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

Published: March 06, 2013
doi:
10.3791/4325
, , , ,
1Department of Mechanical Engineering,Brigham Young University, 2Naval Undersea Warfare Center, Newport, RI

Summary

Uma técnica para a realização quantitativa imagens tridimensionais (3D) para uma série de fluxos de fluido é apresentado. Usando os conceitos da área de Imagem Light Field, reconstruímos volumes 3D a partir de matrizes de imagens. Os nossos resultados 3D abrangem uma vasta gama, incluindo campos de velocidade e multi-fase distribuições de tamanho de bolha.

Abstract

No campo da mecânica dos fluidos, a resolução de sistemas computacionais ultrapassou métodos experimentais e aumentou a diferença entre os fenômenos previstos e observados nos fluxos de fluidos. Assim, existe uma necessidade para um método de acesso capaz de resolver tridimensionais conjuntos (3D) de dados para uma série de problemas. Nós apresentamos uma nova técnica para a realização de imagens 3D quantitativa de muitos tipos de campos de fluxo. A técnica 3D permite a investigação de campos de velocidade complicadas e fluxos borbulhantes. Medidas deste tipo apresentar uma variedade de desafios para o instrumento. Por exemplo, opticamente densos fluxos multifásicos borbulhante não possa ser facilmente trabalhada tradicionais, por técnicas não-invasivas de medição do fluxo, devido a que as bolhas ocluindo acesso óptico para as regiões do interior do volume de interesse. Ao usar imagem Light Field somos capazes de reparameterize imagens captadas por um conjunto de câmeras para reconstruir um mapa volumétrica 3D para cada instância de tempo, apesar deoclusões parciais no volume. A técnica faz uso de um algoritmo conhecido como abertura sintética reorientação (SA), em que uma pilha de 3D ​​focal é gerado pela combinação de imagens a partir de várias câmaras de pós-captura 1. Campo de imagem permite que a luz para a captura de angular, bem como informação espacial sobre os raios de luz, e, portanto, permite a reconstrução 3D cena. A informação quantitativa pode então ser extraído a partir das reconstruções 3D utilizando uma variedade de algoritmos de processamento. Em particular, foram desenvolvidos métodos de medição baseados em imagem Light Field para a realização de velocimetria de imagem 3D de partículas (PIV), extração de bolhas em um campo 3D e rastrear o limite de uma chama bruxuleante. Nós apresentamos os fundamentos da metodologia de Luz campo de imagem no contexto de nossa configuração para a realização de 3DPIV do fluxo de ar que passa sobre um conjunto de pregas vocais sintéticos, e mostram resultados representativos de aplicação da técnica a um jato de bolha incorporador de mergulhar.

