CN117455919B - 基于虚拟刀口的背景纹影方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于虚拟刀口的背景纹影方法、装置、设备及介质，该方法包括：采用无频闪光源构建背景纹影光路；采集无流动时背景图案的图像；通过给定已知光偏折场与BOS图像灰度变化的映射关系，标定所述图像上各个像素灰度变化与光偏折角的关系；采集有流动时的背景图案图像；遍历所述图像的各个像素得到对应的光偏折场；根据给定虚拟刀口进行遮挡，突显所需流动结构。本发明基于BOS光路按需显示像素级高分辨率流动结构，较现有的BOS，有精细得多的流动显示效果和小得多的计算量；较传统纹影，有试验后仍可按需“遮挡”突显所需密度梯度方向流动结构、低成本和光路简单的优点。
Description
技术领域
本发明属于成像测量技术领域，尤其涉及基于虚拟刀口的背景纹影方法、装置、设备及介质。
背景技术
BOS（Background Oriented Schlieren，背景纹影）具有硬件搭建简单、标定方便、测量视窗不受光学元器件尺寸限制等显著优点，在复杂流动（尤其是超声速飞行器绕流）和相关折射率场与密度场的非接触测量与定量显示领域备受青睐。
BOS的核心是基于有/无流动时的图案，计算光偏折位移场，由此获取流场的折射率或密度分布等定量信息、显示流动结构，主要方法如下：
1）光偏折位移场计算的图像互相关法，其以诊断窗口的位移来代替图像点位移，若诊断窗口尺寸选择过大，则会因窗口内包含特征细节过多，而导致位移场结果失真，反之，又会因为细节不足或缺失背景图案特征得到错误结果，该方法空间分辨率相对较低、偏折位移精度约为0.1像素。
2）采用视频测量（Videogrammetry）的圆点亚像素定位的光偏折位移场计算法，其定位精度可达0.02像素，适于有强折射率梯度的流动领域，但是其30个像素一个点，空间分辨率相对较低，流动结构的细节刻画不够。
3）光偏折位移场计算的光流法，优点是具备像素级的高空间分辨率，但光流法基于光照亮度不变与位移矢量平滑的假设，构建目标函数，对于流动变化剧烈区域或流场光照亮度不稳定时，该方法的假设失效，产生较大误差。
但是，上述方法涉及的计算量非常大，BOS测试现场难以像传统纹影一样实时获得流动的可视化结果，试验方案优化效率低。虽然，拥有大量流处理器(SP)的图形处理器GPU，可以通过图像数据并行处理方式加速光偏折位移场解算速度，但依然不能提升“图像互相关法和视频测量法”解得的光偏折位移场空间分辨率，不能突破光流法“基于光照亮度不变与位移矢量平滑的假设”限制。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了基于虚拟刀口的背景纹影方法、装置、设备及介质,通过光偏折场与BOS图像灰度变化的映射关系，构建图像灰度变化表征光偏折程度的方法，建立通过给定虚拟刀口的遮挡方向与大小，调控像素灰度的流动结构突显方法。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
进一步的，所述方法包括：
采用无频闪的光源，构建背景纹影光路；
采集无流动时背景图案的图像；
标定所述图像上各个像素灰度变化与光偏折角的关系；
采集有流动时的背景图案图像；
遍历所述图像的各个像素得到/>对应的光偏折场；
根据给定虚拟刀口进行遮挡，突显所需流动结构。
进一步的，所述方法还包括：
在采集无流动时背景图案的图像前，调整所述无频闪光源的光强，直至无流动时背景图案的图像亮度达到预设阈值，固定此时的光强。
进一步的，所述标定所述图像上各个像素灰度变化与光偏折角的关系具体包括：
采用楔形镜片标定各个像素灰度变化与光偏折角的关系，设表示随楔形角度递增的楔形镜片集合，/>中第/>个楔形镜片记为/>，/>表示/>出厂计量的角度；
在所述背景纹影光路的相机镜头前设置楔形镜片固定位置，按楔形角递增的顺序，依次固定楔形镜片采集背景图案的图像；对于给定/>，/>，/>，，对于/>上给定的像素/>，i与j分别表示/>行号和列号，标定步骤包括：
步骤S1：初始；
步骤S2：将按楔形角方向固定在背景纹影光路的的X轴方向；
步骤S3：采集，并计算灰度差/>；
步骤S4：计算出的8个领域灰度差，包括左上点、正上点、右上点、左侧点、右侧点、左下点、正下点和右下点的灰度差/>、/>、/>、/>、/>、、/>和/>；
步骤S5：代入空间梯度算子，将及8个领域灰度差与Cx=/>做卷积得到/>、与Cy=/>做卷积得到/>，得到梯度方向：；
步骤S6：若，则/>，并转至步骤S2；
步骤S7：得到各个像素光偏折角关于其灰度变化的计算式；对任一都将产生梯度方向/>、光偏折角/>、/>、/>和/>，因/>表示/>出厂计量的角度，故/>，代入求解以下方程
