一种基于物理参数一致性的火焰温度场重建方法
【专利摘要】一种基于物理参数一致性的火焰温度场重建方法，它包括以下步骤：a.从多个视角同步拍摄燃烧火焰的图像序列，利用可视外壳技术将火焰体素化；b.标定相机的响应曲线；c.初始化火焰折射率场，并根据火焰的成像模型计算火焰的初始辐射力场；d.迭代计算辐射力场与折射率场，直到辐射力场与折射率场在数值上满足物理一致性；e.根据辐射力与温度之间的查找表计算最终的火焰温度场。本发明基于火焰辐射力场与折射率场两个物理参数一致性的事实，提出了一种迭代计算火焰温度场的算法，该方法充分考虑了火焰折射率场的分布不均匀对光线的折射作用，大大提高了温度场重建的精度。本方法可以用于工业测量、火电厂监控以及虚拟现实等领域。
【专利说明】一种基于物理参数一致性的火焰温度场重建方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据辐射力场与折射率场的物理一致性对火焰的温度场进行精确重建的方法，属测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]火是一种常见的自然现象，是伴随有发光放热的剧烈化学反应过程，也是化学能转化为热能的最主要方式，火焰是火的外在表象。我国以燃煤为主的能源结构中，煤炭能源占全部能源的70%左右。因此，在火电生产中进行燃烧优化控制，提高能源利用率具有重要意义。温度是火焰最主要的物理特征之一，其空间分布与变化规律直接反应了火焰的状态，因此能否得到火焰的精确温度场是火电厂燃烧优化控制的关键。
[0003]由于火焰具有物理机制复杂、表现形态丰富、运动变化随机、没有光滑的表面等特点，使火焰温度场的精确重建成为极具挑战性的研究方向之一。
[0004]已有文献中报告的温度场的重建方法可以分为两大类，即侵入式方法与非侵入式方法。早期的火焰温度场获取方法主要是简单的侵入式测温方法，如热电偶测温与热电阻测温等方法。这些方法虽然简单，但一次测量只能得到火焰单点位置温度，而不是整个火焰的温度分布信息，且测温时需要与火焰接触，干扰了火焰的运动。非侵入式方法又可细分为主动式方法与被动式方法。主动式方法是从被测物一端发射已知强度的信号，从被测物另一端接收该信号，通过信号的衰减计算被测物的温度场。这类方法包括全息干涉法、声波测温法等。由于这类方法往往依赖昂贵的设备，对作业环境要求苛刻，应用范围也受到了限制。被动式方法是通过检测被测物辐射的信号计算被测物温度场。代表性的方法是辐射测温法，它建立在辐射理论基础上。近年来，随着光电技术和计算机图像处理技术的发展，越来越多的学者将数字图像处理技术与热辐射理论结合，借助层析重建技术重建燃烧火焰的温度分布。由于这类方法理论基础扎实，便于实施，而且重建的温度场精度较高，成为重建温度场的主流方法。
[0005]数字图像处理技术与热辐射理论相结合的方法存在明显的不足:(I)忽略火焰对光线的折射作用。传统的方法认为光线在火焰中沿直线传播，而由于火焰燃烧产物密度分布不均匀，使火焰的折射率场不均一，这导致光线在火焰中传播时会发生折射现象，这种现象有些时候会很明显。因此忽略火焰的折射作用计算温度场，温度场的精度得不到保障；(2)没有考虑过曝光或曝光不足对火焰图像造成的信息丢失。由于一般工业相机的动态范围小于火焰发光的动态范围，因此得到的火焰图像不可避免地产生过曝光或曝光不足现象。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于物理参数一致性的火焰温度场重建方法，以解决传统火焰温度场计算模型因不能描述火焰对光的折射作用而无法保证温度场精度的问题。[0007]本发明所述问题是以下述技术方案实现的:
