粒子圖像變形單元匹配測(cè)速方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種粒子圖像變形單元匹配測(cè)速方法。首先對(duì)粒子圖像進(jìn)行變形單元分割，在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)單元的濃度和形狀聯(lián)合變化模型，最后在全局流場(chǎng)一致性的約束下進(jìn)行全局的變形單元匹配，完成粒子圖像測(cè)速。本發(fā)明采用了變形單元的全局一致性匹配測(cè)速，并采用了亞像素級(jí)圖像特征，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度可達(dá)到亞像素級(jí)。
【專利說(shuō)明】粒子圖像變形單元匹配測(cè)速方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中快速流動(dòng)粒子的流場(chǎng)分析、粒子特性研究，高超聲速/亞聲速氣流環(huán)境下液體速度、濃度確定，圖像處理中關(guān)于粒子特性的研究等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)粒子圖像匹配測(cè)速方法常采用固定單元相關(guān)匹配方法，其基本假設(shè)是單元在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中濃度和形狀保持不變，由互相關(guān)算法匹配解算粒子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而得出速度場(chǎng)。而實(shí)際上，由于單元內(nèi)的粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，除了整體平移，還存在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，因此每個(gè)單元在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其濃度和形狀會(huì)發(fā)生改變。由于單元的這種變形本質(zhì)，固定單元相關(guān)匹配方法在實(shí)際應(yīng)用中存在很大的局限性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本方法針對(duì)常見的變形粒子團(tuán)測(cè)速及確定相對(duì)濃度問(wèn)題，提出變形單元的新概念。在流場(chǎng)中，單元在整體平移的基礎(chǔ)上，由于其內(nèi)部的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，造成其濃度和形狀的改變，本方法所指的“變形”包括了單元的濃度和幾何形狀的改變。
[0004]由于粒子圖像是由大量粒子聚集成團(tuán)狀后，對(duì)光的透射亮度的反映。單元的變形，本質(zhì)上是其內(nèi)部粒子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成濃度的改變，同時(shí)改變其幾何形狀。為此本方法提出了變形單元的濃度和幾何形狀聯(lián)合變形模型。
[0005]在此聯(lián)合變形模型基礎(chǔ)上，在全局約束下，進(jìn)一步提出了變形單元匹配方法，使用該方法完成單個(gè)單元匹配測(cè)速。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)而對(duì)多個(gè)相鄰單元的整體匹配性進(jìn)行檢查，對(duì)不符合整體匹配性的單元重新進(jìn)行匹配，直到多個(gè)相鄰單元均達(dá)到整體匹配。至此，完成全圖匹配測(cè)速。具體內(nèi)容為:
1、確定變形單元利用 SLIC 超像素聚類方法(R.Achanta, A.Shaji, K.Smith,
A.Lucchij P.Fuaj and S.Susstrunkj SLIC Superp i xe I s, EPFLTechnical Report 149300，June 2010)對(duì)圖像進(jìn)行單兀分割，得到各個(gè)單兀
J …PO
[0006]2、建立單元濃度和形狀聯(lián)合變化模型假設(shè)單元內(nèi)像素運(yùn)動(dòng)有平移、旋轉(zhuǎn)和擴(kuò)散三種形式，每個(gè)單元的像素集為
Φι = {1 (χ.ρ>ν)'(χ.ρ>ν)esi},其中表示位于位置處的像素值；定義每個(gè)像素的運(yùn)動(dòng)速度為，假設(shè)單元內(nèi)的像素?cái)U(kuò)散形式服從相同的擴(kuò)散矩陣fi , Qi大小為
(2m + l)x(2m+l),表示位置影響的區(qū)域?yàn)橐?力為中心，m為半邊長(zhǎng)的矩形。如果已知各像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，則各像素點(diǎn)向后一幀中像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式為(xJ^vJ)j?) {Xj +Uj + a,y}- + Vf.+?)5ΜΛ? ,(α,?€[-^?])
