JP6497039B2 - 粒子画像流速測定方法および粒子画像流速測定装置 - Google Patents
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Description
データ処理部26は、CCDカメラ20から送信された粒子画像の輝度信号Vを受信する入力部31と、粒子画像のなかで輝度が高い領域を特定する高輝度領域特定部33と、トレーサ粒子16によって輝度が高くなっている領域を検出するトレーサ粒子検出部35と、流速分布を演算するPIV演算部37と、からなっている。
データ記憶部28は、入力部31で受信した時刻tの輝度信号Vaを記憶する第1輝度分布記憶部41と、時刻t+Δtの輝度信号Vbを記憶する第2輝度分布記憶部42と、トレーサ粒子16の基準画素数を記憶する基準画素数記憶部43と、画素の位置を変えたときの輝度の変化率を記憶する変化率記憶部45と、輝度が高い領域の位置を記憶する高輝度領域記憶部46と、トレーサ粒子16の輝度が明確になるように輝度信号Va、Vbをそれぞれ修正した輝度信号V1a、V1bを記憶する第1及び第2修正輝度記憶部47,48と、PIV演算部37で計算した流速分布を記憶する流速分布記憶部49とで構成されている。
CCDカメラ20は、流体中に設置された軸14の軸端が撮影領域の中央になる向きに設置されていて、軸端部近傍の流れ場を連続的に撮影している。流れ場にはシート状のレーザ光19が照射されている。CCDカメラ20で撮影された粒子画像の輝度信号Vは、データ処理部26の入力部31に送信されている。そして、時刻tにおける輝度信号Vaが第1輝度分布記憶部41に記憶され、時刻tよりわずかに後の時刻t+Δtにおける輝度信号Vbが第2輝度分布記憶部42に記憶されている。
図5は、第1輝度分布記憶部41に記憶されている輝度信号Vaを用いて、演算結果表示部24で表示した時刻tにおける粒子画像のイメージを示している。
図5では、図の左方に、流体中に設置した軸14が撮影されている。軸14の表面で2か所の斜線でハッチングを施した部分Q1とQ2は、レーザ光19が反射して強く光っている部分である。図中に点在する小さい円はトレーサ粒子16である。
基準画素数の設定方法について説明する。流速分布を測定するにあたって、最初にCCDカメラ20の撮影条件を設定している。このとき、CCDカメラ20のズーム機能を使って撮影画面の拡大率を調節して、個々のトレーサ粒子16が、いくつかの画素にまたがる程度の大きさ(直径)で撮影されるように拡大率を設定している。具体的には、粒子画像におけるトレーサ粒子16が、2〜10画素程度にまたがる大きさとなるように設定されている。トレーサ粒子16の大きさのばらつきが小さい場合において、さらに好ましくは、4〜6画素程度にまたがる大きさとなるように設定する。図4に、一つのトレーサ粒子16が5画素にまたがって撮影された場合の例を示している。このとき、トレーサ粒子16は、Y2からY6(またはX1からX5)の5個の受光素子17にまたがって撮影されている。
基準画素数は、粒子画像におけるトレーサ粒子16の大きさのばらつきの範囲に合わせて設定する。本実施形態では、粒子画像に撮影されたトレーサ粒子16の画素数の上限値と下限値の二つの値を基準画素数として設定している。以下の説明では、上限値を上側基準画素数、下限値を下側基準画素数として説明する。なお、粒子画像に撮影されたトレーサ粒子16の画素数の平均値とそのばらつき範囲を、基準画素数として設定してもよい。
高輝度領域特定部33では、第1輝度分布記憶部41の輝度信号Vを一列に並んだ複数の画素からなる画素列に分割し、各画素列の輝度信号Vについて輝度が高くなっている領域を特定している。たとえば、図4の受光素子17のXi列において、(Xi,Y1)(Xi,Y2)(Xi,Y3)・・・(Xi,Ym−1)(Xi,Ym)の画素列に対して輝度が高くなる領域を特定している。高輝度領域特定部33では、まず、画素の位置を変えたときの輝度の変化率を求めている。なお、高輝度領域を特定する処理においては、画素列は一列に並んだ画素列であればよく、図の左右方向に並ぶ画素に対して特定してもよいし、上下方向に並ぶ画素に対して特定してもよい。
高輝度領域特定部33では、互いに隣接する画素について輝度の変化率を計算する。変化率の計算は、図6の左側の画素から右側の画素に向けて順次行う。高輝度領域の画素を特定するために、絶対値が等しい正、負の閾値+B、−Bを設定している。閾値は、以下の処理方法において高輝度領域を検出できる程度の値に設定する。
高輝度領域A2より左側の領域F1では、輝度は小さい値で安定しているので、変化率が正、負の閾値+B、−Bを超えることはない。高輝度領域A2に近づくに従って輝度が急激に増加し、変化率が大きくなる。変化率の値が閾値+Bを超えるときの画素Xaを特定する。そのあと、輝度が最大となる点Mを通過するときに変化率は小さくなって、正、負の閾値+B、−Bを超えない値になる。点Mを過ぎた後、輝度が急激に減少して、変化率は絶対値が大きい負の値になり、負の閾値−Bを超える。次に、高輝度領域から離れて、領域F2に向かうに従って輝度は小さい値で安定するので、変化率は正、負の閾値+B、−Bを超えることがない。こうして、輝度が最大となる点Mを通過した後、変化率が閾値−Bより小さい値(絶対値がBより大きい負の値である)になったあと、最初に−Bより大きい値(絶対値がBより小さい負の値である)を持つ画素Xbを特定する。こうして、XaとXbの間を高輝度領域として特定することが出来る。画素Xaの位置と画素Xbの位置は、輝度領域記憶部に記憶される。高輝度領域A2の領域幅を、(Xb−Xa)として算出することが出来る。
