Аппаратно-программный комплекс теневого фонового метода для натурных исследований

На правах рукописи

Удалов Андрей Викторович

Аппаратно-программный комплекс теневого фонового метода для натурных исследований

Специальность 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в ГОУВПО Московский энергетический институт (технический университет) на кафедре физики им. В.А.Фабриканта

Научный руководитель: Кандидат технических наук, профессор

Евтихиева Ольга Анатольевна

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

старший научный сотрудник,

Тавров Александр Викторович

Доктор физико-математических наук, ____________________ профессор,

Знаменская Ирина Александровна

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП «ВНИИОФИ»).

Защита состоится «22» июня 2010 г. в 14 часов 00 минут в аудитории __ Е-603__ на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.157.12, к.т.н., доцент И.Г. Буре

Актуальность работы.

Рефрактометрические исследования необходимы для регистрации или визуализации всевозможных процессов, происходящих в среде под воздействием различных возмущений или полей. Визуальное наблюдение становится возможным за счет флуктуаций плотности вещества (жидкости или газа) при наличии в нем возмущения. Флуктуации плотности вещества приводят к флуктуациям показателя преломления.

В настоящее время существует много рефрактометрических методов, применимых к исследованию различных физических явлений. К наиболее известным относятся интерферометрия, спекл-интерферометрия, теневая фотография, а также теневые методы. К последним относится и все более часто применяемый теневой фоновый метод (ТФМ). Его отличительной особенностью по сравнению с другими рефрактометрическими методами является простота реализации, что позволяет применять его к очень широкому кругу задач, различных как по своей сути, так и по масштабу. В этом играет очень важную роль возможность использования естественных природных фонов.

Цель работы.

Цель данной работы состояла в разработке аппаратно-программного комплекса на основе ТФМ и исследовании возникающих погрешностей измерения при разных параметрах фона, приемной системы, при различных масштабах исследуемых объектов.

Для достижения данной цели было необходимо решить следующие задачи:

• Разработать алгоритм генерации тестовых структурированных экранов с различными параметрами;
• Создать программно-аппаратный комплекс на основе ТФМ для тестирования разрешающей способности и определения погрешностей;
• Разработать методику лабораторного тестирования;
• Исследовать влияние параметров программно-аппаратного комплекса на погрешность результатов;
• Сделать выводы для оптимизации комплекса под необходимые условия измерения;
• Рассмотреть применимость ТФМ для измерений в реальных натурных исследованиях.

Научная новизна работы.

Впервые разработан многофункциональный алгоритм генерации структурированных экранов для применения в экспериментальных установках, позволяющий создавать структурированные экраны с широким спектром задаваемых пользователем параметров, таких как форма и размер «зерен», расстояние между зернами, величина разброса.

Разработана методика тестирования аппаратно-программного комплекса на основе ТФМ для определения разрешающей способности и погрешности измерений.

Проведены экспериментальные исследования влияния параметров программно-аппаратного комплекса на погрешность определения смещений посредством ТФМ.

Впервые проведена оценка возможности применения ТФМ для натурных исследований.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Алгоритм комплексной генерации структурированных экранов с различной формой зерна и пространственным распределением по равномерному или гауссову законам статистического распределения позволяет создавать структурированные экраны, оптимизированные к конкретным условиям эксперимента.

- Разработанный программно-аппаратный комплекс на основе ТФМ позволяет производить тестирование разрешающей способности и определения погрешностей.

- Разработанная методика экспериментального тестирования точности, разрешающей способности и чувствительности ТФМ позволяет оптимизировать установку для конкретного объекта исследования.

- Экспериментальные исследования ТФМ с естественными фоновыми экранами показали возможность применения разработанного комплекса в полевых условиях для крупномасштабных объектов.

