一种基于可变背景的流场测量装置及方法

1.本技术涉及纹影法定量测量技术领域，尤其是涉及一种基于可变背景的流场测量装置及方法。


背景技术：

2.在利用背景纹影法进行定量测量时，通常需要对动态过程进行捕捉，因此要求光源有足够的强度支撑高帧率测量。当背景图案较大时，则光源需要分布更大的区域，因此光强也就受到了限制。
3.现有的背景纹影法中，如果对大视场进行测量，则会牺牲时间分辨率，如采用卤素灯照明大背景图案；如果对待测流场进行高时间分辨率重建则要牺牲视场大小，如采用高强度激光照明小背景图案。这两种方法都具有一定的局限性，而且背景图案通常都是打印出来的，无法根据实际需求进行更换。因此，如何建立一种既能保证视场足够大，又能快速更改背景图案的测量装置，是当前背景纹影法面临的问题之一。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术提供了一种基于可变背景的流场测量装置及方法，能够解决现有技术中不能更改背景图案及采样帧率不足的技术问题。
5.一方面，本技术实施例提供了一种基于可变背景的流场测量装置，包括：led平行背光源、液晶面板、相机、图像处理模块和背景图案生成模块；所述led平行背光源，用于向液晶面板发射平行光源；所述背景图案生成模块，用于执行下述步骤：步骤s1：获取相机分辨率及相机所拍摄的背景区域大小；步骤s2：计算相机一个像素所对应的背景图案区域的实际大小，由此得到像素实际边长；步骤s3：设定黑色正方形采样点的边长a为像素实际边长的2倍或3倍，采样半径r的初始值为正方形边长a的1.5倍；步骤s4：以边长a和采样半径r为参数，采用泊松圆盘采样法在白色背景上随机生成多个黑色正方形采样点，作为背景图案；步骤s5:生成所述背景图案的直方图，由此计算背景图案的灰度平均值；步骤s6:判断灰度平均值与0.5的差的绝对值是否大于阈值，如果为是，若灰度平均值大于0.5则减小采样半径r，若灰度平均值小于0.5则增加采样半径r，进入步骤s4；否则，进入步骤s7；步骤s7：以生成的背景图案作为最优背景图案，将所述最优背景图案发送至液晶面板；所述液晶面板，用于显示最优背景图案；所述相机，用于对最优背景图案前未放置待测流场和最优背景图案前放置待测流
场分别进行成像，得到第一图像和第二图像；所述图像处理模块，用于对第一图像和第二图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的密度和温度。
6.进一步的，所述led平行背光源上设置平行光膜。
7.进一步的，所述led平行背光源及液晶面板的尺寸根据待测流场大小确定。
8.进一步的，所述图像处理模块具体用于：获取第一图像和第二图像；对第一图像和第二图像分别进行预处理；预处理包括：去除图像的噪声干扰和对图像的灰度直方图进行平滑处理；选取互相关窗口，对预处理后的第一图像和预处理后的第二图像进行互相关处理，得到整个待测流场区域背景图案的每个像素的偏移量，由此得到整个待测流场区域背景图案的偏移分布；根据整个待测流场区域背景图案的偏移分布获得待测流场相对折射率分布；根据环境折射率和待测流场相对折射率分布，计算出待测流场折射率分布；根据待测流场相对折射率分布，计算待测流场密度分布；根据待测流场密度分布，计算待测流场温度分布。
9.进一步的，在得到整个待测流场区域背景图案的每个像素的偏移量之后包括：从待测流场区域背景图案中选取需要进行参数处理的关注区域或具有轴对称性的关注区域，所述关注区域的行数为t，列数为q；从关注区域的第一行开始，提取第一行数据里偏移量的极大值和极小值所在位置，计算两个位置横坐标平均值，取横坐标平均值的整数部分作为第一行数据的对称轴的初始值m；确定对称轴遍历范围为[m-b,m b]，其中b为遍历半径；将关注区域第一行中的q个偏移量的绝对值组成集合b，对于 [m-b,m b]区间内每一个可能的对称轴，通过集合b的数据计算对称轴左右两侧数据的互相关系数，总共得到2b 1个互相关系数；比较2b 1个互相关系数的大小，以最大互相关系数对应的对称轴坐标作为第一行的对称轴位置；按照上述步骤遍历关注区域的其它t-1行，得到t-1行的对称轴坐标；计算的平均值，取平均值的整数部分作为整个待测流场区域对称轴的横坐标。
[0010]
另一方面，本技术实施例提供了一种基于可变背景的流场测量方法，应用于本技术实施例的基于可变背景的流场测量装置，包括：所述背景图案生成模块执行下述步骤：步骤s1：获取相机分辨率及相机所拍摄的背景区域大小；步骤s2：计算相机一个像素所对应的背景图案区域的实际大小，由此得到像素实际边长；
