Las cámaras basadas en eventos optimizan el análisis de flujos en la ciencia y la industria
Sólo cuenta el cambio
Las modernas tecnologías de metrología permiten hoy en día detectar con gran precisión el movimiento de líquidos y gases, proporcionando así datos valiosos para numerosas aplicaciones. ¿Cómo circula el aire alrededor de un avión? ¿Cómo se desplaza la sangre por nuestras venas? ¿Y cómo minimizar las emisiones contaminantes en los procesos de incineración? Para ello, se analizan la velocidad, la dirección, la presión y las turbulencias dentro de un flujo con el fin de aumentar la eficacia, garantizar la seguridad e impulsar la innovación en los más diversos ámbitos.
Existen varios métodos para medir estos flujos, incluidos métodos visuales como la velocimetría de imágenes de partículas (PIV Particle Image Velocimetry). Mediante el uso de cámaras de alta resolución, se siguen las partículas marcadas dentro de un flujo y se analiza su movimiento. iLA_5150 GmbH de Aquisgrán también confía ahora en EBIV. Las siglas significan Velocimetría de Imágenes de Partículas Basada en Eventos y es un nuevo método óptico para la visualización cualitativa y cuantitativa de flujos y velocidades de flujo. Combina PIV con cámaras basadas en eventos, aquí con una uEye EVS de IDS Imaging Development Systems GmbH. La innovadora tecnología de sensores de la cámara industrial permite una detección muy dinámica y eficiente desde el punto de vista energético, especialmente de movimientos rápidos y turbulentos.
Aplicación
En el método EBIV, se añaden partículas diminutas a un fluido que fluye y se iluminan en un plano, el llamado plano de sección de luz. Generan impulsos luminosos individuales al entrar y salir de la sección de luz LED. Este cambio en la luminosidad local es registrado de forma independiente por los píxeles de la cámara y transmitido al PC como un flujo de datos de "Change Events". A diferencia de las cámaras convencionales, los modelos basados en eventos sólo reaccionan a los cambios de luminosidad registrados en el campo de imagen. La luz difusa estacionaria, como fondos o superficies iluminadas que no cambian, no genera una señal de medición. Esto reduce considerablemente la cantidad de datos.
Velocidades de fotogramas de hasta 10.000 imágenes por segundo
El flujo de datos contiene esencialmente información sobre lo que ocurre, cuándo y dónde. En concreto, se trata de las coordenadas de los píxeles en el sensor, las marcas de tiempo en microsegundos de los eventos de los píxeles y la información sobre los eventos: ON u OFF. Esto permite distinguir entre intensidad creciente (evento ON) e intensidad decreciente (evento OFF). Mediante un software adecuado, el flujo puede convertirse en una matriz de imágenes en la que estén disponibles tanto la información espacial como la base temporal lineal del flujo. El resultado es comparable a la altísima frecuencia de imagen de una cámara de alta velocidad.
"El método de medición EBIV difiere fundamentalmente de los métodos convencionales de obtención de imágenes. Suelen generar cantidades de datos muy grandes y requieren periféricos potentes que puedan procesarlas. Para frecuencias de imagen extraordinarias de 1.000 hercios o más, las cámaras de imagen necesarias son muy complejas y caras. Con la ayuda de la tecnología de cámara basada en eventos, son posibles frecuencias de imagen comparables de 10.000 fotogramas por segundo, para lo que sólo se necesitan interfaces de PC estándar como USB con unos pocos gigabits por segundo. El precio de los propios modelos basados en eventos es significativamente inferior al de las cámaras de alta velocidad correspondientes, por lo que también resulta muy interesante para las instituciones docentes y de investigación más pequeñas", explica el Dr. André Brunn, Director de Desarrollo de iLA_5150 GmbH.
«Con la ayuda de la tecnología de cámara basada en eventos, son posibles frecuencias de imagen comparables de 10.000 fotogramas por segundo, para lo que sólo se necesitan interfaces de PC estándar como USB con unos pocos gigabits por segundo. El precio de los propios modelos basados en eventos es significativamente inferior al de las cámaras de alta velocidad correspondientes.»
Procesamiento de datos
El flujo de datos se convierte en datos de imagen y se muestra en una interfaz -el llamado visor EBIV- para la visualización directa en línea del flujo. El usuario también puede seleccionar el tiempo de integración, que corresponde al tiempo de exposición de una cámara de imagen, así como los incrementos de tiempo de la secuencia, es decir, el periodo entre dos disparos consecutivos. También se pueden utilizar filtros de imagen clásicos. Con ayuda de estos ajustes, el usuario puede optimizar la visualización de las trayectorias de movimiento y adaptarlas a los objetivos individuales del examen. Tanto los detalles de flujo como los patrones a gran escala pueden reconocerse con mayor claridad. Esta posibilidad de reajustar los resultados de las mediciones es otra de las ventajas del enfoque basado en sucesos.
