JPH04131731A - 画像処理による流れの可視化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、画像処理による流れの可視化方法に関するも
のであり、詳しくは、流れの可視化方法により定量的に
流れ場の物理量を求めることを可能にした画像処理によ
る流れの可視化方法に関する。

〔従来の技術〕

流れ場の可視化手法により流れを把握する試みは古くか
らあり、壁面トレース法、タフト法、直接注入法等がよ
く知られている。

壁面トレース法は物体表面に油等を塗布し、流れによっ
て現れる筋模様から流れの状態、方向、速度を求めるも
のである。

タフト法は多数の糸を物体表面に張り、そのなびき具合
から流れを測定するものである。

直接注入法は、流れ内に染料を入れ、その染料の流跡を
可視化するものである。

近年、流れ領域全体を一度に可視化し、流速、流れ関数
等の物理量を算出することや、流れ領域全体の物理量の
時間的変化を算出することに関する関心は著しく強い。

流れ領域内の任意の断面を可視化することや、例えば水
だけの速度でａよなく、水中の気泡の速度等の可視化に
関しての関心も著しく強く、この可視化を可能にするた
めの試みとして、論文「日本機械学会論文（Ｂｌ）Ｊ第
５５巻、５０９号（１９８９−１）、１０７〜１１４真
に記載されるような方法が提案されてし）る。この方法
は、流れ場にトレーサ粒子を混入し、このトレーサ粒子
に連続光又はストロボ光を当てて、その軌跡を画像処理
するものである。画像処理器よ、例えばテレビジョンカ
メラから画像を入力し、そのフレーム情報をフィールド
情報に変換し、連続する４時刻分のフィールド情報を夫
々画像処理して（偶数フィールドなら偶数フィールドの
み）個々の粒子の軌跡を追従する。そして、個々のトレ
ーサ粒子の軌跡から流れ場を可視化して、各種物理量を
求めるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記壁面トレース法では、物体の表面か
ら離れた空間での流れの測定は困難であり、またタフト
法では、任意の断面での測定は困難であるという問題が
あった。更に上記直接注入法では、染料の流跡上での速
度は把握できるが、流れ領域全体を一度に可視化するこ
とはできないという問題があった。

また、上記論文に記載された方法では、流体の流速が速
い場合、カメラと被写体との距離を大きくする必要があ
り、その結果、画像処理時に粒子の重心算出に誤差が生
じるなどの問題があった。

また、複雑な流れをする流跡を追いかける試みを行った
場合、連続した３／６０秒の間、流体が複雑な挙動をし
ないことが前提になる。

本発明は、従来の可視化方法である壁面トレース法、タ
フト法、直接注入法の欠点である流れ領域を一度に可視
化することが不可能であるという問題、及び可視化情報
から流速、流れ関数等の各種物理量を定量的に求めるこ
とが不可能であるという問題を解決することのみならず
、流速が非常に速い場合にも精度よく定量的に流れ場の
物理量を求めることを可能にした画像処理による流れの
可視化方法を提案するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明は、粒子を混入した
流体中にレーザー光を光シート状に広げて照射するよう
に成し、同一フレームの前フィールドに１つのレーザー
光パルスを照射するとともに、後フィールドに２つ以上
６つ以下のレーザー光パルスを間欠的に照射し、粒子の
散乱光又は蛍光をテレビカメラで撮像して、前フレーム
の前フィールド及び後フィールドのカメラ出力を録画上
の前フレームの前フィールドの画像情報とし、上記前フ
レームの後フィールド及び後フレームの前フィールドを
録画上の前フレームの後フィールドの画像情報として夫
々録画媒体に録画し、録画された画像情報から同一フレ
ーム内の２つのフィールド情報を取り出して夫々画像処
理し、画像処理された粒子の重心から流跡を求めるよう
にしている。

〔作用〕

シート状のレーザー光により流れ領域内の任意の断面の
可視化が行われる。このレーザー光の照射においては、
レーザーパルス光を第１図に示すように前フレームの前
フィールドの後半に１度、前フレームの後フィールドの
前半に２度以上６度以下流体中に間欠的に照射する。次
に、このレーザーシートの照射光内での粒子の散乱光又
は蛍光をカメラを通し録画媒体に録画するが、録画にお
いては、まず、前フレームの前フィールドと後フィール
ドの光を積分して録画上の前フレームの前フィールドの
画像情報とし、また前フレームの後フィールドと後フレ
ームの前フィールドの光を積分して録画上の前フレーム
の後フィールドの画像情報として録画媒体に録画する。

