קביעת שדות זרימה 3D באמצעות מצלמה מרובה אור תחום הדמיה

המטרה הכוללת של הסרטון הבא היא להציג סקירה כללית של טכניקת הדמיה תלת מימדית שיכולה להניב שדה מהירות תלת מימדי. זה מושג על ידי שימוש במצלמות מכוילות כדי לאסוף את התמונות הנדרשות לדגימת שדה האור. כשלב שני, שדה האור עובר פרמטר מחדש, מה שמייצר ערימת מוקד של תמונות היוצרות ייצוג תלת מימדי של שדה הזרימה.

לאחר מכן, ערימת המוקד היא לאחר תהליך באמצעות אלגוריתם מתאם צולב כדי להשיג את וקטורי שדה המהירות התלת מימדיים. התוצאות מראות שדה זרימה תלת מימדי שנפתר בזמן בעקבות מודל קפלי קול סינתטי רוטט המשמש כמיטת בדיקה. התוצאות מוצגות גם עבור הטכניקה המיושמת על שדה בועות.

לך על זה. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני השיטות הקיימות הוא שאנו יכולים למדוד בנפחים המכילים יותר חלקיקים, בועות או טיפות. שיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי זרימת נוזלים ולהרחיב אותה ליישומים אחרים, כגון מדידת צורת הלהבה והתפקיד שממלאת המהירות בבעירה ואפילו למדידת התנהגות קולקטיבית של קבוצות בעלי חיים כמו להקות ציפורים.

בדרך כלל, אנשים חדשים בטכניקה זו יתקשו מכיוון שכמות הנתונים יכולה להיות מכריעה, אך אנו חושבים שפיתחנו ספר בישול לשימוש בשיטה זו. בסדר. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית מכיוון שהגדרות המצלמה והכיול שונות למדי מאשר בשימוש בגישת מצלמה בודדת. אנו נבצע את הניסויים האלה במעבדת BYU Biofluids של ד"ר סקוט תומפסון בעזרתו של תלמיד התואר השני שלו, ג'סי דיילי.

השלב הראשון הוא לקבוע את גודל נפח המדידה, כמו גם את הרזולוציה הזמנית והמרחבית הנדרשת לחקירת ניסוי זרימת הנוזלים. כאן, השיטה תשמש לביצוע תמונת חלקיקי צמצם סינתטי תלת מימדית לאובדן סימטריה בזרימת האוויר הנגרמת על ידי קפל קול סינטטי. נפח המדידה הוא 50 על 50 על 25 מילימטר מעוקב, וטווחי הזמן הקצרים ביותר ללכידה הם 10 מיקרו-שניות.

לאחר מכן, העריכו את הצפיפות האופטית שתהיה נוכחת בניסוי על מנת לקבוע את מספר המצלמות הנדרשות ליצירת תמונות מיקוד מחדש עם יחס אות לרעש טוב. צפיפות זריעה גבוהה יותר דורשת יותר מצלמות בשלב זה בתמונת חלקיקים. עבור ניסויי סימטריה O, יש לחשב גם את החלקיקים לפיקסל התקן מצלמות בתצורת מערך על מסגרת כך שכל מצלמה תוכל לצפות בנפח המדידה מנקודות מבט שונות.

לאחר מכן, הגדר את המרווח בין המצלמות הנותרות במערך. ריווח המצלמות רחוק יותר זו מזו משפר את הרזולוציה המרחבית בממד העומק במחיר של עומק כולל הניתן לפתרון. ללכידת נתונים.

בצפייה, חבר את המצלמות למחשב מרכזי. מקם מטרה חזותית כגון רשת כיול במרכז נפח המדידה. השתמש בתמונה מהמצלמה המרכזית של המערך כהתייחסות והזז את כל מסגרת המערך קרוב או רחוק יותר מנפח המדידה כדי להשיג את זווית ההגדלה הרצויה או מצלמות כך שהמטרה החזותית במרכז נפח המדידה תהיה מרוכזת בערך בכל תמונת מצלמה.

כאשר הצמצמים פתוחים לחלוטין בכל עדשת מצלמה, מקד כל מצלמה במטרה החזותית. הנח יעד כיול בחלק האחורי של נפח המדידה. ודא שהמטרה נמצאת ב-view של כל מצלמה.

אם לא, התאם מחדש את המרחק בין המצלמות לבין עוצמת הקול של המדידה ו/או את מרווח המצלמות. עשה את אותו הדבר עם יעד כיול בקדמת עוצמת הקול וחזור על הפעולה עד שהחלק הקדמי והאחורי נראים לעין. בכל המצלמות.

סגור את הצמצם של כל מצלמה עד שהמטרה תהיה ממוקדת. כאשר הוא ממוקם בכל מיקום בנפח המדידה עבור כל מצלמה, ייתכן שיהיה צורך בתאורה נוספת כאשר הצמצם סגור. כדי להתחיל, קבע את השיטה המתאימה להארת נפח המדידה על סמך שיטת המדידה הספציפית המיושמת על שדה הזרימה.

