CN112629679B - 一种适应于背景纹影的高精度测量方法、电子设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适应于背景纹影的高精度测量方法、电子设备及介质，所述方法包括步骤:分别在有/无光学畸变场的情况下，获得背景点阵的一对点阵图；在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M和N个大小一致的质询窗口，得到M×N质询窗口阵列；进行互相关计算处理，计算光线等效折射点、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标；结合背景点阵光学畸变场的等效折射发生界面之间的距离Zd、光学畸变场的等效折射发生界面与光阑的距离Za、光阑与成像靶面之间的距离Zi、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标等几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角。
Description
技术领域
本发明涉及属于波前测试技术领域，特别地，涉及一种适应于背景纹影的高精度测量方法、电子设备及介质。
背景技术
目前，光学测试技术凭借其非接触、高时空分辨测量的特点，已经在科学和工程研究中得到广泛地应用。应用场景包括生物医学成像、天文观测、高速流场测量、半导体制造以及计量学等。对于高速流场测量而言，依托多种先进的光学测试技术可以实现对多种信息的有效获取。在众多的流场光学测试技术中，背景纹影(Background OrientedSchlieren,BOS)技术凭借其结构简单、价格低廉并且使用方便的特点已经被广泛应用于流场定量信息的测量，具体包括流动显示、密度场、温度场、气动光学畸变波前等。
背景纹影(Background Oriented Schlieren,BOS)技术原理简单，配置简约，成本低廉，是一种新型光学测量手段。简单来说，透过变折射率场观察背景点阵，背景点阵会发生偏移。BOS技术正是通过对有/无流场干扰下获得的背景点阵图像进行互相关计算，获取光线穿过流场后两个方向对应的位移量。该位移的大小与方向与垂直光线传播方向上的折射率分布密切相关，由此获取流场的折射率或密度分布等定量信息。
现有的BOS技术应用的主要条件是远场假设，即假设背景点阵离待测流场区域比较远，相比较而言可以忽略待测流场本身的厚度。这样假设的根本原因实际上是为了近似确定等效折射面的位置。与此同时，远场测量时，一方面会对镜头远距离对焦要求增加，进而增加测量成本；另一方面会减小系统测试的动态范围，降低系统测试空间分辨率，进而影响对大折射率流场结构的测量精度。在实际应用中，也需要提前布置背景，降低了系统使用的便捷性。
发明内容
本发明一方面提供了一种适应于背景纹影的高精度测量方法，以解决现有背景纹影技术应用时成本高、测量精度低、便捷性差的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种适应于背景纹影的高精度测量方法，包括步骤：
分别在有/无光学畸变场的情况下，利用成像靶面获得背景点阵的一对点阵图；
在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M和N个大小一致的质询窗口，得到M×N质询窗口阵列；
进行互相关计算处理，计算光线等效折射点、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标；
结合背景点阵光学畸变场的等效折射发生界面之间的距离Zd、光学畸变场的等效折射发生界面与光阑的距离Za、光阑与成像靶面之间的距离Zi、质询窗口参数、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角。
进一步地，所述进行互相关计算处理，计算光线等效折射点、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标，具体包括步骤：
将光线主轴与成像靶面中心的交点作为成像靶面坐标原点O，相应的将光线主轴与背景点阵的交点作为背景点阵坐标原点O'；
设成像靶面上质询窗口形心坐标为A(x,y)，光线偏移后对应成像靶面上质询窗口形心坐标为B(x+Δx,y+Δy)，A点对应背景点阵上的坐标A'(x',y')，B点对应背景点阵上的坐标B'(x'+Δx',y'+Δy')，光学畸变场的等效折射点C(xr,yr)，对应背景点阵点C'(xr',yr')；
通过互相关方法计算得到对应质询窗口内的光线偏移后的偏移量(Δx,Δy)；
分别计算A'、B'、C、C'的坐标：
将A点坐标可以表示为：
式(5)中s为质询窗口内切圆的直径，C为相邻质询窗口形心之间的距离，i＝1,2,3,…,M；j＝1,2,3,…,N。
进一步地，结合背景点阵光学畸变场的等效折射发生界面之间的距离Zd、光学畸变场的等效折射发生界面与光阑的距离Za、光阑与成像靶面之间的距离Zi、质询窗口参数、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角，具体包括步骤：
根据Zd、Zi、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算质询窗口形心的偏折角：
将式(1)～(5)代入式(6)得到M×N质询窗口阵列中相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角：
进一步地，设置质询窗口时，单个质询窗口内光斑数量在20个以上。
进一步地，所述成像靶面为CCD传感器或者CMOS传感器。
本发明另一方面还提供了一种适应于背景纹影的高精度测量装置，包括：
点阵图获取模块，用于分别在有/无光学畸变场的情况下，利用成像靶面获得背景点阵的一对点阵图；
质询窗口设置模块，用于在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M和N个大小一致的质询窗口，得到M×N质询窗口阵列；
互相关计算模块，用于进行互相关计算处理，计算光线等效折射点、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标；
