基于光场成像技术的火焰温度测量毕业设计论文.doc

目录题 目 基于光场成像技术的火焰温度测 能源与环境学院院（系）热能与动力工程专业学 号 学生姓名 指导教师 起止日期 2014.3 2014.6 设计地点 东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 独 创 性 声 明本人声明所呈交的毕业（设计）论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名： 日期： 年 月 日东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 使 用 授 权 声 明东南大学有权保留本人所送交毕业（设计）论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学教务处办理。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年月 日 基于光场成像技术的火焰温度测量摘 要火焰的测量具有十分重要的意义，准确的测量有助于对燃烧状况准确的分析，从而进行优化以实现更高的能源利用效率和获得更加稳定可靠的工况。而光场成像作为一种较为前沿的空间辐射获取技术，用于火焰温度场的测量有一定的可行性与实用性。本文通过使用光场相机对火焰进行光场信息采集，对导出图像处理并计算后获得了火焰温度分布。文章介绍了目前国内外火焰温度测量的方法与现状，说明光场成像的原理并讨论了将其用于火焰温度测量的可行性。推导说明比色温度算法的计算公式，提出一定假设后将该方法应用于数字图像的处理。通过实验验证相机景深随焦距增加而降低，从而确定了实验装置的布置与测量方案，同时确定了光场相机在该温度火焰测量时有关的参数取值，进行温度分布的求解。初步结果表明该反演算法对于不同数据可能求得相同温度值的不适定性，在对图像边界进行识别与分割后获得了较显著的温度分布。文章对双色法在数字图像中不同组合计算结果的差异进行了计算和比较，结果表明相机性能、标定误差以及该算法的假设条件对计算结果都有不同 的影响。最后，对光场信息数字重聚焦于不同焦平面的二维图像进行计算处理以及比较和分析，说明了算法和数据处理方式本身对信息利用的不足，最后提出了本课题进一步深入研究的可能方向。关键词：光场成像；火焰温度场，比色法测量，数字图像处理，数字重聚焦A STUDY OF PLENOPTIC IMAGING AND FLAME MEASUREMENTAbstractIn this thesis, we get the flame temperature distribution, through the use of Lytro light field camera to obtain the information of plenoptic of flame.This thesis introduces the methods and research situation at home and abroad of the flame temperature measurement, explains the principles of plenoptic imaging technology and discusses its feasibility for flame measurement. It deduces the colorimetric temperature formula, applies the method into digital image processing with some assumptions.The depth of field increased with camera focal lengths decreasing is verified with experiment, we determined the layout of the experimental apparatus and measurement scheme, defined some parameters when