Çoklu kamera Işık Alanı Görüntüleme aracılığıyla 3D Akış Alanları Belirleme

Aşağıdaki videonun genel amacı, 3B hız alanı sağlayabilen üç boyutlu bir görüntüleme tekniğine genel bir bakış sunmaktır. Bu, ışık alanını örneklemek için gereken görüntüleri toplamak amacıyla kalibre edilmiş kameralar kullanılarak gerçekleştirilir. İkinci adım olarak, ışık alanı yeniden parametrelendirilir ve bu işlem, akış alanının 3B bir temsilini oluşturan bir odak yığını görüntüsü üretir.

Ardından, 3D hız alanı vektörlerini elde etmek için odak yığını, bir çapraz korelasyon algoritması kullanılarak son işlemden geçirilir. Sonuçlar, test düzeneği olarak kullanılan titreşen sentetik bir ses teli modelinin izinde zamana bağlı çözümlenmiş bir 3D akış alanı göstermektedir. Tekniğin bir kabarcık alanına uygulandığı sonuçlar da sunulmuştur.

Devam edin. Bu tekniğin mevcut yöntemlere göre temel avantajı, daha fazla partikül, kabarcık veya damlacık içeren hacimlerde ölçüm yapabilmemizdir. Bu yöntem, akışkan akışları hakkında içgörü sağlayabilir ve alev şeklinin ölçümü, yanmadaki hızın rolü ve hatta kuş sürüleri gibi hayvan gruplarının kolektif davranışlarının ölçümü gibi diğer uygulamalara genişletilebilir.

Genellikle, bu tekniği yeni kullanan kişiler, veri miktarının baş edilemez hale gelmesi nedeniyle zorlanabilirler ancak biz bu yöntemin kullanımı için kapsamlı bir uygulama kılavuzu geliştirdiğimizi düşünüyoruz. Kamera ve kalibrasyon kurulumları, tek kamera yaklaşımındakinden oldukça farklı olduğundan, bu yöntemin görsel olarak gösterilmesi kritik önem taşımaktadır. Bu deneyleri, Dr. Scott Thompson'ın BYU Biofluids laboratuvarında, lisansüstü öğrencisi Jesse Daley'in yardımıyla gerçekleştireceğiz.

İlk adım, ölçüm hacminin boyutunun yanı sıra akışkan akış deneyini incelemek için gereken zamansal ve mekansal çözünürlüğün belirlenmesidir. Burada yöntem, sentetik bir ses teli tarafından tetiklenen hava akışındaki kayıp simetrisi için 3D sentetik açıklıklı parçacık görüntüleme gerçekleştirmek amacıyla kullanılacaktır. Ölçüm hacmi 50 x 50 x 25 mm³'tür ve yakalanacak en kısa zaman ölçekleri 10 µs'dir.

Ardından, iyi bir sinyal-gürültü oranına sahip yeniden odaklama görüntüleri oluşturmak için gereken kamera sayısını belirlemek amacıyla, deneyde bulunacak optik yoğunluğu tahmin edin. Bir parçacık görüntüsünde, daha yüksek ekim yoğunlukları bu noktada daha fazla kamera gerektirir. O simetri deneyleri için, piksel başına düşen parçacık sayısı da hesaplanmalıdır. Kameraları, her bir kameranın ölçüm hacmini farklı bakış açılarından görebileceği şekilde bir çerçeve üzerine dizi konfigürasyonunda monte edin.

Ardından, dizideki geri kalan kameralar arasındaki boşluğu ayarlayın. Kameraların birbirine daha uzak yerleştirilmesi, toplam çözülebilir derinlik pahasına derinlik boyutundaki uzaysal çözünürlüğü artırır. Veri yakalama için.

