粒子和背景噪聲兩大類；對判定為背景或噪聲的像素點進行灰度值衰減，而粒子所在的像素保持原始灰度值，得到預處理后的圖像。本發明的方法從有效信息和干擾信息的特征差異入手，準確地識別出圖像中的有效信息，然后針對性地處理干擾信息并保留有效信息。

技術領域

本發明屬于流體力學試驗的圖像處理領域，具體涉及一種基于粒子特征檢索的PIV圖像預處理方法。

背景技術

在許多應用PIV試驗的工程環境中，由于試驗設備的復雜干擾、信息采集系統的缺陷以及其他干擾因素的存在，最終獲取的PIV圖像常常伴有復雜多樣的噪聲干擾，其與有效的粒子信息疊加后對后期的數據處理產生不良影響。這類圖像需要經過一定的預處理，然后才能進行有效的流場解算。

例如，圖1、圖2為任意選取的兩組原始的PIV粒子圖像的第一幀圖像，圖1中白框標示出了待測區域。可見，白框內圖像受到不同程度的污染，包括不規則的背景干擾，條狀光斑等等，干擾信息的強度較高，致使有效的粒子信息出現模糊，甚至被覆蓋的情況。若采用傳統的濾波方法對受到污染的PIV圖像進行預處理，雖然能有效地去除噪聲，但也會損失一定程度的有效粒子信息，這對后期的處理是不利的。圖3、圖4分別為圖1、圖2經過濾波預處理后得到的圖像，圖中可見，濾波方法對于背景干擾的去除較為徹底，但同時也存在一些問題，比如濾波方法對強背景干擾(如圖1下方橫向的條紋)以及強光斑(如圖2中右下角的光斑)的處理效果不佳，圖2中幾乎清除了條紋處的所有信息，圖4右下角仍然可見較強的光斑。圖5、圖6分別為圖1、圖3經過互相關性算法解算得到的速度場情況(只解算白框內區域)，圖7、圖8分別為圖2、圖4經過互相關性算法解算得到的速度場情況，其中，白色小箭頭的方向代表當地速度方向，白色小箭頭的長短代表當地速度大小，明顯錯誤的計算點已略去。對比可見，濾波預處理能夠在一定程度上提升后期的解算結果，比如部分受干擾區域的解算結果得到改善，但在強光斑、強背景干擾的區域，解算出來的結果明顯不符合預設流場特征，甚至有些無法解算出結果，究其原因，還是因為濾波法難以準確區分粒子與干擾噪聲，也就很難同時做到保留有效信息和去除干擾信息。

發明內容

針對于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于粒子特征檢索的PIV圖像預處理方法，以解決現有技術下對于強背景干擾的處理效果較為有限，以及在工程應用中，試驗獲取的很多包含噪聲干擾的PIV圖像無法解算出理想的結果，只能被放棄，從而導致大量的數據浪費和重復試驗的問題。本發明的方法從有效信息和干擾信息的特征差異入手，能夠較為準確地識別出圖像中的有效信息，然后針對性地處理干擾信息并保留有效信息。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明的一種基于粒子特征檢索的PIV圖像預處理方法，包括步驟如下：

1)觀察PIV圖像，分析粒子的特征，定義三項特征量，包括：粒子邊界像素點的灰度值g，粒子邊界像素點的灰度值與背景噪聲所在像素點的灰度值的差值△，粒子沿橫向或縱向所占據的像素個數d，并對所述三項特征量設置閾值；

2)掃描圖像的灰度矩陣，運用上述三項特征量的閾值條件對圖像進行閾值分割，將圖像中的所有像素劃分為PIV粒子和背景噪聲兩大類；

3)對判定為背景或噪聲的像素點進行灰度值衰減，而粒子所在的像素保持原始灰度值，得到預處理后的圖像。