JP2015161639A - Visualized fluid flow velocity measuring method and visualized fluid flow velocity measuring system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可視化流体の流速計測方法及び流速計測システムに関するものであり、より詳細には、微小粒子群により流体を可視化してなる可視化流体の流動場を撮像装置によって撮影し、可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を計測する流速計測方法及び流速計測システムに関するものである。
The present invention relates to a flow velocity measurement method and a flow velocity measurement system for a visualization fluid, and more specifically, a flow field of a visualization fluid formed by visualizing a fluid with a group of fine particles is photographed by an imaging device, and the
流体を可視化するためのトレーサ粒子をマーカとして流体の流れに混入し、流動場の流体速度等を計測する可視化計測技術が知られている。可視化流体計測技術として知られる直接撮影法においては、二重露光撮影又は高速度カメラ撮影や、パルスレーザ及びデジタルCCDカメラを用いたフレームまたぎ撮影等の方法によって、トレーサ粒子を微小時間間隔(例えば、1ms間隔)で連続撮影することにより、粒子の移動距離が測定される。粒子の速度は、移動距離を時間間隔で除すことによって演算される。 A visualization measurement technique is known in which tracer particles for visualizing a fluid are mixed as a marker into a fluid flow and the fluid velocity of a flow field is measured. In the direct imaging method known as the visualization fluid measurement technology, the tracer particles are separated by a minute time interval (for example, by double exposure imaging or high-speed camera imaging, frame imaging using a pulse laser and a digital CCD camera). By continuously photographing at intervals of 1 ms), the moving distance of the particles is measured. The velocity of the particles is calculated by dividing the distance traveled by the time interval.
可視化流体計測技術の一種として知られたPIV(Particle Image Velocimetry、粒子像流速計測)は、このような可視化流体の速度分布を調べる直接撮影法として普及した計測技法である。PIV計測法は、流体にレーザシート光を照射して、流体に含まれる寸法10μm程度の微小粒子を微小時間間隔(時刻t及び時刻t+Δt)の連続撮影により撮像し、粒子又は粒子群の速度を画像解析により求め、これにより、流速分布等を測定する流速計測方法である。このようなPIV計測法によれば、レーザシート光内における面内2成分の速度成分を計測することができる。 PIV (Particle Image Velocimetry), which is known as a kind of visualization fluid measurement technology, is a measurement technique that is widely used as a direct imaging method for examining the velocity distribution of such visualization fluid. The PIV measurement method irradiates a fluid with a laser sheet light, captures fine particles with a size of about 10 μm contained in the fluid by continuous photographing at minute time intervals (time t and time t + Δt), and determines the velocity of the particle or particle group. This is a flow velocity measuring method that is obtained by image analysis and thereby measures a flow velocity distribution and the like. According to such a PIV measurement method, it is possible to measure two in-plane velocity components in the laser sheet light.
また、レーザシート光(2次元)内の速度3成分を得る計測技法として、ステレオPIV計測法が知られている。ステレオPIV計測法は、異なる角度方向から可視化流体を撮影する少なくとも2台のCCDカメラによって流体中の微粒子を微小時間間隔で連続撮影し、複数のカメラ映像の視差に基づいて、粒子又は粒子群の三次元移動量を画像解析により求め、これにより、可視化流体の速度3成分(x軸、y軸及びz軸方向)を計測する流速計測方法である。 A stereo PIV measurement method is known as a measurement technique for obtaining three velocity components in laser sheet light (two-dimensional). In the stereo PIV measurement method, fine particles in a fluid are continuously photographed at a minute time interval by at least two CCD cameras that photograph visualization fluids from different angular directions, and based on the parallax of a plurality of camera images, This is a flow velocity measurement method in which the three-dimensional movement amount is obtained by image analysis, and thereby, the velocity three components (x-axis, y-axis, and z-axis directions) of the visualization fluid are measured.
このようなPIV計測法又はステレオPIV計測法は、例えば、特開2011−247601号公報、特開2004−286733号公報(特許文献1及び2)等に記載されている。
Such PIV measurement method or stereo PIV measurement method is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2011-247601 and 2004-286733 (
可視化流体の速度3成分を計測するための他の流速計測方法として、方形断面又は矩形断面を有する所定厚の帯状且つ立体的なレーザ光を可視化流体に照射し、異なる角度方向から可視化流体を撮影する少なくとも3台のCCDカメラによって流体中の微粒子を撮像し、撮像により取得した粒子像の画像データに基づいて3次元空間内の粒子分布を再構築し、3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を測定するトモグラフィックPIV計測法が知られている(特開2005−91364号公報、特開2013−217902号公報等)。トモグラフィックPIV計測法は、CT(Computed・Tomography)技術とPIV技術との融合により流体の3次元流速分布を効率的且つ高精度に測定することができる計測技法である。典型的には、4台のCCDカメラが撮影に使用され、各カメラは、連続2時刻(t及びt+Δt)の各々において流体中の微粒子を同時に撮影する。ステレオPIV技術が2次元計測技術であるのに対し、トモグラフィックPIV技術は、3次元計測技術である点で優位性がある。 As another flow velocity measurement method for measuring the three components of the velocity of the visualization fluid, the visualization fluid is irradiated with a band-shaped and three-dimensional laser beam of a predetermined thickness having a square or rectangular cross section, and the visualization fluid is photographed from different angular directions. Image at least three CCD cameras, and reconstruct the particle distribution in the three-dimensional space based on the image data of the particle image obtained by the imaging, and the three-dimensional velocity of the visualization fluid in the three-dimensional space. A tomographic PIV measuring method for measuring a vector or a three-speed component is known (JP 2005-91364 A, JP 2013-217902 A, etc.). The tomographic PIV measurement method is a measurement technique that can measure a three-dimensional flow velocity distribution of a fluid efficiently and with high accuracy by fusing CT (Computed Tomography) technology and PIV technology. Typically, four CCD cameras are used for imaging, and each camera simultaneously captures particulates in the fluid at each of two consecutive times (t and t + Δt). The stereo PIV technique is a two-dimensional measurement technique, whereas the tomographic PIV technique is advantageous in that it is a three-dimensional measurement technique.
しかしながら、トモグラフィックPIV計測法においては、計測システムの画像解析装置を構成する記憶装置は、3次元粒子分布のデータや、3次元voxel(ボクセル)群の輝度データ等の3次元データを解析データとして記憶し且つ保存すべく、過大な記憶容量の記憶部又は記憶手段を保有しなければならない。また、計測システムを構成する演算処理装置には、多量の3次元データのデータ解析のために多大な動作負荷が課せられるので、演算処理装置は、演算処理のために比較的長時間のデータ解析時間を要する。このため、トモグラフィックPIV計測法においては、高性能且つ大容量の電子機器を記憶装置及び演算処理装置として採用せざるを得ず、この結果、計測システムの初期設備費が高額化するとともに、システム構成が複雑化する傾向がある。 However, in the tomographic PIV measurement method, the storage device that constitutes the image analysis device of the measurement system uses three-dimensional data such as three-dimensional particle distribution data and three-dimensional voxel group luminance data as analysis data. In order to store and save, a storage section or storage means having an excessive storage capacity must be possessed. In addition, since a large amount of operation load is imposed on the arithmetic processing devices constituting the measurement system for data analysis of a large amount of three-dimensional data, the arithmetic processing device can analyze data for a relatively long time for arithmetic processing. It takes time. For this reason, in the tomographic PIV measurement method, a high-performance and large-capacity electronic device must be employed as a storage device and an arithmetic processing unit. As a result, the initial equipment cost of the measurement system increases, and the system The configuration tends to be complicated.
また、3次元粒子分布のデータや、3次元voxel群の輝度データ等の3次元データは、カメラによって撮影された実際の粒子画像とは相違するので、撮影された粒子画像の妥当性を計測過程において視覚的又は感覚的に評価し又は認識し難く、粒子画像に基づく3次元データの再構築の妥当性を視覚的又は感覚的に確認することもできない。 In addition, 3D data such as 3D particle distribution data and 3D voxel group luminance data are different from actual particle images captured by the camera. In addition, it is difficult to evaluate or recognize visually or sensoryly, and the validity of reconstruction of three-dimensional data based on particle images cannot be confirmed visually or sensorially.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、トモグラフィックPIV計測法により可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得するための演算処理装置の負荷及びデータ解析時間を軽減又は短縮することができる流速計測方法及び流速計測システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an arithmetic processing device for acquiring a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of a visualization fluid by a tomographic PIV measurement method. An object of the present invention is to provide a flow velocity measurement method and a flow velocity measurement system that can reduce or shorten the load and data analysis time.
