CN102798512A - 一种采用单镜头的三维流场图像测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用单镜头的三维流场图像测量装置及方法，特点是，采用偏振光源照明待测流场；通过分光棱镜将相机镜头进来的光线分为两路，并分别用偏振片进行检偏，采用两个CCD或CMOS图像传感器分别成像；由这两幅图片中相应示踪粒子的相对灰度可判断示踪粒子是位于对焦平面前还是对焦平面后，根据单幅图片中示踪粒子离焦量的大小计算示踪粒子位置与对焦平面的距离，从而唯一确定示踪粒子的三维位置；结合运动模糊参数进一步获得示踪粒子的三维运动速度，即获得了三维流场的信息；本发明的有益效果是仅用一个相机镜头就可以实现瞬态流场的三维测量，简化了测量系统和数据处理过程、降低了系统成本。

Description

一种采用单镜头的三维流场图像测量装置及方法

 技术领域

本发明涉及一种三维流场的图像测量装置方法，特别涉及一种基于模糊图像处理、采用单镜头获取三维流场信息的装置及方法。

背景技术

近年来随着数字相机和计算机技术的发展，采用数字相机拍摄示踪粒子以获取流场信息的流场测量仪已得到广泛应用。对于三维流场信息的获取，通常采用两套或多套拍摄系统，从两个或多个视角进行成像。两套或多套拍摄系统之间存在着同步的问题，调整十分困难，数据处理复杂；并且为拍摄出清晰的粒子瞬态图像或干涉图像，通常要求曝光时间极短，需要配置高速摄影仪和高能量脉冲激光光源等，系统成本高昂。 

发明内容

本发明的目的是要发展一种基于模糊图像处理、使用单镜头测量三维流场的装置和方法，具有装置简单、操作简便、成本低廉的优点。 

本发明的基本原理：在目前常用的图像法流场测量过程中，一方面，为了避免因为示踪粒子运动导致图像质量下降，都要求曝光时间极短；但从另一角度来看，如果适当延长曝光时间，在此时间内示踪粒子的运动会形成模糊的运动轨迹图像，该模糊轨迹图像则包含了示踪粒子的运动信息，即速度场信息。另一方面，为防止离焦模糊对测量结果造成干扰，常规测量方法都采用很薄的激光片光源对景深范围内区域进行照明，使得被照明的示踪粒子都能在相机的焦面上清晰成像；但从另一角度来看，图像的离焦现象实际上包含了示踪粒子与对焦平面间距离的信息，进一步对示踪粒子位于对焦平面前或后进行判定，结合二维图像的平面坐标，则可获得示踪粒子准确的三维位置信息。综合上述两点即可获得准确的三维流场信息。 

基于上述的发明原理，本发明的技术方案是：一种采用单镜头的三维流场图像测量装置，其特点是，装置由偏振光源、镜头、分光棱镜、第一偏振片、第二偏振片、第一图像传感器、第二图像传感器和计算机组成，所述的偏振光源置于待测流场上或通过视窗照明待测流场，所述分光棱镜置于镜头后，所述分光棱镜的入射面A与镜头相对，分光棱镜出射面B和出射面C的一侧分别等光程距离设置的第一图像传感器和第二图像传感器，所述的第一偏振片、第二偏振片分别设置在分光棱镜第二出射面C与第一图像传感器的中间、分光棱镜的第一出射面B和第二图像传感器的中间。分光棱镜可以是半透半反棱镜、五角分光棱镜或其它形式的分光棱镜。 

所述的第一偏振片和第二偏振片可以镀膜方式镀膜在分光棱镜第一出射面B和第二出射面C的2个表面构成一个整体，或分光棱镜、第一偏振片和第二偏振片由一个偏振分光棱镜代替。 