measuring the flame and solved the temperature distribution.Preliminary result indicates an ill-posed characteristic that the inversion algorithm for different data may obtain same temperature, therefore we gained more significant temperature distribution after the image recognition and boundary segmentation.The thesis made a calculation and comparison through the differences of digital images in the colorimetry results of different combinations. It is shown that the performance of the camera, error of calibration and the assumptions condition all impact on results.Finally, according to the refocusing light-field two-dimensional images of different focal planes, we do some calculation, comparison and analysis. Consequently it brings forward the deficiency of information utilization, including algorithms and data processing, and raises the possible directions for further research.Key words: Plenoptic imaging; flame temperature field, colorimetric method, digital image processing, digital refocusing1目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 引言11.2 接触式测温法21.2.1 膨胀式测温31.2.2 压力式测温31.2.3 热电阻测温31.2.4 热电偶测温41.2.5 其他接触式测温方法41.3 非接触式测温法41.3.1 成像法测温51.3.2 辐射法测温61.3.3 声波法测温7第二章 光场成像原理简介82.1 光场的概念与获取方式82.2 光场成像技术的研究现状82.3 基于微透镜阵列的光场成像应用92.4 光场成像在火焰测量上的应用10第三章 测量系统设计方案123.1 硬件部分设计123.1.1 光场相机仪器参数123.1.2 测量系统的布置方案133.2 数据处理流程153.3 温度算法公式推导153.3.1 RGB颜色标准简介153.3.2 比色法在数字图像处理中的应用163.4 相机标定过程18第四章 实验结果与误差分析214.1 图像边界识别与目标区域分割214.2 实验误差分析234.2.1 双色法各组合结果比较234.2.2 相机性能导致的误差分析244.2.3 标定误差244.3 光场分层讨论254.3.1 现象与分析254.3.2 继续研究的方向26结论27致谢29参考文献（References）30第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言电站锅炉及其他燃烧装置首先要求建立和维持稳定的燃烧火焰，无论对于研究电站锅炉煤粉燃烧的稳定性、经济性或清洁性王式民, 吕震中. 图像处理技术在全炉膛火焰监测中的应用J. 动力工程, 1996, 16(6): 68-72.，对内燃机燃烧过程的研究，还是为了开发设计高效低污染的新型发动机都具有重要的意义和应用价值何邦全, 姚春德. 