CN113223143A - 基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法及系统 - Google Patents

基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法及系统 Download PDF

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CN113223143A CN202110400872.7A CN202110400872A CN113223143A CN 113223143 A CN113223143 A CN 113223143A CN 202110400872 A CN202110400872 A CN 202110400872A CN 113223143 A CN113223143 A CN 113223143A
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Abstract

本发明涉及散射成像领域，特别涉及基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法及系统。所述方法包括：固定飞行时间相机的位置，根据预先设定的若干个相对距离，分别调整电弧发生器的位置，并由飞行时间相机对电弧发生器按照设定的曝光时间进行采集，得到面阵数据信号集合，所述面阵数据集合包括若干个对应不同相对距离的面阵数据信号；对面阵数据集合进行降噪处理；对降噪后的面阵数据集合进行处理，得到未发生电弧的图像信号和发生电弧的图像信号，经对比处理，得到仅包含电弧的图像信号；对仅包含电弧的图像信号进行坐标系的转换，并结合飞行时间相机镜头与电弧发生器之间的距离，计算得到高温电弧的大小。

Description

基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法及系统
技术领域
本发明涉及散射成像领域，特别涉及基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法及系统。
背景技术
散射成像技术已从早期的基础理论研究发展到了实验室中的模型验证研究，继而又发展到了透过散射介质成像的应用研究。早期的散射成像技术注重于克服散射或抑制散射，通过弹道光与散射光的分离，最终获取有效的目标信息。现阶段的散射成像技术则侧重于散射光的利用，充分挖掘散射光的特性，实现从不可探测到可探测的质的飞跃。值得注意的是，散射成像技术不仅在显微成像和超分辨成像方面有着广泛的应用，而且也将在全息成像、光纤成像和光通信等领域扮演着重要的角色。
目前电弧成像系统相对较少，传统的光学成像技术很难实现拍摄到电弧及电弧周边电离气体的状态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法及系统。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法，所述方法包括：
固定飞行时间相机的位置，根据预先设定的若干个相对距离，分别调整电弧发生器的位置，并由飞行时间相机对电弧发生器按照设定的曝光时间进行采集，得到面阵数据信号集合，所述面阵数据集合包括若干个对应不同相对距离的面阵数据信号；
对面阵数据集合进行降噪处理；
对降噪后的面阵数据集合进行处理，得到未发生电弧的图像信号和发生电弧的图像信号，经对比处理，得到仅包含电弧的图像信号；
对仅包含电弧的图像信号进行坐标系的转换，并结合飞行时间相机镜头与电弧发生器之间的距离，计算得到高温电弧的大小。
作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：通过放电间距控制装置调节并设定电弧发生器的放电电极间距。
作为上述方法的一种改进，所述电弧发生器为热光源发生器。
作为上述方法的一种改进，所述对面阵数据集合进行降噪处理；具体为：采用阈值滤波和中值滤波方法对面阵数据集合进行降噪处理。
作为上述方法的一种改进，所述对降噪后的面阵数据集合进行处理，得到未发生电弧的图像信号和发生电弧的图像信号，经对比处理，得到只有电弧的图像信号；具体包括：
依次从降噪后的面阵数据集合中读取每个面阵数据信号；采用Sobel算子计算横竖两个方向的梯度值，再分别计算对应的梯度模值，得到边缘处的像素模值大于其他位置像素模值的梯度图像；采用形态学的开闭重建方法进行前后景的标记，以移除噪声点；采用欧式距离计算与给定像素最近的N个像素的距离，通过对距离的阈值判断进行背景的标记；再通过对梯度图像进行形态学重构修改使得前景和背景处有局部极小值，之后应用分水岭分割变换进行图像分割，得到未发生电弧的图像信号和发生电弧的图像信号；进行对比处理，得到仅包含电弧的图像信号。
