CN116380408A - 基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法及系统 - Google Patents

基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法及系统。测量方法包括：标定成像系统的分辨率和点扩散函数，生成正交型结构光条纹；搭建实验光路，利用激光器和数字微透镜阵列生成正交型结构光条纹，同时在待测流场空间中进行激发；利用光场相机对待测流场双视角进行成像，对成像结果进行三维光场重建；利用结构光超分辨率重建算法，获得不同深度下的粒子超分辨率图像；将超分辨率图像进行叠加；对重构出的时序三维粒子图像进行互相关计算并进行后处理。本发明结合了光场双视角成像的高分辨率三维采集能力和结构光成像的超分辨优点，仅使用单台光场相机即可获得超分辨三维速度矢量场，实现了流场的三维高精度快速测量。

Description

基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法及系统
技术领域
本发明涉及光学测量方法领域，具体涉及一种基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法及系统。
背景技术
流场测速技术对揭示流体的运动规律和机理起到至关重要的作用。粒子图像测速法(PIV)是在传统流动显示技术基础上，利用图形图像处理技术发展起来的一种新型流动测量技术。综合了单点测量技术和显示测量技术的优点，克服了两种测量技术的弱点，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。传统PIV利用向流场中散播的分散示踪粒子，通过脉冲激光片光照射目标流场的切面区域，使用成像记录系统摄取多次曝光的粒子图像，而后利用粒子图像计算速度场。
自20世纪界80年代开始，二维粒子图像测速技术出现并逐渐拓展其应用范围，然而自然界和实际工程问题中的诸多流动现象都是复杂的三维流动，二维速度场不足以完全揭示三维流动现象的机理，因此学者们近几十年来不断研究如何对流体进行精确的三维速度场测量。目前三维PIV技术主要包括扫描PIV、数字离焦PIV、全息PIV和层析PIV等，上述的PIV技术中一般都采用了传统的数码相机或胶片，而近几年发展起来的光场PIV(LF-PIV)则利用光场相机拍摄示踪粒子图像，该技术仅利用单台相机即可实现比较精准的三维速度场测量，其光路布置简单，单台相机的操作过程极为方便，因此在降低成本的同时极大地简化了测量实验的操作过程，尤其适合光学窗口数目较少或者比较狭小时的流场三维测量。
基于单光场相机的粒子图像测速技术，是依靠光场成像来捕捉示踪粒子的三维信息的方法。光场成像是通过在主镜头焦点处增加微透镜阵列实现的。与传统方法相比，光场成像可同时采集位置和角度信息，仅采集一张图片即可实现三维位置信息采集，为三维快速成像提供了便利，从而极大简化了PIV系统。然而，由于光场相机相当于一个结构紧凑、视差较小的相机阵列，拍摄时相机对示踪粒子的总体观察角比较小，导致重构粒子沿光轴方向进行拉长，场强分布呈圆锥形，因此其在光轴上的空间分辨率较低。此外，光场成像通过牺牲横向分辨率而增加成像景深，因此其横向分辨率与传统方法相比较差。虽然可以利用两台光场相机垂直布局进行PIV成像，以提高光场成像的轴向分辨率，但是也只能提高至与其横向分辨率相当的水平，无法实现超分辨成像，因此限制了PIV系统对精细流动的测量。虽然通过结构光激发方法可以提高光场的成像分辨率，但是传统结构光激发方法需要采集9幅图才能实现超分辨成像，极大限制了光场成像的时间分辨率。
发明内容
发明目的：针对现有技术分辨率不高、成像时间长的缺点，本发明提供一种基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法及系统。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法，包括以下步骤：
步骤1、标定成像系统的分辨率和点扩散函数，生成正交型结构光条纹；
步骤2、搭建双视角成像的实验光路，利用激光器和数字微透镜阵列生成正交型结构光条纹，同时在待测流场空间中的X-Y平面和X-Z平面生成结构光条纹进行激发；其中X、Y、Z为经典三维坐标系的三个坐标轴；
步骤3、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，利用光场重聚焦算法对成像结果进行三维光场重建；
步骤4、利用结构光超分辨率重建算法，从光场重建图样中获取待测流场的正视方向和由45度镜面反射的俯视方向不同深度下的结构光条纹频率和相位信息，分别对两个视角的粒子进行超分辨重建，获得不同深度下粒子超分辨率图像的三维正视图像，以及不同深度下粒子超分辨率图像的三维俯视图像；
步骤5、将粒子超分辨率图像的三维正视图像和三维俯视图像进行叠加，得到具有超分辨率的粒子三维分布图像；
