High-Speed-Bildverarbeitung beschleunigt Windkanalmessungen

Optimierte Bilderfassung und -analyse ermöglichen Echtzeit-Messungen und reduzieren die Kosten der Windkanalnutzung drastisch.

Aerodynamikmessung im Windtunnel

Vektorielle Darstellung der Strömungen

Bei allen Fortschritten der Computermodellierung sind reale Aerodynamiktests in Windkanälen für Branchen wie die Luft- und Raumfahrt oder die Automobilindustrie immer noch nicht wegzudenken. Solche Messungen sind extrem kostenintensiv; die wenigsten Unternehmen können sich einen eigenen Windkanal leisten. Die Mietkosten einer solchen Anlage inkl. des dazugehörenden Ingenieurteams für einen Tag können bis zu 80.000 € betragen. Hinzu kommen Kosten für die Erstellung des Modells.

Deshalb sollte die Zeit im Windkanal immer möglichst effizient genutzt werden. Die Messung selbst dauert oft nur einen Bruchteil der Gesamtnutzungszeit – der Großteil wird für die Vorbereitung des Experiments und die nachträgliche Verarbeitung der Daten aufgewendet. Besonders ineffizient sind dabei die Datenverarbeitungszeiten. Je nach Datenmenge und verfügbarer Rechenleistung können sie mehrere Stunden dauern – Standzeit, in der die Anlage und das hochqualifizierte Personal ungenutzt weiterbezahlt werden. Um diese Standzeit zu vermeiden, werden die Bilddaten oft erst einmal abgespeichert und später ausgewertet – zum Beispiel über Nacht. Stellt sich dabei heraus, dass aus irgendeinem Grund die Daten nicht auswertbar sind, muss die gesamte Messung wiederholt werden.

Das Forschungsinstitut für Bildverarbeitung, Umwelttechnik und Strömungsmechanik (FIBUS) in Hamburg entwickelt Messmethoden und Softwarelösungen, um bei gleicher Präzision Windkanalexperimente zu beschleunigen und somit Kosten zu sparen. Hauptanwendungsgebiete sind die Analyse von Vibrationen, Torsionen und Schwingungen des Testobjekts – etwa einer Tragfläche – unter dem Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit im Flugbetrieb oder die Messung der Luftströmungen und Turbulenzen um das Objekt herum. In beiden Fällen werden High-Speed-Kameras eingesetzt, um die kleinsten Veränderungen in den kürzesten Zeitabständen zu ermitteln und auch hochfrequente Schwingungen erfassen zu können.

Luftströmungsanalyse mit Particle Image Velocimetry
Für die klassische Aerodynamikmessung, also die Analyse der Luftströmungen und Turbulenzen, wird die sogenannte „Particle Image Velocimetry“-Methode (PIV) verwendet. Die Luftströme werden dadurch sichtbar gemacht, dass dem Luftstrom Mikropartikel zugesetzt werden. Meistens handelt es sich um feingesprühtes Öl oder sonstige Spezialflüssigkeiten, deren Mikropartikel in der Luft schweben. Spezielle Bildverarbeitungssysteme erfassen Bilder dieser Partikel im Luftstrom und kalkulieren über eine Korrelationsanalyse (Kreuzkorrelation zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern) deren Laufbahn. Daraus entsteht eine präzise Modellierung der Strömungen und Turbulenzen etwa an der Tragfläche eines Flugzeugs oder dem Rotor eines Helikopters.

Bei der Particle Image Velocimetry von turbulenten oder wirbelbehafteten Strömungen geht es darum, die Strömung mit einer möglichst hohen  Bildrate zu erfassen, wobei gleichzeitig die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Bildern so gering wie möglich zu halten ist. Nur so kann die Position von korrelierten Partikeln in den aufeinander folgenden Bildern einfach ermittelt und die Messgenauigkeit auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten beibehalten werden. Auf diese Weise  lässt sich zum einen die Richtung  der Partikel und zum anderen auch ihre Geschwindigkeit als Funktion des Abstands zwischen beiden Positionen und der Zeit zwischen beiden Bildern kalkulieren.
 

Zwei schnell aufeinander folgende Bilder eines mit Ölpartikeln dotierten Luftstroms als Ausgangsmaterial für die PIV-Analyse

PIV kann entweder zweidimensional oder dreidimensional gemessen werden, indem eine bzw. zwei Kameras eingesetzt werden. Bei der dreidimensionalen Messung wird die Position der Partikel im Raum mittels Triangulation ermittelt. Das FIBUS Institut entwickelte eine spezielle Software für Particle Image Velocimetry: picCOLOR. Diese Software ist für die Auswertung hochauflösender Bilder in Echtzeit ausgerichtet. Sie kann auf bis zu 32 Prozessorkernen betrieben werden.

