[发明专利]基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速系统及方法

权利要求书

1.一种基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速方法，其特征在于，所采用的系统包括激光器(1)、激光扩束准直系统(3)、三维流场测速箱(5)、相机阵列(6)、计算机(7)、平面标定板(8)、精密电控平移台(9)；其中激光扩束准直系统(3)设置于激光器(1)和三维流场测速箱(5)之间；三维流场测速箱(5)为长方体结构，垂直于激光器光轴的两个面上设置光窗口，与光窗口所在侧面相邻的一个侧面采用高透玻璃，其余五个面采用经过发黑处理的铝合金；所述激光器(1)、激光扩束准直系统(3)与三维流场测速箱(5)上的两个光窗口共轴；相机阵列(6)设置于三维流场测速箱(5)的高透玻璃面一侧，且相机阵列(6)的光轴垂直于该高透玻璃面；相机阵列(6)、精密电控平移台(9)均与计算机(7)相连，且平面标定板(8)设置于精密电控平移台(9)上；

该方法包括以下步骤：

步骤1，将平面标定板(8)置于三维流场测速箱(5)内，对相机阵列(6)进行标定；

步骤2，将示踪粒子置于三维流场测速箱(5)内，采用相机阵列(6)的相机从不同角度对示踪粒子成像；

步骤3，根据标定关系，将相机阵列(6)的相机图像重投影到世界坐标系中Z已知的平面上，将各重投影图像中对应位置的灰度值相加，产生重聚焦图像；通过逐步等间隔改变Z值，得出重聚焦图像序列，所述Z值间隔小于示踪粒子直径；

步骤4，将重聚焦图像序列进行离散化，把重聚焦图像上的灰度值存储到离散化网格中，网格大小设置为相机像元大小的10倍；

步骤5，运用基于移动窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点，通过计算不同深度窗口区域内的Tenengrad函数值来确定示踪粒子点位置，从而重建出示踪粒子场。

2.根据权利要求1所述的基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速方法，其特征在于，步骤1所述对相机阵列(6)进行标定，标定方法基于小孔模型，公式表示如下：

其中，(x,y)为图像坐标系上的像素坐标，(X,Y,Z)为世界坐标系上的特征点的坐标，根据特征点在图像上和世界坐标系上的对应关系，求得相机外部参数a、b、c、d、e、f、g、h、p、q、r、s。

3.根据权利要求1所述的基于集成成像技术的3D-3C粒子图像测速方法，其特征在于，步骤5所述运用基于移动窗口梯度变换的方法，提取不同深度区域的示踪粒子点，具体如下：

在重聚焦图像序列上，选择一个诊断窗口，诊断窗口的长和宽分别为10个离散网格大小，窗口深度贯穿所有的重聚焦图像，计算重聚焦图像序列上诊断窗口部分的Tenengrad函数，作为判断该诊断窗口区域有没有示踪粒子的标准T(k)，具体公式为：

其中，G是诊断窗口区域部分的Sobel算子梯度，x、y分别表示图像坐标系中x轴、y轴方向，k表示第k个窗口；

通过计算诊断窗口中的所有平面上的T值，建立一个T值函数图，该图形中极大值位置处就是存在示踪粒子的区域，提取出该区域的深度信息和相应层面上诊断窗口里面的灰度值数据；在选择诊断窗口时，相邻两个诊断窗口挨着，依次遍历完所有的离散网格点；提取到的诊断窗口数据根据分层，依次按照提取之前的位置信息排列，最后便得出在重聚焦图像序列所在平面上聚焦的粒子图，以及相应的粒子位置和大小，根据重聚焦图像序列中的图像坐标系与世界坐标系的坐标变换，得到三维示踪粒子场。