Event-basierte Kameras verbessern Strömungsanalyse

Neue Methoden wie die Event Based Particle Image Velocimetry revolutionieren die Messung von Strömungen. Event-basierte Kameras von IDS ermöglichen hierbei eine hochdynamische und effiziente Erfassung, besonders von schnellen und turbulenten Bewegungen. Die Möglichkeiten der neuartigen Sensortechnologie für Anwendungen in Wissenschaft und Industrie werden in diesem Beitrag aufgezeigt.

Industriekameras mit Event-basiertem Vision Sensor; verwendetes Modell: uEye XCP-E aus der Kamerafamilie uEye EVS (Bild: IDS)

Moderne Messtechniken ermöglichen heute eine hochpräzise Erfassung der Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen – und liefern so wertvolle Daten für zahlreiche Anwendungen. Wie strömt die Luft um ein Flugzeug? Wie bewegt sich das Blut durch unsere Adern? Und wie lässt sich der Schadstoffausstoß in Verbrennungsprozessen minimieren? Dazu werden Geschwindigkeit, Richtung, Druck und Turbulenzen innerhalb einer Strömung analysiert, um in den unterschiedlichsten Bereichen die Effizienz zu steigern, Sicherheit zu gewährleisten und Innovationen voranzutreiben.

Zur Messung dieser Strömungen stehen diverse Methoden zur Verfügung, darunter visuelle Verfahren wie die Particle Image Velocimetry (PIV). Durch den Einsatz von hochauflösenden Kameras werden markierte Partikel innerhalb einer Strömung verfolgt und deren Bewegung analysiert.

Die iLA_5150 GmbH aus Aachen setzt dabei mittlerweile auch auf EBIV. Die Abkürzung steht für Event Based Particle Image Velocimetry und ist eine neue optische Methode zur qualitativen und quantitativen Sichtbarmachung von Strömungen und Strömungsgeschwindigkeiten. Sie kombiniert PIV mit Event-basierten Kameras, hier mit einer uEye EVS der IDS Imaging Development Systems GmbH. Die neuartige Sensortechnologie der Industriekamera ermöglicht eine hochdynamische und energieeffiziente Erfassung, insbesondere schneller und turbulenter Bewegungen.

Anwendung

Bei der EBIV-Methode werden einem strömenden Fluid kleinste Partikel zugesetzt und in einer Ebene, der sogenannten Lichtschnittebene, beleuchtet. Sie erzeugen bei Ein- und Austritt in den LED-Lichtschnitt einzelne Lichtimpulse. Diese Änderung der lokalen Helligkeit werden von den Pixeln der Kamera unabhängig erfasst und als Datenstream von „Change Events“ zum PC übertragen.

Im Unterschied zu konventionellen Kameras reagieren Event-basierte Modelle also nur auf die im Bildfeld registrierten Änderungen von Helligkeiten. Stationäres Streulicht, wie zum Beispiel Hintergründe oder angestrahlte Flächen, die sich nicht verändern, erzeugt kein Messsignal. Damit reduziert sich die Datenmenge erheblich.

Versuchsaufbau mit Strömungskanal, Strömungsmodell, Beleuchtungsquelle, Steuerungseinheit und uEye EVS Kamera (Bild: iLA_5150)

Bildraten von bis zu 10.000 Bildern pro Sekunde

Der Datenstream enthält im Wesentlichen Informationen darüber, was, wann und wo passiert. Das sind im Einzelnen die Pixelkoordinaten auf dem Sensor, mikrosekundengenaue Zeitstempel der Pixelevents und die Information über die Events: ON oder OFF. Damit kann zwischen steigender Intensität (ON-Event) und fallender Intensität (OFF-Event) unterschieden werden. Mit einer geeigneten Software kann der Stream in eine Bildmatrix gewandelt werden, in der sowohl die räumliche Information als auch die lineare Zeitbasis des Streams vorliegen. Das Ergebnis ist vergleichbar mit der extrem hohen Bildrate einer Hochgeschwindigkeitskamera.

„Das EBIV-Messverfahren unterscheidet sich grundsätzlich von klassischen bildgebenden Varianten. Sie erzeugen meist sehr hohe Datenmengen und erfordern eine leistungsfähige Peripherie, die diese verarbeiten kann. Für außergewöhnliche Bildwiederholraten von 1.000 Hertz und mehr sind zudem die benötigten bildbasierten Kameras selbst sehr komplex und hochpreisig. Mit Hilfe der Event-basierten Kameratechnik sind vergleichbare Frameraten von 10.000 Bildern pro Sekunde möglich, wobei lediglich PC-Standardschnittstellen, wie USB mit wenigen Gigabits pro Sekunde erforderlich sind. Der Preis der Event-basierten Modelle selbst liegt deutlich unter dem entsprechender Hochgeschwindigkeitskameras und ist damit auch für kleinere Lehr- und Forschungseinrichtung hoch interessant“, sagt Dr. André Brunn – Head of Development bei der iLA_5150 GmbH. 

Weiterverarbeitung

Der Datenstream wird in Bilddaten gewandelt und in einem Frontend – dem sogenannten EBIV-Viewer – dargestellt, für eine direkte Online-Strömungsvisualisierung. Der Anwender kann zudem die Integrationszeit (entspricht der Belichtungszeit einer Bildkamera) und die Zeitinkremente der Sequenz (Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen) wählen. Außerdem lassen sich klassische Bildfilter anwenden.

