Determinazione campi di flusso 3D tramite multi-camera campo di luce Imaging

L'obiettivo generale del seguente video è quello di presentare una panoramica di una tecnica di imaging tridimensionale in grado di produrre un campo di velocità 3D. Ciò si ottiene utilizzando telecamere calibrate per raccogliere le immagini necessarie per campionare il campo luminoso. In una seconda fase, il campo luminoso viene riparametrizzato, producendo così una pila focale di immagini che formano una rappresentazione 3D del campo di flusso.

Successivamente, la pila focale viene post-elaborata utilizzando un algoritmo di correlazione incrociata per ottenere i vettori del campo di velocità 3D. I risultati mostrano un campo di flusso 3D risolto nel tempo sulla scia di un modello di corda vocale sintetica vibrante utilizzato come banco di prova. Vengono mostrati anche i risultati per la tecnica applicata a un campo di bolle.

Continua. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti è che possiamo misurare in volumi che contengono più particelle, bolle o goccioline. Questo metodo può fornire informazioni sui flussi dei fluidi ed essere esteso ad altre applicazioni, come la misurazione della forma di una fiamma e del ruolo che la velocità gioca nella combustione e persino alla misurazione del comportamento collettivo di gruppi animali come gli stormi di uccelli.

In generale, le persone che non conoscono questa tecnica avranno difficoltà perché la quantità di dati può diventare travolgente, ma pensiamo di aver sviluppato un libro di ricette per l'utilizzo di questo metodo. Ok. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale perché le impostazioni della fotocamera e della calibrazione sono molto diverse rispetto a quando si utilizza un approccio a telecamera singola. Eseguiremo questi esperimenti nel laboratorio BYU Biofluids del Dr. Scott Thompson con l'aiuto del suo studente laureato, Jesse Daley.

Il primo passo consiste nel determinare la dimensione del volume di misura, nonché la risoluzione temporale e spaziale richiesta per studiare l'esperimento del flusso del fluido. Qui, il metodo verrà utilizzato per eseguire un'immagine 3D di particelle di apertura sintetica per la simmetria di perdita sul flusso d'aria indotta da una corda vocale sintetica. Il volume di misurazione è di 50 x 50 x 25 millimetri cubi e le scale temporali più brevi da acquisire sono di 10 microsecondi.

Successivamente, stimare la densità ottica che sarà presente nell'esperimento al fine di determinare il numero di telecamere necessarie per generare immagini di rifocalizzazione con un buon rapporto segnale/rumore. Densità di semina più elevate richiedono più telecamere a questo punto di un'immagine di particelle. Per gli esperimenti di simmetria O, le particelle per pixel dovrebbero anche essere calcolate Monta le telecamere in una configurazione array su un frame in modo tale che ogni telecamera possa visualizzare il volume di misurazione da diversi punti di vista.

Quindi, imposta la spaziatura tra le telecamere rimanenti nell'array. La spaziatura delle telecamere più distanti l'una dall'altra migliora la risoluzione spaziale nella dimensione di profondità a scapito della profondità totale risolvibile. Per l'acquisizione dei dati.

Durante la visualizzazione, collegare le telecamere a un computer centrale. Posizionare un target visivo, ad esempio una griglia di calibrazione, al centro del volume di misurazione. Utilizzare l'immagine della fotocamera centrale dell'array come riferimento e avvicinare o allontanare l'intero fotogramma dell'array dal volume di misurazione per ottenere l'angolo di ingrandimento desiderato o le telecamere in modo tale che il target visivo al centro del volume di misurazione sia approssimativamente centrato in ciascuna immagine della telecamera.

Con le aperture completamente aperte su ciascun obiettivo della fotocamera, mettere a fuoco ciascuna fotocamera sul bersaglio visivo. Posizionare un target di calibrazione sul retro del volume di misura. Assicurati che il bersaglio sia nella visuale di ciascuna telecamera.

In caso contrario, regolare nuovamente la distanza tra le telecamere e il volume di misurazione e/o la spaziatura della telecamera. Fai lo stesso con un target di calibrazione nella parte anteriore del volume e ripeti fino a quando la parte anteriore e posteriore non sono visibili. In tutte le fotocamere.

Chiudere l'apertura di ciascuna fotocamera finché il bersaglio non è a fuoco. Se posizionato in qualsiasi posizione all'interno del volume di misurazione per ciascuna fotocamera, potrebbe essere necessaria un'illuminazione aggiuntiva con l'apertura chiusa. Per iniziare, determinare il metodo appropriato per illuminare il volume di misura in base al metodo di misurazione specifico applicato al campo di flusso.

