Choix des fonds .1BOS classique.1BOS classique

Les fonds utilisés dans le banc expérimental doivent permettre de calculer le dépla-cement apparent des pixels, mesuré dans le repère image comme présenté sur la figure 1.19. Le champ de déplacement est communément appelé flot optique en imagerie. Il est important de noter que toutes les méthodes de mesure du flot optique reposent sur des images hautes fréquences et inhomogènes. En effet, le mouvement n’est pas observable sur des fonds trop homogènes. Les algorithmes permettant de déterminer ces déplacements ont été développés dans la cadre de la PIV afin d’estimer le déplacement d’une particule entre deux images successives prises à un intervalle de temps ∆t. La connaissance du déplacement de la particule ainsi que du temps entre deux images permet de déterminer la vitesse de cette particule et donc de l’écoulement en ce point.

Les premiers fonds utilisés dans la BOS sont donc directement la transposition d’images PIV sur papier, ce sont des mouchetis aléatoires (figure 1.29a) avec des points dont le diamètre est tel qu’ils représentent entre 2 et 3 pixels sur la caméra afin de se trouver dans les conditions optimales pour les algorithmes de PIV. En 2006, Leopold et al. ont proposé d’utiliser des fonds colorés formés de points de couleurs différentes tel que celui présenté en figure 1.29b, dans une méthode dénommée Colored BOS (CBOS). Ils montrent dans Leopold et al. (2006) que le traitement par corrélation des différents canaux colorés apporte un gain de précision.

Néanmoins, les fonds de type mouchetis ne sont optimaux que pour une distance donnée. Lorsque le fond est reculé ou avancé pour s’accommoder à une nouvelle expé-rience, de nouveaux fonds avec un motif mis à l’échelle doivent donc être générés.

(a) Mouchetis aléatoire (b) Fond adapté à la Colored BOS, Leopold et al. (2006)

Figure 1.29 – Mouchetis aléatoires

Cette restriction peut être évitée avec des fonds "multi-échelles" qui présentent des détails qui peuvent être distingués à toutes les distances et focales utilisées. Le bruit d’ondelettes (Wavelet Noise, Cook et T.DeRose (2005)) est un type de fond multi-échelles, c’est la somme de fonctions à bande limitée comme on le voit sur la figure 1.30.

Figure 1.30 – Bruit d’ondelette. Ligne du haut : Trois bruits à bande limitée. En bas à gauche :

le bruit final est la somme de 8 bruits à bandes limitées. En bas à droite : le spectre de fréquence de la seconde bande est compris entre la moitié et le quart de la fréquence maximale (Atcheson et al. (2009)).

L’intérêt de ce fond pour la BOS ainsi qu’une méthode pour construire un fond de taille 2^kx2^k ont été décrits dans les travaux d’Atcheson et al. (2008). Cependant, plus récemment, des travaux de Vinnichenko et al. (2012) ont mis en évidence la grande vulnérabilité de ce type de fonds lorsque certaines zones sont floues ce qui est le cas en présence de forts gradients (chocs, couche limite thermique).

Une toute autre approche a récemment vu le jour, la Colored Grid Background Oriented Schlieren (CGBOS) décrite par Ota et al. (2011). Le fond choisi dans cette approche est un motif constitué de lignes de différentes couleurs verticales et horizon-tales. Dans la figure 1.31, des lignes rouges verticales et vertes horizontales composent le fond. L’intérêt de cette approche est qu’elle ne nécessite pas d’image de référence (le fond est connu a priori), une seule image est acquise et les déplacements sont calculés

à partir de méthodes utilisées en holographie de type "finite fringe analysis".

Figure 1.31 – Exemple d’images CGBOS (Ota et al. (2011))

Pour conclure, en laboratoire, différents types de fonds spécialement conçus pour la BOS peuvent être utilisés. Ils présentent toujours de forts contrastes et certaines spécificités à partir desquelles les algorithmes d’évaluation du flot optique ou d’autres méthodes permettent la détermination des déplacements.

A l’extérieur, il est beaucoup plus difficile de créer de grands fonds artificiels. Par contre, un fond naturel qui présente les caractéristiques d’un fond type BOS est sou-haité : fort contraste et structure aléatoire. Parmi les fonds naturels qui ont déjà été expérimentés on retrouve l’orée d’un champ de maïs, un bosquet (Hargather et Settles (2010)) ainsi que des murs peints ou le gazon (Raffel et al. (2000)). Ces fonds, bien que n’étant pas optimaux, ont néanmoins permis d’obtenir une visualisation des phé-nomènes (transferts thermiques, tourbillon de bout de pâle d’hélicoptère, chocs...) à échelle réelle.

