基于光流算法的BOS投影提取研究文献综述

文 献 综 述

摘要 由于传统纹影技术在各个方面的局限性，而且得益于快速相关算法与计算机计算能力的快速发展，背景纹影技术(Background-oriented schlieren，BOS)被提出并广泛应用。本文主要分析了纹影技术对现实科学生产的意义，对比了传统纹影技术的缺陷与BOS技术所具有的测量定量，装置简单等一系列优点，回顾了BOS的发展历程，介绍了BOS技术基本原理与投影过程。

关键词： 纹影技术 快速相关算法 BOS 背景场 光流算法（OIV）

• 1. 选题的研究应用意义

纹影测量技术从首次提出就具有十分重要的应用意义：混合湍流测量，喷气式飞机的尾焰气流分析，枪的声波射击等方面都需要通过对背景的变换研究流体密度的相对变化。目前我国的航空业发展迅猛，大型风洞试验对于打飞机的研发可谓至关重要，而风洞中的几个重要物理参数如：流场温度，速度，密度等都可以通过纹影测量的方式得出。

在传统的纹影测量技术中，由于背景板的选取与环境的光强等实验环境因素的影响较大，所以在实际的测量过程中往往只能够得到定性的测量结果，仅仅只能判断测量数据的大致走向而无法提供定量的测量技术。

相对于传统的纹影技术，BOS技术则具有自己的明显优势：BOS技术是基于对背景板中像素的相对位移的测量来衡量流体的密度变换。关于流体的流动方向，大小均可以通过相对位移这一矢量数据反映，所以在准确度方面有了很大的进步。同时这一技术受环境的影响相对较小，所以测量的结果也相对精确。BOS技术最突出的特点就是：整个实验仪器仅需背景板，摄像机以及计算机的处理，所以BOS技术的应用场景也相对广泛。BOS可以通过非接触的光学测量方式对流场进行测量，具有传统纹影法、刀口阴影法、干涉法不具有的优点：（1）结构简单，只需要点阵背景板和摄像机，无需任何透镜等复杂光学元件；（2）视场范围大，因为无需透镜成像，探测区域不受透镜口径限制，以自然景物为背景时，可以做到对实际飞行器实际飞行姿态的实时流动显示。

该技术在实际操作过程中可以通过图像自相关算法获得背景粒子图像的斑点偏移，进而定量的确定光通过该区域的偏折量，完全摒弃了传统测量方法中，通过光强的变化量化处理求取光的偏折量。同时通过软件的预处理的方法，可轻易解除环境光以及被测流场中热辐射发光的影响。同时不使用透镜组而解除了对大视场测量的限制，通过市面上易取的数码相机作为检测仪器，可以方便的使用多台相机不同位置对流场进行观测，为下一步改进为双光路背景纹影系统打好硬件基础。BOS其背景不仅限于粒子图形，它可以将自然背景作为背景图案。同时不在限制于实验室环境下进行实验，可以对视场范围较大的气流场进行观测，喷气式发动机尾焰，直升飞机旋叶，激波等均可。

• 1. BOS的发展历程

最早关于BOS的提出是在2000年。Dalziel等人在四月份的 Experiments in Fluids 一篇报告中提出的，作者将其称之为“synthetic schlieren”。^[1]他们用数字图像分析代替了平常所采用的光学组件，其中所采用的一些技术特别是“基于点踪迹的光折射法”与BOS的概念相同。Raffel等人在当年五月份Experiments in Fluids第二篇报告中，集中说明了BOS概念中背景利用随机点阵。^[16] Meier^[2]在2002年6月份提交的专利申请与Raffel等人的出版物在同一天申请。此后BOS技术迅速发展尤其是在超音速喷气式飞机的研发过程中。

在2004年到2007年，BOS开始广泛应用于燃烧、风洞各种领域的气体密度观察测量^[3-5]。在2007年，Erik Goldhahn等人详细地讨论了BOS在三维密度场测量中的精度、灵敏度、分辨率等问题，使得BOS的应用更为科学和精密^[5]。2008年到2010年，背景纹影技术结合滤波反投影重建技术开始实现流场密度的定量测量^[7]，并在风洞试验中得到广泛应用。在2012年还提出了基于BOS的3D定量测量技术^[8-9]。

国内关于BOS技术的研究近些年也有许多高校的相关人员在从事相关技术的研究，并应用到一些实际的测量过程中。浙江大学的吕小亮提出利用BOS技术进行温度场的测量^[12]。长春理工大学的尚鸿鹏进行了基于BOS激光损伤材料的气流场测量^[13]。

• 1. BOS基本原理与投射过程

BOS技术的基本原理是建立在流体折射率与密度之间的关系的基础上的。从所给出的Lorentz–Lorenz方程可以简化成液体媒介所满足的Gladstone–Dale方程。

通常，整个实验的过程是这样的：首先通过记录在空气中所产生的参考图像。第二步是将参考图像暴露在流动的介质后边然后记录所替代的参考图像，然后根据结果所得到的图像进行快速相关算法的处理，存在一个与该系统完全等价的评价算法符合该系统的实际偏移规律，在该实验过程的光路图如图1：

图 1 BOS过程中的光路原理图

显然，这样的实验原理装置也会带来一定的实验缺陷，例如：焦距问题是BOS技术装置本身所带来的缺陷(如图2):

图 2 BOS技术的焦点位置和图像的噪点

就像上图中小孔的孔径和密度梯度的放大率：

如此可以通过计算得出处的几何差为：

除此之外，背景场中小范围的成像结构具有衍射极限。如下方程可以说明衍射极限的图像直径：

当的波长在0.5附近时就可以通过如下方程 ：

上述问题会在优化BOS记录图像的锐化过程中出现可以通过来表示出来。然而，在绝大多数的BOS中的是在背景场中最重要的影响，因此相关技术成为解决BOS技术缺陷的重要手段。

根据Raffel 等人的实验结果大致的呈像结果如图3^[17]：

图 3 ab两幅图分别为实验前后所拍摄到的点阵的图像，c为通过相关算法找出各个点的相对位移方向

在BOS的实际研究中，通过比较光线经过测量场和不经过测量场的两幅图像来分析光线偏折角的量化（可参考图1）。有测量流场和无测量的两幅背景图案中的某半点将会产生位移量，将斑点位移量乘上相机分辨率，获得，光线的偏折角即可以通过来表示:

使用OIV粒子图像位移量求取软件进行两幅图像的互相关性分析，就可以求取出背景中所有斑点的位移量。

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

目前在BOS研究方向大部分采用的都是相关算法进行，本课题拟采用光流算法对BOS的投射过程进行数据还原，光流算法是通过对两个相邻间隔的图像进行对比，基于图像中灰度变化，进行特征点的提取，检测与跟踪实现对目标信息的提取以获得相关的有价值信息。

通过光流算法实现对BOS中相对位移量的计算并通过CCD在实际实验中的测量结果进行比照，对基于光流算法的计算程序进行修正，实现通过数字化的计算方法对BOS过程的合理分析，从而直接以程序运算的方式算出相对位移量，该数据可以进而计算出流体场中密度、温度、流向等一系列参数。

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