莊寶慶，謝錫剛，朱海，華敏偉，張浩，傅炎智

（1.無錫市錫山區(qū)水利局，江蘇無錫，214000；2.無錫錫東新城商務(wù)區(qū)開發(fā)建設(shè)管理中心，江蘇無錫，214000）

0 引言

簡(jiǎn)單來講，LSPIV是一種以圖像為核心的河流水面成像測(cè)試技術(shù)，屬于實(shí)驗(yàn)條件下粒子圖像測(cè)速技術(shù)在大尺度現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的拓展結(jié)果。相比以往提出的雷達(dá)法、聲學(xué)法等非接觸式測(cè)量技術(shù)，本文提出的LSPIV在實(shí)踐應(yīng)用中具有瞬時(shí)測(cè)量全場(chǎng)流速的優(yōu)勢(shì)，不管是在流動(dòng)模式還是湍流特征中都可以快速獲取所需信息。因此，在實(shí)踐發(fā)展中，隨著移動(dòng)攝影技術(shù)的不斷優(yōu)化，科研學(xué)者要加大對(duì)大尺度粒子圖像測(cè)速技術(shù)的研究力度，并將穩(wěn)定性和可視性過低但分布更為均勻的水面模式看作水流示蹤物，這樣不僅能研究實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下的明渠水流紊動(dòng)特征，還可以監(jiān)測(cè)分析野外天然河道的表層流場(chǎng)。

1 介紹

從上世紀(jì)90年代開始，Hasheminejad等科研學(xué)者第一次提出將改進(jìn)后的粒子圖像測(cè)速技術(shù)運(yùn)用到大尺度的水面流場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，并在實(shí)踐應(yīng)用中成功運(yùn)用這種假設(shè)完成了Yodo河的洪水流量測(cè)量工作，最終這一假設(shè)也被叫做大尺度粒子圖像測(cè)速技術(shù)（LSPIV）。從當(dāng)前河流現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用角度來看，LSPIV技術(shù)可以將細(xì)小波紋、泡沫、植物碎片等天然水面漂浮物看作水流的示蹤物，并利用自然光取代激光片光，運(yùn)用普通數(shù)碼相機(jī)或視頻攝像機(jī)取代高幀頻相機(jī)，以此在簡(jiǎn)化搭配硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加快實(shí)驗(yàn)室研究成果的轉(zhuǎn)化速度。而為了解決野外測(cè)量視野范圍較小的難題，科研學(xué)者提出運(yùn)用直升機(jī)拍攝視頻來計(jì)算分析河流洪水?dāng)?shù)據(jù)，抑或是利用熱氣球來擴(kuò)大測(cè)量拍攝的范圍。本文在整合了解以水利學(xué)方向?yàn)楹诵牡腖SPIV技術(shù)應(yīng)用成果，將其運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室水工模型流暢測(cè)量工作中，并利用實(shí)驗(yàn)大廳的安裝支架或頂部橫梁等定位采集設(shè)備，而后根據(jù)自然河流的原型觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，整合了解影響實(shí)驗(yàn)分析的主要原因，并依據(jù)視頻去抖動(dòng)算法得到穩(wěn)定的視覺場(chǎng)景和流場(chǎng)結(jié)果。

2 研究方法

2.1 LSPIV技術(shù)

從實(shí)踐角度來看，測(cè)算流程涉及到圖像的定標(biāo)、識(shí)別水面模式、提取水面特征等內(nèi)容。本文研究提出的LSPIV技術(shù)所包含的測(cè)速算法是指完善的流程采集計(jì)算流程中多種算法統(tǒng)稱[1]。由于在復(fù)雜地形流域觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中不能忽視水位和水面覆蓋面積的變化，且水體水質(zhì)和天氣變化也會(huì)影響圖像背景中的廣場(chǎng)條件和顏色，所以在外界因素的干擾下，自動(dòng)測(cè)量的算法必須要直觀準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出水面的邊界，并且可以根據(jù)實(shí)際變化科學(xué)調(diào)整算法測(cè)量的網(wǎng)格。基于大尺度粒子圖像測(cè)速技術(shù)提出的研究模型，主要包含兩類參數(shù)：

