Determinar campos de fluxo 3D via multi-câmera de luz do campo de imagem

O objetivo geral do seguinte vídeo é apresentar uma visão geral de uma técnica de imagem tridimensional capaz de gerar um campo de velocidade 3D. Isso é alcançado utilizando câmeras calibradas para coletar as imagens necessárias para amostrar o campo de luz. Como segundo passo, o campo de luz é reparametrizado, produzindo uma pilha focal de imagens que formam uma representação tridimensional do campo de escoamento.

Em seguida, a pilha focal é submetida a um pós-processamento utilizando um algoritmo de correlação cruzada para obter os vetores do campo de velocidade tridimensional. Os resultados mostram um campo de fluxo tridimensional resolvido no tempo na esteira de um modelo sintético de pregas vocais vibrantes, usado como plataforma de teste. Também são apresentados resultados da técnica aplicada a um campo de bolhas.

Prossiga. A principal vantagem desta técnica em relação aos métodos existentes é que podemos realizar medições em volumes que contêm mais partículas, bolhas ou gotículas. Este método pode fornecer informações sobre fluxos de fluidos e ser estendido a outras aplicações, como a medição da forma de uma chama e o papel da velocidade na combustão, além de permitir a medição do comportamento coletivo de grupos de animais, como bandos de aves.

Em geral, indivíduos novos nesta técnica terão dificuldades porque a quantidade de dados pode se tornar avassaladora, mas acreditamos que desenvolvemos um guia prático para usar este método. Certo. A demonstração visual deste método é essencial porque os ajustes da câmera e da calibração são bastante diferentes em comparação com a abordagem de câmera única. Realizaremos esses experimentos no laboratório de Biofluidos da BYU do Dr. Scott Thompson, com a ajuda de seu aluno de pós-graduação, Jesse Daley.

O primeiro passo é determinar o tamanho do volume de medição, bem como a resolução temporal e espacial necessária para investigar o experimento de fluxo de fluido. Aqui, o método será utilizado para realizar a imagem de partículas por abertura sintética tridimensional para perda de simetria no fluxo de ar induzido por uma pregia vocal sintética. O volume de medição é de 50 por 50 por 25 milímetros cúbicos, e as escalas de tempo mais curtas a serem capturadas são de 10 microssegundos.

Em seguida, estime a densidade óptica que estará presente no experimento para determinar o número de câmeras necessário para gerar imagens com refoco e boa relação sinal-ruído. Densidades de semeadura mais altas exigem mais câmeras neste ponto de uma imagem de partículas. Para experimentos de simetria O, também deve-se calcular o número de partículas por pixel. Monte as câmeras em uma configuração de matriz sobre uma estrutura, de modo que cada câmera possa visualizar o volume de medição a partir de diferentes pontos de vista.

Em seguida, defina o espaçamento entre as câmeras restantes na matriz. Aumentar a distância entre as câmeras melhora a resolução espacial na dimensão de profundidade, ao custo da profundidade total resolvível. Para a captura de dados.

Ao configurar, conecte as câmeras a um computador central. Posicione um alvo visual, como uma grade de calibração, no centro do volume de medição. Utilize a imagem da câmera central da matriz como referência e mova toda a estrutura da matriz mais próximo ou mais distante do volume de medição para obter o ângulo de ampliação desejado ou ajuste as câmeras de modo que o alvo visual no centro do volume de medição esteja aproximadamente centralizado em cada imagem das câmeras.

Com as aberturas completamente abertas em cada lente da câmera, foque cada câmera no alvo visual. Coloque um alvo de calibração na parte traseira do volume de medição. Certifique-se de que o alvo esteja visível para cada câmera.

Se não, reajuste a distância entre as câmeras e o volume de medição e/ou o espaçamento entre as câmeras. Faça o mesmo com um alvo de calibração na frente do volume e itere até que a frente e o fundo estejam visíveis em todas as câmeras.

Feche a abertura de cada câmera até que o alvo esteja em foco. Quando localizado em qualquer posição dentro do volume de medição para cada câmera, pode ser necessário iluminação adicional com a abertura fechada. Para começar, determine o método apropriado para iluminar o volume de medição com base no método específico de medição que está sendo aplicado ao campo de escoamento.

