JPH0666675A - トレーサ粒子の流れの可視化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 粒子の大きさに拘わりなく、トレーサ粒子の
流れを確実に可視化できるようにするすることを目的と
する。 【構成】 テレビカメラ信号における第２フィールドに
１度のタイミングでシート状に広げたレーザ光を流体中
に向けて間欠的に照射し、かつ前フレームの前フィール
ドの出力と前フレームの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するととも
に、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するような光のフレーム蓄積を行う
ようにすることにより、直径が小さくて流速が遅いトレ
ーサ粒子像も良好に撮影できるようにして、微小トレー
サ粒子を混入して流体の流跡を求めることができるよう
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像処理による流れの
可視化方法に関し、さらに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。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、流れ場の可視化方法により
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。

【０００３】これらの方法のうち、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模様から流
れの状態、方向、速度等を求めるものである。また、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。更に、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。

【０００４】しかしながら、上記可視化方法は以下に述
べるような問題があった。すなわち、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が困難であ
る。また、タフト法では任意の断面での測定が困難であ
るという問題があった。更に、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。

【０００５】ところで、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
する関心が著しく強くなっている。また、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
はなく、水中の気泡の速度等の可視化に関しての関心も
著しく強くなっている。

【０００６】このような可視化を可能にする試みとし
て、論文「日本機械学会論文集（Ｂ編）第５５巻、５０
９号（１９８９−１）、１０７〜１１４頁に記載される
ような方法が提案されている。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または
ストロボ光を当てて、その流跡を画像処理するものであ
る。

【０００７】画像処理は、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それぞれ
画像処理して（偶数または奇数フィールドの一方の
み）、個々の粒子の軌跡を追跡する。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。

【０００８】しかし、この方法では、２枚のフィールド
像からフレームを形成しているが、小さなトレーサ粒子
ではトレーサ粒子像を検出できない問題があった。すな
わち、テレビ空間におけるトレーサ粒子像が１ピクセル
以下の場にはトレーサ粒子像その物を計測することがで
きない問題があった。

【０００９】これを、図１０〜図１２を参照して説明す
る。図１０に示すように、インターレース方式のテレビ
カメラにおいては、奇数フィールド画像と偶数フィール
ド画像とを交互に撮像している。

【００１０】この例では、アルゴンのレーザ・ライト・
シート（ＬＬＳ）を連続照射するとともに、各フィール
ドごとの光の蓄積期間において電子シャッターを所定時
間（例えば、１／１２５秒間）開いて撮像面を露光する
ようにしている。このようにして、あるトレーサ粒子を
撮像した場合、蓄積期間Ａにおいて撮像したトレーサ粒
子は、図１１のＡに示したように撮像される。

【００１１】また、蓄積期間Ｂにおいて撮像したトレー
サ粒子は図１１のＢに示したように撮像される。すなわ
ち、フレーム単位の画像内には２時刻のトレーサ粒子像
が検出されている。

【００１２】図１１から明らかなように、蓄積期間Ａは
奇数フィールドの光の蓄積なので、奇数ライン（ＯＤ
Ｄ）のみの画像となる。また、蓄積期間Ｂは偶数フィー
ルドの光の蓄積なので、偶数ライン（ＥＶＥ）のみの画
像となる。したがって、このようなフレーム画像をフィ
ールド画像に分離した場合、図１２の（ａ）に示すよう
に、奇数フィールドの画像Ａにおいては偶数ラインの画
像情報Ａ_-Iが欠落する。また、図１２の（ｂ）に示すよ
うに、偶数フィールドの画像Ｂにおいては奇数フィール
ドの画像情報Ｂ_-Iが欠落する。従来は、これらの欠落部
分を種々の方法により補間してフィールド画像を完成さ
せていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように、テレビ空
間でのトレーサ粒子像が１ピクセル以下のように小さ
く、かつ流速が遅い場合には、上記の従来方法ではトレ
ーサ粒子そのものを撮像できないので、流体中のトレー
サ粒子像を求めることができなかった。すなわち、例え
ば、図１１において、ＯＤＤラインを撮像しているとき
に、ＥＶＥＮラインに微小トレーサ粒子（図示せず）が
存在していても、上記微小トレーサ粒子は撮像されな
い。

