La determinación de los campos de flujo a través de imágenes en 3D multi-cámara de campo de luz

El objetivo general del siguiente video es presentar una visión general de una técnica de imagen tridimensional que puede proporcionar un campo de velocidad 3D. Esto se logra utilizando cámaras calibradas para obtener las imágenes necesarias para muestrear el campo luminoso. Como segundo paso, el campo luminoso se reparametriza, lo que produce una pila focal de imágenes que forman una representación tridimensional del campo de flujo.

A continuación, la pila focal se procesa mediante un algoritmo de correlación cruzada para obtener los vectores del campo de velocidad 3D. Los resultados muestran un campo de flujo 3D resuelto en el tiempo en la estela de un modelo sintético de pliegues vocales vibrantes utilizado como banco de pruebas. También se presentan resultados de la técnica aplicada a un campo de burbujas.

Adelante. La principal ventaja de esta técnica frente a los métodos existentes es que podemos realizar mediciones en volúmenes que contienen más partículas, burbujas o gotas. Este método puede proporcionar información sobre los flujos de fluidos y puede extenderse a otras aplicaciones, como la medición de la forma de una llama y el papel que desempeña la velocidad en la combustión, e incluso a la medición del comportamiento colectivo de grupos animales, como las bandadas de aves.

Por lo general, las personas nuevas en esta técnica tendrán dificultades porque la cantidad de datos puede volverse abrumadora, pero creemos que hemos desarrollado una guía práctica para usar este método. Está bien. La demostración visual de este método es fundamental porque los ajustes de la cámara y de la calibración son bastante diferentes en comparación con el uso de un enfoque de cámara única. Realizaremos estos experimentos en el laboratorio de biofluidos de la Universidad Brigham Young (BYU) del Dr. Scott Thompson, con la ayuda de su estudiante de posgrado, Jesse Daley.

El primer paso consiste en determinar el tamaño del volumen de medición, así como la resolución temporal y espacial necesaria para investigar el experimento de flujo de fluido. Aquí, el método se utilizará para realizar imágenes tridimensionales de partículas mediante apertura sintética para evaluar la simetría de pérdidas en el flujo de aire inducido por una pliegue vocal sintético. El volumen de medición es de 50 por 50 por 25 milímetros cúbicos, y las escalas de tiempo más cortas que deben registrarse son de 10 microsegundos.

A continuación, estime la densidad óptica que estará presente en el experimento para determinar el número de cámaras necesarias para generar imágenes enfocadas con una buena relación señal-ruido. En este punto de una imagen de partículas, densidades de siembra más altas requieren más cámaras. Para experimentos de simetría O, también se debe calcular el número de partículas por píxel. Monte las cámaras en una configuración de matriz sobre un armazón de manera que cada cámara pueda observar el volumen de medición desde diferentes puntos de vista.

A continuación, ajuste el espaciado entre las cámaras restantes en la matriz. Espaciar las cámaras más lejos unas de otras mejora la resolución espacial en la dimensión de profundidad, a expensas de la profundidad total resoluble. Para la captura de datos.

Al configurar la visualización, conecte las cámaras a un ordenador central. Coloque un objetivo visual, como una cuadrícula de calibración, en el centro del volumen de medición. Utilice la imagen de la cámara central de la matriz como referencia y mueva todo el marco de la matriz más cerca o más lejos del volumen de medición para lograr el ángulo de magnificación deseado o ajuste las cámaras de manera que el objetivo visual en el centro del volumen de medición quede aproximadamente centrado en la imagen de cada cámara.

Con las aberturas completamente abiertas en cada lente de cámara, enfoque cada cámara en el objetivo visual. Coloque un objetivo de calibración en la parte trasera del volumen de medición. Asegúrese de que el objetivo esté dentro del campo de visión de cada cámara.

Si no es así, ajuste la distancia entre las cámaras y el volumen de medición y/o el espaciado entre cámaras. Haga lo mismo con un objetivo de calibración en la parte frontal del volumen e itere hasta que la parte frontal y trasera estén en la vista de todas las cámaras.

Cierre la abertura de cada cámara hasta que el objetivo esté enfocado. Cuando se encuentre en cualquier posición dentro del volumen de medición para cada cámara, puede ser necesario un alumbrado adicional con la abertura cerrada. Para comenzar, determine el método adecuado para iluminar el volumen de medición según el método específico de medición que se esté aplicando al campo de flujo.

