基于数字粒子图像处理的细水雾雾场速度测量(7)
图3.5 DPIV软件处理结果示意图
3．4 验证性实验
3.4.1 相关窗口大小和步长的确定
由DPIV互相关分析的基本原理可以看出，在进行相关性分析是，相关窗口的大小的设置是其中一个非常关键的环节，它将直接影响分析结果的精度和可靠性。参与互相关运算的子窗口大小应该合适，使得窗口内的粒子簇运动速度变换不能太大。当速度梯度较小时，大尺度窗口的亚像素定位更高。窗口过大，窗口内包含的信息量会增加，易引入干扰，空间分辨率低，同时计算量也增大；过小，没有足够的信息量，粒子像浓度和信噪比降低，匹配结果不可靠，甚至可能使得第一幅图像中的大部分粒子有可能跑出第二幅图像上与之对应的相关区域，易引起无匹配。搜索窗口步长过大，可能降低测量精度，过小，计算量剧增。因此选择一个合适的窗口，使噪声的影响最小、减少相关分析的计算量，同时又能提高分析结果的准确度和可靠度，这些对于完善DPIV系统将有着重要的意义。由上节可知，粒子移动的最大像间距不应该超过相关窗口尺度的1/3。
从网站上下载了日本可视化协会（VSJ）提供的连续两时刻的标准射流图像（如图3.5），相关窗口在x方向和y方向的移动步长皆为8个像素，取窗口尺度分别为100×100，60×60，40×40和20×20，利用该算法进行测量，得到速度矢量场，如图3.6～3.9所示。由图3.6～3.8可见，当窗口过大时，计算得到的速度矢量将会明显减少，影响测量结果的精度。当窗口尺度取100×100，60×60和40×40时，其典型位置相关峰如图3.11～3.13所示，可以看出随着窗口尺度的减小，最大相关峰的信噪，也即测量结果的精确性降低，但如2.4节所述，窗口尺度变大将会导致计算量增大，三种情况下的计算时间依次为3.8s,3.2s,2.8s。图3.9中的空白部分是由于绝大数粒子的像素位移超过了7个像素，由算法自动剔除，并且速度矢量图中存在许多误差矢量，这就是相关窗口的尺度取得较小的结果。因此，在保证可接受的精度和可靠性，满足算法要求的条件下，应该使相关窗口的大小尽量小 。
取相关窗口尺度为40×40，在x方向和y方向的移动步长皆为20像素，如图3.10所示，处理结果为11×11个速度矢量。而取步长为8×8时（图3.8）得到的速度矢量为28×28个，远多于前者。显然，当步长较大时，得到的速度矢量较少，这将影响测量结果的精度。可是，步长的大小不宜过小，否则将会明显增加计算量。取步长为20×20，8×8，2×2时，计算所需时间依次为：2.8s，3.4s，10.2s。由此可见，应根据实际情况的精度要求，在考虑计算时间的情况下，选取合适的步长。
(a)标准射流图像1 (b)标准射流图像2
图3.5 标准射流图像
图3.6 速度场矢量图（窗口尺度为100×100,步长为8×8）
图3.7 速度场矢量图（窗口尺度为60×60,步长为8×8）
图3.8 速度场矢量图（窗口尺度为40×40,步长为8×8）
图3.9 速度场矢量图（窗口尺度为20×20,步长为8×8）
图3.10 速度场矢量图（窗口尺度为40×40,步长为20×20）
图3.11 相关峰（窗口尺度为100×100,步长为8×8）
图3.12 相关峰（窗口尺度为60×60,步长为8×8）
图3.13 相关峰（窗口尺度为40×40,步长为8×8）
3.4.2 平移试验
对标准射流图像1进行人工平移，使其在x和y方向上分别移动16个像素，获得移动后的图像（如图3.14），两幅图像的大小都为240×240。
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