JP3559816B2 - 流速計測方法および流速計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の一部または全体の移動速度を高精度に測定する流速計測方法および流速計測装置に係り、特に、流速の大小にかかわらず、流速を精度良く求めることができる流速計測手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の移動速度を非接触で測定する方法として、トレーサすなわち目印となる物体を流体に混合し、その動きを追跡するトレーサ追跡方法がある。
【０００３】
トレーサ追跡方法の第１の例としては、例えば特開平４−２４０５６５号公報に記載されているように、互いに波長の異なる２色の光を利用する方法がある。まず、第１の光で、動いているトレーサ像が静止画像として取得できるくらい極く短時間照明するとともに、同時に発光開始した第２の光で比較的長い一定時間Ｔａだけ照明する。このときのトレーサ像をカラーカメラで撮影し、取得画像のうち第１の光による像から始点を得て、第２の光による像から流跡を得て、これのデータに基づいて一定時間内に移動した距離から速度を求める。
【０００４】
トレーサ追跡方法の第２の例としては、例えば特開平８−１２２３５４号公報に記載されているように、互いに波長の異なる３色の光で照明する。第１の光と第３の光とは、極く短時間発光させ、第２の光は、比較的長い時間発光させる。このとき、第１の光と第２の光とが同時に発光を開始し、しかも、第２の光と第３の光とが同時に発光を終了するように、発光のタイミングを制御する。そのトレーサ像をカラーカメラで撮影し、取得画像のうち第１の光による像から始点を得て、第２の光による像から流跡を得て、第３の画像から終点を得て、トレーサが一定時間内に移動した距離から流体の速度を求める。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１の従来例では、トレーサ像の大きさが変化する場合、例えば、トレーサがカメラから遠ざかる場合には、流跡画像が徐々に細くなり、流跡画像の終点位置を正確に求めることが困難となる。また、乱流など流体の流速に極端な分布がある場合、大きく移動するトレーサがある一方で、ほとんど移動しないトレーサも存在し、流速の小さい領域における測定が不正確になる。この場合に、測定精度を上げるために時間Ｔａを長くとると、長時間露光となり、ハレーションを起こす。また、ハレーションを生じさせないように照明の明るさを落とすと、流速の大きい領域のトレーサ像が暗くなる。さらに、乱流を測定対象とする場合、流跡像が長くなると、画像が重なる確率が高くなる。流跡画像が重なると、始点と流跡とを一義的に結び付けることができないので、トレーサ密度を下げる必要が生じる。したがって、流れの様子を詳細には把握できない。
【０００６】
上記第２の従来例では、始点と終点とが静止画像として取得されており、トレーサ像の大きさが変化することによる位置決め精度の低下はないが、流速分布があると、低流速領域での測定精度が悪くなる。また、長時間露光時のハレーションおよび流跡画像の重なりの問題は、依然として残っている。
【０００７】
本発明の目的は、流速の大小にかかわらず、長時間露光によるハレーションの問題や流跡の重なりの問題を招かずに、流速を精度良く求めることができる流速計測方法および流速計測装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、トレーサを測定対象の流体に含ませ、トレーサを含む流体を画像取得装置の露光時間内に所定の時間間隔で間欠照明し、取得画像からトレーサの移動量を計算し流体の流速を求める方法において、第１，第２，第３の光による３枚１組の画像を取得する所定露光時間の露光開始直後に第１の波長の光をパルス発光させ、露光終了直前に第２の波長の光をパルス発光させ、第３の波長の光を少なくとも第１の光の発光直後から第２の光の発光直前まで連続発光させることを繰り返しながら複数組の画像を連続的に取得し、得られた複数組の画像のひと組の中のトレーサの画像のうち第１の光，第２の光，第３の光によるトレーサの画像が少なくとも部分的に重なり合うトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付け、かつ、第ｊ組目の画像とｊ＋１組目の画像について、第ｊ組目の画像内のトレーサの画像のうち第２の光によるトレーサの画像が第ｊ＋１組目の画像内の第１の光によるトレーサの画像と少なくとも部分的に重なるトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付けることを繰り返し、第ｍ組の画像における第１の光によるトレーサの画像と第ｎ組（ｍ＜ｎ）の画像における第２の光によるトレーサの画像の像面上での距離をｍ組とｎ組の画像間のトレーサ移動距離とし、第ｍ組目と第ｎ組目の画像間でのトレーサ移動距離を算出し、当該トレーサ移動距離と移動するに要した時間とから流速を算出する流速計測方法を提案する。
【０００９】
取得画像間のトレーサを所定数Ｎ組の画像間で対応付けし、Ｎ組の画像のすべてにトレーサの画像がある場合には、Ｎ組の最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出し、Ｎ組の画像の一部の連続する組にトレーサの画像がある場合には、その最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出することができる。
【００１０】
また、取得画像間のトレーサの対応付けは、Ｎ組の画像間の対応付けでトレーサの移動距離が一定値Ｌを越える場合には、対応付けを開始した組とトレーサの移動距離が最初にＬを越えた組までの移動距離から流速を算出し、Ｌを越えない場合でＮ組の画像のすべてにトレーサの画像がある場合には、Ｎ組の最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出し、Ｌを越えない場合でＮ組の画像の一部の連続するｍ組に前記トレーサの画像がある場合には、Ｍを所定の整数としてｍ＞Ｍのときのみ、その最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出するようにしてもよい。
【００１１】
いずれの流速計測方法においても、取得画像の視野内に少なくとも第１の光，第３の光によるトレーサの画像が完全に入る幅だけ視野外縁よりも内側に処理領域を設け、処理領域に少なくともその一部が含まれるトレーサ画像のみを処理の対象とすることが望ましい。
【００１２】
本発明は、また、上記目的を達成するために、測定対象流体中のトレーサと、トレーサで散乱される光を波長によって選別し各波長ごとの画像として連続的に取得する画像取得手段と、画像取得手段が三波長画像を取得する所定の露光時間内に、露光開始直後に第１の光をパルス発光させ、露光終了直前に第２の光をパルス発光させ、少なくとも第１の光の発光直後に発光開始し第２の光の発光直前まで第３の光を発光を連続発光させる光源駆動回路と光源駆動回路によって駆動され波長の互いに異なる３種類の光を発する一組の三色光源と、画像取得手段により取得された複数組の連続画像１組の中のトレーサの画像のうち第１の光，第２の光，第３の光によるトレーサの画像が少なくとも部分的に重なり合うトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付け、かつ、第ｊ組目の画像とｊ＋１組目の画像について、第ｊ組目の画像内のトレーサの画像のうち第２の光によるトレーサの画像が第ｊ＋１組目の画像内の第１の光によるトレーサの画像と少なくとも部分的に重なるトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付けることを繰り返し、第ｍ組の画像における第１の光によるトレーサの画像と第ｎ組（ｍ＜ｎ）の画像における第２の光によるトレーサの画像の像面上での距離をｍ組とｎ組の画像間のトレーサ移動距離として、第ｍ組目と第ｎ組目の画像間のトレーサ移動距離を算出し、これと移動するに要した時間から流速を算出する画像処理装置とからなる流速計測装置を提案する。
【００１３】
前記三色光源は、波長の異なる第１の光，第２の光，第３の光を発する光源と光源からの３種の光を伝える少なくとも３本の芯線からなるファイバ束とからなり、３種の光を伝えるファイバの心線が、ファイバ束の出口において互いに局在することなく密に並んでいるようにすることができる。
【００１４】
本発明においては、動画用カラーカメラを用いて、１組が赤色画像と緑色画像と青色画像とからなるトレーサ画像を連続的に取得する。このとき、露光開始直後で始点画像を取得し、終了直前で終点画像を取得するように、トレーサ照明用３色光源の発光タイミングを調節しながら、連続的に複数組のトレーサ画像を取得する。その後、複数組のトレーサ画像をつなぎ合わせて観測トレーサを追跡する。
