CC BY
11
УДК 535. 651:535.42
ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР И ПОВЕРХНОСТНОГО ТРЕНИЯ
Галина Михайловна Жаркова
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, тел. (383)330-38-96, е-mail: [email protected]
Валентина Николаевна Коврижина
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-38-96, е-mail: [email protected]
Сергей Павлович Подъячев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, тел. (383)333-30-32, e-mail: [email protected]
В докладе приводится краткое описание и иллюстрация возможностей программного обеспечения для количественной диагностики пристеночных течений методом жидких кристаллов. Рассматривается случай применения пленочных покрытий на основе холестериче-ских жидких кристаллов и эффекта селективного отражения света на их периодической структуре.
Ключевые слова: жидкие кристаллы, оптический отклик, цветовые компоненты.
DIGITAL PROCESSING OF LIQUID CRYSTALS IMAGES OF TEMPERATURE AND SKIN FRICTION FIELDS
Galina M. Zharkova
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 4/1 Institutskaya St., D. Sc., Professor, chief researcher, tel. (383)330-38-96, е-mail: [email protected]
Valentina N. Kovrizhina
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 4/1 Institutskaya St., Ph. D., senior researcher, tel. (383)330-38-96, е-mail: [email protected]
Sergey P. Podjachev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia,
Novosibirsk, 3 Аkademik Koptyug Prospect, Ph. D., junior researcher, tel. (383)333-30-32, e-mail: [email protected]
The report presents and illustrates the possibilities of software for quantitative diagnostics of near-wall flows by the method of liquid crystals. We consider the case of film coatings based on cholesteric liquid crystals and the effect of selective reflection of light on their periodic structure. Features of video data processing of experiments are described.
Key words: liquid crystals, optical response, color components.
Введение
Для диагностики пространственного распределения температуры и касательных напряжений на поверхности обтекаемой модели могут быть использованы жидкокристаллические (ЖК) покрытия чувствительные к этим параметрам [1-3]. Большой объем получаемой оптической информации существенно ограничивают применение метода, поэтому необходима автоматизация цифровой обработки зарегистрированных в эксперименте видеоизображений нестационарного оптического отклика жидких кристаллов (ЖК) на воздействие внешних факторов. В настоящей работе обсуждаются особенности и возможности разработанного нами программного обеспечения фундаментальных и прикладных исследований с ЖК применительно к задачам аэродинамического и теплофизического эксперимента. В этих исследованиях с целью количественной ЖК диагностики пристеночных течений задачи цифровой обработки подразделяются на 2 группы: задачи определения полей температур (ЖК термография) и задачи определения полей касательных напряжений т. Разработанное программное обеспечение может быть также использовано для первичной обработки и калибровки ЖК покрытий.
Оптический отклик ЖК - это полноцветное (true-color) изображение, формируемое ЖК пленкой в оптическом диапазоне длин волн одной или несколькими видеокамерами с разных угловых положений. Выбор цветовых координат для цифровой обработки и анализа данных экспериментов определяется базовой колориметрической системой и его конечной целью.
1. Системы координат
При разработке программ цифровой обработки использовалась система пространственных координат, в которой ось OX направлена по потоку, OY -перпендикулярно поверхности, OZ - перпендикулярно плоскости XOY. Угловое положение источника света (обычно галогенной лампы) и регистрирующей камеры описывается углами 0 (полярный угол - относительно вертикали к поверхности) и ф (угол азимута). За ф = 0 принимается направление, совпадающее с направлением потока (или вектора касательного напряжения). Соответственно, ф = 180° соответствует наблюдению против потока (ф > 0 - против часовой стрелки, ф < 0 - по часовой стрелке). Вследствие угловой зависимости селективного отражения от вектора касательного напряжения т, длина волны максимума интенсивности отражения изменяется. Этот факт показан схематически на рис. 1, а для случая типичного ХЖК при нормальном освещении (0осв = 0) параллельным пучком белого света, и наклонном наблюдении (0набл < 30°). В эксперименте также могут быть реализованы две других геометрии (наклонное освещение, наклонное наблюдение) и (нормальное освещение, нормальное наблюдение), однако, угловые чувствительности ЖК (ДА/Дф) и (ДА/Д0) в этом случае будут другими.
В качестве базовой колориметрической системы, при анализе оптического отклика ХЖК применяется система цветовых координат HIS (цветовой тон, интенсивность, насыщенность). Колориметрическая координата цветовой тон (hue) Н, измеряется в угловых градусах и с увеличением длины волн X уменьшается (рис. 1, б). В наших измерениях цветовая координата Н является основной, а интенсивность и насыщенность служат для дополнительного анализа при исключении бликов и т. п.