Protocol

1. Configuração de imagem 3D Luz Campo Comece determinando o tamanho do volume de medição, bem como a resolução espacial e temporal necessária para investigar a experiência de fluxo de fluido a ser estudado. Estimar a densidade óptica que vai estar presente na experiência, a fim de determinar o número de câmaras necessários para gerar imagens reorientadas com relação sinal-para-ruído bom (SNR) 1, 2 (por exemplo, para PIV deve calcular partículas por pixel). Para o experimento SAPIV 3D com as pregas vocais sintéticos apresentados, usar 8 câmeras e esperar para conseguir uma densidade de semeadura de 0,05-0,1 partículas por pixel (ppp). Este número aumenta com o número crescente de câmera com rendimentos decrescentes atingiu cerca de 13 câmeras, o SNR diminui rapidamente abaixo de 5 câmeras. Monte as câmeras em uma configuração de matriz em uma estrutura de tal forma que cada câmera pode ver o volume de medição de pontos de vista diferentes. Prenda as câmeras para um computador central para captura de dados e visualização. Seleccione objectivas com distâncias focais adequados para a ampliação desejada e ópticos distâncias de trabalho. Tipicamente, o mesmo tipo de lente de comprimento focal fixo é montado em cada câmara para gerar ampliação semelhante em cada imagem. Coloque um alvo visual (tal como uma grelha de calibração), no centro do volume de medição. Usando a imagem a partir da câmara centro da matriz como uma referência, mova a moldura matriz inteira câmara para mais perto ou mais longe a partir do volume de medição para obter a ampliação desejada. Em seguida, separar as câmaras restantes na matriz. Espaçar as câmaras mais afastadas uma da outra melhora a resolução espacial na dimensão de profundidade ao custo de profundidade resolúvel total 1. Nota: usamos profundidade para se referir à dimensão Z, que é positiva para as câmaras (ver Figura 1). A relação da profundidade para dentro-Resolução do plano é dada aproximadamente por , Onde Z é a profundidade do volume, o s é a distância das câmaras para a frente do volume, e D é a relação de espaçamento da câmara de s o. Inclinando todas as câmaras de tal forma que o alvo visual no centro do volume de medição é de aproximadamente centrado em cada imagem da câmara. Com as aberturas completamente abertos em cada lente da câmera, o foco cada câmera no alvo visual. Coloque um indicador de calibração na parte de trás do volume de medição. Certifique-se que o alvo é na visão de cada câmera, se ele não for, então a distância entre as câmeras e medição de volume e / ou espaçamento câmera necessidades de ajuste (passos 1,7-1,8). Feche a abertura de cada câmara até que o alvo está em foco em cada câmara. Repita os passos de 1,11-1,12 com o alvo em tele frente do volume de medição. O alvo de calibração deve ser semelhante à Figura 2, após cada câmera está ajustada. 2. Instalação de iluminação de volume Determinar o método adequado para a iluminação do volume de medição de acordo com o método de medição específico a ser aplicada ao campo de fluxo. Por velocimetria imagem de partículas (PIV) um volume de laser é usado. Seleccionar um raio laser, com uma taxa de impulso que pode conseguir a resolução desejada temporal da medição. O laser pode ser único pulsava por tempo resolvido ou duplo pulsada para o frame-straddling 3. Usar lentes ópticas para formar o feixe de laser em um volume de luz que cobre o volume de medição. Volume de semente do marcador com partículas adequadas para medições PIV 3. A concentração de partículas no fluido deve ser grande o suficiente para conseguir a resolução desejada espacial, mas não tão grande de forma a reduzir o SNR emSA reorientada imagens abaixo de um nível aceitável. Referência 1 contém um estudo aprofundado da densidade de semeadura possível, mas como regra geral uma densidade de imagem de partículas 0,05-0,15 por pixel (ppp) é apropriado para a maioria dos experimentos com oito ou mais câmeras. Por um número fixo de câmaras, as partículas por pixels diminui para maiores dimensões de profundidade de volume. 3. Calibração Matriz câmera Calibração requer a captura de uma série de imagens, em cada câmara, com um alvo de calibração (por exemplo, uma grade de tabuleiro de damas, ver Figura 2) em vários locais de todo o volume de medição. Primeiro, escolha entre dois tipos de calibração: ou uma câmera multi-método de auto-calibração ou a imagem de um alvo de calibração conhecido que é precisamente movido através do campo de interesse. Estabelecimento de um sistema de coordenadas de referência do volume de medição. Este sistema de coordenadas é muitas vezes escolhido de maneira que é f relevanteou o ensaio (por exemplo, alinhado com o eixo de um cilindro, com origem na borda de uma placa plana, etc). Aqui optou-se por colocar os nossos grades no plano XY alinhado em pontos ao longo do eixo Z (Figura 1). Se estiver usando uma câmera multi-auto-calibração algoritmo 4, 5 os locais alvo de calibração pode ser aleatória, com exceção de um local que é precisamente localizada no sistema de coordenadas de referência. A localização de pontos de calibração neste alvo precisamente localizado deve ser conhecido com alta precisão. Em cada câmara, a captura de uma imagem do alvo em cada localização semelhante à Figura 2. Se não se usa um multi-câmara algoritmo de auto-calibração, o alvo de calibração deve ser precisamente colocados em vários locais no volume de medição de modo que a orientação do alvo no sistema de coordenadas