Винниченко Николай Аркадьевич
«Методы автоматической обработки экспериментальных изображений»
Описание курса:
Курс посвящен двум современным методам экспериментальной гидродинамики: цифровой трассерной визуализации (Particle Image Velocimetry, PIV) и теневому фоновому методу (Background Oriented Schlieren, BOS). Цифровая трассерная визуализация появилась тридцать лет назад и к настоящему моменту стала основным методом измерения полей скорости в течениях прозрачных жидкостей и газов. Теневой фоновый метод, предназначенный для измерения полей величин, связанных с показателем преломления (плотности, температуры, концентрации примеси), был предложен двадцать лет назад как сочетание оптической схемы классического теневого метода и компьютерной обработки изображений, взятой из PIV. Его популярность в последние годы быстро растет благодаря исключительной простоте экспериментальной реализации — фактически, для измерений требуется только фотокамера. Ключевым этапом измерения и для PIV, и для BOS является сравнение экспериментальных изображений путем их компьютерной обработки. Чаще всего используется статистическая кросс-корреляционная обработка. В курсе также рассматриваются схожие методы, которые используются в других областях: в физике твердого тела (измерения полей деформации), для контроля качества в промышленности и при создании виртуальной копии предмета (трехмерное сканирование), в системах безопасности (сканирование лиц), в робототехнике (стереозрение). В курсе обсуждаются источники погрешности (как физические, так и алгоритмические), оптимальные параметры обработки и условия применения каждого метода. В задачи курса входит обучение студентов планированию экспериментов с учетом ожидаемых характеристик течения и ограничений доступного оборудования, грамотному применению кросс-корреляционной обработки и ознакомление с возможностями использования альтернативных методов: слежения за отдельными частицами, оптического потока, Фурье-профилометрии и т.д.. Также кратко описаны методы ассимиляции данных для получения полей других гидродинамических величин (в частности, давления) на основе результатов PIV и BOS.
План курса:
Лекция 1
Цифровая трассерная визуализация (PIV) и теневой фоновый метод (BOS). Процедуры измерения. Предшественники: классические методы гидродинамической визуализации. Качественная визуализация с помощью BOS и BOS с использованием естественных фонов.
Лекция 2
Физические основы PIV. Выбор трассирующих частиц в зависимости от среды и характера течения. Физические источники погрешности в плоском PIV: несовпадение скорости частиц и среды, потеря частиц из-за третьей компоненты скорости, погрешность проекции, рефракционные эффекты.
Лекция 3
Оптика теневого фонового метода. Соотношение между видимым смещением и градиентом показателя преломления. Оптическое ограничение пространственного разрешения. Традиционная и телецентрическая оптические схемы BOS.
Лекция 4
Определение поля показателя преломления по полям его первых пространственных производных. Нахождение величин, связанных с показателем преломления: плотности, температуры, концентрации примеси. Особенности BOS в газах и жидкостях. Сравнение BOS и PIV с точки зрения получения и обработки изображений.
Лекция 5
Другие области, в которых также применяются методы, основанные на определении поля смещений из сравнения изображений: стереозрение, аэрофотосъемка, измерение деформаций твердых тел, измерения формы поверхности жидкости и формы матовых и зеркально отражающих объектов с помощью структурированного света.
Лекция 6
Кросскорреляционный метод. Базовый алгоритм, использование быстрого преобразования Фурье, субпиксельная точность. Методы отсева ошибочных значений.
Лекция 7
Требования к методу определения смещений: точность, динамический диапазон, пространственное разрешение, устойчивость к шуму. Многопроходный кросскорреляционный метод с целочисленным сдвигом области опроса.
Лекция 8
Итерационные методы с деформацией областей опроса и интерполяцией изображений.
Лекция 9
Оценка точности и пространственного разрешения для разных методов обработки. Создание синтетических изображений. Влияние размера области опроса, диаметра частиц, плотности засева, градиента смещения на точность кросскорреляционной обработки.
Лекция 10
Слежение за отдельными частицами. Методы выделения частиц из фона и нахождения парной частицы.
Лекция 11
Методы оптического потока. Методы Хорна-Шунка и Лукаса-Канаде. Вейвлетный фон для теневого фонового метода.
Лекция 12
Методы определения смещения, заимствованные из интерферометрии и трехмерного сканирования предметов: фурье-обработка (Fourier Transform Profilometry), метод сдвига фазы (Phase Shifting Profilometry). Варианты BOS с цветным фоном. Использование многокадровых методов в BOS.
Лекция 13
Использование большого числа изображений. Корреляция отдельных пикселей для PIV-измерений стационарных течений. Автоматический подбор временного интервала. Определение турбулентных характеристик.
Лекция 14
Определение полей завихренности, давления и объемной силы из результатов PIV.
Лекция 15
Методы ассимиляции данных с использованием результатов PIV: вариационные методы, фильтр Калмана, наблюдатель состояния. Ассимиляция данных, полученных ТФМ, для измерения полей скорости и давления без использования засева.
Лекция 16
Трехмерные варианты PIV: стерео-PIV, астигматическое и цветное слежение за отдельными частицами, томографический PIV, многокадровые лагранжевы методы (алгоритм Shake-The-Box).
Лекция 17
BOS-измерения осесимметричных течений. Томографический BOS для трехмерных течений.