本発明は更に、このような流速計測方法及び流速計測システムにおいて、記憶装置の記憶容量を低減することができる流速計測方法及び流速計測システムを提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide a flow velocity measurement method and a flow velocity measurement system that can reduce the storage capacity of a storage device in such a flow velocity measurement method and flow velocity measurement system.
本発明は、上記目的を達成すべく、微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像する複数の撮像装置によって、微小時間間隔を隔てた連続2時刻の粒子像を撮像し、撮像により得られた粒子像の画像データに基づいて3次元空間内の粒子分布を再構築し、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を測定する可視化流体の流速計測方法において、
前記撮像装置によって撮像された2次元画像データに基づいて前記3次元空間内の各時刻の粒子分布を再構築し、連続2時刻の3次元輝度情報を得る工程(S3)と、
前記3次元空間を分割してなる所定厚のスライス領域を設定し、該スライス領域の内部の粒子分布を前記3次元輝度情報より抽出して、該粒子分布を複数の仮想投影面に投影することによって、連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像を生成する工程(S4,S6)と、
複数の前記2次元粒子画像に2次元PIVを実行して得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルに基づいて、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する工程(S7,S8,S11)とを有することを特徴とする流速計測方法を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is obtained by imaging a two-time particle image separated by a minute time interval with a plurality of imaging devices that image visualization fluid visualized by a group of microparticles. In the flow velocity measurement method for a visualization fluid, the particle distribution in the three-dimensional space is reconstructed based on the image data of the particle image, and the three-dimensional velocity vector or the three velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space is measured.
Reconstructing the particle distribution at each time in the three-dimensional space based on the two-dimensional image data imaged by the imaging device to obtain continuous two-time three-dimensional luminance information (S3);
Setting a slice region of a predetermined thickness obtained by dividing the three-dimensional space, extracting a particle distribution inside the slice region from the three-dimensional luminance information, and projecting the particle distribution onto a plurality of virtual projection planes A step (S4, S6) of generating a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times,
Based on a two-dimensional movement vector of particles in a plurality of image planes obtained by executing a two-dimensional PIV on the plurality of two-dimensional particle images, a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space is obtained. There is provided a flow velocity measuring method characterized by having a step (S7, S8, S11) of acquiring.
本発明は又、微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像する複数の撮像装置によって、微小時間間隔を隔てた連続2時刻の粒子像を撮像し、撮像により得られた粒子像の画像データに基づいて3次元空間内の粒子分布を再構築し、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を測定する可視化流体の流速計測方法において、
前記3次元空間を分割してなる所定厚のスライス領域を設定し、前記撮像装置によって撮像された2次元画像データに基づいて前記スライス領域内の各時刻の粒子分布を再構築し、前記スライス領域内における連続2時刻の3次元輝度情報を得る工程(S3',S5')と、
前記3次元輝度情報に基づいて前記スライス領域の内部の粒子分布を複数の仮想投影面に投影することによって、連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像を生成する工程(S6)と、
複数の前記2次元粒子画像に2次元PIVを実行して得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルに基づいて、前記スライス領域における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する工程(S7,S8)と、
各スライス領域における前記3次元速度ベクトル又は3速度成分の情報を集合、統合又は合成して、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する工程(S11)とを有することを特徴とする流速計測方法を提供する。
好ましくは、前記3次元輝度情報を得る前記工程においては、前記2次元画像の画素に基づいて前記スライス領域内の前記3次元輝度情報を重み付け累算で特定するための重み係数が算出され且つ記憶され、前記2次元粒子画像を生成する前記工程においては、前記スライス領域内の粒子分布は、前記重み係数に従って前記仮想投影面に投影される。
The present invention also captures two continuous time particle images separated by a minute time interval by a plurality of imaging devices that image visualization fluid visualized by a group of microparticles, and converts the image data of the particle images obtained by the imaging into image data. In the flow velocity measurement method of the visualization fluid, the particle distribution in the three-dimensional space is reconstructed based on the three-dimensional velocity vector or the three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space.
A slice region having a predetermined thickness formed by dividing the three-dimensional space is set, and the particle distribution at each time in the slice region is reconstructed based on the two-dimensional image data imaged by the imaging device, and the slice region Obtaining three-dimensional luminance information at two consecutive times (S3 ', S5'),
A step of generating a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times by projecting the particle distribution inside the slice region on a plurality of virtual projection planes based on the three-dimensional luminance information (S6);
Based on two-dimensional movement vectors of particles in a plurality of image planes obtained by executing two-dimensional PIV on a plurality of the two-dimensional particle images, a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the slice region is acquired. (S7, S8) to perform,
Collecting, integrating, or synthesizing information of the three-dimensional velocity vector or three-velocity component in each slice region to obtain a three-dimensional velocity vector or three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space (S11). A flow velocity measuring method characterized by the above is provided.
Preferably, in the step of obtaining the three-dimensional luminance information, a weighting factor for specifying the three-dimensional luminance information in the slice region by weighted accumulation is calculated and stored based on the pixels of the two-dimensional image. In the step of generating the two-dimensional particle image, the particle distribution in the slice region is projected onto the virtual projection plane according to the weighting factor.
本発明の上記構成によれば、粒子分布を再構築した3次元空間がスライス領域に分割され、スライス領域の粒子分布が3次元輝度情報より抽出される。スライス領域の粒子分布は、複数の仮想投影面に投影され、連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像が生成される。複数の2次元粒子画像に対して2次元PIVが実行され、これにより得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルが求められ、かくして求められた2次元移動ベクトルに基づいて、3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分が得られる。即ち、演算処理装置は、3次元のvoxel群輝度データを演算処理するのではなく、2次元のpixel群輝度データを演算処理するにすぎないので、演算処理装置のデータ解析に要する負荷及びデータ処理時間は軽減又は短縮する。従って、上記構成の流速計測方法又は流速計測システムによれば、演算処理装置の解析時間を短縮し、計測を高速化することができる。 According to the above configuration of the present invention, the three-dimensional space in which the particle distribution is reconstructed is divided into slice regions, and the particle distribution in the slice region is extracted from the three-dimensional luminance information. The particle distribution in the slice region is projected onto a plurality of virtual projection planes, and a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times are generated. Two-dimensional PIV is performed on a plurality of two-dimensional particle images, and two-dimensional movement vectors of the particles in the plurality of image planes obtained thereby are obtained. Based on the two-dimensional movement vectors thus obtained, three-dimensional A three-dimensional velocity vector or three velocity component of the visualization fluid in space is obtained. In other words, the arithmetic processing unit does not perform arithmetic processing on the three-dimensional voxel group luminance data, but only performs arithmetic processing on the two-dimensional pixel group luminance data. Time is reduced or shortened. Therefore, according to the flow velocity measuring method or the flow velocity measuring system having the above configuration, the analysis time of the arithmetic processing device can be shortened and the measurement can be speeded up.
また、本発明の上記構成によれば、各スライス領域の粒子群を投影した2次元粒子画像は、シート光照明で撮影される通常のPIV粒子画像と直接に対比可能な粒子画像であるので、上記撮像装置による粒子撮影の妥当性を評価し得るとともに、3次元輝度情報の再構築の妥当性を視覚的に確認することができる。 Further, according to the above configuration of the present invention, the two-dimensional particle image obtained by projecting the particle group in each slice region is a particle image that can be directly compared with a normal PIV particle image photographed with sheet light illumination. The validity of particle imaging by the imaging device can be evaluated, and the validity of reconstruction of the three-dimensional luminance information can be visually confirmed.
更に、本発明の上記構成によれば、各スライス領域の粒子分布を仮想投影面に投影する過程において、ステレオPIV解析を最も精度良く行うことのできる視線方向を任意に選択することが可能であるので、測定精度の高精度化を達成することが可能となる。 Furthermore, according to the above configuration of the present invention, it is possible to arbitrarily select a line-of-sight direction capable of performing the stereo PIV analysis with the highest accuracy in the process of projecting the particle distribution of each slice region onto the virtual projection plane. Therefore, it is possible to achieve high measurement accuracy.
