Определение 3D Поля потока через Multi-камеры светового поля изображения

Общая цель следующего видеоролика — представить обзор метода трехмерной визуализации, позволяющего получить трехмерное поле скоростей. Это достигается путем использования откалиброванных камер для сбора изображений, необходимых для дискретизации светового поля. На втором этапе выполняется репараметризация светового поля, в результате чего создается фокальный стек изображений, формирующий 3D-представление поля потока.

Затем стек фокальных плоскостей подвергается постобработке с использованием алгоритма взаимной корреляции для получения векторов трехмерного поля скоростей. Результаты демонстрируют распределение трехмерного потока с временным разрешением в следе вибрирующей модели синтетической голосовой складки, использованной в качестве тестовой системы. Также представлены результаты применения данного метода к полю пузырьков.

Продолжим. Главное преимущество данного метода по сравнению с существующими заключается в том, что мы можем проводить измерения в объемах, содержащих большее количество частиц, пузырьков или капель. Этот метод позволяет получить представление о потоках жидкости и может быть адаптирован для других целей, таких как измерение формы пламени, изучение влияния скорости на процесс горения и даже анализ коллективного поведения групп животных, например, стай птиц.

Как правило, специалисты, только начинающие осваивать эту методику, сталкиваются с трудностями из-за огромного объема данных, однако мы разработали своего рода пошаговое руководство по применению данного метода. Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, поскольку настройки камеры и калибровки существенно отличаются от тех, что используются при подходе с одной камерой. Мы проведем эти эксперименты в лаборатории биожидкостей BYU доктора Скотта Томпсона с помощью его аспиранта Джесси Дейли.

Первым шагом является определение размера измерительного объема, а также временного и пространственного разрешения, необходимых для исследования эксперимента по течению жидкости. В данном случае метод будет использован для выполнения трехмерной синтезированной апертурной визуализации частиц с целью анализа симметрии потерь воздушного потока, создаваемого синтетической голосовой складкой. Измерительный объем составляет 50 × 50 × 25 мм³, а минимальный регистрируемый временной интервал составляет 10 microseconds.

Затем оцените оптическую плотность, которая будет присутствовать в эксперименте, чтобы определить количество камер, необходимых для получения изображений с перефокусировкой с хорошим соотношением сигнал/шум. На данном этапе более высокая плотность посева частиц требует большего количества камер. Для экспериментов с O-симметрией также следует рассчитать количество частиц на пиксель. Установите камеры в виде массива на раме таким образом, чтобы каждая камера могла видеть измерительный объем с разных точек обзора.

Затем установите расстояние между остальными камерами в массиве. Увеличение расстояния между камерами улучшает пространственное разрешение по глубине, но сокращает общую глубину разрешения. Для захвата данных.

Для визуализации подключите камеры к центральному компьютеру. Поместите визуальную цель, например калибровочную сетку, в центр измерительного объема. Используя изображение с центральной камеры массива в качестве эталона, перемещайте всю раму массива ближе к измерительному объему или дальше от него, чтобы добиться нужного угла увеличения, или перемещайте камеры так, чтобы визуальная цель в центре измерительного объема была примерно центрирована на изображении каждой камеры.

Полностью открыв диафрагмы на объективах каждой камеры, сфокусируйте каждую камеру на визуальной мишени. Поместите калибровочную мишень в задней части измерительного объема. Убедитесь, что мишень находится в поле зрения каждой камеры.

Если этого не произошло, отрегулируйте расстояние между камерами и измерительным объемом и/или расстояние между самими камерами. Повторите те же действия, поместив калибровочную мишень в передней части объема, и итерируйте до тех пор, пока передняя и задняя части не окажутся в поле зрения всех камер.

Закрывайте диафрагму каждой камеры до тех пор, пока мишень не окажется в фокусе. При нахождении объекта в любой точке измерительного объема для каждой камеры может потребоваться дополнительное освещение при закрытой диафрагме. Для начала определите подходящий метод освещения измерительного объема в зависимости от конкретного метода измерения, применяемого к полю потока.

