Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Alessio Radice; Sankar Sarkar; Francesco Ballio

doi:10.3791/55874

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Environment

Suivi de particules Lagrangian basé sur l'image dans les expériences de charge de lit

Published: July 20, 2017

doi:

10.3791/55874

Alessio Radice¹, Sankar Sarkar², Francesco Ballio¹

¹Dept. of Civil and Environmental Engineering,Politecnico di Milano, ²Physics and Applied Mathematics Unit,Indian Statistical Institute

Summary

Le manuscrit présente un protocole pour la conduction des expériences de transport de sédiments de lit-charge où les particules en mouvement sont suivies par une analyse d'image. L'installation expérimentale, les procédures de réalisation de l'exécution et le traitement des données, et enfin certains résultats de preuve de concept sont présentés ici.

Abstract

L'analyse de l'image a été de plus en plus utilisée pour la mesure des débits des rivières en raison de ses capacités à fournir des représentations quantitatives détaillées à un coût relativement faible. Ce manuscrit décrit une application de la velocimétrie de suivi des particules (PTV) à une expérience de charge de lit avec des sédiments légers. Les caractéristiques clés des conditions de transport des sédiments étudiés étaient la présence d'un écoulement couvert et d'un lit rugueux fixe au-dessus duquel des particules ont été relâchées en nombre limité à l'entrée du canal. Dans les conditions d'écoulement appliquées, le mouvement des particules de charge de lit individuelles était intermittent, avec des mouvements alternés et des termes d'immobilisation. Le diagramme d'écoulement a été préalablement caractérisé par des mesures acoustiques des profils verticaux de la vitesse du courant. Au cours de la visualisation des processus, un grand champ de vision a été obtenu en utilisant deux caméras d'action placées à différents endroits le long du canal. Le protocole expérimental est décrit en termes de chanL'étalonnage nel, la réalisation de l'expérience, le prétraitement de l'image, le suivi automatique des particules et le post-traitement des données des pistes de particules des deux caméras. Les résultats de la preuve de concept présentés incluent les distributions de probabilité de la longueur et de la durée du saut de particules. Les réalisations de ce travail sont comparées à celles de la littérature existante pour démontrer la validité du protocole.

Introduction

Puisque les travaux pionniers sont apparus il y a quelques décennies ¹ ^, ² , l'utilisation de l'analyse d'image pour l'étude du transport des sédiments fluviaux a augmenté constamment. Cette technique a effectivement prouvé sa capacité à fournir des données relativement à haute résolution et peu coûteuses pour des analyses détaillées des phénomènes physiques ³ ^, ⁴ ^, ⁵ . Avec le temps, des améliorations importantes ont été obtenues pour les outils matériels et logiciels.

La mesure du transport des sédiments peut être effectuée à l'aide d'une approche eulérienne qui cible la mesure des flux de sédiments ou une lagrangienne qui vise à mesurer les trajectoires des grains individuels à mesure qu'ils se déplacent. Le traitement de l'image offre des possibilités uniques pour le suivi des particules par rapport aux autres méthodes eulériennes ⁶ ^, ⁷ . Cependant, desPitez ces potentialités, l'application de l'analyse d'image au transport de sédiments à chargement par couche souffre de certaines limitations expérimentales critiques, en termes d'échelles de support spatial / temporel pour la mesure et la taille des échantillons de données. Par exemple, il est difficile de réaliser simultanément une combinaison appropriée d'une grande zone spatiale, d'une durée prolongée d'une expérience et d'une grande fréquence de mesure ³ ^, ⁴ ^, ⁸ sans compromettre la qualité et la quantité de données. En outre, le suivi des particules peut être effectué manuellement ² ^, ⁴ , ce qui nécessite un effort humain important, ou automatiquement ³ ^, ⁸ , avec la possibilité de suivre les erreurs faites par le logiciel utilisé pour l'analyse.

Cet article présente un protocole pour l'étude expérimentale du sédiment de lit-chargeAnsport, où une longue durée a été atteinte par le type de caméra utilisé, un grand champ de vision a été assuré par l'utilisation simultanée de deux caméras à différents endroits, et un traitement automatique fiable a été rendu possible par des conditions expérimentales ponctuelles . L'opération expérimentale a été conçue et les outils de traitement ont été sélectionnés en fonction de l'expérience acquise par les auteurs dans plusieurs travaux de recherche traitant de l'étude détaillée du transport des sédiments par les méthodes d'image ³ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸ .

Une expérience de transport de sédiments est décrite, qui a été réalisée en libérant une particlSur un lit fixe et rugueux. L'alimentation en particules était beaucoup moins que la capacité de transport du flux pour maintenir une faible concentration de grains en mouvement, évitant ainsi la congestion des particules à suivre. En outre, les particules transportées ne bougeaient pas continuellement, mais un mouvement intermittent était observé. L'utilisation d'un lit fixe plutôt que d'un mobile représente une perte de similitude avec les conditions naturelles. Cependant, un lit fixe a été fréquemment utilisé dans les expériences de transport de sédiments ¹⁹ ^, ²⁰ ^, ^21, en supposant que les résultats sont plus simples et explicatifs que ceux de scénarios compliqués avec une variété de processus d'action. L'utilisation d'un lit fixe évite évidemment d'observer les processus d'inhumation et de réapparition des sédiments. D'autre part, en présence d'une faible charge de lit, le transport de sédiments a lieu dans une couche superficielle d'un lit lâche et, dans ce cas,L'utilisation d'un lit fixe peut être adéquate. En fait, des comparaisons spécifiques entre les propriétés du mouvement des particules dans les expériences menées avec les deux conditions n'ont pas présenté de différences significatives ³ ^, ¹⁴ . Enfin, l'expérience présentée ici a été effectuée avec un flux sous pression pour assurer une condition optimale pour la visualisation des particules à travers un couvercle transparent. Le transport de sédiments avec un écoulement sous pression a été expérimentalement étudié dans la recherche de prototypage de rivières recouvertes de glace, ce qui montre que l'interaction entre la couche limite du lit et le sédiment est analogue à celle des écoulements ouverts ²² ^, ²³ . Dans les sections suivantes, toutes les méthodes sont décrites et des résultats représentatifs sont fournis.

