La détermination des champs d'écoulement 3D via plusieurs caméras Light Field Imaging

L'objectif général de la vidéo suivante est de présenter un aperçu d'une technique d'imagerie tridimensionnelle capable de fournir un champ de vitesse 3D. Cela est réalisé en utilisant des caméras étalonnées pour acquérir les images nécessaires à l'échantillonnage du champ lumineux. Dans une deuxième étape, le champ lumineux est reparamétré, ce qui produit une pile focale d'images formant une représentation tridimensionnelle du champ d'écoulement.

Ensuite, la pile focale est post-traitée à l'aide d'un algorithme de corrélation croisée afin d'obtenir les vecteurs du champ de vitesse en 3D. Les résultats montrent un champ d'écoulement tridimensionnel résolu dans le temps dans le sillage d'un modèle synthétique de pli vocal vibrant utilisé comme banc d'essai. Des résultats sont également présentés pour la technique appliquée à un champ de bulles.

Allez-y. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes est que nous pouvons effectuer des mesures dans des volumes contenant davantage de particules, de bulles ou de gouttelettes. Cette méthode peut fournir des informations sur les écoulements fluides et être étendue à d'autres applications, telles que la mesure de la forme d'une flamme et le rôle de la vitesse dans la combustion, ou encore l'analyse du comportement collectif de groupes d'animaux comme les vols d'oiseaux.

En général, les personnes novices dans cette technique éprouveront des difficultés, car la quantité de données peut devenir accablante, mais nous pensons avoir mis au point un guide pratique pour utiliser cette méthode. Bon. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car les configurations de la caméra et de l'étalonnage diffèrent sensiblement de celles utilisées avec une approche à caméra unique. Nous réaliserons ces expériences dans le laboratoire de biomécanique des fluides de l'université BYU du Dr. Scott Thompson, avec l'aide de son étudiant diplômé, Jesse Daley.

La première étape consiste à déterminer la taille du volume de mesure, ainsi que la résolution temporelle et spatiale requise pour étudier l'écoulement du fluide. Ici, la méthode sera utilisée pour effectuer une imagerie 3D par particules en ouverture synthétique afin d'analyser la perte de symétrie dans l'écoulement d'air induit par une couche vocale synthétique. Le volume de mesure mesure 50 par 50 par 25 millimètres cubes, et les échelles de temps les plus courtes à capturer sont de 10 microsecondes.

Ensuite, estimez la densité optique qui sera présente dans l'expérience afin de déterminer le nombre de caméras nécessaires pour générer des images de refocalisation avec un bon rapport signal sur bruit. Des densités de semis plus élevées nécessitent davantage de caméras à ce stade d'une image de particules. Pour les expériences de symétrie O, le nombre de particules par pixel doit également être calculé. Montez les caméras en configuration matricielle sur un bâti de manière à ce que chaque caméra puisse observer le volume de mesure depuis des points de vue différents.

Ensuite, réglez l'espacement entre les caméras restantes dans le réseau. Espacer les caméras plus largement les unes des autres améliore la résolution spatiale dans la dimension de profondeur, au détriment de la profondeur totale résoluble. Pour la capture des données.

Lors de la visualisation, fixez les caméras à un ordinateur central. Placez une cible visuelle, comme une grille d'étalonnage, au centre du volume de mesure. Utilisez l'image provenant de la caméra centrale du réseau comme référence, puis rapprochez ou éloignez l'ensemble du bâti du réseau par rapport au volume de mesure afin d'obtenir l'angle de grossissement souhaité ou d'ajuster les caméras de sorte que la cible visuelle située au centre du volume de mesure soit approximativement centrée dans l'image de chaque caméra.

Avec les diaphragmes complètement ouverts sur chaque objectif, régler la mise au point de chaque caméra sur la cible visuelle. Placer une cible d'étalonnage à l'arrière du volume de mesure. S'assurer que la cible est visible par chaque caméra.

S'il ne l'est pas, réajustez la distance entre les caméras et le volume de mesure et/ou l'espacement des caméras. Procédez de la même manière avec une cible d'étalonnage à l'avant du volume et itérez jusqu'à ce que l'avant et l'arrière soient visibles sur toutes les caméras.

Fermez le diaphragme de chaque caméra jusqu’à ce que la cible soit nette. Lorsque celle-ci se trouve à n’importe quelle position dans le volume de mesure pour chaque caméra, un éclairage supplémentaire peut être nécessaire lorsque le diaphragme est fermé. Pour commencer, déterminez la méthode appropriée pour éclairer le volume de mesure en fonction de la méthode de mesure spécifique appliquée au champ d’écoulement.

