Определение 3D Поля потока через Multi-камеры светового поля изображения

Общая цель данного видео — представить обзор метода трехмерной визуализации, который может дать трехмерное поле скорости. Это достигается за счет использования откалиброванных камер для сбора изображений, необходимых для выборки светового поля. В качестве второго шага световое поле повторно параметризуется, что создает фокусную стопку изображений, которые формируют 3D-представление поля потока.

Затем стек фокусов обрабатывается с использованием алгоритма взаимной корреляции для получения 3D-векторов поля скорости. Результаты показывают трехмерное поле потока с временным разрешением в результате вибрирующей синтетической модели голосовых складок, используемой в качестве испытательного стенда. Также показаны результаты для метода, примененного к пузырьковому полю.

Продолжайте. Основное преимущество этого метода перед существующими методами заключается в том, что мы можем измерять в объемах, содержащих больше частиц, пузырьков или капель. Этот метод может дать представление о потоках жидкости и быть расширен для других применений, таких как измерение формы пламени и роли скорости в горении и даже для измерения коллективного поведения групп животных, таких как стаи птиц.

Как правило, люди, плохо знакомые с этой техникой, испытывают трудности, потому что объем данных может стать ошеломляющим, но мы думаем, что разработали поваренную книгу для использования этого метода. Хорошо. Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, поскольку настройки камеры и калибровки немного отличаются от настроек при использовании одной камеры. Мы будем проводить эти эксперименты в лаборатории биожидкостей доктора Скотта Томпсона с помощью его аспиранта Джесси Дейли.

Первым шагом является определение размера измеряемого объема, а также временного и пространственного разрешения, необходимого для исследования эксперимента с потоком жидкости. Здесь этот метод будет использоваться для получения 3D-изображения частиц с синтезированной апертурой для потери симметрии воздушного потока, вызванного синтетической голосовой складкой. Объем измерения составляет 50 на 50 на 25 миллиметров в кубе, а кратчайший срок захвата составляет 10 микросекунд.

Затем оцените оптическую плотность, которая будет присутствовать в эксперименте, чтобы определить количество камер, необходимых для создания изображений с перефокусировкой с хорошим соотношением сигнал/шум. Для более высокой плотности затравки требуется больше камер в этой точке изображения частиц. Для экспериментов с О-симметрией количество частиц на пиксель также должно быть рассчитано Монтируйте камеры в конфигурации массива на кадре таким образом, чтобы каждая камера могла просматривать объем измерений с разных точек обзора.

Далее задайте расстояние между оставшимися камерами в массиве. Удаленное расстояние между камерами друг от друга улучшает пространственное разрешение в измерении глубины за счет общей разрешаемой глубины. Для сбора данных.

При просмотре подключите камеры к центральному компьютеру. Поместите визуальную цель, например калибровочную сетку, в центр измеряемого объема. Используйте изображение с центральной камеры решетки в качестве эталона и переместите весь кадр матрицы ближе или дальше от измеряемого объема для достижения желаемого угла увеличения или камер таким образом, чтобы визуальная цель в центре измеряемого объема была примерно центрирована на каждом изображении камеры.

Когда диафрагмы на каждом объективе камеры полностью открыты, сфокусируйте каждую камеру на визуальной цели. Поместите калибровочную мишень в задней части измеряемого объема. Убедитесь, что цель находится в поле зрения каждой камеры.

Если это не так, отрегулируйте расстояние между камерами и объем измерений и/или расстояние между камерами. Проделайте то же самое с калибровочной мишенью в передней части тома и повторяйте итерацию, пока не появятся передняя и задняя части. Во всех камерах.

Закройте диафрагму каждой камеры до тех пор, пока цель не окажется в фокусе. При расположении в любом положении в пределах объема измерения для каждой камеры может потребоваться дополнительное освещение при закрытой диафрагме. Для начала определите подходящий метод освещения измеряемого объема на основе конкретного метода измерения, применяемого к полю потока.

