CN113030510B - 一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法及系统，所述方法包括：利用三色掩膜单彩色相机获取待测流场中示踪粒子的时序粒子三色掩膜彩色图像；对原始彩色粒子图像进行三视角图像分离处理，得到粒子的三视角图像；对三视角图像进行三维粒子重构，获得时序三维粒子图像；对时序三维粒子图像进行互相关计算，获得三维流场速度场分布；对三维流场速度场进行后处理，剔除错误速度矢量，同时根据相邻正确矢量插值替代被剔除的错误矢量。本申请能通过单个彩色相机的时序图像获得待测流场的三维速度分布，相比于现有多视角三维流场测试方法，极大地减少了硬件系统配置、简化了硬件系统调节步骤，特别适用于受限空间下的三维流场测量。

Description

一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法及系统

技术领域

本发明涉及流场测试技术领域，尤其涉及一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法及系统。

背景技术

二维激光粒子图像测速技术(Two-Dimensional Particle Image Velocimetry，2D-PIV)因其非接触、全流场测量的优势，经过三十多年的发展，已经成为一种标准的流场测试技术，被广泛应用于基础实验流体力学、仿生流体力学、空气动力学、燃烧和叶轮机械等诸多研究领域。然而，基础研究及工程应用中的诸多流动现象本质上具有强烈的三维特性，某一平面的流场数据并不足以剖析复杂的流场物理本质。因此长期以来，研究者们致力于发展各种全场三维流动测试技术。

现有技术中，三维流场测试技术有扫描PIV(Scanning PIV，SPIV)、离焦PIV(Defocusing digital PIV，DDPIV)、全息PIV(Holographic PIV，HPIV)、层析PIV(Tomographic PIV，Tomo-PIV)、合成孔径PIV(Synthetic Aperture PIV，SAPIV)、基于棱镜的单相机层析PIV(Prism-based single camera Tomographic PIV)、光场PIV(LightField PIV，LFPIV)、彩虹PIV(Rainbow PIV)等技术。其中，扫描PIV技术的最大测量速度一般低于1m/s；离焦PIV技术则利用光阑(如Three-aperture mask)来获得粒子离焦图像，进而根据所形成的3个离焦图像来计算单个粒子的空间位置，通常单相机DDPIV系统仅能测量粒子浓度非常低的流场，因此一般需要3台相机来获得比较精确的测量结果；全息PIV技术是一种能够真正测量流场全三维速度分布的技术，其通过同轴或者离轴的方式将粒子全息图像记录在胶片或者数字全息板上，进而通过全息重构和三维互相关(或者三维粒子跟踪)来获得粒子三维速度，但全息PIV技术极其复杂的光路布置以及较小的测量区域(受限于现有CCD/CMOS分辨率)等缺陷限制了其广泛的应用；层析PIV技术是当前最为成熟、应用最为广泛的三维速度场测试技术之一，该技术通常采用4～8套相机从不同的角度记录粒子图像，并通过基于MART的重构算法和三维互相关获得全三维速度场分布，层析PIV技术具有空间分辨率高、较大测量体积的优势(沿光轴方向测量范围一般小于垂直于光轴方向的测量范围)，但需要较多的光学窗口；合成孔径PIV技术是另外一种使用多相机配置的三维流场测试技术，其通常采用8～15台相机组成的阵列来记录粒子光场图像，并通过合成孔径重聚焦算法来重构粒子三维图像，合成孔径PIV技术可以处理比层析PIV粒子浓度更高的流场，且其光轴方向的测量范围能达到与垂直光轴方向测量范围同等大小的水平，其最大的缺陷在于复杂且昂贵的相机阵列系统。

上述的三维流场测试技术要么采用复杂的光路布置(如HPIV)，要么需要多相机系统(如Tomo-PIV，SAPIV)，不但提高了实验难度、增加了硬件成本，更为重要的是极大地限制了这些技术在受限光学空间、高频响测试中的应用，计算精度也不能满足需要。

本申请涉及的参考文献：

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[3]Elsinga G,Scarano F,Wieneke B,et al.Tomographic particle imagevelocimetry[J].Exp Fluids,2006,41:933–947

