Bu çalışma, titreşen bir yüzeyin üç boyutlu hız ve yer değiştirme alanını yalnızca tek bir optik bakış doğrultusundan ölçmek için yeni bir sensör birleştirme yöntemi önermektedir. Yöntem, aynı optik eksene yerleştirilen bir yüksek hızlı kamera ile tek eksenli lazer taramalı vibrometrenin tamamlayıcı ölçümlerini bir araya getirmektedir. Yüksek hızlı kamera görüntülerine uygulanan optik akış algoritması, görüntü düzlemi içindeki iki titreşim bileşenini; lazer vibrometre ise kamera eksenine paralel düzlem dışı titreşim bileşenini ölçmektedir. Ayrı koordinat ızgaralarında bulunan verilerin hizalanması ve enterpolasyonu sonucunda yüzey üzerindeki üç bileşenli titreşim hızı elde edilmektedir.

Yer değiştirmelerin hesaplanması için ölçülen üç boyutlu hız alanı üzerinde parçacık adveksiyonu uygulanmıştır. Böylece sabit uzaysal konumlardaki hızların gösterildiği Euler yaklaşımından, yüzeyle birlikte hareket eden sanal parçacıkların yörüngelerini gösteren Lagrange yaklaşımına geçilmiştir. Bu dönüşüm özellikle ses kıvrımları gibi büyük biçim değişiklikleri gösteren yumuşak yüzeylerin hareketini incelemek açısından önemlidir.

Yöntem, hava akımıyla kendi kendine salınan silikon esaslı sentetik ses kıvrımlarında doğrulanmıştır. Monoskobik ölçüm sonuçları, yaklaşık 40 derecelik açıyla yerleştirilmiş iki yüksek hızlı kameradan ve 12 yüzey işaretleyicisinin üç boyutlu takibinden oluşan stereoskopik referans yöntemle karşılaştırılmıştır. On iki noktadaki toplam üç boyutlu yer değiştirme büyüklüğü için ortalama fark %5,2 olarak bulunmuştur. Faz farkları görüntü düzlemi bileşenlerinde ortalama %1,1, düzlem dışı bileşende ise %1,5 düzeyindedir.

Görüntü düzlemindeki yer değiştirmeler genel olarak daha yakın sonuç vermiştir. Ortalama görüntü düzlemi farkı %5,4 iken, düzlem dışı bileşenin ortalama farkı %10,0’dır. Bazı noktalarda düzlem dışı fark %21,7’ye ulaşmıştır. Bu durum yöntemin bütün koordinatlarda eşit doğruluğa sahip olmadığını göstermektedir. Buna karşılık temel titreşim frekansı ve ilk harmoniklerdeki faz ilişkileri iki yöntem arasında genel olarak iyi uyuşmuştur.

Doğrulama sonrasında yöntem, optik erişimi sınırlayan 200 mm uzunluğunda bir ses yolu eklenmiş sentetik ses kıvrımı sistemine uygulanmıştır. Bu deneyde yüzey, toplam 4.320 sanal parçacıkla temsil edilmiş; ses kıvrımlarının açılma, kapanma ve yüzey boyunca biçim değiştirme hareketleri üç boyutlu olarak yeniden oluşturulmuştur. Yerel titreşim hızları yaklaşık 3 m/s’ye ulaşmış ve temel frekansın 30 katına kadar uzanan harmonik bileşenler ölçülmüştür.

Temel titreşim modu ağırlıklı olarak ses kıvrımları arasındaki açıklığın açılıp kapanmasını sağlayan görüntü düzlemi hareketinden oluşmuştur. İkinci ve üçüncü harmonik modlarda ise kamera ekseni yönündeki düzlem dışı hareket baskın hâle gelmiş; ikinci modda yüzeyin merkezinde bir titreşim düğümü görülmüştür. Bu sonuçlar tek bir ölçüm noktasının tüm yüzeyin karmaşık titreşim davranışını temsil edemeyebileceğini göstermektedir.

Yöntemin en önemli avantajı, yüzeyin iki veya üç farklı yönden görülmesini gerektirmemesidir. Bununla birlikte tek optik doğrultu, tek cihaz anlamına gelmemektedir: sistemde bir yüksek hızlı kamera ve bir lazer taramalı vibrometre birlikte kullanılmaktadır. Çalışmanın mevcut uygulamasında kamera kaydı ile lazer taraması eş zamanlı değil, aynı referans sinyaline göre ardışık ve faz kilitli olarak gerçekleştirilmiştir.

Türkiye açısından değerlendirme: Çalışma Türkiye’de, gerçek insan ses kıvrımlarında veya klinik koşullarda yapılmamıştır. Bununla birlikte yöntem; Türkiye’deki akışkanlar mekaniği, biyomedikal mühendisliği, akustik, foniyatri ve optik ölçüm laboratuvarlarında, optik erişimin tek yönle sınırlı olduğu sentetik fonasyon düzeneklerinin araştırılması için değerlendirilebilir. Klinik kullanımdan önce insan dokusundaki yüzey özellikleri, hasta hareketi, endoskopik boyutlandırma, lazer güvenliği, gerçek zamanlı ölçüm ihtiyacı ve tıbbi referans yöntemlerle doğrulama ayrıca incelenmelidir. Çalışma ses hastalıklarının teşhisini, tedavi seçimini veya insan fonasyonunun klinik koşullarda ölçülebileceğini kanıtlamamaktadır.

Detaylı Açıklama

Araştırmanın temel problemi nedir?

Temassız üç boyutlu titreşim ölçümlerinde yüzey hareketinin birbirinden bağımsız üç uzaysal bileşeni belirlenmelidir. Geleneksel üç boyutlu lazer taramalı vibrometri sistemleri, titreşen yüzeye farklı açılardan yöneltilen üç lazer vibrometre kullanabilir. Görüntü tabanlı üç boyutlu yöntemler ise çoğunlukla farklı açılara yerleştirilmiş iki yüksek hızlı kameraya ve stereoskopik üçgenlemeye dayanır.