Pour cette démonstration, un laser à double impulsion de 1000 hertz est utilisé. Utilisez des lentilles optiques pour former le laser en un volume lumineux couvrant le volume de mesure. Enfin, lorsque vous êtes prêt à recueillir les données, préparez-vous à semer le volume avec des particules traceuses adaptées à la technique de vélocimétrie par image de particules.

Mesures de symétrie telles que décrites dans les références. En règle générale, une densité d'image comprise entre 0,05 et 0,15 particule par pixel est appropriée pour la plupart des expériences utilisant huit caméras ou plus. Pour un nombre fixe de caméras, le nombre de particules par pixel diminue.

Pour des dimensions de profondeur à volume plus élevé. Une étape cruciale est l'étalonnage. Celui-ci peut être effectué avec ou sans les particules traceuses.

Si l'on utilise un algorithme d'étalonnage automatique multiprise de vue comme dans cette démonstration, établissez un système de coordonnées de référence dans le volume de mesure. Ici, la grille d'étalonnage est placée au centre des cordes vocales. Dans une orientation fixe par rapport au système de coordonnées de référence, utilisez un objet possédant une géométrie connue comme cible d'étalonnage. Dans ce cas, la grille d'étalonnage dans l'algorithme d'étalonnage automatique multiprise de vue ou les emplacements des cibles d'étalonnage peuvent être aléatoires, sauf pour un emplacement précisément contrôlé.

Cela établit le système de coordonnées de référence. Dans chaque caméra, capturer une image de la cible à chaque emplacement. Identifier les points sur la cible dans chaque caméra. Pour chaque image destinée à l'autocalibrage, chaque point identifié sur la cible doit être localisé dans l'image produite par chaque caméra.

Cependant, la localisation explicite des points dans le système de coordonnées de référence n'est requise que pour les points associés à la cible localisée avec précision. Pour acquérir des données destinées à l'imagerie quantitative de champ lumineux résolue en temps, toutes les caméras et sources d'éclairage doivent être synchronisées avec précision. Pour cette expérience, un générateur de pulses externe programmé est utilisé pour déclencher les expositions des caméras et les séquences d'éclairage.

Préparez-vous à la collecte d'une grande quantité de données, y compris en réfléchissant à la nomenclature des fichiers de données. Commencez l'acquisition des données expérimentales en vous assurant que les particules traceuses s'écoulent, puis déclenchez la capture par la caméra et la séquence d'illumination à l'aide de la méthode de déclenchement choisie. Afin de produire un volume synthétiquement refocalisé pour la collecte de données, générez une pile focale 3D.

Pour ce faire, définissez l'espacement entre les plans focaux et la profondeur totale de refocalisation dans le volume refocalisé. Comme expliqué dans les références, le plan focal est généralement fixé à la moitié de la résolution en profondeur, et la profondeur totale de refocalisation est déterminée par la région où tous les champs de vision des caméras se superposent. Les plans focaux seront perpendiculaires à l'axe Z du système de coordonnées de référence.

Ici, nous avons un espacement entre plans focaux d'environ 0,16 millimètre et une profondeur totale de refocalisation de 20 millimètres, ce qui donne environ 128 plans focaux résolus après traitement. Effectuez un prétraitement des images pour améliorer le bruit de fond et compenser les différences d'intensité entre les images. Établissez les transformations entre chaque caméra, chaque plan image et chaque plan focal synthétique. Réprojetez les images sur les plans focaux synthétiques.

Appliquez l'échelle et rééchantillonnez les images. Cette opération peut être effectuée dans matlab. Étant donné les transformations plan à plan, appliquez l'algorithme de refocalisation par ouverture synthétique additif ou multiplicatif à chaque plan focal synthétique.

À titre de vérification, appliquez la refocalisation à un plan des images de calibration pour vérifier si la reconstruction apparaît conforme aux attentes. Lorsque la méthode additive est appliquée à l'un des plans de calibration à z égal à 13,3 millimètres, l'image passe de l'état flou à l'état net (et inversement) lors du parcours de la pile de focalisation de l'arrière vers l'avant. Enfin, nous illustrons la mise au point à chaque plan de calibration à l'aide des images refocalisées à gauche et de l'image de la grille de calibration provenant de la caméra centrale à droite.

