תמונה מבוססי Lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון
20 ביולי 2017
כתב היד מציג פרוטוקול להולכת ניסויי הובלה של משקעים למיטה, שבהם החלקיקים הנעים עוקבים אחר ניתוח תמונה. מתקן הניסוי, ההליכים להפעלת מימוש ועיבוד נתונים, ולבסוף כמה תוצאות הוכחה של מושג מוצגים כאן.
המטרה הכוללת של הליך זה היא למדוד את המסלולים של חלקיקים בודדים המועברים על ידי זרימה כעומס מיטה על פני שטח גדול של תצפית כדי למנוע הטיה ניסויית הקשורה לאורך המרבי של מסלולים מדידים. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח במכניקת הובלת עומס מיטה מכיוון שהיא מספקת מידע מפורט על אירועי התנועה והמנוחה של החלקיק. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שניתן לעקוב אחר החלקיקים המועברים למרחקים ארוכים, מה שמאפשר לצפות בבדיקות ארוכות.
הרעיון של השיטה הזו עלה לנו לראשונה כשניתחנו נתונים מניסויים קודמים, כשהבנו שחלקיקים יכולים להיות מועברים למרחקים ארוכים יותר ביחס לחלונות התצפית. ראשית, הכינו סט של לוחות פלדה המכוסים בשכבה של חלקיקי המשקעים המעניינים. מצפים את משטח המשקעים בצבע שחור עמיד במים.
לאחר מכן, הניחו תומכי PVC בתחתית הצינור והניחו את הצלחות על התומכים. התאם את מיקום הצלחת לפי הצורך כדי להבטיח שמצע המשקעים יהיה רציף. ואז מכסים את התעלה במכסים אקריליים שקופים.
הגדר את הצינור למדרון הרצוי. לאחר מכן הפעל את משאבת הצינור ומלא את התעלה במים. הגדר את קצב הזרימה באמצעות שסתום הוויסות.
הגדר את גובה ראש הלחץ מעט מעל מכסי התעלה באמצעות ווסת מי הזנב. ודא שהזרימה מכוסה מבלי להפעיל כוח משמעותי על המכסים. בדוק את קצב הזרימה וגובה ראש הלחץ כל 15 דקות עד שהשינוי בין המדידות קטן, מה שמעיד על זרימה יציבה.
לאחר מכן, התקן פרופיל מהירות קולי במחזיק עם נטייה קבועה מראש. מרחו ג'ל אולטרסאונד על קצה הבדיקה. הנח את הגשושית מעל מכסה הצינור עם זנב הבדיקה לכיוון כניסת התעלה.
מיקום נכון של ג'ל הבדיקה הוא חיוני להשגת פרופילי מהירות טובים לאפיון התנאים ההידרודינמיים ברקע. חבר את הגשושית למודול הרכישה והגדר את המכשיר לפרופילי מהירות מיידיים. רכוש את המספר הרצוי של פרופילי מהירות.
לאחר מכן, הפוך את מיקום הגשושית ורכוש קבוצה נוספת של פרופילי מהירות. רכוש פרופילי מהירות בדרך זו עבור כל מיקום מדידה בשפך. לאחר מכן, חשב את ערך המהירות הממוצע עבור כל מיקום וקבע את מרכיבי המהירות האנכית והזרם.
התאם את הערכים בהתאם למדיום שדרכו עברה הקרן האקוסטית. זהה טווח גבהים שבהם פרופיל רכיבי המהירות מבחינת זרם מראה מגמה ליניארית בעלילה לוגריתמית למחצה. התאם את העקומה למשוואה לוגריתמית והעריך את מהירות הגזירה.
כדי להתחיל בניסוי, הגדר את קצב הפריימים והרזולוציה של שתי מצלמות פעולה לפרמטרים הרצויים. התקן את המצלמות על הקירות הצדדיים של המכסים הפונים לתחתית התעלה קרוב מספיק זה לזה כדי שהאזורים יחפפו את המיקוד. ודא שהצינור מסומן בנקודות ייחוס חזותיות למרחקים ידועים.
