تحديد الحقول تدفق 3D عبر موضوع ضوء الكاميرا التصوير الميدانية

الهدف العام من الفيديو التالي هو تقديم نظرة عامة على تقنية التصوير ثلاثية الأبعاد التي يمكن أن تنتج مجال سرعة ثلاثي الأبعاد. يتم تحقيق ذلك باستخدام الكاميرات المعايرة لجمع الصور المطلوبة لأخذ عينات من مجال الضوء. كخطوة ثانية ، يتم إعادة تحديد معلمات مجال الضوء ، مما ينتج عنه كومة بؤرية من الصور التي تشكل تمثيلا ثلاثي الأبعاد لمجال التدفق.

بعد ذلك ، يتم إجراء المكدس البؤري بعد العملية باستخدام خوارزمية ارتباط متقاطع للحصول على متجهات مجال السرعة ثلاثية الأبعاد. تظهر النتائج مجال تدفق ثلاثي الأبعاد تم حله زمنيا في أعقاب نموذج الطيات الصوتية الاصطناعية الاهتزازية المستخدم كسرير اختبار. تظهر أيضا نتائج التقنية المطبقة على حقل فقاعة.

استمر. الميزة الرئيسية لهذه التقنية على الطرق الحالية هي أنه يمكننا القياس بأحجام تحتوي على المزيد من الجسيمات أو الفقاعات أو القطرات. يمكن أن توفر هذه الطريقة نظرة ثاقبة لتدفقات السوائل ويمكن أن تمتد إلى تطبيقات أخرى ، مثل قياس شكل اللهب والدور الذي تلعبه السرعة في الاحتراق وحتى لقياس السلوك الجماعي للمجموعات الحيوانية مثل قطعان الطيور.

بشكل عام ، سيكافح الأفراد الجدد في هذه التقنية لأن كمية البيانات يمكن أن تصبح هائلة ، لكننا نعتقد أننا طورنا كتاب طبخ لاستخدام هذه الطريقة. حسنًا. يعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمرا بالغ الأهمية لأن إعدادات الكاميرا والمعايرة مختلفة تماما عما هي عليه عند استخدام نهج كاميرا واحدة. سنقوم بإجراء هذه التجارب في مختبر BYU Biofluids التابع للدكتور سكوت طومسون بمساعدة طالب الدراسات العليا ، جيسي دالي.

تتمثل الخطوة الأولى في تحديد حجم حجم القياس ، بالإضافة إلى الدقة الزمنية والمكانية المطلوبة للتحقيق في تجربة تدفق السوائل. هنا ، سيتم استخدام الطريقة لأداء صورة جسيمات الفتحة الاصطناعية ثلاثية الأبعاد لتناظر الخسارة على تدفق الهواء الناجم عن طية صوتية اصطناعية. حجم القياس 50 × 50 × 25 ملم مكعب ، وأقصر النطاقات الزمنية التي يتم التقاطها هي 10 ميكروثانية.

بعد ذلك ، قم بتقدير الكثافة البصرية التي ستكون موجودة في التجربة من أجل تحديد عدد الكاميرات المطلوبة لإنشاء صور إعادة التركيز مع نسبة إشارة جيدة إلى الضوضاء. تتطلب كثافة البذر الأعلى المزيد من الكاميرات في هذه المرحلة من صورة الجسيمات. بالنسبة لتجارب التماثل O ، يجب أيضا حساب الجسيمات لكل بكسل قم بتركيب الكاميرات في تكوين مصفوفة على إطار بحيث يمكن لكل كاميرا عرض حجم القياس من وجهات نظر مختلفة.

بعد ذلك ، قم بتعيين التباعد بين الكاميرات المتبقية في المصفوفة. يؤدي تباعد الكاميرات بعيدا عن بعضها البعض إلى تحسين الدقة المكانية في بعد العمق على حساب العمق الكلي القابل للحل. لالتقاط البيانات.