[4]Wieneke B.Volume self-calibration for 3D particle imagevelocimetry[J].Exp Fluids,2008,45:549-556

[5]Atkinson C,Soria J.An efficient simultaneous reconstructiontechniquefor tomographic particle image velocimetry.Exp Fluids,2009,47:553–568

[6]Liang J,Cai S,Xu C,Chu J.Filtering enhanced tomographic PIVreconstruction based on deep neural networks.IET Cyber-Systems and Robotics2020,2-1:43–52

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法及系统，针对目前三维流场测试技术在受限空间、高频响测试中的局限，结合彩色PIV能够比传统PIV提供更多信息的优势，用由一定规律分布的红绿蓝通光孔及黑色遮光片组成的三色掩膜调制光路，将颜色信息与视角信息联系，实现了单彩色相机对三维流场的高精度测量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本申请第一个方面提供了一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法，包括：

步骤A1，利用三色掩膜单彩色相机获取待测流场中示踪粒子的时序粒子三色掩膜彩色图像；

步骤A2，对时序粒子三色掩膜彩色图像进行三视角图像分离处理，得到时序粒子的三视角图像；

步骤A3，对时序粒子的三视角图像进行三维粒子重构，获得时序三维粒子图像；

步骤A4，对时序三维粒子图像进行互相关计算，获得三维流场速度场分布；

步骤A5，对三维流场速度场进行后处理，剔除错误速度矢量，同时根据相邻正确速度矢量插值替代被剔除的错误速度矢量。

优选地，步骤A1中，在待测流场中撒布示踪粒子，用高能白色LED或卤素灯体光源照亮，然后利用搭配三色掩膜及主镜头的彩色相机形成的三色掩膜单彩色相机拍摄示踪粒子的时序粒子三色掩膜彩色图像。

优选地，步骤A2中，所述对时序粒子三色掩膜彩色图像进行三视角图像分离处理，得到时序粒子的三视角图像，包括：

将记录的RAW格式的时序粒子三色掩膜彩色图像进行色彩分离，得到三张色彩分离原始图像；

利用双三色插值、双线性插值、模式识别插值以及拉普拉斯颜色校正中的一种或多种算法组合对三张色彩分离原始图像进行去马赛克空洞插补，得到高分辨率、高还原度的时序粒子的三视角图像；

对去马赛克的三视角图像进行色彩串扰校正，去除鬼影像素，得到校准后的时序粒子的三视角图像。

更优选地，所述对去马赛克的三视角图像进行色彩串扰校正，包括：

拍摄遮挡绿色通光孔、蓝色通光孔，仅红色通光孔成像的原始图像，同样拍摄仅绿色通光孔、蓝色通光孔成像的原始图像作为校准标定图像；

根据校准标定图像对校准方程进行求解，得到色彩串扰标定参数后，对去马赛克的三视角图像进行色彩串扰校正，去除鬼影像素，得到校准后的时序粒子的三视角图像。

优选地，步骤A3中，所述三维粒子重构，是指利用时序粒子三色掩膜彩色图像提取的时序粒子的三视角图像，还原出示踪粒子的三维空间分布。

更优选地，所述三维粒子重构，包括：

利用时序粒子三色掩膜彩色图像提取的时序粒子的三视角图像进行三维体标定，得到三维到各视角二维图像的映射函数，即体标定函数；

进行体标定函数自校准，来修正体标定函数的微小误差；

计算MART算法的权重系数，及采用MLOS-MART算法进行初步重构；

将初步重构的结果作为初始值，采用深度学习FCN网络进行精确重构，获得精确的空间粒子分布三维体素矩阵。

优选地，步骤A4中，所述对时序三维粒子图像进行互相关计算，包括：

将相邻时刻的示踪粒子三维体素矩阵按照式(1)的快速傅里叶变换进行三维互相关计算，获取流场三维速度场分布，

其中：E₁(i,j,k)为空间体素(i,j,k)的数值，m、n、l分别表示体素索引坐标的增量，即E₂(i+m,j+n,k+l)表示为空间体素(i+m,j+n,k+l)的数值，M、N和L表示为一个三维采样窗口的长度，即在笛卡尔右手坐标系的三个方向上的采样长度分别为M、N和L，