一方面是指外在參數(shù)，主要是對(duì)相機(jī)在參考坐標(biāo)系中位置和方向的數(shù)學(xué)標(biāo)答，其涉及到相機(jī)中心的物理坐標(biāo)（xc，yc，zc）和三個(gè)旋轉(zhuǎn)角φ、τ、σ，兩者都是根據(jù)實(shí)地率定獲取的。

另一方面是指內(nèi)在參數(shù)，主要呈現(xiàn)了鏡頭、相機(jī)和圖像所獲取的硬件固有物理特性，只喝相機(jī)等圖像獲取硬件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)又直接關(guān)系。比如說，水平和垂直比例系數(shù)λ、λ，理想圖像平面中心坐標(biāo)（u0，v0），有效的焦距f。由此可以得到如下所示的直接線性轉(zhuǎn)換（DLT）公式：

在上述公式中，（u，v）代表像點(diǎn)坐標(biāo)，（x，y，z）代表物點(diǎn)坐標(biāo)，L1，L2……L11代表直線線性轉(zhuǎn)換系數(shù)，如下所示為中心透視投影模型中內(nèi)參與外參的組合公式：

在錄入多個(gè)控制點(diǎn)信息之后，就可以明確相應(yīng)的線性轉(zhuǎn)換系數(shù)，而后結(jié)合物理坐標(biāo)（x，y，z），在公式推導(dǎo)中獲取圖像坐標(biāo)（u，v）。DLT的應(yīng)用方法非常廣泛，屬于一種隱性相機(jī)標(biāo)定方法，有助于簡(jiǎn)便實(shí)踐操作步驟。本文在研究中為了方便后續(xù)實(shí)踐應(yīng)用分析，將DLT方程轉(zhuǎn)變成如下形式：

在前期研究中已經(jīng)證明運(yùn)用顏色向量的方式來自動(dòng)區(qū)分水面和路面，由于這類算法存在應(yīng)用誤差，部分操作需要利用人工的方式進(jìn)行修改，所以在實(shí)踐應(yīng)用中對(duì)這類算法進(jìn)行的改進(jìn)，也就是在圖像中疊加流場(chǎng)的方式來自動(dòng)訓(xùn)練圖像分類算法的參數(shù)調(diào)整。換句話說，要在圖像分類之前，先利用流場(chǎng)算法研究整個(gè)圖像的流動(dòng)，并將相應(yīng)的平均流速的玉質(zhì)區(qū)域看成是水面區(qū)。在完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的預(yù)處理之后，可以從基礎(chǔ)上保障圖像分類算法的有效性。從時(shí)間角度來看，圖像測(cè)試算法的根本目的在于從圖像中獲取所需的特征變化，并利用特征的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)變化來呈現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的物理現(xiàn)象。

2.2 去抖動(dòng)技術(shù)

手持式移動(dòng)攝像設(shè)備拍攝視頻一般會(huì)受抖動(dòng)影響無法保障視頻資料的清晰度，因此在研究之前需要對(duì)視頻進(jìn)行去抖動(dòng)處理，以此得到穩(wěn)定事業(yè)的視頻畫面。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析去抖動(dòng)處理通常包含兩點(diǎn)內(nèi)容，一方面是指運(yùn)動(dòng)估計(jì)，另一方面是指運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