לצורך הדגמה זו נעשה שימוש בלייזר דופק כפול של 1000 הרץ. השתמש בעדשות אופטיות כדי ליצור את הלייזר לנפח אור המכסה את נפח המדידה. לבסוף, כאשר הם מוכנים לאיסוף נתונים, היו מוכנים לזרוע את הנפח עם חלקיקי עוקב המתאימים לתמונת חלקיקים.

מדידות סימטריה כמתואר בהפניות. ככלל אצבע, צפיפות תמונה של 0.05 עד 0.15 חלקיקים לפיקסל מתאימה לרוב הניסויים עם שמונה מצלמות או יותר. עבור מספר קבוע של מצלמות, החלקיקים לפיקסלים פוחתים.

למידות עומק נפח גדולות יותר. שלב קריטי הוא כיול. ניתן לעשות זאת עם או בלי חלקיקי המעקב.

אם אתה משתמש באלגוריתם כיול עצמי מרובה מצלמות כמו בהדגמה זו, הקם מערכת קואורדינטות ייחוס בנפח המדידה. כאן, רשת הכיול ממוקמת במרכז קפל הקול בכיוון קבוע למערכת קואורדינטות הייחוס, השתמש באובייקט בעל גיאומטריה ידועה כיעד כיול. במקרה זה, רשת הכיול באלגוריתם הכיול העצמי מרובה המצלמות או במיקומי יעד הכיול יכולה להיות אקראית למעט זו הנשלטת במדויק.

זה מקים את מערכת קואורדינטות הייחוס בכל מצלמה, צלם תמונה של המטרה בכל מיקום. זהה נקודות על המטרה בכל מצלמה. עבור כל תמונה לכיול עצמי, כל נקודה מזוהה על המטרה חייבת להיות ממוקמת בתמונה שנוצרה על ידי כל מצלמה.

עם זאת, מיקום מפורש של הנקודות במערכת קואורדינטות הייחוס נדרש רק עבור הנקודות הקשורות למטרה הממוקמת במדויק. כדי להשיג נתונים להדמיית שדה אור כמותית שנפתרה בזמן, יש לסנכרן במדויק את כל המצלמות ומקורות התאורה. לצורך ניסוי זה, נעשה שימוש במחולל דופק חיצוני מתוכנת כדי להפעיל את חשיפות המצלמה ורצפי התאורה.

התכוננו לאיסוף כמות גדולה של נתונים, כולל הקדשת מחשבה למתן שמות לקבצי נתונים. התחל לכידת נתונים ניסיוניים על ידי הבטחת חלקיקי העוקב זורמים והתחלת רצף לכידת המצלמה והתאורה באמצעות שיטת ההפעלה שנבחרה. על מנת לייצר נפח ממוקד מחדש סינתטי לאיסוף נתונים, צור ערימת מוקד תלת מימדית.

לשם כך, הגדר את המרווח בין מישורי המוקד ואת עומק המיקוד מחדש הכולל בנפח הממוקד מחדש. כפי שהוסבר בהפניות, בדרך כלל מישור המוקד מוגדר למחצית מרזולוציית העומק ועומק המיקוד מחדש הכולל נשלט על ידי האזור שבו כל שדות הראייה של המצלמה חופפים. מישורי המוקד יהיו בניצב לציר Z של מערכת קואורדינטות הייחוס.

כאן יש לנו מרווח מישור מוקד של כ-0.16 מילימטרים ועומק מיקוד מחדש כולל של 20 מילימטרים וכתוצאה מכך כ-128 מטוסים ימיים נפתרים לאחר העיבוד, מבצעים עיבוד מקדים של תמונה כדי לשפר את רעשי הרקע ולהתאים להבדלים בעוצמה בין התמונות. קבע טרנספורמציות בין כל מצלמה, מישור תמונה וכל מישור מוקד סינתטי. הקרנה מחדש של תמונות על מישורי המוקד הסינתטיים.

החל את קנה המידה ודגום מחדש את התמונות. ניתן לעשות זאת בתוך matlab. בהינתן טרנספורמציות מישור למישור, מיישמים את אלגוריתם המיקוד מחדש של צמצם סינתטי תוסף או כפל על כל מישור מוקד סינתטי.

כבדיקה, החל את המיקוד מחדש על מישור אחד של תמונות הכיול כדי לראות אם השחזור מופיע כצפוי. כאשר מיושמת שיטת התוסף על אחד ממטוסי הכיול ב-z שווה ל-13.3 מילימטרים, התמונה נכנסת ויוצאת מהמיקוד כאשר ערימת המיקוד עוברת מאחור לחזית. לבסוף, אנו מדגימים את המיקוד בכל מישור כיול באמצעות התמונות הממוקדות מחדש משמאל והתמונה מרשת הכיול מהמצלמה המרכזית מימין.

