CN116678584A - 基于结构光编码和双视角光场成像的流场测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于结构光编码和双视角光场成像的流场测量方法及系统，所述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；搭建激发光路，产生三个不同颜色且相位相差120°的正交型结构光；在相机单次曝光时间内采集三个相位的结构光条纹；搭建光场双视角成像的实验光路，对三个不同相位的结构光照明下成像结果进行光场重建；对双视角下的光场图像进行结构光超分辨重建，得到粒子在Y和Z方向的超分辨率图像；将超分辨率图像双视角像进行叠加，得到超分辨粒子三维分布图像；对超分辨粒子三维分布图像进行互相关计算，并对流场的三维速度矢量场进行后处理。
Description
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编码和双视角光场成像的流场测量方法及系统。
背景技术
二维粒子图像速度测量技术是20世纪70年代末发展起来的一种流体测速方法,与激光多普勒测速﹑热线风速仪等单点测速手段相比,其具有瞬态、多点、无接触式的优点。然而由于基础科学研究和实际工程应用中的诸多流动现象都具有复杂的三维特征,二维流场的速度信息不足以反映流动现象的数学物理本质,因此,如何精确测量三维速度场成为了近几十年来粒子成像测速(PIV)领域的一个研究热点。
目前的三维流场测试技术主要包括以下几种。
(1)扫描PIV。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，但是其结构复杂，且受扫描速度的限制，无法实现高速三维成像。
(2)散焦PIV。其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，无法对高速运动的流场进行成像测量。
(3)全息PIV。其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。
(4)合成孔径PIV。这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。
不同于上述的三维PIV测试技术,光场PIV(LF-PIV)是一种近些年来发展起来的能够仅利用单台相机即可比较精准测量三维速度场的PIV技术,其既不需要复杂的光路系统，又不需要多台相机,因此极大简化了试验操作难度并降低了硬件成本,特别适合光学窗口较少情形下的流体三维速度场测量。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。并且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成像可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。
发明内容
发明目的：针对现有技术所需设备多、空间分辨率低的缺点，本发明提供一种基于结构光编码和双视角光场成像的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编码和双视角光场成像的流场测量方法，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，生成三个不同相位的正交型结构光条纹；
步骤2、搭建激发光路，调制数字微镜阵列与三台激光器之间的触发信号，依次在成像区域产生三个不同颜色且相位相差120°的正交型结构光；
步骤3、调节相机曝光时间与数字微镜阵列之间的配合关系，在相机单次曝光时间内采集三个相位的结构光条纹；
步骤4、搭建光场双视角成像的实验光路，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，对三个不同相位的结构光照明下成像结果进行光场重建；
步骤5、从光场重建图样中获取正视方向和由45度镜面反射的俯视方向两个视角不同深度下的结构光条纹空间信息，提取结构光的频率和相位信息，根据结构光频率和相位，对双视角下的光场图像进行结构光超分辨重建，得到粒子超分辨率图像的三维正视图像，以及粒子超分辨率图像的三维俯视图像；
步骤6、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7、对粒子三维分布图像进行互相关计算，获得待测流场的三维速度矢量场，并对流场的三维速度矢量场进行后处理。
进一步的，步骤2中所述搭建激发光路，具体步骤为：将三台激光器发出的三色激光经过光路汇聚，利用反射镜照射在调制数字微镜阵列表面，通过调制数字微镜阵列加载的条纹生成准直的结构光，利用空间滤波器选择零级条纹，再经过透镜组合放大对流场空间进行激发照明。
进一步的，所述三色激光波长分别为405nm、532nm和650nm。
进一步的，步骤5中所述的进行结构光超分辨重建具体操作为：对图像进行维纳滤波，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和/>的中心在频率域空间中分别偏移到它们的正确位置(+pθ和-pθ)，采集了两倍的信息量，实现对重聚焦图像的超分辨重建。
进一步的，步骤6中所述超分辨率粒子三维分布图像，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超分辨率重建，得到三维流场速度。
进一步的，步骤7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7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编码和双视角光场成像的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光场成像系统，照明包括三台不同波长的激光器、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。
进一步的，三台的激光器发出的波长分别为405nm、532nm和650nm。
有益效果：本发明相对于现有技术，具有如下显著优点：
(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，创新性地使用了结构光彩色编码方法，使需要采集的图像由原本的三个方向三个相位的9张图像变为单方向同时包含三个相位的1张图像，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是本发明流程示意图；
图2是本发明实验装置图；
图3是本发明结构光颜色编码的原理示意图；
