基于视频测量的定量背景纹影方法技术

本发明专利技术公开了一种基于视频测量(VM)的定量背景纹影(BOS)方法，将VM技术与BOS光路相结合，采用均布的小圆点作为BOS的背景点，一方面利用VM成熟的圆形标记点图像处理技术，确保小圆点成像的点定位精度达到0.02像素；另一方面，通过共线方程准确计算从背景小圆点出发到相机摄影中心的光束穿过流场在背景板上产生的偏折位移，并给出精确的偏折角计算公式，旨在准确获得每个背景点位置的偏折角和光程差，从而消除现有BOS采用平行光偏折角计算公式产生的误差，克服了图像互相关技术对现有BOS测量的限制及其对测量精度的不利影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及流动显示与气动光学测试
，特别涉及一种基于视频测量的定量背景纹影方法。
技术介绍
纹影技术作为流动显示手段已存在近百年，然而在实际应用中，纹影通常仅作定性观察和分析，极少作为定量化的测试手段。这主要有两个原因：1)影响纹影图像灰度的因素很多，如光源强度、玻璃透射率、测试区厚度等，导致难以建立图像与待测物理量之间的定量关系；2)纹影图像反映折射率的一阶导数场，提取数据困难。为此，现有背景纹影(BOS)技术在传统纹影原理的基础上，融入粒子图像测速技术(ParticleImageVelocimetry,PIV)的粒子示踪与粒子图像处理技术进行流场测量，其优点如下：1)如图1所示，与传统纹影技术不同，BOS并非通过光强来量化光线偏折量，而是通过PIV技术求取背景斑点在相机CCD上的偏移量，定量获取给定光线穿过流场的光线偏折位移，可避免环境光或者测量流场自发光对测量结果的影响。2)BOS无需使用传统纹影系统中的大量光学仪器，如光阑和透镜等设备，不仅成本低，而且消除了透镜或反射镜对测量场范围的限制。但是，现有BOS技术尚存在以下问题：1)现有的平行光的偏折角计算公式不适用于图1的BOS光路。原因在于：如图2所示，对于给定位置的背景斑点A，从点A出发到相机摄影中心O的光线在CCD上成像点为a，显然与z轴不平行，当使用平行光的小偏折角计算公式得到误差明显，尤其是当背景斑点A距离z轴越远，误差越大。2)不能精确得到某个给定点位置的光偏折位移：由于采用PIV技术求取背景斑点在成像平面的光线偏折位移，即通过求取迭代查询窗口的互相关性来获得整个窗口的位移变化量，因此，其获得的是整个迭代窗口的平均位移量。3)迭代查询窗口的大小对现有BOS的精度影响大：若图像互相关窗口选择过小将得不到正确偏移量，而窗口选择过大，又会降低偏移量的精度，尤其是当流动变化剧烈时，如光束穿过超声速激波时，激波处的背景斑点偏折位移突变幅度大，PIV图像互相关窗口法求取偏移量则会因图像变化剧烈而失败，鲁棒性差。4)现有BOS使用随机图像作为背景，若背景图像中出现具有空间周期性的结构，PIV算法将无法正确判读背景位移矢量。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点，本专利技术提出了一种基于视频测量的定量背景纹影方法，将(Videogrammetricmeasurement，VM)技术与BOS光路相结合，采用均布的小圆点作为BOS的背景点，一方面利用VM成熟的圆形标记点图像处理技术，确保小圆点成像的点定位精度达到0.02像素；另一方面，通过共线方程准确计算从背景小圆点出发到相机摄影中心(即入瞳中心)的光束穿过流场在背景板上产生的偏折位移，并给出精确的偏折角计算公式，旨在准确获得每个背景点位置的偏折角和光程差，从而消除现有BOS采用平行光偏折角计算公式产生的误差，克服了图像互相关技术对现有BOS测量的限制及其对测量精度的不利影响。