【００１４】次いで、撮像ラインがＥＶＥＮラインに移
動したタイミングで、上記微小トレーサ粒子がＯＤＤラ
インに移動したら、このタイミングにおいても上記トレ
ーサ粒子は撮像されないことになる。

【００１５】すなわち、従来の可視化方法の場合はテレ
ビ空間でのトレーサ粒子像が小さく、しかも速度が遅い
場合には、トレーサ粒子そのものを撮像することができ
ず、従って、この場合は流体の流れを可視化することが
できない問題があった。本発明は上述の問題点にかんが
み、混入するトレーサ粒子の大きさに拘わらず流体の流
れを確実に可視化できるようにすることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のトレーサ粒子の
流れの可視化方法は、粒子径が２ｍｍ以下１μｍ以上の
トレーサ粒子を流体中に混入する第１の処理と、上記ト
レーサ粒子の静止画像が得られるようにするために、テ
レビカメラ信号における第２フィールドに１度のタイミ
ングで、シート状に広げたレーザ光を上記流体中に向け
て間欠的に照射する第２の処理と、上記流体中に混入さ
れている微小トレーサ粒子をフレーム蓄積方式のテレビ
カメラで撮像する第３の処理と、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前フレー
ムの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するとともに、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す
るような光のフレーム蓄積を行って録画媒体に録画する
第４の処理と、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
それぞれ画像処理し、この画像処理されたトレーサ粒子
の重心を計測する第５の処理と、上記第５の処理により
得られたトレーサ粒子の重心の３〜６時刻の重心位置に
基づいて上記流体の流跡を求める第６の処理とを具備し
ている。

【００１７】

【作用】テレビカメラ信号における第２フィールドに１
度のタイミングでシート状に広げたレーザ光を上記流体
中に向けて間欠的に照射するとともに、前フレームの前
フィールドの出力と前フレームの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
ドの画像情報とするような光のフレーム蓄積を行うこと
により、直径が小さくて速度が遅いトレーサ粒子像も良
好に撮影することが可能となり、微小トレーサ粒子を混
入して流体の流跡を求めることができるようになる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明のトレーサ粒子の流れの可視化
方法の一実施例を図面を参照して説明する。図１は、本
発明の実施例を示し、パルスレーザーの発信方法、テレ
ビカメラでの光の積分タイミング、およびカメラ出力の
関係等を示したタイミングチャートである。また、図２
は本発明方法を実施するための装置の一例を示す斜視
図、図３は同じく本発明方法を実施するための装置の一
例を示すブロック図である。

【００１９】図２から明らかなように、この装置はアル
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規格に準ずるＣＣＤカメラ
７、録画再生装置８およびこの録画再生装置８に接続さ
れたモニター９により構成されている。また、図３にお
いては、録画再生装置８に接続された計算機１０、この
計算機１０に接続されたフレームメモリ１１、外部記憶
装置１２およびモニター１３から構成されている。

【００２０】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光は、一度レーザーコントローラ２
に入れられ、このレーザーコントローラ２内の音響光学
セルにより任意の間隔で光ファイバー３に間欠的に入射
される。そして、この光ファイバー３の先端に取り付け
られた光学レンズ５にて厚み２ｍｍ以下のレーザシート
１Ａを作り、アクリル製容器６内の流体中に照射され
る。なお、本実施例では流体として水を用いている。

【００２１】アルゴンレーザー１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、光ファイバー３内での光の損失が少ないが、コア
径を大きくし過ぎると、形成されるレーザシート１Ａの
厚みが厚くなる。このため、光ファイバー３と光学レン
ズ５との間にピンホール４等を設けて、レーザシート１
Ａを薄くすることが好ましい。

