Summary
이 프로토콜은 원위치 동물 생성 흐름에의 부량 위해 설계 자체에 포함된 수중 velocimetry 장치 (SCUVA)를 사용하는 방법에 대한 지침을 제공합니다. 또한,이 프로토콜은 현장 조건으로 인한 문제를 해결하고, 운영 모션, 동물의 예측 위치, 그리고 SCUVA의 방향을 포함하고 있습니다.
Abstract
직접 액체 환경에서 속도 필드를 측정하는 능력은 해양학, 생태학, 생물학, 그리고 유체 역학 등 다양한 분야로 연구 경험 데이터를 제공하는 것이 필요합니다. 필드 측정은 환경 조건, 동물의 가용성 및 현장 호환 측정 기술의 필요성과 실천 과제를 소개합니다. 이러한 문제를 방지하려면, 과학자들은 일반적으로 동물 - 유체 상호 작용을 연구하기 위해 제어 실험실 환경을 사용합니다. 그러나, 하나는 실험실 측정에서 (현장에서 발생하는 즉,) 자연 동작을 추정 수 있는지 여부를 질문에 대한 합리적인 것입니다. 따라서, 현장 양적 흐름 측정에 정확하게 자신의 자연 환경 속에서 동물 수영을 설명하는 데 필요합니다.
우리는 표면에 어떤 연결의 독립적인 운영 자체 포함, 휴대용 장치를 설계, 그리고 흐름 필드 surrou의 양적 측정을 제공할 수동물을 nding. 이 장치는 자체 포함된 수중 velocimetry 장치 (SCUVA)는 40 M.에 깊이에 한 스쿠버 다이버에 의해 운영됩니다 실험실 측정에 비해 현장 조건, 추가 고려 사항 및 준비 고유 추가 복잡으로 인해이 필요합니다. 이러한 고려 사항을 포함하지만, 수영 목표, 가능한 자연 정지 미립자, 그리고 관심의 흐름에 상대적으로 SCUVA의 방향의 위치를 예측하고, 운영자의 움직임에 제한되지 않습니다. 다음 프로토콜은 이러한 일반적인 현장 문제를 해결하기 위해 및 측정 성공을 극대화하기위한 것입니다.
Protocol
- 이 절차를 시작하기 위해, 우리는 모든 SCUVA 구성 요소가 올바르게 충분한 배터리, 녹화 테이프 (고화질 또는 HD 비디오 카메라) 및 기능을 가지고 있는지 확인합니다. 측정하려는 흐름에 따라, 비디오 카메라 해상도와 디지털 입자 이미지 velocimetry (DPIV)에 대한 최상의 결과를 얻을 수 프레임 속도를 선택합니다. 1,2은
- 깨끗한 수건으로 O - 링 홈 및 O - 링을 청소하여 사용하기 위해 레이저 및 카메라 하우징을 준비하거나 닦으십시오. 보급 제조 업체가 균일 O - 링에 O - 링 그리스를 제공하고 주택의 홈에서 그들을 대체합니다. 또한, 카메라 하우징 렌즈에 레이저 시트 변형 및 점수를 방지하기 위해 레이저 및 카메라 하우징 apertures를 청소하십시오.
- 물이 가득한 욕조에 빈 주택을 모두 배치하여 O - 링 밀봉을 확인합니다. 가중 개체 때 빈 주택이 부동 이후 잠수함 그들에게 하우징의 상단에 배치해야합니다. 5-10분 후, 욕조 및 수건 건조 t에서 하우징을 제거외부 사람. 하우징 내부에있는 습기가 있는지 확인합니다. 또한 습기가 검사 후 하우징에 있는지 나타내는 압력 테스트 중에 일회용 종이 수분 스트립을 사용하여 고려하십시오.
- 하우징의 압력 시험을 통과 후, 하우징 내부 SCUVA 구성 요소를 배치합니다.
- 카메라 하우징에 부착 높은 강도 방전 (HID) 라이트 포드. 불빛들이 직접 미리 카메라와 연산자의 영역을 조명 것과 같은 방식으로 지향하고 있으며, 핸들 및 카메라 컨트롤의 작동에 손잡이를 유지에 방해가되지 않도록.