عند العرض، قم بتوصيل الكاميرات بجهاز كمبيوتر مركزي. ضع هدفا مرئيا مثل شبكة المعايرة في وسط حجم القياس. استخدم الصورة من الكاميرا المركزية للمصفوفة كمرجع وحرك إطار المصفوفة بأكمله أقرب أو أبعد من حجم القياس لتحقيق زاوية التكبير أو الكاميرات المطلوبة بحيث يكون الهدف المرئي في وسط حجم القياس متمركزا تقريبا في كل صورة كاميرا.

مع فتح فتحات العدسة تماما على كل عدسة كاميرا، ركز كل كاميرا على الهدف المرئي. ضع هدف معايرة في الجزء الخلفي من حجم القياس. تأكد من أن الهدف في عرض كل كاميرا.

إذا لم يكن الأمر كذلك ، فقم بإعادة ضبط المسافة بين الكاميرات ومستوى صوت القياس و / أو تباعد الكاميرا. افعل الشيء نفسه مع هدف المعايرة في مقدمة وحدة التخزين وكرر حتى يظهر الجزء الأمامي والخلفي. في جميع الكاميرات.

أغلق فتحة كل كاميرا حتى يصبح الهدف في نطاق التركيز البؤري. عند وضعه في أي موضع داخل مستوى صوت القياس لكل كاميرا، قد تكون هناك حاجة إلى إضاءة إضافية مع إغلاق فتحة العدسة. للبدء ، حدد الطريقة المناسبة لإضاءة حجم القياس بناء على طريقة القياس المحددة التي يتم تطبيقها على مجال التدفق.

في هذا العرض التوضيحي ، يتم استخدام ليزر مزدوج النبض 1000 هرتز. استخدم العدسات البصرية لتشكيل الليزر في حجم ضوئي يغطي حجم القياس. أخيرا ، عندما تكون جاهزا لجمع البيانات ، كن مستعدا لبذر الحجم بجسيمات التتبع المناسبة لصورة الجسيمات.

قياسات التماثل كما هو موضح في المراجع. كقاعدة عامة ، تعد كثافة الصورة من 0.05 إلى 0.15 جسيما لكل بكسل مناسبة لمعظم التجارب التي تحتوي على ثماني كاميرات أو أكثر. بالنسبة لعدد ثابت من الكاميرات ، تنخفض الجسيمات لكل بكسل.

لأبعاد عمق حجم أكبر. الخطوة الحاسمة هي المعايرة. يمكن القيام بذلك مع أو بدون جزيئات التتبع.

إذا كنت تستخدم خوارزمية معايرة ذاتية متعددة الكاميرات كما في هذا العرض التوضيحي، فقم بإنشاء نظام إحداثيات مرجعي في حجم القياس. هنا ، يتم وضع شبكة المعايرة في وسط الطية الصوتية في اتجاه ثابت لنظام الإحداثيات المرجعية ، استخدم كائنا بهندسة معروفة كهدف معايرة. في هذه الحالة ، يمكن أن تكون شبكة المعايرة في خوارزمية المعايرة الذاتية متعددة الكاميرات أو مواقع هدف المعايرة عشوائية باستثناء تلك التي يتم التحكم فيها بدقة.

ينشئ نظام الإحداثيات المرجعي في كل كاميرا ، التقط صورة للهدف في كل موقع. حدد النقاط على الهدف في كل كاميرا. لكل صورة للمعايرة الذاتية ، يجب أن تكون كل نقطة محددة على الهدف موجودة في الصورة التي تم إنشاؤها بواسطة كل كاميرا.

ومع ذلك، فإن الموقع الصريح للنقاط في نظام الإحداثيات المرجعية مطلوب فقط للنقاط المرتبطة بالهدف المحدد بدقة. للحصول على بيانات لتصوير مجال الضوء الذي تم حله في الوقت الكمي ، يجب مزامنة جميع الكاميرات ومصادر الإضاءة بدقة. في هذه التجربة ، يتم استخدام مولد نبض خارجي مبرمج لتشغيل تعريضات الكاميرا وتسلسلات الإضاءة.

