用于求取颗粒在多个时间点时的变化的空间分布的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于求取颗粒的在以时间间隔前后相继的多个时间点时的变化的空间分布的方法，该方法针对这些时间点中的每个时间点具有在权利要求1的前序部分举出的步骤。
[0002]颗粒在不同时间点时的分布的求取尤其可用于如下目的:定量地检测包含有颗粒的流体的流动。这样可重构所关注的流动的速度场。这种做法被称为颗粒跟踪测速法(Particle Tracking Velocimetry, PTV)。
[0003]取代物理微粒，其变化的空间分布被求取的颗粒也可涉及其他由于其光学特征而能成像的物理对象，例如棱边、密度波动、最大光强分布等。
【背景技术】
[0004]由DE 10 2009 009 551 B4已知一种用于确定被包含有可光学探测的颗粒的流体流动经过的测量体积中的流动关系的方法，该方法针对多个时间点中的每个时间点具有在独立权利要求1的前序部分中举出的步骤。根据该已知方法，在每个时间点时，颗粒的真实三维分布的多个真实二维图像借助于在空间上相互错开地布置的、相同多个的图像探测器来记录。针对每个图像探测器确定一个成像函数，真实分布通过图像探测器以所述成像函数成像。此外，针对每个时间点预先给定一个估计的空间分布。从这个估计的空间分布出发，迭代地求取真实空间分布直到所希望的精度。在此，应用成像函数来计算该估计的分布的虚拟二维图像。通过比较来求取所述虚拟图像和分别对应的真实图像之间的区别；并且，根据所求取的区别来改变估计的分布。尤其关于各个颗粒的位置来进行对估计的分布的所述改变。估计的分布的每个改变可在以下假设下被检验可信度:非边缘的颗粒不会从对应的测量体积中消失。
[0005]估计的空间分布的预先给定的具体起源在由DE 10 2009 009 551 B4已知的方法中应该是不重要的。例如，颗粒的估计的空间分布的预先给定应当可以是一定数量被估计的颗粒的理论上计算的分布，其中，应当可能由从试验结构已知的颗粒密度得出与数量有关的估计。然而，这种预先给定在实际中被证明不适合用于从估计的空间分布出发目标明确地达到具有所希望的精度的实际空间分布。因此，在由DE 10 2009 009 551 B4已知的方法的实际应用中，运用其他的估计机制，这些估计机制基于，由在对应时间点时所记录的真实二维图像来三维重构空间分布。尤其，可将各个颗粒空间位置的被事先实施的确定的结果作为预先给定量来使用，所述实施基于各个颗粒在真实图像中的位置通过三角测量法(Triangulat1n)进行。由于要针对每个时间点实施的这种三角测量法，产生了附加于迭代步骤的大计算耗费，用于从估计的空间分布到达实际空间分布。此外，最大的颗粒浓度由于三角测量法的应用限制而受限。
【发明内容】
[0006]本发明的任务在于，提供一种用于求取颗粒的在以时间间隔前后相继的多个时间点时的、变化的空间分布的方法，该方法针对所述时间中的每个时间点具有在权利要求1的前序部分中举出的步骤，该方法能以特别小的计算耗费实现颗粒的实际空间分布的具有对应希望精度的精确确定。
[0007]本发明的任务通过具有独立权利要求1特征的方法解决。从属权利要求涉及该方法的优选实施方式。