トレーサ粒子検出部35では、各高輝度領域の領域幅を、トレーサ粒子16を撮影した撮影条件である基準画素数と比較している。そして、領域幅が上側基準画素数より大きい高輝度領域、および領域幅が下側基準画素数より小さい高輝度領域をトレーサ粒子16以外の高輝度領域として処理している。
物体から反射される高輝度領域の領域幅は一般的にある程度の広がりを持っている。このため、トレーサ粒子16の上側基準画素数より大きい領域幅を有する高輝度領域は、トレーサ粒子16以外の反射光であると判断できる。また、受光素子17は単独でノイズを発信するので、ノイズによる高輝度領域の領域幅は1画素である。したがって、下側基準画素数を2画素以上に設定することによって、下側基準画素数より小さい領域幅をもつ高輝度領域は、ノイズによる高輝度であると判断することができる。なお、下側基準画素数を4以上に設定することによって、隣接する2個または3個の受光素子17が同時にノイズを発信する場合においても、ノイズによる高輝度信号を識別することが出来て、流速分布の測定精度を高くすることが出来る。
トレーサ粒子検出部35では、第1輝度分布記憶部41および第2輝度分布記憶部42の輝度データのうち、領域幅が上側基準画素数より大きい高輝度領域、および、領域幅が下側基準画素数より小さい高輝度領域の輝度データを、すべて0に置き換えている。この結果、第1輝度分布記憶部41に記憶されている全受光素子17の輝度のデータからトレーサ粒子16以外の高輝度データが取り除かれ、トレーサ粒子16による輝度信号が明確に表された粒子画像を得ることが出来る。
トレーサ粒子16による輝度が明確に表された粒子画像の輝度信号は、時刻tの輝度信号が第1修正輝度記憶部47に、時刻t+Δtの輝度信号が第2修正輝度記憶部48にそれぞれ記憶される。
第1修正輝度記憶部47に記憶されている時刻tの輝度信号に基づいて、新たに作成した修正輝度分布の例を図7に示す。
演算結果表示部24では、流速分布値記憶部のデータに基づいて、各画素の位置における流速をディスプレイに表示している。流速をベクトル表示することによって、流れ場の流速分布を視覚的に認識することができる。
これに対して、本実施形態では、A1のトレーサ粒子16についても確実に検出することが出来る(図7参照)。
Claims (4)
- 流体に分散したトレーサ粒子を時間をずらせて撮影した2枚の粒子画像における前記トレーサ粒子の輝度分布の位置をもとにして、前記流体の流速を測定する粒子画像流速測定方法であって、
前記粒子画像に撮影された前記トレーサ粒子の大きさが一列に並んだ複数の画素にまたがるように撮影条件を決める撮影条件設定ステップと、
撮影された前記トレーサ粒子がまたがる画素数を基準画素数として設定する基準画素数設定ステップと、
前記粒子画像を一列に並んだ画素からなる複数の画素列に分割し、前記画素列ごとに互いに隣接する画素の輝度の変化率を算出することによって所定値より輝度が高い高輝度領域を特定し、前記高輝度領域の領域幅を算出する領域幅算出ステップと、
前記領域幅の画素数と前記基準画素数とを対比することによって前記トレーサ粒子を検出するトレーサ粒子検出ステップと、を有し、
検出した前記トレーサ粒子の輝度分布の位置をもとにして、前記流体の流速を測定する粒子画像流速測定方法。 - 前記撮影条件設定ステップにおける複数の画素の画素数は、2以上でかつ10以下である請求項1の粒子画像流速測定方法。
- 流体に分散したトレーサ粒子の粒子画像を撮影するカメラと、
時間をずらせて撮影した2枚の前記粒子画像における前記トレーサ粒子の輝度分布の位置をもとにして、前記流体の流速を演算する画像信号処理部と、を有する粒子画像流速測定装置であって、
前記画像信号処理部は、
前記粒子画像に撮影された前記トレーサ粒子の大きさが一列に並んだ複数の画素にまたがるように撮影条件を決める撮影条件設定ステップと、
撮影された前記トレーサ粒子がまたがる画素数を基準画素数として設定する基準画素数設定ステップと、
前記粒子画像を一列に並んだ画素からなる複数の画素列に分割し、前記画素列ごとに互いに隣接する画素の輝度の変化率を算出することによって所定値より輝度が高い高輝度領域を特定し、前記高輝度領域の領域幅を算出する領域幅算出ステップと、
前記領域幅の画素数と前記基準画素数とを対比することによって前記トレーサ粒子を検出するトレーサ粒子検出ステップと、を順次実行して、
検出した前記トレーサ粒子の輝度分布の位置をもとにして、前記流体の流速を演算する粒子画像流速測定装置。 - 前記撮影条件設定ステップにおける複数の画素の画素数は、2以上でかつ10以下である請求項3の粒子画像流速測定装置。
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