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于视频测量的定量背景纹影方法，包括如下步骤：步骤一、搭建BOS系统：背景板与坐标系O-XYZ的Z轴垂直，在背景板上布置行列间隔相等的圆点；步骤二、利用背景板上行列均布的圆点坐标，采用视频测量标定方法，标定相机在坐标系O-XYZ的位置参数(Xs,Ys,Zs)与姿态参数(φ,ω,κ)，以及相机内参数；步骤三、有流动时，用相机拍摄背景板时序图像；步骤四、计算给定的t时刻拍摄的背景板图像上给定点A的偏折位移、偏折角、光程差：设A在t时刻的相机CCD上的偏折成像点为a'，与背景板的交点为A'，1)利用共线方程计算A'在坐标系O-XYZ下的(X,Z)坐标值，再利用共线方程进一步计算出A'在风洞坐标系下的X与Y坐标值；2)计算A点的偏折位移：设A为背景板上第i行第j列的圆点，将其X与Y轴方向的偏折位移分别记为ΔX(i,j)和ΔY(i,j)，则：ΔX(i,j)＝A'的X坐标值-A的X坐标值；ΔY(i,j)＝A'的Y坐标值-A的Y坐标值；3)计算A点的偏折角：将A点X与Y轴方向的偏折角分别记为和则：ϵx(i,j)=arctan(ΔX(i,j)b+btan2γx(i,j)+ΔX(i,j)tanγx(i,j));]]>ϵy(i,j)=arctan(ΔY(i,j)b+btan2γy(i,j)+ΔY(i,j)tanγy(i,j));]]>式中，b为流场中心与背景板间的距离，γx(i,j)=arctan(x(i,j)f);]]>γy(i,j)=arctan(y(i,j)f);]]>式中，x(i,j)和y(i,j)为A点的成像圆点a在坐标系O-XYZ下的X与Y坐标值；4)计算A点的光程差：与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：与现有的BOS方法不同，本专利技术将视频测量(VM)技术与BOS光路相结合，采用均布的小圆点作为BOS的背景点，取得以下创新点：1)给出了非平行光的偏折角和光程差的精确计算公式；2)建立了基于BOS光路参数的背景圆点直径与间隔参数计算公式，以确保小圆点成像的点定位精度达到0.02像素；3)建立了偏折位移定量缩放公式，以便通过改变背景板到流场中心的距离，缩放背景板上圆点处的光偏折位移，调整基于视频测量的定量背景纹影的灵敏度。因此，可准确计算从每个背景小圆点出发到相机摄影中心(即入瞳中心)的光束穿过流场在背景板上产生的偏折位移、偏折角和光程差，实现背景纹影的定量测量。本专利技术提出基于VM的BOS，首先给出了非平行光的偏折角和光程差的精确计算公式，消除了现有BOS采用平行光偏折角计算公式产生的误差，并且可准确计算从每个背景小圆点出发到相机摄影中心(即入瞳中心)的光束穿过流场在背景板上产生的偏折位移、偏折角和光程差，实现背景纹影的准确测量。其次，基于建立的偏折位移定量缩放公式，通过改变流场中心与背景板间的距离，调整基于视频测量的定量背景纹影的灵敏度，以确保测得理想信噪比的偏折位移场和偏折角场数据。最后，本专利技术基于BOS光路参数的背景圆点直径与间隔参数计算方法，结合成熟的视频测量技术，采用均布的小圆点作为BOS的背景点，用共线方程准确计算每个背景小圆点的偏折位移，结合本专利技术的偏折位移定量缩放公式，提升BOS的鲁棒性，克服了图像互相关技术对现有BOS测量的限制及其对测量精度的不利影响，即使当流动变化剧烈时，如光束穿过超声速激波时，仍能有效获得高精度的测量结果。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1为BOS原理图；图2为偏折角计算原理图；图3为背景板圆点参数确定原理图。具体实施方式一种基于视频测量的定量背景纹影方法，包括如下步骤：1、按图1所示原理搭建BOS系统，要求背景板与图2所示的Z轴垂直，背景板上布置有行列间隔均为S的小圆点，小圆点直径为ΦD。背景板上给定圆点A的设计方法如下：1)如图3所示，点A的直径ΦD＝uΦd/f(1)式中Φd为背景板上的圆点在相机上成像圆点a的直径，要求Φd大于等于6个像素，以确保小圆点成像的点定位精度高达0.02像素。