Bu düzeneklerin ortak sorunu, titreşen yüzeyin birden fazla yönden görülebilmesini gerektirmeleridir. Bir yüzey dar bir kanalın sonunda, başka parçaların arasında veya uzun bir boru biçimindeki yapı içinde bulunuyorsa ikinci ve üçüncü görüş doğrultularını oluşturmak mümkün olmayabilir.

İnsan fonasyonu araştırmalarında kullanılan sentetik ses kıvrımları bu sorunun belirgin bir örneğidir. Ses kıvrımları, gırtlak ve ses yolu geometrisinin derininde bulunur. Çalışmada kullanılan yapay ses yolları 200 mm’den başlayıp bazı araştırma düzeneklerinde 1 metreye kadar uzayabilmektedir. Bu durumda yüzeyi farklı açılardan gören stereoskopik kameraların yerleştirilmesi fiziksel olarak mümkün olmayabilir veya kamera açıları derinlik doğruluğunu ciddi biçimde sınırlayacak kadar küçülebilir.

Çalışmanın önerdiği çözüm nedir?

Araştırmacılar aynı optik eksen üzerinde çalışan iki farklı ölçüm ilkesini birleştirmiştir:

• Yüksek hızlı kamera: Görüntü düzlemi içindeki iki hareket bileşenini ölçmektedir.
• Tek eksenli lazer taramalı vibrometre: Optik eksene paralel olan düzlem dışı hız bileşenini ölçmektedir.

Yüksek hızlı kamera yüzey görüntülerini kaydeder. Ardışık kareler arasındaki görünür hareket, yoğun optik akış yöntemiyle piksel düzeyinde hesaplanır. Görüntü büyütmesi ve kare hızı bilindiğinde piksel hareketleri fiziksel hız birimlerine dönüştürülür.

Lazer taramalı vibrometre ise yüzeye gönderdiği lazer ışığının geri saçılan bileşenindeki Doppler kaymasını ölçer. Doppler kayması, yüzeyin lazer doğrultusundaki titreşim hızıyla ilişkilidir. Galvanik aynalar kullanılarak lazer ışını yüzey üzerinde önceden tanımlanan noktalara yönlendirilir.

Çalışmanın 9. sayfasındaki Şekil 1, yüksek hızlı kamera ile lazer vibrometrenin aynı görüş ekseninden yüzeye baktığını göstermektedir. Kamera kaydı önce, lazer taraması daha sonra yapılmaktadır. İki ölçüm ortak bir periyodik referans sinyaline göre faz kilitlenerek birleştirilmektedir.

Neden yalnızca yüksek hızlı kamera kullanılmamıştır?

Tek kamera görüntü düzlemindeki hareketi ölçebilir; ancak derinlik yönündeki hareketi doğrudan belirleyemez. Monoküler derinlik kestirimi, derin öğrenme veya perspektif değişimi gibi yöntemlerle yapılabilse de doğruluk; eğitim verisine, geometriye, yüzey dokusuna ve görüntüdeki derinlik ipuçlarına bağlıdır.

Çalışmada düzlem dışı hareket görüntülerden tahmin edilmemiş, doğrudan lazer Doppler vibrometriyle ölçülmüştür. Böylece kameranın güçlü olduğu düzlem içi ölçüm ile vibrometrenin güçlü olduğu düzlem dışı ölçüm aynı sistemde tamamlanmıştır.

Neden yalnızca lazer vibrometre kullanılmamıştır?

Tek eksenli lazer vibrometre yalnızca lazer ışınının doğrultusundaki hız bileşenini ölçmektedir. Geleneksel üç boyutlu vibrometride farklı yönlerden üç cihaz gerekir. Bu durum hem donanım maliyetini hem de yüzey çevresinde gerekli optik alanı artırır.

Önerilen yöntemde görüntü düzlemindeki iki bileşen kamera tarafından sağlandığı için lazer vibrometrenin yalnızca üçüncü bileşeni ölçmesi yeterli olmaktadır. Sistem yine iki ölçüm cihazına ihtiyaç duymakta, ancak her iki cihaz yüzeye aynı yönden bakmaktadır.

Optik akış nasıl kullanılmıştır?

Yüksek hızlı kamera görüntülerinin işlenmesinde OpenCV içindeki Farnebäck yoğun optik akış algoritması kullanılmıştır. Optik akış, ardışık görüntülerdeki yoğunluk desenlerinin görünür hareketini piksel düzeyinde hesaplamaktadır.

Kamera sabit olduğu için ölçülen görünür hareketin yüzey hareketinden kaynaklandığı varsayılmıştır. Güvenilir optik akış elde edilebilmesi için yüzeyin yüksek karşıtlıklı, rastgele ve izlenebilir bir dokuya sahip olması gerekir. Sentetik ses kıvrımlarının üzerine çok ince kömür tozu eklenerek dağınık bir yüzey deseni oluşturulmuştur.

Optik akış sonucundaki piksel yer değiştirmeleri kamera büyütme kalibrasyonu ve kare hızı kullanılarak fiziksel düzlem içi hızlara dönüştürülmüştür.

Düzlem dışı hareket görüntü düzlemi ölçümünü etkileyebilir mi?

Bir nesne kameraya yaklaşır veya kameradan uzaklaşırsa görüntüdeki büyütme değişebilir. Bu değişim, nesne yatay veya düşey yönde hareket etmese bile optik akış algoritmasında görünür düzlem içi hareket oluşturabilir.

