Ukrainian Journal of Physical Optics


2025 Volume 26, Issue 2


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

RESEARCH OF PARTICLE STREAK VELOCIMETRY BASED ON LIGHT FIELD ZEMAX SIMULATION

Miao Yang

Author Information
Miao Yang ORCID logo
1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
2Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China


ABSTRACT

Light field imaging technology can capture the light intensity and particle propagation direction within a single exposure, thereby achieving three-dimensional imaging while simplifying experimental complexity. Compared to conventional methods such as particle image velocimetry and particle tracking velocimetry, particle streak velocimetry (PSV) extends the upper limit of measurable velocity, operates effectively under lower light intensities, and offers pronounced advantages in high-speed flow field analysis. The integration of light field imaging and PSV measurement techniques combine the strengths of both methods, making this approach particularly promising for three-dimensional flow field investigations. Despite its potential, this area remains underexplored. Previously, the author has developed a three-dimensional flow field experimental measurement system based on light field PSV. In this article, the author employs Zemax software to construct a Galileo-type simulated light field imaging system in non-sequential mode. The imaging characteristics of this system were analyzed, yielding a depth calibration curve for the simulated virtual light field imaging system and a synthetic three-dimensional trajectory map. The algorithm reconstructed the three-dimensional trajectory by integrating the depth calibration curve with a light field PSV-based three-dimensional flow field measurement and processing algorithm. This study establishes a Zemax simulation framework for light field PSV, offering critical simulation data to advance research in three-dimensional flow field measurement utilizing light field PSV.

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

UDC: 778, 535.8, 681.2, 62-94

    1. Gershun, A. (1939). The light field. Journal of Mathematics and Physics, 18(1-4), 51-151.
    2. 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
    3. Levoy, M., & Hanrahan, P. (2023). Light field rendering. In Seminal Graphics Papers: Pushing the Boundaries, Volume 2 (pp. 441-452).
      doi:10.1145/3596711.3596759
    4. Yang, J. C., Everett, M., Buehler, C., & McMillan, L. (2002). A real-time distributed light field camera. Rendering Techniques, 2002(77-86), 2.
    5. Wilburn, B., Joshi, N., Vaish, V., Talvala, E. V., Antunez, E., Barth, A., Adams, A., Horowitz, M. & Levoy, M. (2005). High performance imaging using large camera arrays. In ACM siggraph 2005 papers (pp. 765-776).
      doi:10.1145/1186822.1073259
    6. Ng, R., Levoy, M., Brédif, M., Duval, G., Horowitz, M., & Hanrahan, P. (2005). Light field photography with a hand-held plenoptic camera (Doctoral dissertation, Stanford university).
    7. Lanman, D., Crispell, D., Wachs, M., & Taubin, G. (2006, June). Spherical catadioptric arrays: Construction, multi-view geometry, and calibration. In Third International Symposium on 3D Data Processing, Visualization, and Transmission (3DPVT'06) (pp. 81-88). IEEE.
      doi:10.1109/3dpvt.2006.130
    8. Veeraraghavan, A., Raskar, R., Agrawal, A., Mohan, A., & Tumblin, J. (2007). Dappled photography: Mask enhanced cameras for heterodyned light fields and coded aperture refocusing. ACM Trans. Graph., 26(3), 69.
      doi:10.1145/1239451.1239520
    9. Taguchi, Y., Agrawal, A., Ramalingam, S., & Veeraraghavan, A. (2010, June). Axial light field for curved mirrors: Reflect your perspective, widen your view. In 2010 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (pp. 499-506). IEEE.
      doi:10.1109/cvpr.2010.5540172
    10. Venkataraman, K., Lelescu, D., Duparré, J., McMahon, A., Molina, G., Chatterjee, P., Mullis, R, & Nayar, S. (2013). Picam: An ultra-thin high performance monolithic camera array. ACM Transactions on Graphics (TOG), 32(6), 1-13.
      doi:10.1145/2508363.2508390
    11. Kim, C., Zimmer, H., Pritch, Y., Sorkine-Hornung, A., & Gross, M. H. (2013). Scene reconstruction from high spatio-angular resolution light fields. ACM Trans. Graph., 32(4), 73-1.
      doi:10.1145/2461912.2461926
    12. Marwah, K., Wetzstein, G., Bando, Y., & Raskar, R. (2013). Compressive light field photography using overcomplete dictionaries and optimized projections. ACM Transactions on Graphics (TOG), 32(4), 1-12.
      doi:10.1145/2461912.2461914
    13. Lin, X., Wu, J., Zheng, G., & Dai, Q. (2015). Camera array based light field microscopy. Biomedical Optics Express, 6(9), 3179-3189.
      doi:10.1364/boe.6.003179
    14. Antipa, N., Necula, S., Ng, R., & Waller, L. (2016, May). Single-shot diffuser-encoded light field imaging. In 2016 IEEE International Conference on Computational Photography (ICCP) (pp. 1-11). IEEE.
      doi:10.1109/iccphot.2016.7492880
    15. Tan, Z. P., Johnson, K., Clifford, C., & Thurow, B. S. (2019). Development of a modular, high-speed plenoptic-camera for 3D flow-measurement. Optics Express, 27(9), 13400-13415.
      doi:10.1364/oe.27.013400
    16. Zhu, X., Zhang, B., Li, J., & Xu, C. (2020). Volumetric resolution of light field imaging and its effect on the reconstruction of light field PIV. Optics Communications, 462, 125263.
      doi:10.1016/j.optcom.2020.125263
    17. Kvon, A. Z., Bobylev, A. V., Guzanov, V. V., & Kharlamov, S. M. (2020, November). Application of the PTV with the use of a light-field camera to study three-dimensional wave regimes of liquid film flow. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1677, No. 1, p. 012069). IOP Publishing.
      doi:10.1088/1742-6596/1677/1/012069
    18. Zhang, D., Tropea, C., Zhou, W., Cai, T., Huang, H., Dong, X., Gao, L & Cai, X. (2024). Particle streak velocimetry: a review. Experiments in Fluids, 65(9), 130.
    19. Dong, X., Wang, X., Zhou, W., Wang, F., Tang, X., & Cai, X. (2023). 3D particle streak velocimetry by defocused imaging. Particuology, 72, 1-9.
      doi:10.1016/j.partic.2022.02.002
    20. Sold, S., Rädle, M., & Repke, J. U. (2025). Extended particle streak velocimetry (E-PSV) for a comprehensive view of film flows. Experiments in Fluids, 66(1), 19.
      doi:10.1007/s00348-024-03931-9
    21. Yang, M. (2024). A Three-Dimensional Flow Field Measurement Method Based on Light Field Particle Streak Velocimetry. Ukrainian Journal of Physical Optics, 25(4), 04038-04050.
      doi:10.3116/16091833/ukr.j.phys.opt.2024.04038
    22. 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
    23. Lynch, K. (2011). Development of a 3-D fluid velocimetry technique based on light field imaging. Auburn University.
    24. Georgiev, T., & Intwala, C. (2006). Light field camera design for integral view photography. Adobe System, Inc., Technical Report, 1.
    25. Ahrenberg, L., & Magnor, M. (2006). Light field rendering using matrix optics. WSCG2006 Full Papers Proceedings, 177-184.
    26. Cao, L., Zhang, B., Li, J., Song, X., Tang, Z., & Xu, C. (2019). Characteristics of tomographic reconstruction of light-field Tomo-PIV. Optics Communications, 442, 132-147.
      doi:10.1016/j.optcom.2019.03.026
    27. Georgiev, T., & Lumsdaine, A. (2010). Focused plenoptic camera and rendering. Journal of Electronic Imaging, 19(2), 021106-021106.
      doi:10.1117/1.3442712

