Name: image-based lagrangian particle tracking in bed-load experiments
Uploaded: 2017-07-20T15:00:00
Duration: 10 min 32 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments at JoVE.com

이 연구는 초기 훈련 네트워크 (ITN)에 자금을 지원 한 유럽 연합 (EU)의 7 차 기본 계획, 연구원의 훈련 및 경력 개발 지원 (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN) HYTECH &quot;생태 학적으로 중요한 이질적 인터페이스에서의 유체 역학적 운반&quot;(번호 316546). 또한 Politecnico di Milano의 Polo Territoriale di Lecco가 지원했습니다. 실험은 SS가 방문 과학자로서 Politecnico di Milano를 방문하는 동안 수행되었습니다. 저자는 Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (폴리시 디코 밀라노의 학생) 및 Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (HYTECH 프로젝트의 동료이자 Politecnico di Milano의 박사 과정 학생)에게 감사드립니다. 실험 활동 및 데이터 분석. 저자는 S를 제공 한 Roger Nokes 교수 (University of Canterbury, 뉴질랜드 크라이스트 처치)에게 감사드립니다.treams 소프트웨어 및 지속적인 조언. 마지막으로, 저자는 조브 (JoVE) 편집자와 익명의 3 명의 평론가들에게 그들의 생각을 자극하는 의견과 제안에 감사를 표한다. 덕분에 원고가 크게 개선 될 수 있었다.

<ol>
	<li>Francis, J. R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+the+motion+of+solitary+grains+along+the+bed+of+a+water-stream.">Experiments on the motion of solitary grains along the bed of a water-stream.</a> Proc Royal Soc London, A. 332, 443-471 (1973).</li><li>Drake, T. G., Shreve, R. L., Dietrich, W. E., Whiting, P. J., Leopold, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bedload+transport+of+fine+gravel+observed+by+motion-picture+photography.">Bedload transport of fine gravel observed by motion-picture photography.</a> J Fluid Mech. 192, 193-217 (1988).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+motion+and+diffusion+at+weak+bed+load:+accounting+for+unsteadiness+effects+of+entrainment+and+disentrainment.">Particle motion and diffusion at weak bed load: accounting for unsteadiness effects of entrainment and disentrainment.</a> J Hydraul Res. 53 (5), 633-648 (2015).</li><li>Fathel, S. L., Furbish, D. J., Schmeeckle, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+evidence+of+statistical+ensemble+behavior+in+bed+load+sediment+transport.">Experimental evidence of statistical ensemble behavior in bed load sediment transport.</a> J Geophys Res: Earth Surf. 120 (11), 2298-2317 (2015).</li><li>Lajeunesse, E., Malverti, L., Charru, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bedload+transport+in+turbulent+flow+at+the+grain+scale:+experiments+and+modeling.">Bedload transport in turbulent flow at the grain scale: experiments and modeling.</a> J Geophys Res: Earth Surf. 115, F04001 (2010).</li><li>Tsakiris, A. G., Papanicolaou, A. N., Lauth, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Signature+of+bedload+particle+transport+mode+in+the+acoustic+signal+of+a+geophone.">Signature of bedload particle transport mode in the acoustic signal of a geophone.</a> J Hydraul Res. 52 (2), 185-204 (2014).</li><li>Mendes, L., Antico, F., Sanches, P., Alegria, F., Aleixo, R., Ferreira, R. M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+particle+counting+system+for+calculation+of+bedload+fluxes.">A particle counting system for calculation of bedload fluxes.</a> Meas Sci Technol. 27 (12), 125305 (2016).</li><li>Heays, K. G., Friedrich, H., Melville, B. W., Nokes, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+the+dynamic+evolution+of+graded+gravel+beds+using+Particle+Tracking+Velocimetry.">Quantifying the dynamic evolution of graded gravel beds using Particle Tracking Velocimetry.</a> J Hydraul Eng. 140 (7), 04014027 (2014).</li><li>Radice, A., Malavasi, S., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid+transport+measurements+through+image+processing.">Solid transport measurements through image processing.</a> Exp Fluids. 41 (5), 721-734 (2006).</li><li>Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-average+characteristics+of+sediment+motion+in+one-dimensional+bed+load.">Double-average characteristics of sediment motion in one-dimensional bed load.</a> Acta Geophys. 56 (3), 654-668 (2008).</li><li>Radice, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+the+Lorenz+curve+to+quantify+statistical+nonuniformity+of+sediment+transport+rate.">Use of the Lorenz curve to quantify statistical nonuniformity of sediment transport rate.</a> J Hydraul Eng. 135 (4), 320-326 (2009).</li><li>Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+statistical+properties+of+bed+load+sediment+concentration.">On statistical properties of bed load sediment concentration.