基于集成成像技术的3D‑3C粒子图像测速系统及方法与流程

本发明涉及流场光学测试系统技术领域，特别是一种基于集成成像技术的3d-3c粒子图像测速系统及方法。

背景技术：

三维三分量(3d-3c)粒子图像测速是一种先进的流场光学测试技术，它依据流动性方程，通过观测流场中均匀布撒的示踪粒子的运动情况，进而推算出瞬态三维流场结构以及流场流动趋势，可以用来测量湍流、大尺度、多涡系干扰等三维复杂流场，如直升飞机上升时螺旋桨周围的流场扰动、蜂群飞行时产生的空气扰动等。目前有多种3d-3c流场测量方式，如层析粒子图像测速技术(tomographicparticleimagevelocimetry)，全息粒子图像测速技术(holographicparticleimagevelocimetry)，散焦粒子图像测速技术(defocusingparticleimagevelocimetry)。上述流场测量技术对小范围局部流场结构测量有较好的结果，但它们的整体可视深度较小，目前技术中最大可视深度约为3厘米，但这在深度方向尺寸较大的涡流、多涡系干扰等流场测量中是远远不够多。此外，目前所存在的3d-3c粒子图像测速系统在高浓度示踪粒子环境中，从不同角度观测示踪粒子时，粒子会前后遮挡，这种情况下会产生较多幽灵粒子，从而影响粒子场重建精度，而当示踪粒子浓度较小时，重建出的粒子场很难显示流场细节部分，也就意味着其相应的空间分辨率非常有限，此外，如果相机相互之间拍摄角度较小，有可能会导致重建出的示踪粒子呈细长型，这些都严重限制了三维粒子图像测速精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种粒子重建精度高、空间分辨率大的基于集成成像技术的3d-3c粒子图像测速系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案：一种基于集成成像技术的3d-3c粒子图像测速系统，包括激光器1、激光扩束准直系统3、三维流场测速箱5、相机阵列6、计算机7、平面标定板8、精密电控平移台9；其中激光扩束准直系统3设置于激光器1和三维流场测速箱5之间；三维流场测速箱5为长方体结构，垂直于激光器光轴的两个面上设置光窗口，与光窗口所在侧面相邻的一个侧面采用高透玻璃，其余五个面采用经过发黑处理的铝合金；所述激光器1、激光扩束准直系统3与三维流场测速箱5上的两个光窗口共轴；相机阵列6设置于三维流场测速箱5的高透玻璃面一侧，且相机阵列6的光轴垂直于该高透玻璃面；相机阵列6、精密电控平移台9均与计算机7相连，且平面标定板8设置于精密电控平移台9上。

进一步地，所述平面标定板8表面均匀设置13×13个白色圆点阵列，白色圆点直径为1mm，间距为1cm；通过计算机7控制精密电控平移台9移动平面标定板8，根据标定函数进行标定，得出多个相机坐标系和世界坐标系之间对应关系，从而用于示踪粒子场重建。

进一步地，所述相机阵列6包括纵向设置的4组，每组包括3个位于同一水平面的相机，每组的3个相机呈弧形排列，调节所有相机角度，使待测试场中心均在相机视场中心；所有的相机靠计算机7内的触发板触发同时拍照，并将图像存储到计算机7中。

进一步地，所述激光扩束准直系统3包括顺次共光轴设置的鲍威尔棱镜31、柱透镜33、刀口35，激光器1发射的线光2入射至激光扩束准直系统3中鲍威尔棱镜31，鲍威尔棱镜31将线光扩成片光32后入射至柱透镜33，柱透镜33将二维的片光32扩成三维的柱状激光34，柱状激光34经刀口35整形成三维立体激光4。

