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Forschungsgruppe Informationstechnik - Projektbeschreibung

Geschwindigkeitsschätzung für dünn besetzte Bildsequenzen

Particle Image Velocimetry (PIV) und Particle Tracking Velocimetry (PTV) sind wichtige Abbil-dungstechniken der Strömungsmesstechnik. Sie kommen in vielen Anwendungsgebieten, bei-spielsweise von der Optimierung von Verbrennungsprozessen bis hin zu Schiffsantrieben zum Einsatz. Mit Hilfe von hochauflösenden CCD- und CMOS-Hochgeschwindigkeitskameras werden Partikel in den Strömungen detektiert und verfolgt (Tracking). Man ist mittlerweile in der Lage, die dreidimensionale Bewegung mehrerer zehntausend Partikel aus einer Bildsequenz mit Genauig-keiten von 0,1 Pixel zu rekonstruieren, so dass auch instationäre Prozesse und Turbulenzerschei-nungen dreidimensional charakterisiert werden können. Die derzeitige Limitierung der PIV-Technik und anderer mehrdimensionaler abbildender Geschwindigkeitsmesstechniken besteht darin, dass bei hoher zeitlicher Auflösung (>100Hz Framerate) keine Echtzeitverarbeitung der Bilddaten mehr möglich ist. Damit können die Messverfahren nicht als Prozessmesstechnik eingesetzt werden. Weiterhin sind die anfallenden Datenmengen so groß, dass die technisch mögliche Aufnahmezeit bei Bildwiederholraten im kHz-Bereich in der Regel nur wenige Sekunden beträgt, was für eine kontinuierliche Analyse unzureichend ist. In diesem Projekt sollen dazu zwei unterschiedliche An-sätze verfolgt werden.

Zum einen soll eine echtzeitfähige Lösung zur mehrdimensionalen Schätzung mit Hilfe der stochastischen Abtastung der Bilddaten entwickelt werden. Die integralen Verschiebungsvektoren werden direkt aus zwei oder mehr Bildern geschätzt, ohne die Strukturen einzeln zu analysieren. Klassische Ansätze für vollständige Bilddaten, welche z.B. den Phasenversatz im Kreuzleistungs-dichtespektrum, die Kreuzkorrelation (PIV) oder die Filterwirkung periodischer Strukturen (Ortsfil-tertechnik) nutzen, sollen im Rahmen des Projektes auch auf stochastisch abgetastete Bilder er-weitert werden. Bei reduzierter Datenmenge sollen damit Bewegungsfeldvektoren in Echtzeit er-mittelt werden.

Der zweite Ansatz soll primär die Aufnahmezeit durch Reduktion der Abtastrate bei unveränderter örtlicher Auflösung erhöhen, wobei die Signalverarbeitung zunächst offline erfolgt. Gemessen an der Auflösung der Kamerasensoren in Pixeln ist die Anzahl der zu detektierenden Partikel gering, der Suchraum ist also dünn besetzt (sparse). Daher bieten sich Techniken wie das Compressed Sensing oder parametrische Schätzverfahren an. Diese sollen im Rahmen des Projektes weiter-entwickelt, analysiert und mit den bisherigen Techniken verglichen werden.

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), 2013 - 2015

Publikationen

1.
Angierski, A.; Schaeper, M.; Kostbade, R.; Kühn, V.; Damaschke, N.:
Untersuchungen zur optischen Tiefpassfilterung für die Partikelpositionsschätzung bei Unterabtastung des Sensors und mittels spektraler Analyse. Proc. of the 23. Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik (GALA) 2015, Dresden, Germany, 2015
2.
Angierski, A.; Kühn, V.:
Motion Estimation for Particle Images in a Finite Rate of Innovation Framework. 10th International ITG Conference on Systems, Communications and Coding (SCC'2015), Hamburg, Germany, 2015
ISBN: 978-3-8007-3659-1
3.
Angierski, A.; Kühn, V.:
Exploiting the Cramér-Rao Bound for Optimised Sampling and Quantisation of FRI Signals. Proc. of the 48th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers 2014, S. 1468-1472, Pacific Grove, CA, USA, 2014
ISBN: 978-1-4799-8295-0, doi:10.1109/ACSSC.2014.7094706
4.
Kostbade, R.; Angierski, A.; Schaeper, M.; Kühn, V.; Damaschke, N.:
Schätzung der Partikelposition mittels spektraler Analyse aus reduzierten Datenmengen. Proc. of the 22. Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik (GALA) 2014, Karlsruhe, Germany, 2014
ISBN: 978-3-9816764-0-2
5.
Angierski, A.; Kühn, V.:
Cramér-Rao Bound for Sampling & Reconstruction of FRI Signals. Proc. of the IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP) 2014, S. 1808-1812, Florence, Italy, 2014
doi:10.1109/ICASSP.2014.6853907
6.
Angierski, A.; Kühn, V.:
Aliasing-Tolerant Sub-Nyquist Sampling of FRI Signals. Proc. of the IEEE International Conference on Communications (ICC) 2013, S. 4957 - 4961, Budapest, Hungary, 2013
ISSN: 1550-3607, doi:10.1109/ICC.2013.6655364
7.
Angierski, A.; Kühn, V.:
Robustness of Aliasing-Tolerant Sub-Nyquist Sampling with Application to Particle Localisation. Proc. of the IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), S. 5435 - 5439, Vancouver, Canada, 2013
ISSN: 1520-6149, doi:10.1109/ICASSP.2013.6638702
8.
Angierski, A.; Kühn, V.:
High Resolution Particle Detection via Spectral Estimation. 9th International ITG Conference on Systems, Communications and Coding (SCC'2013), Munich, Germany, 2013
ISBN: 978-3-8007-3482-5
9.
Angierski, A.; Richter, H.; Kühn, V.; Damaschke, N.:
Extension of SoS Sampling Kernels for 2-D FRI Problems. In: Electronics Letters, Bd. 48, Nr. 9 (4/2012), S. 527-528
ISSN: 0013-5194, doi:10.1049/el.2012.0690