</a> Water Resou. Res. 45 (6), W06501 (2009).</li><li>Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Statistics+and+characteristic+scales+for+bed+load+in+a+channel+flow+with+sidewall+effects.">Statistics and characteristic scales for bed load in a channel flow with sidewall effects.</a> Acta Geophys. 58 (6), 1072-1093 (2010).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scale-based+statistical+analysis+of+sediment+fluxes.">Scale-based statistical analysis of sediment fluxes.</a> Acta Geophys. 60 (6), 1744-1777 (2012).</li><li>Radice, A., Nikora, V., Campagnol, J., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+interactions+between+turbulence+and+bed+load:+Conceptual+picture+and+experimental+evidence.">Active interactions between turbulence and bed load: Conceptual picture and experimental evidence.</a> Water Resour Res. 49 (1), 90-99 (2013).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Nokes, R., Bulankina, V., Lescova, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lagrangian+analysis+of+bed-load+sediment+motion:+database+contribution.">Lagrangian analysis of bed-load sediment motion: database contribution.</a> J Hydraul Res. 51 (5), 589-596 (2013).</li><li>Ballio, F., Radice, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluctuations+and+time+scales+for+bed-load+sediment+motion+over+a+smooth+bed.">Fluctuations and time scales for bed-load sediment motion over a smooth bed.</a> Int J Sediment Res. 30 (4), 321-327 (2015).</li><li>Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F., Rowi&#324;ski, P. M., Marion, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+analysis+of+entrainment+and+deposition+rate+fluctuations+in+weak+bed+load+transport.">An analysis of entrainment and deposition rate fluctuations in weak bed load transport.</a> Hydrodynamic and mass transport at freshwater aquatic interfaces. , 333-342 (2016).</li><li>Papanicolaou, A. N., Diplas, P., Balakrishnan, M., Dancey, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer+vision+technique+for+tracking+bed+load+movement.">Computer vision technique for tracking bed load movement.</a> J Comput Civil Eng. 13 (2), 71-79 (1999).</li><li>Ramesh, B., Kothyari, U. C., Murugesan, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near-bed+particle+motion+over+transitionally-rough+bed.">Near-bed particle motion over transitionally-rough bed.</a> J Hydraul Res. 49 (6), 757-765 (2011).</li><li>Amir, M., Nikora, V., Witz, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+experimental+technique+and+its+application+to+study+the+effects+of+particle+density+and+flow+submergence+on+bed+particle+saltation.">A novel experimental technique and its application to study the effects of particle density and flow submergence on bed particle saltation.</a> J Hydraul Res. 55 (1), 101-113 (2017).</li><li>Ettema, R., Garc&#236;a, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice+effects+on+sediment+transport+in+rivers.">Ice effects on sediment transport in rivers.</a> Sedimentation Engineering. , 613-648 (2008).</li><li>Knack, I., Shen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sediment+transport+in+ice-covered+channels.">Sediment transport in ice-covered channels.</a> Int J Sediment Res. 30 (1), 63-67 (2015).</li><li>Goring, D. G., Nikora, V. 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K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unsteady+surface-velocity+field+measurement+using+particle+tracking+velocimetry.">Unsteady surface-velocity field measurement using particle tracking velocimetry.</a> J. Hydraul. Res. 33 (4), 519-534 (1995).</li><li>Radice, A., Aleixo, R., Hosseini-Sadabadi, S. A., Sarkar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+image+grabbing+and+processing+for+measurement+of+geophysical+flows.">On image grabbing and processing for measurement of geophysical flows.</a> Proc. HydroSenSoft 2017, International Symposium and Exhibition on Hydro-Environment Sensors and Software. , (2017).</li><li>Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Post-processing+of+particle+tracking+data+for+phenomenological+depiction+of+weak+bed-load+sediment+transport.">Post-processing of particle tracking data for phenomenological depiction of weak bed-load sediment transport.</a> Proc. River Flow 2016. VIII Int. Conf. on Fluvial Hydraulics, St. , 780-786 (2016).</li></ol>

저자는 경쟁적인 금전적 이해 관계가 없다고 선언합니다.

