基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法技术

一种基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法，通过高频频闪光光源在同步的双相机的一个曝光周期内发出多次脉冲闪光，使得采集到的图像上包含高速微粒子被高频光源照亮而捕获的一系列轨迹点，即两个平面轨迹和运动速度，每个轨迹点之间的时间间隔等于频闪光周期，进一步通过对图像进行处理与计算精确获得微粒子的对应的空间轨迹和运动速度。本发明专利技术通过同步的双相机与光源系统，精确快速完成高速微粒子空间轨迹捕获，能够明确监测高速微观尺度下粒子在碰撞之前的运动状态，对于无针注射、增材制造和空间防护过程的认知与状态调控具有非常重要的意义。具有非常重要的意义。具有非常重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法


[0001]本专利技术涉及的是一种物理实验领域的技术，具体是一种基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法。

技术介绍

[0002]在实际研究中，由于微粒子的尺度小，速度高等特点，其空间轨迹的捕获包括速度测量和运动监测变得很困难。直接光学成像是理解许多复杂高速冲击现象的关键，在微米尺度上，动态过程的成像需要具有微秒甚至更短时间分辨率的超高速成像系统，然而超高速相机与激光器等操作复杂，寻求一种简单实用的快速空间轨迹捕获方法显得尤为重要。
[0003]现有的粒子图像测速技术利用高速CCD相机作为图像探测设备对颗粒流表面的粒子进行连续拍摄，通过分析图像内颗粒目标提取为点状粒子并进行维诺图构建匹配后得到粒子速度分布信息。但该类技术仅能完成二维平面的成像，速度也是平面内的状态，其捕获图像的能力受到高速CCD相机的帧频限制；此外对多帧图像的处理也需要巨大的工作量。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术对于高速微观尺度粒子速度和运动监测成像技术的不足与限制，提出一种基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法，通过同步的双相机与光源系统，精确快速完成高速微粒子空间轨迹捕获，能够明确监测高速微观尺度下粒子在碰撞之前的运动状态，对于无针注射、增材制造和空间防护过程的认知与状态调控具有非常重要的意义。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术涉及一种基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法，通过高频频闪光光源在同步的双相机的一个曝光周期内发出多次脉冲闪光，使得采集到的图像上包含高速微粒子被高频光源照亮而捕获的一系列轨迹点，即两个平面轨迹和运动速度，每个轨迹点之间的时间间隔等于频闪光周期，进一步通过对图像进行处理与计算精确获得微粒子的对应的空间轨迹和运动速度。
[0007]所述的处理，包括：采用灰度变换算法对读取的轨迹点灰度图像进行图像增强处理，提高高速微粒子图像与背景的对比度，更为清晰地展示微粒子的形状轮廓与运动轨迹。
[0008]所述的计算，包括：读取灰度图像中的轨迹点的亮度曲线，其中：亮度曲线的峰值距离作为相邻周期的粒子运动距离，通过运动距离和周期计算出高速微粒子的一系列运动速度结果，再由矢量计算双相机所成像平面的高速微粒子运动轨迹与速度大小，从而得到高速微粒子的空间轨迹和运动速度。
[0009]本专利技术涉及一种实现上述方法的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，包括：高速微粒子发射装置、成像暗场幕布、控制部分、图像采集部分和光源部分，其中：图像采集部分、高速微粒子发射装置、成像暗场幕布和光源部分依次设置，控制部分分别与高速微粒子发射装置、图像采集部分和光源部分相连，实现高速微粒子及相机同步触发、多
路TTL信号光源触发、相机参数设置和运动速度方向分析，即当高速微粒子发射装置释放粒子同时，光源部分进行多次高频照亮微粒子且图像采集部分开始曝光，采集以成像暗场幕布为背景的图像进而进行轨迹点计算得到运动速度方向。
[0010]所述的系统具体包括：两台工业相机、交换机、信号处理单元、高速微粒子发射装置、电磁阀、同步触发单元、成像暗场幕布、信号发生单元、高频LED光源、凸透镜，其中：交换机与两台工业相机连接，在供电的同时传输相机实时采集的图像信息；交换机将采集到的相机图像数据输出到信号处理单元，在信号处理单元端对相机进行参数设置；相机的触发端与同步触发单元连接，同步触发单元同时连接电磁阀完成供电与信号触发，同步触发单元与信号处理单元端连接，提供稳定电源输出的同时进行各路同步信号的触发设置；信号发生单元输出信号触发高频LED光源，产生连续的特定周期与脉冲时间的高频光信号，后经凸透镜进行聚光从而增加光强。技术效果
[0011]本专利技术能够应用帧率为10fps的普通工业相机，配合高频闪光源实现对高速微米级粒子实现平面内百万帧率的运动成像，最终通过双相机矢量计算得到高速微粒子空间轨迹和运动速度。本专利技术可捕获的最小粒子直径小于10微米，最大可捕获运动速度超过12km/s。
附图说明
[0012]图1为本专利技术示意图；
[0013]图2为高频LED光源电路图；
[0014]图3为基于一种基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法原理图；
[0015]图4为对捕获的运动图像进行读取和标定的示意图；
[0016]图5为对图像进行处理得到的高速微粒子运动轨迹的亮度值曲线；
[0017]图6为空间轨迹轨迹的矢量计算原理图；
[0018]图中：工业相机1、2、交换机3、信号处理单元4、高速微粒子发射装置5、电磁阀6、同步触发单元7、成像暗场幕布8、信号发生单元9、高频LED光源10、物镜11、目镜12、控制电路13、LED阵列14和散热机构15。