Görüntüleme aşamasında, kameraları merkezi bir bilgisayara bağlayın. Ölçüm hacminin merkezine kalibrasyon ızgarası gibi görsel bir hedef yerleştirin. Dizinin merkezindeki kameradan gelen görüntüyü referans olarak kullanın ve istenen büyütme açısını elde etmek için tüm dizi çerçevesini ölçüm hacmine yaklaştırın veya uzaklaştırın ya da ölçüm hacminin merkezindeki görsel hedef her bir kamera görüntüsünde yaklaşık olarak merkezlenecek şekilde kameraları ayarlayın.

Her kamera lensinin diyaframı tamamen açıkken, her kamerayı görsel hedefe odaklayın. Ölçüm hacminin arkasına bir kalibrasyon hedefi yerleştirin. Hedefin her kameranın görüş alanında olduğundan emin olun.

Eğer ayarlanmamışsa, kameralar ile ölçüm hacmi arasındaki mesafeyi ve/veya kameralar arası boşluğu yeniden ayarlayın. Aynı işlemi hacmin ön kısmına yerleştirilmiş bir kalibrasyon hedefi ile gerçekleştirin ve ön ile arka kısımlar tüm kameraların görüş alanına girene kadar işlemi tekrarlayın.

Hedef odaklanana kadar her kameranın diyaframını kapatın. Diyafram kapatıldığında, her kamera için ölçüm hacmi içindeki herhangi bir konumda ek aydınlatma gerekebilir. Başlamak için, akış alanına uygulanan özel ölçüm yöntemine göre ölçüm hacmini aydınlatmak için uygun yöntemi belirleyin.

Bu demonstrasyon için 1000 hertz çift darbeli bir lazer kullanılmıştır. Lazeri, ölçüm hacmini kapsayan bir ışık hacmi oluşturmak için optik lensler kullanın. Son olarak, veri toplama aşamasına gelindiğinde, hacmi parçacık görüntüleme (particle image.Loc) için uygun izleyici parçacıklarla tohumlamaya hazır olun.

Referanslarda açıklandığı şekilde simetri ölçümleri. Genel bir kural olarak, sekiz veya daha fazla kameranın kullanıldığı çoğu deney için piksel başına 0,05 ila 0,15 parçacık düzeyindeki bir görüntü yoğunluğu uygundur. Sabit bir kamera sayısı için piksel başına düşen parçacık sayısı azalır.

Daha büyük hacimli derinlik boyutları için. Kritik bir adım kalibrasyondur. Bu işlem, izleyici partiküllerle veya partiküller olmadan gerçekleştirilebilir.

Bu gösterimde olduğu gibi çok kameralı bir öz-kalibrasyon algoritması kullanılıyorsa, ölçüm hacminde bir referans koordinat sistemi oluşturun. Burada, kalibrasyon ızgarası ses tellerinin merkezine yerleştirilmiştir. Referans koordinat sistemine göre sabit bir yönelimde, kalibrasyon hedefi olarak geometrisi bilinen bir nesne kullanın. Bu durumda, çok kameralı öz-kalibrasyon algoritmasındaki kalibrasyon ızgarasının veya kalibrasyon hedefi konumlarının, hassas bir şekilde kontrol edilen hariç, rastgele olabileceği görülmektedir.

Bu işlem referans koordinat sistemini belirler. Her bir kamerada, hedefle ilgili her konumun görüntüsünü yakalayın. Her kameradaki hedef üzerinde noktaları tanımlayın. Öz kalibrasyon için kullanılan her görüntüde, hedef üzerinde tanımlanan her nokta, her kamera tarafından çekilen görüntüde yer almalıdır.

Bununla birlikte, referans koordinat sistemindeki noktaların açık konumu yalnızca hassas konumlandırılmış hedefle ilişkili noktalar için gereklidir. Kantitatif zaman çözünürlüklü ışık alanı görüntülemesi için veri toplamak amacıyla, tüm kameralar ve aydınlatma kaynakları doğru şekilde senkronize edilmelidir. Bu deneyde, kamera pozlamalarını ve aydınlatma dizilerini tetiklemek için programlanmış harici bir darbe üreteci kullanılır.