Das Prinzip der picCOLOR Software ist, nicht jeden einzelnen Partikel zu verfolgen, sondern die Veränderungen im Bildmuster von Bild 1 zu Bild 2 zu messen. So lässt sich die Rechenleistung optimal nutzen und der Rechenprozess erheblich beschleunigen.  Um dennoch eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen, wird das Vollbild in kleine quadratische Auswertungsfenster aufgeteilt. Standardmäßig sind diese Fenster 32x32 Pixel groß, diese Maße können aber je nach Anwendung angepasst werden. Die Auswertung der Bilder erfolgt in zwei Schritten:

  • Im ersten Schritt wird der Versatz der Pixel innerhalb desselben Fensters zwischen Bild 1 und Bild 2 gemessen. Partikel, die sich am Rand des Fensters im ersten Bild befanden, können aber im zweiten Bild das Fenster verlassen haben.
  • Deshalb wird im zweiten Schritt das Auswertungsfenster versetzt, und zwar um einen Vektor, der sich aus dem allgemeinen Versatztrend von Schritt 1 ergibt. Die Pixelwerte innerhalb dieses verschobenen Fensters werden erneut zwischen Bild 1 und 2 verglichen.


Aus beiden Schritten errechnet picCOLOR eine vektorielle Darstellung der Strömungen für alle Auswertungsfenster im Bild. Die Vektoren stellen die Laufbahn und Geschwindigkeit der Partikel dar. Ist die Auswertung abgeschlossen, können die Koordinaten der Partikel und die errechneten Vektoren ohne Bilddaten gespeichert werden, was die Datenmenge erheblich reduziert.

Bisher wurden die meisten PIV-Messungen bei quasistationären Strömungen durchgeführt, deren Verlauf über die Zeit nahezu unverändert bleibt. Grund dafür ist, dass die üblicherweise eingesetzten gekühlten rauscharmen PIV-Kameras nur sehr niedrige Frame-Raten haben. In letzter Zeit kommen jedoch immer mehr Messaufgaben dazu, in denen instationäre Strömungen untersucht werden sollen, die sich über die Zeit unvorhersehbar verändern. Bei diesen ist es wichtig, in sehr schneller Zeitfolge PIV-Bilder zu erzeugen. Dies ist das sogenannte „Time-Resolved-PIV“.

Für solche PIV-Applikationen empfiehlt FIBUS die Bonito CL-400 Kamera von Allied Vision Technologies. Die Bonito ist mit einem 4 Megapixel Global Shutter CMOS-Sensor ausgestattet und liefert dank doppeltem 10-tap Camera Link Full+ Interface knapp 400 Bilder pro Sekunde bei voller Auflösung.

Außerdem verfügt die Bonito über einen speziellen PIV-Modus. Im PIV-Modus generiert die Kamera für jedes Trigger-Signal nicht nur ein, sondern zwei aufeinanderfolgende Bilder für die PIV-Auswertung. Um den zeitlichen Abstand zwischen beiden Aufnahmen zu minimieren, werden die Bilder ohne Verschluss generiert. Die Bildaufnahme wird durch den Takt einer mit der Kamera synchronisierten gepulsten Beleuchtung bestimmt. Bei dieser Beleuchtung handelt es sich meistens um einen Laser-Lichtschnitt, durch den die Partikel strömen. Durch den Wegfall des elektronischen Shutters kann der zeitliche Bildabstand auf ca. 550 ns reduziert werden. Der Vorteil: Laufbahn und Geschwindigkeit der Partikel können noch genauer ermittelt werden.

Time is money: Streaming und Bildverarbeitung in Echtzeit sparen bares Geld
Ein weiterer entscheidender Vorteil der Bonito von AVT ist die Echtzeit-Datenübertragung dank der doppelten 10-tap Camera Link Full+ Schnittstelle, erklärt Dr. Reinert Müller, Geschäftsführer des FIBUS Instituts: „Oft werden in Windkanälen sehr kostenintensive Hochgeschwindigkeitskameras eingesetzt, die zwar hohe Bildraten über 1.000 fps bei voller Auflösung erreichen, aber auch eine solche Datenmenge liefern, dass ihre Schnittstelle sie nicht in Echtzeit an den Host-Computer übertragen kann. Die Bilddaten müssen daher erst in den begrenzten internen Speicher der Kamera zwischengespeichert werden, um nachträglich mit einer geringeren Datenrate an den Rechner übertragen zu werden. Je nach Datenmenge und Bandbreite der Schnittstelle kann dies einige Minuten dauern. Erst dann kann die Bildverarbeitung überhaupt anfangen“.

Dieser sequenzielle Prozess bringt eine erhebliche Zeitverschwendung mit sich, die in Windkanälen teuer sein kann. Die Bonito von Allied Vision Technologies liefert zwar „nur“ 400 Bilder pro Sekunde, aber in vielen Fällen ist die volle Auflösung von 4 Megapixeln gar nicht notwendig. Mit entsprechender ROI können sehr hohe Bildraten über 1.000 fps erzielt werden. Der größte Vorteil dieser Lösung ist jedoch, dass die Bilddaten mit der Bonito in Echtzeit übertragen und verarbeitet werden können – ein erheblicher Unterschied. „Die gesparte Nutzungszeit des Windkanals und Wartezeit von gut bezahlten Ingenieuren ist (viel) bares Geld wert! Hinzu kommt, dass die Bonito im Vergleich zu den üblichen High-Speed Kameras deutlich preiswerter in der Anschaffung ist“, so Dr. Müller.

Im Windkanal lässt sich mit Echtzeit-Bildverarbeitung viel Zeit und Geld sparen. Der clevere Einsatz von ROIs, die intelligenten Bildauswertungsalgorithmen des FIBUS Instituts und AVTs Bonito-Kameras mit integriertem PIV-Modus machen es möglich.