[发明专利]基于仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场图像畸变矫正系统及方法

权利要求书

1.一种基于仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场图像畸变矫正系统，其特征在于：包括标定纸、透明结构物(1)、结构物外套箱体(2)、PIV系统与后处理算法；所述标定纸内置在透明结构物(1)中，且布满待测平面；所述结构物外套箱体(2)包覆待测透明结构物(1)，结构物外套箱体(2)内充满结构物内溶液；所述PIV系统包括第一高速相机(6-1)、第二高速相机(6-2)、同步器(7)、激光器(8)及计算机(9)，第一高速相机(6-1)、第二高速相机(6-2)、激光器(8)及计算机(9)均连接在同步器(7)上；所述后处理算法是通过后处理软件获取畸变前后图像像点的多项式映射关系，将映射关系逆向应用于直接拍摄情况下结构物内部的流动图像，可获取未经过畸变的真实流动情况。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场图像畸变矫正系统，其特征在于：所述标定纸，通过透明结构物(1)观察得到畸变后的图像；通过结构物外套箱体(2)观察标定纸得到基本矫正的畸变前图像。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场图像畸变矫正系统，其特征在于：若待测透明结构物(1)不方便进行结构物外套箱体(2)的包覆，可构建等比例同透明材料模型，仅用于畸变前后映射关系的获取。

4.一种基于仿射与B样条网格变换的透明结构物内流场图像畸变矫正方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1：读入畸变前和畸变后的标定纸图像I_fixed和I_float，构建函数，实现由畸变后图像向畸变前图像的映射映射函数为T(x,y)，x,y分别为二维变换的两个方向,变换方式包括整体变换T_global(x,y)和局部变换T_local(x,y)，即：

T(x,y)＝T_global(x,y)+T_local(x,y)；

步骤2：利用仿射变换的方法对图像进行全局变换，仿射在二维图像中拥有平移、旋转、缩放、切变四种变换7个自由度，表示为：

θ₁₁，θ₁₂，θ₁₃，θ₂₁，θ₂₂，θ₂₃为仿射变换的变换参数。

步骤3：利用B样条网格变换的方法对图像进行局部变换，通过构建均匀分布的B样条控制点网格把图像网格化，均匀间距为δ，控制点也就是网格节点的位移值为Φ_i,j；利用控制点的变换拟合出图像中每一个像素点的位移值，受其周围4×4个控制点位移值影响，通过控制网格节点的位移就可以实现畸变图像的局部变换，控制点位移时只会带动其周围有限范围内像素产生局部变换，即：

其中，B₀(t)～B₃(t)为三次B样条基函数，x,y为任意点坐标，δ为网格节点间距，t为变量，Φ为节点位移值。

为了约束基于样条线的自由变形是平滑的，引入一个惩罚项λC_smooth(T)来正则化变换，正畸模型的代价函数为：

C(θ,Φ)＝-C_similarity(T(I_float),I_fixed)+λC_smooth(T)

其中，H(T(I_float))，H(I_fixed)分别代表两幅图像的边界熵，H(T(I_float),I_fixed)代表它们的联合熵，由两幅图像的联合直方图计算，λ为正则化系数，X,Y分别为图像在x和y两个方向上的最大坐标点，N为图像的像素点个数；

步骤4：变换后图像像素坐标对应固定图像的整数坐标，所以变换前的坐标会有非整数的，所以需要对这部分非整数的坐标进行双三次插值；

步骤5：找到能够使正畸模型代价函数最小化的最优变换，采用LBFGS的方法作为优化算法；

步骤6：将最优变换逆向应用于直接拍摄情况下结构物内部的流动图像，可获取未经过畸变的真实流动情况。