；
其中，为多项式系数；
通过标定，即可建立上给定的像素/>的光偏折角/>和光偏折角/>在X和Y方向投影的计算式：
；
=/>；
=/>；
式中，和/>的方向分别由/>和/>确定。
进一步的，所述遍历所述图像的各个像素得到/>对应的光偏折场具体包括：
计算灰度差；
计算出的8个领域灰度差，包括左上点、正上点、右上点、左侧点、右侧点、左下点、正下点和右下点的灰度差/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>；
计算的空间梯度/>、/>、/>和/>。
进一步的，所述根据给定虚拟刀口进行遮挡，突显所需流动结构具体包括：
对于，遮挡X方向光偏折角度大于给定角度/>的光线的方法包括：
遍历的各个像素的/>，若/>，则将/>和/>代入得；通过求解，得到/>，代入-/>，得到/>，获得遮挡光偏折角度大于/>后/>的灰度/>；
同理，对于，遮挡Y方向光偏折角度大于给定角度/>的光线的方法包括：
遍历的各个像素的/>，若/>，则通过求解得到/>，获得遮挡光偏折角度大于/>后/>的灰度/>。
进一步的，所述光源的光强衰减指标周。
另一方面，本发明还提供了一种基于虚拟刀口的背景纹影装置，所述装置包括：
背景纹影光路构建模块，所述背景纹影光路构建模块采用无频闪光源构建背景纹影光路；
无流动图像采集模块，所述流动图像采集模块采集无流动时背景图案的图像；
无流动图像标定模块，所述无流动图像标定模块标定所述图像上各个像素灰度变化与光偏折角的关系；
流动图像采集模块，所述流动图像采集模块采集有流动时的背景图案图像；
流动图像标定模块，所述流动图像标定模块遍历所述图像的各个像素得到/>对应的光偏折场；
结构显示模块，所述结构显示模块根据给定虚拟刀口进行遮挡，突显所需流动结构。
另一方面，本发明还提供了一种计算机设备，计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现上述的任意一种基于虚拟刀口的背景纹影方法。
另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器加载并执行以实现上述的任意一种基于虚拟刀口的背景纹影方法。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明提出像素级虚拟刀口BOS的精细流动显示新方法，通过光偏折场与BOS图像灰度变化的映射关系，构建图像灰度变化表征光偏折角的方法，建立虚拟刀口调控像素灰度，进而突显流动结构。
（2）本发明基于BOS光路按需显示像素级高分辨率流动结构，相比于现有的BOS，本发明提高了流动显示效果的精细度，并降低了计算量。具有低成本和光路简单的优点。
附图说明
图1是本发明实施例基于虚拟刀口的背景纹影方法流程框图；
图2是本发明实施例基于虚拟刀口的背景纹影装置结构框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
传统背景纹影技术涉及的计算量非常大，测试现场难以像传统纹影一样实时获得流动的可视化结果。
为了解决上述技术问题，提出了本发明基于虚拟刀口的背景纹影方法、装置、设备及介质的下述各个实施例。
实施例1
参照图1，如图1所示是本实施例基于虚拟刀口的背景纹影方法流程框图，该方法包括以下步骤：
步骤一：采用无频闪的光源构建背景纹影光路。
具体地，本实施例采用成熟背景纹影（BOS）光路，构建高空间分辨率的虚拟刀口BOS，要求BOS采用无频闪光源，其光强衰减指标周。
步骤二：采集无流动时背景图案的图像。
具体地，本实施例采集无流动时背景图案的图像。要求：调整无频闪光源的光强，直至/>取得满意的亮度，固定此时的光强，直至BOS测试试验结束。
步骤三：标定无流动时图像上各个像素灰度变化与光偏折角的关系。
具体地，本实施例采用楔形镜片标定各个像素灰度变化与光偏折角的关系。设表示随楔形角度递增（楔形角度不得相同）的楔形镜片集合，/>中第/>个楔形镜片记为/>，/>表示/>出厂计量的角度；在BOS光路的相机镜头前设置楔形镜片固定位置，按楔形角递增的顺序，依次固定楔形镜片采集背景图案的图像/>；对于给定/>，/>，/>，要求：/>，测试，对于/>上给定的像素/>（i与j分别表示/>行号和列号），标定步骤如下：
1）；
2）将按楔形角方向固定在BOS光路的X方向；
3）采集。
4）计算灰度差
（1）
同理，得到8个领域左上点、正上点、右上点、左侧点、右侧点、左下点、正下点和右下点的灰度差/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和。
5）计算的空间梯度。代入空间梯度算子（本发明用Sobel算子进行梯度运算）
