一种基于剖面凸轮廓识别及ART算法的燃烧火焰CTC层析成像方法与流程

本发明涉及一种燃烧火焰层析成像方法，尤其涉及一种基于剖面凸轮廓识别及art算法的燃烧火焰ctc层析成像方法。

背景技术：

近年来化学自发光层析成像技术(ctc)逐渐发展起来并应用于燃烧火焰的可视化检测。ctc技术利用燃烧过程中产生的化学发光，基于辐射传递模型和计算机断层扫描技术经过重建得到燃烧火焰三维分布信息，实现对燃烧过程的三维可视化诊断，为燃料燃烧机理研究提供有效手段。基于ctc技术对燃烧火焰进行三维重建（层析成像）由于算法自身原因，火焰剖面重建易出现“星形拖影”，即剖面上焰体外部区域出现几何亮度拖影，与实际情况不符；检测系统成像角度越少、火焰越微弱拖影造成的干扰越严重；而实际系统由于受空间限制无法实现密集角度成像，因此由于拖影干扰对基于ctc检测原理的燃烧过程可视化诊断精度造成了显著影响。

技术实现要素：

本发明针对ctc化学自发光层析成像技术中存在的“亮度拖影”干扰问题，公开基于剖面凸轮廓识别及art算法的燃烧火焰ctc层析成像方法；基于该方法可对燃烧火焰剖面进行精确重建，提高火焰三维可视化诊断水平；具体方法步骤如下：

步骤一、燃烧火焰多角度同步成像与预处理

搭建多角度同步成像检测系统采集系统，如图1所示，由系统记录同一时刻燃烧火焰在不同成像角度下的数字图像；每个角度成像由一个成像光路实现，如图2所示，不同成像光路主光轴交于同一点o，各成像光路像平面主轴线重合；

设火焰数字图像分辨率(像素元个数)为m×n，则m为图像(像元)矩阵行数，n为图像矩阵列数；因此火焰在不同成像角度下的数字图像由m个像元行向量{p1，p2，p3，···，pm}构成。将系统采集得到的各角度火焰数字图像二值化，以区分图像火焰区与背景区；并根据二值化结果，将各角度火焰数字图像原像中对应背景区的像素元赋值为零，以减少杂散光干扰。二值化的火焰图像所包含像元行向量记为；

步骤二、火焰剖面凸轮廓识别

如图3所示，垂直于火焰成像主轴线取火焰剖面12，由剖面在火焰主轴线上的相对位置，从各角度火焰二值化图像提取行向量11，行向量11在不同角度火焰图像中均指同一行像元向量，由火焰数字图像分辨率为m×n知，所提取各行向量包含n个像元；故所提取向量可表示为：（1≤i≤r,1≤m≤m），其中i代表成像角度编号，r为系统成像角度总数量，m为行序；同样地，从各角度火焰图像（原图非二值化）提取同一行向量pim（1≤i≤r,1≤m≤m）；

为每个成像角度定义旋转矩阵ti（1≤i≤r）并赋初值为零，矩阵规模为m×n（m行n列）；

依次读取向量各元素值（1≤i≤n），若pim(j)=1，将该成像角度旋转矩阵ti第j列元素重新赋值为1，其他元素值不变。按照该方法完成对t1~tr的重新赋值，由重新赋值后的旋转矩阵t1~tr相乘得，则t′即为火焰剖面二值化凸轮廓图像。内部元素值为1的连通区域代表火焰剖面焰体“明亮”区域，元素值为0的部分代表剖面背景区域，“明亮”区域即为火焰剖面凸轮廓；

步骤三、基于火焰剖面凸轮廓识别的剖面重建

火焰剖面重建采用art算法结合剖面凸轮廓的识别完成；重建过程为循环迭代运算，具体迭代运算流程如下：

定义n×n矩阵r并赋初值为零，由初值矩阵r表示火焰剖面重建图像像元矩阵;依据燃烧火焰在不同角度的成像对初值矩阵r进行“反投影”矫正得到一次矫正矩阵r1,并基于步骤二中对火焰剖面凸轮廓的识别对r1进行进一步修正:，至此完成第一次迭代运算，并将作为下次迭代运算的初值矩阵；启动循环迭代运算，由最后一次迭代得到n次修正矩阵，基于矩阵还原得到火焰剖面图像。

附图说明

图1为根据本发明内容提供的多角度同步成像检测系统；

图2为根据本发明内容提供的多角度同步成像检测系统中成像光路像平面及主光轴几何关系的说明；

图3为根据本发明内容提供的火焰剖面与火焰图像行向量间的映射关系示意图；

图4为根据本发明实施实例提供的具有三个成像光路的多角度同步成像检测系统；

图5为根据本发明实施实例提供的本生灯层流火焰三个成像角度的数字图像；

图6为根据本发明实施实例提供的本生灯层流火焰三个成像角度的二值化图像；

图7为根据本发明实施实例提供的，用于火焰剖面凸轮廓识别的旋转矩阵的构造以及所得火焰剖面凸轮廓；

图8为根据本发明实施实例提供的，中采用基于本发明方法，利用三个成像角度对火焰根部剖面的重建，以及采用传统ctc检测方法对火焰根部剖面的重建对比；

附图标记：

11—火焰图像行向量；12—火焰剖面；

61—图像背景区；62—图像火焰区；63—火焰根部初燃区；

71—0°旋转矩阵；72—120°旋转矩阵；73—240°旋转矩阵；74—火焰剖面图轮廓；

81—采用本发明方法重建所得火焰根部剖面；82—采用传统ctc检测方法重建所得火焰根部剖面。

具体实施方式

现以本生灯燃烧器产生的层流火焰剖面重建为例，结合附图对本发明所公开的一种基于剖面凸轮廓识别及art算法的燃烧火焰ctc层析成像方法具体实施过程做进一步说明；

图4为本实施实例搭建的具有三个成像光路的多角度同步成像检测系统，分别从0°、120°、240°三个成像角度同步获取燃烧火焰数字图像，如图5所示；系统利用同步盒发出的脉冲信号作为外部信号源触发三个成像光路中的ccd同步工作，触发信号以脉冲上升沿有效；

将各角度火焰图像二值化处理，如图6所示，通过二值化可区分各角度火焰图像中的着火区和背景区，黑色部分61为背景区，白色部分62为着火区；选取火焰根部剖面63进行重建。根据发明内容步骤二，基于火焰在三个成像角度的二值化图像提取向量并构造旋转矩阵，并基于旋转矩阵得到火焰剖面凸轮廓，如图7所示；图中71、72、73分别为基于本实施实例中0°、120°、240°三个成像角度构造的旋转矩阵，74为基于旋转矩阵得到的火焰根部剖面凸轮廓；

根据发明内容步骤三，基于火焰剖面凸轮廓，采用art算法对火焰根部初燃区剖面进行重建，迭代次数设置为100；图8中81为采用本发明方法重建所得火焰根部剖面，重建结果具有环带亮度分布的特点，符合层流火焰初燃区理论结构，即火焰初燃区外部与空气接触部分为燃烧带，内部不与空气直接接触部分为未燃区，整体呈现环状亮度分布特点。尽管火焰根部亮度较微弱，在仅有三个成像角度的前提下采用本发明方法仍基本重建出火焰根部剖面的真实样貌；为增加对比，82给出未采用本发明方法，而采用传统ctc检测方法对火焰根部剖面的重建结果，可看出采用传统ctc检测方法对火焰根部剖面的重建具有较显著的“拖影”干扰，重建效果较差。