根據(jù)當(dāng)前科研學(xué)者對(duì)視頻去抖動(dòng)技術(shù)的研究分析可知，實(shí)踐操作的核心內(nèi)容分為兩方面，一方面要估計(jì)分析全局運(yùn)動(dòng)參數(shù)，另一方面要科學(xué)處理濾波。通常情況下，場(chǎng)景當(dāng)中靜止的背景物體占據(jù)較大比例，其所包含物體所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量可以運(yùn)用區(qū)域相關(guān)方法保障匹配的精確度，而拍攝期間隨機(jī)產(chǎn)生的噪音也會(huì)出現(xiàn)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)噪音，只運(yùn)用光流計(jì)算方法很難有效處理，可以利用塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法來研究運(yùn)動(dòng)矢量。根據(jù)近年來對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)法在視頻壓縮領(lǐng)域中的應(yīng)用研究顯示，這種方法不僅能有效提升算法的運(yùn)行效率，還可以簡(jiǎn)化事件操作過程[2]。首先，原本視頻流選用塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法可以得到相鄰幀之間的運(yùn)動(dòng)矢量。

3 實(shí)例分析

本文研究利用手機(jī)機(jī)設(shè)備在渤海某段拍攝了一組渤海流域的流動(dòng)視頻。在不進(jìn)行去抖動(dòng)處理的條件下，計(jì)算分析相鄰幀之間的流場(chǎng)，具體如下圖1所示。

圖1 未經(jīng)處理的原本視頻資料

結(jié)合上述分析可知，原本圖像中上半部分是流域?qū)Π兜纳郑虚g區(qū)域?yàn)椴澈Ａ鞯?，下部分為拍攝者站立的河岸。因?yàn)檎w視頻資料是抖動(dòng)的，所以選用LSPIV技術(shù)研究分析無法保障最終結(jié)果的精確性。在本文概述案例中，山體和河岸都具備一定的運(yùn)動(dòng)速度，這和實(shí)際情況是存在差異的。圖（a）是指平移抖動(dòng)特征的流場(chǎng)矢量圖，這一現(xiàn)象主要是拍攝者的雙手在進(jìn)行上下俯仰或左右偏移引起的，最大的特點(diǎn)在于全局速度矢量在相同方向上一致上升[3]。

圖2 經(jīng)過去抖動(dòng)處理之后的渤海流場(chǎng)圖

而結(jié)合下圖2分析可知，其是指完成過去抖動(dòng)處理之后的渤海流場(chǎng)圖。在移動(dòng)拍攝中進(jìn)行去抖動(dòng)處理，一方面可以有效處理視頻抖動(dòng)效果，并得到較為穩(wěn)定的視頻資料；另一方面可以準(zhǔn)確閱讀視頻的每一幀，并由此進(jìn)行準(zhǔn)確的流場(chǎng)分析。

在本文概述案例中，渤海對(duì)岸的山體與河對(duì)岸的石頭地區(qū)域因?yàn)橥瓿闪巳ザ秳?dòng)處理，所以已經(jīng)基本不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度。而主流速度方向從左到右分布非常合理。整體視頻拍攝的幀率達(dá)到了30fps，從視頻當(dāng)中快速且持續(xù)截取200幀圖像，并利用LSPIV技術(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，可以發(fā)現(xiàn)最終結(jié)果與預(yù)期基本達(dá)成一致。

4 結(jié)語

綜上所述，通過上文對(duì)自然流域觀察研究所運(yùn)用的大尺度粒子圖像測(cè)速技術(shù)進(jìn)行深入探討可知，實(shí)踐技術(shù)應(yīng)用存在較多難點(diǎn)，且直接影響著向觀察研究的最終結(jié)果。因此，在未來事件發(fā)展中，科研學(xué)者要在重視大尺度粒子圖像測(cè)速技術(shù)的同時(shí)，針對(duì)其在移動(dòng)攝像設(shè)備中所展現(xiàn)出的可行性進(jìn)行深入探討，并由此獲取更為優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，還要合理運(yùn)用相關(guān)算法研究計(jì)算流域的流場(chǎng)特性，學(xué)會(huì)根據(jù)邊界識(shí)別清除不重要的速度矢量，以此獲取更為完善的水動(dòng)力速度矢量數(shù)據(jù)，從而保障相關(guān)研究項(xiàng)目活動(dòng)可以有序進(jìn)行。