استعد لجمع كمية كبيرة من البيانات ، بما في ذلك التفكير في تسمية ملفات البيانات. ابدأ التقاط البيانات التجريبية من خلال التأكد من تدفق جزيئات التتبع وبدء تسلسل التقاط الكاميرا والإضاءة عبر طريقة التشغيل المختارة. من أجل إنتاج حجم إعادة تركيز صناعيا لجمع البيانات ، قم بإنشاء مكدس بؤري ثلاثي الأبعاد.

للقيام بذلك، حدد التباعد بين المستويات البؤرية وعمق إعادة التركيز الكلي في الحجم المعاد التركيز عليه. كما هو موضح في المراجع ، عادة ما يتم ضبط المستوى البؤري على نصف دقة العمق ويتم التحكم في عمق إعادة التركيز الكلي للمنطقة التي تتداخل فيها جميع مجالات رؤية الكاميرا. وستكون المستويات البؤرية متعامدة مع المحور Z لنظام الإحداثيات المرجعية.

لدينا هنا تباعد مستوى بؤري يبلغ حوالي 0.16 ملم وعمق إعادة تركيز إجمالي يبلغ 20 ملم مما يؤدي إلى ما يقرب من 128 طائرة مائية تم حلها بعد المعالجة ، وإجراء المعالجة المسبقة للصور لتحسين ضوضاء الخلفية واستيعاب الاختلافات في الكثافة بين الصور. قم بإنشاء تحويلات بين كل كاميرا ومستوى صورة وكل مستوى بؤري اصطناعي. أعد عرض الصور على المستويات البؤرية الاصطناعية.

قم بتطبيق المقياس وأعد تشكيل الصور. يمكن القيام بذلك داخل matlab. بالنظر إلى التحولات من المستوى إلى المستوى ، تطبق إما خوارزمية إعادة تركيز الفتحة الاصطناعية المضافة أو المضاعفة على كل مستوى بؤري اصطناعي.

كفحص، قم بتطبيق إعادة التركيز على مستوى واحد من صور المعايرة لمعرفة ما إذا كانت إعادة البناء تظهر كما هو متوقع. عندما يتم تطبيق طريقة الإضافة على أحد مستويات المعايرة عند z يساوي 13.3 ملم، تأتي الصورة إلى التركيز البؤري وتخرج منه حيث يتم اجتياز مكدس التركيز البؤري من الخلف إلى الأمام. أخيرا ، نوضح التركيز في كل مستوى معايرة باستخدام الصور المعاد التركيز عليها على اليسار والصورة من شبكة المعايرة من الكاميرا المركزية على اليمين.

بعد إعادة التركيز على جميع عمليات المستويات المطلوبة ، تطبق الصور لإزالة الضوضاء الناتجة عن إعادة التركيز على العتبة بناء على الرسوم البيانية الشديدة للصور المعاد التركيز للاحتفاظ بالجسيمات في التركيز. بعد ذلك ، قم بتكديس صور العتبة معا لإنشاء وحدة تخزين في عملية تسمى إعادة البناء. بعد إعادة البناء ، يمكن جمع البيانات الكمية من المجلد.

يظهر هنا مثال على صورة الجسيمات الخام عالية الجودة للخسارة ، صور التماثل من كاميرا واحدة. تحتوي هذه الصور على جزيئات موزعة بشكل موحد تظهر بتباين عال على الخلفية السوداء. هذه نتيجة تجربة مصنفة بشكل مناسب ومعايرة بدقة.

تكشف الصورة المعاد تركيزها بفتحة العدسة الاصطناعية أن الجسيمات في التركيز على كل مستوى عمق من اليسار إلى اليمين هي صور على أعماق سبعة ملليمترات تحت الصفر وصفر ملليمترات وسبعة ملليمترات. يتطلب الاستفادة من البيانات خطوة معالجة تعرف باسم إعادة البناء. في هذه الحالة ، يتم تطبيق الشدة والعتبة للاحتفاظ بالجسيمات في التركيز على كل مستوى عمق.

