En teknik til udførelse af kvantitativ tredimensionale (3D) billeddannelse for en række væskestrømninger er præsenteret. Brug begreber fra området of Light Field Imaging, vi rekonstruere 3D volumener fra arrays af billeder. Vores 3D resultater spænder over et bredt spektrum, herunder hastighedsfelter og multi-fasede boblestørrelse distributioner.
Inden for fluid mekanik, har løsningen af beregningsmæssige ordninger overhalet eksperimentelle metoder og udvidet kløften mellem forudsagte og observerede fænomener i væskestrømninger. Således eksisterer der et behov for en tilgængelig fremgangsmåde kan løse tredimensionale (3D) datasæt til en række problemer. Vi præsenterer en ny teknik til at udføre kvantitativ 3D billeddannelse af mange typer af flow felter. 3D teknik muliggør undersøgelse af komplicerede hastighedsfelter og perlende strømme. Målinger af disse typer præsentere en bred vifte af udfordringer for instrumentet. For eksempel kan optisk tætte boblende flerfasede strømme ikke umiddelbart kan afbildes ved traditionelle, ikke-invasive flow måleteknikker grund af boblerne okkluderende optisk adgang til indre regioner af mængden af interesse. Ved at bruge Light Field Imaging vi er i stand til at reparameterize billeder taget af en række kameraer til at rekonstruere et 3D-volumetrisk kort for hver gang eksempel, på trodsdelvise okklusioner i mængden. Teknikken gør brug af en algoritme kendt som syntetisk apertur (SA) refokusering, hvorved en 3D fokal stabel genereres ved at kombinere billeder fra flere kameraer post-fange 1. Light Field Imaging giver mulighed for fangst af kantet, samt geografisk information om lysstrålerne, og dermed muliggør 3D scene rekonstruktion. Kvantitative oplysninger kan derefter udtrækkes fra 3D rekonstruktioner ved hjælp af forskellige algoritmer. I særdeleshed har vi udviklet værdiansættelsesmetoder baseret på Light Field Imaging til at udføre 3D partikel billede Velocimetry (PIV), udtrække bobler i en 3D-felt og sporing grænsen af en flimrende flamme. Vi præsenterer de grundlæggende faktorer for Light Field Imaging metode i forbindelse med vores setup til at udføre 3DPIV af luftstrømmen passerer hen over et sæt af syntetiske vokal folder og viser repræsentative resultater fra anvendelse af teknikken til en boble-medrive kaster jet.
Flere trin er afgørende for korrekt udførelse af et lysfelt Imaging eksperiment. Lens udvælgelse og kamera placering bør vælges med omhu for at maksimere opløsningen i måleområdet. Kalibrering er måske den mest kritiske skridt, da SA refokusering algoritmer vil undlade at producere skarpt fokuserede billeder uden præcis kalibrering. Heldigvis, multi-kamera selvkalibrering letter præcis kalibrering med et relativt lavt niveau af indsats. Ensartet belysning i alle billeder, som giver god kontrast mellem objekterne af interesse og baggrunden er også nødvendigt, selv billedbehandling kan normalisere billederne til en vis grad.
Timingen er også vigtig, når der udføres SA om mængder, der er bevægelige objekter. Hvis hver kameraet ikke udløses til at tage et billede på samme tid, vil billedet genopbygning naturligvis være unøjagtig. For eksperimenterne i dette papir, vi udnyttede timingsekvens shown i figur 7.
3D lysfelt billedbehandlingsprogrammer præsenteret heri inddrage en rumlig opløsning trade-off. For eksempel kan 3D SAPIV rekonstruere partikel mængder fra optisk tætte partikel billeder, men partiklerne er fordelt over hele et (potentielt stort) volumen. For 2D PIV er partiklerne fordelt over et tyndt lag, og således billeder med den samme partikeldensitet svarer til en meget større densitet i målevolumenet. Ikke desto mindre 3D SAPIV metoden giver mulighed for langt større seeding tætheder at andre 3D PIV metoder 1. Et andet potentielt begrænsende hensyn er den relativt store beregningsmæssige intensitet forbundet med lysfelt Imaging metoder beregningskompleksiteten er typisk for billedbaserede 3D rekonstruktion metoder såsom tomografisk-PIV 10.
Til dette eksperiment brugte vi 8 Photron SA3 kameraer er udstyret med Sigma 105 mm makroobjektiver og en Quantronix Dual Darwin Nd: YLF laser (532 nm, 200 mJ). De kameraer og laser blev synkroniseret sammen via en Berkley Nucleonics 575 BNC digital delay / impulsgenerator. Fluidstrømmen blev podet med Expancel helium fyldt glasmikrokugler. Mikrokuglerne havde en gennemsnitlig diameter på 70 um med en densitet på 0,15 g / cc. Vi tilbyder open source-versioner af de koder, der anvendes heri for det akademiske samfund via vores hjemmeside http://www.3dsaimaging.com/ og vi opfordrer brugerne til at give os feedback og deltage i at forbedre og levere brugbare koder til kvantitativ lysfelt samfund.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne takke NSF tilskud CMMI # 1126862 til finansiering af udstyr og udvikling af de syntetiske apertur algoritmer på BYU, In-house Laboratory Frie Forskningsråd (Ilir) midler (overvåget af Dr. Tony Ruffa) til finansiering af udstyr og udvikling hos NUWC Newport, og NIH / NIDCD tilskud R01DC009616 til finansiering SLT, DJD og Jrn og data vedrørende de vokale fold eksperimenter og University of Erlangen Graduate School i Advanced Optical Technologies (SAOT) for delvis støtte af SLT. Endelig Rocky Mountain NASA Space Grant Consortium til finansiering Jrn.