Mithilfe dieser Einstellungen kann der Nutzer die Darstellung der Bewegungspfade optimieren und an individuelle Untersuchungsziele anpassen. Sowohl feine Strömungsdetails als auch großräumige Muster lassen sich klarer erkennbar machen. Diese Möglichkeit zur Nachjustierung der Messergebnisse ist ein weiterer Vorteil des Event-basierten Ansatzes.

Strömungsvisualisierung im EBIV-Viewer (Bild: iLA_5150)

Bei der qualitativen Darstellung der Strömung im EBIV-View werden Partikel kontinuierlich beleuchtet, sodass sie als leuchtende Spuren sichtbar sind. Die Methode eignet sich damit sehr gut zur visuellen Veranschaulichung der Strömung. Sie liefert aber keine exakten Messwerte zu ihrer Geschwindigkeit oder Richtung. Für eine präzise, numerische Analyse der Strömungseigenschaften werden einzelne Partikel mittels kurzer, zeitlich definierter Lichtpulse für einen Moment beleuchtet. Dadurch kann ihre genaue Position erfasst und ihre Bewegung quantifiziert werden. Durch Vergleich der Partikelpositionen in aufeinanderfolgenden Bildern kann die Geschwindigkeit und Richtung der Strömung zum Beispiel mittels PIV exakt berechnet werden. Das Ergebnis ist ein instationäres 2D-Vektorfeld, das sich mit der Zeit verändert, bei dem die Vektoren also nicht konstant bleiben. Wie beim klassischen PIV können die Bildsequenzen der Event-basierten Kamera zusätzlich statistisch ausgewertet werden, um zum Beispiel Mittelwerte und Schwankungsgrößen der Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen.

PIV-View: Instationäres Strömungsfeld (links) und zeitgemitteltes Strömungsfeld (rechts) (Bild: iLA_5150)

Kamera und Software

Kameraseitig setzt iLA auf eine uEye XCP-E aus dem Hause IDS. Die kleine, leichte Industriekamera bietet Event-basierte Sensortechnologie in einem robusten Zinkdruckgussgehäuse (29 × 29 × 17 mm) mit verschraubbarem USB-Micro-B Anschluss. Sie ist mit allen gängigen C-Mount Objektivgrößen kompatibel. Damit eignet sie sich hervorragend sowohl für industrielle als auch nicht-industrielle Bereiche. Der integrierte Event-basierte Vision Sensor (EVS) wurde von Sony und Prophesee entwickelt. Unterstützt wird er durch das Metavision SDK, einer nahtlos integrierten Suite von Software-Tools und -Modellen, APIs und anderen Schulungs- und Entwicklungsressourcen von Prophesee für eine effiziente Auswertung, Visualisierung und Anpassung.

Darauf aufbauend ist der EBIV-Viewer von iLA_5150/PIVTec speziell auf die Anwendung zur Strömungsvisualisierung zugeschnitten. 

Ausblick

Die Optimierung strömungstechnischer Anlagen und Prozesse erfordert eine möglichst detaillierte Kenntnis der Strömungsverhältnisse. Oft reicht bereits eine qualitative Strömungsvisualisierung aus, um Effekte zu verstehen und geeignete Kontrollmechanismen zu entwickeln. Die Abbildung schneller Strömungen mit hoher zeitlicher Auflösung war bisher jedoch meist nur mit teuren Hochgeschwindigkeitskameras möglich.

Die Event-basierte Kameratechnik bietet hier eine kostengünstige Alternative, die mit deutlich geringerem technischem Aufwand auskommt. Besonders in Lehre und Forschung haben diese „einfachen“ Methoden bislang gefehlt. Dank der extremen Datenreduktion erlaubt diese Technik zudem den Einsatz mehrerer Kameras oder großer Kamera-Felder (Arrays), ohne dass die Peripherie für den Datentransfer zur Begrenzung wird. Durch ihre kompakte Bauweise eignen sich unter anderem die uEye EVS Modelle zudem hervorragend für mobile Anwendungen. So lassen sich erstmals reale Anwendungsumgebungen direkt untersuchen – ohne auf künstliche Strömungsmodelle oder -kanäle angewiesen zu sein.

Kurz gesagt: Event-basierte Kameras ermöglichen eine effiziente, kostengünstige und hochaufgelöste Visualisierung und Quantifizierung von Strömungen. Aufgrund der geringen erzeugten Datenmengen können viele Prozesse nahezu in Echtzeit analysiert werden, was sie auch für den Einsatz in vollautomatisierten Systemen interessant macht. Etablierte Strömungsmessverfahren wie die Particle Image Velocimetry (PIV) lassen sich nahtlos integrieren und erweitern. Die Technik kann überall dort eingesetzt werden, wo Strömungsinformationen durch Änderungen der Streulichtintensität erfasst werden – sei es durch bewegte Partikel oder schwingende Oberflächen.

Autorin: Sabine Terrasi, IDS Imaging Development Systems GmbH, Obersulm

Quelle: IDS Imaging Development Systems; Bilder: iLA_5150 GmbH, IDS