他の観点より、本発明は、微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像するように配置され、微小時間間隔を隔てた連続2時刻の粒子像を撮像する複数の撮像装置と、該撮像装置によって得られた画像データに基づいて3次元空間内の粒子分布を再構築し、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を演算する演算処理装置とを有する可視化流体の流速計測システムにおいて、
前記演算処理装置は、前記撮像装置によって撮像された2次元画像データに基づいて前記3次元空間内の各時刻の粒子分布を再構築し、連続2時刻の3次元輝度情報を得るように構成された3次元輝度情報取得手段(S3)と、
前記3次元空間を分割してなる所定厚のスライス領域を設定し、該スライス領域の内部の粒子分布を前記3次元輝度情報より抽出して、該粒子分布を複数の仮想投影面に投影することによって、連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像を生成する2次元粒子画像生成手段(S4,S6)と、
複数の前記2次元粒子画像に2次元PIVを実行し、これにより得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルに基づいて、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を演算する演算手段(S7,S8,S11)とを有することを特徴とする流速計測システムを提供する。
From another viewpoint, the present invention is arranged to image a visualization fluid visualized by a group of microparticles, and a plurality of imaging devices that capture particle images at two consecutive times separated by a minute time interval, and the imaging device The flow velocity of the visualization fluid having the arithmetic processing unit for reconstructing the particle distribution in the three-dimensional space based on the image data obtained by the above and calculating the three-dimensional velocity vector or the three velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space In the measurement system,
The arithmetic processing unit is configured to reconstruct the particle distribution at each time in the three-dimensional space based on the two-dimensional image data imaged by the imaging device and obtain three-dimensional luminance information at two consecutive times. 3D luminance information acquisition means (S3)
Setting a slice region of a predetermined thickness obtained by dividing the three-dimensional space, extracting a particle distribution inside the slice region from the three-dimensional luminance information, and projecting the particle distribution onto a plurality of virtual projection planes By means of two-dimensional particle image generation means (S4, S6) for generating a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times,
A two-dimensional PIV is performed on the plurality of two-dimensional particle images, and a three-dimensional velocity vector or three velocities of the visualization fluid in the three-dimensional space is obtained based on the two-dimensional movement vectors of the particles in the plurality of image planes obtained by the two-dimensional PIV. Provided is a flow velocity measurement system characterized by having calculation means (S7, S8, S11) for calculating components.
本発明は又、微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像するように配置され、微小時間間隔を隔てた連続2時刻の粒子像を撮像する複数の撮像装置と、該撮像装置によって得られた画像データに基づいて3次元空間内の粒子分布を再構築し、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を演算する演算処理装置とを有する可視化流体の流速計測システムにおいて、
前記演算処理装置は、前記3次元空間を分割してなる所定厚のスライス領域を設定し、前記撮像装置によって撮像された2次元画像データに基づいて前記スライス領域内の各時刻の粒子分布を再構築し、連続2時刻の3次元輝度情報を得るように構成された3次元輝度情報取得手段(S3',S5')と、
前記スライス領域の内部の粒子分布を複数の仮想投影面に投影することによって、該スライス領域内における連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像を生成する2次元粒子画像生成手段(S6)と、
複数の前記2次元粒子画像に2次元PIVを実行し、これにより得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルに基づいて、前記スライス領域における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を演算する第1演算手段(S7,S8)と、
各スライス領域における前記3次元速度ベクトル又は3速度成分の情報を集合、統合又は合成して、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する第2演算手段(S11)とを有することを特徴とする流速計測システムを提供する。
好ましくは、前記3次元輝度情報取得手段は、前記2次元画像の画素に基づいて前記スライス領域内の前記3次元輝度情報を重み付け累算で特定するための重み係数を算出し且つ記憶し、前記2次元粒子画像生成手段は、前記スライス領域内の粒子分布を前記重み係数に従って前記仮想投影面に投影する。
The present invention is also arranged to image a visualization fluid visualized by a group of microparticles, and a plurality of imaging devices that capture particle images at two consecutive times separated by a minute time interval, and the imaging device In a flow measurement system for a visualization fluid having a processing device for reconstructing a particle distribution in a three-dimensional space based on image data and calculating a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space,
The arithmetic processing unit sets a slice region having a predetermined thickness obtained by dividing the three-dimensional space, and re-analyzes the particle distribution at each time in the slice region based on the two-dimensional image data captured by the imaging device. Three-dimensional luminance information acquisition means (S3 ′, S5 ′) constructed to obtain three-dimensional luminance information at two consecutive times,
Two-dimensional particle image generation means (S6) for generating a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times in the slice region by projecting the particle distribution inside the slice region onto a plurality of virtual projection planes; ,
A two-dimensional PIV is performed on a plurality of the two-dimensional particle images, and a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the slice region is obtained based on two-dimensional movement vectors of the particles in the plurality of image planes obtained by the two-dimensional PIV. First calculating means (S7, S8) for calculating
Second calculation means (S11) for collecting, integrating or synthesizing the information of the three-dimensional velocity vector or the three velocity components in each slice region to obtain the three-dimensional velocity vector or the three velocity components of the visualization fluid in the three-dimensional space. A flow velocity measurement system characterized by comprising:
Preferably, the three-dimensional luminance information acquisition means calculates and stores a weighting factor for specifying the three-dimensional luminance information in the slice region by weighted accumulation based on the pixels of the two-dimensional image, The two-dimensional particle image generation unit projects the particle distribution in the slice region onto the virtual projection plane according to the weighting factor.
本発明の上記構成においては、3次元輝度情報の再構築、仮想の2次元粒子画像の生成、2次元PIV、3次元速度ベクトル又は3速度成分の算出は、スライス領域単位に実行される。各スライス領域における3次元速度ベクトル又は3速度成分の情報は、集合、統合又は合成され、3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分が得られる。このような構成によれば、計測システムを構成する記憶装置は、各スライス領域の3次元輝度情報を記憶する記憶容量を保有すれば良く、従って、記憶装置の記憶容量を低減することができる。即ち、本発明の上記構成によれば、前述した解析時間の短縮、再構築の妥当性の視覚的確認および測定精度の高精度化という優位性のみならず、計測システムを構成する記憶装置の記憶容量を低減することが更に可能となるので、計測システムの初期設備費を更に低廉化することともに、システム構成を更に簡素化することができる。 In the above configuration of the present invention, the reconstruction of the three-dimensional luminance information, the generation of a virtual two-dimensional particle image, the calculation of the two-dimensional PIV, the three-dimensional velocity vector, or the three-velocity component are executed in units of slice regions. The information of the three-dimensional velocity vector or the three velocity components in each slice region is collected, integrated, or synthesized to obtain the three-dimensional velocity vector or the three velocity components of the visualization fluid in the three-dimensional space. According to such a configuration, the storage device configuring the measurement system only needs to have a storage capacity for storing the three-dimensional luminance information of each slice region, and thus the storage capacity of the storage device can be reduced. That is, according to the above-described configuration of the present invention, not only the advantages of shortening the analysis time, visual confirmation of the validity of the reconstruction and increasing the accuracy of the measurement, but also the storage of the storage device constituting the measurement system. Since the capacity can be further reduced, the initial equipment cost of the measurement system can be further reduced, and the system configuration can be further simplified.
本発明の流速計測方法及び流速計測システムによれば、トモグラフィックPIV計測法により可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得するための演算処理装置の負荷及びデータ解析時間を軽減又は短縮することができる。 According to the flow velocity measurement method and flow velocity measurement system of the present invention, the load on the arithmetic processing unit and the data analysis time for acquiring the three-dimensional velocity vector or the three velocity components of the visualization fluid by the tomographic PIV measurement method are reduced or shortened. be able to.
また、3次元輝度情報の再構築、2次元粒子画像の生成、2次元PIV、3次元速度ベクトル又は3速度成分の算出をスライス領域単位に実行する本発明の流速計測方法及び流速計測システムによれば、演算処理装置の負荷及びデータ解析時間を軽減又は短縮し得るだけではなく、記憶装置の記憶容量を低減することができる。 Further, according to the flow velocity measuring method and flow velocity measuring system of the present invention in which reconstruction of three-dimensional luminance information, generation of a two-dimensional particle image, calculation of a two-dimensional PIV, a three-dimensional velocity vector, or a three-velocity component is executed in units of slice regions. For example, the load on the arithmetic processing unit and the data analysis time can be reduced or shortened, and the storage capacity of the storage device can be reduced.
