Method Article
ويرد تقنية الكمي لأداء ثلاثي الأبعاد (3D) التصوير لمجموعة من التدفقات السوائل. باستخدام مفاهيم من منطقة حقل التصوير الخفيفة، ونحن إعادة بناء كميات من صفائف 3D من الصور. نتائجنا 3D تمتد مجموعة واسعة بما في ذلك الحقول السرعة ومتعددة المراحل توزيعات حجم الفقاعة.
في مجال ميكانيكا الموائع، وحل مخططات الحسابية فاق الطرق التجريبية واتسعت الفجوة بين الظواهر التي لوحظت في توقع التدفقات والسوائل. وهكذا، فإن هنالك حاجة لطريقة الوصول إليها قادرة على حل ثلاثي الأبعاد مجموعات البيانات (3D) لطائفة من المشاكل. نقدم تقنية جديدة لأداء 3D التصوير الكمي لأنواع عديدة من مجالات التدفق. تقنية 3D تمكن التحقيق من المجالات المعقدة وسرعة التدفقات شمبانيا. قياسات من هذه الأنواع تقديم مجموعة متنوعة من التحديات في الصك. على سبيل المثال، لا يمكن كثيفة بصريا متعدد المراحل التدفقات شمبانيا يمكن تصوير بسهولة من قبل التقليدية، غير الغازية تقنيات قياس التدفق بسبب فقاعات تسد الوصول إلى المناطق البصرية الداخلية من حجم الفوائد. باستخدام التصوير الخفيفة الميدانية ونحن قادرون على reparameterize الصور التي تلتقطها مجموعة من الكاميرات لإعادة بناء الخريطة 3D الحجمي لكل حالة من الحالات الوقت، على الرغم منانسداد جزئي في وحدة التخزين. هذه التقنية يجعل من استخدام خوارزمية الاصطناعية المعروفة باسم إعادة تركيز (SA) فتحة، حيث يتم إنشاء كومة 3D التنسيق من خلال الجمع بين الصور من الكاميرات التقاط عدة بعد 1. ضوء التصوير الميداني يسمح للقبض على الزاوي وكذلك المعلومات المكانية عن أشعة الضوء، وتمكن بالتالي إعادة الإعمار 3D المشهد. ويمكن بعد ذلك أن المعلومات الكمية المستخرجة من اعادة البناء 3D باستخدام مجموعة متنوعة من خوارزميات المعالجة. على وجه الخصوص، وقد وضعنا طرق القياس يعتمد على التصوير الميدانية الخفيفة لأداء 3D velocimetry الصورة الجسيمات (PIV)، واستخراج فقاعات في حقل 3D وتتبع حدود لهب الخفقان. نقدم أساسيات المنهجية الميدانية التصوير الخفيفة في سياق الإعداد لدينا لأداء 3DPIV من تدفق الهواء يمر عبر مجموعة من الطيات الصوتية الاصطناعية، وتظهر نتائج ممثلة من تطبيق هذه التقنية لطائرة فقاعة الجر تغرق.
1. 3D التصوير الميدانية الخفيفة الإعداد
2. حجم الإضاءة الإعداد
3. الكاميرا صفيف المعايرة
4. توقيت، مما اثار وجمع البيانات
5. إعادة توجيه فتحة الاصطناعية
6. حجم مشاركة تجهيز
وmaketform: يبني طائرة إلى طائرة والتحول imtransform: الخرائط وresamples صورة استنادا إلى التحولات من maketform.
