CN110646095B - 一种光场相机辐射采样探测光线处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光场相机成像辐射采样探测光线处理方法，包括如下步骤：对实际相机标定，获得相机参数；对含火焰的计算区域进行三维网格划分，并对划分的三维网格进行编号；根据几何光学和相机参数对采样光线逆向追迹，统计采样光线所穿过的火焰网格个数；对采样光线中的无效光线、低效光线以及探测路径重复的采样光线进行剔除；对探测光线数量少和火焰轮廓处，增加采样光线的数量。本发明针对光场相机辐射采样，在保证火焰三维温度场重建质量的前提下，缩短重建时间，减小内存占用量，本发明可为火焰三维温度场重建提供有力的帮助。
Description
技术领域
本发明涉及一种光场相机辐射采样探测光线提取方法，属于火焰温度测量技术领域。
背景技术
温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度的测量在生活中的各个方面都有着极为重要的作用。国防、军事、科学研究、生产生活，都有种息息相关的联系，所以，能够准确测量温度就显得极为重要。燃烧火焰广泛存在于工业生产过程中，如火电厂锅炉、航空发动机以及冶炼工厂中，因此火焰温度作为重要的现场数据，就非常重要。
相机是测温的重要装置，包括普通相机和光场相机两类，其原理是基于辐射成像技术的火焰辐射探测装置。运用光场相机仅以焰自身的辐射信息作为测量信号，无需引入激光和声波等外界激励，降低了测温系统的操作安装难度与对测试环境的要求。由于光场相机在图像采集方面的突出优势，已被应用于许多工业科研领域作为数据采集装置，如粒子图像测速测浓度、环境监测、面部识别等。在火焰测温与燃烧诊断领域，通过单个光场相机的单次曝光采集火焰的光场信息，将光场成像技术与半透明介质的辐射反演算法相结合，重建出火焰的三维温度场，具有较好的工业应用前景。
在进行光场相机成像火焰三维温度场重建的过程中，由于存在大量的无效光线、低效光线与重复光线，在保证重建质量的前提下，剔除这些光线，将会缩短重建时间，减小内存占用量。同时，因光场相机中透镜的成像特性和采样不均匀性，火焰部分网格内部探测光线数量明显偏少，火焰辐射信息不足，应保留能记录该部位的全部光线，并在部分位置适当增加采样光线数量，会提高火焰三维温度场重建的准确性与时效性。因此，对光场相机系统进行采样光线的筛选，具有十分重要的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种光场相机成像辐射采样探测光线处理方法，通过本发明探测光线处理方法，更好的获取火焰辐射信息的方法，可以提高光场出采样质量，缩短重建时间。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种光场相机成像辐射采样探测光线处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对实际相机标定，获得相机参数；
步骤二、对含火焰的计算区域进行三维网格划分，并对划分的三维网格进行编号；
步骤三、根据几何光学和相机参数对采样光线逆向追迹，统计采样光线所穿过的火焰网格个数；
步骤四、对采样光线中的无效光线、低效光线以及探测路径重复的采样光线进行剔除；
步骤五、对探测光线数量少和火焰轮廓处，增加采样光线的数量。
所述相机参数包括主透镜与微透镜焦距、主透镜-微透镜距离、微透镜-CCD距离及物距。
所述步骤二中火焰计算区域内网格的外法线应与相机主光轴夹角不小于20°。
对步骤三中按照采样光线所穿过的网格总个数进行升序排序。
步骤一中的光场相机参数标定依据中国发明专利授权号201610038559.2来获得。
步骤四中，无效光线为未经过任何火焰网格的采样光线，低效光线为穿过网格个数少于3个的采样光线，重复光线为探测面上相邻像素所追迹路线基本一致的采样光线。
步骤五中，增加采样光线数量的方法是从步骤四中剔除的光线中选取。
增加采样光线数量使需增加的网格的光线数量与不需要增加光线的网格的光线平均数之间的差值在设定的范围内。
步骤五中根据光场图像获得火焰轮廓面处的网格编号，由于火焰轮廓处温度梯度较大，该处的采样光线数量增加至光线均值的1～1.5倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明针对光场相机辐射采样，直接通过光场图像进行光线追迹，对辐射光线进行筛选出来。通过对CCD探测面上每个像素记录的采样光线进行逆向追迹，剔除无效光线、低效光线与重复光线，同时增补辐射信息记录不足的火焰网格内的采样光线与火焰轮廓面处网格内的采样光线，在保证火焰三维温度场重建质量的前提下，缩短重建时间，减小内存占用量，本发明可为火焰三维温度场重建提供有力的帮助。
