一种等离子体的三维分布重建方法及相关装置与流程

1.本技术涉及三维重建技术领域，尤其涉及一种等离子体的三维分布重建方法及相关装置。


背景技术：

2.随着ccd、cmos技术的蓬勃发展，使相机的拍摄速度越来越快，分辨率也越来越高，基于光学高速相机的等离子三维重建技术为等离子体诊断提供了一种非接触、高速的诊断方式。采用相机可拍摄到沿不同方向的等离子体辐射积分光强，采用一定算法，可以得到重建等离子体的三维空间光强分布，时间分辨率可以达到微秒量级，不同波段的光强与等离子体特性、等离子体温度有关。与其它诊断方式进行配合使用，可以相互补充，得到等离子体参数在三维空间分布和随时间变化的高分辨率诊断结果。进一步的通过不同波段的三维光强重建，可以对等离子体的三维温度分布进行诊断。
3.但是现有三维重建技术面对较大重建目标时耗费的时间长，精度较差，或者三维形态存在极强的不确定性，且受制于模型样本大小，导致实际的重建效果较差。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种等离子体的三维分布重建方法及相关装置，用于解决现有技术耗费的时间成本较大，三维形态缺乏稳定性，且精准度较低，导致重建效果较差的技术问题。
5.有鉴于此，本技术第一方面提供了一种等离子体的三维分布重建方法，包括：
6.通过相机获取目标等离子体的多角度图像；
7.将所述多角度图像输入预置三维卷积预测模型中进行三维分布预测，得到三维分布预测结果，所述预置三维卷积预测模型通过多角度二维图像数据集和三维分布重建数据集训练得到；
8.基于预设约束方程，采用预置迭代算法根据所述三维分布预测结果进行迭代优化计算，得到等离子体三维分布重建结果。
9.可选的，所述通过相机获取目标等离子体的多角度图像，之后还包括：
10.对获取到的所述多角度图像进行中值去噪操作。
11.可选的，所述将所述多角度图像输入预置三维卷积预测模型中进行三维分布预测，得到三维分布预测结果，之前还包括：
12.根据同类等离子体的空间三维分布尺寸和捕捉的多角度投影图像的像素点数确定重建区域尺寸、单方向投影光线数量和总投影光线数量；
13.根据所述重建区域尺寸对重建区域进行网格划分，得到多个子网格；
14.在所述重建区域的所述子网格基础上沿垂直于水平面的方向进行层次划分，得到多个层面；
15.基于划分得到的所述层面和所述子网格，根据投影光线数量和所述重建区域的几
何相交特性计算相交权重，得到权重矩阵，所述投影光线数量包括所述单方向投影光线数量和所述总投影光线数量；
16.采用预置迭代算法根据所述多角度投影图像和所述权重矩阵进行迭代计算，得到三维分布重建数据集。
17.可选的，所述将所述多角度图像输入预置三维卷积预测模型中进行三维分布预测，得到三维分布预测结果，之前还包括：
18.采用多角度成像装置捕捉同类等离子体在不同分布模式下的多角度投影图像，作预处理后得到多角度二维图像数据集。
19.本技术第二方面提供了一种等离子体的三维分布重建装置，包括：
20.获取模块，用于通过相机获取目标等离子体的多角度图像；
21.预测模块，用于将所述多角度图像输入预置三维卷积预测模型中进行三维分布预测，得到三维分布预测结果，所述预置三维卷积预测模型通过多角度二维图像数据集和三维分布重建数据集训练得到；
22.优化模块，用于基于预设约束方程，采用预置迭代算法根据所述三维分布预测结果进行迭代优化计算，得到等离子体三维分布重建结果。
23.可选的，还包括：
24.去噪模块，用于对获取到的所述多角度图像进行中值去噪操作。
25.可选的，还包括：
26.参数确定模块，用于根据同类等离子体的空间三维分布尺寸和捕捉的多角度投影图像的像素点数确定重建区域尺寸、单方向投影光线数量和总投影光线数量；
27.网格划分模块，用于根据所述重建区域尺寸对重建区域进行网格划分，得到多个子网格；
28.层面划分模块，用于在所述重建区域的所述子网格基础上沿垂直于水平面的方向进行层次划分，得到多个层面；
29.权重计算模块，用于基于划分得到的所述层面和所述子网格，根据投影光线数量和所述重建区域的几何相交特性计算相交权重，得到权重矩阵，所述投影光线数量包括所述单方向投影光线数量和所述总投影光线数量；
30.迭代计算模块，用于采用预置迭代算法根据所述多角度投影图像和所述权重矩阵进行迭代计算，得到三维分布重建数据集。
31.可选的，还包括：
32.图像捕捉模块，用于采用多角度成像装置捕捉同类等离子体在不同分布模式下的多角度投影图像，作预处理后得到多角度二维图像数据集。
33.本技术第三方面提供了一种等离子体的三维分布重建设备，所述设备包括处理器以及存储器；
34.所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
35.所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面所述的等离子体的三维分布重建方法。
36.本技术第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行第一方面所述的等离子体的三维分布重建方法。
