تحديد الحقول تدفق 3D عبر موضوع ضوء الكاميرا التصوير الميدانية

الهدف العام من الفيديو التالي هو تقديم نظرة عامة على تقنية تصوير ثلاثية الأبعاد يمكنها استنتاج مجال سرعة ثلاثي الأبعاد. ويتم تحقيق ذلك باستخدام كاميرات معايرة لجمع الصور المطلوبة لأخذ عينات من المجال الضوئي. وكخطوة ثانية، يتم إعادة تحديد معاملات المجال الضوئي، مما ينتج عنه مجموعة صور بؤرية تشكل تمثيلاً ثلاثي الأبعاد لمجال التدفق.

بعد ذلك، يتم إجراء معالجة لاحقة لمجموعة الصور البؤرية (focal stack) باستخدام خوارزمية الارتباط المتقاطع (cross correlation) للحصول على ناقلات مجال السرعة ثلاثية الأبعاد. وتظهر النتائج مجال تدفق ثلاثي الأبعاد محللاً زمنياً في منطقة الاستيقاظ (wake) لنموذج طية صوتية اصطناعية مهتزة استُخدم كمنصة اختبار. كما تُعرض النتائج أيضاً للتقنية المطبقة على مجال من الفقاعات.

تفضل بالمتابعة. تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية في قدرتنا على القياس في أحجام تحتوي على عدد أكبر من الجسيمات أو الفقاعات أو القطيرات. ويمكن لهذه الطريقة أن توفر رؤى حول تدفقات السوائل، كما يمكن توسيع نطاق تطبيقها لتشمل استخدامات أخرى، مثل قياس شكل اللهب والدور الذي تلعبه السرعة في عملية الاحتراق، وحتى قياس السلوك الجماعي لمجموعات الحيوانات مثل أسراب الطيور.

بشكل عام، قد يواجه الأشخاص المبتدئون في هذه التقنية صعوبة بسبب كمية البيانات التي قد تصبح هائلة، ولكننا نعتقد أننا قد وضعنا دليلاً إرشائياً مفصلاً لاستخدام هذه الطريقة. إن العرض المرئي لهذه الطريقة أمر بالغ الأهمية لأن إعدادات الكاميرا والمعايرة تختلف تماماً عما هي عليه عند استخدام نهج الكاميرا الواحدة. سنقوم بإجراء هذه التجارب في مختبر Dr.Scott Thompson للسوائل الحيوية في BYU بمساعدة طالب الدراسات العليا لديه، Jesse Daley.

تتمثل الخطوة الأولى في تحديد حجم حجم القياس، بالإضافة إلى الدقة الزمنية والمكانية المطلوبة لاستقصاء تجربة تدفق السوائل. هنا، ستُستخدم الطريقة لإجراء تصوير جزيئي ثلاثي الأبعاد بفتحة اصطناعية (3D synthetic aperture particle image) لدراسة تماثل الفقد في تدفق الهواء الناتج عن طية صوتية اصطناعية. يبلغ حجم القياس 50 في 50 في 25 مليمتر مكعب، وأقصر المقاييس الزمنية المراد رصدها هي 10 ميكروثانية.

بعد ذلك، قم بتقدير الكثافة الضوئية التي ستكون موجودة في التجربة من أجل تحديد عدد الكاميرات المطلوبة لإنتاج صور إعادة تركيز ذات نسبة إشارة إلى ضجيج جيدة. تتطلب كثافات البذر الأعلى عدداً أكبر من الكاميرات في هذه المرحلة من صورة الجسيمات. بالنسبة لتجارب التماثل O، يجب أيضاً حساب عدد الجسيمات لكل بكسل. قم بتركيب الكاميرات في تكوين مصفوفة على إطار بحيث يمكن لكل كاميرا عرض حجم القياس من وجهات نظر مختلفة.

بعد ذلك، حدد المسافات الفاصلة بين الكاميرات المتبقية في المصفوفة. إذ يؤدي زيادة التباعد بين الكاميرات إلى تحسين الدقة المكانية في بُعد العمق على حساب إجمالي العمق القابل للتحليل. وذلك من أجل التقاط البيانات.

