重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法，用于解决现有诊断方法中双目立体视觉系统需要同步的技术问题。技术方案是采用高速双目立体视觉系统搭建实验系统，采用张正友标定法对实验系统进行标定，然后利用实验系统对爆震火焰进行成像并对图像进行处理，使用归一化互相关算法对采集的图像对进行匹配，得到两幅图像上对应的匹配点对，再根据三维重建算法计算出与图像上的像点所对应的空间点的三维坐标，实现爆震火焰表面三维几何外形的重建。由于采用高速双目立体视觉系统对爆震火焰表面进行重建，避免了背景技术诊断方法中双目立体视觉系统需要同步的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法
本专利技术涉及一种三维几何外形的诊断方法，特别是涉及一种重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法。
技术介绍
文献“脉冲爆震发动机原理及关键技术，2005，p341-343”和“燃烧实验诊断学，2005，p2-3，p180-187”系统地介绍了迄今为止出现的用于爆震燃烧流场与火焰结构显示的一些诊断方法。目前，用于爆震燃烧流场与火焰结构显示的诊断方法主要有普通摄影法和全息摄影法两种。这两种方法都存在各自的优缺点。普通摄影法采用高速摄影或者电镜显微摄影对燃烧火焰进行成像，根据所拍摄的图像识读出火焰的结构，对一组连续拍摄的图像的识读还可以得到火焰发展的信息。普通摄影法操作简单，容易实现，目前在科研和工程领域应用较为广泛，但是这种方法只能获得火焰的二维图像，在成像过程中丢失了一个维度的信息，在对图像进行识读时需要进行人为判断，添加了不确定因素。全息摄影法采用全息成像的原理，使用激光束照射物体，物体反射的物光束与同一激光束分出的参考光束叠加，在全息底片上产生干涉图像，处理后即成全息图像，再用同样的激光照射即可得到物体自由悬浮在空间的立体像。全息摄影法能够获得火焰结构的三维信息，但是需要用到昂贵的实验设备和复杂的光学结构，并对实验人员的素质和技巧要求比较高，这也限制了这种方法的应用。综上所述，现有的用于爆震燃烧流场与火焰结构显示的诊断方法存在的主要技术问题是不能以合理的代价获得火焰结构的三维信息。
技术实现思路
为了克服现有诊断方法中双目立体视觉系统需要同步的不足，本专利技术提供一种重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法。该方法采用高速双目立体视觉系统搭建实验系统，采用张正友标定法对实验系统进行标定，然后利用实验系统对爆震火焰进行成像并对图像进行处理，使用归一化互相关算法对采集的图像对进行匹配，得到两幅图像上对应的匹配点对，再根据三维重建算法计算出与图像上的像点所对应的空间点的三维坐标，实现爆震火焰表面三维几何外形的重建。对于连续拍摄的一系列图像对，将后一时刻的图像与前一时刻的图像进行比较，得到爆震火焰在微小时间间隔里的发展情况，再对其进行重建，得到三维爆震火焰表面随时间变化的信息。由于采用高速双目立体视觉系统对爆震火焰表面进行重建，可以避免
技术介绍
诊断方法中双目立体视觉系统需要同步的技术问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法，其特点是采用以下步骤：步骤1：将高速摄像机2安放在三脚架1上面，高速摄像机2前面放置四镜双目分镜器3构成高速双目立体视觉系统，实验系统安放在爆震管4的观察窗5前面。实验系统的安放以能使观察窗在相机中形成两个清晰的图像并且图像充满整个视图，调节好光圈、焦距和快门之后，保持整个系统不动。步骤2：系统的标定包括单相机的标定和双相机的标定。步骤2.1：单相机的标定。首先，利用单相机对标定模板在不同的姿态和位置处成像，每一次标定模板姿态和位置的改变量不要太小，每次姿态角度的改变量应大于30度，拍摄的图像对数目应该大于10对。图像上特征点的坐标用Harris角点探测方法求出。利用特征点的真实坐标及其图像点坐标，求出相机的投影矩阵，根据张正友标定法求出所有的内外部参数，完成单相机的标定。步骤2.2：双相机的标定。分别对左、右相机进行标定，利用标定结果计算出系统结构参数，即两个相机之间的旋转矩阵R和平移向量t，利用已知的左相机的内外部参数和系统结构参数反过来计算出右相机的外部参数，用计算出的外部参数替代原有的单相机标定出来的外部参数。再对左、右相机的内外部参数进行优化，优化时，除了考虑相机的投影关系之外，还需要考虑极线几何的约束关系。经过优化即得到所有的相机内外部参数和系统结构参数的值。