次に録画された流れの情報から同一フレーム上の２つの
フィールド情報を計算機に接続されたフレームメモリに
記録し、画像処理により粒子の重心を算出し、その算出
された２時刻の粒子の重心から粒子の流跡を追跡する。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第２図（Ａ）（Ｂ）は本発明方法を実施するための装置
の斜視図及びブロック図である。この装置は、同図（Ａ
）においては、アルゴンレーザー１、レーザーコントロ
ーラ２、光ファイバー３、ピンホール４、光学レンズ５
、肉厚１０ｍｍのアクリル製容器６、ＮＴＳＣ規格に準
するＣＯＤカメラ７、録画再生装置８及び録画再生装置
８に接続されたモニター９から構成されている。同図（
Ｂ）においては、録画再生装置８に接続された計算機１
０、計算機１０に夫々接続されたフレームメモリ１１、
外部記憶装置１２及びモニター１３から構成されている
。

この装置において、アルゴンレーザー１から照射された
レーザー光は一度レーザーコントローラ２に入れられ、
このコントローラ内の音響光学セルにより任意の間隔で
光ファイバー３に入射され、光ファイバー３の先端に取
り付けられたレンズ５にて厚み２ｍｍ以下のレーザーシ
ートを作り、アクリル製容器６内の流体中に照射される
。なお、本実施例で用いた流体は水である。また、ＩＡ
はレーザーシート面を示す。

アルゴンレーザーｌを光ファイバー３に入射するにあた
っては、光ファイバー３のコア径が大きいほど、光フア
イバー３内での光の損失が少ないが、コア径を大きくし
すぎると形成されるアルゴンレーザーシートの厚みが厚
くなるので、光ファイバー３とレンズ５との間にピンホ
ール４等を設けて、アルゴンレーザーシートを薄くする
ことが好ましい。

なお、本実施例では光ファイバー３のコア径は１００μ
ｍとして光フアイバー３内の光の損失を小さくし、先端
のレンズ５と光ファイバー３との間に光ファイバー３の
先端から３ｏＩＩＩ１１の位置に、内径１ｍｍのピンホ
ール４を設けることにより、レーザーシート厚みを調整
した。

第２図（Ａ）において、アクリル製容器６には水が満た
されており、このアクリル製容器６の図中手前の面が大
気解放になっている。このアクリル製容器６には、図中
上面より連続的に水が供給されており、図中下面から連
続的に水が排水されているものとする。

このアクリル製容器６内の水の流れ場を可視化するため
に、水の流れに追従する粒子をアクリル製容器６の上面
より連続的に入れ、容器内の可視化したい断面に光学レ
ンズ５からアルゴンレーザーをシート状に前述した方法
で間欠的に照射する。

また、レーザーシート面ＩＡと直交する方向にＣＯＤカ
メラ７を置くことにより、粒子がレーザーシート面ＩＡ
内を通過する時に散乱若しくは蛍光した光をこのシート
と直交する方向から撮影し、録画再生装置８に連続的に
録画することにより、レーザーシート面ＩＡ内の映像を
録画する。この録画時には、録画再生装置８に接続され
たモニター９で録画状態を確認する。

散乱粒子としては、アクリル製球形粒子やこの粒子の表
面をメチレンブルー等の染料で表面改質したものを用い
ることにより、散乱若しくは蛍光強度を強くすることが
望ましい。本実施例では、表面改質をしない粒子径３０
μｍ、密度１ｇ／ｃ１１１の粒子を用いた。

次に、録画された情報は録画再生装置８で再生され、１
／３０秒単位のフレーム情報を計算機１０に接続したフ
レームメモリ１１を通し、外部記憶装置１２に記録され
る。記録されたフレーム情報は、計算機１０内部のソフ
トウェアで１／６゜秒のフィールド情報に分けられ、計
算４ｔＱ１０に接続された外部記憶装置１２に記録され
る。

外部記憶装置１２に記録された各時刻の情報は、−旦、
フレームメモリ１１にコピーされ、各フィールド情報ご
とに画像処理を用い、粒子の重心を算出する。ここで用
いた画像処理は、ノイズ処理、２値化及び粒子の重心の
算出である。算出された重心は一時的に計算機１０の外
部記憶装置１２に記録される。

次に、流れ領域内の任意の断面の流れの具体的な可視化
方法について説明する。まず、流れ碩域内に厚み３ｍｍ
以下のシート状のアルゴンレーザーを照射する。このレ
ーザー光の照射においては、レーザーシートを第１図の
レーザー光パルス■〜■に示すように前フレームの前フ
ィールドの後半に１度、前フレームの後フィールドの前
半に２度以上６度以下（図では３度）流体中に間欠的に
照射する。なお、液体及び気体等の単相流の測定におい
ては、蛍光若しくは散乱可能な粒子径２ｍｍ以下１０μ
ｍ以上（実施例では３０μｍ）の粒子を入れるものとす
る。

