Von optischer 3D-Messtechnik zu lichtfeldbasierter Bildakquisition und -verarbeitung

Eine Beschreibung einer 3D-Szene mittels Lichtfeldern führt nicht nur zu einer umfassenden Theorie ALLER möglichen optischen 3D-Aufnahmesysteme, sondern ermöglicht auch neue Ansätze, die auch die Schätzung der optischen Eigenschaften der Oberflächen integrieren. Weiterhin werden damit die Grenzen bisheriger optischer Messtechniken gesprengt. Am Beispiel von drei aktuellen Forschungsarbeiten aus dem HCI wird das Potenzial dieser Techniken aufgezeigt: a) die Bestimmung von Tiefenkarten und Bildaufnahme mit erweiterter Tiefenschärfe mittels hyperchromatischer Bildaufnahme, b) die Gewinnung von Tiefenkarten mittels plenoptischer Kameras nicht durch Korrespondenzanalyse, sondern durch Orientierungsanalyse im Lichtfeldes und c) Stereomessungen an spekular reflektierenden Oberflächen mittels aktiver Beleuchtung

Der Standard EMVA 1288 zur Charakterisierung von Kameras und Bildsensoren – von 2D- zu 3D-Kameras

In diesem Beitrag werden kurz die Grundprinzipien des Standards EMVA 1288 beschrieben: offen, nicht einschränkend, modellbasiert und Kamera als Komponente. Wenige Parameter sind notwendig, um flexibel und applikationsspezifisch eine optimale Kameraauswahl zu treffen. Dies wird an vergleichenden Beispielen illustriert. Weiterhin werden verfügbare Testgeräte vorgestellt und am Ende kurz dargestellt, wie der Standard auf 3D-Kamerasysteme erweitert werden könnte

A novel method for spatio-temporal analysis of flows within the water-side viscous boundary layer

A novel measurement technique is developed for 3D reconstruction of Eulerian velocity vector fields and Lagrangian trajectories at water-side viscous boundary layers in wavy free surfaces. The presented approach makes use of spatiotemporal image processing algorithms. The method is applied to a falling film with a known velocity profile

Simulation and lossless compression of linear image sensor signals with more than 16 bit dynamic range

High-end scientific CMOS (sCMOS) sensors with a linear characteristic have reached already a quality level that 16-bit quantization is required in order to resolve the low temporal noise level in the dark image. Further progress will sooner or later require a quantization resolution of more then 16 bits. This poster descibes that the signals of linear image sensors with high dynamic range and large maximum SNR, can be represented with a bit resolution far below 16 bit, keeping the processing fast. In addition, a non-linear gray value scale with gray-value independent temporal noise is advantageous for almost any type of image processing except radiometric evaluation. For the latter it is easy to linearize the signal again by applying the inverse gray value transform

First air–sea gas exchange laboratory study at hurricane wind speeds

In a pilot study conducted in October and November 2011, air–sea gas transfer velocities of the two sparingly soluble trace gases hexafluorobenzene and 1,4-difluorobenzene were measured in the unique High-Speed Wind-Wave Tank at Kyoto University, Japan. This air–sea interaction facility is capable of producing hurricane strength wind speeds of up to u10=67 m s−1. This constitutes the first lab study of gas transfer at such high wind speeds. The measured transfer velocities k600 spanned two orders of magnitude, lying between 11 cm h−1 and 1180 cm h−1 with the latter being the highest ever measured wind induced gas transfer velocity. The measured gas transfer velocities are in agreement with the only available dataset at hurricane wind speeds (McNeil and D'Asaro, 2007). The disproportionately large increase of the transfer velocities found at highest wind speeds indicates a new regime of air–sea gas transfer, which is characterized by strong wave breaking, enhanced turbulence and bubble cloud entrainment. It was found that tracers spanning a wide range of solubilities and diffusivities are needed to separate the effects of enhanced surface area and turbulence due to breaking waves from the effects of bubble and spray mediated gas transfer