このようにすると、流速の大きい領域では、注目するトレーサの始点像と終点像とが十分分離して得られるので、１組のトレーサ画像から流速を求めることができる。
一方、流速の小さい領域では、１組のトレーサ画像における始点画像と終点画像とは、重なってしまうので、流速を精度よく求めることはできない。しかし、Ｎ組の連続するトレーサ画像を用い、注目するトレーサについて始点像，流跡像，終点像を取り出し、それらを順次重ね合わせると、十分分離した始点画像と終点画像とが得られる。流速が小さい領域では、隣り合う組の画像において、先の組の画像でのシャッタが閉じる直前のトレーサの位置すなわち終点像の位置と、後の組の画像でのシャッタが開いた直後のトレーサの位置すなわち始点像の位置とは、ほとんど変化しないので、異なる組のトレーサ像を対応付け、次々に接続していくことができる。
トレーサ画像の各組を取得する露光時間を短くできるので、長時間露光によるハレーションの問題も、流跡の重なりの問題も、発生しない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による流速計測装置の一実施例の系統構成を示すブロック図である。本実施例の場合、流速の計測対象である流体１の流れを示す流線１ａは、流体１中に設置された翼２の後部において、不安定な渦１ｂを巻いている。トレーサ３は、流体１の流線１ａに沿って移動する。三色光源４は、赤色光源５と、緑色光源６と、青色光源７とからなる。光源ドライバ８は、出力信号ａで赤色光源５を駆動し、出力信号ｂで緑色光源６を駆動し、出力信号ｃで青色光源７を駆動し、三色光源４を後述のタイミングで発光させる。
【００１６】
インタレース方式のカラーＣＣＤカメラ９は、三色光源４で照明されたトレーサ３のカラー画像をフィールド画像として連続的に獲得し、色別の画像信号を出力する。写ったトレーサ画像の大きさが、数ピクセル以上となるように、カラーＣＣＤカメラ９の光学系を設定しておく。タイミングトリガ発生装置１０は、光源ドライバ８の発光タイミングトリガ信号と、カラーＣＣＤカメラ９の露光タイミングトリガ信号と、画像取り込み回路１１の取り込みタイミングトリガ信号とを出力する。画像取り込み回路１１は、カラーＣＣＤカメラ９からの色別出力信号を取り込む。記録装置１２は、画像取り込み回路１１から画像信号を受け取り記録する。画像処理装置１３は、記録装置１２から画像信号を受け取り、後述の二値化処理などの流速計測に必要な画像処理を実行する。
【００１７】
次に、図１の流速計測装置の動作を説明する。流体１中にトレーサ３を混入すると、トレーサ３が、流体１の流れに乗って移動する。この流体１中のトレーサ３を三色光源４で照明し、カラーＣＣＤカメラ９でトレーサ３のカラー動画像として撮影し、画像取り込み回路１１により、画像処理装置１２に取り込む。
【００１８】
図２は、図１の流速計測装置における画像取り込みのタイミングの一例を示すタイミングチャートである。図２（ａ）は、タイミングトリガ発生装置１０の出力信号である。図２（ｂ）は、光源ドライバ８から赤色光源５へのドライブ出力信号であり、図２（ｃ）は、緑色光源６へのドライブ出力信号であり、図２（ｄ）は、青色光源７へのドライブ出力信号である。図２（ｅ）は、カラーＣＣＤカメラ９のシャッタの開閉タイミングであり、図２（ｆ）は、画像取り込み装置１１の画像取り込みタイミングである。
【００１９】
タイミングトリガ発生装置１０の出力信号は、時間間隔Ｔ０で周期的にトリガパルス列を発生させる。光源ドライバ８は、タイミングトリガ発生装置１０からのトリガパルスが入力した直後に、パルス幅Ｔ１のａパルスを赤色光源５に出力し、同じタイミングでパルス幅Ｔ２のｂパルスを緑色光源６に出力し、パルスの入力からＴ２−Ｔ３後のタイミングでパルス幅Ｔ３のｃパルスを青色光源７に出力する。ここで、時間Ｔ１，Ｔ３は、それぞれの時間Ｔ１，Ｔ３の間のトレーサ３の移動量が小さく、トレーサ３が静止して見え、かつ、画像獲得に十分な光量が得られる時間に設定する。時間Ｔ２は、時間Ｔ１，Ｔ３よりも大きく設定する。赤色光源５および青色光源７の発光強度は、緑色光源６の強度よりも大きくなるように設定する。緑色光源の発光時間Ｔ２が、赤色光源，青色光源の発光時間Ｔ１，Ｔ３より長く、同じ強度で発光させると、過露光となり、ハレーションが発生するからである。
【００２０】
カラーＣＣＤカメラ９は、タイミングトリガ発生装置１０の出力パルスが入力した直後から時間Ｔ２だけシャッタを開け、フィールド画像を獲得する。シャッタは、その後に極く短時間Ｔ４だけ一旦閉じ、タイミングトリガ発生装置１０の出力パルスを受けて、再度開く。時間Ｔ０，Ｔ２，Ｔ４には、Ｔ０＝Ｔ２＋Ｔ４の関係がある。
【００２１】
画像取り込み回路１１は、カラーＣＣＤカメラ９で獲得したフィールド画像をシャッタが閉じた直後から時間Ｔ５の間に取り込む。画像取り込み回路１１は、このような一連のタイミングで、フィールド画像をＮ組取り込み、記録装置１２に順次記録する。
【００２２】
図３は、図１の流速計測装置において獲得した画像の一例を示す図である。赤色画像，緑色画像，青色画像からなる１組のフィールド画像は、個々のトレーサについて、赤色静止画像および青色静止画像と、一部分がそれら赤色静止画像または青色静止画像と重なりつつその間を結ぶ緑色画像とを含んでいる。図３は、三色のフィールド画像を重ねて表示している。フィールド画像中の一つのトレーサ３０に注目すると、赤色の照明は緑色の照明よりも先になされているので、時間Ｔ２の間に、赤色画像３０ａの位置から青色画像３０ｃの位置まで、緑色画像３０ｂで示される流跡を移動したことが分かる。赤色画像３０ａは、トレーサの始点を示すので、始点像と呼び、緑色画像３０ｂは、流跡を示すので、流跡像と呼び、青色画像３０ｃは、終点を示すので、終点像と呼ぶ。これら３つの画像を１つのトレーサに対応するトレーサ画像の組とする。以後、この１組３色の画像を三色画像という。なお、獲得画像が櫛歯上になっているのは、画像がインタレース方式のフィールド画像だからである。このようにして取り込み記録したＮ組のフィールド画像を画像処理し、トレーサの移動速度を求める。
【００２３】
図４は、図１の流速計測装置における画像処理の手順を示すフローチャートである。まず、色別に閾値を設定して、色別のフィールド画像を二値化する。このフィールド画像は、図２に示したように櫛歯状なので、膨張縮小処理により欠落部分のデータを補う。さらに、トレーサ画像が数ピクセル以上の大きさを持つことを利用し、それ以下の大きさの画像を雑音と見なし、暗電流雑音などにより生じた画像雑音を除去する。次に、画面の中にトレーサ像の大きさ分プラスアルファだけ小さめの処理領域を設定し、その中にトレーサの三色画像１組の赤色トレーサ像と青色トレーサ像の少なくとも一部が収まっているものだけを有効トレーサの画像として抽出し、抽出した三色画像の組に対してラベリングする。
【００２４】
このように処理領域を設けているのは、始点を示す赤色画像の一部または終点を示す青色画像の一部が写っていないトレーサ像を画像処理の対象から除外し、始点，終点の位置検出の精度を上げるためである。図５，図６を用いてこの処理を説明する。
【００２５】
図５は、獲得した画像から有効トレーサの画像を選択する処理を説明する図である。獲得したＮ組のフィールド画像を三色重ねて示してある。図５において、５１，５２，５３，５４は、獲得した連続するフィールド画像を示し、５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａは、処理領域を示す。６１〜７０は、写ったトレーサの三色画像の組である。
【００２６】
図６は、選択した有効トレーサの画像の一例を示す図である。図６において、６２，６３，６５，６６，６８，６９，７０は、選択した有効トレーサの三色画像の組で図５における同一番号を付けたものに対応している。これらがラベリングされた三色画像の組となる。以上の処理は、獲得したＮ組のフィールド画像すべてについて実行する。
【００２７】
図７は、選択した有効トレーサの画像をフィールド間で接続する処理を説明する図である。すなわち、図６に示した有効トレーサの画像のみを時系列順に重ね合わせたフィールド連結画像であり、７１は１組目のみの画像を示し、７２は１組目と２組目の重ね合わせ画像を示し、７３は１組目から３組目の重ね合わせ画像を示し、７４は１組目から４組目までの重ね合わせ画像を示す。図７において、図５と同一番号を付けたものは、図５と同一の画像を表す。８１は画像６３，６５を重ね合わせた画像であり、８２は画像６３，６５，６６を重ね合わせた画像であり、８３は画像６３，６５，６６，６８を重ね合わせた画像である。
【００２８】
最初に、図６のフィールド画像７１について、ラベリングした個々のトレーサ画像のトレーサの移動量すなわち始点像（赤色画像）と終点像（青色画像）との距離が、一定値Ｌ以上かどうかを判定する。トレーサ移動量が小さい場合、１組のフィールド画像のみからでは、移動量を正確に求められないので、複数組のフィールド画像から正確な移動量を求めるためである。
【００２９】
