在瑞典隆德大学，Sebastian Nilsson 博士和 David Sanned 博士（现就职于 Saab 公司）致力于测量和可视化等离子体和火焰应用中的快速体积过程。

他们的研究重点是发射断层扫描。同步相机从多个角度同时记录物体发射的光。然后，他们自主研发的断层扫描算法会随时间重建三维体积，生成一个四维序列，该序列可以逐帧检查，用于等离子体和火焰诊断。

“Emergent的摄像头性价比高、功能强大且便于携带。eSDK文档齐全，你们的应用工程支持也非常出色。总而言之，我们对选择的摄像头和平台非常满意。”
——塞巴斯蒂安·尼尔森，隆德大学研究员

尼尔森和桑内德的背景互补，因此共同参与了这个项目。桑内德的博士研究方向是燃烧和火焰发射的三维断层扫描技术，而尼尔森则带来了等离子体研究、激光诊断和热处理方面的经验。

他们的合作始于一个共同的挑战：平面激光诊断可以识别反应流中的物种和特性，但很难将这些二维切片放置在移动的三维火焰锋面或等离子弧中。

在早期的研究中，该团队使用了每秒 50 帧的摄像机。这验证了该概念，但帧速率太低，无法追踪火焰和等离子体中快速发展的事件。

正如尼尔森在我们的讨论中所解释的那样，缺失的差距在于，他们可以“探测或观察最终状态”，但却无法理解等离子体是如何到达那里的。

对于高速发射断层扫描而言，这一限制至关重要。与医用CT扫描中的静止物体不同，火焰和等离子体处于持续波动状态。无法按顺序从不同角度扫描整个体积；所有摄像机视角都必须在同一瞬间以足够高的帧速率捕捉，才能追踪事件的演变过程。

发射断层扫描的工作原理

与传统的X射线成像相比，发射断层扫描的工作原理相反。它不是通过外部辐射穿过物体来测量吸收率，而是利用相机捕捉过程本身发出的光，例如火焰化学发光或等离子体发射。每台相机都会记录其视线方向上的二维投影，然后通过我们自主研发的算法，根据这些同步视图重建原始的三维发射体。

这项技术的科学优势在于它不仅限于表面外观。重建结果提供了全视场视图，使研究人员能够研究发射物体的内部结构，而不仅仅是其外部。

图 2 | 4D 光学发射断层扫描原理：

（A）自发射体积源（湍流火焰化学发光或非热等离子体）向各个方向辐射。同步相机阵列无需外部照明或光束衰减即可捕获视线方向的线积分。

(B) 将三维空间离散化为规则的体素网格 f(x,y,z)。稀疏正向投影权重矩阵 W_ij 对每个体素对探测器像素 p_i 的几何贡献进行建模。然后，通过空间平滑约束正则化的迭代 Krylov 子空间求解器 (LSQR) 反演系统，以重建内部三维发射密度。

利用100GigE相机实现4D发射断层扫描

为了实现高速 4D 发射断层扫描，隆德大学团队利用 Emergent 构建了一个六相机阵列。 ZENITH HZ-2000-G 黑白相机这些摄像机环绕着实验装置，每个摄像机负责不同的拍摄角度。它们小巧的外形使其能够在空间和光学通道受限的不同实验和测试装置之间灵活移动。之后，自主研发的软件会将同步的视频流处理成可旋转、暂停和详细分析的体数据重建图像。

图 3 | 六摄像头 100GigE 发射断层扫描装置。

六台配备光学滤光片的 Emergent Vision Technologies ZENITH HZ-2000-G 单色相机，围绕位于隔振光学平台上的中心燃烧器火焰呈环形排列。几何校准采用高精度多平面点目标。所有六个相机镜头均通过 100GigE QSFP28 光纤链路上的精密时间协议 (PTP / IEEE 1588) 实现亚微秒级曝光同步。

HZ-2000-G 的 Gpixel GSPRINT4502 CMOS 传感器在 8 位模式下可提供 2048 x 1216 的分辨率，帧率最高可达 3,463 帧/秒。Lund 系统通常采用 2×2 像素合并（1024 x 608），帧率达到 2,000 帧/秒；通过感兴趣区域 (ROI) 窗口化来分辨快速火焰不稳定性及等离子体瞬态过程时，帧率最高可达 10,000 帧/秒。这些相机通过 100GigE QSFP28 接口传输数据。David Sanned 指出，虽然四个相机大致是数学收敛所需的最低数量，但六个相机即可提供可靠的重建质量。增加到 8-10 个相机可以提高空间保真度，但收益会递减。