由傅里叶变换的性质，两个空间域函数的卷积式(1)的傅里叶变换等于两个函数的傅里叶变换相乘，对频率域的乘积进行傅里叶反变换即可得到互相关函数，进一步求出流场三维速度场分布。

优选地，在步骤A5中，采用全局阈值计算式(2)、局部中值滤波式(3)或者局部平均值滤波式(4)对获得的三维流场U(i，j，k)，挑选并剔除出其中的错误速度矢量，并采用线性插值或者三次样条插值的方法，根据正确速度矢量插值获得替代矢量，

其中，

是三维速度场的平均值；

STD(U(i，j，k))是三维速度场的标准方差；

T为滤波阈值；

是局部(3×3×3)区域内的三维速度场平均值；

STD(U(i-1：i+1，j-1：j+1，k-1：k+1))是局部(3×3×3)区域内的三维速度场标准方差；

U(i-1：i+1，j-1：j+1，k-1：k+1)是局部(3×3×3)区域内的三维速度场中值。

本申请第二个方面提供了一种三维流场测试系统，包括：

三色掩膜单彩色相机，由三色掩膜及主镜头的彩色相机构成；

体式照明，包括高能白色LED或卤素灯、透镜组合和镜头的光学系统，用于在拍摄示踪粒子的时序三色掩膜彩色图像时，在示踪粒子的侧面提供高亮度光源；

数据处理器，通过由所述三色掩膜单彩色相机获取待测流场中示踪粒子的时序粒子三色掩膜彩色图像，用数据处理器来计算合成三维流场速度场分布。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本申请能实现单个高速彩色相机对受限空间的高频响三维流场研究。同时，单相机替代多相机系统或高成本特殊光学元件，高能白光光源替代高成本激光器，提高了操作性及安全性，降低了三维PIV系统成本，极大地减少了硬件系统配置、简化了硬件系统调节步骤，对三维流场测量研究起到促进作用。

附图说明

构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请的三色掩膜单相机三维流场测速方法流程图；

图2是本申请的三色掩膜单相机三维流场测试方法原理图；

图3是本申请的彩色粒子RAW图像三通道数据分离及各通道去马赛克空洞插补处理方法示意图；

图4是本申请的色彩串扰校正方法示意图；

图5是本申请的三维体标定方法示意图；

图6是本申请的标定函数自修正原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请的一种基于三色掩膜单彩色相机的流场三维速度场测试方法，通过单个相机测量获取流场的三维速度场分布。实施例步骤如下：

1)在待测流场中撒布示踪粒子(水中一般使用20～30微米的空心玻璃珠；空气中一般使用1微米左右的液滴或者几百纳米的二氧化钛颗粒)，按照图1的方式，用高亮度光源提供体式照明；然后利用搭配三色掩膜及主镜头的彩色相机形成的三色掩膜单彩色相机拍摄示踪粒子的时序三色掩膜彩色图像。

2)将记录的粒子RAW格式图像进行色彩分离，得到三张色彩分离原始图像。利用双三色插值技术、双线性插值技术、模式识别插值技术以及拉普拉斯颜色校正技术等对各通道的图像进行去马赛克空洞插补，得到高分辨率高还原度的三视角图像，如图3。

3)对去马赛克的三视角图像进行色彩串扰校正。拍摄遮挡绿色通光孔、蓝色通光孔，仅红色通光孔成像的原始图像，同样拍摄仅绿色通光孔、蓝色通光孔成像的原始图像作为校准标定图像。根据标定图像对校准方程进行求解，得到色彩串扰标定参数后，对去马赛克的三视角图像进行色彩串扰校正，去除鬼影像素，得到校准后的时序粒子的三视角图像，如图4。

