Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Alessio Radice; Sankar Sarkar; Francesco Ballio

doi:10.3791/55874

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Environment

Tracciamento delle particelle lagrangiche basate sull'immagine in esperimenti di Bed-load

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

Il manoscritto presenta un protocollo per la conduzione di esperimenti di trasporto dei sedimenti a letto, in cui le particelle in movimento vengono monitorate dall'analisi delle immagini. Qui vengono presentati l'impianto sperimentale, le procedure per la realizzazione e l'elaborazione dei dati e, infine, alcuni risultati dimostrativi di concetto.

Abstract

L'analisi delle immagini è stata sempre più utilizzata per la misurazione dei flussi fluviali grazie alle sue capacità di fornire dettagliate rappresentazioni quantitative ad un costo relativamente basso. Questo manoscritto descrive un'applicazione di velocimetry di tracciamento delle particelle (PTV) ad un esperimento di letto-carico con sedimento leggero. Le caratteristiche chiave delle condizioni di trasporto del sedimento studiato erano la presenza di un flusso coperto e di un letto ruvido fisso al di sopra delle quali le particelle sono state rilasciate in numero limitato all'entrata del flume. Sotto le condizioni di flusso applicate, il movimento delle singole particelle a carico del letto è stato intermittente, con condizioni alternate di movimento e di silenzio. Il modello di flusso è stato preliminarmente caratterizzato da misure acustiche dei profili verticali della velocità del flusso. Durante la visualizzazione del processo, è stato ottenuto un ampio campo visivo utilizzando due telecamere ad azione poste in diverse posizioni lungo il flume. Il protocollo sperimentale è descritto in termini di chanNella calibrazione, nella realizzazione di esperimenti, nella pre-elaborazione dell'immagine, nel monitoraggio automatico delle particelle e nella successiva elaborazione dei dati delle tracce delle particelle dalle due telecamere. I risultati presentati della prova-concetto comprendono le distribuzioni di probabilità della lunghezza e della durata del particle hop. I risultati di questo lavoro sono confrontati con quelli della letteratura esistente per dimostrare la validità del protocollo.

Introduction

Dal momento che i lavori pionieristici sono apparsi alcuni decenni fa ¹ ^, ² , l'uso dell'analisi delle immagini per lo studio del trasporto del sedimento fluviale è in costante aumento. Questa tecnica ha infatti dimostrato la sua capacità di fornire dati relativamente ad alta risoluzione ea basso costo per analisi dettagliate dei fenomeni fisici ³ ^, ⁴ ^, ⁵ . Con il tempo sono stati ottenuti miglioramenti significativi sia per gli strumenti hardware che per quelli software.

La misurazione del trasporto dei sedimenti può essere effettuata utilizzando un approccio Eulero che misura la misurazione dei flussi di sedimento o di un Lagrangiano che mira a misurare traiettorie di singoli granuli mentre si muovono. L'elaborazione delle immagini offre possibilità uniche per il monitoraggio delle particelle rispetto ad altri metodi Euleri ⁶ ^, ⁷ . Tuttavia, desQueste potenzialità, l'applicazione dell'analisi delle immagini al trasporto del sedimento del carico a poppa soffre di alcune limitazioni sperimentali critiche, in termini di scale di supporto spaziale / temporale per la misura e la dimensione dei campioni di dati. Ad esempio, è difficile ottenere simultaneamente una combinazione appropriata di un'ampia area spaziale, una lunga durata di un esperimento e un'alta frequenza di misurazione ³ ^, ⁴ ^, ⁸ , senza compromettere la qualità e la quantità di dati. Inoltre, il monitoraggio delle particelle può essere eseguito manualmente ² ^, ⁴ , che richiede un grande sforzo umano, o automaticamente ³ ^, ⁸ , con la possibilità di monitorare gli errori fatti dal software utilizzato per l'analisi.

Il presente documento presenta un protocollo per l'indagine sperimentale del sedimentazione a lettoAnsport, dove è stata ottenuta una lunga durata con il tipo di telecamera utilizzata, è stato garantito un ampio campo visivo grazie all'uso contemporaneo di due telecamere in diverse posizioni e un'affidabile elaborazione automatica è stata resa possibile da condizioni sperimentali ad hoc . L'operazione sperimentale è stata progettata e gli strumenti di elaborazione sono stati selezionati in base all'esperienza acquisita dagli autori in varie ricerche riguardanti l'indagine dettagliata sul trasporto dei sedimenti mediante metodi di immagine ³ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ^, ¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸ .

Viene descritto un esperimento di trasporto del sedimento, che è stato eseguito rilasciando particlSu un letto fisso e ruvido. L'alimentazione delle particelle era molto inferiore alla capacità di trasporto del flusso per mantenere una bassa concentrazione di grani in movimento, evitando così la congestione delle particelle da rintracciare. Inoltre, le particelle trasportate non si muovevano continuamente, ma si osservava un movimento intermittente. L'uso di un letto fisso, piuttosto che di quello mobile, rappresenta una perdita di somiglianza con le condizioni naturali. Tuttavia, un letto fisso è stato spesso utilizzato negli esperimenti di trasporto del sedimento ¹⁹ ^, ²⁰ ^, ²¹ ^, con l'ipotesi che i risultati siano più semplici e spiegabili di quelli da scenari complicati con una varietà di processi attivi. L'uso di un letto fisso ovviamente evita di essere osservati i processi di sepoltura e riapparizione dei sedimenti. D'altra parte, in presenza di un carico di letto debole, il trasporto del sedimento avviene in uno strato superficiale di un letto sciolto, e in questo caso,L'uso di un letto fisso può essere adeguato. Infatti, confronti specifici tra le proprietà del movimento delle particelle in esperimenti eseguite con le due condizioni non presentavano differenze significative ³ ^, ¹⁴ . Infine, l'esperimento presentato qui è stato eseguito con un flusso pressurizzato per garantire una condizione ottimale per la visualizzazione delle particelle attraverso una copertura trasparente. Il trasporto dei sedimenti con un flusso pressurizzato è stato sperimentalmente studiato nei corsi di ricerca prototipo di ghiaccio, dimostrando che l'interazione tra lo strato di frontiera vicino al letto e il sedimento è analogo a quello del flusso aperto del canale ²² ^, ²³ . Nelle sezioni seguenti vengono illustrati tutti i metodi e vengono forniti alcuni risultati rappresentativi.