精确时间协议 (PTP) 用于同步六台摄像机的录制。每台摄像机通过以太网共享同一个时钟。在渲染断层扫描重建图像时，可以同时从多个角度观察现象。

为了确保配套硬件满足应用程序的性能要求，隆德大学团队和Emergent公司采用了协商式方法。这有助于做出有效的成本效益选择。

搭建了一台工作站，配备AMD Threadripper CPU、大容量内存和三张博通100GbE网卡。选择Intel Arc Pro GPU的部分原因是其拥有充足的显存，足以应对计算密集型的断层重建任务。这套配置能够满足团队的性价比要求。

在软件方面，尼尔森和桑内德利用Emergent公司的技术构建了自己的采集界面和处理流程。 eSDK专业版这种灵活性至关重要：他们需要的是一个能够集成到定制科学工作流程中的平台，而不是一个封闭的商业软件包。

图 4 | 高通量采集和重建流程。

（A）使用 Emergent eSDK Pro 开发的定制 TomoView 多摄像机同步采集和回放界面，可同时显示来自所有六台 ZENITH 摄像机的 2,000 fps 实时流，零丢包，亚微秒 PTP 同步锁定。

（B）工作站架构，配备 AMD Ryzen Threadripper CPU、256 GB 系统内存、用于加速逆求解器计算的 Intel Arc Pro GPU，以及三个 Broadcom 双端口 100GigE QSFP28 网卡，可直接将零拷贝 RDMA / RoCEv2 流接收到系统内存中。

Sebastian 和 David 使用 eSDK Pro 来采集、处理、传输和存储图像数据。Sebastian 称赞 Emergent 的软件开发工具包“文档齐全且高效”，并表示 Emergent 在硬件选择方面提供的支持非常有帮助。

选择博通网卡意味着能够部署 RDMA/RoCEv2，从而将图像数据直接写入应用程序内存——这对于从六个 100GbE 摄像头采集数据至关重要，避免 CPU 瓶颈和丢帧。此外，与更昂贵的替代方案相比，博通网卡也是一种经济高效的选择。

4D动态现象可视化

图 5 | 多角度投影和重建的 3D 发射密度。

（A）由六个周界 ZENITH 相机以 2,000 fps 的速度同时捕获的同步 2D 投影帧（1024 × 608 分辨率），显示了视线火焰化学发光。

（B）使用迭代 LSQR 和空间雕刻在同一时刻重建相应的 3D 断层扫描体积，导出为 OpenVDB 体素网格，并在 Blender 中进行体积渲染，以显示内部反应区拓扑结构。

视频 1 | 湍流火焰前沿的 4D 体积可视化

高分辨率体积渲染（OpenVDB / Blender）显示了从六台相机 ZENITH 阵列以 2,000 fps 重建的火焰化学发光的完整 3D 空间旋转和时间演变。

视频 2 | 滑弧等离子体放电的 4D 断层扫描重建

以高达 10,000 fps 的速度记录瞬态非热等离子体丝状运动、伸长和重组的 3D 体积跟踪。

视频 3 | 滑弧放电的高速直接光学记录

直接物理高速摄像机记录显示，大气等离子体丝在汇聚电极之间循环重击和滑行行为。

为了从二维相机视图重建三维体积，研究人员使用 Julia 开发了一种自定义断层扫描算法。该算法利用相机标定和空间雕刻来确定发射区域的物理边界，然后迭代求解逆问题，将发射值映射到整个体积上。重建的体素阵列被导出为 OpenVDB 格式，并在 Blender 中渲染，每帧大约需要一分钟。在高达每秒 10,000 帧的捕获速度下，最终的四维重建能够捕捉微秒时间尺度上的瞬态火焰和等离子体动力学。

对于尼尔森和桑内德来说，他们的目标不仅限于自己的实验室。他们希望降低多角度高速体积成像的门槛，让那些缺乏预算购买传统超高速相机设备的科研人员也能进行成像。

通过将现代 100GigE 机器视觉相机与定制的重建软件相结合，隆德大学的研究团队为复杂的工业和物理系统构建了一条便捷的 4D 发射断层扫描途径。

图 6 | 多模态诊断整合

六台相机高速发射断层扫描装置与平面激光诱导荧光 (PLIF) 和光谱光学器件耦合在光学轨道系统上，可同时进行 3D 结构跟踪和局部物种/温度测量。

该装置使研究人员能够更清晰地观察快速演化的系统。通过调整燃料混合比、气体成分、电功率和脉冲频率等参数，他们可以追踪体积发射结构随时间的变化。这在燃烧、等离子体热解、喷雾动力学、金属粉末生产和热涂层等领域都非常有用。

将四维发射断层扫描与激光诊断和光谱学相结合，可以获取更多信息。平面激光器和光谱仪擅长测量局部温度、化学物质和自由基，但缺乏广阔的三维空间信息。断层扫描通过实时追踪火焰或电弧的完整三维几何形状和运动，弥补了这一缺失。结合这些测量方法，研究人员可以将化学动力学和局部温度与周围的体积运动直接联系起来。

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