Określanie pól przepływu 3D za pomocą obrazowania pola świetlnego z wielu kamer

Ogólnym celem poniższego filmu jest przedstawienie przeglądu trójwymiarowej techniki obrazowania, która może dać pole prędkości 3D. Osiąga się to dzięki zastosowaniu skalibrowanych kamer do zbierania obrazów wymaganych do próbkowania pola świetlnego. W drugim kroku pole świetlne jest ponownie parametryzowane, co powoduje powstanie ogniskowego stosu obrazów, które tworzą reprezentację 3D pola przepływu.

Następnie stos ogniskowy jest poddawany obróbce końcowej przy użyciu algorytmu korelacji krzyżowej w celu uzyskania wektorów pola prędkości 3D. Wyniki pokazują rozdzielcze w czasie pole przepływu 3D w ślad za wibrującym syntetycznym modelem fałdowania głosowego używanym jako stanowisko testowe. Przedstawiono również wyniki dla techniki zastosowanej do pola bąbelkowego.

Dalej. Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami jest to, że możemy mierzyć objętości zawierające więcej cząstek, pęcherzyków lub kropel. Metoda ta może zapewnić wgląd w przepływy płynów i zostać rozszerzona na inne zastosowania, takie jak pomiar kształtu płomienia i roli, jaką prędkość odgrywa w spalaniu, a nawet pomiar zbiorowego zachowania grup zwierząt, takich jak stada ptaków.

Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które dopiero zaczynają korzystać z tej techniki, będą miały trudności, ponieważ ilość danych może stać się przytłaczająca, ale uważamy, że opracowaliśmy książkę kucharską do korzystania z tej metody. Porządku. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ konfiguracja kamery i kalibracji jest nieco inna niż w przypadku korzystania z podejścia z jedną kamerą. Będziemy przeprowadzać te eksperymenty w laboratorium dr Scotta Thompsona na BYU Biofluids z pomocą jego doktoranta, Jesse Daleya.

Pierwszym krokiem jest określenie wielkości objętości pomiarowej, a także rozdzielczości czasowej i przestrzennej wymaganej do zbadania eksperymentu z przepływem płynu. W tym przypadku metoda zostanie wykorzystana do wykonania obrazu cząstek o syntetycznej aperturze 3D w celu uzyskania symetrii utraty przepływu powietrza indukowanej przez syntetyczny fałd głosowy. Objętość pomiarowa wynosi 50 na 50 na 25 milimetrów sześciennych, a najkrótsze skale czasowe, które można uchwycić, to 10 mikrosekund.

Następnie oszacuj gęstość optyczną, która będzie obecna w eksperymencie, aby określić liczbę kamer wymaganych do wygenerowania obrazów o ponownym ustawieniu ostrości z dobrym stosunkiem sygnału do szumu. Większe gęstości wysiewu wymagają w tym momencie obrazu cząstek większej liczby kamer. W przypadku eksperymentów z symetrią O należy również obliczyć cząstki na piksel Zamontuj kamery w konfiguracji szykowej na klatce tak, aby każda kamera mogła oglądać objętość pomiarową z różnych punktów widzenia.

Następnie ustaw odstępy między pozostałymi kamerami w tablicy. Większe odstępy między kamerami poprawiają rozdzielczość przestrzenną w wymiarze głębi kosztem całkowitej możliwej do rozdzielczej głębokości. Do przechwytywania danych.

Podczas oglądania podłącz kamery do komputera centralnego. Umieść cel wizualny, taki jak siatka kalibracyjna, na środku objętości pomiarowej. Użyj obrazu ze środkowej kamery matrycy jako odniesienia i przesuń całą ramkę matrycy bliżej lub dalej od przestrzeni pomiaru, aby uzyskać żądany kąt powiększenia lub kamery tak, aby cel wizualny w środku przestrzeni pomiarowej był w przybliżeniu wyśrodkowany na każdym obrazie z kamery.

Przy całkowicie otwartych przysłonach na każdym obiektywie aparatu, ustaw ostrość każdy aparat na celu wizualnym. Umieść wzorzec kalibracji z tyłu przestrzeni pomiarowej. Upewnij się, że cel znajduje się w polu widzenia każdej kamery.

Jeśli tak nie jest, ponownie dostosuj odległość między kamerami i objętość pomiaru i/lub odstępy między kamerami. Zrób to samo z wzorcem kalibracji z przodu woluminu i powtarzaj, aż przód i tył będą widoczne. We wszystkich aparatach.

Zamknij przysłonę każdego aparatu, aż cel będzie ostry. W przypadku umieszczenia w dowolnym miejscu w przestrzeni pomiarowej dla każdej kamery, przy zamkniętej przysłonie może być konieczne dodatkowe oświetlenie. Na początek należy określić odpowiednią metodę oświetlenia objętości pomiarowej w oparciu o konkretną metodę pomiaru stosowaną do pola przepływu.