[0008]用于求取颗粒的在多个以时间间隔前后相继的时间点时的、变化的空间分布的根据本发明的方法，其针对所述时间点中的每个时间点具有如下步骤:(i)在各时间点时通过不同的、起作用的成像函数记录所述颗粒的真实二维图像；(ii)预先给定所述颗粒的估计的空间分布；(iii)通过不同成像函数计算所述估计的空间分布的虚拟二维图像；(iv)检测具有相同成像函数的虚拟二维图像和真实二维图像之间的差别；和(V)为了减小所述差别而改变所述颗粒的估计的空间分布，以便获得在所述时间点时近似于所述颗粒的实际空间分布的空间分布。在此，针对至少一个时间点预先给定所述颗粒的估计的空间分布，其方式是，根据各个颗粒的位置在针对至少两个其他的时间点所近似的空间分布之间已如何移动，使各个颗粒的位置在针对一个其他的时间点所获得的、经近似的空间分布中移动。
[0009]对于根据本发明的方法的特征组合作出如下指示。在根据本发明的方法中针对以时间间隔前后相继的多个时间点的每个时间点实施步骤(i)到(V)，这不排除也以其他方式(例如基于真实图像的借助于三角测量法的评估)在其他时间点时、尤其在较早的时间点时预先给定颗粒的估计的空间分布，在所述其他时间点时还不存在针对更早时间点所近似的空间分布可供使用。
[0010]不同的有效的成像函数(通过所述成像函数在每个时间点时记录颗粒真实二维图像)在这些时间点上保持相同，或者必须补偿这些成像函数所出现的变化。不同成像函数尤其包括不同的成像方向。至少应用两个不同的、具有不同成像方向的成像函数。但是，用于记录颗粒图像所使用的摄像机的数量也可能显著地大于两个。
[0011]对具有相同成像函数的虚拟二维图像和真实二维图像之间的差别的检测以及为了减小该差别而对估计的空间分布的改变尤其可涉及颗粒在这些二维图像中的位置和颗粒在空间分布中的空间位置。但是，在原则上也还可考虑其他的参数，如在DE 10 2009 009551 B4述及的。
[0012]在根据本发明的方法中，也可两次或多次迭代重复步骤(iii)到(V)，用于使所述近似的空间分布步进式地匹配实际的空间分布，直到例如不再高于关于各个颗粒位置的最大误差。对于这些也参阅DE 10 2009 009 551 B4上的每个细节。
[0013]针对所述一个和所述至少两个其他的时间点所近似的空间分布可以涉及针对较早的或较晚的时间点所近似的空间分布。也适用于下文中仅提及较早的时间点的一些陈述。应这样理解这些陈述，它们也相应地适用于跟随所述至少一个时间点的时间点。但是经常，针对所述一个和所述至少两个其他时间点所近似的、在针对所述至少一个时间点预先给定估计的空间分布时被考虑的空间分布总地针对较早的或较晚的时间点被近似。
[0014]在根据本发明的方法中，为了预先给定颗粒的估计的空间分布，一方面利用各个颗粒在针对较早的时间点所获得的近似的空间分布中的位置，并且另一方面利用各个颗粒的位置在针对至少两个较早的时间点所近似的空间分布之间的移动。由此，颗粒的估计的空间分布的预先给定依据如下假设:颗粒至少基本延续其迄今为止的轨迹。如果颗粒甚至精确地延续它们迄今为止的轨迹并且这些轨迹通过在较早的时间点时确定的空间分布已被完全检测，则在预先给定的估计的空间分布的计算出的虚拟二维图像和针对对应的时间点所记录的真实二维图像之间完全不出现区别。换言之，仅当颗粒的轨迹不精确地如迄今为止那样延续时，才存在差别，并且，颗粒的估计的空间分布的用于消除虚拟二维图像和真实二维图像之间差别的任何必要改变必须仅反映所述轨迹的该变化。相应地，在根据本发明的方法中，估计的空间分布一般与实际空间分布很相近，并且仅须少量迭代步骤来补偿尚存的区别。由此，根据本发明的方法需要少量计算耗费并且相应的很快。
[0015]在此也要考虑，在根据本发明的方法中典型的方式涉及PTV方式，其中，本来就要检测颗粒位置在这些在各个时间点时所确定的空间分布之间的移动，因为这些移动是在PTV中被关注的信息。但是由此，所有对于颗粒的针对下个时间点估计的空间分布的预先