一种基于集成成像技术的3d-3c粒子图像测速方法，包括以下步骤：

步骤1，将平面标定板8置于三维流场测速箱5内，对相机阵列6进行标定；

步骤2，将示踪粒子置于三维流场测速箱5内，采用相机阵列6的相机从不同角度对示踪粒子成像；

步骤3，根据标定关系，将相机阵列6的相机图像重投影到世界坐标系中z已知的平面上，将各重投影图像中对应位置的灰度值相加，产生重聚焦图像；通过逐步等间隔改变z值，得出重聚焦图像序列，所述z值间隔小于示踪粒子直径；

步骤4，将重聚焦图像序列进行离散化，把重聚焦图像上的灰度值存储到离散化网格中，网格大小设置为相机像元大小的10倍；

步骤5，运用基于移动窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点，通过计算不同深度窗口区域内的tenengrad函数值来确定示踪粒子点位置，从而重建出示踪粒子场。

进一步地，步骤1所述对相机阵列6进行标定，标定方法基于小孔模型，公式表示如下：

其中，x,y为图像坐标系上的像素坐标，(x,y,z)为世界坐标系上的特征点的坐标，根据特征点在图像上和世界坐标系上的对应关系，求得相机外部参数a、b、c、d、e、f、g、h、p、q、r、s。

进一步地，步骤5所述运用基于移动窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点，具体如下：

在重聚焦图像序列上，选择一个诊断窗口，诊断窗口的长和宽分别为10个离散网格大小，窗口深度贯穿所有的重聚焦图像，计算重聚焦图像序列上诊断窗口部分的tenengrad函数，作为判断该诊断窗口区域有没有示踪粒子的标准t(k)，具体公式为：

其中，g是诊断窗口区域部分的sobel算子梯度，x、y分别表示图像坐标系中x轴、y轴方向，k表示第k个窗口；

通过计算诊断窗口中的所有平面上的t值，建立一个t值函数图，该图形中极大值位置处就是存在示踪粒子的区域，提取出该区域的深度信息和相应层面上诊断窗口里面的灰度值数据；在选择诊断窗口时，相邻两个诊断窗口挨着，依次遍历完所有的离散网格点；提取到的诊断窗口数据根据分层，依次按照提取之前的位置信息排列，最后便得出在重聚焦图像序列所在平面上聚焦的粒子图，以及相应的粒子位置和大小，根据重聚焦图像序列中的图像坐标系与世界坐标系的坐标变换，得到三维示踪粒子场。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)基于集成成像技术，能够测量高浓度示踪粒子下的流场，还能够重建被前面粒子遮挡的示踪粒子，从而提高了流场重建精度，还能够测量深度方向尺寸较大的涡流、多涡系干扰等流场；(2)能够有效去除示踪粒子细长型化，在高浓度示踪粒子环境中对示踪粒子进行精确地三维重建，有效减少幽灵粒子的影响，提高粒子重建精度，同时还能重建出流场的细节部分，增大了空间分辨率；(3)在示踪粒子重建过程中，能够避免细长型畸形示踪粒子的出现，具有精度高，运算速度快，不需要进行复杂的迭代，可以高度还原流场的细节部分。

附图说明

图1是本发明基于集成成像技术的3d-3c粒子图像测速系统的结构示意图。

图2是本发明基于集成成像技术的3d-3c粒子图像测速系统中的标定结构图。

图3是本发明基于集成成像技术的3d-3c粒子图像测速系统中的激光扩束图。

图4是本发明三维粒子场基于集成成像原理的重聚焦原理图。

图5是本发明12幅重聚焦图叠加原理图。

图6是本发明重聚焦平面离散图。

图7是本发明基于窗口梯度变化提取深度图。

图8是本发明基于窗口梯度变化方法中的一个窗口中沿z方向的t值变化曲线图。

具体实施方式

本发明基于集成成像技术的3d-3c粒子图像测速系统及方法，包括：

1)立体光照明部分，将一束从激光器中射出的激光通过鲍威尔棱镜与柱透镜进行扩束，再利用刀口进行整形，形成平行三维立体光，立体光照射到待测流场中，将三维流场测速箱中事先布撒好的示踪粒子照亮。