其中Jirsi表不前一巾貞，second表不后一巾貞。則后一巾貞各個(gè)像素值是由前一中貞中所有影響的綜合:
1 (xj.JjL = Σ 込(~Α).其中表示能夠影響到[H,)的像素集；(?,?)表示枚舉像素集；Qk(<h，bk)表示包含位置(^,,Λ)像素集的擴(kuò)散矩陣在位置(％，4)的系數(shù)；{ak,bk、}表示位置在位置(Λ.,Λ)的擴(kuò)散矩陣中的系數(shù)位置，Η.?)表示位于位置(?,?)處的像素值。
[0007]3、在全局約束下進(jìn)行變形單元的匹配
首先，對(duì)單元施加一個(gè)平移運(yùn)動(dòng)量和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)量，即可計(jì)算出該單元在運(yùn)動(dòng)后其幾何位置和幾何形狀，同時(shí)根據(jù)聯(lián)合變形模型，也可計(jì)算出在這些運(yùn)動(dòng)量作用下該單元變化后的濃度。
[0008]接下來(lái)，在運(yùn)動(dòng)后圖像上取與此變形單元對(duì)應(yīng)區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域濃度分布與變形單元濃度分布的相似性。
[0009]4、單個(gè)單元的匹配測(cè)速
在單元可能發(fā)生的平移運(yùn)動(dòng)量和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)量范圍內(nèi)，按自適應(yīng)步長(zhǎng)對(duì)單元施加的平移運(yùn)動(dòng)量和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行變化，重復(fù)步驟2、3，最后取與變形單元相似性最大的運(yùn)動(dòng)后圖像區(qū)域所對(duì)應(yīng)的變形參數(shù)作為單元的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即完成單個(gè)單元的匹配測(cè)速。
[0010]5、全圖匹配測(cè)速
在步驟4基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)相鄰單元的整體匹配性進(jìn)行檢查，對(duì)不符合整體匹配性的單元重新進(jìn)行匹配，直到多個(gè)相鄰單元均達(dá)到整體匹配。至此，完成全圖匹配測(cè)速。
[0011]本方法的優(yōu)點(diǎn):
單元可變形，符合物理現(xiàn)象。聯(lián)合模型，幾何變化與濃度變化相關(guān)聯(lián)。單元內(nèi)每個(gè)點(diǎn)均有速度參數(shù)，而傳統(tǒng)方法單元內(nèi)速度一致。采用了變形單元的全局一致性匹配測(cè)速，并采用了亞像素級(jí)圖像特征，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度可達(dá)到亞像素級(jí)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是變形單元在相鄰幀的結(jié)構(gòu)變化示意圖，
圖2是像素點(diǎn)平移、旋轉(zhuǎn)和擴(kuò)散示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]1、確定變形單元
利用 SLIC超像素聚類方法(R.Achanta, A.Shaji, K.Smith, A.Lucchi, P.Fua,and S.Susstrunk, SLIC Superpixels, EPFL Technical Report 149300, June 2010)對(duì)圖像進(jìn)行單元分割，得到各個(gè)單元= ?。
[0014]2、建立單元濃度和形狀聯(lián)合變化模型假設(shè)單元內(nèi)像素運(yùn)動(dòng)有平移、旋轉(zhuǎn)和擴(kuò)散三種形式，每個(gè)單元的像素集為邊，其中表示位于位置處的像素值；定義每個(gè)像素的運(yùn)動(dòng)速度為，假設(shè)單元內(nèi)的像素?cái)U(kuò)散形式服從相同的擴(kuò)散矩陣以，Qi大小為
(2m + l)x(2m + l),表示位置(X1P7ji)影響的區(qū)域?yàn)橐??.+?.,?.+Vj.)為中心，m為半邊長(zhǎng)的矩形。如果已知各像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，則各像素點(diǎn)向后一幀中像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式為
fKf\fXΛ\
ΙΛ.』4_-:—M—KWlg-A+vZ
其中Jfrsl表不前一巾貞，stcond表不后一巾貞。則后一巾貞各個(gè)像素值7是由前一中貞中所有影響的綜合:
2- Σ ft (ak^Si) ' 1



0%4k)=?<*,4.,)
其中表示能夠影響到〔n.)的像素集；(?,?)表示枚舉像素集；Qd^A)表示包含位置0?.,?:)像素集的擴(kuò)散矩陣在位置的系數(shù)4?,?)表示位置在位置(?,?)的擴(kuò)散矩陣中的系數(shù)位置，Π?)表示位于位置處的像素值。
[0015]3、在全局約束下進(jìn)行變形單元的匹配
首先，對(duì)單元施加一個(gè)平移運(yùn)動(dòng)量和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)量，即可計(jì)算出該單元在運(yùn)動(dòng)后其幾何位置和幾何形狀，同時(shí)根據(jù)聯(lián)合變形模型，也可計(jì)算出在這些運(yùn)動(dòng)量作用下該單元變化后的濃度。
[0016]接下來(lái)，在運(yùn)動(dòng)后圖像上取與此變形單元對(duì)應(yīng)區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域濃度分布與變形單元濃度分布的相似性。