Çalışmada bu etkiyi azaltmak için 180 mm odak uzaklığına sahip lens ve yaklaşık 500 mm çalışma mesafesi kullanılmıştır. Stereoskopik doğrulama ölçümlerinde düzlem dışı toplam hareketin 5 mm veya daha az olduğu görülmüştür. Çalışmanın kullandığı yaklaşık ilişki şöyledir:

\[ \varepsilon_{\mathrm{büyütme}} \approx \frac{\Delta z}{Z} \]

Burada Δz düzlem dışı yer değiştirme, Z ise kamera ile yüzey arasındaki mesafedir. Kullanılan değerlerle büyütme kaynaklı hata üst sınırı yaklaşık olarak:

\[ \frac{5\ \mathrm{mm}}{500\ \mathrm{mm}} = 0{,}01 = \%1 \]

şeklinde tahmin edilmiştir. Bu değer bütün optik akış hatalarının toplamı değildir; yalnızca perspektif büyütme değişiminden beklenen yaklaşık katkıdır.

Kamera ve vibrometre ızgaraları nasıl birleştirilmiştir?

Kamera verileri görüntü pikselleri üzerinde, lazer vibrometre verileri ise cihazın kendi tarama koordinatları üzerinde bulunmaktadır. İki veri kümesinin doğrudan birleştirilebilmesi için ortak fiziksel koordinat sistemine dönüştürülmeleri gerekmektedir.

Çalışmada fiziksel konumu bilinen ve hem kamera görüntüsünde hem de lazer tarama ızgarasında tanımlanabilen referans noktaları kullanılmıştır. Örnek uygulamada kamera görüntüsünün dört köşesi, lazer tarama ızgarasındaki dört dış noktayla eşleştirilmiştir.

Çalışmanın 11. sayfasındaki Şekil 2 şu işlem sırasını göstermektedir:

1. Ham yüksek hızlı kamera görüntülerinin alınması,
2. Optik akışla düzlem içi hızların hesaplanması,
3. Lazer tarama noktalarında düzlem dışı hızların ölçülmesi,
4. Kamera ve vibrometre ızgaralarının hizalanması,
5. Üç hız bileşeninin ortak noktalara enterpole edilmesi,
6. Üç boyutlu hız vektörleri boyunca parçacık adveksiyonu.

Yüzey hareketi nedeniyle bazı lazer noktalarının belirli zamanlarda ses kıvrımının dışına çıkması mümkündür. Bu noktalar kamera görüntüsündeki yüzey maskesi yardımıyla veri kümesinden çıkarılmıştır.

Enterpolasyon nasıl yapılmıştır?

Kamera ve vibrometre ölçümleri aynı uzaysal noktalarda bulunmadığından iki veri kümesi ortak sanal parçacık konumlarına enterpole edilmiştir. Çalışmada radyal tabanlı fonksiyon, yani RBF enterpolasyonu ve ince levha spline çekirdeği kullanılmıştır.

Bu işlem sonucunda her seçilen yüzey noktasında:

\[ \mathbf{v} = \begin{bmatrix} v_x \\ v_y \\ v_z \end{bmatrix} \]

biçiminde üç boyutlu bir titreşim hızı vektörü elde edilmektedir. Enterpolasyon noktalarının konumu, kamera görüntüsüyle lazer tarama bölgesinin ortak sınırları içinde serbestçe seçilebilmektedir.

Euler yaklaşımı ile Lagrange yaklaşımı arasındaki fark nedir?

Euler yaklaşımında hızlar uzayda sabit noktalarda tanımlanır. Yüzey bu noktaların altından geçerken her noktadaki anlık hız ölçülür. Lazer taramalı vibrometri ve görüntü tabanlı yoğun hız alanları çoğunlukla bu tür bir gösterim üretmektedir.

Lagrange yaklaşımında ise sanal bir parçacık yüzeyle birlikte hareket eder. Parçacığın zaman içindeki konumu takip edilerek gerçek hareket yörüngesi ve yer değiştirme elde edilir.

Küçük titreşimlerde sabit noktalardaki hız alanı yeterli olabilir. Ses kıvrımları gibi büyük biçim değişikliklerinde ise yüzey üzerindeki aynı malzeme bölgesinin zaman içinde nereye hareket ettiğini göstermek daha açıklayıcıdır.

Parçacık adveksiyonu nasıl hesaplanmıştır?

Çalışmada hız alanından parçacık konumlarını hesaplamak için stabilize edilmiş trapez integrasyon şeması kullanılmıştır:

\[ \mathbf{d}^{\,n+1}_i-\mathbf{d}^{\,0}_i = \alpha\left(\mathbf{d}^{\,n}_i-\mathbf{d}^{\,0}_i\right) + \frac{\Delta t}{2} \left(\mathbf{v}^{\,n+1}_i-\mathbf{v}^{\,n}_i\right) \]

Burada:

• i, sanal parçacığın indeksidir.
• n, zaman adımını göstermektedir.
• d = [d_x, d_y, d_z]^T, üç boyutlu yer değiştirme vektörüdür.
• v = [v_x, v_y, v_z]^T, üç boyutlu hız vektörüdür.
• Δt, zaman adımıdır.
• α, integrasyon sürüklenmesini sınırlayan kararlılık katsayısıdır.

Araştırmacılar kendi verileri için α = 0,999 değerini kullanmıştır. Daha küçük α değerleri sayısal sürüklenmeyi daha güçlü bastırabilir, ancak gerçek salınımlı bileşenlerde daha fazla integrasyon hatası oluşturabilir.

Çalışmanın 12. sayfasındaki Şekil 3; parçacıkların ilk konumlarının seçilmesini, hızların bu konumlara enterpole edilmesini, integrasyon adımını ve sonraki zaman adımında yeni parçacık konumlarının kullanılmasını göstermektedir.

Başlangıçtaki derinlik konumu neden bilinmemektedir?

Tek kamera ile görüntü düzlemindeki ilk x ve y koordinatları seçilebilmektedir. Buna karşılık yüzey noktalarının kamera eksenindeki başlangıç z koordinatları ham monoskobik ölçümden belirlenememektedir.