步骤s3：设定黑色正方形采样点的边长a为像素实际边长的2倍或3倍，采样半径r的初始值为正方形边长a的1.5倍；步骤s4：以边长a和采样半径r为参数，采用泊松圆盘采样法在白色背景上随机生成多个黑色正方形采样点，作为背景图案；步骤s5:生成所述背景图案的直方图，由此计算背景图案的灰度平均值；步骤s6:判断灰度平均值与0.5的差的绝对值是否大于阈值，如果为是，若灰度平均值大于0.5则减小采样半径r，若灰度平均值小于0.5则增加采样半径r，进入步骤s4；否则，进入步骤s7；步骤s7：以生成的背景图案作为最优背景图案，将所述最优背景图案发送至液晶面板；使用相机对液晶面板显示的最优背景图案进行成像，得到第一图像；将待测流场放置在液晶面板和相机之间，使用相机对待测流场和最优背景图案进行成像，得到第二图像；所述图像处理模块对第一图像和第二图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的密度和温度。
[0011]
进一步的，所述方法还包括：设置相机的分辨率和采集的帧频；将相机的分辨率和待测流场的大小输入背景图案生成模块。
[0012]
进一步的，使用相机对液晶面板显示的最优背景图案进行成像之前包括：将led平行背光源调节至最大亮度，将光线投射在液晶面板上；调整相机高度及水平，使其视场完全覆盖待测流场区域及待测流场区域后方的最优背景图案。
[0013]
进一步的，所述图像处理模块对第一图像和第二图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的密度和温度：包括：获取第一图像和第二图像；对第一图像和第二图像分别进行预处理；预处理包括：去除图像的噪声干扰和对图像的灰度直方图进行平滑处理；选取互相关窗口，对预处理后的第一图像和预处理后的第二图像进行互相关处理，得到整个待测流场区域背景图案的每个像素的偏移量，由此得到整个待测流场区域背景图案的偏移分布；根据整个待测流场区域背景图案的偏移分布获得待测流场相对折射率分布；根据环境折射率和待测流场相对折射率分布，计算出待测流场折射率分布；根据待测流场相对折射率分布，计算待测流场密度分布；根据待测流场密度分布，计算待测流场温度分布。
[0014]
进一步的，在得到整个待测流场区域背景图案的每个像素的偏移量之后包括：从待测流场区域背景图案中选取需要进行参数处理的关注区域或具有轴对称性的关注区域，所述关注区域的行数为t，列数为q；从关注区域的第一行开始，提取第一行数据里偏移量的极大值和极小值所在位置，计算两个位置横坐标平均值，取横坐标平均值的整数部分作为第一行数据的对称轴的
初始值m；确定对称轴遍历范围为[m-b,m b]，其中b为遍历半径；将关注区域第一行中的q个偏移量的绝对值组成集合b，对于 [m-b,m b]区间内每一个可能的对称轴，通过集合b的数据计算对称轴左右两侧数据的互相关系数，总共得到2b 1个互相关系数；比较2b 1个互相关系数的大小，以最大互相关系数对应的对称轴坐标作为第一行的对称轴位置；按照上述步骤遍历关注区域的其它t-1行，得到t-1行的对称轴坐标计算的平均值，取平均值的整数部分作为整个待测流场区域对称轴的横坐标。
[0015]
本技术实施例根据相机的分辨率和相机所拍摄的背景区域大小，确定背景图案中黑色正方形采样点的边长，并根据背景图案的灰度平均值确定泊松圆盘采样法的采样半径，由此可以根据测量需求更改背景图案的大小和样式，提高了待测流场测量精度。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]
图1为本技术实施例提供的基于可变背景的流场测量装置的结构组成图；图2为本技术实施例提供的背景图案生成模块生成最优背景图案的流程图；图3为待测流场为丙烷-空气预混火焰的示意图；图4为本技术实施例提供的最优背景图案的示意图；图5为本技术实施例提供的图像处理模块的具体实现过程示意图；图6为本技术实施例绘制的整个流场区域背景图案的偏移分布图；图7为本技术实施例绘制的火焰温度分布云图；图8为本技术实施例提供的基于可变背景的流场测量方法的流程图。
[0018]
图标：101
‑ꢀ
led平行背光源；102-液晶面板；103-待测流场；104-成像透镜；105-图像传感器；106-图像处理装置；107-背景图案生成装置。
