CN105608738A - 一种基于光场相机的火焰三维光度场重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光场相机的火焰三维光度场重建方法，属于燃烧科学技术领域。本发明的技术方案为：(1)标定光场相机的点扩散函数；(2)多角度同步触发拍摄多视角的火焰图像；(3)通过火焰微像数字重聚焦，得到同一时刻不同聚焦面上的火焰图像，并将火焰体素化；(4)计算火焰不同截面的二维光度场；(5)插值得到火焰的三维光度场。本发明具有如下特点：与传统的基于计算机断层技术的计算方法相比，该方法计算复杂度低，计算得到的火焰光度场精度高，可以实时计算火焰的三维光度场。本发明的火焰光度场重建方法可以用于工业测量、火电厂监控以及虚拟现实等领域。

Description

一种基于光场相机的火焰三维光度场重建方法

技术领域

本发明涉及一种基于光场相机的火焰三维光度场重建方法，属于燃烧科学技术领域。

背景技术

随着计算机技术的发展和影视技术的进步，人们对影视场景的视觉效果要求越来越高。基于安全和成本的考虑，一些特效场景往往通过计算机技术合成，如爆炸场面、火灾场面等，这些都要求火焰模拟效果具有很强的真实感；在工业和教育领域，对燃烧火焰仿真效果逼真程度的要求也在不断提高。火焰的物理参数，如光度、温度、密度等对有很强真实感要求的火焰模拟具有特殊的应用价值，这是因为基于物理参数场的火焰模拟能表现出燃烧火焰在真实环境中整体规律性强而局部复杂无序的行为。

火焰具有物理机制复杂、表现形态丰富、运动变化随机等特点，经典的欧氏几何对其描述显得很无力，也使照片级效果的火焰模拟成为极具挑战性的研究方向之一。

目前，火焰物理参数的重建方法可以分为两大类，即接触式方法与非接触式方法。早期的火焰物理参数获取方法主要是简单的接触式方法，如热电偶测温与热电阻测温等方法。这些方法一次测量只能得到火焰单点位置参数值，而且需要与火焰接触，干扰了火焰的运动。非接触式方法又可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参数场。这类方法包括全息干涉法、声波法等。由于这类方法依赖昂贵的设备，对作业环境要求苛刻，应用范围比较小。被动式方法是通过检测被测物辐射的信号计算被测物参数场。代表性的方法是辐射法，它建立在辐射理论基础上。近年来，随着计算机计算能力的飞速发展，计算机断层技术应用范围更加广泛，越来越多的学者将计算机断层技术与热辐射理论相结合来计算火焰物理参数，基于计算机断层技术的火焰物理参数计算方法称为主流。

基于计算机断层技术的火焰物理参数计算方法存在明显的不足，即需要求解大规模超定方程组，计算复杂度高。由于计算火焰物理参数场的原始数据不可避免的存在噪声，为了获得精确的解，需要把用于约束火焰物理参数场的方程组的求解转化为凸问题求解，这导致求解的计算复杂度非常高，因此对于一定规模的火焰物理参数计算问题，难以实现实时计算。

基于光学分层层析成像原理的火焰物理参数计算方法认为火焰图像是由聚焦面的清晰像与其他截面的离焦像叠加的结果，通过移动相机获取不同聚焦面的火焰图像，该方法拍摄的火焰图像不是同一时刻的火焰图像，因此计算的火焰物理参数场精度不高。中国发明专利“重建炉膛内火焰三维结构的采集装置及采集方法”，申请号为201410199208.0，公开号为104048647A，公开了一种重建炉膛内火焰三维结构的采集装置及采集方法。该方法利用内窥镜系统将炉膛内的待测火焰图像引出至炉膛外，用光场相机接收传像光路上的光像，因此只是一种火焰信息的采集装置，并没有应用光场相机拍摄的火焰图像，基于傅立叶光学理论计算火焰的光度场。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光场相机的火焰三维光度场重建方法，以解决传统火焰光度场计算中计算复杂度过高、难于实时计算的问题和火焰图像数据的精确获取问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于光场相机的火焰三维光度场重建方法，包括以下步骤：

