Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L'imagerie est une technique utilisée dans de nombreux domaines liés à la mécanique des fluides. Elle permet de mesurer des paramètres géométriques (taille, forme…), ainsi que des champs de grandeurs scalaires (température, pH, mélange…).
Cet article propose une vue d’ensemble de l’imagerie et de son application en mécanique des fluides. Il présente les principaux montages expérimentaux utilisés, ainsi que leur mise en œuvre. Les aspects traitement du signal et gestion de l'information, essentiels dans ce cas, sont également abordés. Enfin, l'article illustre le potentiel de la technique via plusieurs exemples d'applications mettant l'accent sur le couplage et l'imagerie ultrarapide.
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Lire l’articleABSTRACT
Imaging is a technique used in various fields related to fluid mechanics. It allows the measurement of geometric parameters such as size and shape, as well as scalar field variables like temperature, pH, and mixture.
This article provides an overview digital imaging and its application in fluid mechanics. It presents the main experimental setups used and their implementation. The aspects of signal processing and information management, crucial in this context, are also addressed. Finally, the article illustrates the potential of the technique through several examples of applications emphasizing coupling and ultra-fast imaging.
Auteur(s)
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Sébastien CAZIN : Ingénieur de recherche CNRS - IMFT (UMR 5502 : CNRS, Toulouse INP, université UT3 Paul Sabatier), France
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Gilles GODARD : Ingénieur de recherche CNRS - UMR 6614/CORIA, CNRS/INSA et université de Rouen, Saint-Étienne-du-Rouvray, France
-
Fabrice LAMADIE : Directeur de recherche CEA - CEA, DES, ISEC, DMRC, université de Montpellier, France
-
Pierre SLANGEN : Professeur - EuroMov Digital Health in Motion, université de Montpellier, IMT Mines Ales, France
INTRODUCTION
A travers les siècles, l’homme a observé les écoulements via des phénomènes naturels (nuages, fumées, algues…) et en a fait des représentations diverses pour chercher à en comprendre la phénoménologie. Tout un chacun a en tête certains dessins, certaines iconographies, de Leonard de Vinci ou de Giovanni Battista Venturi, matérialisant des zones de turbulence, ou encore des lâchers tourbillonnaires à l’aide de lignes de courant dessinées manuellement. Ces représentations, tout d’abord très qualitatives, ont peu à peu donné lieu, au fil du temps et des progrès technologiques, à des caractérisations plus quantitatives : mesures de vitesse, trajectographies, suivis d’objets dans les écoulements, interactions fluide-structures, mesures de concentrations, de températures, etc., et en s’appuyant sur l’imagerie et la visualisation.
Aujourd’hui, la caractérisation des écoulements en mécanique des fluides fait appel à de multiples techniques de mesure qui permettent d’explorer de nombreuses échelles spatiales et temporelles. Parmi elles, les techniques basées sur l’imagerie sont, sans aucun doute, parmi les plus fondamentales, et elles ont naturellement connu un essor important du fait de leur caractère non intrusif et de leur capacité à observer les écoulements à différentes échelles.
L’imagerie, tout d’abord analogique, a cédé le pas à l’imagerie numérique dans les années 1980 et au traitement d’images assisté par ordinateur, faisant basculer cette technique dans le domaine des techniques métrologiques. L’émergence des lasers, en parallèle, a ouvert la porte au couplage des techniques et à la mesure non intrusive d’écoulements de plus en plus complexes, notamment les écoulements polyphasiques. Aujourd’hui, l’apparition des méthodes d’intelligence artificielle, qui sont en train de révolutionner l’imagerie et le traitement d’images, laisse augurer d’un avenir encore plus riche pour cette technique.
Cet article propose un état de l’art des techniques d’imagerie pour la mesure en mécanique des fluides. Il détaille, tout d’abord, les différents types de montages expérimentaux basés sur l’imagerie, en traitant dans le détail les matériels rencontrés et en proposant quelques exemples de référence. Ensuite, la question du traitement du signal menant à l’extraction d’informations physiques quantitatives dans les écoulements est discutée. Et enfin, des exemples tirés de différents travaux récents de recherche sont présentés à titre d’illustrations.