Protocol

Nota: L'esperimento di trasporto del sedimento è stato effettuato in un flusso presso il laboratorio di idraulica di montagna situato nel campus di Lecco del Politecnico di Milano. Il flume è completamente costruito in materiale acrilico trasparente ed è di 5,2 x 0,3 x 0,45 m 3 . Il canale è supportato da due travi in acciaio e può essere azionato a diversi pendii a causa di una cerniera e una vite a vite. Una serie di coperchi consentono al flume di agire come condotto chiuso, che era la configurazione di flusso coperto e il canale impiegato in questo lavoro. 1. Misurazione e impostazione della pendenza del flume Sigillare l'uscita del flusso e riempire con acqua ancora. NOTA: il metodo di sigillatura dipenderà dalle funzioni del canale. Nel caso qui presentato, la sezione terminale del canale è dotata di una flangia di accoppiamento, pertanto la sigillatura è stata ottenuta mediante bullonatura di una spina di plastica alla flangia con una rondella di gomma fra di loro. Azionare la presa a vite tO impostare un pendio del canale arbitrario. Attendere almeno 30 minuti per consentire all'acqua di ottenere la calma. Per verificare la caduta dell'oscillazione e il raggiungimento di una condizione di acqua, mettere un indicatore di punti sulle pareti del flume e misurare ripetutamente l'elevazione della superficie libera. Posizionare il misuratore di punti sui muri del canale in più posizioni e prendere le letture dell'elevazione della superficie libera. NOTA: le letture si differenziano l'una dall'altra mentre il flume è inclinato mentre la superficie dell'acqua è orizzontale. Calcola un valore di pendenza basato sull'interpolazione lineare delle letture dal puntatore. Prendere una misura con un sensore di distanza laser che è collegato ad una delle travi che sostengono il canale e punti verso il pavimento. NOTA: Qui il sensore laser è collegato permanentemente al canale, quindi non è necessario eseguire operazioni nel protocollo per la sua configurazione. Ripetere i passi da 1,2 a 1,6 per una varietà di condizioni di pendenza. Fit aL'equazione lineare ai punti sperimentali in un piano cartesiano con la misura del laser sull'asse orizzontale e la misura del pendio del canale sull'asse verticale. Determinare una funzione di trasferimento dalla misurazione del laser alla pendenza del canale (e viceversa). 2. Impostazione della configurazione di lavoro Preparare una serie di piastre in acciaio (spessore 2 mm) con una dimensione totale uguale a quella del fondo del canale. NOTA: Qui sono state utilizzate quattro lastre di dimensioni di 1,3 x 0,3 m 2 . Creare un letto grezzo fisso incollando le particelle di sedimento sulle piastre. A tal fine, verniciare le piastre con una resina poliestere a due componenti, quindi spalmare uno strato di sedimenti (1-1,5 cm) sopra di loro. NOTA: Le particelle di sedimento utilizzate qui sono i grani Polybutylene Terephthalate (PBT), fabbricati in colore bianco e con una dimensione di 3 mm. Con la procedura sopra riportata, lo spessore del sedimento incollato sulla piastra è simile alla dimensione delle particelle. WAlmeno 24 ore per permettere alla resina di asciugare, quindi rimuovere il sedimento in eccesso inclinando le piastre e lasciare scivolare il sedimento. Vernici la superficie del sedimento in nero con una vernice a spruzzo resistente all'acqua. Attendere almeno 10 h per permettere la vernice asciutta. Posizionare le piastre rivestite in sedimento (vedere punti 2.1-2.3) nel flusso e su supporti in PVC (Polyvinyl Chloride) per creare il fondo di una sezione di lavoro. Prestare attenzione al posizionamento di piastre consecutive per assicurare la continuità del letto. NOTA: L'utilizzo dei supporti in PVC è facoltativo. Nel caso presente, la sezione trasversale del fiume (0,3 m di larghezza e 0,45 m di altezza, corrispondente ad un rapporto di larghezza / profondità inferiore a 1) è stato originariamente progettato per eseguire esperimenti di trasporto dei sedimenti con uno strato di sedimento sciolto. L'esperimento presentato in questo manoscritto era invece eseguito con un letto fisso, portando a valori insoliti e troppo bassi del rapporto larghezza-profondità. I supporti PVC sono stati quindi utilizzati per ottenere un grandeR per questo rapporto. Posizionare una serie di coperchi acrilici trasparenti (che coprono l'intera lunghezza del canale) sulle pareti del canale per creare una sezione di lavoro coperta. NOTA: Nel flume descritto qui, i coperchi sono scatole interne con un'altezza di 20 cm, semplicemente posizionandosi sulle pareti del flume. Pertanto, durante l'esperimento, l'acqua è presente sul lato del coperchio, ma non altera in modo significativo il flusso all'interno del flume. La sezione di lavoro utilizzata nell'esperimento di seguito riportata è pari a 0,3 mx 0,105 m 2 . 3. Definizione delle condizioni di flusso costante Accendere la pompa, riempire il canale con acqua e utilizzare la valvola di regolazione per impostare una portata. NOTA: In questo lavoro, la portata è stata misurata con un flussometro elettromagnetico posto lungo il condotto di mandata. Usare un regolatore dell'acqua di coda per impostare l'elevazione della testa di pressione leggermente sopra i coperchi del canale, assicurando che vi sia un flusso coperto ma evitareUna forza di galleggiamento significativa sui coperchi. NOTA: Nel canale presentato qui, la regolazione dell'acqua di coda viene raggiunta da una serie di bastoni situati alla fine del fiume. Misurare ripetutamente la portata e la testa di pressione per controllare la stabilità delle condizioni di flusso. 