Ermittlung 3D Flow Felder via Multi-Kamera-Light Field Imaging

Das übergeordnete Ziel des folgenden Videos ist es, einen Überblick über ein dreidimensionales Bildgebungsverfahren zu geben, das ein 3D-Geschwindigkeitsfeld erzeugen kann. Dies wird erreicht, indem kalibrierte Kameras verwendet werden, um die Bilder zu sammeln, die für die Abtastung des Lichtfeldes erforderlich sind. In einem zweiten Schritt wird das Lichtfeld neu parametrisiert, wodurch ein Fokusstapel von Bildern erzeugt wird, die eine 3D-Darstellung des Strömungsfeldes bilden.

Als nächstes wird der Fokusstapel mit einem Kreuzkorrelationsalgorithmus nachbearbeitet, um die 3D-Geschwindigkeitsfeldvektoren zu erhalten. Die Ergebnisse zeigen ein zeitaufgelöstes 3D-Strömungsfeld im Kielwasser eines vibrierenden synthetischen Stimmlippenmodells, das als Prüfstand verwendet wurde. Es werden auch Ergebnisse für die Technik gezeigt, die auf ein Blasenfeld angewendet wird.

Nur zu. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden besteht darin, dass wir in Volumina messen können, die mehr Partikel, Blasen oder Tröpfchen enthalten. Diese Methode kann Einblicke in Flüssigkeitsströmungen geben und auf andere Anwendungen ausgeweitet werden, wie z. B. die Messung der Form einer Flamme und der Rolle, die die Geschwindigkeit bei der Verbrennung spielt, und sogar auf die Messung des kollektiven Verhaltens von Tiergruppen wie Vogelschwärmen.

Im Allgemeinen werden Personen, die mit dieser Technik noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da die Datenmenge überwältigend werden kann, aber wir glauben, dass wir ein Kochbuch für die Verwendung dieser Methode entwickelt haben. Okay. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da sich die Kamera- und Kalibrierungseinstellungen erheblich von denen bei Verwendung eines Einzelkameraansatzes unterscheiden. Wir werden diese Experimente im BYU Biofluids-Labor von Dr. Scott Thompson mit Hilfe seines Doktoranden Jesse Daley durchführen.

In einem ersten Schritt werden die Größe des Messvolumens sowie die zeitliche und räumliche Auflösung bestimmt, die für die Untersuchung des Strömungsexperiments erforderlich ist. Hier wird die Methode verwendet, um ein 3D-Partikelbild mit synthetischer Apertur für den Verlust der Symmetrie in der Luftströmung durchzuführen, die durch eine synthetische Stimmlippe induziert wird. Das Messvolumen beträgt 50 x 50 x 25 Millimeter kubisch, und die kürzesten Zeitskalen, die erfasst werden können, betragen 10 Mikrosekunden.

Schätzen Sie als Nächstes die optische Dichte, die im Experiment vorhanden sein wird, um die Anzahl der Kameras zu bestimmen, die erforderlich sind, um Refokus-Bilder mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis zu erzeugen. Höhere Seeding-Dichten erfordern an dieser Stelle eines Partikelbildes mehr Kameras. Für O-Symmetrie-Experimente sollten die Partikel pro Pixel auch berechnet werden. Montieren Sie Kameras in einer Array-Konfiguration auf einem Rahmen, so dass jede Kamera das Messvolumen aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten kann.

Legen Sie als Nächstes den Abstand zwischen den verbleibenden Kameras im Array fest. Durch den größeren Abstand der Kameras zueinander wird die räumliche Auflösung in der Tiefendimension auf Kosten der auflösbaren Gesamttiefe verbessert. Für die Datenerfassung.

Schließen Sie die Kameras während der Anzeige an einen Zentralcomputer an. Platzieren Sie ein visuelles Ziel, z. B. ein Kalibriergitter, in der Mitte des Messvolumens. Verwenden Sie das Bild von der mittleren Kamera des Arrays als Referenz und bewegen Sie den gesamten Array-Rahmen näher oder weiter vom Messvolumen, um den gewünschten Vergrößerungswinkel zu erreichen, oder Kameras so, dass das visuelle Ziel in der Mitte des Messvolumens in jedem Kamerabild ungefähr zentriert ist.

