基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法

技术特征：
1.一种基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法，其特征在于，通过高频频闪光光源在同步的双相机的一个曝光周期内发出多次脉冲闪光，使得采集到的图像上包含高速微粒子被高频光源照亮而捕获的一系列轨迹点，即两个平面轨迹和运动速度，每个轨迹点之间的时间间隔等于频闪光周期，进一步通过对图像进行处理与计算精确获得微粒子的对应的空间轨迹和运动速度；所述的处理，包括：采用灰度变换算法对读取的轨迹点灰度图像进行图像增强处理，提高高速微粒子图像与背景的对比度，更为清晰地展示微粒子的形状轮廓与运动轨迹；所述的计算，包括：读取灰度图像中的轨迹点的亮度曲线，其中：亮度曲线的峰值距离作为相邻周期的粒子运动距离，通过运动距离和周期计算出高速微粒子的一系列运动速度结果，再由矢量计算双相机所成像平面的高速微粒子运动轨迹与速度大小，从而得到高速微粒子的空间轨迹和运动速度。2.根据权利要求1所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法，其特征是，在一个工业相机的曝光时间内，包含多个入射光源的脉冲，此时在相机的每一帧图像上都有高速微粒子被高频光源照亮而捕获的一系列轨迹点，轨迹点之间的时间间隔等于频闪光周期。3.一种实现权利要求1或2所述方法的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征在于，包括：高速微粒子发射装置、成像暗场幕布、控制部分、图像采集部分和光源部分，其中：图像采集部分、高速微粒子发射装置、成像暗场幕布和光源部分依次设置，控制部分分别与高速微粒子发射装置、图像采集部分和光源部分相连，实现高速微粒子及相机同步触发、多路ttl信号光源触发、相机参数设置和运动速度方向分析，即当高速微粒子发射装置释放粒子同时，光源部分进行多次高频照亮微粒子且图像采集部分开始曝光，采集以成像暗场幕布为背景的图像进而进行轨迹点计算得到运动速度方向。4.根据权利要求3所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征是，所述的图像采集部分包括：两台工业相机和凸透镜；所述的光源部分包括：高频led光源；所述的控制部分包括：交换机、信号处理单元、电磁阀、同步触发单元和信号发生单元，其中：交换机与两台工业相机连接，在供电的同时传输相机实时采集的图像信息；交换机将采集到的相机图像数据输出到信号处理单元，在信号处理单元端对相机进行参数设置；相机的触发端与同步触发单元连接，同步触发单元同时连接电磁阀完成供电与信号触发，同步触发单元与信号处理单元端连接，提供稳定电源输出的同时进行各路同步信号的触发设置；信号发生单元输出信号触发高频led光源，产生连续的特定周期与脉冲时间的高频光信号，后经凸透镜进行聚光从而增加光强。5.根据权利要求4所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征是，所述的高频led光源包括：控制电路和与之相连的led阵列，其中：控制电路采集多路ttl信号后输出启动脉冲至led阵列以产生高频的频闪光源。6.根据权利要求5所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征是，所述的控制电路包括：数字比较器、mos开关和储能电容，其中：外接电源与数字比较器连接，数字比较器与储能电容连接，储能电容再与mos开关连接。7.根据权利要求5所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征是，所述的led阵列采用多led光源矩阵排列，提供高速微粒子运动成像所需的光强。