2)图像采集部分，根据集成成像原理，采用多个ccd相机，弧形排列组成相机阵列，所有相机均聚焦在测试场中心区域，且测试场位于相机图像中心，该方法可有效抑制示踪粒子的细长型化。通过电脑控制，利用触发板产生触发信号，使相机阵列进行同步拍摄，在相同时刻对流场中的示踪粒子从不同角度进行图像采集。

3)多相机标定部分，利用一个169个白色圆点的平面标定板和一个电动精密导轨平移台，平面标定板上共有13×13个白色圆点，圆点的直径为1mm，圆点间距为1cm。通过控制导轨平移台的精密移动来多次移动标定板，每次平移一定距离，根据相应的标定函数进行标定，得出多个相机坐标系和世界坐标系之间对应关系，便于下一步示踪粒子场重建。

4)三维示踪粒子场重建部分，根据标定得出的相机间对应关系，利用集成成像原理，对同一时刻不同相机拍摄的示踪粒子图像进行三维重建。

5)三维互相关流场重建部分，将相邻两个时刻获得的三维重建示踪粒子场进行三维互相关，得出三维速度场。

结合图1，本发明基于集成成像技术的3d-3c粒子图像测速系统，包括激光器1、激光扩束准直系统3、三维流场测速箱5、相机阵列6、计算机7、平面标定板8、精密电控平移台9；其中激光扩束准直系统3设置于激光器1和三维流场测速箱5之间；三维流场测速箱5为长方体结构，垂直于激光器光轴的两个面上设置光窗口，与光窗口所在侧面相邻的一个侧面采用高透玻璃，其余五个面采用经过发黑处理的铝合金；所述激光器1、激光扩束准直系统3与三维流场测速箱5上的两个光窗口共轴；相机阵列6设置于三维流场测速箱5的高透玻璃面一侧，且相机阵列6的光轴垂直于该高透玻璃面；相机阵列6、精密电控平移台9均与计算机7相连，且平面标定板8设置于精密电控平移台9上。

进一步地，所述平面标定板8表面均匀设置13×13个白色圆点阵列，白色圆点直径为1mm，间距为1cm；通过计算机7控制精密电控平移台9移动平面标定板8，根据标定函数进行标定，得出多个相机坐标系和世界坐标系之间对应关系，从而用于示踪粒子场重建。

进一步地，所述相机阵列6包括纵向设置的4组，每组包括3个位于同一水平面的相机，每组的3个相机呈弧形排列，调节所有相机角度，使待测试场中心均在相机视场中心；所有的相机靠计算机7内的触发板触发同时拍照，并将图像存储到计算机7中。

进一步地，所述激光扩束准直系统3包括顺次共光轴设置的鲍威尔棱镜31、柱透镜33、刀口35，激光器1发射的线光2入射至激光扩束准直系统3中鲍威尔棱镜31，鲍威尔棱镜31将线光扩成片光32后入射至柱透镜33，柱透镜33将二维的片光32扩成三维的柱状激光34，柱状激光34经刀口35整形成三维立体激光4。

一种基于集成成像技术的3d-3c粒子图像测速方法，包括以下步骤：

步骤1，将平面标定板8置于三维流场测速箱5内，对相机阵列6进行标定；

步骤2，将示踪粒子置于三维流场测速箱5内，采用相机阵列6的相机从不同角度对示踪粒子成像；

步骤3，根据标定关系，将相机阵列6的相机图像重投影到世界坐标系中z已知的平面上，将各重投影图像中对应位置的灰度值相加，产生重聚焦图像；通过逐步等间隔改变z值，得出重聚焦图像序列，所述z值间隔小于示踪粒子直径；

步骤4，将重聚焦图像序列进行离散化，把重聚焦图像上的灰度值存储到离散化网格中，网格大小设置为相机像元大小的10倍；

步骤5，运用基于移动窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点，通过计算不同深度窗口区域内的tenengrad函数值来确定示踪粒子点位置，从而重建出示踪粒子场。

