重建炉膛内火焰三维结构的采集方法
【专利说明】重建炉膛内火焰三维结构的采集方法
[0001]本申请是申请号为201410199208.0，申请日为2014年05月09日，发明名称为“重建炉膛内火焰三维结构的采集装置及采集方法”专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及光场成像技术领域，特别涉及一种重建炉膛内火焰三维结构的采集方法。
【背景技术】
[0003]Lippmann 于 1908 年提出集成照相(Integral Photography，IP)的概念，通过微镜头阵列代替Ives于1903年开发的针孔阵列，在成像面上形成一系列具有微小差别的微图像，记录原像面处的光辐射的角度信息，该技术亦被用于三维全息成像。在此基础上，Gershun于1936年提出了光场(Light Field)的概念，将光福射在空间各个位置向各个方向的传播定义为光场，光辐射包含二维位置信息和二维方向信息并在光场中传递，到达空间不同点处的光辐射量连续变化并能够通过计算获得像面上每点的光辐射量。
[0004]近一个多世纪以来，诸多学者不断完善和发展光场的理论研究与实际应用，Okosh1、Dudnikov、Dudley和Montebello等对集成照相技术不断改进，微镜头阵列的光场相机形式也逐渐成熟。1991年Adelson等首次提出全光场相机(Plenoptic camera)的概念。Levoy等将光场理论进一步完善，于1996年提出光场清染理论(Light FieldRendering, LFR)，建立了成像公式，并将其应用于显微成像领域，于2006年开发了光场显微镜(Light Field Microscopy, LFM)。基于Levoy建立的成像公式，2005年Ng等发明了第一台手持光场相机，后于2006年成立Lytro公司并将该发明正式商业化，自2011年起生产民用消费级的Lytro光场相机。Georgiev等于2006年提出了提高光场相机空间分辨率的方法，Fife等于2008年开发了光场感光芯片，而最早的商业化光场相机则由Wietzke和Perwass创立的Raytrix公司开发并于2010年生产销售。光场相机从理论提出至正式商业产品的出现共间隔100余年，导致这一现象的原因是光场相机内高品质微镜头阵列、高分辨率感光器件以及高运算能力的个人计算机直至近年才问世，另一重要基础是提高光场相机分辨率的成像理论及算法的提出，这些客观条件的具备使生产符合成本效益的光场相机成为可能。
[0005]针对工业炉膛内火焰的可视化技术经过多年发展，已具备检测炉内火焰结构、温度场等特性的功能，但不能实现炉膛内火焰三维结构的重建，尤其在高温以及炉膛开孔或单视角条件下的炉膛内火焰三维结构的重建。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中传统的采集方法不能实现在高温以及炉膛开孔或单视角条件下的炉膛内火焰三维结构的重建的缺陷，提供一种重建炉膛内火焰三维结构的采集方法，该采集方法能够在高温、单视角条件下重建火焰三维结构。
[0007]本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题:
[0008]本发明提供了一种重建炉膛内火焰三维结构的采集方法，其特点在于，该采集方法利用采集装置实现，该采集装置包括内窥镜系统、光场相机和控制处理系统；
[0009]该内窥镜系统用于将该炉膛内的待测火焰图像通过石英镜头和传像光路引出至炉膛外并与该光场相机相匹配，其包括一水冷夹套、一固定有该石英镜头的传像部件和一固定于该光场相机与该水冷夹套的端部之间的连接部件，该水冷夹套包括一内层和一外层，该内层内形成有一内腔，该内层与外层之间形成有一外腔；
[0010]该传像部件固定于该连接部件上且位于该内腔内，该传像光路位于传像部件内且与该传像部件同轴设置，该传像光路位于该石英镜头与该光场相机之间，该传像部件与该内层之间形成有一用于通入惰性气体吹扫该石英镜头的气流通道，该外腔内用于通入冷却水冷却该传像光路和石英镜头；
[0011]该光场相机用于接收该传像光路上的光像形成待测火焰不同成像路径的微像并转化为电信号传输至该控制处理系统中；
[0012]该控制处理系统用于将收到的电信号转换为二维光场数据，并对不同成像路径的微像进行数字重聚焦，得到三维光亮度分布；
[0013]该采集方法包括以下步骤:
[0014]S1、待测火焰各点的入射光经内窥镜系统在传像光路像面处的微透镜阵列上成像并形成像点，各像点在微透镜阵列后焦面的空间上分开；
[0015]S2、微透镜阵列后焦面的各点光线在感光芯片上形成待测火焰不同成像路径的微像，并将该微像转化为电信号进入控制处理系统；
[0016]S3、控制处理系统将收到的电信号转换为二维光场数据，并对不同成像路径的微像进行数字重聚焦得到三维光亮度分布，获得待测火焰的三维结构。
[0017]在本方案中，采用上述采集方法可在单视角条件下记录炉膛内待测火焰光辐射在传播过程中的四维位置和方向的信息，可同时显示待测火焰二维图像及三维结构图像。
