Bildbasierte Lagrange-Partikel-Tracking in Bettlasten-Experimenten

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Trajektorien einzelner Partikel, die von einer Strömung als Geschiebe transportiert werden, über einen großen Beobachtungsbereich zu messen, um experimentelle Verzerrungen in Bezug auf die maximale Länge messbarer Spuren zu vermeiden. Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen der Geschiebetransportmechanik zu beantworten, da sie detaillierte Informationen über die Bewegungs- und Ruheereignisse des Teilchens liefert. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die transportierten Partikel über große Entfernungen verfolgt werden können, so dass lange Untersuchungen beobachtet werden können.

Die Idee zu dieser Methode kamen uns erstmals bei der Analyse von Daten aus früheren Experimenten, als wir feststellten, dass Teilchen über längere Strecken in Bezug auf die Beobachtungsfenster transportiert werden können. Bereiten Sie zunächst einen Satz Stahlplatten vor, die mit einer Schicht der interessierenden Sedimentpartikel bedeckt sind. Beschichten Sie die Sedimentoberfläche mit einer wasserfesten schwarzen Farbe.

Legen Sie anschließend PVC-Stützen auf die Unterseite der Rinne und legen Sie die Platten auf die Stützen. Passen Sie die Platzierung der Platte nach Bedarf an, um sicherzustellen, dass das Sedimentbett kontinuierlich ist. Decken Sie dann die Rinne mit transparenten Acryldeckeln ab.

Stellen Sie die Rinne auf die gewünschte Neigung ein. Schalten Sie dann die Rinnenpumpe ein und füllen Sie den Kanal mit Wasser. Stellen Sie die Durchflussmenge mit dem Regelventil ein.

Stellen Sie die Höhe der Druckhöhe mit dem Endwasserregler auf etwas über den Kanaldeckeln ein. Stellen Sie sicher, dass der Durchfluss abgedeckt wird, ohne nennenswerte Kraft auf die Deckel auszuüben. Überprüfen Sie die Durchflussmenge und die Druckhöhe alle 15 Minuten, bis die Abweichung zwischen den Messungen gering ist, was auf einen stabilen Durchfluss hinweist.

Montieren Sie dann ein Ultraschall-Geschwindigkeitsmessgerät in einer Halterung mit einer vorgegebenen Neigung. Tragen Sie Ultraschallgel auf die Sondenspitze auf. Platzieren Sie die Sonde über dem Rinnendeckel mit dem Sondenende in Richtung des Kanaleinlasses.

Die richtige Platzierung des Sondierungsgels ist entscheidend, um gute Geschwindigkeitsprofile für die Charakterisierung der hydrodynamischen Hintergrundbedingungen zu erhalten. Schließen Sie die Sonde an das Erfassungsmodul an und konfigurieren Sie das Gerät für momentane Geschwindigkeitsprofile. Erfassen Sie die gewünschte Anzahl von Geschwindigkeitsprofilen.

Kehren Sie dann die Position der Sonde um und erfassen Sie einen weiteren Satz von Geschwindigkeitsprofilen. Erfassen Sie auf diese Weise Geschwindigkeitsprofile für jeden Messort auf der Rinne. Berechnen Sie dann den durchschnittlichen Geschwindigkeitswert für jede Position, und bestimmen Sie die Komponenten für die strömungsweise und die vertikale Geschwindigkeit.

Passen Sie die Werte entsprechend den Werten für das Medium an, durch das sich der Schallstrahl bewegt hat. Identifizieren Sie einen Bereich von Höhen, bei dem das Profil der strömungsweisen Geschwindigkeitskomponente einen linearen Trend in einem semi-logarithmischen Diagramm zeigt. Passen Sie die Kurve an eine logarithmische Gleichung an und schätzen Sie die Schergeschwindigkeit.

Um das Experiment zu starten, stellen Sie die Bildrate und die Auflösung von zwei Action-Kameras auf die gewünschten Parameter ein. Montieren Sie die Kameras an den Seitenwänden der Deckel mit Blick auf den Kanalboden so nah beieinander, dass sich die Fokusbereiche überlappen. Stellen Sie sicher, dass die Rinne mit visuellen Referenzpunkten für bekannte Entfernungen markiert ist.

Nehmen Sie mit jeder Kamera ein kurzes Video auf. Passen Sie basierend auf den Aufnahmen die Kamerapositionen und -ausrichtungen an, um sicherzustellen, dass sich der Kanal im Bild befindet und sich die Fokusbereiche überlappen. Stellen Sie sicher, dass der Durchfluss durch den Kanal stabil ist.

Beginnen Sie dann, die interessierenden Partikel langsam von Hand mit einer Geschwindigkeit von einem Partikel alle zwei bis drei Sekunden in den Kanaleinlass einzuführen. Wir füttern kleine Mengen an Sedimenten, da es für eine einfache Sedimentverfolgung wichtig ist, wenige Partikel im Sichtfeld zu haben. Bei kleinen Entladungen kann es jedoch vorkommen, dass einige Partikel im Fokusbereich stecken bleiben.

Starten Sie die Aufnahme mit beiden Videokameras. Schalten Sie die Raumbeleuchtung aus, um eine Markierung für die spätere Kamerasynchronisierung zu erstellen. Halten Sie während des gesamten Experiments ein konstantes Lichtniveau aufrecht.