Protocol

Note: L'expérience de transport des sédiments a été effectuée dans un canal au Laboratoire Hydraulique de la Montagne situé dans le campus de Lecco du Politecnico di Milano. Le canal est entièrement construit en matériau acrylique transparent et est de 5,2 x 0,3 x 0,45 m 3 . Le canal est soutenu par deux poutres en acier et peut être utilisé à différentes pentes à cause d'une charnière et d'un vissage. Une série de couvercles permet au canal d'agir comme un conduit fermé, qui était la configuration de flux couvert et le canal utilisé dans ce travail. 1. Mesure et mise en place de la pente du flux Sceller la sortie du canal et remplir avec de l'eau chaude. REMARQUE: La méthode d'étanchéité dépend des caractéristiques du canal. Dans le cas présenté ici, la section terminale du canal est équipée d'une bride d'accouplement, l'étanchéité a donc été obtenue en verrouillant une fiche en plastique à la bride avec une rondelle en caoutchouc entre elles. Faire fonctionner le vérin tO définir une pente de canal arbitraire. Attendez au moins 30 minutes pour que l'eau atteigne l'immobilité. Pour vérifier l'amortissement de l'oscillation et la réalisation d'une condition d'eau fixe, placez une jauge de points sur les parois du canal et mesurez à plusieurs reprises l'élévation de la surface libre. Placez la jauge de points sur les parois des canaux à plusieurs endroits et prenez des lectures de l'élévation de la surface libre. REMARQUE: les lectures diffèrent l'une de l'autre car le canal est incliné alors que la surface de l'eau est horizontale. Calculez une valeur de pente basée sur l'interpolation linéaire des lectures par la jauge de points. Prenez une mesure avec un capteur de distance laser qui est attaché à l'un des faisceaux supportant le canal et pointe vers le sol. REMARQUE: Ici, le capteur laser est fixé en permanence au canal, donc aucune opération n'est nécessaire dans le protocole pour son installation. Répétez les étapes de 1,2 à 1,6 pour diverses conditions de pente. Ajuster unÉquation linéaire aux points expérimentaux dans un plan cartésien avec la mesure laser sur l'axe horizontal et la mesure de la pente du canal sur l'axe vertical. Déterminer une fonction de transfert de la mesure du laser à la pente du canal (et vice versa). 2. Configuration de la configuration de travail Préparez un ensemble de plaques d'acier (épaisseur 2 mm) avec une dimension totale égale à celle du fond du canal. NOTE: Ici, quatre plaques d'une taille de 1,3 x 0,3 m 2 ont été utilisées. Créez un lit rugueux fixe en collant les particules de sédiments sur les plaques. Pour ce faire, peindre les plaques avec une résine polyester à deux composants, puis étaler une couche de sédiments (1-1,5 cm) sur eux. NOTE: Les particules de sédiments utilisées ici étaient des grains de polybutylène téréphtalate (PBT), fabriqués en couleur blanche et d'une taille de 3 mm. Avec la procédure ci-dessus, l'épaisseur du sédiment collé sur la plaque est similaire à la taille des particules. WAu moins 24 h pour laisser sécher la résine, puis enlever les excès de sédiments en inclinant les plaques et laisser les sédiments glisser. Peindre la surface des sédiments en noir avec une peinture à l'eau résistant à l'eau. Attendez au moins 10 h pour permettre à la peinture de sécher. Placez les plaques revêtues de sédiments (voir les étapes 2.1-2.3) dans le canal et sur les supports en polychlorure de vinyle (PVC) pour créer le fond d'une section de travail. Faites attention au placement de plaques consécutives pour assurer la continuité du lit. REMARQUE: l'utilisation des supports en PVC est facultative. Dans le cas présent, la section transversale du canal (0,3 m de largeur et 0,45 m de haut, correspondant à un rapport de largeur à profondeur inférieur à 1) a été conçue à l'origine pour exécuter des expériences de transport de sédiments avec une couche de sédiments lâches. L'expérience présentée dans ce manuscrit a plutôt été exécutée avec un lit fixe, ce qui a entraîné des valeurs inhabituelles, trop faibles, du rapport largeur / profondeur. Les supports de PVC ont donc été utilisés afin d'atteindre un grandR valeur pour ce ratio. Placez une série de couvercles acryliques transparents (couvrant toute la longueur du canal) sur les parois du canal pour créer une section de travail couverte. REMARQUE: Dans le canal décrit ici, les couvercles sont des boîtiers internes d'une hauteur de 20 cm, simplement placés sur les parois du canal. Par conséquent, une certaine quantité d'eau est présente sur les côtés du couvercle pendant les expériences, mais ne modifie pas de manière significative le débit dans le canal. La section de travail utilisée dans l'expérience présentée ci-dessous était égale à 0,3 mx 0,105 m 2 . 3. Établir des conditions de débit régulier Allumez la pompe, remplissez le canal avec de l'eau et utilisez la vanne de régulation pour régler le débit. NOTE: Dans ce travail, le débit a été mesuré par un débitmètre électromagnétique placé le long du tuyau de refoulement. Utilisez un régulateur d'eau de queue pour régler l'élévation de la tête de pression légèrement au-dessus des couvercles des canalisations, en veillant à ce qu'il y ait un écoulement couvert, mais évitezAvec une forte force de flottabilité sur les couvercles. REMARQUE: Dans le canal présenté ici, la régulation de l'eau de queue est réalisée par un ensemble de bâtons situés à la fin du canal. Mesurer à plusieurs reprises le débit et la tête de pression pour vérifier la stabilité des conditions d'écoulement. 