Bu nedenle monoskobik yöntem, düzlem dışı salınımın zamanla değişen bölümünü ölçebilse de yüzeyin başlangıçtaki mutlak üç boyutlu şeklini tek başına belirleyememektedir. Her parçacık için zamandan bağımsız fakat uzayda değişebilen bir derinlik ofseti bulunabilir:

\[ d_{z,\mathrm{ofset},i} = d^0_{z,i}-d^0_{z,\mathrm{gerçek},i} \]

Çalışmanın 19. sayfasındaki Şekil 7’de stereoskopik ve monoskobik yörüngeler benzer salınım biçimleri gösterirken ortalama derinlik konumları arasında fark görülmesinin nedeni budur. Karşılaştırmada ortalama değerler çıkarılarak yalnızca salınımlı bileşenler değerlendirilmiştir.

Sentetik ses kıvrımı düzeneği nasıl çalışmıştır?

Deneylerde silikon kauçuktan yapılmış iki sentetik ses kıvrımı kullanılmıştır. Ses kıvrımları, aşağı akıştaki ses yolu ile yukarı akıştaki subglottal kanal arasına yerleştirilmiştir. Sisteme verilen hava akımı, yumuşak kıvrımlar ile hava arasındaki akışkan-yapı etkileşimi sonucunda kendi kendine salınım oluşturmuştur.

Çalışmanın 14. sayfasındaki Şekil 4, susturucu, subglottal kanal, sentetik ses kıvrımları ve ses yolunun iki boyutlu kesitini göstermektedir. Aynı şekilde ses kıvrımı geometrisi ve kullanılan x, y, z koordinat sistemi de verilmiştir.

Sentetik kıvrımlar yaklaşık 20 mm ölçeğindeyken ses yolu 200 mm veya daha uzun olabilmektedir. Bu geometri, yüzeyi farklı açılardan gören iki kameranın yerleştirilmesini zorlaştırmaktadır.

Monoskobik ölçümde hangi cihazlar kullanılmıştır?

Stereoskopik doğrulama nasıl yapılmıştır?

Doğrulama için yaklaşık 40 derecelik açıyla yerleştirilmiş iki Photron Fastcam Nova R5-4K yüksek hızlı kamera kullanılmıştır. Kameralar 4.000 kare/saniye hızında ve 2048 × 1472 piksel çözünürlükte kayıt yapmıştır.

Ses kıvrımlarından birinin üst yüzeyine 12 koyu işaretleyici eklenmiştir. İşaretleyicilerin görüntülerdeki yaklaşık konumları eşikleme ile belirlenmiş, ardından her işaretleyicinin gri düzey dağılımına iki boyutlu Gauss fonksiyonu uydurularak alt piksel konumu hesaplanmıştır.

İki kameradaki eşleşen işaretleyiciler, kalibre edilmiş kamera geometrisi ve doğrudan doğrusal dönüşüm kullanılarak üç boyutlu uzayda üçgenlenmiştir.

Çalışmanın 16. sayfasındaki Şekil 5, aynı yüzeye bakan iki farklı düzeni göstermektedir:

• Düzen 1: Ortak optik eksendeki yüksek hızlı kamera ve lazer vibrometre.
• Düzen 2: Yaklaşık 40 derecelik stereoskopik açıya sahip iki yüksek hızlı kamera.

Stereoskopik doğrulamanın yapılabilmesi için ses yolu çıkarılmıştır. Bu nedenle doğrulama koşulu, yöntemin asıl avantaj sağladığı dar optik erişim koşuluyla aynı değildir.

Neden iki yöntem eş zamanlı ölçülmemiştir?

Stereoskopik işaretleyici takibi için işaretleyicilerin çevresindeki yüzeyin yaklaşık tekdüze parlaklıkta olması tercih edilmiştir. Monoskobik optik akış için ise yüzey üzerinde rastgele ve yüksek karşıtlıklı bir doku gereklidir.

Bu iki görüntüleme koşulu birbirine karşıt olduğu için önce stereoskopik ölçüm yapılmış, daha sonra yüzeye ince kömür tozu eklenerek monoskobik ölçüm gerçekleştirilmiştir. İki deneyin senkronizasyonunda subglottal basıncı ölçen Kulite XCQ-093 basınç sensörü referans olarak kullanılmıştır.

Ölçümlerin eş zamanlı olmaması, iki deney arasında ses kıvrımlarının salınım genliğinin küçük ölçüde değişebilmesine neden olabilir. Araştırmacılar monoskobik genliklerin çoğu noktada biraz daha düşük olmasını kısmen bu tekrar üretilebilirlik sorunuyla ilişkilendirmektedir.

Doğrulama deneyinin çalışma koşulu nedir?

Doğrulama deneyinde hacimsel hava debisi:

\[ \dot{V}=130\ \mathrm{L\,dakika^{-1}} \]

olarak ayarlanmıştır. Bu koşul, iki sentetik ses kıvrımının birbirine temas etmediği bir salınım oluşturmuştur. Temassız koşulun seçilme nedeni, büyük yüzey deformasyonları sırasında işaretleyicilerin açılı kamera görüntülerinden birinde kaybolmasını önlemektir.

Doğrulama koşulundaki temel ses kıvrımı frekansı yaklaşık:

\[ f_o=140\ \mathrm{Hz} \]

olarak verilmiştir.

Yer değiştirme büyüklükleri ne kadar uyuşmuştur?

Monoskobik ve stereoskopik ölçümler arasındaki bağıl RMS fark şu eşitlikle hesaplanmıştır:

\[ \varepsilon = \frac{d_{\mathrm{rms,m}}-d_{\mathrm{rms,s}}} {d_{\mathrm{rms,s}}} \times 100 \]

Burada d_rms,m monoskobik, d_rms,s ise stereoskopik yöntemin RMS yer değiştirmesidir.

Çalışmadaki 12 noktanın sonuçları şöyledir:

Düzlem dışı bileşendeki noktasal farkların daha yüksek olmasına rağmen üç boyutlu toplam yer değiştirme büyüklüğünün ortalama farkı %5,2’de kalmıştır. Bunun temel nedeni, birçok noktada baskın hareket bileşeninin görüntü düzlemindeki y hareketi olmasıdır.

Faz farkı nasıl hesaplanmıştır?