具体实施方式
[0019]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0020]
因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通
技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0021]
首先对本技术实施例的设计思想进行简单介绍。
[0022]
背景纹影法基于光线穿过待测流场后的偏折角度确定待测流场参数：将特定背景图案放置在待测流场后方，用相机对有待测流场和没有待测流场的两种背景图案进行拍摄，并利用互相关算法对背景偏移量进行提取进而求解出光线经过待测流场后的偏折角度。这种方法相较于传统纹影法，优势在于其测量视场不再受限，只要背景图案大小选取合理，其测量视场可以无限大，甚至可以以自然界的砂石和树木为背景对超音速飞机产生的激波进行定性捕捉。
[0023]
现有的背景纹影法中，如果对大视场进行测量，则会牺牲时间分辨率，如采用卤素灯照明大背景图案；如果对待测流场进行高时间分辨率重建则要牺牲视场大小，如采用高强度激光照明小背景图案。这两种方法都具有一定的局限性，而且背景图案通常都是打印出来的，无法根据实际需求进行更换。因此，如何建立一种既能保证视场足够大，又能快速更改背景图案的测量装置，是当前背景纹影法面临的问题之一。
[0024]
为解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种基于可变背景的流场测量装置，基于背景纹影法中折射率梯度重建密度场的原理，用具有平行光膜的led平行背光源作为平行光源，液晶面板作为背景图案显示装置，高速相机作为图像采集装置，能够对大视场的区域进行高时空分辨率的测量，并给出了一种背景图案生成算法，能够结合相机参数和待测视场大小生成最优背景图案，且整体上应当呈现灰度均匀的分布。
[0025]
本技术实施例的测量装置可以在毫秒时间尺度上对待测流场进行瞬时温度测量，并且可以根据测量需求更改led平行背光源的大小及背景图案的大小和样式，以保证有最佳的空间分辨率及测量精度。在不降低测量精度的同时，克服了原有实验装置不能实时更改背景图案且采样帧率不足的缺陷。并通过led平行背光源缩短了光路布置，节省了空间。
[0026]
在介绍了本技术实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本技术实施例提供的技术方案进行说明。
[0027]
如图1所示，本技术实施例提供了一种基于可变背景的流场测量装置，该装置包括：led平行背光源101、液晶面板102、成像透镜104、图像传感器105、图像处理装置106和背景图案生成装置107，其中，成像透镜104和图像传感器105组成一个相机。将待测流场103放置在液晶面板102和成像透镜104之间，同时保证led平行背光源101、液晶面板102、待测流场103和相机的中心在同一水平面上。图像处理装置106和相机采用有线连接，液晶面板102和背景图案生成装置107采用有线连接。同时保证图像处理装置106和背景图案生成装置107与光路系统有足够的距离，装置散热不会影响光路系统。
[0028]
优选的，led平行背光源101的表面覆盖平行光膜；背景图案生成装置107为配置背景图案生成模块且可以和液晶面板102相连接的电子设备；成像透镜104选用105mm微距镜头；图像传感器105采用高速相机传感器；图像处理装置106为配置背景图案生成模块的电子设备。led平行背光源101、液晶面板102和待测流场103采用光学平台支撑，成像透镜104及图像传感器105采用三脚架支撑。
[0029]
led平行背光源101，用于向液晶面板发射平行光源；背景图案生成模块，用于基于预设的背景图案生成算法，根据相机分辨率和视场生成最优背景图案，将所述最优背景图
案发送至液晶面板；液晶面板102，用于显示最优背景图案；相机用于对最优背景图案前未放置待测流场和最优背景图案前放置待测流场分别进行成像，得到第一图像和第二图像；所述图像处理模块用于对第一图像和第二图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的密度和温度。
[0030]
其中，led平行背光源101及液晶面板102的尺寸根据待测流场大小确定。