입자 시각화를 이용한 베드로드 수송 실험 설계에는 실험 구성 및 하드웨어 도구, 유량 측정, 입자 시딩 및 시각화, 이미지 분석 등 다양한 단계가 포함됩니다. 각 단계의 변형에는 장단점이 있습니다. 이 원고에 제시된 프로토콜의 핵심 특성은 (i) 가압 흐름과 고정 된 거친 층을 사용하는 것, (ii) 고정층 색상에 대비되는 색상을 갖는 적은 수의 층상 물질을 파종하는 것, (iii) (iv) 여러 카메라를 사용하여 서로 조인 할 독립적 인 트랙 세트를 얻는 것. 실험 방법과 데이터 처리는 베드로드 입자가 최종 측정을 위해 신뢰성있게 추적 될 수있게합니다. 커버 된 흐름은 움직이는 입자의 최적의 시야를 보장합니다. 그러나 고정 된 침대는 일부 프로세스의 관찰을 방지합니다 ( 예 :<html> 활성 베드 - 하중 층 내의 침전물 입자의 변위)를 감소시키고, 따라서 약한 층상 하중에 대한 기술의 적용 가능성을 제한한다. 100 초의 영화를 사용하여 얻은 데이터 샘플의 크기는 비교적 작았습니다. 그러나 샘플 획득 및 처리의 실험 기간을 길게하여 샘플 크기를 쉽게 늘릴 수 있습니다. 제한된 수의 입자를 먹이는 것은 실질적으로 더 높은 속도로 먹이는 것보다 오랜 실험 시간이 필요합니다. 운동 중에 입자의 집중이 적고 다양한 색상을 사용하기 때문에 상대적으로 직선적 인 입자 추적으로 인해 많은 노력을 기울일만한 가치가 있습니다. 둘 다 실수를 추적 할 가능성을 줄입니다. 실험에서 자연광을 사용하면 조명 장치가 필요하지 않습니다. 그러나, 단점은 좋은 조명이 기상 조건에 달려 있다는 것입니다. 파티클 홉 길이와 지속 시간의 CFD는g &quot;는&gt;도 4는 가장 빈번한 것 같이 낮은 값을 나타낸다. 홉 길이 구간의 최대 측정 값은 600mm 및도 7 개의 각각의 주위에 있었다.이 문헌 4, 16, 30에서 유사한 값에 비해 상당히 컸다 더 긴 트랙을 측정 할 때 입자 홉이 길어질 수 있으므로 두 대의 카메라를 사용하는 이점은 단일 카메라의 초점 영역 길이가 약 850mm이며 측정 할 홉 길이 값보다 크지 않다는 점을 고려하면 분명합니다. 대신에 두 개의 카메라를 사용하는 측정 프로토콜은 공정 길이 길이와 측정 필드 거리를 만족스럽게 분리하여 실험적 한계로 인해 현상 학적 결과에 편향 될 위험을 줄였으며 초점 영역은 다음과 같이 추가로 길어질 수 있습니다. flume을 따라 배치 된 카메라의 수를 증가시킵니다. 여기에 설명 된 프로토콜과 비교되는 다른 절차는 입자 식별 및 추적 전에 겹쳐진 이미지를 만드는 것입니다. 이미지 병합 방법이 데이터 파일의 크기를 두 배로 만들었으므로 메모리 사용량이 적게 들기 때문에 추적을 두 번 수행하고 입자 트랙을 연결하는 프로토콜이 선호되었습니다. 여기에 설명 된 처리 알고리즘을 사용하면 중첩 영역의 길이보다 짧은 몇 개의 입자 트랙이 퇴적물 트랙의 전체 재구성을 막았 기 때문에 폐기되었습니다. 그러나 임계 길이 120mm는 획득 할 수있는 트랙 길이보다 한 단계 더 짧았으므로이 데이터의 손실은 허용 가능합니다. 또한, 그림 1 의 하위 8 개 사례에서 볼 수있는 트랙 결합은 얻을 수있는 트랙 길이를 크게 증가시키지 못합니다. 반면에 이러한 상황이 도움이 될 수 있습니다.추적 중단으로 인해 발생할 수있는 그림 5 의 상황과 같이 긴 트랙을 검색하는 경우 유사한 경우에, 긴 트랙은 반복적 인 결합 연산에 의해 재구성 될 수있다. 그러나 그림 5 와 같은 트랙 중단은 가입 프로세스가 아닌 추적 프로세스와 분명히 관련되어 있음을 명심해야합니다. 이 원고는 채택 된 프로토콜의 기능을 입증하기 위해 단일 실험에 대한 개념 증명 결과를 제시했습니다. 미래의 실험에서이 프로토콜은 베드 부하 침전물 이송 과정에 대한 상세한 분석을 달성하기 위해 일련의 서로 다른 수력 학적 조건에 적용될 것입니다. <img alt="그림 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> 그림 5 : 중단이있는 경우 추적 가입 상황. </strong&gt; 여기에 설명 된 프로토콜에서는 이러한 트랙을 단일 트랙에 결합 할 수 없습니다. 의정서의 그림 1 과 8.4의 캡션에서 언급했듯이 중첩 영역의 길이보다 짧은 트랙은 제외된다. 이렇게하면 짧은 빨강 및 녹색 트랙이 제거됩니다. 그러므로 나머지 긴 단어는 공통점이 없으므로 결합 할 수 없습니다. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