光线偏折角计算模块，用于结合背景点阵光学畸变场的等效折射发生界面之间的距离Zd、光学畸变场的等效折射发生界面与光阑的距离Za、光阑与成像靶面之间的距离Zi、质询窗口参数、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角。
本发明另一方面还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如所述的适应于背景纹影的高精度测量方法。
本发明另一方面还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如所述的适应于背景纹影的高精度测量方法。
本发明具有以下有益效果：
本发明消除了质询窗口形心位置相对主光轴偏差对于背景纹影测试精度的影响；消除了传统背景纹影利用小角度偏折假设条件获取光线偏折角对于背景纹影测试精度的影响；可以在相当大的程度上提高背景纹影技术在大畸变场中测量的精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的一种适应于背景纹影的高精度测量方法流程示意图；
图2是本发明优选实施例的查询区和质询窗口示意图；
图3是本发明优选实施例的高精度测量方法精度提升原理示意图；
图4为本发明优选实施例的步骤S3的子步骤流程示意图；
图5为本发明优选实施例的步骤S4的子步骤流程示意图；
图6是本发明优选实施例的适应于背景纹影的高精度测量装置模块示意图；
图7是本发明优选实施例的电子设备实体示意框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1至图3，一种适应于背景纹影的高精度测量方法，包括步骤：
S1、分别在有/无光学畸变场的情况下，利用成像靶面获得背景点阵的一对点阵图；
S2、在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M和N个大小一致的质询窗口，得到M×N质询窗口阵列；
S3、进行互相关计算处理，计算光线等效折射点、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标；
S4、结合背景点阵光学畸变场的等效折射发生界面之间的距离Zd、光学畸变场的等效折射发生界面与光阑的距离Za、光阑与成像靶面之间的距离Zi、质询窗口参数、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角。
如图4所示，在本发明的优选实施例中，所述进行互相关计算处理，计算光线等效折射点、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标，具体包括步骤：
S31、将光线主轴与成像靶面中心的交点作为成像靶面坐标原点O，相应的将光线主轴与背景点阵的交点作为背景点阵坐标原点O'；
S32、设成像靶面上质询窗口形心坐标为A(x,y)，光线偏移后对应成像靶面上质询窗口形心坐标为B(x+Δx,y+Δy)，A点对应背景点阵上的坐标A'(x',y')，B点对应背景点阵上的坐标B'(x'+Δx',y'+Δy')，光学畸变场的等效折射点C(xr,yr)，对应背景点阵点C'(xr',yr')；
S33、通过互相关方法计算得到对应质询窗口内的光线偏移后的偏移量(Δx,Δy)；
S34、分别计算A'、B'、C、C'的坐标：
S35、将A点坐标与质询窗口参数相关联：
式(5)中s为质询窗口内切圆的直径，C为相邻质询窗口形心之间的距离，i＝1,2,3,…,M；j＝1,2,3,…,N。
如图5所示，在本发明的优选实施例中，结合背景点阵光学畸变场的等效折射发生界面之间的距离Zd、光学畸变场的等效折射发生界面与光阑的距离Za、光阑与成像靶面之间的距离Zi、质询窗口参数、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角，具体包括步骤：
S41、根据Zd、Zi、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算质询窗口形心的偏折角：
S42、将式(1)～(5)代入式(6)得到M×N质询窗口阵列中相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角：
对于传统BOS技术而言，一般根据小角度偏折假设，可以计算对应y方向的光线偏折角θy≈arctan(Δy'/Zd)，对应x方向的光线偏折角θx≈arctan(Δx'/Zd)，本实施例可以更为精确的获取偏折角信息，其原因是：
传统方法获取的偏折角建立在小角度偏折假设之上，即：
θx≈arctan(Δx'/Zd)，θy≈arctan(Δy'/Zd)，
而本发明提出的方法获取的偏折角度为：
上面等式右边第二项即为本发明提出的消除小角度偏折假设的思路。即通过引入质询窗形心相对于主光轴的偏差，并利用几何方法(如图3所示)精确推导获取。
质询窗口形心位置偏离主光轴的位置会导致无扰动光线相对于主光轴存在一个初始偏折角，通过在偏折角度计算过程中引入质询窗口形心位置相对主光轴之间的偏移量，计算得到这个初始的偏折角。进而在后面的有/无扰动相对偏折角计算中考虑了这一初始偏折角，即消除了这一影响。
在本发明的优选实施例中，设置质询窗口时，单个质询窗口内光斑数量在20个以上，从而保证互相关计算获取的位移数据可以达到亚像素精度。
在本发明的优选实施例中，所述成像靶面为CCD传感器或者CMOS传感器。
如图6所示，在本发明的优选实施例还提供了一种适应于背景纹影的高精度测量装置，包括：
点阵图获取模块，用于分别在有/无光学畸变场的情况下，利用成像靶面获得背景点阵的一对点阵图；
质询窗口设置模块，用于在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M和N个大小一致的质询窗口，得到M×N质询窗口阵列；
互相关计算模块，用于进行互相关计算处理，计算光线等效折射点、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标；