Do tej demonstracji używany jest laser o podwójnym impulsie 1000 Hz. Użyj soczewek optycznych, aby uformować laser w objętość światła, która pokrywa objętość pomiaru. Na koniec, gdy będzie gotowy do zbierania danych, należy przygotować się do zasiania objętości cząstkami znacznikowymi odpowiednimi dla cząstek image.Loc.

Pomiary symetrii zgodnie z opisem w piśmiennictwie. Z reguły gęstość obrazu od 0,05 do 0,15 cząsteczki na piksel jest odpowiednia dla większości eksperymentów z ośmioma lub więcej kamerami. W przypadku ustalonej liczby kamer liczba cząsteczek na piksel maleje.

Dla większych wymiarów objętości głębokości. Krytycznym krokiem jest kalibracja. Można to zrobić z cząstkami znacznikowymi lub bez nich.

W przypadku korzystania z algorytmu autokalibracji wielu kamer, jak w tym demonstracji, należy ustalić układ współrzędnych odniesienia w objętości pomiarowej. W tym przypadku siatka kalibracyjna jest umieszczana w środku fałdu głosowego W stałej orientacji do układu współrzędnych odniesienia użyj obiektu o znanej geometrii jako celu kalibracji. W takim przypadku siatka kalibracji w algorytmie autokalibracji wielu kamer lub lokalizacjach docelowych kalibracji może być losowa, z wyjątkiem tej, która jest precyzyjnie kontrolowana.

Spowoduje to ustanowienie układu współrzędnych odniesienia W każdej kamerze uchwyć obraz celu w każdej lokalizacji. Zidentyfikuj punkty na celu w każdej kamerze. Dla każdego obrazu do autokalibracji każdy zidentyfikowany punkt na celu musi znajdować się na obrazie wykonanym przez każdą kamerę.

Jednak jawne położenie punktów w układzie współrzędnych odniesienia jest wymagane tylko w przypadku punktów skojarzonych z precyzyjnie zlokalizowanym celem. Aby uzyskać dane do ilościowego obrazowania pola świetlnego w czasie rozdzielczym, wszystkie kamery i źródła oświetlenia muszą być dokładnie zsynchronizowane. W tym eksperymencie używany jest zaprogramowany zewnętrzny generator impulsów do wyzwalania ekspozycji kamery i sekwencji oświetlenia.

Przygotuj się do zbierania dużej ilości danych, w tym zastanów się nad nazywaniem plików danych. Rozpocznij zbieranie danych eksperymentalnych, upewniając się, że cząstki śledzące przepływają i inicjując sekwencję przechwytywania i oświetlenia kamery za pomocą wybranej metody wyzwalania. Aby utworzyć syntetycznie zogniskowaną objętość do zbierania danych, wygeneruj stos ogniskowy 3D.

Aby to zrobić, określ odstępy między płaszczyznami ogniskowej i ogólną głębokość ponownego ustawiania ostrości w ponownie ustawionej objętości. Jak wyjaśniono w odniesieniach, zazwyczaj płaszczyzna ostrości jest ustawiona na połowę rozdzielczości głębi, a całkowita głębokość ponownego ustawiania ostrości zależy od obszaru, w którym nakładają się na siebie wszystkie pola widzenia kamery. Płaszczyzny ogniskowej będą prostopadłe do osi Z układu współrzędnych odniesienia.

Tutaj mamy odstęp między płaszczyznami ogniskowymi wynoszący około 0,16 milimetra i całkowitą głębokość ponownego ogniskowania wynoszącą 20 milimetrów, co daje około 128 rozdzielczych wodnosamolotów po przetworzeniu, wykonaj wstępne przetwarzanie obrazu, aby poprawić szum tła i dostosować się do różnic w intensywności między obrazami. Ustal transformacje między każdą kamerą, płaszczyzną obrazu i każdą syntetyczną płaszczyzną ogniskowej. Ponownie rzutuj obrazy na syntetyczne płaszczyzny ogniskowe.

Zastosuj skalę i ponownie próbkuj obrazy. Można to zrobić w matlabie. Biorąc pod uwagę transformacje płaszczyzna-płaszczyzna, zastosuj algorytm zmiany ostrości apertury syntetycznej addytywnej lub multiplikatywnej na każdej syntetycznej płaszczyźnie ogniskowej.

W ramach kontroli zastosuj ponowne ustawienie ostrości na jednej płaszczyźnie obrazów kalibracyjnych, aby sprawdzić, czy rekonstrukcja wygląda zgodnie z oczekiwaniami. Gdy metoda addytywna zostanie zastosowana do jednej z płaszczyzn kalibracji przy z równej 13,3 milimetra, obraz staje się ostry i wyostrzany, gdy stos ostrości jest przesuwany od tyłu do przodu. Na koniec demonstrujemy ostrość na każdej płaszczyźnie kalibracji za pomocą ponownie ustawionych obrazów po lewej stronie i obrazu z siatki kalibracyjnej z centralnej kamery po prawej.

