丁俊飛，許晟明，施圣賢

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院燃?xì)廨啓C研究院，上海 200240）

光場單相機三維流場測試技術(shù)

丁俊飛，許晟明，施圣賢＊

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院燃?xì)廨啓C研究院，上海 200240）

將光場三維成像技術(shù)與實驗流體力學(xué)相結(jié)合，實現(xiàn)單相機對空間三維瞬態(tài)流場（3D3C）的精確測量，為流體力學(xué)實驗研究提供了一種全新的測試技術(shù)。詳細(xì)介紹了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光場相機硬件系統(tǒng)、基于乘積代數(shù)重建技術(shù)（MART）的粒子光場圖像重構(gòu)算法以及基于光線追跡的數(shù)字光場圖像合成算法。利用DNS數(shù)字合成圖像以及低速射流實驗圖像，將所發(fā)展的光場單相機三維流場測試技術(shù)（Light Field Particle Image Velocimetry，LFPIV）與目前最成熟的三維流場測試技術(shù)層析PIV（Tomographic Particle Image Velocimetry，Tomo－PIV）進行對比研究分析。實驗結(jié)果表明LF－PIV技術(shù)完全能達到與Tomo－PIV同等量級的測量精度。

光場PIV；光場相機；單相機三維PIV；層析PIV

0 引 言

二維激光粒子圖像測速技術(shù)（Two－Dimensional Particle Image Velocimetry，2D－PIV）因其非接觸、全流場測量的優(yōu)勢，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)的流場測試技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)實驗流體力學(xué)、仿生流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、燃燒和葉輪機械等諸多研究領(lǐng)域［1－4］。然而基礎(chǔ)研究及工程應(yīng)用中的諸多流動現(xiàn)象本質(zhì)上具有強烈的三維特性，某一平面的流場數(shù)據(jù)并不足以剖析復(fù)雜的流場物理本質(zhì)。因此長期以來，研究者們致力于發(fā)展各種全場三維流動測試技術(shù)。

基于雙目視覺原理，早期研究者提出了Stereo－PIV技術(shù)。該技術(shù)嘗試通過在2D－PIV的基礎(chǔ)上增加1臺相機來實現(xiàn)平面內(nèi)3速度分量的測量（2D－3C）［56］。由于Stereo－PIV僅能提供流場某一切面內(nèi)的3速度分量測量，研究者們將掃描片激光與高速相機結(jié)合起來，實現(xiàn)短時間內(nèi)對多個流場切面的速度測量［78］。受限于激光速度、相機速度或者掃描鏡片的速度，這種稱之為Scanning PIV技術(shù)的最大測量速度一般低于1m／s［9］。另一方面，數(shù)字離焦PIV技術(shù)（Defocusing Digital PIV，DDPIV）則利用光闌（如Three－aperture mask）來獲得粒子離焦圖像，進而根據(jù)所形成的3個離焦圖像來計算單個粒子的空間位置。通常單相機DDPIV系統(tǒng)僅能測量粒子濃度非常低的流場，因此一般需要3臺相機來獲得比較精確的測量結(jié)果［10－11］。全息PIV（Holographic PIV，HPIV）是一種能夠真正測量流場全三維速度分布的技術(shù)，其通過同軸或者離軸的方式將粒子全息圖像記錄在膠片或者數(shù)字全息板上，進而通過全息重構(gòu)和三維互相關(guān)（或者三維粒子跟蹤）來獲得粒子三維速度［12－14］。然而HPIV技術(shù)極其復(fù)雜的光路布置以及較小的測量區(qū)域（受限于現(xiàn)有CCD／CMOS分辨率）等缺陷限制了其廣泛的應(yīng)用。層析PIV（Tomographic Particle Image Velocimetry，Tomo－PIV）是當(dāng)前最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的三維速度場測試技術(shù)之一，該技術(shù)通常采用4～8套相機從不同的角度記錄粒子圖像，并通過基于MART的重構(gòu)算法和三維互相關(guān)獲得全三維速度場分布［9，15］。Tomo－PIV具有空間分辨率高、較大測量體積的優(yōu)勢（沿光軸方向測量范圍一般小于垂直于光軸方向的測量范圍），但需要較多的光學(xué)窗口。數(shù)字合成孔徑PIV（Synthetic Aperture PIV，SAPIV）是另外一種使用多相機配置的三維流場測試技術(shù)，其通常采用8～15臺相機組成的陣列來記錄粒子光場圖像，并通過合成孔徑重聚焦算法來重構(gòu)粒子三維圖像［16］。SAPIV可以處理比Tomo－PIV粒子濃度更高的流場，且其光軸方向的測量范圍能達到與垂直光軸方向測量范圍同等大小的水平，很明顯其最大的缺陷在于復(fù)雜且昂貴的相機陣列系統(tǒng)。

