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纹影摄影技术实验探究

纹影摄影术实验探究

中国科学技术大学 物理学院  张静宁 PB14203209

指导老师 崔宏滨

2016年12月19日

摘要

这篇论文主要介绍了纹影摄影技术的实验原理,分别基于透镜、球面镜成像的两种纹影光学系统,以及刀刃位置对实验的影响。我们分别实验了蜡烛燃烧、热水蒸发、酒精挥发、电吹风吹气、打火机喷气时气流的形态,针对实验结果分析本次纹影摄影实验的关键和不足。

什么是纹影摄影术?

利用面镜和透镜,纹影摄影技术可以拍到平时肉眼看不到的气流形态。它的原理是利用气体密度的变化,导致折射率变化,使光的传播受到扰动,进而将不可看见的气流变化,转化成可以被看见的图像。

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如图,右边的图像反映了蜡烛燃烧造成空气密度的变化情况;左边的图反映了电吹风吹出来的气流形态。

应用

这项技术最初被应用于风洞的气流研究,特别是高速激波的研究,但这项技术稍加改变,就可以应用于探测隐身飞机。利用纹影摄影术还可以将有机气体逸散特性影像化,进而评估局部排气设施气罩捕集有机溶剂蒸汽的真实过程,保证劳工作业安全。

实验原理

一、基于透镜成像的纹影光学系统

下图是典型的基于透镜成像的纹影光学系统:

B:光源,O:小孔,L1、L2、L3:凸透镜,K:刀片,H:接收屏,E:待测样品

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位于L1焦点处的点光源,经过L1成为平行光;平行光经过待测气体E,再经过凸透镜L2汇聚;刀片K放在L2的焦点处;光经过L2、L3在接受屏H成像。

如下图,如果待测气体各向同性(密度均匀、折射率均匀),则平行光会汇聚到透镜焦点处。如果待测气体密度不均匀,折射率不同,则光线会发生偏转,将不会汇聚到透镜焦点处。

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刀片的作用:是为了阻挡因气流而路线走偏的光线,借以得到具有阴影效果的黑白纹影。

二、基于球面镜成像的光学纹影系统

如果你想DIY一个纹影装置,你在网上搜到的大部分教程都是针对球面镜成像的光学纹影系统,因为这个装置只需要一个球面镜,搭起来更简单,并且球面镜可以很大、焦距很长,对气流密度变化的显现放大效果更明显。

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如图,点光源放在球面镜的二倍焦距处,经过球面镜反射将成像在同样的地方。稍稍错开点光源,使得物像并列,并且在像点处放置刀片或者滤光片,在刀片后方放置相机。原理与透镜成像系统相似。

三、福柯刀刃测试(Foucault knife-edge test)

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上图中光线是从左到右传播,从左到右的三张图片,分别是刀片在焦点前方,刀片正好处于焦点位置,刀片在焦点后方成像的情况。可以看到,当刀片正好处于焦点处时,接收屏上的图像并不是黑白各一半。我们可以根据这个原理来调整刀片的位置,使之处于精确的位置,从而得到更好的实验结果。

下图是我们用激光作为光源时,刀片处于合适的位置得到的图像:

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实验装置

我们分别采用激光光源和LED光源,激光前加一个扩束镜作为点光源,LED灯前放一个小孔作为点光源。具体装置如下:

我们直接把白墙壁作为接收屏:

实验结果与分析

我们实验了以下几个样品造成的气流形态:

  1. 蜡烛 – 燃烧
  2. 打火机 – 喷气
  3. 热水 – 水蒸气
  4. 电吹风 – 热风
  5. 酒精 – 挥发

上面是我们录制并剪辑一个实验效果的视频,优酷链接:纹影摄影技术实验探究

结果分析:

