JP2016099195A - 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

Abstract

【課題】 ＰＩＶによって流れ場の流速分布を測定するにあたって、背景の輝度に対するトレーサ粒子の輝度のコントラストが低い場合に、トレーサ粒子のみの輝度を高くした粒子画像を作成する。【解決手段】 粒子画像に撮影されたトレーサ粒子の大きさが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、前記粒子画像の中で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、流体の流速を測定する。【選択図】 図２

Description

本発明は、粒子画像流速測定方法、および、その粒子画像流速測定方法を使用した粒子画像流速測定装置に関する。

流れ場の流速分布を測定する方法として、特許文献１に記載された粒子画像流速測定法（以下、ＰＩＶという。ＰＩＶ：Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）がある。ＰＩＶとは、流体中にトレーサ粒子と呼ばれる微小な粒子を混入して、流れを可視化したうえで該トレーサ粒子の運動を追跡することにより、流体の流速分布を求める流速測定法である。ＰＩＶでは、流体にレーザ光を照射してトレーサ粒子が反射したレーザ光をカメラで撮影することによって、トレーサ粒子の分布状態を粒子画像として撮影している。そして、微小な時間間隔を隔てて撮影された２時刻の粒子画像を解析して、流れ場の流速分布を測定している。

特開平０９−１５２４４３号公報

ＰＩＶの代表的な手法として画像相関法がある。画像相関法では、２時刻の粒子画像をそれぞれ検査領域と呼ばれる小さな領域に分割している。各検査領域のトレーサ粒子の輝度パターンを用いて、２時刻の画像間でパターンの類似している領域を探査している。輝度パターンの類似度は、相関関数などにより評価される。２画面間の相関ピークを求めることによって、トレーサ粒子の移動距離を求めて流速を測定することができる。この作業をすべての検査領域について実行することで、撮影領域全体の流速分布を求めることが可能となる。

ＰＩＶでは、トレーサ粒子の輝度を利用するため、粒子画像ではトレーサ粒子が明るく写っている必要がある。しかし、流体中に設置した物体の周りの流れを測定する場合には、レーザ光が物体表面で反射し、その反射部分にトレーサ粒子が入り込むことによってトレーサ粒子のコントラストが低下してしまう。このためトレーサ粒子を認識できず、流れ場の流速分布を正確に測定できないという問題がある。

従来では、このようにトレーサ粒子の検出が困難な測定条件の場合には、トレーサ粒子の輝度を高くするために、光源を明るくして画像全体を明るくしたり、画像処理においてコントラストを強くするなどの手法がとられている。しかし、これらの方法では、物体からの反射光も強くなってしまうのでトレーサ粒子と背景との輝度の差が出にくく、輝度パターンの相関を計算することが困難となり、流速分布の測定精度を向上させることが出来なかった。

この発明の目的は、ＰＩＶによって流れ場の流速分布を測定するにあたって、物体の表面で反射したレーザ光がトレーサ粒子と重なってトレーサ粒子と背景との輝度の差が出にくい場合に、トレーサ粒子のみの輝度を高くした粒子画像を作成することである。

本発明の粒子画像流速測定方法の実施形態は、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している。

本発明の粒子画像流速測定装置の実施形態は、 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、前記画像信号処理部で演算した結果を表示する演算結果表示部と、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している。

ＰＩＶによって流れ場の流速分布を測定するにあたって、物体の表面で反射したレーザ光がトレーサ粒子と重なってトレーサ粒子と背景との輝度の差が出にくい場合に、トレーサ粒子のみの輝度を高くした粒子画像を作成することが出来る。これにより流れ場の流速分布の測定精度を高くすることができる。

本発明の実施形態である粒子画像流速測定装置を使用する方法を説明する図である。 粒子画像流速測定法の処理手順を示すフローチャートである。 粒子画像流速測定装置における画像信号処理部のブロック図である。 撮像基盤における受光素子の配置状態を示す配置図である。 粒子画像流速測定装置で撮影した粒子画像のイメージ図である。 図５における点Ｐ１と点Ｐ２の間の画素位置と輝度との相関図である。 図６の相関図でトレーサ粒子のみの輝度を明確にした相関図である。

図１は、本発明の実施形態である粒子画像流速測定装置１０を使用して、管路１２の中を流れる流れ場の流速分布を測定する方法を説明する図である。発明の実施形態を図１を用いて説明する。