[0018]另外，该内窥镜系统能够深入高温、多颗粒的燃烧炉或气化炉内工作，通过水冷夹套以通入冷却水的方式可以长期抵抗最高温度为2000 V的高温，其用水少、冷却效率高、内窥镜系统整体结构紧凑。同时通过传像部件与该内层之间形成的气流通道，在该气流通道内通入惰性气体吹扫石英镜头，长期抵抗炉膛内高温颗粒对前端耐高温的石英镜头的污染。此外，炉膛内待测火焰通过传像光路进行成像并投影至光场相机内，可以在同一时间采集并显示待测火焰二维原始图像及三维结构图像，实现待测火焰的二维、三维实时可视化检测，且该采集装置内部无运动部件，结构很稳固。
[0019]较佳地，步骤&中对不同成像路径的微像进行数字重聚焦得到三维光亮度分布，获得待测火焰的三维结构的具体过程包括以下步骤:
[0020]S31、待测火焰一点的入射光经传像光路和微透镜阵列后投影至感光芯片上对应的若干像元，这些像元共同组成一个宏像素，每个宏像素的坐标对应待测火焰像点的几何位置，而宏像素中所覆盖的每个感光芯片像元则代表目标火焰的不同视角信息；
[0021]S32、对二维光场图像中的像素进行重新排列，得到四维光场矩阵，将四维光场重新投影至新的像面进行积分叠加，即可获得不同像面上的对焦图像；
[0022]S33、通过对各对焦图像在深度估计的基础上进行空间排列，并进行高通滤波处理滤除非聚焦信息后，即可获得待测火焰的三维结构。
[0023]在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
[0024]本发明的积极进步效果在于:
[0025]本发明可在单视角条件下记录炉膛内待测火焰光辐射在传播过程中的四维位置和方向的信息，可同时显示待测火焰二维图像及三维结构图像；同时，内窥镜系统冷却效率高，可以在高温、单视角条件下采集和显示待测火焰的三维结构，并且可以在同一时间采集并显示待测火焰二维原始图像及三维结构图像，实现了待测火焰的二维、三维实时可视化检测。
【附图说明】
[0026]图1为本发明较佳实施例的采集装置的结构示意图。
[0027]图2为图1中内窥镜系统的结构示意图。
[0028]附图标记说明:
[0029]控制处理系统:1
[0030]二维图像显示系统:11三维图像显示系统:12图形工作站:13
[0031]光场相机:2
[0032]相机电路接口:21感光芯片:22微透镜阵列:23
[0033]焦距调节部件:24
[0034]内窥镜系统:3
[0035]水冷夹套:31内层:311内腔:312
[0036]外层:313连接管:314第一螺旋部件:315
[0037]第二螺旋部件:316第一冷却通道:317 第二冷却通道:318
[0038]传像部件:32石英镜头:33传像光路:34
[0039]连接部件:35光像转接部件:351 弹性部件:352
[0040]第二法兰:353气体进口:36冷却水进口:37
[0041]冷却水出口:38第一法兰:39
[0042]待测火焰:4
【具体实施方式】
[0043]下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
[0044]如图1所示，本发明重建炉膛内火焰三维结构的采集装置包括内窥镜系统3、光场相机2和控制处理系统1。
[0045]其中，内窥镜系统3用于将炉膛内的待测火焰4图像通过石英镜头33和传像光路34引出至炉膛外并与光场相机2相匹配。请根据图1-2予以理解，该内窥镜系统3包括水冷夹套31、传像部件32和连接部件35，石英镜头33固定在传像部件32靠近炉膛内的一端，同时，连接部件35固定在光场相机2与水冷夹套31的端部之间。
[0046]另外，水冷夹套31包括内层311和外层313，内层311内形成有内腔312，内层311与外层313之间形成有外腔。传像部件32固定在连接部件35上且位于内腔312内，传像光路34位于传像部件32内且与该传像部件32同轴设置。同时，该传像光路34位于石英镜头33与光场相机2之间，传像部件32与该内层311之间形成有一用于通入惰性气体吹扫石英镜头33的气流通道，该外腔内用于通入冷却水冷却该传像光路34和石英镜头33。
[0047]在本实施例中，内窥镜系统3能够深入高温、多颗粒的燃烧炉或气化炉内工作，通过水冷夹套31以通入冷却水的方式可以长期抵抗最高温度为2000°C的高温，其用水少、冷却效率高、内窥镜系统3整体结构紧凑。同时通过传像部件32与该内层311之间形成的气流通道，在该气流通道内通入惰性气体吹扫石英镜头33，长期抵抗炉膛内高温颗粒对前端耐高温的石英镜头33的污染。
[0048]此外，光场相机2用于接收传像光路34上的光像形成待测火焰4不同成像路径的微像并转化为电信号传输至控制处理系统1中。其中，该光场相机2沿该水冷夹套31的轴线方向从左至右依次包括相机电路接口 21、感光芯片22、微透镜阵列23和焦距调节部件24，微透镜阵列23位于传像光路34的像面上，感光芯片22位于微透镜阵列23的后焦面上，相机电路接口 21通过数据传输线路与控制处理系统1相连接。
[0049]而控制处理系统1用于将收到的电信号转换为二维光场数据，并对不同成像路径的微像进行数字重聚焦，得到三维光亮度