前面所述的三維PIV測試技術(shù)要么采用復(fù)雜的光路布置（如HPIV），要么需要多相機系統(tǒng)（如Tomo－PIV，SAPIV），不但提高了實驗難度、增加了硬件成本，更為重要的是極大地限制了這些技術(shù)在受限光學(xué)空間下的應(yīng)用。倘若能用單臺相機實現(xiàn)三維流場測量，將能極大簡化實驗難度，推進實驗流體力學(xué)的進一步發(fā)展。以此為出發(fā)點，近期發(fā)展的一種單相機三維流場測試技術(shù)通過在相機前加裝三棱透鏡，來實現(xiàn)單CCD記錄3個不同視角粒子圖像的功能［17］。采用與Tomo－PIV類似的重構(gòu)和互相關(guān)處理，這種技術(shù)可以測量1個較小體積內(nèi)的三維速度分布。另一方面，2005年左右發(fā)展成熟的光場成像技術(shù)為新一代單相機三維流動測試技術(shù)提供了另一種選擇［18－19］。特別是斯坦福大學(xué)Ng Ren博士利用現(xiàn)有高分辨率相機成功地開發(fā)出了世界上首臺緊湊型光場相機，并隨后將其科研成果市場化，推出了Lytro品牌的光場相機［20］。然而Lytro相機是面向消費級市場的一款光場相機，雖然實現(xiàn)了拍攝后重新對焦及多重視角切換，但是并不具備雙曝光這一PIV測量所必需的功能，因此不適合用作三維流場測量。前期研究者也僅是嘗試使用Lytro相機來實現(xiàn)示蹤粒子三維重構(gòu)的基本功能［21－22］。幾乎與此同時，2010年成立的德國Raytrix公司則推出了面向工業(yè)級市場的光場相機［23］。該公司的某些型號相機具備雙曝光功能，同時提供了簡單的流場測量軟件。美國密歇根大學(xué)Volk Sick教授課題組曾經(jīng)嘗試使用Raytrix公司的R29相機測量汽車發(fā)動機缸內(nèi)三維瞬態(tài)流場。然而由于Raytrix公司的三維粒子重構(gòu)算法僅適用于示蹤粒子濃度極低的情況，導(dǎo)致必須使用大量三維示蹤粒子跟蹤的結(jié)果疊加之后方能獲得1個矢量濃度較高的“偽”瞬態(tài)三維流場［24］。根據(jù)作者與Volker Sick教授課題組交流發(fā)現(xiàn)，由于Raytrix公司的相機硬件結(jié)構(gòu)、微透鏡參數(shù)以及重構(gòu)算法對終端用戶是封閉的，使得使用者無法基于Raytrix公司所拍攝的光場圖像開發(fā)適用于不同流場情況的三維粒子重構(gòu)算法。

基于以上分析，本文作者及美國Brian Thurow研究團隊分別開發(fā)了各自的光場相機硬件系統(tǒng)和光場重構(gòu)算法［25－28］。我們將其稱為Light Field Particle Image Velocimetry（LF－PIV），該技術(shù)與基于相機陣列的SAPIV技術(shù)在硬件配置上有著根本的不同。LF－PIV使用高分辨微透鏡陣列（Microlens Array，MLA）與高分辨率CCD精密封裝組成的單臺光場相機來記錄粒子4D光場（見下文第1章介紹）圖像，并通過光場重聚焦、光線追跡等方法來重構(gòu)粒子三維圖像［26－27］。盡管LF－PIV技術(shù)的研究處于剛剛起步的階段，但其緊湊硬件系統(tǒng)、與2D－PIV類似的簡潔實驗步驟和全三維瞬態(tài)速度場測量的優(yōu)勢，已經(jīng)引起了流體力學(xué)研究者的廣泛興趣。

本文系統(tǒng)地闡述LF－PIV的系統(tǒng)構(gòu)成，包括具有自主知識產(chǎn)權(quán)的首套高分辨光場相機硬件系統(tǒng)、基于MART的光場粒子圖像重構(gòu)算法、基于密集光線追跡的數(shù)字光場圖像合成技術(shù)。同時分別利用基于DNS射流流場所生成的數(shù)字合成圖像、水槽射流實驗圖像，將LF－PIV技術(shù)與自主搭建的四相機Tomo－PIV系統(tǒng)進行詳細(xì)的對比。