הקלט סרטון קצר עם כל מצלמה. בהתבסס על ההקלטות, התאם את מיקומי המצלמה וכיווני המצלמה כדי להבטיח שהערוץ נמצא במסגרת ואזורי המיקוד חופפים. ודא שהזרימה דרך הערוץ יציבה.
לאחר מכן, התחל להזין לאט את החלקיקים המעניינים ביד לתוך כניסת הצינור בקצב של חלקיק אחד כל שתיים-שלוש שניות. אנו מזינים כמות קטנה של משקעים מכיוון שמעט חלקיקים בשדה הראייה חשובים למעקב ישיר אחר משקעים. עם זאת, בפריקות קטנות, חלקיק מסוים עלול להיתקע באזור המיקוד.
התחל להקליט עם שתי מצלמות הווידאו. כבה את אורות החדר כדי ליצור סמן לסנכרון מצלמה מאוחר יותר. שמור על רמת אור קבועה לאורך כל הניסוי.
המשך להזין חלקיקים לתוך הצינור למשך הניסוי הרצוי. לאחר מכן, עצרו את המצלמות והוציאו חלקיקים כלואים ממצע המשקעים. חזור על הניסוי בתנאים הידרודינמיים אחרים לפי הצורך.
כדי להתחיל לעבד את התמונות שחולצו מסרטוני הווידאו, החילו תחילה טרנספורמציה רדיאלית על קואורדינטות הפיקסלים כך שצלעות הצינור יופיעו כקווים ישרים. קבע את ההמרה, מקדם ההמרה מפיקסלים למרחק על סמך גובה המיטה וסמני הייחוס למרחקים ידועים. לאחר מכן, צור רצף תמונות חדש בתוכנת ניתוח התמונות של זרימת הנוזל.
מלא את מרווח הזמן בין המסגרות ואת גורם ההמרה של פיקסל למרחק עבור רצף התמונות. בחר את הקבצים המעניינים והפעל את התהליך. צור מפות עוצמה של בחירה אקראית של תמונות חלקיקים מהרצף.
זהה ערך סף מתאים לעוצמת החלקיקים המעניינים. לאחר מכן, צור צינור סינון עבור הרצף. הגדר את המסנן להסרת רקע.
צור אלגוריתם זיהוי חלקיקים חדש באמצעות סף יחיד. מלא את סף עוצמת החלקיקים והקוטר. הוסף את תהליכי זיהוי החלקיקים לקו הצינור של המסנן ולאחר מכן בצע את התהליכים.
לאחר סיום הסינון, פתח את תצוגת התמונה של רשומת החלקיקים החדשה שנוצרה. גלול בין המסגרות ושים לב לתזוזות החלקיקים בין התמונות. לאחר מכן, צור צינור ניתוח PTV חדש.
צור ניתוח חדש ובחר מרחק בכרטיסייה תמחירים. מלא את המיקום והממדים של חלון החיפוש. הוסף את התהליך החדש לקו הצינור ובצע את התהליך.
השתמש בחיבור מחדש כדי לתקן הפרעות ברשומות החלקיקים הבודדות. חזור על תהליך זה עבור הקלטת המצלמה השנייה. לאחר מכן, במודול עיבוד תמונה מיוחד, בחר את קובץ הרצועה עבור שתי המצלמות ולחץ על מצא מאפייני רצועה.
השווה תמונות מהמצלמות במעלה הזרם ובמורד הזרם כדי לקבוע את שינוי הקואורדינטות בין המצלמות. מלא את משמרת הקואורדינטות עבור המצלמה במורד הזרם ולחץ הפוך את מערכת הייחוס לאחידה. מלא את גבולות אזור החפיפה בין התמונות.
הסר את כל המסלולים הקטנים מאורך האזור החופף. מיזוג מסדי הנתונים של מעקב אחר חלקיקים ומלא את טולרנסים לחפיפה. לאחר מכן, הצטרפו למסלולים.