Практическая ценность работы. Разработанный аппаратно-программный комплекс ТФМ может применяться для исследования широкого круга физических явлений. Подобный комплекс позволяет проводить измерения при изучении, например, явлений тепло- и массообмена, процессов испарения жидкостей, при визуализации обтекания твердых тел потоками газа. При этом ТФМ можно применять и в случае крупномасштабных объектов, например, для визуализации потоков воздуха, обтекающих элементы конструкций летательных аппаратов в полете или автомобилей при движении.

Алгоритм генерации структурированных экранов является многофункциональным ипозволяет быстро создавать фоновые экраны с зернами по параметрам, заданным пользователем. Такие экраны могут быть полезны не только в ТФМ, но и в других методах, где необходимо использование фоновых экранов.

Полученные результаты использовались при выполнении научных работ по грантам Минобрнауки и по контракту с Евросоюзом в ходе выполнения проекта по 6-ой рамочной программе.

Внедрение.

Результаты работы были использованы при создании макета экспериментальной установки и при подготовке описания лабораторной работы «Исследование теневого фонового метода» по курсу «Лазерная интерферометрия» для студентов, обучающихся по специальности «Квантовая и оптическая электроника» на кафедре физики им. В.А. Фабриканта.

Достоверность полученных результатов.

• Первоначальные экспериментальные исследования проводились на тестовых экранах с известными параметрами и с заданной величиной смещения.
• После сравнения величин смещения, полученных экспериментально и заранее заданных, был разработан алгоритм проведения экспериментов для получения результатов с наименьшей погрешностью.
• Экспериментально полученные результаты соответствуют результатам, полученным другими методами.

Апробация работы:

Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях и семинарах в период с 2004 по 2009 гг.:

• IX, X, Международных научно-технических конференциях «Оптические методы исследования потоков»; Москва, 2005, 2007, 2009 гг.;
• 10,13,14 Международных научно-технические конференциях студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика”, МЭИ (ТУ), 2004-2008 гг.
• III Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2003». Санкт-Петербург, 2003.

Публикации.

Основные материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе без соавторов – 2 работы. Из них 1 статья в реферируемом журнале из списка ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор научного направления и актуальность работы. Приведены цель и основные задачи диссертации. Кратко рассмотрены бесконтактные оптические методы исследования потоков. Сформулированы научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются принципы работы основных рефрактометрических методов, произведена их классификация. Представлен краткий исторический обзор по теневым методам, рассмотрен принцип работы теневого фонового метода, а также его разновидностей, таких как стерео-ТФМ, томографический ТФМ. Показано, что ТФМ может применяться для исследования как микроскопических явлений, например, процессов испарения жидкостей, так и макроскопических, например, потоков воздуха от лопастей несущего винта вертолета в полете.

Рефрактометрические исследования необходимы для регистрации или визуализации всевозможных процессов, происходящих в среде под воздействием различных возмущений или полей. Визуальное наблюдение становится возможным за счет флуктуаций плотности вещества, которые приводят к флуктуациям показателя преломления.

Появление какой-либо неоднородности в жидкости или газе создает градиент плотности в ней. Нарушение оптической однородности среды выражается в неодинаковости по ее объему показателя преломления n. Часто оптическими неоднородностями в средах являются дефекты структуры вещества или включения одного вещества в другое, с иным n (туманы, дымы, суспензии, эмульсии, коллоидные растворы, молочные стекла и прочее). Оптические неоднородности могут быть в чистых веществах – при хаотическом тепловом движении частиц в большом числе микрообъемов среды плотность, концентрация (в растворах) и оптическая анизотропия, обусловленная преимущественной ориентацией молекул, претерпевают кратковременные отклонения от средних значений (флуктуации), в результате чего в этих микрообъёмах меняется показатель преломления. Искривление оптических лучей вследствие неоднородности среды – явление, которое можно достаточно часто наблюдать в природе. Иллюстрацией этого может служить, например, «расплывание» очертаний автомобиля вдалеке на раскаленном от летнего зноя шоссе.

Связь между плотностью и показателем преломления в среде определяется формулой:

,

где G() – число Глэдстоуна-Дэйла, – длина волны, – плотность среды.