本発明の好適な実施形態によれば、上記スライス領域は、上記3次元空間を等分割した空間である。好ましくは、スライス領域は、可視化流体に照射されるレーザー光の光軸と平行に可視化流体の流路を横断する空間である。 According to a preferred embodiment of the present invention, the slice region is a space obtained by equally dividing the three-dimensional space. Preferably, the slice region is a space that traverses the flow path of the visualization fluid in parallel with the optical axis of the laser light irradiated to the visualization fluid.
本発明の或る実施形態においては、上記仮想投影面は、撮像装置の光軸と直交する平面である。 In one embodiment of the present invention, the virtual projection plane is a plane orthogonal to the optical axis of the imaging device.
好ましくは、可視化流体の流路は、円形の流路断面を有し、画像座標と物理座標との関係を求めるために校正画像を取得すべく流路内に配置される円形校正板が用いられる。校正板は、中心円形領域に配設された直交格子配列の指標と、外周領域に周方向に配設された環状配列の指標とを有する。このように外周領域の指標を流路の外周面の形態に相応するパターンに配置することにより、流路壁近傍における画像の歪みを適切に補正して画像座標と物理座標との関係を求め、計測領域の形状に最適な座標情報を効率良く取得することができる。 Preferably, the flow path of the visualization fluid has a circular flow path cross section, and a circular calibration plate disposed in the flow path is used to obtain a calibration image in order to obtain a relationship between image coordinates and physical coordinates. . The calibration plate has an orthogonal lattice array index disposed in the central circular region and an annular array index disposed circumferentially in the outer peripheral region. By arranging the indicators of the outer peripheral area in a pattern corresponding to the shape of the outer peripheral surface of the flow path in this way, the image distortion in the vicinity of the flow path wall is appropriately corrected to obtain the relationship between the image coordinates and the physical coordinates, Coordinate information optimal for the shape of the measurement region can be acquired efficiently.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の好適な実施形態に係る流速計測システムの計測部の構成を概略的に示す概略斜視図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view schematically showing a configuration of a measurement unit of a flow velocity measurement system according to a preferred embodiment of the present invention.
本発明に係る流速計測システムは、CT(Computed・Tomography)技術とステレオPIV技術との融合により流体の3次元流速分布を効率的且つ高精度に測定するトモグラフィック・ステレオPIVシステム(以下、「TSPIVシステム」という。)である。TSPIVシステムは、微粒子(トレーサ粒子)を注入した可視化流体(気体)Pの可視化流路を形成する真円形断面の円筒体10を有する。微粒子の寸法は、例えば、10μm程度である。円筒体10は、透明樹脂又は透明ガラス等の管壁11を有し、円筒体10の上部及び下部は、流体Pの供給路及び排出路(図示せず)に接続される。
A flow velocity measurement system according to the present invention is a tomographic stereo PIV system (hereinafter referred to as “TSPIV”) that efficiently and highly accurately measures a three-dimensional flow velocity distribution of fluid by fusing CT (Computed Tomography) technology and stereo PIV technology. System ")). The TSPIV system includes a
TSPIVシステムは、レーザーヘッド及び光学系装置等を含む光源(図示せず)と、記憶装置、演算処理装置、画像表示(ディスプレイ)装置及び各種入・出力装置等を備えた画像処理装置(図示せず)とを有する。光源が照射した帯状且つ立体的なレーザー光Lが、円筒体10の中心軸線と直交する方向に照射される。本例において、円筒体10の中心軸線は、鉛直方向に配向され、レーザー光Lの光軸は、水平方向に配向される。レーザー光Lは、幅W及び高さHの方形断面又は矩形断面を有し、レーザー光Lの幅Wは、円筒体10の内径Dよりも大きく、円筒体10内の垂直流路は、レーザー光Lの光軸と直交し、高さHの範囲内においてレーザー光Lに包含される。レーザー光Lの高さHは、数mm〜数cm程度の所定寸法、例えば、5〜10mmの範囲内の所定値に設定される。可視化流体は、下向き又は上向き(本例では下向き)に円筒体10内の流路を流動する。
The TSPIV system includes a light source (not shown) including a laser head and an optical system device, an image processing device (not shown) including a storage device, an arithmetic processing device, an image display (display) device, and various input / output devices. Z). The band-shaped and three-dimensional laser light L irradiated by the light source is irradiated in a direction orthogonal to the central axis of the
CCDカメラ2、3がレーザー光Lの上側に配置され、CCDカメラ1、4がレーザー光Lの下側に配置される。CCDカメラ1〜4の光軸は、円筒体10の中心軸線に対して所定角度をなして傾斜しており、CCDカメラ1〜4は、角度が異なる4方向から流体P中の微粒子を撮影するように位置決めされる。
The
図2(A)は、円筒体10内に配置される校正板20及び支柱21の構造を示す斜視図であり、図2(B)は、校正板20の指標パターンを示す平面図である。また、図3(A)は、校正板20の平面図であり、図3(B)は、校正板20の底面図である。
FIG. 2A is a perspective view illustrating the structure of the
校正板20は、CCDカメラ1〜4の画像座標と、流路内空間の物理座標との関係を予め特定するCCDカメラ1〜4の校正を実施するためのものである。校正板20は、CCDカメラ1〜4の位置固定後に円筒体10内に挿入され、カメラ校正作業の完了後に撤去される。図2(A)には、校正板20及び支柱21を組み付けた状態が示されている。校正板20及び支柱21は、黒色の表面を有する金属部材からなり、支柱21の頂部は、校正板20の切欠き部22に嵌合し、校正板20を水平に支持する。
The
図2(B)に示すように、校正板20は、黒色の背景面に白色の指標(図3に示す基準点23)を円形上面及び円形下面の所定位置に配置した構成を有する。背景の色と基準点の色とは輝度が大きく相違すれば良く、従って、白色の背景面に黒の円形基準点を配置することも可能である。図3に示すように、基準点23は、校正板20の各面(上面及び下面)に上下同一位置に配置される。基準点23は、中心円形領域に配設された直交格子配列の基準点23aと、外周領域に周方向に配設された環状配列の基準点23bとを有する。基準点23a、23bは、基本的に同一の直径を有する円形輪郭の指標であるが、XY方向を指示するために中央領域に配列された特定の基準点23cは、基準点23a、23bよりも大きい直径を有する。
As shown in FIG. 2B, the
このように外周領域の基準点23bを管壁11の内周面の形態に相応するパターンに配置することにより、管壁11を透過して得られる画像に歪みが生じないように画像座標及び物理座標の関係(投影関数)を適切に求めることができる。
By arranging the
校正板20を用いて画像座標と物理座標との関係を求め、TSPIVシステムの初期設定が完了すると、微粒子を含む可視化流体Pが供給路(図示せず)から円筒体10内に供給される。可視化流体Pは、円筒体10内の流路を流動して排出路(図示せず)に流出する。
When the
CCDカメラ1〜4の撮影は、微小時間間隔Δtを隔てた2時刻(時刻t、t+Δt)の各々において同時に実行される。図4(A)は、CCDカメラ1〜4によって時刻t及び時刻t+Δtに撮影された粒子画像である。図4(B)は、CCDカメラ1によって時刻tに撮影された粒子画像を拡大した画像である。また、図5は、CCDカメラ1〜4の撮影対象領域αを拡大して示す斜視図である。
Imaging by the
円筒体10内の流路を移動する微粒子群は、撮影対象領域αにおいてレーザー光Lを反射し、図4に示すような粒子画像としてCCDカメラ1〜4によって撮像される。粒子画像にMART(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique)を適用することにより、異なる時刻(t及びt+Δt)における3次元空間内の粒子分布を再構築することができる。再構築された3次元輝度情報より、voxel群(3次元)を要素データとした3次元配列が得られる。この再構築過程において、粒子画像(2次元)の各pixelの輝度は、その輝度の源泉となるvoxel群の輝度の重み付け加算により表され、重み付けの係数が算出される。
The group of fine particles moving through the flow path in the
再構築された時刻t及び時刻t+Δtの3次元輝度情報に対し、任意の位置に定義された所定厚のスライス領域βの粒子分布が抽出される。図5には、厚さhのスライス領域βが例示されている。スライス領域βは、レーザー光Lが照射された円筒体10内の3次元空間(即ち、撮像対象領域α)をレーザー光Lの光軸と平行に等分割した円形平板状の空間であり、レーザー光Lの光軸と平行に可視化流体の流路を横断する。スライス領域βの厚さhは、例えば、レーザー光Lの高さH×1/5〜高さH×1/10の範囲内の所定値に設定され、各スライス領域βは、撮影対象領域αの全高さHに亘って均等に分割することより設定される。
For the reconstructed three-dimensional luminance information at time t and time t + Δt, the particle distribution of the slice region β having a predetermined thickness defined at an arbitrary position is extracted. FIG. 5 illustrates a slice region β having a thickness h. The slice area β is a circular flat space obtained by equally dividing a three-dimensional space (that is, the imaging target area α) in the