三基色测温法在柴油机燃烧温度场测量中的应用研究J. 内燃机学报, 2001, 19(6): 526-530.。如果燃烧不稳定，不仅会降低燃烧效率，产生污染物和噪声，甚至会引起燃烧器脱火、回火或者积碳，造成事故。为了及时、灵敏、可靠地检测燃烧工况，防止事故发生，大型燃烧设备必须配备功能齐全、性能可靠的火焰监视与控制系统。火焰是燃烧状态稳定与否最直接的反映，其温度分布的定性或定量测定对于观察和了解燃烧过程特性，建立燃烧模型以及进行精确的数值模拟分析都有重要的作用。燃烧火焰具有丰富的信息，如几何参数、温度场分布等。如果温度场测量为立体空间分布而不是若干独立测点，则能够较全面地反映燃烧情况，如火焰的充满度、燃料与助燃剂配比、是否存在局部高温等，流动和燃烧的组织效果也能在火焰温度场中得到监测。若可实现可视化监测，如通过传统相机成像，则可以更加直观的对燃烧系统进行控制，同时便于操作人员的管理操作；若可以对燃烧火焰全面并实时的监测，则有助于及时、正确的对燃烧进行判断与控制，这有利于提高燃烧设备的效率，降低设备损耗；通过光场成像进行火焰监测即可满足以上要求，实现实时、全面与可视化的要求，同时减少碳的排放量以实现节能减排的目标。目前在技术上对于燃烧装置快速、丰富信息的利用仍有待发展，对燃烧分布情况也难以实时、全面的诊断。目前以数字图像处理技术为核心的火焰图像检测系统也逐步发展起来；国内外科研院所在可视化的火焰测量这一领域通过传统的光学成像装置进行了研究与应用。然而传统成像若想取得三维空间的信息则需采用推扫成像等方式进行多次曝光，这降低了光学检测的时效性周志良. 光场成像技术研究D. 中国科学技术大学, 2012.。同时非理想的光学系统都存在几何像差，对于测量的准确性造成干扰周宇,袁艳,胡煌华,张修宝. 数字对焦光场成像清晰度评价方法研究J. 光子学报,2010,06:1094-1098.。另一方面，国内外对于光场成像技术的研究与应用也在不断发展，但是通过光场成像对火焰进行测量的研究仍然处于起步阶段Wetzstein G, Ihrke I, Laiiman D. Computational plenoptic imaging D. Computer Graphics Forum, 2011, 30(8):2397-2426.。而采用光场成像的方式进行火焰测量，具有无需调焦、可消除几何像差以及实时性的优势。同时，光场相机规避了光圈与景深这两个参数之间的矛盾，通过后期数字重聚焦的技术可以在大F数时获得较大的景深，利于燃烧火焰的测量。本课题采用光场成像和光学测温的技术原理，进行火焰光场成像数据处理程序的设计与开发，完成实验数据的处理，并对处理算法做出改进与优化。本项目有充足的理论基础，同时目前已有科研人员通过光学检测的方式对火焰进行测量戴景民, 金钊. 火焰温度测量技术研究J. 计量学报, 2003, 24(4): 297-302.，这表明光场成像的方式与火焰温度的光学检测都具有很高的可行性。本课题初步使用Lytro公司研制的光场相机进行光场数据的采集工作，在对其充分了解、进行标定并获取其图像数据后，研究其数据形式、查阅文献资料、进行调查研究、学习Bayer阵列的图像采集方式，进行图像处理算法程序的编写。同时可以开展对实验系统进行设计与搭建的工作王勇, 段志轩, 蒋利桥, 等. 基于数字图像处理的微火焰测量技术J. 应用光学, 2009, 30(4): 631-634.，搭建火焰燃烧平台并且进行调试，引入传统、可靠的方式对火焰进行测定，开始进行图像采集的实验，以便于对光场成像进行标定，为算法研究提供实验数据。在获得燃烧火焰测量参数，并且由光场成像实验数据计算求得结果后，对两者进行比较，分析误差存在的原因并对算法进行校正，再次实验以验证算法的准确性。在此基础上按照规范要求认真撰写毕业设计论文，对实验数据和过程方法进行分析总结以及资料的整理工作。1.2 接触式测温法接触式测温法的测温元件直接放置在被测的温度场介质中，测量结果不会受到被测物体的物性参数影响，具有测温精度高、设备简单、使用方便等优点。