عند العرض، قم بتوصيل الكاميرات بجهاز كمبيوتر مركزي. ضع هدفاً بصرياً مثل شبكة معايرة في مركز حجم القياس. استخدم الصورة من الكاميرا المركزية في المصفوفة كمرجع، وقم بتحريك إطار المصفوفة بأكمله ليكون أقرب أو أبعد عن حجم القياس لتحقيق زاوية التكبير المطلوبة أو لضبط الكاميرات بحيث يكون الهدف البصري الموجود في مركز حجم القياس متمركزاً تقريباً في صورة كل كاميرا.

مع فتح فتحات العدسة بالكامل في كل كاميرا، قم بضبط تركيز كل كاميرا على الهدف المرئي. ضع هدف المعايرة في الجزء الخلفي من حجم القياس. وتأكد من أن الهدف يقع ضمن مجال رؤية كل كاميرا.

إذا لم يكن كذلك، قم بإعادة ضبط المسافة بين الكاميرات وحجم القياس و/أو المسافات الفاصلة بين الكاميرات. كرر العملية نفسها باستخدام هدف معايرة في مقدمة الحجم، وكرر الخطوات حتى تصبح المقدمة والخلفية مرئيتين في جميع الكاميرات.

أغلق فتحة كل كاميرا حتى يصبح الهدف في بؤرة التركيز. قد تكون هناك حاجة إلى إضاءة إضافية عند إغلاق الفتحة عندما يكون الهدف في أي موضع داخل حجم القياس لكل كاميرا. للبدء، حدد الطريقة المناسبة لإضاءة حجم القياس بناءً على طريقة القياس المحددة المطبقة على مجال التدفق.

لهذا العرض التوضيحي، يُستخدم ليزر بنبضة مزدوجة بتردد 1000 hertz. استخدم عدسات بصرية لتشكيل الليزر في حجم ضوئي يغطي حجم القياس. وأخيراً، عند الاستعداد لجمع البيانات، كن مستعداً لتلقيح الحجم بجسيمات تتبع مناسبة لتقنية Particle Image Velocimetry (PIV).

قياسات التماثل كما هي موصوفة في المراجع. وكقاعدة عامة، فإن كثافة صور تتراوح من 0.05 إلى 0.15 جسيم لكل بكسل تعد مناسبة لمعظم التجارب التي تستخدم ثماني كاميرات أو أكثر. وبالنسبة لعدد ثابت من الكاميرات، فإن عدد الجسيمات لكل بكسل يتناقص.

بالنسبة لأبعاد العمق ذات الأحجام الأكبر. تعد عملية المعايرة خطوة حاسمة، ويمكن القيام بها بوجود الجسيمات المتتبعة أو بدونها.

في حال استخدام خوارزمية المعايرة الذاتية متعددة الكاميرات كما هو موضح في هذا العرض التوضيحي، قم بإنشاء نظام إحداثيات مرجعي في حجم القياس. هنا، يتم وضع شبكة المعايرة في مركز الثنية الصوتية بتوجيه ثابت بالنسبة لنظام الإحداثيات المرجعي، واستخدم جسماً ذا هندسة معروفة كهدف للمعايرة. في هذه الحالة، يمكن أن تكون مواقع شبكة المعايرة في خوارزمية المعايرة الذاتية متعددة الكاميرات أو مواقع أهداف المعايرة عشوائية، باستثناء الهدف الذي يتم التحكم فيه بدقة.

يحدد ذلك نظام الإحداثيات المرجعي. في كل كاميرا، التقط صورة للهدف في كل موقع. حدد النقاط الموجودة على الهدف في كل كاميرا. بالنسبة لكل صورة مخصصة للمعايرة الذاتية، يجب أن تكون كل نقطة محددة على الهدف موجودة في الصورة التي التقطتها كل كاميرا.

ومع ذلك، فإن التحديد الصريح لمواقع النقاط في نظام الإحداثيات المرجعي مطلوب فقط للنقاط المرتبطة بالهدف المحدد بدقة. وللحصول على بيانات لتصوير المجال الضوئي الكمي ذي الدقة الزمنية، يجب مزامنة جميع الكاميرات ومصادر الإضاءة بدقة. وفي هذه التجربة، يُستخدم مولد نبضات خارجي مبرمج لتحفيز عمليات تعريض الكاميرا وتسلسلات الإضاءة.