Veri dosyalarının adlandırılması konusunu da göz önünde bulundurarak, büyük miktarda veri toplama işlemine hazırlanın. İzleyici parçacıkların aktığından emin olarak ve seçilen tetikleme yöntemi aracılığıyla kamera yakalama ve aydınlatma sekansını başlatarak deneysel veri yakalamaya başlayın. Veri toplamak için sentetik olarak yeniden odaklanmış bir hacim üretmek amacıyla 3D odak istifi (focal stack) oluşturun.

Bunu yapmak için, odak düzlemleri arasındaki boşluğu ve yeniden odaklanmış hacimdeki toplam yeniden odaklama derinliğini tanımlayın. Referanslarda açıklandığı üzere, odak düzlemi tipik olarak derinlik çözünürlüğünün yarısına ayarlanır ve toplam yeniden odaklama derinliği, tüm kamera görüş alanlarının örtüştüğü bölge tarafından belirlenir. Odak düzlemleri, referans koordinat sisteminin Z eksenine dik olacaktır.

Burada, yaklaşık 0,16 milimetre odak düzlemi aralığı ve 20 milimetrelik toplam yeniden odaklama derinliği ile işlem sonrası yaklaşık 128 çözünürlüklü odak düzlemi elde edilmiştir; arka plan gürültüsünü iyileştirmek ve görüntüler arasındaki yoğunluk farklarını gidermek için görüntü ön işleme gerçekleştirin. Her bir kamera, görüntü düzlemi ve her bir sentetik odak düzlemi arasındaki dönüşümleri belirleyin. Görüntüleri sentetik odak düzlemleri üzerine yeniden yansıtın.

Ölçeği uygulayın ve görüntüleri yeniden örnekleyin. Bu işlem MATLAB içerisinde gerçekleştirilebilir. Düzlemden düzleme dönüşümler verildiğinde, her bir sentetik odak düzlemine ekleyici veya çarpımsal sentetik açıklık yeniden odaklama algoritmasını uygulayın.

Bir kontrol olarak, yeniden odaklamayı kalibrasyon görüntülerinin bir düzlemine uygulayarak yeniden yapılandırmanın beklendiği gibi görünüp görünmediğini inceleyin. Toplama yöntemi, z eşittir 13,3 milimetre olan kalibrasyon düzlemlerinden birine uygulandığında, odak yığını arkadan öne doğru tarandıkça görüntü odağa girip odak dışına çıkar. Sonraki aşamada, soldaki yeniden odaklanmış görüntüler ve sağdaki merkezi kameradan alınan kalibrasyon ızgarası görüntüsünü kullanarak her bir kalibrasyon düzlemindeki odağı gösteriyoruz.

Tüm istenen düzlemlere yeniden odaklama yaptıktan sonra, yeniden odaklamanın neden olduğu gürültüyü gidermek için görüntüleri işleyin; odakta olan partikülleri tutmak için yeniden odaklanmış görüntülerin yoğunluk histogramlarına dayalı eşikleme uygulayın. Ardından, rekonstrüksiyon adı verilen işlemde bir hacim oluşturmak için eşiklenmiş görüntüleri üst üste yığın. Rekonstrüksiyondan sonra, hacimden nicel veriler toplanabilir.

Kayıplar için yüksek kaliteli ham parçacık görüntüsü örneği ile tek bir kameradan alınan simetri görüntüleri burada gösterilmektedir. Bu görüntüler, siyah arka plan üzerinde yüksek kontrastla görünen, homojen dağılımlı parçacıklar içermektedir. Burada, uygun şekilde ekilmiş ve doğru şekilde kalibre edilmiş bir deneyin sonucu yer almaktadır.

Sentetik açıklıklı yeniden odaklanmış görüntü, soldan sağa her bir derinlik düzlemindeki odaklanmış partikülleri ortaya çıkarmaktadır; buradaki görüntüler sırasıyla eksi yedi milimetre, sıfır milimetre ve yedi milimetre derinliklerindedir. Verilerin kullanılması, yeniden yapılandırma olarak bilinen bir işlem adımını gerektirir. Bu durumda, her bir derinlik düzlemindeki odaklanmış partikülleri tutmak için yoğunluk eşiklemesi uygulanır.