4. Caractérisation de la distribution de flux Mesurez le profil vertical du composant de vitesse en continu dans différents endroits. Placez la sonde d'un profileur de vitesse à ultrasons (UVP) au-dessus du couvercle du canal à l'aide d'un porte-sonde approprié. Placez la sonde à l'inclinaison choisie avec la queue vers l'entrée du canal. Appliquer un gel de couplage ultrasonique approprié dans l'espace entre la pointe de la sonde et le couvercle pour éviter le passage de l'onde ultrasonore dans l'air. Connectez la sonde à son module d'acquisition. NOTE: Dans le cas présent, le porte-sonde était en PVC et se composait d'une base à inclinaisonGuide joint. Ce support a été construit après avoir choisi un angle de sonde. Échantillon de plusieurs profils instantanés de vitesse. REMARQUE: avec l'instrument utilisé dans cette expérience, cette étape nécessitait un réglage manuel de la fréquence des rayons ultrasons émis, d'une fréquence de répétition d'impulsion, d'une résolution et du nombre désiré de profils instantanés. Les profils ont été continuellement acquis et sauvegardés lorsque le nombre souhaité a été atteint. Répétez les étapes 4.1.1 et 4.1.2, sauf placer la sonde avec la queue vers la sortie du canal. Évaluer le besoin de déconcentration du signal 24 par une inspection visuelle des évolutions du temps acquis de la vitesse du courant. Effectuez le dé-spiking pendant le traitement des données si nécessaire. Calculez la valeur de vitesse moyenne pour chaque emplacement de mesure (gate) de l'UVP pour obtenir des profils temporisés de la composante de vitesse de la sonde à partir des deux mesures (avec la queue de la sonde vers leEntrée et sortie du canal). Utiliser une composition trigonométrique des deux vitesses de sondage mesurées à n'importe quelle élévation pour obtenir les composantes de la vitesse verticale et du courant. Avec v up et v down , les vitesses moyennes mesurées aux étapes 4.1.2 et 4.1.3, respectivement, déterminent les composants de vitesse ( u ) et de vitesse verticale ( v ) comme suit: Où, α est l'inclinaison de la sonde par rapport au canal. Réglez les valeurs de distance pour les emplacements de mesure dans une comptabilité de profil pour les différents supports (gel, acrylique et eau) à travers lesquels le faisceau acoustique voyageait 25 . Répétez les étapes de 4.1.1 à 4.1.7 pour tous les emplacements de mesure. <li> Mesurer la vitesse de cisaillement à partir du profil vertical de la composante de vitesse en continu. Déterminer une gamme d'élévations où le profil de la composante de vitesse en continu indique une tendance linéaire dans une parcelle semi-logarithmique (voir la figure 2 ). Estimer la vitesse de cisaillement u s du profil mesuré en ajustant une équation logarithmique comme suit: Où u ( z ) est la vitesse en vitesse calculée en temps réel à une certaine élévation z du lit, κ est la constante Karman égale à 0,4 et z 0 est une longueur de rugosité hydrodynamique. Quantifier l'incertitude dans l'estimation de la vitesse de cisaillement 26 comme suit : Où N est le nombre de valeurs utilisées pour le cUrve fitting et j est un compteur allant de 1 à N. 5. Effectuer une expérience de transport de sédiments Réglez les paramètres de caméra souhaités (résolution, fréquence). En utilisant les supports du fabricant de la caméra, attachez deux caméras d'action sur les parois latérales des couvercles en regard du fond du canal à deux emplacements en continu. Assurez-vous que les zones d'accueil des deux caméras se chevauchent. Réglez la position et l'orientation de la caméra par essai et erreur. Capturez une courte vidéo de chaque caméra, regardez les vidéos et changez la position ou l'orientation d'une caméra si les deux zones de mise au point ne se chevauchent pas ou la vue de la caméra n'est pas bien alignée avec le canal. REMARQUE: Dans le présent travail, la caméra a fonctionné à 30 fps avec une résolution de 1 920 × 1 080 pixels. Établir une condition d'écoulement régulier comme décrit aux étapes 3.1 à 3.3. Alimentez les particules blanches (les mêmes que cellesLe chapeau a été collé et peint en noir aux étapes 2.2 et 2.3) dans le flux à l'entrée du canal. Choisissez une poignée de particules et libérez-les (une particule toutes les quelques secondes), en maintenant une faible concentration de particules blanches sur le lit noir. Continuez à nourrir pendant toute la durée de l'expérience. NOTE: Une faible concentration de particules simplifie 17 le processus de suivi par rapport à des situations avec une concentration plus élevée 18 . En effet, la correspondance entre une particule dans une certaine image avec la même particule dans l'image suivante est basée sur une fenêtre de recherche autour de la position antérieure de la particule 19 , 27 ; Une concentration plus élevée augmente la possibilité de détecter plus d'une particule dans la fenêtre de recherche et, à son tour, entraîne des erreurs de correspondance. Si les voyants de la pièce sont éteints, allumez-les, car il est nécessaire de synchroniser les caméras. Commencez à tirer en déclenchant les camérasAvec les contrôles appropriés. Éteignez les lumières de la pièce après avoir vérifié que les deux caméras ont commencé à filmer. REMARQUE: de cette façon, l'heure à laquelle la lumière a été désactivée sera clairement reconnaissable à partir de l'historique de l'intensité des pixels dans les images, permettant ainsi (avec une précision de moins d'un trait) le décalage horaire entre les deux films acquis être déterminé. La visualisation ne peut évidemment pas être faite dans le noir. Dans le présent travail, l'expérience n'a utilisé que l'éclairage naturel (car une paroi latérale de la pièce est entièrement en verre). Si les conditions d'éclairage changent considérablement pendant l'expérience, la course doit être répétée car l'éclairage affecte l'identification et le suivi des particules décrits ci-dessous. Continuez le tournage pour la durée souhaitée (ici, 15 minutes), puis arrêtez les caméras. REMARQUE: Les résultats représentatifs sont affichés dans la suite pour une durée de 100 s. Répétez les étapes de 5.2 à 5.7 pour toute autre condition hydro-dynamique souhaitée (pourExemple, un débit différent). NOTE: Au cours des expériences décrites ici, certaines particules piégées étaient présentes sur le lit après le tir. Ils doivent être retirés avant qu'une autre configuration ne soit testée, en soulevant le couvercle, en utilisant une brosse pour enlever la particule et en remplaçant le couvercle. 