优化公式如下：minΣd(mL，m′L)+d(mR，m′R)+d(mL，LL)+d(mR，LR)式中，d(m，n)表示点m与点n或者直线n之间的欧式距离，mL、mR表示空间点M在左右图像上的真实像点，表示空间点M经过线性投影计算出来的理想投影点，LL、LR分别是mR、mL对应的极线。完成标定之后，对标定结果进行检测。计算所有空间点M的投影点mI与真实像点m之间的距离的平均值D_mean(m，mI)，将平均值与阀值ε进行比较。如果平均值小于阀值，则认为标定结果精确，否则，通过增加图像对的数目和增大模板姿态角的方法重新进行拍摄和标定。步骤3：将爆震发动机供油量、供气量以及点火频率设置好，检查冷却系统和润滑系统工作状况，一切正常后点火，使发动机正常运行并产生稳定的爆震波。然后用系统拍摄火焰，得到爆震火焰的图像。步骤4：首先使用均值滤波器去除图像中的少量随机噪声，然后使用高斯滤波器去除高斯噪声，最后使用拉普拉斯算子对图像进行锐化处理。步骤5：采用极线校正算法对待匹配的图像对进行极线校正，然后采用归一化互相关算法对图像对进行匹配。步骤5.1：根据极线几何的知识，计算出每一条极线经过的像素，将这些像素标记为同一行，左、右图像都经过处理后，对应点没有纵坐标的差异。然后重新裁剪校正极线后的图像。步骤5.2：先寻找左图中待匹配点在右图中的搜索区域，通过手动选取一个粗略的匹配点，取这个点左右一定范围的像素构成搜索区域。在搜索区域中逐点寻找匹配点，对每一个点都要建立以其为中心的相关窗口，左、右两图中的相关窗口一样大小，用归一化互相关算法计算两个点的相关程度，标记相关性最大的点为匹配点。相关窗口的大小对匹配而言很重要，如果匹配的不准确，改变窗口的大小后再重新进行匹配。步骤6：根据匹配点对的坐标和系统的参数，采用三维重建算法反算出空间点的三维坐标。使用MATLAB软件内置的函数delaunay对重建之后的离散点进行delaunay三角剖分，然后对剖分的三角形填充纹理，完成爆震火焰表面的三维重建。本专利技术的有益效果是：该方法采用高速双目立体视觉系统搭建实验系统，采用张正友标定法对实验系统进行标定，然后利用实验系统对爆震火焰进行成像并对图像进行处理，使用归一化互相关算法对采集的图像对进行匹配，得到两幅图像上对应的匹配点对，再根据三维重建算法计算出与图像上的像点所对应的空间点的三维坐标，实现爆震火焰表面三维几何外形的重建。对于连续拍摄的一系列图像对，将后一时刻的图像与前一时刻的图像进行比较，得到爆震火焰在微小时间间隔里的发展情况，再对其进行重建，得到三维爆震火焰表面随时间变化的信息。由于采用高速双目立体视觉系统对爆震火焰表面进行重建，避免了
技术介绍
诊断方法中双目立体视觉系统需要同步的技术问题。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。附图说明图1是本专利技术重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法用测量装置示意图。图2是本专利技术重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法的流程图。图中，1-三脚架，2-高速摄像机，3-四镜双目分镜器，4-爆震管，5-观察窗。具体实施方式参照图1-2。本专利技术重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法具体步骤如下：步骤1：搭建实验系统。参照附图1，图中高速摄像机2安放在三脚架1上面，高速摄像机2前面加置了一个四镜双目分镜器3构成高速双目立体视觉系统，系统安放在爆震管4的观察窗5前面的合适位置处。系统的安放以能使观察窗在相机中形成两个清晰的图像并且图像充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：将高速摄像机(2)安放在三脚架(1)上面，高速摄像机(2)前面放置四镜双目分镜器(3)构成高速双目立体视觉系统，实验系统安放在爆震管(4)的观察窗(5)前面；实验系统的安放以能使观察窗在相机中形成两个清晰的图像并且图像充满整个视图，调节好光圈、焦距和快门之后，保持整个系统不动；步骤2：系统的标定包括单相机的标定和双相机的标定；步骤2.1：单相机的标定；首先，利用单相机对标定模板在不同的姿态和位置处成像，每一次标定模板姿态和位置的改变量不要太小，每次姿态角度的改变量应大于30度，拍摄的图像对数目应该大于10对；图像上特征点的坐标用Harris角点探测方法求出；利用特征点的真实坐标及其图像点坐标，求出相机的投影矩阵，根据张正友标定法求出所有的内外部参数，完成单相机的标定；步骤2.2：双相机的标定；分别对左、右相机