de referência é conhecida, com alta precisão. Em cada câmera, capturar uma imagem do alvo em cada local. Identificar pontos sobre o alvo em cada câmera para cada imagem. Para a auto-calibração, correspondências imagem ponto em todas as câmeras são necessárias 5, mas explícitas correspondências referência para imagem de ponto são necessárias apenas para os pontos gerados pelo alvo precisamente localizado. Para o método de calibração de precisão percorrido, explícitas correspondências referência a imagem de ponto são necessários para todos os pontos de todas as câmeras. Aplicar o algoritmo de calibração para calibrar escolhido todas as câmaras. Aqui optou-se por utilizar uma câmara multi-auto-calibração algoritmo 4, 5 (fonte aberto http://cmp.felk.cvut.cz/ ~ svoboda / SelfCal / ) e os locais resultantes da câmara em relação aos planos de interesse são mostrado na Figura 3. 4. Tempo, suscitar e Coleta de Dados Quantitativa, tempo resolvido imagem campo de luz exige que todos os cameras e fontes de iluminação para ser sincronizado com precisão, muitas vezes, a um evento relevante experimental. Um gerador de pulso externa é usada para acionar as exposições da câmara e sequências de iluminação. Programar as sequências de impulsos de temporização apropriados sobre o gerador de impulsos. Para a experiência da prega vocal, usamos uma sequência de quadros-abrangendo, pelo que o laser é pulsado perto do fim de uma exposição da câmara e perto do começo da 3 seguinte. Se desencadeamento de um evento experimental, assegurar que um sinal apropriado é gerado e a entrada para o gerador de impulsos. Se manualmente provocando, tomar medidas para desencadear o gerador de pulso. Comece a captura de dados experimental, iniciando a captura de câmera e iluminação seqüência através do método escolhido disparo. Embora pareça trivial, ao adquirir a grande quantidade de dados associado a uma câmera multi-experiência de luz do campo de imagem, uma convenção de nomenclatura é bom crucial. É útil considerar como os dados serão utilizados desde a captura até a análise final, quando o desenvolvimento da convenção de nomenclatura. 5. Refocusing de Abertura Sintética Vamos agora gerar uma pilha 3D focal de imagens para produzir um volume sinteticamente reorientada. Em primeiro lugar, definir o espaçamento entre planos focais e profundidade reorientação global a ser usado no volume reorientada 1, 7. Tipicamente, o espaçamento plano focal é definido como metade da resolução da profundidade e da profundidade reorientação total é regulada pela região em que todos os campos de câmara de sobreposição vista. Os planos focais será perpendicular ao eixo Z do sistema de coordenadas de referência. Definir a escala para aplicar às imagens sobre reprojeção para dentro do volume de medição. A escala deve ser consistente com a ampliação das imagens originais, a fim de evitarsignificativa amostragem sobre ou sob a amostragem das imagens reprojectada. Estabelecer transformações entre cada plano de imagem da câmera e cada plano focal sintética. Realizar o pré-processamento de imagem para remover o ruído de fundo e acomodar as diferenças de intensidade entre imagens 1, 7. Imagens para reprojetar os planos sintéticos focais, aplicar a escala e re-amostra das imagens. Um conjunto de funções internas Matlab (toolbox de processamento de imagem a) pode lidar com essas tarefas dadas as transformações de plano para plano. Em cada plano focal sintética, aplicar ou aditivo a reorientação ou algoritmo multiplicativo SA 1, 7. Para aplicações 3D SAPIV, temos tido um bom sucesso com aditivo SA (aplicado sobre as pregas vocais aqui). Para imagens de bolhas em contraluz, a SA multiplicativo produziu resultados superiores. Como uma verificação de aplicar a recentragem a um plano das imagens de calibração, para ver se a reconstrução aparece como esperado. </li> 6. Volume de pós-processamento Para estimar os objectos originais no volume que gerou o campo de luz requer uma etapa de processamento conhecido como reconstrução. Existem vários algoritmos variando de intensidade de limiar simples um gradiente de métricas baseadas focais 7 a mais complexa de desconvolução 3D 8. Escolha um algoritmo de reconstrução apropriado para a aplicação. Para PIV, temos tido sucesso com ambos limiarização intensidade e deconvolução 3D. Usamos intensidade de limiar aqui para formar uma pilha focal. Duas pilhas focais de tempo 1 (t 1) e tempo de 2 (t 2) são interligado para formar um campo vetorial. O método de imagem 3D Luz Campo inerentemente resulta em objetos que são alongadas na dimensão de profundidade, o que pode afetar a precisão PIV; um algoritmo de reconstrução bom tenta mitigar esse alongamento. Após o passo de reconstrução, características em que o volume pode ser necessário ou exatraídos para permitir a medição de tamanho, forma, etc Os algoritmos utilizados para a extracção de características são variadas e dependem da aplicação 7. Para extrair as bolhas, por exemplo, requer um meio de localizar e definir as características de bolha seu tamanho. Para aplicações PIV, não explicitamente extrair partículas e este passo pode ser ignorado. Para aplicações 3D SAPIV, analisar o volume de reconstrução em volumes menores de interrogatório e aplicar uma adequada correlação cruzada algoritmo PIV base para medir o campo de vetores 1, 3. um maketform: constrói um avião para avião e transformação imtransform: mapas e resamples uma imagem com base nas transformações de maketform.