光线偏折角计算模块，用于结合背景点阵光学畸变场的等效折射发生界面之间的距离Zd、光学畸变场的等效折射发生界面与光阑的距离Za、光阑与成像靶面之间的距离Zi、质询窗口参数、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角。
如图7所示，本发明另一方面还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如所述的适应于背景纹影的高精度测量方法。
本发明另一方面还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如所述的适应于背景纹影的高精度测量方法。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本实施例方法所述功能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，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明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(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适应于背景纹影的高精度测量方法，其特征在于，包括步骤：
分别在有/无光学畸变场的情况下，利用成像靶面获得背景点阵的一对点阵图；
在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M和N个大小一致的质询窗口，得到M×N质询窗口阵列；
进行互相关计算处理，计算光线等效折射点、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标；
结合背景点阵光学畸变场的等效折射发生界面之间的距离Zd、光学畸变场的等效折射发生界面与光阑的距离Za、光阑与成像靶面之间的距离Zi、质询窗口参数、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角；
设置质询窗口时，单个质询窗口内光斑数量在20个以上。
2.根据权利要求1所述的适应于背景纹影的高精度测量方法，其特征在于，所述进行互相关计算处理，计算光线等效折射点、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标，具体包括步骤：
将光线主轴与成像靶面中心的交点作为成像靶面坐标原点O，相应的将光线主轴与背景点阵的交点作为背景点阵坐标原点O'；
设成像靶面上质询窗口形心坐标为A(x,y)，光线偏移后对应成像靶面上质询窗口形心坐标为B(x+Δx,y+Δy)，A点对应背景点阵上的坐标A'(x',y')，B点对应背景点阵上的坐标B'(x'+Δx',y'+Δy')，光学畸变场的等效折射点C(xr,yr)，对应背景点阵点C'(xr',yr')；
通过互相关方法计算得到对应质询窗口内的光线偏移后的偏移量(Δx,Δy)；
分别计算A'、B'、C、C'的坐标：
将A点坐标可以表示为：
式(5)中s为质询窗口内切圆的直径，C为相邻质询窗口形心之间的距离，i＝1,2,3,…,M；j＝1,2,3,…,N。
3.根据权利要求2所述的适应于背景纹影的高精度测量方法，其特征在于，
结合背景点阵光学畸变场的等效折射发生界面之间的距离Zd、光学畸变场的等效折射发生界面与光阑的距离Za、光阑与成像靶面之间的距离Zi、质询窗口参数、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角，具体包括步骤：
根据Zd、Zi、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算质询窗口形心的偏折角：
将式(1)～(5)代入式(6)得到M×N质询窗口阵列中相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角：
4.根据权利要求1所述的适应于背景纹影的高精度测量方法，其特征在于，
所述成像靶面为CCD传感器或者CMOS传感器。
5.一种适应于背景纹影的高精度测量装置，其特征在于，包括：
点阵图获取模块，用于分别在有/无光学畸变场的情况下，利用成像靶面(1)获得背景点阵的一对点阵图；
质询窗口设置模块，用于在所述一对点阵图的查询区内沿x方向和y方向分别设置M和N个大小一致的质询窗口，得到M×N质询窗口阵列；
互相关计算模块，用于进行互相关计算处理，计算光线等效折射点、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标；
光线偏折角计算模块，用于结合背景点阵光学畸变场的等效折射发生界面之间的距离Zd、光学畸变场的等效折射发生界面与光阑的距离Za、光阑与成像靶面之间的距离Zi、质询窗口参数、光线等效折射点坐标、发生偏折前后的质询窗口形心在成像靶面上的坐标以及在对应背景点阵上的坐标的几何关系计算相应质询窗口形心x和y方向的光线偏折角。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4中任一项所述的适应于背景纹影的高精度测量方法。
7.一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其特征在于，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如权利要求1至4中任一项所述的适应于背景纹影的高精度测量方法。
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|---|---|---|---|---|
| CN108663190A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-10-16 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台及系统 |
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| CN112629679A (zh) | 2021-04-09 |
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