Для этой демонстрации используется двухимпульсный лазер с частотой 1000 Гц. Используйте оптические линзы для формирования лазера в световой объем, который покрывает измеряемый объем. Наконец, когда вы будете готовы к сбору данных, будьте готовы засеять объем индикаторными частицами, подходящими для изображения частиц.

Измерения симметрии, как описано в справочниках. Как правило, плотность изображения от 0,05 до 0,15 частиц на пиксель подходит для большинства экспериментов с восемью или более камерами. Для фиксированного количества камер количество частиц на пиксель уменьшается.

Для больших размеров объемной глубины. Критически важным этапом является калибровка. Это может быть сделано с использованием частиц индикатора или без них.

При использовании алгоритма самокалибровки с несколькими камерами, как в этой демонстрации, установите систему опорных координат в объеме измерения. Здесь калибровочная сетка размещается в центре голосовой складки В фиксированной ориентации относительно системы координат в качестве калибровочной мишени используется объект с известной геометрией. В этом случае калибровочная сетка в алгоритме самокалибровки многокамерного устройства или в местах расположения калибровочных целей может быть случайной, за исключением точно управляемой.

Это устанавливает систему координат отсчета В каждой камере сделайте снимок цели в каждом месте. Определите точки на цели в каждой камере. Для каждого изображения для самостоятельной калибровки каждая идентифицированная точка на цели должна быть расположена на изображении, сделанном каждой камерой.

Однако явное расположение точек в системе координат отсчета требуется только для точек, связанных с точно расположенной целью. Для получения данных для количественного отображения светового поля с временным разрешением все камеры и источники освещения должны быть точно синхронизированы. Для этого эксперимента используется запрограммированный внешний генератор импульсов, который запускает экспозиции камеры и последовательности освещения.

Подготовьтесь к сбору большого объема данных, в том числе подумайте о присвоении имен файлам данных. Начните сбор экспериментальных данных, убедившись, что частицы индикатора движутся, и инициируйте последовательность захвата камеры и освещения с помощью выбранного метода запуска. Чтобы создать синтетически перефокусированный объем для сбора данных, сгенерируйте 3D-стек фокусов.

Для этого определим расстояние между фокальными плоскостями и общую глубину перефокусировки в перефокусированном объеме. Как объясняется в справочниках, обычно фокальная плоскость устанавливается на половину разрешения по глубине, а общая глубина перефокусировки определяется областью, где перекрываются все поля зрения камеры. Фокальные плоскости будут расположены перпендикулярно оси Z системы координат отсчета.

Здесь у нас есть расстояние между фокальными плоскостями около 0,16 миллиметра и общая глубина перефокусировки 20 миллиметров, что приводит к разрешению примерно 128 гидросамолетов после обработки, выполнения предварительной обработки изображения для улучшения фонового шума и учета разницы в интенсивности между изображениями. Установите преобразования между каждой камерой, плоскостью изображения и каждой синтетической фокальной плоскостью. Повторное проецирование изображений на синтетические фокальные плоскости.

Примените масштаб и измените разрешение изображений. Это можно сделать в matlab. При заданном преобразовании плоскости применяется либо аддитивный, либо мультипликативный алгоритм перефокусировки синтезированной апертуры для каждой синтетической фокальной плоскости.

В качестве проверки примените перефокусировку к одной плоскости калибровочных изображений, чтобы увидеть, выглядит ли реконструкция так, как ожидалось. Когда аддитивный метод применяется к одной из калибровочных плоскостей под углом z, равным 13,3 миллиметрам, изображение входит в фокус и выходит из него по мере того, как фокусный стек проходит сзади вперед. Наконец, мы продемонстрируем фокусировку в каждой калибровочной плоскости, используя перефокусированные изображения слева и изображение с калибровочной сетки с центральной камеры справа.