作为上述方法的一种改进，所述对仅包含电弧的图像信号进行坐标系的转换，并结合飞行时间相机镜头与电弧发生器之间的距离，计算得到高温电弧的大小；具体包括：
根据飞行时间相机的调制信号频率fmod，由下式得到飞行时间相机与电弧发生器之间的距离D为：
Figure BDA0003020336240000021
其中，c为空气中光的速度，
Figure BDA0003020336240000022
为回波信号与调制信号之间的相位差，令
Figure BDA0003020336240000023
由电弧成像平面上的任意点P(x，y)，距离D和飞行时间相机的焦距f，得到在物理世界坐标系中对应点(xw，yw，zw)的三维位置坐标为：
Figure BDA0003020336240000024
Figure BDA0003020336240000025
Figure BDA0003020336240000026
其中，rx,y为成像平面上的点P与成像平面中心的距离值，
Figure BDA0003020336240000027
由电弧在物理世界坐标系中的三维位置坐标，计算得到高温电弧的大小。
一种基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量系统，其特征在于，所述系统包括：面阵数据信号采集模块、降噪处理模块、比对处理模块和电弧计算模块；其中，
所述面阵数据信号采集模块，用于固定飞行时间相机的位置，根据预先设定的若干个相对距离，分别调整电弧发生器的位置，并由飞行时间相机对电弧发生器按照设定的曝光时间进行采集，得到面阵数据信号集合，所述面阵数据集合包括若干个对应不同相对距离的面阵数据信号；
所述降噪处理模块，用于对面阵数据集合进行降噪处理；
所述比对处理模块，用于对降噪后的面阵数据集合进行处理，得到未发生电弧的图像信号和发生电弧的图像信号，经对比处理，得到仅包含电弧的图像信号；
所述电弧计算模块，用于对仅包含电弧的图像信号进行坐标系的转换，并结合飞行时间相机镜头与电弧发生器之间的距离，计算得到高温电弧的大小
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明的方法首次利用了高分辨飞行时间三维成像测量传感器对电弧进行成像，并测量出电弧大小尺寸，可广泛应用于国防、军事、遥感，通讯、生物医学等众多需要测量热光源成像技术的领域；
2、本发明的方法通过使用飞行时间相机作为探测器具有成像速度快、成本低、结构复杂度低等优点；可以滤掉大部分环境光，使系统的成像不受自然光的影响；
3、本发明的系统结构简单、易于操作，成像效果好；
4、本发明的系统可以快速计算出电弧的大小，不需要复杂的计算方法。
附图说明
图1为本发明实施例1的基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法的示意图；
图2是飞行时间相机测量原理图。
附图标记
1、放电间距控制装置 2、飞行时间相机 3、电弧发生器
具体实施方式
本发明为了解决传统相机无法对热光源进行成像并计算电弧大小的问题，提供了基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧成像方法。可以实现对热光源进行高分辨率、高对比度的成像。不仅可以提高成像质量，还可以实现快速成像，快速计算测量。
本发明的技术解决方案是：基于放电间距控制装置，飞行时间相机和电弧发生器。从电弧发生器产生的电弧发射散射的光，经过一段自由空间到达探测器的位置，依次改变电弧发生器距离探测器之间的距离，从而收集得到待测物体的像，并将其输入到图像处理模块中。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
本发明的实施例1提出了一种基于飞行时间相机的电弧成像测量方法。如图1所示，基于以下装置，1为放电间距控制装置，2为飞行时间相机，3为电弧发生器。具体工作原理是：电弧发生器3产生的电弧发射散射的光，经过一段自由空间到达探测器器2的位置，依次改变电弧发生器距与探测器之间的距离，从而收集得到高温电弧的像，并经过去噪、比对计算等处理得到电弧的大小。光源需为热光源，探测器为具有空间分辨能力的飞行时间相机(也称为TOF相机)，本实施例使用的飞行时间相机的光源为4个850nm的红外激光二极管，光子透过毛玻璃发散的照射整个场景；相机的镜头处装有红外滤光片，可以滤掉大部分环境光，不受自然光的影响。
本实施例改变电弧发生器和飞行时间相机之间的距离，这里设置的距离共有5组：250mm；300mm；350mm；400mm；450mm；每组距离间隔50mm；没有遮挡物时的散射成像；光路经过待测物体后的光场强度空间分布信号I(x)被具有空间分辨能力的面阵探测器将信号收集得到待测物体的像。