استعد لجمع كمية كبيرة من البيانات، بما في ذلك التفكير في تسمية ملفات البيانات. ابدأ عملية التقاط البيانات التجريبية بالتأكد من تدفق الجسيمات المتتبعة، ثم ابدأ تسلسل التقاط الكاميرا والإضاءة عبر طريقة التشغيل المختارة. ومن أجل إنتاج حجم معاد تركيزه اصطناعياً لجمع البيانات، قم بإنشاء مكدس بؤري ثلاثي الأبعاد (3D focal stack).

للقيام بذلك، قم بتحديد المسافة الفاصلة بين المستويات البؤرية وعمق إعادة التركيز الإجمالي في الحجم المعاد تركيزه. وكما هو موضح في المراجع، يتم ضبط المستوى البؤري عادةً على نصف دقة العمق، بينما يتحدد عمق إعادة التركيز الإجمالي بالمنطقة التي تتداخل فيها جميع مجالات رؤية الكاميرا. وستكون المستويات البؤرية عمودية على محور Z لنظام الإحداثيات المرجعي.

لدينا هنا تباعد بين المستويات البؤرية يبلغ حوالي 0.16 millimeters وعمق إعادة تركيز كلي يبلغ 20 millimeters، مما ينتج عنه ما يقرب من 128 مستوى بؤري متميز بعد المعالجة. قم بإجراء معالجة أولية للصور لتحسين ضجيج الخلفية وملاءمة الاختلافات في الكثافة بين الصور. حدد التحويلات بين كل كاميرا، ومستوى الصورة، وكل مستوى بؤري اصطناعي. أعد إسقاط الصور على المستويات البؤرية الاصطناعية.

قم بتطبيق المقياس وإعادة أخذ عينات من الصور. يمكن القيام بذلك ضمن برنامج matlab. وبناءً على التحويلات من مستوى إلى مستوى، قم بتطبيق خوارزمية إعادة التركيز لفتحة التصوير الاصطناعية، سواء كانت تجميعية أو ضربية، على كل مستوى بؤري اصطناعي.

كإجراء للتحقق، قم بتطبيق إعادة التركيز على مستوى واحد من صور المعايرة لمعرفة ما إذا كانت عملية إعادة البناء تظهر كما هو متوقع. عند تطبيق الطريقة الإضافية على أحد مستويات المعايرة عند z يساوي 13.3 millimeters، تظهر الصورة بوضوح ثم تفقد تركيزها أثناء الانتقال عبر مكدس التركيز من الخلف إلى الأمام. وأخيرًا، نوضح التركيز عند كل مستوى معايرة باستخدام الصور المعاد تركيزها على اليسار وصورة شبكة المعايرة من الكاميرا المركزية على اليمين.

بعد إعادة التركيز على جميع المستويات المطلوبة، تتم معالجة الصور لإزالة الضوضاء الناتجة عن عملية إعادة التركيز، مع تطبيق عتبة الفصل (thresholding) بناءً على مخططات التكرار الكثافية (intensity histograms) للصور المعاد تركيزها للاحتفاظ بالجسيمات التي تقع في نطاق التركيز. بعد ذلك، يتم تجميع الصور التي خضعت لعتبة الفصل معاً لإنشاء مجسم في عملية تسمى "إعادة البناء" (reconstruction). وبعد عملية إعادة البناء، يمكن جمع البيانات الكمية من هذا المجسم.

يظهر هنا مثال لصورة جسيمات خام عالية الجودة للفقد، وصور التماثل من كاميرا واحدة. تحتوي هذه الصور على جسيمات موزعة بانتظام تظهر بتباين عالٍ مقابل الخلفية السوداء. هذه هي نتيجة تجربة تم بذرهـا بشكل مناسب ومعايرتها بدقة.

تكشف الصورة المعاد تركيزها بفتحة اصطناعية عن جسيمات بؤرية على كل مستوى عمق؛ حيث تكون الصور من اليسار إلى اليمين عند أعماق ناقص 7 mm، و0 mm، و7 mm. يتطلب الاستفادة من البيانات خطوة معالجة تُعرف باسم إعادة البناء. وفي هذه الحالة، يتم تطبيق عتبة الكثافة للاحتفاظ بالجسيمات البؤرية على كل مستوى عمق.

