一种克服内部光路遮挡的层析成像方法技术

本发明专利技术提供一种克服内部光路遮挡的层析成像方法，对待测的三维信号场进行离散化，再通过对离散化得到的体素和二维投影上的像素进行分类处理，预先排除一部分信号值为0的无效体素和二维投影上的零值像素，仅根据有效体素与非零值像素之间的映射关系重建三维信号场的光场分布，从而大大提高了三维层析成像的计算效率与重建精度，并且能够大大减少不完整投影造成的重建错误；此外，本发明专利技术不仅能够应用于待测三维信号场内部存在遮挡物时的层析成像，还适用于开放的光路在光线传播过程中存在遮挡物时的层析成像。在遮挡物时的层析成像。在遮挡物时的层析成像。

【技术实现步骤摘要】
一种克服内部光路遮挡的层析成像方法


[0001]本专利技术属于光学成像
，尤其涉及一种克服内部光路遮挡的层析成像方法。

技术介绍

[0002]三维层析成像技术基于从不同视角同时测量获得的投影来重建待测目标的三维空间分布，凭借其非接触性，高时空分辨率的特点广泛应用于流动与燃烧诊断问题中。根据测量环境类型的不同，层析成像问题可分为受限空间与开放空间两种。开放空间中的被测目标发出的信号直接由图像传感器接收，常用于研究火焰燃烧、流体流动特性的三维分布，如速度场、浓度、火焰表面特性和温度。然而在实际测量中燃烧与流动往往发生在受限空间中，环境条件、流动和火焰的呈现模式较开放空间更为复杂，这给分析流动或燃烧机理带来了巨大的挑战。然而，在以往的三维层析算法开发中，人们对于实际器件在光学领域中所表现出的内部光路遮挡(IOB)的影响讨论的并不多。IOB可以是被研究设备的任何不透明的机械部件，如隧道流量测量中的轴体，在涡轮流场测量中的涡轮转子导叶等等，它会阻止三维光场中的部分光源传输到光学传感器，从而影响图像传感器采集到的二维投影中信息的完整度，进一步导致三维信号的错误重构。例如，在对汽油光学发动机中喷射燃油喷雾产生的米氏散射信号分布进行层析测量时，燃烧室中的火花塞就成为了测量过程中的IOB。因此，无论选择何种传感器方位，通过发动机光学气缸记录的投影都会包含不完整的信息。