図６では、画像６２で示されるトレーサのように、一組目のフィールド画像での移動量Ｌ１がＬ以上と判定されるトレーサは、一組目の始点像と終点像とから後述の数式１を用いて移動速度を算出する。画像６３に対応するトレーサのように、移動量Ｌ２がＬ未満と判定されるトレーサについては、２組目のフィールド画像７２で対応するトレーサ画像を抽出し、画像６３，６５を重ね合わせた画像８１について、１組目のフィールド画像における赤色トレーサ画像を始点像とし２組目のフィールド画像における緑色トレーサ画像を終点像として、その間の距離を算出し、前回と同様に判定する。
【００３０】
このとき、フィールド画像間のトレーサの対応づけは、連続するフィールド画像での個々のトレーサ像に注目すると、先のフィールド画像の青色画像と、後のフィールド画像の赤色画像の一部分とが重なることを利用して実行する。この画像の重なりは、連続するフィールド画像を獲得する間にシャッタが閉じている時間Ｔ４が短く、フィールド画像の切れ目でのトレーサ移動量が小さいために発生する。
【００３１】
図８は、選択した有効トレーサの画像をフィールド間で画像対応付けする処理を説明する図である。ここでは、フィールド画像間でのトレーサの対応づけのために、単純にフィールド画像中の緑色画像の重なりを利用せず、青色画像と赤色画像との重なりを利用する理由も、併せて説明する。図８（ａ），図８（ｂ）は、連続するフィールド画像の例である。図８（ｃ）は、これらのフィールド画像を重ね合わせた画像の例である。図８（ａ）のトレーサの画像を２００，２０１とし、図８（ｂ）のトレーサの画像を２０２，２０３とすると、図８（ｃ）において、トレーサの像２００は、トレーサの画像２０１と一部分重なるが、トレーサの画像２０３とも一部分重なる。したがって、単純にトレーサ像の重なりからだけでは、図８（ａ）のトレーサの画像２００が、図８（ｂ）の２０１につながるのか、図８（ｂ）の２０３につながるのを判断できない。
【００３２】
そこで、図８（ａ）のトレーサの画像２００の青色画像と、図８（ｂ）の赤色画像の重なりをみると、トレーサの画像２００とトレーサの画像２０１とが、同一トレーサの画像であることが判明する。このように、フィールド画像間でのトレーサの対応づけに、青色画像と赤色画像との重なりを利用すると、従来の単色画像でのフィールド間にまたがるトレーサ像と比べて、フィールド画像同士をより確実に対応付けできる。
【００３３】
図９は、フィールド間で画像対応付けする従来の処理の一例を説明する図である。従来の単色画像において連続する２つのフィールド画像を重ね合わせた結果である。トレーサの画像２５０と２５１とは、同一のトレーサに対応する像であり、端部で重なりがみられる。
【００３４】
図１０は、図９の従来の画像対応付け処理におけるトレーサ画像の明るさの変化を示す図である。図１０において、曲線２５３，２５４は、それぞれトレーサの画像２５０，２５１の流線にそったトレーサ像の明るさを示す。トレーサ像の端部は、トレーサの移動のために、露光時間が中央部分に比べて少ないので、暗くなる。明るさが徐々に暗くなる部分の長さは、トレーサが静止しているときの像の大きさＤとなる。また、先に述べたように、極わずかではあるが、連続するフィールド間でシャッタが閉じている時間が存在するため、重なり部の長さは、Ｄよりも小さくなっている。複数のフィールド間で同一トレーサに対するトレーサ像を対応づけるには、この暗くなった端部の重なりを利用することになり、信頼性が低い。例えば、バックグランド雑音との関係から、閾値を直線２５６のように設定したとすると、トレーサの画像に重なる部分がなくなり、対応がつかない。
【００３５】
これに対して、図１の本発明の実施例では、始点画像と終点画像が、極短時間の強力な照明による静止画像になるので、このような事態は発生せず、赤色画像と青色画像との信頼性の高い対応付けができる。
【００３６】
２組のフィールド画像間の処理によっても、赤色画像と青色画像との距離が小さすぎる場合、判定するトレーサの画像８１については、トレーサの画像８２，トレーサの画像８３のように、同様の処理を最大Ｎ回まで繰り返す。Ｎ回の繰り返しても、距離がＬを越えない場合は、移動距離としてＮ組のフィールド画像の連結処理により得られた移動量を採用する。
【００３７】
以上の説明では、Ｎ組のフィールド画像の最初の画像からトレーサを対応付けたが、途中の例えばＰ組目の画像からトレーサを対応付けることもできる。この場合、赤色画像と青色画像との距離がＬを越えるまで、最大Ｎ−Ｌ＋１枚の中で対応付け処理を繰り返す。
【００３８】
また、上記説明では、低速のトレーサ像の対応付けは、対応付けを始めた画像以降の画像すべてに亘りできることを前提としていた。しかし、Ｎ組のフィールド画像の連続するｍ組のみでしか対応付けできない場合もある。この場合、トレーサの対応付けで移動距離がＬを越えない場合には、予め定めた整数としてｍ＞Ｍのときのみ、画像データを流速計算に利用し、ｍ≦Ｍの場合は、画像データを流速計算に利用しないこともできる。この基準により、低速で移動するトレーサの移動量の測定精度を上げることが可能となる。対応付け作業により、移動距離がＬを越える高速のトレーサ像の場合は、このような制限は不要である。
【００３９】
図７においては、４回の繰り返しで一組目のフィールド画像７１の画像６３に対応するトレーサの画像８３の移動距離がＬ以上となるので、１組目の始点像と４組目の終点像とから、数式１を用いて、移動速度を算出する。
【００４０】
一般に、トレーサの移動速度は、利用したフィールド画像の組数をｎとして、
Ｖ＝Ｄ／｛ｎＴ０−（Ｔ１＋Ｔ３）／２｝ ……（１）
数式１から算出する。
【００４１】
本実施例では、フィールド画像内に処理領域を設定し、この中で互いに部分的に重なり合う赤色画像，緑色画像，青色画像の三色画像の組のみを画像処理に用いたので、一部分が視野外になって欠けたトレーサ画像を除外できる。この方式によれば、トレーサの始点位置，終点位置を正確に求めることができ、流速測定の精度が上がる。
【００４２】
また、トレーサ画像が数ピクセル以上の大きさとなるように光学系を設定したので、画像の大きさの識別により、雑音成分をトレーサ像から明確に区別し除去できる。
【００４３】
さらに、インタレース方式のビデオカメラを利用できるから、カメラ選択の自由度が大きく、計測対象に固有の光量，画角などの光学系に対する条件に柔軟に対応できるという利点がある。
【００４４】
本実施例では、始点像，流跡像，終点像を得るための光源として、それぞれ赤色光源，緑色光源，青色光源を用いたが、これらの色の組合せに測定原理上の制約はなく、もちろん可視光である必要もない。画像獲得用のカメラとして光源の色に対応した色成分に分解した画像信号を出力するカメラを使用する必要があるだけである。
【００４５】
図１１は、上記図２とは異なる三色光源の発光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。図１１に示すように、流跡像を得るための光源例えば緑色光源は、連続発光する光源でもよいことは、本発明の原理から明らかである。
【００４６】
また、画像獲得用のカメラとして、インタレース方式のカメラを使用したが、ノンインタレース方式のカメラを使用することも可能である。
【００４７】
さらに、流速が小さくトレーサの移動速度が小さい場合は、トレーサの移動量にかかわらず、Ｎ組の画像のうち注目するトレーサの像が写っているすべての画像を用いて、トレーサ画像を対応付けることも可能である。
【００４８】
なお、図５〜図７の画像６９のように途中から視野に入ってきたトレーサ画像を処理対象とすることもできる。この場合は、Ｎ組の画像の各組において新たに視野に入ったトレーサ画像を順次処理対象に加えていく。このようにすると、測定対象となるトレーサの数が多くなるので、流速の空間分布をより精密に計測できる。
【００４９】
図１２は、図１の流速計測装置に用いる三色光源の他の構成の一例を示す図である。ＬＥＤ三色光源１００は、基盤１０１上に、同じ色が隣接しないように赤色ＬＥＤ１０２，緑色ＬＥＤ１０３，青色ＬＥＤ１０４を交互に並べた光源であり、ＬＥＤ光源ドライバ１０５により駆動される。このように三色のＬＥＤを交互に並べた光源を用いて照明すると、観測領域を各色一様な明るさで照明できることになる。もちろん、発光する光が可視光に限られないことは、上記実施例で既に述べた通りである。
【００５０】