【００２２】なお、本実施例では光ファイバー３のコア
径は１００μｍとして光ファイバー３内の光の損失を小
さくし、先端の光学レンズ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３０ｍｍの位置に、内径１ｍ
ｍのピンホール４を設けることにより、レーザシート１
Ａの厚みを調整した。

【００２３】図２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
が大気開放になっている。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
ら連続的に水が排出されているものとする。

【００２４】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、アクリル製容器６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
１を上述の方法でシート状にして、間欠的に照射する。

【００２５】また、レーザシート１Ａ面と直交する方向
にＣＣＤカメラ７を置くことにより、粒子がレーザシー
ト１Ａ内を通過するときに、散乱もしくは蛍光した光を
このレーザシート１Ａ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、レーザシー
ト１Ａ面内の映像を録画する。なお、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
認することができる。

【００２６】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、散乱も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３０μｍ、密度１ｇ／ｃｍ² の粒子を用いた。

【００２７】次に、録画された情報は録画再生装置８で
再生され、１／３０秒単位のフレーム画像情報が計算機
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。

【００２８】外部記憶装置１２に記録された各時刻の情
報は、一旦、フレームメモリ１１にコピーされ、各フレ
ーム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値化およ
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に記憶される。

【００２９】次に、流れ領域内の任意の断面の流れを具
体的に可視化する方法について説明する。先ず、流れ領
域内に厚み３ｍｍ以下のシート状のレーザシート１Ａを
照射する。このレーザ光の照射においては、レーザシー
ト１Ａを図１のレーザ光出力パルスに示すように、各フ
レームの後フィールドに１度間欠的に照射する。なお、
液体および気体等の単相流の測定においては、蛍光もし
くは散乱可能な粒子径２ｍｍ以下１μｍ以上の粒子を入
れるものとする。

【００３０】次に、このレーザシート１Ａの照射光内で
の粒子の散乱光または蛍光をＣＣＤカメラ７を通じて録
画媒体に録画する。この録画においては、先ず、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ｂ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
前フィールドの録画情報とする。また、前フレームの後
フィールドの出力ｂ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ｂと成し、これを録画上の
前フレームの後フィールドの録画情報として録画媒体に
それぞれ録画する。

【００３１】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１０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。

【００３２】なお、粒子の流跡の追跡方法としては、例
えば、上述した論文「日本機械学会論文（Ｂ編）第５５
巻、５０９号（１９８９−１）、１０７〜１１４頁に記
載されてい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、上記の方法で処理すること
も可能である。

【００３３】図４に、本発明の可視化方法で可視化した
円柱周りの流れの可視化写真を簡潔的に表現した図を示
す。また、図５は可視化画像を２値化処理して求めたト
レーサ粒子の位置を示す図であり、図中白く示されてい
るのがトレーサ粒子の重心を代表している。なお、この
画像はフレーム画像（１／３０秒）である。

【００３４】次いで、図６は可視化空間に格子を形成し
たものである。また、図７は、図６中Ａで示したハッチ
部でのトレーサベクトルの拡大図である。これは、１０
秒間の画像を用い、連続するフレーム画像からトレーサ
追跡を行ったものである。さらに、図８は格子点補間を
行った流速分布図である。

【００３５】格子点補間を行う方法は任意の方法を用い
ることができる。例えば、上述の処理より得られた速度
ベクトルは測定領域の任意点に散乱するため、流れ場に
等間隔あるいは不等間隔のワイヤーフレームを形成し、
格子点上の速度ベクトルを予測するような方法を用いる
ことができる。

【００３６】すなわち、図９（ｂ）に示すように、格子
点Ｎの周りに補間領域Ｅを設定し、そこに存在する速度
ベクトルから格子点Ｎ上の速度を以下のように補間して
求めることができる。なお、本実施例では補間領域Ｅ
は、格子点Ｎ周りの隣合う上下、左右の格子点間距離の
１／２以内の矩形領域とした。そして、補間領域Ｅ内に
存在するｎ個の速度ベクトルから任意の３組の速度ベク
トルを組み合わせて数１のマトリックス計算を行うよう
にした。