技术实现思路

[0003]为解决存在内部遮挡的三维层析成像问题，本专利技术提供一种克服内部光路遮挡的层析成像方法，能够大大提高三维层析成像的计算速度与重建精度。
[0004]一种克服内部光路遮挡的层析成像方法，包括以下步骤：
[0005]将包含待测目标和遮挡物的三维信号场离散化为多个体素，得到离散待测信号场，其中，待测目标为透明目标或半透明目标；
[0006]获取遮挡物在离散待测信号场中的空间位置坐标；
[0007]布置于三维信号场周围的三个以上的图像传感器同时获取三维信号场的二维投影；
[0008]根据二维投影上的非零值像素分布以及遮挡物的空间位置坐标筛选出有效体素，其中，有效体素满足：对有效体素进行光线追踪时，至少存在一个图像传感器，使得有效体素与该图像传感器获取的二维投影上的非零值像素之间的光路不被遮挡物阻挡；
[0009]根据有效体素与各图像传感器二维投影上的非零值像素之间的映射关系重建三维信号场的光场分布，实现待测目标的层析成像。
[0010]进一步地，三维信号场的光场分布的重建方法如下：
[0011]构建如下迭代方程：
[0012][0013]ΔP(k)
I
＝P(k)
I
‑
P
实
(k)
[0014][0015]其中，F(q)
I+1
为第I+1次迭代中第q个有效体素的信号强度，F(q)
I
为第I次迭代中第q个有效体素的信号强度，q＝1,2,
…
,Q
′
，Q
′
为有效体素的总数，α为设定的松弛因子，K
′
为所有二维投影上包含的非零值像素的总数，PSF为各非零值像素与各有效体素之间的映射关系矩阵，‖
·
‖为求模运算，PSF(k,q)为第k个非零值像素与第q个有效体素之间的映射值，ΔP(k)
I
为第k个非零值像素在第I次迭代中得到的模拟强度P(k)
I
与实验测量的实际强度P
实
(k)之间的误差；
[0016]分别为各有效体素的信号强度设定初始值F(q)0后，按照所述迭代方程不断迭代，直到迭代得到的各有效体素的信号强度与设定的收敛值之间的差值均小于设定值，完成三维信号场的光场分布的重建。
[0017]进一步地，遮挡物在离散待测信号场中的空间位置坐标的获取方法为：
[0018]若未知三维信号场的设计图纸，则通过对遮挡物直接拍照的方式获得其在不同方向的多个投影，再根据投影重建遮挡物，得到其在离散待测信号场中的空间位置坐标；若已知三维信号场的设计图纸，则通过查看设计图纸得到遮挡物在离散待测信号场中的空间位置坐标。
[0019]进一步地，标定各图像传感器的空间位置和拍摄方向后，再采用标定后的图像传感器同时获取三维信号场的二维投影。
[0020]进一步地，所述图像传感器为摄像机或光纤束内窥镜。
[0021]有益效果：
[0022]1、本专利技术提供一种克服内部光路遮挡的层析成像方法，对待测的三维信号场进行离散化，再通过对离散化得到的体素和二维投影上的像素进行分类处理，预先排除一部分信号值为0的无效体素和二维投影上的零值像素，仅根据有效体素与非零值像素之间的映射关系重建三维信号场的光场分布，从而大大提高了三维层析成像的计算效率与重建精度，并且能够大大减少不完整投影造成的重建错误；此外，本专利技术不仅能够应用于待测三维信号场内部存在遮挡物时的层析成像，还适用于开放的光路在光线传播过程中存在遮挡物时的层析成像。
[0023]2、本专利技术提供一种克服内部光路遮挡的层析成像方法，在通过迭代的方法计算有效体素的信号值时，仅采用非零值像素与有效体素来构建两者之间的映射关系矩阵，显著降低了迭代求解的体素数量和映射关系矩阵的维数，从而大大提高了三维层析计算的效率与精度。
[0024]3、本专利技术提供一种克服内部光路遮挡的层析成像方法，标定各图像传感器的空间位置和拍摄方向后，再采用标定后的图像传感器同时获取三维信号场的二维投影，能够进一步提高层析成像的重建精度。
附图说明
[0025]图1为本专利技术提供的IOB算法的流程图；
[0026]图2为本专利技术提供的IOB算法的光线追踪示意图。
具体实施方式
[0027]为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0028]本专利技术提出了一种新的三维层析成像方法，主要应用于存在内部光路遮挡IOB(Internal Optical Blockage)时的三维层析成像问题。该方法基于光的直线传播原理，首先根据图像传感器与待测的三维信号场内部遮挡物的空间位置关系，判断出待测三维信号场中体素的遮挡关系并对成像系统的映射关系矩阵PSF进行修正。然后根据从不同方位角获得的二维投影将体素分为两类：一类是可以直接确定信号值为0的体素，无需参加后续的迭代求解过程；另一类是有效体素，其信号值大小无法预先获得，只能通过后续的迭代过程进行求解。最后根据信号不为0的像素与有效体素之间的映射关系矩阵PSF进行迭代求解，即可得到待测目标的三维信号分布。
[0029]具体的，如图1所示，一种克服内部光路遮挡的层析成像方法，包括以下步骤：
[0030]S1：将包含待测目标和遮挡物的三维信号场离散化为多个体素，得到离散待测信号场，其中，待测目标为透明目标或半透明目标。
[0031]需要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种克服内部光路遮挡的层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：将包含待测目标和遮挡物的三维信号场离散化为多个体素，得到离散待测信号场，其中，待测目标为透明目标或半透明目标；获取遮挡物在离散待测信号场中的空间位置坐标；布置于三维信号场周围的三个以上的图像传感器同时获取三维信号场的二维投影；根据二维投影上的非零值像素分布以及遮挡物的空间位置坐标筛选出有效体素，其中，有效体素满足：对有效体素进行光线追踪时，至少存在一个图像传感器，使得有效体素与该图像传感器获取的二维投影上的非零值像素之间的光路不被遮挡物阻挡；根据有效体素与各图像传感器二维投影上的非零值像素之间的映射关系重建三维信号场的光场分布，实现待测目标的层析成像。2.如权利要求1所述的一种克服内部光路遮挡的层析成像方法，其特征在于，三维信号场的光场分布的重建方法如下：构建如下迭代方程：ΔP(k)
I
＝P(k)
I
‑
P
实
(k)其中，F(q)
I+1
为第I+1次迭代中第q个有效体素的信号强度，F(q)
I
为第I次迭代中第q个有效体素的信号强度，q＝1,2,
…
,Q
′
，Q
′
为有效体素的总数，α为设定的松弛因子，K
′
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍岳，吴海丰，高宇，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：