流体は、管路１２の中を矢印Ａの方向に流れている。管路１２の流体が流れる方向と直交する方向の断面形状は、長方形である。管路１２の外壁は、上面の一部１２ａと側面の一部１２ｂが透明で、流体を直接観察することができる。流体中には円柱状の軸１４が設置されていて、粒子画像流速測定装置１０は、軸１４の下流側の軸端近傍における流体の流れを解析することを目的としている。軸１４は、管路１２の中央に、その軸線が流れの方向とほぼ同一の方向に設置されている。流体の中にはトレーサ粒子１６が分散していて、流体とともに移動している。トレーサ粒子１６は、気泡で形成されていて、４０μｍ〜６０μｍ程度の大きさの球形状である。なお、トレーサ粒子１６の材料には、気泡のほかに、樹脂や、銀のコーティングを施したガラスや、油滴等が使用される場合がある。粒子の大きさについても上記に限定されるものではなく、種々の大きさの粒子が使用される。

粒子画像流速測定装置１０は、レーザ光源１８と，ＣＣＤカメラ２０と、画像信号処理部２２と、演算結果表示部２４とで構成される。

レーザ光源１８は、流体の流れる方向と直交する向きで、管路１２の鉛直方向上方に設置されている。レーザ光源１８から、シート状のレーザ光１９が流体に向けて照射されている。レーザ光１９は、軸１４の軸線を含む平面として照射されていて、軸１４の下流側の軸端を中心にして、上流側と下流側とをほぼ均等に含む領域に照射されている。レーザ光１９は、流体中のトレーサ粒子１６によって反射されるので、ＣＣＤカメラ２０はトレーサ粒子１６を光の点として認識することが出来る。

ＣＣＤカメラ２０は、レーザ光１９のシート面に直交する向きで、軸１４の下流側軸端に向けて設置されていて、流体とともに移動するトレーサ粒子１６を、粒子画像として撮影している。ＣＣＤカメラ２０は、ズーム機能を有する集光部２１と撮像基盤２３とを有している。集光部２１はレンズを備えていて、集光部２１に入射したトレーサ粒子１６からの反射光は撮像基盤２３のうえで結像している。撮像基盤２３には複数の受光素子１７が２次元の平面状に配置されている。図４は、撮像基盤２３に配置された受光素子１７の配置図である。受光素子１７は、粒子画像の１画素に対応している。以下の説明では、撮像基盤２３に配置された受光素子１７の配列を、縦方向に、Ｘ１列、Ｘ２列、・・・Ｘｎ−１列、Ｘｎ列とし、横方向にＹ１列、Ｙ２列、・・・Ｙｍ−１列、Ｙｍ列とし、縦方向にＸｉ番目で横方向にＹｊ番目に位置する受光素子１７の位置を（Ｘｉ，Ｙｊ）で表すこととする。

ＣＣＤカメラ２０は、撮像基盤２３の各受光素子１７が受けた光の強さを、各受光素子１７の位置に対応した２次元マトリクスの輝度信号Ｖとして出力している。ＣＣＤカメラ２０が出力する輝度信号Ｖは、画像信号処理部２２に送信されている。

画像信号処理部２２は、例えばコンピュータであり、データ処理部２６と、データ記憶部２８とを有している。画像信号処理部２２では、ＣＣＤカメラ２０から送信される輝度信号Ｖを用いて、流れ場の流速分布を演算している。図３は、画像信号処理部２２のブロック図である。
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。

演算結果表示部２４は、例えば液晶ディスプレイであって、画像信号処理部２２から出力された流速分布信号に基づいて、流れ場の流速分布を視覚的に表示している。

図２は、本実施形態の画像信号処理部２２において流れ場の流速分布を演算する処理手順を示すフローチャートである。データ処理部２６には、図２のフローチャートに示すようなプログラムが記憶されている。以下、図２のフローチャートと図３のブロック図によって、粒子画像流速測定装置１０を用いて流速分布を測定する方法を説明する。各処理内容の理解を容易にするために、図５〜図７を参照しつつデータ処理の内容を具体的に説明する。図５は、粒子画像の撮影例を示すイメージ図である。図６は、図５における点Ｐ１と点Ｐ２の間の輝度の変化を表す輝度分布図である。横軸は画素数を表している。粒子画像の１画素は一つの受光素子１７に対応している。図７は、図６のトレーサ粒子１６の輝度が明確になるように修正した輝度分布図である。