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MOTS-CLÉS
imagerie traitement du signal fluorescence Mécanique des fluides ombroscopie grandeurs scalaires
KEYWORDS
imaging | signal processing | fluorescence | Fluid mechanics | shadowgraphy | scalar fields
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Exemples d’application
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3. Traitement du signal
Depuis quelques années, les développements des capteurs d’images permettent d’obtenir des résolutions spatiales élevées avec des cadences d’acquisition temporelles de plusieurs milliers d’images par seconde. Actuellement, il est possible d’enregistrer 512 Go en mémoire embarquée, à une cadence de 75 000 images/s (fps) d’un mégapixel chacune (Phantom TMX 7510, Vision Research). Mais, on peut aussi enregistrer des images en 4K (4 096 x 2 304 pixels) à 1 250 fps (Fastcam Nova, Model R5-4K, Photron).
L’architecture d’interfaçage interne ou externe des caméras est prépondérante pour assurer les débits de transfert des volumes de données qui peuvent devenir importants. Si la vitesse de 75 Gpix/s est atteinte, en interne, pour les plus rapides. Elle peut varier, en externe, pour le même capteur suivant son interfaçage (tableau 2).
Ainsi, le même capteur de 1 920 x 1 200 pixels sera limité à 51 fps en GigE, contre 165 fps en USB3.0.
On notera que le prix lié à la technologie de transfert peut fortement varier en fonction des interfaces nécessaires (câbles/fibres et cartes d’acquisition spécifiques, cartes mères rapides, GPU…).
3.1 Notions sur l’échantillonnage spatial et temporel
En imagerie, si l’échantillonnage temporel peut être élevé, il l’est souvent au détriment de la qualité de l’échantillonnage spatial, et vice versa. Ce compromis est directement lié au débit du capteur. Le débit va de pair avec la technologie de capture (capteurs CCD ou CMOS en illumination frontale ou par l’arrière) et de transfert de l’image active vers l’image stockée, en mémoire embarquée sur la caméra ou distante (RAM, disque rapide (SSD, SATA …)).
Le « poids » en octets d’une image est déterminé par sa hauteur (H) et sa largeur (V) en pixels, mais aussi par sa dynamique de numérisation en bits. Le débit en pixel est, quant à lui, donné par H x V x FPS et s’exprime en pixels par seconde. Il est constant, intrinsèque à chaque caméra et indépendant de la dynamique de numérisation.
Ainsi, pour une taille de capteur constante de 1 920 x 1 080 pixels, on...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOUTIER (A.) - Métrologie laser pour la mécanique des fluides – Granulometrie et techniques spectroscopiques – Tomes 1 et 2. - Cachan (2012).
-
(2) - HOLST (G.) - Scientific CMOS image sensors, - Laser Phot., vol. 5 (2009).
-
(3) - KHALIL (A.), PUEL (F.), CHEVALIER (Y.), GALVAN (J.M.), RIVOIRE (A.), KLEIN (J.-P.) - Study of droplet size distribution during an emulsification process using in situ video probe coupled with an automatic image analysis. - Chem. Eng. J., vol. 165, n° 3, pp. 946–957, doi: 10.1016/j.cej.2010.10.031 (2010).
-
(4) - MAAß (S.), ROJAHN (J.), HÄNSCH (R.), KRAUME (M.) - Automated drop detection using image analysis for online particle size monitoring in multiphase systems, - Comput. Chem. Eng., vol. 45, pp. 27–37, doi: 10.1016/j.compchemeng.2012.05.014 (2012).
-
(5) - SETTLES (G.S.), HARGATHER (M.J.) - A review of recent developments in schlieren and shadowgraph techniques, - Measurement Science and Technology, vol. 28, n° 4. Institute of Physics...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Alcal bfi
Ando rOxford Instruments
Berkeley Nucleonics
https://www.berkeleynucleonics.com/
CERCO designs
Coherent
Dantec Dynamics
http://www.dantecdynamics.com/
Edmunds Optics
Hamamatsu
HTM
IDEXot-CVI
Laser component
https://www.lasercomponents.com/fr/
Laseroptik
Laser2000
LaVision
Lumibird
MKS
Opto/Alliance Vision
https://www.alliancevision.com/index.php/fr/
Opton Laser
PhotonLines
Photron
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