Transfer processes across the free water interface

It is the aim of this thesis to discuss the transfer processes across a free gas-liquid interface. After some basic considerations, the state of the art presented in the literature is discussed. The only quantities studied so far are mean parameters like the transfer velocity for mass transfer and the friction velocity as a measure for momentum exchange. The discussion of the data obtained shows that this experimental approach is completely insufficient to explain the effects observed, mainly the large enhancement of mass transfer across the aqueous boundary layer for a free surface if compared to a solid one. Therefore methods providing a deeper insight into the complex transfer mechanisms have been developed. Special emphasize is put on their capabilities and their significance in proving and disproving theoretical concepts: - the study of the Schmidt number dependence of the mass transfer process, in order to obtain the shape of the turbulence increase at the surface - a comparison of the Schmidt number dependence and the velocity profile in the boundary layer, leading to a distinction of multi- and single-stage transport models - the measurement of the local and instantaneous transfer velocity across the boundary layer - a detailed study of water surface waves including the measurement of the phase speed and the coherency - the visualization of the surface waves and - the visualization of the mass transfer across the aqueous boundary layer both providing a direct insight into the two-dimensional structure of the processes. From the results obtained so far a clearer picture of the exchange processes and the turbulent structure at the free, wavy surface can be drawn already: With the onset of the waves at the free surface a new flow regime is established which has no analogue in flow at a solid surface. Eddies with length scales comparable to the dominant waves and closely linked to the wave field are an important feature of this structure. Kitaigorodskii's concept (1984) that turbulent patches generated by wave instability cause the enhanced gas exchange rates is in agreement with these findings. The development of the new methods promises further progress in understanding near-surface transport processes in the liquid

Gaschromatische Tritiumanreicherung, Trennung der Wasserstoffisotope bei Adsorption

Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeiten gaschromatographischer Anreicherung von Tritium zur Messung von Low-Level-Proben. Es konnte ein trägergasfreies Verfahren entwickelt werden, das aus einer Kombination von Frontalanalyse und Verdrängungsentwicklung besteht. Es ist einfach zu handhaben, aber genauso effektiv wie kompliziertere bisherige Verfahren mit Trägergas (Kapitel 2). Verbesserungen im Kolonnenbau machen größere Anreicherungsfaktoren möglich. Durch eine optimalere Wahl der Adsorber und den Übergang zu tieferen Temperaturen (63,2°K, Sieden von flüssigem Stickstoff unter vermindertem Druck) läßt sich die vierfache Menge an Wasserstoff im gleichen Volumen anreichern wie mit den bisherigen gaschromatographischenVerfahren. Das gaschromatographische Verfahren ist gegenüber dem Trennrohr schneller und platzsparender: eine 20 Nl Wasserstoffprobe läßt sich in weniger als 2 Stunden in einer 0,3 1 Kolonne bei 63,2°K auf 1,3 Nl mit mehr als 99,0% Tritiumausbeute einengen. Auch größere Mengen H2 lassen sich verarbeiten, sodaß der bisherige Anreicherungsweg für Low-Level-Tritiumproben weiter vereinfacht werden kann (Kapitel 7). Breiten Raum nehmen grundlegende Untersuchungen ein, die erst eine optimale Parameterwahl ermöglicht haben. Im Kapitel 4 werden Grundlagen der Adsorption beschrieben und die Adsorber auf ihre Adsorptionskapazitäten verglichen, die Theorie der Adsorption selbst findet sich in Anhang A2, die Meßverfahren in Anhang A1. Die Untersuchung der Trennfaktoren der Adsorption ist Gegenstand von Kapitel 5. Da für HT geeignete Trennfaktoren in der Literatur fehlen, wurden sowohl eigene Messungen unternommen, als auch versucht mit 3 Adsorptionsmodellen die Beziehung der Trennfaktoren untereinander (logarithmische Verhältnisse, Bigeleisenfaktoren) theoretisch zu berechnen (Kapitel 5, Anhang A3). Dabei ergab sich, daß Isotopentrennfaktoren einschließlich der Ortho-Para-Trennung (Kapitel 3) ein geeignetes Mittel sind, zwischen verschiedenen Vorstellungen über die Adsorption zu unterscheiden, was mit Isothermenmessungen nur schwer möglich ist (Anhang A2). Das Modell einer mobilen Adsorption der H -Moleküle mit einer weitgehenden Störung der Rotation in einer Ebene senkrecht zur Oberfläche entspricht den Messergebnissen am besten

