JP2010224714A - 画像処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】照明装置により流動場に光を照射して、流動場における流体の流動を簡易に計測可能な画像処理システムを提供する。
【解決手段】本発明にかかる画像処理システムは，所定の領域に光を照射する照明装置と，所定の領域に存在する反射体により反射した光を継続的に撮影する撮像装置と，撮像装置により得られた複数の画像に対して画像処理を行う画像処理装置と，画像処理装置が生成した画像を出力する結果出力装置と，からなる画像処理システムであって，画像処理装置は，撮像装置により撮影された複数の画像の各位置座標において，輝度を抽出する輝度抽出部と，抽出された輝度を利用して，前記複数の画像から各位置座標の輝度を決定する輝度決定部と、決定された輝度を各位置座標に設定した画像を生成する画像生成部を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は，照明装置により光を照射した領域の撮影画像を処理する画像処理システムに関する。

従来、照明装置により流動場に光を照射して、得られた画像を処理することにより流動場における流体の流動を計測する技術がある。

例えば、特許文献１には、レーザ発振装置からレーザ光を流体の流動場にシート状に照射し、レーザシート上の２次元粒子画像を撮像して、その撮像された粒子画像について、２時刻の粒子画像の輝度パターン分布を比較、解析して粒子群の移動方向および移動量を計測する技術が開示されている。複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に計測可能な粒子画像流速（Particle Image Velocimetry：PIV）手法を用いて流体の流動計測を行うものである。

また、特許文献２には、レーザ発振装置により流動場へ照射されたレーザ光が捉える粒子を連続撮影して得られた撮影画像データを用いて流動場の風況解析に供する画像処理を行う技術が開示されている。画像処理にはPIV手法を用いることにより、実地形についての広範囲の風況を把握可能なものにしている。

特開２００２−２２７５９号公報 特開２００６−１２５９６１号公報

しかし，前述のPIV手法は、複雑な流動場を高精度に解析するのに優れているが、処理が複雑で、処理装置にかかる負担が大きい。従って、処理装置の性能が低い場合には、画像処理に時間がかかり、十分な精度が得られない場合もある。

特に、例えば、家庭内においてＩＨ（Induction Heating）クッキングヒータなどの調理用加熱器による加熱により発生した水蒸気などの気体の流れを簡易に計測したいときなどには、処理が複雑なPIV手法は適さない場合がある。このため、流体の流動を簡易に計測できる画像処理システムが望まれていた。

本発明は、このような課題に鑑み、照明装置により流動場に光を照射して、流動場における流体の流動を簡易に計測可能な画像処理システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために，本発明にかかる画像処理システムは，所定の領域に光を照射する照明装置と，所定の領域に存在する反射体により反射した光を継続的に撮影する撮像装置と，撮像装置により得られた複数の画像に対して画像処理を行う画像処理装置と，画像処理装置が生成した画像を出力する結果出力装置と，からなる画像処理システムであって，画像処理装置は，撮像装置により撮影された複数の画像の各位置座標において，輝度を抽出する輝度抽出部と，抽出された輝度を利用して，複数の画像から各位置座標の輝度を決定する輝度決定部と、決定された輝度を各位置座標に設定した画像を生成する画像生成部と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、撮影された複数の画像の各位置座標において、輝度を利用して、結果としての画像を生成する処理を行うため、処理装置に負担をかけずに、流動場の流体の流動を簡易に計測することができる。

上記の輝度決定部は、撮影された画像の各位置座標ごとに、より大きな輝度を選択して、生成する画像の各位置座標の輝度として決定してもよい。上記構成によれば、撮影された複数の画像の各位置座標において、輝度を比較し、より大きな輝度を選択することにより、結果としての画像を作成する処理を行うため、処理装置に負担をかけずに、流動場の流体の流動を簡易に計測することができる。

