Experimental investigation of flow-induced vibration on isolated and tandem circular cylinders fitted with strakes

The effect of varying the geometric parameters of helical strakes on vortex-induced vibration (VIV) is investigated in this paper. The degree of oscillation attenuation or even suppression is analysed for isolated circular cylinder cases. How a cylinder fitted with strakes behaves when immersed in the wake of another cylinder in tandem arrangement is also investigated and these results are compared to those with a single straked cylinder. The experimental tests are conducted at a circulating water channel facility and the cylindrical models are mounted on a low-damping air bearing elastic base with one degree-of-freedom, restricted to oscillate in the transverse direction to the channel flow. Three strake pitches (p) and heights (h) are tested: p = 5, 10, 15d, and h = 0.1, 0.2, 0.25d. The mass ratio is 1.8 for all models. The Reynolds number range is from 1000 to 10000, and the reduced velocity varies up to 21. The cases with h = 0.1d strakes reduce the amplitude response when compared to the isolated plain cylinder, however the oscillation still persists. On the other hand, the cases with h = 0.2, 0.25d strakes almost completely suppress VIV. Spanwise vorticity fields, obtained through stereoscopic digital particle image velocimetry (SDPIV), show an alternating vortex wake for the p = 10d and h = 0.1d straked cylinder. The p = 10d and h = 0.2d cylinder wake has separated shear layers with constant width and no roll-up close to the body. The strakes do not increase the magnitude of the out-of-plane velocity compared to the isolated plain cylinder. However, they deflect the flow in the out-of-plane direction in a controlled way, which can prevent the vortex shedding correlation along the span. In order to investigate the wake interference effect on the strake efficiency, an experimental arrangement with two cylinders in tandem is employed. The centre-to-centre distance for the tandem arrangement varies from 2 to 6. When the downstream p = 10d and h = 0.2d cylinder is immersed in the wake of an upstream fixed plain cylinder, it loses its effectiveness compared with the isolated case. Although the oscillations have significant amplitude, they are limited, which is a different behaviour from that of a tandem configuration with two plain cylinders. For this particular case, the amplitude response monotonically increases for all gaps, except one, a trait usually found in galloping-like oscillations. SDPIV results for the tandem arrangements show alternating vortex shedding and oscillatory wake. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Slant or occlusion: global factors resolve stereoscopic ambiguity in sets of horizontal lines

Perceived slant was measured for horizontal lines aligned on one side and of varying lengths whose length disparity was either a constant linear amount for all lines (consistent with uniocular occlusion) or proportional to line length (consistent with global slant). Although the disparity of any line was ambiguous with respect to these two possibilities, slant of individual lines did not occur in the former case, but a subjective contour in depth was reported along the alignment. For proportional disparity of the set, global slant was seen. Adding a constant length to each line on the invalid eye for occlusion resulted in multiple slants. Smooth uniocular variations in alignment shape elicited subjective contours slanting or curving in depth. Global context can disambiguate the depth status of individual disparate lines. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

How configurations of binocular disparity determine whether stereoscopic slant or stereoscopic occlusion is seen

A partially occluded contour and a slanted contour may generate identical binocular horizontal disparities. We investigated conditions promoting an occlusion resolution indicated by an illusory contour in depth along the aligned ends of horizontally disparate line sets. For a set of identical oblique lines with a constant width added to one eye's view, strength, depth, and stability of the illusory contour were poor, whereas for oblique lines of alternating orientations the illusory contours were strong, indicating a reliance on vertical size disparities rather than vertical positional disparities in generating perceived occlusion. For horizontal lines, occlusion was seen when the lines were of different lengths and absolute width disparity was invariant across the set. In all line configurations, when the additional length was on the wrong eye to be attributed to differential occlusion, lines appeared slanted consistent with their individual horizontal disparities. This rules out monocular illusory contours as the determining factor.

Bi-planar 2D-to-3D registration in Fourier domain for stereoscopic X-ray motion tracking

In this paper we present a new method to track bonemovements in stereoscopic X-ray image series of the kneejoint. The method is based on two different X-ray imagesets: a rotational series of acquisitions of the stillsubject knee that will allow the tomographicreconstruction of the three-dimensional volume (model),and a stereoscopic image series of orthogonal projectionsas the subject performs movements. Tracking the movementsof bones throughout the stereoscopic image series meansto determine, for each frame, the best pose of everymoving element (bone) previously identified in the 3Dreconstructed model. The quality of a pose is reflectedin the similarity between its simulated projections andthe actual radiographs. We use direct Fourierreconstruction to approximate the three-dimensionalvolume of the knee joint. Then, to avoid the expensivecomputation of digitally rendered radiographs (DRR) forpose recovery, we reformulate the tracking problem in theFourier domain. Under the hypothesis of parallel X-raybeams, we use the central-slice-projection theorem toreplace the heavy 2D-to-3D registration of projections inthe signal domain by efficient slice-to-volumeregistration in the Fourier domain. Focusing onrotational movements, the translation-relevant phaseinformation can be discarded and we only consider scalarFourier amplitudes. The core of our motion trackingalgorithm can be implemented as a classical frame-wiseslice-to-volume registration task. Preliminary results onboth synthetic and real images confirm the validity ofour approach.

