Ett enkelt kamerasystem parat med en sofistikerad bildbehandlingsalgoritm kan uppnå snabbare och mer exakta rekonstruktioner av partikelflödet.

Genom att ersätta en komplex hårdvaruinställning med enkel hårdvara parad med optimerad bildbehandling, forskare från KAUST har utvecklat ett snabbare och mer exakt tredimensionellt (3D) partikelspårningssystem.

Att observera 3D-rörelsen hos partiklar i flöde är viktigt i studier av aerodynamik, vätskeflöde och molekylär dynamik. Konventionellt, detta utförs med hjälp av ett komplicerat arrangemang av flera kameror, bilderna analyseras och jämförs för att rekonstruera enskilda partiklars rörelse i 3D-rymden över tid. Dock, på grund av komplexiteten i installationen och behovet av frekvent och noggrann kalibrering, sådana 3D-partikelhastighetssystem är ofta stora, dyr och svår att använda.

Holografi erbjuder ett lovande enklare alternativ. I detta tillvägagångssätt, partiklarna belyses med en laserstråle och partikelbilden fångas av en enda kamera. När laserljuset diffrakterar runt varje partikel, 3D-läget för partikeln kan mätas från storleken på diffraktionsringen i bilden. Dock, medan hårdvaran för ett sådant system är väletablerad, programvaran för att rekonstruera partikelflödet är fortfarande i sin linda.

KAUSTs Ni Chen och Congli Wang i Wolfgang Heidrichs grupp har nu utvecklat en optimerad partikelrörelserekonstruktionsalgoritm som avsevärt skulle kunna utöka användningen av digital holografisk partikelhastighet.

"Inline holografi kräver färre komponenter, har en mycket enklare installation, kan enkelt användas med mikroskop och erbjuder en högre rumslig upplösning, men är svårare att lösa numeriskt, " förklarar Wang. "Vi har visat att vi kan uppnå samma eller till och med bättre prestanda än konventionella metoder genom att använda sofistikerade mjukvarualgoritmer."

Tidigare partikelrörelserekonstruktionsalgoritmer analyserade partikelplacering och rörelse i separata sekventiella steg. Forskargruppen utvecklade en numerisk algoritm kallad Holo-Flow som löser både lokalisering och rörelse parallellt, korsmata informationen i varje steg. Detta förbättrar inte bara noggrannheten och kvaliteten på flödesrekonstruktionen, den tillåter också att algoritmbehandlingen parallelliseras för mycket snabbare beräkning.

"Detta arbete visar potentialen för datorbaserad bildbehandling där hårdvaran och mjukvaran gemensamt betraktas som en helhet för kodning och avkodning av målinformation, säger Wang, som kommer att fortsätta sin forskning som postdoc vid University of California, Berkeley. "Med den här metoden med en enkel inline holografiinställning, vi kan rekonstruera ett flödesfält på några sekunder istället för timmar på en enda grafikprocessor."