但是它的缺点是只能进行单个点的温度测量，因此只能测到局部位置的信号而无法获得整个燃烧空间的温度分布信息；另一个缺点是测量响应时间长，对于工业锅炉或发动机等瞬时状态变化较快的测量对象，接触式测温法只能作为一定时间内温度的积分平均，无法做到瞬时的准确测量；此外由于传感器与被测体接触以及传感器温差等原因一定存在无法消除的误差。图1-1火焰温度测量方法1.2.1 膨胀式测温通过利用许多液体和固体在温度升高时提及的膨胀，根据受热膨胀性质制作的温度计。液体膨胀式温度计中应用最广泛的是水银玻璃管温度计，在生活中如体温计较为常见；而固体温度计是利用固体受热膨胀原理制作的，可分为杆式温度计和双金属片温度计，其中双金属片的气温计较为常见。1.2.2 压力式测温压力式温度计是根据液体、气体受热后体积膨胀或者压力变化这个原理工作的，因此可通过压力表对一定封闭空间的压力进行测量、同时进行温度标定即可作为温度计使用；可分为液体、气体或蒸汽压力式温度计。但是压力式温度计本身的设计原理会带来另外的附加误差。如温包结构浸入被测介质深度的印象、环境的影响、以及大气压力的影响等因素。因此压力式温度计难以应用在精度要求较高的场合或者极端的工作环境中。1.2.3 热电阻测温热电阻温度计的原理是金属传感器材料的电阻值随温度变化而成单一变化趋势，温度和阻值可以形成单一映射。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。但是热电阻温度计为了保证精度会选择体积较大的传感器，这会造成时间上的大幅度滞后，无法完成瞬时温度的测量；此外较大的传感器会增加测点热能的传导散失，造成被测对象的热不平衡。这些缺陷使得热电阻的使用受到很大局限。1.2.4 热电偶测温热电偶温度计是在工业生产中应用较为广泛的测温装置。热电偶传感元件是由两根不同材质的金属线组成，结构简单，使用方便，精确度高，量程范围宽，抗振，适用于300K至2000K范围内的中高温区间。热电偶温度计测量元件由两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会因热电效应产生热电动势，热电偶就是利用这种原理进行温度测量的。其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端，另一端叫做补偿端；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。经过仪表对热电势信号的处理，即可获得与之对应的温度值。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。由于其将温度转化为电信号，因此也可以非常便利的使用于电子仪表中，这有利于温度信号的远距离传输以及实现对象的准确控制。1.2.5 其他接触式测温方法在以上介绍的几种常见接触式测温方式之外，还有光纤测温、黑体腔测温等方式6。其中光纤测温法是利用光导纤维材料在不同温度下，对光的传输特性发生改变这一现象进行温度测量的。这些测温方法仍然无法摆脱接触式测温法的固有弊病，必然会对被测量体造成干扰，同时具有一定的迟滞性，因此无法满足一些特殊的需求。而非接触式的测温方法可很有效的避免接触式法的固有缺陷。1.3 非接触式测温法黑体的辐射出射度与其温度有单值函数关系，因此测量黑体即全辐射体的辐射出射度就可以计算求得其温度值。通过这种方式测量温度时，测量元器件不需要与被测介质相互接触，因此可以称作非接触式测温。由于测量过程与被测体不发生直接接触，因而感受测量元件不会对被测介质的温度场造成干扰及破坏。同时感受器不需要与被测介质达到同样的温度即可测量，这表明仪器的测温上限不会极大地受限于材料熔点，可以测量极高的温度；从理论上说，仪表的测温上限是不受限制的。此外，由于非接触法不需要达到热平衡的条件，因此可以实现温度的快速测量、时间滞后很小。虽然在中低温段非接触法的测量精度不及接触法，但是在1000K以上的高温段，其测量精度、灵敏度和实用性都有很大的优势，因此在1990年的国际实用温标规定，银凝固点（961.78）以上的温区是按普朗克辐射定律来定义的（ITS-90），复现标准仪器为光学高温计。1.3.1 成像法测温1.3.1.1 利用干涉原理的成像测温法在成象法测温的多种方式中，激光散斑法、纹影法、干涉仪法和激光全息干涉法均是基于光的干涉原理进行测量的6。