(1)标定光场相机的点扩散函数；

(2)将一台光场相机与多台普通相机固定在支架上，普通相机视角要覆盖火焰的各个视角，标定两种相机的内、外参数。采用同步触发的方式拍摄火焰图像；

(3)对光场相机拍摄的不同成像路径的火焰微像进行数字重对焦，计算得到同一时刻不同聚焦面的火焰图像。利用普通相机拍摄的多视角的火焰图像计算火焰的可视外壳，基于可视外壳将火焰分布空间体素化；

(4)利用步骤(1)中标定的光场相机的点扩散函数与步骤(3)中的计算的同一时刻不同聚焦面的火焰图像，基于傅立叶光学理论计算火焰的不同聚焦面上的真实二维光度场；

(5)根据步骤(4)计算的火焰二维光度场与步骤(3)计算的火焰体素坐标，插值得到火焰体素的光度值，从而得到火焰的三维光度场。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)针对火焰分层层析光度场计算方法中不能获取同一时刻多个对焦面的火焰图像的不足，采用光场相机拍摄火焰，并通过重对焦得到同一时刻的不同对焦面的火焰图像；

(2)针对传统火焰光度场计算方法计算复杂度高的不足，认为相机成像过程为一个线性时不变系统，通过傅立叶光学理论计算火焰的光度场，使火焰光度场的计算复杂度降低。

附图说明

图1为基于光场相机的火焰三维光度场重建方法的流程图；

图2为火焰成像示意图；

图3为光场相机坐标系图；

图4为同一横截面不同时刻火焰光度图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明提出了一种基于光场相机的火焰三维光度场重建方法，该方法认为相机成像过程是一个线性时不变系统，火焰图像是聚焦面的像与多个离焦面的像的叠加。因此，利用光场相机拍摄火焰，通过重对焦获得同一时刻不同对焦面上的火焰图像。最后基于傅立叶光学理论计算不同火焰聚焦面上的真实光度场分布，并插值得到火焰的三维光度场。该方法的流程如图1所示，其步骤如下：

步骤(1)：标定光场相机的点扩散函数。

将通过重聚焦火焰微像得到不同聚焦面的火焰图像的过程，看作是一台传统相机通过调整相机参数得到不同聚焦面的图像的过程，因此可应用标定传统相机的点扩散函数的方法标定光场相机的点扩散递函数。

步骤(2)：将一台光场相机与多台普通相机固定在支架上，普通相机视角要覆盖火焰的各个视角，标定两种相机的内、外参数。采用同步触发的方式拍摄火焰图像。

用光场相机拍摄火焰图像，是为了通过重聚焦得到同一时刻的不同聚焦面上的火焰图像；用多台普通相机拍摄火焰是为了计算火焰的可视外壳，进而将火焰体素化；两种相机同步触发，是为了保证所有火焰数据均采集于同一时刻，如此计算的火焰光度场才具有物理意义。

步骤(3)：对光场相机拍摄的不同成像路径的火焰微像进行数字重对焦，计算得到同一时刻不同聚焦面的火焰图像。利用普通相机拍摄的多视角的火焰图像计算火焰的可视外壳，基于可视外壳将火焰分布空间体素化。

步骤(4)：利用步骤(1)中标定的光场相机的点扩散函数与步骤(3)中的计算的同一时刻不同聚焦面的火焰图像，基于傅立叶光学理论计算火焰的不同聚焦面上的真实二维光度场。

火焰图像是聚焦面的像与多个离焦面的像的叠加，如图2所示。以光场相机镜头中心为原点，以光轴为z轴，分别沿水平与竖直方向建立x轴与y，如图3所示建立笛卡尔坐标系，则聚焦面深度为z′的火焰图像亮度分布g(x，y，z′)可表示为

g(x，y，z′)＝∫f(x，y，z)*h(x，y，z，z′)dz

其中f(x，y，z)表示与相机光轴垂直的深度为z的火焰截面的真实二维光度场，h(x，y，z，z′)为光场相机的点扩散函数，“*”为卷积运算符。沿z轴对聚焦面深度进行采样，假设采样步长为Δz，则上式可离散化为

g(x，y，jΔz)＝∑_if(x，y，iΔz)*h(x，y，iΔz，jΔz)