1 自主高分辨光場PIV系統(tǒng)

1.1 自主高分辨光場相機

光場“Light Field”的概念由Arun Gershun于1936年首次提出，是指空間傳播光線的集合［29］。每1根空間光線的輻射能量L建模為以下5D光場方程［30］：

式中：（x，y，z）和（θ，）分別指光線的空間和角度坐標(biāo)（見圖1（a））。

如果只考慮光線在不透明模型外部傳輸?shù)那闆r，則5D光場方程可以簡化為如下4D光場方程［30－31］：

式中：（u，v）和（s，t）分別是光線與2個平行平面相交點的坐標(biāo)（見圖1（b））。

圖1 光場的2種參數(shù)化表示方式［29］Fig.1 Two methods of light field parameterisation

圖2 光場相機原理示意圖及光線追跡原理示意圖［26，28］Fig.2 Schematics of light field camera and ray tracing method

基于上述4D光場方程，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光場PIV相機，即通過微透鏡陣列與CCD精密封裝的方式來記錄4D光場，CCD與MLA相對位置關(guān)系如圖2所示，簡化起見，圖中所示為一維示意圖。圖中符號含義分別為：z軸為相機光軸，從相機內(nèi)部指向外部；y軸為相機對焦平面，其與z軸的焦點為坐標(biāo)原點；d z、d y分別為點光源偏離光軸和焦平面的距離；So物距；Si像距；VB光線相對于主光軸的偏移量；fm主鏡頭焦距；fl微透鏡焦距；pm主鏡頭孔徑；pl微透鏡孔徑；pp像素直徑；Sx，Sy單個微透鏡中心相對于主光軸的偏移量；yl光線相對于單個微透鏡中心的偏移量；yCCD光線抵達CCD后相對于主光軸的偏移量。

光場相機硬件系統(tǒng)的研發(fā)主要包含2方面的工作：（1）選擇合適的高分辨CCD；（2）設(shè)計高分辨微透鏡陣列。因為單臺光場相機需要同時記錄光線的強度和空間位置，所以CCD的分辨率越高，對光線空間位置和角度的采樣精度就越高。盡管市場上單反照相機（DSLR）的分辨率越來越高（如Mamiya Phase One iXR的有效分辨率高達80 Megapixel，Canon EOS 5D Mark III的分辨率達到了50.6 Megapixel），但是這些高分辨CCD無法用于搭建光場PIV相機，因為其2幀之間的時間間隔長達幾十甚至上百毫秒。首臺光場相機搭建于2014年12月，當(dāng)時市場上分辨率最高的PIV相機為Imperx B6640，其采用了KAI－29050 CCD傳感器（6600pixel×4400pixel）。據(jù)作者所知，目前更高分辨率的PIV相機為Imperx T88 H0，其采用1片KAI－47051 CCD傳感器，分辨率高達8880pixel×5304pixel。

如果說CCD傳感器的選擇主要受限于市場現(xiàn)有產(chǎn)品，那么微透鏡陣列的設(shè)計則是分辨率、加工精度和成本綜合權(quán)衡的結(jié)果。一方面微透鏡陣列的分辨率越高，對光線位置和角度的采樣精度也就越高。而市場上可供選擇的微透鏡陣列的分辨率通常只有數(shù)百個微透鏡單元。加工分辨率更高的微透鏡陣列不但價格高昂，且加工技術(shù)、精度要求極高。另一方面，微透鏡單元的形狀（通常為正方形和六邊形）對光場相機的分辨率影響極大；同時微透鏡個數(shù)與CCD像素個數(shù)的比值（Pixel Microlens Ratio，PMR）也極大地影響光場相機的平面分辨率和景深分辨率。通過前期研究分析［28］，最終采用了六邊形單元、分辨率為410×310的微透鏡陣列。自主高分辨光場相機實物如圖3所示。圖4展示了原始光場圖片以及經(jīng)過光場渲染所得到的重聚焦和視角變換圖片。

圖3 自主光場相機系統(tǒng)Fig.3 In－h(huán)ouse light field camera system

1.2 基于光線追跡的數(shù)字光場圖像合成方法

光場相機中CCD與MLA相對位置以及光線追跡原理如圖2所示（簡單起見，僅示意一維的情況），流場示蹤粒子所發(fā)出光線經(jīng)主鏡頭、微透鏡后，最終到達CCD的位置可以根據(jù)高斯光學(xué)準(zhǔn)確地計算出來［32］。光線在不同階段的空間位置可以由公式（3）～（7）進行計算。

