JP2710989B2

JP2710989B2 - 高速画像処理回路

Info

Publication number: JP2710989B2
Application number: JP1179902A
Authority: JP
Inventors: 満雄上和野
Original assignee: 満雄上和野; 神鋼電機株式会社
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1989-07-12
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JPH0344558A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は画像処理回路に係り、特に乱流計測の際の
トレーサ粒子の観測等に用いて好適な高速画像処理装置
に関する。

「従来の技術」乱流計測において、被測定流体中にトレーサ粒子を分
散し、被測定流体と共に流動するトレーサ粒子の速度を
測定することにより、被測定流体の速度を求めるという
方法が採られる場合がある。この場合、被測定流体中の
微少空間を例えばイメージセンサ等によって撮影し、撮
影によって得られた画像データからトレーサ粒子の位置
を求めるという処理が繰り返される。そして、各時点の
撮影画面におけるトレーサ粒子の位置と各時点間の時間
経過とから当該時点におけるトレーサ粒子の速度が演算
される。

さて、被測定流体が高速で流動すると、ある時点にお
いて撮影されたトレーサ粒子が、次の撮影時点での視界
の外へ移動してしまうという事態が発生し得る。このた
め、被測定流体が高速で流動する場合には、トレーサ粒
子の動きを撮影することができるように、一定時間内に
非常に多くの画面を撮影する必要があり、従って、１画
面分の画像データの処理の高速化が要求される。

このような背景から、本発明出願人は、先に出願した
特願昭59−182451号（特開昭61−60178）で高速画像処
理回路を提供するに至った。この高速画像処理回路で
は、例えばフォトダイオード等による複数の光検知素子
を行列配置してなるエリアアレイイメージセンサによっ
てトレーサ粒子の撮影が行われる。さらに詳述すると、
被測定流体中の微少空間に光を透過させ、この透過光を
上記エリアアレイイメージセンサによって受光する。こ
の時、微少空間内にトレーサ粒子が在る場合は、トレー
サ粒子によって光が遮られるので、この結果、エリアア
レイイメージセンサの受光面にトレーサ粒子の影ができ
る。そして、エリアアレイイレージセンサを構成する各
フォトトランジスタのオン／オフ状態を検出することに
より、トレーサ粒子の位置を求めることができる。

上記高速画像処理回路では、１回のサンプリングによ
って、１行分のフォトトランジスタの各出力信号がエリ
アアレイイレージセンサから読み出され、その出力信号
レベルがコンパレータによって判定されて、各列要素毎
のトレーサ粒子の有無が判断される。また、サンプリン
グエリアアレイイレージセンサから１行分の出力信号を
読み出す毎にその回数、すなわち、行番号がカウントさ
れる。そして、トレーサ粒子が有ると判断された場合、
その行番号を示すカウンタ値が、各列に対応して設けら
れたメモリに記憶される。この処理が、エリアアレイイ
メージセンサの各行について繰り返されて１画面分の信
号が処理され、該画面内にトレーサ粒子がある場合に
は、その輪郭に相当するデジタルデータがメモリに格納
される。そして、メモリに格納されたデジタルデータに
基づいてトレーサ粒子の位置座標が演算され、その時間
的推移からトレーサ粒子の速度が演算される。このよう
に、１回のサンプリング周期の間に、１行分のフォトト
ランジスタの出力信号が処理されるので、１画面分の画
像処理を高速で実行することができる。また、トレーサ
粒子の輪郭が検出された場合に限り、その位置を示すデ
ジタルデータを格納するようにしたので、メモリサイズ
を小さく抑えることができる。

「発明が解決しようとする課題」上記高速画像処理回路によって、かなりの高速で移動
するトレーサ粒子の速度測定が可能となった。しかし、
現在、乱流測定においては、さらに高速度で流動する被
測定流体の測定が望まれている。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、極
めて短時間で１画面分の画像信号の処理を行うことがで
きる時間が極めて短い高速画像処理回路ることができる
を提供することを目的としている。