En la visualización cualitativa del flujo en el EBIV-View, las partículas se iluminan continuamente para que sean visibles como trazas luminosas. Por tanto, el método es muy adecuado para visualizar el flujo. Sin embargo, no proporciona mediciones exactas de su velocidad o dirección. Para realizar un análisis numérico preciso de las propiedades del flujo, las partículas individuales se iluminan durante unos instantes mediante pulsos de luz cortos y definidos en el tiempo. Esto permite registrar su posición exacta y cuantificar sus movimientos. La comparación de las posiciones de las partículas en imágenes sucesivas permite calcular con precisión la velocidad y la dirección del flujo, por ejemplo mediante PIV. El resultado es un campo vectorial 2D transitorio que cambia con el tiempo, es decir, los vectores no permanecen constantes. Al igual que con la PIV clásica, las secuencias de imágenes de la cámara basada en eventos también pueden analizarse estadísticamente, por ejemplo para determinar los valores medios y las fluctuaciones de la velocidad del flujo.
Cámara y software
En cuanto a las cámaras, iLA utiliza una uEye XCP-E de IDS. Esta cámara industrial pequeña y ligera ofrece tecnología de sensor basada en eventos en una robusta carcasa de zinc fundido a presión (29 × 29 × 17 mm) con conexión USB Micro-B atornillada. Es compatible con todos los tamaños de objetivos estándar con montura C. Esto la hace ideal tanto para aplicaciones industriales como no industriales. El "Sensor de visión basado en eventos" (EVS - Event-based Vision Sensor) ha sido desarrollado por Sony y Prophesee. Cuenta con el apoyo de Metavision SDK, un conjunto perfectamente integrado de herramientas y modelos de software, API y otros recursos de formación y desarrollo de Prophesee para un análisis, visualización y personalización eficaces.
Partiendo de esta base, el visor EBIV de iLA_5150/PIVTec está especialmente adaptado a las aplicaciones de visualización de flujos.
Perspectiva
La optimización de los sistemas y procesos de ingeniería de fluidos requiere un conocimiento detallado de las condiciones de flujo. Una visualización cualitativa del flujo suele bastar para comprender los efectos y desarrollar mecanismos de control adecuados. Hasta ahora, sin embargo, la obtención de imágenes de flujos rápidos con alta resolución temporal sólo era posible con costosas cámaras de alta velocidad. La tecnología de cámara basada en eventos ofrece una alternativa rentable que requiere mucho menos esfuerzo técnico. Estos métodos "sencillos" han faltado sobre todo en la enseñanza y la investigación. Gracias a la extrema reducción de datos, esta tecnología también permite utilizar varias cámaras o grandes conjuntos de cámaras sin que la periferia se convierta en una limitación para la transferencia de datos. Gracias a su diseño compacto, los modelos uEye EVS también son ideales para aplicaciones móviles. Esto significa que, por primera vez, se pueden analizar directamente entornos de aplicación reales, sin tener que recurrir a modelos de flujo o canales artificiales.
En breve: Las cámaras basadas en eventos permiten visualizar y cuantificar los flujos de forma eficaz, rentable y con alta resolución. Debido a las pequeñas cantidades de datos generados, muchos procesos pueden analizarse casi en tiempo real, lo que también los hace interesantes para su uso en sistemas totalmente automatizados. Los métodos de medición de flujo establecidos, como la velocimetría de imágenes de partículas (PIV), pueden integrarse y ampliarse sin problemas. La tecnología puede utilizarse en cualquier lugar donde se capte información sobre el flujo mediante cambios en la intensidad de la luz dispersa, ya sea de partículas en movimiento o de superficies en vibración.
iLA_5150 GmbH
iLA_5150 GmbH es un integrador de sistemas PIV y otros sistemas de medición de imágenes. PIV son las siglas de Particle Image Velocimetry, un método óptico sin contacto para determinar los campos de velocidad en mecánica de fluidos. La empresa se fundó en 1995 como empresa derivada de la Universidad Técnica de Berlín. Lleva casi 30 años creando soluciones personalizadas para sus clientes. Sus amplios conocimientos abarcan diversas áreas interdisciplinares: Diseño mecánico, óptica, electrónica, automatización y desarrollo de software.
uEye EVS
Modelo utilizado: UE-39B0XCP-E