Après avoir recentré le processus sur tous les plans souhaités, traitez les images pour éliminer le bruit dû au réajustement en appliquant un seuil basé sur les histogrammes d'intensité des images recentrées afin de conserver les particules en netteté. Ensuite, superposez les images seuillées pour créer un volume dans un processus appelé reconstruction. Après la reconstruction, des données quantitatives peuvent être extraites du volume.

Un exemple d'image brute de haute qualité de particules pour la perte, d'images de symétrie provenant d'une seule caméra est montré ici. Ces images contiennent des particules uniformément réparties apparaissant avec un fort contraste par rapport au fond noir. Voici le résultat d'une expérience correctement amorcée et précisément calibrée.

L'image reconstituée par ouverture synthétique révèle des particules nettes sur chaque plan de profondeur : de gauche à droite, les images correspondent à des profondeurs de moins sept millimètres, zéro millimètre et sept millimètres. Pour exploiter ces données, une étape de traitement appelée reconstruction est nécessaire. Dans ce cas, un seuil d'intensité est appliqué afin de conserver les particules nettes sur chaque plan de profondeur.

Les plans focaux sont ensuite empilés pour créer un volume ici. Des images à la même profondeur sont affichées à deux moments différents. Le volume seuil peut alors être transmis à des volumes d'interrogation contenant un nombre suffisant de particules pour effectuer la vélocimétrie par images de particules.

Il s'agit d'un exemple de données échantillonnées recueillies pour le champ vectoriel tridimensionnel du jet provoqué par des plis vocaux synthétiques, à plusieurs instants. Le côté gauche montre une vue asymétrique de l'ensemble du champ de vitesse 3D à chaque instant. Des coupes du plan XY à Z égal à cinq millimètres sont présentées au centre, ainsi que des coupes des plans YZ.

Lorsque X est égal à 14 millimètres, on observe à droite à t égal à zéro milliseconde. Les cordes vocales sont fermées et très peu de vitesse est présente dans le champ. La vitesse maximale du jet à une milliseconde se déplace dans la direction transverse positive et diminue en intensité de deux à quatre millisecondes.

Le repli se ferme en cinq millisecondes, réduisant la vitesse du jet, et le cycle se répète. Ces données représentent le champ de vitesse à un instant donné, par opposition à la moyenne habituellement présentée. Une autre application de l'imagerie en champ lumineux concerne les écoulements contenant des bulles.

On voit ici un champ de bulles formé par l'entraînement d'air provenant d'un jet qui heurte la surface de l'eau. En mettant la vidéo en pause à un instant donné, l'étape permet de recentrer l'image à travers différents plans de profondeur afin d'observer les bulles entrer et sortir du champ de netteté.

Cette image fixe montre de gauche à droite l'image brute d'un écoulement bulleux provenant de la matrice de caméras, ainsi que des images remises au point à des profondeurs de moins 10 millimètres, zéro millimètre et 10 millimètres. Le cercle met en évidence une bulle située sur le plan de profondeur de moins 10 millimètres et qui disparaît de la vue sur les autres plans. Une fois maîtrisées, l'étalonnage et l'acquisition des données peuvent généralement être réalisés en environ quatre heures, et la refocalisation par capture synthétique peut être effectuée en environ 12 heures pendant la réalisation de cette procédure. Il est important d'être très organisé, car de nombreuses étapes impliquent une grande quantité de données collectées.

Après avoir suivi cette procédure, les ensembles de données riches peuvent être analysés afin d'obtenir des informations physiques sur plusieurs questions, telles que la distribution des tailles de bulles dans les écoulements multiphasiques. Cette technique ouvrira la voie aux chercheurs dans des domaines tels que la biologie physique, où ils pourront étudier la dynamique des fluides du vol des papillons ou la structure tridimensionnelle des vols groupés d'oiseaux. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de configurer correctement des caméras pour l'imagerie en champ lumineux, de les étalonner avec précision, d'effectuer une ouverture synthétique sur les images à l'aide d'un logiciel, et d'utiliser les données volumétriques pour un traitement ultérieur.

Pour les codes d'échantillons, les ensembles de données et les informations tutorielles, veuillez consulter notre site web. N'oubliez pas que travailler avec Tad Truscott peut être extrêmement dangereux et prenez toujours toutes les précautions nécessaires, comme porter une armure corporelle lorsque vous travaillez dans son laboratoire.