步骤6、重建三维速度流场，对重构出的时序三维粒子图像进行互相关计算并进行后处理，获得待测流场的三维速度矢量场。
进一步的，步骤2中所述的搭建双视角成像的实验光路，具体步骤为：激光器发出的激光经过光束放大器放大之后，利用反射镜以特定角度照射在数字微透镜阵列表面，通过数字微透镜阵列加载的条纹生成准直的结构光，利用空间滤波器仅让零级条纹通过，再经过透镜组合放大，对流场空间进行照明。
进一步的，步骤2中所述的激光器在测量时发出波长为532nm的激光。
进一步的，步骤4所述的结构光超分辨率重建算法具体步骤为：
根据卷积定理，说明观测图像的傅里叶变换具有以下形式：
Figure BDA0004168847370000021
其中
Figure BDA0004168847370000022
表示粒子的散射光密度分布，/>
Figure BDA0004168847370000023
是粒子/>
Figure BDA0004168847370000024
的三个圆形区域内频率含量的线性组合，/>
Figure BDA0004168847370000025
为照明正弦强度模式，/>
Figure BDA0004168847370000026
为光学系统的光传递函数OTF，/>
Figure BDA0004168847370000031
为可加性高斯噪声；
在以原点为中心，频谱分量-pθ和pθ为半径的倒数空间内，对应φ1＝0°、φ2＝120°、φ3＝240°三个不同的光照阶段分别获得三张不同的结构光照明显微成像图像
Figure BDA0004168847370000032
根据对应关系可得：
Figure BDA0004168847370000033
其中M为系数矩阵，并且由此可以得到：
Figure BDA0004168847370000034
对此方程中的噪声估计进行维纳滤波，去除所得图像中的背景噪声，改善重建图像的信噪比，再通过去卷积算法将频率分量
Figure BDA0004168847370000035
和/>
Figure BDA0004168847370000036
的中心在倒空间中分别偏移到它们的正确位置(+pθ和-pθ)；通过改变照明正弦图案的角度方向θ，实现不同方向分辨率的提升。
进一步的，所述照明正弦图案的角度方向θ为θ1＝0°、θ2＝90°。
进一步的，步骤5中所述的将超分辨率图像的三维正视图像和三维俯视图像进行叠加，具体操作为将45度镜面反射的俯视方向所得到的超分辨率三维图像进行90度旋转，将旋转后的图像中心与正视图像中心重叠。
进一步的，步骤6中所述的互相关计算具体步骤为：将粒子三维分布图像分为多个尺寸一致的采样体，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，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。
进一步的，步骤6中所述的对流场的三维速度矢量场进行后处理具体步骤为：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。
本发明还提供一种使用所述基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法的系统，包括：
(1)光场相机，包括微距镜头、微透镜阵列和主镜头的工业相机；
(2)结构光照明和双视角成像系统，包括532nm激光器、数字微透镜阵列以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。
进一步的，还包括45度反射镜，该45度反射镜放置于光场上方并面对光场，同时一侧向上倾斜45度设置。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是：
(1)测量所需设备少，仅用单台光场相机即可实现三维超分辨快速成像；
(2)成像空间分辨率高，先利用双视角光场成像方法提高了Z方向的空间分辨率，再利用结构光超分辨率成像实现超分辨成像；
(3)需要采集的图像少，使需要采集的图像由原本的9张减少为3张不同的结构光照明显微成像图像，显著提升成像速度，实现三维流场的高精度快速测量。
附图说明
图1是本发明中测量方法流程示意图；
图2是本发明中测量系统实验装置图；
图3是本发明中结构光超分辨率成像的原理示意图；
图4是本发明中粒子三维重建的原理示意图。
具体实施方式
如图1，本实施例中的一种基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法，包括以下步骤：
步骤1、标定成像系统的分辨率和点扩散函数，由分辨率计算应生成的结构光条纹宽度，生成两个视角所需的正交型结构光条纹。
步骤2、搭建双视角成像的实验光路，激光器发出的532nm激光经过光束放大器放大之后，利用反射镜以特定角度照射在数字微透镜阵列表面，通过数字微透镜阵列加载的条纹生成准直的结构光，利用空间滤波器仅让零级条纹通过，再经过透镜组合放大，对流场空间进行照明。利用激光器和数字微透镜阵列生成正交型结构光条纹，同时在待测流场空间中的X-Y平面和X-Z平面生成结构光条纹进行激发；其中X、Y、Z为经典三维坐标系的三个坐标轴。