从物理原理上看，基于干涉原理测量火焰的温度场的各种光学方法均可以等效为通过测量火焰的折射率分布反向求解获得温度参数的。又有对气体而言，折射率通常与密度成正比，所以可以通过理想气体状态方程从测得的密度场数据获得折射率数据，进而求得所需的温度场数据。它们的测量原理是将流场中各处折射率的变化转变为各种光参量的变化，并记录在感光元件上，从而进行定性或定量的分析判断。散斑法的原理是当光线通过有扰动的气流时，由于局部部位折射率梯度的变化，使通过漫射体的透射光相对于无扰动时发生偏折移位，反映在感光元件上即为散斑位移的变化。纹影法的原理是利用纹影仪将光线通过气流扰动区后引起的不同方向的偏折光区分开来，并用纹影刀口挡掉部分偏折光，使扰动区折射率的变化呈现为底片上明暗变化的纹影图像。干涉仪法的原理是用两束同轴相干光分别通过气流扰动区和非扰动区，由于扰动区内折射率的不同引起光程差的变化，使两束相干光产生了相位的变化，从而反映为底片上干涉条纹的变化。全息干涉法仍然基于干涉仪法的原理，不过它采用离轴记录法，不仅记录物波波前的振幅信息，同时还记录波前的相位信息。由此可见，散斑照相法记录的是偏折位置差，反映的是折射率梯度的变化；纹影法记录的是偏折角度差，反映的是折射率的梯度；干涉仪法记录的是光波相位差，反映的是折射率本身；而全息干涉法既有相位信息又有振幅信息，反映的是折射率本身和三维流场的立体信息6。上述四种方法测得的温度均为传输路径上火焰气体的平均温度。其中，散斑照相适于测量试验段比较长、温度梯度比较大的流场，但它不能进行在线观察和测量，不适于测量瞬态的温度场；纹影法适于测量弱激波和密度梯度变化小的流场，但对火焰的自身发光十分敏感；干涉仪法在测量时对振动相当敏感，故造价昂贵，测试麻烦，实际使用受到限制；除全息法外，其它3种方法都需要借助计算机扫描技术才能获得火焰的三维立体信息，但全息法的光路比较庞大，对测量系统的防震性能和实验时的工作环境要求较高，因此用该项技术进行火焰诊断的实例还不多见。1.3.1.2 利用比色法的CCD成像测温法近几年，随着电子计算机的高速发展，利用数字图像处理技术进行测量并重建温度场已在研究上取得了长足的进展。目前测量发动机缸内燃烧火焰温度的光学方法主要是双色法和多色法韩龙, 卜树坡, 赵杰, 等. 三基色测温法在 CCD 图像传感器测温中的应用J. 自动化与仪器仪表, 2011 (4): 122-123.。双色法测温原理和多色法的测温原理都是基于普朗克辐射定律和维恩位移定律进行反演计算的方法，因此两者对被测介质都有一个假设，即将辐射介质视为辐射率恒定的灰体。此外用双色法测量时，为了避免火焰在一个工况下摄像机曝光过量而在另一工况下曝光不足，因此需要在光路中增加中性滤光片。由于测量光路中光学元件多，滤光片和反射镜存在加工误差，尤其是在工业测量温度场时，生产设备的振动使得各个光学器件之间的安装位置难以保证，因此测量精度会受到影响。同样，在用多色法测量温度时，测量用的光学系统也是由测量探头、光导纤维和干涉滤色片等组成，为了保证被测量的火焰辐射光谱的完整性，对光学材料以及测量光路提出了很高的要求。比色法测温主要受到辐射率和光学精度两个方面的局限符泰然, 杨臧健, 程晓舫. 基于彩色 CCD 测量火焰温度场的算法误差分析J. 中国电机工程学报, 2009, 29(2): 81-86.；由于Bayer格式的CCD阵列记录RGB三色数据，在比色法中提供了大量冗余的数据，通过算法的优化可以实现对辐射率变化误差的修正；同时随着工业制造水平的不断上升以及光学防抖技术的应用，光学设备的精度也达到了前所未有的高度。因此CCD测温具有较强的使用价值，目前已有工业设备应用此方法，研究发展较为迅速。1.3.2 辐射法测温辐射法测量火焰温度的基础定律为普朗克定律、维恩定律和斯忒藩玻耳兹曼定律。辐射高温计通过对全光谱的辐射能进行叠加积分，测量得到辐射介质的全光谱辐射出射度，通过斯忒藩玻耳兹曼定律进行逆向求解即可得到介质的温度值。单色高温计和比色温度计的原理与CCD比色测温法的原理相似，也是以维恩位移定律作为基本定律进行测量与计算处理的，因此同样受到光谱辐射率变化的影响，有一定的误差。