【００３７】

【数１】

【００３８】ここに、Ｕ_K 、Ｕ_L 、Ｕ_m は補間領域内の
任意の三組の速度ベクトルで、（Ｕ．ｄｕ／ｄｘ．ｄｕ
／ｄｙ）は補間される格子点での値である。同様の計算
を領域内のｎ個の組み合わせに対して行う。得られたｎ
通りの補間結果から平均値を求め格子点上の平均速度ベ
クトルとした。

【００３９】本発明のトレーサ粒子の流れの可視化方法
は、上述したようにしてトレーサ粒子を可視化している
ので、トレーサ粒子像の直径がテレビ空間における１ピ
クセル以下で、しかも流速が遅い場合でもトレーサ粒子
を確実に映像化することができる。したがって、粒子径
が小さいトレーサ粒子を用いて流体の可視化を行うこと
が可能となり、流体中での追従性を向上させて精度の高
い計測が可能となる。

【００４０】

【発明の効果】本発明は上述したように、シート状に広
げたレーザ光を、テレビカメラ信号における第２フィー
ルドに１度のタイミングで上記流体中に向けて間欠的に
照射するとともに、前フレームの前フィールドの出力と
前フレームの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するとともに、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
情報とするような光のフレーム蓄積を行うようにしたの
で、直径が小さく、しかも流速が遅いトレーサ粒子像も
良好に撮影することができる。これにより、微小トレー
サ粒子を混入して流体の流跡を求めることができるよう
になり、流体中での追従性を大幅に向上させて精度の高
い計測を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトレーサ粒子の流れの可視化方法の一
実施例を示すタイミングチャートである。

【図２】本発明のトレーサ粒子の流れの可視化方法を実
施するための装置の構成例を示す概略斜視図である。

【図３】画像処理装置の構成例を示すブロック回路図で
ある。

【図４】本発明の方法で可視化した円柱周りの流れの可
視化画像を分かりやすく表した図である。

【図５】図４の画像を２値化処理して示した図である。

【図６】可視化空間に格子を形成した図である。

【図７】図６のハッチ部でのトレーサベクトルの拡大図
である。

【図８】格子点を補間した流速分布図である。

【図９】格子点周り速度ベクトルを補間する一例を説明
するための図である。

【図１０】従来のトレーサ粒子の流れの可視化方法の一
実施例を示すタイミングチャートである。

【図１１】従来のトレーサ粒子像を撮像する様子を説明
する図である。

【図１２】従来のフィールド画像の説明図である。

【符号の説明】

１ アルゴンレーザー ２ レーザーコントローラ ３ 光ファイバー ４ ピンホール ５ 光学レンズ ６ アクリル製容器 ７ ＣＣＤカメラ ８ 録画再生装置 ９ モニター １０ 計算機 １１ フレームメモリ １２ 外部記憶装置 １３ モニター

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子径が２ｍｍ以下１μｍ以上のトレー
   サ粒子を流体中に混入する第１の処理と、 上記トレーサ粒子の静止画像が得られるようにするため
   に、テレビカメラ信号における第２フィールドに１度の
   タイミングで、シート状に広げたレーザ光を上記流体中
   に向けて間欠的に照射する第２の処理と、 上記流体中に混入されている微小トレーサ粒子をフレー
   ム蓄積方式のテレビカメラで撮像する第３の処理と、 上記テレビカメラの出力のうち、前フレームの前フィー
   ルドの出力と前フレームの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するととも
   に、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するような光のフレーム蓄積を行っ
   て録画媒体に録画する第４の処理と、 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それぞれ画像処
   理し、この画像処理されたトレーサ粒子の重心を計測す
   る第５の処理と、 上記第５の処理により得られたトレーサ粒子の重心の３
   〜６時刻の重心位置に基づいて上記流体の流跡を求める
   第６の処理とからなることを特徴とするトレーサ粒子の
   流れの可視化方法。