上記の照明装置は，楕円面鏡と，楕円面鏡の楕円面鏡に近い側の焦点位置に設置され，楕円面鏡の凹部に対向して設置されたメタルハライドランプと、楕円面鏡及びメタルハライドランプを内蔵する容器と，容器の，楕円面鏡の楕円面鏡に遠い側の焦点位置付近に設けられ、楕円面鏡に反射した光が出射する光出射端と，光出射端から出射した光を光軸に対して平行に偏光するコリメータレンズと、を備えるとよい。

光源にメタルハライドランプを用いることにより、同じ出力で比較した場合、ハロゲンランプやLEDよりも明るい光量を得ることができる。また、コリメータレンズにより、平行光を得ることが可能であり、上記構成では、例えばコリメータレンズから出射する光として、円筒状の平行光線を得ることができる。平行光は、照度がほとんど一定でむらが少ないため、画像の輝度を利用する本発明にかかる画像処理システムにおいては、輝度の基準を一定にすることができ、画像処理の精度を高めることができる。

なお、適当な大きさのメタルハライドランプやコリメータを用いることにより、全体として、コンパクトな照明装置とすることができる。コンパクトな照明装置とした場合には、輝度を利用した簡略な画像処理を行う画像処理装置との組み合わせにより、流動場計測の利便性を高めることができる。

本発明にかかる画像処理システムには、上記の照明装置またはその光軸を所定平面内で移動させる支持部材を設けてもよい。かかる支持部材を設けることにより、照明装置を容易に移動させたり、光を照射しようとする対象の領域に対して、容易に光軸を向けたりすることができる。

本発明にかかる画像処理システムには、上記の光出射端から出射した光をコリメータレンズに導くライトガイドを、光出射端とコリメータレンズの間に設けてもよい。

ライトガイドを用いることにより、光源のメタルハライドランプとコリメータレンズを離隔して設置することができる。従って、大きな光量を得るために、大容量で重量が大きいメタルハライドランプを用いる場合には、撮影対象領域の近傍にメタルハライドランプを配置し、ライトガイドを引き回し可能な範囲でコリメータレンズを移動させ、容易に撮影対象領域に光を照射することができる。

本発明にかかる画像処理システムは、コリメータレンズを透過した光束の水平方向の幅を規制するスリットと，スリットを通過してきた光を垂直方向に広げるシリンドリカルレンズと、をさらに備えるとよい。

スリットを設けることにより、コリメータレンズを透過した平行光の水平方向の幅を所望の長さに規制できる。このため、コリメータレンズを透過した光は平行光であるが、光軸を中心とした所定の幅の光を規制して切り取ることにより、照度のより一定した光を得ることができる。また、シリンドリカルレンズを設けることにより、光を垂直方向に広げ、シート状の光を得ることができる。

本発明によれば，照明装置により流動場に光を照射して、流動場における流体の流動を簡易に計測可能することができる。

本実施形態にかかる画像処理システムの概念図である。 本実施形態における照明装置の概略的な側面図である。 コリメータレンズ出口付近の概略的な斜視図である。 ライトガイドを備える照明装置の概念図である。 画像処理方法のフローチャートである。 ループモードを備える画像処理方法のフローチャートである。 画像処理システムを水蒸気の画像処理に適用した場合の説明図である。 画像処理により得られた画像の説明図である。 本実施形態にかかる画像処理システムにより実際に得られた画像である。

以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる画像処理システムの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は，本実施形態にかかる画像処理システムの概念図である。画像処理システムは、照明装置１０、撮像装置２０、画像処理装置３０および結果出力装置４０から構成される。図１に示す画像処理システムは、さらに照明装置１０を固定して支持する支持部材５０を備える。

照明装置１０は撮影の対象とする所定の領域に光を照射する。撮影対象領域に反射体がある場合は、照明装置１０により照射した光が反射体により反射し、その反射した光を撮像装置２０が継続的に撮影する。撮影された複数の画像は画像処理装置３０により画像処理され、生成された画像が結果出力装置４０から出力される。撮像装置２０には一般的なカメラを用いることができる。支持部材５０に設けられた機構により、照明装置１０の光軸を所定平面内で移動させることができる。照明装置１０自体を移動させる機構を有していてもよい。結果出力装置４０は画像を表示できるモニタなどとすることができる。