步骤3、在待测流场中撒布示踪粒子，利用已经加载在数字微透镜阵列上的条纹生成所需结构光对测试流场进行照明，并利用光场相机在测试流场的测试方向进行正视方向和由45度镜面反射的俯视方向双视角成像，对拍摄到的图像进行光场重建，得到示踪粒子被结构光激发的三维光场图像。
步骤4、利用结构光超分辨率重建算法，从光场重建图样中获取待测流场的正视方向和由45度镜面反射的俯视方向不同深度下的结构光条纹频率和相位信息，分别对两个视角的粒子进行超分辨重建，获得不同深度下粒子超分辨率图像的三维正视图像，以及不同深度下粒子超分辨率图像的三维俯视图像。
结构光成像方法提高分辨率的原理如图3所示，在空间频率域中，传统光学系统只能采集到其光学传递函数截止频率以内的信号，即图3(b)所示的圆形可观测区域。在结构光激发时，可以通过生成莫尔条纹，如图3(a)，将粒子的高频信号耦合到系统可以采集的低频图像中，从而提高系统采集高频信号的能力，实现成像系统分辨率的提升。
结构光超分辨率重建算法具体步骤为：
根据卷积定理，说明观测图像的傅里叶变换具有以下形式：
Figure BDA0004168847370000051
其中
Figure BDA0004168847370000052
表示粒子的散射光密度分布，/>
Figure BDA0004168847370000053
是粒子/>
Figure BDA0004168847370000054
的三个圆形区域内频率含量的线性组合，/>
Figure BDA0004168847370000055
为照明正弦强度模式，/>
Figure BDA0004168847370000056
为光学系统的光传递函数OTF，/>
Figure BDA0004168847370000057
为可加性高斯噪声；
在以原点为中心，频谱分量-pθ和pθ为半径的倒数空间内，如图3(c),对应φ1＝0°、φ2＝120°、φ3＝240°三个不同的光照阶段分别获得三张不同的结构光照明显微成像图像
Figure BDA0004168847370000058
根据对应关系可得：
Figure BDA0004168847370000059
其中M为系数矩阵，并且由此可以得到：
Figure BDA00041688473700000510
对此方程中的噪声估计进行维纳滤波，去除所得图像中的背景噪声，改善重建图像的信噪比，再通过去卷积算法将频率分量
Figure BDA0004168847370000061
和/>
Figure BDA0004168847370000062
的中心在倒空间中分别偏移到它们的正确位置(+pθ和-pθ)。
通过改变照明正弦图案的角度方向θ，可实现不同方向分辨率的提升。在本发明中使用的正交结构光的θ1＝0°、θ2＝90°。结构光激发时，可采集到系统两倍截止频率内的信息，由此重建出的图像分辨率可达传统系统图像的两倍。
步骤5、将粒子超分辨率图像的三维正视图像和三维俯视图像进行叠加，具体操作为将45度镜面反射的俯视方向所得到的超分辨率三维图像进行90度旋转，将旋转后的图像中心与正视图像中心重叠，得到具有超分辨率的粒子三维分布图像。
步骤6、重建三维速度流场，对重构出的时序三维粒子图像进行互相关计算：将粒子三维分布图像分为多个尺寸一致的采样体，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，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。再进行后处理：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。获得待测流场的三维速度矢量场。
本发明还提供一种基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量系统，包括：
(1)光场相机，包括微距镜头、微透镜阵列和主镜头的工业相机；
(2)结构光照明和双视角成像系统，包括532nm激光器、数字微透镜阵列以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。
测量系统还包括45度反射镜，该45度反射镜放置于光场上方并面对光场，同时一侧向上倾斜45度设置。

Claims (10)

1.一种基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、标定成像系统的分辨率和点扩散函数，生成正交型结构光条纹；
步骤2、搭建双视角成像的实验光路，利用激光器和数字微透镜阵列生成正交型结构光条纹，同时在待测流场空间中的X-Y平面和X-Z平面生成结构光条纹进行激发；其中X、Y、Z为经典三维坐标系的三个坐标轴；
步骤3、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，利用光场重聚焦算法对成像结果进行三维光场重建；
