怎樣做背景紋影（BOS）實(shí)驗(yàn)——零基礎(chǔ)低成本教程
????????背景紋影的英文翻譯是Background Oriented Schlieren (BOS).?BOS和傳統(tǒng)紋影技術(shù)不太一樣,它沒有凹面反射鏡.但是其原理也是利用密度的變化對(duì)流體介質(zhì)(氣體或者液體)折射率的影響。BOS其實(shí)在生活中并不鮮見，比如夏天炙熱的馬路上由于熱量的聚集，我們會(huì)看到遠(yuǎn)處的物體有點(diǎn)“飄飄然”。BOS引起廣大科研工作者的興趣可能是源于NASA拍攝的全尺寸戰(zhàn)斗機(jī)在超音速飛行時(shí)的激波（見圖1）。自鷺威公司創(chuàng)辦以來，陸陸續(xù)續(xù)有人咨詢背景紋影技術(shù)，我想利用這個(gè)平臺(tái)介紹一下怎么零基礎(chǔ)和低成本進(jìn)行BOS實(shí)驗(yàn)。為了這篇文章我自己也做了兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)，在這里給大家展示一下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
步驟一， 實(shí)驗(yàn)器材
1. 手機(jī)。當(dāng)然是需要具有拍照功能的手機(jī)。如果有更專業(yè)的相機(jī)是更好的。我在實(shí)驗(yàn)中也嘗試使用了單反相機(jī)，但是發(fā)現(xiàn)拍照時(shí)反光鏡的翻轉(zhuǎn)震動(dòng)會(huì)引起相機(jī)的輕微晃動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)效果，嘗試數(shù)次未見改善，遂未采用。無反相機(jī)可能是一個(gè)比較好的選擇。
2.?三腳架。三角架是用來固定手機(jī)或者相機(jī)的。拍照時(shí)需要嚴(yán)格避免相機(jī)的晃動(dòng)，一個(gè)穩(wěn)定的三腳架或者支撐平臺(tái)是必須的。
3.?藍(lán)牙快門。采用藍(lán)牙快門也是為了避免手指操作屏幕引起的晃動(dòng)。
4.?背景圖案。既然是背景紋影，一個(gè)合適的背景圖案非常重要。英文文獻(xiàn)通常把背景圖案被稱為斑點(diǎn)圖案（Speckle Pattern）。我在實(shí)驗(yàn)中采用的是隨機(jī)生成的粒子圖案，是在這個(gè)網(wǎng)站上實(shí)現(xiàn)的http://www.imagico.de/map/jsdotpattern.php，在此對(duì)德國imagico站主表示感謝。大家可以自由探索一下，主要就是控制粒子大小和圖片尺寸。我所用的圖片打印出來效果如圖所示。
步驟二，實(shí)驗(yàn)設(shè)置——風(fēng)槍熱射流
????????實(shí)驗(yàn)的布置如圖中所示。由于熱風(fēng)槍內(nèi)部有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，加之射流的反作用力，需要一個(gè)穩(wěn)固的支架，我在這里用樂高積木搭了一個(gè)架子并配上重量較重的鐵塊防止晃動(dòng)。為了避免觸摸風(fēng)槍的開關(guān)按鍵，開關(guān)設(shè)置成常開，風(fēng)槍的運(yùn)轉(zhuǎn)則通過墻上插頭的開關(guān)實(shí)現(xiàn)，這樣做也是為了避免試驗(yàn)件位置的移動(dòng)。
????????下圖顯示的是風(fēng)槍開啟前后的兩張背景圖片的對(duì)比。該全局視圖看上去似乎并沒有什么變化。
????????但是，在局部放大的視圖中，背景圖片中的粒子移動(dòng)就比較明顯了。這就是背景紋影實(shí)驗(yàn)所需要獲得的效果。由于風(fēng)槍熱氣（用熱電偶測得約300攝氏度）密度與周圍環(huán)境不同，透過熱氣看到的背景圖片中的粒子位置便會(huì)發(fā)生偏移。
????????既然得到了理想的實(shí)驗(yàn)效果，那么接下來就需要計(jì)算出這些粒子的偏移量，進(jìn)而生成紋影圖片。
步驟三，數(shù)據(jù)處理——粒子位移計(jì)算
????????數(shù)據(jù)處理的目的是計(jì)算出這些粒子的位移量。從圖像處理的角度看計(jì)算圖中粒子的位移的算法有多種選擇，在這里我使用的是互相關(guān)算法（cross-correlation）,也算是把PIV和紋影做了一個(gè)綜合。我推薦使用MATLAB里的PIVLab插件。首先PIVLab是免費(fèi)的，而且有一個(gè)界面，操作起來比較直觀。其他還有很多開源或者收費(fèi)的軟件也可使用，根據(jù)個(gè)人偏好和熟悉程度而定。
