CN109709071A - 基于合成rgb相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置和方法，装置包括以合成RGB相移彩色条纹为背景的背景板、基于FPGA的图像采集与处理系统，其中背景板上的背景图像是通过RGB通道将三幅等步长相移条纹合成的一幅彩色条纹图，用于提供光线经过流场时产生的偏折量信息；基于FPGA的图像采集与处理系统用于采集在有待测流场和无待测流场环境中背景板上的背景图像，并通过颜色分离和三步相移算法计算出条纹的包裹相位，进而解包裹求出展开相位并存储。本发明能够直接在硬件上实现对图像相位偏移量的提取，装置简单，成本低，避免了背景纹影技术利用互相关算法时诊断窗口难以选择的问题。

Description

基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置和方法

技术领域

本发明涉及纹影技术，特别是一种基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置和方法。

背景技术

纹影法作为最常用的非接触性光学测量方法，可用于观测气流的边界层、燃烧场、风洞等流场。在传统纹影技术上结合图像处理方法发展出的背景纹影技术可以使用较为简单的装置实现对流场的定量化测量，能提供直观、形象的纹影图像，广泛应用于流场诊断和流动显示。

背景纹影技术中的关键问题是：对有流场和无流场的环境下采集到的背景图像进行处理，从而提取出图像偏移量。对背景图像的处理关系到提取的图像偏移量是否准确，从而直接影响到测量结果。目前的背景纹影技术通常使用PIV(Particle Image Velocimetry粒子图像测速)方法对背景图像进行处理进而提取图像偏移量，但是PIV方法一般通过互相关算法来计算图像偏移量，而互相关算法依赖于查询窗口，在实际处理中难以确定合适的查询窗口大小，过大的查询窗口会导致低分辨率，而过小的查询窗口会降低精度。光流算法、点识别算法和FFT算法也常在背景纹影技术中用于提取图像位偏移量，但光流算法对噪声敏感，点识别算法分辨率低，FFT易产生频谱混叠的问题。此外，背景纹影技术中背景图像的选择也是影响图像偏移量提取结果的一个主要因素，因此，采用方法简单、准确度高、抗干扰性强的图像偏移量提取方法和使用合适的、对环境要求度低的背景图像是目前背景纹影技术所面临的主要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置和方法，能够直接在硬件系统上实现对背景图像的采集和处理进而提取出图像的相位偏移量。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置，包括以合成RGB相移彩色条纹为背景的背景板和基于FPGA的图像采集与处理系统；所述背景板和图像采集与处理系统分别放置在待测流场的两侧；

所述背景板用于提供光线经过流场时产生的偏折量信息，利用RGB通道将三幅等步长相移条纹合成一幅彩色条纹图作为背景板上的背景图像；

所述图像采集与处理系统用于采集在有待测流场和无待测流场环境中背景板上的背景图像，并对采集的图像进行相位偏移量的提取。

一种基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示方法，包括如下步骤：

步骤1，搭建基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置，利用RGB通道将三幅等步长相移条纹合成一幅RGB彩色条纹图，用显示合成RGB彩色条纹背景图像的显示器作为背景板，将背景板和基于FPGA的图像采集与处理系统放置在待测流场的两侧，利用基于FPGA的图像采集与处理系统的图像显示模块观察放置在中间的待测流场，从而调整背景板的高度使三者位于同一直线上；

步骤2，在有待测流场的环境下，通过基于FPGA的图像采集与处理系统采集背景板上的彩色条纹背景图像并完成对图像相位偏移量的提取和存储；

步骤3，在无待测流场的环境下，重复步骤2的操作，得到无待测流场环境下条纹的展开相位；

步骤4，将有待测流场环境下得到的条纹展开相位与无待测流场环境下得到的条纹展开相位相减，得到相位差，显示流场的情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明能够直接在硬件系统上实现对背景图像的采集和处理从而提取出图像的相位偏移量，装置简单且方便实用；(2)利用RGB通道把三幅等步长的相移条纹图合成一幅彩色条纹图，并通过显示器显示作为背景板上的背景图像，只需要单幅彩色图作为背景图像，可以实现动态测量且在光线较暗的情况下仍然可以使用；(3)基于三步相移算法对分离的三幅图像提取相位偏移量，避免了传统背景纹影方法中对窗口大小选取困难的问题，提高了测量精度，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置示意图。