Representative Results

Imagens de alta qualidade-primas PIV conter partículas uniformemente distribuídos aparecem com alto contraste contra o fundo preto (Figura 4a). Para compensar a não-uniforme de iluminação em toda a imagem, a imagem pré-processamento pode ser realizada para remover regiões brilhantes, ajustar contraste e normalizar os histogramas de intensidade em todas as imagens de todas as câmeras (Figura 4b). Quando a experiência é semeada a uma densidade adequada e uma calibração precisa é executada, o SA reorientada imagens irá revelar em partículas de focagem em cada plano de profundidade (Figura 5). Se o volume de medição é mais sementes, a SNR nas imagens reorientadas será baixa tornando-o difícil de reconstituir as partículas. SA reorientada imagens com SNR bom pode ser limiarizadas para reter partículas em foco em cada plano de profundidade. Figura 6 mostra duas imagens de limiar definido a partir de duas etapas de tempo no plano de profundidade Z = -10,6 mm. O vo limiarizadalume é então analisado em volumes de interrogação que contêm um número suficiente de partículas para a realização de PIV 3. Aplicando um algoritmo 3DPIV ao volume analisado gera um campo de velocidade de fluido representado na Figura 7, neste caso, o campo de fluxo é a induzida por uma prega vocal modelo. A velocidade do fluxo de campo do lado de fora do jacto é muito pequena, o que muito poucos vectores pode ser visto do lado de fora desta região. Em t = 0 ms prega vocal é fechada e velocidade muito pouco no campo está presente. A maior velocidade no jacto em t = 1 se move mseg na direcção y positivo e reduz a intensidade a partir de t = 2 a 4 ms. Os fecha dobra em t = 5 ms reduzir a velocidade do jacto e o ciclo é repetido. Estas imagens não têm a suavidade mesmo que muitos autores anteriores 9 que apresentam até 100 imagens médios que cada campo de velocidade apresentado representa um único instantâneo no tempo. Como ponto de referência, simulações anteriores mostraram erros típicos em calculard velocidades de ser da ordem de 5-10% de cada componente da velocidade, que inclui o algoritmo de erro a partir de PIV si 1; para o algoritmo que está a utilizar (11 MatPIV adaptado para 3D), este erro é conhecido por ser relativamente grande para outros códigos. Fluxos borbulhantes são outra área de interesse científico que pode beneficiar das capacidades 3D de imagem Light Field. A técnica de SA pode ser similarmente aplicado a campos de fluxo borbulhante, em que a luz de laser é substituído com iluminação branca difusa, o que resulta em imagens, tais como a mostrada na Figura 8a, onde as extremidades das bolhas aparecem escuras contra o fundo branco. Após auto-calibração, o multiplicativo variante do algoritmo SA pode ser aplicada para produzir uma pilha focal com bolhas nitidamente focadas sobre o plano de profundidade correspondente à profundidade da bolha e turva de vista em outros planos, como mostrado na Figura 8b-d 7. Limiarização simples não éum método adequado para extrair as bolhas, em vez de uma série de algoritmos avançados de extracção de recursos, são utilizados como descrito no 7. Figura 1. Imagem de câmeras e pregas vocais com etiquetas e sistema de coordenadas. Figura 2. Grade de calibração em Z = 0 mm, como visto a partir de todos os 8 câmaras. Figura 3. Topview de configuração da câmera de multi-câmara de saída de auto-calibração. Câmeras 1-8 estão localizados com números e círculos, com a sua visão geral direction indicado por uma linha. A mancha vermelha perto da origem é, na verdade, 400 + pontos da grade de calibração em cada profundidade Z plotados em relação 3D para as câmeras. Figura 4. Imagens primas do campo de partículas visto de câmera # 6 em t 1 e t 2 (a & b). Mesmas imagens depois de pré-processamento (c & d). Figura 5 Da esquerda para a direita:. Primas imagens reorientadas SAPIV em profundidades (a) Z = -5,9 milímetros, (b) mm -10,6 e (c) mm -15,3. Figura 6. Thresholded imagens em intervalos de tempo (a) t 1 e (b) t 2 em Z mm = -10,6. Figura 7. Tridimensional campo vetorial do jato criado por sintéticos pregas vocais por 6 passos de tempo. O lado esquerdo mostra uma vista isométrica do campo de velocidade 3D inteiro. Cortes da xy e planos yz são feitas através do centro da prega vocal, tal como indicado acima de cada coluna. Figura 8 Da esquerda para a direita:. Imagem crua de campo de fluxo borbulhante da matriz de câmera e imagens reorientadas em profundidades (b) Z = -10 mm, (c) 0 mm e (d) 10 mm.O círculo destaca uma bolha que está no plano de profundidade Z = -10 mm, e desaparece de vista em outros planos. Os detalhes do estudo da bolha podem ser encontrados em 4.