4)对校准后的时序粒子的三视角图像进行三维粒子重构。三维粒子重构中，首先进行三维体标定，得到三维到各视角二维图像的映射函数，如图5。

5)进行体标定函数自校准，来修正体标定函数的微小误差，如图6。

6)接着计算MART算法的权重系数，及采用MLOS-MART算法进行初步重构。

7)将初步重构结果作为初始值，采用深度学习FCN网络进行精确重构，获得精确的空间粒子分布三维体素矩阵。

8)将相邻时刻的示踪粒子三维体素矩阵按照式(1)进行三维互相关计算，获取流场三维速度场分布，

其中：E₁(i,j,k)为空间体素(i,j,k)的数值，m、n、l分别表示体素索引坐标的增量，即E₂(i+m,j+n,k+l)表示为空间体素(i+m,j+n,k+l)的数值，M、N和L表示为一个三维采样窗口的长度，即在笛卡尔右手坐标系的三个方向上的采样长度分别为M、N和L，

由傅里叶变换的性质，两个空间域函数的卷积式(1)的傅里叶变换等于两个函数的傅里叶变换相乘，对频率域的乘积进行傅里叶反变换即可得到互相关函数，进一步求出流场三维速度场分布。

9)采用全局阈值计算式(2)、局部中值滤波式(3)或者局部平均值滤波式(4)对获得的三维流场U(i，j，k)，挑选并剔除出其中的错误速度矢量，并采用线性插值或者三次样条插值的方法，根据正确速度矢量插值获得替代矢量，

其中，

是三维速度场的平均值；STD(U(i，j，k))是三维速度场的标准方差；T为滤波阈值；/>

是局部(3×3×3)区域内的三维速度场平均值；STD(U(i-1：i+1，j-1：j+1，k-1：k+1))是局部(3×3×3)区域内的三维速度场标准方差；U(i-1：i+1，j-1：j+1，k-1：k+1)是局部(3×3×3)区域内的三维速度场中值。

本申请还提供了一种三维流场测试系统，包括：

三色掩膜单彩色相机，由三色掩膜及主镜头的彩色相机构成；

体式照明，包括高能白色LED或卤素灯、透镜组合和镜头的光学系统，用于在拍摄示踪粒子的时序三色掩膜彩色图像时，在示踪粒子的侧面提供高亮度光源；

数据处理器，通过由所述三色掩膜单彩色相机获取待测流场中示踪粒子的时序粒子三色掩膜彩色图像，用数据处理器来计算合成三维流场速度场分布。

综上所述，本申请能实现单个高速彩色相机对受限空间的高频响三维流场研究，能通过单个彩色相机的时序图像获得待测流场的三维速度分布。同时，单相机替代多相机系统或高成本特殊光学元件，高能白光光源替代高成本激光器，相比于现有多视角三维流场测试方法，提高了操作性及安全性，降低了三维PIV系统成本，极大地减少了硬件系统配置、简化了硬件系统调节步骤，特别适用于受限空间下的三维流场测量，对三维流场测量研究起到促进作用。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法，其特征在于，包括：

步骤A1，利用三色掩膜单彩色相机获取待测流场中示踪粒子的时序粒子三色掩膜彩色图像；其中，三色掩膜单彩色相机利用搭配三色掩膜及主镜头的彩色相机构成，高能白色光源在示踪粒子的侧面提供高亮度光源；

步骤A2，对时序粒子三色掩膜彩色图像进行三视角图像分离处理，得到时序粒子的三视角图像；

步骤A3，对时序粒子的三视角图像进行三维粒子重构，获得时序三维粒子图像；

步骤A4，对时序三维粒子图像进行互相关计算，获得三维流场速度场分布；

步骤A5，对三维流场速度场进行后处理，剔除错误速度矢量，同时根据相邻正确速度矢量插值替代被剔除的错误速度矢量；

所述步骤A2中，对时序粒子三色掩膜彩色图像进行三视角图像分离处理，得到时序粒子的三视角图像，包括：

将记录的RAW格式的时序粒子三色掩膜彩色图像进行色彩分离，得到三张色彩分离原始图像；

利用双三色插值、双线性插值、模式识别插值以及拉普拉斯颜色校正中的一种或多种算法组合对三张色彩分离原始图像进行去马赛克空洞插补，得到高分辨率、高还原度的时序粒子的三视角图像；