画像処理装置３０は、後述する輝度抽出部３２、輝度決定部３４、画像生成部３６を有している。輝度抽出部３２は複数の撮影された画像から各位置座標の輝度を抽出する。輝度決定部３４は、抽出された輝度に基づいて、生成する画像の各位置座標の輝度を決定する。画像生成部３６は、決定された輝度を各位置座標に設定した画像を生成する。なお、複数の撮影された画像の画素数は同じであり、また画像生成部３６が生成する画像の画素数も同じであって、それぞれに対応する位置座標が存在する。

図２は，本実施形態における照明装置の概略的な側面図である。照明装置１０は、楕円面鏡１２、楕円面鏡１２の楕円面鏡１２に近い側の焦点位置に設置され、楕円面鏡１２の凹部に対向して設置された光源のメタルハライドランプ１１、メタルハライドランプ１１および楕円面鏡１２を内蔵する容器１３、容器１３の、楕円面鏡１２の楕円面鏡１２に遠い側の焦点位置付近に設けられた光出射端１４および光出射端１４からの光が入射するコリメータレンズ１５から構成される。図２に示す照明装置１０は、さらにスリット１６およびシリンドリカルレンズ１７を備える。図２中の矢印は、光線の進行を示す。

メタルハライドランプ１１からの光は楕円面鏡１２で集光、反射される。楕円面鏡１２で反射した光は、容器の出口に設けられた光出射端１４から出射する。メタルハライドランプ１１および楕円面鏡１２は容器１３に密閉して内蔵されているため、メタルハライドランプ１１からの光は、光出射端１４以外の場所から外に出ていくことはない。

光出射端１４から出た光は、コリメータレンズ１５に入射し、コリメータレンズ１５を通過することにより、平行光になる。コリメータレンズ１５から出た平行光は、スリット１６により、例えば、水平方向の幅が規制される。さらに光は、シリンドリカルレンズ１７により垂直方向に広げられ、シート状の光を得ることができる。

光源として、ハロゲンランプやLEDも使用可能であるが、高速度撮影をする場合には、同じ出力で大きな光量が得られるメタルハライドランプ１１が優れている。メタルハライドランプ１１と楕円面鏡１２の位置関係を前述の通りとすることにより、メタルハライドランプ１１からの光を楕円面鏡１２で効率的に集光できる。

コリメータレンズ１５からの光は、平行光線になるため、照度がほとんど一定の光を得ることができる。これにより、照明された領域を撮影した画像について輝度を利用して画像処理する場合には、輝度の基準を一定とすることができるため、処理の精度を向上することができる。例えば、撮影した複数の画像の各位置座標において、輝度の大きさの比較により、各位置座標の輝度を決定するような場合には、比較の基準を一定とすることができるため、平行光線を得ることができるメリットは大きい。平行光線をスリット１６により、水平方向に所定の幅だけ規制して切り取り、さらに照度のむらを低減した光を得ることにより、画像処理精度をさらに高めることができる。

シリンドリカルレンズ１７により得られるシート状の光は、広い領域を照明することができるため、カメラによる撮影領域を広くしたい場合に有効である。

上述の照明装置１０は、例えば、容器１３を幅２０ｃｍ、奥行き２０ｃｍ、高さ１０ｃｍとし、コリメータレンズ１５を長さ１５ｃｍとして構成することができ、可搬性の高いコンパクトな装置とすることができる。

図３は、コリメータ出口付近の概略的な斜視図であり、コリメータレンズ出口からの光がシリンドリカルレンズを通過して広がる様子を詳細に説明する図である。光出射端１４を円形に構成すれば、光出射端１４から出た光は、断面が円の形状となる。この光がコリメータレンズ出口１５１から出るとき、図３に示すように、円筒状の平行光線になる。円筒状の平行光線はスリット１６により、水平方向に所定の幅だけ規制して切り取られた後、シリンドリカルレンズ１７により垂直方向に広げられ、シート状の光を得ることができる。