图2是基于FPGA的图像采集与处理系统的整体结构图。

图3是基于FPGA的图像采集与处理系统的硬件框架图。

图4是本发明基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示方法的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置，包括以合成RGB相移彩色条纹为背景的背景板、基于FPGA的图像采集与处理系统，其中以合成RGB相移彩色条纹为背景的背景板用于提供光线经过流场时产生的偏折量信息，利用RGB通道将三幅等步长相移条纹合成一幅彩色条纹图作为背景板上的背景图像；基于FPGA的图像采集与处理系统用于采集在有待测流场和无待测流场环境中背景板上的背景图像，并对采集的图像进行相位偏移量的提取。其中背景板和图像采集与处理系统分别放置在待测流场的两侧。

如图2、图3所示，基于FPGA的图像采集与处理系统包括电源模块、图像传感器模块、FPGA主控模块、图像缓存模块、图像显示模块和存储模块，电源模块为FPGA的图像采集与处理系统提供稳定的工作电压以保证系统正常运行，图像传感器模块用于采集在待测流场环境中背景板上的背景图像，FPGA主控模块包括图像采集控制模块、图像处理模块、显示控制模块、缓存控制模块和存储控制模块，图像缓存模块用于缓存采集的图像数据，图像显示模块通过对图像采集模块采集到的背景图像进行实时显示来观测流场环境，存储模块用于保存提取的相位偏移量。

图像采集控制模块用于对图像传感器进行正确配置和时序控制，把图像传感器模块采集的图像数据传输给后面的图形处理模块进行数据处理，图像处理模块通过FPGA硬件算法实现对背景图像相位偏移量的提取，显示控制模块用来连接缓存控制模块和图像显示模块从而完成跨时钟域数据传输，缓存控制模块将采集的图像数据送到外部的图像缓存模块实现数据缓存，存储控制模块将图像处理模块得到的图像相位偏移量送至外部的存储模块实现数据存储。

如图4所示，一种基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置，利用RGB通道将三幅等步长相移条纹合成一幅RGB彩色条纹图，用显示合成RGB彩色条纹背景图像的显示器作为背景板，将背景板和基于FPGA的图像采集与处理系统放置在待测流场的两侧，利用基于FPGA的图像采集与处理系统的图像显示模块观察放置在中间的待测流场，从而调整背景板的高度使三者位于同一直线上；

步骤2：在有待测流场的环境下，通过基于FPGA的图像采集与处理系统采集背景板上的彩色条纹背景图像并完成对图像相位偏移量的提取和存储。其中基于FPGA的图像采集与处理系统的工作过程如下：

1)图像传感器模块在有待测流场环境下采集彩色条纹背景图像，并通过图像采集控制模块和缓存控制模块将采集到的背景图像数据传输给图像处理模块；

2)图像处理模块对采集到的单幅彩色条纹背景图进行颜色分离处理，得到具有相移的3幅单色条纹图；

3)图像处理模块对3幅单色相移条纹图进行归一化处理，校正分离后的3幅条纹图灰度分布水平不同的问题；

4)图像处理模块利用归一化处理后的3幅单色相移条纹图，通过三步相移算法求出条纹的包裹相位；

5)图像处理模块对包裹相位进行解包裹操作，得到有待测流场环境下条纹的展开相位。

步骤3：在无待测流场的环境下，重复步骤2的操作，得到无待测流场环境下条纹的展开相位。

步骤4：将有待测流场环境下得到的条纹展开相位与无待测流场环境下得到的条纹展开相位相减，得到相位差，显示流场的情况。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述。

实施例

请参考图1所示的基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置示意图，流动显示装置包括：以合成RGB相移彩色条纹为背景的背景板和基于FPGA的图像采集与处理系统，其中以合成RGB相移彩色条纹为背景的背景板用于提供光线经过流场时产生的偏折量信息，利用RGB通道将三幅等步长相移条纹合成一幅彩色条纹图作为背景板上的背景图像；基于FPGA的图像采集与处理系统用于采集在待测流场环境中背景板上的背景图像，并对采集的图像进行相位偏移量的提取。将背景板和基于FPGA的图像采集与处理系统分别放置在待测流场的两侧，调整高度使三者的中心点位于同一直线上。

