CN1598594A - 在空间中确定三维速度场的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在空间中确定三维速度场的方法，通过照射所述空间激发该空间内的粒子发光：a)至少两台相机在至少两个不同时刻(t1，t2)同时对该被观测空间进行拍摄成像；b)把被测空间分为小的体积元素，即体元；c)用一投影方程把位置x，y，z上的每个体元投影到该至少两台相机的图像点(xn，yn)上；d)由测得的相应的相关图像点(xn，yn)的强度重建所有体元的强度；e)合并多个体元形成一个疑问体积；f)通过对两个疑问体积的三维交叉相关，确定在时刻(t1，t2)在同一位置的位移矢量(dx，dy，dz)。

Description

在空间中确定三维速度场的方法
技术领域
本发明涉及一种在空间中确定三维速度场的方法。
背景技术
在粒子图像测速(PIV)法(DE 19928698 A1)中存在一种测量气体或液体速度的标准方法，通过该方法在气体流或液体流中布有小粒子，一个薄观测平面通常以很快的顺序被激光照射两次，并被一个垂直于观测平面放置的照相机拍摄成像，所述照相机能以很快的顺序拍出两张图像。这些由相机拍摄的图像被分成小的疑问窗口，在位置x，y上在两个对其进行拍摄的时刻对所述两个疑问窗口进行交叉相关，以便通过最高的相关峰值确定两个疑问窗口之间最有可能的位移矢量(dx，dy)。因此(dx，dy)就是垂直于相机观测方向的两个位移矢量分量。用时间差dt去除位移矢量就可确定各个疑问窗口内的速度。这样，就用相机得到了被照射平面内的一具有两个速度分量的二维速度场。这种方法的特征在于，它对于成像缺陷和强度噪声，以及无法确定归属的粒子例如已经离开发光板上的粒子有较强抗干扰性。
高速相机在PIV方法中的应用可从DE 4408072 A1中获知。
DE 19801615A1中描述了一种测量流动过程的PIV方法的校准方法。
利用两台相机通过把位移(dx1，dy1和dx2，dy2)立体重组(立体PIV)(DE 19928698 A1)就能确定所有三个速度分量。需要通过适当的校准，如使用校准板，来匹配这两张图像并确定测得的位移(dxn，dyn)与空间位移(dx，dy，dz)间的关系。
可选择地，从美国专利No.6542226 B1中已知一种测量流动分量的系统，其中一台相机测量平面上的两个流动分量，而第二台相机通过计算越过发光板平面的多普勒位移来测量第三个流动分量。
已经开发了各种方法来测量速度场，这些速度场不仅是在平面内，而且还在较大尺寸的空间内。另一方面，例如，使用例如一面旋转的镜子就能够快速移动一发光板穿过一空间，并可用一台合适的高速相机以很快的顺序拍摄若干平面。每个平面都必须被拍摄成像两次的事实极大地限制了(多次)曝光之间的时间间隔和可被拍摄成像的平面的数量。利用能够例如以1kHz的频率拍摄高分辨率的图像和拍摄例如八个平面的现代CMOS相机，可获得最小值为8毫秒的dt，然而这对于许多需要记录高速流的应用场合来说还是太长。而且，平面不是同时拍摄成像的，而是一个接一个成像的。那些包含机械部件的光学装置也相当复杂。
可选择地，如在美国专利No.5883707中所述，也可以以很快的顺序照射若干平面，同时给每个平面均配备一台相机。
另一种方法采用两台或更多相机一次对整个空间拍摄成像(美国专利No.5905568)。在每张用相机拍出的图像中都能找出被观测粒子的位置，并可通过三角测量确定该粒子的(x，y，z)位置。图像1中的粒子位于一条取决于在图像2中的高度z的外极线(epipolar line)上。粒子的速度通过其在不同时刻的位置，利用合适的匹配算法(三维粒子轨迹测速法，3D-PTV)来确定。就象用立体PIV一样，对相机作精确的空间校准是必需的。这种方法的缺点是粒子的密度必须相当低，因为重叠在一起的粒子会导致误差，而且由于在三角测量期间外极线上可能会有太多粒子，从而导致出现并不存在的粒子的幻像。
第三个方法是使用不同的光学系统进行全息照相。用两个激光脉冲以很快的顺序照射粒子，并把全息图存储在摄影用的底板上。由于首先要把图像底板一张一张地冲洗，而且要用CCD相机以很高的成本进行扫描，所以对于经常需要上千张图像以便作为流场的统计根据的工业应用来说，这种方法不适用。
发明内容
下述在空间中确定三维速度场的方法可消除前面提到的缺陷。
同样，该方法也需要通过照射空间来激发空间中的粒子使其发光。还要准备至少两台相机，同时在至少两个不同的时刻t1，t2拍摄图像。通过确定这至少两台相机的相机图像点(xn，yn)的投影方程，在位置(x，y，z)上的同一体元(体积元素)就被从空间中绘制到图像平面上。接下来，测量在该至少两个不同的时刻t1，t2的相机图像点(xn，yn)上的沿视线的体元的强度。通过在对应于体元的图像点(xn，yn)上重组强度，空间中的体元的强度就被重建出来。为确定一个具有例如32×32×32体元的疑问体积，可按照上述步骤在不同时刻t1，t2计算出所有体元的强度。通过三维交叉相关，就可确定两个疑问体积在时刻t1和时刻t2之间在被观测空间中的位移矢量(dx，dy，dz)，从而得到被观测空间的整个速度场。
给出另一种方法，这就是首先从一个确定的空间中选出一个预定大小的体积元素(体元)，该确定空间中布有被激发而发光的粒子，用两台相机从不同角度观测所述体元。在时刻t1，每台相机各拍摄一张图像，同时被相机观测空间内的体元的坐标通过已知的在时刻t1的投影方程被映射在相应一台相机拍摄的图像的点上。在另一时刻t2重复这一过程。从而，每台相机的图像平面上都包含了一个体元在确定时间、确定强度下的投影。这里必须考虑到，沿视线投影到图像平面上的不仅是单独一个体元的强度，被照射的空间中沿该视线的所有体元的强度都汇集到了图像点上。根据从属权利要求3和5中教授的方法，或者类似的线断层重建法(tonographicreconstruction methods)，现在就可以根据投影图像点的强度数学地重建一个体元的强度。确定一个体元的强度还不足以确定三维速度场。需要重复这一步骤，并从而确定被观测空间中多个体元的强度。然后，根据该具有相应强度的多个体元，可以分别在时刻t1和t2计算出所谓疑问体积。这样的疑问体积由例如32×32×32的体元组成。这样由多个体元确定的疑问体积在时刻t1、t2分别具有一确定的强度场。现在就能够通过在时刻t1和t2的疑问体积之间的三维交叉相关来确定位移矢量(dx，dy，dz)，相关系数最高的位移相应地成为两个疑问体积在时刻t1和t2最有可能的位移。为被观测空间中的每个疑问体积都计算出一个位移矢量从而描绘出一个三维速度场。
这种方法的优点在于，由于它不象在3D-PTV方法中那样需要知道具有确定形状的单个粒子的位置，而是用容错统计相关分析法(fault-tolerantstatistical correlation analysis)计算出位移矢量，所以它对各个相机图像中的重叠粒子非常不敏感。错误的体元强度可以从统计上被平均掉，并相对于真实的相关峰值被消除。
为了确定成像参数，该方法需要精确的空间校准作为附加条件，所述校准通常是从一个已知校准板的几个视图计算得到。另外，利用在拍摄到的粒子图像上的自校准有可能部分地或全部确定投影方程的成像参数。在DE 10312696.1中已经公开了这两种变型。
本发明更多的有利的特征以及设计方案在从属权利要求中说明。
更特别地设想，可以为疑问体积选择与相机像素尺寸相同或更小的栅格，这样垂直于相机的被观测平面上的若干体元就等于一个像素xn，yn的大小，并且体元的强度就能通过对相机的的相机图像点xn，yn的强度进行次像素的精确插值而计算得出。这意味着体元将比相机的像素要小，这样就能更精确地确定体元的强度。
更进一步地设想，体元的强度由相应的投影到相机1和2上的图像点的强度的最小值确定。由于图像点可能不仅接纳了一个体元的强度，而且还接纳了沿视线的其它体元的强度，所以图像点的强度可能过高，而相应的由其它相机拍摄的图像点只接纳了一个体元的强度，从而重现了真实的强度。因此把所获得的两个相机的图像点的强度最小值作为进一步计算的基础。
另一个将这种确定强度时的错误减到最少的可行的方法在于，通过倍增代数重建技术(multiplicative algebraic reconstruction technique)来确定一个体元的强度。
在一个有利的变型中，被观测的空间例如在薄层中被照射，被照射较少的体元则位于视线上，从而可以更稳定和更精确地重建体元的强度，同时在另一方面可以确定具有很深的三维深度的一速度场。
附图说明
通过下面结合附图的示例性说明，可以对本发明有更好的理解。
图1所示为被观测空间中的一个疑问体积中的一个体元；
图2为确定一个体元的真实强度问题的示意图。
具体实施方式
在相机10的相机图像中，像素20接收来自体积元素(体元)3和3a的强度计数为160的光。在相机30的相机图像中，像素40只接收来自体积元素3的强度计数为100的光。在重建体元3时，像素20和像素40中的最小强度值为计数为100的正确的体元强度。

