Determinar campos de fluxo 3D via multi-câmera de luz do campo de imagem

O objetivo geral do vídeo a seguir é apresentar uma visão geral de uma técnica de imagem tridimensional que pode produzir um campo de velocidade 3D. Isso é conseguido usando câmeras calibradas para coletar as imagens necessárias para amostrar o campo de luz. Como segunda etapa, o campo de luz é reparametrizado, o que produz uma pilha focal de imagens que formam uma representação 3D do campo de fluxo.

Em seguida, a pilha focal é pós-processada usando um algoritmo de correlação cruzada para obter os vetores de campo de velocidade 3D. Os resultados mostram um campo de fluxo 3D resolvido no tempo na esteira de um modelo de prega vocal sintética vibratória usado como banco de testes. Os resultados também são mostrados para a técnica aplicada a um campo de bolhas.

Vá em frente. A principal vantagem dessa técnica sobre os métodos existentes é que podemos medir em volumes que contêm mais partículas, bolhas ou gotículas. Este método pode fornecer informações sobre os fluxos de fluidos e ser estendido a outras aplicações, como a medição da forma de uma chama e o papel que a velocidade desempenha na combustão e até mesmo para a medição do comportamento coletivo de grupos de animais, como bandos de pássaros.

Geralmente, os indivíduos novos nessa técnica terão dificuldades porque a quantidade de dados pode se tornar esmagadora, mas achamos que desenvolvemos um livro de receitas para usar esse método. Okey. A demonstração visual desse método é crítica porque as configurações de câmera e calibração são um pouco diferentes do que quando se usa uma abordagem de câmera única. Realizaremos esses experimentos no laboratório de biofluidos da BYU do Dr. Scott Thompson com a ajuda de seu aluno de pós-graduação, Jesse Daley.

O primeiro passo é determinar o tamanho do volume de medição, bem como a resolução temporal e espacial necessária para investigar o experimento de escoamento de fluidos. Aqui, o método será usado para realizar a imagem de partícula de abertura sintética 3D para perda de simetria no fluxo de ar induzido por uma prega vocal sintética. O volume de medição é de 50 por 50 por 25 milímetros cúbicos, e as escalas de tempo mais curtas a serem capturadas são de 10 microssegundos.

Em seguida, estime a densidade óptica que estará presente no experimento para determinar o número de câmeras necessárias para gerar imagens de refocalização com boa relação sinal-ruído. Densidades de semeadura mais altas requerem mais câmeras neste ponto em uma imagem de partícula. Para experimentos de simetria O, as partículas por pixel também devem ser calculadas Monte as câmeras em uma configuração de matriz em um quadro, de modo que cada câmera possa visualizar o volume de medição de diferentes pontos de vista.

Em seguida, defina o espaçamento entre as câmeras restantes na matriz. O espaçamento das câmeras mais distantes umas das outras melhora a resolução espacial na dimensão de profundidade ao custo da profundidade total resolvível. Para captura de dados.

Durante a visualização, conecte as câmeras a um computador central. Coloque um alvo visual, como uma grade de calibração, no centro do volume de medição. Use a imagem da câmera central da matriz como referência e mova todo o quadro da matriz para mais perto ou mais longe do volume de medição para obter o ângulo de ampliação desejado ou as câmeras de modo que o alvo visual no centro do volume de medição seja aproximadamente centralizado em cada imagem da câmera.

Com as aberturas completamente abertas em cada lente da câmera, foque cada câmera no alvo visual. Coloque um alvo de calibração na parte de trás do volume de medição. Certifique-se de que o alvo esteja na visão de cada câmera.

Se não estiver, reajuste a distância entre as câmeras e o volume de medição e/ou o espaçamento da câmera. Faça o mesmo com um alvo de calibração na frente do volume e itere até que a frente e a parte de trás estejam à vista. Em todas as câmeras.

Feche a abertura de cada câmera até que o alvo esteja em foco. Quando localizado em qualquer posição dentro do volume de medição de cada câmera, pode ser necessária iluminação adicional com a abertura fechada. Para começar, determine o método apropriado para iluminar o volume de medição com base no método de medição específico que está sendo aplicado ao campo de fluxo.

