一種基于物理參數(shù)一致性的火焰溫度場重建方法
【專利摘要】一種基于物理參數(shù)一致性的火焰溫度場重建方法，它包括以下步驟：a.從多個視角同步拍攝燃燒火焰的圖像序列，利用可視外殼技術(shù)將火焰體素化；b.標定相機的響應曲線；c.初始化火焰折射率場，并根據(jù)火焰的成像模型計算火焰的初始輻射力場；d.迭代計算輻射力場與折射率場，直到輻射力場與折射率場在數(shù)值上滿足物理一致性；e.根據(jù)輻射力與溫度之間的查找表計算最終的火焰溫度場。本發(fā)明基于火焰輻射力場與折射率場兩個物理參數(shù)一致性的事實，提出了一種迭代計算火焰溫度場的算法，該方法充分考慮了火焰折射率場的分布不均勻?qū)饩€的折射作用，大大提高了溫度場重建的精度。本方法可以用于工業(yè)測量、火電廠監(jiān)控以及虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。
【專利說明】一種基于物理參數(shù)一致性的火焰溫度場重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)輻射力場與折射率場的物理一致性對火焰的溫度場進行精確重建的方法，屬測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]火是一種常見的自然現(xiàn)象，是伴隨有發(fā)光放熱的劇烈化學反應過程，也是化學能轉(zhuǎn)化為熱能的最主要方式，火焰是火的外在表象。我國以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭能源占全部能源的70%左右。因此，在火電生產(chǎn)中進行燃燒優(yōu)化控制，提高能源利用率具有重要意義。溫度是火焰最主要的物理特征之一，其空間分布與變化規(guī)律直接反應了火焰的狀態(tài)，因此能否得到火焰的精確溫度場是火電廠燃燒優(yōu)化控制的關(guān)鍵。
[0003]由于火焰具有物理機制復雜、表現(xiàn)形態(tài)豐富、運動變化隨機、沒有光滑的表面等特點，使火焰溫度場的精確重建成為極具挑戰(zhàn)性的研究方向之一。
[0004]已有文獻中報告的溫度場的重建方法可以分為兩大類，即侵入式方法與非侵入式方法。早期的火焰溫度場獲取方法主要是簡單的侵入式測溫方法，如熱電偶測溫與熱電阻測溫等方法。這些方法雖然簡單，但一次測量只能得到火焰單點位置溫度，而不是整個火焰的溫度分布信息，且測溫時需要與火焰接觸，干擾了火焰的運動。非侵入式方法又可細分為主動式方法與被動式方法。主動式方法是從被測物一端發(fā)射已知強度的信號，從被測物另一端接收該信號，通過信號的衰減計算被測物的溫度場。這類方法包括全息干涉法、聲波測溫法等。由于這類方法往往依賴昂貴的設(shè)備，對作業(yè)環(huán)境要求苛刻，應用范圍也受到了限制。被動式方法是通過檢測被測物輻射的信號計算被測物溫度場。代表性的方法是輻射測溫法，它建立在輻射理論基礎(chǔ)上。近年來，隨著光電技術(shù)和計算機圖像處理技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學者將數(shù)字圖像處理技術(shù)與熱輻射理論結(jié)合，借助層析重建技術(shù)重建燃燒火焰的溫度分布。由于這類方法理論基礎(chǔ)扎實，便于實施，而且重建的溫度場精度較高，成為重建溫度場的主流方法。
[0005]數(shù)字圖像處理技術(shù)與熱輻射理論相結(jié)合的方法存在明顯的不足:(I)忽略火焰對光線的折射作用。傳統(tǒng)的方法認為光線在火焰中沿直線傳播，而由于火焰燃燒產(chǎn)物密度分布不均勻，使火焰的折射率場不均一，這導致光線在火焰中傳播時會發(fā)生折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象有些時候會很明顯。因此忽略火焰的折射作用計算溫度場，溫度場的精度得不到保障；(2)沒有考慮過曝光或曝光不足對火焰圖像造成的信息丟失。由于一般工業(yè)相機的動態(tài)范圍小于火焰發(fā)光的動態(tài)范圍，因此得到的火焰圖像不可避免地產(chǎn)生過曝光或曝光不足現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種基于物理參數(shù)一致性的火焰溫度場重建方法，以解決傳統(tǒng)火焰溫度場計算模型因不能描述火焰對光的折射作用而無法保證溫度場精度的問題。[0007]本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種基于物理參數(shù)一致性的火焰溫度場重建方法，所述方法包括以下步驟:
