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openpiv

Análisis de Velocimetría por Imagen de Partículas (PIV) con OpenPIV. Úsalo para extraer campos de velocidad a partir de pares de imágenes PIV, analizar dinámica de fluidos o experimentos de visualización de flujo, correlacionar ventanas de interrogación, validar y reemplazar vectores PIV espurios, o calcular vorticidad, tasa de deformación y estadísticas de turbulencia a partir de campos de velocidad medidos.

¿Qué es openpiv?

OpenPIV (Velocimetría por Imagen de Partículas Abierta) es una librería de código abierto para analizar el movimiento de fluidos a partir de pares de imágenes PIV. Esta habilidad proporciona una guía completa para usar OpenPIV en experimentos de dinámica de fluidos y visualización de flujo, cubriendo todo el flujo de trabajo: preprocesamiento de imágenes, correlación cruzada de ventanas de interrogación, validación de vectores basada en relación señal-ruido (S2N), reemplazo de valores atípicos mediante interpolación, suavizado y escalado a unidades físicas. Es compatible con plataformas como Claude Code, Cursor y Codex, y se recomienda para ingenieros e investigadores que trabajan con datos PIV experimentales. La guía incluye ejemplos de código verificados contra openpiv 0.25.4, cubre conceptos clave como el tamaño de la ventana de interrogación y los métodos de enmascaramiento dinámico, y proporciona funciones para cálculos avanzados como vorticidad, tasa de deformación y estadísticas de turbulencia, así como una interfaz CLI para análisis rápidos.

Compatible con~Claude Code~Codex CLI~Cursor
npx skills add https://github.com/K-Dense-AI/scientific-agent-skills/tree/main/skills/openpiv

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Documentación

¿Qué hace openpiv?

Descripción general

OpenPIV (Velocimetría por Imagen de Partículas Abierta) analiza el flujo de fluidos a partir de pares de imágenes PIV. Cubre el preprocesamiento, la correlación cruzada, la validación de vectores, el reemplazo de valores atípicos, el suavizado y el escalado a unidades físicas.

Todo lo que sigue está verificado contra openpiv 0.25.4. La API cambia entre versiones: comprueba inspect.signature() antes de confiar en un fragmento de código para una versión diferente.

Cuándo usarlo

Usa esta habilidad cuando trabajes con pares de imágenes PIV experimentales o de visualización de flujo: midiendo campos de velocidad 2D, ajustando parámetros de la ventana de interrogación, validando vectores o derivando vorticidad, tasa de deformación y estadísticas de turbulencia. Para simular flujo en lugar de medirlo, usa una habilidad de CFD.

Inicio rápido

Instala OpenPIV:

uv pip install openpiv

# Fíjalo cuando el análisis necesite ser reproducible: esta es la versión contra la que se verificó cada fragmento a continuación.
uv pip install "openpiv==0.25.4"

Ejecuta el análisis PIV en un par de imágenes:

import numpy as np
from openpiv import tools, pyprocess, validation, filters, scaling

frame_a = tools.imread("image_a.bmp")
frame_b = tools.imread("image_b.bmp")

# Correlación cruzada. Devuelve (u, v, s2n) siempre que sig2noise_method no sea None.
u, v, s2n = pyprocess.extended_search_area_piv(
    frame_a.astype(np.int32),
    frame_b.astype(np.int32),
    window_size=32,
    overlap=12,
    dt=0.02,
    search_area_size=38,
    correlation_method="linear",   # requerido para search_area_size > window_size
    sig2noise_method="peak2peak",
)

x, y = pyprocess.get_coordinates(
    image_size=frame_a.shape,
    search_area_size=38,
    overlap=12,
)

# flags es un array booleano: True marca un vector espurio.
flags = validation.sig2noise_val(s2n, threshold=1.05)
u, v = filters.replace_outliers(u, v, flags, method="localmean", max_iter=3, kernel_size=2)

# Escala a unidades físicas, luego invierte coordenadas para graficar.
x, y, u, v = scaling.uniform(x, y, u, v, scaling_factor=96.52)
x, y, u, v = tools.transform_coordinates(x, y, u, v)

tools.save("vectors.txt", x, y, u, v, flags)

O usa la CLI incluida, que envuelve exactamente ese flujo de trabajo:

python skills/openpiv/scripts/runner.py \
    --image frame_a.bmp --image frame_b.bmp --output_dir results --verbose

Conceptos centrales

Fundamentos de PIV

La Velocimetría por Imagen de Partículas es un método óptico para medir la velocidad de un fluido rastreando partículas trazadoras iluminadas entre dos imágenes.