本实施例使用型号是HLT003S-001这款飞行时间相机。该传感器将TOF感应功能与经优化设计的模数转换器(ADC)和通用可编程定时发生器(TG)相结合。该器件以高达16000帧秒的帧速率提供四分之一的视频图形阵列(QVGA 640x 480)分辨率数据。实验中采用4个波长为850nm的红外激光二极管作为光源，经毛玻璃散射成光束，并在相机镜头前加入红外滤光片极大的减少了环境光的影响。实验中设置了5组不同间距,使用控制变量法依次进行实验。
基于飞行时间相机的电弧成像测量方法，具体步骤如下：
1)在保持光路中其他条件不变的情况下，固定探测器位置，改变电弧发生器与探测器的相对位置，使距离由远到近依次变化，然后对通过光路由其反射散射的光场强度分布逐个进行一定时间的曝光拍摄，并将其每次曝光获得的数据依次输出到对应的数据库中并存储。
2)用探测器直接对待测物体进行成像，再分别将探测器中输出的相位图，深度图做一个系统的计算与比较。
3)所述光路中探测后的数据可作为输入，用图像处理单元进行处理,即得到清晰的待测物体的像，将同样位置的振幅图，相位图计算比较。
是对光路通过面阵探测器，探测到其反射散射的光场强度分布按照一定的时间序列同步进行一定时间的曝光拍摄，并将其每次曝光获得的数据输出依次接入图像处理单元，得出像后对成像质量参数进行评价。
在数据采集方面进行了滤波方面的设计，对所采数据进行去噪处理，主要有阈值滤波和中值滤波，分别进行降噪处理。
在进行相应滤波处理前，相机数据会有一些远超过相机测量范围的错误点，这些点需要利用阈值滤波和中值滤波的方法来去除。
由于TOF相机所拍摄的目标物体在内的整个场景的信息，而目标物体的只需要目标物体的信息而不需要除目标物体意外的场景的信息，所以，为了能够从整个场景的三维信息中提取出目标物体的三维数据信息，就需要对获得的三维数据进行目标物体和背景的分离。
通过基于数学形态学开闭重建操作的分水岭分割法，将目标物与背景进行分离。但是由于生成的图像中有噪声点的存在，所以会出现许多极小值点，并且这些极小值点并不是真实的需要分割的区域，采用此方法，会对这些点的存在产生错误的分个，所以在进行分水岭分割之前就需要针对这个问题进行处理。对此，我们采用了一种基于数学形态学开闭运算的分水岭分割法，对图像进行分割。分割过程如下：
第一步：读取图像
第二步：计算分割函数。
采用Sobel算子对图像求横竖两个方向的梯度值，之后利用滤波厚度横竖两个方向的梯度值计算对应的梯度模值，经过处理后，我们得到的处理过的图像在边缘处的像素模值会很大，而其他地方的模值会比较小。
第三步：标记前景
采用形态学的开闭重建方法进行前后景的标记。
开运算是采用先腐蚀后膨胀的方式进行的；而闭运算是采用先膨胀的后腐蚀进行的且这种方法可以保证全局不失真的情况下，排除一些比定义的结构元素小的图像一些特定细节。
基于开运算的重建是一种经过腐蚀后的形态学重建方法，在开操作之后直接做比操作，目的是为了移除较小的噪声点。因此，局部极大值要在基于重建的开闭操作之后的图像上求解。这些过程会留下一些需要移除偏离的孤立点，因此我们利用函数去除少于特定像素个数的斑点。
第四步：标记背景
在经过处理后的图像中，暗像素属于背景，因此可以通过阈值操作实现。由于分割不希望背景的标记位置离分割对象太近，所以通过距离变换的分水岭变换来实现进行分割，然后寻找对应的分水岭脊线，其中距离变换是计算与给定像素最近的N个像素的距离，基本采用的欧式距离计算。
第五步：计算分割函数的分水岭变换
在对前景和背景进行标记后，通过对梯度图像进行形态学重构修改让其只在其前景和背景处有局部极小值，之后应用分水岭分割变换进行图像分割。
4)通过得出的像，与像中的标准参考物进行对比，从而得出电弧大小。
如图2所示，为飞行时间相机的工作原理。
TOF相机根据检测到的回波信号与原始调制信号间的变化值来计算目标物体距离测量系统的距离。公式如下：
Figure BDA0003020336240000061
其中，c：代表空气中光的速度；
Figure BDA0003020336240000062
表示回波信号与调制信号之间的相位差为π/2；fmod：代表调制频率；
本文使用的相机，在该原理基础下，利用4相步连续波调制方法，进行距离数据的测试。用于距离值数据计算的4个相位分别选在0°、180°、90°、270°(即每一次采样间隔为90°)。在一个完整的采样周期内，需要获得回波信号的不同相位的4个强度信息值。分别用来代表，4个强度信息的获取可以根据单个像素的读取的而机构，根据公式来计算出单个像素上的光电转换关系。
Figure BDA0003020336240000063
Figure BDA0003020336240000064