所述的分光棱镜可以由1个半透半反平面分光镜代替。 

所述的镜头为远心镜头或非远心镜头，所述第一图像传感器、第二图像传感器选用CCD或CMOS器件。 

一种采用上述单镜头的三维流场图像测量装置的三维流场图像测量方法，其特点是，测量方法步骤为： 

1.      测量前首先对测量装置采用透明标定物进行标定，获得像元（像素）代表的实际尺寸；

2.      采用偏振光源照明待测流场，调节偏振光源的位置和强度大小，并调整偏振角度，使背景光均匀；

3.      分光棱镜置于镜头后，分光棱镜将所接收到的光源分为两路，对两路光线采用偏振角度相互垂直的第一偏振片和第二偏振片进行检偏后，分别采用CCD或CMOS的第一图像传感器和第二图像传感器成像，由于两个图像传感器与镜头间的光程距离相同，即保证拍摄到的视场完全相同；

4.      调节相机曝光时间，减少图像传感器成像中示踪粒子轨迹重合和粘连的情况，并对待测流场区域中的示踪粒子进行拍摄，将获取的图像输入计算机；

    5. 在计算机上对所采集图像首先进行去噪处理，其次通过影像模糊边缘尺             度梯度变化判断图像的离焦量，考虑到不同偏振方向对应的两幅图片视             场完全相同，由这两幅图片中相应示踪粒子的相对灰度可判断示踪粒子            是位于对焦平面前还是对焦平面后，从而建立模糊尺度δ与离焦量ΔW         的对应关系，如公式1所示，

     （1）

     式中，R’为离焦颗粒的模糊影像半径，ΔW为实际物面偏离对焦平面的距离，由相机参数获得的W为准确对焦时的物距，δ为离焦颗粒的模     糊图像半径R’与模糊图像径向2个边缘梯度最大幅值计算得到的粒子半径之差；模糊图像梯度幅值可从下式计算得到：

          （2）

式中f(x,y)是示踪粒子图像像素的坐标函数；

由于不同偏振方向对应的两幅图片视场完全相同，通过这两幅图片中相应示踪粒子的相对灰度可判断示踪粒子是位于对焦平面前还是对焦平面后，由此可唯一确定示踪粒子的三维位置；在曝光时间内，当颗粒沿垂直于相机平面方向有位移时，可由上述方法判断沿运动方向的离焦量变化，结合成像平面上颗粒运动模糊轨迹长度，获得颗粒三维运动方向和实际运动轨迹长度L，已知相机曝光时间t，通过下式可获得示踪粒子的三维运动速度V：

       （3）

由此即通过模糊图像的处理获得了三维流场信息。

   本发明的有益效果是仅用一个镜头就可以实现流场的三维测量，而不是两个或多个相机从不同角度拍摄待测流场的示踪粒子，或一台相机快速移动以拍摄待测流场的示踪粒子，不仅避免了两套或多套系统同步的问题，并且简化了测量系统和数据处理过程、降低了系统成本。 

附图说明

图1为本发明实施例1示意图； 

图2为本发明实施例2示意图；

图3为本发明实施例3示意图。

图4为本发明实施例4示意图； 

图5为本发明实施例5示意图。

 具体实施方式

一种采用单镜头的三维流场图像测量装置实施例1，如图1所示，其特点是，装置由偏振光源1、镜头2、分光棱镜3、第一偏振片4、第二偏振片5、第一图像传感器6、第二图像传感器7和计算机8组成，所述的偏振光源1置于待测流场上通过视窗照明流场，所述分光棱镜3置于镜头2后，所述分光棱镜3的入射面A与镜头2相对，分光棱镜3第一出射面B和第二出射面C的一侧分别等光程距离设置的第二图像传感器6和第一图像传感器7，所述的第一偏振片4、第二偏振片5分别设置在分光棱镜3第二出射面C与第一图像传感器6的中间、分光棱镜3的第一出射面B和第二图像传感器7的中间。