37.从以上技术方案可以看出，本技术实施例具有以下优点：
38.本技术中，提供了一种等离子体的三维分布重建方法，包括：通过相机获取目标等离子体的多角度图像；将多角度图像输入预置三维卷积预测模型中进行三维分布预测，得到三维分布预测结果，预置三维卷积预测模型通过多角度二维图像数据集和三维分布重建数据集训练得到；基于预设约束方程，采用预置迭代算法根据三维分布预测结果进行迭代优化计算，得到等离子体三维分布重建结果。
39.本技术提供的等离子体的三维分布重建方法，通过训练完成的预置三维卷积预测模型直接进行三维分布预测，属于端到端的三维分布重建过程；为了进一步提高三维形态的稳定性和可靠性，采用迭代算法进行优化计算，得到优化后的结果，同时也更能确保三维分布重建结果的准确性。因此，本技术能够解决现有技术耗费的时间成本较大，三维形态缺乏稳定性，且精准度较低，导致重建效果较差的技术问题。
附图说明
40.图1为本技术实施例提供的一种等离子体的三维分布重建方法的流程示意图；
41.图2为本技术实施例提供的一种等离子体的三维分布重建装置的结构示意图；
42.图3为本技术实施例提供的重建区域网格划分示意图；
43.图4为本技术实施例提供的电弧等离子体的三维分布重建结果示意图；
44.图5为本技术实施例提供的针对等离子体不同三维分布重建算法迭代次数对比示意图。
具体实施方式
45.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
46.等离子体(plasma)：又称作电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。
47.为了便于理解，请参阅图1，本技术提供的一种等离子体的三维分布重建方法的实施例，包括：
48.步骤101、通过相机获取目标等离子体的多角度图像。
49.进一步地，步骤101，之后还包括：
50.对获取到的多角度图像进行中值去噪操作。
51.为了后续得到的三维分布重建结果更加准确，可以对获取到的数据进行基本的优化操作，提高数据的质量，除了中值去噪，还可以采用其他手段对数据进行预处理，在此不作赘述。
52.步骤102、将多角度图像输入预置三维卷积预测模型中进行三维分布预测，得到三
维分布预测结果，预置三维卷积预测模型通过多角度二维图像数据集和三维分布重建数据集训练得到。
53.预置三维卷积预测模型是训练完成的cnn模型，可以直接用于等离子体的三维分布重建上，端到端的预测操作速度快，且精确度高。模型的训练采用的是二维图像至三维分布的学习方式，使得模型具有较强的泛化能力和针对性。
54.进一步地，步骤102，之前还包括：
55.根据同类等离子体的空间三维分布尺寸和捕捉的多角度投影图像的像素点数确定重建区域尺寸、单方向投影光线数量和总投影光线数量；
56.根据重建区域尺寸对重建区域进行网格划分，得到多个子网格；
57.在重建区域的子网格基础上沿垂直于水平面的方向进行层次划分，得到多个层面；
58.基于划分得到的层面和子网格，根据投影光线数量和重建区域的几何相交特性计算相交权重，得到权重矩阵，投影光线数量包括单方向投影光线数量和总投影光线数量；
59.采用预置迭代算法根据多角度投影图像和权重矩阵进行迭代计算，得到三维分布重建数据集。
60.预置三维卷积预测模型训练中的数据标签，也就是三维分布数据是通过对同类型的等离子体进行分析处理得到的；此处的同类型是指与目标等离子体类型相同。首先需要确定一些操作参数，即根据被测对象的空间三维分布尺寸和相机所拍摄重建对象的投影图像的像素点数量确定重建区域尺寸、单方向投影光线数量j和总投影光线数量j
×ncamera
；然后进行重建区域处理，也就是划分网格和层面，网格划分可以得到n
×
n个子网格，层面划分可以得到m个层面；接着可以根据处理后的重建区域与投影射线之间的几何关系进行几何计算，得到投影的权重矩阵；最后根据权重矩阵和投影图像就可以重建出同类等离子体的三维分布，得到三维分布重建数据集，用于训练模型。
61.具体的，请参阅图3，假设投影射线是平行光，且具有一定的射线宽度w，网格宽度为d，第i个网格面积大小为s
quare
＝d2，光线与网格相角形成的多边形面积大小为s
polvgon
，所以第i个网格对第j条投影射线的权重计算方式为：
[0062][0063]
其中，a
ij
即为权重值。
[0064]
进一步地，步骤102，之前还包括：
[0065]
采用多角度成像装置捕捉同类等离子体在不同分布模式下的多角度投影图像，作预处理后得到多角度二维图像数据集。
[0066]
本实施例假设获得多角度投影图像数量为n
camera
；不同分布模式下的多角度投影图像训练模型，可以得到多种不同模式下的同类等离子体的三维分布数据；也更有助于提升模型的预测性能。预处理操作是为了提升数据的质量，也能在一定程度上保证模型训练的高效性和可靠性。
[0067]
步骤103、基于预设约束方程，采用预置迭代算法根据三维分布预测结果进行迭代优化计算，得到等离子体三维分布重建结果。
[0068]