Zur Parametrisierung des Gasaustauschs mit Hilfe von Laborexperimenten

In der folgenden Arbeit werden in Laborexperimenten die Mechanismen des Gasaustausches zwischen Atmosphäre und Meer untersucht. Dazu wurde erstmals ein ringförmiger Wind-Wasser-Kanal eingesetzt, der gegenüber linearen eine Reihe von Vorteilen aufweist. Der Einfluß der Zentrifugalkräfte auf die Austauschprozesse erwies sich als gering. Gemessen wurden neben der Gasaustauschrate für CO2 der Transfer von Wärme in Wasser, die Verdunstungsrate, die Schubspannungsgeschwindigkeit und mit Hilfe einer optischen Methode Neigungsspektren und mittlere Neigungen der Wasserwellen. Im glatten Fall entspricht die viskose Grenzschicht beiderseits der Wasseroberfläche völlig der an einer festen Wand. Das bestätigen die Experimente sowohl durch die absoluten Raten als auch durch die Schmidtzahlabhängigkeit des Gasaustausches von Sc^(-2/3), die unmittelbar aus Kontinuitätsüberlegungen resultiert. Mit dem Auftreten von Kapillarwellen steigen die Transfergeschwindigkeiten der wasserseitig kontrollierten Austauschprozesse stark an. Die Erhöhung des Gasaustausches ist besonders groß, da sich gleichzeitig die Schrnidtzahlabhängigkeit auf Sc^(-1/2) ändert. Zur Erklärung des hohen Anstiegs reichen die bisherigen theoretischen Vorstellungen eine Grenzschichtdickenvariation durch Kapillarwellen nicht aus. Die Änderung der Schmidtzahlabhängigkeit des Gasaustausches deutet vielmehr an, daß durch das Wellenfeld sich ein neuer Mechanismus des turbulenten Transports einstellt. Zur Parametrisierung des Einflusses der Wellen erscheint die mittlere quadratische Neigung der Wellen als geeignete Größe. In Übereinstimmung mit Laborexperimenten an linearen Wind-Wasser-Kanälen entfaltet sich der Einfluß der Kapillarwellen in einem Schubspannungsgeschwindigkeitsbereich von u = 10-30 cm/sec (U10 = 3-8 m/sec). In diesem Bereich steigt der Gasaustausch mit u_*^2 bis u_*^3 an. Bei höheren Geschwindigkeiten ist der Gasaustausch proportional zu u_*. Das Zusammenwirken von turbulentem Transport und chemischer Reaktion läßt sich mit genügender Genauigkeit mit dem tau-Modell berechnen

Visualization of air-water gas exchange using novel fluorescent dyes

Laser-Induced Fluorescence (LIF) techniques are applied to visualize air-water gas exchange across the aqueous mass boundary layer in wind/wave facilities. Dissolved oxygen is made visible by quenching of the fluorescence of an organic ruthenium complex (tris(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline disulfonic acid) ruthenium(II) dichloride, Ru(dpp ds)3), and acid or alkaline volatile species such as CO2, HCl or diethylamine by the fluorescent pH indicator 1-hydroxy pyrene-3,6,8-trisulfonic acid (HPTS). Fluorescence of both dyes can be stimulated by a 473 nm DPSS laser. The spectral peaks of the fluorescence emission (510 nm for HPTS and 610 nm for Ru(dpp ds)3) are different enough, so that the concentration fields of both dyes can be measured simultaneously using two cameras with different bandpass filters. The paper details the properties of the two dyes and demonstrates their usage with some preliminary visualization experiments

An optical flow based technique for the non-invasive measurement of microfluidic flows

A new approach for estimating motion in microfluidic flows is presented. Is is based on an extension of the brightness changes constraint equation (BCCE) to incorporate Taylor dispersion. This extended BCCE is then used for accurately estimating fluid flows in a two dimensional Molecular Tagging Velocimetry (2D-MTV) framework. Reference measurements were conducted to validate the accuracy and applicability of the novel technique. Due to the excellent agreement between measurement and ground truth, the method was also applied to inhomogeneous flows in a mixing chamber