8.根据权利要求4所述的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获系统，其特征是，所述的信号处理单元包括：相机设置模块、相机与微粒子发射装置电磁阀同步触发模块、图像增强处理模块、运动灰度图像读取与处理计算模块，其中：相机设置模块根据微粒子大小和速度区间进行帧率、周期、增益、图片类型、拍照时间、存储路径和触发方式，确保相机以最合适设置来完成图像捕获；相机与微粒子发射装置电磁阀模块根据相机的延迟来设置相机与电磁阀的触发时间间隔，确保微粒子运动到相机视场时完成图像的捕获；图像增强处理模块对相机捕获的图像，应用图像增强算法完成图像对比度的提升处理，得到更为清晰的微粒子轮廓及其运动轨迹结果；运动灰度图像读取与处理计算模块根据图像增强处理中的微粒子轨迹，进行灰度图像读取，得到微粒子运动轨迹上的亮度曲线，曲线峰值之间的距离即为微粒子在一个频闪周期内的运动距离，据此计算得到微粒子的运动速度大小。9.根据权利要求3或8所述系统的基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法，其特征是，具体包括：步骤一，在信号处理单元上设置相机和同步触发单元参数和触发条件；需要相机根据高速微粒子的状态来调整对应的成像参数，实现尽可能清晰的轨迹捕获，同时设置相机的触发条件，与同步触发单元的输出信号对应以便完成相机触发；另外，需要对同步触发单元进行设置，分别设置相机和电磁阀的触发时间；步骤二，信号发生单元设置目标高频光源脉冲参数；需要根据目标靶体的速度与尺寸，设置合理的光源脉冲周期与脉宽，脉冲周期保障粒子轨迹点之间的距离合适，脉宽保障相机成像过程中脉冲光光源的光强；步骤三，相机对焦与光源聚光；光源通过凸透镜进行聚光，使得最终最强的光源汇聚点正好位于高速微粒子飞出的位置；这样能够在高速微粒子飞出时提供足够的成像光强；同时，相机需要完成对焦，焦点汇聚在高速微粒子飞出的平面内，此时光源也最强；并且不止成像暗场背景幕布，减少成像的噪点；步骤四，微粒子发射装置具备状态；采用自研的微粒子发射装置，设置合理的发射动力源；此外，通过显微操作放置目标微粒子到发射装置的对应位置；最后，控制微粒子发射装置启动的电磁阀与同步触发单元连接，完成微粒子发射装置状态准备；步骤五，在信号处理单元端点击启动开始实验；当信号处理单元端给同步触发单元启动信号后，输出信号触发电磁阀，微粒子发射装置加速粒子，此时粒子被光路中的高频光源照亮，同时同步触发单元输出信号，触发相机在成像暗场幕布背景下完成成像，相机图像数据同步存储于信号处理单元端，得到微粒子的运动轨迹图像；步骤六，对两台工业相机捕获的高速微粒子图像应用图像增强算法完成图像对比度的提升处理，得到更为清晰的微粒子轮廓及其运动轨迹结果；再通过运动灰度图像读取与处理计算模块根据图像增强处理中的微粒子轨迹，进行灰度图像读取，得到微粒子平面内运动轨迹上的亮度曲线，亮度曲线峰值之间的距离即轨迹点之间的距离，通过尺寸标定得到对应的运动距离，曲线峰值之间的距离即为微粒子在一个频闪周期内的运动距离，据此计算得到平面内高速微粒子的运动速度大小；步骤七，通过矢量计算双相机所成像平面的高速微粒子运动轨迹与速度大小，得到高速微粒子的空间轨迹和运动速度，最后便得到高速微粒子空间轨迹和各轨迹点之间的运动速度，完成微粒子运动状态的监测。

技术总结
一种基于高频闪光源的双相机快速空间轨迹捕获方法，通过高频频闪光光源在同步的双相机的一个曝光周期内发出多次脉冲闪光，使得采集到的图像上包含高速微粒子被高频光源照亮而捕获的一系列轨迹点，即两个平面轨迹和运动速度，每个轨迹点之间的时间间隔等于频闪光周期，进一步通过对图像进行处理与计算精确获得微粒子的对应的空间轨迹和运动速度。本发明通过同步的双相机与光源系统，精确快速完成高速微粒子空间轨迹捕获，能够明确监测高速微观尺度下粒子在碰撞之前的运动状态，对于无针注射、增材制造和空间防护过程的认知与状态调控具有非常重要的意义。具有非常重要的意义。具有非常重要的意义。


技术研发人员：王巍 慕忠成 吴树范 易纪元
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.08.19
技术公布日：2022/11/22