スライス領域βにおける粒子分布は、重み付け係数を用いた前述の計算処理の適用により、任意の複数の視線方向に定義された複数の仮想投影面に投影され、この結果、ステレオPIVに最適な連続2時刻(t及びt+Δt)の複数の仮想粒子画像が生成される。本例において、仮想投影面は、CCDカメラ1〜4の光軸と直交する平面である。図6(A)は、仮想投影面に投影された仮想粒子画像を例示する画像データである。
The particle distribution in the slice region β is projected onto a plurality of virtual projection planes defined in an arbitrary plurality of line-of-sight directions by applying the above-described calculation processing using a weighting coefficient, and as a result, continuous 2 optimal for stereo PIV is obtained. A plurality of virtual particle images at time (t and t + Δt) are generated. In this example, the virtual projection plane is a plane orthogonal to the optical axes of the
各スライス領域βに位置する粒子群の粒子画像として生成した仮想の投影画像に対し、2次元PIVが実行され、これにより得られた各画像面内の粒子の2次元移動ベクトルと、スライス領域βにおける3次元速度ベクトルと、別途に生成したカメラパラメータ及び2時刻の時間間隔Δtとの間に成立する関係式に関し、最小二乗法が適用され、スライス領域βにおける3次元速度ベクトルが算出される。このような過程を全てのスライス領域βに対して実行することにより、対象物理空間(撮影対象領域α)における可視化流体Pの3次元速度ベクトルを取得することができる。図6(B)は、上記過程により得られた撮影対象領域α内の3次元速度ベクトルを例示する概略斜視図である。 Two-dimensional PIV is performed on the virtual projection image generated as the particle image of the particle group located in each slice region β, and the two-dimensional movement vector of the particle in each image plane obtained thereby, and the slice region β The least square method is applied to the relational expression established between the three-dimensional velocity vector in, the separately generated camera parameter and the two-time time interval Δt, and the three-dimensional velocity vector in the slice region β is calculated. By executing such a process for all slice regions β, the three-dimensional velocity vector of the visualization fluid P in the target physical space (imaging target region α) can be acquired. FIG. 6B is a schematic perspective view illustrating a three-dimensional velocity vector in the imaging target region α obtained by the above process.
以上説明したとおり、このようなTSPIVシステムによれば、voxel群(3次元)を要素データとした3次元のvoxel群データは、2次元PIVを適用可能な2次元の複数の粒子画像に変換される。即ち、TSPIVシステムにおいては、CCDカメラ1〜4によって撮影された画像データは、3次元のvoxel群データとして演算処理されるのではなく、2次元PIVを適用可能な2次元の複数の仮想粒子画像に変換され、連続2時刻(t及びt+Δt)の複数の仮想粒子画像(投影画像)に対して2成分PIVを実行することにより、粒子画像の移動ベクトル(2次元)が求められる。前述したように、この移動ベクトル、別途生成したカメラパラメータ、2時刻の時間間隔Δtおよび粒子群の3次元の速度ベクトルとの間に成立する関係式に関する最小二乗法の適用により、粒子群の3次元速度ベクトルが求まる。これを流速分布と見做すことによって、3次元流速分布が得られる。
As described above, according to such a TSPIV system, three-dimensional voxel group data using voxel groups (three-dimensional) as element data is converted into a plurality of two-dimensional particle images to which two-dimensional PIV can be applied. The That is, in the TSPIV system, image data captured by the
このようなTSPIVシステムによれば、演算処理装置が演算すべきデータは、3次元のvoxel群輝度データではなく、2次元のpixel群輝度データであるので、演算処理装置のデータ解析に要する負荷及びデータ処理時間は大幅に軽減又は短縮する(一桁〜二桁程度の軽減又は短縮である)。このため、演算処理装置の解析時間を短縮し、計測を高速化することができる。 According to such a TSPIV system, the data to be calculated by the arithmetic processing unit is not the three-dimensional voxel group luminance data but the two-dimensional pixel group luminance data. Data processing time is greatly reduced or shortened (it is reduced or shortened by about one to two digits). For this reason, it is possible to shorten the analysis time of the arithmetic processing unit and speed up the measurement.
また、各スライス領域βの粒子群を投影した粒子画像は、シート光照明で撮影される通常のPIV粒子画像と直接に対比可能な粒子画像であるので、粒子像の撮影の妥当性を評価し得るとともに、再構築の妥当性を視覚的に確認することができる。 In addition, since the particle image obtained by projecting the particle group in each slice region β is a particle image that can be directly compared with a normal PIV particle image captured by sheet light illumination, the validity of capturing the particle image is evaluated. And the validity of the reconstruction can be confirmed visually.
更に、各スライス領域βの粒子群の投影において、ステレオPIV解析を最も精度良く行うことのできる視線方向を選択することができるので、測定精度の高精度化を達成することが可能となる。 Furthermore, in the projection of the particle group in each slice region β, it is possible to select a line-of-sight direction capable of performing the stereo PIV analysis with the highest accuracy, so that it is possible to achieve high measurement accuracy.
次に、TSPIVシステムの画像解析過程を示すフローチャートに基づいて本発明の流速計測方法について説明する。 Next, the flow velocity measuring method of the present invention will be described based on a flowchart showing the image analysis process of the TSPIV system.
図7は、本発明の好適な実施例に係る流速計測方法を示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing a flow velocity measuring method according to a preferred embodiment of the present invention.
図7に示す如く、CCDカメラ1〜4は、異なる2時刻(時刻t、t+Δt)において撮影対象領域α内の粒子を同時に撮影する(S(ステップ)1)。この撮影は、3台以上の撮像装置による流体中粒子の3方向且つ連続2時刻の撮影である。
As shown in FIG. 7, the
各撮影時刻(時刻t、t+Δt)においてCCDカメラ1〜4により撮像された各粒子画像に関し、各pixelの輝度値が、その源泉となる3次元空間における粒子群の輝度の重み付け累算で表される下式の重み付け係数wijを計算することにより求められる(S2)。
上式において、I(xi,yi)はCCDカメラ1〜4によって撮像された2次元画像の2次元座標(xi,yi)において、各座標(xi,yi)のpixel(ピクセル)の輝度を表しており、iは、各2次元画像におけるpixelの番号である。E(Xj,Xj,Xj)は、3次元座標(Xj,Xj,Xj)を有するvoxel(ボクセル)の輝度を表しており、jはvoxel番号である。なお、voxelは、体積の要素であり、pixelが2次元画像データを表す正規格子単位であるのに対し、voxelは、3次元空間における正規格子単位である。輝度E(Xj,Xj,Xj)が相対的に高い値を示すことは、その座標(Xj,Xj,Xj)を有するj番目のvoxel jにレーザー光を反射する粒子群が比較的多量に存在することを意味する。
In the above equation, I (xi, yi) represents the luminance of the pixel of each coordinate (xi, yi) in the two-dimensional coordinates (xi, yi) of the two-dimensional image captured by the
各撮影時刻(時刻t、t+Δt)において、全CCDカメラ1〜4の粒子画像に関し、重み付け係数wijを用いてMART(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique)が適用され、各時刻における粒子の3次元輝度分布情報が再構築される(S3)。
At each photographing time (time t, t + Δt), MART (Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique) is applied to the particle images of all the
撮影対象領域αは、任意の軸線方向(本例では、流路の中心軸線)に垂直な所定厚のスライス領域βに等分割され、再構築された2時刻(時刻t、t+Δt)の3次元輝度分布は、スライス領域βの3次元輝度分布に分割される(S4)。 The imaging target area α is equally divided into slice areas β having a predetermined thickness perpendicular to an arbitrary axial direction (in this example, the central axis of the flow path), and reconstructed three-dimensionally at two times (time t, t + Δt). The luminance distribution is divided into a three-dimensional luminance distribution of the slice region β (S4).
