CN112326186A - 一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法 - Google Patents

一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，属于空气动力学实验技术领域，能够结合实际风洞实验场景灵活选取光线照射方向和相机观测方向。本发明包括以下步骤：步骤一：结合具体的实验场景选取不受遮挡的光线照射方向和若干个相机观测方向；步骤二：采用法向射流产生包含不同大小和方向的摩擦力矢量的摩擦力场；步骤三：在选定方向的光线照射情况下，测量SSLC涂层在选定的若干观测方向的颜色变化特性；步骤四：应用深度学习算法学习SSLC涂层在选定的若干观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系；步骤五：应用建立的SSLC涂层在选定的若干观测方向的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系测量摩擦力场。

Description

一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法
技术领域
本发明属于空气动力学实验技术领域，尤其涉及一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法。
背景技术
流体与固体壁面之间的摩擦力是流体动力学领域的一个重要参数，许多重要信息可以通过测量壁面摩擦力的矢量场而获取。准确测量摩擦力矢量场对于边界层理论研究、边界层转捩及其控制、漩涡结构分析和流动控制效果评估、CFD软件验证、飞行器减阻设计等有着重要意义。摩擦力的测量一直是一个难题，历来没有很好的测量方法和技术。传统的测量方法主要是采用各种机械或者电子工具，比如机械天平、侵入式探针和各种微型传感器等。这些技术通常比较繁琐，需要对壁面进行破坏或者通过测速进行反算，会给流动带来干扰，具有很大的不确定性，并且一次只能测量若干离散点处的摩擦力。剪切敏感液晶（shear-sensitive liquid crystal, SSLC）涂层测量技术是由美国NASA的Reda等提出的一种应用SSLC涂层测量壁面摩擦力场的方法（AIAA Journal, 1997, 35(4): 608-614），这种方法将SSLC喷涂到待测表面上；当受到摩擦力时，SSLC涂层在不同方向显示不同的颜色；通过对SSLC涂层在若干特定方向显示的颜色进行处理，可以解算出待测表面的摩擦力矢量场。目前的SSLC测量技术对光线照射方向和相机观测方向有着严格要求，在实际风洞实验中由于风洞壁面的遮挡，难以同时满足照射方向和观测方向的要求，制约了该项测量技术的发展和实际应用。
发明内容
本发明提供了一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，突破传统SSLC测量技术对光线照射方向和相机观测方向的数量及其分布的限制，能够结合实际风洞实验场景灵活选取光线照射方向和相机观测方向。
为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，包括以下步骤：
步骤一：结合具体的实验场景选取不受遮挡的光线照射方向和若干个相机观测方向；
步骤二：采用法向射流产生包含不同大小和方向的摩擦力矢量的摩擦力场；步骤三：测量SSLC涂层在选定的若干观测方向的颜色变化特性；
步骤四：应用深度学习算法学习SSLC涂层在选定的若干观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系；
步骤五：应用建立的SSLC涂层在选定的若干观测方向的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系解算摩擦力场。
将以上所述方法应用于测量曲面表面摩擦力场，具体包括以下步骤：
步骤1：采用平板表面法向射流生成包含不同大小和方向的摩擦力矢量的圆对称摩擦力矢量场作为标定摩擦力场；
步骤2：结合具体的实验测量场景选取不受遮挡的光线照射方向和不受遮挡的相机观测方向；
步骤3：在平板上喷涂SSLC涂层，测量SSLC涂层的颜色随摩擦力矢量的变化特性；
步骤4：应用深度学习算法学习SSLC涂层在选定的观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系，采用常规神经网络学习算法即可满足要求；