Reconstruction of the surface of the Sun from stereoscopic images

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

Disparity with respect to a local reference plane as a dominant cue for stereoscopic depth relief

Earlier studies showed that the disparity with respect to other visible points could not explain stereoacuity performance, nor could various spatial derivatives of disparity [Glennerster, A., McKee, S. P., & Birch, M. D. (2002). Evidence of surface-based processing of binocular disparity. Current Biology, 12:825-828; Petrov, Y., & Glennerster, A. (2004). The role of the local reference in stereoscopic detection of depth relief. Vision Research, 44:367-376.] Two possible cues remain: (i) local changes in disparity gradient or (ii) disparity with respect to an interpolated line drawn through the reference points. Here, we aimed to distinguish between these two cues. Subjects judged.. in a two AFC paradigm, whether a target dot was in front of a plane defined by three reference dots or, in other experiments, in front of a line defined by two reference dots. We tested different slants of the reference line or plane and different locations of the target relative to the reference points. For slanted reference lines or plane, stereoacuity changed little as the target position was varied. For judgments relative to a frontoparallel reference line, stereoacuity did vary with target position, but less than would be predicted by disparity gradient change. This provides evidence that disparity with respect to the reference plane is an important cue. We discuss the potential advantages of this measure in generating a representation of surface relief that is invariant to viewpoint transformations. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Stereoscopic acuity and observation distance

The amount of depth perceived from a fixed pattern of horizontal disparities varies with viewing distance. We investigated whether thresholds for discriminating stereoscopic corrugations at a range of spatial frequencies were also affected by viewing distance or whether they were determined solely by the angular disparity in the stimulus prior to scaling. Although thresholds were found to be determined primarily by disparity over a broad range of viewing distances, they were on average a factor of two higher at the shortest viewing distance (28.5 cm) than at larger viewing distances (57 to 450 cm). We found the same pattern of results when subjects' accommodation was arranged to be the same at all viewing distances. The change in thresholds at close distances is in the direction expected if subjects' performance is limited by a minimum perceived depth.

Stereoscopic imaging of an Earth-impacting solar coronal mass ejection: a major milestone for the STEREO mission

We present stereoscopic images of an Earth-impacting Coronal Mass Ejection (CME). The CME was imaged by the Heliospheric Imagers onboard the twin STEREO spacecraft during December 2008. The apparent acceleration of the CME is used to provide independent estimates of its speed and direction from the two spacecraft. Three distinct signatures within the CME were all found to be closely Earth-directed. At the time that the CME was predicted to pass the ACE spacecraft, in-situ observations contained a typical CME signature. At Earth, ground-based magnetometer observations showed a small but widespread sudden response to the compression of the geomagnetic cavity at CME impact. In this case, STEREO could have given warning of CME impact at least 24 hours in advance. These stereoscopic observations represent a significant milestone for the STEREO mission and have significant potential for improving operational space weather forecasting.

Object-Space Road Extraction in Rural Areas Using Stereoscopic Aerial Images

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Semiautomatic object-space road extraction combining a stereoscopic image pair and a TIN-Based DTM

In this letter, a semiautomatic method for road extraction in object space is proposed that combines a stereoscopic pair of low-resolution aerial images with a digital terrain model (DTM) structured as a triangulated irregular network (TIN). First, we formulate an objective function in the object space to allow the modeling of roads in 3-D. In this model, the TIN-based DTM allows the search for the optimal polyline to be restricted along a narrow band that is overlaid upon it. Finally, the optimal polyline for each road is obtained by optimizing the objective function using the dynamic programming optimization algorithm. A few seed points need to be supplied by an operator. To evaluate the performance of the proposed method, a set of experiments was designed using two stereoscopic pairs of low-resolution aerial images and a TIN-based DTM with an average resolution of 1 m. The experimental results showed that the proposed method worked properly, even when faced with anomalies along roads, such as obstructions caused by shadows and trees.

A Stereoscopic Volume Rendered Brain Atlas

The anatomy of the human brain is organized as a complex arrangement of interrelated structures in three dimensional space. To facilitate the understanding of both structure and function, we have created a volume rendered brain atlas (VRBA) with an intuitive interface that allows real-time stereoscopic rendering of brain anatomy. The VRBA incorporates 2-dimensional and 3-dimensional texture mapping to display segmented brain anatomy co-registered with a T1 MRI. The interface allows the user to remove and add any of the 62 brain structures, as well as control the display of the MRI dataset. The atlas also contains brief verbal and written descriptions of the different anatomical regions to correlate structure with function. A variety of stereoscopic projection methods are supported by the VRBA and provide an abstract, yet simple, way of visualizing brain anatomy and 3-dimensional relationships between different nuclei.

Comparison of 2D and 3D GUI Widgets for Stereoscopic Multitouch Setups

Recent developments in the area of interactive entertainment have suggested to combine stereoscopic visualization with multi-touch displays, which has the potential to open up new vistas for natural interaction with interactive three-dimensional (3D) applications. However, the question arises how the user interfaces for system control in such 3D setups should be designed in order to provide an effective user experience. In this article we introduce 3D GUI widgets for interaction with stereoscopic touch displays. The design of the widgets was inspired to skeuomorphism and affordances in such a way that the user should be able to operate the virtual objects in the same way as their real-world equivalents. We evaluate the developed widgets and compared them with their 2D counterparts in the scope of an example application in order to analyze the usability of and user behavior with the widgets. The results reveal differences in user behavior with and without stereoscopic display during touch interaction, and show that the developed 2D as well as 3D GUI widgets can be used effectively in different applications.