对上式两端同时做傅立叶变换，可得

G_J(ξ，η)＝∑_iF_i(ξ，η)·H_i，j(ξ，η)，j＝1，...，N

其中F_i(ξ，η)表示深度为iΔz的火焰截面光度场的傅立叶变换，G_i(ξ，η)表示深度为iΔz的聚焦面的火焰图像的傅立叶变换，H_i，J(ξ，η)表示点扩散函数h(x，y，iΔz，jΔz)的傅立叶变换，即光场相机的传递函数。上式表示的线性方程组可简写成矩阵的形式：

G(ξ，η)＝[H(ξ，η)]^T·F(ξ，η)

其中向量F(ξ，η)＝[F_l(ξ，η)，…，F_N(ξ，η)]^T，G(ξ，η)＝[G_l(ξ，η)，…，G_N(ξ，η)]^T，N×N的方阵H(ξ，η)＝{H_i，j(ξ，η)}，因此火焰聚焦面的光度场的傅立叶变换可表示为

F(ξ，η)＝([H(ξ，η)]T)^-1·G(ξ，η)

最后通过傅立叶反变换，计算得到火焰不同聚焦面的光度场。

步骤(5)根据步骤(4)计算的火焰二维光度场与步骤(3)计算的火焰体素坐标，插值得到火焰体素的光度值，从而得到火焰的三维光度场。

图4所示为应用本发明的方法，计算得到的不同时刻同一横截面的火焰二维光度场分布图，计算的光度场分布在12到190左右区间。图中，火焰区域颜色从黑过渡到灰再过渡到白表示火焰的光度值逐渐增大，即火焰光度横截面图中亮度约高的区域表示该区域光度值越大。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进或等同替换，这些改进和等同替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光场相机的火焰三维光度场重建方法，其特征在于步骤包括：

(1)标定光场相机的点扩散函数；

(2)选取一台光场相机与多台普通相机作为图像采集设备，将相机均匀布置在火焰周围并固定在支架上，标定两种相机的内外参数。同步触发两种相机拍摄火焰；

(3)对光场相机拍摄的不同成像路径的火焰微像进行数字重对焦，计算得到同一时刻不同聚焦面的火焰图像。应用可视外壳技术，利用多台普通相机拍摄的多视角的火焰图像将火焰分布空间体素化；

(4)利用步骤(1)中标定的光场相机的点扩散函数与步骤(3)中的计算的同一时刻不同聚焦面的火焰图像，基于傅立叶光学理论计算火焰的不同聚焦面上的真实二维光度场；

(5)根据步骤(4)计算的火焰二维光度场与步骤(3)计算的火焰体素坐标，插值得到火焰体素的光度值，从而得到火焰的三维光度场。

2.根据权利要求1所述的一种基于光场相机的火焰三维光度场重建方法，其特征在于：所述步骤(1)中在标定光场相机的点扩散函数时，将通过重聚焦火焰微像得到不同聚焦面的火焰图像的过程，看作是一台传统相机通过调整相机参数得到不同聚焦面的图像的过程，因此可应用标定传统相机的点扩散函数的方法标定光场相机的点扩散递函数。

3.根据权利要求1所述的一种基于光场相机的火焰三维光度场重建方法，其特征在于：

(1)所述步骤(4)中将光场相机成像系统看作是一个线性时不变系统；

(2)所述步骤(4)中火焰的成像模型定义如下：

g(x，y，z′)＝∫f(x，y，z)*h(x，y，z，z′)dz

其中g(x，y，z′)表示深度为z′的聚焦面的火焰图像，f(x，y，z)表示与相机光轴垂直的深度为z的火焰截面的真实二维光度场，h(x，y，z，z′)为光场相机的点扩散函数，“*”为卷积运算符；

(3)所述步骤(4)中火焰二维光度场的傅立叶变换为如下形式：

F(ξ，η)＝([H(ξ，η)]^T)^-1·G(ξ，η)

其中F(ξ，η)＝[F₁(ξ，η)，…，F_N(ξ，η)]^T，F_i(ξ，η)表示深度为iΔz的火焰截面光度场的傅立叶变换，Δz为深度步长；H(ξ，η)＝{H_i，j(ξ，η)}，H_i，j表示h(x，y，iΔz，jΔz)的傅立叶变换在频率点(ξ，η)的数值；G(ξ，η)＝[G₁(ξ，η)，…，G_N(ξ，η)]^T，G_i(ξ，η)表示深度为iΔz的聚焦面的火焰图像的傅立叶变换。