Un semplice sistema di telecamere abbinato a un sofisticato algoritmo di elaborazione delle immagini può ottenere ricostruzioni più rapide e accurate del flusso di particelle.

Sostituendo una configurazione hardware complessa con hardware semplice abbinato a un'elaborazione delle immagini ottimizzata, i ricercatori di KAUST hanno sviluppato un sistema di tracciamento delle particelle tridimensionale (3D) più veloce e accurato.

L'osservazione del movimento 3D delle particelle in flusso è importante negli studi di aerodinamica, flusso dei fluidi e dinamica molecolare. Convenzionalmente, questo viene eseguito utilizzando una complicata disposizione di più telecamere, le immagini da cui vengono analizzate e confrontate per ricostruire il moto delle singole particelle nello spazio 3D nel tempo. Però, a causa della complessità dell'installazione e della necessità di una calibrazione frequente e meticolosa, tali sistemi di velocimetria delle particelle 3D sono spesso grandi, costoso e difficile da usare.

L'olografia offre un'alternativa più semplice e promettente. In questo approccio, le particelle vengono illuminate con un raggio laser e l'immagine delle particelle viene catturata da una singola telecamera. Poiché la luce laser diffrange attorno a ciascuna particella, la posizione 3D della particella può essere misurata dalla dimensione dell'anello di diffrazione nell'immagine. Però, mentre l'hardware per un tale sistema è ben consolidato, il software per ricostruire il flusso di particelle è ancora agli inizi.

Ni Chen e Congli Wang di KAUST nel gruppo di Wolfgang Heidrich hanno ora sviluppato un algoritmo di ricostruzione del movimento delle particelle ottimizzato che potrebbe espandere notevolmente l'adozione della velocimetria olografica digitale delle particelle.

"L'olografia in linea richiede meno componenti, ha una configurazione molto più semplice, può essere facilmente utilizzato con i microscopi e offre una maggiore risoluzione spaziale, ma è più difficile da risolvere numericamente, " spiega Wang. "Abbiamo dimostrato che possiamo ottenere prestazioni uguali o addirittura migliori rispetto ai metodi convenzionali utilizzando sofisticati algoritmi software".

I precedenti algoritmi di ricostruzione del movimento delle particelle analizzavano la posizione e il movimento delle particelle in fasi sequenziali separate. Il team di ricerca ha sviluppato un algoritmo numerico chiamato Holo-Flow che risolve sia la posizione che il movimento in parallelo, incrociare le informazioni in ogni passaggio. Ciò non solo migliora l'accuratezza e la qualità della ricostruzione del flusso, consente inoltre di parallelizzare l'elaborazione dell'algoritmo per un calcolo molto più veloce.

"Questo lavoro mostra il potenziale dell'elaborazione di immagini computazionali in cui l'hardware e il software sono considerati congiuntamente nel loro insieme per la codifica e la decodifica delle informazioni di destinazione, "dice Wang, che continuerà la sua ricerca come postdoc presso l'Università della California, Berkeley. "Utilizzando questo metodo con una semplice configurazione dell'olografia in linea, possiamo ricostruire un campo di flusso in pochi secondi invece di ore su un singolo processore grafico."