先ず、特定のスライス領域βが着目され(S5)、このスライス領域βに含まれる粒子の3次元輝度分布情報に基づき、pixelの輝度I(xi,yi)とvoxelの輝度E(Xj,Xj,Xj)との関係を示す上式を利用して、各CCDカメラ1〜4の画像を仮想投影面に投影した仮想的な2次元画像が生成される(S6)。
First, a specific slice region β is focused (S5), and the luminance I (xi, yi) of the pixel and the luminance E (Xj, Xj, voxel) of the pixel based on the three-dimensional luminance distribution information of the particles included in the slice region β. Xj) is used to generate a virtual two-dimensional image obtained by projecting the images of the
かくして生成された2時刻(時刻t、t+Δt)の仮想的な2次元画像に関し、2次元PIVが適用され、各CCDカメラ1〜4の仮想投影面における粒子の2次元移動ベクトルが算出される(S7)。
The two-dimensional PIV is applied to the virtual two-dimensional image at two times (time t, t + Δt) generated in this way, and the two-dimensional movement vector of the particle on the virtual projection plane of each
次いで、この2次元移動ベクトルと、粒子の3次元速度ベクトルと、別途生成したカメラパラメータ及び2時刻の時間間隔Δtとの間に成立する関係式に関し、最小二乗法が適用され、粒子の3次元速度ベクトルが算出される(S8)。3次元速度ベクトルの算出は、撮影対象領域αの全スライス領域βに関して実行される(S9:S10)。 Next, the least square method is applied to the relational expression established between the two-dimensional movement vector, the three-dimensional velocity vector of the particle, the separately generated camera parameter, and the time interval Δt of two times, and the three-dimensional particle A velocity vector is calculated (S8). The calculation of the three-dimensional velocity vector is executed for all slice regions β of the imaging target region α (S9: S10).
全スライス領域βに関し、このような画像解析及び演算処理が完了した後、各スライス領域βに対して算出した3次元速度ベクトルが統合され、撮影対象空間αにおける粒子速度ベクトルが得られる(S11)。所望により、CCDカメラ1〜4の撮影(S1)〜粒子速度ベクトル取得(S11)の一連の流速計測過程が反復実行され(S12、S13)、これにより、撮影対象空間αの粒子速度ベクトルが時系列的に取得される。規定数の2時刻粒子速度データが得られた段階で一連の流速計測過程が終了する(S12)。
After such image analysis and calculation processing are completed for all slice regions β, the three-dimensional velocity vectors calculated for each slice region β are integrated to obtain a particle velocity vector in the imaging target space α (S11). . If desired, a series of flow velocity measurement processes from photographing (S1) to obtaining the particle velocity vector (S11) of the
図8は、本発明の好適な実施形態に係る他の流速計測方法を示すフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart showing another flow velocity measuring method according to a preferred embodiment of the present invention.
図7に示す流速計測方法は、撮影対象領域αの粒子分布を再構築して領域α全体の3次元輝度情報を得て、スライス領域β内の粒子分布を3次元輝度情報より抽出した後、仮想2次元粒子画像を生成して2次元PIVを実行するように構成されているが、図8に示す流速計測方法の如く、各スライス領域βの粒子分布だけを再構築して各スライス領域βの3次元輝度情報を得た後、仮想2次元粒子画像を生成して2次元PIVを実行するように流速計測方法を構成しても良い。 The flow velocity measurement method shown in FIG. 7 reconstructs the particle distribution of the imaging target region α, obtains the three-dimensional luminance information of the entire region α, extracts the particle distribution in the slice region β from the three-dimensional luminance information, Although the virtual two-dimensional particle image is generated and the two-dimensional PIV is executed, only the particle distribution of each slice region β is reconstructed by using the flow velocity measurement method shown in FIG. After obtaining the three-dimensional luminance information, the flow velocity measurement method may be configured to generate a virtual two-dimensional particle image and execute the two-dimensional PIV.
図8に示す如く、CCDカメラ1〜4による撮影対象領域α内の粒子の撮影(S1)により得られた各撮影時刻(時刻t、t+Δt)の粒子画像に基づき、スライス領域βが設定される(S2')。特定のスライス領域βが着目され(S3')、前述の重み付け係数wij(上記数式1)が特定のスライス領域βの粒子群に関して計算され且つ記憶されるとともに(S4’)、各撮影時刻(時刻t、t+Δt)において、全CCDカメラ1〜4の粒子画像より、重み付け係数wijを用いてMART(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique)が適用され、各時刻におけるスライス領域β内の粒子の3次元輝度分布情報が再構築され、記憶される(S5')。
As shown in FIG. 8, the slice region β is set based on the particle images at the respective photographing times (time t, t + Δt) obtained by photographing the particles in the photographing target region α by the
スライス領域βに含まれる粒子の3次元輝度分布情報に基づき、前述した仮想の2次元画像が重み付け係数wijに従って生成され(S6)、かくして得られた2時刻(時刻t、t+Δt)の仮想2次元画像に関し、2次元PIVが適用され、各CCDカメラ1〜4の仮想投影面における粒子の2次元移動ベクトルが算出される(S7)。
Based on the three-dimensional luminance distribution information of the particles included in the slice region β, the above-described virtual two-dimensional image is generated according to the weighting coefficient w ij (S6), and the
次いで、この2次元移動ベクトルと、粒子の3次元速度ベクトルと、別途生成したカメラパラメータ及び2時刻の時間間隔Δtとの間に成立する関係式に関し、最小二乗法が適用され、粒子の3次元速度ベクトルが算出される(S8)。スライス領域β内の粒子群に関する重み付け係数wijの計算(S4’)〜3次元速度ベクトルの算出(S8)の過程は、撮影対象領域αの全スライス領域βについて実行される(S9:S10)。 Next, the least square method is applied to the relational expression established between the two-dimensional movement vector, the three-dimensional velocity vector of the particle, the separately generated camera parameter, and the time interval Δt of two times, and the three-dimensional particle A velocity vector is calculated (S8). The process of calculating the weighting coefficient w ij for the particle group in the slice region β (S4 ′) to calculating the three-dimensional velocity vector (S8) is performed for all slice regions β of the imaging target region α (S9: S10). .
全スライス領域βに関し、このような画像解析及び演算処理が完了した後、各スライス領域βに対して算出した3次元速度ベクトルが統合され、撮影対象空間α全域の粒子速度ベクトルが得られる(S11)。所望により、CCDカメラ1〜4の撮影(S1)〜粒子速度ベクトル取得(S11)の一連の流速計測過程が反復実行され(S12、S13)、これにより、撮影対象空間αの粒子速度ベクトルが時系列的に取得される。規定数の2時刻粒子速度データが得られた段階で一連の流速計測過程が終了する(S12)。
After such image analysis and calculation processing are completed for all slice regions β, the three-dimensional velocity vectors calculated for each slice region β are integrated, and particle velocity vectors in the entire imaging target space α are obtained (S11). ). If desired, a series of flow velocity measurement processes from photographing (S1) to obtaining the particle velocity vector (S11) of the
このような流速計測方法によれば、前述の実施形態と同じく、演算処理装置の解析時間の短縮、計測の高速化等の利点が得られる。しかも、上記流速計測方法においては、3次元輝度情報の再構築がスライス領域単位に実行されることから、画像解析過程において記憶すべき3次元輝度情報の情報量又はデータ数が低減するので、記憶装置の記憶容量を低減することができる。 According to such a flow velocity measuring method, similar to the above-described embodiment, advantages such as shortening of the analysis time of the arithmetic processing device and high speed of measurement can be obtained. Moreover, in the above flow velocity measurement method, since reconstruction of the three-dimensional luminance information is executed in units of slice areas, the amount of information or the number of data of the three-dimensional luminance information to be stored in the image analysis process is reduced. The storage capacity of the device can be reduced.
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications or changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. Is possible.
例えば、上記実施形態においては、撮影対象空間は、真円形断面の円筒形流路であるが、多角形断面、楕円形断面、3角形断面等の各種断面形態の流路に設計しても良い。 For example, in the above-described embodiment, the imaging target space is a cylindrical flow path having a perfect circular cross section, but may be designed as a flow path having various cross sectional forms such as a polygonal cross section, an elliptical cross section, and a triangular cross section. .
また、上記実施形態では、粒子撮影のために4台の撮像装置(CCDカメラ)が使用されているが、粒子撮影のために3台又は5台以上の撮像装置を使用しても良い。 In the above embodiment, four imaging devices (CCD cameras) are used for particle imaging. However, three or five or more imaging devices may be used for particle imaging.