Temel titreşim frekansındaki ilk çevrimsel tepe noktaları arasındaki zaman farkı, titreşim periyoduna bölünmüştür:

\[ \Delta\phi = \frac{\Delta t}{T}\times100 \]

Burada Δt, iki yöntemdeki tepe noktaları arasındaki zaman farkı, T ise titreşim periyodudur. Sonuç derece cinsinden faz açısı olarak değil, çevrim süresinin yüzdesi olarak raporlanmıştır.

Ortalama faz farkının düzlem içi bileşenlerde %1,1 ve düzlem dışı bileşende %1,5 olması, titreşim modlarının zamanlamasının iki yöntemde yakın olduğunu göstermektedir.

Zaman alanı grafikleri ne göstermektedir?

Çalışmanın 20. sayfasındaki Şekil 8, p1, p5, p6 ve p10 noktalarındaki d_x, d_y ve d_z yer değiştirmelerini karşılaştırmaktadır. Monoskobik ve stereoskopik eğriler faz bakımından büyük ölçüde üst üste gelmektedir.

Genlik farkları bazı noktalarda daha belirgindir. Özellikle p5 noktasındaki düzlem dışı d_z bileşeni monoskobik yöntemde daha düşük ölçülmüştür. Ek Şekil A.13, aynı karşılaştırmayı 12 noktanın tamamı için göstermektedir.

Frekans alanı grafikleri ne göstermektedir?

Çalışmanın 21. sayfasındaki Şekil 9’da frekanslar temel frekansa bölünerek f/f_o biçiminde gösterilmiştir. Yaklaşık ilk üç harmonik boyunca iki yöntemin tepe konumları ve büyüklükleri genel olarak benzerdir.

Daha yüksek frekanslarda stereoskopik ölçümün gürültü tabanı harmonik genliklere yaklaşmaktadır. Gürültü özellikle stereoskopik yöntemin düzlem dışı bileşeninde daha yüksektir. Araştırmacılar bunu stereoskopik üçgenlemede derinlik yönünün çoğunlukla en yüksek belirsizliğe sahip olmasıyla ilişkilendirmektedir.

Monoskobik yöntemde düzlem dışı bileşen lazer vibrometre tarafından ölçüldüğü için bu bileşenin gürültü tabanı daha düşüktür. Buna karşılık düzlem içi bileşenler kameraya ve optik akış işlemine bağlıdır.

Stereoskopik yöntem temel gerçek kabul edilebilir mi?

Hayır. Çalışma stereoskopik işaretleyici takibini doğrulama için kullanılan yerleşik bir karşılaştırma yöntemi olarak değerlendirmektedir; ancak hatasız bir temel gerçek olarak sunmamaktadır.

Stereoskopik sistemdeki başlıca belirsizlikler şunlardır:

• İşaretleyici parlaklıklarının ideal Gauss dağılımından sapması,
• Yüzey açısı değiştikçe işaretleyicilerin görüntü biçiminin bozulması,
• Kamera kalibrasyonu ve yeniden izdüşüm hataları,
• Üçgenlemede derinlik bileşeninin daha yüksek belirsizliği,
• İki ölçümün eş zamanlı yapılmaması.

Ses kıvrımları çok yumuşak olduğu için yüzeye ivmeölçer veya başka bir temas sensörü eklenmesi, kıvrımın kütlesini ve mekanik özelliklerini değiştirebilir. Bu nedenle çalışmada daha kesin ve müdahalesiz bir temel gerçek oluşturulamamıştır.

Ses yolu eklenmiş deney neden önemlidir?

Doğrulama ölçümlerinde stereoskopik kameralara yer açmak için ses yolu çıkarılmıştır. Yöntemin gerçek kullanım amacını göstermek için ikinci deneyde 200 mm uzunluğundaki ses yolu yeniden sisteme eklenmiştir.

Bu koşulda yalnızca ses yolunun içinden geçen tek bir optik doğrultu kullanılabilmektedir. Dolayısıyla stereoskopik ölçüm mümkün değildir ve önerilen ortak eksenli kamera-vibrometre sistemi asıl avantajını göstermektedir.

Ses yolu eklenmiş deneyin koşulları nelerdir?

Bu deneyde ses kıvrımları birbirine temas etmektedir. Açılıp kapanan glottal boşluğa yakın parçacıkların yüzey maskesinin dışına sürüklenmesini azaltmak için başlangıç parçacıkları y = 8–10 mm aralığına yerleştirilmemiştir. Bu nedenle görselleştirilen yüzeyler gerçek deneyde temas olsa bile tamamen birleşmiş görünmemektedir.

Tüm yüzey hareketi ne göstermiştir?

Çalışmanın 26. sayfasındaki Şekil 10, bir titreşim dönemi boyunca altı zaman anındaki sentetik ses kıvrımı yüzeyini göstermektedir. Yüzeyler yerel hız büyüklüğüne göre renklendirilmiştir.

Kapalı evrede subglottal basınç birikmiş ve üst yüzeyler hava akışı yönüne doğru kabarmıştır. Ses kıvrımları açıldıktan sonra alt ve üst kanallar arasındaki basınç farkı azalmış, yüzey daha küçük düzlem dışı konumlara geri dönmüştür.

Şekil yalnızca açıklığın genişleyip daralmasını değil, tüm üst yüzey boyunca yerel deformasyon ve hız dağılımını göstermektedir. Bu, tek noktalı vibrometre ölçümüne göre daha kapsamlı bir yüzey bilgisi sağlamaktadır.

Harmonik yapı nasıl değişmiştir?

Çalışmanın 27. sayfasındaki Şekil 11, 4.320 parçacığın tamamı üzerinden ortalanan yer değiştirme ve hız spektrumlarını göstermektedir. Temel frekans ve çok sayıda üst harmonik belirgin biçimde görülmektedir.