「課題を解決するための手段」上記課題を解決するため、第１の発明は、光源からの
出力光を受光する位置に複数の光検知素子をアレイ状に
配列してなり、各光検知素子の出力を並列に一括して取
り出すようにした手段であって、被測定物体によって受
光の遮られた光検知素子から遮光検出信号を出力するよ
うにした撮像手段と、所定周期毎にクロック信号を発生
するクロック発生回路と、前記各光検知素子の少なくと
も１つから遮光検出信号が出力されている場合に被測定
物体検出信号を出力する被測定物体検出手段と、映像デ
ータ記憶手段と、前記被測定物体検出信号が出力されて
いる期間、前記クロック信号が発生される毎に、前記各
光検知素子の出力信号をサンプリングし１画面分の撮像
データとして前記撮像データ記憶手段に書き込む書込制
御手段とを具備することを特徴としている。

また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、
前記遮光検出信号が出力されない期間、前記クロック信
号をカウントするカウンタと、前記各期間における該カ
ウンタ値を各々記憶するカウント値記憶手段とを備えた
ことを特徴としている。

「作用」上記第１の発明によれば、撮像手段を構成する各光検
知素子のいずれかから遮光検出信号が出力されている期
間、すなわち、被測定物体の像が撮影されている期間の
み、クロック信号に同期し、当該時点における各光検知
素子の出力信号が１画面分の画像データとして撮像デー
タ記憶手段に書き込まれる。この場合、１画面分の画像
データは１発のクロック信号に同期して一括して撮像デ
ータ記憶手段に書き込まれるので、１画面分の信号処理
が高速で行われる。

また、第２の発明によれば、被測定物体が画面に存在
しない期間に相当するカウント値が記憶される。従っ
て、カウント値記憶手段に記憶された各カウント値を読
み出すことにより、撮像空間内への被測定物体の到来の
記録を観測することができる。

「実施例」以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明
する。

第１図は、この発明の一実施例による高速画像処理回
路の構成を示すブロック図である。同図において、１は
被測定流体中のトレーサ粒子を検出するフォトトランジ
スタアレイであり、複数のフォトトランジスタを行列配
置してなる。また、フォトトランジスタアレイ１を構成
する各フォトトランジスタは常時活性状態となってお
り、各フォトトランジスタの出力レベルは並列に取り出
すことができるように構成されている。なお、本実施例
では、フォトトランジスタとしてシャープ製PT350を使
用し、これらを3.5mm間隔で配列し、10×10のマトリッ
クスを構成した。

第２図は被測定流体中のトレーサ粒子を検出するため
に用いたプローブの構成を示したものであり、同図にお
ける符号１は、第１図におけるフォトトランジスタアレ
イ１に対応している。第２図において、ハロゲンランプ
等によって実現される光源21からの出力光は、レンズ22
によって、フレキシブルライトガイド23に結合し、フレ
キシブルライトガイド23の先端部23aから被測定流体の
観測空間GAPへと投光される。そして、被測定流体を透
過した光がフレキシブルライトガイド23の先端部23aに
対向配置された例えば２枚のセルフォックマイクロレン
ズ24を介してフレキシブルイメージファイバ25に入力さ
れる。この時、観測空間GAP中にトレーサ粒子がある場
合には、トレーサ粒子によって先端部23aからの出力光
が遮られる。そして、トレーサ粒子の影像がセルフォッ
クマイクロレンズ24によって拡大されてフレキシブルイ
メージファイバ25に入力される。

そして、フレキシブルイメージファイバ25に入力され
た光は同ファイバ25を介してフォトトランジスタアレイ
１に照射され、トレーサ粒子の有無が検出される。

なお、セルフォックマイクロレンズ24は、屈折率が中
心部から外周に向って放射線状に変化する円柱状のガラ
ス体であり、両端面が平坦面でも曲面レンズと同様な光
学的効果が得られるようになっている。また、この種の
セルフォックマイクロレンズは、直径が1mmと小型であ
り、しかも、これを２枚組み合わせて使用することによ
り、トレーサ粒子の影像を20倍以上に拡大することがで
き、直径10μｍ程度のトレーサ粒子の観測を行うことが
できる。

第３図は観測空間内にトレーサ粒子Ｔが有る場合にお
けるフォトトランジスタアレイ１の各フォトトランジス
タの出力電圧Exy（ｘ＝１〜N,Y＝１〜Ｎ）の分布を模式
的に示したものである。各フォトトランジスタは光が照
射されると出力電圧がＨレベルとなる。従って、第２図
における観測空間GAP中にトレーサ粒子がある場合、そ
の位置に対応した領域、すなわち、第３図において符号
Ｇを付した領域のフォトトランジスタの出力電圧Exyは
Ｌレベルとなる。