将及其8个领域灰度差与
Cx=（2）
做卷积得到，与
Cy=（3）
做卷积得到，可得梯度方向：
（4）
6）若，转2）。
7）因都按楔形角方向固定在BOS光路上，故对任一（/>）都有/>；将产生的/>、/>组/>、/>、/>和/>数据代入求解
（5）
建立光偏折角及其在X和Y方向投影的计算式：
（6）
=/>（7）
=/>（8）
式中和/>的方向分别由/>和/>确定。
步骤四：采集有流动时的背景图案图像。
具体地，本实施例在步骤三标定结束后，采集有流动时的背景图案图像
步骤五：遍历有流动时图像的各个像素得到对应的光偏折场。
具体地，本实施例遍历的各个像素得到/>对应的光偏折场。对于/>上给定的像素/>（i与j分别表示/>行号和列号），具体方法如下：
8）计算灰度差
（9）
同理，得到8个领域左上点、正上点、右上点、左侧点、右侧点、左下点、正下点和右下点的灰度差/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>。
9）代入式（2）、式（3）和式（4）计算的空间梯度/>和/>，
代入式（6）、式（7）和式（8）可以计算出和/>。
步骤六：根据给定虚拟刀口进行遮挡，突显所需流动结构。
具体地，按给定虚拟刀口“遮挡”突显所需密度梯度方向流动结构。对于，虚拟刀口“遮挡”大于/>的光线的方法如下：
遍历的各个像素的/>，若/>，则将/>和/>代入式（6）可得
（10）
求解式（10）即可得到，代入式（9）得
-/>
即，“遮挡”大于的光线后，/>的灰度
（11）
同理，可得
（12）
代入式（11）获得虚拟刀口“遮挡”大于后/>的灰度。
本实施例提出像素级虚拟刀口BOS的精细流动显示新方法，通过光偏折场与BOS图像灰度变化的映射关系，构建图像灰度变化表征光偏折角的方法，建立虚拟刀口调控像素灰度，进而突显流动结构。本实施例基于BOS光路按需显示像素级高分辨率流动结构，相比于现有的BOS，本发明提高了流动显示效果的精细度，并降低了计算量。具有低成本和光路简单的优点。
实施例2
参照图2，如图2所示是本实施例基于虚拟刀口的背景纹影装置结构框图，该装置具体包括以下结构：
背景纹影光路构建模块，背景纹影光路构建模块采用无频闪光源构建背景纹影光路；
无流动图像采集模块，流动图像采集模块采集无流动时背景图案的图像；
无流动图像标定模块，无流动图像标定模块标定图像上各个像素灰度变化与光偏折角的关系；
流动图像采集模块，流动图像采集模块采集有流动时的背景图案图像；
流动图像标定模块，流动图像标定模块遍历图像的各个像素得到/>对应的光偏折场；
结构显示模块，结构显示模块根据给定虚拟刀口进行遮挡，突显所需流动结构。
实施例3
本优选实施例提供了一种计算机设备，该计算机设备可以实现本申请实施例所提供的基于虚拟刀口的背景纹影方法任一实施例中的步骤，因此，可以实现本申请实施例所提供的基于虚拟刀口的背景纹影方法的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。
实施例4
本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。为此，本发明实施例提供一种存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本发明实施例所提供的基于虚拟刀口的背景纹影方法中任一实施例的步骤。
其中，该存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。
由于该存储介质中所存储的指令，可以执行本发明实施例所提供的任一基于虚拟刀口的背景纹影方法实施例中的步骤，因此，可以实现本发明实施例所提供的任一基于虚拟刀口的背景纹影方法所能实现的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于虚拟刀口的背景纹影方法，其特征在于，所述方法包括：
采用无频闪光源构建背景纹影光路；
采集无流动时背景图案的图像；
标定所述图像上各个像素灰度变化与光偏折角的关系，具体包括：
采用楔形镜片标定各个像素灰度变化与光偏折角的关系，设表示随楔形角度递增的楔形镜片集合，/>中第/>个楔形镜片记为/>，/>表示/>出厂计量的角度；
在所述背景纹影光路的相机镜头前设置楔形镜片固定位置，按楔形角递增的顺序，依次固定楔形镜片采集背景图案的图像；对于给定/>，/>，/>，，对于/>上给定的像素/>，i与j分别表示/>行号和列号，标定步骤包括：
步骤S1：初始；
步骤S2：将按楔形角方向固定在背景纹影光路的的X轴方向；
步骤S3：采集，并计算灰度差/>；
