CN113567296A - 一种基于投影仪的定量背景纹影法测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于投影仪的定量背景纹影法测温装置及方法，用于测量流场的密度及温度。基于背景纹影法测量介质物性参数的原理，利用投影仪产生随机背景点并作为光源代替了原有的打印背景点及背景光源。实验装置由背景点生成装置、投影系统、成像系统和图像处理装置组成。传统的背景纹影法在不同的实验条件下需要打印不同的背景点来保证测量精度，而且需要额外的背景光源照明，实验流程繁琐且实验装置复杂；本发明用投影图案代替打印背景点，可以根据测量需求直接生成背景图案以保证背景点分辨率和相机分辨率相匹配，克服了针对不同实验装置需要打印不同背景点的缺陷。同时投影仪在提供背景点的同时提供了充足的背景光强，满足了成像质量需求的同时节约了成本。

Description

一种基于投影仪的定量背景纹影法测温装置及方法

技术领域

本发明涉及纹影法定量测量领域，特别的针对一种基于投影仪的定量背景纹影法测量流场温度的测量装置及方法。

背景技术

纹影法作为一种非接触式光学流场显示方法，已经普遍应用于用于气体射流、等离子体、火焰等流场观测，而随着计算机技术的进步，一种结合纹影技术和图像处理技术的背景纹影技术逐渐发展起来，这种方法能够用简单的实验装置和算法实现流场密度及温度的定量测量，被广泛应用于流场诊断领域。

背景纹影技术和传统的纹影技术一样，基于光线穿过流场后的偏折角度来确定流场参数：用相机对有流场和没有流场时的背景图案进行拍摄，用图像处理技术提取图片中背景点偏移量进而求出偏折角。背景图像的质量决定了相机采集的信息质量，从而影响到测量精度。当前背景纹影法所采用的背景点图案多是将随机散点图或像素图像打印在纸上，也有人采用一些印有图案的不透光物体如棋盘等。当采用互相关算法提取背景图案偏移量时，需要背景图案的分辨率和相机图像传感器的分辨率相匹配才能保证查询窗口大小合适，从而满足分辨率和精度要求，因此针对不同的实验装置，就需要打印不同的背景图案来满足测量需求，而且在背景图案后面需要额外的光源为背景进行照明。如果采用液晶显示屏作为背景显示装置，虽然解决了如何快速更换背景图案的问题，但由于显示屏亮度较低且刷新率明显低于相机快门速度，会影响成像质量，为后续处理带来了较大的误差。因此，在保证成像质量的前提下如何快速、方便地更换背景图案是当前背景纹影法面临的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于投影仪的定量背景纹影法流场测量装置和方法，能够从原理上实现快速更换背景图案以适应不同的实验环境，并满足不需要独立光源就能提供均匀光强的需求。

基于上述背景，提出了如下设计方案：

一种基于投影背景图案的背景纹影测量装置，用于测量流场密度、温度等参数。实验装置包括背景点生成装置、投影仪或激光电视、投影屏幕、滤波片、成像透镜、图像传感器及图像处理装置。背景点生成装置生成的图案经投影仪斜向投射在投影屏幕上，在投影屏幕前放置流场，流场前放置与流场颜色相匹配的滤波片，滤掉流场本身颜色，滤波片前放置成像透镜和图像传感器。投影仪发出的光线经投影屏幕反射进入流场区域，在流场区域内被折射之后经透镜成像在图像传感器上并传输给图像处理装置，图像处理装置实现流场密度及温度参数计算。其中背景点生成装置、投影仪、图像传感器及图像处理装置都包含电力供应系统。