При распространении излучения в неоднородной среде следует учитывать не только сравнительно быстрые изменения показателя преломления, проявляющиеся в турбулентности среды и приводящие к случайным изменениям параметров оптического сигнала, но и медленные изменения этого показателя, носящие систематический характер и вызывающие рефракцию – искривление оптических лучей. Появление какой-либо неоднородности в жидкости или газе создает градиент плотности в ней.

Во второй главе рассматривались основные характеристики разработанного аппаратно-программного комплекса на основе ТФМ для исследования погрешностей результатов измерений, моделирование работы метода. Был приведен алгоритм генерации структурированных экранов, приведены примеры таких экранов. Были подробно рассмотрены все пользовательские параметры, задающие характеристики структурированных экранов с зернами. Также, были представлены характерные параметры приемной системы разработанного комплекса. Освещены вопросы кросскорреляционной обработки ТФМ изображений, показано, что параметры обработки оказывают большое влияние на конечный результат, приведены примеры (в виде графиков) того, что неправильно выбранные параметры обработки могут привести к результатам с большой погрешностью. Рассмотрен вопрос нормировки экспериментальных изображений, приведено описание разработанной универсальной нормировочной миры, позволяющей проводить измерения практически с любым объективом.

В теневом фоновом методе используется сравнение исходного и искаженного изображений структурированных фоновых экранов. Чтобы выполнить визуализацию потока, обычно берутся два снимка фонового экрана со структурой с множеством мелких неповторяющихся деталей и высоким оптическим контрастом. Одно из этих изображений регистрируется, когда в канале передачи нет возмущений. На другом снимке среда в канале передачи возмущена (включает интересующие нас неоднородности). Далее выполняется обработка этих двух изображений на основе кросскорреляционного метода. В большинстве случаев оптическая неоднородность приводит к смещению элементов экрана в его изображении. В данном случае, влияние оптической неоднородности на изображение экрана моделировалось путем линейного смещения экрана в его плоскости. Схема типичной установки для ТФМ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Пример экспериментальной реализации ТФМ: 1– структурированный экран, 2 – лампа накаливания, 3­­ – оптическая неоднородность

4 – цифровая видеокамера, 5 – компьютер с ПО для обработки.

Для получения наиболее точных измерений, необходима адаптация системы под условия эксперимента. Такая адаптация может быть проведена для оптимизации чувствительности и разрешения системы. Пространственное разрешение является очень важным параметром для установок ТФМ, и его, безусловно, необходимо учитывать для достижения положительных результатов. Основными параметрами системы являются:

1. Параметры объектива: фокусное расстояние, размер апертуры, увеличение системы (f, D, ); расстояние между линзой объектива и фоновым экраном (L).
2. Параметры структурированного экрана (h, c, g, p, v)
3. Параметры обработки: размер области опроса и величина шага в кросскорреляционном алгоритме (w, s).
4. Параметры матрицы видеокамеры: физический размер 1 пикселя ПЗС матрицы, спектральная чувствительность.
5. Обобщенные параметры: размер области опроса на фоновом экране; чувствительность системы; разрешение системы.

Все параметры системы можно представить в виде сводной таблицы 1.

Таблица 1. Параметры элементов установки, влияющие на работу комплекса ТФМ

В лабораторных условиях для ТФМ в качестве структурированных экранов обычно используются бумажные или пластиковые плакаты с нанесенными на них точками, «зернами» различной формы или полосами.