図１３は、図１の流速計測装置に用いる三色光源の別の構成の一例を示す図である。三分岐ファイバ束１１０の三つに分岐した部分は、それぞれ、複数の心線１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃからなる。三分岐ファイバの分岐側のファイバ束１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃには、緑色光源１１２，青色光源１１６，赤色光源１２０からの出射光が入射する。三分岐ファイバの反対側では、緑色光源１１２，青色光源１１６，赤色光源１２０からの出射光を導く心線が、互いに隣接しないように、密に配列されている。緑色光源１１２は、キセノン光源１１３と、緑色フィルタ１１４と、レンズ１１５とからなり、出射光は、三分岐ファイバの分岐部１１０ａに入射される。青色光源１１６は、キセノン光源１１７と、青色フィルタ１１８と、レンズ１１９とからなり、出射光は、三分岐ファイバの分岐部１１０ｂに入射される。赤色光源１２０は、複数の赤色ＬＥＤ１２１からなり、一個のＬＥＤからの出射光が、三分岐ファイバの分岐部１１０ｃの１本の心線に入射するように配置されている。光源ドライバ１２２は、緑色光源１１２を始点画像用光源として、青色光源１１６を終点画像用光源として、赤色光源１２０を流跡画像用光源として、所定のタイミングで駆動する。
【００５１】
このように、三分岐ファイバ束を用いると、図１２のＬＥＤを交互に並べた光源よりも、更に密に配列でき、明るさの一様性も向上する。なお、光源１１２，１１６のキセノン光源１１３，１１７は、緑色ＬＥＤ，青色ＬＥＤを用いて、赤色ＬＥＤ１２１と同様な構造としてもよい。このように、三色光源として、基本的なＬＥＤの他に、レーザ，キセノンランプ，ハロゲンランプなど光量の多い光源を自由に組み合わせて利用できるという利点もある。
【００５２】
図１３の三色光源において、赤色を出射するファイバの心線，緑色を出射するファイバの心線，青色を出射するファイバの心線は、互いに隣接しないように配列したが、心線の数が非常に多い場合は、ランダムな配列でもよい。図１３の光源の場合も、発光する光が可視光に限られないことは、上記実施例で既に述べた通りである。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、流速の大きい領域では、１組の画像データから注目するトレーサの始点像と終点像とが十分分離して得られるので、流速を精度良く求めることができる。一方、流速の小さい領域では、１組の画像データにおける始点画像と終点画像とは、重なってしまうので、１組の画像データのみからは、流速を精度良く求めることができないが、Ｎ組の連続する画像データを用い、終点像と始点像との重なりを利用し、注目するトレーサを追跡すると、十分分離した始点画像と終点画像とが得られ、測定精度も向上する。
【００５４】
また、１組の画像獲得のための露光時間を短くできるので、低速時の長時間露光によるハレーションの問題や、逆に高速時のトレーサ像の光量不足の問題も発生しない。さらに、始点像，終点像を得るための光源強度に比べて、流跡像を得るための光源強度を小さくしたので、露光のアンバランスによるハレーションも発生しない。
【００５５】
さらに、トレーサの移動が直線とみなせる時間範囲のみで、トレーサ像の対応付けが可能となるので、トレーサ速度の算出精度が向上する。
【００５６】
流速に分布がある場合でも、正確な流速測定が可能となる。すなわち、移動速度の速いトレーサについては、トレーサ像を追跡し過ぎて速度検出の精度が低下することがない。一方、移動速度の遅いトレーサについては、多数の画像についてトレーサ像を追跡するので、速度検出精度の低下を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による流速計測装置の一実施例の系統構成を示すブロック図である。
【図２】図１の流速計測装置における画像取り込みのタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図３】図１の流速計測装置において獲得した画像の一例を示す図である。
【図４】図１の流速計測装置における画像処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】獲得した画像から有効トレーサの画像を選択する処理を説明する図である。
【図６】選択した有効トレーサの画像の一例を示す図である。
【図７】選択した有効トレーサの画像をフィールド間で接続する処理を説明する図である。
【図８】選択した有効トレーサの画像をフィールド間で画像対応付けする処理を説明する図である。
【図９】フィールド間で画像対応付けする従来の処理の一例を説明する図である。
【図１０】図９の従来の画像対応付けする処理におけるトレーサ画像の明るさの変化を示す図である。
【図１１】図２とは異なる三色光源の発光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図１２】図１の流速計測装置に用いる三色光源の他の構成の一例を示す図である。
【図１３】図１の流速計測装置に用いる三色光源の別の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 流体
１ａ 流体１の流れを示す流線
１ｂ 流体１の渦
２ 翼
３ トレーサ
４ 三色光源
５ 赤色光源
６ 緑色光源
７ 青色光源
８ 光源ドライバ
９ カラーＣＣＤカメラ
１０ タイミングトリガ発生装置
１１ 画像取り込み回路
１２ 記憶装置
１３ 画像処理装置
３０ トレーサ
３０ａ 赤色画像
３０ｂ 緑色画像
３０ｃ 青色画像
５１ フィールド画像
５１ａ 処理領域
５２ フィールド画像
５２ａ 処理領域
５３ フィールド画像
５３ａ 処理領域
５４ フィールド画像
５４ａ 処理領域
６１ 三色画像の組
６２ 有効トレーサの三色画像の組
６３ 有効トレーサの三色画像の組
６４ 三色画像の組
６５ 有効トレーサの三色画像の組
６６ 有効トレーサの三色画像の組
６７ 三色画像の組
６８ 有効トレーサの三色画像の組
６９ 三色画像の組
７０ 有効トレーサの三色画像の組
７１ フィールド連結画像
７２ フィールド連結画像
７３ フィールド連結画像
７４ フィールド連結画像
８１ 重ね合わせ画像
８２ 重ね合わせ画像
８３ 重ね合わせ画像
１００ ＬＥＤ三色光源
１０１ 基板
１０２ 赤色ＬＥＤ
１０３ 緑色ＬＥＤ
１０４ 青色ＬＥＤ
１０５ ＬＥＤ光源ドライバ
１１０ 三分岐ファイバ束
１１０ａ 三分岐ファイバの分岐側のファイバ束
１１０ｂ 三分岐ファイバの分岐側のファイバ束
１１０ｃ 三分岐ファイバの分岐側のファイバ束
１１２ 緑色光源
１１３ キセノン光源
１１４ 緑色フィルタ
１１５ レンズ
１１６ 青色光源
１１７ キセノン光源
１１８ 青色フィルタ
１１９ レンズ
１２０ 赤色光源
１２１ 赤色ＬＥＤ
１２２ 光源ドライバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の一部または全体の移動速度を高精度に測定する流速計測方法および流速計測装置に係り、特に、流速の大小にかかわらず、流速を精度良く求めることができる流速計測手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の移動速度を非接触で測定する方法として、トレーサすなわち目印となる物体を流体に混合し、その動きを追跡するトレーサ追跡方法がある。
【０００３】
トレーサ追跡方法の第１の例としては、例えば特開平４−２４０５６５号公報に記載されているように、互いに波長の異なる２色の光を利用する方法がある。まず、第１の光で、動いているトレーサ像が静止画像として取得できるくらい極く短時間照明するとともに、同時に発光開始した第２の光で比較的長い一定時間Ｔａだけ照明する。このときのトレーサ像をカラーカメラで撮影し、取得画像のうち第１の光による像から始点を得て、第２の光による像から流跡を得て、これのデータに基づいて一定時間内に移動した距離から速度を求める。
【０００４】
トレーサ追跡方法の第２の例としては、例えば特開平８−１２２３５４号公報に記載されているように、互いに波長の異なる３色の光で照明する。第１の光と第３の光とは、極く短時間発光させ、第２の光は、比較的長い時間発光させる。このとき、第１の光と第２の光とが同時に発光を開始し、しかも、第２の光と第３の光とが同時に発光を終了するように、発光のタイミングを制御する。そのトレーサ像をカラーカメラで撮影し、取得画像のうち第１の光による像から始点を得て、第２の光による像から流跡を得て、第３の画像から終点を得て、トレーサが一定時間内に移動した距離から流体の速度を求める。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１の従来例では、トレーサ像の大きさが変化する場合、例えば、トレーサがカメラから遠ざかる場合には、流跡画像が徐々に細くなり、流跡画像の終点位置を正確に求めることが困難となる。また、乱流など流体の流速に極端な分布がある場合、大きく移動するトレーサがある一方で、ほとんど移動しないトレーサも存在し、流速の小さい領域における測定が不正確になる。この場合に、測定精度を上げるために時間Ｔａを長くとると、長時間露光となり、ハレーションを起こす。また、ハレーションを生じさせないように照明の明るさを落とすと、流速の大きい領域のトレーサ像が暗くなる。さらに、乱流を測定対象とする場合、流跡像が長くなると、画像が重なる確率が高くなる。流跡画像が重なると、始点と流跡とを一義的に結び付けることができないので、トレーサ密度を下げる必要が生じる。したがって、流れの様子を詳細には把握できない。