次に、このレーザーシートの照射光内での粒子の散乱光
又は蛍光をＣＣＤカメラ７を通じて記録媒体に録画する
が、この録画においては、まず、各フィールドのカメラ
出力ａ、ｂ、ｃ、ｄから前フレームの前フィールドの出
力ａと後フィールド出力すの光を積分して光の積分ａと
成し、これを録画上の前フレームの前フィールドの画像
情報とし、また前フレームの後フィールドの出力すと後
フレームの前フィールドの出力Ｃの光を積分して光の積
分すと成し、これを録画上の前フレームの後フィールド
の画像情報として夫々録画媒体に録画する。

上記のようにして録画された流れの画像情報から録画上
の同一フレームの前後２つのフィールド情報を計算機１
０に接続されたフレームメモリ１１に記録し、画像処理
により粒子の重心を算出する。更に、算出された２時刻
の粒子の重心から粒子の流跡を追跡する。粒子の流跡の
追跡方法としは、例えば、前記の論文［日本機械学会論
文（Ｂ、［）Ｊ第５５巻、５０９号（１９８９−１）、
１０７〜１１４頁に記載される方法を用いることも可能
である。

また、流れ領域内の時間的変化を算出するためには、異
なった時刻のフレーム情報を取り出し、上記方法で処理
することも可能である。

第３図は第１図に示す前フレームの前フィールドの録画
再生装置８の出力ａの画像処理結果を、第４図は第１図
に示す前フレームの後フィールドの録画再生装置８の出
力すの画像処理結果を示す。

図中の黒丸は間欠的に照射されたレーザー光により散乱
した粒子の重心を示したものであり、第３図にはレーザ
ー光のパルス■■■■により散乱した粒子が、第４図に
はレーザー光のパルス■■■■により散乱した粒子が示
されている。

第５図は第３図と第４図とを重ね合わせて流体の流跡を
対応付けしたものである。図中の黒丸は第３図と第４図
を重ね合わせたもの、図中の矢印は流体の向きと速度の
大きさを示したものである。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明による流れの可
視化法によれば、レーザー光をシート状に広げ間欠的に
照射することによって、非常に高流速な流れの可視化が
可能である。また、レーザー光の照射場所を変えること
により、測定領域内の任意の断面の測定が可能であると
ともに、測定領域内を一度に可視化することができる等
の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるパルスレーザ−の発信方
法、テレビカメラでの光の積分タイミング、カメラ出力
の関係等を示したタイミングチャート、第２図（Ａ）（
Ｂ）は本発明を実施する装置の斜視図及びブロック図、
第３図は第１図の前フイールド情報を画像処理し、粒子
の重心をプロットした図、第４図は第１図の後フィール
ド情報を画像処理し、粒子の重心をプロットした図、第
５図は第３図、第４図を重ねて流体の流跡を対応付けし
た図である。 なお、図面に用いた符号において、 １　・・・・・・・・・　アルゴンレーザーＩＡ　・・
・・・・　レーザーシート面２　・・・・・・・・・　
レーザーコントローラ６　・・・・・・・・・　アクリ
ル製容器７　・・・・・・・・・　テレビカメラ８　・
・・・・・・・・　録画再生装置１０　・・・・・・　
計算機 １１　・・・・・・　フレームメモリ １２　・・・・・・　外部記憶装置 １３　・・・・・・　モニター である。 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　流体中に所定の粒子径を有する粒子を混入し、この流
   体中にレーザー光を光シート状に広げて照射してテレビ
   カメラで撮像するように成し、その際、同一フレームの
   前フィールドに１つのレーザー光パルスを照射し、後フ
   ィールドに２つ以上６つ以下のレーザー光パルスを間欠
   的に照射し、この照射による粒子の散乱光又は蛍光を撮
   像して得られる上記テレビカメラの出力のうち前フレー
   ムの前フィールドの出力と後フィールドの出力とを録画
   上の前フレームの前フィールドの画像情報とし、上記前
   フレームの後フィールドの出力と後フレームの前フィー
   ルドの出力とを録画上の前フレームの後フィールドの画
   像情報として夫々録画媒体に録画し、 上記録画媒体に録画された画像情報の同一フレームから
   前後２つのフィールド情報を取り出して夫々画像処理し
   、画像処理された粒子の重心から上記流体の流跡を求め
   ることを特徴とする画像処理による流れの可視化方法。