الخام عالية الجودة تحتوي على جزيئات PIV الصور بشكل موحد وزعت الظهور مع التباين العالي على خلفية سوداء (الشكل 4A). للتعويض عن الإضاءة غير موحدة عبر الصورة، يمكن إجراء صورة ما قبل المعالجة لإزالة المناطق مشرق، وضبط التباين وتطبيع المدرج الاحصائي كثافة في جميع الصور وجميع الكاميرات من (الشكل 4B). تركيز على SA عند المصنف التجربة إلى الكثافة المناسبة ويتم تنفيذ المعايرة الدقيقة والصور سوف تكشف في الجزيئات التركيز على كل طائرة عمق (الشكل 5). وإذا كان حجم قياس انتهى المصنف، فإن SNR في الصور تركيز تكون منخفضة مما يجعل من الصعب إعادة بناء الجزيئات. تركيز SA يمكن thresholded الصور مع الاحتفاظ SNR جيدة في التركيز على جزيئات كل طائرة العمق. ويبين الشكل 6 صورتين من الخطوات thresholded زمنيتين في Z = -10،6 مم عمق الطائرة. وفو thresholdedثم يتم تحليل لوم في أحجام الاستجواب التي تحتوي على عدد كاف من جسيمات لأداء PIV 3. تطبيق خوارزمية 3DPIV إلى وحدة التخزين تحليل ينتج حقل سرعة السائل هو موضح في الشكل (7)؛ في هذه الحالة، هو أن مجال تدفق الناجم عن نموذج أضعاف الصوتية. سرعة تدفق خارج الميدان الطائرة صغيرة جدا، وبالتالي يمكن رؤية عدد قليل جدا من ناقلات خارج هذه المنطقة. في 0 مللي ثانية = ر مغلق حظيرة صخبا وسرعة القليل جدا في مجال موجودا. أكبر طائرة في السرعة في التحركات ر = 1 ميللي ثانية في اتجاه y الإيجابية ويقلل من كثافة في تي 2 ميللي ثانية إلى 4 =. يتم تكرار إغلاق أضعاف في 5 مللي ثانية = ر الحد من سرعة الطائرة ودورة. هذه الصور ليست لديهم نفس الكتاب نعومة كثيرة سابقة 9 الذين تقديم ما يصل إلى 100 الصور ومتوسط سرعة عرض كل حقل يمثل لقطة واحدة في الوقت المناسب. كنقطة مرجعية، وقد أظهرت عمليات المحاكاة السابقة أخطاء محدد على حسابد السرعات لتكون في حدود 5-10٪ على كل عنصر السرعة، والذي يتضمن الخطأ من الخوارزمية نفسها PIV 1؛ لأننا نستخدم خوارزمية (11 MatPIV تكييفها ل3D)، ومن المعروف أن هذا الخطأ كبير نسبة إلى رموز أخرى.
التدفقات شمبانيا مجال آخر من الاهتمام العلمي التي يمكن أن تستفيد من قدرات 3D للتصوير الميداني الخفيفة. ويمكن تطبيق هذه التقنية على غرار SA حقول تدفق شمبانيا، حيث يتم استبدال الإضاءة الخلفية مع ضوء الليزر الأبيض المنتشر، والذي ينتج صورا مثل تلك التي تظهر في الشكل 8A حيث تظهر فقاعات حواف داكنة على خلفية بيضاء. بعد معايرة الذاتي، يمكن تطبيق البديل المضاعف من الخوارزمية SA لانتاج كومة التنسيق مع فقاعات وتركيز حاد على متن الطائرة عمق الموافق عمق فقاعة واضحة من طريقة العرض على الطائرات الأخرى، كما هو مبين في الشكل 8B-D 7. العتبة ليست بسيطةوتستخدم وسيلة كافية لاستخراج فقاعات، بدلا من ذلك سلسلة من خوارزميات متقدمة ميزة استخراج النحو المفصل في 7.
الشكل 1. صورة من الكاميرات والطيات الصوتية مع تسميات وتنسيق النظام.
الشكل 2. شبكة المعايرة في مم Z 0 = كما يرى من جميع الكاميرات 8.
الشكل 3. Topview من الإعداد الكاميرا من كاميرا متعددة النفس خرج المعايرة. وتقع الكاميرات 1-8 مع الأرقام والدوائر، مع عرض على directio العاموأشارت ن بواسطة خط. وسائل الأحمر بالقرب من نقطة الأصل هو في الواقع + 400 من الشبكة المعايرة في كل عمق Z المرسومة في 3D النسبية للكاميرات.
الشكل 4. الصور الخام من حقل الجسيمات ينظر اليها من الكاميرا رقم 6 ر 1 في ور 2 (أ و ب). نفس الصور بعد المعالجة المسبقة (C & D).
الشكل 5 من اليسار إلى اليمين: تركيز الخام في أعماق الصور SAPIV (أ) Z = -5.9 مم، مم -10.6 (ب) و (ج) ملم -15.3.
الشكل 6. Thresholded الصور في وقت الخطوات (أ) ر 1 و (ب) ر 2 في مم = -10،6 Z.
الشكل 7. ثلاثي الأبعاد مجال ناقلات للطائرة التي أنشأتها الطيات الصوتية الاصطناعية للحصول على خطوات الوقت 6. الجانب الأيسر يوضح وجهة نظر متساوي القياس من مجال السرعة 3D كامل. يتم إجراء تخفيضات من س ص والطائرات YZ من خلال مركز حظيرة صخبا كما هو مشار إليه أعلاه كل عمود.