本発明は、微小粒子群により流体を可視化してなる可視化流体の流動場を撮像装置によって撮影し、可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を計測する流速計測方法及び流速計測システムに適用される。殊に、本発明は、微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像する複数の撮像装置によって、微小時間間隔を隔てた連続2時刻の粒子像を撮像し、撮像により得られた粒子像の画像データに基づいて3次元空間内の粒子分布を再構築し、3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を測定する可視化流体の流速計測方法及び流速計測システムに適用される。本発明の流速計測方法及び流速計測システムは、トモグラフィックPIV計測法を改良したトモグラフィック・ステレオPIV計測法である。本発明のトモグラフィック・ステレオPIV計測法によれば、可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得するための演算処理装置の負荷及びデータ解析時間を軽減又は短縮することができるので、本発明の実用的効果は、顕著である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applied to a flow velocity measurement method and a flow velocity measurement system in which a flow field of a visualized fluid obtained by visualizing a fluid with a group of fine particles is photographed by an imaging device and a three-dimensional velocity vector or three velocity component of the visualized fluid is measured. The In particular, according to the present invention, a plurality of imaging devices that image visualization fluid visualized by a group of microparticles are used to capture two continuous time particle images separated by a minute time interval, and an image of a particle image obtained by imaging. The method is applied to a flow velocity measurement method and a flow velocity measurement system for a visualization fluid that reconstructs the particle distribution in the three-dimensional space based on the data and measures the three-dimensional velocity vector or the three velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space. The flow velocity measurement method and flow velocity measurement system of the present invention are a tomographic stereo PIV measurement method obtained by improving the tomographic PIV measurement method. According to the tomographic stereo PIV measurement method of the present invention, it is possible to reduce or shorten the load of the arithmetic processing unit and the data analysis time for acquiring the three-dimensional velocity vector or three-speed component of the visualization fluid. The practical effect of the invention is remarkable.
1〜4 CCDカメラ
10 円筒体
11 管壁
20 校正板
P 可視化流体
L レーザー光
α 撮影対象領域
β スライス領域
1-4
本発明は又、微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像する複数の撮像装置によって、微小時間間隔を隔てた連続2時刻の粒子像を撮像し、撮像により得られた粒子像の画像データに基づいて3次元空間内の粒子分布を再構築し、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を測定する可視化流体の流速計測方法において、
前記3次元空間を分割してなる所定厚のスライス領域を設定し、前記撮像装置によって撮像された2次元画像データに基づいて前記スライス領域内の各時刻の粒子分布を再構築し、前記スライス領域内における連続2時刻の3次元輝度情報を得る工程(S3',S5')と、
前記3次元輝度情報に基づいて前記スライス領域の内部の粒子分布を複数の仮想投影面に投影することによって、連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像を生成する工程(S6)と、
複数の前記2次元粒子画像に2次元PIVを実行して得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルに基づいて、前記スライス領域における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する工程(S7,S8)と、
各スライス領域における前記3次元速度ベクトル又は3速度成分の情報を集合、統合又は合成して、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する工程(S11)とを有することを特徴とする流速計測方法を提供する。
好ましくは、前記3次元輝度情報を得る前記工程においては、前記2次元画像の画素に基づいて前記スライス領域内の前記3次元輝度情報を特定するための重み係数が算出され且つ記憶され、前記2次元粒子画像を生成する前記工程においては、前記スライス領域内の粒子分布は、前記重み係数に従って前記仮想投影面に投影される。
The present invention also captures two continuous time particle images separated by a minute time interval by a plurality of imaging devices that image visualization fluid visualized by a group of microparticles, and converts the image data of the particle images obtained by the imaging into image data. In the flow velocity measurement method of the visualization fluid, the particle distribution in the three-dimensional space is reconstructed based on the three-dimensional velocity vector or the three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space.
A slice region having a predetermined thickness formed by dividing the three-dimensional space is set, and the particle distribution at each time in the slice region is reconstructed based on the two-dimensional image data imaged by the imaging device, and the slice region Obtaining three-dimensional luminance information at two consecutive times (S3 ', S5'),
A step of generating a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times by projecting the particle distribution inside the slice region on a plurality of virtual projection planes based on the three-dimensional luminance information (S6);
Based on two-dimensional movement vectors of particles in a plurality of image planes obtained by executing two-dimensional PIV on a plurality of the two-dimensional particle images, a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the slice region is acquired. (S7, S8) to perform,
Collecting, integrating, or synthesizing information of the three-dimensional velocity vector or three-velocity component in each slice region to obtain a three-dimensional velocity vector or three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space (S11). A flow velocity measuring method characterized by the above is provided.
Preferably, in the step of obtaining the 3-dimensional luminance information, weighting factors for the three-dimensional luminance information specific of said slice region based on the pixel of the two-dimensional image is stored is calculated and the In the step of generating a two-dimensional particle image, the particle distribution in the slice region is projected onto the virtual projection plane according to the weighting factor.
本発明は又、微小粒子群により可視化された可視化流体を撮像するように配置され、微小時間間隔を隔てた連続2時刻の粒子像を撮像する複数の撮像装置と、該撮像装置によって得られた画像データに基づいて3次元空間内の粒子分布を再構築し、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を演算する演算処理装置とを有する可視化流体の流速計測システムにおいて、
前記演算処理装置は、前記3次元空間を分割してなる所定厚のスライス領域を設定し、前記撮像装置によって撮像された2次元画像データに基づいて前記スライス領域内の各時刻の粒子分布を再構築し、連続2時刻の3次元輝度情報を得るように構成された3次元輝度情報取得手段(S3',S5')と、
前記スライス領域の内部の粒子分布を複数の仮想投影面に投影することによって、該スライス領域内における連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像を生成する2次元粒子画像生成手段(S6)と、
複数の前記2次元粒子画像に2次元PIVを実行し、これにより得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルに基づいて、前記スライス領域における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を演算する第1演算手段(S7,S8)と、
各スライス領域における前記3次元速度ベクトル又は3速度成分の情報を集合、統合又は合成して、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する第2演算手段(S11)とを有することを特徴とする流速計測システムを提供する。
好ましくは、前記3次元輝度情報取得手段は、前記2次元画像の画素に基づいて前記スライス領域内の前記3次元輝度情報を特定するための重み係数を算出し且つ記憶し、前記2次元粒子画像生成手段は、前記スライス領域内の粒子分布を前記重み係数に従って前記仮想投影面に投影する。
The present invention is also arranged to image a visualization fluid visualized by a group of microparticles, and a plurality of imaging devices that capture particle images at two consecutive times separated by a minute time interval, and the imaging device In a flow measurement system for a visualization fluid having a processing device for reconstructing a particle distribution in a three-dimensional space based on image data and calculating a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space,
The arithmetic processing unit sets a slice region having a predetermined thickness obtained by dividing the three-dimensional space, and re-analyzes the particle distribution at each time in the slice region based on the two-dimensional image data captured by the imaging device. Three-dimensional luminance information acquisition means (S3 ′, S5 ′) constructed to obtain three-dimensional luminance information at two consecutive times,
Two-dimensional particle image generation means (S6) for generating a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times in the slice region by projecting the particle distribution inside the slice region onto a plurality of virtual projection planes; ,
A two-dimensional PIV is performed on a plurality of the two-dimensional particle images, and a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the slice region is obtained based on two-dimensional movement vectors of the particles in the plurality of image planes obtained by the two-dimensional PIV. First calculating means (S7, S8) for calculating
Second calculation means (S11) for collecting, integrating or synthesizing the information of the three-dimensional velocity vector or the three velocity components in each slice region to obtain the three-dimensional velocity vector or the three velocity components of the visualization fluid in the three-dimensional space. A flow velocity measurement system characterized by comprising:
Preferably, the 3-dimensional luminance information obtaining means, the said 3-dimensional luminance information of the slice area is calculated and store the weighting coefficients for particular based on the pixel of the 2-dimensional image, the two-dimensional particles The image generation means projects the particle distribution in the slice area onto the virtual projection plane according to the weighting factor.
