En teknik för att utföra kvantitativ tredimensionell (3D) avbildning för en rad fluidflöden presenteras. Använda begrepp från området ljusfältet Imaging rekonstruera vi 3D volymer från grupper av bilder. Våra 3D resultat spänner över ett brett spektrum, inklusive hastighet områden och flerfasiga bubbla storleksfördelningar.
Inom området strömningsmekanik har lösa beräkningsproblem system överträffade experimentella metoder och vidgat klyftan mellan predikterade och observerade fenomen i vätskeflöden. Det föreligger således ett behov av en tillgänglig metod kan lösa tredimensionella (3D) datauppsättningar för en rad problem. Vi presenterar en ny teknik för att utföra kvantitativ 3D avbildning av många typer av strömningsfält. 3D Tekniken möjliggör undersökning av komplicerade hastighet fält och klädstil flöden. Mätningar av dessa typer presentera en mängd olika utmaningar för instrumentet. Till exempel kan optiskt täta klädstil flerfasiga flöden inte lätt avbildas med traditionella, icke-invasiva tekniker Flödesmätning grund av bubblorna täppa optiska tillgång till de inre regionerna av volymen av intresse. Genom att använda ljusfältet Imaging kan vi reparameterize bilder som tagits av en rad kameror för att rekonstruera en 3D volymetrisk karta för varje gång instans, trotspartiella ocklusioner i volymen. Tekniken utnyttjar en algoritm som kallas syntetisk apertur (SA) omfokusering, varigenom en 3D fokal stapel genereras genom att kombinera bilder från flera kameror efter fånga 1. Ljusfältet Imaging tillåter fångst av kantiga samt geografisk information om ljusstrålarna och därmed möjliggör 3D-scenen rekonstruktion. Kvantitativ information kan sedan extraheras från 3D rekonstruktioner med hjälp av olika behandling algoritmer. Framför allt har vi utvecklat mätmetoder baserade på ljusfält Imaging för att utföra 3D velocimetry partikel bild (PIV), extrahera bubblor i en 3D fält och spårning gränsen för en fladdrande låga. Vi presenterar grunderna i Light Field Imaging metodik i samband med vår inställning för att utföra 3DPIV av luftflödet som passerar över en uppsättning av syntetiska stämbanden, och visar representativa resultat från tillämpning av tekniken till en bubbla, medförande störtar stråle.
Flera steg är avgörande för en korrekt verkställighet av ett ljusfält Imaging experiment. Lins urval och kamera placering bör väljas med omsorg för att maximera upplösningen i mätvolymen. Kalibrering är kanske den mest kritiska steget, eftersom SA omfokusering algoritmer kommer att misslyckas att producera kraftigt fokuserade bilder utan noggrann kalibrering. Lyckligtvis underlättar flera kamera självkalibrering noggrann kalibrering med en relativt låg nivå av ansträngning. Enhetlig belysning i alla bilder som ger god kontrast mellan objekt av intresse och bakgrunden är också nödvändigt, även om bildbehandling kan normalisera bilderna till en examen.
Timing är också viktigt när man utför SA på volymer som har rörliga objekt. Om varje kamera inte triggas att ta en bild på samma gång, kommer bildrekonstruktion vara uppenbart felaktiga. För experimenten i detta dokument vi utnyttjas s tidssekvensenhown i Figur 7.
3D ljusfält bildprogram som presenteras här innebär en rumslig upplösning kompromiss. Till exempel kan 3D SAPIV rekonstruera partikel volymer från optiskt täta partiklar bilder, men partiklarna är fördelade över en (potentiellt stor) volym. För 2D PIV, partiklarna fördelade över en tunn plåt, och således bilder med samma partikeldensitet motsvarar en mycket större täthet i mätvolymen. Ändå tillåter 3D SAPIV metoden för mycket större sådd densitet som andra 3D PIV metoder 1. En annan potentiellt begränsande faktor är den relativt stora Computational intensitet i samband med ljus metoder Field Imaging, beräkningskomplexitet är typiskt för bildbaserade 3D-rekonstruktion metoder såsom tomografisk-PIV 10.
För detta experiment använde vi 8 Photron SA3 kameror utrustade med Sigma 105 linser mm makro och en Quantronix Dual Darwin Nd: YLF laser (532 nm, 200 MJ). De kameror och laser har synkroniserat tillsammans via en Berkley Nucleonics 575 BNC digitala fördröjning / pulsgenerator. Fluidflödet ympades med Expancel helium fyllda glasmikrosfärer. Mikrosfärerna hade en genomsnittlig diameter av 70 | im med en densitet av 0,15 g / cm ^. Vi erbjuder öppen källkod versioner av de koder som används här för den akademiska världen via vår hemsida http://www.3dsaimaging.com/ och vi uppmuntrar användarna att ge oss feedback och delta i att förbättra och leverera användbara koder för kvantitativ ljusfältet gemenskap.
The authors have nothing to disclose.
Vi vill tacka NSF bevilja CMMI # 1126862 för att finansiera utrustning och utveckling av Synthetic Aperture algoritmer vid BYU, eget laboratorium Independent Research (Ilir) fonder (övervakas av Dr Tony Ruffa) för att finansiera den utrustning och utveckling i NUWC Newport, och NIH / NIDCD bidrag R01DC009616 för finansiering SLT, DJD och JRN och uppgifter om de vokala vika experiment och universitetet i Erlangen Forskarskolan i avancerade optiska teknik (SAOT) för partiellt stöd för SLT. Slutligen Rocky Mountain NASA Space Grant Consortium för finansiering JRN.