Ardından, bir hacim oluşturmak için odak düzlemleri üst üste eklenir. Aynı derinlikteki görüntüler, iki farklı zamanda gösterilmektedir. Eşik hacmi daha sonra, parçacık görüntü hızometrisi gerçekleştirmek için yeterli sayıda parçacık içeren sorgulama hacimlerine aktarılabilir.

Bu, sentetik ses tellerinin neden olduğu jetin üç boyutlu vektör alanı için birkaç zaman adımı boyunca toplanan örnek verilerin bir örneğidir. Sol taraf, her zamandaki tüm 3D hız alanının asimetrik bir görünümünü göstermektedir. Z'nin beş milimetreye eşit olduğu XY düzleminin kesitleri merkezde, YZ düzleminin kesitleri ise yanında gösterilmiştir.

X = 14 mm noktası, sağda t = 0 ms anında gösterilmektedir. Ses teli kapalıdır ve alanda çok az hız mevcuttur. Jet içindeki en yüksek hız, 1 ms'de pozitif genişlik yönünde hareket eder ve 2 ile 4 ms arasında yoğunluğu azalır.

Katlanma beş milisaniyede kapanarak jet hızını düşürür ve döngü tekrarlanır. Bu veri, genellikle sunulan ortalamanın aksine, zamandaki tek bir anlık görüntüdeki hız alanını temsil eder. Işık alanı görüntülemenin bir diğer uygulaması ise kabarcıklı akışlardır.

Burada, su yüzeyine çarpan bir jetin hava sürüklemesiyle oluşan kabarcıklı bir alan gösterilmektedir. Videoyu belirli bir zamanda durdurmak, görüntünün farklı derinlik düzlemlerine yeniden odaklanarak kabarcıkların odak dışı kalışını ve odağa girişini görmeye olanak tanır.

Bu sabit görüntü, soldan sağa doğru; kamera dizisinden alınan kabarcıklı bir akış alanının ham görüntüsünü ve sırasıyla -10 milimetre, 0 milimetre ve 10 milimetre derinliklerdeki yeniden odaklanmış görüntüleri göstermektedir. Daire, -10 milimetre derinlik düzleminde yer alan ve diğer düzlemlerde görünmez hale gelen bir kabarcığı vurgulamaktadır. Bu prosedür uygulandığında; kalibrasyon ve veri yakalama işlemi genellikle yaklaşık dört saatte, sentetik yakalama yeniden odaklama işlemi ise yaklaşık 12 saatte tamamlanabilir. Toplanan verilerin miktarı ve adımların sayısı fazla olduğu için oldukça düzenli çalışmak önemlidir.

Bu prosedürün ardından, zengin veri setleri, çok fazlı akışlardaki kabarcık boyutu dağılımları nelerdir gibi çeşitli sorulara dair fiziksel içgörüler elde etmek için sorgulanabilir. Bu teknik; araştırmacıların kelebek uçuşunun akışkanlar dinamiğini veya kuş sürülerinin üç boyutlu yapısını inceleyebileceği fiziksel biyoloji gibi alanlarda öncü olacaktır. Bu videoyu izledikten sonra; ışık alanı görüntüleme için kameraların nasıl kurulacağı, bunların nasıl doğru şekilde kalibre edileceği, yazılımda görüntüler üzerinde nasıl sentetik açıklık işlemi uygulanacağı ve hacimsel verilerin ileri işlemler için nasıl kullanılacağı konusunda oldukça iyi bir anlayışa sahip olmalısınız.

Örnek kodlar, veri setleri ve eğitim bilgileri için lütfen web sitemizi ziyaret edin. Tad Truscott ile çalışmanın son derece tehlikeli olabileceğini unutmayın ve laboratuvarında çalışırken vücut zırhı giymek gibi tüm önlemleri mutlaka alın.