一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法技术

一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法，本发明专利技术涉及应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有重聚焦图像精度受空间分辨率制约导致温度重建的精度低，以及现有重聚焦图像分块明显的不足导致火焰内部相应位置处的温度分布精确度低的问题。过程为：由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像；对光场成像多像素提取得到子孔径图像，根据子孔径图像得到火焰的光场重聚焦图像；运用小波阈值变换对光场重聚焦图像降噪，得到降噪图像；运用Lucy‑Richardson解卷积方法对降噪图像进行复原，得到复原降噪图像；得到重建火焰的温度。本发明专利技术用于高温火焰温度重建过程中的火焰成像仿真技术领域。

A method of temperature reconstruction applied to focus field imaging of Flame Field

The invention relates to a temperature reconstruction method for flame light field re-focusing imaging, which relates to a temperature reconstruction method for flame light field re-focusing imaging. The object of the present invention is to solve the problem that the accuracy of the existing focused image is limited by the spatial resolution, which leads to the low precision of temperature reconstruction, and the obvious shortage of the existing focused image partitioning leads to the low precision of temperature distribution at the corresponding position in the flame. The process is as follows: taking the flame by the light field camera and recording the image of the light field; extracting the sub-aperture image from the multi-pixel image of the light field imaging; getting the re-focusing image of the flame according to the sub-aperture image; using wavelet threshold transform to de-noise the re-focusing image of the light field, getting the de-noising image; using Lucy Richardson deconvolution method. The noise reduction image is restored and the reconstructed noise reduction image is obtained, and the temperature of the reconstructed flame is obtained. The invention is used in the flame imaging simulation technology field of high temperature flame temperature reconstruction.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法
本专利技术涉及高温火焰温度重建过程中的火焰成像仿真技术，尤其涉及应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法。
技术介绍
发电供热行业正在经历经济和环境的重大变化。尽管可再生能源的比例将继续增长，化石燃料仍将是今后几代人及许多国家能源的主要来源。火焰温度场分布是判断燃料燃烧状态的重要标准，因而火焰内部温度精确的探测是亟待解决的问题。目前,火焰物理参数的重建方法可以分为两大类，即接触式方法与非接触式方法。相比接触式探测方法，非接触式探测方法中的辐射光谱探测方法实现了测量范围宽、动态响应快、对流场影响小等优点。光场相机因其具有能够收集多角度光场信息的优点，是应用在火焰探测的一种新兴的非接触式光谱辐射探测方法。将光场相机的重聚焦能力应用到火焰内部温度重建，是一种值得深入研究的高效方法。图像噪声的去除方法研究一直伴随在提高光场成像分辨率的进程中，尤其对火焰温度重建的精度起着关键作用。图像去噪的一般方法是，根据噪声能量一般集中于高频，而信号频谱则分布于一个有限区间的这一特点，用傅立叶变换将含噪信号变换到频域，然后采用低通滤波的方法进行滤波去噪。然而,由于图像的细节也分布在高频区域，所以这种方法在去除图像噪声的同时也会将图像的边缘平滑，失去图像的一些细节信息。因此图像去噪的一个两难的问题,就是如何在降低噪声和保留图像细节上保持平衡。即去除火焰光场成像的噪声同时保留火焰的细节信息例如火焰边界温度梯度的变化。小波变换因其具有良好的时频局部化性质，为解决上述问题提供了良好的工具。用小波变换将含噪信号变换到小波域，可以采用多分辨分析，这将能够非常好地刻画信号的非平稳特性,如边缘、尖峰、断点等，以便于特征的提取。因此，小波变换现今已成为图像降噪的主流方法。它可以对图像实现多尺度的分解，在图像小波分解的过程中噪声部分会被散发至高频信号中，然后再采用常见的滤波技术处理高频信号，而达到消减噪声的目的。但小波变换尚未被用于针对火焰光场成像的降噪。