本發(fā)明涉及三維三分量速度測量，特別是涉及一種三色掩膜單彩色相機粒子圖像測速粒子三維分布重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

1、粒子圖像測速是一種非接觸式流場測量技術(shù)，能夠準(zhǔn)確獲取全流場的瞬態(tài)定量信息，廣泛應(yīng)用于流場結(jié)構(gòu)的顯示與測量。層析粒子圖像測速是一種三維三分量速度測量技術(shù)，能夠測量瞬態(tài)的三維非定常流場速度。該技術(shù)利用3至6臺相機從不同角度記錄流體被測區(qū)域的示蹤粒子，通過重構(gòu)算法與三維互相關(guān)算法計算速度場信息。其中粒子三維重構(gòu)是重要步驟，該步驟計算粒子在三維空間中的強度分布，所得結(jié)果的質(zhì)量影響最終流場的測量精度。因為層析粒子圖像測速所需的相機數(shù)量較多，在光學(xué)測量窗口的數(shù)量與大小受限的情況下不便布置。三色掩膜粒子圖像測速是一種單相機測試技術(shù)，在單臺彩色相機的鏡頭前安裝三色掩膜裝置，其由三個中心波長不同的窄帶濾光片與黑色掩膜組成，黑色掩膜上有按一定規(guī)律布置的通光孔，以產(chǎn)生固定的視差；通過該裝置改變成像光路，將視差信息以顏色信息編碼，在單次曝光下，可同時拍攝三個視角的粒子圖像信息，分別記錄在彩色粒子圖像的不同顏色通道中。對三色掩膜彩色粒子圖像進(jìn)行色彩通道分離操作，提取出三視角圖像后，需采用與層析粒子圖像測速近似的方法重構(gòu)粒子空間分布，最終根據(jù)互相關(guān)算法得到三維速度場。

2、但是，由于單相機成像的視差較小，使用適用于層析粒子圖像測速的乘性視線同步倍增代數(shù)重構(gòu)技術(shù)等傳統(tǒng)重構(gòu)方法對三色掩膜粒子圖像進(jìn)行重構(gòu)需要數(shù)百次的大量迭代計算，且理論上應(yīng)重構(gòu)為球形的粒子實際上會沿景深方向產(chǎn)生明顯的伸長效應(yīng)，粒子形狀似拉長呈現(xiàn)梭形甚至針形，嚴(yán)重影響重構(gòu)精度，降低景深方向的空間測量分辨率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種三色掩膜單彩色相機粒子圖像測速粒子三維分布重構(gòu)方法，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行三維重構(gòu)，使粒子空間位置與強度分布更符合真實情況，以降低粒子伸長效應(yīng)、提高計算效率和在景深方向的分辨率。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種三色掩膜單彩色相機粒子圖像測速粒子三維分布重構(gòu)方法，包括：

4、拍攝彩色粒子圖像；

5、利用去馬賽克算法對所述彩色粒子圖像進(jìn)行色彩通道分離，得到三視角粒子灰度圖像；

6、利用mlos算法對所述三視角粒子灰度圖像進(jìn)行初步三維重構(gòu)，得到初始體素場；

7、利用訓(xùn)練完成的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將所述初始體素場內(nèi)的粒子細(xì)化三維重構(gòu)為圓形，得到精細(xì)體素場；

8、所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練過程，包括：

9、設(shè)置光學(xué)參數(shù)，并根據(jù)所述光學(xué)參數(shù)計算投影變換矩陣；

10、設(shè)置若干種粒子濃度，并根據(jù)所述粒子濃度隨機生成等量粒子空間強度體素場；

11、利用所述投影變換矩陣將所述等量粒子空間強度體素場轉(zhuǎn)換成待訓(xùn)練粒子灰度二維圖像；

12、利用mlos算法對所述待訓(xùn)練粒子灰度二維圖像進(jìn)行初步三維重構(gòu)，得到待訓(xùn)練體素場；

13、按照預(yù)設(shè)比例將所述待訓(xùn)練體素場隨機劃分為訓(xùn)練集、驗證集與測試集；

14、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型；所述網(wǎng)絡(luò)模型包括若干層隱藏網(wǎng)絡(luò)層；所述隱藏網(wǎng)絡(luò)層包括：3d卷積層、批量歸一化層與激活函數(shù)層；

15、構(gòu)建損失函數(shù)；

16、根據(jù)所述訓(xùn)練集和所述驗證集利用adam優(yōu)化器和指數(shù)移動平均法對所述網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練完成的待測試模型；

17、利用所述測試集對所述待測試模型進(jìn)行測試，得到測試結(jié)果；

18、當(dāng)所述測試結(jié)果滿足預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時，輸出所述待測試模型，得到所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

19、優(yōu)選地，所述光學(xué)參數(shù)包括：像元尺寸、焦距、名義光圈、粒子成像區(qū)域、測量區(qū)域尺寸、單個掩膜孔直徑、放大倍率以及掩膜孔中心外接圓半徑。

20、優(yōu)選地，所述損失函數(shù)為：

21、

22、其中，loss為所述損失函數(shù)；e0i和epredi分別為所述等量粒子空間強度體素場與所述網(wǎng)絡(luò)模型得到的預(yù)測體素場在i位置處的強度值。

23、優(yōu)選地，所述測試結(jié)果的計算公式為：

24、

25、其中，q為所述測試結(jié)果；e1i為i位置處所述待測試模型得到的重構(gòu)體素的強度值。

26、本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

27、本發(fā)明提供了一種三色掩膜單彩色相機粒子圖像測速粒子三維分布重構(gòu)方法，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行三維重構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)粒子伸長效應(yīng)較強、計算效率較差的缺陷，實現(xiàn)了對粒子三維分布的快速、精確重構(gòu)。

技術(shù)特征：

1.一種三色掩膜單彩色相機粒子圖像測速粒子三維分布重構(gòu)方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三色掩膜單彩色相機粒子圖像測速粒子三維分布重構(gòu)方法，其特征在于，所述光學(xué)參數(shù)包括：像元尺寸、焦距、名義光圈、粒子成像區(qū)域、測量區(qū)域尺寸、單個掩膜孔直徑、放大倍率以及掩膜孔中心外接圓半徑。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三色掩膜單彩色相機粒子圖像測速粒子三維分布重構(gòu)方法，其特征在于，所述損失函數(shù)為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種三色掩膜單彩色相機粒子圖像測速粒子三維分布重構(gòu)方法，其特征在于，所述測試結(jié)果的計算公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于三維三分量速度測量技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種三色掩膜單彩色相機粒子圖像測速粒子三維分布重構(gòu)方法，包括：彩色粒子圖像拍攝、色彩通道分離、初步三維重構(gòu)以及利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型細(xì)化三維重構(gòu)。本發(fā)明通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行三維重構(gòu)，使得粒子空間位置與強度分布更符合真實情況，大幅降低了粒子伸長效應(yīng)，提高了計算效率，且在景深方向具有更高的分辨率。

技術(shù)研發(fā)人員：丁俊飛,梁曉藝,張勇,劉逸群
受保護的技術(shù)使用者：太原理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9