【技術實現步驟摘要】
本專利技術提供一種有限投影角度的計算機斷層成像相機布局優化方法，屬于化學發光計算機斷層成像。
技術介紹
1、化學發光計算機斷層成像(computed?tomography?ofchemiluminescence，ctc)是一種用于獲取燃燒和流體場中三維流動特性的重要技術。ctc通過多個角度捕獲二維投影，并使用數學反演算法對體積興趣區域(volume?ofinterest，voi)內的三維流場進行重建，廣泛應用于燃燒診斷、氣體探測和高溫流場分析等領域。該技術能夠精確提供燃燒區域的溫度場和化學物質分布信息，為深入理解燃燒過程和優化燃燒設備提供了支持。
2、當前化學發光計算機斷層成像(ctc)技術盡管能夠提供高時空分辨率的三維火焰結構測量，但在實際操作中，尤其是在超聲速風洞等復雜環境中，由于光學通道受限，只能部署有限數量的高速攝像機。傳統的攝像機布局(如沿圓平面的均勻分布)無法充分捕獲場景中的有用信息，導致體層析成像重建質量不理想。
技術實現思路
1、本專利技術旨在解決有限投影角度條件下，如何在復雜流動與燃燒診斷中實現高質量的體層析成像，通過結合ctc技術與光纖內窺鏡，提出相機布局優化方法，最大化權重矩陣子空間的角度，減少相關性，提升成像精度，并驗證了其在火焰方向變化下的穩定性。
2、具體技術方案為：
3、一種有限投影角度的計算機斷層成像相機布局優化方法，包括以下步驟：
4、s1.系統建模：建立目標流場與其投影之間的數學關系；
6、
7、其中分別是從世界坐標系到相機坐標系的旋轉矩陣和平移矩陣，rij和ti表示矩陣元素；旋轉矩陣還可以由俯仰角α、偏航角β、橫滾角γ確定；這種關系表述為：
8、
9、相機坐標系下一點pc(xc，yc，zc)變換到像素坐標系u-o-v：
10、
11、式中：(fx，fy)是相機在x和y方向的焦距，dx，dy表示單個像素的物理尺寸，τ是像素坐標系中的歪斜系數，表示像素坐標系的兩個坐標軸是否嚴格正交，(u0，v0)表示相機的主點坐標。
12、俯仰角α、偏航角β、橫滾角γ和平移矩陣t決定了相機的位置；在此過程中使用張正友標定法，對相機的內外參數進行標定，得到上述參數；
13、將火焰區域中感興趣的部分在x、y、z方向進行體素劃分，認為每個體素內部信號是均勻的。假設待測流場是連續函數f(x，y，z)其在成像平面上的投影可以描述為：
14、p(s，t)＝∫vf(x，y，z)·w(x，y，z；s，t)dv?????????????(4)
15、式中，p(s，t)是第t個角度下拍攝投影圖像的第s個像素上的信號強度；w(x，y，z；s，t)表示f(x，y，z)對像點p(s，t)的貢獻，v是整個待測流場的體積。將待測流場離散為大小相同的體素，則方程4可近似表示為：
16、
17、其中，j和n分別表示體素索引和體素總數，w(xj，yj，zj)表示體素j在體素內的位置；w(xj，yj，zj；s，t)表示f(xj，yj，zj)對第t個角度投影圖像上第s個像素的貢獻權重；ps，t是所有體素信號的加權和；方程用矩陣形式表示為：
18、
19、待測流場的投影向量是通過實驗測量得到的，w是通過成像模型計算得到的，通過獲取多個角度的投影和權重矩陣w，兩者組成方程組，這個方程組的解就是待測流場的分布情況。
20、s2.反演算法重建流場；
21、使用經典代數重建技術art算法進行層析重建，art數學描述如下：
22、
23、其中k表示迭代次數，win表示第n個體素對第i個像素的貢獻率，λ為松弛因子，通常范圍為0到2。
24、在每次迭代中，art根據每一個方程對當前解進行修正；每個方程代表一個超平面，修正過程就是在當前解與該方程所對應的直線/平面之間做垂線投影；權重矩陣每個行向wi定義了一個子空間；art迭代的核心思想是通過投影使得解逐步靠近這些子空間的交點。
25、s3.有限投影角度的計算機斷層成像相機布局優化方法；
26、s3.1構造目標函數作為重建誤差的有效預測器；
27、ctc每個投影對應的權重是矩陣形式。權重代表投影獲得的有效約束信息。方程(6)由權重矩陣確定。使用權重矩陣列的兩個子空間之間的角度度量相關性，定義為：
28、θij＝f(wi，wj)??????????????????(8)
29、其中θij表示任意兩個權重矩陣之間的子空間夾角。在幾何上，該角度是嵌入更高維度空間中的兩個超平面之間的角度。將相機布局優化問題轉化為最大化問題，其成本函數被定義為例如θij的平均值或加權和。優化問題的目標函數fobj定義為：
30、fobj＝min(θij)??????????????????(9)
31、其中min()返回的最小值。取任意矩陣之間子空間的夾角最小值，使目標函數fobj最大。權重矩陣w完全由相機校準參數和位置計算得到。w由外參數包括旋轉矩陣和平移矩陣決定。相機分布在同一球面上且相機正對著voi，平移矩陣t為恒定值，橫滾角丁＝0；將決定相機位置的α、β作為變量引入到優化的目標函數中。最大化問題使用模擬退火sa算法全局優化解決。
32、s3.2模擬退火算法實現：
33、初始算法參數，包括變量俯仰角α、偏航角β的上界和下界、初始解α0、β0、初始溫度t0以及衰減系數變量邊界條件確保在有限投影角度下優化相機分布的有效性。設置α的取值范圍為(0，2/3π)，β取值范圍(0，1/4π)，模擬有限投影角度。在優化過程中，由初始位置計算任意兩個權重矩陣子空間的夾角θij，并獲得目標函數初始值fobj_0。在初始位置的基礎上生成一組新解，并計算新的目標函數值fobj_new。若fobj_new>fobj_0，則接受新解，反之以概率exp(-δf/t)接受新解，稱之為the?metropolis?criterion大都會標準。在每次循環中記錄最優解和相應的目標函數值fobj_t，在其中生成新解，并計算新的目標函數值。在每次降低溫度t前都會重復循環次數，確保全局搜索最優解。通過實現溫度下降，其中屬于(0，1)的常數，當幾個連續溫度狀態之間fobj_t保持不變或者不顯著時，即小于一個正整數，亦或者到達最大循環次數時，算法終止。
34、本專利技術提供的技術方案具有以下技術效果：
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【技術保護點】
1.一種有限投影角度的計算機斷層成像相機布局優化方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種有限投影角度的計算機斷層成像相機布局優化方法，其特征在于，S1具體方法為：
3.根據權利要求2所述的一種有限投影角度的計算機斷層成像相機布局優化方法，其特征在于，S2具體方法為：
4.根據權利要求3所述的一種有限投影角度的計算機斷層成像相機布局優化方法，其特征在于，S3具體方法為：
【技術特征摘要】
1.一種有限投影角度的計算機斷層成像相機布局優化方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種有限投影角度的計算機斷層成像相機布局優化方法，其特征在于，s1具體方法為：
3....
【專利技術屬性】
技術研發人員：金熠，任成勝，梁安陽，沙心國，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：
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