背景点生成装置为具有生成随机背景点能力的PC端，具体功能为可以根据给定背景点大小、背景点间距和画布尺寸等数据生成相应的背景点图案供实验使用。

投影仪或者激光电视附带变焦装置和偏移调整装置，可以保证投影仪不动而改变投影视角，并且可以在投影仪侧向投影时调整图像偏移量使投影屏幕上的图案不发生畸变。

投影屏幕选用硬屏投影幕，可以保证在多次对背景拍摄时背景点的位置不会受到风等外界干扰影响。

滤波片设有位置微调支架和角度调节支架，位置微调支架用于滤波片和成像透镜对齐，角度调节支架用于保证滤波片和成像透镜所在平面平行以避免引入误差。

成像透镜和图像传感器采用可以手动对焦的长焦镜头高速相机，高速相机经手动对焦后可以同时对背景点和流场进行拍摄，高速相机采用外界快门触发以保证拍摄期间高速相机位置不变，且相机帧数在300帧以上，可以实现毫秒级时间尺度上的测量。

图像处理装置采用具有图像处理能力的PC端，具体功能包括纹影图像读取、图像预处理、背景点偏移量计算、图像后处理、光线偏折角计算及流场密度和温度计算。

其中高速相机正对投影屏幕放置，流场放置在高速相机和投影屏幕之间，流场和投影屏幕的间距为高速相机和投影屏幕间距的一半。投影仪放置在高速相机右侧，和背景点生成装置采用有线通信连接，图像处理装置放置在高速相机另一侧，和高速相机采用有线通信进行连接。

采用该实验装置进行流场测量时的实际测量步骤如下：

1)设置相机分辨率，根据相机分辨率计算相应背景点大小及背景点间距及画布大小，用背景点生成装置生成相应背景点；

2)开启投影仪，调节变焦旋钮及聚焦旋钮，在投影屏幕上呈现大小合适且清晰的背景图案，调节偏移旋钮，消除图像畸变，使图像对正；

3)开启相机，调整相机位置，使相机能够拍摄到背景图案区域，调整滤波片位置，使其与相机镜头平面平行；

4)调整相机焦距并进行对焦，对无流场背景图案进行采集；

5)在滤波片与屏幕中间放置流场，调整流场位置使其在相机中的位置合适；

6)对流场和背景图像进行采集，并将图像传输至图像处理装置；

7)采用图像处理装置对所采集的纹影图像进行处理。

其中步骤7)的具体过程为:

1)采用互相关系数对背景偏移量进行计算，互相关系数计算公式为：

其中f(k,l)表示没有流场时图像中的测量区域，g(k,l)为有流场时光经过折射后的图像测量区域偏移位置，R(m,n)表示两图像进行互相关测量后的最大位移量其中l为当前窗口纵坐标，k为当前窗口横坐标，w，h分别为窗口横纵坐标上限。(m,t)为像素偏移量，g(k+m,l+t)为原测量区域经过流场折射后，在有流场背景图片中的显示位置。

2)计算光线穿过流场的偏折角，并构建偏折角计算流场的折射率梯度积分之间的关系：

其中n₀为环境折射率，n为流场折射率，

为流场折射率在y方向上的梯度沿z方向的积分，可以认为是折射率梯度在z轴方向上的投影。

3)在对轴对称流场进行测量时，可以采用阿贝尔逆变换对折射率梯度进行层析重建：

其中F(r_i)为场参数，Δr为离散计算步长，P(r_j)为投影数据，D_ij为离散矩阵：

D_ij＝(W_ij)^-1

对于空气或者其他气体，可以通过格拉斯通-道尔公式对空间密度场进行计算：

n-1＝k_GDρ

再借助理想气体状态方程即可对流场温度分布进行求解。

本发明的优点及有益效果在于：与现有背景纹影法技术相比，本发明提供了一种基于投影背景图案的流场测量装置和方法，采用背景纹影法中基于介质折射率梯度测量介质物性参数的原理，以投影仪作为光源和背景投影装置将背景图案投影在投影屏幕上，再用成像透镜和图像传感器对流体介质和背景图案进行采集，并将采集后的图案传输给PC端的图像处理装置，获取背景图案的偏移量进而量化偏折角，再对流场的密度和温度进行重构，实现流场参数的可视化测量。