Wenn die Blenden an jedem Kameraobjektiv vollständig geöffnet sind, fokussieren Sie jede Kamera auf das visuelle Ziel. Platzieren Sie ein Kalibriertarget auf der Rückseite des Messvolumens. Stellen Sie sicher, dass sich das Ziel im Blickfeld jeder Kamera befindet.

Ist dies nicht der Fall, stellen Sie den Abstand zwischen den Kameras und der Messlautstärke und/oder den Kameraabstand neu ein. Machen Sie dasselbe mit einem Kalibrierungsziel an der Vorderseite des Volumes und iterieren Sie, bis die Vorder- und Rückseite sichtbar sind. In allen Kameras.

Schließen Sie die Blende jeder Kamera, bis das Ziel scharf ist. Wenn sie sich an einer beliebigen Position innerhalb des Messvolumens für jede Kamera befinden, kann bei geschlossener Blende eine zusätzliche Beleuchtung erforderlich sein. Bestimmen Sie zunächst die geeignete Methode zur Beleuchtung des Messvolumens auf der Grundlage der spezifischen Messmethode, die auf das Durchflussfeld angewendet wird.

Für diese Demonstration wird ein 1000-Hertz-Doppelpulslaser verwendet. Verwenden Sie optische Linsen, um den Laser zu einem Lichtvolumen zu formen, das das Messvolumen abdeckt. Wenn Sie schließlich für die Datenerfassung bereit sind, sollten Sie darauf vorbereitet sein, das Volumen mit Tracerpartikeln zu bepflanzen, die für particle image.Loc.

Symmetriemessungen, wie in den Referenzen beschrieben. Als Faustregel gilt, dass eine Bilddichte von 0,05 bis 0,15 Partikeln pro Pixel für die meisten Experimente mit acht oder mehr Kameras geeignet ist. Bei einer festen Anzahl von Kameras nehmen die Partikel pro Pixel ab.

Für größere Volumentiefenabmessungen. Ein kritischer Schritt ist die Kalibrierung. Dies kann mit oder ohne die Tracerpartikel erfolgen.

Wenn Sie wie in dieser Demonstration einen Selbstkalibrierungsalgorithmus mit mehreren Kameras verwenden, richten Sie ein Referenzkoordinatensystem im Messvolumen ein. Hier wird das Kalibrierungsgitter in der Mitte der Stimmlippe platziert. Verwenden Sie in einer festen Ausrichtung zum Referenzkoordinatensystem ein Objekt mit einer bekannten Geometrie als Kalibrierungsziel. In diesem Fall können das Kalibrierungsgitter im Selbstkalibrierungsalgorithmus für mehrere Kameras oder die Kalibrierungszielpositionen zufällig sein, mit Ausnahme des genau gesteuerten.

Dadurch wird das Referenzkoordinatensystem festgelegt. Nehmen Sie in jeder Kamera ein Bild des Ziels an jeder Position auf. Identifizieren Sie Punkte auf dem Ziel in jeder Kamera. Für jedes Bild für die Selbstkalibrierung muss sich jeder identifizierte Punkt auf dem Ziel in dem Bild befinden, das von jeder Kamera aufgenommen wurde.

Die explizite Position der Punkte im Referenzkoordinatensystem ist jedoch nur für die Punkte erforderlich, die mit dem genau positionierten Ziel verknüpft sind. Um Daten für die quantitative zeitaufgelöste Lichtfeldabbildung zu erhalten, müssen alle Kameras und Beleuchtungsquellen genau synchronisiert werden. Für dieses Experiment wird ein programmierter externer Impulsgenerator verwendet, um die Kamerabelichtungen und Beleuchtungssequenzen auszulösen.

