运动中的粒子

流动诊断的新视角

对流动的精确分析——无论是空气、水还是其他介质——都是研发领域的重要工具。迄今为止，昂贵的高速相机主要用于可视化单个粒子的运动。尽管这些技术能呈现令人惊叹的精细图像，但它们会产生海量数据，这些数据必须以高昂成本进行存储、传输和处理.即使在高帧率下，结果也高度依赖于曝光时间、照明条件和光学配置的正确选择。若缺乏丰富的成像专业知识，运动模糊、图像暗区或扫描不完整等问题便会迅速出现。这极大地损害了测量数据的质量。

一项新技术有望解决这一问题：基于事件的相机不会持续捕捉完整图像，而是仅记录视野中的变化——精度可达微秒级.这种神经形态传感器技术在实现对运动的高动态分析的同时，大幅减少了数据流量。当多个此类传感器组合使用时，其效果尤为令人兴奋：这使得复杂的3D流场分析首次得以实现——成本效益高、可扩展且效率空前。一项真正的跨時代技术，为科研机构和工业应用开辟了新的可能性。

以多重视角进入三维空间

流场诊断依赖于精确捕捉运动的能力——理想情况下不仅限于二维，更应实现三维捕捉。基于事件的相机在此提供了全新的解决方案。与传统图像传感器不同，它们仅检测视野内的对比度变化——响应时间在亚毫秒级。由此产生的数据量不仅显著缩小，而且高度相关。结合其高光敏性和紧凑设计，这为以往仅能通过极其昂贵的高速度系统实现的应用开辟了新可能。

当多个基于事件的相机相互结合时，情况就变得格外令人兴奋。唯有从不同角度观察粒子，才能在空间中清晰识别它们，并重建其三维运动轨迹。诸如成熟的粒子图像测速（PIV）或复杂压缩冲击配置可视化——例如发动机叶片之间的冲击——等应用，都极大地受益于这项技术。缩减后的数据流甚至支持实时评估，从而能够实现基于图像测量技术的主动流量控制新方案.

从事件到3D数据

单台相机不足以捕捉三维流场中单个粒子的运动轨迹。只有结合多个视角——通常需要三到四个相机——才能清晰确定粒子在空间中的位置.相机采用摄影测量布局进行布置，以便从不同视角捕捉同一立体物体，且图像区域略有重叠。通过基于对应像素和已知相机的三角测量法，可在空间中计算出粒子的三维位置。可用的视角越多，粒子轨迹的重建就越精确、越可靠。
精确同步对于确保后续能够正确合并相机的采集的数据至关重要。用于此目的的四款IDS事件触发式工业相机提供了两个特别实用的接口：

• 触发器输入：它能够在所有数据流中添加唯一的时间戳，以便后续能精确地将事件相互关联。
• 硬件禁止（TDRSTN）：此功能允许同时启动所有相机——即使它们在不同的计算机上运行。

数据收集完成后，真正的挑战才刚刚开始：各相机的事件必须首先在几何上相互注册（相机校准）。随后，通过同步事件直接定位粒子在空间中的位置，或采用两阶段过程：先在单个视图中追踪粒子，再重建其运动轨迹。单个像素事件的位置和时间戳在规定时间段内进行累积——即在时空维度上实现融合。其结果是在空间中形成一种"运动轨迹"，展示了粒子在体积内随时间推移的运动方式。

这种可视化形式对于理解复杂的流动模式尤为有效：可据此判断粒子运动轨迹、湍流生成情况，以及激波的传播行为。回流、涡流形成以及局部流速变化也可通过这种方式可视化呈现。此类定性表征不仅对研究和教学具有重要价值，对技术系统的开发与优化同样意义重大，例如在航空航天、流体力学或微流体学领域。

优势、局限性与挑战

该系统的性能取决于多种因素，包括时空分辨率和传感器.所采用的索尼IMX636传感器提供约100微秒的时间精度。这使得系统能够以1 kHz时钟频率同时追踪多达10,000个粒子——若采用10 kHz频率，则可追踪约1,000个粒子。这些数据既展示了该技术的潜力，也揭示了其局限性：虽然更高分辨率能容纳更多粒子，但也会增加数据流和处理需求。

然而，事件相机为高速系统提供了一种经济高效的替代方案。它们产生的数据更少，所需存储空间更小，因此即使规模较小的研究机构也能获取精确的运动信息，例如用于三维流场分析。得益于紧凑的设计和低能耗特性，EVS相机对周边设备要求极低，因此成为移动和自主系统的理想选择，从而开拓了新的应用领域。

一项特别创新之处在于能够以每秒超过250个场点的速度实时评估流场。每个"场"代表在限定体积内粒子运动的完整快照。这种高时间密度不仅能够实现对动态流的精确分析，还为自适应系统提供了基础。在这些情况下，流体流动可通过控制襟翼、喷嘴或其他机械部件等手段进行主动调节。对于德国航空航天中心（DLR）的克里斯蒂安·维勒特博士而言，这项实时评估是基于图像的测量技术进一步发展的真正里程碑。

启用而非革命

基于事件的视觉系统并非与传统的基于图像的系统竞争——它不会取代后者，而是以有意义的方式对其进行补充。尽管高速相机在需要最大空间分辨率和完整图像信息的场景中持续展现其优势，事件技术却为高效捕捉动态过程提供了门槛更低的新选择。它使精确的运动分析变得触手可及——即使对于预算或基础设施有限的实验室和研究机构也是如此。

IDS uEye EVS相机为此提供了理想的相机平台：结构紧凑、节能高效且对周边设备要求低。它们能够构建可扩展的多相机系统，无需复杂的硬件设置，并与创新型EVS传感器技术制造商Prophesee的Metavision SDK无缝协作.这为移动流体诊断、风洞模型甚至无人机等领域开辟了新的应用前景。

事件驱动视觉技术可被视为一项赋能技术的事实，也体现在Prophesee公司持续深耕嵌入式领域的实践中：一款特别开发的套件可让高速事件数据在树莓派5上直接处理，且延迟极低。这使得该技术同样适用于紧凑型嵌入式系统——例如在机器人技术、工业自动化或自主飞行平台领域。这将专业的高性能技术转化为适用于广泛新应用的灵活工具。