קביעת שדות זרימה 3D באמצעות מצלמה מרובה אור תחום הדמיה
Summary
טכניקה לביצוע הדמיה כמותית תלת ממדי (3D) עבור מגוון של זורם נוזל מוצגת. שימוש במושגים מתחום הדמית שדה אור, אנו משחזרים כרכי 3D ממערכים של תמונות. התוצאות שלנו 3D להקיף מגוון רחב הכוללים שדות מהירות והפצות גודל בועות רבות שלבים.
Abstract
בתחום מכניקת זורמים, ברזולוציה של תוכניות חישוביות יש outpaced שיטות ניסיוניות והרחיבה את הפער בין תופעות חזויות ונצפו בזורם נוזל. לכן, צורך קיים לשיטה מסוגלת לפתור (3D) ערכות נתונים תלת ממדיות עבור מגוון של בעיות נגישה. אנו מציגים שיטה חדשנית לביצוע הדמית 3D כמותית של סוגים רבים של שדות זרימה. טכניקת 3D מאפשרת חקירה של שדות מהירות מסובכים ותזרימים מבעבעים. מדידות של סוגים אלה להציג מגוון רחב של אתגרים למכשיר. למשל, תזרים multiphase תוסס אופטי צפוף לא יכול להיות צלם בקלות על ידי טכניקות מסורתיות, לא פולשנית זרימת מדידה בשל הבועות חוסמות גישה אופטית לאזורים הפנימיים של הנפח של עניין. באמצעות הדמית שדה אור אנו מסוגלים reparameterize תמונות שנתפסו על ידי מערך של מצלמות לשחזר מפת נפחית 3D עבור כל מופע זמן, למרותחסימות חלקיות בנפח. הטכניקה עושה שימוש באלגוריתם המכונה refocusing הסינטטי צמצם (SA), לפיה ערימת מוקד 3D נוצרה על ידי שילוב של תמונות ממספר מצלמות שלאחר לכידת 1. הדמית שדה אור מאפשרת ללכידתו של הזוויתי כמו גם מידע מרחבים על קרן האור, ולכן מאפשרת שתחזור הסצנה 3D. מידע כמוני אז ניתן לחלץ מ3D שחזורים באמצעות מגוון של אלגוריתמים לעיבוד. בפרט, פתחו שיטות מדידה המבוססות על הדמית שדה אור לביצוע velocimetry תמונת 3D חלקיקים (PIV), חילוץ בועות בשדה 3D ומעקב הגבול של להבה מרצדת. אנו מציגים את יסודות המתודולוגיה הדמית שדה האור בהקשר של ההגדרה שלנו לביצוע 3DPIV של זרימת האוויר עוברת מעל קבוצה של קפלי קול סינטטיים, ולהראות תוצאות מייצגות מיישום של הטכניקה למטוס צולל בועה entraining.
Protocol
Representative Results
Discussion
כמה שלבים קריטיים לביצוע נכון של ניסוי הדמית שדה אור. בחירת עדשה ומיקום מצלמה צריכה להיות שנבחרו בקפידה על מנת למקסם את הרזולוציה בתוך נפח המדידה. כיול הוא אולי השלב הקריטי ביותר, שכן אלגוריתמי refocusing SA ייכשלו כדי להפיק תמונות ממוקדות בחדות ללא כיול מדויק. למרבה המזל, מרובת המצלמה כיול עצמי מאפשר כיול מדויק ברמה נמוכה יחסית של מאמץ. תאורה אחידה בכל התמונות שמספקות ניגודיות טובה בין האובייקטים של עניין והרקע היא גם הכרחית, למרות שעיבוד תמונה יכול לנרמל את התמונות למידה.
עיתוי חשוב גם בעת ביצוע SA בכרכים שאובייקטים נעים. אם כל מצלמה אינה מופעל לקחת תמונה באותו הזמן, שחזור התמונה יהיה ברור להיות לא מדויק. לניסויים במאמר זה אנו מנוצלים רצף של עיתויhown באיור 7.