Para esta demonstração, utiliza-se um laser de pulso duplo de 1000 hertz. Use lentes ópticas para formar o laser em um volume de luz que cubra o volume de medição. Finalmente, quando estiver pronto para a coleta de dados, prepare-se para semear o volume com partículas traçadoras adequadas para a técnica de imageamento de partículas.

Medições de simetria conforme descritas nas referências. Como regra geral, uma densidade de imagem de 0,05 a 0,15 partículas por pixel é apropriada para a maioria dos experimentos com oito ou mais câmeras. Para um número fixo de câmeras, o número de partículas por pixel diminui.

Para dimensões de profundidade de volume maior. Uma etapa crítica é a calibração. Isso pode ser feito com ou sem as partículas traçadoras.

Se estiver utilizando um algoritmo de auto-calibração com múltiplas câmeras, como nesta demonstração, estabeleça um sistema de coordenadas de referência no volume de medição. Aqui, a grade de calibração é posicionada no centro das pregas vocais. Em uma orientação fixa em relação ao sistema de coordenadas de referência, utilize um objeto com geometria conhecida como alvo de calibração. Neste caso, a grade de calibração no algoritmo de auto-calibração com múltiplas câmeras ou as posições dos alvos de calibração podem ser aleatórias, exceto por uma que é controlada com precisão.

Isso estabelece o sistema de coordenadas de referência. Em cada câmera, capture uma imagem do alvo em cada posição. Identifique pontos no alvo em cada câmera. Para cada imagem utilizada na calibração automática, cada ponto identificado no alvo deve ser localizado na imagem capturada por cada câmera.

No entanto, a localização explícita dos pontos no sistema de coordenadas de referência é necessária apenas para os pontos associados ao alvo localizado com precisão. Para adquirir dados para a imagem de campo de luz quantitativa com resolução temporal, todas as câmeras e fontes de iluminação devem ser sincronizadas com exatidão. Para este experimento, um gerador de pulsos externo programado é utilizado para disparar as exposições das câmeras e as sequências de iluminação.

Prepare-se para a coleta de uma grande quantidade de dados, incluindo a reflexão sobre a nomenclatura dos arquivos de dados. Inicie a aquisição dos dados experimentais garantindo que as partículas traçadoras estejam em movimento e acionando a captura pela câmera e a sequência de iluminação pelo método de disparo escolhido. Para produzir um volume sinteticamente refocado para a coleta de dados, gere uma pilha focal 3D.

Para fazer isso, defina o espaçamento entre os planos focais e a profundidade total de refocalização no volume refocalizado. Conforme explicado nas referências, normalmente o plano focal é definido como metade da resolução de profundidade e a profundidade total de refocalização é determinada pela região onde todos os campos de visão da câmera se sobrepõem. Os planos focais serão perpendiculares ao eixo Z do sistema de coordenadas de referência.

Aqui temos um espaçamento entre planos focais de cerca de 0,16 milímetros e uma profundidade total de refoco de 20 milímetros, resultando em aproximadamente 128 planos focais resolvidos após o processamento. Realize o pré-processamento das imagens para reduzir o ruído de fundo e acomodar as diferenças de intensidade entre as imagens. Estabeleça transformações entre cada câmera, plano de imagem e cada plano focal sintético. Replote as imagens sobre os planos focais sintéticos.

Aplicar a escala e reamostrar as imagens. Isso pode ser feito dentro do matlab. Dadas as transformações de plano para plano, aplicar o algoritmo de refocalização de abertura sintética aditivo ou multiplicativo em cada plano focal sintético.

Como verificação, aplique o refoco a um plano das imagens de calibração para verificar se a reconstrução aparece conforme esperado. Quando o método aditivo é aplicado a um dos planos de calibração em z igual a 13,3 milímetros, a imagem entra e sai de foco ao percorrer a pilha de foco de trás para frente. Por fim, demonstramos o foco em cada plano de calibração utilizando as imagens refocadas à esquerda e a imagem da grade de calibração obtida pela câmera central à direita.