本发明可以对任何存在密度梯度的流场进行密度及温度测量，并可以根据测量需求随时提供相应的背景图案以保证背景点分辨率和相机分辨率相匹配，克服了针对不同实验装置需要打印不同背景点的缺陷。投影仪在提供背景点的同时提供了充足的背景光强，满足了成像质量需求，同时简化了实验装置。

附图说明

图1测量装置示意图。

图2偏折角测量示意图。

图3互相关算法示意图。

图4背景点偏移矢量图。

图5火焰上方热气体温度分布图。

图中标号说明如下：

1投影屏幕，2投影仪，3背景点生成装置，4图像传感器，5成像透镜，6滤波片，7流场，8图像处理装置

具体实施方式：

本发明应用于气体流场密度和温度测量，测量装置组成如图1所示，这种基于投影背景图案的流场参数测量装置包括投影屏幕1、投影仪2、背景点生成装置3、图像传感器4、成像透镜5、滤波片6、流场7和图像处理装置8。其中背景点生成装置3为具有背景点生成程序的PC端，图像传感器4为高速相机，聚光透镜5为手动调焦镜头，图像处理装置8为具有图像处理程序的PC端。背景点生成装置3与投影仪之间的连接和图像传感器4与图像处理装置8之间的连接均采用有线通信连接。

参考图1搭建好试验台后，按照上述实验步骤进行实验，其中有如下关键点。

对于背景点生成装置，像素背景连续性好，接近自然背景，且小波噪声背景能够适应多种分辨率，但由于像素背景对比度较差，导致采用互相关算法识别时效果较差，随机点虽然可以解决对比度差的问题，但针对传统实验装置，每次改变实验场景都要重新打印背景点，实验流程较为繁琐。在本专利中，针对不同实验条件，只需要用背景点生成装置生成不同背景点即可。因此本专利中选择对比度比较高的随机点作为成像背景。本发明中，相机分辨率设置为2040*1080，根据实际投影环境选定画布尺寸为20cm*20cm，生成间距为2-3像素，随机圆点大小为2-3个像素背景点图案，投影在投影屏幕上用以成像。

投影仪选用EPSON便携式投影仪，投影屏幕选用84英寸硬屏投影幕，滤光片选用截止波长为600nm的长波通滤波片。

成像透镜选用尼康18-105mm变焦镜头，图像传感器选用Flare系列2M360-CL高速相机。

图像处理步骤主要依据如下原理采用图像处理程序对图像进行了分析：

背景纹影通过施加流场前后背景点的偏移求解光线偏折角，进而求得流场其他参数，如图2所示，背景点距离成像透镜距离为Z_b，成像透镜和图像传感器距离为Z_i，流场放置在距离投影屏幕Z_d处，当光穿过不均匀折射率场时，光线会发生偏折，偏折角为ε，Δy'表示背景点经过流场后的实际偏移量，Δy表示在图像传感器上背景点的偏移量。

按照光路原理图的几何关系，实际偏移量和图像传感器偏移量关系如下：

由几何光学关系有：

其中Z_b为投影屏幕到成像透镜的距离，Z_i为成像透镜到传感器的距离，f为成像透镜的焦距，当偏折角度ε较小时，可以近似表示为：

其中Z_d为投影屏幕到流场的距离。

由上述方程构建图像传感器背景点偏移量和偏折角关系如下：

采用互相关算法对有流场和无流场的两张图片进行识别，从而可以对背景点偏移量进行提取，具体实施过程如图3所示：

其中f(k,l)表示没有流场时图像中的测量区域，g(k,l)为有流场时光经过折射后的图像测量区域偏移位置，在本次实验中选用边长为b的方形窗口计算互相关系数，确定偏移位置，在复合图像中，R(m,n)表示两图像进行互相关测量后的最大位移量，计算方法如下：

其中l为当前窗口纵坐标，k为当前窗口横坐标，w，h分别为窗口横纵坐标上限。(m,t)为像素偏移量，g(k+m,l+t)为原测量区域经过流场折射后，在有流场背景图片中的显示位置。由此式计算得最大的R(m,t)对应的(m,t)为实际背景点偏移量。