1.4.2.2 BOS basée sur le speckle

Les fonds que nous avons décrits jusqu’à présent se placent dans l’utilisation clas-sique de la BOS où la caméra est focalisée sur l’écran. Nous avons vu dans la partie 1.4.1 que la sensibilité de la BOS est limitée par la distance entre l’écoulement d’intérêt et ce fond. Ceci implique des contraintes sur le dispositif expérimental qui peuvent être très importantes si les déviations sont faibles. Une approche très récente (Meier et Roes (2013)) permet de modifier les termes de ce compromis.

L’approche de Meier et Roes (2013) consiste à utiliser pour fond le speckle² d’un laser. Le speckle est un phénomène qui apparaît lorsque des rayons lumineux cohérents interfèrent sur la surface d’un détecteur. Le speckle a une apparence moucheté assez proche d’un fond classique utilisé en BOS tout en présentant plus de contraste. La taille des "points" du speckle est proportionnelle au rapport f/D où f est la focale de la caméra et D l’ouverture du diaphragme. La figure 1.32 présente différents speckle en

2. En français, on pourrait utiliser le terme "tavelure" mais celui-ci étant quasi-inusité on garde le terme anglais "speckle" dans la suite de ce manuscrit

fonction du rapport f/D. On constate que lorsque ce paramètre augmente on a bien une structure qui devient plus grossière.

Figure 1.32 – Effet du rapport f /D sur la structure du speckle (Meier et Roes (2013))

Meier et Roes (2013) ont évalué plusieurs configurations qui leur ont permis de mettre en évidence l’intérêt de l’utilisation du speckle dans la BOS. Le dispositif expérimental utilisé est présenté dans la figure 1.33. On voit un fond BOS positionné à une distance Zb de l’écoulement, ce fond sert à comparer les résultats obtenus avec le speckle à une BOS plus conventionnelle. Lorsque le fond conventionnel n’est pas utilisé un écran est positionné à une distance s de l’écoulement. Cet écran réfléchit les faisceaux lumineux du laser sur le détecteur de la caméra où ils interfèrent et permet donc la création du speckle. Notons que le speckle est donc créé par le détecteur et non pas par l’écran c’est pourquoi il n’apparaît jamais flou malgré la non focalisation sur l’écran de la caméra.

Figure 1.33 – Schéma simplifié du dispositif expérimental BOS basé sur le speckle (Meier et

La première configuration est un détournement de la configuration BOS classique. La caméra est, comme présentée dans la section sur la BOS classique, focalisée à la distance Zb du champ, l’écran réfléchissant les rayons lumineux est quant à lui placé à la distance s de ce champ. Les auteurs ont montré que dans cette configuration on peut placer l’écran blanc réfléchissant les rayons lumineux où on le souhaite tout en conservant la sensibilité que l’on aurait avec un dispositif avec fond BOS conventionnel placé à une position Zb de l’écoulement. Ceci se vérifie sur la figure 1.34 où les auteurs présentent sur la même figure le résultat d’un calcul de déplacements issus d’images BOS conventionnelles (fond moucheté positionné à une distance Zb de l’écoulement) et celui issu d’un calcul sur le speckle. Ils constatent la concordance des résultats obtenus.

Figure 1.34 – Déplacements induits par le panache de convection d’une bougie avec un écran

BOS conventionnel (haut) et du speckle (bas) (Meier et Roes (2013))

Deux autres configurations qui s’éloignent de la configuration classique ont été testées. La première consiste à focaliser la caméra devant le champ et à placer l’écran réfléchissant les rayons lumineux derrière le champ à une distance s. Les auteurs ont démontré que cette configuration permet d’obtenir une très grande sensibilité.

La dernière configuration testée est d’éclairer en mode double passage. Dans cette configuration on n’éclaire plus le fond de coté mais juste au dessus de la caméra. Dans ce cas, un rayon traverse deux fois le champ d’intérêt et le déplacement visualisé est doublé.

Ces travaux ont donc mis en évidence une amélioration substantielle du dispositif expérimental BOS en limitant les contraintes sur la sensibilité de celui-ci. D’après les auteurs de cette étude, l’une des contraintes de ce dispositif est l’importante sensibilité de ce dispositif aux vibrations puisque, dans ce cas, le speckle généré varie et il n’y a donc plus d’image de référence à partir de laquelle on peut calculer le déplacement induit par l’écoulement. Néanmoins, lors de notre première campagne d’essais (cam-pagne Asther), nous avons de manière fortuite travaillé sur des images de speckle et ce, sans précautions particulières. Nous avons tout de même obtenu des champs de

déplacements de bonne qualité. La contrainte de vibrations ne nous semble donc pas présenter une réelle limite à ce dispositif.

Au final, de nombreux travaux ont cherché à mettre au point des fonds adaptés à la BOS. La plupart sont adaptés à tous types d’écoulements ce qui ne fait pas de cet aspect un point limitant pour la BOS. Suite à la présentation de ces fonds, nous présentons les méthodes de traitement qui permettent de déterminer les déplacements à partir des images obtenues par l’expérimentation.

1.4.3 Méthodes de mesure de déplacement image