Одной из наиболее важных задач в ТФМ является создание структурированного экрана с необходимой пространственной частотой, формой и разбросом «зерен». Для создания таких экранов с наиболее широким спектром параметров была разработана специальная программа «GENSCREEN» в среде Mathcad. Блок-схема программы представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Блок-схема работы программы «GENSCREEN»

Пользовательские параметры – шаг (регулировка частоты «зерен»), размер окна разброса (величина максимально возможного отклонения «зерна» от «центра», разброс производится по равномерному или гауссовому статистическому закону), размер самого «зерна», а также два параметра, отвечающие за форму «зерна». Максимально возможный размер экрана – от 20001500 до 40003000 пикс. (в зависимости от скорости работы персонального компьютера, на котором установлена программа). Программа позволяет создавать «зерна» самой разнообразной формы (ромб, крест, диагональный крест, квадрат, восьмигранник, прямоугольник).

Некоторые фрагменты структурированных экранов, созданных с помощью данной программы представлены на рисунке 3.

а) б)

Рис. 3. Примеры фрагментов структурированных экранов: а – с частым мелким «зерном», б – с редким крупным «зерном»

Помимо генерации изображений экранов, важным этапом в ТФМ является кросскорреляционная обработка. Формула корреляции представляется в виде [Методы компьютерной обработки изображений: Учебное пособие для вузов (под ред. Сойфера В.А.) Изд. 2-е, испр., Физматлит, 2003]:

,

где N – число строк в матрице, M – число столбцов в матрице, Fk1k2, Gk1k2 – произвольные случайные последовательности (т.е. обрабатываемые изображения), а F, G – средние этих случайных последовательностей, соответственно.

Проведена оценка влияния параметров обработки на конечный результат. Фоновый экран смещался микрометрическим винтом в диапазоне 0 – 0,3 мм с шагом 20 мкм (15 измеренных значений). Для более точных результатов, этот эксперимент повторялся трижды (3 серии измерений). Затем для каждого сдвинутого изображения фонового экрана проводилась кросскорреляционная обработка. Параметры обработки следующие: размер окна опроса 256256, шаг 128128. Значение погрешности для двух разных случаев представлено на рисунке 4.

Зависимость № 1 обозначает величину относительной погрешности для смещения, зафиксированного при окне опроса 256256, шаге 128128, Зависимость № 2 – при окне 128128, шаге 6464. Допустимое и стабильное значение погрешности начинается со смещений 0,10 мм (кривая № 2, не более 2%), и 0,15 мм (кривая № 1, не более 5%). Фактически, большие размеры окна опроса и величины шага дают лучшие результаты. Это может быть объяснено следующим: размер зерен фонового экрана и расстояния между зернами слишком велики для проведения измерений с данным увеличением объектива видеокамеры. Таким образом, другой объектив, с большим увеличением, позволит получить более хорошие результаты для малых смещений.

Искусственно сгенерированные экраны применяются в основном в лабораторных условиях: при тестировании работы комплекса или для исследования мелкомасштабных объектов. При исследовании крупномасштабных объектов в натурных экспериментах чаще всего применяются естественные фоны, то есть лес, песок, трава и т.п.

, %

x, мм

Рис. 4. Зависимость погрешности измерения смещения экрана при различных размерах окна опроса и шага

В стандартной установке ТФМ экран, объект и видеокамера обычно стоят на одной линии. Однако, часто возникает необходимость установки камеры под углом к объекту. Для моделирования поворота камеры использовалась специально разработанная программа ANGLEMOD. Данная программа позволяет любое изображение поворачивать на произвольный угол. Это достигается путем локального искажения элементов исходного изображения в соответствии с заданным углом поворота.

В данной модели использовались изображения структурированного экрана с точками и естественного фонового экрана с травой. Изображения сдвигались на 30 пикселей. Далее, производился их поворот на 15, 30, 45, 60, 75 градусов. Внешний вид повернутых несмещенных изображений представлен на рисунке 5.

Далее, для каждого угла проводилась кросскорреляционная обработка смещенного и несмещенного изображений в специализированной программе при окне опроса 6464 пикс., шаге 3232 пикс. Результаты обработки для экрана с «зерном» восьмигранной формы представлены на рисунке 6. Представлены результаты для двух способов обработки: обычная обработка, без учета наличия углового смещения, и обработка с учетом угла поворота.