附图说明
图1虚拟火焰三维仿真系统图；
图2采样光线穿过的网格个数；
图3火焰网格内的采样光线数；
图4光线筛选流程示意图；
图5为辐射采样光线的筛选步骤；
图6筛选后的火焰网格内的采样光线数。
具体实施方式
下面结合附图和具体施例，进一步阐述本发明。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。
一种光场相机辐射采样探测光线处理方法，包括如下步骤：
步骤1、设置光场相机参数：
主透镜和微透镜的焦距分别为50mm和600μm，主透镜-微透镜距离为57mm，微透镜-CCD距离为710μm，物距为849mm，每个微透镜覆盖20个像素，微透镜直径为158μm，CCD探测面的像素个数为400(Nx)×500(Ny)，各像素的尺寸为8μm×8μm。
步骤2、设置火焰参数：
建立的虚拟火焰三维仿真系统及相应坐标系如图1所示。将火焰设置为一个长度、宽度、高度分别为15mm、15mm、30mm的立方体，沿长度、宽度、高度方向分别被划分为7×7×7个网格。以火焰计算域中心为原点，建立直角坐标系，其中长度、宽度和高度方向分别为x、y、z坐标轴方向。
步骤3、采样光线的排序：
在虚拟火焰的45°视场角方向水平放置一个光场相机，俯视图如图2所示，统计CCD探测面上每个像素记录的采样光线所穿过的火焰网格个数，排序得到的结果如图3所示。可以看出，160000根光线只记录了少于等于一个网格内的辐射信息，为系数矩阵A带来了大量的0元素。
步骤4、采样光线的过滤
将未经过任一火焰网格的采样光线视为无效光线，将穿过网格个数少于3个的采样光线视为低效光线，剔除无效光线与低效光线。靠近光场相机中轴区域部分的火焰网格，其辐射光场信息被多个像素记录，造成采样信息的重复和过度约束，将探测路径重复的采样光线予以剔除。
步骤5、采样光线的增补：
统计每个火焰微元体内传过光线个数，如图4所示。由图可知：
1)光场相机中透镜的成像特性和采样不均匀性，火焰部分网格内部探测光线数量明显偏少，火焰辐射信息不足，应保留能记录该部位的全部光线。
2)火焰温度梯度越大的部分，其辐射不均匀程度越高，重建误差越大，需要采集更多的辐射信息。火焰轮廓面处通常温度变化梯度较大，可以增加该处的采样光线数量至网格光线均值的1.5倍左右。
辐射采样光线的筛选步骤如图5所示，按照该方法筛选后每个火焰网格内的采样光线个数如图6所示。
Claims (7)
1.一种光场相机成像辐射采样探测光线处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对实际相机标定，获得相机参数；
步骤二、对含火焰的计算区域进行三维网格划分，并对划分的三维网格进行编号；
步骤三、根据几何光学和相机参数对采样光线逆向追迹，统计采样光线所穿过的火焰网格个数；
步骤四、对采样光线中的无效光线、低效光线以及探测路径重复的采样光线进行剔除；
步骤五、对探测光线数量少和火焰轮廓处，增加采样光线的数量；
步骤四中，无效光线为未经过任何火焰网格的采样光线，低效光线为穿过网格个数少于3个的采样光线，探测路径重复的采样为探测面上相邻像素所追迹路线基本一致的采样光线。
2.根据权利要求1所述的光场相机成像辐射采样探测光线处理方法，其特征在于，所述相机参数包括主透镜与微透镜焦距、主透镜-微透镜距离、微透镜-CCD距离及物距。
3.根据权利要求1所述的光场相机成像辐射采样探测光线处理方法，其特征在于，所述步骤二中火焰计算区域内网格的外法线应与相机主光轴夹角不小于20°。
4.根据权利要求1所述的光场相机成像辐射采样探测光线处理方法，其特征在于，对步骤三中按照采样光线所穿过的网格总个数进行升序排序。
5.根据权利要求1所述的光场相机成像辐射采样探测光线处理方法，其特征在于，步骤五中，增加采样光线数量的方法是从步骤四中剔除的光线中选取。
6.根据权利要求1所述的光场相机成像辐射采样探测光线处理方法，其特征在于，增加采样光线数量使需增加的网格的光线数量与不需要增加光线的网格的光线平均数之间的差值在设定的范围内。
7.根据权利要求1所述的光场相机成像辐射采样探测光线处理方法，其特征在于，步骤五中根据光场图像获得火焰轮廓面处的网格编号，由于火焰轮廓处温度梯度较大，该处的采样光线数量增加至光线均值的1～1.5倍。
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