3D Proudění kapalin s Event Based technologií
Jak lze zviditelnit pohyb vzduchu nebo vody – a to ve třech rozměrech? Průmyslové kamery s technologií senzorů založenou na událostech (event based) poskytují pro tento účel zcela nový pohled: zaznamenávají pouze to, co se skutečně mění, což umožňuje přesnou analýzu proudění s minimálním úsilím. Obzvláště zajímavé to je, když se několik těchto kamer zkombinuje, například za účelem sledování tisíců částic v reálném čase ve 3D.
Nové perspektivy v diagnostice proudění
Přesná analýza proudění – ať už vzduchu, vody nebo jiných médií – je klíčovým nástrojem ve výzkumu a vývoji. Dosud se k vizualizaci pohybu jednotlivých částic používaly převážně drahé vysokorychlostní kamery. Ačkoli tyto kamery poskytují působivě detailní snímky, generují obrovské objemy dat, jejichž ukládání, přenos a zpracování jsou spojeny s vysokými náklady. I při vysokých snímkových frekvencích závisí výsledky do značné míry na správném výběru expoziční doby, světelných podmínkách a optické konfiguraci. Bez rozsáhlých zkušeností v oblasti snímkování může rychle dojít k rozmazání pohybu, vzniku tmavých oblastí na snímku nebo neúplnému naskenování. To výrazně snižuje kvalitu naměřených dat.
Tuto situaci slibuje vyřešit nová technologie: Kamery event based nezaznamenávají nepřetržitě celé snímky, ale registrují pouze změny v zorném poli – s přesností na mikrosekundy. Tato neuromorfní senzorová technologie výrazně snižuje objem datového toku a zároveň umožňuje vysoce dynamickou analýzu pohybů. Zvláště zajímavé to začíná být, když se několik těchto senzorů zkombinuje: Díky tomu je poprvé možné provádět komplexní 3D analýzy proudění – a to nákladově efektivně, škálovatelně a s bezprecedentní účinností. Jedná se o skutečnou klíčovou technologii, která otevírá nové možnosti pro výzkumné instituce i průmyslové aplikace.
S různými pohledy do třetího rozměru
Diagnostika proudění spočívá ve schopnosti přesně zachytit pohyby – v ideálním případě nejen ve dvou rozměrech, ale i ve třech. Zde nabízejí zcela nový přístup kamery založené na událostech. Na rozdíl od běžných obrazových snímačů detekují pouze změny kontrastu v zorném poli – a to s dobou odezvy v řádu milisekund. Výsledný objem dat je nejen výrazně menší, ale také vysoce relevantní. V kombinaci s vysokou citlivostí na světlo a kompaktním provedením to otevírá nové možnosti využití, které byly dosud možné pouze u velmi drahých vysokorychlostních systémů.
Zvláště zajímavé to začíná být, když se navzájem propojí několik kamer založených na snímání událostí. Pouze při sledování částic z různých úhlů je možné je v prostoru jasně identifikovat a rekonstruovat jejich pohyb ve třech rozměrech. Z této technologie těží zejména aplikace, jako je zavedená metodika měření rychlosti pomocí snímků částic (PIV) nebo vizualizace složitých konfigurací kompresních rázových vln – například mezi lopatkami motoru. Zredukovaný datový tok dokonce umožňuje vyhodnocování v reálném čase, což otevírá cestu k zavádění nových koncepcí aktivního řízení proudění založených na zobrazovací měřicí technologii.
Zde představená metodika vychází z několik let trvajícího výzkumu v oblasti zpracování obrazu založeného na událostech v diagnostice proudění, jemuž se věnuje zejména oddělení technologie optického měření motorů v Ústavu technologie pohonu DLR v Kolíně nad Rýnem.
Vyhodnocování turbulence proudění v reálném čase (rychlost přenosu dat cca 10e6 událostí/s na jednu kameru)
Od událostí k 3D datům
Jedna kamera nestačí k zachycení pohybu jednotlivých částic v proudovém poli ve třech rozměrech. Pouze kombinací několika úhlů pohledu – obvykle tří až čtyř kamer – lze jasně určit polohy částic v prostoru. Kamery jsou rozmístěny ve fotogrammetrickém uspořádání tak, aby zachycovaly stejný objemový objekt z různých úhlů pohledu s mírně překrývajícími se obrazovými oblastmi. 3D polohu částic lze vypočítat v prostoru pomocí triangulace na základě odpovídajících pixelů a známých poloh kamery. Čím více úhlů záběru je k dispozici, tím přesnější a spolehlivější je rekonstrukce trajektorií částic.
Přesná synchronizace je zásadní pro to, aby bylo možné data z kamer později správně sloučit. Čtyři event based kamery od společnosti IDS, které se k tomuto účelu používají, nabízejí dvě obzvláště užitečná rozhraní:
Spouštěcí vstup: Umožňuje vložit do všech datových toků jedinečný časový záznam, díky čemuž lze události později přesně přiřadit k sobě.
Hardwarová blokace (TDRSTN): Tato funkce umožňuje spustit všechny kamery současně – i když jsou ovládány z různých počítačů.
Čtyři synchronizované kamery IDS EVS snímají v proudovém poli stopovací částice o velikosti 20 mikrometrů.
