CN115436658A - 基于单光场相机双视角的高分辨率三维流场测试方法及系统 - Google Patents

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谭慧俊
朱之京
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Abstract

本发明提出了一种基于单光场相机双视角的高分辨率三维流场测试方法及系统。方法包括：利用光场相机对待测流场的正视方向和由45度镜面反射的俯视方向进行成像，获取待测流场的时序粒子光场图像；基于光场原理，对光场图像进行重构，分别获得两个视角的粒子三维图像；将重构出的正视图像和俯视图像进行叠加，得到精确的粒子三维图像；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。该系统利用双视角的叠加，提高了光场成像的轴向分辨率。本发明能通过单个光场相机获得精确的流场三维速度矢量场，相比于现有的双光场相机等三维流场测试方法，降低了三维PIV系统的成本，简化了系统操作，适用于受限光学访问空间下的三维流场高精度测量。

Description

基于单光场相机双视角的高分辨率三维流场测试方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于单光场相机双视角的高分辨率三维流场测试方法及系统。
背景技术
粒子图像测速(PIV)技术最早期的研究可以追溯到上世纪70年代末，经过四十多年的研究发展，PIV已经成为一种成熟的流动测量技术，具有非接触式、流动结构可视化和全流场测量等优势,被广泛应用于实验流体力学、空气动力学、仿生流体力学、进气道机械和燃烧等诸多研究领域。为了满足研究中对流动的三维三分量速度场测试的需求，近十几年间，研究人员致力于开发各种全场三维流动测试技术。
目前已经有多种三维流场测试技术。其中扫描PIV通过使用二维激光平面和特制的机械装置扫描三维流场，实现流场的三维测量，但是存在机械结构和扫描时间的限制。散焦PIV通过使用相机镜头附近的特定光圈来消除颗粒不在焦平面内时的模糊现象。然而，散焦PIV技术的示踪粒子密度受到严重限制，而且使用光圈会大大减少收集的光量，无法对高速运动的流场进行成像测量。全息PIV通过记录相干光束经过粒子体积时产生的干涉图案(全息图)来还原得到示踪粒子的体积位置。通常情况下，需要用特殊的全息投影膜来记录示踪粒子的干涉图案，这个步骤过于繁琐而且耗时。近年来，数字全息PIV取得了很大的进展，但仍存在分辨率较低和重建速度矢量不足的问题。层析PIV使用多台相机从不同角度记录示踪粒子信息，并通过层析成像技术重建三维速度矢量场，已经被广泛用于流动领域，但是需要复杂且昂贵的相机阵列系统以及繁琐的系统调试。合成孔径PIV是另一种多相机三维PIV技术，但与层析PIV相比，它需要使用更多的相机(通常是8到15台)。光场PIV作为合成孔径PIV的替代，在一台相机前放置一个微透镜阵列(MLA)从而取代了多台相机，相比于其它方法，光场PIV极大简化了PIV系统，但是对于单光场相机重构出的图像存在轴向分辨率相对于横向分辨率较低的问题，导致三维高分辨率流场测量十分困难。双光场PIV虽然能有效解决图像轴向分辨率低的问题，但是增加了系统的成本和复杂程度，更为重要的是极大地限制了在受限光学访问空间中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于单光场相机双视角的高分辨率三维流场测试方法及系统，该系统通过在成像区域上方增加反射镜，便可用一台光场相机同时从两个视角对待测流场进行三维成像。通过对双视角图像进行叠加，可实现基于各向同性高空间分辨率三维成像。该系统解决了单光场相机轴向分辨率较差问题，实现了单光场相机对三维流场的高精度测量，并且拓宽了光场PIV系统在受限光学访问空间中的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本申请第一个方面提供了一种基于单光场相机双视角的三维流场测试方法，包括：
(1).将激光放大为一束平行的体积光激发示踪粒子，在待测流场上方放置一个45度的反射镜；
(2).利用光场相机对待测流场的正视方向和由45度镜面反射的俯视方向进行成像，获取流场的时序粒子光场图像；
(3).对光场系统的三维位置进行校准，并对俯视图像的透视误差进行矫正；
(4).基于光场原理，分别对光场图像的正视图像和俯视图像进行重构，获得重构粒子场的三维正视图像和三维俯视图像；