????????當(dāng)圖片導(dǎo)入到PIVLab后，就需要設(shè)置cross-correlation的參數(shù)了。按照軟件中的順序，首先是PIV算法，建議選擇’FFT window deformation’，原因以后有機(jī)會(huì)再詳解。第二步是確定互相關(guān)窗口尺寸，PIVLab使用的是經(jīng)典的多重窗口設(shè)置。在PIV中多重窗口的優(yōu)點(diǎn)是增加速度分布分辨率的同時(shí)能算出比最小窗口大的速度。其實(shí)在實(shí)驗(yàn)中背景紋影圖片中的粒子位移非常?。ㄉ院蟠蠹視?huì)發(fā)現(xiàn)低于1像素），多重窗口在這里可用可不用。下圖的設(shè)置我使用了2層網(wǎng)格，第一層是64x64像素50%重疊，第二層是32x32像素50%重疊。最小窗口尺寸非常關(guān)鍵，因?yàn)樗鼪Q定了最終紋影圖像的分辨率。最小窗口的選擇標(biāo)準(zhǔn)通常需要滿足窗口內(nèi)有多個(gè)粒子。第三步就是‘Sub-pixel estimator’，可以采用圖中默認(rèn)的設(shè)置。因?yàn)槭窍胍八俪伞?，這一部分寫的比較簡略，以后有機(jī)會(huì)詳細(xì)講解。
????????萬事俱備，現(xiàn)在只需要點(diǎn)一下‘Analyze‘按鈕了，然后把測試結(jié)果導(dǎo)出。結(jié)果可以在MATLAB里看，也可以在其他軟件里看。
步驟四，BOS紋影圖片生成
????????互相關(guān)計(jì)算的結(jié)果會(huì)有兩個(gè)位移分量，分別是x，y方向的位移。那么問題來了，我們應(yīng)該用哪個(gè)方向的位移量最為數(shù)值紋影量呢？請(qǐng)記住下面的原則：
X方向位移量=垂直刀片
Y方向位移量=水平刀片
????????實(shí)驗(yàn)中的射流是水平運(yùn)動(dòng)的，如果做傳統(tǒng)紋影實(shí)驗(yàn)我們會(huì)選擇把刀片水平放置，所以Y方向分量是合適的選擇。請(qǐng)看結(jié)果如下：
????????現(xiàn)在我們來分析一下背景紋影的結(jié)果。在熱射流中，圖片中粒子y方向上的位移其實(shí)非常小，絕大部分都低于1個(gè)像素。數(shù)據(jù)都是通過sub-pixel estimator推算出來的，這樣對(duì)于最終的精度是有影響，因?yàn)楝F(xiàn)在的計(jì)算結(jié)果徘徊在不確定度的邊緣。
????????在做數(shù)值紋影的同時(shí)，我也用傳統(tǒng)的紋影顯示了這個(gè)熱風(fēng)槍的出口氣流。對(duì)比背景紋影和數(shù)值紋影，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)紋影顯示了更多的湍流細(xì)節(jié)。
????????我仔細(xì)對(duì)兩組數(shù)據(jù)做了分析，兩組實(shí)驗(yàn)主要有如下差異：
1.???? 曝光時(shí)間Exposure Time：背景紋影實(shí)驗(yàn)的相機(jī)曝光時(shí)間是1/100秒，而傳統(tǒng)紋影使用的是專業(yè)相機(jī)，曝光時(shí)間是1微秒。所以背景紋影有一定的流場平均效果。
2.???? 空間分辨率Spatial Resolution：背景紋影的分辨率由互相關(guān)窗口大小決定，后處理的時(shí)候窗口尺寸為32x32pixel；而傳統(tǒng)紋影的精度為1pixel。所以背景紋影犧牲了空間分辨率。
????????所以，如果繼續(xù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)條件，比如通過補(bǔ)光減小曝光時(shí)間，進(jìn)一步改進(jìn)背景圖案等。這里我就算拋磚引玉，期待大家能獲得更好的結(jié)果。用類似的方法，我也通過背景紋影測試了蠟燭的火焰，并與傳統(tǒng)紋影結(jié)果做了對(duì)比。
總結(jié)
????????寫到最后，同學(xué)們應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)，背景紋影相比傳統(tǒng)紋影技術(shù)也是各有利弊。優(yōu)點(diǎn)是，背景紋影的測量區(qū)域可以不受凹面反射鏡的限制，適合大測量區(qū)域；但是成像的靈敏度和分辨率略低于傳統(tǒng)紋影技術(shù)。最后，希望這篇短文對(duì)同學(xué)們起到一點(diǎn)作用。在大家從事背景紋影技術(shù)的同時(shí)，也希望能對(duì)鷺威紋影儀繼續(xù)關(guān)注。