具体实施方式
[0019]如图1所示，为本实施例涉及一种基于高频闪光源的高速微粒子速度测量方法，包括：两台工业相机1、2、交换机3、信号处理单元4、高速微粒子发射装置5、电磁阀6、同步触发单元7、成像暗场幕布8、信号发生单元9、高频LED光源10、物镜11和目镜12，其中：同步触发单元7分别与两台工业相机的触发端和电磁阀6相连实现同步信号触发，同步触发单元7与信号处理单元4相连以传输各路同步信号的触发设置，信号发生单元9输出多路TTL信号触发高频LED光源10以产生连续的特定周期与脉冲时间的高频光，高频光经物镜11和目镜12聚光后照射至高速微粒子发射装置5释放出的微粒子上，工业相机1与工业相机2以成像暗场幕布8为背景采集实时图像，并通过交换机2将图像数据输出至信号处理单元3的同时接收信号处理单元3对工业相机1和工业相机2的设置参数。
[0020]所述的成像暗场幕布8为全黑覆盖整个相机视场，能够在阻挡背景光的同时，保证
微粒子成像轨迹点与背景直接有足够的对比度，使得高速微粒子运动轨迹点图像更为清晰。
[0021]如图2所示，所述的高频LED光源10包括：控制电路13和与之相连的LED阵列14，其中：控制电路13采集多路TTL信号后输出启动脉冲至LED阵列14以产生高频的频闪光源。
[0022]所述的控制电路13包括：数字比较器、MOS开关和储能电容，其中：外接电源与数字比较器连接，数字比较器与储能电容连接，储能电容再与MOS开关连接。
[0023]所述的LED阵列14采用多LED光源矩阵排列，提供高速微粒子运动成像所需的光强。
[0024]如图3所示，在一个工业相机的曝光时间内，包含多个入射光源的脉冲，此时在相机的每一帧图像上都有高速微粒子被高频光源照亮而捕获的一系列轨迹点，轨迹点之间的时间间隔等于频闪光周期。图中脉宽是指：高频光的每个输出周期内触发光源点亮的脉冲持续时间；时间脉冲是指：两台工业相机1和2的周期和曝光时间的演化关系，其中曝光时间与帧间时间的和为相机每帧图像之间的周期，其中t与t1的和是光源的频闪周期，t2作为相机曝光时间需要容纳多个频闪光周期，完成同一帧图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法，其特征在于，通过高频频闪光光源在同步的双相机的一个曝光周期内发出多次脉冲闪光，使得采集到的图像上包含高速微粒子被高频光源照亮而捕获的一系列轨迹点，即两个平面轨迹和运动速度，每个轨迹点之间的时间间隔等于频闪光周期，进一步通过对图像进行处理与计算精确获得微粒子的对应的空间轨迹和运动速度；所述的处理，包括：采用灰度变换算法对读取的轨迹点灰度图像进行图像增强处理，提高高速微粒子图像与背景的对比度，更为清晰地展示微粒子的形状轮廓与运动轨迹；所述的计算，包括：读取灰度图像中的轨迹点的亮度曲线，其中：亮度曲线的峰值距离作为相邻周期的粒子运动距离，通过运动距离和周期计算出高速微粒子的一系列运动速度结果，再由矢量计算双相机所成像平面的高速微粒子运动轨迹与速度大小，从而得到高速微粒子的空间轨迹和运动速度。2.根据权利要求1所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法，其特征是，在一个工业相机的曝光时间内，包含多个入射光源的脉冲，此时在相机的每一帧图像上都有高速微粒子被高频光源照亮而捕获的一系列轨迹点，轨迹点之间的时间间隔等于频闪光周期。3.一种实现权利要求1或2所述方法的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征在于，包括：高速微粒子发射装置、成像暗场幕布、控制部分、图像采集部分和光源部分，其中：图像采集部分、高速微粒子发射装置、成像暗场幕布和光源部分依次设置，控制部分分别与高速微粒子发射装置、图像采集部分和光源部分相连，实现高速微粒子及相机同步触发、多路TTL信号光源触发、相机参数设置和运动速度方向分析，即当高速微粒子发射装置释放粒子同时，光源部分进行多次高频照亮微粒子且图像采集部分开始曝光，采集以成像暗场幕布为背景的图像进而进行轨迹点计算得到运动速度方向。4.根据权利要求3所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征是，所述的图像采集部分包括：两台工业相机和凸透镜；所述的光源部分包括：高频LED光源；所述的控制部分包括：交换机、信号处理单元、电磁阀、同步触发单元和信号发生单元，其中：交换机与两台工业相机连接，在供电的同时传输相机实时采集的图像信息；交换机将采集到的相机图像数据输出到信号处理单元，在信号处理单元端对相机进行参数设置；相机的触发端与同步触发单元连接，同步触发单元同时连接电磁阀完成供电与信号触发，同步触发单元与信号处理单元端连接，提供稳定电源输出的同时进行各路同步信号的触发设置；信号发生单元输出信号触发高频LED光源，产生连续的特定周期与脉冲时间的高频光信号，后经凸透镜进行聚光从而增加光强。5.根据权利要求4所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征是，所述的高频LED光源包括：控制电路和与之相连的LED阵列，其中：控制电路采集多路TTL信号后输出启动脉冲至LED阵列以产生高频的频闪光源。6.根据权利要求5所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征是，所述的控制电路包括：数字比较器、MOS开关和储能电容，其中：外接电源与数字比较器连接，数字比较器与储能电容连接，储能电容再与MOS开关连接。7.根据权利要求5所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征是，所述的LED阵列采用多LED光源矩阵排列，提供高速微粒子运...

【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，慕忠成，吴树范，易纪元，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：