(5).将重构粒子场的正视图像和俯视图像进行叠加，得到精确的粒子三维分布图像；
(6).对重构出的时序三维粒子图像进行互相关计算，获得待测流场的三维速度矢量场；
(7).对流场的三维速度矢量场进行后处理，去除速度矢量场中的错误速度矢量，并根据相邻速度矢量场插入正确的速度矢量。
本申请第二个方面提供了一种基于单光场相机双视角的三维流场测试方法，包括：
(1)光场相机，由微距镜头、微透镜阵列、主镜头和工业相机构成；
(2)体积光照明和多视角成像，包括反射镜和532nm激光源及透镜组合的光学系统；
(3)数据处理器，通过获得的时序粒子光场图像，用数据处理器来重构出三维流场速度矢量场。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本申请能实现单个光场相机对受限光学访问空间下的三维流场高精度测量，解决了光场轴向分辨率低的问题。单光场相机替代多个(光场)相机系统或特殊光学元件，降低了三维PIV系统的成本，极大简化了系统的配置和操作，有效地促进了对三维流场的高精度测量研究。
附图说明
图1是本发明中的单光场相机双视角三维流场测速方法流程示意图；
图2是本发明中的单光场相机双视角三维流场测速方法原理示意图；
图3是本发明中的光场相机原理示意图以及与传统相机的区别；
图4是本发明中的光场三维位置校准方法示意图。
具体实施方式
请结合图1至图4所示，本发明提供一种基于单光场相机双视角的三维流场测试方法，包括以下步骤：
第一步：如图2(a)中所示,在待测流场中均匀撒布示踪粒子，用532nm激光源依次通过凹透镜和凸透镜放大为一束平行的体积光激发示踪粒子，在待测流场上方放置一个与流场上平面呈45度的反射镜。
第二步：利用光场相机对待测流场的正视方向和由45度镜面反射的俯视方向进行成像，获取流场的时序粒子光场图像，并将记录双视角的光场图像划分为正视图像和俯视图像。
第三步：对光场系统的三维位置进行校准，并对俯视图像的透视误差进行矫正。图3体现了光场相机的基本特征，光场相机用微透镜平面(s,t)和传感器平面(u,v)构造了一个4D光场(s,t,u,v)，其中反映了真实物理坐标(X,Y,Z)的信息。校准过程便是构造4D光场(s,t,u,v)与真实物理坐标(X,Y,Z)的关系，如图4(a)、4(b)所示,用标定板对光场的成像区域进行校准，采用直接光场校准算法。取21个不同深度的多个点样构造校准矩阵：
Figure BDA0003772588410000031
s＝[s0(u0,v0) s1(u0,v0) s2(u0,v0) … s0(u1,v0) … sn(um,vm)]T
t＝[t0(u0,v0) t1(u0,v0) t2(u0,v0) … t0(u1,v0) … tn(um,vm)]T
其中(Xi,Yi,Zi)为点样真实物理坐标，(si,ti)为主透镜后微透镜坐标，(ui,vj)为微透镜后像素坐标。i，j为自0开始的整数，n为所取点样的数量，m为微透镜后沿一个方向的像素数目。
采用最小二乘法求解出校准系数矩阵：
as＝A\s
at＝A\t
即得到光场图像(s,t,u,v)与真实物理坐标(X,Y,Z)的函数关系，轴向位置系统误差如图(c)所示，同时该校准方法还能矫正俯视方向图像的透视误差问题，以便俯视方向图像和正视方向图像在叠加时三维位置间的一一对应。
第四步：利用光场图像的重聚焦性质，重构出粒子的三维分布。分别对光场图像的正视图像和俯视图像进行重构，光场相机相当于一个紧凑的相机阵列，根据方程：
E(X,Y,Z)＝∫∫L(u,v,Ps(X,Y,Z,u,v),Pt(X,Y,Z,u,v))dudv
对不同方向的视角进行不同程度的偏移和叠加便可以完成三维粒子场轴向方向的重构。其中E为粒子场的强度；Pi函数由第三步的校准系数得到。
在叠加的过程中，通过设定背景强度阈值和有效投影百分比阈值对光场图像进行粒子和背景的分离，能有效地去除背景噪声和模糊粒子的影响，方法如下：
Figure BDA0003772588410000041
Figure BDA0003772588410000042
其中n有效为叠加视角大于背景强度阈值的数目，n总为叠加视角的总数目，V为有效投影百分比。
第五步：如图2(b)所示，单视角重构出的粒子场沿轴向有着明显的拉伸效应，将重构粒子场的俯视图像旋转90度与重构粒子场的正视图像进行叠加，最终得到高精度的粒子三维体素矩阵；