  • 实验时,应该关掉外部光源,营造较为黑暗的环境。
  • 扩大两个透镜L1、L2之间的距离,可以放大实验效果
  • 刀片的位置很关键,一定要在焦点处,并且挡光合适。
  • 由于我们用的是透镜,使用LED白光光源时接收屏上的光斑色散效果比较明显,L1、L2之间的距离越大,色散越明显,使得图像变化(黑白阴影)看不清。
  • 改成激光光源后,色散消除,使得气体形态动态变化较为明显,实验效果有所提升。
  • 相机录像的质量要求比较高,肉眼看到的往往比相机拍出来的效果好,应该努力提高拍照质量。
  • 我们尝试去掉接收屏,把相机直接放在刀片后方,但无法拍摄到想要的效果。这个问题没有解决。

参考文献

[1] Schlieren Photography – Seeing Air (Ian Smith, ian.org), http://www.ian.org/Schlieren/

[2] N. Degen. An Overview on Schlieren Optics and its applications (Thesis at ETH Zürich, 2012), http://e-collection.library.ethz.ch/eserv/eth:9039/eth-9039-01.pdf

[3] A. Mazumdar. Principles and techniques of Schlieren imaging systems (Columbia University, Tech. Rep., 2013), http://core.ac.uk/download/pdf/27296576.pdf

[4] Schlierien Optics (youtube, Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations, Jan 24, 2014), https://youtu.be/mLp_rSBzteI

[5] How To: Build Your Own Schlieren Setup (youtube, JoshTheEngineer, Sep 7, 2015),

https://youtu.be/IZ0bYi9UFv8

[6] Schlieren Photography – How Does It Work? (Ian Smith, ian.org),

http://www.ian.org/Schlieren/HowTo.html

[7] Harvard Schlieren Optics,

http://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/schlieren-optics

[8] 跟着郑大师玩科学——纹影 http://www.masters.tw/126911/schlieren

[9] 纹影摄影术简介

http://laws.ilosh.gov.tw/ioshcustom/Download/Download.ashx?type=SafetyMessageArticles&id=1430

[10] 紋影攝影技術(Schlieren Photography)的應用

http://science.sumlook.com/2009/04/schlieren.html

[11] Wikipedia-Foucault knife-edge test https://en.wikipedia.org/wiki/Foucault_knife-edge_test

[12] http://www.atm-workshop.com/foucault.html

 

最后

  1. 感谢崔宏滨老师指导
  2. 感谢大物实验中心提供实验环境
  3. 感谢朱玲老师借光学仪器
  4. 感谢cuihao同学帮忙录像与剪辑视频
  5. 感谢戴明威同学互相交流

注:除了实验拍摄的照片,其余图片来自于网络,侵删

附件下载:

论文schlieren-photography-%e8%ae%ba%e6%96%87

PPT演示文稿schlieren-photography-%e6%bc%94%e7%a4%ba

前端入门之路

最新成果:https://icourse.club/  USTC评课社区

前端静态部分是我负责的….因为我还不会Javascript什么的,Bootstrap倒是现在会一些了

我从2015.1.22开始学习前端,大概花了10天学习 HTML&CSS,之后就开始学 Javascript。

作品

以下是我学习过程中的作品:

一、尝试:个人主页(home.ustc.edu.cn/~jenny42)

Screenshot from 2015-02-13 16:23:01

课程档案(基础体育思修C语言微积分

Screenshot from 2015-02-13 16:23:54

二、负责:USTC选课查询前端

Screenshot from 2015-02-13 16:24:45

 

春节版

三、打酱油:科大镜像媒体查询部分

Screenshot from 2015-02-13 16:25:41

四、失败的学习:烂尾的个人简历

Screenshot from 2015-02-13 16:26:20

五、For Fun:QQ红包网页版

Screenshot from 2015-02-13 16:28:20

资源和笔记

好啦,在这20天内,我借助一些MOOC课程学习前端技术。以下是资源和笔记:

【课程】Codecademy-HTML & CSS

【教程】学习CSS布局

【笔记】

【课程】JavaScript Basics

【笔记】

【教程】浏览器脚本教程

除此之外,还经常查 w3school 解决特定的问题

其他

【服务器】我前端开发学习用的是学校提供的静态空间,参见:如何使用科大个人主页(home.ustc.edu.cn)