Após refocar todos os planos desejados, processe as imagens para remover o ruído causado pelo refocamento, aplicando limiarização com base nos histogramas de intensidade das imagens refocadas, a fim de manter as partículas em foco. Em seguida, empilhe as imagens com limiar para criar um volume em um processo denominado reconstrução. Após a reconstrução, dados quantitativos podem ser obtidos a partir do volume.

Um exemplo de imagem bruta de partículas de alta qualidade para perda, imagens de simetria provenientes de uma única câmera, é mostrado aqui. Essas imagens contêm partículas uniformemente distribuídas, aparecendo com alto contraste contra o fundo preto. Aqui está o resultado de um experimento adequadamente semeado e calibrado com precisão.

A imagem refocada por abertura sintética revela partículas em foco em cada plano de profundidade; da esquerda para a direita, as imagens correspondem a profundidades de sete milímetros negativos, zero milímetros e sete milímetros. Para utilizar os dados, é necessário um passo de processamento conhecido como reconstrução. Neste caso, aplica-se o limiar de intensidade para manter as partículas em foco em cada plano de profundidade.

Os planos focais são então empilhados para criar um volume aqui. Imagens na mesma profundidade são mostradas em dois momentos diferentes. O volume de limiar pode então ser inserido em volumes de interrogatório que contêm um número adequado de partículas para realizar a análise de velocidade por imagem de partículas.

Este é um exemplo de dados amostrais coletados para o campo vetorial tridimensional do jato provocado por pregos vocais sintéticos em diversos instantes. O lado esquerdo mostra uma visão assimétrica de todo o campo de velocidade 3D em cada momento. Cortes no plano XY em Z igual a cinco milímetros são mostrados nos cortes centrais do plano YZ.

Em X igual a 14 milímetros, mostrados à direita em t igual a zero milissegundos. A prega vocal está fechada e existe pouca velocidade no campo. A maior velocidade no jato em um milissegundo move-se na direção larga positiva e reduz em intensidade de dois a quatro milissegundos.

O dobramento fecha em cinco milissegundos, reduzindo a velocidade do jato, e o ciclo é repetido. Esses dados representam o campo de velocidade em um único instante no tempo, em contraste com a média que geralmente é apresentada. Outra aplicação da imagem de campo de luz é em escoamentos com bolhas.

É mostrado aqui um campo de bolhas formado pelo arraste de ar a partir de um jato que atinge a superfície da água. Pausando o vídeo em um único momento, o passo permite refocar a imagem em diferentes planos de profundidade para observar as bolhas entrando e saindo do foco.

Esta imagem fixa mostra, da esquerda para a direita, a imagem bruta de um campo de fluxo borbulhante obtida a partir do arranjo de câmeras e imagens refocadas nas profundidades de menos 10 milímetros, zero milímetros e 10 milímetros. O círculo destaca uma bolha que se encontra no plano de profundidade de menos 10 milímetros e desaparece da vista nos outros planos. Após dominado, o processo de calibração e aquisição de dados pode geralmente ser realizado em cerca de quatro horas, e o refocagem por captura sintética pode ser feita em aproximadamente 12 horas durante a execução deste procedimento. É importante ser muito organizado, pois há muitas etapas e uma grande quantidade de dados coletados.

Após seguir este procedimento, os conjuntos de dados ricos podem ser analisados para obter insights físicos sobre diversas questões, como, por exemplo, quais são as distribuições de tamanho das bolhas em escoamentos multifásicos? Esta técnica abrirá caminho para pesquisadores em áreas como biologia física, onde poderão estudar a dinâmica dos fluidos no voo de borboletas ou a estrutura tridimensional do voo coletivo de aves. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como configurar câmeras para imageamento de campo de luz, calibrá-las com precisão, realizar abertura sintética nas imagens por meio de software e utilizar os dados volumétricos para processamentos adicionais.

Para códigos de exemplo, conjuntos de dados e informações tutoriais, visite nosso site. Não se esqueça de que trabalhar com Tad Truscott pode ser extremamente perigoso e sempre tome todas as precauções, como usar armadura corporal ao trabalhar em seu laboratório.