Seul le changement compte
Des caméras IDS event-based optimisent l'analyse des flux dans la science et l'industrie.
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Les techniques de mesure modernes permettent aujourd'hui de détecter avec une grande précision le mouvement des liquides et des gaz - et fournissent ainsi des données précieuses pour de nombreuses applications. Comment l'air circule-t-il autour d'un avion ? Comment le sang se déplace-t-il dans nos veines ? Et comment minimiser les émissions de polluants dans les processus de combustion ? Pour ce faire, la vitesse, la direction, la pression et les turbulences au sein d'un écoulement sont analysées afin d'améliorer l'efficacité, de garantir la sécurité et de stimuler l'innovation dans les domaines les plus divers.
Il existe diverses méthodes pour mesurer ces flux, notamment des méthodes visuelles comme la vélocimétrie par images de particules (PIV). L'utilisation de caméras à haute résolution permet de suivre des particules marquées au sein d'un flux et d'analyser leur mouvement. L'entreprise iLA_5150 GmbH d'Aix-la-Chapelle mise désormais aussi sur l'EBIV. Cette abréviation signifie Event Based Particle Image Velocimetry et désigne une nouvelle méthode optique permettant de visualiser qualitativement et quantitativement les écoulements et les vitesses d'écoulement. Elle combine la PIV avec des caméras event-based, ici avec une uEye EVS de IDS Imaging Development Systems GmbH. La nouvelle technologie du capteur de la caméra industrielle permet une détection hautement dynamique et peu gourmande en énergie, en particulier pour les mouvements rapides et turbulents.
Application
La méthode EBIV consiste à ajouter de minuscules particules à un fluide en circulation et à l'éclairer dans un plan, appelé plan de coupe de la lumière. Ils génèrent des impulsions lumineuses individuelles à l'entrée et à la sortie de la section lumineuse des LED.
Cette modification de la luminosité locale est saisie indépendamment par les pixels de la caméra et transmise à l'ordinateur sous forme de flux de données de "Change Events". Contrairement aux caméras conventionnelles, les modèles event-based ne réagissent donc qu'aux changements de luminosité detectés dans le champ de vision. La lumière diffuse stationnaire, comme par exemple les arrière-plans ou les surfaces éclairées qui ne changent pas, ne produit pas de signal. Cela permet de réduire considérablement la quantité de données.
Montage expérimental avec canal d'écoulement, modèle d'écoulement, source d'éclairage, unité de commande et caméra uEye EVS.
Fréquence d’acquisition jusqu'à 10000 images par seconde
Le flux de données contient essentiellement des informations temporelles et de localisation sur ce qui se passe. Il s'agit en particulier des coordonnées des pixels sur le capteur, de l'horodatage à la microseconde et des informations sur les événements : ON ou OFF. Il est ainsi possible de faire la distinction entre une intensité croissante (ON-Event) et une intensité décroissante (OFF-Event). Avec un logiciel approprié, le flux peut être converti en image dans laquelle se trouvent à la fois les informations spatiale et temporelle. Le résultat est comparable au taux de rafraîchissement extrêmement élevé d'une caméra à haute vitesse.
"La méthode de mesure EBIV se distingue fondamentalement des variantes d'imagerie classiques. Ils génèrent généralement de très grandes quantités de données et nécessitent des périphériques performants capables de les traiter. De plus, pour des taux de rafraîchissement exceptionnels de 1000 Hertz et plus, les caméras conventionnelles nécessaires sont elles-mêmes très complexes et coûteuses. La technique de caméra event-based permet d'atteindre des taux d'images comparables de 10000 images par seconde, en ne nécessitant que des interfaces PC standard, comme l'USB avec quelques gigabits par seconde. Le prix des modèles event-based lui-même est nettement inférieur à celui des caméras haute vitesse correspondantes, ce qui les rend très intéressants pour les petits établissements d'enseignement et de recherche", explique le Dr André Brunn - Head of Development chez iLA_5150 GmbH.
Traitement ultérieur
Le flux de données est converti en image et affiché dans le logiciel « EBIV » pour une visualisation directe. L'utilisateur peut également choisir le temps d'intégration, qui correspond au temps d'exposition d'une caméra, ainsi que les incréments de temps de la séquence, c'est-à-dire l'intervalle de temps entre deux prises de vue successives. Il est également possible d'appliquer des filtres de traitement d'image classiques. Ces paramètres permettent à l'utilisateur d'optimiser la représentation des trajectoires de mouvement et de les adapter aux objectifs individuels de l'examen. Les détails fins de l'écoulement ainsi que les modèles à grande échelle peuvent être identifiés plus clairement. Cette possibilité de réajuster les résultats de mesure est un autre avantage de l'approche « event-based ».