背景板与相机之间的虚线表示没有待测流场时从背景板上的点到相机成像平面上的光线，实线表示有待测流场时因流场折射率变化而发生偏转的光线，背景板与Z_B表示物距，Z_i表示像距，Z_B表示背景板到待诊断流场中心之间的距离，ε_x为光线的偏折角在x方向上的分量，△x是相机成像平面上对应x方向上的点偏移量，△x′是△x在背景板上的虚位移，相机镜头的焦距为f。以合成RGB相移彩色条纹为背景的背景板和基于FPGA的图像采集与处理系统分别放置在待测流场的两侧。

请参考图2所示的基于FPGA的图像采集与处理系统的架构示意图和图3所示的硬件系统框架，其中基于FPGA的图像采集与处理系统包括电源模块，图像传感器模块，FPGA主控模块，图像缓存模块，图像显示模块和存储模块，其中电源模块为FPGA的图像采集与处理系统提供稳定的工作电压以保证系统正常运行，电源模块采用USB接口进行5V供电，通过三个低压降稳压器分别产生3.3V，2.5V和1.2V的电压，使用8*8mm的自锁开关控制电源通断并通过自恢复保险丝保护整个电路。图像传感器模块用于采集在待测流场环境中背景板上的背景图像，该模块由OV5640型号的传感器和外围电路组成，整个图像传感器模块单独设计在一块独立的PCB上，并通过2*9pin的90°弯针接插件和FPGA主控模块相连，FPGA主控模块包括图像采集控制模块，图像处理模块，显示控制模块，缓存控制模块和存储控制模块，图像缓存模块用于缓存采集的图像数据，通过SDRAM芯片实现数据缓存，SDRAM芯片采用等长布线的方式，图像显示模块通过对图像采集模块采集到的背景图像进行实时显示来观测流场环境，采用VGA接口实现对VGA显示器的连接，存储模块用于保存提取的相位偏移量，通过Micro SD卡进行存储，图像采集控制模块用于对图像传感器进行正确配置和时序控制，把图像传感器模块采集的图像数据传输给后面的图形处理模块进行数据处理，图像处理模块通过FPGA硬件算法实现对背景图像相位偏移量的提取，在调试阶段，FPGA通过JTAG接口实现程序的下载和配置，程序掉电丢失，在实际工作阶段，通过Flash芯片实现对运行程序的固化，掉电不丢失且每次上电都能稳定运行，显示控制模块用来连接缓存控制模块和图像显示模块从而完成跨时钟域数据传输，通过50M晶振为FPGA提供稳定的时钟，缓存控制模块将采集的图像数据送到外部的图像缓存模块实现数据缓存，存储控制模块将图像处理模块得到的图像点偏移量送至外部的存储模块实现数据存储。

请参阅图4所示的基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示方法的示意图，整个方法包括如下步骤：

步骤1：搭建基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置，利用RGB通道将三幅等步长相移条纹合成一幅RGB彩色条纹图，用显示合成RGB彩色条纹背景图像的显示器作为背景板，将背景板和基于FPGA的图像采集与处理系统放置在待测流场的两侧，利用基于FPGA的图像采集与处理系统的图像显示模块观察放置在中间的待测流场，从而调整背景板的高度使三者位于同一直线上；

步骤2：在有待测流场的环境下，通过基于FPGA的图像采集与处理系统采集背景板上的彩色条纹背景图像并完成对图像相位偏移量的提取和存储。其中基于FPGA的图像采集与处理系统的工作过程如下：

