Event-based high temporal resolution measurement of shock wave motion field

📄 arXiv: 2512.22474v1 📥 PDF

作者: Taihang Lei, Banglei Guan, Minzu Liang, Pengju Sun, Jing Tao, Yang Shang, Qifeng Yu

分类: cs.CV

发布日期: 2025-12-27

DOI: 10.1109/TCSVT.2025.3643850

💡 一句话要点

提出一种基于事件相机的高时空分辨率冲击波运动场测量框架

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 事件相机 冲击波测量 运动场重建 高时空分辨率 爆炸安全

📋 核心要点

  1. 传统冲击波测量方法难以兼顾高时空分辨率，且易受测试条件限制，测量精度有待提高。
  2. 利用事件相机的高速和高动态范围特性，通过多事件相机系统估计冲击波的不对称性，实现高精度测量。
  3. 实验结果表明，该方法在冲击波速度测量中表现出高精度，误差范围在0.06%到5.20%之间。

📝 摘要（中文）

为了解决冲击波快速、不均匀传播和不稳定测试条件带来的挑战，本文提出了一种新颖的框架，该框架利用多个事件相机估计冲击波的不对称性，充分利用了事件相机的高速和高动态范围能力。首先，建立极坐标系，通过事件编码揭示冲击波传播模式，并通过事件偏移计算进行自适应感兴趣区域（ROI）提取。其次，利用速度变化的连续性，通过迭代斜率分析提取冲击波前沿事件。最后，根据基于事件的光学成像模型推导事件的几何模型和冲击波运动参数，以及三维重建模型。通过上述过程，实现了多角度冲击波测量、运动场重建和爆炸当量反演。速度测量结果与压力传感器和经验公式的结果进行比较，显示最大误差为5.20%，最小误差为0.06%。实验结果表明，该方法实现了高时空分辨率的冲击波运动场高精度测量，代表着显著的进步。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决冲击波运动场参数难以高时空分辨率精确测量的问题。现有方法，如基于压力传感器或传统高速相机的测量，在快速、不均匀传播的冲击波和不稳定测试条件下，难以同时保证时间和空间分辨率，并且容易受到环境干扰。

核心思路：论文的核心思路是利用事件相机的高速和高动态范围特性，通过多事件相机协同工作，捕捉冲击波传播过程中的事件流，并从中提取冲击波前沿信息，进而重建冲击波的运动场。这种方法避免了传统相机依赖帧率的限制，提高了时间分辨率。

技术框架：该框架主要包含以下几个阶段：1) 建立极坐标系，对事件进行编码，突出冲击波传播模式；2) 基于事件偏移计算，自适应提取感兴趣区域（ROI），减少计算量；3) 利用迭代斜率分析，提取冲击波前沿事件，保证提取精度；4) 基于事件光学成像模型，推导事件几何模型和冲击波运动参数；5) 构建三维重建模型，实现多角度冲击波测量和运动场重建。

关键创新：该方法的核心创新在于将事件相机引入冲击波测量领域，并设计了一套完整的基于事件数据的冲击波运动场重建流程。与传统方法相比，该方法能够实现更高的时空分辨率，并且对光照变化和噪声具有更强的鲁棒性。此外，利用事件偏移进行ROI提取和迭代斜率分析提取前沿事件也提高了计算效率和精度。

关键设计：在极坐标系建立中，选择合适的极点位置和坐标变换方式至关重要，需要根据实际场景进行调整。在迭代斜率分析中，需要仔细选择迭代次数和斜率阈值，以保证前沿事件提取的准确性。三维重建模型需要考虑事件相机的内外参数标定，以及多相机之间的同步问题。此外，事件相机的噪声抑制也是一个需要关注的问题，可以通过滤波等方法进行处理。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，该方法能够实现高精度的冲击波速度测量，与压力传感器和经验公式的对比显示，最大误差仅为5.20%，最小误差达到0.06%。这表明该方法在冲击波运动场测量方面具有显著优势，能够提供比传统方法更准确、更详细的冲击波信息。该方法为冲击波相关研究和应用提供了新的技术手段。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于电力领域测试、损伤评估、爆炸安全等领域。高精度冲击波运动场测量对于理解爆炸过程、优化防护结构设计、评估爆炸威力具有重要意义。未来，该技术有望应用于更复杂的爆炸场景，例如水下爆炸、密闭空间爆炸等，并可与其他传感器融合，实现更全面的爆炸过程监测。

📄 摘要（原文）

Accurate measurement of shock wave motion parameters with high spatiotemporal resolution is essential for applications such as power field testing and damage assessment. However, significant challenges are posed by the fast, uneven propagation of shock waves and unstable testing conditions. To address these challenges, a novel framework is proposed that utilizes multiple event cameras to estimate the asymmetry of shock waves, leveraging its high-speed and high-dynamic range capabilities. Initially, a polar coordinate system is established, which encodes events to reveal shock wave propagation patterns, with adaptive region-of-interest (ROI) extraction through event offset calculations. Subsequently, shock wave front events are extracted using iterative slope analysis, exploiting the continuity of velocity changes. Finally, the geometric model of events and shock wave motion parameters is derived according to event-based optical imaging model, along with the 3D reconstruction model. Through the above process, multi-angle shock wave measurement, motion field reconstruction, and explosive equivalence inversion are achieved. The results of the speed measurement are compared with those of the pressure sensors and the empirical formula, revealing a maximum error of 5.20% and a minimum error of 0.06%. The experimental results demonstrate that our method achieves high-precision measurement of the shock wave motion field with both high spatial and temporal resolution, representing significant progress.