面向粒子圖像測速的光流金字塔插值優化方法

單良，簡娟，熊俊哲，施飛楊，洪波，樓曉穎，孔明

（1 中國計量大學 信息工程學院 浙江省電磁波信息技術與計量檢測重點實驗室， 杭州 310018） （2 中國計量大學 計量測試工程學院，杭州 310018）

0 引言

人類的生產和生活處處離不開流場［1］。大氣中的渦流以及管道、河流等地方的渦旋都是常見的流場之一。粒子圖像測速法（Particle Image Velocimetry ，PIV）可以在不接觸流場的情況下，對流場內的運動情況進行測量，廣泛應用于圖像分析和數字成像等領域。在不干擾流體運動的情況下［2］，為流體運動的定性描述以及定量研究提供相對理想的數據基礎［3］。1984 年，ADRIAN R J 首次提出了粒子圖像測速的概念［4］。在PIV 系統中，光流法是一種常見的算法，HORN B 和SCHUNCK B G 首次提出了光流算法［5］，其主要優點在于基于像素的差分特性，可以在每個像素（1 個矢量/1 個像素）上生成精細的速度矢量，這顯著提高了流場的空間分辨率。此外，由于光流場是連續可微分的，這使得粒子在低速區域有更好的測量精度［6］。HORN B 和SCHUNCK B G 給出了光流亮度約束方程的模型方程，并使用該模型方程來構建目標函數［7］。但光流法也有一定的局限性，先前的誤差分析表明，光流法的誤差與像素強度的位移有關。平滑度約束決定了光流法比起大位移更適合恢復小位移的速度矢量。LIU T S 等［8］為了使光流法能在大位移上應用更廣，提出了一種多尺度金字塔迭代光流法，但多尺度金字塔迭代光流法對初始估計敏感，初始估計的準確性對最終結果的影響較大。為了提升初始光流估計結果的準確性，LU J 等［9］提出了基于場分割的變分光流法，通過對光流場的全局優化，可以產生相對精確的光流估計結果。……