[0017]在單元可能發(fā)生的平移運(yùn)動(dòng)量和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)量范圍內(nèi)，按一定步長(zhǎng)對(duì)單元施加的平移運(yùn)動(dòng)量和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行變化，重復(fù)上述兩個(gè)步驟，最后取與變形單元相似性最大的運(yùn)動(dòng)后圖像區(qū)域所對(duì)應(yīng)的變形參數(shù)作為單元的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即完成單個(gè)單元的匹配測(cè)速。
[0018]在此基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)相鄰單元的整體匹配性進(jìn)行檢查，對(duì)不符合整體匹配性的單元重新進(jìn)行匹配，直到多個(gè)相鄰單元均達(dá)到整體匹配。至此，完成全圖匹配測(cè)速。
【權(quán)利要求】
1.粒子圖像變形單元匹配測(cè)速方法，其特征在于:提出了變形單元的濃度和幾何形狀聯(lián)合變形模型；并在全局約束下進(jìn)行變形單元的匹配，進(jìn)而對(duì)多個(gè)相鄰單元的整體匹配性進(jìn)行檢查，對(duì)不符合整體匹配性的單元重新進(jìn)行匹配，直到多個(gè)相鄰單元均達(dá)到整體匹配，從而完成全圖匹配測(cè)速； 具體步驟為: 步驟1、確定變形單元； 步驟2、建立單元濃度和形狀聯(lián)合變化模型； 步驟3、在全局約束下進(jìn)行變形單元的匹配； 步驟4、單個(gè)單元的匹配測(cè)速 步驟5、全圖匹配測(cè)速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子圖像變形單元匹配測(cè)速方法，其特征在于:所述步驟I具體過(guò)程為: 利用SLIC超像素聚類方法對(duì)圖像進(jìn)行單元分割，得到各個(gè)單元
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子圖像變形單元匹配測(cè)速方法，其特征在于:所述步驟2具體過(guò)程為: 假設(shè)單元內(nèi)像素運(yùn)動(dòng)有平移、旋轉(zhuǎn)和擴(kuò)散三種形式，每個(gè)單元的像素集為病=Pe si},其中zOvd表示位于位置(n)處的像素值；定義每個(gè)像素的運(yùn)動(dòng)速度為,假設(shè)單元內(nèi)的像素?cái)U(kuò)散形式服從相同的擴(kuò)散矩陣β , Qi大小為(2ot + 1)x(2ot+1),表示位置(?/)影響的區(qū)域?yàn)橐?力+士，7/ +vj)為中心 為半邊長(zhǎng)的矩形， 如果已知各像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，則各像素點(diǎn)向后一幀中像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式為

)IxJ+uJ+a^j+vj +iiLaid,Me[-例H) 其中JSrsi表示前一幀，secOflrf表示后一巾貞，則后一幀各個(gè)像素值是由前一中貞中所有影響的綜合:
1 (xJ^v1Z)奴—=Σβ* (? A)' I ( 其中表示能夠影響到h’y/)的像素集；(?,?)表示枚舉像素集；Qda^h)表示包含位像素集的擴(kuò)散矩陣在位置(％,的系數(shù)；(%,?)表示位置在位置(?,,?)的擴(kuò)散矩陣中的系數(shù)位置，/(?^)表示位于位置處的像素值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子圖像變形單元匹配測(cè)速方法，其特征在于:所述步驟3具體過(guò)程為: 首先，對(duì)單元施加一個(gè)平移運(yùn)動(dòng)量和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)量，即計(jì)算出該單元在運(yùn)動(dòng)后其幾何位置和幾何形狀，同時(shí)根據(jù)聯(lián)合變形模型，也計(jì)算出在這些運(yùn)動(dòng)量作用下該單元變化后的濃度； 接下來(lái)，在運(yùn)動(dòng)后圖像上取與此變形單元對(duì)應(yīng)區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域濃度分布與變形單元濃度分布的相似性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子圖像變形單元匹配測(cè)速方法，其特征在于:所述步驟4具體過(guò)程為: 在單元可能發(fā)生的平移運(yùn)動(dòng)量和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)量范圍內(nèi)，按自適應(yīng)步長(zhǎng)對(duì)單元施加的平移運(yùn)動(dòng)量和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行變化，重復(fù)步驟2、3，最后取與變形單元相似性最大的運(yùn)動(dòng)后圖像區(qū)域所對(duì)應(yīng)的變形參數(shù)作為單元的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即完成單個(gè)單元的匹配測(cè)速。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子圖像變形單元匹配測(cè)速方法，其特征在于:所述步驟5具體過(guò)程為: 在步驟4基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)相鄰單元的整體匹配性進(jìn)行檢查，對(duì)不符合整體匹配性的單元重新進(jìn)行匹配，直到多個(gè)相鄰單元均達(dá)到整體匹配，至此，完成全圖匹配測(cè)速。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104166998SQ201410402082
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】張小虎, 謝良, 丁少聞, 柴進(jìn) 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)