Flujo del proceso:

  1. Captura un par de imágenes (frame_a, frame_b) separadas por un tiempo conocido dt.
  2. Divide las imágenes en ventanas de interrogación.
  3. Aplica correlación cruzada a las ventanas coincidentes para encontrar el desplazamiento pico.
  4. Valida vectores (relación señal-ruido, rango global, mediana local).
  5. Reemplaza vectores espurios con valores interpolados.
  6. Escala los desplazamientos en píxeles a unidades físicas.

Parámetros de la ventana de interrogación

window_size — ventana de correlación en píxeles (típicamente 16–128). Ventanas más grandes dan mejor correlación pero resolución espacial más gruesa.

overlap — píxeles compartidos entre ventanas adyacentes (típicamente 50–75% de window_size). Un solapamiento mayor aumenta la densidad de vectores y el costo, pero los vectores adyacentes se correlacionan en lugar de ser independientes.

search_area_size — la ventana que se busca en el segundo cuadro. Debe ser ≥ window_size; unos pocos píxeles más grandes acomodan desplazamientos mayores. Combina un área de búsqueda extendida con correlation_method="linear" — el "circular" por defecto se basa en el envolvente de la FFT y aliasea desplazamientos grandes en pequeños. Consulta references/advanced_algorithms.md.

Reglas generales: mantén el mayor desplazamiento por debajo de aproximadamente un cuarto de window_size, y apunta a 5–10 partículas por ventana.

Relación señal-ruido

s2n mide qué tan distinto es el pico de correlación. sig2noise_method controla cómo se calcula: "peak2mean" (el valor por defecto de la función) o "peak2peak". Ambos están en escalas diferentes, por lo que un umbral ajustado para uno no tiene sentido para el otro. Los umbrales típicos de peak2peak son 1.05–1.3.

flags = validation.sig2noise_val(s2n, threshold=1.05)
# flags es bool: True == espurio. `~flags` selecciona los vectores buenos.

Operaciones comunes

Enmascaramiento dinámico

El enmascaramiento vive en openpiv.preprocess, no en un módulo openpiv.masking. Devuelve una tupla (imagen, máscara) y espera una imagen de punto flotante.

from openpiv import preprocess

# method="edges" para objetos oscuros de bordes definidos; "intensity" para objetos de alto contraste.
frame_a_masked, mask_a = preprocess.dynamic_masking(
    frame_a.astype(np.float64), method="intensity", filter_size=7, threshold=0.005
)
frame_b_masked, mask_b = preprocess.dynamic_masking(
    frame_b.astype(np.float64), method="intensity", filter_size=7, threshold=0.005
)

Alimenta la imagen devuelta al paso de correlación: ya tiene la región enmascarada puesta a cero. No multipliques el cuadro original por mask: el enmascaramiento ya está aplicado, y para method="edges" la máscara se devuelve como uint8 0/255 en lugar de booleano, por lo que multiplicar reescala la imagen por 255.

Procesamiento de múltiples pasos

El procesamiento de múltiples pasos (deformación de ventana) vive en openpiv.windef, controlado por una clase de datos PIVSettings. pyprocess no tiene un punto de entrada para múltiples pasos.

import numpy as np
from openpiv import scaling, windef

settings = windef.PIVSettings()
settings.windowsizes = (64, 32, 16)   # una entrada por paso, decreciente (este es también el valor por defecto)
settings.overlap = (32, 16, 8)        # misma longitud que windowsizes
settings.num_iterations = 3           # número de pasos a ejecutar realmente
settings.sig2noise_threshold = 1.05

x, y, u, v, flags = windef.simple_multipass(
    frame_a.astype(np.int32), frame_b.astype(np.int32), settings
)

# La salida está en PÍXELES POR CUADRO – convierte tú mismo. scaling.uniform solo divide
# por scaling_factor, así que aplica dt por separado.
dt = 0.02
x, y, u, v = scaling.uniform(x, y, u, v, scaling_factor=96.52)
u, v = u / dt, v / dt

simple_multipass ya valida, reemplaza valores atípicos, llena los NaN restantes con ceros y llama a transform_coordinates – no repitas esos pasos.