図２のフローチャートにおいて、Ｓ１１では、ＣＣＤカメラ２０で撮影した粒子画像を、受光素子１７の位置と、その位置に対応する輝度の値とを組み合わせたデータとして第１輝度分布記憶部４１、及び、第２輝度分布記憶部４２で記憶している。
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。

Ｓ１２では、基準画素数を設定している。基準画素数とは、粒子画像に撮影されたトレーサ粒子１６の画素数であって、ＣＣＤカメラ２０でトレーサ粒子１６を撮影するときの拡大率によって定まる。設定した基準画素数は、入力部３１に入力される。入力した基準画素数は、基準画素数記憶部４３に記憶される。
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。

こうして、トレーサ粒子１６の画素数をあらかじめ設定することによって、背景とトレーサ粒子１６のコントラストが低い場合でも、トレーサ粒子１６を容易に検出することが出来る。また、個々の受光素子１７がノイズ信号を発信する場合においても、ノイズによる信号とトレーサ粒子１６による信号とを容易に識別することが出来る。トレーサ粒子１６を検出する手順の詳細については後述する。

Ｓ１３からＳ１５の処理は時刻ｔの粒子画像からトレーサ粒子１６以外の輝度信号を修正して、粒子画像のみで構成された修正粒子画像を作成する第１処理部であって、Ｓ２３からＳ２５の処理は時刻ｔ＋Δｔの粒子画像からトレーサ粒子１６以外の輝度信号を修正して、粒子画像のみで構成された修正粒子画像を作成する第２処理部である。第１処理部と第２処理部は、処理の対象となる粒子画像が異なるのみで実質的に同じ処理であるので、以下の説明では第１処理部について説明し、第２処理部についての説明は省略する。

Ｓ１３では、第１輝度分布記憶部４１に記憶されている輝度信号に基づいて、高輝度領域特定部３３で、所定の値より高い輝度を有する画素が連続する領域（以下、高輝度領域）を特定し、その連続する領域の幅を画素数で表した値（以下、領域幅）を算出している。高輝度領域には、レーザ光１９がトレーサ粒子１６によって反射して輝度が高くなっている領域と、流体中の物体で反射して輝度が高くなっている領域と、受光素子１７が一般的にノイズといわれる異常信号を発して輝度が高くなっている領域とが含まれる。
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。

図６を例にして、Ｓ１３のステップにおける処理手順を具体的に説明する。図６は、図５において、点Ｐ１と点Ｐ２を結ぶ直線上に一列に並んだ画素について、画素の位置に対する輝度の変化をグラフにしたものである。図６では、Ａ１〜Ａ３と表示した領域はトレーサ粒子１６によって反射されたレーザ光１９を検出しているため輝度が高くなっている。Ｂと表示した個所は、流体中に設置した軸１４の軸端で反射された反射光を検出しているために輝度が高くなっている。Ｃ１，Ｃ２と表示した個所は、受光素子１７のノイズによって大きな信号が発信されているものである。図６のＡ１〜Ａ３、Ｂ、Ｃ１，Ｃ２の各領域は、それぞれこの説明における「高輝度領域」である。

各高輝度領域では輝度が大きく変化していて、図６において左から右に画素の位置を変えたときに、高輝度領域に入るときに輝度が急激に増加し、高輝度領域から離れるときに輝度が急激に減少している。したがって、輝度の変化率を算出することによって高輝度領域の画素を特定することが出来る。

高輝度領域Ａ２を例にして、高輝度領域の画素を特定する処理方法について具体的に説明する。
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。

順次、画素の位置を変えてゆくことによって、次の高輝度領域を特定することが出来る。こうして、各輝度列における単一または複数の高輝度領域の領域幅を算出することが出来る。流体中の物体からの反射光による高輝度領域や、ノイズによる高輝度領域についても同様にして領域幅を算出することが出来る。

こうして粒子画像全体において高輝度領域を特定する画素の位置が、高輝度領域記憶部４６に記憶される。なお、輝度の変化率は、輝度の値を受光素子１７の位置で微分したり、隣接する受光素子１７の輝度の勾配を求めたり、種々の方法によって算出することが出来る。

