مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی، به‌کارگیری و مقایسه‌ی روش‌های برازش جهت تحلیل زیر پیکسل تصاویر جابجایی ذرات

نویسندگان
علی ناصری 1
آرمان محسنی 2
1 دانشگاه شهید بهشتی - دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی - تهران - ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی
چکیده
روش سرعت‌سنجی به کمک تصویر ذرات یکی از روش‌های متداول اندازه‌گیری است که قابلیت اندازه‌گیری سرعت لحظه‌ای جریان سیال را دارد. در این روش با استفاده از ذرات کوچک شناور در جریان که قابلیت حرکت همراه جریان سیال و بازتابش نور را دارند، الگوی حرکت سیال توسط دستگاه تصویر برداری ثبت شده و پس از تحلیل، سرعت جریان سیال به دست می‌آید. یکی از روش‌هایی که به منظور تحلیل تصاویر جابجایی ذرات به کار می‌رود، تحلیل همبستگی است که در آن با تقسیم تصاویر به پنجره‌های کوچک واکاوی، جهت حرکت ذرات ثبت شده در هر پنجره محاسبه شده و در نتیجه بردارهای جابجایی کل ذرات موجود در تصویر تعیین می‌شود. یکی از خصوصیاتی که دقت این روش به آن وابسته است، تخمین محل نقطه بیشینه همبستگی است. هدف این پژوهش، بررسی روش‌های برازش و به‌کار‌گیری آن‌ها در الگوریتم تحلیل جابجایی ذرات به منظور دستیابی به دقت زیر پیکسل در تعیین بیشینه همبستگی و تعیین جابجایی ذرات با دقت زیر پیکسل است. به این منظور، به بررسی تئوری و تجربی روش‌های برازش با سهمی و رویه درجه دو پرداخته می‌شود. جهت دستیابی به شرایط تعریف شده، به جای استفاده از سیال، از تغییر شکل جسم جامد تحت بارگذاری یکنواخت استفاده می‌شود و به جای ذرات شناور در سیال، از توزیع ذرات بر روی سطح جسم استفاده می‌شود. نتایج نشان می‌دهد، هر دو الگوریتم برازش مورد بررسی در این تحقیق دارای قابلیت اندازه‌گیری میزان جابجایی در ابعاد زیر پیکسل و میکرومتر و با میزان خطای 0.035 پیکسل یا یک میکرومتر می‌باشند.
کلیدواژه‌ها
سرعت‌سنجی به کمک تصویر ذرات (PIV)
دقت زیر پیکسل
تحلیل همبستگی
برازش تابع
اندازه‌گیری تغییر شکل دو‌بعدی

موضوعات

عنوان مقاله English

Investigation, implementation, and comparison of fitting methods for sub-pixel analysis of particle displacement images

نویسندگان English

Ali Naseri 1
Arman Mohseni 2
1 Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University (SBU)
چکیده English

Particle image velocimetry (PIV) is an optical flow measurement technique, which is capable of measuring instantaneous flow velocity. In this method, visualized flow patterns by small tracer particles, which follow the fluid flow and reflect an incident light, is recorded by a camera successively, and an analysis of particle movements in the recorded images results in the velocity of flow field. Correlation analysis is commonly used for the analysis of particle shift images, in which the images are divided into smaller windows called interrogation windows. The common displacement vector of particles in each interrogation window is determined by correlation analysis, which in turn results in the displacement vectors for the entire image. The accuracy of this method is dependent on the estimation of the location of the maximum value of correlation with subpixel accuracy. The objective of this research is the evaluation of function fit methods to estimate of the correlation peak location with subpixel accuracy. For this purpose, parabolic curve and second order surface fitting are investigated theoretically and experimentally. To achieve definite displacements, deformation of a solid part under uniform loading is investigated instead of fluid flow and the displacement of point patterns painted on the solid surface are analyzed. The results show that both function fit methods are capable of resolving subpixel movements with the accuracy of 0.035 pixel or one micrometer in this research.