- 낮은 조명 환경에서 레이저 빔을 제대로 레이저 주택에 설치된 광학 렌즈를 기준으로 정렬되었는지 확인하십시오. 제대로 정렬하면 레이저 / 렌즈 조합은 카메라 하우징에 직각 방향입니다 빛의 수직 시트를 생성합니다. 안전을 위해, 레이저 시트 방향을 결정하기 위해 종이의 온도에 민감한 시트를 사용합니다. SCUVA 첨부 파일과 까다로운, 확장 가능 팔을 사용하여, 서로 레이저 주택과 카메라 하우징을 연결합니다. 하우징 단단히 부착되었는지와 하우징이 서로에 대하여 회전할 수 있는지 확인합니다. 이것은 레이저 시트 측정을 통해보기의 카메라의 필드에 수직 방향으로 유지하는 것이 중요합니다.
- SCUVA의 현재 능력으로 인해, 측정 다이빙은 레이저 시트 자연광의 간섭을 방지하기 위해 낮은 위치에 조명이나 야간에 실시하실 수 있습니다. 따라서, 우리는 물을 들어가기 전에 황혼까지 이상 기다리는 것이 좋습니다.
- 물에 들어가기 전에 카메라 하우징을 켭니다. 카메라 하우징은 카메라 주택에 수분의 경우 (LED 조명을 점멸) 시각 경고를 제공하는 내장된 전자 수분 센서가 있습니다. 카메라 하우징가되면 센서에만 효과가 있습니다.
- 물에 젖어 SCUVA 자신이 사용하는 장치를 부착라인. 일단기구에 부착된, 장치의 부력 특성을 결정하기 위해 SCUVA을 놓습니다. 부력 특성에 따라 부력의 거품을 첨부하거나 중립 부력을 확보하고 물에 장치의 회전을 방지하기 위해 하나 또는 둘 모두 하우징에 가중치를 리드.
- 다음, 레이저 스위치를 장치가 정지 만요. 다이버 유도 흐름의 측정을 최소화하기 위해 다이버에서 충분히 멀리 확장 가능 팔을 사용하여 레이저를 놓습니다. 대상 근처 다이버 유발 흐름의 측정 오류를 소개하고 후속 분석을 위해 사용되지 않습니다. 보기 프레임 대상 분야와 주변 유체 때까지 카메라의 확대를 조정합니다.
- 장치가 정지 유지하면서 입자가 선명한 표시하고 초점 때까지 레이저 시트에 비디오 카메라를 중점을두고 있습니다. 레이저 시트 비행기 초점되면, 수동 초점 모드로 카메라를 전환합니다. 이 분야에 나타나는 객체에 환기 시켰을 뿐일세에서 카메라를 방지할 수 있습니다레이저 시트에 흐린 입자의 결과, 측정하는 동안 볼 수 있습니다.
- SCUVA를 보정하려면,보기의 비디오 카메라 분야 내에서 레이저 시트에 알려진 크기와 개체를 배치합니다. 몇 초 동안 기록합니다. 다이빙 후, 이미지가 cm로 픽셀 단위보기에서 크기의 필드를 변환하는 보정 상수를 결정하기 위해이 비디오 시퀀스에서 추출한 것입니다. 언제든지 운영자가보기 크기 필드는 다이빙 동안 다시 위치 확장 가능 팔이나 카메라 줌 변경 될 조정하는 경우 단계 12 13 반복해야합니다.
- 작업 깊이 내림차순으로 다이빙을 시작합니다. 대상을 찾을시, 환경 대량 유동 특성 결정해야합니다. 있는 경우, 현재 방향은 장치 및 측정 기간 동안 대상에 대한 상대 다이버의 위치를 지시합니다. 대상 주변 대량의 흐름 방향은 거품이 다이버에서 exhaled 관찰하고 그들의 측면 움직임을 지적하여 유추하실 수 있습니다. 에거품 이외는 형광 염료의 작은 수량 (즉, 플루오레신)은 현재의 방향을 결정하기 위해 공개 수 있습니다. 다이버 생성된 흐름이 DPIV 측정 오류의 원천이 될 수 있기 때문에 다이버는 타겟의 상류에 위치해서는 안됩니다. 또한, 레이저 시트 따라서 DPIV 오류를 최소화 레이저 시트 내의 입자 체류 시간을 극대화하기 때문에 같은 전류의 방향으로 평행하게 위치해야합니다. 도 현재 또는 대량 흐름이 존재없는 경우 단, 다이버 및 대상에 대한 상대 SCUVA 위치는 무제한입니다.