Ｓ１４では、Ｓ１３で得られた高輝度領域記憶部４６のデータに基づいてトレーサ粒子検出部３５でデータ処理を行い、トレーサ粒子１６によって高い輝度が測定されている画素を検出している。
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。

また、トレーサ粒子１６の上側基準画素数は、１０以下、好ましくは６以下にすべきである。トレーサ粒子１６が小さいので、拡大率を高くし過ぎると、撮影の視野が狭くなって広範囲の流れ場の解析が困難になるからである。

こうして、上側基準画素数より大きい領域幅を持つ高輝度領域と、下側基準画素数より小さい領域幅を持つ高輝度領域を、トレーサ粒子１６以外の高輝度領域であると判断できる。
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。

Ｓ２３〜Ｓ２５では、時刻ｔ＋Δｔにおける第２輝度分布記憶部４２のデータに対してＳ１３〜Ｓ１５と同様の処理をすることによって、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。

こうして、トレーサ粒子１６の輝度信号のみを取り出すことによって、トレーサ粒子１６と背景とのコントラストを強くした粒子画像を得ることが出来る。輝度信号のレベルが低い場合には、粒子画像全体の輝度信号を増幅することが出来る。図７では、輝度信号の大きさを一律に約２倍に増幅した場合を破線で示している。トレーサ粒子１６以外の輝度信号は小さいので、粒子画像全体の輝度信号を一律に増幅しても、トレーサ粒子１６以外の輝度信号は大きくない。このため、トレーサ粒子１６の輝度信号をより明確にとらえることが出来るので、流れ場の解析処理において速度分布をより正確に求めることが出来る。

Ｓ１６では、ＰＩＶによって流体の流速分布を計算している。流速分布値の計算は、ＰＩＶ演算部３７で、第１修正輝度記憶部４７と第２修正輝度記憶部４８の粒子画像データに基づいて行われる。

計算された流速分布は、画素の位置に対応して流速分布記憶部４９に記憶される。
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。

一般的に、トレーサ粒子や流体中の物体からの反射光のいずれをも含まない箇所を撮影している受光素子１７では、輝度が低く測定される。しかし、図６に示した領域Ｆ３や領域Ｆ４では、トレーサ粒子１６や軸端部の強い反射光以外の部分であるにもかかわらず、流体中に設置した軸１４の表面でレーザ光１９が反射されるために、軸１４が存在しない領域Ｆ１や領域Ｆ２と比較して輝度のレベルが高くなっている。この結果、例えば、Ａ１のトレーサ粒子１６では、トレーサ粒子１６の輝度とその背景にある軸表面の輝度が近接して、トレーサ粒子１６のコントラストが弱くなっている。このようにコントラストが低いトレーサ粒子については、従来ではその検出が困難であった。
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）。

本実施形態では、第１修正輝度記憶部４７と第２修正輝度記憶部４８の粒子画像データでは、トレーサ粒子１６のみの輝度を大きくすることが出来る。こうして、トレーサ粒子１６の輝度が大きい粒子画像を用いてＰＩＶによって流れ場の流速分布を測定することにより、流れ場の流速分布を測定する精度を高くすることができる。

こうして、実施形態の粒子画像流速測定装置１０では、ＰＩＶによって流れ場の流速分布を測定するにあたって、物体の表面で反射したレーザ光がトレーサ粒子と重なってトレーサ粒子と背景との輝度の差が出にくい場合に、トレーサ粒子のみの輝度を高くした粒子画像を作成することが出来る。これにより流れ場の流速分布の測定精度を高くすることができる。

１０：粒子画像流速測定装置、１２：管路、１４：軸、１６：トレーサ粒子、１７：受光素子、１８：レーザ光源、１９：レーザ光、２０：ＣＣＤカメラ、２１：集光部、２２：画像信号処理部、２３：撮像基盤、２４：演算結果表示部、２５：データ処理部、２８：データ記憶部、３１：入力部、３３：高輝度領域特定部、３５：トレーサ粒子検出部、３７：ＰＩＶ演算部、４１：第１輝度分布記憶部、４２：第２輝度分布記憶部、４３：基準画素数記憶部、４５：変化率記憶部、４６：高輝度領域記憶部、４７：第１修正輝度記憶部、４８：第２修正輝度記憶部、４９：流速分布記憶部

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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、
   前記画像信号処理部で演算した結果を表示する演算結果表示部と、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。
4. 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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