位于O點的粒子發(fā)出的光線到達主鏡頭后的空間位置：

圖4 原始光場圖片及光場渲染效果Fig.4 Raw light field image and results of refocusing and perspective shift processing

位于O點的粒子發(fā)出的光線穿過主鏡頭后的空間位置：

位于O點的粒子發(fā)出的光線到達微透鏡陣列后的空間位置：

位于O點的粒子發(fā)出的光線穿過微透鏡陣列后的空間位置：

位于O點的粒子發(fā)出的光線到達CCD平面后的空間位置：

基于以上公式，就可以利用隨機產(chǎn)生的示蹤粒子空間位置，在給定相關(guān)光學(xué)參數(shù)數(shù)值后（見表1），產(chǎn)生系列粒子光場圖像。該光場圖像合成平臺可以非常便利地用于分析光場相機分辨率特性，或者根據(jù)已知流場數(shù)據(jù)，產(chǎn)生粒子光場圖像對，用于評估LFPIV技術(shù)的測量精度。

表1 用于產(chǎn)生數(shù)字合成光場圖像的光學(xué)參數(shù)數(shù)值Table 1 Parameters for generating synthetic light field images

1.3 基于MART的光場圖像重構(gòu)算法

前期研究表明，MART可以較為準(zhǔn)確地重構(gòu)粒子光場圖像［26－27］。其基本步驟類似于Tomo－PIV的MART重構(gòu)，給定體素（Voxel）的1個初始估計值（一般為1），然后根據(jù)記錄的像素值和權(quán)重系數(shù)，根據(jù)公式（8）循環(huán)迭代計算粒子體素值。

式中：E（Xj，Yj，Zj）為第j個體素的值；I（xi，yi）為第i個像素的值，可以從記錄的光場圖像中讀??；wi，j為權(quán)重系數(shù)，表示第i個像素接受來自于第j個體素光線強度的百分比。LF－PIV粒子圖像重構(gòu)計算與Tomo－PIV最大的不同在于權(quán)重系數(shù)的計算方法。Tomo－PIV重構(gòu)算法采用圓柱－立方體模型來計算權(quán)重系數(shù)［15］，然而這種方法并不適用于LF－PIV重構(gòu)。因為Tomo－PIV中每個像素的視線是根據(jù)相機校準(zhǔn)矩陣來唯一確定的，而LF－PIV中每個像素接受到來自空間不同位置的光線。

根據(jù)光場成像的獨特性，提出了基于密集光線追跡的重構(gòu)系數(shù)計算方法。對于某一體素，追跡其被微透鏡陣列離散的光束（離散光束的數(shù)目取決于微透鏡單元所對應(yīng)像素的個數(shù)，圖5（a）僅展示了2條光束），首先計算這些光束與相交微透鏡單元的重疊面積（見圖5（b）），獲得權(quán)重系數(shù)w1。然后繼續(xù)追跡光束至CCD平面，并計算這些光束與相交像素的重疊面積（見圖5（c）），獲得權(quán)重系數(shù)w2。最終權(quán)重系數(shù)即為w1與w2的乘積。

圖5 基于密集光線追跡的權(quán)重系數(shù)算法原理示意圖［26，28］Fig.5 Schematics of ray tracing based weighting coefficient method

2 Tomo－PIV系統(tǒng)

為了驗證LF－PIV技術(shù)的精確度，同時也開發(fā)了Tomo－PIV數(shù)字圖像合成平臺，并自主搭建了Tomo－PIV系統(tǒng)用于對比研究分析。Tomo－PIV數(shù)字圖像合成平臺的功能與光場圖像合成平臺類似，根據(jù)已知流場數(shù)據(jù)，產(chǎn)生系列多相機Tomo－PIV粒子圖像，用于驗證重構(gòu)、互相關(guān)算法，并對比分析LF－PIV的測量精度。其主要步驟為：（1）根據(jù)針孔相機模型產(chǎn)生相機矩陣；（2）隨機產(chǎn)生第一幅圖像里示蹤粒子的空間坐標(biāo)；（3）根據(jù)相機矩陣將粒子位置投射至虛擬CCD平面，獲得粒子中心的像素坐標(biāo)；（4）以粒子像素坐標(biāo)為中心，根據(jù)高斯分布，確定粒子圖像的像素值大小；（5）進而根據(jù)已知流場，在給定的時間間隔內(nèi)，對粒子空間位置進行偏移；（6）根據(jù)新的粒子空間坐標(biāo)，重復(fù)步驟（3）和（4），生產(chǎn)第二幅粒子圖像。