לאחר השלמת התהליך, שמור את התוצאות ולאחר מכן נתח את נתוני המסלול כדי לחקור את הקינמטיקה של חלקיקי עומס המיטה. פרופיל מהירות הזרימה שנמדד היה א-סימטרי, מה שיוחס להבדל בחספוס בין מצע הסדימנט למכסה התעלה. המצלמות במעלה הזרם ובמורד הזרם מציגות 37 ו-34 רצועות, בהתאמה, במשך 100 שניות.
לאחר הצטרפות לנתונים משתי המצלמות, זוהו 59 עקבות בסך הכל. המסלול הארוך ביותר השתרע על פני חלון התצפית המלא באורך כולל של כ-1.6 מטר. המסלולים נותחו כדי לזהות מתי החלקיקים היו בתנועה או במנוחה על מצע המשקעים.
שטח התצפית הגדול איפשר לזהות דילוגים ארוכים, עם דילוגים של עד 600 מילימטרים שנצפו בתנאים הידרודינמיים אלה. נמצא כי דילוגים קצרים ומהירים יותר מתרחשים בתדירות הגבוהה ביותר. לאחר צפייה בסרטון זה, אתם אמורים להבין היטב כיצד לבצע ניסויי הובלת משקעים של מעקב אחר חלקיקים על פני שטחים גדולים.
בזמן שאתה מנסה הליך זה, זכור לוודא שהתאורה של הניסוי טובה למרות שניתן לאסוף את התמונות בדרכים רבות, החל מתמונות באיכות גבוהה, מפשט הרבה מהעבודה הבאה. לאחר פיתוחה, טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום מוביל המשקעים לחקור מגוון אינדיקטורים לפרשנות ומידול תהליכים.
סקירה כללית
כתב יד זה מציג פרוטוקול לביצוע ניסויי הובלת משקעי קרקעית באמצעות ניתוח תמונות למעקב אחר חלקיקים נעים. הוא מפרט את המערך הניסויי, את ההליכים ואת התוצאות הראשוניות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- ביולוגיה
- מדעי הסביבה
רקע
- הבנת מכניקת ההסעה של עומס קרקעית (bed-load) היא קריטית ליישומים סביבתיים מגוונים.
- מעקב אחר חלקיקים בודדים מספק תובנות לגבי תנועתם ואירועי עצירה שלהם.
- ניסויים קודמים הצביעו על כך שחלקיקים יכולים להיסעה למרחקים ארוכים יותר מאלו שנמדדו בעבר.
- שיטה זו שואפת למזער הטיות ניסיוניות הקשורות לחלונות תצפית.
מטרת המחקר
- למדידת המסלולים של חלקיקים בודדים המנוסעים כעומס קרקעית (bed-load).
- לספק מידע מפורט על תנועת חלקיקים ואירועי מנוחה.
- לאפשר מעקב אחר חלקיקים למרחקים ארוכים לצורך ניתוח מקיף.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת שכבת משקעים על לוחות פלדה והקמת תעלה (flume).
- שימוש במכשירי מדידת מהירות אולטרסונית (ultrasonic velocity profilers) למדידת תנאי הזרימה.
- תיעוד תנועת חלקיקים באמצעות מצלמות אקשן.
- עיבוד תמונה לניתוח מסלולי התנועה והמהירויות של החלקיקים.
תוצאות עיקריות
- מעקב מוצלח אחרי חלקיקים לאורך מרחקים גדולים.
- הערכת מהירות גזירה מפרופילי מהירות.
- זיהוי העתקות של חלקיקים באמצעות ניתוח תמונות.
- ביסוס שיטה מהימנה לחקר הובלת שכיבה (bed-load transport).
מסקנות
- הפרוטוקול מאפשר ניתוח מפורט של הובלת משקעים במישקל המצע.
- מעקב למרחקים ארוכים משפר את ההבנה של דינמיקת החלקיקים.