수십 년 전에 선구적인 연구가 출현 한 이래 1 , 2 , 하천 퇴적물 연구를위한 이미지 분석의 사용이 끊임없이 증가하고 있습니다. 이 기술은 실제로 물리 현상 3 , 4 , 5 의 상세한 분석을 위해 상대적으로 고해상도 및 저비용 데이터를 제공하는 능력을 입증했습니다. 시간이 갈수록 하드웨어 및 소프트웨어 도구 모두에서 상당한 개선이 이루어졌습니다. 퇴적물 이동의 측정은 침전물 플럭스의 측정을 목표로하는 오일러 접근법을 사용하거나 이동하는 개별 곡물의 궤도를 측정하는 것을 목표로하는 라그랑지안 (Lagrangian) 방법을 사용하여 수행 할 수 있습니다. 이미지 처리는 다른 오일러 방법과 비교하여 입자 추적을위한 고유 한 가능성을 제공합니다 6 , 7 . 그러나, des이러한 잠재적 가능성에 대비하여 침전물 이동에 대한 이미지 분석의 적용은 데이터 샘플의 측정 및 크기에 대한 공간 / 시간적 지원 척도의 측면에서 몇 가지 중요한 실험적 한계를 겪고있다. 예를 들어, 데이터의 품질과 양을 손상시키지 않으면 서 넓은 공간 영역, 장기간의 실험 기간 및 높은 측정 빈도 3 , 4 , 8 의 적절한 조합을 동시에 달성하는 것이 어렵습니다. 또한 입자 추적은 수작업으로 수행 할 수 있습니다 ( 2 , 4 ). 사람의 노력이 필요하거나 분석에 사용 된 소프트웨어로 인해 추적 오류가 발생할 가능성이 있으므로 자동으로 3 , 8 로 수행 할 수 있습니다. 이 논문은 침상 퇴적물의 실험적 연구를위한 프로토콜을 제시한다.사용 된 카메라의 유형에 따라 오랜 기간이 소요되는 다른 곳에서 두 대의 카메라를 동시에 사용하면 넓은 시야가 보장되고 임시 실험 조건에 의해 신뢰할 수있는 자동 처리가 가능해졌습니다. 실험 방법은 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16의 방법으로 퇴적물의 상세한 조사를 다루는 여러 연구에서 작가가 얻은 경험을 바탕으로 설계되었다. , 17 , 18 . 침전물 수송 실험이 기술되었는데, 그것은 particl고정 된 거친 침대 위에서. 입자 공급은 이동 곡물의 농도를 낮게 유지하기 위해 흐름의 수송 용량보다 훨씬 적으므로 추적해야 할 입자의 혼잡을 피할 수 있습니다. 또한, 운반 된 입자는 연속적으로 움직이지 않았지만 간헐적 인 움직임이 관찰되었다. 이동 가능한 침대 대신 고정 침대를 사용하는 것은 자연 조건과의 유사성 상실을 나타냅니다. 그러나 고정층은 다양한 연기 과정을 가진 복잡한 시나리오의 결과보다 더 단순하고 설명적인 가정하에 침전물 수송 실험 19 , 20 , 21 에서 자주 사용되었다. 고정 된 침대의 사용은 분명히 퇴적물 매장 및 재현 과정을 관찰하는 것을 방지합니다. 한편, 약한 층상 하중이 존재할 때, 퇴적물의 운반은 느슨한 층의 표면층에서 일어나며,이 경우,고정 된 침대를 사용하는 것이 적절할 수 있습니다. 사실, 실험에서 입자 운동의 성질 들간의 두 조건을 비교 한 구체적인 비교는 유의 한 차이를 나타내지 않았다 3 , 14 . 마지막으로 여기에 제시된 실험은 투명 커버를 통해 입자 시각화를위한 최적의 조건을 보장하기 위해 가압 흐름으로 수행되었습니다. 가압 흐름 퇴적물 수송 실험적 가까운 베드 경계층과 침전물 사이의 상호 작용이 개방 채널 유동 (22), (23)의 것과 유사한 것을 보여주는 연구 조형 얼음 덮인 강에서 검토되고있다. 다음 섹션에서는 모든 방법에 대해 간략히 설명하고 몇 가지 대표적인 결과를 제공합니다.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="635">
