Tridimensional Estimation of Turbulent Fluid Velocity

par Ioana Barbu

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Étienne Mémin et de Cédric Herzet.

  • Titre traduit

    Estimation tridimensionnelle de vitesse de fluides turbulents


  • Résumé

    L'analyse du mouvement en 3 dimensions (3D) des fluides turbulents à évoluée vers un cadre nécessitant (i). un système de capteurs puissants (ii). le développement d'outils d'estimation de basse complexité (iii). des connaissances a priori issues de la physique du fluide. Des nouvelles techniques formulées dans ce contexte et s'appuyant sur le traitement d'images ont été proposées. Leur méthodologie repose sur la conjugaison du savoir propre à la communauté Vision par Ordinateur avec des modèles physiques de la dynamiques du fluide. Mais voilà, la plupart de ces procédures sont exprimées dans un cadre bidimensionnel (2D), dans le sens où elles reconstruisent un champ 2D à partir des deux images consécutives 2D ; dès lors, ces-dernières ne sont pas adaptées pour certains régimes du fluide. Récemment, des nouvelles contributions ont proposé l'estimation du champ 3D des fluides à partir des densités volumiques préalablement reconstruites. De plus, une amélioration de ces schémas classiques suggère un apport signifiant en netteté de la reconstruction dans un cadre joint d'estimation volume-mouvement. Motivés par ces développements, nous proposons dans cette étude une alternative au schéma joint déjà présent dans la littérature afin d'estimer la vitesse 3D des fluides à partir de plusieurs séquences synchronisées d'images 2D. Le cadre théorique de cette thèse a été présenté en connexion avec les communautés de la Vision par Ordinateur, du Traitement du Signal et de la Tomographie PIV. Notre travail peut être divisé en trois tâches majeures : (i). la formulation d'un modèle proche de la physique du système observé (ii). la conception des algorithmes de reconstruction volumique de basse complexité qui prennent en compte des particularités notables sur le système (iii). l'élaboration d'un schéma de reconstruction des champs de vitesse qui considère des scénarios bruités et la structure cohérente volumique entre deux instants. Nous évaluons les performances de nos méthodes sur des scènes réalistes représentant le signal de Tomographie PIV.


  • Résumé

    The challenge of the modern understanding of the 3D turbulent flows involves the need for (i). a reliable sensing technology (ii). the design of low-complexity estimation tools (iii). Physically-sound priors. Novel techniques relying on processing image sequences have been advanced. Their methodology relies on conjugating approaches issued from the computer vision community with physical knowledge on fluid dynamics with the intent of designing an accurate motion estimator.Most of these procedures are formalized within a bidimensional framework, i.e., they reconstruct a 2D motion field out of two consecutive 2D images, making them unsuitable for several fluid regimes with high 3D structures. Estimating the fluid motion within a 3D framework seems more pertinent. In related work, the velocity fields are most often retrieved from previously estimated volumetric densities. Recent contributions estimating the volumetric distribution with regard to the motion field that links them suggest a joint optimization approach as the appropriate modus operandi towards rigorous retrieval of turbulent fluid flow. In this thesis, we have proposed a novel joint solution to address the task of 3D fluid motion estimation out of multiple sequences of synchronized 2D images. The theoretical frame has been presented with connections to the computer vision and signal processing fields, as well as to the Tomographic PIV (tomoPIV) community. Our work can be divided into three main tasks: (i). the design of a physically sound model with respect to the nature of the visualized scene (ii). the devise of volume reconstruction algorithmic schemes with low complexity that take into account known priors on the physical signal and output a satisfying estimation within a few iterations (iii). the formalization of a velocity reconstruction scheme that accounts for noisy settings and for the linked structure between two instantaneous volume reconstructions. We evaluate the agility of our methods and highlight their performance throughout realistic numerical experiments mimicking the real-world tomoPIV signal.


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