条纹摄影 零成本拍摄热气流

首先上一张效果图,图中是一个普通的打火机 

所谓零成本,就是不用耗材,不用生活中不常见的东西(比如大口径凹面镜或者高亮度点光源之类的稀奇玩意)。得到上面那张照片,只需要一台相机,以及一个屏幕。 

 

条纹摄影的原理是:温度不同的流体,密度也不同,会对光线产生折射,使得背景中的条纹发生变形,如下图。 

通过某种办法把条纹的变形强调出来,就可以拍摄出流体中的温度分布。这里采用的做法是,求两幅图片的差值,如下图。 

求差值之后,图片中没有变化的部分被抵消掉,只有受热气流影响而变形的部分被保留了下来,所以可以很清楚的看到热气的形态。 

 

具体的做法是: 

首先把相机对准屏幕(废话……),把相机摆的远一些可以让灵敏度高一些,下图中相机和屏幕的距离大概是7米。 

 

在屏幕上放一张条纹的图片,用相机拍一张照片。 

当然放其他的图片也可以,只要图片中有大量锐利的边缘就行,效果也不会差太多。比如据说曾经有研究人员用远处的树林作背景,拍摄大空间内的气流状态。 

 

再把被拍摄物放在有条纹的地方,拍一张照片 

注意拍这两张照片的时候,相机千万不能动,否则条纹会错位,没法直接相减。而且,经过尝试发现,手动把两张照片对齐几乎是不可能的。理论上倒是可以通过某些算法,在相机有晃动甚至是只拍一张照片就得到气流分布,不过我这没有能实现这些功能的代码。如果有人能做出这个算法的话,也许可以开发一款手机App,应该会挺有意思的。另外这两张图并不是做效果图时候用到的图片,因为那两张图里的条纹实在是太细了,放上来基本看不出来有条纹…… 

 

然后把这两张图片导入到Photoshop里,利用差值功能,把气流分布强调出来。再经过一些细调,比如调曲线和加模糊,就可以得到效果图中的照片了。 

 

这种拍摄方法的灵敏度实际上相当高,只不过这里用的相机不支持快门线,而手按快门引起的震动会造成很大的影响,所以效果还没有那么好。实践发现,即使是一个像素点的偏差,影响也很大…… 

不过即使这样,也可以若隐若现的拍到人身上的热气了。 


补充一下效果图的源图,以及相关资料

源图片.zip9.94M18次下载

Schlieren and Shadowgraph Techniques —— Visualizing Phenomena in Transparent Media.pdf15.5M34次下载

 

 

[修改于 10 个月前 - 2018-10-18 19:42:09]

来自 科创茶话
4
2018-10-18 17:07:14
1楼

需要怎样的算法,如果可以的话,可以根我说说,我编写个winform 程序处理

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2楼

看上去效果很漂亮。

手动对齐的话直接平移大概是不行的,相机移动的过程中由于本身的透视关系会对条纹形状造成额外的畸变,photoshop的话也许可以试一试里面的透视变换功能.

感觉如果要自动对齐的话可能还要在条纹背景里专门作个对齐用的标记.

[修改于 10 个月前 - 2018-10-18 19:26:20]

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三水合番(作者)
3楼
引用:航模发烧友 发表于1 楼的内容:
需要怎样的算法,如果可以的话,可以根我说说,我编写个winform 程序处理

没有太具体的想法。感觉上条纹这种东西很有规律性,所以可以用软件生成一组条纹,通过平移旋转,以及轻微扭曲等,和照片里的条纹重叠在一起(比如相关性最高之类的)然后再取差值,也许还可以加一些滤波算法,把条纹带来的高频抖动给去掉。

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三水合番(作者)
4楼
引用:radio 发表于2 楼的内容:
看上去效果很漂亮。手动对齐的话直接平移大概是不行的,相机移动的过程中由于本身的透视关系会对条纹形状造.....

确实试过透视变形,但是总之是调不齐……顶楼效果图里,一根条纹才占了几个像素点,偏一两个像素影响都很大……实在是没法在那么大的范围内对齐一两排像素……当然也可能只是我手残也许有别人能对的齐

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5楼
引用:三水合番 发表于3 楼的内容:
没有太具体的想法。感觉上条纹这种东西很有规律性,所以可以用软件生成一组条纹,通过平移旋转,以及轻微扭.....

对齐的话我觉得也许可以参考下读取二维码的算法?