スリット１６の中心軸を光軸が通過するようにスリット１６を配置して、照度がガウス分布する平行光線のうち、照度がほぼ一定の中心部分だけ切り取ることにより、さらに照度のむらの少ない光線を得ることができる。また、例えば、コリメータレンズ出口１５１の円の直径を約６ｃｍ、スリット幅を５ｍｍ、シリンドリカルレンズ１７の縦の長さを約７ｃｍとしたコンパクトな装置構成にて、光のむらの少ないシート状の光を得ることができる。

なお、コリメータレンズ出口１５１からの光は平行光線で照度がほとんど一定のため、スリット１６やシリンドリカルレンズ１７がなくても、輝度を利用した画像処理に適した照明を得ることができる。

図４は、ライトガイドを備える照明装置の概念図である。照明装置１０ａには、容器１３に設けられた光出射端１４から出射した光をコリメータレンズ１５に導くライトガイド１８が備えられている。

ライトガイド１８には一般の光ファイバや、一般の光ファイバに比べて効率が高い、内部に液体を満たした液体ライトガイドを用いることができる。液体ライトガイドは光の減衰率が小さい点で一般の光ファイバより優れるが、強度の点から繰り返し曲げて使用する場合には適さない。このため、液体ライトガイドは、ライトガイド１８の長さを１．５ｍ程度以下として使用する場合に用いるとよい。

ライトガイド１８を用いることにより、光源のメタルハライドランプ１１を内蔵した容器１３とコリメータレンズ１５を離隔して設置することができる。このため、大きな光量を得るために大容量で重量の大きいメタルハライドランプ１１を用いる場合でも、メタルハライドランプ１１を所定の場所に設置して、ライトガイド１８の引き回し可能な範囲で、コリメータレンズ１５のみを移動させることにより、容易に撮影対象領域を照明することができる。

図５は、上述した画像処理システムに用いられる画像処理方法のフローチャートである。画像処理は、撮影された複数の画像の各位置座標から抽出した輝度に基づいて、結果としての画像の各位置座標の輝度を決定するものである。ここでは、特に、輝度の大きさを利用し、各位置座標の輝度を、複数の画像の各位置座標から選択した最も大きい輝度とする処理について説明する。画像処理は画像処理装置３０に内蔵されたプログラム（輝度抽出部３２、輝度決定部３４、画像生成部３６）により行われる。

まず、画像生成部３６によって生成する画像を初期化する（Ｓ１０）。すなわち、画像の各位置座標の輝度ｘ（ｘ，ｙ）を０とする。次に、撮像装置２０により撮影した画像を取得する（Ｓ１２）。画像の取得は、あらかじめ撮影した動画から読み込むことにより行ってもよい。続いて、輝度抽出部３２が、取得した撮影画像の各位置座標における輝度ａ（ｘ，ｙ）を抽出する（Ｓ１４）。そして輝度決定部３４は、抽出された輝度ａ（ｘ，ｙ）の大きさを、既に（前回）抽出された輝度ｘ（ｘ，ｙ）と比較し、抽出された輝度ａ（ｘ，ｙ）の方が大きい場合は、抽出された輝度ａ（ｘ，ｙ）を選択して、その位置座標の輝度ｘ（ｘ，ｙ）と決定する（Ｓ１６）。そして画像生成部３６は、決定された輝度ｘ（ｘ，ｙ）を、生成する画像の各位置座標に設定する。

画像処理装置３０は、所望の期間の撮影画像について処理を行うことができる。画像処理を終了する場合（Ｓ１８のＹ）は、画像処理された輝度画像が結果出力装置４０に表示されて（Ｓ２０）、処理は終了する。画像処理を継続する場合（Ｓ１８のＮ）は、Ｓ１２へ戻り、処理が継続される。