进一步地，步骤1所述对相机阵列6进行标定，标定方法基于小孔模型，公式表示如下：

其中，x,y为图像坐标系上的像素坐标，(x,y,z)为世界坐标系上的特征点的坐标，根据特征点在图像上和世界坐标系上的对应关系，求得相机外部参数a、b、c、d、e、f、g、h、p、q、r、s。

进一步地，步骤5所述运用基于移动窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点，具体如下：

在重聚焦图像序列上，选择一个诊断窗口，诊断窗口的长和宽分别为10个离散网格大小，窗口深度贯穿所有的重聚焦图像，计算重聚焦图像序列上诊断窗口部分的tenengrad函数，作为判断该诊断窗口区域有没有示踪粒子的标准t(k)，具体公式为：

其中，g是诊断窗口区域部分的sobel算子梯度，x、y分别表示图像坐标系中x轴、y轴方向，k表示第k个窗口；

通过计算诊断窗口中的所有平面上的t值，建立一个t值函数图，该图形中极大值位置处就是存在示踪粒子的区域，提取出该区域的深度信息和相应层面上诊断窗口里面的灰度值数据；在选择诊断窗口时，相邻两个诊断窗口挨着，依次遍历完所有的离散网格点；提取到的诊断窗口数据根据分层，依次按照提取之前的位置信息排列，最后便得出在重聚焦图像序列所在平面上聚焦的粒子图，以及相应的粒子位置和大小，根据重聚焦图像序列中的图像坐标系与世界坐标系的坐标变换，得到三维示踪粒子场。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

该系统操作包括一下步骤：

1)、在待测试流场前放置相机，相机位置呈弧形排列，三个一组，共4组，12个相机，调节相机角度，使待测试场均在相机视场中心位置，且相机轴心相交于一点。所有的相机靠触发板触发同时拍照，并将图像存储到电脑中；

2)、运用一个平面标定板，上面有169个圆形特征点，特征点直径为1mm，特征点间距为1cm，使用精密电控平移台，每次移动标定板1毫米，使平面标定板在整个测试场中进行标定，如图2中，8是有169个标定点的平面标定板，9是精密电控平移台，7为控制电脑。标定方法基于小孔模型，用以下公式表示：

其中，(x,y)为图像坐标系上的像素坐标，(x,y,z)为世界坐标系上的特征点的坐标。根据特征点在图像上和世界坐标系上的对应关系，可以求得各个相机的外参a、b、c、d、e、f、g、h、p、q、r、s。12个相机共得出12个上述方程；

3)、对激光器出来的点光源进行扩束，将激光扩束成三维柱状立体光，再运用刀口将柱状立体光截成截面为矩形的光，将该束光照到布满示踪粒子的待测试流场中，如图3，其中，1为激光器，2为激光器发出的线光，3为激光扩束系统，4为扩束准直后的三维立体激光，31为将线光扩成片光的元件鲍威尔棱镜，32为扩束后的片光，33为凸透镜，将二维片光扩成三维的柱状激光，34为柱状激光，35为刀口，将柱状激光整形成三维立体激光；

4)、用电脑控制触发板和相机阵列，对待测流场进行连续多次成像，得到多幅不同时刻图像序列；

5)、对图像序列进行基于集成成像的重聚焦。该过程参考图4。图4为12相机模型下的集成成像重聚焦过程，原理为：

i.在世界坐标系上，在不同深度不同平面l1(图4中的1)和l2(图4中的2)上分别有示踪粒子点a和b，运用十二个相机cam1、cam2、cam3、cam4、cam5、cam6、cam7、…，cam12对l1和l2上的示踪粒子成像，此时的a和b都在相机的景深区域内。在平面l1上的示踪粒子a在相机cam1上所成的像为a1，在相机cam2上所成的像为a2，在相机cam3上所成的像为a3，…，在相机cam12上所成的像为a12；平面l2上的示踪粒子b在相机cam1上所成的像为b1，在相机cam2上所成的像为b2，…，在相机cam12上所成的像为b12。图4中，3为相机cam1所成的像，4为相机cam2所成的像，9为相机cam12所成的像，5代表相机cam1,6代表相机cam2,7代表相机cam3，8代表相机cam12；

ii.根据标定得出的图像坐标系和世界坐标系对应公式(1.1)，在世界坐标系上选择一个参考平面，假设为l1，该参考平面上的深度方向z值为已知，然后依次将cam1、cam2，…，至cam12的图像根据标定公式反投影到l1平面。其中，cam1上，将点a1代入公式(1.1)，得：