【０００６】
上記第２の従来例では、始点と終点とが静止画像として取得されており、トレーサ像の大きさが変化することによる位置決め精度の低下はないが、流速分布があると、低流速領域での測定精度が悪くなる。また、長時間露光時のハレーションおよび流跡画像の重なりの問題は、依然として残っている。
【０００７】
本発明の目的は、流速の大小にかかわらず、長時間露光によるハレーションの問題や流跡の重なりの問題を招かずに、流速を精度良く求めることができる流速計測方法および流速計測装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、トレーサを測定対象の流体に含ませ、トレーサを含む流体を画像取得装置の露光時間内に所定の時間間隔で間欠照明し、取得画像からトレーサの移動量を計算し流体の流速を求める方法において、第１，第２，第３の光による３枚１組の画像を取得する所定露光時間の露光開始直後に第１の波長の光をパルス発光させ、露光終了直前に第２の波長の光をパルス発光させ、第３の波長の光を少なくとも第１の光の発光直後から第２の光の発光直前まで連続発光させることを繰り返しながら複数組の画像を連続的に取得し、得られた複数組の画像のひと組の中のトレーサの画像のうち第１の光，第２の光，第３の光によるトレーサの画像が少なくとも部分的に重なり合うトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付け、かつ、第ｊ組目の画像とｊ＋１組目の画像について、第ｊ組目の画像内のトレーサの画像のうち第２の光によるトレーサの画像が第ｊ＋１組目の画像内の第１の光によるトレーサの画像と少なくとも部分的に重なるトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付けることを繰り返し、第ｍ組の画像における第１の光によるトレーサの画像と第ｎ組（ｍ＜ｎ）の画像における第２の光によるトレーサの画像の像面上での距離をｍ組とｎ組の画像間のトレーサ移動距離とし、第ｍ組目と第ｎ組目の画像間でのトレーサ移動距離を算出し、当該トレーサ移動距離と移動するに要した時間とから流速を算出する流速計測方法を提案する。
【０００９】
取得画像間のトレーサを所定数Ｎ組の画像間で対応付けし、Ｎ組の画像のすべてにトレーサの画像がある場合には、Ｎ組の最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出し、Ｎ組の画像の一部の連続する組にトレーサの画像がある場合には、その最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出することができる。
【００１０】
また、取得画像間のトレーサの対応付けは、Ｎ組の画像間の対応付けでトレーサの移動距離が一定値Ｌを越える場合には、対応付けを開始した組とトレーサの移動距離が最初にＬを越えた組までの移動距離から流速を算出し、Ｌを越えない場合でＮ組の画像のすべてにトレーサの画像がある場合には、Ｎ組の最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出し、Ｌを越えない場合でＮ組の画像の一部の連続するｍ組に前記トレーサの画像がある場合には、Ｍを所定の整数としてｍ＞Ｍのときのみ、その最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出するようにしてもよい。
【００１１】
いずれの流速計測方法においても、取得画像の視野内に少なくとも第１の光，第３の光によるトレーサの画像が完全に入る幅だけ視野外縁よりも内側に処理領域を設け、処理領域に少なくともその一部が含まれるトレーサ画像のみを処理の対象とすることが望ましい。
【００１２】
本発明は、また、上記目的を達成するために、測定対象流体中のトレーサと、トレーサで散乱される光を波長によって選別し各波長ごとの画像として連続的に取得する画像取得手段と、画像取得手段が三波長画像を取得する所定の露光時間内に、露光開始直後に第１の光をパルス発光させ、露光終了直前に第２の光をパルス発光させ、少なくとも第１の光の発光直後に発光開始し第２の光の発光直前まで第３の光を発光を連続発光させる光源駆動回路と光源駆動回路によって駆動され波長の互いに異なる３種類の光を発する一組の三色光源と、画像取得手段により取得された複数組の連続画像１組の中のトレーサの画像のうち第１の光，第２の光，第３の光によるトレーサの画像が少なくとも部分的に重なり合うトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付け、かつ、第ｊ組目の画像とｊ＋１組目の画像について、第ｊ組目の画像内のトレーサの画像のうち第２の光によるトレーサの画像が第ｊ＋１組目の画像内の第１の光によるトレーサの画像と少なくとも部分的に重なるトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付けることを繰り返し、第ｍ組の画像における第１の光によるトレーサの画像と第ｎ組（ｍ＜ｎ）の画像における第２の光によるトレーサの画像の像面上での距離をｍ組とｎ組の画像間のトレーサ移動距離として、第ｍ組目と第ｎ組目の画像間のトレーサ移動距離を算出し、これと移動するに要した時間から流速を算出する画像処理装置とからなる流速計測装置を提案する。
【００１３】
前記三色光源は、波長の異なる第１の光，第２の光，第３の光を発する光源と光源からの３種の光を伝える少なくとも３本の芯線からなるファイバ束とからなり、３種の光を伝えるファイバの心線が、ファイバ束の出口において互いに局在することなく密に並んでいるようにすることができる。
【００１４】
本発明においては、動画用カラーカメラを用いて、１組が赤色画像と緑色画像と青色画像とからなるトレーサ画像を連続的に取得する。このとき、露光開始直後で始点画像を取得し、終了直前で終点画像を取得するように、トレーサ照明用３色光源の発光タイミングを調節しながら、連続的に複数組のトレーサ画像を取得する。その後、複数組のトレーサ画像をつなぎ合わせて観測トレーサを追跡する。
このようにすると、流速の大きい領域では、注目するトレーサの始点像と終点像とが十分分離して得られるので、１組のトレーサ画像から流速を求めることができる。
一方、流速の小さい領域では、１組のトレーサ画像における始点画像と終点画像とは、重なってしまうので、流速を精度よく求めることはできない。しかし、Ｎ組の連続するトレーサ画像を用い、注目するトレーサについて始点像，流跡像，終点像を取り出し、それらを順次重ね合わせると、十分分離した始点画像と終点画像とが得られる。流速が小さい領域では、隣り合う組の画像において、先の組の画像でのシャッタが閉じる直前のトレーサの位置すなわち終点像の位置と、後の組の画像でのシャッタが開いた直後のトレーサの位置すなわち始点像の位置とは、ほとんど変化しないので、異なる組のトレーサ像を対応付け、次々に接続していくことができる。
トレーサ画像の各組を取得する露光時間を短くできるので、長時間露光によるハレーションの問題も、流跡の重なりの問題も、発生しない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による流速計測装置の一実施例の系統構成を示すブロック図である。本実施例の場合、流速の計測対象である流体１の流れを示す流線１ａは、流体１中に設置された翼２の後部において、不安定な渦１ｂを巻いている。トレーサ３は、流体１の流線１ａに沿って移動する。三色光源４は、赤色光源５と、緑色光源６と、青色光源７とからなる。光源ドライバ８は、出力信号ａで赤色光源５を駆動し、出力信号ｂで緑色光源６を駆動し、出力信号ｃで青色光源７を駆動し、三色光源４を後述のタイミングで発光させる。
【００１６】
インタレース方式のカラーＣＣＤカメラ９は、三色光源４で照明されたトレーサ３のカラー画像をフィールド画像として連続的に獲得し、色別の画像信号を出力する。写ったトレーサ画像の大きさが、数ピクセル以上となるように、カラーＣＣＤカメラ９の光学系を設定しておく。タイミングトリガ発生装置１０は、光源ドライバ８の発光タイミングトリガ信号と、カラーＣＣＤカメラ９の露光タイミングトリガ信号と、画像取り込み回路１１の取り込みタイミングトリガ信号とを出力する。画像取り込み回路１１は、カラーＣＣＤカメラ９からの色別出力信号を取り込む。記録装置１２は、画像取り込み回路１１から画像信号を受け取り記録する。画像処理装置１３は、記録装置１２から画像信号を受け取り、後述の二値化処理などの流速計測に必要な画像処理を実行する。
【００１７】
次に、図１の流速計測装置の動作を説明する。流体１中にトレーサ３を混入すると、トレーサ３が、流体１の流れに乗って移動する。この流体１中のトレーサ３を三色光源４で照明し、カラーＣＣＤカメラ９でトレーサ３のカラー動画像として撮影し、画像取り込み回路１１により、画像処理装置１２に取り込む。
【００１８】