Per questa dimostrazione, viene utilizzato un laser a doppio impulso da 1000 hertz. Utilizzare lenti ottiche per formare il laser in un volume di luce che copra il volume di misurazione. Infine, quando si è pronti per la raccolta dei dati, prepararsi a seminare il volume con particelle traccianti adatte per l'immagine delle particelle.

Misure di simmetria come descritto nei riferimenti. Come regola generale, una densità dell'immagine compresa tra 0,05 e 0,15 particelle per pixel è appropriata per la maggior parte degli esperimenti con otto o più fotocamere. Per un numero fisso di telecamere, le particelle per pixel diminuiscono.

Per dimensioni di profondità del volume maggiori. Una fase critica è la calibrazione. Questo può essere fatto con o senza le particelle traccianti.

Se si utilizza un algoritmo di autocalibrazione multi-camera come in questa dimostrazione, stabilire un sistema di coordinate di riferimento nel volume di misura. Qui, la griglia di calibrazione è posizionata al centro della corda vocale In un orientamento fisso rispetto al sistema di coordinate di riferimento, utilizzare un oggetto con una geometria nota come target di calibrazione. In questo caso, la griglia di calibrazione nell'algoritmo di autocalibrazione multi-camera o le posizioni dei target di calibrazione possono essere casuali, ad eccezione di quella controllata con precisione.

In questo modo viene stabilito il sistema di coordinate di riferimento In ogni telecamera, acquisire un'immagine del bersaglio in ogni posizione. Identifica i punti sul bersaglio in ogni telecamera. Per ogni immagine per l'autocalibrazione, ogni punto identificato sul bersaglio deve essere posizionato nell'immagine realizzata da ciascuna fotocamera.

Tuttavia, la posizione esplicita dei punti nel sistema di coordinate di riferimento è necessaria solo per i punti associati alla destinazione localizzata con precisione. Per acquisire i dati per l'imaging quantitativo del campo luminoso risolto nel tempo, tutte le telecamere e le sorgenti di illuminazione devono essere accuratamente sincronizzate. Per questo esperimento, viene utilizzato un generatore di impulsi esterno programmato per attivare le esposizioni della fotocamera e le sequenze di illuminazione.

Prepararsi per la raccolta di una grande quantità di dati, inclusa l'attenzione alla denominazione dei file di dati. Inizia l'acquisizione dei dati sperimentali assicurandoti che le particelle traccianti fluiscano e avviando l'acquisizione della fotocamera e la sequenza di illuminazione tramite il metodo di attivazione scelto. Per produrre un volume rifocalizzato sinteticamente per la raccolta dei dati, generare una pila focale 3D.

A tale scopo, definire la spaziatura tra i piani focali e la profondità di rimessa a fuoco complessiva nel volume rifocalizzato. Come spiegato nei riferimenti, in genere il piano focale è impostato a metà della risoluzione della profondità e la profondità totale di rimessa a fuoco è governata dalla regione in cui tutti i campi visivi della fotocamera si sovrappongono. I piani focali saranno perpendicolari all'asse Z del sistema di coordinate di riferimento.

Qui abbiamo una spaziatura del piano focale di circa 0,16 millimetri e una profondità di rimessa a fuoco totale di 20 millimetri che si traduce in circa 128 idrovolanti risolti dopo l'elaborazione, eseguire la pre-elaborazione dell'immagine per migliorare il rumore di fondo e adattarsi alle differenze di intensità tra le immagini. Stabilisci le trasformazioni tra ogni fotocamera, piano dell'immagine e ogni piano focale sintetico. Riproiettare le immagini sui piani focali sintetici.

Applicare la scala e ricampionare le immagini. Questo può essere fatto all'interno di matlab. Date le trasformazioni da piano a piano, applicare l'algoritmo di rifocalizzazione dell'apertura sintetica additiva o moltiplicativa su ciascun piano focale sintetico.

Come controllo, applicare la rimessa a fuoco su un piano delle immagini di calibrazione per vedere se la ricostruzione appare come previsto. Quando il metodo additivo viene applicato a uno dei piani di calibrazione a z uguale a 13,3 millimetri, l'immagine entra e esce dalla messa a fuoco mentre la pila di messa a fuoco viene attraversata da dietro in avanti. Infine, dimostriamo la messa a fuoco su ciascun piano di calibrazione utilizzando le immagini rifocalizzate a sinistra e l'immagine dalla griglia di calibrazione dalla fotocamera centrale a destra.