6. Prétraitement des images Corrigez la distorsion de l'image due à la longueur limitée de la lentille en appliquant une transformation radiale aux coordonnées des pixels et en redéfinissant les images. Ajustez par essai un facteur d'étalonnage nécessaire pour appliquer la transformation. REMARQUE: Étant donné que r comme distance d'un pixel au centre de l'image, une distance transformée peut être calculée comme suit: Où k est le facteur d'étalonnage qui doit être ajusté par les essais 28 , sur la base d'une inspection visuelle des côtés inférieurs du canal, qui devrait apparaître comme des lignes droites dans l'imageS. Déterminer une conversion d'image linéaire du pixel à la distance réelle en utilisant des cibles placées à des distances connues et à l'élévation du lit, sur les parois latérales du canal. REMARQUE: cela peut être réalisé par exemple dans un langage de programmation (voir la Table des matières ), en utilisant la commande imread pour ouvrir un fichier image, la commande ginput pour cliquer sur les cibles et obtenir leurs coordonnées en pixels et trouver une proportion entre Les coordonnées de pixels ainsi déterminées et celles réelles. 7. Identification et suivi des particules REMARQUE: Toutes les opérations suivantes doivent être effectuées séparément pour les images collectées par les deux caméras. L'identification et le suivi des particules ont été effectués à l'aide de Streams 29 . Ce logiciel est disponible gratuitement sur demande à son développeur. Streams était déjà employé par les auteurs dans plusieurs expériences pour bed-loaD transport de sédiments dans différentes conditions 3 , 16 , 17 , 18 , 28 , 30 . Importez les images en cliquant sur Image → Créer une séquence d'images . Entrez l'intervalle de temps entre deux images et le facteur d'étalonnage de l'image. Sélectionnez les fichiers d'image à inclure dans la séquence. Cliquez sur OK . REMARQUE: dans le cas présent, l'intervalle de temps était de 1/30 s (correspondant à la fréquence d'images mentionnée à l'étape 5.1) et le facteur d'étalonnage de l'image était de 0,5 mm / pixel. Identifier les particules Produire des cartes d'intensité pour certaines images sélectionnées au hasard afin de trouver la valeur d'intensité typique (sur une échelle de 0 à 255) pour les pixels correspondant aux particules blanches. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur la séquence d'images qui a été créée et sélectionnez OpEn vue d'image. Tenir Shift , dessinez n'importe quel rectangle sur l'image. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur le rectangle et sélectionnez ShowIntensityMatrix . Choisissez une valeur de seuil appropriée. NOTE: Dans le cas présent, le seuil a été fixé à 80. Limiter les images en fonction d'une valeur d'intensité et d'une taille attendue de points blancs dans les images binaires. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur la séquence d'images qui a été créée et sélectionnez Ouvrir la vue de processus . Cliquez sur Nouveau , sélectionnez Filtrer le pipeline d'images et cliquez sur OK . Donnez à la procédure un nom, fournissez le nom de la séquence et cliquez sur OK . Double-cliquez sur le pipeline du filtre , cliquez sur Nouveau , sélectionnez Supprimer l'arrière – plan et cliquez sur OK . Dans la fenêtre Process , cliquez sur Nouveau , sélectionnez Identifier les particules et cliquez sur OK . Sélectionnez un seuil unique et cliquez sur OK . Dans l' Algorithme </eM> page, saisissez l'intensité de seuil et limitez les diamètres de points, puis cliquez sur OK . Sélectionnez les processus créés, cliquez sur Ajouter à pipeline , puis sur Exécuter . REMARQUE: La taille de la tache était ici de 0,5 à 8 mm. La taille des taches se rapporte à la taille des particules mais dépend aussi des conditions d'éclairage. En fait, la tache correspond à la lumière réfléchie par une particule plutôt qu'à la particule elle-même. Suivre les particules Cliquez avec le bouton droit de la souris sur l' enregistrement de particules créée et sélectionnez Ouvrir la vue d'image . Faites défiler les images en cliquant sur les boutons fléchés vers l'avant et vers l'arrière. Observez les déplacements de particules typiques entre les images consécutives en déplaçant le curseur sur les points affichés et en lisant les coordonnées. Déterminer une fenêtre de recherche appropriée en conséquence. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur l' enregistrement de particules créée et sélectionnez Ouvrir la vue de processus </em>. Cliquez sur Nouveau , sélectionnez le pipeline d'analyse PTV et cliquez sur OK . Donnez un nom au processus et cliquez sur OK . Double-cliquez sur le pipeline d'analyse PTV , cliquez sur Nouveau . Dans la page Coûts , sélectionnez Distance . Dans la page Optimisation , saisissez la position transversale et transversale et la dimension de la fenêtre de recherche, puis cliquez sur OK . Sélectionnez le processus créé, cliquez sur Ajouter au pipeline , puis sur Exécuter . REMARQUE: une piste de particules doit idéalement atteindre la fin de la zone de mise au point ou le temps expérimental final. De même, il doit commencer au début de la zone de mise au point ou à l'heure initiale. Cependant, les pistes mesurées peuvent être interrompues de façon inattendue, généralement parce qu'une particule n'est pas détectée dans certaines images en raison d'une faible intensité ou moins souvent, en raison de la correspondance de particules manquées entre deux images successives. Si la piste se termine sans atteindre les limites de la tiFenêtre d'observation de l'espace, les candidats à la reconnexion peuvent être recherchés; Sélectionnez ceux situés à proximité et peu de temps après la fin de la dernière image avant l'interruption. De cette façon, une seule piste pour une particule peut être reconstruite comme détaillé à l'étape 7.3.6. Si des interruptions sont présentes dans les pistes mesurées, réparez-les par reconnexion de la voie à l'aide d'une fenêtre de recherche consacrée à cette fin. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur l' enregistrement de particules créée et sélectionnez Ouvrir la vue de processus . Cliquez sur Nouveau , sélectionnez Créer un chemin de chemin Lagrangian et cliquez sur OK . Cliquez de nouveau sur OK . Ajoutez le processus au pipeline et cliquez sur Exécuter . Cliquez avec le bouton droit de la souris sur l' enregistrement de particules créée (la seconde) et sélectionnez Ouvrir la vue de processus . Cliquez sur Nouveau , sélectionnez Rejoindre les chemins Lagrangiens et cliquez sur OK . Dans la page Paramètres , entrez les détails de la fenêtre de recherche et cLécher sur OK . Ajoutez le processus au pipeline et cliquez sur Exécuter . Cliquez avec le bouton droit de la souris sur l' enregistrement de particules créée (la seconde) et sélectionnez Enregistrer les chemins vers le fichier texte . Chemin d'entrée et nom de fichier, puis cliquez sur OK . 8. Rejoindre des trajectoires à partir de différentes caméras REMARQUE: Il s'agit d'une opération nécessaire pour profiter de l'utilisation de plusieurs caméras pour agrandir la taille de la zone de mesure. Les étapes sont effectuées par un code MatLab ( join_cameras.m ) avec une interface utilisateur graphique développée par les auteurs (voir Fichiers de code supplémentaire ). Parcourez les dossiers de l'ordinateur et trouvez les fichiers de piste pour les deux caméras et cliquez sur Rechercher les propriétés de la piste . Régler la référence ( x , y ) des deux caméras en appliquant une traduction de coordonnées aux données de la caméra en aval. DéterminerLes constantes à utiliser pour la traduction le long des deux directions à partir des cibles qui sont visibles dans les images des deux caméras. Entrez les valeurs requises et cliquez sur Créer un système de référence uniforme . REMARQUE: Jusqu'à ce point, une référence indépendante est utilisée pour les caméras avec (0,0) dans le coin inférieur gauche des images, x -axis vers la droite et y -axis vers le haut. La traduction des coordonnées utilisées dans ce travail était de 760,15 et -1,5 pixel dans le sens de la circulation et de la direction transversale, respectivement. Déterminez la zone de chevauchement entre les deux données et saisissez ses limites dans les zones de texte appropriées. REMARQUE: la longueur de chevauchement dans ce travail était de 760,15 à 880,11 pixels dans la direction du flux et a couvert l'ensemble de la largeur du canal. Supprimez des échantillons toutes les trajectoires qui sont plus courtes que la longueur de la zone de chevauchement, afin de limiter l'analyse à des situations simples (voir la figure 1 ). DansMettez une longueur de seuil dans la zone de texte associée et cliquez sur Supprimer plus court ou égal à (mm) . Rejoindre les pistes Fusionnez les bases de données des pistes de particules des deux caméras en cliquant sur les tables de fusion . Saisissez les valeurs requises pour la tolérance de chevauchement (ici, 10 mm) dans les directions transversales et transversales et cliquez sur JOIN . REMARQUE: après avoir cliqué sur JOIN , effectuez les opérations suivantes. Faites défiler les pistes jusqu'à trouver une piste se terminant dans la zone de chevauchement. Recherchez les candidats pour rejoindre, entre les pistes commençant et sortant de la zone de chevauchement. Si un candidat est trouvé, comparez les heures pour lesquelles les deux pistes sont dans la zone de chevauchement. Si ces périodes s'accordent entre elles, calculer les différences entre les coordonnées des particules dans les deux pistes à tous les points possibles. Prenez la racine carrée de la différence quadratique moyenne des valeurs x et y pour la valeur du potentiel deLes deux pistes de particules sont égales. Si cet indicateur est inférieur à une valeur de seuil, rejoignez les pistes. Construire une nouvelle piste correspondant, dans la partie superposée, à la moyenne des deux précédents. Répétez toutes ces opérations jusqu'à ce que de nouveaux joints ne soient possibles. La valeur de seuil utilisée dans ce travail était de 10 mm dans les deux sens. Nommez le fichier de résultat et enregistrez les pistes jointes en cliquant sur Enregistrer les pistes jointes . Figure 1. Situations pour l'intégration de pistes. Les pistes de la caméra en amont sont en rouge et de l'appareil en aval sont en vert (représentation unidimensionnelle pour des raisons de simplicité). Les lignes pointillées verticales lient la longueur nominale du chevauchement. En raison de l'interruption éventuelle des pistes, la variété des résultats est supérieure à celle attendue directementAcks (correspondant aux quatre premiers cas esquissés) avec une piste de la première caméra atteignant la région qui se chevauche et une piste de la deuxième caméra qui la laisse. Un nombre total de 13 situations théoriquement possibles est présentée. Pour simplifier l'analyse, les pistes plus courtes que la longueur des régions superposées sont exclues des données préliminaires. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. 9. Analyse de la cinématique du transport des sédiments À partir de l'ensemble de données obtenues qui contient la piste de chaque particule transportée, exprimée en fonction de la position ( x , y ) prise à tout moment, effectuez une variété d'analyses statistiques pour une représentation de la cinématique de particules de charge de lit 3 , 4 , 5 , 8 </suP> , 16 , 17 , 18 .

