CN106600687A - 一种多方向火焰发射层析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多方向火焰发射层析系统，包括多个投影采集装置,相邻所述投影采集装置之间的夹角均为α，所述投影采集装置均设置在待测场的四周；所述投影采集装置包括CCD相机、触发板以及计算机。利用多方向标定方法对所述CCD相机的空间位置参数和相距进行标定，利用代数迭代重建算法对火焰中光谱发射强度进行三维重建。本发明的多方向火焰发射层析系统具有多个投影采集模块，可进行火焰场瞬态投影采集，并重建出该火焰场的三维形貌。

Description

一种多方向火焰发射层析系统

技术领域

本发明涉及一种多方向火焰发射层析系统。

背景技术

火焰发射层析技术日益广泛地用于燃烧场诊断研究中，逐渐成为揭示燃烧过程中的瞬态结构以及研究燃烧场的反应机理的重要手段。结合三维层析重建技术，可以利用多个方向上燃烧场自身的光辐射图像对燃烧场自身的光辐射图像对燃烧场中不同波段的光辐射信息进行全场三维定量测量，突破空间单点与平面检测的局限性。通过采集不同类型的投影信息，能够重建多种被测流场的关键参数的三维分布。目前，发射计算层析技术研究正逐步成为流场诊断技术研究的热点之一。

目前国内外对火焰完全时空域的三维重构研究文献较少。国内浙江大学提出了基于高速立体视觉系统的火焰及流体三维重建理论和实验研究，它利用传统的基于立体匹配技术进行三维重构的方法对火焰进行重构。但由于火焰是半透明体，投影到二维图像的灰度信息为投射线上多个点的叠加信息，因此利用特征匹配算法进行立体匹配时，容易造成匹配，尤其是对于特征不明显的图像边缘区域尤其明显。国外多伦多大学的Samuel提出了基于图像的火焰三维重构算法，借鉴计算机层析成像(CT)技术重构的思想，采用分层重构的方法对火焰进行三维重构。在重构时以BLOB为单位利用高斯线性叠加法对火焰进行参数化描述，并根据输入图像估计密度场，最后应用随机采样机制对重构的火焰三维图像进行修正。该方法考虑了火焰的物理特性，重构效果要远远好于利用传统方法进行的火焰场三维重构效果。该方法采用两到三台同步摄像机来拍摄图像，采样点数远远小于CT算法，可以看做是一种稀疏化的CT算法利用较少采样点数对片信息进行重构时，重构精度是一项很大的挑战。日本名古屋工业大学的Y.Ishino等研制了可用时获得40个方向的火焰三维投影数据的发射光谱层析系统，在该系统中相机包含四十个成像镜头，这样一来投影数据非常充足，易实现精确重构，但是其投影方向过多，投影采集的同时性难以实现，并且投影数据的处理对于计算机的要求过高，因此该系统不适于推广应用。

因此，需要一种新的火焰发射层析系统以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对在现有技术的不足，提供一种多方向火焰发射层析系统。

为实现上述发明目的，本发明的多方向火焰发射层析系统可采用如下技术方案：

一种多方向火焰发射层析系统，包括多个投影采集装置,相邻所述投影采集装置之间的夹角均为α,所述投影采集装置均设置在待测场的四周；所述投影采集装置包括CCD相机，

利用多方向标定方法对所述CCD相机的空间位置参数和相距进行标定，所述多方向标定方法包括以下步骤：

1)、建立世界坐标系(x_w,y_w,z_w)、相机坐标系(x,y,z)和相机成像面坐标系(x',y')，并确定世界坐标系(x_w,y_w,z_w)、相机坐标系(x,y,z)和相机成像面坐标系(x',y')之间的关系：

其中，世界坐标系与相机坐标系的关系为：

式中，旋转矩阵为平移矢量为

相机成像面坐标系(x',y')与相机坐标系(x,y,z)的关系为：

式中，Z₀为相机的像距；

2)、采集所述投影采集装置的图像，确定采样点在相机成像面坐标系的坐标；

3)、根据采样点的世界坐标系中坐标和步骤2)得到的采样点在相机成像面坐标系的坐标；利用步骤1)中世界坐标系(x_w,y_w,z_w)、相机坐标系(x,y,z)和相机成像面坐标系(x',y')之间的关系确定CCD相机的空间位置参数；