自主Tomo－PIV硬件系統(tǒng)主要包含4臺Imperx B2041相機（2048pixel×2048pixel）、4套尼康85mm定焦移軸鏡頭、2套EPIX E4圖像采集卡和LED光源系統(tǒng)。其中相機、移軸鏡頭和圖像采集卡均為市場現(xiàn)有產(chǎn)品，LED光源系統(tǒng)采用Lumins CBT－120芯片，并搭建驅(qū)動電路以超過其10倍額定電流瞬間點亮LED芯片，使其在短時間能發(fā)出足夠強的光線照亮1個約15×15×20mm3的區(qū)域［33］。相比于激光，LED光源系統(tǒng)不但價格非常低廉、系統(tǒng)簡單緊湊，更加重要的是其安全性遠(yuǎn)好于激光，完全能滿足低速水槽PIV測量的需求。

另外，根據(jù)公開文獻資料，自主編譯了相機自校準(zhǔn)［34］、MLOS－MART粒子重構(gòu)［35］以及多重網(wǎng)格迭代三維互相關(guān)代碼。考慮到Tomo－PIV圖像處理的巨大運算量，所有代碼都采用CUDA語言編程，以便于利用NVIDIA GPU實現(xiàn)并行處理，提供計算效率。

3 對比仿真分析

為了驗證所發(fā)展的LF－PIV技術(shù)，首先采用DNS射流流場分別生成數(shù)字合成光場圖片和Tomo－PIV粒子圖片（時間間隔為1.6ms）。圓形射流噴管的直徑D＝20mm，Re＝2500。測試區(qū)域離噴管距離大約1D處，大小為1.8D×1.2D×0.5D。數(shù)字合成Tomo－PIV圖像的粒子濃度為0.05ppp（particle per pixel），LF－PIV圖像粒子濃度為1ppm（particle per microlens）。Tomo－PIV重構(gòu)體素為480×320× 130voxel，分辨率為0.075×0.075×0.075mm／voxel。LF－PIV重構(gòu)體素為2200×1466×130voxel，分辨率為0.017×0.017×0.077mm／voxel。所有圖像處理均采用NVIDIA Geforce GTX980 GPU并行計算，Tomo－PIV和LF－PIV的重構(gòu)時間分別為4.75和100s。重構(gòu)獲得的Tomo－PIV三維粒子圖像和LF－PIV三維粒子圖像均由多重網(wǎng)格三維互相關(guān)計算，并用中值濾波和線性插值的方法分別剔除和替代錯誤矢量。

圖6分別展示了原始DNS流場、Tomo－PIV瞬態(tài)流場和LF－PIV瞬態(tài)流場數(shù)據(jù)。該圖顯示LFPIV、Tomo－PIV測量結(jié)果與原始DNS數(shù)據(jù)吻合較好，均能準(zhǔn)確地重現(xiàn)靠近射流噴管的roll－up結(jié)構(gòu)。為了更加準(zhǔn)確地對比LF－PIV和Tomo－PIV的測量精度，圖7展示了2種技術(shù)在x－y和x－z方向測量誤差的分布。由于在此次測試中，LF－PIV在x－y方向的重構(gòu)分辨率高于Tomo－PIV，因此LF－PIV在x－y方向的測量精度要高于Tomo－PIV（見圖7（a）和（c））。而由于光場相機在光軸方向的分辨率為x－y方向的十分之一［26］，LF－PIV在z方向（光軸方向）的測量誤差要高于Tomo－PIV。

圖6 對比仿真分析結(jié)果Fig.6 Simulation results

4 對比實驗分析

基于數(shù)字合成圖像驗證了LF－PIV算法的正確性及技術(shù)本身的可行性，但并沒有考慮實驗圖像常見的各種缺陷（如圖像背景噪聲、光照不均勻）。因此開展了水槽低速射流驗證實驗，利用LF－PIV系統(tǒng)和Tomo－PIV系統(tǒng)同步測量圓管射流，并將瞬態(tài)三維速度場進行對比分析。