画像処理（輝度決定部３４の処理）の他の方法としては、例えば背景差分法を用いることができる。背景画像を取得し、撮影画像と背景画像との差分により求めた輝度について処理を行うものである。背景差分法では、画像中の不要な背景を除去することができる。また、抽出した輝度を単純に足し合わせる処理を行ってもよい。あるいは、平均化処理を行ってもよい。平均化処理は重み付けの処理を伴ってもよい。各輝度に色を対応させ、画像生成部３６が生成する輝度画像をカラーで表示する処理を行うこともできる。この場合は、例えば輝度の大きさが色の濃淡で表現される。画像の一部に色をつけ、その部分を強調することもできる。例えば、着目している流体に色をつけ、その流体の流れを強調することができる。

図６は、上述した画像処理システムに用いられ、ループモードを備える画像処理方法のフローチャートである。図５の画像処理方法と重複する処理の説明は省略する。

図６に示す画像処理方法では、画像の各位置座標を選択された輝度にした（Ｓ１６）後、Ｓ１２からＳ１６までの処理がＭ回目か否かが判断される（Ｓ４０）。この所定の回数を表すＭの数字は予め定めておくことができる。Ｓ１２からＳ１６までの処理がＭ回目の場合（Ｓ４０のＹ）は、処理を終了するか否かの判定（Ｓ１８）に進み、Ｍ回目でない場合（Ｓ４０のＮ）は、撮像装置２０により撮影した画像を取得する工程（Ｓ１２）に戻る（ループモード）。そして、Ｓ１８でＭ回目と判断されるまで、Ｓ１２からＳ１６までの工程が繰り返される。

Ｓ１８において、画像処理を終了する場合（Ｓ１８のＹ）は、画像処理により生成された輝度画像が結果出力装置４０に表示される（Ｓ２０）。画像処理を継続する場合（Ｓ１８のＮ）は、Ｓ１０へ戻り、生成された画像を初期化した後、Ｓ１２以降の処理が継続される。

本画像処理フローにより、所定の数（Ｍ）の画像について処理を行った輝度画像を得ることができ、例えば、あらかじめ所望の経過時間に相当するループ回数（Ｍ回）を設定しておき、その経過時間における輝度画像を得ることができる。

図７は、本実施形態にかかる画像処理システムを水蒸気の画像処理に適用した場合の説明図である。画像処理システムは、照明装置１０から出た光が、調理用加熱器（例えば、電気ヒータ６０）上に置かれた鍋６１から立ち昇る撮影対象の水蒸気６２を照明し、その水蒸気６２を撮影可能なように配置される。

照明装置１０から出射した円筒状の光はスリット１６により水平方向の幅が規制され、シリンドリカルレンズ１７により垂直方向に広げられて、撮影対象領域をシート状に照明する。電気ヒータ６０のスイッチを入れると，鍋６１内の食品が加熱され，水蒸気６２が発生する。この水蒸気６２は反射体となり、照明装置１０からの光を反射し、その光を撮像装置２０が撮影し，その撮影画像を画像処理装置３０が処理して、生成した画像を結果出力装置４０に表示する。かかる画像処理システムにより，鍋６１から立ち昇る水蒸気６２の流れを簡易に計測できる。

照明装置１０に備えられた支持部材５０を操作して、照明装置１０の光軸を所定平面内で移動させることにより、所望の撮影領域に照明装置１０からの光を的確に照射することができる。

調理用加熱器は，ＩＨヒータやハロゲンヒータなどの電気ヒータ６０に限らず，ガスコンロなどでも良い。また，本実施形態にかかる画像処理システムは、水蒸気の流れの計測に限らず，例えば，調理用加熱器上で加熱された油の上部空気の流れの計測にも使用することができる。

図８は、本実施形態にかかる画像処理システムにおける画像処理により得られた画像の説明図である。白い部分は、輝度の大きい部分７２であり、斜線で示した部分は、輝度の小さい部分である。