步骤5：针对待测摩擦力场，应用步骤4所建立SSLC涂层在选定的观测方向的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系对图片进行处理，解算摩擦力场；
步骤6：针对曲面表面，采用分块方式测量整个曲面表面的摩擦力矢量场。
以上所述步骤中，步骤1中在平板表面产生的摩擦力矢量场是以射流撞击中心为圆心的圆对称分布，各点的摩擦力方向均沿径向方向，摩擦力大小在各个圆周上相等，并且随着圆周半径增加摩擦力大小逐渐减小；
步骤2中所述光线照射方向和相机观测方向结合具体实验场景选取，选取1个不受遮挡的光线照射方向和M个不受遮挡的相机观测方向，要求M ≥ 2，优选M ≥ 3，观测方向的俯视角不要求相同，并且相邻观测方向的周向角间距大于20°，所述观测方向的平均周向角方向与待测流场的主流方向夹角小于90°；
步骤3中平板上不同位置的摩擦力矢量不同，因此一次测量能够得到SSLC涂层颜色随不同摩擦力矢量的变化特性，通过调整喷嘴的喷压比改变摩擦力矢量的大小范围，使得用于标定的圆对称摩擦力场的摩擦力大小的总变化范围（可以是多个标定摩擦力场的摩擦力大小总变化范围）覆盖SSLC涂层的摩擦力大小敏感范围；
步骤4中采用多层神经网络通过学习建立SSLC涂层在选定的观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系，所述多层神经网络的输入为SSLC涂层在选定的M个观测方向显示的颜色，输出为摩擦力矢量的大小和方向，所述多层神经网络的输入为SSLC涂层颜色的色调或者RGB值，每个学习样本（由输入和输出组成）对应于校准流摩擦力场（平板表面法向射流摩擦力场）的一个物理点，由于在校准流摩擦力场中，不同位置的摩擦力大小和方向均不相同，因而校准流摩擦力场的每个物理点，都可以为多层神经网络提供一个学习样本，对神经网络学习算法没有特殊要求，采用常规的神经网络学习算法即可；
步骤5中待测摩擦力场中实际测量时光线照射方向与标定时的光线照射方向相同，实际测量时相机观测方向的数量及分布与标定时的相机观测方向相同，实际测量时神经网络的输入为从各个观测方向采集的SSLC涂层颜色（对应于测量区相同物理位置的M个颜色作为一组输入），在输出端得到相应物理位置的摩擦力矢量，对于测量区的每个物理位置重复操作，得到摩擦力矢量场；
步骤6中具体包括以下步骤：
（a）将曲面分解成多个法向变化范围小于±10°的曲面块；
（b）针对结合实验场景选定的光线照射方向和M个相机观测方向，首先根据曲面几何形状计算每个曲面块的平均法向，然后根据光线照射方向、相机观测方向和曲面平均法向三者之间的几何关系计算每个曲面块的实际光线照射方向和相机观测方向（相对于曲面块的平均法向）；
（c）对于每个曲面块，针对其实际光线照射方向和相机观测方向，采用步骤1-5的方法建立SSLC涂层颜色与摩擦力矢量之间的映射关系；
（d）应用针对每个曲面块建立的映射关系，采用前述步骤5的方法测量相应曲面块的摩擦力场。
有益效果：本发明提供了一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，提出了基于圆对称摩擦力矢量场和深度学习算法的SSLC涂层颜色标定方法和摩擦力矢量场解算方法，可以根据具体的实验场景灵活选取光线照射方向和相机观测方向，并且可以通过分区处理方式测量曲面表面摩擦力矢量场，使用非常灵活，能够有效推动该项测量技术的发展和实际应用。
由于摩擦力矢量只有大小和方向两个自由度，因而理论上最少只需要从两个方向观测SSLC涂层颜色即可解算摩擦力场；神经网络算法对SSLC涂层颜色的学习过程可以离线完成，在解算摩擦力时的计算量非常小；神经网络算法允许直接以颜色的RGB分量作为输入进行处理，避免了目前的SSLC涂层测量方法将颜色RGB转换为色调Hue带来的信息丢失问题，利用的颜色信息更全面，因而对摩擦力矢量的灵敏度更高。本发明突破传统SSLC测量技术对光线照射方向和相机观测方向的数量及其分布的限制，能够结合实际风洞实验场景灵活选取光线照射方向和相机观测方向，并且可以推广测量曲面表面摩擦力矢量场，从而能够推动该测量技术的发展和应用。
附图说明
图1a、图1b分别为本发明实施例中用于标定SSLC涂层颜色的实验装置示意图的侧视图和俯视图；
图 2为本发明实施例中应用多层神经网络算法学习建立SSLC涂层在观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间映射关系的方法；
图3为本发明实施例中应用分区方式测量曲面表面摩擦力矢量场的方法的示意图；