Trampa de unidades: PIVSettings tiene campos dt y scaling_factor, pero windef nunca los usa – first_pass llama a extended_search_area_piv sin dt, por lo que toda la cadena de múltiples pasos trabaja en píxeles por cuadro. Establecer settings.dt = 0.02 no cambia nada en los valores devueltos. Convierte después del hecho, como se muestra arriba.

Para tener control sobre pasos individuales, windef.first_pass y windef.multipass_img_deform son los bloques de construcción de nivel inferior.

Validación y posprocesamiento

Métodos de validación

Cada validador devuelve un array booleano donde True marca un vector espurio.

# Relación señal-ruido
flags = validation.sig2noise_val(s2n, threshold=1.05)

# Rango global – toma tuplas (min, max), posicionalmente o como u_thresholds/v_thresholds.
flags = validation.global_val(u, v, (-300, 300), (-300, 300))

# Mediana local – u_threshold y v_threshold son REQUERIDOS; size es la mitad del ancho del vecindario.
flags = validation.local_median_val(u, v, u_threshold=30.0, v_threshold=30.0, size=1)

# Combínalos con OR booleano (no np.maximum – estos son arrays booleanos).
flags = (
    validation.sig2noise_val(s2n, threshold=1.05)
    | validation.global_val(u, v, (-300, 300), (-300, 300))
    | validation.local_median_val(u, v, u_threshold=30.0, v_threshold=30.0)
)

Establece estos umbrales en las unidades de u y v, no en píxeles por cuadro. extended_search_area_piv divide por dt, por lo que con dt=0.02 un desplazamiento de 3 px/cuadro llega como 150 px/s. Los umbrales anteriores se adaptan a ese caso; la cifra (-30, 30) que la literatura PIV y PIVSettings.min_max_u_disp usan es un límite de px/cuadro, y aplicarlo a la salida en px/s rechaza todo el campo. Valida antes de escalar, o escala los umbrales por 1/dt también.

Reemplazo de valores atípicos

u, v = filters.replace_outliers(
    u, v, flags, method="localmean", max_iter=3, tol=1e-3, kernel_size=2
)

method acepta "localmean", "disk" o "distance" – y solo esos tres. Un nombre no reconocido no se rechaza; pasa a un kernel de todos ceros y devuelve silenciosamente un campo inútil. Ten en cuenta que el reemplazo llena las posiciones marcadas con valores interpolados – si luego los sobrescribes con NaN, el reemplazo fue en vano. Elige uno u otro:

# Mantén los vectores marcados fuera del análisis por completo, en lugar de interpolar.
u = np.where(flags, np.nan, u)
v = np.where(flags, np.nan, v)

Suavizado

El suavizado es openpiv.smoothn.smoothn; no hay un módulo openpiv.smooth. Devuelve una tupla cuyo primer elemento es el campo suavizado, y no acepta entrada NaN.

from openpiv.smoothn import smoothn

u_smooth, *_ = smoothn(np.nan_to_num(u), s=0.5)  # s: más grande == más suave
v_smooth, *_ = smoothn(np.nan_to_num(v), s=0.5)
u_smooth = np.asarray(u_smooth)

Visualización

Graficación de campos vectoriales

display_vector_field lee un archivo de vectores guardado y llama a plt.show() internamente, por lo que selecciona un backend no interactivo para ejecuciones por lotes.

import matplotlib
matplotlib.use("Agg")
import matplotlib.pyplot as plt
from openpiv import tools