Para esta demonstração, é utilizado um laser de pulso duplo de 1000 hertz. Use lentes ópticas para formar o laser em um volume de luz que cubra o volume de medição. Finalmente, quando estiver pronto para a coleta de dados, esteja preparado para semear o volume com partículas traçadoras adequadas para a imagem de partículas.

Medições de simetria conforme descrito nas referências. Como regra geral, uma densidade de imagem de 0,05 a 0,15 partículas por pixel é apropriada para a maioria dos experimentos com oito ou mais câmeras. Para um número fixo de câmeras, as partículas por pixels diminuem.

Para dimensões de profundidade de volume maiores. Uma etapa crítica é a calibração. Isso pode ser feito com ou sem as partículas traçadoras.

Se estiver usando um algoritmo de autocalibração de várias câmeras como nesta demonstração, estabeleça um sistema de coordenadas de referência no volume de medição. Aqui, a grade de calibração é colocada no centro da prega vocal Em uma orientação fixa para o sistema de coordenadas de referência, use um objeto com uma geometria conhecida como alvo de calibração. Nesse caso, a grade de calibração no algoritmo de autocalibração de várias câmeras ou nos locais de destino de calibração pode ser aleatória, exceto para aquele controlado com precisão.

Isso estabelece o sistema de coordenadas de referência Em cada câmera, capture uma imagem do alvo em cada local. Identifique pontos no alvo em cada câmera. Para cada imagem para autocalibração, cada ponto identificado no alvo deve estar localizado na imagem feita por cada câmera.

No entanto, a localização explícita dos pontos no sistema de coordenadas de referência só é necessária para os pontos associados ao alvo localizado com precisão. Para adquirir dados para imagens quantitativas de campo de luz resolvidas no tempo, todas as câmeras e fontes de iluminação devem ser sincronizadas com precisão. Para este experimento, um gerador de pulso externo programado é usado para acionar as exposições da câmera e as sequências de iluminação.

Prepare-se para a coleta de uma grande quantidade de dados, incluindo pensar um pouco na nomenclatura de arquivos de dados. Comece a captura de dados experimentais garantindo que as partículas traçadoras estejam fluindo e iniciando a captura da câmera e a sequência de iluminação por meio do método de disparo escolhido. Para produzir um volume sinteticamente reorientado para a coleta de dados, gere uma pilha focal 3D.

Para fazer isso, defina o espaçamento entre os planos focais e a profundidade geral de refocagem no volume refocado. Conforme explicado nas referências, normalmente o plano focal é definido para metade da resolução de profundidade e a profundidade total de refocagem é governada pela região onde todos os campos de visão da câmera se sobrepõem. Os planos focais serão perpendiculares ao eixo Z do sistema de coordenadas de referência.

Aqui temos um espaçamento do plano focal de cerca de 0,16 milímetros e uma profundidade total de refocagem de 20 milímetros, resultando em aproximadamente 128 hidroaviões resolvidos após o processamento, realizamos o pré-processamento da imagem para melhorar o ruído de fundo e acomodar as diferenças de intensidade entre as imagens. Estabeleça transformações entre cada câmera, plano de imagem e cada plano focal sintético. Reprojete imagens nos planos focais sintéticos.

Aplique a escala e reamostre as imagens. Isso pode ser feito dentro do matlab. Dadas as transformações de plano para plano, aplique o algoritmo de refocagem de abertura sintética aditiva ou multiplicativa em cada plano focal sintético.

Como verificação, aplique a refocagem a um plano das imagens de calibração para ver se a reconstrução aparece conforme o esperado. Quando o método aditivo é aplicado a um dos planos de calibração em z igual a 13,3 milímetros, a imagem entra e sai de foco à medida que a pilha de foco é percorrida de trás para frente. Finalmente, demonstramos o foco em cada plano de calibração usando as imagens refocadas à esquerda e a imagem da grade de calibração da câmera central à direita.