Representative Results

Les résultats présentés dans cette section sont destinés à une expérience où la pente du flume a été mise à zéro (les valeurs de pente ont été calculées avec une précision de ± 0,05%). Le sédiment utilisé était constitué de particules de PBT quasi sphériques, d'une taille d = 3 mm et d'une densité ρ p = 1,270 kg / m 3 . L'expérience a été effectuée avec un débit Q = 9.7 × 10 -3 m 3 / s résultant en une vitesse de masse U = 0,31 m / s. Pour les mesures de vitesse avec l'UVP, une sonde de 2 MHz a été utilisée à une inclinaison de 81 °. Les données de vitesse ont été acquises à 20 Hz pendant 250 s. Un profil de vitesse représentatif est représenté sur la figure 2 . Il a été pris à l'axe du canal et à 4,5 m de l'entrée du canal, où le débit a été entièrement développé. Certaines valeurs liées aux mesures d'élévation invalides ont été supprimées. AsymétrieLe profil c a résulté de la rugosité différente du couvercle en plastique et du lit de sédiments. Les parcelles montrent également la partie du profil utilisé pour l'estimation de la vitesse de cisaillement, obtenant s = 25,9 ± 1,3 mm / s. Le nombre de particules Reynolds ( Re p = u s × d / ν , avec ν comme viscosité cinématique de l'eau) était donc égal à 78, ce qui indique un régime de transition brut. La visualisation du transport des sédiments a été effectuée avec deux caméras placées à 3,5 m et à 4,3 m de l'entrée du canal. Les caméras fonctionnent à une fréquence de 30 images par seconde et avec une résolution de 1 920 x 1 080 pixels. Le facteur de correction de la distorsion de l'image était k = 0,6. Après élimination de la distorsion, l'étalonnage de l'image était de 1 pixel = 0,5 mm. La longueur de chevauchement était de 760,15 à 880,11 mm (où cette dernière était la longueur de la zone de foyer du sapinSt camera depuis son bord amont). L'intensité de seuil pour l'identification des particules a été fixée à 80 et la taille de blobée attendue variait de 0,5 à 8 mm. La fenêtre de recherche pour le suivi des particules était la suivante: 1 mm en amont et 7 mm en aval, 4 mm latéralement. La fenêtre de recherche pour la reconnexion des pistes interrompues était la suivante: 1 mm en amont et 31 mm en aval, 16 mm latéralement le long de 4 cadres suivants. La valeur de seuil de la racine carrée de la différence quadratique moyenne des valeurs x et y entre deux pistes à joindre a été fixée à 10 mm. Les pistes de particules mesurées en utilisant un sous-ensemble de 3 000 images de chaque caméra (correspondant à une durée de 100 s) sont représentées sur la figure 3 . La base de données comprenait respectivement 37 et 34 pistes depuis la caméra en amont et en aval. Un chevauchement des pistes obtenues par les deux caméras est d'abord proposé, puis l'ensemble complet résultant de tLes racks sont affichés. Il est évident que le chevauchement dans la partie centrale de la zone de mesure était satisfaisant. 12 liens ont été obtenus à la fin de 59 pistes. La piste la plus longue a parcouru toute la fenêtre d'observation avec une longueur totale d'environ 1,6 m (plus de 530 granulométries, 15,2 profondeurs de débit ou 5,3 largeurs de canal), ce qui est très important par rapport à d'autres études de la littérature où des analyses similaires ont été effectuées 3 , 4 , 5 , 8 . En adoptant un cadre lagrangien, les indicateurs clés de la cinématique des particules sont ici appliqués en termes de propriétés du houblon des particules. Sous un transport intermittent de charge de lit comme celui de cette expérience, ces sauts sont séparés par des périodes de repos. Pour détecter le houblon dans une piste complète pour une seule particule, l'identification du mouvement des particules et de l'immobilité estUne étape préliminaire nécessaire. Dans ce travail, nous avons appliqué un critère 30 qui considère une particule en mouvement à un certain instant si sa position x à cet instant est plus grande que toutes les précédentes et inférieure à toutes les suivantes. Un total de 98 sauts a été obtenu à partir des 59 pistes de particules mesurées. La figure 4 représente la distribution de fréquence cumulée (CFD) obtenue pour la longueur et la durée du saut. Figure 2: profil de vitesse mesuré. (Top) Le profil vertical en moyenne temporelle du composant de vitesse en continu. (Bas) L'estimation de la vitesse de cisaillement en ajustant une équation logarithmique à la partie inférieure du profil. Notez qu'un axe vertical partant du haut du canal et orienté vers le bas est utilisé dans la première parcelle, represe Le résultat de la mesure avec l'UVP. Un axe du fond du canal et dirigé vers le haut est utilisé à la place dans le second graphique, selon les besoins pour estimer la vitesse de cisaillement par l'équation. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 3: Vue en plan des pistes de particules mesurées. (Haut) Les pistes des deux caméras (caméra en amont en rouge et en aval en noir). (En bas) L'échantillon de pistes jointes (changement de couleur pour la clarté et certaines pistes soulignées par une ligne plus épaisse). Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. 4 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg "/> Figure 4: Répartition cumulative des fréquences (CFD) de la longueur des Hop (Top) et de la Durée (Bottom). Dans chaque piste de la figure 3 , la particule a été marquée à chaque instant instantané pour représenter si la particule était en mouvement ou en repos à cet instant. Les houblons de particules ont ensuite été extraits des pistes en tant que parties entre l'entrainement des particules (passage de l'immobilité au mouvement) et désentrainement (passage du mouvement à l'immobilité). Les échantillons obtenus pour les longueurs de houblon et les durées ont été utilisés pour créer les distributions présentées ici. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Fichiers de code supplémentaire: join_cameras.m S'il vous plaîtCliquez ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

La conception d'une expérience de transport de la charge de lit avec la visualisation des particules implique plusieurs étapes, y compris le choix d'une configuration expérimentale et des outils matériels, la mesure du débit, l'ensemencement et la visualisation des particules et l'analyse d'image. Les variations à chaque étape présentent des avantages et des inconvénients. Les caractéristiques clés du protocole présenté dans ce manuscrit sont: (i) l'utilisation d'un écoulement sous pression et d'un lit rugueux fixe, (ii) l'ensemencement d'un faible nombre de particules de charge de lit ayant une couleur contrastante avec la couleur du lit fixe, (iii) En utilisant de la lumière naturelle et, (iv) en utilisant plusieurs caméras pour obtenir des ensembles de pistes indépendants à joindre les uns aux autres.

La méthode expérimentale et le traitement des données permettent de surveiller de manière fiable les particules de charge du lit pour la mesure finale. Le flux couvert garantit une vision optimale des particules en mouvement. Le lit fixe, cependant, empêche l'observation de certains processus ( par exemple , ceux liés à la vertica L des déplacements de particules de sédiments dans la couche active de charge de lit), et limite ainsi l'applicabilité de la technique aux faibles charges de lits.

La taille des échantillons de données obtenus en utilisant seulement 100 s de film était relativement faible. Cependant, la taille de l'échantillon peut facilement être augmentée en allongeant la durée expérimentale de l'acquisition et du traitement de l'image. L'alimentation d'un nombre limité de particules nécessite un temps expérimental plus long que l'alimentation à un taux sensiblement plus élevé; Mais il vaut bien l'effort en raison d'un suivi de particule relativement direct en raison de la faible concentration de particules en mouvement et de l'utilisation de différentes couleurs, ce qui réduit la probabilité de rattraper les erreurs. L'utilisation de la lumière naturelle dans l'expérience évite le besoin d'appareils d'éclairage; Cependant, un inconvénient est que le bon éclairage dépend des conditions météorologiques.