Para esta demostración, se utiliza un láser de doble pulso de 1000 hercios. Use lentes ópticas para formar el láser en un volumen de luz que cubra el volumen de medición. Finalmente, cuando esté listo para la recolección de datos, prepárese para sembrar el volumen con partículas trazadoras adecuadas para la localización de imágenes de partículas.

Mediciones de simetría según se describe en las referencias. Como regla general, una densidad de imagen de 0,05 a 0,15 partículas por píxel es adecuada para la mayoría de los experimentos con ocho o más cámaras. Para un número fijo de cámaras, las partículas por píxel disminuyen.

Para dimensiones de profundidad de volumen mayor. Un paso fundamental es la calibración. Esto puede realizarse con o sin las partículas trazadoras.

Si se utiliza un algoritmo de autocalibración con múltiples cámaras como en esta demostración, establezca un sistema de coordenadas de referencia en el volumen de medición. Aquí, la cuadrícula de calibración se coloca en el centro de las cuerdas vocales. Con una orientación fija respecto al sistema de coordenadas de referencia, utilice un objeto con una geometría conocida como objetivo de calibración. En este caso, la cuadrícula de calibración en el algoritmo de autocalibración con múltiples cámaras o las ubicaciones del objetivo de calibración pueden ser aleatorias, excepto una que debe estar precisamente controlada.

Esto establece el sistema de coordenadas de referencia. En cada cámara, capture una imagen del objetivo en cada ubicación. Identifique puntos sobre el objetivo en cada cámara. Para cada imagen utilizada en la autocalibración, cada punto identificado sobre el objetivo debe localizarse en la imagen capturada por cada cámara.

Sin embargo, la localización explícita de los puntos en el sistema de coordenadas de referencia solo es necesaria para los puntos asociados con el objetivo localizado con precisión. Para adquirir datos para imágenes cuantitativas de campo luminoso resueltas en el tiempo, todas las cámaras y fuentes de iluminación deben sincronizarse con exactitud. Para este experimento, se utiliza un generador de pulsos externo programado para activar las exposiciones de la cámara y las secuencias de iluminación.

Prepárese para la recopilación de una gran cantidad de datos, incluyendo reflexionar sobre la nomenclatura de los archivos de datos. Comience la captura de datos experimentales asegurándose de que las partículas trazadoras estén fluyendo e iniciando la secuencia de captura de la cámara y de iluminación mediante el método de disparo elegido. Con el fin de producir un volumen sintéticamente enfocado para la recopilación de datos, genere una pila focal 3D.

Para hacer esto, defina el espaciado entre los planos focales y la profundidad total de refocalización en el volumen refocalizado. Como se explica en las referencias, normalmente el plano focal se establece en la mitad de la resolución de profundidad y la profundidad total de refocalización está determinada por la región donde todos los campos de visión de la cámara se superponen. Los planos focales serán perpendiculares al eje Z del sistema de coordenadas de referencia.

Aquí tenemos un espaciado entre planos focales de aproximadamente 0,16 milímetros y una profundidad total de reenfoque de 20 milímetros, lo que resulta en alrededor de 128 planos de sección resueltos tras el procesamiento; realice un preprocesamiento de imágenes para mejorar el ruido de fondo y compensar las diferencias de intensidad entre las imágenes. Establezca transformaciones entre cada cámara, plano de imagen y cada plano focal sintético. Re proyecte las imágenes sobre los planos focales sintéticos.

Aplique la escala y remuestree las imágenes. Esto puede hacerse dentro de Matlab. Dadas las transformaciones de plano a plano, aplique el algoritmo de enfoque de apertura sintética aditivo o multiplicativo a cada plano focal sintético.

Como comprobación, aplique el enfoque nuevamente a un plano de las imágenes de calibración para verificar si la reconstrucción aparece como se esperaba. Cuando se aplica el método aditivo a uno de los planos de calibración en z igual a 13,3 milímetros, la imagen entra y sale de foco al recorrer la pila de enfoque de atrás hacia adelante. Finalmente, demostramos el enfoque en cada plano de calibración utilizando las imágenes enfocadas nuevamente a la izquierda y la imagen de la rejilla de calibración proveniente de la cámara central a la derecha.