第１図において、２は上述したフォトトランジスタア
レイ１の各出力を各々増幅する増幅回路、３は増幅回路
２の出力を所定を基準レベルと比較し、TTLレベルの判
定信号を出力する比較回路である。これらの増幅回路２
および比較回路３は、各々、フォトトランジスタアレイ
１を構成する各フォトトランジスタに対応した個数だけ
設けられる。そして、各フォトトランジスタの出力は、
各々並列に、増幅回路２によって増幅され、各増幅出力
は比較回路３によってレベル判定される。そして、フォ
トトランジスタアレイ１を構成する各フォトトランジス
タの受光が遮られたか否か、すなわち、観測空間におけ
る各フォトトランジスタに対応する座標位置がトレーサ
粒子によって占有されているか否かを示す判定信号P₁〜
Pnが常時並列に出力される。

４は画面切換周期毎にクロックパルスを発生し出力す
るクロックパルス発生回路、５はクロックパルスをカウ
ントするクロックパルスカウンタである。また、６は粒
子存在確認回路であり、比較回路３の各比較出力および
上記クロックパルスが入力される。

ここで、第４図（ａ）〜（ｄ）を参照し、粒子存在確
認回路６の動作を説明する。第４図（ａ）はクロックパ
ルス発生回路４から出力されるクロックパルスを示す波
形図である。また、第４図（ｂ）は比較回路３の各判定
信号P₁〜Pnを例示した波形図である。第４図（ｂ）に示
すように、フォトトランジスタアレイ１を構成する各フ
ォトトランジスタに対応する各座標（X₁,Y₁）、（X₂,
Y₂）、…、（Xn,Yn）のいずれかをトレーサ粒子が占有
している場合に、各々に対応する判定信号P₁〜PnはＬレ
ベルになる。そして、この粒子存在確認回路６では、比
較回路３の各判定信号P₁〜PnとクロックパルスとのOR演
算（ただし、負論理演算）が行われ、第４図（ｃ）に示
す各OR出力が得られる。さらに粒子存在確認回路６で
は、これらのOR出力｛第４図（ｃ）｝のOR演算（ただ
し、負論理演算）が行われ、第４図（ｄ）に示す出力が
得られる。

このように、粒子存在確認回路６によれば、比較回路
３の各判定信号P₁〜PnのいずれかがＬレベルの期間、す
なわち、観測空間にトレーサ粒子が存在する期間のみ、
クロックパルスが通過されて出力される。一方、クロッ
クパルスカウンタ５は、判定信号P₁〜PnのいずれかがＬ
レベルの期間、粒子存在確認回路６によってリセットさ
れる。そして、判定信号P₁〜PnがすべてＨレベル、すな
わち、観測空間にトレーサ粒子が全く存在しない状態に
なると、リセットが解除され、クロックパルスカウンタ
５はクロックパルスのカウントを行う。

第１図における７は粒子データ用RAM（ランダムアク
セスメモリ）であり、比較回路３の判定信号P₁〜Pnが入
力データとして与えられる。本実施例の場合、フォトト
ランジスタアレイ１が10×10のマトリックスであるの
で、それに合わせて100ビット並列アクセスが可能な構
成のものを使用した。また、８は時間データRAMであ
り、クロックパルスカウンタ５のカウント値が入力デー
タとして与えられる。

これらのRAM7および８はRAM制御回路９によって入出
力が制御される。さらに詳述すると、観測空間内にトレ
ーサ粒子が存在する場合は、クロックパルス発生回路４
から出力されるクロックパルスは粒子存在確認回路６を
通過してRAM制御回路９に入力され、RAM制御回路９によ
ってクロックパルスに同期した書込パルスが発生され、
書込先アドレスと共にRAM7に供給される。この結果、そ
の時点における１画面分の判定信号P₁〜PnがRAM7に書き
込まれる。ここで、RAM制御回路９にはRAM7用アドレス
カウンタが内蔵されており、そのカウント値が書込先ア
ドレスとしてRAM7に与えられるようになっており、１画
面分のデータ書込が行われる毎に書込先アドレスがイン
クリメントされるようになっている。