    Технологія візуалізації світлового поля може фіксувати інтенсивність світла та напрямок його поширення в межах однієї експозиції, що дозволяє виконувати тривимірну візуалізацію, спрощуючи при цьому складність експерименту. У порівнянні з традиційними методами, такими як анемометрія за зображеннями частинок і анемометрія за відстеженням частинок, анемометрія за треками частинок (PSV) розширює верхню межу вимірюваної швидкості, ефективно працює при меншій інтенсивності світла та має суттєві переваги при аналізі високошвидкісних потоків. Інтеграція методів візуалізації світлового поля та вимірювання PSV поєднує в собі сильні сторони обох методів, що робить цей підхід особливо перспективним для тривимірних досліджень поля потоку. Попри великий потенціал, ця галузь залишається недостатньо вивченою. Раніше автором була розроблена тривимірна система експериментального вимірювання поля потоку на основі світлового поля PSV. У цій статті автор використовує програмне забезпечення Zemax для створення системи моделювання зображення світлового поля Галілеївого типу в непослідовному режимі. Були проаналізовані характеристики зображення цієї системи, що дозволило отримати калібрувальну криву глибини для змодельованої віртуальної системи візуалізації світлового поля та синтетичну тривимірну карту траєкторії. Тривимірна траєкторія була реконструювана за допомогою цього алгоритму шляхом інтеграції кривої калібрування глибини з алгоритмом вимірювання та обробки тривимірного поля потоку на основі світлового поля PSV. Цим дослідженням встановлено структуру моделювання Zemax для світлового поля PSV і запропоновано важливі дані моделювання для досліджень тривимірного вимірюванні поля потоку з використанням світлового поля PSV.

    Ключові слова: візуалізація світлового поля, велосиметрія за треками частинок, 3D вимірювання, моделювання Zemax

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©