Después del proceso de reenfoque en todos los planos deseados, procese las imágenes para eliminar el ruido causado por el reenfoque; aplique umbralización basada en los histogramas de intensidad de las imágenes reenfocadas para conservar las partículas en foco. A continuación, apile las imágenes umbralizadas para crear un volumen en un proceso denominado reconstrucción. Tras la reconstrucción, se pueden obtener datos cuantitativos a partir del volumen.

Un ejemplo de una imagen cruda de partículas de alta calidad para la pérdida, imágenes de simetría provenientes de una sola cámara, se muestra aquí. Estas imágenes contienen partículas distribuidas uniformemente que aparecen con un alto contraste frente al fondo negro. Aquí se muestra el resultado de un experimento adecuadamente sembrado y calibrado con precisión.

La imagen reconstruida mediante apertura sintética revela partículas enfocadas en cada plano de profundidad; de izquierda a derecha, las imágenes corresponden a profundidades de menos siete milímetros, cero milímetros y siete milímetros. Para aprovechar los datos se requiere un paso de procesamiento conocido como reconstrucción. En este caso, se aplica umbralización de intensidad para conservar las partículas enfocadas en cada plano de profundidad.

Los planos focales se apilan entonces para crear un volumen aquí. Se muestran imágenes a la misma profundidad en dos momentos diferentes. El volumen umbral puede pasarse luego a volúmenes de interrogación que contienen un número adecuado de partículas para realizar la velocidad de imagen de partículas por simetría.

Este es un ejemplo de datos muestrales recopilados para el campo vectorial tridimensional del chorro causado por pliegues vocales sintéticos durante varios intervalos de tiempo. El lado izquierdo muestra una vista asimétrica de todo el campo de velocidad 3D en cada instante. En el centro se muestran cortes del plano XY en Z igual a cinco milímetros y cortes del plano YZ.

Cuando X es igual a 14 milímetros, se muestra a la derecha en t igual a cero milisegundos. La cuerda vocal está cerrada y existe muy poca velocidad en el campo. La velocidad máxima en el chorro a un milisegundo se mueve en dirección lateral positiva y disminuye en intensidad de dos a cuatro milisegundos.

El pliegue se cierra a los cinco milisegundos, reduciendo la velocidad del chorro y el ciclo se repite. Estos datos representan el campo de velocidad en un instante único en el tiempo, en contraste con el promedio que generalmente se presenta. Otra aplicación de la imagen de campo de luz es en flujos con burbujas.

Se muestra aquí un campo de burbujas formado por el arrastre de aire proveniente de un chorro que impacta en la superficie del agua. Al detener el video en un momento determinado, el paso permite reenfocar la imagen a través de diferentes planos de profundidad para observar cómo las burbujas entran y salen del enfoque.

Esta imagen fija muestra de izquierda a derecha la imagen original de un campo de flujo burbujeante proveniente del arreglo de cámaras y las imágenes enfocadas nuevamente a profundidades de menos 10 milímetros, cero milímetros y 10 milímetros. El círculo resalta una burbuja que se encuentra en el plano de profundidad de menos 10 milímetros y desaparece de la vista en los otros planos. Una vez dominados, la calibración y la captura de datos pueden realizarse normalmente en aproximadamente cuatro horas, y el enfoque nuevamente mediante captura sintética puede realizarse en aproximadamente 12 horas mientras se lleva a cabo este procedimiento. Es importante ser muy organizado, ya que existen muchos pasos y se recopila una gran cantidad de datos.

Tras seguir este procedimiento, se pueden analizar los conjuntos de datos completos para obtener información física sobre diversas preguntas, como por ejemplo, ¿cuáles son las distribuciones de tamaño de burbujas en flujos multifásicos? Esta técnica allanará el camino para investigadores en campos como la biología física, donde podrán estudiar la dinámica de fluidos del vuelo de las mariposas o la estructura tridimensional del vuelo de bandadas de aves. Después de ver este video, deberían tener una comprensión bastante clara de cómo configurar cámaras para la obtención de imágenes de campo de luz, calibrarlas con precisión, realizar una apertura sintética sobre las imágenes en el software y utilizar los datos volumétricos para su posterior procesamiento.

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