Bereiten Sie sich auf die Erfassung einer großen Datenmenge vor, und denken Sie auch über die Benennung von Datendateien nach. Beginnen Sie mit der experimentellen Datenerfassung, indem Sie sicherstellen, dass die Tracerpartikel fließen, und die Kameraerfassung und Beleuchtungssequenz über die gewählte Triggermethode initiieren. Um ein synthetisch refokussiertes Volumen für die Datenerfassung zu erzeugen, generieren Sie einen 3D-Fokusstapel.

Definieren Sie dazu den Abstand zwischen den Fokusebenen und die Gesamttiefe der Refokussierung im neu fokussierten Volumen. Wie in den Referenzen erläutert, ist die Fokusebene in der Regel auf die halbe Tiefenauflösung eingestellt, und die gesamte Refokussierungstiefe wird durch den Bereich bestimmt, in dem sich alle Sichtfelder der Kamera überlappen. Die Fokusebenen verlaufen senkrecht zur Z-Achse des Referenzkoordinatensystems.

Hier haben wir einen Fokusebenenabstand von etwa 0,16 Millimetern und eine gesamte Refokussierungstiefe von 20 Millimetern, was zu etwa 128 aufgelösten Wasserflugzeugen nach der Verarbeitung führt, führen eine Bildvorverarbeitung durch, um das Hintergrundrauschen zu verbessern und Intensitätsunterschiede zwischen den Bildern auszugleichen. Richten Sie Transformationen zwischen jeder Kamera, jeder Bildebene und jeder synthetischen Fokusebene ein. Projizieren Sie die Bilder erneut auf die synthetischen Fokusebenen.

Wenden Sie die Skalierung an und berechnen Sie die Bilder neu. Dies kann innerhalb von matlab erfolgen. Wenden Sie bei den Ebenentransformationen entweder den additiven oder den multiplikativen Algorithmus zur Neufokussierung der synthetischen Apertur auf jede synthetische Fokusebene an.

Wenden Sie zur Überprüfung die Neufokussierung auf eine Ebene der Kalibrierungsbilder an, um zu sehen, ob die Rekonstruktion wie erwartet aussieht. Wenn die additive Methode auf eine der Kalibrierebenen bei z gleich 13,3 Millimetern angewendet wird, wird das Bild beim Durchlaufen des Fokusstapels von hinten nach vorne scharf und wieder unscharf. Schließlich demonstrieren wir den Fokus auf jeder Kalibrierungsebene anhand der neu fokussierten Bilder auf der linken Seite und des Bildes aus dem Kalibrierungsgitter der zentralen Kamera auf der rechten Seite.

Nach der Neufokussierung auf alle gewünschten Ebenen wenden die Bilder zur Entfernung des durch die Neufokussierung verursachten Rauschens einen Schwellenwert an, der auf den Intensitätshistogrammen der neu fokussierten Bilder basiert, um fokussierte Partikel beizubehalten. Stapeln Sie als Nächstes Schwellenwertbilder zusammen, um ein Volume in einem Prozess zu erstellen, der als Rekonstruktion bezeichnet wird. Nach der Rekonstruktion können quantitative Daten aus dem Volumen gewonnen werden.

Ein Beispiel für das hochwertige Rohpartikelbild für Verlust- und Symmetriebilder von einer einzelnen Kamera ist hier zu sehen. Diese Bilder enthalten gleichmäßig verteilte Partikel, die sich mit hohem Kontrast vom schwarzen Hintergrund abheben. Hier ist das Ergebnis eines entsprechend gesäten und genau kalibrierten Experiments.

Das neu fokussierte Bild mit synthetischer Apertur zeigt scharfe Partikel auf jeder Tiefenebene von links nach rechts, die Bilder in Tiefen von minus sieben Millimetern, null Millimetern und sieben Millimetern sind. Um die Daten nutzen zu können, ist ein Verarbeitungsschritt erforderlich, der als Rekonstruktion bezeichnet wird. In diesem Fall wird der Schwellenwert für die Intensität angewendet, um die fokussierten Partikel auf jeder Tiefenebene beizubehalten.