一种采用上述单镜头的三维流场图像测量装置的三维流场图像测量方法的步骤为： 

1．  测量前首先对测量装置进行标定；以透明标定物如微标尺作为测量对象，获取测量焦距下图像传感器6和7单位像素所代表的实际尺寸；

2．  采用偏振光源1照明待测流场，调节偏振光源1的位置和强度大小，并调整偏振角度，使背景光均匀；

3．分光棱镜3置于镜头2后，分光棱镜3将所接收到的光源分为两路，对两路光线采用偏振角度相互垂直的第一偏振片4和第二偏振片5进行检偏后，分别采用CCD或CMOS的第一图像传感器6和第二图像传感器7成像，由于两个图像传感器与镜头2的光程距离相同，即保证拍摄到的视场完全相同；

4．调节相机曝光时间，减少图像传感器成像中示踪粒子轨迹重合和粘连的情况，并对待测流场区域中的示踪粒子进行拍摄，将获取的图像输入计算机；

5．在计算机8上，对所采集图像首先进行去噪处理，其次通过影像模糊边缘尺度梯度变化判断图像的离焦量，考虑到不同偏振方向对应的两幅图片视场完全相同，由这两幅图片中相应示踪粒子的相对灰度可判断示踪粒子是位于对焦平面前还是对焦平面后，从而建立模糊尺度δ与离焦量ΔW的对应关系，如公式1所示，

           

     （1）

式中，R’为离焦颗粒的模糊影像半径，ΔW为实际物面偏离对焦平面的距离，由相机参数获得的W为准确对焦时的物距，δ为离焦颗粒的模糊图像半径R’与模糊图像径向2个边缘梯度最大幅值计算得到的粒子半径之差；

模糊图像梯度幅值可从下式计算得到：

          （2）

式中f(x,y)是示踪粒子图像像素的坐标函数；

由于不同偏振方向对应的两幅图片视场完全相同，通过这两幅图片中相应示踪粒子的相对灰度可判断示踪粒子是位于对焦平面前还是对焦平面后，由此可唯一确定示踪粒子的三维位置；在曝光时间内，当颗粒沿垂直于相机平面方向有位移时，可由上述方法判断沿运动方向的离焦量变化，结合成像平面上颗粒运动模糊轨迹长度，获得颗粒三维运动方向和实际运动轨迹长度L，已知相机曝光时间t，通过下式可获得示踪粒子的三维运动速度V：

       （3）

由此即通过模糊图像的处理获得了三维流场信息。

实施例2： 

如将实施例1中的第一偏振片4和第二偏振片5以镀膜方式镀在分光棱镜第二出射面C和第一出射面B的2个表面，如图2所示，即将实施例1中的分光棱镜3、第一偏振片4和第二偏振片5构成一整体，测量步骤与实施例1操作过程相同。

实施例3： 

如图3所示，也可将实施例1中的分光棱镜3、第一偏振片4和第二偏振片5用偏振分光棱镜9代替，第一图像传感器6和第二图像传感器7则以等光程距离分别置于偏振分光棱镜9的两个出射面一侧，测量步骤与实施例1操作过程相同。

实施例4： 

如图4 所示，也可将实施例1中的分光棱镜3用平面分光镜10代替，此平面分光镜10是在光学平片上镀分光膜构成。

实施例5： 

如图5所示，镜头2采用远心镜头11，在远心镜头的景深范围内，物体影像尺寸不随位置的变化而变化，这样可以获得示踪粒子或其它颗粒的尺寸大小。测量步骤亦与实施例1操作过程相同。

上述的五实施例中第一图像传感器、第二图像传感器均选用CCD或CMOS器件。上述的1、2、3、4实施例中，镜头2为非远心镜头，实施例5中镜头2采用远心镜头，将镜头编号2修改为11。 

Claims (5)

