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

Este trabalho foi apoiado pela Agência de Execução de Pesquisa, através do 7º Programa-Quadro da União Européia, Apoio à Formação e Desenvolvimento de Carreira de Pesquisadores (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN), que financiou a Rede Inicial de Treinamento (ITN) HYTECH &quot;Transporte Hidrodinâmico em Interfaces Heterogêneas Críticas Ecológicas&quot; (número 316546). Também foi apoiado pelo Polo Territoriale di Lecco do Politecnico di Milano. Os experimentos foram realizados durante uma visita de SS ao Politecnico di Milano como cientista visitante. Os autores agradecem a Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (estudantes do B.Sc. no Politecnico di Milano) e Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (colega do projeto HYTECH e Ph.D. estudante no Politecnico di Milano) por apoiar o Atividade experimental e análise de dados. Os autores agradecem grato ao Prof. Roger Nokes (Universidade de Canterbury, Christchurch, Nova Zelândia) por fornecer o STreams software e conselhos constantes. Finalmente, os autores agradecem ao editor gerenciador da JoVE e a três revisores anônimos por seus comentários e sugestões inspiradores, graças ao qual o manuscrito poderia ser significativamente melhorado.

<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. 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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. 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Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

O projeto de uma experiência de transporte de carga de cama com visualização de partículas envolve várias etapas, incluindo a escolha de uma configuração experimental e ferramentas de hardware, medição de fluxo, semeadura de partículas e visualização e análise de imagem. As variações em cada etapa têm vantagens e desvantagens. As características-chave do protocolo apresentado neste manuscrito são: (i) uso de um fluxo pressurizado e um leito áspero fixo, (ii) semeando um número baixo de partículas de carga de cama com uma cor contrastante com a cor da cama fixa, (iii) Usando luz natural e, (iv) usando várias câmeras para obter conjuntos de trilhos independentes para serem unidos entre si. O método experimental e o processamento de dados permitem que as partículas de carga de cama sejam rastreadas de forma confiável para a medição final. O fluxo coberto garante uma ótima visão das partículas em movimento. A cama fixa no entanto, evita a observação de alguns processos ( por exemplo , aqueles ligados à vertica<html> L deslocamentos de partículas de sedimento dentro da camada de carga de cama ativa) e, portanto, limita a aplicabilidade da técnica a cargas de cama fracas. O tamanho das amostras de dados obtidas usando apenas 100 s de filme foi relativamente pequeno. No entanto, o tamanho da amostra pode ser facilmente aumentado ao alongar a duração experimental da aquisição e processamento da imagem. Alimentar um número limitado de partículas requer um tempo experimental mais longo que a alimentação a uma taxa substancialmente maior; Mas vale a pena o esforço por causa de um rastreamento de partículas relativamente direto devido à pequena concentração de partículas em movimento e ao uso de diferentes cores, o que reduz a probabilidade de erros de rastreamento. O uso de luz natural no experimento evita a necessidade de dispositivos de iluminação; No entanto, uma desvantagem é que uma boa iluminação depende das condições climáticas. Os CFDs do comprimento e duração do salto de partículas retratados emG &quot;&gt; A Figura 4 mostra os valores mais baixos como os mais freqüentes. Os maiores valores medidos de comprimento e duração do salto foram em torno de 600 mm e 7 s, respectivamente. Isso foi significativamente maior em comparação com valores análogos da literatura 4 , 16 , 30 , Uma vez que a medição de faixas mais longas corre o risco de lúpus de partículas longas. O benefício de usar duas câmeras é evidente, considerando que uma única câmera tinha um comprimento de área de foco de cerca de 850 mm, o que não seria muito maior do que os valores do comprimento do salto a serem medidos. O protocolo de medição usando duas câmeras, assegurou uma separação satisfatória entre as escalas de comprimento do processo e as do campo de medição, reduzindo assim o risco de polarização dos resultados fenomenológicos devido a limitações experimentais. Além disso, a área de foco pode ser adicionalmente alongada por Aumentando o número de câmeras colocadas ao longo do canal. Um procedimento alternativo comparado ao protocolo descrito aqui é criar imagens sobrepostas antes da identificação e rastreamento de partículas. Nosso protocolo (de realizar o rastreamento duas vezes e vincular faixas de partículas) foi preferido, pois o método de mesclagem de imagem teria duplicado o tamanho dos arquivos de dados, exigindo um consumo de memória que não era acessível. Com os algoritmos de processamento descritos aqui, várias faixas de partículas que eram menores que o comprimento da área de sobreposição foram descartadas porque impediram uma reconstrução completa das trilhas de sedimentos. No entanto, o comprimento do limiar de 120 mm era uma ordem de magnitude menor do que os comprimentos da pista que poderiam ser obtidos, e a perda desses dados era, portanto, aceitável. Além disso, a união de trilha observada nos 8 casos mais baixos da Figura 1 não permitiria um aumento significativo no comprimento da trilha a ser obtido. Por outro lado, essas situações podem ajudarNa recuperação de faixas longas, como a situação na Figura 5 que pode ser devido às interrupções da faixa. Em um caso similar, uma longa faixa poderia ser reconstruída por operações de junção iterativas. No entanto, é importante ter em mente que as interrupções da faixa, como as da Figura 5, estão claramente relacionadas ao processo de rastreamento e não ao processo de adesão. Este manuscrito apresentou resultados de prova de conceito para um único experimento para demonstrar as capacidades do protocolo adotado. Em experiências futuras, o protocolo será aplicado a uma série de diferentes condições hidro-dinâmicas para realizar uma análise detalhada do processo de transporte de sedimentos de carga de cama. <img alt="Figura 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> Figura 5: Uma situação de união de trilha na presença de interrupções. </Forte&gt; A união dessas faixas em uma única faixa não é possível com o protocolo descrito aqui. Conforme mencionado na legenda da Figura 1 e no passo 8.4 do Protocolo, as faixas mais curtas que o comprimento da região sobreposta estão excluídas. Isso elimina as curtas faixas vermelhas e verdes; Portanto, os demais longos não podem ser unidos porque não têm um ponto comum. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.</a>