Claims (13)
前記撮像装置によって撮像された2次元画像データに基づいて前記3次元空間内の各時刻の粒子分布を再構築し、連続2時刻の3次元輝度情報を得る工程と、
前記3次元空間を分割してなる所定厚のスライス領域を設定し、該スライス領域の内部の粒子分布を前記3次元輝度情報より抽出して、該粒子分布を複数の仮想投影面に投影することによって、連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像を生成する工程と、
複数の前記2次元粒子画像に2次元PIVを実行して得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルに基づいて、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する工程とを有することを特徴とする流速計測方法。 A three-dimensional space based on image data of particle images obtained by imaging, by capturing a plurality of continuous two-time particle images with a minute time interval by a plurality of imaging devices that image visualization fluid visualized by a group of microparticles. In the flow velocity measurement method of the visualization fluid, the particle distribution in the inside is reconstructed, and the three-dimensional velocity vector or the three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space is measured.
Reconstructing the particle distribution at each time in the three-dimensional space based on the two-dimensional image data imaged by the imaging device to obtain three-dimensional luminance information at two consecutive times;
Setting a slice region of a predetermined thickness obtained by dividing the three-dimensional space, extracting a particle distribution inside the slice region from the three-dimensional luminance information, and projecting the particle distribution onto a plurality of virtual projection planes A step of generating a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times,
Based on a two-dimensional movement vector of particles in a plurality of image planes obtained by executing a two-dimensional PIV on the plurality of two-dimensional particle images, a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space is obtained. A flow rate measuring method comprising: a step of acquiring.
前記3次元空間を分割してなる所定厚のスライス領域を設定し、前記撮像装置によって撮像された2次元画像データに基づいて前記スライス領域内の各時刻の粒子分布を再構築し、前記スライス領域内における連続2時刻の3次元輝度情報を得る工程と、
前記3次元輝度情報に基づいて前記スライス領域の内部の粒子分布を複数の仮想投影面に投影することによって、連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像を生成する工程と、
複数の前記2次元粒子画像に2次元PIVを実行して得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルに基づいて、前記スライス領域における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する工程と、
各スライス領域における前記3次元速度ベクトル又は3速度成分の情報を集合、統合又は合成して、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する工程とを有することを特徴とする流速計測方法。 A three-dimensional space based on image data of particle images obtained by imaging, by capturing a plurality of continuous two-time particle images with a minute time interval by a plurality of imaging devices that image visualization fluid visualized by a group of microparticles. In the flow velocity measurement method of the visualization fluid, the particle distribution in the inside is reconstructed, and the three-dimensional velocity vector or the three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space is measured.
A slice region having a predetermined thickness formed by dividing the three-dimensional space is set, and the particle distribution at each time in the slice region is reconstructed based on the two-dimensional image data imaged by the imaging device, and the slice region Obtaining three-dimensional luminance information at two consecutive times
Generating a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times by projecting a particle distribution inside the slice region on a plurality of virtual projection planes based on the three-dimensional luminance information;
Based on two-dimensional movement vectors of particles in a plurality of image planes obtained by executing two-dimensional PIV on a plurality of the two-dimensional particle images, a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the slice region is acquired. And a process of
Collecting, integrating, or synthesizing information on the three-dimensional velocity vector or three-velocity component in each slice region to obtain a three-dimensional velocity vector or three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space. Flow velocity measurement method.
前記2次元粒子画像を生成する前記工程において、前記スライス領域内の粒子分布を前記重み係数に従って前記仮想投影面に投影することを特徴とする請求項2に記載の流速計測方法。 In the step of obtaining the three-dimensional luminance information, calculating and storing a weighting factor for specifying the three-dimensional luminance information in the slice region by weighted accumulation based on the pixels of the two-dimensional image;
3. The flow velocity measurement method according to claim 2, wherein, in the step of generating the two-dimensional particle image, the particle distribution in the slice region is projected onto the virtual projection plane according to the weighting factor.
前記演算処理装置は、前記撮像装置によって撮像された2次元画像データに基づいて前記3次元空間内の各時刻の粒子分布を再構築し、連続2時刻の3次元輝度情報を得るように構成された3次元輝度情報取得手段と、
前記3次元空間を分割してなる所定厚のスライス領域を設定し、該スライス領域の内部の粒子分布を前記3次元輝度情報より抽出して、該粒子分布を複数の仮想投影面に投影することによって、連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像を生成する2次元粒子画像生成手段と、
複数の前記2次元粒子画像に2次元PIVを実行し、これにより得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルに基づいて、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を演算する演算手段とを有することを特徴とする流速計測システム。 Based on image data obtained by a plurality of imaging devices that are arranged to image a visualization fluid visualized by a group of microparticles and that image particle images at two consecutive times separated by a micro time interval, and the imaging device In the flow velocity measurement system for a visualization fluid, the particle distribution in the three-dimensional space is reconstructed, and the visualization fluid flow velocity measurement system includes an arithmetic processing unit that calculates a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space.
The arithmetic processing unit is configured to reconstruct the particle distribution at each time in the three-dimensional space based on the two-dimensional image data imaged by the imaging device and obtain three-dimensional luminance information at two consecutive times. Three-dimensional luminance information acquisition means;
Setting a slice region of a predetermined thickness obtained by dividing the three-dimensional space, extracting a particle distribution inside the slice region from the three-dimensional luminance information, and projecting the particle distribution onto a plurality of virtual projection planes A two-dimensional particle image generating means for generating a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times,
A two-dimensional PIV is performed on the plurality of two-dimensional particle images, and a three-dimensional velocity vector or three velocities of the visualization fluid in the three-dimensional space is obtained based on the two-dimensional movement vectors of the particles in the plurality of image planes obtained by the two-dimensional PIV. A flow velocity measurement system comprising a calculation means for calculating a component.
前記演算処理装置は、前記3次元空間を分割してなる所定厚のスライス領域を設定し、前記撮像装置によって撮像された2次元画像データに基づいて前記スライス領域内の各時刻の粒子分布を再構築し、連続2時刻の3次元輝度情報を得るように構成された3次元輝度情報取得手段と、
前記スライス領域の内部の粒子分布を複数の仮想投影面に投影することによって、該スライス領域内における連続2時刻の複数且つ仮想の2次元粒子画像を生成する2次元粒子画像生成手段と、
複数の前記2次元粒子画像に2次元PIVを実行し、これにより得られる複数の画像面内の粒子の2次元移動ベクトルに基づいて、前記スライス領域における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を演算する第1演算手段と、
各スライス領域における前記3次元速度ベクトル又は3速度成分の情報を集合、統合又は合成して、前記3次元空間における可視化流体の3次元速度ベクトル又は3速度成分を取得する第2演算手段とを有することを特徴とする流速計測システム。 Based on image data obtained by a plurality of imaging devices that are arranged to image a visualization fluid visualized by a group of microparticles and that image particle images at two consecutive times separated by a micro time interval, and the imaging device In the flow velocity measurement system for a visualization fluid, the particle distribution in the three-dimensional space is reconstructed, and the visualization fluid flow velocity measurement system includes an arithmetic processing unit that calculates a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the three-dimensional space.
The arithmetic processing unit sets a slice region having a predetermined thickness obtained by dividing the three-dimensional space, and re-analyzes the particle distribution at each time in the slice region based on the two-dimensional image data captured by the imaging device. Three-dimensional luminance information acquisition means constructed and constructed to obtain three-dimensional luminance information at two consecutive times;
Two-dimensional particle image generation means for generating a plurality of virtual two-dimensional particle images at two consecutive times in the slice region by projecting the particle distribution inside the slice region onto a plurality of virtual projection planes;
A two-dimensional PIV is performed on a plurality of the two-dimensional particle images, and a three-dimensional velocity vector or a three-velocity component of the visualization fluid in the slice region is obtained based on two-dimensional movement vectors of the particles in the plurality of image planes obtained by the two-dimensional PIV. First computing means for computing
Second calculation means for collecting, integrating or synthesizing the information of the three-dimensional velocity vector or the three velocity components in each slice region to obtain the three-dimensional velocity vector or the three velocity components of the visualization fluid in the three-dimensional space; A flow velocity measurement system characterized by this.
前記2次元粒子画像生成手段は、前記スライス領域内の粒子分布を前記重み係数に従って前記仮想投影面に投影することを特徴とする請求項8に記載の流速計測システム。 The three-dimensional luminance information acquisition means calculates and stores a weighting factor for specifying the three-dimensional luminance information in the slice region by weighted accumulation based on the pixels of the two-dimensional image.
9. The flow velocity measurement system according to claim 8, wherein the two-dimensional particle image generation unit projects a particle distribution in the slice region onto the virtual projection plane according to the weighting factor.
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