迭代算法的种类较多，例如代数迭代算法(art)、联合代数重建迭代算法(sart)、
最大拟然-期望最大化算法(mlem)等，可以根据需要和实际情况选取，在此不作限定。本实施例选取最大似然-期望最大化算法进行迭代优化计算，具体的迭代公式为：
[0069][0070]
式中，为第k次迭代时第i个网格的重建值；a
ij
第i个网格对第j条投影射线的权重；ij为第j条投影射线的辐射强度。
[0071]
预设约束方程具体为：
[0072][0073][0074]
其中，μ为正参数，用于控制图像的平滑程度；为发射系数梯度的l1范数；该约束方程可以采用split-bergman方法求解。迭代过程中的收敛判据为：
[0075][0076]
其中，δ∈(5
×
10-3
,1
×
10-2
)。满足迭代收敛条件即可终止迭代操作，输出重建结果；给出电弧等离子体的重建结果，请参阅图4。
[0077]
请参阅图5，同时采用本实施例中的技术方案和采用迭代重建算法针对同一种类型的等离子体进行三维分布重建，统计可以发现，本实施例的方案对于该等离子体的迭代次数为19次时，普通的迭代重建算法平均迭代次数达19次；另外重建效率可以提升36.7％。
[0078]
本技术实施例提供的等离子体的三维分布重建方法，通过训练完成的预置三维卷积预测模型直接进行三维分布预测，属于端到端的三维分布重建过程；为了进一步提高三维形态的稳定性和可靠性，采用迭代算法进行优化计算，得到优化后的结果，同时也更能确保三维分布重建结果的准确性。因此，本技术实施例能够解决现有技术耗费的时间成本较大，三维形态缺乏稳定性，且精准度较低，导致重建效果较差的技术问题。
[0079]
为了便于理解，请参阅图2，本技术提供了一种等离子体的三维分布重建实施例，包括：
[0080]
获取模块201，用于通过相机获取目标等离子体的多角度图像；
[0081]
预测模块202，用于将多角度图像输入预置三维卷积预测模型中进行三维分布预测，得到三维分布预测结果，预置三维卷积预测模型通过多角度二维图像数据集和三维分布重建数据集训练得到；
[0082]
优化模块203，用于基于预设约束方程，采用预置迭代算法根据三维分布预测结果进行迭代优化计算，得到等离子体三维分布重建结果。
[0083]
进一步地，还包括：
[0084]
去噪模块204，用于对获取到的多角度图像进行中值去噪操作。
[0085]
进一步地，还包括：
[0086]
参数确定模块205，用于根据同类等离子体的空间三维分布尺寸和捕捉的多角度投影图像的像素点数确定重建区域尺寸、单方向投影光线数量和总投影光线数量；
[0087]
网格划分模块206，用于根据重建区域尺寸对重建区域进行网格划分，得到多个子网格；
[0088]
层面划分模块207，用于在重建区域的子网格基础上沿垂直于水平面的方向进行层次划分，得到多个层面；
[0089]
权重计算模块208，用于基于划分得到的层面和子网格，根据投影光线数量和重建区域的几何相交特性计算相交权重，得到权重矩阵，投影光线数量包括单方向投影光线数量和总投影光线数量；
[0090]
迭代计算模块，用于采用预置迭代算法根据多角度投影图像和权重矩阵进行迭代计算，得到三维分布重建数据集。
[0091]
进一步地，还包括：
[0092]
图像捕捉模块209，用于采用多角度成像装置捕捉同类等离子体在不同分布模式下的多角度投影图像，作预处理后得到多角度二维图像数据集。
[0093]
本技术还提供了一种等离子体的三维分布重建设备，设备包括处理器以及存储器；
[0094]
存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；
[0095]
处理器用于根据程序代码中的指令执行上述方法实施例中的等离子体的三维分布重建方法。
[0096]
本技术还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述方法实施例中的等离子体的三维分布重建方法。
[0097]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0098]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0099]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0100]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机
设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-only memory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：random access memory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0101]
以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。