一种基于物理参数一致性的火焰温度场重建方法，所述方法包括以下步骤:
a.从多个视角同步拍摄燃烧火焰的图像序列，利用可视外壳技术将火焰体素化
将多个相机固定在支架上，采用硬触发技术从多个视角同步拍摄火焰的图像序列，对于同一时刻的多个视角的火焰图像进行二值化，提取火焰边缘，利用可视外壳技术重建火焰的可视外壳，并将可视外壳包围的火焰体分割为大小相等的体素，利用标定的相机参数，计算每个体素的空间几何位置；
b.标定相机的响应曲线
将相机固定在光线明暗变化丰富的场景，通过设置不同的曝光时间获得多曝光时间的图像序列，提取图像特征点，采用Debevec的方法标定相机的响应曲线；
c.初始化火焰折射率场，并根据火焰的成像模型计算火焰的初始辐射力场；
d.迭代计算辐射力场与折射率场，直到辐射力场与折射率场在数值上满足物理一致性 根据福射力场与折射率场的物理关系重新计算火焰的折射率场:首先根据福射力与温
度之间的查找表，通过辐射力场RW计算温度场τ(χ),再利用下式计算折射率场φ?:
【权利要求】
1.一种基于物理参数一致性的火焰温度场重建方法，其特征是，所述方法包括以下步骤: a.从多个视角同步拍摄燃烧火焰的图像序列，利用可视外壳技术将火焰体素化 将多个相机固定在支架上，采用硬触发技术从多个视角同步拍摄火焰的图像序列，对于同一时刻的多个视角的火焰图像进行二值化，提取火焰边缘，利用可视外壳技术重建火焰的可视外壳，并将可视外壳包围的火焰体分割为大小相等的体素，利用标定的相机参数，计算每个体素的空间几何位置； b.标定相机的响应曲线 将相机固定在光线明暗变化丰富的场景，通过设置不同的曝光时间获得多曝光时间的图像序列，提取图像特征点，采用Debevec的方法标定相机的响应曲线； c.初始化火焰折射率场，并根据火焰的成像模型计算火焰的初始辐射力场； d.迭代计算辐射力场与折射率场，直到辐射力场与折射率场在数值上满足物理一致性 根据福射力场与折射率场的物理关系重新计算火焰的折射率场:首先根据福射力与温度之间的查找表，通过辐射力场计算温度场，再利用下式计算折射率场Φ(勾:
2.根据权利要求1所述基于物理参数一致性的火焰温度场重建方法，其特征是，火焰折射率场的初始化及火焰初始辐射力场的计算方法是: 将火焰的折射率场初始化为各个体素内折射率均为1，火焰的成像模型定义为:E(p) = fa (X) R (X) τ (x)dx + Eig{p) 其中E(P)为像素接收的火焰辐射能，由相机的响应曲线获得，c为像素P对应的光线走过的曲线，为曲线e上的点X相对于像素P的立体角，R(X)表示火焰的辐射力场，τ(χ)表示光线在火焰中穿行时的穿透率，Etg(P)表示环境光对像素的辐射贡献；假设成像模型中环境光的贡献馬e(P)为0，同时假设光线在火焰中的穿透率τ(Χ)仅与光线的路径有关，即?)与光线路径长度的负指数成正比，比例系数为消光截面τ则辐射力场R(x)由下式求得
3.根据权利要求1或2所述基于物理参数一致性的火焰温度场重建方法，其特征是，所述火焰辐射力与温度之间的查找表，是相机响应波段的辐射力与温度之间的查找表，相机响应波段的黑体辐射力与温度之间的函数关系定义为:
4.根据权利要求3所述基于物理参数一致性的火焰温度场重建方法，其特征是，用于表示辐射力场的基函数天可以是Box函数或高斯函数。
5.根据权利要求4所述基于物理参数一致性的火焰温度场重建方法，其特征是，为了保证重建的温度场精度，拍摄燃烧火焰的图像序列时应选择动高动态范围的相机。
【文档编号】G06T17/00GK103810698SQ201310619708
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】王旭光, 苏杰, 程海燕 申请人:华北电力大学（保定）