図２は、図１の流速計測装置における画像取り込みのタイミングの一例を示すタイミングチャートである。図２（ａ）は、タイミングトリガ発生装置１０の出力信号である。図２（ｂ）は、光源ドライバ８から赤色光源５へのドライブ出力信号であり、図２（ｃ）は、緑色光源６へのドライブ出力信号であり、図２（ｄ）は、青色光源７へのドライブ出力信号である。図２（ｅ）は、カラーＣＣＤカメラ９のシャッタの開閉タイミングであり、図２（ｆ）は、画像取り込み装置１１の画像取り込みタイミングである。
【００１９】
タイミングトリガ発生装置１０の出力信号は、時間間隔Ｔ０で周期的にトリガパルス列を発生させる。光源ドライバ８は、タイミングトリガ発生装置１０からのトリガパルスが入力した直後に、パルス幅Ｔ１のａパルスを赤色光源５に出力し、同じタイミングでパルス幅Ｔ２のｂパルスを緑色光源６に出力し、パルスの入力からＴ２−Ｔ３後のタイミングでパルス幅Ｔ３のｃパルスを青色光源７に出力する。ここで、時間Ｔ１，Ｔ３は、それぞれの時間Ｔ１，Ｔ３の間のトレーサ３の移動量が小さく、トレーサ３が静止して見え、かつ、画像獲得に十分な光量が得られる時間に設定する。時間Ｔ２は、時間Ｔ１，Ｔ３よりも大きく設定する。赤色光源５および青色光源７の発光強度は、緑色光源６の強度よりも大きくなるように設定する。緑色光源の発光時間Ｔ２が、赤色光源，青色光源の発光時間Ｔ１，Ｔ３より長く、同じ強度で発光させると、過露光となり、ハレーションが発生するからである。
【００２０】
カラーＣＣＤカメラ９は、タイミングトリガ発生装置１０の出力パルスが入力した直後から時間Ｔ２だけシャッタを開け、フィールド画像を獲得する。シャッタは、その後に極く短時間Ｔ４だけ一旦閉じ、タイミングトリガ発生装置１０の出力パルスを受けて、再度開く。時間Ｔ０，Ｔ２，Ｔ４には、Ｔ０＝Ｔ２＋Ｔ４の関係がある。
【００２１】
画像取り込み回路１１は、カラーＣＣＤカメラ９で獲得したフィールド画像をシャッタが閉じた直後から時間Ｔ５の間に取り込む。画像取り込み回路１１は、このような一連のタイミングで、フィールド画像をＮ組取り込み、記録装置１２に順次記録する。
【００２２】
図３は、図１の流速計測装置において獲得した画像の一例を示す図である。赤色画像，緑色画像，青色画像からなる１組のフィールド画像は、個々のトレーサについて、赤色静止画像および青色静止画像と、一部分がそれら赤色静止画像または青色静止画像と重なりつつその間を結ぶ緑色画像とを含んでいる。図３は、三色のフィールド画像を重ねて表示している。フィールド画像中の一つのトレーサ３０に注目すると、赤色の照明は緑色の照明よりも先になされているので、時間Ｔ２の間に、赤色画像３０ａの位置から青色画像３０ｃの位置まで、緑色画像３０ｂで示される流跡を移動したことが分かる。赤色画像３０ａは、トレーサの始点を示すので、始点像と呼び、緑色画像３０ｂは、流跡を示すので、流跡像と呼び、青色画像３０ｃは、終点を示すので、終点像と呼ぶ。これら３つの画像を１つのトレーサに対応するトレーサ画像の組とする。以後、この１組３色の画像を三色画像という。なお、獲得画像が櫛歯上になっているのは、画像がインタレース方式のフィールド画像だからである。このようにして取り込み記録したＮ組のフィールド画像を画像処理し、トレーサの移動速度を求める。
【００２３】
図４は、図１の流速計測装置における画像処理の手順を示すフローチャートである。まず、色別に閾値を設定して、色別のフィールド画像を二値化する。このフィールド画像は、図２に示したように櫛歯状なので、膨張縮小処理により欠落部分のデータを補う。さらに、トレーサ画像が数ピクセル以上の大きさを持つことを利用し、それ以下の大きさの画像を雑音と見なし、暗電流雑音などにより生じた画像雑音を除去する。次に、画面の中にトレーサ像の大きさ分プラスアルファだけ小さめの処理領域を設定し、その中にトレーサの三色画像１組の赤色トレーサ像と青色トレーサ像の少なくとも一部が収まっているものだけを有効トレーサの画像として抽出し、抽出した三色画像の組に対してラベリングする。
【００２４】
このように処理領域を設けているのは、始点を示す赤色画像の一部または終点を示す青色画像の一部が写っていないトレーサ像を画像処理の対象から除外し、始点，終点の位置検出の精度を上げるためである。図５，図６を用いてこの処理を説明する。
【００２５】
図５は、獲得した画像から有効トレーサの画像を選択する処理を説明する図である。獲得したＮ組のフィールド画像を三色重ねて示してある。図５において、５１，５２，５３，５４は、獲得した連続するフィールド画像を示し、５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａは、処理領域を示す。６１〜７０は、写ったトレーサの三色画像の組である。
【００２６】
図６は、選択した有効トレーサの画像の一例を示す図である。図６において、６２，６３，６５，６６，６８，６９，７０は、選択した有効トレーサの三色画像の組で図５における同一番号を付けたものに対応している。これらがラベリングされた三色画像の組となる。以上の処理は、獲得したＮ組のフィールド画像すべてについて実行する。
【００２７】
図７は、選択した有効トレーサの画像をフィールド間で接続する処理を説明する図である。すなわち、図６に示した有効トレーサの画像のみを時系列順に重ね合わせたフィールド連結画像であり、７１は１組目のみの画像を示し、７２は１組目と２組目の重ね合わせ画像を示し、７３は１組目から３組目の重ね合わせ画像を示し、７４は１組目から４組目までの重ね合わせ画像を示す。図７において、図５と同一番号を付けたものは、図５と同一の画像を表す。８１は画像６３，６５を重ね合わせた画像であり、８２は画像６３，６５，６６を重ね合わせた画像であり、８３は画像６３，６５，６６，６８を重ね合わせた画像である。
【００２８】
最初に、図６のフィールド画像７１について、ラベリングした個々のトレーサ画像のトレーサの移動量すなわち始点像（赤色画像）と終点像（青色画像）との距離が、一定値Ｌ以上かどうかを判定する。トレーサ移動量が小さい場合、１組のフィールド画像のみからでは、移動量を正確に求められないので、複数組のフィールド画像から正確な移動量を求めるためである。
【００２９】
図６では、画像６２で示されるトレーサのように、一組目のフィールド画像での移動量Ｌ１がＬ以上と判定されるトレーサは、一組目の始点像と終点像とから後述の数式１を用いて移動速度を算出する。画像６３に対応するトレーサのように、移動量Ｌ２がＬ未満と判定されるトレーサについては、２組目のフィールド画像７２で対応するトレーサ画像を抽出し、画像６３，６５を重ね合わせた画像８１について、１組目のフィールド画像における赤色トレーサ画像を始点像とし２組目のフィールド画像における緑色トレーサ画像を終点像として、その間の距離を算出し、前回と同様に判定する。
【００３０】
このとき、フィールド画像間のトレーサの対応づけは、連続するフィールド画像での個々のトレーサ像に注目すると、先のフィールド画像の青色画像と、後のフィールド画像の赤色画像の一部分とが重なることを利用して実行する。この画像の重なりは、連続するフィールド画像を獲得する間にシャッタが閉じている時間Ｔ４が短く、フィールド画像の切れ目でのトレーサ移動量が小さいために発生する。
【００３１】
図８は、選択した有効トレーサの画像をフィールド間で画像対応付けする処理を説明する図である。ここでは、フィールド画像間でのトレーサの対応づけのために、単純にフィールド画像中の緑色画像の重なりを利用せず、青色画像と赤色画像との重なりを利用する理由も、併せて説明する。図８（ａ），図８（ｂ）は、連続するフィールド画像の例である。図８（ｃ）は、これらのフィールド画像を重ね合わせた画像の例である。図８（ａ）のトレーサの画像を２００，２０１とし、図８（ｂ）のトレーサの画像を２０２，２０３とすると、図８（ｃ）において、トレーサの像２００は、トレーサの画像２０１と一部分重なるが、トレーサの画像２０３とも一部分重なる。したがって、単純にトレーサ像の重なりからだけでは、図８（ａ）のトレーサの画像２００が、図８（ｂ）の２０１につながるのか、図８（ｂ）の２０３につながるのを判断できない。
【００３２】
そこで、図８（ａ）のトレーサの画像２００の青色画像と、図８（ｂ）の赤色画像の重なりをみると、トレーサの画像２００とトレーサの画像２０１とが、同一トレーサの画像であることが判明する。このように、フィールド画像間でのトレーサの対応づけに、青色画像と赤色画像との重なりを利用すると、従来の単色画像でのフィールド間にまたがるトレーサ像と比べて、フィールド画像同士をより確実に対応付けできる。
【００３３】
図９は、フィールド間で画像対応付けする従来の処理の一例を説明する図である。従来の単色画像において連続する２つのフィールド画像を重ね合わせた結果である。トレーサの画像２５０と２５１とは、同一のトレーサに対応する像であり、端部で重なりがみられる。
【００３４】