Для данной демонстрации используется двухимпульсный лазер с частотой 1000 Гц. С помощью оптических линз сформируйте лазерный луч в световой объем, перекрывающий измерительный объем. В завершение, когда система будет готова к сбору данных, подготовьтесь к введению в объем трассирующих частиц, подходящих для метода Particle Image Velocimetry (PIV).

Измерения симметрии, описанные в ссылках. Как общее правило, плотность изображения от 0.05 до 0.15 частиц на пиксель подходит для большинства экспериментов с восемью или более камерами. При фиксированном количестве камер число частиц на пиксель уменьшается.

Для больших значений глубины объема. Критическим этапом является калибровка. Ее можно проводить как с использованием, так и без использования трассирующих частиц.

При использовании алгоритма многокамерной самокалибровки, как в данной демонстрации, необходимо установить систему координат отсчета в измерительном объеме. В данном случае калибровочная сетка помещается в центре голосовой складки в фиксированной ориентации относительно системы координат отсчета; в качестве калибровочной мишени используется объект с известной геометрией. В этом случае расположение калибровочной сетки в алгоритме многокамерной самокалибровки или расположение калибровочных мишеней может быть произвольным, за исключением одной, положение которой строго контролируется.

Это позволяет установить систему координат с эталоном. С помощью каждой камеры сделайте снимок мишени в каждом положении. Определите точки на мишени для каждой камеры. Для каждого изображения, используемого при самокалибровке, каждая определенная точка на мишени должна присутствовать на снимках, сделанных каждой камерой.

Однако точное определение координат точек в системе координат привязки требуется только для тех точек, которые связаны с точно локализованной мишенью. Для получения данных при количественной визуализации светового поля с временным разрешением все камеры и источники освещения должны быть точно синхронизированы. В данном эксперименте для запуска выдержки камер и последовательностей освещения используется программируемый внешний генератор импульсов.

Подготовьтесь к сбору большого объема данных, в том числе продумайте систему именования файлов данных. Начните захват экспериментальных данных, убедившись, что частицы-трассеры движутся, и запустив последовательность освещения и захвата изображения выбранным методом триггера. Для создания синтетически перефокусированного объема с целью сбора данных сформируйте 3D-стек фокальных плоскостей.

Для этого определите интервал между фокальными плоскостями и общую глубину перефокусировки в перефокусированном объеме. Как поясняется в литературе, обычно фокальная плоскость устанавливается на уровне половины разрешения по глубине, а общая глубина перефокусировки определяется областью перекрытия всех полей зрения камеры. Фокальные плоскости будут перпендикулярны оси Z системы координат отсчета.

Здесь расстояние между фокальными плоскостями составляет около 0.16 millimeters, а общая глубина перефокусировки — 20 millimeters, что в результате обработки дает примерно 128 разрешенных фокальных плоскостей. Выполните предварительную обработку изображений для снижения фонового шума и компенсации различий в интенсивности между снимками. Определите преобразования между каждой камерой, плоскостью изображения и каждой синтетической фокальной плоскостью. Перепроецируйте изображения на синтетические фокальные плоскости.

Примените масштаб и выполните ресемплирование изображений. Это можно сделать в MATLAB. На основе преобразований из одной плоскости в другую примените либо аддитивный, либо мультипликативный алгоритм перефокусировки синтетической апертуры для каждой синтетической фокальной плоскости.

В качестве проверки примените перефокусировку к одной плоскости калибровочных изображений, чтобы убедиться, что реконструкция выглядит ожидаемым образом. При применении аддитивного метода к одной из калибровочных плоскостей при z, равном 13.3 мм, изображение входит в фокус и выходит из него при перемещении по стеку фокусировки с заднего плана на передний. Наконец, мы демонстрируем фокусировку на каждой калибровочной плоскости, используя перефокусированные изображения слева и изображение калибровочной сетки с центральной камеры справа.

