[发明专利]一种三维跨界面成像方法

说明书

本发明提供一种三维跨界面成像方法，将石英缸套所围空间离散为多个体素层，并建立逆向光线追踪关系，以找到从CCD平面上的像素出发，穿过镜头中心到各体素层上的位置的唯一对应关系；然后通过线性插值将反向对应关系转换成各体素层到CCD平面的正向光路追踪关系，再从体素开始，正向计算从各体素块到像素的对应关系和投影权重，得到石英缸套所围空间中任意点到CCD平面的点扩散函数；最后通过点扩散函数实现放置于石英缸套中的待测目标在CCD平面上的成像；因此，本发明不需要多次迭代即可解决受限空间层析成像投影失真问题，能够显著提高解决受限空间层析成像问题的精度；同时适用于光学圆柱体、表面方程可以计算或插值的其他瞬态光学壁的受限空间层析成像问题。

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种三维跨界面成像方法。

背景技术

层析成像技术基于从不同视角同时测量获得的投影来重构所选目标光学信号的三维空间分布，广泛应用于流动与燃烧问题。根据测量环境的类型，层析成像问题可分为受限空间与开放空间两种。开放空间中的被测目标发出的信号直接由图像传感器接收，这些目标一般具有预设的特性空间分布(具有均匀染料浓度的染料溶液、预混合锥形火焰等)。因此，层析重构技术常用于研究火焰燃烧、流体流动特性的三维分布，如速度场、浓度、火焰表面特性和温度。然而在实际场合中燃烧与流动往往发生在受限空间中，环境条件、流动和火焰的呈现模式较开放空间更为复杂，这给分析流动或燃烧机理带来了巨大的挑战。

然而对于受限空间问题的研究，以前的许多研究忽略了光穿过透光介质时发生连续折射而导致的投影失真，在受限空间中光路穿过光学壁会发生至少两次折射，如果直接从待测区域中的体素微元到投影像素进行光线追踪，则需要从测量域的每个位置发射大量的光线，从中找到穿过镜头光学中心的唯一的光路，在算法应用中需要大量的迭代步骤而非常耗时。虽然在一些二维光学诊断技术中将图像传感器的光轴垂直于透明介质表面可以降低折射影响，但是在三维层析成像测量时需要从多个不同的角度使用传感器接收信号，不可能使每一个图像传感器都垂直于介质表面，因此投影不可避免地会受到光线折射的影响，从而给层析成像重构引入很大的计算误差。并且，通过平面介质测量得到的投影与在开放空间测量的相比，只有整体像素偏移，但是在有弯曲表面的透明介质(如内燃机气缸)测量时，不仅会产生像素偏移，还会产生信号分布变形，从而使得重构结果精度降低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种三维跨界面成像方法，避免了以往算法中非常耗时的多次迭代过程，能够准确地计算跨界面投影，有效地提高了跨界面层析成像的精度。

一种三维跨界面成像方法，应用于相机对位于石英缸套中的待测目标的成像，且相机被简化为一个包含若干大小相同的像素块阵列的CCD平面与一个凸透镜组成的成像系统，所述方法包括以下步骤：

S1：将石英缸套所围空间离散为两个以上的体素层，其中，各体素层与石英缸套所围空间的子午面平行，且各体素层均被划分为多个大小相同的体素块；

S2：利用逆向光线追踪法获取CCD平面上各像素中心点在各体素层上的对应点坐标；

S3：分别将各体素层作为当前体素层执行正向投影操作，得到各体素层上各点在CCD平面上的投影点坐标，其中，所述正向投影操作为：

S31：分别将当前体素层上的各点作为测试点，并从各像素中心点构成的所有可能的像素四边形中选出一个作为投影四边形，使得投影四边形的四个顶点在当前体素层上的对应点坐标构成的逆向投影四边形能够包围测试点，且投影四边形中任意两个顶点之间的间距总合最小；

S32：获取所述投影四边形在当前体素层上对应的逆向投影四边形，并基于投影四边形与逆向投影四边形之间的投影相似性，进行线性拟合得到测试点在CCD平面上的投影点坐标；

S4：基于各体素层上各点在CCD平面上的投影点坐标，获取各体素层所有体素块到CCD平面的点扩散函数；