Ukrainian Journal of Physical Optics


2024 Volume 25, Issue 4


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

A THREE-DIMENSIONAL FLOW FIELD MEASUREMENT METHOD BASED ON LIGHT FIELD PARTICLE STREAK VELOCIMETRY

Miao Yang

Author Information
Miao Yang ORCID logo

ABSTRACT

Light field cameras can obtain 3D spatial information about objects by acquiring a single image, demonstrating that light field imaging technology does not require complex light path arrangements. Owing to this capability, light field cameras have recently attracted attention from various fields. Besides, particle streak velocimetry (PSV) is a non-contact image-based flow field measurement technique widely used in optical and image processing technology. It has obvious advantages in measuring high-speed flow fields. Hence, this paper combines light field imaging technology with PSV technology and introduces a new 3D velocity measurement system that exploits the advantages of both technologies to measure flow fields with narrow windows, fast flow rates, and difficult-to-arrange measurement equipment. The system developed constructs a three-dimensional flow field measurement method based on light field PSV, which is unique as no relevant research on the PSV 3D velocity measurement utilizes light field imaging. Specifically, the motion streak of a 5 μm point light source moving at different speeds was captured using a light field camera, and its 3D velocity field was verified and calculated using a computing system. The results demonstrated that the 3D flow field measurement method based on light field PSV can successfully measure 3D flow fields.

Keywords: light field imaging, 3D measurement, particle streak velocimetry

UDC: 535.2, 681.7

    1. Liu Huifang, Zhou Wu, Cai Xiaoshu, Zhou Lei, Guo Yan'ang. (2020).Three-dimensional particle tracking velocity measurement technology based on light field imaging. Journal of Optics, 40(1), 0111014.
      doi:10.3788/AOS202040.0111014
    2. Gershun, A. (1939). The light field. Journal of Mathematics and Physics, 18(1-4), 51-151.
      doi:10.1002/sapm193918151
    3. Adelson, E. H., & Bergen, J. R. (1991). The plenoptic function and the elements of early vision (Vol. 2). Cambridge, MA, USA: Vision and Modeling Group, Media Laboratory, Massachusetts Institute of Technology.
      doi:10.7551/mitpress/2002.003.0004
    4. McMillan, L., & Bishop, G. (2023). Plenoptic modeling: An image-based rendering system. In Seminal Graphics Papers: Pushing the Boundaries, Volume 2 (pp. 433-440).
      doi:10.1145/3596711.3596758
    5. Levoy, M., Hanrahan, P. (1996). Light field rendering. Proceedings of the 23rd annual conference on computer graphics and interactive techniques - SIGGRAPH '96, August 4-9, 1996, New Orleans, LA, USA. New York: ACM, 31-42.
      doi:10.1145/237170.237199
    6. Zhou, Z L. (2012). Research on light field imaging technology [Unpublished doctoral dissertation]. University of Science and Technology of China, Hefei.
    7. Adelson, E. H., & Wang, J. Y. (1992). Single lens stereo with a plenoptic camera. IEEE transactions on pattern analysis and machine intelligence, 14(2), 99-106.
      doi:10.1109/34.121783
    8. Ng, R. (2006). Digital light field photography [Unpublished doctoral dissertation]. Stanford University.
    9. Lumsdaine, A., & Georgiev, T. (2009, April). The focused plenoptic camera. In 2009 IEEE international conference on computational photography (ICCP) (pp. 1-8). IEEE.
      doi:10.1109/ICCPHOT.2009.5559008
    10. Alarcon, R., Allen, J., Thurow, B. S., & Moss, A. (2020). Development of a high-speed plenoptic imaging system and its application to marine biology PIV. Measurement Science and Technology, 31(5), 054005.
      doi:10.1088/1361-6501/ab553c
    11. Broxton, M., Grosenick, L., Yang, S., Cohen, N., Andalman, A., Deisseroth, K., & Levoy, M. (2013). Wave optics theory and 3-D deconvolution for the light field microscope. Optics Express, 21(21), 25418-25439.
      doi:10.1364/OE.21.025418
    12. Lynch, K., Fahringer, T., & Thurow, B. (2012). Three-dimensional particle image velocimetry using a plenoptic camera. In 50th AIAA aerospace sciences meeting including the new horizons forum and aerospace exposition (p. 1056).
      doi:10.2514/6.2012-1056
    13. Fahringer, T. W., Lynch, K. P., & Thurow, B. S. (2015). Volumetric particle image velocimetry with a single plenoptic camera. Measurement Science and Technology, 26(11), 115201.
      doi:10.1088/0957-0233/26/11/115201
    14. Fahringer, T., & Thurow, B. (2012, June). Tomographic reconstruction of a 3-D flow field using a plenoptic camera. In 42nd AIAA fluid dynamics conference and exhibit. (p. 2826).
      doi:10.2514/6.2012-2826
    15. Bolton, J. T., Thurow, B. S., Alvi, F. S., & Arora, N. (2017). Single camera 3D measurement of a shock wave-turbulent boundary layer interaction. In 55th AIAA Aerospace Sciences Meeting (p. 0985).
      doi:10.2514/6.2017-0985
    16. Thurow, B., Tan, Z., Tiwari, B., & Raghav, V. (2019, November). Technique for Characterization of 3D Unsteady Fluid-Structure Interactions via a Single Plenoptic Camera. In APS Division of Fluid Dynamics Meeting Abstracts (pp. P11-008).
    17. Kelly, D., Clifford, C., & Thurow, B. (2020). 2D and 3D Temperature Measurements with a Multi-band Plenoptic Camera. In APS Division of Fluid Dynamics Meeting Abstracts (pp. T07-009).
    18. Jones, C., Bolton, J., Clifford, C., Thurow, B., Arora, N., & Alvi, F. (2020). Single-camera three-dimensional velocity measurement of a fin-generated shock-wave/boundary-layer interaction. AIAA Journal, 58(10), 4438-4450.
      doi:10.2514/1.J059184
    19. Willneff, J., & Gruen, A. (2002). A new spatio-temporal matching algorithm for 3D-particle tracking velocimetry. In 9th International symposium on transport phenomena and dynamics of rotating machinery. ETH Zurich, Institute of Geodesy and Photogrammetry.
    20. Pereira, F., Stüer, H., Graff, E. C., & Gharib, M. (2006). Two-frame 3D particle tracking. Measurement Science and Technology, 17(7), 1680.
      doi:10.1088/0957-0233/17/7/006
    21. Hoyer, K., Holzner, M., Lüthi, B., Guala, M., Liberzon, A., & Kinzelbach, W. (2005). 3D scanning particle tracking velocimetry. Experiments in Fluids, 39, 923-934.
      doi:10.1007/s00348-005-0031-7
    22. Satake, S. I., Kunugi, T., Sato, K., Ito, T., Kanamori, H., & Taniguchi, J. (2006). Measurements of 3D flow in a micro-pipe via micro digital holographic particle tracking velocimetry. Measurement Science and Technology, 17(7), 1647.
      doi:10.1088/0957-0233/17/7/002
    23. Dimotakis, P. E., Debussy, F. D., & Koochesfahani, M. M. (1981). Particle streak velocity field measurements in a two-dimensional mixing layer. Physics of Fluids, 24(6), 995-999.
      doi:10.1063/1.863481
    24. Adrian, R. J. (1984). Scattering particle characteristics and their effect on pulsed laser measurements of fluid flow: speckle velocimetry vs particle image velocimetry. Applied Optics, 23(11), 1690-1691.
      doi:10.1364/AO.23.001690
    25. Adamczyk, A. A., & Rimai, L. (1988). 2-Dimensional particle tracking velocimetry (PTV): technique and image processing algorithms. Experiments in fluids, 6(6), 373-380.
      doi:10.1007/BF00196482
    26. Perwass, C., & Wietzke, L. (2012, February). Single lens 3D-camera with extended depth-of-field. In Human vision and electronic imaging XVII (Vol. 8291, pp. 45-59). SPIE.
      doi:10.1117/12.909882
    27. Fang Xiaoyan. (2017). Image quality evaluation algorithm based on clarity detection and human-computer interaction. Foreign Electronic Measurement Technology. 36 (4), 32-35.