1.一种采用单镜头的三维流场图像测量装置，其特征在于，装置由偏振光源（1）、镜头（2）、分光棱镜（3）、第一偏振片（4）、第二偏振片（5）、第一图像传感器（6）、第二图像传感器（7）和计算机（8）组成，所述的偏振光源（1）置于待测流场上，所述分光棱镜（3）置于镜头（2）后，所述分光棱镜（3）的入射面A与镜头（2）相对，分光棱镜（3）第二出射面C和第一出射面B的一侧分别等光程距离设置第一图像传感器（6）和第二图像传感器（7），所述的第一偏振片（4）、第二偏振片（5）分别设置在分光棱镜（3）第二出射面C与第一图像传感器（6）的中间和分光棱镜（3）的第一出射面B和第二图像传感器（7）的中间。

2.根据权利要求1所述的一种采用单镜头的三维流场图像测量装置，其特征在于，所述的第一偏振片（4）和第二偏振片（5）可以镀膜方式镀膜在分光棱镜（3）的第一出射面B和第二出射面C的两个表面构成一个整体，或所述的分光棱镜（3）、第一偏振片（4）和第二偏振片（5）由偏振分光棱镜（9）替代。

3.根据权利要求1所述的一种采用单镜头的三维流场图像测量装置，其特征在于，所述的分光棱镜（3）由平面分光镜（10）替代。

4.根据权利要求1所述的一种采用单镜头的三维流场图像测量装置，其特征在于，所述的镜头为远心镜头或非远心镜头，所述第一图像传感器（6）、第二图像传感器（7）选用CCD或CMOS器件。

5.一种采用权利要求1、2、3所述的单镜头三维流场图像测量装置的三维流场图像测量方法，其特征在于，测量方法步骤为：

     1) 测量前首先对测量装置进行标定，采用透明标定物，获得像元代表的实        际尺寸；

     2) 采用偏振光源（1）照明待测流场，调节偏振光源（1）的位置和强

     度大小，并调整偏振角度，使背景光均匀；

3) 分光棱镜（3）置于镜头（2）后，分光棱镜（3）将所接收到的光源分为两路，对两路光线采用偏振角度相互垂直的第一偏振片（4）和第二偏振片（5）进行检偏后，分别采用CCD或CMOS的第一图像传感器（6）和第二图像传感器（7）成像，由于两个图像传感器与镜头（2）的光程距离相同，即保证拍摄到的视场完全相同；

4) 调节相机曝光时间，减少图像传感器成像中示踪粒子轨迹重合和粘连的     情况，对待测流场区域中的示踪粒子进行拍摄，将获取的图像输入计算机（8）；

5) 在计算机（8）上对所采集图像首先进行去噪处理，其次通过影像模糊边缘尺度梯度变化判断图像的离焦量，考虑到不同偏振方向对应的两幅图片视场完全相同，由这两幅图片中相应示踪粒子的相对灰度可判断示踪粒子是位于对焦平面前还是对焦平面后，从而建立模糊尺度δ与离焦量ΔW的对应关系，如公式1所示，

     （1）

式中，R’为离焦颗粒的模糊影像半径，ΔW为实际物面偏离对焦平面的距离，由相机参数获得的W为准确对焦时的物距，δ为离焦颗粒的模糊图像半径R’与模糊图像径向2个边缘梯度最大幅值计算得到的粒子半径之差；

模糊图像梯度幅值可从下式计算得到：

          （2）

式中f(x,y)是示踪粒子图像像素的坐标函数；

由于不同偏振方向对应的两幅图片视场完全相同，通过这两幅图片中相应示踪粒子的相对灰度可判断示踪粒子是位于对焦平面前还是对焦平面后，由此可唯一确定示踪粒子的三维位置；在曝光时间内，当颗粒沿垂直于相机平面方向有位移时，可由上述方法判断沿运动方向的离焦量变化，结合成像平面上颗粒运动模糊轨迹长度，获得颗粒三维运动方向和实际运动轨迹长度L，已知相机曝光时间t，通过下式可获得示踪粒子的三维运动速度V：

      （3）

由此即通过模糊图像的处理获得了三维流场信息。

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