Führen Sie die Partikel für die gewünschte Versuchsdauer weiter in die Rinne ein. Stoppen Sie dann die Kameras und entfernen Sie eingeschlossene Partikel aus dem Sedimentbett. Der Versuch wird bei Bedarf unter anderen hydrodynamischen Bedingungen wiederholt.

Um mit der Verarbeitung der aus den Videos extrahierten Bilder zu beginnen, wenden Sie zunächst eine radiale Transformation auf die Pixelkoordinaten an, so dass die Rinnenseiten als gerade Linien erscheinen. Bestimmen Sie die Umrechnung: den Umrechnungsfaktor von Pixeln in die Entfernung basierend auf der Betthöhe und den Referenzmarkern für bekannte Entfernungen. Erstellen Sie dann eine neue Bildsequenz in der Bildanalysesoftware für Strömungsströmungen.

Geben Sie das Zeitintervall zwischen den Frames und den Umrechnungsfaktor von Pixel in Entfernung für die Bildsequenz ein. Wählen Sie die gewünschten Dateien aus und führen Sie den Vorgang aus. Generieren Sie Intensitätskarten einer zufälligen Auswahl von Partikelbildern aus der Sequenz.

Ermitteln Sie einen geeigneten Schwellenwert für die Intensität der interessierenden Partikel. Erstellen Sie dann eine Filterpipeline für die Sequenz. Stellen Sie den Filter auf Hintergrundentfernung ein.

Erstellen Sie einen neuen Partikelidentifikationsalgorithmus mit einem einzigen Schwellenwert. Geben Sie die Schwellenwerte für die Partikelintensität und den Durchmesser ein. Fügen Sie der Filterpipeline die Partikelidentifizierungsprozesse hinzu, und führen Sie dann die Prozesse aus.

Sobald die Filterung abgeschlossen ist, öffnen Sie die Bildansicht des neu erstellten Partikeldatensatzes. Scrollen Sie durch die Frames und notieren Sie sich die Partikelverschiebungen zwischen den Bildern. Erstellen Sie dann eine neue PTV-Analyse-Pipeline.

Erstellen Sie eine neue Analyse, und wählen Sie auf der Registerkarte "Kosten" die Option "Entfernung" aus. Geben Sie die Position und die Dimensionen des Suchfensters ein. Fügen Sie der Pipeline den neuen Prozess hinzu, und führen Sie den Prozess aus.

Verwenden Sie die Option Spurverbindung wiederherstellen, um Unterbrechungen in den einzelnen Partikeldatensätzen zu beheben. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die zweite Kameraaufnahme. Wählen Sie dann in einem speziellen Bildverarbeitungsmodul die Spurdatei für beide Kameras aus und klicken Sie auf Spureigenschaften suchen.

Vergleichen Sie Bilder von den vor- und nachgelagerten Kameras, um die Koordinatenverschiebung zwischen den Kameras zu bestimmen. Geben Sie die Koordinatenverschiebung für die Downstream-Kamera ein, und klicken Sie auf Referenzsystem einheitlich machen. Füllen Sie die Grenzen des Überlappungsbereichs zwischen den Bildern aus.

Entfernen Sie alle Trajektorien, die kleiner als die Länge des überlappenden Bereichs sind. Führen Sie die Partikelspurdatenbanken zusammen und geben Sie die Überlappungstoleranzen ein. Schließen Sie sich dann den Gleisen an.

Sobald der Prozess abgeschlossen ist, speichern Sie die Ergebnisse und analysieren Sie dann die Streckendaten, um die Kinematik der Geschiebe-Partikel zu untersuchen. Das gemessene Strömungsgeschwindigkeitsprofil war asymmetrisch, was auf einen Unterschied in der Rauheit zwischen dem Sedimentbett und dem Kanaldeckel zurückgeführt wurde. Die vor- und nachgelagerten Kameras zeigen 37 bzw. 34 Spuren über einen Zeitraum von 100 Sekunden.

Nach dem Zusammenfügen der Daten beider Kameras wurden insgesamt 59 Spuren identifiziert. Die längste Spur überspannte das gesamte Beobachtungsfenster mit einer Gesamtlänge von etwa 1,6 Metern. Die Spuren wurden analysiert, um zu erkennen, wann die Partikel in Bewegung waren oder auf dem Sedimentbett ruhten.

Das große Beobachtungsgebiet ermöglichte die Identifizierung von Langhopfen, wobei unter diesen hydrodynamischen Bedingungen Hopfen von bis zu 600 Millimetern beobachtet werden konnten. Es wurde festgestellt, dass kürzere, schnellere Hopfen am häufigsten auftreten. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Sedimenttransportexperimente zur Partikelverfolgung über große Gebiete durchführt.

Denken Sie beim Versuch dieses Verfahrens daran, sicherzustellen, dass die Beleuchtung des Experiments gut ist, auch wenn die Bilder auf viele Arten gesammelt werden können, beginnend mit qualitativ hochwertigen Bildern, was einen Großteil der folgenden Arbeit vereinfacht. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet des Sedimenttransporters, eine Vielzahl von Indikatoren für die Prozessinterpretation und -modellierung zu erforschen.