Experimental evaluation of the accuracy of an enhanced background oriented schlieren technique

This thesis describes a new method to improve the characteristics of the traditional Background Oriented Schlieren technique whose aim is to produce a quantitative visualization of the density gradient field in an optical transparent medium. The experimental setup of the BOS consists basically of a camera, a background pattern and an illumination system. Thanks to the deformation of the background due to the schlieren object, it will be numerically compared with the undistorted background through a cross-correlation algorithm. The background will be generated and experimentally optimised using a Gabor noise function and, then, it will be compared with a standard PIV image evaluating their difference and the performances improvements. Once the background has been chosen, a new enhanced BOS technique will be developed with the objective of removing and minimizing the potential sources of error such as the random error due to the noise in the recorded images or the bias error arising from the process of computing the signal peak location to sub-pixel accuracy also known as peak-locking. This new enhanced technique consists of having N images slightly different without the Schlieren object and only one image with it. Each image will be compared with the same deformed image due to the Schlieren object obtaining N cross-correlation maps. The result of the enhanced BOS technique will be the mean of all these cross-correlations maps where a reduction of the errors and an improvement of the accuracy will be observed. Finally, this technique will be validated through two examples focusing on the study of a rotation of the background and on the measure of the background deformation induced by a lens.

Questa tesi descrive un metodo per migliorare le caratteristiche della tecnica conosciuta come Background Oriented Schlieren, il cui scopo è di produrre una visione quantitativa del gradiente del campo di densità con un mezzo ottico trasparente. Il setup sperimentale della BOS consiste fondamentalmente in una fotocamera, uno sfondo e un sistema di illuminazione. Grazie alla deformazione dello sfondo, dovuta all’oggetto schlieren, verrà comparata numericamente con lo sfondo non distorto attraverso un algoritmo di cross-correlazione. Lo sfondo sarà generato e ottimizzato sperimentalmente usando la funzione del disturbo Gabor e dunque verrà comparata con una immagine standard PIV, valutando la loro differenza e il miglioramento delle prestazioni. Una volta scelto lo sfondo, una nuova tecnica potenziata BOS sarà sviluppata con l’obiettivo di rimuovere e minimizzare le potenziali fonti di errore come ad esempio un errore casuale dovuto al disturbo nelle immagini registrate o un errore di distorsione derivante dal processo di calcolo della posizione di picco del segnale di precisione sub-pixel noto anche come peack-locking. Questa nuova tecnica potenziata consiste nell’avere N immagini leggermente differenti senza l’oggetto Schlieren e solo una con esso. Ogni immagine sarà comparata con la stessa immagine deformata dall’oggetto Schlieren, ottenendo N mappe di cross-correlazione. Il risultato della tecnica potenziata BOS sarà la media di tutte queste mappe di cross-correlazione, dove verrà notata una riduzione degli errori e un miglioramento della precisione. Infine, questa tecnica verrà rafforzata attraverso due esempi, concentrandosi sullo studio della rotazione dello sfondo e sulla misura della deformazione dello sfondo indotto dalla lente.