לאחר תהליך התמקדות מחדש בכל המישורים הרצויים, התמונות להסרת רעש הנגרם על ידי מיקוד מחדש מחילות סף המבוסס על היסטוגרמות העוצמה של תמונות ממוקדות מחדש כדי לשמור על חלקיקים במיקוד. לאחר מכן, ערמו תמונות סף יחד כדי ליצור נפח בתהליך שנקרא שחזור. לאחר השחזור ניתן לאסוף נתונים כמותיים מהכרך.

דוגמה לתמונת החלקיקים הגולמיים האיכותית לאובדן תמונות סימטריה ממצלמה בודדת מוצגת כאן. תמונות אלה מכילות חלקיקים מפוזרים באופן אחיד המופיעים עם ניגודיות גבוהה על הרקע השחור. הנה התוצאה של ניסוי שנזרע כראוי ומכויל במדויק.

התמונה הממוקדת מחדש של הצמצם הסינתטי חושפת חלקיקים ממוקדים בכל מישור עומק משמאל לימין הם תמונות בעומקים של מינוס שבעה מילימטרים, אפס מילימטרים ושבעה מילימטרים. כדי להשתמש בנתונים נדרש שלב עיבוד המכונה שחזור. במקרה זה, עוצמה, סף מוחל כדי לשמור על חלקיקים ממוקדים בכל מישור עומק.

לאחר מכן מערימים את מישורי המוקד כדי ליצור נפח כאן. תמונות באותו עומק מוצגות בשני זמנים שונים. לאחר מכן ניתן להעביר את נפח הסף לנפחי חקירה המכילים מספר מספיק של חלקיקים לביצוע סימטריית ולו תמונת חלקיקים.

זוהי דוגמה לנתוני מדגם שנאספו עבור השדה הווקטורי התלת מימדי של הסילון הנגרם על ידי קפלי קול סינתטיים במשך מספר פעמים צעדים. הצד השמאלי מציג תצוגה אסימטרית I של כל שדה המהירות התלת-ממדי בכל פעם. חיתוכי צעד של מישור ה-XY ב-Z שווים לחמישה מילימטרים מוצגים בחיתוכים המרכזיים של מישור ה-YZ.

ב-X שווים 14 מילימטרים מוצגים מימין ב-t שווה לאפס אלפיות השנייה. קפל הקול סגור ויש מעט מאוד מהירות בשדה. המהירות הגדולה ביותר במטוס באלפית שנייה נעה בכיוון הרחב החיובי ופוחתת בעוצמתה משתיים לארבע אלפיות השנייה.

הקיפול נסגר בחמש אלפיות השנייה, מפחית את מהירות הסילון והמחזור חוזר על עצמו. נתונים אלה מייצגים את שדה המהירות בתמונת מצב בודדת בזמן בניגוד לממוצע המוצג בדרך כלל. יישום נוסף של הדמיית שדה אור הוא זרימות מבעבעות.

מוצג כאן שדה מבעבע שנוצר על ידי כניסת אוויר מסילון שפוגע על פני המים. השהיית הסרטון בבת אחת. Step מאפשר מיקוד מחדש דרך התמונה במישורי עומק שונים כדי לראות את הבועות נכנסות ויוצאות מהמיקוד.

תמונת סטילס זו מציגה משמאל לימין את התמונה הגולמית של שדה זרימה מבעבע ממערך המצלמות ותמונות ממוקדות מחדש בעומקים של מינוס 10 מילימטרים, אפס מילימטרים ו-10 מילימטרים. המעגל מדגיש בועה ששוכנת על מישור העומק של מינוס 10 מילימטר ונעלמת מהעין במישורים האחרים לאחר שליטה, כיול ולכידת נתונים יכולים להתבצע בדרך כלל תוך כארבע שעות, וניתן לבצע מיקוד מחדש של לכידה סינתטית תוך כ-12 שעות תוך ביצוע הליך זה. חשוב להיות מאוד מאורגן מכיוון שיש שלבים רבים בהרבה נתונים שנאספים.

בעקבות הליך זה, ניתן לחקור את מערכי הנתונים העשירים לקבלת תובנות פיזיות במספר שאלות כגון מהן התפלגות גודל הבועה בזרימות רב-פאזיות? טכניקה זו תסלול את הדרך לחוקרים בתחומים כמו ביולוגיה פיזיקלית, שם הם יכולים לחקור את דינמיקת הנוזלים של מעוף הפרפרים או את המבנה התלת מימדי של להקת ציפורים. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות בעל הבנה די טובה כיצד להגדיר מצלמות להדמיית שדה אור, לכייל אותן במדויק, לבצע צמצם סינטטי על התמונות בתוכנה ולנצל את הנתונים הנפחיים להמשך עיבוד.

לקבלת קודים לדוגמה, ערכות נתונים ומידע על הדרכה, בקר באתר האינטרנט שלנו. אל תשכח שעבודה עם טאד טרוסקוט יכולה להיות מסוכנת ביותר ותמיד לנקוט באמצעי זהירות מלאים, כגון לבישת שריון גוף בעת העבודה במעבדה שלו.