يتم بعد ذلك تجميع المستويات البؤرية لإنشاء حجم هنا. وتظهر الصور عند نفس العمق في وقتين مختلفين. ويمكن بعد ذلك تمرير حجم العتبة إلى أحجام الاستجواب التي تحتوي على عدد كافٍ من الجسيمات لإجراء قياس سرعة الصورة الجسيمية.

هذا مثال لبيانات عينة تم جمعها لمجال متجهي ثلاثي الأبعاد للنفث الناتج عن طيات صوتية اصطناعية لعدة خطوات زمنية. يظهر الجانب الأيسر عرضاً غير متماثل لمجال السرعة ثلاثي الأبعاد بالكامل عند كل زمن. وتظهر مقاطع خطوية للمستوى XY عند Z تساوي 5 mm في المنتصف، ومقاطع للمستوى YZ.

تظهر القيمة X التي تساوي 14 millimeters على اليمين عند t تساوي zero milliseconds. يكون الطية الصوتية مغلقة مع وجود سرعة ضئيلة جداً في المجال. وتتحرك أقصى سرعة في النفاث عند one millisecond في الاتجاه العرضي الموجب، ثم تنخفض شدتها من two إلى four milliseconds.

تنغلق الطية عند خمسة ملي ثانية، مما يقلل من سرعة النفث، ثم تتكرر الدورة. تمثل هذه البيانات مجال السرعة في لقطة زمنية واحدة على عكس المتوسط الذي يتم عرضه عادةً. ومن التطبيقات الأخرى لتصوير المجال الضوئي تدفقات الفقاعات.

يظهر هنا حقل فقاعي تشكل نتيجة سحب الهواء من نفاث يصطدم بسطح الماء. يتيح إيقاف الفيديو مؤقتًا إعادة ضبط التركيز عبر الصورة في مستويات عمق مختلفة لرؤية الفقاعات وهي تدخل وتخرج من نطاق التركيز.

تظهر هذه الصورة الثابتة، من اليسار إلى اليمين، الصورة الخام لمجال تدفق فقاعي من مصفوفة الكاميرات وصوراً أعيد تركيزها عند أعماق -10 مليمتر، وصفر مليمتر، و10 مليمتر. توضح الدائرة فقاعة تقع على مستوى عمق -10 مليمتر وتختفي من الرؤية في المستويات الأخرى. وبمجرد إتقان العملية، يمكن عادةً إجراء المعايرة والتقاط البيانات في غضون أربع ساعات تقريباً، بينما يمكن إجراء إعادة تركيز الالتقاط الاصطناعي في حوالي 12 ساعة أثناء تنفيذ هذا الإجراء. من المهم جداً توخي التنظيم نظراً لوجود العديد من الخطوات وكمية كبيرة من البيانات التي يتم جمعها.

بعد اتباع هذا الإجراء، يمكن تحليل مجموعات البيانات الغنية لاستخلاص رؤى فيزيائية حول عدة تساؤلات، مثل ما هي توزيعات أحجام الفقاعات في التدفقات متعددة الأطوار؟ سيمهد هذا التكنيك الطريق للباحثين في مجالات مثل البيولوجيا الفيزيائية، حيث يمكنهم دراسة ديناميكا السوائل في طيران الفراشات أو البنية ثلاثية الأبعاد لتجمعات الطيور. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية إعداد الكاميرات للتصوير بالمجال الضوئي، ومعايرتها بدقة، وإجراء الفتحة الاصطناعية على الصور في البرنامج، والاستفادة من البيانات الحجمية لمزيد من المعالجة.

للحصول على رموز العينات ومجموعات البيانات ومعلومات البرنامج التعليمي، يرجى زيارة موقعنا الإلكتروني. لا تنسَ أن العمل مع Tad Truscott قد يكون خطيراً للغاية، لذا يجب دائماً اتخاذ كافة الاحتياطات الكاملة، مثل ارتداء دروع الجسم عند العمل في مختبره.