観測空間内にトレーサ粒子がいなくなると、クロック
パルスカウンタ５は粒子存在確認回路６によってリセッ
ト解除され、クロックパルス数をカウントする。そし
て、再び、トレーサ粒子が観測空間内に出現し、RAM制
御回路９に粒子存在確認回路６を介して１発目のクロッ
クパルスが入力されると、RAM制御回路９からRAM8に書
込パルスが供給され、その時点におけるクロックパルス
カウンタ５のカウント値、すなわち、トレーサ粒子が観
測空間内に存在しない期間に相当する画面切換周期の回
数がRAM8に書き込まれる。なお、RAM制御回路９には、R
AM8用アドレスカウンタが内蔵されており、RAM8へのデ
ータ書込がある毎にインクリメントされる。

粒子データRAM7および時間データRAM8の記憶データ
は、RAM制御回路９およびインタフェース回路10を介し
てマイクロコンピュータ11に入力される。そして、マイ
クロコンピュータ11では、この入力データに基づいてト
レーサ粒子の中心位置座標およびその移動速度が演算さ
れる。また、粒子データRAM7からの読み出しデータは、
マイクロコンピュータ11に備えられたCRT表示装置に送
られ、トレーサ粒子の影像がドット表示される。

以下、第５図（ａ）〜（ｄ）を参照し、本実施例にお
けるトレーサ粒子の移動速度演算手順を説明する。時刻
t₁において、第５図（ａ）に示すように、トレーサ粒子
が観測空間内のG₁点（X₁,Y₁）にある場合、フォトトラ
ンジスタアレイ１におけるトレーサ粒子の影となるフォ
トトランジスタの各出力はＬレベルとなる。第５図
（ｂ）に、フォトトランジスタアレイ１を構成する各フ
ォトトランジスタの内、トレーサ粒子の中心位置（Ｙ＝
Y₁）を通過するライン上に並んだ１行分のフォトトラン
ジスタの各出力電圧Exy（ｘ＝１〜ｎ、ｙ＝Y₁）を示
す。なお、トレーサ粒子によって遮光された他のフォト
トランジスタの出力も同様にＬレベルとなっている。そ
して、各フォトトランジスタの出力レベルの判定結果
が、100ビット１ワードのデータとして粒子データRAM7
に書き込まれる。本実施例の場合、RAM7への書込データ
の内、入射光が遮られたフォトトランジスタ（トレーサ
粒子有り）に対応するビットは“0"とされ、光が照射さ
れたフォトトランジスタ（トレーサ粒子無し）に対応す
るビットは“1"とされる。マイクロコンピュータ11はイ
ンタフェース回路10およびRAM制御回路９を介して粒子
データRAM7の記憶データを読み出し、該読み出しデータ
の内、値が“0"となっているビットの分布からトレーサ
粒子の中心位置座標（X₁,Y₁）を演算する。

次に時刻t₁＋△ｔに、第５図（ｃ）に示すように、ト
レーサ粒子が観測空間内のG₂点（X₂,Y₂）に移動したと
する。この場合、それに対応してフォトトランジスタア
レイ１の各フォトトランジスタの出力の分布が変化す
る。第５図（ｄ）にトレーサ粒子の中心位置（Ｙ＝Y₂）
を通過するライン上に並んだ１行分のフォトトランジス
タの各出力電圧Exy（ｘ＝１〜ｎ、ｙ＝Y₂）を示す。そ
して、各フォトトランジスタの出力レベルの判定結果
が、上述と同様、粒子データRAM7に書き込まれる。そし
て、マイクロコンピュータ11はインタフェース回路10お
よびRAM制御回路９を介して粒子データRAM7の記憶デー
タを読み出し、該読み出しデータからトレーサ粒子の中
心位置座標（X₂,Y₂）を演算する。

そして、このようにして求められたトレーサ粒子の位
置座標（X₂,Y₂）と、直前の画面のデータから求められ
たトレーサ粒子の位置座標（X₁,Y₁）と、画面切換の周
期△ｔとから、トレーサ粒子のＸ方向速度Vx＝（X₂−
X₁）／△ｔおよびＹ方向速度Vy＝（Y₂−Y₁）／△ｔが算
出される。以下、同様に、各時点におけるトレーサ粒子
の撮像データが粒子データRAM7から読み出され、その中
心位置座標および移動速度が逐次演算される。