Harmonik tepe noktaları grafiğin üst sınırı olan yaklaşık 30f_o değerine kadar seçilebilmektedir. Tepe genlikleri frekans yükseldikçe logaritmik grafikte yaklaşık doğrusal azalmış ve güç yasasına benzer bir eğilim göstermiştir.

f/f_o > 12 bölgesinde kamera tabanlı x ve y bileşenlerinin gürültü seviyesi, vibrometre tabanlı z bileşeninden ayrılmaya başlamıştır. Bu sonuç farklı koordinat bileşenlerinin farklı sensörlerle ölçülmesinin gürültü özelliklerini de farklılaştırdığını göstermektedir.

İlk üç titreşim modu nasıldır?

Çalışmanın 28. sayfasındaki Şekil 12, temel frekans, ikinci harmonik ve üçüncü harmonikteki üç boyutlu yüzey modlarını göstermektedir:

• Birinci mod, f_o: Baskın hareket y yönündedir ve glottal açıklığın açılıp kapanmasını temsil etmektedir.
• İkinci mod, 2f_o: Düzlem dışı z hareketi daha baskındır. Yüzey merkezinde bir titreşim düğümü görülmektedir.
• Üçüncü mod, 3f_o: Düzlem dışı hareket yine baskındır; en yüksek hareket bölgeleri merkezden dış kenarlara doğru simetrik biçimde kaymıştır.

İkinci ve üçüncü modların maksimumlarının yüzey merkezinde bulunmaması, tek bir ölçüm noktasındaki spektrumun tüm ses kıvrımı yüzeyindeki enerji dağılımını temsil etmeyebileceğini göstermektedir.

Çalışmanın güçlü yönleri nelerdir?

• Üç boyutlu tam alan titreşim ölçümünü tek bir optik erişim doğrultusuna indirmiştir.
• Kamera ve lazer vibrometre gibi iki tamamlayıcı ölçüm ilkesini açık bir sensör birleştirme çerçevesinde kullanmıştır.
• Düzlem içi ve düzlem dışı bileşenleri görüntüden ortak biçimde tahmin etmek yerine düzlem dışı bileşeni doğrudan ölçmüştür.
• Ham görüntüden üç boyutlu yüzey yörüngesine kadar işlem zincirini açıklamıştır.
• Optik akış, ızgara hizalama, enterpolasyon ve parçacık adveksiyonu adımlarını ayrı ayrı tanımlamıştır.
• Sonuçları stereoskopik ve alt piksel işaretleyici takibine dayalı bir yöntemle karşılaştırmıştır.
• Karşılaştırmayı 12 yüzey noktasında zaman alanı, frekans alanı, RMS genliği ve faz açısından yapmıştır.
• Yöntemi doğrulama sonrasında gerçekten sınırlı optik erişime sahip ses yolu düzeninde uygulamıştır.
• Tek nokta yerine tüm yüzeydeki harmonik modları göstermiştir.
• Monoskobik ve stereoskopik yöntemlerin belirsizliklerini ayrı ayrı tartışmıştır.

Çalışmanın temel sınırlılıkları nelerdir?

• Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir.
• Deneyler gerçek insan ses kıvrımlarında değil, silikon esaslı sentetik modellerde yapılmıştır.
• İnsan katılımcı, hasta veya klinik endoskopi deneyi bulunmamaktadır.
• Monoskobik ve stereoskopik doğrulama ölçümleri eş zamanlı yapılmamıştır.
• Ölçümler arasında yüzeye kömür tozu eklenmiş ve deney koşulu yeniden kurulmuştur.
• Stereoskopik yöntem hatasız temel gerçek değildir.
• Başlangıçtaki mutlak düzlem dışı konum monoskobik veriden belirlenememektedir.
• Lagrange gösteriminde uzaysal olarak değişebilen sabit bir derinlik ofseti bulunabilir.
• Doğrulama deneyi yalnızca temas etmeyen ve 130 L/dakika debideki bir salınım koşulunda yapılmıştır.
• Ses yolu uygulaması tek bir 200 mm ses yolu ve 135 L/dakika debi koşuluyla sınırlıdır.
• Farklı sentetik doku sertlikleri, geometriler ve ses yolu rezonansları sistematik olarak karşılaştırılmamıştır.
• Optik akış için yüzeyin yapay bir karşıtlık deseniyle hazırlanması gerekmiştir.
• HSC ve LSV ölçümleri ardışık gerçekleştirilmiş, eş zamanlı tek düzen kurulmamıştır.
• Lazer vibrometre yüzeyi nokta nokta taradığı için geçici ve tekrarlanmayan olaylar mevcut düzende ölçülemez.
• RBF enterpolasyonu ve ölçüm ızgarası yoğunluğunun kapsamlı duyarlılık analizi verilmemiştir.
• α = 0,999 değeri deneysel olarak seçilmiş; farklı hareket koşulları için genellenebilirliği sınanmamıştır.
• Hata değerleri yalnızca 12 seçilmiş işaretleyici noktasındaki karşılaştırmaya dayanmaktadır.
• Tüm yüzey için uzaysal hata haritası veya güven aralığı sunulmamıştır.
• Bağımsız tekrar sayıları ve deneyler arası varyasyon istatistiksel olarak raporlanmamıştır.
• Veriler açık depoda yayımlanmamış, yalnızca talep üzerine sağlanacağı belirtilmiştir.
• Finansman ve ayrı çıkar çatışması beyanı ana metinde verilmemiştir.

Çalışma neyi desteklemektedir?

Çalışma, periyodik ve tekrar üretilebilir bir titreşen yüzeyde yüksek hızlı kamera ile tek eksenli lazer taramalı vibrometre verilerinin aynı optik doğrultudan birleştirilerek üç bileşenli hız alanı oluşturabileceğini desteklemektedir.

Çalışma ayrıca stabilize edilmiş parçacık adveksiyonu yardımıyla bu hız alanının salınımlı üç boyutlu yer değiştirme yörüngelerine dönüştürülebileceğini göstermektedir.