יישומי הדמית שדות אור 3D המוצגים כאן כרוכים ברזולוציה מרחבית trade-off. לדוגמה, 3D SAPIV יכול לשחזר כמויות חלקיקים מתמונות חלקיקים אופטיים צפופות, אבל החלקיקים מופצים ברחבי נפח (פוטנציאל גדול). עבור 2D PIV, החלקיקים מופצים על סדין דק, ולכן תמונות עם אותו צפיפות החלקיקים מתאימות לצפיפות גדולה בהרבה בהיקף המדידה. עם זאת, שיטת SAPIV 3D מאפשרת לצפיפות זריעה הרבה יותר גדולה ששיטות PIV אחרות 3D 1. עוד שיקול שעלול להיות מגביל הוא עוצמת המחשוב הגדולה יחסית קשורה בשיטות הדמית שדות אור; מורכבות חישובית הן אופייניות לשיטות שיקום 3D המבוססים על תמונות, כגון טומוגרפית-PIV 10.
לצורך ניסוי זה השתמשנו במצלמות 8 SA3 Photron מצוידות בעדשות מאקרו 105 מ"מ סיגמה וQuantronix הכפול דרווין Nd: YLF ליזר (532 ננומטר, 200 MJ). המצלמות והליזר היו synched יחד באמצעות גנרטור ברקלי תורת גרעין 575 BNC הדיגיטלי עיכוב / דופק. זרימת הנוזל נזרעה עם Expancel הליום מלא microspheres זכוכית. Microspheres היה בקוטר ממוצע של 70 מיקרומטר עם צפיפות של 0.15 גר '/ סמ"ק. אנו מציעים גרסות קוד פתוחות של קודים המשמשים בזאת לקהילה האקדמית באמצעות אתר האינטרנט שלנו http://www.3dsaimaging.com/ ואנו מעודדים את המשתמשים לתת לנו משוב ולהשתתף בשיפור ואספקת קודים שימושיים לקהילת תחום האור כמותית.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות למענק NSF CMMI # 1126862 למימון הציוד והפיתוח של אלגוריתמי המפתח הסינתטיים בBYU, בבית מעבדת מחקר עצמאי (ILIR) כספים (פיקוח על ידי ד"ר טוני Ruffa) למימון הציוד והפיתוח בNUWC ניופורט, וNIH / NIDCD המענק R01DC009616 למימון SLT, DJD וJRN ונתונים הנוגעים לניסויי קיפול קול ובאוניברסיטת בית הספר למוסמכים בארלנגן אופטיות טכנולוגיות מתקדמות (SAOT) לתמיכה חלקית של SLT. לבסוף, מאגד Rocky Mountain נאס"א חלל גרנט למימון JRN.
References
- Belden, J., Truscott, T. T., Axiak, M., Techet, A. H. Three-dimensional synthetic aperture particle imaging velocimetry. Measurement Science and Technology. 21 (12), 125403 (2010).
- Wilburn, B., Joshi, N., Vaish, V., Talvala, E. -. V., Antunez, E., Barth, A., Adams, A., Horowitz, M., Levoy, M. High performance imaging using large camera arrays. ACM Trans. Graph. 24, 765-776 (2005).
- Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhaus, J. . Particle image velocimetry – A Practical Guide. , (2007).
- Belden, J. Auto-Calibration of Multi-Camera Systems with Refractive Interfaces. Experiments in Fluids. , (2013).
- Svoboda, T., Martinec, M., Pajdla, T. A convenient multi-camera self-calibration for virtual environments. PRESENCE: Teleoperators and Virtual Environments. 14 (4), 407-422 (2005).
- Vaish, V., Garg, G., Talvala, E., Antunez, E., Wilburn, B., Horowitz, M., Levoy, M. Synthetic aperture focusing using a shear-warp factorization of the viewing transfor. 3, 129 (2005).
- Belden, J., Ravela, S., Truscott, T. T., Techet, A. H. Three-Dimensional Bubble Field Resolution Using Synthetic Aperture Imaging: Application to a Plunging Jet. Experiments in Fluids. , (2012).
- Levoy, M., Ng, R., Adams, A., Footer, M., Horowitz, M. Light field microscopy. ACM Transactions on Graphics. 25 (3), (2006).
- Triep, M., Brücker, C. Three-dimensional nature of the glottal jet. Journal of the Acoustical Society of America. 127, 1537-1547 (2008).
- Elsinga, G., Scarano, F., Wieneke, B., van Oudheusden, B. Tomographic particle image velocimetry. Experiments in Fluids. 41, 933-947 (2006).
