專利名稱：在空間中確定三維速度場的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在空間中確定三維速度場的方法。
背景技術：
在粒子圖像測速(PIV)法(DE 19928698 A1)中存在一種測量氣體或液體速度的標準方法，通過該方法在氣體流或液體流中布有小粒子，一個薄觀測平面通常以很快的順序被激光照射兩次，并被一個垂直于觀測平面放置的照相機拍攝成像，所述照相機能以很快的順序拍出兩張圖像。這些由相機拍攝的圖像被分成小的疑問窗口，在位置x，y上在兩個對其進行拍攝的時刻對所述兩個疑問窗口進行交叉相關，以便通過最高的相關峰值確定兩個疑問窗口之間最有可能的位移矢量(dx，dy)。因此(dx，dy)就是垂直于相機觀測方向的兩個位移矢量分量。用時間差dt去除位移矢量就可確定各個疑問窗口內的速度。這樣，就用相機得到了被照射平面內的一具有兩個速度分量的二維速度場。這種方法的特征在于，它對于成像缺陷和強度噪聲，以及無法確定歸屬的粒子例如已經離開發(fā)光板上的粒子有較強抗干擾性。
高速相機在PIV方法中的應用可從DE 4408072 A1中獲知。
DE 19801615A1中描述了一種測量流動過程的PIV方法的校準方法。
利用兩臺相機通過把位移(dx1，dy1和dx2，dy2)立體重組(立體PIV)(DE 19928698 A1)就能確定所有三個速度分量。需要通過適當的校準，如使用校準板，來匹配這兩張圖像并確定測得的位移(dxn，dyn)與空間位移(dx，dy，dz)間的關系。
可選擇地，從美國專利No.6542226 B1中已知一種測量流動分量的系統(tǒng)，其中一臺相機測量平面上的兩個流動分量，而第二臺相機通過計算越過發(fā)光板平面的多普勒位移來測量第三個流動分量。
已經開發(fā)了各種方法來測量速度場，這些速度場不僅是在平面內，而且還在較大尺寸的空間內。另一方面，例如，使用例如一面旋轉的鏡子就能夠快速移動一發(fā)光板穿過一空間，并可用一臺合適的高速相機以很快的順序拍攝若干平面。每個平面都必須被拍攝成像兩次的事實極大地限制了(多次)曝光之間的時間間隔和可被拍攝成像的平面的數量。利用能夠例如以1kHz的頻率拍攝高分辨率的圖像和拍攝例如八個平面的現代CMOS相機，可獲得最小值為8毫秒的dt，然而這對于許多需要記錄高速流的應用場合來說還是太長。而且，平面不是同時拍攝成像的，而是一個接一個成像的。那些包含機械部件的光學裝置也相當復雜。
可選擇地，如在美國專利No.5883707中所述，也可以以很快的順序照射若干平面，同時給每個平面均配備一臺相機。
另一種方法采用兩臺或更多相機一次對整個空間拍攝成像(美國專利No.5905568)。在每張用相機拍出的圖像中都能找出被觀測粒子的位置，并可通過三角測量確定該粒子的(x，y，z)位置。圖像1中的粒子位于一條取決于在圖像2中的高度z的外極線(epipolar line)上。粒子的速度通過其在不同時刻的位置，利用合適的匹配算法(三維粒子軌跡測速法，3D-PTV)來確定。就象用立體PIV一樣，對相機作精確的空間校準是必需的。這種方法的缺點是粒子的密度必須相當低，因為重疊在一起的粒子會導致誤差，而且由于在三角測量期間外極線上可能會有太多粒子，從而導致出現并不存在的粒子的幻像。
第三個方法是使用不同的光學系統(tǒng)進行全息照相。用兩個激光脈沖以很快的順序照射粒子，并把全息圖存儲在攝影用的底板上。由于首先要把圖像底板一張一張地沖洗，而且要用CCD相機以很高的成本進行掃描，所以對于經常需要上千張圖像以便作為流場的統(tǒng)計根據的工業(yè)應用來說，這種方法不適用。

發(fā)明內容
下述在空間中確定三維速度場的方法可消除前面提到的缺陷。
同樣，該方法也需要通過照射空間來激發(fā)空間中的粒子使其發(fā)光。還要準備至少兩臺相機，同時在至少兩個不同的時刻t1，t2拍攝圖像。通過確定這至少兩臺相機的相機圖像點(xn，yn)的投影方程，在位置(x，y，z)上的同一體元(體積元素)就被從空間中繪制到圖像平面上。接下來，測量在該至少兩個不同的時刻t1，t2的相機圖像點(xn，yn)上的沿視線的體元的強度。通過在對應于體元的圖像點(xn，yn)上重組強度，空間中的體元的強度就被重建出來。為確定一個具有例如32×32×32體元的疑問體積，可按照上述步驟在不同時刻t1，t2計算出所有體元的強度。通過三維交叉相關，就可確定兩個疑問體積在時刻t1和時刻t2之間在被觀測空間中的位移矢量(dx，dy，dz)，從而得到被觀測空間的整個速度場。