Lors de la représentation qualitative de l'écoulement dans l'EBIV-View, les particules sont éclairées en continu, de sorte qu'elles sont visibles sous forme de traces lumineuses. La méthode convient donc très bien à la représentation visuelle de l'écoulement. Elle ne fournit toutefois pas de valeurs de mesure exactes concernant sa vitesse ou sa direction. Pour une analyse numérique précise des propriétés d'écoulement, des particules individuelles sont éclairées pendant un instant au moyen de courtes impulsions lumineuses définies dans le temps. Cela permet d'enregistrer leur position exacte et de quantifier leur mouvement. En comparant les positions des particules dans des images successives, la vitesse et la direction de l'écoulement peuvent être calculées avec précision, par exemple par PIV. Le résultat est un champ de vecteurs 2D instationnaire qui évolue avec le temps - dans lequel les vecteurs ne restent donc pas constants. Comme pour la PIV classique, les séquences d'images de la caméra event-based peuvent en outre être analysées statistiquement, afin de déterminer par exemple les valeurs moyennes et les variations de la vitesse d'écoulement.
Visualisation de l'écoulement dans le logiciel de l'EBIV.
This allows their exact position to be recorded and their movement quantified. By comparing the particle positions in successive images, the speed and direction of the flow can be precisely calculated using PIV, for example. The result is a transient 2D vector field that changes over time - in other words, the vectors do not remain constant. As with classic PIV, the image sequences of the event-based camera can also be statistically analysed, for example to determine mean values and fluctuations in the flow velocity.
PIV-View : Champ d'écoulement instationnaire (à gauche) et champ d'écoulement moyen dans le temps (à droite)
Caméra et logiciel
Côté caméra, iLA mise sur une uEye XCP-E de la société IDS. Cette petite caméra industrielle légère offre une technologie event-based dans un boîtier robuste en zinc moulé sous pression (29 × 29 × 17 mm) avec un connecteur USB-Micro-B vissable. Elle est compatible avec toutes les tailles d'objectifs C-Mount courantes. Elle est donc idéale pour les secteurs industriels et non industriels. Le capteur « event-based » (EVS) a été développé par Sony et Prophesee. Il est piloté par le SDK de Metavision, une suite parfaitement intégrée d'outils et de modèles logiciels, d'API et d'autres ressources de formation et de développement de Prophesee pour une évaluation, une visualisation et une utilisation efficaces.
Sur cette base, le visualiseur EBIV de l'iLA_5150/PIVTec est spécialement adapté à l'application de visualisation des flux.
Perspectives
L'optimisation des installations et des processus fluidiques nécessite une connaissance aussi détaillée que possible des conditions d'écoulement. Souvent, une visualisation qualitative de l'écoulement suffit déjà pour comprendre les effets et développer des mécanismes de contrôle appropriés. Cependant, l'imagerie d'écoulements rapides avec une résolution temporelle élevée n'était jusqu'à présent généralement possible qu'avec des caméras haute vitesse coûteuses. La technologie event-based offre ici une alternative avantageuse qui nécessite nettement moins de moyens techniques. Ces méthodes "simples" ont fait défaut jusqu'à présent, en particulier dans l'enseignement et la recherche. Grâce à la réduction extrême du volume de données, cette technologie permet en outre d'utiliser plusieurs caméras ou de grands champs de caméras (arrays) sans que l’arrière plan ne devienne une limite pour le transfert de données. Grâce à leur construction compacte, les modèles uEye EVS, entre autres, conviennent parfaitement aux applications mobiles. Ainsi, pour la première fois, il est possible d'étudier directement des environnements d'application réels - sans dépendre de modèles ou de canaux d'écoulement artificiels.
En résumé : Les caméras event-based permettent de visualiser et de quantifier les flux de manière efficace, économique et en haute résolution. En raison des faibles quantités de données générées, de nombreux processus peuvent être analysés quasiment en temps réel, ce qui les rend également intéressants pour une utilisation dans des systèmes entièrement automatisés. Les méthodes de mesure de l'écoulement établies, comme la vélocimétrie par images de particules (PIV), peuvent être intégrées et étendues de manière transparente. Cette technique peut être utilisée partout où des informations sur l'écoulement sont saisies par des modifications de l'intensité de la lumière diffusée - que ce soit par des particules en mouvement ou des surfaces vibrantes.
Caméra
uEye EVS - Caméra industrielle avec capteur de vision « event-based »
Modèle utilisé : uEye XCP-E
Famille de caméras : uEye EVS
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