Uma vez que as obras pioneiras apareceram há algumas décadas 1 , 2 , o uso da análise de imagens para o estudo do transporte de sedimentos do rio tem aumentado constantemente. Esta técnica realmente provou sua capacidade de fornecer dados de alta resolução e de baixo custo para análises detalhadas dos fenômenos físicos 3 , 4 , 5 . Com o tempo, foram obtidas melhorias significativas tanto para hardware como para ferramentas de software. A medição do transporte de sedimentos pode ser realizada usando uma abordagem euleriana que almeja a medição de fluxos de sedimentos ou um Lagrange que visa medir trajetórias de grãos individuais à medida que se movem. Processamento de imagem oferece possibilidades únicas para rastreamento de partículas em comparação com outros métodos Eulerianos 6 , 7 . No entanto, desApesar destas potencialidades, a aplicação da análise de imagem ao transporte de sedimentos de carga de cama sofre de algumas limitações experimentais críticas, em termos de escalas de suporte espacial / temporal para a medição e o tamanho das amostras de dados. Por exemplo, é difícil alcançar simultaneamente uma combinação adequada de uma grande área espacial, longa duração de uma experiência e alta freqüência de medição 3 , 4 , 8 , sem comprometer a qualidade e a quantidade de dados. Além disso, o rastreamento de partículas pode ser realizado manualmente 2 , 4 , o que requer um grande esforço humano, ou automaticamente 3 , 8 , com a possibilidade de rastrear erros feitos pelo software usado para a análise. Este artigo apresenta um protocolo para a investigação experimental do sedimento de cama-cargaAnsport, onde a longa duração foi alcançada pelo tipo de câmera utilizada, o campo de visão ampliado foi assegurado pelo uso simultâneo de duas câmeras em diferentes locais, e o processamento automático confiável foi possível graças a condições experimentais ad hoc . A operação experimental foi projetada e as ferramentas de processamento foram selecionadas com base na experiência adquirida pelos autores em vários trabalhos de pesquisa sobre a investigação detalhada do transporte de sedimentos por métodos de imagem 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Uma experiência de transporte de sedimentos é descrita, que foi realizada com a participação de partículasÉ sobre uma cama fixa e áspera. A alimentação de partículas foi muito menor do que a capacidade de transporte do fluxo para manter uma baixa concentração de grãos em movimento, evitando assim o congestionamento de partículas a serem rastreadas. Além disso, as partículas transportadas não se moviam continuamente, mas observou-se um movimento intermitente. O uso de uma cama fixa em vez de um móvel representa uma perda de semelhança com as condições naturais. No entanto, um leito fixo foi freqüentemente usado em experimentos de transporte de sedimentos 19 , 20 , 21 , sob o pressuposto de que os resultados são mais simples e explicativos do que aqueles de cenários complicados com uma variedade de processos atuantes. O uso de uma cama fixa, obviamente, evita que os processos de enterro e reaparecimento dos sedimentos sejam observados. Por outro lado, na presença de uma carga de cama fraca, o transporte de sedimentos ocorre em uma camada superficial de uma cama solta e, neste caso,O uso de uma cama fixa pode ser adequado. De fato, comparações específicas entre as propriedades do movimento de partículas em experimentos com as duas condições não apresentaram diferenças significativas 3 , 14 . Finalmente, o experimento aqui apresentado foi realizado com um fluxo pressurizado para garantir uma condição ideal para visualização de partículas através de uma cobertura transparente. O transporte de sedimentos com fluxo pressurizado tem sido estudado experimentalmente na pesquisa de protótipos de rios cobertos de gelo, mostrando que a interação entre a camada limite do leito e o sedimento é análoga à do fluxo de canal aberto 22 , 23 . Nas seções a seguir, todos os métodos são descritos e alguns resultados representativos são fornecidos.

