Experimental Evaluation of the Performance of Event-Based Cameras for Particle Image Velocimetry

Les caméras événementielles sont un nouveau type de capteur de vision qui enregistrent de manière asynchrone les changements de luminosité avec une précision de l'ordre de la microseconde. Elles offrent plusieurs avantages par rapport aux systèmes traditionnels basés sur des images, notamment une plage dynamique élevée, une faible consommation d'énergie et la capacité de capturer des mouvements rapides sans flou de mouvement. Cependant, malgré ces avantages, les caméras événementielles présentent également des limites lorsqu'elles sont utilisées pour le diagnostic des écoulements fluides, notamment une résolution spatiale inférieure, une latence de lecture et des contraintes de bande passante limitées par rapport aux caméras à haute vitesse. Cette thèse vise à évaluer les performances en termes de latence et de bande passante des caméras événementielles pour la vélocimétrie par images de particules (PIV) et à identifier les conditions expérimentales dans lesquelles leurs caractéristiques uniques peuvent être exploitées efficacement. Une série d’expériences a été réalisée avec une illumination laser pulsée, répartie en deux groupes principaux. La première série visait à caractériser les performances de la caméra en éclairant une cuvette d'eau contenant des particules traceuses à l'aide d'impulsions laser uniques. Cette configuration nous a permis d'étudier la réponse du capteur en termes de latence et de bande passante à différents taux d'événements. Nous avons caractérisé ces limites en analysant la distribution temporelle de la génération d'événements et en reconstruisant des pseudo-images. À partir de cette analyse, nous avons identifié la limite de bande passante de la caméra avant que la saturation de lecture ne se produise, soit environ 400 événements/µs, et avons établi une relation claire entre le taux d'événements et la latence. Ces résultats nous ont permis de définir les conditions optimales pour les applications PIV. Nous avons également examiné comment la densité d'ensemencement et l'éclairage affectent la génération d'événements, révélant ainsi les régimes opérationnels pour lesquels des mesures de vitesse précises peuvent être obtenues. D'autres paramètres, tels que la taille de l'image des particules et le seuil de contraste, ont été évalués afin de mieux comprendre leur impact sur les performances. La deuxième série d'expériences consistait en des mesures PIV avec un éclairage à double impulsion dans des jets d'air. Les résultats étaient conformes aux directives établies lors des tests de caractérisation et ont été validés à l'aide d'une caméra sCMOS comme référence. Les résultats démontrent que les capteurs événementiels peuvent reconstruire de manière fiable des champs de vitesse allant jusqu'à 1.8 m/s (0.03 px/µs). Les densités d'images de particules supérieures à 0.018 ppp ont donné des valeurs d'incertitude inférieures à 0.4 px dans nos conditions spécifiques, ce qui confirme le potentiel des caméras événementielles comme alternative compacte et économe en énergie aux caméras à grande vitesse dans les conditions définies.

Abstract

Event-based cameras are a novel type of vision sensor that asynchronously record changes in brightness with microsecond precision, offering several advantages over traditional frame-based systems, including high dynamic range, low power consumption, and the ability to capture high-speed motion without motion blur. However, despite these benefits, event cameras also present limitations when applied to fluid flow diagnostics, which includes lower spatial resolution, readout latency, and limited bandwidth constraints compared to high-speed cameras. This thesis aims to evaluate the latency and bandwidth performance of event-based cameras for Particle Image Velocimetry (PIV) and to identify the experimental conditions under which their unique characteristics can be effectively leveraged. A series of experiments was conducted using pulsed laser illumination, divided into two main groups. The first set focused on characterizing the camera’s performance by illuminating a water cuvette seeded with tracer particles using single laser pulses. This setup allowed us to study the sensor’s response in terms of latency and bandwidth under varying event rates. We characterized these limitations by analyzing the temporal distribution of event generation and reconstructing pseudo-frames. From this analysis, we identified the bandwidth limit of the camera before readout saturation occurs approximately at 400 events/µs and established a clear relationship between event rate and latency. These findings enabled us to define optimal conditions for PIV applications. We also examined how seeding density and illumination affect event generation, revealing operational regimes for which accurate velocity measurements can be obtained. Additional parameters such as particle image size and contrast threshold were evaluated to further understand their impact on performance. The second set of experiments consisted of PIV measurements with double-pulse illumination in air jets. The results were consistent with the guidelines established in the characterization tests and were further validated using a sCMOS camera as a reference. The findings demonstrate that event-based sensors can reliably reconstruct velocity fields up to 1.8 m/s (0.03 px/µs). Particle image densities above 0.018 ppp yielded uncertainty values below 0.4 px under our specific conditions, supporting the potential of event cameras as a compact, energy-efficient alternative to high-speed cameras at the defined conditions. This thesis establishes the applicability limits of event cameras for PIV under our specific experimental conditions, while acknowledging that these boundaries may shift with variations in the region of interest, camera parameters, or hardware models, particularly as the technology continues to evolve.