第六步：对时序粒子三维体素矩阵进行互相关计算，获取流场的三维速度矢量场。将粒子三维体素矩阵划分一个个小的尺寸一致的采样体，通过对连续两帧体素矩阵的对应采样体进行傅里叶变换相乘，然后对频率域的乘积进行傅里叶反变换即可得到该采用区域的互相关函数，进一步求出整个流场的三维速度矢量场；
第七步：对流场的三维速度矢量场进行后处理，去除速度矢量场中的错误速度矢量，并根据相邻速度矢量插入正确的速度矢量。
本申请还提供了一种三维流场测试系统，包括：
(1).光场相机，包括微距镜头、微透镜阵列、主镜头和工业相机；
(2).体积光照明和多视角成像，包括反射镜和532nm激光源及透镜组合的光学系统；
(3).数据处理器，通过获得的时序粒子光场图像，利用数据处理器来重构出三维流场速度矢量场。
综上所述，本申请通过对双视角光场图像进行叠加，提高了单光场相机的轴向分辨率，实现了单个光场相机对受限光学访问空间下的三维流场进行高精度测量。单光场相机替代多个(光场)相机系统或特殊光学元件，相比于现有多(光场)相机三维流场测试方法，降低了三维PIV系统的成本，极大简化了系统的配置和操作，特别适用于受限光学访问空间下的三维流场高精度测量，对三维流场测量研究起到了促进作用。
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。应当指出，对于本技术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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于单光场相机双视角的三维流场测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1).将激光放大为一束平行的体积光激发示踪粒子，在待测流场上方放置一个45度的反射镜；
(2).利用光场相机对待测流场的正视方向和由45度镜面反射的俯视方向进行成像，获取流场中示踪粒子的时序粒子光场图像；
(3).对光场系统的三维位置进行校准，并对俯视图像的透视误差进行矫正；
(4).基于光场原理，分别对光场图像的正视图像和俯视图像进行重构，获得重构粒子场的三维正视图像和三维俯视图像；
(5).将重构粒子场的三维正视图像和三维俯视图像进行叠加，得到精确的粒子三维分布图像；
(6).对重构出的时序三维粒子图像进行互相关计算，获得待测流场的三维速度矢量场；
(7).对流场的三维速度矢量场进行后处理，去除速度矢量场中的错误速度矢量，并根据相邻速度矢量场插入正确的速度矢量。
2.根据权利要求1所述的一种基于单光场相机双视角的三维流场测试方法，其特征在于，步骤(1)中，在待测流场中均匀撒布示踪粒子，用532nm激光源依次通过凹透镜和凸透镜放大为一束平行的体积光激发示踪粒子。
3.根据权利要求1所述的一种基于单光场相机双视角的三维流场测试方法，其特征在于，步骤(2)中，在待测流场上方放置一个与俯视平面呈45度的反射镜，利用单个光场相机对待测流场的正视方向和俯视方向同时进行成像，获取流场的时序粒子光场图像,包括正视方向的图像和俯视方向的图像。
4.根据权利要求1所述的一种基于单光场相机双视角的三维流场测试方法，其特征在于，步骤(2)中，所述三维粒子重构，是指利用光场图像的重聚焦性质，还原出示踪粒子的三维空间分布。
5.根据权利要求4所述的一种基于单光场相机双视角的三维流场测试方法，其特征在于，所述三维粒子重构，包括:光场滤波重聚焦算法、俯视图像的透视误差矫正算法和粒子三维图像空间位置的校准算法。
6.根据权利要求1所述的一种基于单光场相机双视角的三维流场测试方法，其特征在于，步骤(3)中，所述精确的粒子三维分布，是指利用双视角粒子三维图像的叠加，消除单视角粒子三维图像的轴向拉伸影响，实现重构三维粒子位置及形状的高分辨率重建，从而得到精确的三维流场速度。
7.根据权利要求6所述的一种基于单光场相机双视角的三维流场测试方法，其特征在于，所述精确的粒子三维分布，包括：实现不同视角粒子三维图像叠加的算法和重构粒子三维图像质量评估的算法。
8.一种实现权利要求1至7中任一项所述三维流场测试方法的三维流场测试系统，其特征在于，包括:
(1).光场相机，包括微距镜头、微透镜阵列、主镜头和工业相机；
(2).体积光照明和多视角成像，包括反射镜和532nm激光源及透镜组合的光学系统；
(3).数据处理器，通过获得的时序粒子光场图像，用数据处理器来重构出三维流场速度矢量场。
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