D5 Photogrammetrie und 3D-kinematische Rekonstruktion

Thema

Hochgeschwindigkeitsphotogrammetrie ist ein Verfahren, das die dreidimensionale Form und Kinematik des Fischkörpers anhand synchronisierter Bilder rekonstruiert, die von mehreren Hochgeschwindigkeitskameras mit 500 bis 10.000 Bildern pro Sekunde aufgenommen werden. Im Gegensatz zur zuvor beschriebenen Particle Imaging Velocimetry (PIV), die die Bewegung von Flüssigkeiten um den Fisch herum misst, erfasst die Hochgeschwindigkeitsphotogrammetrie die Bewegung des Fischkörpers selbst.

Zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Form des Fischkörpers verfolgt die Hochgeschwindigkeitsphotogrammetrie zwei Ansätze: Entweder werden Kontrollpunkte auf dem Fischkörper – beispielsweise auf die Haut aufgemalte Markierungen oder erkennbare anatomische Landmarken – stereoskopisch trianguliert, analog zur Triangulation der Position eines ganzen Fisches beim zuvor beschriebenen 3D-Schwimmtracking, oder die vollständige Silhouette des Fischkörpers wird aus den von ihm auf die einzelnen Kameras projizierten Silhouetten rekonstruiert.

Bei diesem zweiten Ansatz definiert jede Kamera einen Sichtkegel: den Bereich des Raums, der, auf diese Kamera projiziert, innerhalb der Silhouette des Fischkörpers liegt, wie sie im Bild sichtbar ist. Der Schnittpunkt der Sichtkegel aller Kameras definiert das visuelle Volumen des Fischkörpers – also das maximal mögliche Volumen, das gleichzeitig mit allen von den verschiedenen Kameras erfassten Silhouetten vereinbar ist.

Um die vollständige Kinematik des Fischkörpers zu erfassen, wiederholt die Hochgeschwindigkeitsphotogrammetrie diese Rekonstruktion der Form in jedem aufeinanderfolgenden Bild und verfolgt die Position jedes Punktes oder Körpersegments über die Zeit. Die Deformation der Körperoberfläche des Fisches während des Schwimmens, die sogenannte kinematische Welle, wird quantifiziert, indem ein deformierbares Oberflächenmodell an die Punktwolke angepasst wird, die die Rekonstruktion zu jedem Zeitpunkt liefert.

Aus dieser dreidimensionalen Körperkinematik werden die Amplitude der sich entlang des Fischkörpers ausbreitenden Welle an jedem Punkt und zu jedem Zeitpunkt berechnet, ebenso wie die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser kinematischen Welle, die Strouhal-Zahl und weitere relevante Antriebsparameter. In Kombination mit der zuvor in dieser Reihe beschriebenen numerischen Strömungsmechanik liefert die Hochgeschwindigkeits-Photogrammetrie präzise die Randbedingungen für die Körperverformung, die die Simulation zur Berechnung der resultierenden hydrodynamischen Kräfte auf den Fisch benötigt.

Der Vorteil der dreidimensionalen Rekonstruktion dieser Körperkinematik gegenüber der reinen Betrachtung in der lateralen Ebene besteht darin, dass sie Bewegungen des Fischkörpers außerhalb dieser Ebene sichtbar macht, die eine zweidimensionale laterale Analyse unterschätzt oder gar nicht erfasst – ein Effekt, der besonders bei Wendemanövern oder beim Schwimmen in unruhiger Strömung auffällt. Somit offenbart die gleiche Hochgeschwindigkeitsphotogrammetrie, die zu Beginn dieses Modells als eine Technik beschrieben wurde, die in der Lage ist, die Bewegung des festen Körpers des Fisches und nicht nur der ihn umgebenden Flüssigkeit zu messen, am Ende eine Fülle von Körperbewegungen, die die einfacheren zweidimensionalen Tracking-Techniken auslassen.

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