根据惠更斯原理可以推导出当光线穿过折射率梯度场时光线偏角和折射率关系为：

其中n₀为环境折射率，n为流场折射率，

为流场折射率在y方向上的梯度沿z方向的积分。即某一方向的偏折角是折射率在这一方向的梯度沿光程的积分，当给定的(x,y)位置上的

和

在流场长度L范围内为恒定值时，公式可以转化为：

其中∈_y和∈_x为光线穿过流场时在y方向和x方向的偏折角，该式表示了偏折角和折射率梯度在z方向上的积分的线性关系，折射率梯度在z方向上的积分可以认为是折射率梯度在z轴方向上的投影，在对轴对称的流场进行测量时，可以借助阿贝尔逆变换对该梯度进行层析重建。

本研究中，定义在远场处等于0的相对折射率δ(r)来代替折射率n(r)进行后续计算:

则光线偏折角度∈_y和相对折射率δ(r)关系为：

其中

为相对折射率δ在z方向的积分，当假设光线以垂直y轴方向穿过流场时，投影参数和流场参数有如下关系：

其中r为极坐标系中流场横截面半径坐标，y为在笛卡尔坐标系中光线穿过流场的纵坐标。

按照阿贝尔逆变换有：

将偏折角度和相对折射率投影量关系代入有：

通过此式便可通过光线偏折角度求解相对折射率，从而对流场折射率场进行求解。在实际求解过程中需要进行去卷积过程，在沿视线积分投影问题中，反卷积过程都可以用一个线性算子进行表示：

其中i为极坐标下对半径进行离散化时的数目，j为笛卡尔坐标系下对光线y坐标进行离散化时的数目，F(r_i)为场参数，Δy为离散步长，P(y_j)为投影数据，D_ij为离散矩阵，本发明中采用Onion-Peeling方法计算该离散矩阵：

D_ij＝(W_ij)^-1

根据上述计算过程，即可获得流场空间折射率分布，对于空气或者其他气体，通过Gladstone-Dale公式可以获得空间密度分布：

n-1＝k_GDρ

其中k_GD为气体的Gladstone-Dale系数，ρ为流场密度，查阅相应气体的Gladstone-Dale系数，就可以获得气体沿直径的密度场分布，再借助理想气体状态方程：

p＝ρRT

其中R为理想气体常数，p近似认为当地大气压，即可求解出流场温度分布T。

利用专利方法测量了蜡烛火焰上方热气体流场温度分布对专利的测量效果进行了验证。

其中对初始背景点图像和有流场的背景点进行互相关算法计算后，所得的背景点位移矢量图结果见图4，可见蜡烛火焰上方热气体的空间分布。

对该矢量图进行上述几何变换和去卷积过程，最终获得蜡烛上方热气体温度分布见图5。

可见热气体自下向上温度逐渐降低，其中温度最高为130℃，出现在靠近火焰外焰位置，而且随着热气体升高，热气体会和空气相互混合形成涡，实验结果较为理想。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于投影背景图案的背景纹影测量装置，其特征在于：包括背景点生成装置、投影仪或激光电视、投影屏幕、滤波片、成像透镜、图像传感器及图像处理装置；其中，背景点生成装置生成的图案经投影仪斜向投射在投影屏幕上，在投影屏幕前放置流场，流场前放置与流场颜色相匹配的滤波片，滤掉流场本身颜色，滤波片前放置成像透镜和图像传感器；投影仪发出的光线经投影屏幕反射进入流场区域，在流场区域内被折射之后经透镜成像在图像传感器上并传输给图像处理装置，图像处理装置实现流场密度及温度参数计算；其中背景点生成装置、投影仪、图像传感器及图像处理装置都包含电力供应系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于投影背景图案的背景纹影测量装置，其特征在于：背景点生成装置为具有生成随机背景点能力的PC端，根据给定背景点大小、背景点间距和画布尺寸数据生成相应的背景点图案，供实验使用。