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 8))
tools.display_vector_field(
    "vectors.txt",
    ax=ax,
    scaling_factor=96.52,   # mismo factor usado en scaling.uniform, para mapear de vuelta a la imagen
    scale=50,
    width=0.0035,
    on_img=True,
    image_name="frame_a.bmp",
)
fig.savefig("vector_field.png", dpi=150, bbox_inches="tight")
plt.close(fig)

Visualización personalizada

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

fig, axes = plt.subplots(1, 3, figsize=(15, 5))

mag = np.sqrt(u**2 + v**2)
for ax, field, title, cmap in [
    (axes[0], mag, "Magnitud de velocidad", "viridis"),
    (axes[1], u, "Velocidad U", "RdBu_r"),
    (axes[2], v, "Velocidad V", "RdBu_r"),
]:
    im = ax.imshow(field, cmap=cmap)
    ax.set_title(title)
    plt.colorbar(im, ax=ax)

fig.tight_layout()
fig.savefig("velocity_components.png")
plt.close(fig)

Funciones de análisis

scripts/analyze.py agrupa estas funciones contra un params.npz escrito por runner.py. Infiere el espaciado de la cuadrícula física a partir de las coordenadas guardadas, por lo que las derivadas resultan por unidad de longitud:

import sys
sys.path.insert(0, "skills/openpiv/scripts")
from analyze import PIVAnalyzer

piv = PIVAnalyzer("results/params.npz")
vorticidad = piv.compute_vorticity()          # dv/dx - du/dy
exx, eyy, exy = piv.compute_strain()
estadisticas = piv.compute_statistics()       # u_mean, v_mean, rms_u, rms_v, tke
piv.plot_vector_field(save_path="quiver.png")

Las formas independientes, si prefieres calcularlas en línea:

Vorticidad

def compute_vorticity(u, v, dx=1.0, dy=None):
    """Vorticidad fuera del plano dv/dx - du/dy. Pasa el espaciado de la cuadrícula física, no 1.0."""
    dy = dx if dy is None else dy
    return np.gradient(v, dx, axis=1) - np.gradient(u, dy, axis=0)

El espaciado de la cuadrícula es (window_size - overlap) / scaling_factor en unidades físicas, por lo que dejar dx=1.0 produce vorticidad por celda de la cuadrícula, no por unidad de longitud.

Convención de signos: runner.py termina con transform_coordinates, que reetiqueta la cuadrícula en un marco y-hacia-arriba diestro pero deja las filas en orden de imagen, por lo que la y guardada disminuye a medida que el índice de fila aumenta. Las formas independientes anteriores asumen lo contrario, por lo que en un campo de params.npz devuelven -du/dy e invierten el signo de la vorticidad y la deformación cortante – niega las derivadas del axis=0, o usa PIVAnalyzer, que lee la orientación de las coordenadas guardadas.

Tasa de deformación

def compute_strain(u, v, dx=1.0, dy=None):
    """Devuelve (exx, eyy, exy) del tensor de tasa de deformación 2D."""
    dy = dx if dy is None else dy
    du_dx = np.gradient(u, dx, axis=1)
    du_dy = np.gradient(u, dy, axis=0)
    dv_dx = np.gradient(v, dx, axis=1)
    dv_dy = np.gradient(v, dy, axis=0)
    return du_dx, dv_dy, 0.5 * (du_dy + dv_dx)

Estadísticas de turbulencia

def compute_statistics(u, v):
    """Estadísticas espaciales de un solo cuadro. NO es descomposición de Reynolds."""
    u_prime = u - np.nanmean(u)
    v_prime = v - np.nanmean(v)
    rms_u, rms_v = np.nanstd(u_prime), np.nanstd(v_prime)
    return {
        "u_mean": np.nanmean(u),
        "v_mean": np.nanmean(v),
        "rms_u": rms_u,
        "rms_v": rms_v,
        "tke": 0.5 * (rms_u**2 + rms_v**2),
    }

Advertencia: restar la media espacial de un cuadro mide la varianza espacial, que equivale a la intensidad turbulenta solo para un campo homogéneo. La descomposición genuina de Reynolds necesita un conjunto de pares de imágenes: promedia sobre el eje temporal, luego resta ese campo medio de cada realización.