射流喷嘴1、实验平板2、摩擦力矢量场3、射流撞击中心4、光线照射方向5、相机观测方向6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，包括以下步骤：
步骤1：如图1所示，采用平板表面法向射流生成包含不同大小和方向的摩擦力矢量的圆对称摩擦力矢量场作为标定摩擦力场，其中，射流喷嘴1沿法向方向将气流喷向实验平板2；由此在实验平板2表面产生的摩擦力矢量场3是以射流撞击中心4为圆心的圆对称分布（各点的摩擦力方向均沿径向方向，摩擦力大小在各个圆周上相等，并且随着圆周半径增加摩擦力大小逐渐减小）；采用传统单点式测量技术（有些单点式测量技术需要替换实验平板2，需要在壁面打孔，这里不再详细介绍）测量摩擦力矢量场3的大小沿半径方向的变化特性，然后根据圆对称特性可以得到壁面的摩擦力矢量场分布；
步骤2：结合具体的实验测量场景选取1个不受遮挡的光线照射方向和M ≥2个不受遮挡的相机观测方向，所述光线照射方向5结合具体实验场景选取，只需要选取1个不受遮挡的光线照射方向即可，可以是倾斜照射方向，当然也可以是法向照射；相机观测方向6结合具体实验场景选取，如图1所示，选取M = 3个观测方向，观测方向6的俯视角不相同，相邻观测方向的周向角间距大于20°，相机观测方向6的平均周向角方向与待测流场的主流方向的夹角小于90°（假设待测未知摩擦力场的主流方向向右）
步骤3：在实验平板2上喷涂SSLC涂层，针对选定的M = 3个观测方向6，测量SSLC涂层的颜色随摩擦力矢量3的变化特性，实验平板2上不同位置的摩擦力矢量不同，因此一次测量能够得到SSLC涂层颜色随不同摩擦力矢量3的变化特性，通过调整喷嘴1的喷压比改变摩擦力矢量3的大小范围，使得用于标定的圆对称摩擦力场的摩擦力大小的总变化范围（可以是多个标定摩擦力场的摩擦力大小总变化范围）覆盖SSLC涂层的摩擦力大小敏感范围；
步骤4：应用深度学习算法学习SSLC涂层在选定的M = 3个观测方向6显示的颜色与摩擦力矢量3之间的映射关系，如图2所示，采用多层神经网络建立二者之间的映射关系，多层神经网络的样本输入为SSLC涂层在选定的M = 3个观测方向6显示的颜色，样本输出为摩擦力矢量3的大小和方向，图2中多层神经网络的样本输入是SSLC涂层颜色的色调Hue值，每个学习样本（由输入和输出组成）对应于校准流摩擦力场（平板表面法向射流摩擦力场）的一个物理点，由于在校准流摩擦力场中，不同位置的摩擦力大小和方向均不相同，因而校准流摩擦力场的每个物理点，都可以为多层神经网络提供一个学习样本，采用常规的神经网络学习算法即可满足要求，比如Matlab集成的train函数；
步骤5：针对待测摩擦力场，应用所建立SSLC涂层在选定的M = 3个观测方向的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系解算摩擦力场，实际测量时的光线照射方向与标定时的光线照射方向5相同，实际测量时的相机观测方向的数量及其分布与标定时的相机观测方向6相同，实际测量时，神经网络的输入为从M = 3个观测方向采集的SSLC涂层颜色（对应于测量区相同物理位置的每3个颜色为一组输入），在输出端得到相应物理位置的摩擦力矢量，对于测量区的每个物理位置重复这一操作，得到测量区的摩擦力矢量场；
步骤6：如图3所示，针对曲面表面，采用分块方式测量整个曲面表面的摩擦力矢量场，具体包括以下步骤：
（a）将曲面分解成多个法向变化范围小于±10°的曲面块。
（b）针对结合实验场景选定的光线照射方向和M = 3个相机观测方向，首先根据曲面几何形状计算每个曲面块的平均法向，然后根据光线照射方向、相机观测方向和曲面平均法向三者之间的几何关系计算每个曲面块的实际光线照射方向和相机观测方向（相对于曲面块的平均法向）。
（c）对于每个曲面块，针对其实际光线照射方向和相机观测方向，采用前述步骤1-5的方法建立SSLC涂层颜色与摩擦力矢量之间的映射关系。
（d）应用针对每个曲面块建立的映射关系，采用前述步骤5的方法测量相应曲面块的摩擦力矢量场。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：结合具体的实验场景选取不受遮挡的光线照射方向和若干个相机观测方向；
步骤二：采用法向射流产生包含不同大小和方向的摩擦力矢量的摩擦力场；步骤三：测量SSLC涂层在选定的若干观测方向的颜色变化特性；
步骤四：应用深度学习算法学习SSLC涂层在选定的若干观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系；
