JPH04291160A - 流速測定方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体の流れの画像デー
タから、演算によって、流れの速度を測定する画像処理
装置の処理方法およびその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水、空気などの透明な流体の流れを非接
触でビデオカメラ等の画像から測定するためには、トレ
ーサと呼ばれる不透明または光を反射する物質を流れに
混入し、可視化する必要がある。従来の技術では、流体
の流速を、撮影された画像データから計算により算出す
る方法として、アルミ粉、プラスチック粒子、シャボン
玉等の小粒子をトレーサとして用い、画像処理装置によ
り画像中の特定粒子または特定領域の模様の大きさ、形
状、輝度等の特徴に注目し、この特徴を有する粒子また
は領域を一定時刻後の画像中から検出してその位置や個
数を検知し、その位置や個数の変化から流速を推定する
方法が行われていた（例えば、特開昭５２−７７５１５
号公報）。図４に従来のデータ処理方法の具体例を示す
。まず、画像処理装置に取り込まれた画像データの各画
素について２値化し、トレーサの存在する画素に「１」
、存在しない画素に「０」の値を与える。いま、図４（
ａ）をある時刻の２値化画像データ、図４（ｂ）をｔ秒
後の画像データとする。各画像には十分な数のトレーサ
粒子１が含まれているものとする。図４（ａ）の破線で
囲んだ正方形の領域２に着目し、図４（ｂ）内の例えば
左上隅の同じ大きさの正方形領域３との相関を計算する
。相関の程度の計算法を図４（ｃ）に示す。領域２と領
域３の対応する各画素の積をとると、双方の領域で粒子
の重なった部分５（斜線部）では「１」、片方の領域に
しか粒子の無い部分及び双方とも粒子の無い部分では「
０」の値をとる。この総和は、領域２と領域３の粒子分
布が完全に同一の時最も大きくなり、全く粒子が重なっ
ていないときは０になる。そこで、この値を領域２と領
域３の相関の程度を表すものとする。図４（ｂ）の画像
データ内で領域２を少しづつ移動しながら図４（ｂ）の
全面にわたって上記の計算を行い、相関が最も大きくな
る領域４が、図４（ａ）の領域２に対応すると推論でき
る。 以上のデータ処理により、ｔ秒間の粒子の移動距離が求
められ、目的とする流体の流速が得られる。（ここに示
した方法は、２値化相関法と呼ばれる。詳しくは可視化
情報　Ｖｏｌ．　１０−３８，　５０　−　６４ページ
を参照。）

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術は、個別に
分離して認識できる物体（上記の粒子等）をトレーサと
した場合にのみ流速測定が可能である。しかし、粒子状
トレーサを使用するには、大がかりなトレーサ発生装置
・回収装置が必要であり、測定対象物中に入り込んだト
レーサ粒子の除去作業も行わねばならない。また、気流
の測定を行うときには、適当なトレーサ粒子がない。し
たがって、従来技術で、実際に、人工または自然構造物
中に於ける流体の流速測定を行うことは容易ではない。 これに対し、煙やミストは気流のトレーサとして適当で
あり、トレーサの発生装置も簡単でよい。また、ドライ
アイスによるミストを利用すれば、回収装置の必要もな
くなり、実用的な測定が可能である。ところが、ミスト
は不定形であり局所的な特徴に乏しいため、特開昭５２
−７７５１５号のように、映像信号の形状的な特徴を比
較する方法でその位置を検出することは不可能である。 また、特開昭６０−１７０７３７　号に示すように、画
像処理によって煙の場所による濃度分布を知ることは可
能であるが、画像の特徴や相関を利用する従来の画像処
理方法では、流速測定が不可能であるという問題点があ
った。そこで、本発明では、気体の流れに煙またはミス
ト（例えばドライアイス法によるミスト）を混入し、こ
のミストの流れの速度を画像処理によって検出すること
により、気体の流速を求めることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、連続した流体の流れを撮影して得られた
画像データから前記流体の流速を測定するものにおいて
、トレーサを混入して流した前記流体の時間的に連続し
た複数枚の画像を一辺が流れの方向に沿った複数の長方
形の小領域に分割し、各小領域内で前記トレーサが覆う
部分の面積と覆われていない部分の面積との比から前記
トレーサの先端の平均位置を検出し、前記各画像の前記
平均位置を比較して各小領域内に於ける単位時間当りの
トレーサの平均移動距離を算出し、画像中の任意の領域
に於ける流体の流速を測定するものである。

