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友思特案例 | 基于事件的相機優化科學和工業領域的流量分析
導讀
如今，現代測量技術能夠對液體和氣體的流動進行高精度檢測，從而為眾多應用提供有價值的數據。為此，對流體的速度、方向、壓力和湍流進行分析，以提高生產效率、確保做工安全并推動各領域的創新。
有許多方法可以測量這些動態，其中粒子圖像測速儀（PIV）等可視化方法受到推崇。德國亞琛的 iLA_5150 GmbH 公司現在使用的 EBIV是一種新的光學方法，用于定性和定量地觀察被觀測體的流動和流速。友思特合作伙伴IDS研發的 uEye EVS事件相機創造了工業相機的創新傳感器技術。此技術可實現高動態、高能效的檢測，尤其是對快速和湍流運動的檢測。
一、應用：幀頻高達每秒 10,000 幀
在 EBIV 方法中，微小顆粒被添加到流動的流體中，并在一個平面（即所謂的光截面平面）上發光。它們在進入和離開 LED 燈部分時產生單獨的光脈沖。局部亮度的這種變化由像機像素獨立記錄，并作為 "變化事件 "數據流傳輸到個人電腦。因此，與傳統相機相比，基于事件的模型只對圖像區域中記錄的亮度變化做出反應。靜止的散射光，如背景或不變的照明表面，不會產生測量信號。這大大減少了數據量。
數據流實質上包含了關于何時何地發生了什么的信息。具體來說，這些信息包括傳感器上的像素坐標、像素事件的微秒時間戳以及事件的相關信息：打開或關閉。這樣就可以區分強度增加（ON 事件）和強度減少（OFF 事件）。使用合適的軟件，可以將數據流轉換成圖像矩陣，其中既有數據流的空間信息，也有線性時基。其效果堪比高速攝像機的超高幀頻。
"EBIV測量方法與傳統成像方法有著本質區別。它們通常會產生大量數據，需要外設來處理這些數據。對于 1000 赫茲及以上的特殊幀頻，所需的基于圖像的攝像機本身就非常復雜和昂貴。在基于事件的攝像技術的幫助下，幀頻可達到每秒 10,000 幀，而這只需要標準的 PC 接口，如每秒幾千兆位的 USB 接口。
iLA_5150 GmbH 的開發主管 André Brunn 博士解釋說："基于事件的模型本身的價格大大低于相應的高速攝像機，因此對小型教學和研究機構來說也非常有吸引力。
二、深度處理
數據流被轉換成圖像數據，并在前端（即所謂的 EBIV 查看器）中顯示，以便直接進行在線流量可視化。用戶還可以選擇積分時間（相當于圖像攝像機的曝光時間）以及序列的時間增量，即兩個連續鏡頭之間的間隔時間。還可以使用經典圖像濾鏡。借助這些設置，用戶可以優化運動軌跡的顯示，并使其適應個人的考試目標。無論是細微的流動細節還是大尺度的圖案，都能更清晰地辨認出來。這種重新調整測量結果的能力是基于事件的方法的另一個優勢。
在 EBIV-View 的定性可視化流程中，顆粒會被持續照亮，從而以發光的形式顯示出來。因此，這種方法非常適合于可視化流動。不過，它并不能提供精確的速度或方向測量值。
為了對流動特性進行精確的數值分析，單個顆粒會在短時間內受到光脈沖的照射。這樣就可以記錄它們的確切位置，并對其移動進行量化。例如，通過比較連續圖像中的顆粒位置，可以使用 PIV 精確計算出流動的速度和方向。其結果是一個隨時間變化的瞬態二維矢量場，換句話說，矢量并不是一成不變的。與傳統的 PIV 一樣，基于事件的相機的圖像序列也可以進行統計分析，例如確定流速的平均值和波動。
三、相機和軟件
在相機方面，iLA 依靠的是 IDS 的 uEye XCP-E。這款小巧輕便的工業相機采用基于事件的傳感器技術，采用堅固耐用的壓鑄鋅外殼（29 × 29 × 17 毫米），帶有螺釘固定的 USB Micro-B 接口。它兼容所有標準 C 卡口鏡頭尺寸。因此，它既適用于工業應用，也適用于非工業應用。
基于事件的視覺傳感器（EVS）由IDS和索尼公司和 Prophesee 公司共同開發。它由 Metavision SDK 提供支持，Metavision SDK 是一套無縫集成的軟件工具和模型、應用程序接口以及 Prophesee 提供的其他培訓和開發資源，可用于高效分析、可視化和定制。
在此基礎上，iLA_5150/PIVTec 的 EBIV 查看器專門針對流量可視化應用而定制。
四、應用前景
流體系統和工藝的優化需要詳細了解流動條件。定性的流量可視化通常足以了解效果并制定合適的控制機制。
然而，在此之前，通常只有昂貴的高速相機才能對快速流動進行高時間分辨率成像。基于事件的攝像技術提供了一種具有成本效益的替代方案，所需的技術工作大大減少。這些 "簡單 "的方法在教學和研究中尤其缺乏。由于數據量極度減少，這項技術還允許使用多臺攝像機或大型攝像機陣列，而不會使外圍設備成為數據傳輸的限制。uEye EVS 型號的緊湊設計也使其成為移動應用的理想選擇。這意味著可以直接分析真實的應用環境，而無需依賴人工流量模型或通道。
簡而言之，事件相機可對流量進行高效、經濟、高分辨率的可視化和量化。由于產生的數據量較小，許多過程甚至可以做到實時分析，這也使該技術可以在全自動系統適配。粒子圖像測速儀（PIV）等成熟的流量測量方法可以無縫集成和擴展。該技術可用于通過散射光強度變化捕捉流動信息的領域，無論是移動的顆粒還是振動的表面都可精準捕捉。