u为背景板到相机摄影中心O的距离，f为焦距。2)圆点的行列间隔S＝us/f(2)式中s本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视频测量的定量背景纹影方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、搭建BOS系统：背景板与坐标系O‑XYZ的Z轴垂直，在背景板上布置行列间隔相等的圆点；步骤二、利用背景板上行列均布的圆点坐标，采用视频测量标定方法，标定相机在坐标系O‑XYZ的位置参数(Xs,Ys,Zs)与姿态参数(φ,ω,κ)，以及相机内参数；步骤三、有流动时，用相机拍摄背景板时序图像；步骤四、计算给定的t时刻拍摄的背景板图像上给定点A的偏折位移、偏折角、光程差：设A在t时刻的相机CCD上的偏折成像点为a'，与背景板的交点为A'，1)利用共线方程计算A'在坐标系O‑XYZ下的(X,Z)坐标值，再利用共线方程进一步计算出A'在风洞坐标系下的X与Y坐标值；2)计算A点的偏折位移：设A为背景板上第i行第j列的圆点，将其X与Y轴方向的偏折位移分别记为ΔX(i,j)和ΔY(i,j)，则：ΔX(i,j)＝A'的X坐标值‑A的X坐标值；ΔY(i,j)＝A'的Y坐标值‑A的Y坐标值；3)计算A点的偏折角：将A点X与Y轴方向的偏折角分别记为和则：ϵx(i,j)=arctan(ΔX(i,j)b+b tan2γx(i,j)+ΔX(i,j)tanγx(i,j));]]>ϵy(i,j)=arctan(ΔY(i,j)b+b tan2γy(i,j)+ΔY(i,j)tanγy(i,j));]]>式中，b为流场中心与背景板间的距离，γx(i,j)=arctan(x(i,j)f);]]>γy(i,j)=arctan(y(i,j)f);]]>式中，x(i,j)和y(i,j)为A点的成像圆点a在坐标系O‑XYZ下的X与Y坐标值；4)计算A点的光程差：...

【技术特征摘要】
1.一种基于视频测量的定量背景纹影方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、搭建BOS系统：背景板与坐标系O-XYZ的Z轴垂直，在背景板上布置行列间隔相等的圆点；步骤二、利用背景板上行列均布的圆点坐标，采用视频测量标定方法，标定相机在坐标系O-XYZ的位置参数(Xs,Ys,Zs)与姿态参数(φ,ω,κ)，以及相机内参数；步骤三、有流动时，用相机拍摄背景板时序图像；步骤四、计算给定的t时刻拍摄的背景板图像上给定点A的偏折位移、偏折角、光程差：设A在t时刻的相机CCD上的偏折成像点为a'，与背景板的交点为A'，1)利用共线方程计算A'在坐标系O-XYZ下的(X,Z)坐标值，再利用共线方程进一步计算出A'在风洞坐标系下的X与Y坐标值；2)计算A点的偏折位移：设A为背景板上第i行第j列的圆点，将其X与Y轴方向的偏折位移分别记为ΔX(i,j)和ΔY(i,j)，则：ΔX(i,j)＝A'的X坐标值-A的X坐标值；ΔY(i,j)＝A'的Y坐标值-A的Y坐标值；3)计算A点的偏折角：将A点X与Y轴方向的偏折角分别记为和则：ϵx(i,j)=arctan(ΔX(i,j)b+btan2γx(i,j)+ΔX(i,j)tanγx(i,j));]]>ϵy(i,j)=arctan(ΔY(i,j)b+btan2γy(i,j)+ΔY(i,j)tanγy(i,j));]]>式中，b为流场中心与背景板间的距离，γx(i,j)=arctan(x(i,j)f);...

【专利技术属性】
技术研发人员：张征宇，茆骥，吴军强，尹疆，彭章国，刘明敏，周润，刘田，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51