4. Caratterizzazione della distribuzione del flusso Misurare il profilo verticale della componente di velocità a velocità variabile in una varietà di posizioni. Posizionare la sonda di un profilatore ad ultrasuoni (UVP) sopra il coperchio del flume utilizzando un apposito porta-sonda. Posizionare la sonda ad una inclinazione selezionata con la coda verso l'entrata del canale. Applicare un appropriato gel di accoppiamento ad ultrasuoni nello spazio tra la punta della sonda e il coperchio per evitare il passaggio dell'onda ultrasonica attraverso l'aria. Collegare la sonda al modulo di acquisizione. NOTA: Nel caso di specie, la sonda è stata fatta di PVC e costituita da una base inclinataGuida allegata. Questo supporto è stato costruito dopo che è stato scelto un angolo della sonda. Esempi di diversi profili di velocità istantanea. NOTA: con lo strumento utilizzato in questo esperimento, questo passaggio ha richiesto l'impostazione manuale della frequenza del raggio emesso ultrasonore, una frequenza di ripetizione impulso, una risoluzione e il numero desiderato di profili istantanei. I profili sono stati continuamente acquisiti e salvati quando il numero desiderato è stato raggiunto. Ripetere i passaggi 4.1.1 e 4.1.2, tranne che posizionare la sonda con la coda verso la presa di canale. Valutare la necessità di un segnale di deformazione 24 da un'ispezione visiva delle evoluzioni di tempo acquisite della velocità del flusso. Eseguire la de-spiking durante l'elaborazione dati, se necessario. Calcolare il valore della velocità media per ogni posizione di misurazione (gate) del UVP per ottenere i profili mediamente misurati dal tempo della componente di velocità della sonda dalle due misure (con la coda della sonda verso laIngresso e uscita del canale). Utilizzare una composizione trigonometrica delle due velocità sonde misurate ad ogni altezza per ottenere i componenti di velocità e verticale della velocità. Con v up e v in basso, come le velocità misurate in base ai passi misurati nei passaggi 4.1.2 e 4.1.3, determinano rispettivamente i componenti del flusso ( u ) e della velocità verticale ( v ) come: Dove, α è l'inclinazione della sonda rispetto al canale. Regolare i valori di distanza per le posizioni di misura in un profilo che rappresenta i diversi supporti (gel, acrilico e acqua) attraverso i quali il raggio acustico è in movimento 25 . Ripetere i passi da 4.1.1 a 4.1.7 per tutte le posizioni di misurazione. <li> Misurare la velocità di taglio dal profilo verticale del componente di velocitÃ a flusso. Determinare un intervallo di elevazioni in cui il profilo del componente di velocità del flusso denota un trend lineare in una trama semi-logaritmica (si veda la Figura 2 ). Stima la velocità di taglio u s dal profilo misurato inserendo un'equazione logaritmica come segue: Dove u ( z ) è la velocità del flusso temporale mediata dal tempo ad una certa elevazione z dal letto, κ è la costante di Karman pari a 0.4 e z 0 è una lunghezza di rugosità idrodinamica. Quantificare l'incertezza nella stima della velocità di taglio 26 come: Dove N è il numero di valori usati per la cIl montaggio a urna e j è un contatore che va da 1 a N. 5. Eseguire un esperimento di trasporto dei sedimenti Impostare i parametri della fotocamera desiderati (risoluzione, frequenza). Utilizzando supporti del produttore della fotocamera, collegare due telecamere di azione alle pareti laterali dei coperchi rivolti verso il fondo del canale in due posizioni in streaming. Assicurarsi che le aree di messa a fuoco delle due telecamere si sovrappongano. Regolare la posizione e l'orientamento della fotocamera per prova ed errore. Catturi un breve video da ciascuna fotocamera, guarda i video e cambia la posizione o l'orientamento di una fotocamera se le due aree di messa a fuoco non si sovrappongono o la vista della fotocamera non è ben allineata con il flume. NOTA: Nel presente lavoro, la fotocamera è stata utilizzata a 30 fps con una risoluzione di 1.920 × 1.080 pixel. Stabilire una condizione di flusso costante come descritto nei punti da 3.1 a 3.3. Alimentare le particelle bianche (uguali a quelle tIl cappello è stato incollato e verniciato nero nei punti 2.2 e 2.3) nel flusso all'entrata del flume. Scegliere una manciata di particelle e rilasciarle (una particella ogni pochi secondi) mantenendo una bassa concentrazione di particelle bianche sul letto nero. Tenere l'alimentazione per tutta la durata dell'esperimento. NOTA: Una bassa concentrazione di particelle semplifica il processo di inseguimento 17 rispetto alle situazioni con una concentrazione superiore 18. Infatti, la corrispondenza tra una particella in una certa immagine con la stessa particella nell'immagine successiva si basa su una finestra di ricerca intorno alla posizione precedente della particella 19 , 27 ; Una maggiore concentrazione aumenta la possibilità di rilevare più di una particella nella finestra di ricerca e, a sua volta, porta a non corrispondere. Se le spie della stanza sono spente, accenderle, in quanto è necessario sincronizzare le telecamere. Avvia la ripresa attivando le telecamereCon i comandi appropriati. Spegnere le luci della stanza dopo aver assicurato che entrambe le telecamere hanno iniziato a girare. NOTA: in questo modo l'ora in cui la luce è stata disattivata sarà chiaramente riconoscibile dalla storia dell'intensità dei pixel nelle immagini, consentendo così (con precisione meno di una fotogramma) il passaggio temporale tra i due film acquisiti essere determinati. Naturalmente la visualizzazione non può essere fatta al buio. Nel presente lavoro, l'esperimento utilizzato solo l'illuminazione naturale (come una parete laterale della stanza è completamente in vetro). Se le condizioni di illuminazione cambiano significativamente durante l'esperimento, l'esecuzione deve essere ripetuta perché l'illuminazione influenza l'identificazione e il tracciamento delle particelle descritte di seguito. Continuare a girare per la durata desiderata (qui, 15 minuti), quindi fermare le telecamere. NOTA: i risultati rappresentativi sono mostrati nel seguito per una durata di 100 s. Ripetere i passi da 5.2 a 5.7 per qualsiasi altra condizione idro-dinamica desiderata (perAd esempio, una portata diversa). NOTA: Durante gli esperimenti descritti qui, alcune particelle intrappolate sono state presenti sul letto dopo la ripresa. Dovrebbero essere rimossi prima di provare un'altra configurazione, sollevando il coperchio, utilizzando una spazzola per rimuovere la particella e sostituire il coperchio. 