一种基于径向梯度全变差的ART火焰切片重构方法技术

本发明专利技术公开了一种基于径向梯度全变差的ART火焰切片重构算法，对火焰图像进行预处理；生成投影图像；根据ART准则求迭代权重矩阵W；根据ART代数迭代法重构图像；求解每次迭代图像的径向梯度和径向梯度全变差；根据径向TV方法调整图像；输出重构图像。与现有技术相比，本发明专利技术能够有效提高火焰图像的切片重构质量和重构速度；尤其在投影角度较少的情况下，该算法的去相关性更好，径向梯度图像更稀疏，且火焰重构过程稳定性好，算法鲁棒性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及火焰图像重构领域，特别是涉及一种内燃机燃烧火焰切片重构算法。
技术介绍
近年来汽车尾气排放造成的空气污染日趋严重，已成为雾霾天气形成的重要原因之一，内燃机的节能减排已引起全球关注。燃烧火焰作为内燃机缸内燃烧过程的重要表征，对研究火焰燃烧机理、降低燃烧排污和提高内燃机性能具有重要意义。现代光学方法和计算机技术的发展，使得利用光学可视化技术直接对内燃机火焰燃烧过程进行观测成为可能。目前对内燃机燃烧火焰研究，大多利用从活塞底部或顶部获取的缸内火焰单幅二维投影图像进行二维特征分析，但由于火焰具有半透明性，利用该方法拍摄的火焰图像是整个缸内燃烧火焰在特定投影面的二维叠加结果，不能表征火焰的三维空间特征。因此有必要对火焰进行三维形态重构，为火焰的定量分析提供足够信息。国内外科研人员对火焰三维形态重构进行了相应研究，主要利用高速同步摄像机拍摄火焰在多个方向的二维投影图像，并基于计算机断层扫描(Computed Tomography，简称CT)技术对火焰二维切片进行重构以形成三维立体图像。多伦多大学的Samuel借鉴层析成像技术和CT技术图像重构的思想，采用分层重构的方法对自然界火焰进行三维重构。J.Floyd等基于5个CCD相机及镜像系统对火焰进行拍摄，并利用CT技术对获取的10幅火焰视图进行重构，其重构切片效果比较粗糙，有待于进一步完善。日本的Tadashi Ito等引入一个外部辐射源的开关来控制火焰热辐射投影的获取并使用CT技术来重构火焰的温度分布图像。中国科技大学的周怀春和浙江大学的岑可法院士等对炉膛内火焰三维重构方面进行了大量研究，采用数字化摄像装置从炉膛燃烧空间提取燃烧二维火焰辐射图像，并利用CT技术进行火焰三维温度场的重构。因此，对火焰三维形态重构的关键是对火焰二维投影图像进行切片重构，其切片重构精度决定了火焰三维重构的效果，但上述研究方法主要利用CT技术直接对火焰切片进行重构，没有有效利用火焰的稀疏特性，导致其在投影角度较小的情况下重构效果较差。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提出了一种基于径向TV的ART火焰切片重构算法，该方法是对火焰二维切片重构算法的优化，依据燃烧火焰的径向扩散特征，考虑到火焰图像在全变差(Total Variation，TV)域的稀疏性，将传统TV从笛卡尔坐标系扩展到极坐标系模型中，引入到代数重构法(Algebraic reconstruction technique,简称ART)火焰二维切片重构中。本专利技术提出了基于径向TV的ART火焰切片重构算法，该方法包括以下步骤：步骤1、对火焰切片图像进行预处理：包括灰度变换和平滑去噪操作；步骤2、求得火焰切片图像重建的迭代权重矩阵W并获得相应的投影图像矩阵P，具体步骤如下：将二维火焰切片离散为N＝n×n个独立的体元，每个体元都具有特定的代表该单元亮度大小的值xj(j＝1,2,…,N)，二维投影图像上的每个像素点都对应一条穿过该切片体元的射线Lk(k＝1,2,…,M)，M是所有投影的射线总数，等于投影角度个数与某角度投影射线数的乘积；而该像素点的值Pk(k＝1,2,…,M)为这条射线上所有体元对该射线亮度贡献的叠加；设ωjk为体元j对射线Lk的权重因子，代表了体元与射线间的相关性，体元j对射线Lk的贡献为：Pjk＝ωjk·xj切片上所有体元对Lk亮度贡献和表示为： P k = Σ j = 1 N P j k = Σ j = 1 N ω j k · x j , k = 1 , 2 , ... , M ]]>用矩阵的形式表示如下：Wx＝PP为M维投影矩阵，表示二维投影的像素值；x为N维待重构切片数据矢量；W为M×N维投影权重矩阵；步骤(3)、设定初始迭代次数i＝1和迭代次数的最大值Maxcount＝15，并设置迭代的初始向量f(0)＝{0,0,...,0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于径向梯度全变差的ART火焰切片重构算法，其特征在于，该算法包括以下步骤：步骤(1)、对火焰切片图像进行预处理：包括灰度变换和平滑去噪操作；步骤(2)、求得火焰切片图像重建的迭代权重矩阵W并获得相应的投影图像矩阵P，具体步骤如下：将二维火焰切片离散为N＝n×n个独立的体元，每个体元都具有特定的代表该单元亮度大小的值xj(j＝1,2,…,N)，二维投影图像上的每个像素点都对应一条穿过该切片体元的射线Lk(k＝1,2,…,M)，M是所有投影的射线总数，等于投影角度个数与某角度投影射线数的乘积；而该像素点的值Pk(k＝1,2,…,M)为这条射线上所有体元对该射线亮度贡献的叠加；设ωjk为体元j对射线Lk的权重因子，代表了体元与射线间的相关性，体元j对射线Lk的贡献为：Pjk＝ωjk·xj切片上所有体元对Lk亮度贡献和表示为：Pk=Σj=1NPjk=Σj=1Nωjk·xj,k=1,2,...,M]]>用矩阵的形式表示如下：Wx＝PP为M维投影矩阵，表示二维投影的像素值；x为N维待重构切片数据矢量；W为M×N维投影权重矩阵；步骤(3)、设定初始迭代次数i＝1和迭代次数的最大值Maxcount＝15，并设置迭代的初始向量f(0)＝{0,0,...,0}；步骤(4)、计算重构图像，方程组公式如下：f(m)=f(m-1)+ωjk(Pk-Σj=1Nωjkf(m-1))/Σj=1Nωjk2]]>其中m＝1,2,…,M代表每一次完整迭代的方程组的方程个数；根据上述方程组公式，计算M×N方程组；将初始向量f(0)＝{0,0,...,0}代入方程组的第一个方程求出f(1)，由第二个方程求出f(2)，依次类推，最终由第M个方程求得f(M)，这样就完成了一次完整迭代；步骤(5)、求解f(M)的径向梯度公式如下：▿f(M)=(Dρxρ,θ,Dθxρ,θ)]]>其中Dρ和Dθ分别是沿极径和极角方向的离散微分算子，有如下公式计算：Dρxρ,θ＝xρ,θ‑xρ‑,θDθxρ,θ＝xρ,θ‑xρ,θ‑其中ρ‑和ρ+分别代表沿极径减少和极径增加方向的变化，θ‑和θ+则分别代表沿极角顺时针和极角逆时针方向的变化；步骤(6)、求解f(M)径向梯度全变差的偏导函数并对f(M)进行径向梯度全变差优化，如下式：f(M)′=f(M)-q·▿||f(M)||R-TV]]>其中，q为下降步长因子，本专利技术中取值为0.1/k，并用f(M)'代换原来的f(M)；步骤(7)、如果i≤Maxcount，将f(M)'根据步骤(4)的方程组进行下一次完整迭代，否则，停止迭代，输出重构图像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于径向梯度全变差的ART火焰切片重构算法，其特征在于，该算法包括以下步骤：步骤(1)、对火焰切片图像进行预处理：包括灰度变换和平滑去噪操作；步骤(2)、求得火焰切片图像重建的迭代权重矩阵W并获得相应的投影图像矩阵P，具体步骤如下：将二维火焰切片离散为N＝n×n个独立的体元，每个体元都具有特定的代表该单元亮度大小的值xj(j＝1,2,…,N)，二维投影图像上的每个像素点都对应一条穿过该切片体元的射线Lk(k＝1,2,…,M)，M是所有投影的射线总数，等于投影角度个数与某角度投影射线数的乘积；而该像素点的值Pk(k＝1,2,…,M)为这条射线上所有体元对该射线亮度贡献的叠加；设ωjk为体元j对射线Lk的权重因子，代表了体元与射线间的相关性，体元j对射线Lk的贡献为：Pjk＝ωjk·xj切片上所有体元对Lk亮度贡献和表示为： P k = Σ ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张淑芳，王馥瑶，韩泽欣，张聪，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12