Claims (7)

1、一种在一空间中确定一三维速度场的方法，通过照射所述空间激发该空间内的粒子发光，
a)至少两台相机在至少两个不同时刻(t1，t2)同时对该被观测空间进行拍摄成像，
b)把被观测空间分为小的体积元素，即体元，
c)用一投影方程把位置(x，y，z)上的每个体元投影到该至少两台相机的图像点(xn，yn)上，
d)由测得的相应的相关图像点(xn，yn)的强度重建所有体元的强度，
e)合并多个体元形成一个疑问体积，
f)通过对两个疑问体积的三维交叉相关，确定在时刻(t1，t2)在同一位置的位移矢量(dx，dy，dz)。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于：为疑问体积选择等于或小于同等相机像素尺寸的栅格，以使一垂直于相机的被观测平面上的若干体元等于一个像素(xn，yn)的尺寸。
3、根据权利要求2的方法，其特征在于：体元的强度通过对相机的图像点(xn，yn)的强度进行次像素精确插值而计算得出。
4、根据权利要求1的方法，其特征在于：在位置(x，y，z)的体元的强度由相机的投影点(xn，yn)的强度中的最小值确定。
5、根据权利要求4的方法，其特征在于：用本地相机的感光度使相机拍摄的图像规范化。
6、根据权利要求1的方法，其特征在于：在位置(x，y，z)的体元的强度通过倍增代数重建技术-即MART-确定。
7、根据权利要求1的方法，其特征在于：该被测空间仅在几个薄平面内被部分照射。
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