Discussion

Várias etapas são fundamentais para a execução adequada de uma experiência de luz do campo de imagem. Selecção da lente e colocação da câmara devem ser cuidadosamente escolhidas para maximizar a resolução de acordo com o volume de medição. A calibração é talvez o passo mais crítico, como os algoritmos reorientação SA deixará de produzir imagens nitidamente focadas sem calibração precisa. Felizmente, multi-câmera de auto-calibração facilita a calibração precisa, com um nível relativamente baixo de esforço. Iluminação uniforme em todas as imagens que proporciona um bom contraste entre os objetos de interesse eo fundo também é necessário, embora o processamento da imagem pode normalizar as imagens para um grau.

O tempo também é importante ao realizar SA em volumes que têm objetos em movimento. Se cada câmara não é disparado para obter uma imagem ao mesmo tempo, a reconstrução de imagem, irá, obviamente, ser impreciso. Para os experimentos deste trabalho, utilizou o tempo de seqüência shown na Figura 7.

As aplicações de imagem 3D Luz de campo aqui apresentados envolvem uma resolução espacial trade-off. Por exemplo, 3D SAPIV pode reconstruir volumes de partículas a partir de imagens das partículas opticamente densos, mas as partículas são distribuídas através de um volume (potencialmente grande). 2D para PIV, as partículas são distribuídas através de uma fina folha, e, assim, as imagens com a mesma densidade de partícula corresponde a uma densidade muito maior do volume de medição. No entanto, o método SAPIV 3D permite densidades de semeadura muito maiores que os outros métodos de PIV 3D 1. Outra consideração é o que pode limitar a intensidade relativamente grande computacional associada com métodos de imagem de luz do campo; complexidade computacional é típico de imagem baseados em métodos de reconstrução 3D, como tomografia-PIV 10.

Para este experimento foram utilizados oito Photron SA3 câmeras equipadas com lentes macro Sigma 105 milímetros e um Quantronix dupla Darwin Nd: YLF laser (532 nm, 200 mJ). As câmeras e laser foram sincronizados entre si através de um 575 Nucleonics Berkley BNC digitais gerador de atraso / pulso. O fluxo de fluido foi semeada com Expancel hélio enchido microesferas de vidro. As microsferas tinham um diâmetro médio de 70 um, com uma densidade de 0,15 g / cc. Nós oferecemos versões de código aberto os códigos utilizados aqui para a comunidade acadêmica através do nosso site http://www.3dsaimaging.com/ e incentivar os usuários a nos dar feedback e participar na melhoria e fornecer códigos úteis para a comunidade quantitativa luz do campo.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gostaríamos de agradecer a concessão do NSF CMMI # 1126862 para o financiamento do equipamento e desenvolvimento dos algoritmos de abertura sintética na BYU, Na casa de Laboratório Independente de Investigação (Ilir) fundos (monitorado pelo Dr. Tony Ruffa) para o financiamento dos equipamentos e desenvolvimento em NUWC Newport, e NIH / NIDCD concessão R01DC009616 para financiamento SLT, DAD e JRN e dados relativos às experiências das pregas vocais e da Universidade de Erlangen Escola de Pós-Graduação em Tecnologias Avançadas ópticos (SAOT) para o apoio parcial da SLT. Finalmente, o Rocky Mountain NASA Space Grant Consortium para financiamento JRN.

References

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Truscott, T. T., Belden, J., Nielson, J. R., Daily, D. J., Thomson, S. L. Determining 3D Flow Fields via Multi-camera Light Field Imaging. J. Vis. Exp. (73), e4325, doi:10.3791/4325 (2013).
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