<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

A análise de imagens tem sido cada vez mais utilizada para a medição dos fluxos dos rios devido às suas capacidades para fornecer detalhadamente descrições quantitativas a um custo relativamente baixo. Este manuscrito descreve uma aplicação de vetocetria de rastreamento de partículas (PTV) para uma experiência de carga de cama com sedimento leve. As principais características das condições de transporte de sedimentos investigadas foram a presença de um fluxo coberto e de um leito áspero fixo acima do qual as partículas foram liberadas em número limitado na entrada do canal. Sob as condições de fluxo aplicadas, o movimento das partículas de carga de cama individuais era intermitente, com movimentos alternados e termos de restrição. O padrão de fluxo foi preliminarmente caracterizado por medidas acústicas de perfis verticais da velocidade da corrente. Durante a visualização do processo, um grande campo de visão foi obtido usando duas câmeras de ação colocadas em diferentes locais ao longo do canal. O protocolo experimental é descrito em termos de chanCalibração nel, realização de experiências, pré-processamento de imagem, rastreamento automático de partículas e pós-processamento de dados de trilhas de partículas das duas câmeras. Os resultados de prova de conceito apresentados incluem distribuições de probabilidade do comprimento e duração do salto de partículas. As realizações deste trabalho são comparadas às da literatura existente para demonstrar a validade do protocolo.