Uso de la CLI

# Ejecución básica
python skills/openpiv/scripts/runner.py \
    --image img1.bmp --image img2.bmp --output_dir results --verbose

# Parámetros ajustados con enmascaramiento dinámico
python skills/openpiv/scripts/runner.py \
    --image frame_a.bmp \
    --image frame_b.bmp \
    --output_dir results \
    --window_size 32 \
    --overlap 12 \
    --search_area 38 \
    --dt 0.02 \
    --scaling 96.52 \
    --threshold 1.05 \
    --mask dynamic \
    --mask_method intensity \
    --verbose

Opciones de la CLI

OpciónValor por defectoDescripción
--imagerequeridoArchivo de imagen; especifica exactamente dos veces para el par
--output_dirresultsDirectorio de salida (se crea si no existe)
--window_size32Tamaño de la ventana de interrogación (px)
--overlap12Solapamiento de la ventana (px)
--search_area38Tamaño del área de búsqueda (px), debe ser ≥ --window_size
--dt0.02Tiempo entre cuadros (s)
--scaling96.52Factor de escalado, píxeles por unidad física (ej. px/mm)
--threshold1.05Umbral de relación señal-ruido peak2peak
--masknonenone o dynamic (openpiv.preprocess.dynamic_masking)
--mask_methodintensityedges o intensity, usado solo si --mask dynamic
--filter_size7Tamaño del filtro para el enmascaramiento
--mask_threshold0.005Umbral para el enmascaramiento
--verboseFalseSalida detallada

Referencias

Individual skills in this repo

This repo contains 20 individual skills — each has its own dedicated page.

adaptyv

How to use the Adaptyv Bio Foundry API and Python SDK for protein experiment design, submission, and results retrieval. Use this skill whenever the user mentions Adaptyv, Foundry API, protein binding assays, protein screening experiments, BLI/SPR assays, thermostability assays, or wants to submit protein sequences for experimental characterization. Also trigger when code imports `adaptyv`, `adaptyv_sdk`, or `FoundryClient`, or references `foundry-api-public.adaptyvbio.com`.

aeon

This skill should be used for time series machine learning tasks including classification, regression, clustering, forecasting, anomaly detection, segmentation, and similarity search. Use when working with temporal data, sequential patterns, or time-indexed observations requiring specialized algorithms beyond standard ML approaches. Particularly suited for univariate and multivariate time series analysis with scikit-learn compatible APIs.

alphagenome

Look up precomputed AlphaGenome Atlas effects for any GRCh38 single-nucleotide variant (AVI score with Phred and 18 SHAP feature attributions, plus raw and quantile scores for RNA-seq, DNase, ATAC, ChIP-TF, ChIP-histone, CAGE, PRO-cap, splicing, polyadenylation and contact-map tracks), score variants or scan windows on demand with the AlphaGenome model for human and mouse (variant scoring, in silico mutagenesis, REF-versus-ALT track prediction), and build Atlas website deep links. Use when the user mentions AlphaGenome, AlphaGenome Atlas, AVI or AlphaGenome Variant Impact, DeepMind variant effect prediction, or wants to prioritise or mechanistically interpret non-coding, regulatory, splicing, enhancer, promoter, or chromatin-accessibility effects of SNVs from a VCF, credible set, or region. Research use only; not a clinical tool.

analytical-method-validation

Plan, execute, and document validation, verification, and transfer of analytical procedures under the governing framework - ICH Q2(R2) and Q14, USP <1220>/<1225>/<1226>, ICH M10 bioanalytical, CLSI EP, or ISO/IEC 17025. Use for HPLC, LC-MS/MS, GC, CE, ICP-MS, dissolution, qNMR, qPCR, NIR, and ligand binding or cell-based assays whenever the question is whether a procedure is fit for its intended purpose. Triggers include

anndata

Data structure for annotated matrices in single-cell analysis. Use when working with .h5ad files or integrating with the scverse ecosystem. This is the data format skill—for analysis workflows use scanpy; for probabilistic models use scvi-tools; for population-scale queries use cellxgene-census.

