《基於光流方法的PIV計算技術研究》是依託清華大學，由盧宗慶擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於光流方法的PIV計算技術研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：盧宗慶
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
粒子圖像測速(Particle Image Velocimitry，簡稱PIV)作為一種全流場、無接觸、無擾動、高精度的流動可視化方法，如今已是一門跨學科的交叉綜合技術，其結合了雷射技術、視頻圖像處理技術、計算機技術、流體力學和近代光學技術的最新成果。近年來基於光流技術的PIV計算[3]受到人們越來越多的關注，該技術是將整個運動矢量場作為一個整體連續函式進行估計，其解析度可以達到圖像中的每一個像素，為微觀、精確地進行局部圖像運動計算和分析提供了可能，同時克服了傳統相關方法中的一些固有缺陷。本項目的研究將包括：基於光流方法的粒子圖像運動矢量場生成技術研究；基於多格線策略的光流計算快速方法的研究；探索利用Clifford代數進行流體運動矢量場描述。項目的研究成果對於提高PIV技術的理論水平有著重要的科學和實用價值。同時對於視頻運動圖像分析和高維圖像分析也有一定的借鑑意義。
結題摘要
《基於光流方法的PIV計算技術研究》基金項目主要工作簡單概括為：研究基於光流方法的PIV計算技術；研究多格線流場快速計算方法；基於高維矢量描述的流場分析方法，以及研究成果的實際套用等。目前已取得的成果包括以下內容(雖然項目部分工作仍在繼續)： 1.提出基於L-1範數和局部二值結構的光流計算框架。傳統的PIV或PTV是基於局部模板(可變形模板)圖像匹配技術或粒子跟蹤技術，其缺點主要是不能提供全流場而需要進行插值運算，計算精度不高和速度慢等。基於光流方法PIV計算是將整個運動矢量場作為一個整體連續函式進行估計，其解析度可以達到圖像中的每一個像素，為微觀、精確地進行局部圖像運動計算和分析提供了可能。雖然利用光流技術可以克服部分缺點，但仍存在如下問題： （1）光流方法中運動模型由於需要對矢量場做平滑約束來解決病態解的問題，而這種平滑約束容易破壞掉原始流場的運動邊界(如流場分叉、多流交匯)。 （2）速度問題沒有因為使用光流技術而根本改善。（3）PIV成像中的粒子的徑向運動(與鏡頭平行)帶來的明暗變化(景深變化)會帶來計算誤差(對於光流來講，即基於照度恆常的運動模型假設不成立)。 在該項目里我們針對上述問題(1)和(3)提出了基於L-1範數和局部二值結構的光流計算框架。將運動場的平滑約束由傳統的L-2範數改變為L-1範數來解決過度平滑問題，但L-1範數為局部不可微帶來計算上的困難，為了解決計算問題我們將原對偶算法套用在了PIV計算上，可以很好地解決L-1範數約束問題。 為了克服PIV成像中的粒子的徑向運動帶來的明暗變化，我們對粒子圖像進行局部塊結構編碼。該編碼信息為二值信息，它既可以反映當前位置有無粒子而且還包含局部結構信息。利用局部二值編碼不僅能克服亮度變化問題，同時由於利用了更多的結構信息會使得計算結果的可靠性和精度得到改善。 在計算速度方面我們將數值計算領域中多格線技術套用在基於L-1範數的光流計算中，速度有明顯的提升。 我們還將流場的散度、旋度、速度場構建成高維矢量場來整體描述流場分布的特性，利用機器學習的手段，對一段時間局部區域的流場高維矢量描述進行有監督訓練，該工作仍在進行中。 該研究成果正在套用於血管過濾器使用中局部微流的檢測。
