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1、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
2、 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
3、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
4、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
5、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.
6、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, define
7、d 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 recog
8、nition 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.Final
9、ly, 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 fu
10、rther 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
11、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
12、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): 52
13、6-530.。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
14、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,