p(t)：代表照射到像素上的入射光功率；g(t)：代表控制门的转换函数；τ：代表和之间的时间延迟；R：代表探测器响应；A(τ)：代表着输出电压值即回波信号的光电转换电压；Tint代表着积分时间。
根据幅值与相位关系，可以计算出相位差值，公式如下：
Figure BDA0003020336240000071
最终得出如下距离数据公式：
Figure BDA0003020336240000072
在已知深度信息后，可以计算出所测目标物的大小值，计算公式如下：
Figure BDA0003020336240000073
图2中，D代表相机镜头与目标物体之间的距离；Dmax表示对应相机所能测量的最远距离值；h：代表相机镜头到传感器之间的距离；x：代表目标物体与相机镜头中心点之间的距离；x’：代表目标物体在感光单元上所对应的像素点与感光单元中心像素点之间的距离；
由于TOF相机用于四个坐标系，分别为物理世界坐标系、相机坐标系、图像像素平面坐标系、成像平面坐标系。
坐标关系如下：
(1)图像像素平面坐标系于成像平面坐标系之间的关系
假设图像平面坐标系原点在图像像素坐标系下的坐标为，每个像素的物理尺寸大小为k*1(单位为mm)，则在图像平面上的任意一点(x，y)对应到图像像素坐标系下，可以表示成如下公式：
Figure BDA0003020336240000074
(2)成像平面坐标系与相机坐标系之间的关系
由于相机一般都采用小孔成像，因此成像平面与相机的镜头所在的平面平行且中心相聚焦距f在同一直线上，同时相机坐标系中的点在成像平面上所成的像点是相机坐标系中的点与相机光心O的连线与成像平面的交点。因此，根据三角形相似原理可知，关系公式如下：
Figure BDA0003020336240000075
(3)物理世界坐标系与相机坐标系之间的关系
由于相机是位于物理世界空间中的一点，所以物理世界坐标系与相机坐标系可以通过旋转或者平移变换进行相互转换，公式如下：
Figure BDA0003020336240000081
其中R、t分别表示旋转矩阵(单位正交矩阵)、平移矩阵，具体可以表示为：
t＝[tx ty tz]T
Figure BDA0003020336240000082
根据以上的相机系统中的四个坐标系之间的关系，可以知道空间中的一点通过以下过程，成像在TOF相机系统里：
根据物理世界坐标系与相机坐标系之间的变换关系，可知P点的相机坐标系下的坐标如下：
Figure BDA0003020336240000083
根据成像平面坐标系与相机坐标系之间的变换关系，空间P点在相机成像平面上的像点的坐标如下所示；
Figure BDA0003020336240000084
最后根据图像像素平面坐标系与成像平面坐标系的变换关系，可以得到空间P点在相机的像素阵列上的相应像素点的坐标，如下公式所示：
Figure BDA0003020336240000085
其中
Figure BDA0003020336240000086
代表物理世界中的点P的齐次坐标表示；fx、fy和分别表示相机在其横轴和纵轴上的焦距，且
Figure BDA0003020336240000087
M34代表物理世界坐标系与图像像素坐标系的变换矩阵。
通过该过程的逆过程，可以得到空间中点的三维位置坐标计算公式：
Figure BDA0003020336240000088
Figure BDA0003020336240000091
Figure BDA0003020336240000092
其中，
Figure BDA0003020336240000093
是在成像平面上的像点与成像平面中心的距离值。
在已知后，便可以轻松计算出目标物体的大小。
实施例2
本发明的实施例2提出了一种基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧成像测量系统，所述系统包括：面阵数据信号采集模块、降噪处理模块、比对处理模块和电弧计算模块；用到的装置还包括：电弧发生器3，用于发出高温电弧产生热光源；所述电弧发生器为热光源发生器；放电间距控制装置1，用于调节电弧发生器的放电电极间距；飞行时间相机2，用于按照一定时序同步曝光拍摄，得到每次曝光拍摄的面阵数据信号；
所述面阵数据信号采集模块，用于固定飞行时间相机的位置，根据预先设定的若干个相对距离，分别调整电弧发生器的位置，并由飞行时间相机对电弧发生器按照设定的曝光时间进行采集，得到面阵数据信号集合，所述面阵数据集合包括若干个对应不同相对距离的面阵数据信号；
所述降噪处理模块，用于对面阵数据集合进行降噪处理；
所述比对处理模块，用于对降噪后的面阵数据集合进行处理，得到未发生电弧的图像信号和发生电弧的图像信号，经对比处理，得到只有电弧的图像信号；
