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環(huán)形石英玻璃在二維投影圖像中的成像模型

作者:張淑芳 李瑞 邱思瑜 時間:2016-09-28 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:在發(fā)動機(jī)光學(xué)實驗中,通常采用環(huán)形石英玻璃缸套代替金屬缸套,在多個角度進(jìn)行發(fā)動機(jī)燃燒火焰二維投影圖像的拍攝,并利用CT技術(shù)重構(gòu)燃燒火焰的三維圖像。但受石英玻璃折射現(xiàn)象的影響,火焰的二維投影圖像會發(fā)生改變,從而使火焰的三維重構(gòu)圖像產(chǎn)生畸變。本文主要從光學(xué)角度來分析不同半徑的環(huán)形石英玻璃對物體二維投影圖像產(chǎn)生的影響,建立相應(yīng)的成像模型,并利用MATLAB語言進(jìn)行仿真實現(xiàn)。該研究對建立ART代數(shù)方程組進(jìn)行發(fā)動機(jī)火焰的切片重構(gòu)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

摘要:在發(fā)動機(jī)光學(xué)實驗中,通常采用環(huán)形缸套代替金屬缸套,在多個角度進(jìn)行發(fā)動機(jī)燃燒火焰的拍攝,并利用CT技術(shù)重構(gòu)燃燒火焰的三維圖像。但受現(xiàn)象的影響,火焰的會發(fā)生改變,從而使火焰的圖像產(chǎn)生畸變。本文主要從光學(xué)角度來分析不同半徑的環(huán)形對物體產(chǎn)生的影響,建立相應(yīng)的成像模型,并利用MATLAB語言進(jìn)行仿真實現(xiàn)。該研究對建立ART代數(shù)方程組進(jìn)行發(fā)動機(jī)火焰的切片重構(gòu)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201609/310496.htm

引言

  隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展,利用可視化技術(shù)對發(fā)動機(jī)燃燒火焰的研究已成為燃燒學(xué)領(lǐng)域研究的熱點問題之一[1]。在發(fā)動機(jī)光學(xué)實驗中,通常采用環(huán)形石英玻璃缸套代替金屬缸套,在多個角度進(jìn)行發(fā)動機(jī)燃燒火焰二維投影圖像的拍攝[2],并基于火焰的半透明特點利用計算機(jī)斷層成像技術(shù)(Computed tomography,CT)對燃燒火焰進(jìn)行三維數(shù)字化重構(gòu)[3-4]。由于受到環(huán)形石英玻璃特性的影響[5],火焰的二維投影圖像會產(chǎn)生改變,從而會使火焰的圖像產(chǎn)生畸變。因此,在火焰切片重構(gòu)之前,需要根據(jù)環(huán)形石英玻璃的特性分析二維投影圖像像素值所對應(yīng)的火焰輻射光線,再利用ART代數(shù)重建算法對火焰切片進(jìn)行重構(gòu)[6-7]

  本文首先基于石英玻璃折射特性,研究了環(huán)形石英玻璃對物體二維投影圖像產(chǎn)生的影響和環(huán)形玻璃的折射路徑,建立了環(huán)形石英玻璃的成像模型,并利用MATLAB語言進(jìn)行編程實現(xiàn),對成像模型進(jìn)行了實驗驗證。該研究對發(fā)動機(jī)燃燒火焰圖像的三維準(zhǔn)確重構(gòu)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 環(huán)形石英玻璃成像模型

  本文在建立環(huán)形石英玻璃的成像模型時,首先根據(jù)環(huán)形石英玻璃的折射特性,進(jìn)行基于環(huán)形石英玻璃的成像光路分析[8],然后基于直角坐標(biāo)系建立火焰二維投影圖像像素值所對應(yīng)的火焰輻射的射線方程。