整個實驗系統(tǒng)如圖8所示，4個Tomo－PIV相機（圖中紅色箭頭標(biāo)識）交叉布置，每臺相機使用1個尼康85mm定焦移軸鏡頭，其視線分別垂直于八邊形水槽的1個平面。光場相機使用1臺尼康200mm定焦微距鏡頭以保證其與4個Tomo－PIV相機具有相同的測量區(qū)域。其中光場相機的放大系數(shù)約為1，Tomo－PIV相機的放大系數(shù)約為0.2。5臺相機分別通過Camer Link數(shù)據(jù)線與3張EPIX E4數(shù)據(jù)采集卡相連，并通過MicroPluse725（北京立方天地）與4套LED光源系統(tǒng)實現(xiàn)同步。流場使用Dantec PSP－50示蹤粒子，粒子直徑為50μm。水與示蹤粒子均勻混合后由水泵輸運至整流段，并經(jīng)過3層由粗至細(xì)的濾網(wǎng)后進入圓形射流噴管。噴管的直徑為20mm，實驗雷諾數(shù)Re＝2000。測量區(qū)域位于噴管上方2.25D的位置，大小為1.9D×1.3D×0.5D。

圖8 LF－PIV、Tomo－PIV同步測試實驗系統(tǒng)實物圖Fig.8 Experimental setup of LF－PIV and Tomo－PIV system

圖9 所示為實驗拍攝的1張粒子光場圖像（局部放大）。經(jīng)過MART重構(gòu)和三維互相關(guān)計算，圖1 0（a）所示為所獲得的三維瞬態(tài)速度場及景深方向渦量等值面。將其與Tomo－PIV所得瞬態(tài)速度場（見圖10（b））比較，發(fā)現(xiàn)2種技術(shù)測量的流場結(jié)構(gòu)基本一致。

圖9 實驗粒子光場圖像局部放大圖Fig.9 Real light field particle image（zoom in）

圖10 實驗三維瞬態(tài)速度場Fig.10 Instantaneous velocity fields

5 結(jié) 論

本文展示了一種全新的單相機三維流動測試技術(shù)LF－PIV，系統(tǒng)闡述了高分辨光場相機的設(shè)計和搭建、基于MART的光場粒子重構(gòu)算法、光場圖像合成平臺。分別采用數(shù)字合成圖像和實驗拍攝圖像，與當(dāng)前最為先進的三維測試技術(shù)Tomo－PIV進行了對比研究分析，結(jié)果表明LF－PIV在x－y方向的測量精度完全達到了Tomo－PIV的精度；受限于當(dāng)前CCD和微透鏡陣列分辨率，其在z方向的測量精度稍遜于Tomo－PIV。然而，相較于Tomo－PIV，LF－PIV最大的優(yōu)勢在于利用單臺相機、單視角、與2D－PIV類似的簡潔實驗系統(tǒng)布置，即可獲得較為精準(zhǔn)的三維流場分布，特別是非常適用于光學(xué)空間受限情況下的復(fù)雜三維流場測量。

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Light field volumetric particle image velocimetry

Ding Junfei，Xu Shengming，Shi Shengxian＊
（Gas Turbine Research Institute，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

A novel single camera volumetric velocity measurement technique is presented，which utilizes the advanced light field imaging technology to capture 3D PIV tracer particle images.The framework of Light Field Particle Image Velocimetry（LF－PIV）includes an in－h(huán)ouse high resolution light field camera，multiplicative algebraic reconstruction technique（MART）based light field particle image reconstruction method and a ray tracing based synthetic light field particle image generation platform.The LF－PIV technique is compared with Tomographic Particle Image Velocimetry（Tomo－PIV）by using both synthetic DNS jet flow images as well as water jet experimental images.Results show that LF－PIV is capable of reconstructing the instantaneous volumetric velocity field with the accuracy similar to that of Tomo－PIV.

Light Field PIV；light field camera；single camera volumetric PIV；Tomo－PIV

V211.71

A

（編輯：李金勇）

1672－9897（2016）06－0051－08

10.11729／syltlx20160141

2016－09－18；

2016－10－13

國家自然科學(xué)基金（11472175）；上海市啟明星項目（15QA1402400）

＊通信作者E－mail：kirinshi＠sjtu.edu.cn

Ding J F，Xu S M，Shi S X.Light field volumetric particle image velocimetry.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（6）：51－58.丁俊飛，許晟明，施圣賢.光場單相機三維流場測試技術(shù).實驗流體力學(xué)，2016，30（6）：51－58.

丁俊飛（1992－），男，山西太原人，博士研究生。研究方向：三維流體測量。通信地址：上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院燃?xì)廨啓C研究院（200240）。E－mail：junfeiding＠sjtu.edu.cn