[0031]
由于所采用的液晶面板102可以实时更改背景图案，且具有较高的分辨率，和传统的背景纹影装置相比，可以提供高精度的背景图案以供识别。背景图案的局部应当具有足够的特征，且整体上应当呈现灰度均匀的分布。
[0032]
如图2所示，背景图案生成模块生成最优背景图案的过程如下：步骤s1：获取相机分辨率及相机所拍摄的背景区域大小；步骤s2：计算相机一个像素所对应的背景图案区域的实际大小，由此得到像素实际边长；步骤s3：设定黑色正方形采样点的边长a为像素实际边长的2倍或3倍，采样半径r的初始值为正方形边长的1.5倍；步骤s4：以边长a和采样半径r为参数，采用泊松圆盘采样法在白色背景上随机生成多个黑色正方形采样点，作为背景图案；其中，泊松圆盘采样法用于生成多个泊松圆盘采样点，满足以下条件：任意两个采样点之间的距离大于给定的采样半径r；采样区域被所有的采样圆盘完全覆盖，其中，一个采样圆盘中只有一个采样点；采样圆盘的半径为采样半径r。
[0033]
步骤s5：生成所述背景图案的直方图，由此计算背景图案的灰度平均值；步骤s6：判断灰度平均值与0.5的差的绝对值是否大于阈值，如果为是，若灰度平均值大于0.5则减小采样半径r，若灰度平均值小于0.5则增加采样半径r，进入步骤s4；否则，进入步骤s7；其中，阈值是一个很小的数，可根据收敛速度自行定义；其目的是希望生成的背景图案的灰度平均值接近0.5。
[0034]
步骤s7：以生成的背景图案作为最优背景图案，将所述最优背景图案发送至液晶面板。
[0035]
作为一个应用实例，所采用的待测流场为丙烷-空气预混火焰，如图3所示，将其放置区域为图1中的待测流场103区域。在测量开始时，将其放置在测量位置。背景图案生成模块生成的最优背景图案如图4所示，图案局部特征明显，且整体灰度均匀。
[0036]
作为一种可能的实施方式，图5为图像处理模块执行的图像处理过程，具体地，当待测流场为轴对称流场，图像处理模块具体用于：步骤a1：获取第一图像和第二图像；步骤a2：对第一图像和第二图像分别进行预处理；预处理包括：去除图像的噪声干扰和对图像的灰度直方图进行平滑处理；步骤a3：选取互相关窗口，对预处理后的第一图像和预处理后的第二图像进行互相关处理，得到整个待测流场区域背景图案的每个像素的偏移量，由此得到整个待测流场区域背景图案的偏移分布；
其中，互相关窗口为小正方形，能够覆盖p*p个图像中的像素。当待测流场为火焰时，其偏移分布如图6所示。
[0037]
该步骤之后还包括：针对中心对称流场的测量需要整个待测流场区域的对称轴进行选取，从而进行后续的层析重建，具体包括：从待测流场区域背景图案中选取需要进行参数处理的关注区域或具有轴对称性的关注区域，关注区域的行数为t，列数为q；从关注区域的第一行开始，由于对称轴两侧的偏移量互为相反数，首先提取第一行数据里偏移量的极大值和极小值所在位置，计算两个位置横坐标平均值，取其整数部分m作为第一行数据的对称轴的初始值；确定对称轴遍历范围为[m-b,m b]，其中b为遍历半径，其选取根据处理数据空间分辨率而定；将关注区域第一行中的q个偏移量的绝对值组成集合b，对于[m-b,m b]区间内每一个可能的对称轴，通过集合b的数据计算对称轴左右两侧数据的互相关系数，总共得到个互相关系数；比较2b 1个互相关系数的大小，以最大互相关系数对应的对称轴坐标作为第一行的对称轴位置；按照上述步骤遍历关注区域的其它t-1行，得到t-1行的对称轴坐标，取平均值的整数部分作为整个待测流场区域对称轴的横坐标。
[0038]
步骤a4：根据整个待测流场区域背景图案的偏移分布计算光线偏折角分布，将其沿纵坐标轴方向进行积分获得待测流场相对折射率分布；步骤a5：根据环境折射率和待测流场相对折射率分布，计算出待测流场折射率分布；步骤a6：根据待测流场折射率分布和格拉斯通-道尔系数，计算待测流场密度分布；步骤a7：基于待测流场密度分布和理想气体状态方程，计算待测流场温度分布；步骤a8：根据待测流场温度分布，绘制待测流场温度分布云图；当待测流场为火焰时，其温度分布云图如图7所示。
[0039]
基于上述本技术实施例提供的测量装置，如图8所示，本技术实施例提供了一种基于可变背景的流场测量方法，包括如下步骤：步骤201：所述背景图案生成模块基于预设的背景图案生成算法，根据相机分辨率和视场生成最优背景图案，将最优背景图案发送至液晶面板；步骤202：使用相机对液晶面板显示的最优背景图案进行成像，得到第一图像；步骤203：将待测流场放置在液晶面板和相机之间，使用相机对待测流场和最优背景图案进行成像，得到第二图像；步骤204：所述图像处理模块对第一图像和第二图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的密度和温度。