Po ponownym ustawieniu ostrości na wszystkich pożądanych płaszczyznach obrazy w celu usunięcia szumu spowodowanego ponownym ustawieniem ostrości stosują progi oparte na histogramach intensywności ponownie ustawionych obrazów, aby zachować ostre cząstki. Następnie ułóż obrazy progowe razem, aby utworzyć wolumin w procesie zwanym rekonstrukcją. Po rekonstrukcji można zebrać dane ilościowe z objętości.

Przykład wysokiej jakości obrazu surowych cząstek dla strat, symetrii obrazów z jednej kamery jest pokazany tutaj. Obrazy te zawierają równomiernie rozmieszczone cząstki pojawiające się z wysokim kontrastem na czarnym tle. Oto wynik odpowiednio rozsianego i dokładnie skalibrowanego eksperymentu.

Obraz z syntetyczną aperturą ponownie ustawioną na ostrości ujawnia ostre cząstki na każdej płaszczyźnie głębokości od lewej do prawej, które są obrazami na głębokości minus siedmiu milimetrów, zero milimetrów i siedem milimetrów. Wykorzystanie danych wymaga etapu przetwarzania zwanego rekonstrukcją. W tym przypadku stosuje się intensywność, progowanie, aby zachować ostre cząstki na każdej płaszczyźnie głębokości.

Płaszczyzny ogniskowe są następnie układane w stos, aby utworzyć tutaj objętość. Obrazy o tej samej głębokości są wyświetlane w dwóch różnych momentach. Objętość progowa może być następnie przekazana do objętości przesłuchań, które zawierają odpowiednią liczbę cząstek do wykonania symetrii prędkości obrazu cząstki.

Jest to przykład przykładowych danych zebranych dla trójwymiarowego pola wektorowego dżetu spowodowanego przez syntetyczne fałdy głosowe w kilkukrotnych krokach. Po lewej stronie pokazany jest asymetryczny widok I całego pola prędkości 3D za każdym razem. Cięcia stopniowe płaszczyzny XY w punkcie Z wynoszące pięć milimetrów są pokazane w środkowych cięciach płaszczyzny YZ.

Przy X równym 14 milimetrów są pokazane po prawej stronie w t równa się zero milisekund. Fałd głosowy jest zamknięty i występuje bardzo mała prędkość w polu. Największa prędkość w dżecie wynosząca jedną milisekundę porusza się w dodatnim szerokim kierunku i zmniejsza swoją intensywność z dwóch do czterech milisekund.

Fałda zamyka się po pięciu milisekundach, zmniejszając prędkość strumienia i cykl się powtarza. Dane te reprezentują pole prędkości w pojedynczej migawce w czasie, w przeciwieństwie do średniej, która jest zwykle prezentowana. Innym zastosowaniem obrazowania w polu świetlnym są przepływy bąbelkowe.

Pokazane tutaj jest bąbelkowe pole utworzone przez porwanie powietrza ze strumienia uderzającego w powierzchnię wody. Jednoczesne wstrzymywanie wideo. Krok umożliwia ponowne ustawienie ostrości obrazu na różnych płaszczyznach głębokości, aby zobaczyć, jak bąbelki wchodzą i wychodzą z ostrości.

To nieruchome zdjęcie pokazuje od lewej do prawej surowy obraz pola przepływu bąbelków z matrycy kamer i ponownie wyogniskowane obrazy na głębokości minus 10 milimetrów, zero milimetrów i 10 milimetrów. Okrąg podświetla bańkę, która leży na płaszczyźnie głębokości minus 10 milimetrów i znika z pola widzenia na innych płaszczyznach Po opanowaniu kalibracji i przechwytywania danych można zwykle wykonać w ciągu około czterech godzin, a ponowne ustawienie ostrości w ciągu około 12 godzin podczas wykonywania tej procedury. Ważne jest, aby być bardzo zorganizowanym, ponieważ wiele gromadzonych danych składa się z wielu kroków.

Po wykonaniu tej procedury można przesłuchać bogate zestawy danych w celu uzyskania fizycznego wglądu w kilka pytań, takich jak: jakie są rozkłady wielkości pęcherzyków w przepływach wielofazowych? Technika ta utoruje drogę naukowcom z dziedzin takich jak biologia fizyczna, gdzie będą mogli badać dynamikę płynów w locie motyli lub trójwymiarową strukturę stad ptaków. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć całkiem dobre zrozumienie, jak skonfigurować kamery do obrazowania pola świetlnego, dokładnie je skalibrować, wykonać syntetyczną aperturę na obrazach w oprogramowaniu i wykorzystać dane wolumetryczne do dalszego przetwarzania.

Aby zapoznać się z przykładowymi kodami, zestawami danych i informacjami o samouczkach, odwiedź naszą stronę internetową. Nie zapominaj, że praca z Tadem Truscottem może być niezwykle niebezpieczna i zawsze podejmuj pełne środki ostrożności, takie jak noszenie kamizelki kuloodpornej podczas pracy w jego laboratorium.