3.根据权利要求1所述的一种基于投影背景图案的背景纹影测量装置，其特征在于：投影仪或者激光电视附带变焦装置和偏移调整装置，保证投影仪不动而改变投影视角，并且在投影仪侧向投影时调整图像偏移量使投影屏幕上的图案不发生畸变。

4.根据权利要求1所述的一种基于投影背景图案的背景纹影测量装置，其特征在于：投影屏幕选用硬屏投影幕，保证在多次对背景拍摄时背景点的位置不会受到外界干扰。

5.根据权利要求1所述的一种基于投影背景图案的背景纹影测量装置，其特征在于：滤波片设有位置微调支架和角度调节支架，位置微调支架用于滤波片和成像透镜对齐，角度调节支架用于保证滤波片和成像透镜所在平面平行以避免引入误差。

6.根据权利要求1所述的一种基于投影背景图案的背景纹影测量装置，其特征在于：成像透镜和图像传感器采用手动对焦的长焦镜头高速相机，高速相机经手动对焦后同时对背景点和流场进行拍摄，高速相机采用外界快门触发以保证拍摄期间高速相机位置不变；且相机帧数在300帧以上，实现毫秒级时间尺度上的测量。

7.根据权利要求6所述的一种基于投影背景图案的背景纹影测量装置，其特征在于：高速相机正对投影屏幕放置，流场放置在高速相机和投影屏幕之间，流场和投影屏幕的间距为高速相机和投影屏幕间距的一半；投影仪放置在高速相机右侧，和背景点生成装置采用有线通信连接，图像处理装置放置在高速相机另一侧，和高速相机采用有线通信进行连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于投影背景图案的背景纹影测量装置，其特征在于：图像处理装置采用具有图像处理能力的PC端，包括纹影图像读取、图像预处理、背景点偏移量计算、图像后处理、光线偏折角计算及流场密度和温度计算。

9.一种根据权利要求1所述的基于投影背景图案的背景纹影测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：设置相机分辨率，根据相机分辨率计算相应背景点大小及背景点间距及画布大小，用背景点生成装置生成相应背景点；

步骤2：开启投影仪，调节变焦旋钮及聚焦旋钮，在投影屏幕上呈现大小合适且清晰的背景图案，调节偏移旋钮，消除图像畸变，使图像对正；

步骤3：开启相机，调整相机位置，使相机能够拍摄到背景图案区域，调整滤波片位置，使其与相机镜头平面平行；

步骤4：调整相机焦距并进行对焦，对无流场背景图案进行采集；

步骤5：在滤波片与屏幕中间放置流场，调整流场位置使其在相机中的位置合适；

步骤6：对流场和背景图像进行采集，并将图像传输至图像处理装置；

步骤7：采用图像处理装置对所采集的纹影图像进行处理。

10.根据权利要求9所述基于投影背景图案的背景纹影测量方法，其特征在于：步骤7的具体过程为:

7.1采用互相关系数对背景偏移量进行计算，互相关系数计算公式为：

其中f(k,l)表示没有流场时图像中的测量区域，g(k,l)为有流场时光经过折射后的图像测量区域偏移位置，R(m,n)表示两图像进行互相关测量后的最大位移量其中l为当前窗口纵坐标，k为当前窗口横坐标，w，h分别为窗口横纵坐标上限；(m,t)为像素偏移量，g(k+m,l+t)为原测量区域经过流场折射后，在有流场背景图片中的显示位置；

7.2计算光线穿过流场的偏折角，并构建偏折角计算流场的折射率梯度积分之间的关系：

其中n₀为环境折射率，n为流场折射率，

为流场折射率在y方向上的梯度沿z方向的积分，认为是折射率梯度在z轴方向上的投影；

7.3在对轴对称流场进行测量时，采用阿贝尔逆变换对折射率梯度进行层析重建：

其中F(r_i)为场参数，Δr为离散计算步长，P(r_j)为投影数据，D_ij为离散矩阵：

D_ij＝(W_ij)^-1

对于空气或者其他气体，通过格拉斯通-道尔公式对空间密度场进行计算：

n-1＝k_GDρ

再借助理想气体状态方程即对流场温度分布进行求解。

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