所述电弧计算模块，用于将只有电弧的图像信号与固定的标度尺进行比较，计算得到电弧的大小。
本发明适用范围包括散射成像，非视域成像等。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法，所述方法包括：
固定飞行时间相机的位置，根据预先设定的若干个相对距离，分别调整电弧发生器的位置，并由飞行时间相机对电弧发生器按照设定的曝光时间进行采集，得到面阵数据信号集合，所述面阵数据集合包括若干个对应不同相对距离的面阵数据信号；
对面阵数据集合进行降噪处理；
对降噪后的面阵数据集合进行处理，得到未发生电弧的图像信号和发生电弧的图像信号，经对比处理，得到仅包含电弧的图像信号；
对仅包含电弧的图像信号进行坐标系的转换，并结合飞行时间相机镜头与电弧发生器之间的距离，计算得到高温电弧的大小。
2.根据权利要求1所述的基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法，其特征在于，所述方法还包括：通过放电间距控制装置调节并设定电弧发生器的放电电极间距。
3.根据权利要求2所述的基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法，其特征在于，所述电弧发生器为热光源发生器。
4.根据权利要求3所述的基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法，其特征在于，所述对面阵数据集合进行降噪处理；具体为：采用阈值滤波和中值滤波方法对面阵数据集合进行降噪处理。
5.根据权利要求4所述的基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法，其特征在于，所述对降噪后的面阵数据集合进行处理，得到未发生电弧的图像信号和发生电弧的图像信号，经对比处理，得到只有电弧的图像信号；具体包括：
依次从降噪后的面阵数据集合中读取每个面阵数据信号；采用Sobel算子计算横竖两个方向的梯度值，再分别计算对应的梯度模值，得到边缘处的像素模值大于其他位置像素模值的梯度图像；采用形态学的开闭重建方法进行前后景的标记，以移除噪声点；采用欧式距离计算与给定像素最近的N个像素的距离，通过对距离的阈值判断进行背景的标记；再通过对梯度图像进行形态学重构修改使得前景和背景处有局部极小值，之后应用分水岭分割变换进行图像分割，得到未发生电弧的图像信号和发生电弧的图像信号；进行对比处理，得到仅包含电弧的图像信号。
6.根据权利要求5所述的基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量方法，其特征在于，所述对仅包含电弧的图像信号进行坐标系的转换，并结合飞行时间相机镜头与电弧发生器之间的距离，计算得到高温电弧的大小；具体包括：
根据飞行时间相机的调制信号频率fmod，由下式得到飞行时间相机与电弧发生器之间的距离D为：
Figure FDA0003020336230000021
其中，c为空气中光的速度，
Figure FDA0003020336230000022
为回波信号与调制信号之间的相位差，令
Figure FDA0003020336230000023
由电弧成像平面上的任意点P(x，y)，距离D和飞行时间相机的焦距f，得到在物理世界坐标系中对应点(xw，yw，zw)的三维位置坐标为：
Figure FDA0003020336230000024
Figure FDA0003020336230000025
Figure FDA0003020336230000026
其中，rx,y为成像平面上的点P与成像平面中心的距离值，
Figure FDA0003020336230000027
由电弧在物理世界坐标系中的三维位置坐标，计算得到高温电弧的大小。
7.一种基于飞行时间三维成像测量传感器的电弧测量系统，其特征在于，所述系统包括：面阵数据信号采集模块、降噪处理模块、比对处理模块和电弧计算模块；其中，
所述面阵数据信号采集模块，用于固定飞行时间相机的位置，根据预先设定的若干个相对距离，分别调整电弧发生器的位置，并由飞行时间相机对电弧发生器按照设定的曝光时间进行采集，得到面阵数据信号集合，所述面阵数据集合包括若干个对应不同相对距离的面阵数据信号；
所述降噪处理模块，用于对面阵数据集合进行降噪处理；
所述比对处理模块，用于对降噪后的面阵数据集合进行处理，得到未发生电弧的图像信号和发生电弧的图像信号，经对比处理，得到仅包含电弧的图像信号；
所述电弧计算模块，用于对仅包含电弧的图像信号进行坐标系的转换，并结合飞行时间相机镜头与电弧发生器之间的距离，计算得到高温电弧的大小。
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