综上，现有重聚焦图像精度受空间分辨率制约导致温度重建的精度低，以及现有重聚焦图像分块明显的不足导致火焰内部相应位置处的温度分布精确度低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有重聚焦图像精度受空间分辨率制约导致温度重建的精度低，以及现有重聚焦图像分块明显的不足导致火焰内部相应位置处的温度分布精确度低的问题，而提出一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法。一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法具体过程为：步骤一：由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像；步骤二：对光场成像多像素提取得到子孔径图像，根据子孔径图像得到火焰的光场重聚焦图像；步骤三：运用小波阈值变换对光场重聚焦图像降噪，得到降噪图像；步骤四：运用Lucy-Richardson解卷积方法对降噪图像进行复原，得到复原降噪图像；步骤五：根据复原降噪图像灰度与黑体辐射力，以及黑体辐射力与温度之间的对应关系，得到重建火焰的温度。本专利技术的有益效果为：本专利技术一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法，由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像；对光场成像多像素提取得到子孔径图像，进而得到三维火焰和分层火焰的重聚焦图像；运用小波阈值变换对光场重聚焦图像降噪；运用Lucy-Richardson解卷积方法复原降噪图像；根据复原降噪图像灰度与黑体辐射强度、温度之间的对应关系，重建火焰的每一分层温度场的分布。(1)针对重聚焦图像精度受空间分辨率制约导致温度重建的精度低这一问题，本专利技术通过采用多像素重构方法实现高精度火焰三维温度场重建。(2)针对新重聚焦图像分块明显的不足导致火焰内部相应位置处的温度分布精确度低这一问题，本专利技术通过运用小波变换将图像降噪处理，得到了相对光滑的重聚焦降噪图像，再对该图像用解卷积方法，提高了火焰内部相应位置处的温度分布精确度。解决了现有重聚焦图像精度受空间分辨率制约导致温度重建的精度低以及现有重聚焦图像分块明显的不足，使得火焰内部相应位置处的温度分布精确度低的问题。如图7所示为应用本专利技术的方法，在透明介质中，计算得到的不同分层火焰温度相对误差分布图。计算的温度分布区间为1250K到1800K。相对误差最大值仅为8％，且大部分相对误差仅低于5％。该相对误差分布图体现了高精度的温度重建结果，可以用于火焰三维温度场的高精度重建。附图说明图1为本专利技术的基本流程图；图2为火焰光场成像的模型示意图，x为模型三维平面的x坐标，y为模型三维平面的y坐标，z为模型三维平面的z坐标，o为模型三维平面的中心，也是主透镜中心；图3为子孔径提取示意图；图4为中心分层火焰重聚焦成像示意图；图5为中心分层火焰重聚焦降噪图像示意图；图6为三维火焰重聚焦降噪图像经Lucy-Richardson解卷积结果示意图；图7为温度相对误差分布图，r(m)为火焰径向坐标；y(m)为火焰轴向坐标，RelativeError为相对误差；图8为将子孔径图像进行一系列移动与叠加过程示意图，U表示相机主透镜所在的平面，S表示微透镜阵列所在的平面，S'为新的对焦平面，l为主透镜与微透镜阵列间的距离，l'为对焦平面改变后主透镜与微透镜之间的距离，u为相机主透镜所在的平面坐标，s表示微透镜阵列所在的平面坐标，s'为新的对焦平面坐标。具体实施方式具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法具体过程为：步骤一：由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像；步骤二：对光场成像多像素提取得到子孔径图像，根据子孔径图像得到火焰的光场重聚焦图像；步骤三：运用小波阈值变换对光场重聚焦图像降噪，得到降噪图像；步骤四：运用Lucy-Richardson解卷积方法对降噪图像进行复原，得到复原降噪图像；步骤五：根据复原降噪图像灰度与黑体辐射力，以及黑体辐射力与温度之间的对应关系，得到重建火焰的温度。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像；具体过程为：根据已知的火焰温度和辐射物性条件模拟生成三维火焰和分层火焰，由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像；如图2所示，光场相机是由主透镜和微透镜阵列以及CCD成像屏组成的，其中，微透镜阵列是由数量众多的微小透镜排列组成，并放置在主透镜和CCD成像屏之间。火焰发射的某一光线，经过光场相机主透镜后，在虚拟的主透镜成像面成像，传统相机一般在该成像面设置成像屏。但光场相机不同，光线继续经过微透镜阵列，最后在成像屏成像，从而实现区别于传统相机的辐射强度和多角度的光场信息的同时捕获。火焰发射光线，光线产生之后从火焰燃烧区域发出，光线经过光场相机的主透镜，微透镜阵列和CCD最终完成光场成像，由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像。所述辐射物性条件为透明介质，火焰发生光线认为是微小颗粒产生的；所述光场相机为德国Raytrix公司R29光场相机。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中对光场成像多像素提取得到子孔径图像，根据子孔径图像得到火焰的光场重聚焦图像；多像素提取方法的定义为，通过牺牲光场相机的角度分辨率，即在每个微透镜下覆盖的CCD像素中提取超过一个像素得到子孔径成像，此时再进行重聚焦，来获本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一：由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像；步骤二：对光场成像多像素提取得到子孔径图像，根据子孔径图像得到火焰的光场重聚焦图像；步骤三：运用小波阈值变换对光场重聚焦图像降噪，得到降噪图像；步骤四：运用Lucy‑Richardson解卷积方法对降噪图像进行复原，得到复原降噪图像；步骤五：根据复原降噪图像灰度与黑体辐射力，以及黑体辐射力与温度之间的对应关系，得到重建火焰的温度。

