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.

https://basis-foundation.ru/ev...

Список всех тем лекций

Лекция 1. История развития методов экспериментальной гидродинамики.
Цифровая трассерная визуализация (PIV) и теневой фоновый метод (BOS) Важность появления методов PIV и BOS История развития PIV История развития BOS Фон, метод обработки, одноракурсный BOS Упрощённый BOS для качественной визуализации Естественные фоны для больших объектов BOS без опорного снимка

Лекция 2. PIV.
Физические источники погрешности в PIV PIV в жидкости и в газе Текущий уровень развития PIV "Low-end" PIV Оптика теневого фонового метода Ограниченное пространственное разрешение из-за съемки в расходящемся пучке лучей

Лекция 3. BOS.
Ограниченное пространственное разрешение из-за съемки в расходящемся пучке лучей Определение поля показателя преломления из полей его первых пространственных производных Оценка погрешности BOS-измерений Определение гидродинамических величин из BOS-измерений BOS в жидкостях и газах Особенности BOS по сравнению с PIV

Лекция 4. Задачи определения смещения в разных областях.
Прямая кросскорреляция, автокорреляция, SIV Быстрое преобразование Фурье Выбраковка ошибочных значений Требования для алгоритма определения смещений Отношение неопределённости для однопроходного метода и многопроходный метод с целочисленным сдвигом

Лекция 5. Задача по определению поля смещений.
Стереозрение, аэросъёмка и фотография Измерения деформации твёрдых тел с матовой поверхностью с помощью проецируемых узоров BOS в физике твёрдого тела (Digital Gradient Sensing) Измерение формы матовых и зеркальных поверхностей с помощью структурированного света Измерения рельефа поверхности жидкости

Лекция 6. Итерационные методы и определение точности алгоритма.
Многопроходный метод с целочисленным сдвигом Методы с интерполяцией изображения Определение точности алгоритма Алгоритмические источники погрешности

Лекция 7. PTV.
Влияние градиента смещения в BOS Particle Tracking Velocimetry (PTV) и кросскорреляционный PIV Основные альтернативы PTV для этапов обработки изображений Гибридная обработка (PIV+PTV)

Лекция 8. Методы оптического потока и интерферометрические методы.
Гибридная обработка (PIV+PTV) Методы оптического потока (optical flow) Интерферометрические методы в BOS

Лекция 9. Точность однокадровых методов и цветные фоны.
Интерферометрические методы в BOS Сравнение точности для разных однокадровых методов BOS: использование цветного фона

Лекция 10. Расчёт характеристик по данным PIV.

Лекция 11. Методы ассимиляции данных.

Лекция 12. Трёхмерный PIV.

Лекция 13. BOS для трехмерных и осесимметричных объектов.