	<tbody>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Laser distance sensor</td>
			<td style="width:111px;">METRICA</td>
			<td style="width:119px;">PREXISOX2</td>
			<td style="width:191px;">Used to measure the flume slope</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Two-component polyester resin</td>
			<td style="width:111px;">Gelson</td>
			<td style="width:119px;">MS 65213</td>
			<td style="width:191px;">Used to glue sediment particles onto steel plates</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Water-resistant spray paint</td>
			<td style="width:111px;">Any</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:191px;">Used to paint the fixed bed</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Ultrasonic Velocity Profiler</td>
			<td style="width:111px;">Signal Processing</td>
			<td style="width:119px;">DOP 2000</td>
			<td style="width:191px;">Used to measure the water velocity profiles</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Camera</td>
			<td style="width:111px;">Go-Pro</td>
			<td style="width:119px;">Hero 4 Black</td>
			<td style="width:191px;">Used to acquire movies of bed-load particle motion</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Streams</td>
			<td style="width:111px;">University of Canterbury</td>
			<td style="width:119px;">2.01</td>
			<td style="width:191px;">Used for particle identification and tracking</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">MatLab</td>
			<td style="width:111px;">MathWorks</td>
			<td style="width:119px;">R14</td>
			<td style="width:191px;">Used to develop ad hoc codes for a variety of operations</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Plexiglas</td>
			<td style="width:111px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:191px;">Transparent acrylic material</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