不过二维码的点很大,要实现像素级的对齐可能有点难度

[修改于 10 个月前 - 2018-10-18 19:40:01]

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三水合番(作者)
6楼

@radio 数了一下,一根条纹8个像素宽

另外在顶楼补充了一些资料,还有效果图的源图片,有兴趣的可以自己处理一下试试效果

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7楼

是不是可以这样认为,因为气流扰动对于光线的偏折是随机的,因此,只要不是全黑或者全白背景,对于适当间隔的两张照片做差,就能提取无法减去的部分,因此可以通过在摄像机中插入算法来实时显示不同温度的气流?

比如,1,2,3,4,5,6,7,……帧图片,1和5相减,2和6相减,3和7相减……就能在只降低一半帧率的情况下显示动态图像了。不采用1和2,3和4……是因为相邻的图片间隔时间太短,可能差异太小,导致反差不明显。

[修改于 10 个月前 - 2018-10-18 20:25:09]

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8楼
引用:虎哥 发表于7 楼的内容:
是不是可以这样认为,因为气流扰动对于光线的偏折是随机的,因此,只要不是全黑或者全白背景,对于适当间隔.....

对,看冲击波就经常用自然的背景来看帧间区别,不一定要条纹背景,复杂锐利的背景比如合焦的草地即可

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2018-10-19 08:59:07
9楼

如果只是对齐的话,佳能RAW转换软件DPP里自带图像对齐功能,实测精度还是挺高的

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10楼

用.net做的 一个相叠消融的小工具,超简单,就是以图2为准颜色相近变成白色,不知道可否使用,我自己测试得到些奇怪好玩的图片

相叠消融小工具.rar10.2k10次下载

 

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11楼

可以的话你可以发些图出来,我测试下

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三水合番(作者)
12楼
引用:航模发烧友 发表于11 楼的内容:
可以的话你可以发些图出来,我测试下

用顶楼效果图试了一下,看起来有效果,不过貌似不支持缩放或者导出?屏幕不够大……只显示出来了图片左上角一点。

其实我也只拍了两张照片,一张打火机和一张人,都在顶楼摆出来了……

主要是那个小相机不支持快门线,用起来太难受了……正在找同学借相机,到时候再拍几张试试。

 

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13楼

我也试了下,我的相机支持快门线但是手上暂时没有快门线。。平放在桌上按快门总会有几个像素的偏移,可能得找根快门线或者用别的方法对齐。。

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14楼

重新优化了,修复了 BUG ,增加了点功能,可以到处图片,导出的图片在程序所在文件夹

热对流图像处理小工具.rar11.9k9次下载

 

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15楼

用延时快门,或者手机用耳机线做快门(直接用手机拍)……

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三水合番(作者)
16楼
引用:昊子 发表于15 楼的内容:
用延时快门,或者手机用耳机线做快门(直接用手机拍)……

手机主要是没有光学变焦,估计是拍不到7米外的毫米级条纹……

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17楼

貌似不一定要7米那么远

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2018-10-20 10:40:33
18楼

解决移动好像还有一个办法,用手机,插根aux线,拍的时候用东西短路一下就是快门线。。。。

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19楼

可以 用蓝牙耳机,接听键就是遥控快门。

试了一下,好用。

 


 

 


 附件为实现图片差值的可执行文件,附带源图。

testdata1.zip13.5M8次下载

 

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三水合番(作者)
20楼

今天找同学借了台单反试了一下,然而效果并没有想象的那么好。出于某种未知的原因,即使用了红外遥控快门,但是条纹还是对不齐,甚至比之前用卡片机手按快门还严重……怀疑可能是三脚架在缓慢的变形,或者是机械快门的振动之类的东西……

也有几张还算比较齐的照片,比如下面这张拍笔记本电脑散热口的

 

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21楼
引用:三水合番 发表于20 楼的内容:
今天找同学借了台单反试了一下,然而效果并没有想象的那么好。出于某种未知的原因,即使用了红外遥控快门,.....

可能是反光板升降的振动比较大?

如果是自动模式的话每次拍照要重新对焦然后用的参数也可能有变化导致对不齐。

也许可以试试直接开录像然后逐帧求差。。

另外我这边测试貌似(手机)拍照快门速度比较快会出现这种移动条纹,快门慢的话也会有浅一些的,对效果影响非常大。。可能是屏幕pwm调背光+手机扫描方式的问题。。有空试试打印出来贴灯上。。

 

[修改于 10 个月前 - 2018-10-20 20:46:00]

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22楼

单反可使用反光板升起模式(Lv档)减少震动

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2018-10-21 10:09:56
23楼

蛮好蛮好!看过果壳上一个帖子,https://www.guokr.com/article/440873/ ; 今天终于知道了一些细节。

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2018-10-22 11:27:33
2018-10-22 11:27:33
24楼

可以录视频,从中截取两帧,只要录的过程中相机没有动,像素移动基本是没有的,因为录视频过程没有反光板升起和快门释放引起的振动

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1
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