图4是本发明三维流场重建原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中的一种基于结构光编码和双视角光场成像的流场测量方法，具体步骤如下：
步骤1、标定成像系统的分辨率和点扩散函数，生成三个不同相位的正交型结构光条纹。
步骤2、搭建激发光路，将三台激光器发出的波长分别为405nm、532nm和650nm的三色激光经过光路汇聚，利用反射镜照射在调制数字微镜阵列表面，通过调制数字微镜阵列加载的条纹生成准直的结构光，利用空间滤波器选择零级条纹，再经过透镜组合放大对流场空间进行激发照明，调制数字微镜阵列与三台激光器之间的触发信号，依次在成像区域产生三个不同颜色且相位相差120°的正交型结构光。
步骤3、调节相机曝光时间与数字微镜阵列之间的配合关系，在相机单次曝光时间内采集三个相位的结构光条纹。
步骤4、搭建光场双视角成像的实验光路，在待测流场中撒布示踪粒子，利用光路激发系统对测试流场进行照明，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，得到示踪粒子被三个相位的结构光照明下的光场图像，对成像结果进行光场重建。
步骤5、从光场重建图样中获取正视方向和由45度镜面反射的俯视方向两个视角不同深度下的结构光条纹空间信息，提取结构光的频率和相位信息，根据结构光频率和相位，对双视角下的光场图像进行结构光超分辨重建，得到粒子超分辨率图像的三维正视图像，以及粒子超分辨率图像的三维俯视图像。进行结构光超分辨重建的具体步骤为：
对图像进行维纳滤波，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和/>的中心在频率域空间中分别偏移到它们的正确位置(+pθ和-pθ)，采集了两倍的信息量，实现对重聚焦图像的超分辨重建。
步骤6、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，对两个图像进行融合叠加，得到超分辨粒子三维分布图像。
步骤7、对超分辨粒子三维分布图像进行互相关计算，获取流场的三维速度矢量场；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，获得高精度三维流场。
本实施例还提供一种基于结构光编码和双视角光场成像的流场测量方法的测量系统，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光场成像系统，照明包括三台不同波长的激光器、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)
1.一种基于结构光编码和双视角光场成像的流场测量方法，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，生成三个不同相位的正交型结构光条纹；
步骤2、搭建激发光路，调制数字微镜阵列与三台激光器之间的触发信号，依次在成像区域产生三个不同颜色且相位相差120°的正交型结构光；
步骤3、调节相机曝光时间与数字微镜阵列之间的配合关系，在相机单次曝光时间内采集三个相位的结构光条纹；
步骤4、搭建光场双视角成像的实验光路，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，对三个不同相位的结构光照明下成像结果进行光场重建；
步骤5、从光场重建图样中获取正视方向和由45度镜面反射的俯视方向两个视角不同深度下的结构光条纹空间信息，提取结构光的频率和相位信息，根据结构光频率和相位，对双视角下的光场图像进行结构光超分辨重建，得到粒子超分辨率图像的三维正视图像，以及粒子超分辨率图像的三维俯视图像；
步骤6、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7、对粒子三维分布图像进行互相关计算，获得待测流场的三维速度矢量场，并对流场的三维速度矢量场进行后处理。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤2中所述搭建激发光路，具体步骤为：将三台激光器发出的三色激光经过光路汇聚，利用反射镜照射在调制数字微镜阵列表面，通过调制数字微镜阵列加载的条纹生成准直的结构光，利用空间滤波器选择零级条纹，再经过透镜组合放大对流场空间进行激发照明。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述三色激光波长分别为405nm、532nm和650nm。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤5中所述的进行结构光超分辨重建具体操作为：对图像进行维纳滤波，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和S(k-pθ)的中心在频率域空间中分别偏移到它们的正确位置(+pθ和-pθ)，采集了两倍的信息量，实现对重聚焦图像的超分辨重建。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤6中所述超分辨率粒子三维分布图像，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超分辨率重建，得到三维流场速度。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤7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。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤7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。
8.一种使用如权利要求1至8中任一项所述基于结构光编码和双视角光场成像的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光场成像系统，照明包括三台不同波长的激光器、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。
9.根据权利要求8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。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，三台的激光器发出的波长分别为405nm、532nm和650nm。
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