由于光谱发射率的影响，高温计的温度示值并不是物体的实际温度，而是根据使用的全辐射高温计、单色高温计和比色温度计的不同，得到辐射温度、亮度温度和比色温度。若想求得火焰的实际温度，就需要对上述温度进行发射率的修正。以往所采用的方法主要有发射率修正法、逼近黑体法、辅助源法和偏振光法。目前获得物体实际温度和光谱发射率数据的最有效的方法是多光谱测温法，它是利用多个光谱下的物体辐射亮度信息，经过数据处理得到物体的真实温度。CCD比色法中的双色校正法卫成业, 李晓东, 马增益, 等. 高温火焰图像处理比色测温法的数值方法研究J. 燃烧科学与技术, 1998, 4(3): 307-311.也利用了这个原理对结果进行修正。1.3.3 声波法测温声波法温度测量的基本原理是建立在介质中的声速是按照一个温度的函数变化的事实之上，并且进一步的受到沿着声路的气体成分的影响6。由此原理可以建立声速到温度的唯一映射，同时，使用多个发射点、多个接收点的测量系统，就可以实现对多条线温度平均值的测量，从而实现温度场的复现。目前我校对声波测温法也在进行积极的研究与实验。但由于此方法的控制方程中有介质分子量和介质定容比热容等参数是由介质本身决定的，当介质成分不稳定时，测量将出现大幅度的偏差，因而此方法更适用于辐射介质成分恒定不变或者变化规律已知对象的测量。31第二章 光场成像原理简介第二章 光场成像原理简介2.1 光场的概念与获取方式光辐射的场分布称为光场，实质上就是空间中所有光线光辐射函数的总体。全光函数P(x,y,z,t) 是包含光线的三维坐标、传输方向、波长和时间变量的参数化描述。若认为光线在自由空间中传播，时间和波长不会发生变化，经过计算论证可以将七维的全光函数降至四维L(u,v,x,y)，可由特定结构的光场传感器进行数据的采集记录，获取光场位置和角度的信息2。需要提及的是，以上的光场定义都将光辐射近似为几何光线，忽略了光的衍射和干涉等波动特性，在极端状况下这些性质可能会造成无法忽略的误差。光场数据的计算与获取为图像处理带来了很多新的发展方向聂云峰, 相里斌, 周志良. 光场成像技术进展J. 中国科学院研究生院学报, 2011, 28(5): 563-572.。对光场的不同理解可形成不同的光场获取方式。如果把光场看作是位置和角度信息的叠加，可以有比较简单的获取方式。比如通过采用不同的观察视角或不同位置的照明来抓拍一系列照片的方式。但是这两种方法耗时太长而且操作繁琐。采用针孔成像的方式较为简单，但是由于位置和角度之间不成线性关系，计算复杂，因而应用也不广泛。目前获取光场的手段主要有微透镜阵列、相机阵列以及掩膜等方式。2.2 光场成像技术的研究现状与传统所见即所得的成像方式不同，光场成像是一种计算成像技术，需要数字感光元件和计算机的辅助，将其CCD记录的光场数据经过相应的数字处理算法才可以得到一定要求的图像。因此光场成像技术是由光场的采集和相应数据处理两部分组成的。目前已有的研究成果中11，光场相机主要包括多相机组合和单相机改造以及掩膜等方式，其目的都是在图像采集系统中引入光学调制原件，改变其成像的结构，从而完整记录以四维方式表示的光场信息。多相机组合及相机阵列，可以通过多个相机的分布获取目标不同视角位置的图像，这种方式源于单个相机多角度拍摄的方式，相机阵列的使用规避了单相机多次拍摄方式耗时过长的缺陷，实现了光场信息的瞬时采集，采用不同的空间排布，可以通过数据计算获得一系列不同于传统单相机的特性，如空间分辨率、动态范围和景深等。目前斯坦福大学的128相机阵列 Wilburn B, Joshi N, Vaish V, et al. High performance imaging using large camera arraysC/ACM Transactions on Graphics (TOG). ACM, 2005, 24(3): 765-776.、麻省理工学院的64相机阵列 Yang J C, Everett M, Buehler C, et al. A real-time distributed light field cameraC/Proceedings of the 13th Eurographics workshop on Rendering. Eurographics Association, 2002: 77-86.