IDS EVS – Pouze pohyb se počítá

15. dubna 2025

Event based kamery optimalizují analýzu toku ve vědě i průmyslu

Moderní měřicí technologie dnes umožňují vysoce přesnou detekci pohybu kapalin a plynů. Poskytují tak cenné údaje pro řadu aplikací. Jak proudí vzduch kolem letadla? Jak se pohybuje krev v našich žilách? A jak lze minimalizovat emise znečišťujících látek při spalovacích procesech? Analýzou rychlosti, směru, tlaku a turbulencí v proudění lze zvýšit účinnost, bezpečnost a také posunout hranici inovací v technologiích.

K měření pohybu kapalin a plynů je k dispozici řada metod. Jedna z nich je obrazová velocimetrie částic (Particle Image Velocimetry – PIV). Ke sledování označených částic v proudu a analýze jejich pohybu se používají kamery s vysokým rozlišením. Firma iLA_5150 GmbH z Cách (Německo) se nyní spoléhá také na EBIV. Tato zkratka znamená Event Based Particle Image Velocimetry a jedná se o novou optickou metodu pro kvalitativní a kvantitativní vizualizaci proudění a rychlostí proudění. Kombinuje PIV s event based kamerami uEye EVS od společnosti IDS Imaging Development Systems GmbH. Inovativní technologie snímače průmyslové kamery umožňuje vysoce dynamickou a energeticky úspornou detekci, zejména rychlých a turbulentních pohybů.

Aplikace

Při metodě EBIV se do proudící kapaliny přidávají drobné částice a osvětlují se v rovině světelného řezu. Při vstupu a výstupu částic ze světelného toku generují jednotlivé částice světelné impulsy. Tato změna lokálního jasu je nezávisle na sobě zaznamenávána pixely kamery a přenášena do počítače jako datový tok „change events“. Na rozdíl od běžných kamer tedy event based modely reagují pouze na změny jasu zaznamenané v obrazovém poli. Nehybné rozptýlené světlo, jako je pozadí nebo neměnící se osvětlený povrch, nevytváří žádný signál. Tím se výrazně snižuje množství dat.

Experimentální sestava s průtokovým kanálem, modelem proudění, zdrojem osvětlení, řídicí jednotkou a kamerou uEye EVS.

Snímková frekvence až 10 000 snímků za sekundu

Datový tok kamery IDS EVS v podstatě obsahuje informace o tom, co, kdy a kde se děje. Podrobně se jedná o souřadnice pixelů na snímači, mikrosekundová časová razítka událostí v pixelech a informace o těchto událostech typu ON nebo OFF. To umožňuje rozlišit mezi rostoucí intenzitou (událost ON) a klesající intenzitou (událost OFF). Pomocí vhodného softwaru lze proud kapaliny převést na obrazovou matici, v níž jsou k dispozici jak prostorové informace, tak lineární časová základna proudu. Výsledek je srovnatelný s extrémně vysokou snímkovou frekvencí vysokorychlostní kamery.

„Metoda měření EBIV se zásadně liší od běžných zobrazovacích metod. Ty obvykle generují velmi velké množství dat a vyžadují výkonné periferní zařízení, které je dokáže zpracovat. Pro snímkovací frekvence více než 1000 Hertzů jsou potřebné obrazové kamery samy o sobě velmi složité a drahé. Pomocí technologie event based kamer je možné dosáhnout snímkové frekvence až 10 000 snímků za sekundu, přičemž stačí pouze standardní PC rozhraní USB3 s rychlostí několika gigabitů za sekundu. Cena samotných event based modelů kamer je výrazně nižší než cena odpovídajících vysokorychlostních kamer, a proto je velmi zajímavá i pro menší výukové a výzkumné instituce,“ vysvětluje Dr. André Brunn vedoucí vývoje ve společnosti iLA_5150 GmbH.