ثم يتم تكديس المستويات البؤرية لإنشاء وحدة تخزين هنا. يتم عرض الصور بنفس العمق في وقتين مختلفين. يمكن بعد ذلك تمرير حجم العتبة إلى مجلدات الاستجواب التي تحتوي على عدد كاف من الجسيمات لأداء تناظر صورة الجسيمات.

هذا مثال على بيانات العينة التي تم جمعها لمجال المتجه ثلاثي الأبعاد للنفاثة الناجمة عن الطيات الصوتية الاصطناعية لعدة خطوات. يظهر الجانب الأيسر عرضا غير متماثل I لمجال السرعة ثلاثي الأبعاد بأكمله في كل مرة. تظهر القطع المتدرجة للمستوى XY عند Z تساوي خمسة ملليمترات في القطع المركزية للمستوى YZ.

عند X يساوي 14 ملليمترا يظهر على اليمين عند t يساوي صفر مللي ثانية. الطية الصوتية مغلقة وتوجد سرعة قليلة جدا في المجال. تتحرك أكبر سرعة في النفاثة عند مللي ثانية واحدة في الاتجاه العريض الإيجابي وتقل شدتها من اثنين إلى أربعة مللي ثانية.

تغلق الطية عند خمسة مللي ثانية ، مما يقلل من سرعة النفاثة وتتكرر الدورة. تمثل هذه البيانات مجال السرعة في لقطة واحدة في الوقت المقابل للمتوسط الذي يتم تقديمه عادة. تطبيق آخر لتصوير مجال الضوء هو التدفقات الفقاعية.

يظهر هنا حقل شمبانيا يتكون من احتباس الهواء من نفاثة تصطدم بسطح الماء. إيقاف الفيديو مؤقتا في وقت واحد. تسمح الخطوة بإعادة التركيز من خلال الصورة على مستويات عمق مختلفة لرؤية الفقاعات تدخل وتخرج من التركيز.

تظهر هذه الصورة الثابتة من اليسار إلى اليمين الصورة الأولية لحقل تدفق شمبانيا من مصفوفة الكاميرا والصور المعاد تركيزها على أعماق 10 ملليمترات تحت الصفر وصفر ملليمترات و10 ملليمترات. تسلط الدائرة الضوء على فقاعة تقع على مستوى عمق 10 ملم تحت الصفر وتختفي عن الأنظار على الطائرات الأخرى بمجرد إتقانها ، يمكن عادة إجراء المعايرة والتقاط البيانات في حوالي أربع ساعات ، ويمكن إجراء إعادة التركيز على الالتقاط الاصطناعي في حوالي 12 ساعة أثناء تنفيذ هذا الإجراء. من المهم أن تكون منظما للغاية حيث توجد العديد من الخطوات في الكثير من البيانات التي يتم جمعها.

باتباع هذا الإجراء، يمكن استجواب مجموعات البيانات الغنية للحصول على رؤى مادية في العديد من الأسئلة مثل ما هي توزيعات حجم الفقاعة في التدفقات متعددة المراحل؟ ستمهد هذه التقنية الطريق للباحثين في مجالات مثل علم الأحياء الفيزيائي ، حيث يمكنهم دراسة ديناميكيات السوائل لرحلة الفراشة أو الهيكل ثلاثي الأبعاد لتدفق الطيور. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية إعداد الكاميرات لتصوير المجال الضوئي ، ومعايرتها بدقة ، وإجراء فتحة اصطناعية على الصور الموجودة في البرنامج ، واستخدام البيانات الحجمية لمزيد من المعالجة.

للحصول على نماذج من الرموز ومجموعات البيانات ومعلومات البرنامج التعليمي ، يرجى زيارة موقعنا على الإنترنت. لا تنس أن العمل مع Tad Truscott يمكن أن يكون خطيرا للغاية ودائما ما يتخذ الاحتياطات الكاملة ، مثل ارتداء الدروع الواقية للبدن عند العمل في مختبره.