Dopo aver rimesso a fuoco su tutti i piani desiderati, le immagini per rimuovere il rumore causato dalla rimessa a fuoco applicano la soglia in base agli istogrammi di intensità delle immagini rifocalizzate per mantenere le particelle a fuoco. Impilare quindi le immagini di soglia per creare un volume in un processo denominato ricostruzione. Dopo la ricostruzione, è possibile raccogliere dati quantitativi dal volume.

Di seguito è mostrato un esempio di immagine di particelle grezze di alta qualità per la perdita, immagini di simmetria da una singola fotocamera. Queste immagini contengono particelle distribuite uniformemente che appaiono con un alto contrasto sullo sfondo nero. Ecco il risultato di un esperimento opportunamente seminato e accuratamente calibrato.

L'immagine rifocalizzata ad apertura sintetica rivela che le particelle a fuoco su ciascun piano di profondità da sinistra a destra sono immagini a profondità di meno sette millimetri, zero millimetri e sette millimetri. L'utilizzo dei dati richiede una fase di elaborazione nota come ricostruzione. In questo caso, viene applicata l'intensità e la soglia per mantenere le particelle a fuoco su ciascun piano di profondità.

I piani focali vengono quindi impilati per creare un volume qui. Le immagini alla stessa profondità vengono mostrate in due momenti diversi. Il volume di soglia può quindi essere passato in volumi di interrogazione che contengono un numero adeguato di particelle per eseguire la simmetria velo dell'immagine delle particelle.

Questo è un esempio di dati campione raccolti per il campo vettoriale tridimensionale del getto causato da corde vocali sintetiche per passi multipli. Il lato sinistro mostra una vista asimmetrica I dell'intero campo di velocità 3D in ogni momento. I tagli a gradini del piano XY a Z uguale a cinque millimetri sono mostrati nei tagli centrali del piano YZ.

A X uguale 14 millimetri sono mostrati a destra a t uguale a zero millisecondi. La corda vocale è chiusa ed è presente pochissima velocità nel campo. La velocità massima nel getto a un millisecondo si muove nella direzione ampia positiva e si riduce di intensità da due a quattro millisecondi.

La piega si chiude a cinque millisecondi, riducendo la velocità del getto e il ciclo si ripete. Questi dati rappresentano il campo di velocità in una singola istantanea nel tempo rispetto alla media che viene solitamente presentata. Un'altra applicazione dell'imaging del campo luminoso è quella dei flussi di bolle.

Qui è mostrato un campo spumeggiante formato dal trascinamento dell'aria da un getto che colpisce la superficie dell'acqua. Mettere in pausa il video in una sola volta. Step consente di rimettere a fuoco l'immagine a diversi piani di profondità per vedere le bolle entrare e uscire dalla messa a fuoco.

Questa immagine fissa mostra da sinistra a destra, l'immagine grezza di un campo di flusso spumeggiante proveniente dall'array di telecamere e le immagini rifocalizzate a profondità di meno 10 millimetri, zero millimetri e 10 millimetri. Il cerchio evidenzia una bolla che si trova sul piano di profondità di meno 10 millimetri e scompare dalla vista sugli altri piani Una volta padroneggiata, la calibrazione e l'acquisizione dei dati possono essere eseguite in genere in circa quattro ore e la rimessa a fuoco dell'acquisizione sintetica può essere eseguita in circa 12 ore durante l'esecuzione di questa procedura. È importante essere molto organizzati in quanto ci sono molti passaggi in molti dati che vengono raccolti.

Seguendo questa procedura, i ricchi set di dati possono essere interrogati per ottenere approfondimenti fisici su diverse domande, ad esempio quali sono le distribuzioni delle dimensioni delle bolle nei flussi multifase? Questa tecnica aprirà la strada ai ricercatori in campi come la biologia fisica, dove potranno studiare la fluidodinamica del volo delle farfalle o la struttura tridimensionale dello stormo di uccelli. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come impostare le telecamere per l'imaging del campo luminoso, calibrarle accuratamente, eseguire l'apertura sintetica sulle immagini nel software e utilizzare i dati volumetrici per ulteriori elaborazioni.

Per codici di esempio, set di dati e informazioni sul tutorial, visita il nostro sito web. Non dimenticare che lavorare con Tad Truscott può essere estremamente pericoloso e prendi sempre tutte le precauzioni, come indossare giubbotti antiproiettile quando lavori nel suo laboratorio.