image-based lagrangian particle tracking in bed-load experiments

이미지 분석은 상대적으로 저렴한 비용으로 자세한 양적 묘사를 제공 할 수있는 능력으로 인해 강 흐름 측정에 점점 더 많이 사용되었습니다. 이 원고는 가벼운 퇴적물을 이용한 베드로드 실험에 입자 추적 속도계 (PTV)를 적용하는 것에 대해 설명합니다. 조사 된 퇴적물 수송 조건의 주요 특성은 덮개가 달린 흐름의 존재와 그 위에 입자가 수로 유입구에서 제한된 수로 방출 된 고정 된 거친 층의 존재였다. 적용된 유동 조건 하에서, 개별 베드 하중 입자의 움직임은 간헐적 인 것으로, 운동과 정지가 번갈아 가며 나타납니다. 흐름 패턴은 흐름 방향 속도의 수직 프로파일의 음향 측정에 의해 예비 적으로 특성화되었다. 프로세스 시각화 과정에서, 수로를 따라 다른 위치에 두 개의 액션 카메라를 사용하여 넓은 시야를 확보했습니다. 실험 프로토콜은 chan의 관점에서 설명됩니다.실험 구현, 이미지 전처리, 자동 입자 추적 및 두 카메라의 입자 트랙 데이터 후 처리를 포함합니다. 제시된 개념 증명 결과에는 입자 홉 길이 및 지속 기간의 확률 분포가 포함됩니다. 이 연구의 성과는 프로토콜의 타당성을 입증하기 위해 기존 문헌의 성과와 비교된다.

이 섹션에 제시된 결과는 수로 경사가 0으로 설정된 실험 (경사 값은 ± 0.05 % 정확도로 계산 됨)에 대한 것입니다. 사용 된 침전물은 크기가 d = 3 mm이고 밀도가 ρ p = 1,270 kg / m 3 인 준 구형 인 PBT 입자로 만들어졌다. 실험은 유량 Q = 9.7 × 10-3 m로 실행 된 벌크 속도 U = 0.31 m / s에서 얻어진 3 / s. UVP를 사용한 속도 측정의 경우 2 MHz 프로브가 81 ° 기울기로 사용되었습니다. 속도 데이터는 20 초에서 250 초 동안 획득되었습니다. 대표적인 속도 프로파일은 그림 2에 나와 있습니다. 그것은 흐름이 완전히 발달 한 수로 입구에서 채널 축과 4.5m에서 취해졌다. 유효하지 않은 고도 측정과 관련된 일부 값이 제거되었습니다. 비대칭c 프로파일은 플라스틱 뚜껑과 침전물 베드의 거친 정도에 기인합니다. 플롯은 또한 전단 속도의 추정에 사용 된 프로파일의 부분을 보여 주며 u s = 25.9 ± 1.3 mm / s를 얻습니다. 입자 Reynolds 수 ( Re p = u s × d / ν , 물의 동점도로서 ν )는 78와 같았으며 과도하게 거친 정권을 나타냅니다. 침전물 수송의 시각화는 수로 입구에서 3.5m와 4.3m에 위치한 두 대의 카메라로 수행되었다. 이 카메라는 30fps의 주파수에서 작동하며 해상도는 1,920 x 1,080 픽셀입니다. 화상 왜곡을 보정하는 요인은 k = 0.6이었다. 왜곡을 제거한 후 이미지 보정은 1 픽셀 = 0.5mm였습니다. 중첩의 길이는 760.15에서 880.11 mm (후자는 전나무의 초점 영역 길이st 카메라를 그 상류 가장자리로부터). 입자 식별을위한 임계 강도는 80으로 설정되었고 예상 된 얼룩 크기는 0.5 - 8mm 범위였다. 입자 추적을위한 검색 창은 다음과 같습니다 : 1mm 업스트림 및 7mm 다운 스트림, 4mm 측면. 중단 된 트랙의 재 연결을위한 검색 창은 다음과 같습니다 : 1 mm 업스트림 및 31 mm 다운 스트림, 16 mm 옆으로 4 개의 다음 프레임. 결합 할 두 트랙 사이의 x 와 y 값의 평균 제곱 차이의 제곱근의 임계 값은 10mm로 설정되었습니다. 각 카메라의 3,000 개 이미지 (100 초에 해당)의 하위 세트를 사용하여 측정 된 입자 트랙은 그림 3에 묘사되어 있습니다. 데이터베이스는 업스트림 및 다운 스트림 카메라에서 각각 37 및 34 트랙을 포함합니다. 두 카메라에 의해 얻어진 트랙의 겹침이 먼저 제안 된 다음, 그 결과 전체 세트의 t랙이 표시됩니다. 