Postprocessing

Datový tok je převeden na obrazová data a zobrazen v tzv. prohlížeči EBIV pro přímou online vizualizaci toku. Uživatel může rovněž zvolit integrační čas, který odpovídá expoziční době obrazové kamery, a časové přírůstky sekvence, tj. dobu mezi dvěma po sobě jdoucími snímky. Použít lze také klasické obrazové filtry. Pomocí těchto nastavení může uživatel optimalizovat zobrazení pohybových drah a přizpůsobit je individuálním cílům měření. Díky tomu lze jemné detaily toku i plošné vzory zřetelněji rozpoznat. Tato možnost opětovného nastavení měření je další výhodou přístupu založeného na technologii event based.

Při kvalitativní vizualizaci proudění v systému EBIV-View jsou částice průběžně osvíceny, takže jsou viditelné jako světelné stopy. Metoda je proto velmi vhodná pro vizualizaci proudění. Neumožňuje však přesné měření jeho rychlosti nebo směru. Pro přesnou numerickou analýzu vlastností proudění jsou jednotlivé částice na okamžik osvětleny pomocí krátkých, časově definovaných světelných pulzů. To umožňuje zaznamenat jejich přesnou polohu a kvantifikovat jejich pohyb. Porovnáním polohy částic na po sobě jdoucích snímcích lze například pomocí PIV přesně vypočítat rychlost a směr proudění. Výsledkem je přechodné 2D vektorové pole, které se v čase mění – jinými slovy, vektory nezůstávají konstantní. Stejně jako u klasického PIV lze sekvence snímků z kamery založené na událostech také statisticky analyzovat, například pro určení středních hodnot a kolísání rychlosti proudění.

Vizualizace toku v prohlížeči EBIV.

Kamera a software

Pokud jde o kameru, firma iLA používá kameru uEye XCP-E od společnosti IDS. Tato malá, lehká průmyslová kamera nabízí technologii event based snímače v robustním krytu ze zinkové slitiny (o rozměrech 29 × 29 × 17 mm) se šroubovacím USB Micro-B konektorem. Je také kompatibilní se všemi standardními velikostmi objektivů C-mount. Díky tomu je ideální pro průmyslové i neprůmyslové oblasti. Integrovaný snímač vidění založený na událostech (EVS) byl vyvinut společnostmi Sony a Prophesee. Je podporován vývojovou sadou Metavision SDK, která umožní bezproblémově integrovat sadu softwarových nástrojů a modelů, rozhraní API a další zdroje pro efektivní analýzu, vizualizaci a přizpůsobení k danému projektu. Díky tomu je prohlížeč EBIV od společnosti iLA_5150/PIVTec speciálně přizpůsoben pro aplikace vizualizace toku.

Optimalizace fluidních systémů a procesů vyžaduje detailní znalost podmínek proudění. Kvalitativní vizualizace proudění je často dostačující pro pochopení účinků a vývoj vhodných řídicích mechanismů. Dosud však bylo zobrazování rychlého proudění s vysokým časovým rozlišením obvykle možné pouze pomocí drahých vysokorychlostních kamer. Technologie event based kamer nabízí cenově výhodnou alternativu, která vyžaduje podstatně menší technické úsilí. Tyto „jednoduché“ metody chyběly zejména ve výuce a výzkumu. Díky extrémní redukci dat umožňuje tato technologie také použití několika kamer nebo kamerových polí, aniž by se tato periferie stala omezením během přenosu dat. Kompaktní konstrukce modelů uEye EVS je také ideální pro mobilní aplikace. To znamená, že lze přímo analyzovat reálné prostředí aplikace bez nutnosti spoléhat se na umělé modely proudění.

PIV-View: Nestabilní proudové pole (vlevo) a časově zprůměrované proudové pole (vpravo)

Shrnutí

Stručně řečeno: Event based kamery umožňují efektivní vizualizaci a kvantifikaci toků medií s vysokým rozlišením. Díky malému množství generovaných dat lze mnoho procesů analyzovat téměř v reálném čase, což je činí zajímavými i pro použití v plně automatizovaných systémech. Zavedené metody měření průtoku, jako je například PIV, lze bezproblémově integrovat a rozšířit.

Tuto technologii lze použít všude tam, kde se informace o proudění zachycují pomocí změn intenzity rozptýleného světla ať už od pohybujících se částic nebo vibrujících povrchů.

V případě zájmu o více informací nás neváhejte kontaktovat!