給出另一種方法，這就是首先從一個確定的空間中選出一個預定大小的體積元素(體元)，該確定空間中布有被激發(fā)而發(fā)光的粒子，用兩臺相機從不同角度觀測所述體元。在時刻t1，每臺相機各拍攝一張圖像，同時被相機觀測空間內的體元的坐標通過已知的在時刻t1的投影方程被映射在相應一臺相機拍攝的圖像的點上。在另一時刻t2重復這一過程。從而，每臺相機的圖像平面上都包含了一個體元在確定時間、確定強度下的投影。這里必須考慮到，沿視線投影到圖像平面上的不僅是單獨一個體元的強度，被照射的空間中沿該視線的所有體元的強度都匯集到了圖像點上。根據從屬權利要求3和5中教授的方法，或者類似的線斷層重建法(tonographicreconstruction methods)，現在就可以根據投影圖像點的強度數學地重建一個體元的強度。確定一個體元的強度還不足以確定三維速度場。需要重復這一步驟，并從而確定被觀測空間中多個體元的強度。然后，根據該具有相應強度的多個體元，可以分別在時刻t1和t2計算出所謂疑問體積。這樣的疑問體積由例如32×32×32的體元組成。這樣由多個體元確定的疑問體積在時刻t1、t2分別具有一確定的強度場?，F在就能夠通過在時刻t1和t2的疑問體積之間的三維交叉相關來確定位移矢量(dx，dy，dz)，相關系數最高的位移相應地成為兩個疑問體積在時刻t1和t2最有可能的位移。為被觀測空間中的每個疑問體積都計算出一個位移矢量從而描繪出一個三維速度場。
這種方法的優(yōu)點在于，由于它不象在3D-PTV方法中那樣需要知道具有確定形狀的單個粒子的位置，而是用容錯統(tǒng)計相關分析法(fault-tolerantstatistical correlation analysis)計算出位移矢量，所以它對各個相機圖像中的重疊粒子非常不敏感。錯誤的體元強度可以從統(tǒng)計上被平均掉，并相對于真實的相關峰值被消除。
為了確定成像參數，該方法需要精確的空間校準作為附加條件，所述校準通常是從一個已知校準板的幾個視圖計算得到。另外，利用在拍攝到的粒子圖像上的自校準有可能部分地或全部確定投影方程的成像參數。在DE 10312696.1中已經公開了這兩種變型。
本發(fā)明更多的有利的特征以及設計方案在從屬權利要求中說明。
更特別地設想，可以為疑問體積選擇與相機像素尺寸相同或更小的柵格，這樣垂直于相機的被觀測平面上的若干體元就等于一個像素xn，yn的大小，并且體元的強度就能通過對相機的的相機圖像點xn，yn的強度進行次像素的精確插值而計算得出。這意味著體元將比相機的像素要小，這樣就能更精確地確定體元的強度。
更進一步地設想，體元的強度由相應的投影到相機1和2上的圖像點的強度的最小值確定。由于圖像點可能不僅接納了一個體元的強度，而且還接納了沿視線的其它體元的強度，所以圖像點的強度可能過高，而相應的由其它相機拍攝的圖像點只接納了一個體元的強度，從而重現了真實的強度。因此把所獲得的兩個相機的圖像點的強度最小值作為進一步計算的基礎。
另一個將這種確定強度時的錯誤減到最少的可行的方法在于，通過倍增代數重建技術(multiplicative algebraic reconstruction technique)來確定一個體元的強度。
在一個有利的變型中，被觀測的空間例如在薄層中被照射，被照射較少的體元則位于視線上，從而可以更穩(wěn)定和更精確地重建體元的強度，同時在另一方面可以確定具有很深的三維深度的一速度場。


通過下面結合附圖的示例性說明，可以對本發(fā)明有更好的理解。
圖1所示為被觀測空間中的一個疑問體積中的一個體元；圖2為確定一個體元的真實強度問題的示意圖。
具體實施例方式
在相機10的相機圖像中，像素20接收來自體積元素(體元)3和3a的強度計數為160的光。在相機30的相機圖像中，像素40只接收來自體積元素3的強度計數為100的光。在重建體元3時，像素20和像素40中的最小強度值為計數為100的正確的體元強度。
權利要求
1.一種在一空間中確定一三維速度場的方法，通過照射所述空間激發(fā)該空間內的粒子發(fā)光，a)至少兩臺相機在至少兩個不同時刻(t1，t2)同時對該被觀測空間進行拍攝成像，b)把被觀測空間分為小的體積元素，即體元，c)用一投影方程把位置(x，y，z)上的每個體元投影到該至少兩臺相機的圖像點(xn，yn)上，d)由測得的相應的相關圖像點(xn，yn)的強度重建所有體元的強度，e)合并多個體元形成一個疑問體積，f)通過對兩個疑問體積的三維交叉相關，確定在時刻(t1，t2)在同一位置的位移矢量(dx，dy，dz)。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于為疑問體積選擇等于或小于同等相機像素尺寸的柵格，以使一垂直于相機的被觀測平面上的若干體元等于一個像素(xn，yn)的尺寸。
3.根據權利要求2的方法，其特征在于體元的強度通過對相機的圖像點(xn，yn)的強度進行次像素精確插值而計算得出。
4.根據權利要求1的方法，其特征在于在位置(x，y，z)的體元的強度由相機的投影點(xn，yn)的強度中的最小值確定。
5.根據權利要求4的方法，其特征在于用本地相機的感光度使相機拍攝的圖像規(guī)范化。
6.根據權利要求1的方法，其特征在于在位置(x，y，z)的體元的強度通過倍增代數重建技術-即MART-確定。
7.根據權利要求1的方法，其特征在于該被測空間僅在幾個薄平面內被部分照射。
全文摘要
一種在空間中確定三維速度場的方法，通過照射所述空間激發(fā)該空間內的粒子發(fā)光a)至少兩臺相機在至少兩個不同時刻(t
文檔編號G01P5/22GK1598594SQ20041007397
公開日2005年3月23日 申請日期2004年9月17日 優(yōu)先權日2003年9月18日
發(fā)明者B·維內克 申請人:拉維視有限公司