其中，(xa1,ya1)为a1点的图像坐标，m、n、o为常数，则可以求出a1点在平面l1上对应的世界坐标(xa，ya)。采用同样的方法，得到cam1上b1点在平面l1上对应的世界坐标。同理，得到其他11个相机中的像点在平面l1上对应的世界坐标；

iii.将12个相机的重投影图按照对应位置对相应点灰度进行相加，产生重聚焦图像，如图5，通过图可以看出，12幅图在a点处互相叠加，而b点没有形成叠加，由此可以看出，在l1平面上聚焦的示踪粒子灰度得到了数倍的增强，而不在l1平面上聚焦的示踪粒子灰度没有增强。基于该原理，被其他示踪粒子遮挡住的粒子也不受影响，仍能够通过该方法重建出来；

iv.变换深度方向的z值，设定其他平面l2、l3、l4，…，整个待测试场区域的重聚焦图像序列便可得出；

v.将所有重聚焦图像进行离散化，假设只有两个重聚焦图，分别为l1，l2，把重聚焦图像上的信息存储到离散网格中，网格大小设置为相机像元大小δp乘以10，如图6所示；

vi.运用基于移动诊断窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点。参考图7，具体过程为：在重聚焦图像序列上，选择一个诊断窗口，窗口的长和宽分别为10个小网格大小，诊断窗口深度贯穿所有的重聚焦图像序列，即覆盖l1平面和l2平面上的重聚焦图像，计算l1、l2图像层上的诊断窗口部分的tenengrad函数，作为判断该诊断窗口区域有没有示踪粒子的标准，具体公式为：

其中，g是诊断窗口内的sobel算子梯度，k表示第k个诊断窗口。通过计算诊断窗口中的所有平面上的t值，可以建立一个t值函数图，如图8，该图形中，极大值位置处就是存在示踪粒子的区域，提取出该区域的深度信息和相应层面上诊断窗口里面的灰度数据。在选择诊断窗口时，相邻两个窗口紧挨着，依次遍历完所有的重聚焦图像序列上的所有离散网格。计算出来的t值(即公式中的t(k))，依次按照提取之前的位置信息排列，最后便得出在重聚焦平面网格点上聚焦的粒子图，相应的粒子位置和大小也可以提取出来。最后可以得到三维示踪粒子场。

6)、对待测流场中示踪粒子进行相邻时刻多次拍照，得到多组图多。对两组图像分别进行上述5)中操作，即可得出相邻多个时刻的重建示踪粒子场，利用三维互相关，对重建出的粒子场进行互相关操作，即可得到在该时刻内流场中示踪粒子的运动情况，进而可以推算出该时刻流场的三维结构。连续对流场内示踪粒子成像，可得到流场随时间变化关系，即可获得3d-3c流场结构。

本发明基于集成成像技术，能够测量高浓度示踪粒子下的流场，还能够重建被前面粒子遮挡的示踪粒子，从而提高了流场重建精度，还能够测量深度方向尺寸较大的涡流、多涡系干扰等流场；能够有效去除示踪粒子细长型化，在高浓度示踪粒子环境中对示踪粒子进行精确地三维重建，有效减少幽灵粒子的影响，提高粒子重建精度，同时还能重建出流场的细节部分，增大了空间分辨率，此外它的可视深度更大可达5至10厘米，能够完整地重建出三维多涡系干扰流；在示踪粒子重建过程中，能够避免细长型畸形示踪粒子的出现，具有精度高，运算速度快，不需要进行复杂的迭代，可以高度还原流场的细节部分。