粒子跟踪速度计系统的系统级描述

科学讲座5（2023）100099用于室内空气质量研究的粒子跟踪速度计系统的系统级描述Ran Guoa，，Eric Dekneuvela，Gilles Jacquemoda，Pascal Henry Biwoleb蓝色海岸大学，Polytech'Lab UPR UCA 7498，法国索菲亚安提波利斯b克莱蒙特奥弗涅大学，克莱蒙特奥弗涅INP，CNRS，帕斯卡研究所，F-63000克莱蒙费朗，法国A R T I C L E I N F O关键词：3D粒子跟踪速度计FPGALabviewA B S T R A C T通过3D粒子跟踪技术检测空气中的粒子并观察气流的运动可广泛用于智能家居、环境、能源和其他领域。在本研究中，我们开发了一个三维粒子跟踪速度计（3D PTV）系统的快速原型。本文从智能仪器的形式化模型、行为规范、签名和实现等方面提出了嵌入式PTV系统的设计。PTV数据处理有两个部分。图像处理在定制的现场可编程网关阵列（FPGA）处理器上执行，而其余程序在Windows PC上执行。PCI Express总线连接这两个部分，并通过先进先出（FIFO）传输数据本研究还提出并验证了并行化和流水线等性能优化方法本文的视频可以在https://doi.org/10.1016/j.sctalk.2022.100099。通讯作者：蓝色海岸大学，Polytech'Lab UPR UCA 7498，索菲亚安提波利斯，法国，930 Route des Colles，06410 Biot，法国。电子邮件地址：etu.univ-cotedazur.fr（R. 郭）。h tt p：//dx. D或I。r g/10. 1 0 1 6/天。SC TA LK. 20 22. 1 0 0 09 92022年10月19日收到;2022年11月18日以修订形式收到;2022年11月20日接受27 7 2 - 56 93/©2022TheA ut h o rs. Pu b l lis h由E lse vierL td编辑。这是一个OP ENA CC SA RT IC LEN DTTCCBYL C ENS E（H TTP：//C RE ATV EC OMO NS）。or g/li ce nse s/by/4. 0/）。ScienceDirect上提供的内容列表科学讲座日记帐主页：www.elsevier.es/sctalkR. Guo等人科学讲座5（2023）1000992图和表图1. 3D PTV系统。PTV实验设备包括气泡发生器、照明系统、三个摄像头和3D PTV算法处理器。图2. E X外部服务和外部模式。 图 2显示了用户可以通过请求在配置、实时和仿真模式之间选择的三种外部模式中的外部服务组织。R. Guo等人科学讲座5（2023）1000993图3. 3D实时轨迹测量服务。该仪器的领先服务，3D实时轨迹测量服务，喜欢用用户定义的参数更新外部数据。三个摄像头捕捉图像，然后实时处理它们。图4. 内部服务和模式（a）&内部服务的优先限制（b）。这些内部模式描述了所有可能的正常和异常情况，如一个或两个坏掉的相机。用户无法选择这些模式，因为它们对用户不可见 图 4（b）突出显示了外部实时轨迹测量中优先级的正常内部逻辑链接，呈现了3D PTV系统的主要过程。R. Guo等人科学讲座5（2023）1000994图5. Labview描述。PTV系统的描述分为两个部分：使用StateChart计算模型（Moc）的反应部分和连接到同步数据流Moc的流部分。 图 3D PTV系统状态图的5个部分显示，包括配置和实时模式。执行模式根据用户的请求而改变图6. PTV系统的功能验证。根据用户的要求，通过记录在仿真测量服务中的图像文件，可以在Labview中开发和验证智能仪器的用户操作模式（USOM）和外部服务的各种状态R. Guo等人科学讲座5（2023）1000995图7. LabView实现。 图图7显示了基于LabView FPGA模块的粒子检测行为描述和一些可用的优化。在具有加速时钟频率（1）的时间循环中，通过移位寄存器（2）在管道中占用子提取、分段和质心计算过程。粒子坐标数据最终存储在FIFO中并传输到PC窗口。减少FIFO数量是提高性能的另一种方法（3）。 LabView Windows模块（图 7b）操纵这些坐标并返回粒子在现实世界中的位置。 Dreamweaver Windows具有从多核执行到自动并行运行多个相互依赖的进程的优势。