а) б)
I
Рис. 1. Иллюстрация влияния углового положения камеры (0,ф) на доминирующую длину волны селективного отражения ^мах(т) (а) и соотношение между цветом и цветовым тоном Н (б)
2. Краткое описание программы обработки
Программное обеспечение экспериментов с ЖК покрытиями работает под управлением ОС Windows и может оперировать как файлами изображений, так и их временной последовательностью - видеофайлами. Для удобства из исходного текста собираются две программы, одна - для изображений (HFPic) и другая для видеофайлов - (HFM). Программа написана в открытой среде разработки Lazarus. Для работы с видеофайлами используются библиотеки видеопроигрывателя VLC c открытым исходным кодом от организации VideoLAN. Программа HFM позволяет осуществить просмотр исходных видеофайлов (рис. 2), выбрать кадры для построения временной серии значений и для построения пространственных графиков диаграмм. Кадры можно вращать и выбрать сечения или область в повернутом кадре для построения графиков и диаграмм. При этом видео кадры декодирутся в память компьютера как матрицы целых значений содержащих три 8 битных цветовых компоненты красный (R), зеленый (G) и голубой (B), которые затем преобразуются в цветовые координаты (Н, S, I).
Программа позволяет:
- построить графики изменения цветовых координат по осям х и 2;
- построить 2-мерный график (карту) значений цветовых координат с учетом фильтрации данных заданными условиями и в заданном диапазоне (Ямин ^ Ямах);
- получить калибровочную зависимость и ввести ее в виде полинома или таблицы;
- используя калибровочную зависимость построить диаграммы физической величины;
- экспортировать полученные значения для дальнейшей обработки.
Рис. 2. Вид окна с видео программы НБМ и окна с графиками R, G, В, Щ)
Межкадровая обработка видеофайла позволяет извлечь и построить график временной зависимости цветовых координат и локального модуля касательного напряжения при данном угле азимута на заданном временном интервале.
На рис. 3 показан вид панели с временными сериями исходных цветовых координат (Я, О, В) и полученных в результате преобразования (Н, Б, I) для одного из экспериментов с ЖК при пятикратном включении потока. Обработка одного или двух кадров позволяет построить пространственное распределение физических величин, как в исходном виде, так и в нормированном или с вычитанием фонового изображения.
На рис. 4 показано окно программы для построения двухмерных диаграмм.
Рис. 3. Временные зависимости цветовых координат R, G, В, I, S, Н (град) и касательного напряжения т (Па, шкала справа) - сверху вниз
Рис. 4. Диаграмма цветового тона, черным цветом показаны отфильтрованные области изображения
Так как для темных и/или почти серых областей величина цветового тона плохо определена, можно указать минимальное значение интенсивности и насыщенности цвета (Imin и Smi„), начиная с которых, вычисляется значение цветового тона. Кроме этого, в силу ограниченности динамического диапазона R-, G- или B- компоненты могут «уйти в насыщение». Т.е. при максимально возможном значении (255) мы не можем сказать наверняка, что это реальное значение цветовой компоненты (R или G или B). Известно только что при этом ее величина >254. Поэтому можно включить опцию, которая также исключает такие значения. По желанию можно указать Hmin и Hmax, которые будут отображаться и использоваться при вычислении физической величины. После изменения параметров фильтрации карта автоматически пересчитывается. В результате с помощью калибровочной зависимости можно вычислить значения модуля касательного напряжения и построить карту исследуемой физической величины и шкалу величин (см., например, [3]). Цветовой тон и результирующую физическую величину можно экспортировать в текстовом виде в файл или в буфер обмена.
Заключение
В докладе приводится краткое описание возможностей программ цифровой обработки видеоданных аэродинамического эксперимента с жидкими кристаллами холестерического типа. Текущая версия программного обеспечения позволяет повысить точность калибровки ЖК покрытий, получить панорамные распределения средних уровней температуры и/или касательного напряжения поверхностного трения, изучить их изменение в ходе эксперимента, что значительно повышает информативность диагностики методом жидких кристаллов.
Работа выполнена в рамках государственного задания № 0323-2014-0011.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Жаркова Г. М., Сонин А. С. Жидкокристаллические композиты. - Новосибирск : Наука. Сиб. отд-е, 1994. - 214 с.
2. Zharkova G. M., Kovrizhina V. N., Petrov A. P. Shear sensitive liquid crystals for diagnostics of boundary layer structure in aerodynamical experiment // Visualization of mechanical processes, 2013, 3(1) [Электронный ресурс]. - URL: http://dl.begellhouse.com/journals/ 08456987543b9011,012ffe2e49678e34.html
3. Панорамная диагностика касательных напряжений на стенке канала с выступом с помощью жидких кристаллов / Г. М. Жаркова, В. Н. Коврижина, А. П. Петров, С.П. Подъ-ячев // Теплофизика и аэромеханика. - 2016. - Т. 23, № 6. - С. 865-873.
© Г. М. Жаркова, В. Н. Коврижина, С. П. Подъячев, 2017