另外,其实我在“学完” HTML&CSS 基础之后,又打算开始用 Bootstrap 框架,但试了试不会用…“完成”那门 JavaScript Basics 课程后,又打算弄 Django 框架,但发现自己的 Python 技能不够,而且 Javascript 也几乎没学。所以又返回去学 JS了。

Mathematica 球坐标作图

今天拿起多天没做的作业开始算积分,然后遇到一道题我根本想不出图形长什么样

《微积分学导论下册》109页第4(9)题:

求由下列曲面所围成的立体体积
(x^2+y^2+z^2)=3xyz

最后在 Mathematica 里用球坐标绘图,第一卦限的情况(图形在1,3,6,8卦限,且对称):

最后转来转去看了一会,感觉像板栗

Photoshop把背景变成透明[魔术橡皮擦工具]

最近做版衫,需要把图片背景颜色改成透明,以便放在各种颜色的底衫上。左格非昨天教我用魔术橡皮擦工具。

效果

goldfish jumping out of the water

原图

freedom-jumping-transparent

背景改成透明以后,PNG文件

步骤

1.打开图片,用【魔术橡皮擦工具】点击要改成透明的背景。

2.加一个纯色图层,用【橡皮擦工具】把【魔术橡皮擦工具】没擦干净的地方擦干净。

搞定

Photoshop网格的制作

上次设计版衫的时候要做网格,结果搞了好久也没有弄到满意。有些不理解为什么PS没有自带网格绘画的功能,现在觉得大概是不需要,或者说已经有了各种实现方法,只是我不知道。

首先说明用的是 Photoshop CC

给照片加网格

参考这个教程,我用定义图案/内容填充两个功能给照片表面加了网格

原图_20150519_113252

随手自拍原图

网格效果8px

网格处理后效果

网格的制作

基本思路是用【自定义图案】定义一个最小网格单位,然后用【填充图案】把整个图片填充上网格。

1.新建最小网格文件:经过尝试我发现我1836px*3264px的照片,要用8px*8px的最小网格单位才能看出效果。而搜到的教程大多数说2px*2px,大概是因为他们照片分辨率太低。记得背景内容选透明。

2.绘制最小网格:用【矩形选框工具】选择右上方四分之一的正方形

然后【编辑】-【填充】白色

3.定义最小网格图案:【编辑】-【定义图案】

4.平铺网格:打开所要加网格的图片,【新建图层】

【编辑】-【填充】,如图选择使用图案,再选择刚刚自定义的最小网格单位图案,叠加,50%不透明度

放大回顾

放大了看就是在新建的图层上把网格平铺了一遍

放到最大,每个白方块就是4px*4px

如果把最小方块设置成16px*16px,图像表面的白色就会多一些

psd文件下载:链接

清明南京玩耍

好不容易放假三天。

尽管从开学到现在作业多到不行,对我来说学习负担很重,但还是打算和 boj 去外面耍,南京比较近,就选择了南京。因为我还要补作业,所以只玩了一天半(加路上时间2天)。

玄武湖

周六早上去玄武湖,我们住在新模范马路附近,因此沿一号线走,从玄武湖隧道旁边的一个小路口进去。比较意外的是,从这里到玄武门,一路上都没有什么人。

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如何使用科大个人主页(home.ustc.edu.cn)

什么是科大个人主页

科大个人主页网址是:home.ustc.edu.cn,全称是“中国科大学生FTP/主页服务器”,简单来说就是:科大给学生提供每人 300MB 的静态空间,你可以通过 HTTP 或者 FTP 两种方式访问。

其实科大也给教师提供“中国科大教工FTP/主页服务器”的服务,网址是:staff.ustc.edu.cn,貌似提供的空间会多一些,其他应该差不多。

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写一个 Python 爬虫

写一个 Python 爬虫其实挺容易的,也许过程中需要不停的调试,但爬虫的代码绝对短小精悍!