【０００５】

【作用】上記手段により、撮影された連続した複数枚の
トレーサの流れ画像を用い、一辺が流れの方向に沿うよ
うな長方形の小領域を画像中に設定して、その領域内で
トレーサの先端の平均位置を画像処理により算出し、時
刻による位置変化を検出するので、ビデオカメラで画像
として撮影可能な煙やミストをトレーサとして用いた画
像処理による流速の測定が可能になる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図に示して詳細に説
明する。図１に、本発明の全体構成図を示す。気流測定
の対象構造物６は、外部からの撮影が可能な構造である
か、または、撮影が可能なように透明な構造材で作られ
た模型であれば、どのようなものでもよい。トレーサ発
生装置７は、ビデオカメラ９で画像として撮影できるミ
スト状のトレーサを断続的に発生する。発生したトレー
サはダクト８によって対象構造物６へ導かれる。画像入
力装置１１は、ビデオカメラ９またはビデオ記録装置１
０からの映像をデジタル化し、装置に備わっているデジ
タルメモリ上に格納する。演算処理装置１２は、本発明
による処理方法に従い、画像入力装置１１に格納された
画像データを処理し、流速を計算して出力装置（ＣＲＴ
等）１３へ出力する。演算処理装置１２は、汎用のコン
ピュータでもよいし、マイクロコンピュータを含み、以
下に述べる処理方法に従ってデジタル演算を行う、専用
に構成された装置であってもよい。

【０００７】図２に、流速を求めるための画像データ処
理の原理を示す。データ処理は図中の長方形の領域中の
時間的に連続した複数枚の画像データについて行う。こ
の長方形は、その一辺を流れと平行な方向に置かれてい
るものとする。流れの方向については、対象構造物の幾
何学的な形状、用途などにより一義的に流れの方向が決
まる場合（風洞、吸気装置・排気装置等）はその方向と
し、流れの方向が形状などから決定できない場合にはト
レーサの動きを目視により確認して決定する。図２で斜
線で示した部分をトレーサにより覆われている部分であ
るとする。いま、長方形領域中にトレーサの先端が写っ
ているｎ枚の画像データを用いて計算を行うこととし、
長方形の流れに平行に置いた辺の長さをＬ、垂直に置い
た辺の長さをＨとする。ｋ番目の画像で長方形の流れの
上流側の端からトレーサの先端の平均位置までの距離を
Ｄｋ　、長方形中でトレーサ存在している部分の面積を
Ｓｋ　とすれば、 Ｄｋ　／Ｌ＝　　Ｓｋ　／Ｌ・Ｈ であるから、 Ｄｋ　＝　　Ｓｋ　／Ｈ となり、トレーサが存在している部分の面積Ｓｋ　がわ
かればＤｋ　は計算により求められる。よって、ｋ番目
の画像の撮影時刻をｔｋ、ｋ−１番目からｋ番目の画像
間の流れの速度をｖｋ　とすれば、 ｖｋ　＝（Ｄｋ　−Ｄｋ−１　）／（ｔｋ−ｔｋ−１　
）＝（Ｓｋ　−Ｓｋ−１　）／Ｈ（ｔｋ　−ｔｋ−１　
）したがって、ｔ１　からｔｎ　の時間に於ける平均流
速ｖは、次の数式１によって算出される。