步骤4、利用结构光超分辨率重建算法，从光场重建图样中获取待测流场的正视方向和由45度镜面反射的俯视方向不同深度下的结构光条纹频率和相位信息，分别对两个视角的粒子进行超分辨重建，获得不同深度下粒子超分辨率图像的三维正视图像，以及不同深度下粒子超分辨率图像的三维俯视图像；
步骤5、将粒子超分辨率图像的三维正视图像和三维俯视图像进行叠加，得到具有超分辨率的粒子三维分布图像；
步骤6、重建三维速度流场，对重构出的时序三维粒子图像进行互相关计算并进行后处理，获得待测流场的三维速度矢量场。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤2中所述的搭建双视角成像的实验光路，具体步骤为：激光器发出的激光经过光束放大器放大之后，利用反射镜以特定角度照射在数字微透镜阵列表面，通过数字微透镜阵列加载的条纹生成准直的结构光，利用空间滤波器仅让零级条纹通过，再经过透镜组合放大，对流场空间进行照明。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤2中所述的激光器在测量时发出波长为532nm的激光。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤4所述的结构光超分辨率重建算法具体步骤为：
根据卷积定理，说明观测图像的傅里叶变换具有以下形式：
Figure FDA0004168847360000011
其中
Figure FDA0004168847360000012
表示粒子的散射光密度分布，/>
Figure FDA0004168847360000013
是粒子/>
Figure FDA0004168847360000014
的三个圆形区域内频率含量的线性组合，/>
Figure FDA0004168847360000015
为照明正弦强度模式，/>
Figure FDA0004168847360000016
为光学系统的光传递函数OTF，/>
Figure FDA0004168847360000017
为可加性高斯噪声；
在以原点为中心，频谱分量-pθ和pθ为半径的倒数空间内，对应φ1＝0°、φ2＝120°、φ3＝240°三个不同的光照阶段分别获得三张不同的结构光照明显微成像图像
Figure FDA0004168847360000021
根据对应关系可得：
Figure FDA0004168847360000022
其中M为系数矩阵，并且由此可以得到：
Figure FDA0004168847360000023
对此方程中的噪声估计进行维纳滤波，去除所得图像中的背景噪声，改善重建图像的信噪比，再通过去卷积算法将频率分量
Figure FDA0004168847360000024
和/>
Figure FDA0004168847360000025
的中心在倒空间中分别偏移到它们的正确位置(+pθ和-pθ)；通过改变照明正弦图案的角度方向θ，实现不同方向分辨率的提升。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述照明正弦图案的角度方向θ为θ1＝0°、θ2＝90°。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤5中所述的将超分辨率图像的三维正视图像和三维俯视图像进行叠加，具体操作为将45度镜面反射的俯视方向所得到的超分辨率三维图像进行90度旋转，将旋转后的图像中心与正视图像中心重叠。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤6中所述的互相关计算具体步骤为：将粒子三维分布图像分为多个尺寸一致的采样体，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，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。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤6中所述的对流场的三维速度矢量场进行后处理具体步骤为：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。
9.一种使用如权利要求1至8中任一项所述基于结构光和光场成像的三维超分辨流场测量方法的系统，其特征在于，包括：
(1)光场相机，包括微距镜头、微透镜阵列和主镜头的工业相机；
(2)结构光照明和双视角成像系统，包括532nm激光器、数字微透镜阵列以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。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括45度反射镜，该45度反射镜放置于光场上方并面对光场，同时一侧向上倾斜45度设置。
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