高速摄像机与电弧三维重构：多视角成像如何测量瞬态放电结构

9月,第二届全国电磁前沿交叉技术大会在武汉举行。会议设置极端电磁环境、高功率电磁现象、脉冲功率、等离子体电磁效应与应用、先进电磁测量等相关议题。对于瞬态放电研究,一个具体的测量问题是:当放电通道快速扩展并发生分叉时,如何判断图像中的结构位于什么空间位置,以及不同分支是否真的相连?

会上,千眼狼(Revealer)展示了基于多视角高速成像的电弧三维重构实验。实验以特斯拉线圈放电为对象,由四台NEO25M高速摄像机同步采集不同观察方向的图像,再通过相机标定和体素反演生成电弧三维点云,为分析放电通道的空间形态提供了实验路径。

图1-第二届全国电磁前沿交叉技术大会现场

1. 二维电弧图像为何难以判读空间结构

电弧通道的形成、扩展和分叉具有明显的瞬态性与随机性。单台高速摄像机能够记录某一方向上的亮度分布及其随时间的变化,但二维图像会将不同深度的发光结构叠加在同一成像平面。画面中看似相交的两条分支,可能在空间中彼此分离。

电弧还具有自发光、形态不规则、缺少稳定表面纹理等特点。常规立体视觉依赖的特征点对应关系,在不同视角的电弧图像中难以稳定建立。对于这类目标,电弧三维重构需要综合利用多视角成像几何与图像亮度信息,估计发光结构在三维空间中的分布。

图2-特斯拉线圈放电电弧的四幅同步高速图像,展示不同视角下主通道和分支的投影差异

2. 四台高速摄像机记录同次放电

实验采用四台千眼狼(Revealer)NEO25M高速摄像机,围绕放电区域以约90°的相邻视角间隔布置。实验资料给出的成像配置为1280×1024分辨率下25,000 fps,最短曝光时间150 ns,并通过触发信号协调多相机采集。

多视角采集的关键,是使各相机图像对应同一次放电中可比对的时刻,为后续空间反演建立共同的时间基础。相机布站还需兼顾视场重叠、观察角度与标定靶标的可见性。若不同相机未覆盖同一测量区域,或图像之间存在明显时间错位,即使单台相机获得清晰的电弧图像,也难以形成可靠的三维结果。

3. 多相机标定建立空间坐标关系

电弧三维重构之前,必须确定每台相机的成像参数及相机之间的位置关系。实验将点阵标定靶标置于测量空间,在不同位置和姿态下采集图像,利用靶标点的已知几何关系求解相机内参、畸变参数和相对外参,再对多相机参数进行联合优化。

标定靶标需要覆盖有效视场及一定的深度范围,并使相邻相机具有足够的共同观测数据。实验资料要求每组图像至少有两台相机可见靶标;两两相机之间不少于6组同一姿态的有效标定图像,整体采集约20至30组不同姿态的数据。

本次实验标定重投影误差为RMS≤0.25 px,表示标定模型预测的靶标像点与实际观测像点之间的拟合误差。

图3-四台高速摄像机围绕测量区域布置的三维示意图,显示相机之间的空间位置关系

4. 体素反演与电弧三维重构结果

针对电弧缺少稳定纹理的特点,千眼狼(Revealer)REMA运动测量分析软件(Revealer Motion Analysis)的三维重构模块采用体素反演方法。软件先将待测空间划分为三维体素网格,再依据相机标定结果,把体素投影到各视角图像中,综合判断其可能的发光强度。

重构流程采用MLOS进行初始估计,以多视角亮度约束筛选候选体素;随后通过SMART迭代调整体素强度,减小重投影结果与实测图像之间的差异。完成反演与阈值筛选后,软件输出表示放电发光结构的三维点云。相机视图、图像序列、重构参数及点云结果可在软件中关联查看。

实验结果呈现出树枝状的主通道和多处分支。与单一视角图像相比,三维点云增加了深度信息,有助于辨别部分二维图像中的投影重叠,并观察主要放电路径的空间走向。

图4-REMA三维重构软件界面中的四个电弧相机视图及对应的空间点云结果

图5-特斯拉线圈电弧单帧三维点云,显示树枝状主通道和若干放电分支

5. 面向电磁实验的系统化测量价值

对于强电磁、脉冲放电和高功率瞬态实验,多视角高速成像与三维重构主要带来四方面价值。

1. 获得真实的空间结构。系统能够区分不同深度的放电分支,减少二维投影造成的结构误判,为电弧路径、分叉形态和空间扩展范围分析提供依据。

2. 保留瞬态演化过程。高速摄像机以高帧率连续记录放电过程,使研究人员能够观察主通道形成、分支扩展和局部结构变化之间的时间关系。

3. 建立可校准的测量链路。通过多相机联合标定、同步触发和全局优化,系统将相机图像坐标统一到同一空间坐标系,为后续定量分析提供可追溯基础。

4. 形成可进入模型分析的数据。三维点云、体素强度分布和动态重构结果,可用于放电结构可视化、不同工况比较,以及后续与电磁场仿真、放电参数和装备结构设计之间的关联分析。

应用层面,该技术路径不仅适用于特斯拉线圈放电电弧,也可根据目标尺度、发光强度和测量空间,拓展至高压开关电弧、尖端放电、脉冲等离子体、焊接电弧等瞬态发光过程。

从本次大会展示的特斯拉线圈放电实验看,千眼狼(Revealer)高速摄像机承担多视角瞬态图像采集,REMA软件三维重构模块承担标定后的体素反演与点云输出。两者配合,为电弧三维重构建立了从原始图像到空间结构结果的测量流程,也为电磁瞬态实验中需要分析放电路径和分支形态的研究提供了可参考的实现方式。