PIV質點影像量測法(Particle Image Velocimetry)在流體力學研究領域中使用廣泛，藉由特徵點或粒子影像的紀錄，並加以比對，便能了解流體的速度與移動特性(如圖1)，同時也保留了非接觸式測量的優點。在研究領域為了減少誤差，需借助各種精密儀器或雷射輔助成像，一般人較難以取得或理解，因此猶他州立大學Angela Minichiello博士便應用STEM教育相關資助計畫，製作了PIV法的原理、教材、手機APP教育工具等成果，提供教育與訓練使用，作為感興趣的學員到專業工作者前的入門磚。

本期電子報將分享Angela Minichiello博士的PIV成果與教材網站，mI-PIV手機應用等操作示範。

在實驗室中，常見的PIV法，常應用雷射去凸顯流體中的粒子，並藉由拍照或影像的方式，取得平面或立體的移動軌跡與參數，比如PIVlab的影片範例介紹。

猶他州立大學的Angela Minichiello博士，為了教育及推廣，讓更多學習者能探索PIV法的原理，與團隊成員研發並分享了PIV法的學習網站(如圖2)。

網站中介紹了PIV運作原理(如圖3)，例如先將圖像切割成小方塊，以追蹤同一空間內不同粒子在最小時間間隔下的兩張影像之間，其移動的方向與速度，以及鏡頭、位元深度的不同參數間的關係。同時，該網站也提供了不同參數的視覺化介紹、單參數模擬教學(如圖4)，以及多參數模擬實驗(如圖5)等。

從這些教育資源中，讓學習者在接觸專業工具之前，能夠對原理、本質與架構有所理解，接下來，便讓我們應用網站所開發的手機APP，進一步實際操作吧。

教育應用mI-PIV (Mobile Instructional Particle Image Velocimetry)目前可至GITHUB上下載apk或aab方式安裝，截至2023年5月底止，最新版本日期2023. Apr.17。操作案例分為四個步驟：1-安裝、2-產製影格、3-設定參數與計算、4-瀏覽成果。

首先至專案檔封裝區下載，https://github.com/mI-PIV/app/releases
下載完成後，開啟手機安裝權限，安裝aab或apk檔擇一。(安裝後可關閉權限，目前ANDROID手機預設皆為關閉，避免釣魚網站滲透)

安裝完成後，手機主畫面與功能如下(圖6)，進入程式後，點選START AN EXPERIMENT，接著出現使用者識別，輸入後可區隔不同使用者所做的實驗，並保存在手機之中，第一次輸入後，系統將會保留記錄。

接下來點選SELECT OR RECORD VIDEO，進入後會出現三個選項，這邊我們使用RECORD VIDEO，使用預設值錄製影片，完成後輸入一個方便識別的影格組-名稱，在下個步驟進行運算的時候，就能使用下拉式選單，切換不同的影片組，完成命名後，點選最下方產製按鈕(如圖7)，等待系統運算完成，即可進入下一步驟。

產製完成即可跳出錄影功能，回到主要功能，點選PIV運算按鈕，點選後會出現參數設定(如圖8)。第一次嘗試的使用者，建議先不使用鏡頭比例調整功能，其餘使用預設，結果將以像素pixl呈現位移速率，適合做為入門參數。

操作上點選Image Set，會出現下拉式選單，就會出現我們剛剛產製的影格名稱，點選後，勾選Whole Set Processing，將所有影格進行運算，Sample Rate先選+1選像即可，完成後點選紅字SELECT IMAGES確認。
接著點選INPUT PIV PARAMETERS，使用預設參數，再點選SELECT VALUES進行確認。這邊主要是搜索窗尺寸設定。

以上兩步驟完成後，兩個按鈕將會變成綠色，接下來便可點選COMPUTE PIV按鈕，進行運算。預算完成後，會出現結果保存的位置，以及可以點選結果按鈕。

PIV計算完成後，會回到PIV功能頁，並可看到VIEW RESULTS按鈕變成綠色，點選後即可出現視覺化成果(如圖9)。

PIV網頁上可看到示範影片，主要都是黑底加上反光的粒子組成，因此手機只要能記錄下黑白處理後的影片，即可用於PIV的測量與辨識實驗。而範例中我們應用了固定背景的滾動球體，作為一顆超大粒子移動，保留了原始色彩的方式，則是以特徵點的方式來測試(如圖10)。主要是實驗該軟體可對特徵、顏色進行簡易轉換，因此能對特徵點進行追蹤。

除了實驗該軟體對於顏色特徵的相容性之外，也能進階使用鏡頭比例進行設定，便於軟體計算移動速率(如圖11，暫不考慮立體變形深度)。比例輸入完成後，可在前面所提到的STEP.3.設定參數與計算步驟當中，啟用進階參數，輸入影片速率與比例尺(如圖12)，這樣便能夠從參數中反推移動速度。

一般PIV的基礎，都是從黑白粒子素材進行分析，而如實驗APP功能與範例影片的做法，則是由基本PIV所延伸的相關技術，比如可針對顏色直接做搜索窗辨識的Color-PIV(彩色PIV)，或是轉換色彩成灰度的間接方式(不處理色彩特徵)；針對超大範圍，通常配合高空攝影或衛星攝影的Large Scale-PIV(廣域PIV)；透過多重且同步的攝影器材，還原立體流場的3D-PTV(三維PIV)；應用最小數量鏡頭取得深度向量，使用兩台鏡頭的Stereoscopic-PIV(立體PIV)。

PIV能結合不同顏色、維度、尺度做延伸，並應用到不同領域，比如對於地表變化潛勢，若能有適當的特徵物，並應用灰度處理，將能辨識出可能的移動方向與速率，比如110年土石流及大規模崩塌災害防救業務講習，國家災害防救科技中心(NCDR)應用無人機影像，分析桃園市復與區光華崩塌地的地表變位為方向與速度等。相信未來隨著儀器與技術的持續進步，PIV技術的跨領域應用將充滿各種可能。

1.　Learn Particle Image Velocimetry(資料來源:www.learnpiv.org)
2.　What is PIVlab?(資料來源:PIVlab)
3.　PIVlab下載( 需要Matlab本體 )(資料來源:PIVlab)
4.　Mobile Instructional Particle Image Velocimetry (mI-PIV) is an educational Android application(資料來源::www.learnpiv.org)
5.　110年土石流及大規模崩塌災害防救業務講習-無人機影像在光華崩塌地的分析應用(首頁>防災應用>防災教育與訓練>免費線上課程>110年度)(資料來源:246.ardswc.gov.tw)