arbor

Autonomously improve a real artifact (code, training recipe, agent harness, data pipeline, prompt) against an objective and an evaluator, using Hypothesis Tree Refinement (HTR) from the Arbor paper. Use this whenever someone wants to iteratively optimize something over many experiments without overfitting — e.g.

arboreto

Infer gene regulatory networks (GRNs) from gene expression data using scalable algorithms (GRNBoost2, GENIE3). Use when analyzing transcriptomics data (bulk RNA-seq, single-cell RNA-seq) to identify transcription factor-target gene relationships and regulatory interactions. Supports distributed computation for large-scale datasets.

astropy

Core Python library for astronomy and astrophysics workflows that need Astropy APIs, including units/quantities, coordinates, FITS I/O, tables, time systems, WCS, and cosmology. Use when implementing or debugging astronomical data analysis code with Astropy.

autoskill

Observe the user

benchling-integration

Benchling Python SDK and REST API integration for registry entities, inventory, ELN entries, workflows, Benchling Apps, and Data Warehouse queries. Use when automating lab data with benchling-sdk or the v2 API.

bgpt-paper-search

Search scientific papers and retrieve structured experimental data extracted from full-text studies via the BGPT MCP server. Returns 25+ fields per paper including methods, results, sample sizes, quality scores, and conclusions. Use for literature reviews, evidence synthesis, and finding experimental details not available in abstracts alone.

bids

>

biopython

Comprehensive molecular biology toolkit. Use for sequence manipulation, file parsing (FASTA/GenBank/PDB), phylogenetics, and programmatic NCBI/PubMed access (Bio.Entrez). Best for batch processing, custom bioinformatics pipelines, BLAST automation. For quick lookups use gget; for multi-service integration use bioservices.

bioservices

Unified Python interface to 40+ bioinformatics services. Use when querying multiple databases (UniProt, KEGG, ChEMBL, Reactome) in a single workflow with consistent API. Best for cross-database analysis, ID mapping across services. For quick single-database lookups use gget; for sequence/file manipulation use biopython.

bulk-rnaseq

End-to-end bulk RNA-seq orchestrator — takes raw FASTQ reads through QC and trimming (FastQC, fastp/Trim Galore), alignment and quantification (STAR, Salmon, featureCounts), assembles a gene-level counts matrix, then hands off to differential expression (pydeseq2), pathway/GSEA enrichment (pathway-enrichment), and publication figures (scientific-visualization). Use whenever the user has bulk RNA-seq reads or quant output and wants a complete, reproducible differential-expression workflow — e.g.

cellxgene-census

Query the CZ CELLxGENE Census programmatically for versioned public single-cell and spatial transcriptomics data. Use when you need population-scale cell metadata, gene expression slices, Census summary counts, source H5AD URIs/downloads, embeddings, spatial Census data, or reference atlas comparisons across organisms, tissues, diseases, assays, and cell types. For analyzing your own local single-cell data use scanpy, anndata, or scvi-tools.

cirq

Google quantum computing framework. Use when targeting Google Quantum AI hardware, designing noise-aware circuits, or running quantum characterization experiments. Best for Google hardware, noise modeling, and low-level circuit design. For IBM hardware use qiskit; for quantum ML with autodiff use pennylane; for physics simulations use qutip.

citation-management

Comprehensive citation management for academic research. Search OpenAlex, PubMed, and Google Scholar for papers, extract accurate metadata, validate citations, and generate properly formatted BibTeX entries. This skill should be used when you need to find papers, verify citation information, convert DOIs to BibTeX, or ensure reference accuracy in scientific writing.

clinical-decision-support

Prepare and validate research-only clinical decision-support evaluation, evidence-profile, cohort, survival, biomarker/model, privacy, and governance artifacts. Use for aggregate or synthetic research documentation and traceability—not patient care or live clinical operation.

clinical-reports

Create safety-bounded draft structures and run local deterministic checks for clinical case, diagnostic, trial, safety, and aggregate research reports. Use only with synthetic, de-identified, or aggregate inputs and verified source-fact manifests; every output requires qualified review.

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