図１０は、図９の従来の画像対応付け処理におけるトレーサ画像の明るさの変化を示す図である。図１０において、曲線２５３，２５４は、それぞれトレーサの画像２５０，２５１の流線にそったトレーサ像の明るさを示す。トレーサ像の端部は、トレーサの移動のために、露光時間が中央部分に比べて少ないので、暗くなる。明るさが徐々に暗くなる部分の長さは、トレーサが静止しているときの像の大きさＤとなる。また、先に述べたように、極わずかではあるが、連続するフィールド間でシャッタが閉じている時間が存在するため、重なり部の長さは、Ｄよりも小さくなっている。複数のフィールド間で同一トレーサに対するトレーサ像を対応づけるには、この暗くなった端部の重なりを利用することになり、信頼性が低い。例えば、バックグランド雑音との関係から、閾値を直線２５６のように設定したとすると、トレーサの画像に重なる部分がなくなり、対応がつかない。
【００３５】
これに対して、図１の本発明の実施例では、始点画像と終点画像が、極短時間の強力な照明による静止画像になるので、このような事態は発生せず、赤色画像と青色画像との信頼性の高い対応付けができる。
【００３６】
２組のフィールド画像間の処理によっても、赤色画像と青色画像との距離が小さすぎる場合、判定するトレーサの画像８１については、トレーサの画像８２，トレーサの画像８３のように、同様の処理を最大Ｎ回まで繰り返す。Ｎ回の繰り返しても、距離がＬを越えない場合は、移動距離としてＮ組のフィールド画像の連結処理により得られた移動量を採用する。
【００３７】
以上の説明では、Ｎ組のフィールド画像の最初の画像からトレーサを対応付けたが、途中の例えばＰ組目の画像からトレーサを対応付けることもできる。この場合、赤色画像と青色画像との距離がＬを越えるまで、最大Ｎ−Ｌ＋１枚の中で対応付け処理を繰り返す。
【００３８】
また、上記説明では、低速のトレーサ像の対応付けは、対応付けを始めた画像以降の画像すべてに亘りできることを前提としていた。しかし、Ｎ組のフィールド画像の連続するｍ組のみでしか対応付けできない場合もある。この場合、トレーサの対応付けで移動距離がＬを越えない場合には、予め定めた整数としてｍ＞Ｍのときのみ、画像データを流速計算に利用し、ｍ≦Ｍの場合は、画像データを流速計算に利用しないこともできる。この基準により、低速で移動するトレーサの移動量の測定精度を上げることが可能となる。対応付け作業により、移動距離がＬを越える高速のトレーサ像の場合は、このような制限は不要である。
【００３９】
図７においては、４回の繰り返しで一組目のフィールド画像７１の画像６３に対応するトレーサの画像８３の移動距離がＬ以上となるので、１組目の始点像と４組目の終点像とから、数式１を用いて、移動速度を算出する。
【００４０】
一般に、トレーサの移動速度は、利用したフィールド画像の組数をｎとして、
Ｖ＝Ｄ／｛ｎＴ０−（Ｔ１＋Ｔ３）／２｝ ……（１）
数式１から算出する。
【００４１】
本実施例では、フィールド画像内に処理領域を設定し、この中で互いに部分的に重なり合う赤色画像，緑色画像，青色画像の三色画像の組のみを画像処理に用いたので、一部分が視野外になって欠けたトレーサ画像を除外できる。この方式によれば、トレーサの始点位置，終点位置を正確に求めることができ、流速測定の精度が上がる。
【００４２】
また、トレーサ画像が数ピクセル以上の大きさとなるように光学系を設定したので、画像の大きさの識別により、雑音成分をトレーサ像から明確に区別し除去できる。
【００４３】
さらに、インタレース方式のビデオカメラを利用できるから、カメラ選択の自由度が大きく、計測対象に固有の光量，画角などの光学系に対する条件に柔軟に対応できるという利点がある。
【００４４】
本実施例では、始点像，流跡像，終点像を得るための光源として、それぞれ赤色光源，緑色光源，青色光源を用いたが、これらの色の組合せに測定原理上の制約はなく、もちろん可視光である必要もない。画像獲得用のカメラとして光源の色に対応した色成分に分解した画像信号を出力するカメラを使用する必要があるだけである。
【００４５】
図１１は、上記図２とは異なる三色光源の発光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。図１１に示すように、流跡像を得るための光源例えば緑色光源は、連続発光する光源でもよいことは、本発明の原理から明らかである。
【００４６】
また、画像獲得用のカメラとして、インタレース方式のカメラを使用したが、ノンインタレース方式のカメラを使用することも可能である。
【００４７】
さらに、流速が小さくトレーサの移動速度が小さい場合は、トレーサの移動量にかかわらず、Ｎ組の画像のうち注目するトレーサの像が写っているすべての画像を用いて、トレーサ画像を対応付けることも可能である。
【００４８】
なお、図５〜図７の画像６９のように途中から視野に入ってきたトレーサ画像を処理対象とすることもできる。この場合は、Ｎ組の画像の各組において新たに視野に入ったトレーサ画像を順次処理対象に加えていく。このようにすると、測定対象となるトレーサの数が多くなるので、流速の空間分布をより精密に計測できる。
【００４９】
図１２は、図１の流速計測装置に用いる三色光源の他の構成の一例を示す図である。ＬＥＤ三色光源１００は、基盤１０１上に、同じ色が隣接しないように赤色ＬＥＤ１０２，緑色ＬＥＤ１０３，青色ＬＥＤ１０４を交互に並べた光源であり、ＬＥＤ光源ドライバ１０５により駆動される。このように三色のＬＥＤを交互に並べた光源を用いて照明すると、観測領域を各色一様な明るさで照明できることになる。もちろん、発光する光が可視光に限られないことは、上記実施例で既に述べた通りである。
【００５０】
図１３は、図１の流速計測装置に用いる三色光源の別の構成の一例を示す図である。三分岐ファイバ束１１０の三つに分岐した部分は、それぞれ、複数の心線１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃからなる。三分岐ファイバの分岐側のファイバ束１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃには、緑色光源１１２，青色光源１１６，赤色光源１２０からの出射光が入射する。三分岐ファイバの反対側では、緑色光源１１２，青色光源１１６，赤色光源１２０からの出射光を導く心線が、互いに隣接しないように、密に配列されている。緑色光源１１２は、キセノン光源１１３と、緑色フィルタ１１４と、レンズ１１５とからなり、出射光は、三分岐ファイバの分岐部１１０ａに入射される。青色光源１１６は、キセノン光源１１７と、青色フィルタ１１８と、レンズ１１９とからなり、出射光は、三分岐ファイバの分岐部１１０ｂに入射される。赤色光源１２０は、複数の赤色ＬＥＤ１２１からなり、一個のＬＥＤからの出射光が、三分岐ファイバの分岐部１１０ｃの１本の心線に入射するように配置されている。光源ドライバ１２２は、緑色光源１１２を始点画像用光源として、青色光源１１６を終点画像用光源として、赤色光源１２０を流跡画像用光源として、所定のタイミングで駆動する。
【００５１】
このように、三分岐ファイバ束を用いると、図１２のＬＥＤを交互に並べた光源よりも、更に密に配列でき、明るさの一様性も向上する。なお、光源１１２，１１６のキセノン光源１１３，１１７は、緑色ＬＥＤ，青色ＬＥＤを用いて、赤色ＬＥＤ１２１と同様な構造としてもよい。このように、三色光源として、基本的なＬＥＤの他に、レーザ，キセノンランプ，ハロゲンランプなど光量の多い光源を自由に組み合わせて利用できるという利点もある。
【００５２】
図１３の三色光源において、赤色を出射するファイバの心線，緑色を出射するファイバの心線，青色を出射するファイバの心線は、互いに隣接しないように配列したが、心線の数が非常に多い場合は、ランダムな配列でもよい。図１３の光源の場合も、発光する光が可視光に限られないことは、上記実施例で既に述べた通りである。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、流速の大きい領域では、１組の画像データから注目するトレーサの始点像と終点像とが十分分離して得られるので、流速を精度良く求めることができる。一方、流速の小さい領域では、１組の画像データにおける始点画像と終点画像とは、重なってしまうので、１組の画像データのみからは、流速を精度良く求めることができないが、Ｎ組の連続する画像データを用い、終点像と始点像との重なりを利用し、注目するトレーサを追跡すると、十分分離した始点画像と終点画像とが得られ、測定精度も向上する。
【００５４】
また、１組の画像獲得のための露光時間を短くできるので、低速時の長時間露光によるハレーションの問題や、逆に高速時のトレーサ像の光量不足の問題も発生しない。さらに、始点像，終点像を得るための光源強度に比べて、流跡像を得るための光源強度を小さくしたので、露光のアンバランスによるハレーションも発生しない。
【００５５】
さらに、トレーサの移動が直線とみなせる時間範囲のみで、トレーサ像の対応付けが可能となるので、トレーサ速度の算出精度が向上する。
【００５６】