[0040]
作为一种可能的实施方式，在步骤201之前还包括：
设置相机的分辨率和采集的帧频；将相机的分辨率和待测流场的大小输入背景图案生成模块。
[0041]
作为一种可能的实施方式，所述背景图案生成模块基于预设的背景图案生成算法，根据相机分辨率和视场生成最优的背景图案；包括：步骤s1：获取相机分辨率及相机所拍摄的背景区域大小；步骤s2：计算相机一个像素所对应的实际背景图案区域的实际大小，由此得到像素实际边长；步骤s3：设定黑色正方形采样点的边长a为像素实际边长的2倍或3倍，采样半径r的初始值为正方形边长的1.5倍；步骤s4：以边长a和采样半径r为参数，采用泊松圆盘采样法在白色背景上随机生成多个黑色正方形采样点，作为背景图案；步骤s5:生成所述背景图案的直方图，由此计算背景图案的灰度平均值；步骤s6:判断灰度平均值与0.5的差的绝对值是否大于阈值，如果为是，若灰度平均值大于0.5则减小采样半径r，若灰度平均值小于0.5则增加采样半径r，进入步骤s4；否则，进入步骤s7；步骤s7：将生成的背景图案作为最优背景图案，将所述最优背景图案发送至液晶面板。
[0042]
作为一种可能的实施方式，步骤202之前还包括：将led平行背光源调节至最大亮度，将光线投射在液晶面板上；调整相机高度及水平，使其视场完全覆盖待测流场区域及待测区域后方的最优背景图案。
[0043]
作为一种可能的实施方式，所述图像处理模块对第一图像和第二图像按照预设算法进行处理，得到待测流场的密度和温度：包括：获取第一图像和第二图像；对第一图像和第二图像分别进行预处理；预处理包括：去除图像的噪声干扰和对图像的灰度直方图进行平滑处理；选取互相关窗口，对预处理后的第一图像和预处理后的第二图像做互相关处理，得到整个流场区域背景图案的偏移分布；根据整个流场区域背景图案的偏移分布获得待测流场相对折射率分布；根据环境折射率和待测流场相对折射率分布，计算出待测流场折射率分布；根据待测流场相对折射率分布，计算待测流场密度分布；根据待测流场密度分布，计算待测流场温度分布。
[0044]
作为一种可能的实施方式，在得到整个待测流场区域背景图案的每个像素的偏移量之后包括：从待测流场区域背景图案中选取需要进行参数处理的关注区域或具有轴对称性的关注区域，所述关注区域的行数为t，列数为q；从关注区域的第一行开始，提取第一行数据里偏移量的极大值和极小值所在位置，计算两个位置横坐标平均值，取横坐标平均值的整数部分作为第一行数据的对称轴的初始值m；
确定对称轴遍历范围为[m-b,m b]，其中b为遍历半径；将关注区域第一行中的q个偏移量的绝对值组成集合b，对于 [m-b,m b]区间内每一个可能的对称轴，通过集合b的数据计算对称轴左右两侧数据的互相关系数，总共得到2b 1个互相关系数；比较2b 1个互相关系数的大小，以最大互相关系数对应的对称轴坐标作为第一行的对称轴位置；按照上述步骤遍历关注区域的其它t-1行，得到t-1行的对称轴坐标；计算的平均值，取平均值的整数部分作为整个待测流场区域对称轴的横坐标。
[0045]
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干单元或子单元，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本技术的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。反之，上文描述的一个单元的特征和功能可以进一步划分为由多个单元来具体化。
[0046]
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本技术方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
[0047]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0048]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。