4)、将CCD相机预先调节聚焦于一点，聚焦点在世界坐标系中坐标为(x_wf,y_wf,z_wf)，点(x_wf,y_wf,z_wf)在相机成像面上的像点的位置为(x'_f,y'_f)，在相机成像系统中聚焦点与其对应的像点满足透镜成像方程：

1/z_f+1/Z₀＝1/f_lens；

其中，f_lens为CCD相机镜头的焦距；

根据步骤3)得到的CCD相机的空间位置参数，利用聚焦点的世界坐标和成像平面坐标确定CCD相机的像距Z₀，从而完成CCD相机的标定；

5)、利用代数迭代重建算法对火焰中光谱发射强度进行三维重建，所述代数迭代重建算法包括以下步骤：

一、将重建区域划分为离散网格，单个离散网格作为一个物点；

二、计算第i个离散网格对第m个CCD相机中各像素所贡献的辐射强度的权重因子；

三、对所有离散网格重复步骤二，即可得到整个重建区域中离散网格在第m个CCD相机中的权重因子；

四、对系统中所有CCD相机重复步骤二和步骤三，即可得到整个层析系统的权重矩阵；

五、根据步骤4)得到的结果对火焰中光谱发射强度进行三维重建。

更进一步的，步骤二中第i个离散网格对第m个CCD相机中各像素所贡献的辐射强度的权重因子通过以下步骤计算得到：

(1)、第i个离散网格在在世界坐标系中的坐标为(x_wi,y_wi,z_wi)，根据世界坐标系与相机坐标系的关系，得到第i个离散网格在相机坐标系中坐标，第i个离散网格在相机成像面上为一个圆斑,其中,圆斑的半径r和中心点(x_c,y_c)分别为:

x_c＝x_imgz₀/z_img

y_c＝y_imgz₀/z_img

式中,D为镜头的相机孔径，f为镜头的焦距，(x,y,z)为网格在相机坐标系中的坐标。

(2)、计算相机成像面上每个像素与圆斑的相交面积A_i和圆斑面积A_b，则第i个离散网格对像素贡献的光强表示为下式：

式中，f(x,y,z)为(x,y,z)处的发射光强度函数

从而第i个离散网格对第m个CCD相机中各像素的权重因子为：

有益效果：本发明的多方向火焰发射层析系统具有多个投影采集模块，可进行火焰场瞬态投影采集，并重建出该火焰场的三维形貌。

附图说明

图1为CCD框架模型图；

图2为CCD支架模型图；

图3为CCD框架实验装配图；

图4为网格点在聚焦平面左侧成像示意图；

图5为12个方向的发射层析系统投影采集装置示意图；

图6为实例拍摄的12个方向标定图；

图7实例12个方向的火焰场投影图；

图8为重建出的火焰场三维图；

图9为多方向标定方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图9所示，本发明的多方向火焰光谱发射层析系统包括以下几个部分：

(1)投影采集部分整体机构设计。此部分首先完成CCD支撑的机械结构设计，确定了CCD的空间摆放如图1、图2、图3所示。每个CCD后面分别有两条线，一条为触发线，接触发板；另一条为数据传输线。PC上装有配套的图像采集程序，当需要多方向同时采集投影时可由PC发出指令控制触发板，以此完成多方向的同时采集，采集到的图像通过数据传输线传输到PC上用来重建。建立一个多投影采集方向的火焰发射层析系统，该系统中CCD以等间距分布在一个半圆状支架上。制作一个标定块，进行标定得到相机内外参数。然后，进行实验拍摄到火焰场各方向图像。最后在PC上进行三维重建最终结果。