측정 영역의 중앙 부분에서의 중첩이 만족 스러웠다는 것이 명백하다. 59 개의 트랙 끝에 12 개의 링크가 생성되었습니다. 최장 트랙은 유사한 분석은 3 수행 된 다른 문헌 과정에 비해 매우 큰 약 1.6 m (530 개 이상의 입자 크기, 15.2 유동 깊이 또는 5.3 수로 폭), (4)의 총 길이는 전체 관찰 창 스팬 , 5 , 8 . 라그랑지안 프레임 워크를 취함으로써, 입자 역학의 핵심 지표가 여기에 입자 홉 (particle hops)의 특성에 적용됩니다. 이 실험에서와 같은 간헐적 인 침대 부하 수송 하에서, 이러한 홉은 휴식 기간으로 구분 된 동작입니다. 단일 입자에 대한 전체 트랙 내의 홉을 검출하기 위해 입자 움직임 및 정지의 식별은필요한 예비 단계. 이 작업에서 우리는 그 순간의 x 위치가 모든 이전 것보다 크고 다음의 모든 것보다 낮은 경우 특정 순간에 움직이는 입자를 고려하는 기준 30 을 적용했습니다. 총 98 개의 홉이 59 개의 측정 된 입자 트랙으로부터 얻어졌다. 그림 4 는 홉 길이와 지속 시간에 대해 획득 된 누적 빈도 분포 (CFD)를 보여줍니다. <img alt="그림 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> 그림 2 : 측정 된 속도 프로파일. (위쪽) 스트림 단위 속도 구성 요소의 시간 평균 수직 프로파일. (Bottom) 대수 방정식을 프로파일의 아래 부분에 맞추어 전단 속도를 추정합니다. 채널의 상단에서 시작하여 아래쪽으로 향한 수직 축은 첫 번째 플롯에서 사용되며, represe<html> 측정 결과를 UVP로 나타냅니다. 채널 바닥에서 위쪽으로 향한 축은 방정식에 의해 전단 속도를 추정하는 데 필요한대로 두 번째 플롯에서 대신 사용됩니다. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> 그림 3 : 측정 된 입자 트랙의 평면도. (위쪽) 두 카메라의 트랙 (빨간색의 업스트림 카메라와 검은 색의 다운 스트림). (아래쪽) 결합 된 트랙의 샘플 (명확성을 위해 색상이 변경되고 두꺼운 선으로 강조 표시된 일부 트랙). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 4 &quot;class =&quot;xfigimg &quot;src =&quot;/ files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; 그림 4 : 홉 길이 (Top)와 지속 시간 (Bottom)의 누적 주파수 분포 (CFD). 그림 3 의 각 트랙 내에서 입자는 각 순간에 표시되어 입자가 움직이거나 그 순간에 정지했는지 나타냅니다. 그런 다음 입자 홉핑 (particle entrapment) (정지에서 움직임으로의 전이)과 분출 해제 (움직임에서 정지로의 전환) 사이의 부분으로 트랙으로부터 입자 홉을 추출했습니다. 홉 길이와 지속 시간에 대해 얻은 샘플을 사용하여 여기에 묘사 된 분포를 생성합니다. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 보충 코드 파일 : join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Please</a>이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

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Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

원고는 움직이는 입자가 이미지 분석에 의해 추적되는 층상 퇴적물 수송 실험의 전도 프로토콜을 제시한다. 실험 시설, 실행 실현 및 데이터 처리 절차, 그리고 일부 개념 증명 결과가 여기에 제시됩니다.

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