Ermittlung 3D Flow Felder via Multi-Kamera-Light Field Imaging

Das allgemeine Ziel des folgenden Videos besteht darin, einen Überblick über eine dreidimensionale Abbildungstechnik zu geben, die ein 3D-Geschwindigkeitsfeld liefern kann. Dies wird erreicht, indem kalibrierte Kameras verwendet werden, um die notwendigen Bilder zur Abtastung des Lichtfeldes aufzunehmen. In einem zweiten Schritt wird das Lichtfeld neu parametrisiert, wodurch ein Fokus-Stack von Bildern entsteht, der eine 3D-Darstellung des Strömungsfeldes bildet.

Anschließend wird der Fokusstapel mittels eines Kreuzkorrelationsalgorithmus nachbearbeitet, um die 3D-Geschwindigkeitsfeldvektoren zu erhalten. Die Ergebnisse zeigen ein zeitlich aufgelöstes 3D-Strömungsfeld im Nachlauf eines schwingenden synthetischen Stimmlippenmodells, das als Versuchsanordnung verwendet wurde. Ergebnisse werden zudem für die Anwendung der Technik auf ein Blasenfeld dargestellt.

Los geht's. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden liegt darin, dass wir in Volumina messen können, die mehr Teilchen, Blasen oder Tröpfchen enthalten. Diese Methode kann Einblicke in Strömungen geben und auf andere Anwendungen erweitert werden, beispielsweise auf die Messung der Form einer Flamme und der Rolle, die die Geschwindigkeit bei der Verbrennung spielt, oder sogar auf die Messung des kollektiven Verhaltens von Tiergruppen wie Vogelschwärmen.

Im Allgemeinen haben Personen, die neu bei dieser Technik sind, Schwierigkeiten, da die Menge an Daten überwältigend werden kann, doch wie meinen, ein präzises Verfahren für die Anwendung dieser Methode entwickelt zu haben. Eine visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die Kamera- und Kalibrierungsaufbauten deutlich von der Verwendung eines einzelnen Kamerasystems abweichen. Diese Experimente werden wir im Biofluidik-Labor von Dr. Scott Thompson an der BYU gemeinsam mit seinem Doktoranden Jesse Daley durchführen.

Der erste Schritt besteht darin, die Größe des Messvolumens sowie die für die Untersuchung der Strömung erforderliche zeitliche und räumliche Auflösung zu bestimmen. Hier wird die Methode verwendet, um eine dreidimensionale Synthetic-Aperture-Partikelbildmessung zur Untersuchung der Strömungssymmetrie der Luftströmung durch einen synthetischen Stimmlippenmodell zu realisieren. Das Messvolumen beträgt 50 mal 50 mal 25 Kubikmillimeter, und die kürzesten Zeitskalen, die erfasst werden sollen, liegen bei 10 Mikrosekunden.

Als Nächstes schätzen Sie die optische Dichte, die im Experiment vorliegen wird, um die Anzahl der Kameras zu bestimmen, die erforderlich sind, um Fokuswiederherstellungsbilder mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis zu erzeugen. Höhere Besiedlungsdichten erfordern zu diesem Zeitpunkt in einem Partikelbild mehr Kameras. Bei Experimenten mit O-Symmetrie sollte ebenfalls die Anzahl der Partikel pro Pixel berechnet werden. Bringen Sie die Kameras in einer Array-Anordnung auf einem Rahmen so an, dass jede Kamera das Messvolumen aus unterschiedlichen Blickwinkeln erfassen kann.

Als Nächstes legen Sie den Abstand zwischen den verbleibenden Kameras im Array fest. Ein größerer Abstand zwischen den Kameras verbessert die räumliche Auflösung in der Tiefendimension, geht jedoch auf Kosten der insgesamt auflösbaren Tiefe. Für die Datenaufnahme.

Verbinden Sie die Kameras zur Betrachtung mit einem zentralen Computer. Platzieren Sie ein visuelles Ziel wie ein Kalibrierungsgitter in der Mitte des Messvolumens. Verwenden Sie das Bild von der mittleren Kamera des Arrays als Referenz und bewegen Sie den gesamten Array-Rahmen näher oder weiter vom Messvolumen weg, um den gewünschten Vergrößerungswinkel oder die Kameras so einzustellen, dass das visuelle Ziel in der Mitte des Messvolumens in jedem Kamerabild annähernd zentriert ist.

Bei vollständig geöffneten Blenden an jedem Objektiv fokussieren Sie jede Kamera auf das visuelle Ziel. Bringen Sie ein Kalibrierziel am hinteren Ende des Messvolumens an und stellen Sie sicher, dass es im Sichtfeld jeder Kamera liegt.

Falls nicht, stellen Sie den Abstand zwischen den Kameras und dem Messvolumen und/oder den Kameraspalt neu ein. Gehen Sie ebenso mit einem Kalibrierziel an der Vorderseite des Volumens vor und wiederholen Sie den Vorgang, bis die Vorder- und Rückseite in allen Kameras sichtbar sind.

Schließen Sie die Blende jeder Kamera, bis das Ziel scharf gestellt ist. Wenn sich das Ziel an einer beliebigen Position innerhalb des Messvolumens jeder Kamera befindet, kann zusätzliche Beleuchtung bei geschlossener Blende erforderlich sein. Bestimmen Sie zunächst die geeignete Methode zur Beleuchtung des Messvolumens, abhängig von der spezifischen Messmethode, die auf das Strömungsfeld angewendet wird.

Für diese Demonstration wird ein 1000 Hertz Doppelpuls-Laser verwendet. Verwenden Sie optische Linsen, um den Laserstrahl zu einem Lichtvolumen zu formen, das das Messvolumen abdeckt. Schließlich, wenn die Datensammlung beginnen soll, bereiten Sie sich darauf vor, das Volumen mit geeigneten Tracer-Partikeln für die Particle-Image-Loc.-Methode zu beimpfen.

Symmetriemessungen wie in den Referenzen beschrieben. Als Faustregel ist eine Bilddichte von 0,05 bis 0,15 Teilchen pro Pixel für die meisten Experimente mit acht oder mehr Kameras geeignet. Bei einer festen Anzahl von Kameras nimmt die Anzahl der Teilchen pro Pixel ab.

Für größere Tiefenabmessungen mit größeren Volumina. Ein entscheidender Schritt ist die Kalibrierung. Diese kann mit oder ohne die Tracer-Partikel durchgeführt werden.

Wenn ein Multi-Kamera-Selbstkalibrierungsalgorithmus wie in dieser Demonstration verwendet wird, muss ein Referenzkoordinatensystem im Messvolumen eingerichtet werden. Hier wird das Kalibrierungsraster in der Mitte des Stimmlappens platziert. In einer festen Orientierung zum Referenzkoordinatensystem wird ein Objekt mit einer bekannten Geometrie als Kalibrierziel verwendet. In diesem Fall können die Positionen des Kalibrierungsrasters im Multi-Kamera-Selbstkalibrierungsalgorithmus oder der Kalibrierziele zufällig sein, mit Ausnahme einer exakt kontrollierten Position.

Dadurch wird das Referenzkoordinatensystem festgelegt. Erfassen Sie in jeder Kamera ein Bild des Targets an jeder Position. Identifizieren Sie Punkte auf dem Target in jeder Kamera. Für jedes Bild zur Selbstkalibrierung muss jeder identifizierte Punkt auf dem Target in dem von jeder Kamera aufgenommenen Bild lokalisiert sein.

Jedoch ist die explizite Position der Punkte im Referenzkoordinatensystem nur für die Punkte erforderlich, die mit dem präzise lokalisierten Zielobjekt assoziiert sind. Um Daten für die quantitative, zeitaufgelöste Lichtfeldaufnahme zu gewinnen, müssen alle Kameras und Beleuchtungsquellen genau synchronisiert werden. Für dieses Experiment wird ein programmierte externer Impulsgenerator verwendet, um die Kameraauslösungen und Beleuchtungssequenzen zu steuern.

Bereiten Sie sich auf die Erfassung einer großen Datenmenge vor, einschließlich der Überlegung zur Benennung von Datendateien. Beginnen Sie die Erfassung experimenteller Daten, indem Sie sicherstellen, dass die Tracer-Partikel strömen, und starten Sie die Kameraaufnahme und die Beleuchtungssequenz über die gewählte Auslösemethode. Um ein synthetisch nachfokussiertes Volumen zur Datensammlung zu erzeugen, erzeugen Sie einen 3D-Fokus-Stack.

Definieren Sie dazu den Abstand zwischen den Fokusebenen und die gesamte Refokussierungstiefe im refokussierten Volumen. Wie in den Referenzen erläutert, wird die Fokusebene typischerweise auf die halbe Tiefenauflösung eingestellt, und die gesamte Refokussierungstiefe wird durch den Bereich bestimmt, in dem sich alle Kamera-Sichtfelder überlappen. Die Fokusebenen verlaufen senkrecht zur Z-Achse des Referenzkoordinatensystems.

Hier haben wir einen Abstand der Fokusebenen von etwa 0,16 Millimetern und eine gesamte Refokus-Tiefe von 20 Millimetern, was nach der Verarbeitung zu ungefähr 128 aufgelösten Seebene führt. Führen Sie eine Bildvorverarbeitung durch, um das Hintergrundrauschen zu verbessern und Unterschiede in der Intensität zwischen den Bildern auszugleichen. Stellen Sie Transformationen zwischen jeder Kamera, jeder Bildebene und jeder synthetischen Fokusebene her. Projizieren Sie die Bilder erneut auf die synthetischen Fokusebenen.

Wenden Sie den Maßstab an und resamplingen Sie die Bilder. Dies kann innerhalb von Matlab erfolgen. Angesichts der Ebene-zu-Ebene-Transformationen wenden Sie entweder den additiven oder den multiplikativen Synthetic-Aperture-Refokussierungsalgorithmus auf jeder synthetischen Fokusebene an.

Zur Überprüfung wenden Sie die Nachfokussierung auf eine Ebene der Kalibrierungsbilder an, um zu sehen, ob die Rekonstruktion wie erwartet erscheint. Wenn die additive Methode auf eine der Kalibrierungsebenen bei z gleich 13,3 Millimetern angewendet wird, wird das Bild scharf und unscharf, während der Fokusstack von hinten nach vorne durchlaufen wird. Schließlich demonstrieren wir den Fokus in jeder Kalibrierungsebene anhand der nachfokussierten Bilder auf der linken Seite und des Bildes vom Kalibrierungsgitter der zentralen Kamera auf der rechten Seite.

Nachdem alle gewünschten Ebenen erneut fokussiert wurden, bearbeiten Sie die Bilder, um Rauschen, das durch die Neufokussierung verursacht wurde, zu entfernen. Wenden Sie eine Schwellwertbestimmung basierend auf den Intensitätshistogrammen der nachfokussierten Bilder an, um scharf abgebildete Partikel beizubehalten. Anschließend stapeln Sie die schwellenwertbasierten Bilder, um in einem als Rekonstruktion bezeichneten Prozess ein Volumen zu erzeugen. Nach der Rekonstruktion können quantitative Daten aus dem Volumen gewonnen werden.

Ein Beispiel für ein hochwertiges, rohes Partikelbild für Verlust-, Symmetriebilder aus einer einzelnen Kamera wird hier gezeigt. Diese Bilder enthalten gleichmäßig verteilte Partikel, die mit hohem Kontrast vor schwarzem Hintergrund erscheinen. Hier sehen Sie das Ergebnis eines angemessen beimpften und präzise kalibrierten Experiments.

Das synthetische Blendenbild zeigt scharfgestellte Partikel auf jeder Tiefenebene; von links nach rechts sind dies die Bilder bei Tiefen von minus sieben Millimetern, null Millimetern und sieben Millimetern. Um die Daten nutzen zu können, ist ein Verarbeitungsschritt erforderlich, der als Rekonstruktion bekannt ist. In diesem Fall wird eine Intensitätsschwellenwertung angewendet, um scharfgestellte Partikel auf jeder Tiefenebene beizubehalten.

Die Fokalebenen werden dann hier zu einem Volumen gestapelt. Bilder auf derselben Tiefe werden zu zwei verschiedenen Zeitpunkten gezeigt. Das Schwellwertvolumen kann anschließend in Untersuchungsvolumina überführt werden, die eine ausreichende Anzahl von Partikeln enthalten, um die Particle-Image-Velosymmetrie durchzuführen.

Dies ist ein Beispiel für die gesammelten Messdaten des dreidimensionalen Vektorfelds des Strahls, der durch synthetische Stimmlippen verursacht wird, zu mehreren Zeitpunkten. Die linke Seite zeigt eine asymmetrische Ansicht des gesamten 3D-Geschwindigkeitsfelds zu jedem Zeitpunkt. Schnitte der XY-Ebene bei Z gleich fünf Millimeter sind in der Mitte als Schnitte der YZ-Ebene dargestellt.

Bei X gleich 14 Millimetern sind rechts zum Zeitpunkt t gleich null Millisekunden dargestellt. Die Stimmlippe ist geschlossen, und im Feld ist nur eine sehr geringe Geschwindigkeit vorhanden. Die höchste Geschwindigkeit im Jet bewegt sich bei einer Millisekunde in positiver Breitenrichtung und nimmt von zwei auf vier Millisekunden an Intensität ab.

Die Falte schließt sich bei fünf Millisekunden, wodurch die Strahlgeschwindigkeit verringert wird, und der Zyklus wiederholt sich. Diese Daten stellen das Geschwindigkeitsfeld zu einem einzigen Zeitpunkt dar, im Gegensatz zum üblicherweise gezeigten Mittelwert. Eine weitere Anwendung der Lichtfeldabbildung sind blasenreiche Strömungen.

Hier ist ein Blasenfeld zu sehen, das durch die Einschleppung von Luft entsteht, wenn ein Strahl auf die Wasseroberfläche trifft. Durch Anhalten des Videos zu einem bestimmten Zeitpunkt ermöglicht der Schritt, das Bild in verschiedenen Tiefenebenen neu zu fokussieren, um zu beobachten, wie die Blasen nacheinander scharf und unscharf werden.

Dieses Standbild zeigt von links nach rechts das Rohbild eines bläschenreichen Strömungsfeldes aus dem Kamera-Array sowie nachfokussierte Bilder in Tiefen von minus 10 Millimetern, null Millimetern und 10 Millimetern. Der Kreis hebt eine Blase hervor, die in der Tiefenebene von minus 10 Millimetern liegt und auf den anderen Ebenen aus dem Blickfeld verschwindet. Sobald die Methode beherrscht ist, können Kalibrierung und Datenaufnahme typischerweise innerhalb von etwa vier Stunden durchgeführt werden, und die synthetische Aufnahme mit Nachfokussierung innerhalb von etwa 12 Stunden während des Verfahrens. Es ist wichtig, sehr organisiert vorzugehen, da viele Schritte und große Datenmengen anfallen.

Nach Durchführung dieses Verfahrens können die umfangreichen Datensätze hinsichtlich physikalischer Erkenntnisse zu mehreren Fragen untersucht werden, beispielsweise: Wie sind die Blasengrößenverteilungen in Mehrphasenströmungen? Diese Technik wird den Weg für Forscher in Bereichen wie der physikalischen Biologie ebnen, in denen sie die Fluiddynamik des Schmetterlingsflugs oder die dreidimensionale Struktur des Vogelschwärms untersuchen können. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein recht gutes Verständnis dafür haben, wie Kameras für die Lichtfeldabbildung eingerichtet, präzise kalibriert, synthetische Apertur in der Software auf die Bilder angewendet und die volumetrischen Daten für weitere Verarbeitungsschritte genutzt werden.

Für Beispielcodes, Datensätze und Tutorial-Informationen besuchen Sie bitte unsere Website. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Tad Truscott äußerst gefährlich sein kann, und treffen Sie stets alle erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen, beispielsweise den Trage von Körperschutz, wenn Sie in seinem Labor arbeiten.