Sentetik ses kıvrımı doğrulamasında toplam yer değiştirme büyüklüğünün ortalama %5,2 fark ve düşük faz farklarıyla yeniden oluşturulması, yöntemin incelenen koşulda titreşim genliği ve mod zamanlamasını genel olarak koruduğunu desteklemektedir.

Ses yolu eklenmiş deney, farklı görüş açılarına erişilemeyen bir geometride tüm yüzeyin üç boyutlu titreşim modlarının elde edilebildiğini göstermektedir.

Çalışma neyi kanıtlamamaktadır?

Çalışma yöntemin bütün titreşen yüzeylerde %5,2 doğrulukla çalışacağını kanıtlamamaktadır. Bu değer 12 noktadaki toplam yer değiştirme büyüklüğünün ortalama farkıdır; düzlem dışı fark bazı noktalarda %20’yi aşmıştır.

Çalışma tek bakış açısının tek cihaz, düşük maliyet veya kolay kurulum anlamına geldiğini göstermemektedir. Yüksek hızlı kamera, yüksek hassasiyetli lazer vibrometre, senkron referans sensörü ve kapsamlı veri işlemesi gerekmektedir.

Yöntemin geçici, periyodik olmayan veya deneyler arasında tekrarlanmayan titreşimleri mevcut ardışık tarama düzeniyle ölçebileceği gösterilmemiştir.

Çalışma gerçek insan ses kıvrımlarının, hastaların veya konuşma bozukluklarının üç boyutlu ölçümünü doğrulamamaktadır.

Ölçülen titreşim modlarının belirli bir ses hastalığına, ses kalitesine veya tedavi sonucuna karşılık geldiği gösterilmemiştir.

Çalışma monoskobik yöntemin stereoskopik yöntemden genel olarak daha doğru olduğunu kanıtlamamaktadır. İki yöntem farklı hata kaynaklarına sahiptir ve stereoskopik karşılaştırma da temel gerçek değildir.

Geçmiş, bugün ve gelecek açısından önemi nedir?

Geçmiş açısından: Üç boyutlu titreşim ölçümleri çoğunlukla birden fazla kamera veya farklı açılardaki üç lazer vibrometreyle gerçekleştirilmiştir. Tek kamera çözümleri ise derinlik kestirimi, belirli geometrilere özgü varsayımlar veya öğrenme tabanlı modeller gerektirmiştir.

Bugünkü katkı: Çalışma, iki yerleşik ölçüm ilkesini ortak eksende birleştirerek derinlik bileşenini doğrudan lazerle, diğer iki bileşeni ise görüntü işlemeyle ölçmektedir. Böylece donanımı tek sensöre indirmek yerine optik erişim gereksinimini tek doğrultuya indirmektedir.

Gelecek açısından: Araştırmacılar yüksek hızlı kamera ve vibrometreyi yarı geçirgen aynayla aynı anda çalışan tek düzeneğe dönüştürmeyi önermektedir. Sürekli taramalı veya çok ışınlı vibrometreler ölçüm süresini azaltabilir. Donanımın yeterince küçültülmesi ve güvenli hâle getirilmesi durumunda endoskopik deneylere yönelik araştırmalar yapılabilir. Ancak klinik ve canlı insan uygulaması bu çalışmanın doğrudan sonucu değildir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Araştırma tasarımının teknik özeti

Deneylerin ayrı koşulları

Ana doğrulama sonuçları

Ses yolu uygulamasının temel bulguları

Şekillerin bilimsel olarak taşıdığı bilgi

• Sayfa 9, Şekil 1: Yüksek hızlı kamera ve lazer vibrometrenin aynı optik eksendeki ardışık ölçüm düzenini göstermektedir.
• Sayfa 11, Şekil 2: Ham görüntüden optik akışa, LSV ızgarasına, hizalamaya ve parçacık adveksiyonuna uzanan işlem zincirini göstermektedir.
• Sayfa 12, Şekil 3: Hızların parçacık konumlarına enterpolasyonu ve konumların zaman içinde integrasyonunu açıklamaktadır.
• Sayfa 14, Şekil 4: Sentetik gırtlak düzeneğini, ses yolu konumunu ve ses kıvrımı geometrisini göstermektedir.
• Sayfa 16, Şekil 5: Monoskobik ortak eksenli düzen ile iki kameralı stereoskopik doğrulama düzenini karşılaştırmaktadır.
• Sayfa 17, Şekil 6: On iki doğrulama işaretleyicisinin ses kıvrımı üzerindeki konumlarını göstermektedir.
• Sayfa 19, Şekil 7: İki yöntemin üç boyutlu yörüngelerinin biçim olarak yakın, ortalama z konumunda ise ofsetli olduğunu göstermektedir.
• Sayfa 20, Şekil 8: Seçilen dört noktadaki zaman alanı genlik ve faz karşılaştırmasını göstermektedir.
• Sayfa 21, Şekil 9: Temel frekans ve ilk harmoniklerdeki spektral uyumu, yüksek frekanstaki gürültü farklarını göstermektedir.
• Sayfa 26, Şekil 10: Ses yolu eklenmiş durumda bir çevrim boyunca tüm ses kıvrımı yüzeyinin açılma, kapanma ve hız dağılımını göstermektedir.
• Sayfa 27, Şekil 11: Tüm yüzey üzerinden ortalanmış yer değiştirme ve hız spektrumlarını göstermektedir.
• Sayfa 28, Şekil 12: f_o, 2f_o ve 3f_o titreşim modlarının üç boyutlu yüzey yapılarını göstermektedir.
• Sayfa 39–40, Ek Şekiller A.13–A.14: On iki noktanın tamamı için zaman ve frekans alanı karşılaştırmalarını sunmaktadır.