1)图像传感器模块在有待测流场环境下采集彩色条纹背景图像，并通过图像采集控制模块和缓存控制模块将采集到的背景图像数据传输给图像处理模块；

2)图像处理模块对采集到的单幅彩色条纹背景图进行颜色分离处理，得到具有相移的3幅单色条纹图；

3)图像处理模块对3幅单色相移条纹图进行归一化处理，校正分离后的3幅条纹图灰度分布水平不同的问题；

4)图像处理模块利用归一化处理后的3幅单色相移条纹图，通过三步相移算法求出条纹的包裹相位；

5)图像处理模块对包裹相位进行解包裹操作，得到有待测流场环境下条纹的展开相位。

步骤3：在无待测流场的环境下，重复步骤2的操作，得到无待测流场环境下条纹的展开相位。

步骤4：将有待测流场环境下得到的条纹展开相位与无待测流场环境下得到的条纹展开相位相减，得到相位差，显示流场的情况。

本发明提供一种基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置和方法，能够直接在硬件系统上实现对背景图像的采集和处理进而提取出图像的相位偏移量，装置简单且方便实用，避开传统背景纹影技术中互相关算法窗口选取困难和FFT易产生频谱混叠的问题，相比于至少需要三幅灰度图像的传统相移技术，只需要单幅彩色图作为背景图像，提高了测量精度和抗干扰能力，利用显示屏作为背景板，适用于光线较暗的环境。

Claims (4)

1.一种基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置，其特征在于，包括以合成RGB相移彩色条纹为背景的背景板和基于FPGA的图像采集与处理系统；所述背景板和图像采集与处理系统分别放置在待测流场的两侧；

所述背景板用于提供光线经过流场时产生的偏折量信息，利用RGB通道将三幅等步长相移条纹合成一幅彩色条纹图作为背景板上的背景图像；

所述图像采集与处理系统用于采集在有待测流场和无待测流场环境中背景板上的背景图像，并对采集的图像进行相位偏移量的提取。

2.根据权利要求1所述的基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置，其特征在于，所述图像采集与处理系统包括电源模块、图像传感器模块、FPGA主控模块、图像缓存模块、图像显示模块和存储模块；

所述电源模块为图像采集与处理系统提供稳定的工作电压；所述图像传感器模块用于采集在待测流场环境中背景板上的背景图像；所述图像缓存模块用于缓存采集的图像数据；所述图像显示模块通过对图像采集模块采集到的背景图像进行实时显示来观测流场环境；所述存储模块用于保存提取的相位偏移量；

所述FPGA主控模块包括图像采集控制模块、图像处理模块、显示控制模块、缓存控制模块和存储控制模块，所述图像采集控制模块用于对图像传感器模块进行配置和时序控制，将图像传感器模块采集的图像数据传输给图像处理模块进行数据处理，所述图像处理模块对背景图像相位偏移量进行提取，所述显示控制模块用来连接缓存控制模块和图像显示模块从而完成跨时钟域数据传输，所述缓存控制模块将采集的图像数据送到外部的图像缓存模块实现数据缓存，所述存储控制模块将图像处理模块得到的图像相位偏移量送至外部的存储模块实现数据存储。

3.一种基于权利要求1或2所述装置的流动显示方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，搭建基于合成RGB相移彩色条纹背景纹影的流动显示装置，利用RGB通道将三幅等步长相移条纹合成一幅RGB彩色条纹图，用显示合成RGB彩色条纹背景图像的显示器作为背景板，将背景板和基于FPGA的图像采集与处理系统放置在待测流场的两侧，利用基于FPGA的图像采集与处理系统的图像显示模块观察放置在中间的待测流场，从而调整背景板的高度使三者位于同一直线上；

步骤2，在有待测流场的环境下，通过基于FPGA的图像采集与处理系统采集背景板上的彩色条纹背景图像并完成对图像相位偏移量的提取和存储；

步骤3，在无待测流场的环境下，重复步骤2的操作，得到无待测流场环境下条纹的展开相位；

步骤4，将有待测流场环境下得到的条纹展开相位与无待测流场环境下得到的条纹展开相位相减，得到相位差，显示流场的情况。

4.根据权利要求3所述的流动显示方法，其特征在于，步骤2具体为：

1)图像传感器模块在有待测流场环境下采集彩色条纹背景图像，并通过图像采集控制模块和缓存控制模块将采集到的背景图像数据传输给图像处理模块；

2)图像处理模块对采集到的单幅彩色条纹背景图进行颜色分离处理，得到具有相移的3幅单色条纹图；

3)图像处理模块对3幅单色相移条纹图进行归一化处理，校正分离后的3幅条纹图灰度分布水平不同的问题；

4)图像处理模块利用归一化处理后的3幅单色相移条纹图，通过三步相移算法求出条纹的包裹相位；

图像处理模块对包裹相位进行解包裹操作，得到有待测流场环境下条纹的展开相位。