- ניתן להחיל שיטה זו על תנאים הידרודינמיים שונים למחקרים נוספים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות לתעשייה
שיטה זו מאפשרת מעקב ברזולוציה גבוהה אחר חלקיקים בודדים לאורך חלונות תצפית מורחבים, ובכך מפחיתה הטיות הנובעות ממגבלות של שדה ראייה מצומצם. על ידי אספקת נתונים כמותיים על אורך ומשך הזינוק (hop) של החלקיקים, היא תומכת בהבנה מכניסטית של תהליכי הובלה הרלוונטיים למידול חזוי במדעי הסביבה והחומרים. גישה זו משפרת את מהימנות הנתונים לבדיקת היפותזות במערכות שבהן דינמיקה ברמת החלקיק משפיעה על ההתנהגות במקרו-סקלה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של דינמיקה ברמת החלקיק כדי להבהיר התנהגות פונקציונלית במערכות מורכבות.
- ערך תפעולי: תומך בהפחתת סיכונים של היפותזות מכניסטיות באמצעות תצפית ישירה על אירועי תנועה ומנוחה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: יוצר נתונים כמותיים וסטנדרטיים של מסלולים המתאימים לנורמליזציה והשוואה של הבדיקה.
- ערך תפעולי: מאפשר מעקב הניתן לשחזור על פני שטחי תצפית גדולים, ובכך משפר את עקביות הסריקה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מספק תובנות מערכתיות הרלוונטיות למחלה על ידי קישור קינטיקה בקנה מידה של חלקיקים לתוצאות הובלה של המסה.
- ערך תפעולי: מאפשר רצף משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני באמצעות פרוטוקולי דימות ניתנים להרחבה ולשימוש חוזר.
שילוב תהליכי עבודה וצינורי עיבוד
הטכניקה מתאימה לתהליכי עבודה של גילוי מוקדם, שבהם מעקב מדויק אחר חלקיקים מספק מידע על מעורבות המטרה וניתוח מסלולים, ובמיוחד במחקרים הדורשים רזולוציה מרחבית וזמנית של תהליכים דינמיים.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת היפותזות באמצעות פתרון מסלולי חלקיקים בודדים ותדרי interactions.
- סינון (Screening): מספקת פלטי דימוג בעלי תוכן גבוה וניתנים לשחזור להערכת השפעות של תרכובות או תנאים על התנהגות חלקיקים.
- אנליטיקה: מניבה התפלגויות של אורך ומשך קפיצה, המאפשרות השוואה כמותית בין תנאי ניסוי שונים.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין דינמיקה מיקרוסקופית של חלקיקים לתגובות מערכתיות מאקרוסקופיות, ובכך תומכת בקריאות פונקציונליות התואמות לסממנים ביולוגיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת תשתית סטנדרטית לדימוג ומעקב שניתן להחילה על מערכות מודלים רבות ועל קמפיינים ניסיוניים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי על ידי הפחתת העמימות בפרשנויות מכניסטיות ברמת החלקיק.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) באמצעות פרוטוקולים סטנדרטיים לרכישת תמונות ומעקב.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות לגבי המשך התהליך (go/no-go) על ידי אספקת נתונים כמותיים חסונים מהשלבים המוקדמים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של מטרות או מנגנונים מותאם-סיכון, בהתבסס על פרופילים דינמיים המהווהושים אמפירית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בדינמיקת נוזלים, ניתוח תמונות ואלגוריתמים למעקב אחר חלקיקים.
- מחייב מערכות דימוי מכויילות, מערכי מצלמות מרובות מסונכרנות ותשתיות לבקרת זרימה.
- דורש סטנדרטיזציה בין-צוותית עבור עיבוד מקדים של תמונות, פרמטרי מעקב ופרוטוקולים למיזוג נתונים.
- כולל שיקולי התאמה עבור גדלי חלקיקים, צפיפויות ותכונות אופטיות משתנות בין מערכות מודל שונות.
- כולל מגבלות מעשיות כגון עקביות תאורה, אופטימיזציה של ריכוז החלקיקים ודיוק הסנכרון בין זרמי המצלמות.