Jakmile jsou data shromážděna, začíná ta skutečná výzva: Události z jednotlivých kamer je nejprve nutné geometricky vzájemně zaregistrovat (kalibrace kamer). Částice jsou poté lokalizovány v prostoru, a to buď přímo na základě synchronizovaných událostí, nebo prostřednictvím dvoustupňového procesu, při kterém jsou částice nejprve sledovány v jednotlivých záběrech a poté jsou rekonstruovány jejich dráhy pohybu. Polohy a časové značky jednotlivých pixelových událostí se shromažďují po stanovenou dobu – tj. sloučí se z časového i prostorového hlediska. Výsledkem je jakási „stopa pohybu“ v prostoru, která ukazuje, jak se částice v daném objemu pohybují v průběhu času.
Tato forma vizualizace je obzvláště užitečná pro pochopení složitých proudových vzorců: lze tak zjistit, zda se částice pohybují po určitých trajektoriích, zda dochází k turbulenci nebo jak se šíří rázové vlny. Tímto způsobem lze vizualizovat také zpětné proudění, tvorbu vírů a lokální změny rychlosti. Taková kvalitativní znázornění mají velký význam nejen pro výzkum a výuku, ale také pro vývoj a optimalizaci technických systémů, například v leteckém a kosmickém průmyslu, mechanice tekutin nebo mikrofluidice.
Kamery založené na událostech představují zajímavou alternativu k tradičním vysokorychlostním systémům. I když zatím nedosahují extrémního časového rozlišení, již nyní umožňují výrazně nákladově efektivnější a zjednodušenou analýzu proudění – díky čemuž jsou 3D měření PTV dostupná i pro menší laboratoře a výzkumné instituce.
— Dr. Christian Willert, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) —
Výhody, omezení a výzvy
Výkon systému závisí mimo jiné na časovém a prostorovém rozlišení a na použitém snímači. Použitý snímač Sony IMX636 nabízí časovou přesnost přibližně 100 mikrosekund. To umožňuje současně sledovat až 10 000 částic při frekvenci 1 kHz – při frekvenci 10 kHz je tento počet přibližně 1 000 částic. Tyto údaje ilustrují potenciál, ale i omezení této technologie: Ačkoli by vyšší rozlišení umožnilo zobrazit více částic, zvýšilo by to také objem datového toku a nároky na zpracování.
Event based kamery však představují nákladově efektivní alternativu k vysokorychlostním systémům. Generují méně dat, vyžadují méně úložného prostoru a umožňují tak i menším výzkumným institucím získat přístup k přesným informacím o pohybu, například pro 3D analýzy proudění. Díky kompaktní konstrukci a nízké spotřebě energie jsou kamery EVS ideální pro mobilní a autonomní systémy, protože kladou minimální nároky na periferní zařízení, čímž otevírají nové oblasti použití.
Zvláště inovativním aspektem je schopnost vyhodnocovat proudová pole v reálném čase rychlostí přes 250 polí za sekundu. Každé „pole“ představuje kompletní momentální snímek pohybu částic v rámci definovaného objemu. Tato vysoká časová hustota nejen umožňuje přesnou analýzu dynamických proudění, ale také poskytuje základ pro adaptivní systémy. V nich lze proudění aktivně ovlivňovat, například řízením klapek, trysek nebo jiných mechanických komponent. Pro dr. Christiana Willerta z DLR představuje toto vyhodnocování v reálném čase skutečný milník v dalším vývoji technologie měření na základě obrazových dat.
Podpora místo revoluce
Vizualizace založená na event based technologii nekonkuruje tradičním systémům založeným na obrazech – nenahrazuje je, ale smysluplně je doplňuje. Zatímco vysokorychlostní kamery i nadále prokazují své přednosti v situacích, kde je vyžadováno maximální prostorové rozlišení a úplné obrazové informace, technologie pro snímání událostí nabízí novou, snadno dostupnou možnost efektivního zaznamenávání dynamických procesů. Díky ní je přesná analýza pohybu dostupná i pro laboratoře a výzkumné instituce s omezeným rozpočtem či infrastrukturou.
Kamery IDS uEye EVS představují pro tento účel vhodnou kamerovou platformu: jsou kompaktní, energeticky úsporné a kladou nízké nároky na periferní zařízení. Umožňují vytvářet škálovatelné systémy s více kamerami bez složitých hardwarových konfigurací a bezproblémově spolupracují s Metavision SDK od společnosti Prophesee, výrobce inovativní senzorové technologie EVS. Otevírají tak nové oblasti použití, například v mobilní diagnostice proudění, u modelů v aerodynamických tunelech nebo dokonce na dronech.
O tom, že lze event based chápat jako klíčovou technologii, svědčí také pokračující zapojení společnosti Prophesee v oblasti vestavěných systémů: Speciálně vyvinutá sada umožňuje zpracovávat vysokorychlostní data o událostech přímo na Raspberry Pi 5 s nízkou latencí.
Díky tomu je tato technologie použitelná i pro kompaktní vestavěné systémy – například v robotice, průmyslové automatizaci nebo pro autonomní letecké platformy. Specializovaná vysoce výkonná technologie se tak stává flexibilním nástrojem pro širokou škálu nových aplikací.
Vizualizace a kvantifikace toku prostřednictvím shromažďování dat založených na událostech
Zajímá Vás více? Napište nám přes formulář
Pokud byste rádi zjistili, jak event based kamery využít pro své podnikání, rádi vám pomůžeme a zodpovíme jakékoliv otázky. Probereme s vámi možnosti a budeme vám k ruce s výběrem vhodného typu kamery.
Komentáře