一种基于单光场相机的三维流场测试方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单光场相机的三维流场测试方法，A1，利用单光场相机获取待测流场中示踪粒子的时序粒子光场图像；A2，预处理时序粒子光场图像，去除背景噪声；A3，采用CPU和/或GPU并行处理方法，对时序粒子光场图像进行重构，获得时序三维粒子图像；A4，对时序三维粒子图像进行互相关计算，获得三维流场速度场分布；A5，对三维流场速度场进行后处理，剔除错误速度矢量，同时根据相邻正确矢量插值替代被剔除的错误矢量。本发明专利技术能通过单个光场相机的时序图像采集而获取待测流场的三维速度分布，相比于现有多视角三维流场测试方法，极大的减少了硬件系统配置、简化了硬件系统调节步骤，特别适用于受限空间下的三维流场测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于流场观测
，特别涉及一种基于单光场相机的三维流场测试方法。
技术介绍
专利申请CN201210260127.8，公开了“一种单CCD相机三维粒子图像测速方法，单CCD相机三维粒子图像测速技术是基于半凸透镜成像原理，在PIV系统中示踪粒子的散射光线通过两上下并排放置的半凸透镜，在像平面或CCD上成两个实像；两个像的距离与物距以及两半凸透镜的光轴距离成函数关系；示踪粒子在景深内无需改变像距便可得到清晰的像；在PIV系统应用中BB1为第一幅照片内同一示踪粒子所成的像之间的距离，CC1为第二幅照片内同一示踪粒子像的距离；采用两半凸透镜做相机的镜头，两半凸透镜间填充不透光的密封介质；示踪粒子运动的二维速度，采用当今通用的互相关算法得到”。但是该方法实际使用中操作复杂，计算精度也不能满足需要。本专利技术涉及的参考文献：[1]Rafael C.Gonzalez,Richard E.Woods.Digital Image Processing(3rd Edition),Pearson Education,2011[2]Herman GT,Lent A(1976)Iterativ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单光场相机的三维流场测试方法，包含以下步骤：A1，利用单光场相机获取待测流场中示踪粒子的时序粒子光场图像；A2，预处理时序粒子光场图像，去除背景噪声；A3，采用CPU和/或GPU并行处理方法，对时序粒子光场图像进行重构，获得时序三维粒子图像；A4，对时序三维粒子图像进行互相关计算，获得三维流场速度场分布；A5，对三维流场速度场进行后处理，剔除错误速度矢量，同时根据相邻正确矢量插值替代被剔除的错误矢量。

【技术特征摘要】
1.一种基于单光场相机的三维流场测试方法，包含以下步骤：A1，利用单光场相机获取待测流场中示踪粒子的时序粒子光场图像；A2，预处理时序粒子光场图像，去除背景噪声；A3，采用CPU和/或GPU并行处理方法，对时序粒子光场图像进行重构，获得时序三维粒子图像；A4，对时序三维粒子图像进行互相关计算，获得三维流场速度场分布；A5，对三维流场速度场进行后处理，剔除错误速度矢量，同时根据相邻正确矢量插值替代被剔除的错误矢量。2.如权利要求1所述的基于单光场相机的三维流场测试方法，其特征在于，步骤A1中，在待测流场中撒布示踪粒子，用高亮度光源提供体式照明，然后利用高分辨或者高速图像传感器与微透镜阵列(MLA)的精密封装体形成的单光场相机拍摄示踪粒子的时序光场图像。3.如权利要求1所述的基于单光场相机的三维流场测试方法，其特征在于，步骤A2中，对所拍摄的时序粒子光场图像进行预处理，其中去除背景噪声的降噪运算采用全局阈值、局部阈值、高斯光滑滤波、滑动最小值滤波算法的一种或多种算法组合。4.如权利要求1所述的基于单光场相机的三维流场测试方法，其特征在于，步骤A3中，所述的重构包括：根据几何光学计算空间光束经主透镜、微透镜阵列后到达图像传感器的准确位置，对空间每一个体素(voxel)所发出的光束，计算其与相交微透镜单元的重叠面积，以及其与相交CCD/CMOS像素的重叠面积，从而计算获得空间每个体素与对应像素的权重系数Wi，j Y C C D = V B - ( s y + Y l ) s i f l + s y = ( V B - s y ) f l f m ( 1 - M ) + s y - f l f m ( 1 - M ) Y l - - - ( 1 ) ]]>式中各变量的含义如下：YCCD为光线与图像传感器相交点的坐标；VB为光线与主镜头相交点的坐标；sy为微透镜阵列中某一微透镜单元相对主光轴的偏移值；Yl为光线与某一微透镜单元相交点的坐标；si为主透镜与微透镜阵列之间的距离；fl为微透镜焦距；fm为主透镜焦距；pp为像素单元的尺寸；M为放大系数，利用密集光线逆追踪方法，定位空间重构体素(Voxel)所对应的像素集合，以每个像素为单元，根据式(1)来计算该像素所采集空间光线的位置，即反向追踪光线，以建立起像素与空间某一点光源所发出光线的对应关系，利用流场示踪粒子的稀疏性，其对应所需重构的体素区域也为三维稀疏矩阵，将空间某一体素所对应的像素值相乘，如果乘积非零或者大于某一阈值，则表示该体素处可能存在一个示踪粒子，可以对其进行后续的重构计算；反之如果乘积为零或者小于某一阈值，则表示该体素处没有示踪粒子，后续重构计算中可以忽略该体素；根据乘法代数重构算法，利用计算得到的权重系数Wi，j、以及所筛选出的非零体素，根据所记录的粒子光场像素矩阵(I(xi，yi))，迭代计算稀疏重构矩阵的体素值(E(Xj，Yj，Zj)k+1)， E ( X j , Y j , Z j ) k + 1 = E ( X j , Y j , Z j ) k ( I ( x i , y i ) Σ j ∈ N i w i , j E ( X j , Y j , Z j ) k ) μw i , j - - - ( 2 ) ]]>式中：E(Xj,Yj,Zj)为空间体素(Xj,Yj,Zj)的数值；上标k表示第k次迭代计算所得到该体素的数值；I(xi，yi)为像素(xi，yi)处的数值，该数值由光场相机所拍摄的示踪粒子光场图像获得；wi,j为体素j与像素i所对应的权重系数；μ为MART计算参数。5.如权利要求4所述的基于单光场相机的三维流场测试方法，其特征在于，所述步骤A4中，将相邻时刻的示踪粒子三维体素矩阵按照式(3)进行三维互相关计算，获取流场三维速度场分布， Φ ( m , n , l ) = Σ i = 1 M Σ j = 1 N Σ k = 1 L E 1 ( i , j , k ) · E 2 ( i + m , j + n , k + l ) - - - ( 3 ) . ]]>6.如权利要求5所述的基于单光场相机的三维流场测试方法，其特征在于，步骤A5中，采用全局阈值计算式(4)、局部中值滤波式(5)或者局部平均值滤波式(6)对获得的三维流场U(i，j，k)，挑选并剔除出其中的错误矢量，并采用线性插值或者三次样条插值的方法，根据正确速度矢量插值获得替代矢量， U ( i , j , k ) > U ( i , j , k ) ...

【专利技术属性】
技术研发人员：施圣贤，丁俊飞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31