(2)多方向标定方法设计。此部分完成系统中相机参数的标定，主要思路是利用一个标定板对相机的空间位置参数和相距进行标定。标定过程主要包括下列步骤：

①建立世界坐标系、相机坐标系和相机成像面坐标系并确定三个坐标系之间的关系。世界坐标系(x_w,y_w,z_w)也成为绝对坐标系，它是客观世界的绝对坐标。摄像机坐标系(x,y,z)是以摄像机为中心制定的坐标系统。像面坐标系(x',y')一般常取与摄像机坐标系x-y平面平行且坐标原点在CCD中心像素点。

通过旋转矩阵R和平移矢量T将世界坐标系转换到相机坐标系，其数学关系为：

其中旋转矩阵和平移矢量分别为

对于相机坐标系中的一点(x,y,z)，其发射光强度函数表示为f(x,y,z),其在相机成像面上的像点(x',y')满足关系

其中，Z₀为相机的像距；

②采集三维相机标定模板的图像，确定采样点在相机成像面的坐标；

③根据采样点的世界坐标和第②步得到的相机成像面坐标，利用第①步中的坐标之间的转换关系确定相机的空间位置参数；

④相机被预先调节聚焦于一点(x_wf,y_wf,z_wf)，该点在相机成像面上的像点的位置为(x'_f,y'_f)，在相机成像系统中聚焦点与其对应的像点满足透镜成像方程：

1/z_f+1/Z₀＝1/f_lens (3)

其中，f_lens为相机镜头的焦距。基于第③步得到的空间位置参数，利用聚焦点的世界坐标和成像平面坐标确定相机的相距，以此完成标定。

(3)基于图像的三维重建。由(1)我们得到了待测场的多个方向的投影图片，将得到的投影图片划分为很多的小网格，计算成像光斑与相机各网格的相交面积，对所有网格计算结束便可得到整个层析系统的权重矩阵。利用得到的权重矩阵和(2)得到的参数结合三维迭代类重建算法，即可以实现对火焰中相关光谱发射强度的三维重建。

由上述可知利用代数迭代类算法对火焰中相关光谱发射强度进行三维重建有以下步骤：

①将重建区域划分为等大小的离散网格，将单个网格看作一个物点来分析；

②计算某网格对某一相机中各像素所贡献的辐射强度的权重因子；

针对上一步划分的网格中的某一网格，设其在世界坐标系中的坐标为(x_w,y_w,z_w)，可以根据式(1)将其转换到相机坐标系中。图5展示了该网格点在相机成像面上的成像情况(假设聚焦点在成像面左侧)。即该网格点在成像面上为一圆斑。圆斑的半径r和中心点(x_c,y_c)分别为(D为镜头相机孔径)：

x_c＝x_imgz₀/z_img

y_c＝y_imgz₀/z_img (6)

其中：

接下来，需要计算相机成像面上每个像素与圆斑的相交面积A_i，圆斑面积设为A_b，则该网格点对像素贡献的光强可表示为下式：

因此，该网格点对各像素的权重因子为：

③对所有网格重复以上步骤，即可得到整个重建区域中网格在单个相机中的权重因子；

④对系统中的所有相机进行以上计算，即可得到整个层析系统的权重矩阵。

⑤根据第④步得到的结果结合已有的三维迭代类重建算法可以实现对火焰中相关光谱发射强度的三维精确重建。

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。

实施实例：

参照附图1、附图2、附图3设计实现一个由12个CCD相机组成的发射光谱层析系统，其图像采集系统示意图附图4和图5所示。每个CCD相机由镜头和彩色CCD组成，并将滤光片放置在镜头和CCD之间来滤除杂散光。相机围绕火焰放置，以等间距和相同夹角构成一个半圆，可由计算得到相机之间夹角为15度。

12个相机连接到同一台电脑上，由电脑内的触发程序产生脉冲信号，再经过一个外触发卡同时触发12个相机，实现同一时刻12个投影方向上的火焰发射光强度图像的同时采集。首先将标定板放置在待测场区域拍摄12个方向的标定图如附图6所示。提取标定图中标志点的坐标信息，计算得到12个相机的内外参数矩阵。