Les CFD de la longueur et de la durée des sauts de particules représentés dansG "> La figure 4 montre les valeurs les plus faibles comme les plus fréquentes. Les valeurs mesurées les plus importantes de la longueur et de la durée du saut étaient d'environ 600 mm et 7 s, ce qui était significativement plus important par rapport aux valeurs analogues de la littérature ⁴ ^, ¹⁶ ^, ³⁰ , Étant donné que la mesure de longues pistes couvre le risque de longs sauts de particules. Le bénéfice de l'utilisation de deux caméras est évident étant donné qu'une caméra unique avait une longueur de zone de focalisation d'environ 850 mm, ce qui ne serait pas beaucoup plus grand que les valeurs de longueur de saut à mesurer. Le protocole de mesure utilisant deux caméras à la place, a permis une séparation satisfaisante entre les échelles de longueur du processus et celles du champ de mesure, réduisant ainsi le risque de polarisation des résultats phénoménologiques en raison de limites expérimentales. De plus, la zone de mise au point peut en outre être allongée par Augmentant le nombre de caméras placées le long du canal.

Une procédure alternative par rapport au protocole décrit ici est de créer des images superposées avant l'identification et le suivi des particules. Notre protocole (d'effectuer le suivi deux fois et de lier des pistes de particules) a été préféré car la méthode de fusion d'image aurait doublé la taille des fichiers de données, ce qui nécessitait une consommation de mémoire pas abordable.

Avec les algorithmes de traitement décrits ici, plusieurs pistes de particules qui étaient plus courtes que la longueur de la zone de chevauchement ont été rejetées car elles ont empêché une reconstruction complète des pistes de sédiments. Cependant, la longueur de seuil de 120 mm était d'un ordre de grandeur plus courte que les longueurs de piste qui pourraient être obtenues, et la perte de ces données était donc acceptable. En outre, la liaison de piste observée dans les 8 cas inférieurs de la Figure 1 n'autoriserait pas une augmentation significative de la longueur de piste à obtenir. D'autre part, ces situations pourraient aiderDans la récupération de longues pistes, comme la situation de la figure 5 qui pourrait être due à des interruptions de suivi. Dans un cas similaire, une longue piste pourrait être reconstruite par des opérations d'assemblage itératives. Il est néanmoins important de garder à l'esprit que les interruptions de piste comme celles de la figure 5 sont clairement liées au processus de suivi plutôt qu'au processus de jointure.

Ce manuscrit a présenté des résultats de preuve de concept pour une seule expérience afin de démontrer les capacités du protocole adopté. Dans les expériences futures, le protocole sera appliqué à une série de conditions hydro-dynamiques différentes pour réaliser une analyse détaillée du processus de transport des sédiments de lit-charge.

Figure 5: Situation de l'intégration de la piste en présence d'interruptions. </Strong> La jointure de ces pistes dans une seule piste n'est pas possible avec le protocole décrit ici. Comme mentionné dans la légende de la figure 1 et à l'étape 8.4 du protocole, les pistes plus courtes que la longueur de la région de chevauchement sont exclues. Ceci élimine les courtes pistes rouges et vertes; Par conséquent, les autres restants ne peuvent pas être joints parce qu'ils n'ont aucun point commun. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par l'Agence exécutive de recherche, par le biais du 7ème programme-cadre de l'Union européenne, du soutien à la formation et au perfectionnement professionnel des chercheurs (Marie Curie – FP7-PEOPLE-2012-ITN), qui a financé le réseau de formation initiale (ITN) HYTECH «Transport hydrodynamique dans des interfaces hétérogènes écologiquement critiques» (numéro 316546). Il a également été soutenu par le Polo Territoriale di Lecco du Politecnico di Milano. Les expériences ont été effectuées lors d'une visite de SS au Politecnico di Milano en tant que scientifique invité. Les auteurs remercient Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (étudiants du B.Sc. au Politecnico di Milano) et Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (membre du projet HYTECH et doctorant au Politecnico di Milano) pour soutenir le L'activité expérimentale et l'analyse des données. Les auteurs remercient gracieusement le Professeur Roger Nokes (Université de Canterbury, Christchurch, Nouvelle-Zélande) pour avoir fourni le STreams software and constant advice. Enfin, les auteurs remercient le rédacteur en chef de JoVE et trois examinateurs anonymes pour leurs commentaires et leurs suggestions, grâce auxquels le manuscrit pourrait être considérablement amélioré.

Materials

Laser distance sensor	METRICA	PREXISOX2	Used to measure the flume slope
Two-component polyester resin	Gelson	MS 65213	Used to glue sediment particles onto steel plates
Water-resistant spray paint	Any		Used to paint the fixed bed
Ultrasonic Velocity Profiler	Signal Processing	DOP 2000	Used to measure the water velocity profiles
Camera	Go-Pro	Hero 4 Black	Used to acquire movies of bed-load particle motion
Streams	University of Canterbury	2.01	Used for particle identification and tracking
MatLab	MathWorks	R14	Used to develop ad hoc codes for a variety of operations
Plexiglas			Transparent acrylic material

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Cite This Article

Radice, A., Sarkar, S., Ballio, F. Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments. J. Vis. Exp. (125), e55874, doi:10.3791/55874 (2017).

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