Depois de refocar todos os planos desejados processam, as imagens para remover o ruído causado pela refocalização aplicam o limite com base nos histogramas de intensidade das imagens refocadas para reter as partículas em foco. Em seguida, empilhe imagens de limite juntas para criar um volume em um processo chamado reconstrução. Após a reconstrução, os dados quantitativos podem ser coletados do volume.

Um exemplo da imagem de partículas brutas de alta qualidade para perda, imagens de simetria de uma única câmera é mostrado aqui. Essas imagens contêm partículas uniformemente distribuídas que aparecem com um alto contraste contra o fundo preto. Aqui está o resultado de um experimento adequadamente semeado e calibrado com precisão.

A imagem refocada de abertura sintética revela que partículas em foco em cada plano de profundidade da esquerda para a direita são imagens em profundidades de menos sete milímetros, zero milímetros e sete milímetros. Para fazer uso dos dados, é necessária uma etapa de processamento conhecida como reconstrução. Nesse caso, a intensidade e o limite são aplicados para reter partículas em foco em cada plano de profundidade.

Os planos focais são então empilhados para criar um volume aqui. As imagens com a mesma profundidade são mostradas em dois momentos diferentes. O volume limite pode então ser passado para volumes de interrogação que contêm um número adequado de partículas para realizar a simetria velo da imagem de partículas.

Este é um exemplo de dados de amostra coletados para o campo vetorial tridimensional do jato causado por pregas vocais sintéticas por vários passos. O lado esquerdo mostra uma visão assimétrica I de todo o campo de velocidade 3D a cada vez. Cortes escalonados do plano XY em Z iguais a cinco milímetros são mostrados nos cortes centrais do plano YZ.

Em X igual a 14 milímetros são mostrados à direita em t igual a zero milissegundos. A prega vocal está fechada e muito pouca velocidade no campo está presente. A maior velocidade do jato em um milissegundo se move na direção ampla positiva e reduz em intensidade de dois a quatro milissegundos.

A dobra fecha em cinco milissegundos, reduzindo a velocidade do jato e o ciclo é repetido. Esses dados representam o campo de velocidade em um único instantâneo no tempo, em contraste com a média que geralmente é apresentada. Outra aplicação da imagem de campo de luz é para fluxos borbulhantes.

Aqui é mostrado um campo borbulhante formado pelo arrastamento de ar de um jato que colide com a superfície da água. Pausar o vídeo de uma só vez. O Step permite refocar a imagem em diferentes planos de profundidade para ver as bolhas entrarem e saírem de foco.

Esta imagem estática mostra, da esquerda para a direita, a imagem bruta de um campo de fluxo borbulhante do conjunto de câmeras e imagens refocadas em profundidades de menos 10 milímetros, zero milímetros e 10 milímetros. O círculo destaca uma bolha que fica no plano de profundidade de menos 10 milímetros e desaparece de vista nos outros planos Uma vez dominada, a calibração e a captura de dados normalmente podem ser realizadas em cerca de quatro horas, e a refocagem da captura sintética pode ser realizada em cerca de 12 horas durante a execução deste procedimento. É importante ser muito organizado, pois há muitas etapas em muitos dados coletados.

Seguindo este procedimento, os conjuntos de dados ricos podem ser interrogados para obter insights físicos em várias questões, como quais são as distribuições de tamanho de bolha em fluxos multifásicos? Essa técnica abrirá caminho para pesquisadores em áreas como biologia física, onde poderão estudar a dinâmica dos fluidos do vôo das borboletas ou a estrutura tridimensional do bando de pássaros. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como configurar câmeras para imagens de campo de luz, calibrá-las com precisão, executar a abertura sintética nas imagens no software e utilizar os dados volumétricos para processamento posterior.

Para códigos de amostra, conjuntos de dados e informações de tutoriais, visite nosso site. Não se esqueça de que trabalhar com Tad Truscott pode ser extremamente perigoso e sempre tome todas as precauções, como usar armadura corporal ao trabalhar em seu laboratório.