等在此方向都进行了深入的研究，搭建了较为成功的样机。相机阵列在应用上可以进行合成孔径成像的计算，实现对前景遮挡物的虚化和穿透3；也可以使每个相机得到不同的曝光时间，从而计算合成高动态范围的影像5；两种多相机阵列的使用方式都可通过运算得到大景深和高信噪比的图像结果。而单相机通过加装外透镜组或者在内部添加微透镜阵列也可以实现对光场数据的采集。在CCD前加装微透镜阵列的方式目前发展迅速，这种方式简单、常用并且成像稳定。微透镜阵列通常放置于普通成像系统的一次像面上，经过微透镜对该点入射光的分解，由透镜后的像元（CCD像素）即可记录从不同方向入射到该点光线的信息；一个微透镜及其对应的像素共同组成了一个“宏像素”，这是光场信息的最小单元。宏像素的坐标对应着被摄场景一定的几何位置，而宏像素中覆盖的每个CCD像素表示不同视角的信息。其较为便携、集成度高和易于调试等特点使得光场信息易于采集和研究，目前Lytro和Raytrix等公司也相继有单体光场相机等产品面市。在以上方式之外还有掩膜方式及可编程孔径相机等光场采集的方式，它们都是对相机的孔径做出相应的处理，从而重构出光场数据。这些方式的拍摄耗时较长，不利于瞬时光场的采集，但是普遍具有较高的图像分辨率。光场信息的数据处理一方面是与采集方式相对应的光场复现算法，另一方面是指对于光场信息的使用。光场复现算法的研究与光场采集方式的发展是相对应的，每一种相对成熟的采集方式都具有一定的复现算法。而光场信息的应用算法在近年也取得了很多的进展：中科院、中国科技大学、北京航空航天大学等科研机构与高校分别在基于光场信息的三维重构张健, 辛悦, 刘伟奇, 等. 基于微透镜阵列的三维数字成像J. 光学 精密工程, 2009, 17(7): 1702.，光场渲染程龙, 郭立, 袁红星, 等. 基于光场渲染的动态 3D 目标重构技术 3J. 中国科学院研究生院学报, 2009, 26(6): 781-788.等方向开展了研究工作。2.3 基于微透镜阵列的光场成像应用传统的CCD或CMOS等感光元件不能记录光场信息的原因在于其传感器只能投射到该平面上某一点的光线强度做出响应，而不能记录方向、时间等光场信息。上文介绍的相机阵列、可编程孔径相机等都是基于传统光传感器进行外部改造设计的；而微透镜阵列方式则是将入射光的分解机构即微透镜与传统感光元件精确的对应结合起来，共同组成了一个光场传感器。相比于相机阵列而言，微透镜阵列在体积上具有绝对的优势，同时微透镜与CCD的总成也具有较高的稳定性，相比相机阵列每次调整或移动都需调试而言有较强的可移动特性。相比于可编程孔径相机采集一次光场信息需要耗时过长的特点而言，微透镜阵列又具有即时记录整个光场信息的特性，避免因不同位置时间滞后导致的测量误差，有很强的实时性。因此微透镜阵列相比其他光场记录方式有很强的实用性Ng R, Levoy M, Brdif M, et al. Light field photography with a hand-held plenoptic cameraJ. Computer Science Technical Report CSTR, 2005, 2(11).，实际产品的发布与面市也证明了这一点。与传统成像相比，光场成像相比有如下优势：传统成像只能获得焦平面即单个平面上清晰的像，而光场数据经过数字重聚焦可以获得焦点位于任意位置的平面二维图像；其次非理想的光学系统在经过透镜成时相位变换不理想，这会导致几何像差的形成，在镜头口径增大时更加明显，传统相机只可以通过物理设备的优化来减轻这一误差，而光场成像可以通过较为简单的数学计算实现像差的消除；另外传统成像若想获得对象三维形态的图像数据就必须采用推扫或凝视成像等方式完成，这降低了监测数据的时效性，而光场相机可以通过单次曝光和数据处理的方式获得整个三维空间的图像数据，大大降低了数据的滞后；此外传统相机为了得到更多的进光量以满足一定的快门时间则必须适当扩大镜头的光瞳直径或F数，而F数较高会导致图像景深的大幅降低以及几何像差程度的增加，因此需要折中处理；而光场成像可通过对光场数据的计算扩大景深，因此可以考虑设计更大的F数相机系统，获得更大的进光量，从而提高图像的时间分辨率。