Een eenvoudig camerasysteem in combinatie met een geavanceerd beeldverwerkingsalgoritme kan snellere en nauwkeurigere reconstructies van de deeltjesstroom bereiken.

Door een complexe hardwareconfiguratie te vervangen door eenvoudige hardware gecombineerd met geoptimaliseerde beeldverwerking, onderzoekers van KAUST hebben een sneller en nauwkeuriger driedimensionaal (3D) deeltjesvolgsysteem ontwikkeld.

Het observeren van de 3D-beweging van deeltjes in stroming is belangrijk in studies van aerodynamica, vloeistofstroom en moleculaire dynamica. conventioneel, dit wordt uitgevoerd met behulp van een ingewikkelde opstelling van meerdere camera's, waarvan de beelden worden geanalyseerd en vergeleken om de beweging van individuele deeltjes in de 3D-ruimte in de loop van de tijd te reconstrueren. Echter, vanwege de complexiteit van de installatie en de noodzaak van frequente en kieskeurige kalibratie, dergelijke 3D-deeltjessnelheidsmetriesystemen zijn vaak groot, duur en moeilijk in gebruik.

Holografie biedt een veelbelovend, eenvoudiger alternatief. Bij deze benadering de deeltjes worden belicht met een laserstraal en het deeltjesbeeld wordt vastgelegd door een enkele camera. Terwijl het laserlicht rond elk deeltje buigt, de 3D-locatie van het deeltje kan worden gemeten aan de hand van de grootte van de diffractiering in het beeld. Echter, terwijl de hardware voor een dergelijk systeem goed ingeburgerd is, de software voor het reconstrueren van de deeltjesstroom staat nog in de kinderschoenen.

Ni Chen en Congli Wang van KAUST in de groep van Wolfgang Heidrich hebben nu een geoptimaliseerd reconstructiealgoritme voor deeltjesbeweging ontwikkeld dat de acceptatie van digitale holografische deeltjessnelheidsmeting aanzienlijk zou kunnen uitbreiden.

"Inline holografie vereist minder componenten, heeft een veel eenvoudigere installatie, kan gemakkelijk worden gebruikt met microscopen en biedt een hogere ruimtelijke resolutie, maar is moeilijker numeriek op te lossen, ", legt Wang uit. "We hebben aangetoond dat we dezelfde of zelfs betere prestaties kunnen bereiken dan conventionele methoden door gebruik te maken van geavanceerde software-algoritmen."

Eerdere algoritmen voor reconstructie van deeltjesbewegingen analyseerden de locatie en beweging van deeltjes in afzonderlijke opeenvolgende stappen. Het onderzoeksteam ontwikkelde een numeriek algoritme genaamd Holo-Flow dat zowel locatie als beweging parallel oplost, de informatie in elke stap kruiselings invoeren. Dit verbetert niet alleen de nauwkeurigheid en kwaliteit van de stromingsreconstructie, het maakt het ook mogelijk om de verwerking van het algoritme te parallelliseren voor een veel snellere berekening.

"Dit werk toont het potentieel van computationele beeldverwerking waarbij de hardware en software gezamenlijk als een geheel worden beschouwd voor het coderen en decoderen van doelinformatie, " zegt Wang, die zijn onderzoek voortzet als postdoc aan de University of California, Berkeley. "Door deze methode te gebruiken met een eenvoudige inline holografieopstelling, we kunnen een stroomveld in een paar seconden reconstrueren in plaats van uren op een enkele grafische processor."