然后采集火焰场投影图，所拍摄的12个投影方向的图片如附图7所示，对投影图做图像处理得到投影图的权重矩阵，最后运用代数迭代重建算法重建出的火焰场三维图如附图8所示。

Claims (2)

1.一种多方向火焰发射层析系统，其特征在于：包括多个投影采集装置,相邻所述投影采集装置之间的夹角均为α,所述投影采集装置均设置在待测场的四周；所述投影采集装置包括CCD相机，

利用多方向标定方法对所述CCD相机的空间位置参数和相距进行标定，所述多方向标定方法包括以下步骤：

1)、建立世界坐标系(x_w,y_w,z_w)、相机坐标系(x,y,z)和相机成像面坐标系(x',y')，并确定世界坐标系(x_w,y_w,z_w)、相机坐标系(x,y,z)和相机成像面坐标系(x',y')之间的关系：

其中，世界坐标系与相机坐标系的关系为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\end{array}\right]+T$

式中，旋转矩阵为平移矢量为

相机成像面坐标系(x',y')与相机坐标系(x,y,z)的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=Z_0\frac{x}{z}\\ y^{\′}=Z_0\frac{y}{z}\end{array}\right.$

式中，Z₀为相机的像距；

2)、采集所述投影采集装置的图像，确定采样点在相机成像面坐标系的坐标；

3)、根据采样点的世界坐标系中坐标和步骤2)得到的采样点在相机成像面坐标系的坐标；利用步骤1)中世界坐标系(x_w,y_w,z_w)、相机坐标系(x,y,z)和相机成像面坐标系(x',y')之间的关系确定CCD相机的空间位置参数；

4)、将CCD相机预先调节聚焦于一点，聚焦点在世界坐标系中坐标为(x_wf,y_wf,z_wf)，点(x_wf,y_wf,z_wf)在相机成像面上的像点的位置为(x'_f,y'_f)，在相机成像系统中聚焦点与其对应的像点满足透镜成像方程：

1/z_f+1/Z₀＝1/f_lens；

其中，f_lens为CCD相机镜头的焦距；

根据步骤3)得到的CCD相机的空间位置参数，利用聚焦点的世界坐标和成像平面坐标确定CCD相机的像距Z₀，从而完成CCD相机的标定；

利用代数迭代重建算法对火焰中光谱发射强度进行三维重建，所述代数迭代重建算法包括以下步骤：

一、将重建区域划分为离散网格，单个离散网格作为一个物点；

二、计算第i个离散网格对第m个CCD相机中各像素所贡献的辐射强度的权重因子；

三、对所有离散网格重复步骤二，即可得到整个重建区域中离散网格在第m个CCD相机中的权重因子；

四、对系统中所有CCD相机重复步骤二和步骤三，即可得到整个层析系统的权重矩阵；

五、根据步骤4)得到的结果对火焰中光谱发射强度进行三维重建。

2.如权利要求1所述的多方向火焰发射层析系统，其特征在于：步骤二中第i个离散网格对第m个CCD相机中各像素所贡献的辐射强度的权重因子通过以下步骤计算得到：

(1)、第i个离散网格在在世界坐标系中的坐标为(x_wi,y_wi,z_wi)，根据世界坐标系与相机坐标系的关系，得到第i个离散网格在相机坐标系中坐标，第i个离散网格在相机成像面上为一个圆斑,其中,圆斑的半径r和中心点(x_c,y_c)分别为:

$r=\frac{|z_{img}-z_0|}{2z_{img}}D$

x_c＝x_imgz₀/z_img

y_c＝y_imgz₀/z_img

式中,D为镜头的相机孔径，f为镜头焦距，(x,y,z)为离散网格在相机坐标系中的坐标。

(2)、计算相机成像面上每个像素与圆斑的相交面积A_i和圆斑面积A_b，则第i个离散网格对像素贡献的光强表示为下式：

式中，f(x,y,z)为(x,y,z)处的发射光强度函数从而第i个离散网格对第m个CCD相机中各像素的权重因子为：

$w=\frac{A_i}{A_b}.$