2.4 光场成像在火焰测量上的应用使用光学检测的方式对燃烧火焰进行测量可以减少测量装置对于燃烧场的干扰，同时测量精度高，引起了很多科研人员的关注。在光学火焰检测这一方向，已有科研人员进行了小型发光火焰温度分布测量的研究，推导了图像亮度与火焰温度之间的关系以及拟合关系式；此外一些学者利用面阵CCD或者在CCD前面加装滤色片等方式对炉膛火焰进行了火焰温度测量7。而通过光场成像测量可以实现非常及时，全面的测量，相比传统成像方式有诸多的优势。首先光场成像何以一次性曝光完成整个光场的信息采集，而传统相机只能通过推扫成像或者凝视成像灯方式进行多次曝光从而取得足够的光场数据，因此在时效性上光场相机具有很大的优势，可具有较高的时间分辨率。其次光场相机在积分成像之前即可对光辐射的相位及几何误差进行校正，从而避免了非理想光学系统存在的像差对测量的干扰。另外光场相机解决了光圈对景深限制的问题，通过后期从光场信息中可以获得较大的景深。目前在技术上对于燃烧装置快速、丰富信息的利用仍有待发展，对燃烧分布情况也难以实时、全面的诊断，国内外对于光场成像技术的研究与应用在不断发展，但是通过光场成像对火焰进行测量的研究仍然处于起步阶段。本文采用光场数据采集并数字重聚焦形成平面图像后，通过比色法对多个平面的图像进行温度场的计算。但由于火焰本身具有半透明并且发光的性质，采用光场成像测量火焰可能会出现难以成功重聚焦的情况，这也正是本次研究课题的技术难点之一。第三章 测量系统设计方案第三章 测量系统设计方案3.1 硬件部分设计3.1.1 光场相机仪器参数实验采用Lytro光场相机进行光场数据的采集工作。Lytro相机具有接近9倍的光学变焦镜头，等效35mm焦距为34mm300mm，同时Lytro相机的镜头具有恒定光圈（F数）f2.0的特性，这使得在景深比较的工作中可以减少一个变量的干扰，减少了对相机性能测试中的工作量。相机的快门速度范围是1/2501/8秒，感光度范围是ISO803200。此外Lytro光场相机内部设置了ND中灰密度滤光镜，减光量为4.2档（F-stops），透过该滤光镜后光线强度可以被整体削弱为原光强的0.054倍。图3-1Bayer滤镜阵列与CCD感光元件在传感器方面，Lytro光场相机使用了1/2.3英寸的CCD与微透镜阵列结合的光场传感器，有效分辨率为32803280像素，CCD采用Bayer格式进行RGB像素的排列；Lytro光场相机通过Bayer到RGB的转换，将由CCD图像感应器捕捉到的光源信号转化为数字信号的原始数据经过去马赛克化计算处理获得，再通过用户界面的数字重聚焦过程，最终形成分辨率为10801080像素的JPG格式图像。微透镜阵列边缘部分透镜覆盖范围超过CCD尺寸，分辨率约为300300微透镜单元。对于以上详细技术参数的收集和了解有助于实验以及后续数据处理的顺利进行。图3-2Bayer阵列排列示意图3.1.2 测量系统的布置方案图3-3不同曝光值下曝光饱和区域比较为了避免环境光的干扰，实验选择在夜晚的暗房中进行郭建民, 刘石. 利用可视化炉膛火焰检测对两种不同燃烧方式的实验研究J. 节能, 2009 (10): 21-24.，相比蜡烛火焰的照度，环境光亮度已达到可以忽略的程度。而对于Lytro光场相机而言，火焰的照度也非常强，若使用相机自动测光确定的曝光值进行拍摄，可以发现照片严重过度曝光（图3-3），火焰轮廓以内的部分图像数据接近饱和，特别是红色矩阵内的数据饱和区域，甚至占满了整个火焰轮廓内部的空间。将相机调节到手动曝光模式，在ISO80，快门1/250（光圈恒定f2.0）即最低曝光值的曝光拍摄下，图像中火焰的中心区域仍然大面积的发生红色过度曝光的现象。若RGB三色中有一种颜色数值饱和，将会导致该区域色彩的偏差，同时导致比色法测温缺少一组可用数据，由可以计算出三组结果（RG，RB，GB）锐减为一组，使得该计算温度场的准确度与可信度都大大降低，因此，必须尽量保证所有测量区域不出现过曝的情况。最终我们选用了该相机内置的ND中灰密度滤光镜对入射火焰辐射进行再次减弱过滤，最终拍摄结果（图3-3）可以看出图像曝光正常，红色饱和现象控制较好。上文已述及Lytro光场相