【技术特征摘要】
1.一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一：由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像；步骤二：对光场成像多像素提取得到子孔径图像，根据子孔径图像得到火焰的光场重聚焦图像；步骤三：运用小波阈值变换对光场重聚焦图像降噪，得到降噪图像；步骤四：运用Lucy-Richardson解卷积方法对降噪图像进行复原，得到复原降噪图像；步骤五：根据复原降噪图像灰度与黑体辐射力，以及黑体辐射力与温度之间的对应关系，得到重建火焰的温度。2.根据权利要求1所述一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法，其特征在于：所述步骤一中由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像；具体过程为：火焰发射光线，光线经过光场相机的主透镜，微透镜阵列和CCD最终完成光场成像，由光场相机拍摄火焰并记录其光场成像。3.根据权利要求2所述一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法，其特征在于：所述步骤二中对光场成像多像素提取得到子孔径图像，根据子孔径图像得到火焰的光场重聚焦图像；具体过程为：按照微透镜排列顺序，在光场相机的每个微透镜覆盖的CCD成像区域m*n下提取sm*sn个像素，光场相机的微透镜个数为M*N，因此每个子孔径图像所含像素数量为sm*sn*M*N；m为微透镜覆盖CCD成像区域的横向像素数量，n为微透镜覆盖CCD成像区域的纵向像素数量，sm为在m中提取的横向像素数量，sn为在n中提取的纵向像素数量，M为横向微透镜个数，N为纵向微透镜个数；M、N取值为正整数；将子孔径图像平移叠加后得到火焰的光场重聚焦图像。4.根据权利要求3所述一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法，其特征在于：所述将子孔径图像平移叠加后得到火焰的光场重聚焦图像；具体过程为：通过将子孔径图像进行的移动和叠加，得到火焰的光场重聚焦图像；其中l为主透镜与微透镜阵列间的距离，l'为对焦平面改变后主透镜与微透镜之间的距离，u表示相机主透镜所在的平面的横坐标，v为相机主透镜所在的平面的纵坐标。5.根据权利要求4所述一种应用于火焰光场重聚焦成像的温度重建方法，其特征在于：所述步骤三中运用小波阈值变换对光场重聚焦图像降噪，得到降噪图像；具体过程为：首先，基于MATLAB选择db8小波基函数，分解层数设定为3层，对步骤二得到的光场重聚焦图像f(k)作小波变换，得到一组小波系数wj,k；然后，通过对wj,k进行阈...

【专利技术属性】
技术研发人员：李天骄，袁远，刘彬，谈和平，帅永，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23