کلیدواژه‌ها English

Particle Image Velocimetry (PIV)
Subpixel Accuracy
correlation analysis
Function Fitting
Measurement of Two Dimensional Deformation
[1] M. Raffel, J. Kompenhans, S. T. Wereley, C. E. Willed, Particle Image Velocimeny: A Practical Guide, 2nd ed., pp. 79-176, Germany: Springer , 2007.
[2] R. J. Adrian, Double exposure, multiple-field particle image velocimetry for turbulent probability density, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 9, No. 3, pp. 211-228,1988.
[3] J. Westerweel, Fundamentals of digital particle image velocimetry, Measurement Science and Technology, Vol. 8, No. 12, pp. 1379-1392,1997.
[4] M. Stanislas, J. Westerweel, J. Kompenhans, Particle image velocimetry: recent improvements, Proceedings of the EUROPIV 2 Workshop, Zaragoza, Spain, Springer, pp. 145-161,2003.
[5] A. Mohseni, On the technical aspects of the application of PIV in turbomachinery, 3rd Conference on Rotating Equipment in Oil & Power Industries, Tehran, Iran, 2011.
[6] R. A. Braga Jr., R. R. Magalhaes, R. P. Melo, J. V. Gomes, Maps of deformations in a cantilever beam using particle image velocimetry (PIV) and speckle patterns, REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, Vol. 68, No. 3, pp. 273-278,2015.
[7] D. J. White, W. A. Take, M. D. Bolton, Soil deformation measurement using particle image velochnetry (PIV) and photogrammetry, Gootechnique, Vol. 53, No. 7, pp. 619-631,2003.
[8] H. Isheil-Bubaker, J. F. Fontaine, R. Rahel, M. Roy, J. Serri, 3D displacements and strains solid measurement based on the surface texture with a scanner laser, 8th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering (Procedia CIRP 12), pp. 468-473,2013.
[9] I. Grant, Particle image velocimetry: A review, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Mechanical Engineering Science, Vol. 211, No. 1, pp. 55-76,1997.
[10] L. Lourenco, A. Krothapalli, On the accuracy of velocity and vorticity measurements with Ply, Experiments in Fluids, Vol. 18, No. 6, pp. 421-428, 1995.
[11] B. Lecordier, Study of the Interaction of the Propagation of a Premixed Flame with the Aerodynamic Field, by Association of the Laser Tomography and the velocimetry by Images Of Particles, PhD Thesis, The University of Rouen, 1997.
[12] F. Scarano, A super-resolution particle image velocimetry interrogation approach by means of velocity second derivatives correlation, Measurement Science and Technology, Vol. 15, No. 2, pp. 475-486,2004.
[13] A. Salari, M. B. Shafii, S. Shirani, An experimental review on microbubble generation to be used in echo-particle image velocimetry method to determine the pipe flow velocity, Fluids Engineering, Vol. 135, No. 3, pp. 034501-1 to 034501-6,2013.
[14] M. Zabetian, M. S. Saidi, M. B. Shafii, M. H. Saidi, Separation of microparticles suspended in a minichannel using laser radiation pressure, Applied Optics, Vol. 52, No. 20, pp. 4950-4958,2013
[15] G. Akbari, N. Montazerin, M. Akbarizadeh, Stereoscopic particle image velocimetry of the flow field in the rotor exit region of a forward-blade centrifugal turbomachine, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Power and Energy, Vol. 226, No. 2, pp. 163-181,2012.
[16] M. Belmont, A. Hotchkiss, Generalized cross-correlation functions for engineering applications, part I: basic theory, Journal of Applied Mechanics, Vol. 64, No. 2, pp. 321-326,1997.
[17] A. Mohseni. Development of Endoscopic Stereoscopic PIV for Investigating the IGV-Impeller Interaction in a Centrifugal Compressor, pp. 101-105, Germany: Sildwestdeutscher Verlag fiir Hochschulschriften, 2011.
[18] E. W. Weisstein, CRC Concise Encyclopedia of Mathematics, 2nd Edition, pp. 1713-1716, Boca Raton: Chapman & Hall, 2003.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 9
دی 1397
صفحه 163-172