図８に示すように、水蒸気６２が密なところは、表示画像において輝度が大きい部分として現れる。一方、水蒸気６２が疎なところは、輝度が小さい部分として現れる。このため、水蒸気６２の流れの様子を可視化し、簡易に計測することができる。本実施形態における画像処理では、画像の各位置座標において、より大きい輝度を選択していくため、処理する画像の数が多いほど、結果として出力される輝度画像では、輝度の高い部分の割合が多くなっていく。

図９は、本実施形態にかかる画像処理システムにより実際に得られた画像である。鍋６１から立ち昇る水蒸気６２の流れが計測されていることがわかる。

上記説明した如く、本実施形態にかかる画像処理システムは、撮影された複数の画像の各位置座標において輝度を利用して画像を作成することにより、流動場における流体の流れを簡易に計測することができる。輝度の利用は、例えば輝度の大きさを比較し、より大きな輝度を選択することにより行うことができる。また、メタルハライドランプを用いることにより、かかる前述の画像処理に適した十分な光量を確保し、可搬性のあるコンパクトな照明装置を得ることができる。

本発明は，照明装置により光を照射した領域の撮影画像を処理する画像処理システムに利用することができる。

１０ …照明装置
１１ …メタルハライドランプ
１２ …楕円面鏡
１３ …容器
１４ …光出射端
１５ …コリメータレンズ
１５１…コリメータレンズ出口
１６ …スリット
１７ …シリンドリカルレンズ
１８ …ライトガイド
２０ …撮像装置
３０ …画像処理装置
３２ …輝度抽出部
３４ …輝度決定部
３６ …輝度生成部
４０ …結果出力装置
５０ …支持部材
６０ …電気ヒータ
６１ …鍋
６２ …水蒸気
７１ …輝度の小さい部分
７２ …輝度の大きい部分

Claims (6)

1. 所定の領域に光を照射する照明装置と，前記所定の領域に存在する反射体により反射した光を継続的に撮影する撮像装置と，前記撮像装置により得られた複数の画像に対して画像処理を行う画像処理装置と，前記画像処理装置が生成した画像を出力する結果出力装置と，からなる画像処理システムであって，
   前記画像処理装置は，
   前記撮像装置により撮影された複数の画像の各位置座標において，輝度を抽出する輝度抽出部と，
   前記抽出された輝度を利用して，前記複数の画像から各位置座標の輝度を決定する輝度決定部と、
   前記決定された輝度を各位置座標に設定した画像を生成する画像生成部と、
   を備えることを特徴とする画像処理システム。
2. 前記輝度決定部は、前記撮影された画像の各位置座標ごとに、より大きな輝度を選択して、前記生成する画像の各位置座標の輝度として決定することを特徴とする請求項１に記載の画像処理システム。
3. 前記照明装置は，
   楕円面鏡と，
   前記楕円面鏡の該楕円面鏡に近い側の焦点位置に設置され，該楕円面鏡の凹部に対向して設置されたメタルハライドランプと、
   前記楕円面鏡及び前記メタルハライドランプを内蔵する容器と，
   前記容器の，前記楕円面鏡の該楕円面鏡に遠い側の焦点位置付近に設けられ、前記楕円面鏡に反射した光が出射する光出射端と，
   前記光出射端から出射した光を光軸に対して平行に偏光するコリメータレンズと，
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像処理システム。
4. 前記照明装置またはその光軸を所定平面内で移動させる支持部材を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の画像処理システム。
5. 前記光出射端から出射した光を前記コリメータレンズに導くライトガイドを、前記光出射端と前記コリメータレンズの間に設けたことを特徴とする請求項３に記載の画像処理システム。
6. 前記コリメータレンズを透過した光束の水平方向の幅を規制するスリットと，
   前記スリットを通過してきた光を垂直方向に広げるシリンドリカルレンズと，
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の画像処理システム。