进行标定，利用标定结果计算出系统结构参数，即两个相机之间的旋转矩阵R和平移向量t，利用已知的左相机的内外部参数和系统结构参数反过来计算出右相机的外部参数，用计算出的外部参数替代原有的单相机标定出来的外部参数；再对左、右相机的内外部参数进行优化，优化时，除了考虑相机的投影关系之外，还需要考虑极线几何的约束关系；经过优化即得到所有的相机内外部参数和系统结构参数的值；优化公式如下：minΣd(mL，m′L)+d(mR，m′R)+d(mL，LL)+d(mR，LR)式中，d(mL,LL)+d(mR,LR)=(mRTFmL)2(FTmR)12+(FTmR)22+(mRTFmL)2(FmL)L2+(FmL)22]]>d(m，n)表示点m与点n或者直线n之间的欧式距离，mL、mR表示空间点M在左右图像上的真实像点，表示空间点M经过线性投影计算出来的理想投影点，LL、LR分别是mR、mL对应的极线；完成标定之后，对标定结果进行检测；计算所有空间点M的投影点mI与真实像点m之间的距离的平均值D_mean(m，mI)，将平均值与阀值ε进行比较；如果平均值小于阀值，则认为标定结果精确，否则，通过增加图像对的数目和增大模板姿态角的方法重新进行拍摄和标定；步骤3：将爆震发动机供油量、供气量以及点火频率设置好，检查冷却系统和润滑系统工作状况，一切正常后点火，使发动机正常运行并产生稳定的爆震波；然后用系统拍摄火焰，得到爆震火焰的图像；步骤4：首先使用均值滤波器去除图像中的少量随机噪声，然后使用高斯滤波器去除高斯噪声，最后使用拉普拉斯算子对图像进行锐化处理；步骤5：采用极线校正算法对待匹配的图像对进行极线校正，然后采用归一化互相关算法对图像对进行匹配；步骤5.1：根据极线几何的知识，计算出每一条极线经过的像素，将这些像素标记为同一行，左、右图像都经过处理后，对应点没有纵坐标的差异；然后重新裁剪校正极线后的图像；步骤5.2：先寻找左图中待匹配点在右图中的搜索区域，通过手动选取一个粗略的匹配点，取这个点左右一定范围的像素构成搜索区域；在搜索区域中逐点寻找匹配点，对每一个点都要建立以其为中心的相关窗口，左、右两图中的相关窗口一样大小，用归一化互相关算法计算两个点的相关程度，标记相关性最大的点为匹配点；相关窗口的大小对匹配而言很重要，如果匹配的不准确，改变窗口的大小后再重新进行匹配；步骤6：根据匹配点对的坐标和系统的参数，采用三维重建算法反算出空间点的三维坐标；使用MATLAB软件内置的函数delaunay对重建之后的离散点进行delaunay三角剖分，然后对剖分的三角形填充纹理，完成爆震火焰表面的三维重建。...

【技术特征摘要】
1.一种重建爆震火焰表面三维几何外形的诊断方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：将高速摄像机(2)安放在三脚架(1)上面，高速摄像机(2)前面放置四镜双目分镜器(3)构成高速双目立体视觉系统，实验系统安放在爆震管(4)的观察窗(5)前面；实验系统的安放以能使观察窗在相机中形成两个清晰的图像并且图像充满整个视图，调节好光圈、焦距和快门之后，保持整个系统不动；步骤2：系统的标定包括单相机的标定和双相机的标定；步骤2.1：单相机的标定；首先，利用单相机对标定模板在不同的姿态和位置处成像，每一次标定模板姿态和位置的改变量不要太小，每次姿态角度的改变量应大于30度，拍摄的图像对数目应该大于10对；图像上特征点的坐标用Harris角点探测方法求出；利用特征点的真实坐标及其图像点坐标，求出相机的投影矩阵，根据张正友标定法求出所有的内外部参数，完成单相机的标定；步骤2.2：双相机的标定；分别对左、右相机进行标定，利用标定结果计算出系统结构参数，即两个相机之间的旋转矩阵R和平移向量t，利用已知的左相机的内外部参数和系统结构参数反过来计算出右相机的外部参数，用计算出的外部参数替代原有的单相机标定出来的外部参数；再对左、右相机的内外部参数进行优化，优化时，除了考虑相机的投影关系之外，还需要考虑极线几何的约束关系；经过优化即得到所有的相机内外部参数和系统结构参数的值；优化公式如下：min∑d(mL，m′L)+d(mR，m′R)+d(mL，LL)+d(mR，LR)式中，d(m，n)表示点m与点n或者直线n之间的欧式距离，mL、mR表示空间点M在左右图像上的真实像点，m′L、m′R表示空间点M经过线性投影计算出来的理想投影点，LL、LR分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄希桥，熊月飞，郑龙席，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61