さて、本高速画像処理回路では、時間データRAM8に、
観測空間内にトレーサ粒子の存在しない期間に相当する
カウント値を記憶するようにしている。従って、時間デ
ータRAM8に記憶された各カウント値を、マイクロコンピ
ュータ11が順次読み出し、観測空間へのトレーサ粒子の
到来状況を観測することができ、また、各カウント値の
統計処理等を行うことも容易である。そして、例えば、
時間データRAM8に記憶された各カウント値から、観測空
間へのトレーサ粒子の到来間隔の分布を求めるといった
処理を容易に実行することができる。

このように本高速画像処理回路によれば、クロックパ
ルス発生回路からクロックパルスが１発出力される毎
に、トレーサ粒子を撮像した１画面分のデータが粒子デ
ータRAM7に格納される。従って、トレーサ粒子の流動速
度に追従し、観測空間内におけるトレーサ粒子の位置検
出および速度検出といった微視的な観測を行うことがで
きる。また、観測空間内にトレーサ粒子が存在しない期
間のクロックパルスカウント値を時間データRAMに記憶
するようにしたので、メモリ容量をそれほど大規模にす
ることなく、観測空間へのトレーサ粒子の到来状況とい
った巨視的な観測を行うことができる。

「発明の効果」以上説明したように、第１の発明によれば、光源から
の出力光を受光する位置に複数の光検知素子をアレイ状
に配列してなり、各光検知素子の出力を並列に一括して
取り出すようにした手段であって、被測定物体によって
受光の遮られた光検知素子から遮光検出信号を出力する
ようにした撮像手段と、所定周期毎にクロック信号を発
生するクロック発生回路と、前記各光検知素子の少なく
とも１つから遮光検出信号が出力されている場合に被測
定物体検出信号を出力する被測定物体検出手段と、影像
データ記憶手段と、前記被測定物体検出信号が出力され
ている期間、前記クロック信号が発生される毎に、前記
各光検知素子の出力信号をサンプリングし１画面分の撮
像データとして前記撮像データ記憶手段に書き込む書込
制御手段とを設けたので、１画面分の撮像データの処理
が高速に実行され、高速で移動するトレーサ粒子に追従
し、画像処理を行うことができ、例えば数十m/sといっ
た高速で流動する流体の流速を測定することができると
いう効果が得られる。また、第２の発明によれば、上記
第１の発明の構成に加え、前記遮光検出信号が出力され
ない期間、前記クロック信号をカウントするカウンタ
と、前記各期間における該カウント値を各々記憶するカ
ウント値記憶手段とを設けたので、メモリ容量をそれほ
ど大きくすることなく、観測空間へのトレーサ粒子の到
来状況を示す情報が得られるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による高速画像処理回路の
構成を示すブロック図、第２図は同実施例におけるプロ
ーブの構成図、第３図は同実施例におけるトレーサ粒子
とフォトトランジスタアレイ１の出力電圧との関係を示
す図、第４図は同実施例における粒子存在確認回路６の
動作を示す波形図、第５図は同実施例におけるトレーサ
粒子の速度計算を説明する図である。１……フォトトランジスタアレイ、６……粒子存在確認
回路、９……RAM制御回路、７……粒子データRAM。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの出力光を受光する位置に複数の
光検知素子をアレイ状に配列してなり、各光検知素子の
出力を並列に一括して取り出すようにした手段であっ
て、被測定物体によって受光の遮られた光検知素子から
遮光検出信号を出力するようにした撮像手段と、所定周期毎にクロック信号を発生するクロック発生回路
と、前記各光検知素子の少なくとも１つから遮光検出信号が
出力されている場合に被測定物体検出信号を出力する被
測定物体検出手段と、映像データ記憶手段と、前記被測定物体検出手段が出力されている期間、前記ク
ロック信号が発生される毎に、前記各光検知素子の出力
信号をサンプリングし１画面分の撮像データとして前記
撮像データ記憶手段に書き込む書込制御手段とを具備することを特徴とする高速画像処理回路。
【請求項２】前記遮光検出信号が出力されない期間、前
記クロック信号をカウントするカウンタと、前記各期間
における該カウント値を各々記憶するカウント値記憶手
段とを備えたことを特徴とする請求項第１記載の高速画
像処理回路。