6. Preprocessing delle immagini Correggere la distorsione dell'immagine a causa della lunghezza dell'obiettivo limitato applicando una trasformazione radiale alle coordinate dei pixel e rimandando le immagini. Regolare per prova un fattore di calibrazione necessario per applicare la trasformazione. NOTA: dato r come distanza da qualsiasi pixel al centro immagine, una distanza trasformata può essere calcolata come: Dove k è il fattore di calibrazione che deve essere regolato da prove 28 , basato su un'ispezione visiva dei lati inferiori del flume, che dovrebbero apparire come linee dritte nell'immagineS. Determinare una conversione dell'immagine lineare da pixel a distanza reale utilizzando i bersagli disposti a distanze note e all'elevazione del letto, sulle pareti laterali del fiume. NOTA: questo può essere eseguito ad esempio in un linguaggio di programmazione (vedere la tabella dei materiali ), utilizzando il comando imread per aprire un file di immagine, il comando ginput per fare clic sui bersagli e ottenere le coordinate in pixel e trovare una proporzione tra Le coordinate pixel determinate e quelle reali. 7. Identificazione e monitoraggio delle particelle NOTA: Tutte le seguenti operazioni devono essere eseguite per le immagini raccolte da entrambe le telecamere, separatamente. L'identificazione e il monitoraggio delle particelle sono state eseguite usando Streams 29 . Questo software è liberamente disponibile su un'inchiesta al suo sviluppatore. I flussi erano già impiegati dagli autori in diversi esperimenti per il letto-loaD il trasporto del sedimento in condizioni diverse 3 , 16 , 17 , 18 , 28 , 30 . Importare i fotogrammi facendo clic su Immagine → Crea sequenza di immagini . Inserisci il passo di tempo tra due fotogrammi e il fattore di calibrazione dell'immagine. Selezionare i file di immagine da includere nella sequenza. Fare clic su OK . NOTA: Nel caso presente, l'intervallo di tempo era di 1/30 s (corrispondente alla frequenza di fotogramma menzionata al passaggio 5.1) e il fattore di calibrazione dell'immagine era di 0,5 mm / pixel. Identificare le particelle Produce mappe di intensità per alcune immagini selezionate in modo casuale per trovare il valore tipico di intensità (su una scala da 0 a 255) per i pixel corrispondenti a particelle bianche. Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla sequenza Immagine creata e selezionare OpIt vista immagine. Tenendo Shift , disegnare qualsiasi rettangolo sull'immagine. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul rettangolo e selezionare ShowIntensityMatrix . Scegliere un valore di soglia adatto. NOTA: nel caso presente, la soglia era impostata a 80. Soglia le immagini basate su un valore di intensità e una dimensione prevista di punti bianchi nelle immagini binarie. Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla sequenza di immagine creata e selezionare Apri visualizzazione processo . Fai clic su Nuovo , seleziona Filtra filtro immagini e fai clic su OK . Dare al processo un nome, fornire il nome della sequenza e cliccare su OK . Fare doppio clic sulla pipeline filtro , fare clic su Nuovo , selezionare Rimuovi sfondo e fare clic su OK . Nella finestra Processo , fare clic su Nuovo , selezionare Identifica particelle e fare clic su OK . Selezionare Soglia singola e fare clic su OK . Nell'algoritmo </eM>, immettere l'intensità di soglia e limitare i diametri del punto, quindi fare clic su OK . Selezionare i processi creati, fare clic su Aggiungi a pipeline e quindi su Esegui . NOTA: la dimensione dello spot è stata da 0,5 a 8 mm. La dimensione dello spot si riferisce alla dimensione delle particelle ma dipende anche dalle condizioni di illuminazione. Infatti, il punto corrisponde alla luce riflessa da una particella piuttosto che dalla particella stessa. Carica le particelle Fare clic con il pulsante destro del mouse sul record Particle creato e selezionare Apri visualizzazione immagine . Scorri i fotogrammi facendo clic sui pulsanti freccia avanti e indietro. Osservate i movimenti tipici delle particelle tra immagini consecutive spostando il cursore sui punti visualizzati e sulle coordinate di lettura. Determinare di conseguenza una finestra di ricerca appropriata. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul record Particle creato e selezionare Apri processo </em>. Fai clic su Nuovo , seleziona pipeline di analisi PTV e fai clic su OK . Dare al processo un nome e fare clic su OK . Fare doppio clic sulla pipeline di analisi PTV , fare clic su Nuovo . Nella pagina Costs , selezionare Distanza . Nella pagina Ottimizzazione , immettere la posizione flessibile e trasversale e la dimensione della finestra di ricerca e fare clic su OK . Selezionare il processo creato, fare clic su Aggiungi a pipeline e quindi su Esegui . NOTA: Una traccia di particelle deve raggiungere idealmente la fine dell'area di messa a fuoco o il tempo sperimentale finale. Allo stesso modo, deve iniziare all'inizio dell'area di messa a fuoco o all'ora iniziale. Tuttavia, le tracce misurate possono essere interrotte inaspettatamente, in genere perché una particella non viene rilevata in alcuni fotogrammi a causa di una bassa intensità o meno spesso, a causa della corrispondenza delle particelle mancanti tra due fotogrammi successivi. Se la traccia finisce senza raggiungere i confini del tiMe-space window, i candidati per la riconnessione possono essere ricercati; Selezionare quelli in una posizione vicina e subito dopo la fine dell'ultimo fotogramma prima dell'interruzione. In questo modo, una singola traccia per una particella può essere ricostruita come descritto in passaggio 7.3.6. Se sono presenti interruzioni nelle tracce misurate, correggerle dalla riconnessione tracce utilizzando una finestra di ricerca dedicata a tale scopo. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul record Particle creato e selezionare Apri processo . Fare clic su Nuovo , selezionare Crea percorso Lagrangiano e fare clic su OK . Fare nuovamente clic su OK . Aggiungere il processo alla pipeline e fare clic su Esegui . Fare clic con il pulsante destro del mouse sul record Particle creato (il secondo) e selezionare Apri visualizzazione processo . Fai clic su Nuovo , seleziona Inserisci percorsi Lagrangian e fai clic su OK . Nella pagina Parametri , immettere i dettagli della finestra di ricerca e cLeccare su OK . Aggiungere il processo alla pipeline e fare clic su Esegui . Fare clic con il pulsante destro del mouse sul record Particle creato (il secondo) e selezionare Salva percorsi nel file di testo . Percorso di immissione e nome file, quindi fare clic su OK . 8. Collegamento traiettorie da diverse telecamere NOTA: Si tratta di un'operazione necessaria per sfruttare l'utilizzo di più telecamere per ingrandire la dimensione dell'area di misura. I passaggi vengono eseguiti da un codice MatLab ( join_cameras.m ) con l'interfaccia utente grafica sviluppata dagli autori (vedere Supplemento Code Files ). Esplorare le cartelle di computer e trovare file di traccia per entrambe le telecamere e fare clic su Trova proprietà della traccia . Rendere uniforme il riferimento ( x , y ) delle due telecamere applicando una traduzione delle coordinate ai dati della fotocamera a valle. DeterminareLe costanti da utilizzare per la traduzione lungo le due direzioni dagli obiettivi visibili nelle immagini da entrambe le telecamere. Inserisci i valori richiesti e fai clic su Rendi uniforme del sistema di riferimento . NOTA: fino a questo punto, un riferimento indipendente viene utilizzato per le telecamere con (0,0) nell'angolo inferiore sinistro delle immagini, x -axis verso destra e y -axis verso l'alto. La traduzione delle coordinate utilizzate in questo lavoro è stata rispettivamente di 760,15 e -1,5 pixel in direzione stream-wise e trasversale. Determinare l'area di sovrapposizione tra i due dati e immettere i propri limiti nelle caselle di testo appropriate. NOTA: La lunghezza della sovrapposizione in questo lavoro è stata da 760,15 a 880,11 pixel in direzione diretta e copriva l'intera larghezza del canale. Rimuovere dai campioni tutte le traiettorie che sono più corte della lunghezza dell'area sovrapposta, al fine di limitare l'analisi a situazioni semplici (vedere la figura 1 ). InMettere una lunghezza della soglia nella relativa casella di testo e fare clic su Rimuovi più corta o uguale a (mm) . Unire tracce Unire i database delle tracce di particelle dalle due telecamere facendo clic sulle tabelle di unione . Immettere i valori richiesti per la tolleranza della sovrapposizione (qui 10 mm) nelle direzioni flusso e trasversale e fare clic su JOIN . NOTA: Dopo aver fatto clic su JOIN , eseguire le seguenti operazioni. Scorri i brani fino a trovare una traccia che finisce nell'area di sovrapposizione. Cerca i candidati per l'adesione, tra le tracce che iniziano e che esce dall'area sovrapposta. Se si trova un candidato, confrontare i tempi per i quali le due tracce si trovano nell'ambito della sovrapposizione. Se questi periodi di tempo sono d'accordo tra di loro, calcolare le differenze tra le coordinate delle particelle nelle due tracce in tutti i punti possibili. Prendi la radice quadrata della differenza quadrata media dei valori x e y per il valore del potenzialeLe due tracce di particelle per essere uguali. Se questo indicatore è inferiore a un valore di soglia, associare i brani. Costruire una nuova traccia corrispondente, nella parte sovrapposta, alla media delle due precedenti. Ripetere tutte queste operazioni finché non sono possibili nuovi giunti. Il valore di soglia utilizzato in questo lavoro era di 10 mm in entrambe le direzioni. Denominare il file di risultato e salvare le tracce unite facendo clic su Salva le tracce unite . Figura 1. Situazioni per l'adattamento della traccia. Le tracce della telecamera a monte sono in rosso e dalla fotocamera a valle sono in verde (rappresentazione unidimensionale per semplicità). Le linee verticali tratteggiate hanno associato la lunghezza nominale della sovrapposizione. A causa di possibili interruzioni di tracce, la varietà dei risultati è maggiore di quella prevista per il semplice tr(Corrispondenti ai primi quattro casi scolpiti) con una traccia dalla prima telecamera a raggiungere la regione sovrapposta e una traccia dalla seconda telecamera lasciandola. Viene presentato un totale di 13 situazioni teoricamente possibili. Per semplificare l'analisi, i tracciati più brevi della lunghezza delle regioni sovrapposti sono esclusi dai dati preliminari. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 9. Analisi della cinematica di trasporto dei sedimenti Partendo dal set di dati ottenuto che contiene la traccia di ciascuna particella trasportata, espressa in termini di posizione ( x , y ) presa in qualsiasi momento, eseguire una serie di analisi statistiche per una rappresentazione delle cinematiche delle particelle a carico del letto 3 , 4 , 5 , 8 </suP> , 16 , 17 , 18 .