После перефокусировки по всем необходимым плоскостям обработайте изображения для удаления шума, вызванного перефокусировкой; примените пороговую фильтрацию на основе гистограмм интенсивности перефокусированных изображений, чтобы оставить частицы, находящиеся в фокусе. Затем объедините изображения с примененным порогом в стек для создания объема в процессе, называемом реконструкцией. После реконструкции из полученного объема можно собрать количественные данные.

Здесь представлен пример высококачественного исходного изображения частиц для анализа потерь и симметричные изображения, полученные с одной камеры. На этих изображениях видны равномерно распределенные частицы, обладающие высоким контрастом на черном фоне. Это результат эксперимента с надлежащим внесением частиц-трассеров и точной калибровкой.

На изображении с перефокусировкой синтезированной апертуры видны частицы в фокусе на каждой плоскости глубины; слева направо представлены изображения на глубинах минус семь миллиметров, ноль миллиметров и семь миллиметров. Для использования данных требуется этап обработки, называемый реконструкцией. В данном случае применяется пороговая обработка интенсивности для выделения частиц в фокусе на каждой плоскости глубины.

Затем фокальные плоскости объединяются в стек для создания объема. Изображения на одной и той же глубине показаны для двух разных моментов времени. Полученный пороговый объем затем может быть передан в объемы опроса, содержащие достаточное количество частиц для проведения анализа скорости частиц по изображениям.

Ниже приведен пример выборки данных, собранных для трехмерного векторного поля струи, создаваемой синтетическими голосовыми складками, для нескольких временных шагов. Слева представлен асимметричный вид всего 3D-поля скоростей для каждого момента времени. В центре показаны пошаговые сечения плоскости XY при Z, равном 5 mm, а также сечения плоскости YZ.

Справа показано положение X = 14 мм при t = 0 мс. Голосовая складка закрыта, скорость потока в поле крайне мала. Максимальная скорость струи при t = 1 мс направлена в положительном направлении по оси wide и снижается в интервале от 2 до 4 мс.

Складка закрывается через пять миллисекунд, снижая скорость струи, после чего цикл повторяется. Эти данные представляют собой поле скоростей в один момент времени, в отличие от обычно представляемого среднего значения. Еще одним применением визуализации светового поля является исследование пузырьковых потоков.

Здесь показано поле пузырьков, образовавшееся в результате захвата воздуха струей, ударяющей о поверхность воды. Остановка видео на определенном кадре позволяет перефокусировать изображение по различным плоскостям глубины, чтобы увидеть, как пузырьки входят в фокус и выходят из него.

На данном статичном изображении представлены (слева направо): исходное изображение поля пузырькового потока, полученное с помощью массива камер, и перефокусированные изображения на глубинах минус 10 миллиметров, ноль миллиметров и 10 миллиметров. Круг выделяет пузырек, который находится в плоскости глубины минус 10 миллиметров и исчезает из виду на других плоскостях. После освоения метода калибровка и сбор данных обычно занимают около четырех часов, а синтетическая перефокусировка при выполнении данной процедуры — около 12 часов. Важно соблюдать строгую организованность, так как процедура состоит из множества этапов и предполагает сбор большого объема данных.

После выполнения данной процедуры полученные обширные наборы данных можно проанализировать для получения физических представлений по ряду вопросов, например, о распределении пузырьков по размеру в многофазных потоках. Этот метод откроет новые возможности для исследователей в таких областях, как физическая биология, где можно изучать гидрогазодинамику полета бабочки или трехмерную структуру стаи птиц. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как правильно настроить камеры для светопольного имиджинга, точно откалибровать их, выполнить синтез апертуры для изображений в программном обеспечении и использовать объемные данные для дальнейшей обработки.

Для получения примеров кода, наборов данных и учебных материалов, пожалуйста, посетите наш веб-сайт. Не забывайте, что работа с Тэдом Траскоттом может быть чрезвычайно опасной, поэтому всегда соблюдайте все меры предосторожности, например, надевайте бронежилет при работе в его лаборатории.