三个摄像头中的每两个摄像头的空间匹配在不同的线程或内核上运行，以并行处理，加快了系统的执行图8. PTV仪器的E X执行平台。图8显示了基于三个硬件处理器（FPGA）的当前平台。他们从摄像机及其采集板接收大小为2048 * 2048英尺X像素的图像，然后计算每个图像中每个粒子的中心。嵌入在个人计算机中的四核MPU（软件处理器）在通过PCI开关接收粒子重心的同时处理剩余处理。表1机载性能优化总结定时/频率切片使用运行时帧速率表3Windows PC上的性能表1显示了加速总结，包括增加频率、流水线和减少FIFO量。最佳性能为33.33 fps。表2基于Labview FPGA的粒子检测表面报告表3显示了3D PTV系统在Dreamweaver Windows上的性能。用一台照相机处理一张50粒子的图像进行时间跟踪平均需要3.48毫秒，用空间匹配和3D重建处理一张图像平均需要31.14毫秒我们为这些实时PTV性能结果生成了三个关键指标。第一个是最大时钟频率块RAM 153 445 34.4DSP 12，840 1.4表2显示了最佳性能下的器械使用MHZ。第二个问题是FPGA资源占用。它占用了大约47.7%的资源，包括15.8%的寄存器和32.6%的LUT。剩余的资源可用于深度优化，如循环原件100 MHz48.4%42ms23 fps50个粒子/图像性能（毫秒）计时130 MHz51.8%32毫秒31.25 fps时间跟踪（CAM 1/ 2/3）3,48管道133 MHz48.5%31毫秒每秒32.25帧空间匹配和重建31,14先进先出还原135 MHz47.7%30毫秒33.33 fps器械利用率已使用总计百分比（fMAX）在FPGA上，其是临界路径的逆总切片数24,29450,95047.7大多数组合逻辑元素的延迟。高f最大结果为切片寄存器64,575407,60015.8高性能。在本实验中，fMAX在以下时间达到135 MHz：切片Luts66,395203,80032.6优化，与最初的100相比速度有所提高R. Guo等人科学讲座5（2023）1000996解卷。在本例中，第三个也是最关键的指标之一是帧速率。对于PTV跟踪系统，帧速率越高，轨迹越精确。经过一些优化后，最佳性能最终达到了33.33 fps的帧速率，适用于2048*2048像素的图像，每帧约有50个粒子。就精度而言，该速率对于在10-20 cm/s的室内气流速率下的两个连续图像中3-6 mm的颗粒位移是足够的信用作者贡献声明Ran Guo：方法论、软件、写作Eric Dekneuvel：概念化、监督、写作&-评论编辑。GillesJacquemod：监督。Pascal Biwole：资源，项目管理员-注册，监督。数据可用性数据将根据请求提供。确认文件我们知道中国留学基金管理委员会的资助利益声明作者声明，他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系，可能会影响本文所报道的工作。进一步阅读[1] Mark Kreizer，David Ratner，Alex Liberzon，粒子跟踪速度计的实时图像处理，EXp.流体48（2010）105[2] M.P.阿罗约，K.D. Hinsch，3D测量中PIP的最新发展，Springer，2008，127- 15[3] K.Y.陈，D. Stich，G.A. Voth，用于高速粒子跟踪的实时图像压缩，Rev.Sci。仪器。78（2）（2007）023704，5页。[4] 帕斯卡尔·亨利·比沃勒Yan，Y.张，J. - J.RouX，完整的三维粒子跟踪算法及其在室内气流研究中的应用，测量科学与技术，IOP出版社，2009年。[5] Masoumeh Nedaei， 用 于大 型 封 闭式 气 流 研究 的 多 3D-PTV 系 统 ，AJCE37 （1 ）（2019）特刊- RUGC。[6] M. Staroswiecki先生。Bayart，智能仪器互操作性的模型和语言，自动化32（6）（1996）859-873。[7] J. 泰兰，L.福洛伊，E.Benoit，从内部模型自动生成智能仪器，SICICA'2000国际会议论文集，阿根廷，2000年9月。[8] E. 勒梅尔先生。巴亚尔，C.Choukair，同步计算后E × ternal模型的应用，国际会计师联合会会议记录卷，2000年。[9] E. 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