Tekrar üretilebilirlik açısından eksik bilgiler

Çalışma cihazları, örnekleme hızlarını, görüntü çözünürlüklerini, ölçüm noktası sayısını, optik akış algoritmasını, enterpolasyon çekirdeğini ve integrasyon katsayısını açıklamaktadır. Bununla birlikte aşağıdaki bilgiler tam olarak raporlanmamıştır:

• Her deney koşulunda kaç bağımsız deney tekrarının yapıldığı,
• Deneyler arası standart sapma veya güven aralığı,
• Optik akış parametrelerinin tam OpenCV ayarları,
• RBF ölçek ve düzenlileştirme parametreleri,
• Lazer tarama ızgarasının tüm fiziksel koordinatları,
• Ham görüntü ve vibrometre verilerine açık erişim,
• Tüm işleme kodunun açık depo bağlantısı.

Kaynak ve Yöntem Notu

Çalışmanın tam özgün adı: A Monoscopic, Three-Dimensional Vibration Measurement Method and its Application to Human Phonation Research

Yazarlar, doğru sıralamayla: Christoph Heigl; Anja Böttger; Stefan Kniesburges; Stefan Becker.

Eş birinci yazar veya eş katkı: Metinde eş birinci yazarlık veya eş katkı bildirimi bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Christoph Heigl — christoph.heigl@fau.de.

Kurumsal bağlantılar:

• Christoph Heigl, Anja Böttger ve Stefan Becker: Institute of Fluid Mechanics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Cauerstraße 4, 91058 Erlangen, Bavyera, Almanya.
• Stefan Kniesburges: Division of Phoniatrics and Pediatric Audiology, Department of Otorhinolaryngology, Head & Neck Surgery, University Hospital Erlangen, Medical School, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Waldstraße 1, 91054 Erlangen, Bavyera, Almanya.

DOI:10.2139/ssrn.7201217

SSRN kayıt numarası: 7201217.

Dergi: Hakemli bir dergi adı veya kabul edilmiş nihai dergi sürümü doğrulanamamıştır.

Özgün dergi yayınevi: Bu sürüm için doğrulanmış bir hakemli dergi yayınevi bulunmamaktadır.

Yayın platformu: SSRN.

Yayın yılı: 2026.

ResearchGate tam metin yükleme tarihi: 30 Temmuz 2026.

Sayfa sayısı: 40 sayfalık dosya; öne çıkan maddeler, ana çalışma, kaynakça ve ek karşılaştırma grafiklerini içermektedir.

Kaynak türü: Özgün deneysel ölçüm yöntemi geliştirme, doğrulama ve uygulama araştırması; preprint.

Hakemlik durumu: Çalışmanın sayfalarında “This preprint research paper has not been peer reviewed” ve “Preprint not peer reviewed” ifadeleri bulunmaktadır. Çalışma hakemli dergi makalesi olarak sunulmamalıdır.

Resmî çalışma bağlantısı:SSRN çalışma kaydı

Veri erişimi: Yazarlar verilerin talep üzerine sağlanacağını belirtmiştir. Açık veri deposu veya ham veri indirme bağlantısı verilmemiştir.

Finansman: Ana metinde finansman kuruluşu veya proje numarası bildirilmemiştir.

Çıkar çatışması: Ana metinde ayrı bir çıkar çatışması beyanı bulunmamaktadır. Bu durum çıkar çatışmasının kesin olarak bulunmadığı anlamına gelmez; yalnızca bildirimin metinde yer almadığını gösterir.

Etik durum: Çalışmada insan veya hayvan katılımcı kullanılmamıştır. Deneyler silikon esaslı sentetik ses kıvrımı modellerinde gerçekleştirilmiştir. Ayrı etik kurul onayı bildirilmemiştir.

Yazar katkıları:

• Christoph Heigl: Kavramsallaştırma, yöntem, yazılım, deney, görselleştirme, ilk taslak, inceleme ve düzenleme.
• Anja Böttger: Deney, yazılım, inceleme ve düzenleme.
• Stefan Kniesburges: Kavramsallaştırma, ilk taslak, inceleme ve düzenleme.
• Stefan Becker: Denetim, kaynaklar, inceleme ve düzenleme.

Bu Türkçe açıklama çalışmanın ana metni, denklemleri, deney düzenekleri, yöntem şemaları, üç boyutlu yörünge grafikleri, zaman ve frekans alanı karşılaştırmaları, ses kıvrımı yüzey görselleştirmeleri, titreşim modu analizleri, ek şekilleri ve sonuçları esas alınarak hazırlanmıştır. Çalışmada bulunmayan klinik tanı, tedavi, insan sağlığı veya ticari cihaz performansı sonuçları eklenmemiştir.

Dış kaynaklar yalnızca DOI, SSRN kaydı, yükleme tarihi ve kurumsal bağlantıların bibliyografik doğrulanması için kullanılmıştır. Bilimsel yöntem, sayısal sonuçlar ve sınırlılıklar çalışmanın kendisine dayanmaktadır.

Çalışmanın en önemli yorum sınırı, “tek bakış açısı” ifadesinin tek sensör anlamına gelmemesidir. Yöntem bir yüksek hızlı kamera ile bir lazer taramalı vibrometrenin ortak optik eksendeki veri birleştirmesine dayanmaktadır.

İkinci önemli sınır, ortalama %5,2 farkın bütün koordinatlar ve bütün noktalar için geçerli tek bir doğruluk değeri olmamasıdır. Bu değer üç boyutlu yer değiştirme büyüklüğünün 12 nokta ortalamasıdır. Düzlem dışı bileşenin ortalama farkı %10,0, en büyük noktasal farkı ise %21,7’dir.

Üçüncü önemli sınır, mutlak başlangıç derinliğinin ölçülememesidir. Yöntem salınımlı düzlem dışı hareketi belirleyebilmekte, ancak başlangıç yüzeyinin tam üç boyutlu şeklini ek bir geometri ölçümü olmadan sağlayamamaktadır.

Yöntemin gerçek insan fonasyonu, klinik endoskopi veya hasta değerlendirmesi için kullanılabileceği bu çalışmayla doğrulanmamıştır. Bu uygulamalar için canlı doku, güvenlik, hareket artefaktı, yüzey dokusu, cihaz minyatürleştirmesi ve klinik referans yöntemlerle bağımsız doğrulama gereklidir.