[发明专利]基于路径长度权重的等离子体发射光谱强度三维重建方法

说明书

本发明提供的一种基于路径长度权重矩阵的等离子体发射光谱强度三维重建方法，计算在每一幅等离子体图像中从像元四个顶点射出光线穿过空间体素的积分路径长度平均值，作为该体素对该像元的贡献度；将贡献度作为权重系数，构建权重投影矩阵；根据权重投影矩阵，建立等离子体图像像元的灰度值向量与体素的发射光谱强度之间的关系，求解体素的发射光谱强度，以实现等离子体发射光谱强度的三维重建。本发明考虑到光线穿过相机透镜时会发生折射因素以及体素之间的间隙影响，在计算时利用投影光线穿过单位体素时的三维路径长度信息，因此本发明较精确地计算权重投影矩阵，从而可以更精确地对等离子体发射光谱强度进行三维重建。

技术领域

本发明属于三维重建技术领域，具体涉及一种基于路径长度权重的等离子体发射光谱强度三维重建方法

背景技术

等离子体发射光谱强度反映了等离子的形态、空间的密度分布，在等离子体焊接、ICP等离子体风洞中有重要作用。单波长的等离子体发射光谱强度还可以用于反演等离子体电子温度、电子密度等物理参数，三维分布的等离子体发射光谱强度可以用于反演等离子体物理参数的三维空间分布情况。

基于等离子体自身发光能力的发射光谱强度的三维重建技术也被称为发射光谱层析技术，现阶段普遍采用的传感器为CCD或者CMOS像元整列，即数码摄像机，研究者所采用的方法主要分为面层析方法和体层析方法。面层析方法源于早期的CT(计算机断层扫描，Computed Tomography)方法，它假设光线经过摄像机透镜时不发生折射(X射线的特性)和汇聚，其几何模型为平行投影模型，是研究者对于摄像机成像的几何模型理解不深刻阶段的一种近似方法，该模型在相机距离物体较近、焦距较小的情况下并不能成立。

体层析方法考虑到了摄像机的成像模型与CT机的X射线成像模型的不同。摄像机对于可见光、红外、紫外光的成像为小孔成像模型，当光线穿过位于摄像机图像传感器阵列前的镜头时，光线会产生折射和汇聚现象。体层析方法将空间分成若干个体素单元，每个体素的发射光谱强度近似为常数，各个体素按照光线传播方向，被投影到图像平面，即将能量传播到图像像元，每个图像像元接收到的能量不同，形成不同的灰度，这种能量不同，体现为空间每个体素对图像每个像元的能量贡献大小不同，称为权重矩阵。

权重矩阵的计算是体层析方法中的难点和重点。现有文献(Zhou Z，Tian D，Wu Z，et al.3-D reconstruction of flame temperature distribution using tomographicand two-color plyometric techniques[J].IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement，2015，64(11):3075-3084.)；Zhong Zhou等人提出将单位体素视为球状进行发射光谱强度的三维重建，其中使用了主光轴与球体的夹角计算权重系数，该方法并未涉及到相机在实际使用中的小孔成像原理，并且由于球状体素之间的间隙影响导致计算出的权重矩阵不太准确。

现有文献(Goyal A，Chaudhry S，Subbarao P M V.Direct three dimensionaltomography of flames using maximization of entropy technique[J].Combustionand flame，2014，161(1):173-183.)，提出在对火焰进行三维重建时使用了粗方形射束模型，但该模型认为光线穿过相机透镜时不会发生折射现象，并且计算过程复杂。

现有文献(邓准.基于发射光谱层析方法的火焰光强场三维重建研究[D].西安电子科技大学,2019.DOI:10.27389/d.cnki.gxadu.2019.000935.)，提出的基于投影面积的权重系数算法该计算方法由于仅利用投影光线的二维面积较为简单，然而实际投影光线投射时并不仅仅是二维信息，因此该方法计算出的权重矩阵空间信息不足。

发明内容