【０００８】

【数１】

【０００９】図３に、具体的なデータ処理のフローチャ
ートを示す。まず、デジタル画像データの各画素につい
て、トレーサの写っていない画像データとの差をとり、
トレーサのみの画像データを残し、背景を除去する。こ
のデータを適当なしきい値により２値化し、トレーサの
存在する画素に１、存在しない画素は０の数値を与える
。次に、指定された長方形領域に含まれる全画素の数値
を合計し、これに１画素当りの実際の面積を乗じれば、
トレーサに覆われた面積（上記のＳＫ　）が得られる。 　　この操作を与えられた画像データ（ｎ枚とする）の
全てについて繰り返し、Ｓ１　〜Ｓｎ　を得る。長方形
の流れに垂直な辺の長さ（Ｈ）は、初期条件として既知
であるから、数式１に各数値を代入することによって当
該領域の流速ｖを算出できる。この演算は、同一画像デ
ータ中の任意に定めた複数の長方形領域について行うこ
とができるため、１回の測定実験で複数の場所の流速を
同時に求めることができる。このとき、それぞれの領域
は部分的に重複していてもかまわない。また、上記の実
施例は気体の流れについて述べたが、対象が水のような
液体の場合であっても、その中に色素溶液のような可視
化トレーサを混入し、その流れ画像をデータとして図１
の画像入力装置へ入力すれば、まったく同様に流速の算
出が可能である。

【００１０】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
ミストをトレーサとして用いた気流の流れ画像から流速
の測定ができ、機械的な流量測定器が使用できないよう
な場合、簡単なトレーサ発生装置を利用して非接触・多
領域の流速測定が容易に行えるようになるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体構成を示す構成図である。

【図２】本発明のデータ処理の原理を示す説明図である
。

【図３】本発明のデータ処理のフローチャートである。

【図４】従来例のデータ処理方法を示す説明図である。

【符号の説明】 １　　トレーサ粒子 ２　　着目領域 ３　　次の画像中での計算対象領域 ４　　次の画像中の前回の着目領域２と対応する領域５
　　粒子の重なっている領域 ６　　測定対象構造物 ７　　トレーサ発生装置 ８　　ダクト ９　　ビデオカメラ １０　　ビデオ記録装置 １１　　画像入力装置 １２　　演算処理装置 １３　　出力装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　連続した流体の流れを撮影して得られ
   た画像データから前記流体の流速を測定する流速測定方
   法において、トレーサを混入して流した前記流体の時間
   的に連続した複数枚の画像を一辺が流れの方向に沿った
   複数の長方形の小領域に分割し、各小領域内で前記トレ
   ーサが覆う部分の面積と覆われていない部分の面積との
   比から前記トレーサの先端の平均位置を検出し、前記各
   画像の前記平均位置を比較して各小領域内に於ける単位
   時間当りのトレーサの平均移動距離を算出し、画像中の
   任意の領域に於ける流体の流速を測定することを特徴と
   する流速測定方法。
2. 【請求項２】　　連続した流体の流れを撮影して得られ
   た画像データから前記流体の流速を測定する流速測定装
   置において、トレーサを混入して流した前記流体の時間
   的に連続した複数枚の画像を撮影して記憶する画像入力
   装置と、前記画像を一辺が流れの方向に沿った複数の長
   方形の小領域に分割し、各小領域内の前記トレーサが覆
   う部分の面積と覆われていない部分の面積を検出する面
   積検出手段と、前記面積検出手段からの出力により前記
   各小領域内の前記トレーサが覆う部分の面積と覆われて
   いない部分の面積との比から前記トレーサの平均位置を
   求める演算手段と、前記各画像の前記平均位置を比較し
   て各小領域内に於ける単位時間当りのトレーサの平均移
   動距離を算出し、画像中の任意の領域に於ける流体の流
   速を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする流速
   測定装置。