步骤S4：计算出的8个领域灰度差，包括左上点、正上点、右上点、左侧点、右侧点、左下点、正下点和右下点的灰度差/>、/>、/>、/>、/>、/>、和/>；
步骤S5：代入空间梯度算子，将及8个领域灰度差与Cx=/>做卷积得到/>、与Cy=/>做卷积得到/>，得到梯度方向：；
步骤S6：若，则/>，并转至步骤S2；
步骤S7：得到各个像素光偏折角关于其灰度变化的计算式；对任一都将产生梯度方向/>、光偏折角/>、/>、/>和/>，因/>表示/>出厂计量的角度，故/>，代入求解以下方程
；
其中，为多项式系数；
通过标定，即可建立上给定的像素/>的光偏折角/>和光偏折角/>在X和Y方向投影的计算式：
；
=/>；
=/>；
式中，和/>的方向分别由/>和/>确定；
采集有流动时的背景图案图像；
遍历所述图像的各个像素得到/>对应的光偏折场；
根据给定虚拟刀口进行遮挡，突显所需流动结构。
2.如权利要求1所述的基于虚拟刀口的背景纹影方法，其特征在于，所述方法还包括：
在采集无流动时背景图案的图像前，调整所述无频闪光源的光强，直至无流动时背景图案的图像亮度达到预设阈值，固定此时的光强。
3.如权利要求1所述的基于虚拟刀口的背景纹影方法，其特征在于，所述遍历所述图像的各个像素得到/>对应的光偏折场具体包括：
计算灰度差；
计算出的8个领域灰度差，包括左上点、正上点、右上点、左侧点、右侧点、左下点、正下点和右下点的灰度差/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和；
计算的空间梯度/>、/>、/>和/>。
4.如权利要求3所述的基于虚拟刀口的背景纹影方法，其特征在于，所述根据给定虚拟刀口进行遮挡，突显所需流动结构具体包括：
对于，遮挡X方向光偏折角度大于给定角度/>的光线的方法包括：
遍历的各个像素的/>，若/>，则将/>和/>代入得；通过求解，得到/>，代入-/>，得到/>，获得遮挡光偏折角度大于/>后/>的灰度/>；
同理，对于，遮挡Y方向光偏折角度大于给定角度/>的光线的方法包括：
遍历的各个像素的/>，若/>，则通过求解得到/>，获得遮挡光偏折角度大于/>后/>的灰度/>。
5.如权利要求1所述的基于虚拟刀口的背景纹影方法，其特征在于，所述光源的光强衰减指标周。
6.一种基于虚拟刀口的背景纹影装置，其特征在于，所述装置包括：
背景纹影光路构建模块，所述背景纹影光路构建模块采用无频闪光源构建背景纹影光路；
无流动图像采集模块，所述无流动图像采集模块采集无流动时背景图案的图像；
无流动图像标定模块，所述无流动图像标定模块标定所述图像上各个像素灰度变化与光偏折角的关系，具体包括：
采用楔形镜片标定各个像素灰度变化与光偏折角的关系，设表示随楔形角度递增的楔形镜片集合，/>中第/>个楔形镜片记为/>，/>表示/>出厂计量的角度；
在所述背景纹影光路的相机镜头前设置楔形镜片固定位置，按楔形角递增的顺序，依次固定楔形镜片采集背景图案的图像；对于给定/>，/>，/>，，对于/>上给定的像素/>，i与j分别表示/>行号和列号，标定步骤包括：
步骤S1：初始；
步骤S2：将按楔形角方向固定在背景纹影光路的的X轴方向；
步骤S3：采集，并计算灰度差/>；
步骤S4：计算出的8个领域灰度差，包括左上点、正上点、右上点、左侧点、右侧点、左下点、正下点和右下点的灰度差/>、/>、/>、/>、/>、/>、和/>；
步骤S5：代入空间梯度算子，将及8个领域灰度差与Cx=/>做卷积得到/>、与Cy=/>做卷积得到/>，得到梯度方向：；
步骤S6：若，则/>，并转至步骤S2；
步骤S7：得到各个像素光偏折角关于其灰度变化的计算式；对任一都将产生梯度方向/>、光偏折角/>、/>、/>和/>，因/>表示/>出厂计量的角度，故/>，代入求解以下方程
；
其中，为多项式系数；
通过标定，即可建立上给定的像素/>的光偏折角/>和光偏折角/>在X和Y方向投影的计算式：
；
=/>；
=/>；
式中，和/>的方向分别由/>和/>确定；
流动图像采集模块，所述流动图像采集模块采集有流动时的背景图案图像；
流动图像标定模块，所述流动图像标定模块遍历所述图像的各个像素得到/>对应的光偏折场；
结构显示模块，所述结构显示模块根据给定虚拟刀口进行遮挡，突显所需流动结构。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1-6任一项所述的基于虚拟刀口的背景纹影方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器加载并执行以实现如权利要求1-6任一项所述的基于虚拟刀口的背景纹影方法。
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