肇事者爬虫

这就是我昨天把郑子涵五子棋网站搞挂的 Python 爬虫,文件名为 spider004.py。没错是我写的第四个爬虫…今天为了防止我继续恶意开房,他给网站加了验证码。目前我还无能为力= =

HTTP 协议

要写一个爬虫,首先你得懂 HTTP 协议的一些东西。我当时是看了这篇文章《HTTP协议详解》。我简单说下自己的理解:

当你用浏览器访问网页的时候,其实是经历了这么一系列的过程:你通过浏览器发出 HTTP 请求 (HTTP Request),发送请求有多种方法,常见的两种是 GET 和 POST。网页的服务器端收到你的请求进行处理后,就会给浏览器响应 (HTTP Response)。而 HTTP Request 和 HTTP Response 都是有参数哒,你可以通过 F12 来看。

这很好理解,因为交互各种各样,访问不同的网址,是否登录账号,用什么浏览器,甚至在不同的时间发起请求,都会导致 HTTP Request 的不同。而服务器端挂了,状态码(status_code) 可能是 502 Bad Gateway,又或者 404 Not Found,这都是平时常见的错误,就是 HTTP Response 的一部分。(你可能会把它统称为:“ 啊,网页怎么打不开了!”,其实打不开也是有不同的原因的)。

差不多先了解这些,之后写爬虫的过程中,我们还会常用 F12,利用 HTTP Request/Response 的信息来调试。

Python Requests Module

所谓的网页爬虫,就是模仿浏览器向服务器发送特定的请求,并且返回获取的内容。而 Python 为此提供了一个很好用的模块,Requests 模块。

我最早是看了这个教程《HTML Scraping》,并且按照上面操作了一遍。这个教程提到抓取网页内容可以用的两种定位方法 XPath 和 CSSSelect,虽然我都没学会..

然后还看了这两个教程,一个是《Requests: HTTP for Humans》官方文档,另一个是《Using Requests in Python》简单教程。

我们可以简单的演示一下(终端中打开python3):

>>> import requests
>>> page = requests.get("http://www.baidu.com")
>>> page.url
'http://www.baidu.com/'
>>> page.status_code
200
>>> page.headers
(省略)
>>> page.text
(省略)

如果你需要的是抓取网站获取的信息(显示的HTML文件),可以把 page.text 部分输出到文件中。

把网站搞垮的具体细节

我观察到五子棋网站下棋开的房间是随机6位数,而且保存所有的棋盘信息,也就是你下完棋哪怕两个人都退出了以后,房间还是被占用的,你们还可以之后再进去继续玩。也就是,“如果我把所有的房间都开满了,那其他人没法开新的房间,也没法再已经被我开的房间里下棋了”←我对网站的攻击就是基于这个思路。

首先,自己打开浏览器里的匿名窗口操作一遍(匿名窗口是防止 cookie 混乱),并且按F12打开控制台, 观察到我新建房间时发出的请求获取的文件,如

戳进去,拿到 cookie 和 url,然后作为代码的参数

我把它写成了死循环…然后,运行这个代码。每次访问http://zzh.freeshell.ustc.edu.cn/game/newroom.php这个url,它就会返回一个新房间的地址,相当于完成了开房的动作。

以上这小段代码也是我经过一会时间修改才搞定的…

确认可行之后,我开了10个终端…一起刷,结果一个多小时后,网站就挂了。。。整个 freeshell 登不上去了。经神秘管理员重启之后,网页上已经无法新建房间,随机输入一个房间号都有一个叫做 root 的玩家在里面。

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后续情节…

肇事者表示刚刚学会写爬虫所以拿了个好朋友的网站来玩…神秘的 freeshell 管理员其实是帮凶,他不仅指导我写脚本,而且在我开始攻击之后,突发奇想想要测试该 freeshell 的抗压能力…搞得该站长一直以为是有人通过 2081号 freeshell 攻击。我做了坏事,看对方没有反应,先是主动上去报了 bug(“哎呀,你的五子棋没法玩了耶”→好贱),最后被查出来以后主动承认并道歉…我表示一开始还挺兴奋,后面觉得这么做还是挺不好的…要是对方生气了呢,是吧?