Die Fokusebenen werden dann gestapelt, um hier ein Volumen zu erzeugen. Bilder in der gleichen Tiefe werden zu zwei verschiedenen Zeitpunkten angezeigt. Das Schwellenwertvolumen kann dann in Abfragevolumina übergeben werden, die eine ausreichende Anzahl von Partikeln enthalten, um eine Partikelbild-Velosymmetrie durchzuführen.

Dies ist ein Beispiel für Beispieldaten, die für das dreidimensionale Vektorfeld des Jets gesammelt wurden, das durch synthetische Stimmlippen in mehreren Schritten verursacht wird. Die linke Seite zeigt jeweils eine I-asymmetrische Ansicht des gesamten 3D-Velocity-Feldes. Stufenschnitte der XY-Ebene bei Z gleich fünf Millimetern ist in den Mittelschnitten der YZ-Ebene dargestellt.

Bei X sind gleich 14 Millimeter dargestellt, bei rechts bei t gleich null Millisekunden. Die Stimmlippe ist geschlossen und es ist nur sehr wenig Geschwindigkeit im Feld vorhanden. Die mit einer Millisekunde größte Geschwindigkeit im Jet bewegt sich in die positive weite Richtung und verringert sich in ihrer Intensität von zwei auf vier Millisekunden.

Die Falte schließt sich nach fünf Millisekunden, wodurch die Strahlgeschwindigkeit reduziert wird, und der Zyklus wird wiederholt. Diese Daten stellen das Geschwindigkeitsfeld in einem einzelnen Snapshot dar, im Gegensatz zum Durchschnitt, der normalerweise dargestellt wird. Eine weitere Anwendung der Lichtfeld-Bildgebung ist die Suche nach sprudelnden Strömungen.

Hier ist ein sprudelndes Feld zu sehen, das durch das Mitreißen von Luft von einem Strahl gebildet wird, der auf die Wasseroberfläche trifft. Das Video wird gleichzeitig angehalten. Step ermöglicht die Neufokussierung des Bildes in verschiedenen Tiefenebenen, um zu sehen, wie die Blasen in den Fokus ein- und ausgehen.

Dieses Standbild zeigt von links nach rechts das Rohbild eines sprudelnden Strömungsfeldes aus dem Kamera-Array und neu fokussierte Bilder in Tiefen von minus 10 Millimetern, null Millimetern und 10 Millimetern. Der Kreis hebt eine Blase hervor, die auf der Ebene mit einer Tiefe von minus 10 Millimetern liegt und in den anderen Ebenen aus dem Blickfeld verschwindet. Nach der Beherrschung können die Kalibrierung und Datenerfassung in der Regel in etwa vier Stunden durchgeführt werden, und die Neufokussierung der synthetischen Erfassung kann in etwa 12 Stunden durchgeführt werden, während dieses Verfahren durchgeführt wird. Es ist wichtig, sehr gut organisiert zu sein, da viele Schritte in vielen gesammelten Daten enthalten sind.

Nach diesem Verfahren können die umfangreichen Datensätze abgefragt werden, um physikalische Erkenntnisse zu verschiedenen Fragen zu erhalten, z. B. wie hoch sind die Blasengrößenverteilungen in mehrphasigen Strömungen? Diese Technik wird Forschern in Bereichen wie der physikalischen Biologie den Weg ebnen, wo sie die Strömungsdynamik des Schmetterlingsflugs oder die dreidimensionale Struktur des Vogelschwarms untersuchen können. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein ziemlich gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Kameras für die Lichtfeld-Bildgebung einrichten, sie genau kalibrieren, die Bilder in der Software mit synthetischer Apertur versehen und die volumetrischen Daten für die weitere Verarbeitung verwenden.

Für Beispielcodes, Datensätze und Tutorial-Informationen besuchen Sie bitte unsere Website. Vergessen Sie nicht, dass die Zusammenarbeit mit Tad Truscott extrem gefährlich sein kann, und treffen Sie immer alle Vorsichtsmaßnahmen, wie z. B. das Tragen von Schutzwesten, wenn Sie in seinem Labor arbeiten.