Representative Results

I risultati presentati in questa sezione sono per un esperimento in cui il pendio del flume è stato impostato su zero (i valori della pendenza sono stati calcolati con un'accuratezza ± 0,05%). Il sedimento utilizzato è stato fatto di particelle PBT quasi sfere, con dimensione d = 3 mm e densità ρ p = 1.270 kg / m 3 . L'esperimento è stato eseguito con una portata Q = 9,7 × 10 -3 m 3 / s con conseguente velocità di massa U = 0,31 m / s. Per le misurazioni della velocità con il UVP, è stata utilizzata una sonda da 2 MHz ad inclinazione di 81 °. I dati di velocità sono stati acquisiti a 20 Hz per 250 s. Un profilo di velocità rappresentativo è rappresentato in Figura 2 . È stato preso all'asse del canale e a 4,5 m dall'ingresso del flume, dove il flusso è stato completamente sviluppato. Alcuni valori correlati alle misurazioni delle altezze non valide sono state rimosse. Un asimmetroC è risultato dalla diversa rugosità del coperchio in plastica e del sedimento. Le trame mostrano anche la parte del profilo utilizzato per la stima della velocità di taglio ottenendo u s = 25,9 ± 1,3 mm / s. Il numero di Reynolds delle particelle ( Re p = u s × d / v , con ν come la viscosità cinematica dell'acqua) è dunque pari a 78, indicando un regime transitorio. La visualizzazione del trasporto dei sedimenti è stata effettuata con due telecamere collocate a 3,5 e 4,3 m dall'ingresso del flume. Le telecamere funzionavano ad una frequenza di 30 fps e con una risoluzione di 1.920 x 1.080 pixel. Il fattore di correzione della distorsione dell'immagine era k = 0.6. Dopo la rimozione della distorsione, la calibrazione dell'immagine era di 1 pixel = 0,5 mm. La lunghezza della sovrapposizione era da 760,15 a 880,11 mm (dove quest'ultima era la lunghezza dell'area di messa a fuoco dell'abeteCamera dal suo bordo a monte). L'intensità di soglia per l'identificazione delle particelle è stata impostata su 80 e la dimensione del blob attesa variava da 0,5 a 8 mm. La finestra di ricerca per il monitoraggio delle particelle è la seguente: 1 mm a monte e 7 mm a valle, 4 mm lateralmente. La finestra di ricerca per la riconnessione di tracce interrotte è la seguente: 1 mm a monte e 31 mm a valle, 16 mm lateralmente lungo 4 fotogrammi successivi. Il valore di soglia della radice quadrata della differenza quadrata media dei valori x e y tra due tracce da unire è stato impostato su 10 mm. Le figure delle particelle misurate utilizzando un sottoinsieme di 3.000 immagini da ciascuna fotocamera (corrispondenti a 100 s durata) sono rappresentate in Figura 3 . Il database comprendeva rispettivamente 37 e 34 tracce dalla camera a monte ea valle. Viene proposta una sovrapposizione delle tracce ottenute dalle due telecamere e quindi il set completo di t ottenutoVengono visualizzati i rack. È evidente che la sovrapposizione nella parte centrale dell'area di misura è soddisfacente. 12 collegamenti sono stati ottenuti alla fine di 59 tracce. La traccia più lunga ha spianato l'intera finestra di osservazione con una lunghezza totale di circa 1,6 m (più di 530 dimensioni delle particelle, 15,2 profondità di flusso o 5,3 flussi di larghezza), molto grande rispetto ad altri studi di letteratura dove sono state effettuate analisi analoghe 3 , 4 , 5 , 8 . Prendendo un quadro di Lagrangian, gli indicatori chiave della cinematica delle particelle vengono qui applicati in termini di proprietà di luppolo di particelle. Sotto un trasporto intermittente a letto come quello in questo esperimento, questi luppoli sono movimenti separati da periodi di riposo. Per individuare il luppolo all'interno di una traccia completa per una singola particella, l'identificazione del movimento delle particelle e la quiete èUn passo preliminare necessario. In questo lavoro abbiamo applicato un criterio 30 che considera una particella in movimento ad un certo istante se la sua posizione x in quell'istante è più grande di tutte le precedenti e inferiore a tutte quelle successive. Un totale di 98 luppoli è stato ottenuto dalle 59 tracce di particelle misurate. La Figura 4 rappresenta la distribuzione di frequenza cumulativa (CFD) ottenuta per la lunghezza e la durata del salto. Figura 2: Profilo di Velocità misurata. (In alto) Il profilo verticale medio del tempo della componente di velocità del flusso. (In basso) La stima della velocità di taglio apportando un'equazione logaritmica alla parte inferiore del profilo. Si noti che un primo asse verticale partendo dalla parte superiore del canale e orientato verso il basso viene utilizzato nella prima trama, represe Nting il risultato dalla misurazione con il UVP. Un asse dal fondo del canale e diretto verso l'alto viene invece utilizzato nella seconda trama, come necessario per stimare la velocità di taglio mediante l'equazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: Vista di pianta delle tracce di particelle misurate. (Top) I brani delle due telecamere (fotocamera a monte in rosso e verso il basso in nero). (In basso) Il campione delle tracce unite (cambio colore per chiarezza e alcune tracce evidenziate da una linea più spessa). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 4 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg "/> Figura 4: Distribuzione di frequenza cumulativa (CFD) della lunghezza (in alto) e della durata (in basso). All'interno di ciascuna traccia di figura 3 , la particella è stata etichettata ad ogni istante istante per rappresentare se la particella era in movimento o in riposo in quell'istante. I luppoli delle particelle sono stati quindi estratti dalle tracce come porzioni tra entrainment delle particelle (passaggio dalla quiete al movimento) e disinnesaggio (passaggio da movimento a silenzio). I campioni ottenuti per lunghezze e durate di salto sono stati utilizzati per creare le distribuzioni qui raffigurate. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Supplemental Code Files: join_cameras.m Per favoreFai clic qui per scaricare questo file.

Discussion

La progettazione di un esperimento di trasporto a letto a carico con la visualizzazione delle particelle comprende diversi passaggi, tra cui la scelta di una configurazione sperimentale e di strumenti hardware, misurazione del flusso, seminazione e visualizzazione delle particelle e analisi delle immagini. Le variazioni ad ogni passo hanno vantaggi e svantaggi. Le caratteristiche chiave del protocollo presentate in questo manoscritto sono: (i) impiegando un flusso pressurizzato e un letto grezzo fisso, (ii) seminando un basso numero di particelle di carico che presentano un colore contrastante rispetto al colore del letto fisso, (iii) Utilizzando la luce naturale e, (iv) l'utilizzo di più telecamere per ottenere i set di piste indipendenti da unire tra di loro.

Il metodo sperimentale e l'elaborazione dei dati consentono di monitorare in modo affidabile le particelle di carico del letto per la misura finale. Il flusso coperto garantisce una visione ottimale delle particelle in movimento. Il letto fisso tuttavia impedisce l'osservazione di alcuni processi ( ad esempio , quelli legati alla vertica L spostamenti di particelle di sedimento all'interno dello strato attivo di carico-letto) e quindi limita l'applicabilità della tecnica a bassi carichi di letto.