    З використанням камер світлового поля можна отримувати просторову 3D інформацію про об’єкти, з єдиного зображення, що демонструє те, що технологія зйомки не потребує організації складного проходження світла. Завдяки цій можливості камери світлого поля нещодавно привернули увагу в різних галузях. Крім того, трекове вимірювання швидкості частинок (PSV) є безконтактним методом вимірювання поля потоку на основі зображень, який широко використовується в оптичних технологіях і технологіях обробки зображень. Він має очевидні переваги у вимірюванні полів високошвидкісного потоку. Таким чином, ця стаття поєднує технологію зображення світлового поля з технологією PSV і представляє нову 3D систему вимірювання швидкості, яка використовує переваги обох технологій для вимірювання полів потоку з вузькими вікнами, високою швидкістю потоку та складним для організації вимірювальним обладнанням. Розроблена система формує тривимірний метод вимірювання поля потоку на основі світлового поля PSV, який є унікальним, оскільки жодне відповідне дослідження вимірювання 3D швидкості PSV не використовує зображення світлового поля. Зокрема, за допомогою камери світлового поля, була зафіксований трек руху точкового джерела світла розміром5 мкм, що рухається з різними швидкостями, а його тривимірне поле швидкості було перевірено та розраховано за допомогою обчислювальної системи. Результати продемонстрували, що метод вимірювання 3D поля потоку на основі PSV світлового поля може успішно вимірювати 3D поля потоку.

    Ключові слова: візуалізація світлового поля, 3D вимірювання, трекове вимірювання швидкості частинок

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©