После обработки перефокусировки на всех желаемых плоскостях изображения для удаления шума, вызванного перефокусировкой, применяют пороговое значение на основе гистограмм интенсивности перефокусированных изображений, чтобы сохранить частицы в фокусе. Затем сложите изображения пороговых значений вместе, чтобы создать объем в процессе, называемом реконструкцией. После реконструкции из объема могут быть собраны количественные данные.

Здесь показан пример высококачественного необработанного изображения частиц для потерь и симметрии с одной камеры. Эти изображения содержат равномерно распределенные частицы, которые с высокой контрастностью проявляются на черном фоне. Вот результат правильно засеянного и точно откалиброванного эксперимента.

Перефокусированное изображение с синтезированной апертурой показывает сфокусированные частицы на каждой плоскости глубины слева направо — это изображения на глубине минус семь миллиметров, ноль миллиметров и семь миллиметров. Чтобы использовать данные, требуется этап обработки, известный как реконструкция. В этом случае интенсивность, пороговое значение применяется для удержания частиц в фокусе на каждой плоскости глубины.

Затем фокальные плоскости укладываются друг на друга, чтобы создать здесь объем. Изображения на одной и той же глубине демонстрируются в два разных времени. Затем пороговый объем может быть передан в объемы опроса, которые содержат достаточное количество частиц для выполнения скоростной симметрии изображения частиц.

Это пример выборки данных, собранных для трехмерного векторного поля струи, вызванного синтетическими голосовыми складками на несколько ступеней. В левой части показано асимметричное изображение всего 3D-поля скорости в каждый момент времени. Ступенчатые срезы плоскости XY по оси Z равны пяти миллиметрам показаны в центральных срезах плоскости YZ.

При значении X 14 миллиметров показано справа, а при t равно нулю миллисекунд. Голосовая связка закрыта, и скорость движения в поле очень мала. Наибольшая скорость в струе в одну миллисекунду движется в положительном широком направлении и уменьшается по интенсивности от двух до четырех миллисекунд.

Сгиб закрывается через пять миллисекунд, снижая скорость струи, и цикл повторяется. Эти данные представляют собой поле скорости на одном снимке во времени в отличие от среднего значения, которое обычно представляется. Еще одно применение визуализации светового поля — это пузырьковые потоки.

Здесь показано пузырчатое поле, образованное захватом воздуха от струи, ударяющейся о поверхность воды. Поставьте видео на паузу на один раз. Step позволяет перефокусироваться по изображению в разных плоскостях глубины, чтобы увидеть, как пузырьки входят и выходят из фокуса.

На этом неподвижном изображении слева направо показано исходное изображение пузырчатого поля потока от массива камер и перефокусированные изображения на глубине минус 10 миллиметров, ноль миллиметров и 10 миллиметров. Круг выделяет пузырь, который лежит на плоскости глубины минус 10 миллиметров и исчезает из поля зрения на других плоскостях После освоения калибровка и захват данных обычно могут быть выполнены примерно за четыре часа, а синтетическая перефокусировка может быть выполнена примерно за 12 часов при выполнении этой процедуры. Важно быть очень организованным, так как большое количество собираемых данных состоит из множества этапов.

Следуя этой процедуре, обширные наборы данных могут быть опрошены для физического понимания нескольких вопросов, таких как каково распределение размеров пузырьков в многофазных потоках? Этот метод проложит путь для исследователей в таких областях, как физическая биология, где они смогут изучать динамику жидкости при полете бабочек или трехмерную структуру стаи птиц. После просмотра этого видео у вас должно быть довольно хорошее понимание того, как настроить камеры для визуализации светового поля, точно откалибровать их, выполнить синтезированную апертуру на изображениях в программном обеспечении и использовать объемные данные для дальнейшей обработки.

Примеры кодов, наборы данных и учебную информацию можно найти на нашем веб-сайте. Не забывайте, что работа с Тэдом Траскоттом может быть чрезвычайно опасной, и всегда принимайте все меры предосторожности, такие как ношение бронежилета во время работы в его лаборатории.