a.從多個視角同步拍攝燃燒火焰的圖像序列，利用可視外殼技術(shù)將火焰體素化
將多個相機固定在支架上，采用硬觸發(fā)技術(shù)從多個視角同步拍攝火焰的圖像序列，對于同一時刻的多個視角的火焰圖像進行二值化，提取火焰邊緣，利用可視外殼技術(shù)重建火焰的可視外殼，并將可視外殼包圍的火焰體分割為大小相等的體素，利用標定的相機參數(shù)，計算每個體素的空間幾何位置；
b.標定相機的響應曲線
將相機固定在光線明暗變化豐富的場景，通過設(shè)置不同的曝光時間獲得多曝光時間的圖像序列，提取圖像特征點，采用Debevec的方法標定相機的響應曲線；
c.初始化火焰折射率場，并根據(jù)火焰的成像模型計算火焰的初始輻射力場；
d.迭代計算輻射力場與折射率場，直到輻射力場與折射率場在數(shù)值上滿足物理一致性 根據(jù)福射力場與折射率場的物理關(guān)系重新計算火焰的折射率場:首先根據(jù)福射力與溫
度之間的查找表，通過輻射力場RW計算溫度場τ(χ),再利用下式計算折射率場φ?:
【權(quán)利要求】
1.一種基于物理參數(shù)一致性的火焰溫度場重建方法，其特征是，所述方法包括以下步驟: a.從多個視角同步拍攝燃燒火焰的圖像序列，利用可視外殼技術(shù)將火焰體素化 將多個相機固定在支架上，采用硬觸發(fā)技術(shù)從多個視角同步拍攝火焰的圖像序列，對于同一時刻的多個視角的火焰圖像進行二值化，提取火焰邊緣，利用可視外殼技術(shù)重建火焰的可視外殼，并將可視外殼包圍的火焰體分割為大小相等的體素，利用標定的相機參數(shù)，計算每個體素的空間幾何位置； b.標定相機的響應曲線 將相機固定在光線明暗變化豐富的場景，通過設(shè)置不同的曝光時間獲得多曝光時間的圖像序列，提取圖像特征點，采用Debevec的方法標定相機的響應曲線； c.初始化火焰折射率場，并根據(jù)火焰的成像模型計算火焰的初始輻射力場； d.迭代計算輻射力場與折射率場，直到輻射力場與折射率場在數(shù)值上滿足物理一致性 根據(jù)福射力場與折射率場的物理關(guān)系重新計算火焰的折射率場:首先根據(jù)福射力與溫度之間的查找表，通過輻射力場計算溫度場，再利用下式計算折射率場Φ(勾:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于物理參數(shù)一致性的火焰溫度場重建方法，其特征是，火焰折射率場的初始化及火焰初始輻射力場的計算方法是: 將火焰的折射率場初始化為各個體素內(nèi)折射率均為1，火焰的成像模型定義為:E(p) = fa (X) R (X) τ (x)dx + Eig{p) 其中E(P)為像素接收的火焰輻射能，由相機的響應曲線獲得，c為像素P對應的光線走過的曲線，為曲線e上的點X相對于像素P的立體角，R(X)表示火焰的輻射力場，τ(χ)表示光線在火焰中穿行時的穿透率，Etg(P)表示環(huán)境光對像素的輻射貢獻；假設(shè)成像模型中環(huán)境光的貢獻馬e(P)為0，同時假設(shè)光線在火焰中的穿透率τ(Χ)僅與光線的路徑有關(guān)，即?)與光線路徑長度的負指數(shù)成正比，比例系數(shù)為消光截面τ則輻射力場R(x)由下式求得
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于物理參數(shù)一致性的火焰溫度場重建方法，其特征是，所述火焰輻射力與溫度之間的查找表，是相機響應波段的輻射力與溫度之間的查找表，相機響應波段的黑體輻射力與溫度之間的函數(shù)關(guān)系定義為:

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于物理參數(shù)一致性的火焰溫度場重建方法，其特征是，用于表示輻射力場的基函數(shù)天可以是Box函數(shù)或高斯函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于物理參數(shù)一致性的火焰溫度場重建方法，其特征是，為了保證重建的溫度場精度，拍攝燃燒火焰的圖像序列時應選擇動高動態(tài)范圍的相機。
【文檔編號】G06T17/00GK103810698SQ201310619708
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】王旭光, 蘇杰, 程海燕 申請人:華北電力大學（保定）