1.1 基于環(huán)形石英玻璃的成像光路分析

  在對光學(xué)發(fā)動機(jī)環(huán)形石英玻璃缸套內(nèi)燃燒火焰進(jìn)行拍攝時,火焰光線進(jìn)入石英玻璃后會發(fā)生兩次折射,第一次折射,光線由空氣射入石英玻璃內(nèi);第二次折射,光線由石英玻璃再次射出空氣,并進(jìn)入攝像機(jī),在攝像機(jī)成像面成像,其成像模型示意圖如圖1所示。

  其中(a)為Bx>0的情況,(b)為Bx<0的情況。圖1中,O點為環(huán)形石英玻璃的圓心,A點為火焰在相機(jī)中所成二維投影圖像的某一像素點,BA為無折射現(xiàn)象時A點的成像光路,P為考慮環(huán)形石英玻璃折射時B點的偏移點。在分析環(huán)形石英玻璃對火焰成像的影響時采用逆向分析法,即假設(shè)光線從A點射入,經(jīng)過兩次折射后達(dá)到P點,∠ACE和∠OCD為第一次折射的入射角和折射角,∠CDF和∠ODP為第二次折射的入射角和折射角,由AC入射的光線經(jīng)折射后光路為:AC—CD—DP。

  由上述分析可知,P點位于第二次折射后的射線上,但無法確定P點具體位置。因ART算法只需確定穿過重構(gòu)區(qū)域的射線,所以只需根據(jù)幾何關(guān)系推算出射線DP的方程。設(shè)空氣折射率為n1,玻璃的折射率為n2,由折射定律可知:

(1)

  可根據(jù)折射定理及幾何關(guān)系推算出射線DP的方程。

1.2 火焰輻射成像時射線方程的建立

  (1) 確定直線OA、AB及點B坐標(biāo),以O(shè)(0,0)點為圓心,圓環(huán)橫向半徑方向為X軸,縱向方向為Y軸建立坐標(biāo)系。A點為攝像機(jī)所在位置,其在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可以確定,攝像機(jī)拍攝透鏡中心點已知,在坐標(biāo)系中,設(shè)透鏡中心點坐標(biāo)G(Gx,Gv),G點位于AB直線上,如圖1所示。透鏡中心點與觀測點所在的直線與X軸的交點為B,根據(jù)直線方程的斜截式可求得直線lOA的方程為:

  聯(lián)立方程式(3)和(5),即可求得C點坐標(biāo)為C(Cx,Cy)。

  ∠ACE為直線lABlOC的夾角,為求得∠ACE,由夾角公式,應(yīng)先求得lOC和lAB的斜率KOCKAB

  (3) 由折射定律求出第一次折射角∠OCD,由斯涅爾定理可得[9]:

(9)

  其中n1為空氣折射率,n2為玻璃折射率。從而求得∠OCD為:

(10)

  (4) 求第二次入射角∠CDF

  通過求解點D的位置坐標(biāo),確立直線OD和直線CD夾角,從而得到第二次入射角∠CDF。

  直線OC是圓心O與C點的連線,求得直線lOC的方程表達(dá)式為:

(11)

  所以直線CD實際為直線OC順時針旋轉(zhuǎn)∠OCD所得,直線CD的斜率為:

(12)

  因此,直線CD的方程表達(dá)式為:

(13)

  點D為直線CD與環(huán)形玻璃內(nèi)圓的交點,將代入式(13)可求得D點的位置坐標(biāo)為D(Dx,Dy)。

  觀察發(fā)現(xiàn),第二次入射角∠CDF實際為直線OD與直線CD的交點,根據(jù)夾角公式即可計算出∠CDF:

(14)

  (5) 由折射定律求出第二次折射角∠ODP,由斯涅爾定理可得:

  (6) 得出射線方程表達(dá)式

  通過計算出第二次折射角∠ODP,由觀察可知,射線DP是直線OD順時針旋轉(zhuǎn)∠ODP所得,因此,直線DP的斜率為:

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第68頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。


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