الشكل 8 من اليسار إلى اليمين: الصورة الخام من حقل تدفق شمبانيا من مجموعة الكاميرا والصور في أعماق تركيز (ب) Z = -10 مم، (ج) 0 مم و (د) مم 10.دائرة الضوء على الفقاعة التي تقع على Z = -10 مم عمق الطائرة، ويختفي عن الأنظار على الطائرات الأخرى. ويمكن الاطلاع على تفاصيل تجارب فقاعة في 4.
عدة خطوات حاسمة لحسن تنفيذ تجربة حقلية التصوير الخفيفة. وينبغي اختيار عدسة الكاميرا والتنسيب التي يتم اختيارها بعناية لتحقيق أقصى قدر من القرار داخل حجم القياس. المعايرة وربما كان أهم خطوة، وخوارزميات إعادة تركيز SA ستفشل لإنتاج صور وتركيز حاد دون معايرة دقيقة. لحسن الحظ، كاميرا متعددة الذاتي معايرة يسهل المعايرة دقيقة مع مستوى منخفض نسبيا من الجهد. إضاءة موحدة في جميع الصور التي تحقق التباين بين الكائنات جيدة من الاهتمام والخلفية الضروري أيضا، على الرغم من أن نطبع معالجة الصور الصور إلى حد ما.
توقيت مهم أيضا عند تنفيذ SA على وحدات التخزين التي الأجسام المتحركة. إذا لم يتم تشغيل الكاميرا لالتقاط كل صورة في نفس الوقت، فإن الصورة ستكون إعادة الإعمار الواضح غير دقيقة. لتجارب في هذه الورقة تستخدم أننا توقيت تسلسل قhown في الشكل 7.
عرض التطبيقات الميدانية الخفيفة التصوير 3D إشراك هنا المكاني قرار المفاضلة. على سبيل المثال، يمكن إعادة بناء 3D SAPIV حجم الجسيمات من الصور الجسيمات الكثيفة بصريا، ولكن يتم توزيع الجسيمات في جميع أنحاء حجم (كبير يحتمل). لPIV 2D، وتوزع الجزيئات على ورقة رقيقة، وبالتالي الصور مع كثافة الجسيمات نفس تتوافق مع كثافة أكبر من ذلك بكثير في حجم القياس. ومع ذلك، فإن طريقة SAPIV 3D يسمح لكثافة البذر أكبر من ذلك بكثير أن الأساليب الأخرى 3D PIV 1. وهناك اعتبار آخر هو الحد من شدة يحتمل كبيرة نسبيا الحسابية المرتبطة بالضوء أساليب التصوير الميداني؛ التعقيد الحسابي هو الحال بالنسبة للصورة القائمة على أساليب إعادة الإعمار 3D مثل تصوير الشعاعي الطبقي-PIV 10.
لهذه التجربة المستخدمة لدينا 8 Photron SA3 كاميرات مزودة ب 105 عدسات سيغما ماكرو ملم وعلى Quantronتاسعا المزدوج داروين الثانية: YLF الليزر (532 نانومتر، 200 ميغا جول). وsynched الكاميرات والليزر معا عن طريق الفيزياء النووية بيركلي مولد BNC 575 تأخير / نبض الرقمية. كان المصنف تدفق السوائل مع الهيليوم Expancel شغل الزجاج المجهرية. كان المجهرية قطرها ميكرون متوسط من 70 مع كثافة من 0.15 جم / سم مكعب. نحن نقدم الإصدارات مفتوحة المصدر من الرموز المستخدمة هنا عن المجتمع الأكاديمي من خلال موقعنا على الانترنت http://www.3dsaimaging.com/ ونحن نشجع المستخدمين أن يقدم لنا ردود الفعل والمشاركة في تحسين وتوفير رموز مفيدة للمجتمع ضوء مجال الكمية.
ليس لدينا شيء في الكشف عنها.
نود أن نشكر NSF منحة CMMI # 1126862 لتمويل المعدات وتطوير خوارزميات ذي الفتحة الاصطناعية في BYU، في منزل مختبر مستقل للبحوث (ايلير) صناديق (مراقبتها من قبل الدكتور توني Ruffa) لتمويل المعدات والتنمية في NUWC نيوبورت، والمعاهد الوطنية للصحة / NIDCD منحة R01DC009616 لSLT التمويل، وDJD JRN والبيانات المتعلقة التجارب حظيرة صخبا وجامعة كلية الدراسات العليا في الاحتفالات التكنولوجيات المتقدمة البصرية (SAOT) للحصول على دعم جزئي من SLT. وأخيرا، فإن روكي ماونتن ناسا الفضائية لاتحاد المنح JRN التمويل.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved