Um sistema de câmera simples emparelhado com um algoritmo de processamento de imagem sofisticado pode alcançar reconstruções mais rápidas e precisas do fluxo de partículas.

Ao substituir uma configuração de hardware complexa por hardware simples emparelhado com processamento de imagem otimizado, pesquisadores da KAUST desenvolveram um sistema de rastreamento de partículas tridimensional (3D) mais rápido e preciso.

Observar o movimento 3D de partículas em fluxo é importante em estudos de aerodinâmica, escoamento de fluidos e dinâmica molecular. Convencionalmente, isso é realizado usando um arranjo complicado de várias câmeras, as imagens a partir das quais são analisadas e comparadas para reconstruir o movimento de partículas individuais no espaço 3D ao longo do tempo. Contudo, devido à complexidade da configuração e à necessidade de calibração frequente e meticulosa, tais sistemas de velocimetria de partículas 3D são frequentemente grandes, caro e difícil de usar.

A holografia oferece uma alternativa mais simples e promissora. Nesta abordagem, as partículas são iluminadas com um feixe de laser e a imagem da partícula é capturada por uma única câmera. À medida que a luz do laser difrata em torno de cada partícula, a localização 3D da partícula pode ser medida a partir do tamanho do anel de difração na imagem. Contudo, enquanto o hardware para tal sistema está bem estabelecido, o software para reconstruir o fluxo de partículas ainda está em sua infância.

Ni Chen e Congli Wang da KAUST, do grupo de Wolfgang Heidrich, desenvolveram agora um algoritmo de reconstrução de movimento de partículas otimizado que pode expandir muito a adoção da velocimetria holográfica digital de partículas.

"A holografia em linha requer menos componentes, tem uma configuração muito mais simples, pode ser facilmente usado com microscópios e oferece uma resolução espacial mais alta, mas é mais difícil de resolver numericamente, "explica Wang." Nós mostramos que podemos alcançar o mesmo ou até melhor desempenho do que os métodos convencionais usando algoritmos de software sofisticados. "

Os algoritmos anteriores de reconstrução do movimento das partículas analisaram a localização e o movimento das partículas em etapas sequenciais separadas. A equipe de pesquisa desenvolveu um algoritmo numérico chamado Holo-Flow que resolve localização e movimento em paralelo, alimentação cruzada das informações em cada etapa. Isso não só melhora a precisão e a qualidade da reconstrução do fluxo, também permite que o processamento do algoritmo seja paralelizado para uma computação muito mais rápida.

"Este trabalho mostra o potencial do processamento computacional de imagens, onde o hardware e o software são considerados conjuntamente como um todo para a codificação e decodificação de informações alvo, "diz Wang, que continuará sua pesquisa como pós-doutorado na Universidade da Califórnia, Berkeley. "Usando este método com uma configuração simples de holografia em linha, podemos reconstruir um campo de fluxo em alguns segundos em vez de horas em um único processador gráfico. "