La dimensione dei campioni di dati ottenuti utilizzando solo 100 s di film era relativamente piccola. Tuttavia, la dimensione del campione può essere facilmente aumentata prolungando la durata sperimentale dell'acquisizione e dell'elaborazione delle immagini. L'alimentazione di un numero limitato di particelle richiede un tempo sperimentale più lungo dell'alimentazione ad una velocità sostanzialmente maggiore; Ma vale la pena lo sforzo a causa di un monitoraggio delle particelle relativamente semplice grazie alla piccola concentrazione di particelle in movimento e all'uso di diversi colori, entrambi riducono la probabilità di monitorare gli errori. L'uso della luce naturale nell'esperimento evita la necessità di dispositivi di illuminazione; Tuttavia, un inconveniente è che buona illuminazione dipende dalle condizioni meteorologiche.

I CFD della lunghezza e della durata del particle hop raffigurati inG "> La figura 4 mostra i valori più bassi come quelli più frequenti, i valori massimi di lunghezza e durata del cavallo sono stati rispettivamente di circa 600 mm e di 7 s, significativamente più grandi rispetto ai valori analoghi della letteratura ⁴ ^, ¹⁶ ^, ³⁰ , Poiché la misura di lunghezze più lunghe corre il rischio di lunghi salti di particelle.Il vantaggio di utilizzare due telecamere è evidente, considerando che una singola fotocamera ha una lunghezza della messa a fuoco di circa 850 mm, che non sarebbe molto più grande dei valori di lunghezza del salto da misurare. Il protocollo di misurazione che utilizza due telecamere invece ha assicurato una soddisfacente separazione tra le scale di lunghezza del processo e quelle del campo di misura, riducendo così il rischio di biasimare i risultati fenomenologici a causa di limitazioni sperimentali. Inoltre, l'area di messa a fuoco può essere ulteriormente allungata Aumentando il numero di telecamere poste sul fiume.

Una procedura alternativa rispetto al protocollo descritto qui è quello di creare immagini sovrapposte prima dell'identificazione e del tracciamento delle particelle. Il nostro protocollo (per eseguire il tracciamento due volte e collegare le tracce di particelle) è stato preferito in quanto il metodo di fusione di immagini avrebbe raddoppiato la dimensione dei file di dati, richiedendo un consumo di memoria non accessibile.

Con gli algoritmi di elaborazione descritti qui, sono state scartate diverse tracce di particelle che erano più corte della lunghezza dell'area sovrapposta perché impedivano una completa ricostruzione delle tracce del sedimento. Tuttavia, la lunghezza della soglia di 120 mm era un ordine di grandezza inferiore alle lunghezze delle tracce che potrebbero essere ottenute e pertanto la perdita di questi dati è stata accettabile. Inoltre, il collegamento tra la pista visto nei 8 casi inferiori di figura 1 non consentirebbe di ottenere un significativo aumento della lunghezza della pista. D'altra parte, queste situazioni potrebbero aiutareNel recupero di tracce lunghe, come la situazione in Figura 5 che potrebbe essere dovuta a interruzioni di traccia. In un caso simile, una lunga traccia potrebbe essere ricostruita mediante operazioni di unione iterativa. È comunque importante ricordare che le interruzioni delle tracce come quelle della Figura 5 sono chiaramente correlate al processo di monitoraggio piuttosto che al processo di adesione.

Questo manoscritto ha presentato risultati concorrenti per un singolo esperimento per dimostrare le capacità del protocollo adottato. Negli esperimenti futuri, il protocollo sarà applicato ad una serie di diverse condizioni idro-dinamiche per ottenere un'analisi dettagliata del processo di trasporto del sedimento del letto.

Figura 5: Una situazione di collegamento tra la presenza di interruzioni. </Strong> L'adesione di queste tracce in una singola traccia non è possibile con il protocollo descritto qui. Come indicato nella didascalia di figura 1 e nel punto 8.4 del protocollo, le tracce più corte della lunghezza della regione sovrapposta sono escluse. Questo elimina le tracce corte rosse e verdi; Pertanto, i rimanenti lunghi non possono essere uniti perché non hanno alcun punto comune. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto dall'Agenzia esecutiva di ricerca, attraverso il Settimo programma quadro dell'Unione europea, il sostegno alla formazione e allo sviluppo della carriera dei ricercatori (Marie Curie – FP7-PEOPLE-2012-ITN) che ha finanziato la rete di formazione iniziale (ITN) HYTECH "Trasporto idrodinamico in interfacce eterogenee ecologicamente critiche" (numero 316546). È stato anche sostenuto dal Polo Territoriale di Lecco del Politecnico di Milano. Gli esperimenti sono stati effettuati durante una visita da SS al Politecnico di Milano come scienziato visitatore. Gli autori ringraziano Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (studenti di B.Sc. al Politecnico di Milano) e Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (collega del progetto HYTECH e dottorando al Politecnico di Milano) per sostenere Attività sperimentale e l'analisi dei dati. Gli autori ringraziano con gratitudine il prof. Roger Nokes (Università di Canterbury, Christchurch, Nuova Zelanda) per laSoftware e consulenza costante. Infine, gli autori ringraziano l'editore di JoVE e tre revisori anonimi per i loro commenti e suggerimenti provocatori di pensiero, grazie al quale il manoscritto potrebbe essere migliorato significativamente.

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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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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