对去马赛克的三视角图像进行色彩串扰校正，去除鬼影像素，得到校准后的时序粒子的三视角图像；

所述步骤A3中，三维粒子重构，是指利用时序粒子三色掩膜彩色图像提取的时序粒子的三视角图像，还原出示踪粒子的三维空间分布；

所述三维粒子重构，包括：

利用时序粒子三色掩膜彩色图像提取的时序粒子的三视角图像进行三维体标定，得到三维到各视角二维图像的映射函数，即体标定函数；

进行体标定函数自校准，来修正体标定函数的微小误差；

计算MART算法的权重系数，及采用MLOS-MART算法进行初步重构；

将初步重构的结果作为初始值，采用深度学习FCN网络进行精确重构，获得精确的空间粒子分布三维体素矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法，其特征在于，步骤A1中，在待测流场中撒布示踪粒子，用高能白色LED或卤素灯体光源照亮，然后利用三色掩膜单彩色相机拍摄示踪粒子的时序粒子三色掩膜彩色图像。

3.根据权利要求1所述的一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法，其特征在于，所述对去马赛克的三视角图像进行色彩串扰校正，包括：

拍摄遮挡绿色通光孔、蓝色通光孔，仅红色通光孔成像的原始图像，同样拍摄仅绿色通光孔、蓝色通光孔成像的原始图像作为校准标定图像；

根据校准标定图像对校准方程进行求解，得到色彩串扰标定参数后，对去马赛克的三视角图像进行色彩串扰校正，去除鬼影像素，得到校准后的时序粒子的三视角图像。

4.根据权利要求1所述的一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法，其特征在于，步骤A4中，所述对时序三维粒子图像进行互相关计算，包括：

将相邻时刻的示踪粒子三维体素矩阵按照式(1)的快速傅里叶变换进行三维互相关计算，获取流场三维速度场分布，

其中：E1(i，j，k)为空间体素(i，j，k)的数值，m、n、l分别表示体素索引坐标的增量，即E2(i+m，j+n，k+l)表示为空间体素(i+m，j+n，k+l)的数值，M、N和L表示为一个三维采样窗口的长度，即在笛卡尔右手坐标系的三个方向上的采样长度分别为M、N和L，

由傅里叶变换的性质，两个空间域函数的卷积式(1)的傅里叶变换等于两个函数的傅里叶变换相乘，对频率域的乘积进行傅里叶反变换即可得到互相关函数，进一步求出流场三维速度场分布。

5.根据权利要求1所述的一种基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法，其特征在于，在步骤A5中，采用全局阈值计算式(2)、局部中值滤波式(3)或者局部平均值滤波式(4)对获得的三维流场U(i，j，k)，挑选并剔除出其中的错误速度矢量，并采用线性插值或者三次样条插值的方法，根据正确速度矢量插值获得替代矢量，

其中，

是三维速度场的平均值；

STD(U(i，j，k))是三维速度场的标准方差；

T为滤波阈值；

是局部(3×3×3)区域内的三维速度场平均值；

STD(U(i-1：i+1，j-1：j+1，k-1：k+1))是局部(3×3×3)区域内的三维速度场标准方差；

U(i-1：i+1，j-1：j+1，k-1：k+1)是局部(3×3×3)区域内的三维速度场中值。

6.一种应用于权利要求1-5任一项所述的基于三色掩膜单彩色相机的三维流场测试方法的三维流场测试系统，包括：

三色掩膜单彩色相机，由三色掩膜及主镜头的彩色相机构成；

体式照明，包括高能白色LED或卤素灯、透镜组合和镜头的光学系统，用于在拍摄示踪粒子的时序三色掩膜彩色图像时，在示踪粒子的侧面提供高亮度光源；

数据处理器，通过由所述三色掩膜单彩色相机获取待测流场中示踪粒子的时序粒子三色掩膜彩色图像，用数据处理器来计算合成三维流场速度场分布。

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