Os resultados apresentados nesta seção são para um experimento onde a inclinação do flume foi ajustada para zero (os valores de inclinação foram calculados com precisão de ± 0,05%). O sedimento utilizado foi feito de partículas PBT que eram quase esféricas, com um tamanho d = 3 mm e uma densidade ρ p = 1,270 kg / m 3 . O experimento foi executado com uma taxa de fluxo Q = 9.7 × 10 -3 m 3 / s, resultando em uma velocidade máxima U = 0,31 m / s. Para as medidas de velocidade com o UVP, utilizou-se uma sonda de 2 MHz com inclinação de 81 °. Os dados de velocidade foram adquiridos a 20 Hz por 250 s. Um perfil de velocidade representativo é representado na Figura 2 . Foi tomada no eixo do canal e a 4,5 m da entrada do canal, onde o fluxo foi totalmente desenvolvido. Alguns valores relacionados a medidas de elevação inválidas foram removidos. Um asimétricoO perfil c resultou da diferente rugosidade da tampa de plástico e do sedimento. As parcelas também mostram a porção do perfil usado para a estimativa da velocidade de cisalhamento, obtendo-se s = 25,9 ± 1,3 mm / s. O número de partículas Reynolds ( Re p = u s × d / ν , com ν como a viscosidade cinemática da água) foi, portanto, igual a 78, indicando um regime de transição brusco. A visualização do transporte de sedimentos foi realizada com duas câmeras colocadas a 3,5 m e 4,3 m da entrada do canal. As câmeras funcionaram a uma frequência de 30 fps e com uma resolução de 1.920 x 1.080 pixels. O fator de correção da distorção da imagem foi k = 0,6. Após a remoção da distorção, a calibração da imagem foi de 1 pixel = 0,5 mm. O comprimento de sobreposição foi de 760,15 a 880,11 mm (onde o último era o comprimento da área de foco do abetoSt camera da sua borda a montante). A intensidade de limiar para identificação de partículas foi ajustada para 80 e o tamanho de blob esperado variou de 0,5 a 8 mm. A janela de busca para o rastreamento de partículas foi a seguinte: 1 mm a montante e 7 mm a jusante, 4 mm lateralmente. A janela de busca para a reconexão das trilhas interrompidas foi a seguinte: 1 mm a montante e 31 mm a jusante, 16 mm lateralmente ao longo de 4 quadros seguintes. O valor limiar da raiz quadrada da diferença quadrática média dos valores x e y entre duas faixas a serem unidas foi ajustado para 10 mm. As faixas de partículas medidas usando um subconjunto de 3.000 imagens de cada câmera (correspondente a uma duração de 100 s) são retratadas na Figura 3 . O banco de dados compreendeu 37 e 34 faixas da câmera a montante e a jusante, respectivamente. Uma primeira sobreposição das faixas obtidas pelas duas câmeras é proposta pela primeira vez e, em seguida, o conjunto completo resultante de tRacks é exibido. É evidente que a sobreposição na porção central da área de medição foi satisfatória. Foram obtidos 12 links no final 59 faixas. A faixa mais longa abrangeu toda a janela de observação com um comprimento total de aproximadamente 1,6 m (mais de 530 tamanhos de partículas, 15,2 profundidades de fluxo ou 5,3 larguras de canal), que é muito grande em comparação com outros estudos de literatura onde análises similares foram realizadas 3 , 4 , 5, 8. Ao tomar uma estrutura lagrangiana, os principais indicadores de cinemática de partículas são aqui aplicados em termos de propriedades do lúpulo de partículas. Sob um transporte intermitente de carga de cama como o da experiência, esses lúpulos são movidos separados por períodos de repouso. Para detectar lúpulo dentro de uma trilha completa para uma única partícula, a identificação do movimento e silêncio das partículas éUm passo preliminar necessário. Neste trabalho, aplicamos um critério 30 que considera uma partícula em movimento em um determinado instante se sua posição x nesse instante for maior do que todas as anteriores e menor que todas as seguintes. Um número total de 98 lúpulos foi obtido a partir das 59 faixas de partículas medidas. A Figura 4 mostra a Distribuição de Frequência Cumulativa (CFD) obtida para o comprimento e a duração do salto. <img alt="Figura 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> Figura 2: Perfil de velocidade medido. (Top) O perfil vertical com base no tempo do componente de velocidade da corrente. (Inferior) A estimativa da velocidade de cisalhamento ajustando uma equação logarítmica à parte inferior do perfil. Observe que um eixo vertical a partir do topo do canal e orientado para baixo é usado na primeira trama, represe<html> O resultado da medição com o UVP. Um eixo do fundo do canal e direcionado para cima é usado no segundo gráfico, conforme necessário para estimar a velocidade de corte pelo ajuste da equação. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.</a> <img alt="Figura 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> Figura 3: Visão do plano das trilhas de partículas medidas. (Top) As faixas das duas câmeras (câmera a montante em vermelho e a jusante em preto). (Parte inferior) A amostra de faixas unidas (mudando de cor para maior clareza e algumas faixas destacadas por uma linha mais espessa). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; Figura 4: Distribuição de freqüência cumulativa (CFD) do comprimento do salto (superior) e da duração (parte inferior). Dentro de cada faixa da Figura 3 , a partícula foi rotulada em cada instante instantâneo para representar se a partícula estava em movimento ou em repouso nesse instante. Os lúpulos de partículas foram então extraídos das trilhas como porções entre o arrastão de partículas (transição da quietude para o movimento) e o desentendimento (transição do movimento para o silêncio). As amostras obtidas para comprimentos de lúpulo e durações foram usadas para criar as distribuições aqui descritas. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.</a> Arquivos de código suplementar: join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Por favor</a>Clique aqui para baixar este arquivo.

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Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

O manuscrito apresenta um protocolo para a condução de experimentos de transporte de sedimentos de carga de cama onde as partículas em movimento são rastreadas por análise de imagem. A facilidade experimental, os procedimentos para execução de execução e processamento de dados e, finalmente, alguns resultados de prova de conceito são apresentados aqui.

Rastreamento de partículas Lagrangian baseado em imagem em experiências de carga de cama

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