- 위치 SCUVA는 밝게와 대상을 둘러싼 유체 움직임을 기록합니다. 움직이지 유지하면서 움직이는 대상을 둘러싼 흐름을 기록하려고하면 먼저 예상 위치로 대상의 위치, 그리고 위치 SCUVA을 예측할 수있는 경우. 대상은보기의 카메라의 필드를 통해 움직임으로 녹음을 시작합니다. 대상이 움직이지 않으면, 비디오 카메라 &의 목표와 주변 유체를 프레임# x2019; 움직이지 남아있는 동안 기록을 확인하고 시작의 일부 필드. 연산자는 잘못된 DPIV 결과에 이러한 모션 결과부터 비디오 녹화 중에 회전과 밖에서 비행기 동작 자제해야합니다. 따라서 측정은 회전과 밖에서 비행기 잠수부의 움직임이 더 데이터 분석을 위해 사용되지 않습니다 수집된.
- 동영상 수집가 완료되면, SCUVA의 모든 구성 요소를 해제하고 철회 위치로 레이저 팔을 복원합니다. 물이 SCUVA를 제거하고 ARM에서 카메라와 레이저 하우징을 분리합니다. 린스 또는 장치의 꼼짝없이 방지하기 위해 건조하기 전에 담수의 장치를 적시게. 하우징이 건조되면, 주택의 구성 요소를 제거하고 재충전하고 다른 다이빙에 필요한 경우에는 배터리를 교체하십시오.
- 컴퓨터에 비디오 카메라를 연결하고 HD 비디오 소프트웨어 패키지를 (즉, 어도비 프리미어 프로 또는 iMovie)을 사용하여 HD 테이프에서 비디오 압축을 풉니다. 동영상이 추출되면 범위를 결정동영상이 DPIV 분석에 대한 이미지의 일련로 변환할 수 있습니다. 픽셀 가로 세로 비율 및 추출 이미지 크기는 HD 비디오 설정과 일치 있는지 확인하십시오.
- 이러한 이미지는 DPIV 처리 프로그램 (즉, 데이비스 또는 MatPIV)로 가져옵니다. 보정 상수 및 DPIV 소프트웨어 패키지에서 메시지가 이미지 캡처 매개 변수의 적절한 선택 후, 속도 필드는 연속 입자 이미지 생성하실 수 있습니다. 측정의 품질과 종류에 따라 추가 후처리 단계는,에도 적용될 수있다 3.
대표 결과 :
프로토콜이 올바르게 완료되면 대상을 둘러싼 입자 이미지는 샤프하고 구별하기 쉬운 것입니다. SCUVA의 비디오 카메라 (그림 1A) 및 DPIV 프로세싱 소프트웨어 패키지 대상을 둘러싼 흐름 (그림 1B)의 속도 필드에 의해 현장에서 캡처된 입자 필드를 사용하는 것은 공개됩니다. veloci의 벡터타이 필드는 국부 유속의 크기와 방향을 나타냅니다. 충분한 비디오 이미지의 시계열을 제공하기 위해 수집하는 경우, 속도 분야의 시계열도 확인할 수 있습니다.
그림 1은 아우렐 리아 labiata을 둘러싼 현장 입자 분야 (A)로 측정. 흐름 방향과 크기를 나타내는 노란색 벡터와 대응 속도 필드 (B).
Mastigias SP를 둘러싼 현장 입자 필드에 그림 2. 그리고 Solmissus SP. (A와 B, 각각). 빨간색 화살표는 어려운 입자와 대상 사이에 구별하고, 이미지의 채도 결과 높은 반사율의 영역을 나타냅니다. B의 빨간색 화살표는 흐름 속도가 때 결과를 줄이의 영역을 나타냅니다높은 주파수에서 충분히 맛볼 수 없습니다.
Discussion
현장에서 잠재적인 제약 디지털 입자 이미지 velocimetry (DPIV)를 구현하는 데 필요한 흐름 입자가 필요합니다. 해안 물에 정지 미립 물질 10 직경 μm의와 0.002와 mm 3 당 10 사이의 농도의 순서에 크기를 전시 4. 추가 연구가 바다 물 속에 DPIV을 수행하기 위해 입자를 시딩 충분한 존재 확인 입자 감지를위한 잠수 holocamera를 사용합니다. 5 열고 바다와 연안 바다 다이빙을하는 동안, 우리는 입자 밀도와 크기는 현장 DPIV에 실시에 대한 제약하지 것으로 나타났습니다.
이외 입자 밀도 및 크기에서 DPIV 측정과 관련된 또 다른 관심사는 입자 농도의 균질성입니다.
심문 창 내의 지역이 다른보다 큰 입자 농도가있다면 질적, 속도 크기는 D에 의해 생성된PIV 분석은 높은 입자의 농도와 지역에 대한 편견 것입니다. 입자 농도 변화가 최소화 어디 따라서 SCUVA 측정을 실시해야합니다. 우리는 thatcle 농도는 다이버가 물 열의 중간에 정지 잠수하는 동안 비교적 일정한 아르 입자 농도 동안 상대적으로 지속적으로 발견되는. 그러나, 저생 환경에서 입자 필드는 바다의 바닥 근처 환경 또는 다이버 유발 흐름에 의한 입자의 resuspension로 인해 inhomogeneity에 대한 잠재력을 지니고 있습니다. 관리는 저생 환경에서 측정하는 동안 입자의 중단을 최소화하기 위해 이동해야합니다. 저자 '지식, inhomogeneous 입자 농도 필드에 의해 생성된 오류의 공식적인 분석 실험실 또는 현장 조건 중 하나에 실시되지 않았으며, 별도의 발행물에 추가 고려 대상이 될 것입니다.
준비 및시 여러 가지 문제가 고려되어야프로토콜을 사용하여 현장 실험에서 실시. 녹음하는 동안 연산자는 정지 상태 및 모든 out - of - 비행기와 회전 운동하지 않도록 지시합니다. 이 요청은 실제 이론 간단하지만 어려운, 이러한 측정이 성공적으로 완료하기 위해 고급 다이빙 기술을 필요로합니다. 밖에서 비행기와 잘못된 DPIV 데이터에 연산자 결과의 회전 동작. 그러나,에 - 비행기 움직임은 자체 소프트웨어를 사용하여 해결할 수 있습니다. 6 그것은 측정 효율을 극대화하기 위해 SCUVA를 사용하기 전에 몇 가지 다이빙을위한 부력 조절 연습을 교환하는 것이 좋습니다.
부력 고려 사항 외에, 교환 대상 흐름 방향을 알고 있어야합니다. 레이저 시트에 상대적인 수준의 비행기 여행 흐름이 안정적인 DPIV의 결과를 얻을되지 않으며, 교환 동양 SCUVA해야 가장 효과적으로 이러한 흐름을 캡처합니다. 또한, 대상에 상대적인 다이버의 위치 selecte되어야합니다d는만큼 측정에서 다이버 유발 흐름을 최소화하기 위해. 다이버 유도된 흐름이 대상 흐름에 오류를 소개하고, 다이버 효과를 포함 성능은 더 분석을 위해 사용해서는 안됩니다.
목표는 고도의 반사 표면을 가지고있는 경우, 대상을 둘러싸고있는 유체 지역은 강력 어려운 주변 유체 (빨간색 화살표 그림 2A에 표시된 지역)에서 인근 개별 입자를 구별하고, 조명 것입니다. 필터 또는 polarizers는 비디오 카메라 센서에 의해 캡처된 레이저 빛의 강도를 줄이기 위해 레이저 또는 카메라 하우징에 추가할 수 있습니다. 이 때문에 병참 제약 및 내부 소프트웨어를 사용하여 이미지의 설비, 후처리에 제한적으로 액세스할 수 없다면 이미지에서 대상 근처의 고가 픽셀 농도를 빼는 방법으로 충분한 교정을 제공할 수 있습니다. DPIV 데이터의 품질에 영향을 미치는 또 다른 고려 사항은 입자 줄무늬가 존재 여부이다. 경우 입자필드 줄이의 지역 (빨간색 화살표 그림 2B로 표시)가, 비디오 카메라는 이러한 높은 판매율을 해결하기 위해 너무 낮은 프레임 속도로 녹음됩니다. 프레임 속도를 증가시켜, 입자 줄이을 줄일 수 있습니다. 그러나 빛이 비디오 카메라 센서에 도달하고 입자 필드 모양의 주차를 만드는의 감소이 발생합니다. 비디오 카메라가 수동으로 조리개 설정을 설정할 수있는 능력이있다면, 입자 필드의 dimming 방지하기 위해 조리개 설정을 향상시킬 수 있습니다. 최적의 장치 설정을 결정하는 것은 성공적인 데이터 수집하기 전에 SCUVA 여러 다이빙을 요구할 수 있습니다.
Disclosures
관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.
Acknowledgments
이 연구는 (국립 과학 JOD에게 수여 재단 (OCE - 0623475), SPC (OCE - 0623534 및 0727544) 및 JHC (OCE - 0727587과 OCE - 0623508)에 의해 지원과 해군 연구소의 사무실에서 JHC에게 수여됩니다 N000140810654). 주식은 Devonshire 재단에서 제공하는 자금과 우즈 홀 해양 연구소에서 박사 과정 이수 학자 프로그램에 의해 지원됩니다.
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