步骤五：应用建立的SSLC涂层在选定的若干观测方向的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系解算摩擦力场。
2.根据权利要求1所述的适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，其特征在于，将所述方法应用于测量曲面表面摩擦力场，具体包括以下步骤：
步骤1：采用平板表面法向射流生成包含不同大小和方向的摩擦力矢量的圆对称摩擦力矢量场作为标定摩擦力场；
步骤2：结合具体的实验测量场景选取不受遮挡的光线照射方向和不受遮挡的相机观测方向；
步骤3：在平板上喷涂SSLC涂层，测量SSLC涂层的颜色随摩擦力矢量的变化特性；
步骤4：应用深度学习算法学习SSLC涂层在选定的观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系；
步骤5：针对待测摩擦力场，应用步骤4所建立SSLC涂层在选定的观测方向的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系对SSLC涂层颜色图片进行处理，解算摩擦力场；
步骤6：针对曲面表面，采用分块方式测量整个曲面表面的摩擦力矢量场。
3.根据权利要求2所述的适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，其特征在于，步骤1中在平板表面产生的摩擦力矢量场是以射流撞击中心为圆心的圆对称分布，各点的摩擦力方向均沿径向方向，摩擦力大小在各个圆周上相等，并且随着圆周半径增加摩擦力大小逐渐减小。
4.根据权利要求2所述的适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，其特征在于，步骤2中所述光线照射方向和相机观测方向结合具体实验场景选取，选取1个不受遮挡的光线照射方向和M个不受遮挡的相机观测方向，其中M ≥ 2。
5.根据权利要求4所述的适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，其特征在于，M ≥ 3。
6.根据权利要求2或4所述的适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，其特征在于，相邻观测方向的周向角间距大于20°，所述观测方向的平均周向角方向与待测流场的主流方向夹角小于90°。
7.根据权利要求2所述的适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，其特征在于，步骤3中通过调整喷嘴的喷压比改变摩擦力矢量的大小范围，使得用于标定的圆对称摩擦力场的摩擦力大小的总变化范围覆盖SSLC涂层的摩擦力大小敏感范围。
8.根据权利要求2所述的适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，其特征在于，步骤4中采用多层神经网络通过对样本进行学习建立SSLC涂层在选定的观测方向显示的颜色与摩擦力矢量之间的映射关系，其中每个不同大小或者方向的摩擦力矢量可提供一个训练样本，每个样本的输入为SSLC涂层在选定的M个观测方向显示的颜色（可以是色调Hue值或者RGB值），每个样本的输出为摩擦力矢量的大小和方向，即对应于某个已知摩擦力矢量的M个颜色作为一个样本的输入，相应位置的摩擦力大小和方向为作为该样本输出。
9.根据权利要求2所述的适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，其特征在于，步骤5中待测摩擦力场中实际测量时光线照射方向与标定时的光线照射方向相同，实际测量时相机观测方向的数量及分布与标定时的相机观测方向相同，实际测量时神经网络的输入为从M个观测方向采集的SSLC涂层颜色，在输出端得到对应物理位置的摩擦力矢量，对于测量区的每个物理位置重复操作，得到摩擦力矢量场。
10.根据权利要求2所述的适用于任意照射和观测方向的液晶涂层颜色标定方法，其特征在于，步骤6具体包括以下步骤：
（a）将曲面分解成多个法向变化范围小于±10°的曲面块；
（b）针对结合实验场景选定的光线照射方向和M个相机观测方向，计算每个曲面块的实际光线照射方向和相机观测方向；
（c）对于每个曲面块，针对其实际光线照射方向和相机观测方向，采用步骤1-5的方法建立SSLC涂层颜色与摩擦力矢量之间的映射关系；
（d）应用针对每个曲面块建立的映射关系测量相应曲面块的摩擦力场。
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