PIV图像实时处理技术研究

发布时间：2020-04-18 13:54

【摘要】：高超声速飞行器在未来军事、政治和经济中将发挥重要的战略作用,已成为各国抢战空间战略优势的利器。高超声速风洞作为高超声速流场测量研究的理想平台受到各国的高度重视,测量技术能否准确地测量高超声速流场成为了高超声速技术发展的关键。由于高超声速流场的非定常特性,对测量技术提出了很高的要求。粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry,PIV)自诞生以来,广泛应用于高速流场测量中。PIV图像处理技术涉及PIV图像处理算法和PIV图像处理系统,具有非常重要的理论意义和实际意义。本文对PIV图像实时处理技术进行了研究,具体研究工作如下:(1)针对当前PIV测量技术采用PC作为处理平台而导致的实时性不足问题,本文对PIV图像实时处理技术进行了研究,并开发了一套PIV图像实时处理系统。该系统能够实时处理流场图像,图像处理速率最高可达100fps,数据传输带宽最高可达10.24Gbps。(2)针对PIV图像的实时处理需求,设计了一套基于FPGA+2DSP架构的PIV图像处理硬件平台。该平台以FPGA芯片作为控制核心,DSP芯片作为处理核心,显示单元作为人机交互核心。相较于传统平台,大幅提高了传输速率和处理速率。(3)针对PIV图像处理硬件平台的特点,设计了PIV图像处理平台固件系统。该系统实现了CameraLink数据的接收,DDR3的图像数据高速缓存,Switch芯片的配置,SRIO高速数据据传输和以太网通信传输等。最后对各固件子模块进行了实验验证,实验结果表明各子模块工作正常,数据传输准确率高达99%。(4)针对PIV图像处理系统的算法实时处理需求,设计了预处理算法固件系统和流场估计算法固件系统。前者采用高斯滤波算法消除图像噪声,流场估计算法实现了互相关算法和光流算法的实时处理。针对预处理算法固件系统和流场算法固件系统分别设计了实验,结果表明预处理固件系统能够有效去除图像噪声,流场算法固件系统能够实时计算出流场的速度矢量图和幅值矢量图,处理速率高达100fps。
【图文】：

(a) (b)图 4-10 真实流场图片处理前后对比。(a) 处理前图片，(b) 处理后图片真实流场图片预处理实验的实现流程和模板图片预处理实验是一致的，差别仅仅在于 CameraLink 数据生成板卡上存储的图片是真实图片。图 4-10 为预处理前后的对比。由图 4-10 可以看出，经过预处理后，图片中的高斯噪声已被消除，证明了预处理模块能够有效地去除 PIV 图像中的高斯噪声。4.4 本章小结本章首先介绍了图像预处理算法对 PIV 图像处理系统的意义，，本设计根据预处理的要求选择了高斯滤波算法作为图像预处理算法；根据所选的预处理算法进行了固件设计，针对预处理固件架构进行了详细的介绍；最后分别设计了模板图片实验和真实图片实验对整个预处理算法固件模块进行了验证，实验结果表明预处理算法模块能够对图像中的高斯噪声进行有效处理，显著地提高了 PIV 图像的图像质量，为 PIV 图像的后续算法处理打下了基础。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;O35

【参考文献】

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本文编号：2632164