流速に分布がある場合でも、正確な流速測定が可能となる。すなわち、移動速度の速いトレーサについては、トレーサ像を追跡し過ぎて速度検出の精度が低下することがない。一方、移動速度の遅いトレーサについては、多数の画像についてトレーサ像を追跡するので、速度検出精度の低下を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による流速計測装置の一実施例の系統構成を示すブロック図である。
【図２】図１の流速計測装置における画像取り込みのタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図３】図１の流速計測装置において獲得した画像の一例を示す図である。
【図４】図１の流速計測装置における画像処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】獲得した画像から有効トレーサの画像を選択する処理を説明する図である。
【図６】選択した有効トレーサの画像の一例を示す図である。
【図７】選択した有効トレーサの画像をフィールド間で接続する処理を説明する図である。
【図８】選択した有効トレーサの画像をフィールド間で画像対応付けする処理を説明する図である。
【図９】フィールド間で画像対応付けする従来の処理の一例を説明する図である。
【図１０】図９の従来の画像対応付けする処理におけるトレーサ画像の明るさの変化を示す図である。
【図１１】図２とは異なる三色光源の発光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図１２】図１の流速計測装置に用いる三色光源の他の構成の一例を示す図である。
【図１３】図１の流速計測装置に用いる三色光源の別の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 流体
１ａ 流体１の流れを示す流線
１ｂ 流体１の渦
２ 翼
３ トレーサ
４ 三色光源
５ 赤色光源
６ 緑色光源
７ 青色光源
８ 光源ドライバ
９ カラーＣＣＤカメラ
１０ タイミングトリガ発生装置
１１ 画像取り込み回路
１２ 記憶装置
１３ 画像処理装置
３０ トレーサ
３０ａ 赤色画像
３０ｂ 緑色画像
３０ｃ 青色画像
５１ フィールド画像
５１ａ 処理領域
５２ フィールド画像
５２ａ 処理領域
５３ フィールド画像
５３ａ 処理領域
５４ フィールド画像
５４ａ 処理領域
６１ 三色画像の組
６２ 有効トレーサの三色画像の組
６３ 有効トレーサの三色画像の組
６４ 三色画像の組
６５ 有効トレーサの三色画像の組
６６ 有効トレーサの三色画像の組
６７ 三色画像の組
６８ 有効トレーサの三色画像の組
６９ 三色画像の組
７０ 有効トレーサの三色画像の組
７１ フィールド連結画像
７２ フィールド連結画像
７３ フィールド連結画像
７４ フィールド連結画像
８１ 重ね合わせ画像
８２ 重ね合わせ画像
８３ 重ね合わせ画像
１００ ＬＥＤ三色光源
１０１ 基板
１０２ 赤色ＬＥＤ
１０３ 緑色ＬＥＤ
１０４ 青色ＬＥＤ
１０５ ＬＥＤ光源ドライバ
１１０ 三分岐ファイバ束
１１０ａ 三分岐ファイバの分岐側のファイバ束
１１０ｂ 三分岐ファイバの分岐側のファイバ束
１１０ｃ 三分岐ファイバの分岐側のファイバ束
１１２ 緑色光源
１１３ キセノン光源
１１４ 緑色フィルタ
１１５ レンズ
１１６ 青色光源
１１７ キセノン光源
１１８ 青色フィルタ
１１９ レンズ
１２０ 赤色光源
１２１ 赤色ＬＥＤ
１２２ 光源ドライバ
Claims (6)
- トレーサを測定対象の流体に含ませ、前記トレーサを含む前記流体を画像取得装置の露光時間内に所定の時間間隔で間欠照明し、取得画像からトレーサの移動量を計算し前記流体の流速を求める方法において、
第１，第２，第３の光による３枚１組の画像を取得する所定露光時間の露光開始直後に前記第１の波長の光をパルス発光させ、露光終了直前に前記第２の波長の光をパルス発光させ、前記第３の波長の光を少なくとも第１の光の発光直後から第２の光の発光直前まで連続発光させることを繰り返しながら複数組の画像を連続的に取得し、
得られた複数組の画像のひと組の中のトレーサの画像のうち第１の光，第２の光，第３の光によるトレーサの画像が少なくとも部分的に重なり合うトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付け、
かつ、第ｊ組目の画像とｊ＋１組目の画像について、前記第ｊ組目の画像内のトレーサの画像のうち第２の光によるトレーサの画像が前記第ｊ＋１組目の画像内の第１の光によるトレーサの画像と少なくとも部分的に重なるトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付けることを繰り返し、
第ｍ組の画像における第１の光によるトレーサの画像と第ｎ組（ｍ＜ｎ）の画像における第２の光による前記トレーサの画像の像面上での距離をｍ組とｎ組の画像間のトレーサ移動距離とし、
第ｍ組目と第ｎ組目の画像間でのトレーサ移動距離を算出し、
当該トレーサ移動距離と移動するに要した時間とから流速を算出する
ことを特徴とする流速計測方法。 - 請求項１に記載の流速計測方法において、
前記取得画像間のトレーサを所定数Ｎ組の画像間で対応付けし、
Ｎ組の画像のすべてに前記トレーサの画像がある場合には、Ｎ組の最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出し、
Ｎ組の画像の一部の連続する組に前記トレーサの画像がある場合には、その最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出する
ことを特徴とする流速計測方法。 - 請求項１に記載の流速計測方法において、
前記取得画像間のトレーサの対応付けは、Ｎ組の画像間の対応付けで前記トレーサの移動距離が一定値Ｌを越える場合には、対応付けを開始した組と前記トレーサの移動距離が最初にＬを越えた組までの移動距離から流速を算出し、
Ｌを越えない場合でＮ組の画像のすべてに前記トレーサの画像がある場合には、Ｎ組の最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出し、
Ｌを越えない場合でＮ組の画像の一部の連続するｍ組に前記トレーサの画像がある場合には、Ｍを所定の整数としてｍ＞Ｍのときのみ、その最初の組と最後の組との画像間の移動距離から流速を算出する
ことを特徴とする流速計測方法。 - 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の流速計測方法において、
取得画像の視野内に少なくとも前記第１の光，第３の光によるトレーサの画像が完全に入る幅だけ視野外縁よりも内側に処理領域を設け、
前記処理領域に少なくともその一部が含まれるトレーサ画像のみを処理の対象とする
ことを特徴とする流速計測方法。 - 測定対象流体中のトレーサと、
前記トレーサで散乱される光を波長によって選別し各波長ごとの画像として連続的に取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段が三波長画像を取得する所定の露光時間内に、露光開始直後に第１の光をパルス発光させ、露光終了直前に第２の光をパルス発光させ、少なくとも第１の光の発光直後に発光開始し第２の光の発光直前まで第３の光を発光を連続発光させる光源駆動回路と前記光源駆動回路によって駆動され波長の互いに異なる３種類の光を発する一組の三色光源と、
前記画像取得手段により取得された複数組の連続画像１組の中のトレーサの画像のうち第１の光，第２の光，第３の光によるトレーサの画像が少なくとも部分的に重なり合うトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付け、かつ、第ｊ組目の画像とｊ＋１組目の画像について、前記第ｊ組目の画像内のトレーサの画像のうち第２の光によるトレーサの画像が前記第ｊ＋１組目の画像内の第１の光によるトレーサの画像と少なくとも部分的に重なるトレーサの画像を同一のトレーサの画像として対応付けることを繰り返し、第ｍ組の画像における第１の光によるトレーサの画像と第ｎ組（ｍ＜ｎ）の画像における第２の光によるトレーサの画像の像面上での距離をｍ組とｎ組の画像間のトレーサ移動距離として、第ｍ組目と第ｎ組目の画像間のトレーサ移動距離を算出し、これと移動するに要した時間から流速を算出する画像処理装置と
からなる流速計測装置。 - 請求項５に記載の流速計測装置において、
前記三色光源が、波長の異なる第１の光，第２の光，第３の光を発する光源と前記光源からの３種の光を伝える少なくとも３本の芯線からなるファイバ束とからなり、
前記３種の光を伝えるファイバの心線が、前記ファイバ束の出口において互いに局在することなく密に並んでいる
ことを特徴とする流速計測装置。
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