JPH10123163A - 流速分布測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な演算で迅速に二次元流れ場の流速分布
を測定する。 【解決手段】 後時刻フレームについて、前時刻フレー
ムのトレーサ粒子Ｐ１〜Ｐ３を含む画像部をテンプレー
ト画像として当該テンプレート画像との輝度相互相関値
Ｒfgを下式〔１〕により算出する。輝度相互相関値の最
小値Ｒmin を下式〔２〕により正規化し、この正規化値
Ｒｒが最大値を示す後時刻フレーム中の各画像部に前時
刻フレーム中の各画像部が移動したものとして二次元流
速分布を得る。Ｒfg＝Σ｜ｆi −ｇi ｜…〔１〕ここ
で、テンプレート画像および画像部の画素数をそれぞれ
ｎとして、１≦i ≦ｎであり、ｆi はテンプレート画像
に含まれるi 番目の画素の輝度、ｇi は後時刻の二次元
流れ場画像の画像部に含まれるi 番目の画素の輝度であ
る。Ｒｒ＝｜（Ｒmin −Ｒmean）／Ｒmean｜…〔２〕こ
こで、Ｒmin は輝度相互相関値Ｒfgの最小値、Ｒmeanは
輝度相互相関値Ｒfgの平均値である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流速分布測定方法に
関し、特に簡易な演算で二次元流れ場の流速分布を迅速
かつ正確に測定できる測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】二次元流れ場の流速分布を測定する方法
としては、照明された流路にトレーサ粒子等を導入して
流れ場画像を得、当該流れ場画像内の各粒子の移動を逐
次追跡する粒子追跡法、あるいは時間が前後する流れ場
画像間の相互相関の強さよりトレーサ粒子の濃度分布の
全体移動を捉える空間相関法等が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の粒
子追跡法や空間相関法では演算が複雑であるため、迅速
な測定ができないという問題があった。

【０００４】そこで、本発明はこのような課題を解決す
るもので、簡易な演算で迅速に二次元流れ場の流速分布
を測定することができる流速分布測定方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本第１発明では、時間間隔をおいて測定された一対
の二次元流れ場画像のうち後時刻の二次元流れ場画像に
ついて、前時刻の二次元流れ場画像中の所定の画像部を
テンプレート画像として当該テンプレート画像との輝度
相互相関値Ｒfgを下式〔１０〕により算出し、当該輝度
相互相関値Ｒfgが最小値を示す上記後時刻の二次元流れ
場画像中の画像部に上記前時刻の二次元流れ場画像中の
所定の画像部が移動したものとして二次元流速分布を得
る。

【０００６】Ｒfg＝Σ｜ｆi −ｇi ｜…〔１０〕 ここで、上記テンプレート画像および上記画像部の画素
数をｎとして、１≦ｉ≦ｎであり、ｆi はテンプレート
画像に含まれるｉ番目の画素の輝度、ｇi は後時刻の二
次元流れ場画像の画像部に含まれるｉ番目の画素の輝度
である。

【０００７】本第１発明においては、テンプレート画像
は、式〔１０〕によって算出された輝度相互相関値Ｒfg
が最小値を示す後時刻の二次元流れ場画像の画像部と最
も相似しており、したがって、当該画像部へ移動してい
ると考えられる。そこで、この時の単位時間内の移動量
および移動方向を算出することにより、後時刻の二次元
流れ場画像の画像部へ至るまでの速度ベクトルが得られ
る。前時刻の二次元流れ場画像中の必要な画像部をテン
プレート画像として上記の手順を繰り返すことにより、
二次元流れ場内の流速分布を得ることができる。上記輝
度相互相関値Ｒfgの演算は一般の相互相関値の演算に比
して簡易であり、迅速に二次元流れ場の流速分布を測定
することができる。この場合、テンプレート画像とし
て、前時刻の二次元流れ場画像内に存在する各トレーサ
粒子を中心とした画像部を選択すれば、トレーサ粒子の
移動を追跡することができる。

【０００８】本第２発明では、本第１発明で算出した輝
度相互相関値Ｒfgの最小値Ｒmin を下式〔１１〕により
正規化し、この正規化値Ｒｒが最大値を示す後時刻の二
次元流れ場画像中の画像部に上記前時刻の二次元流れ場
画像中の所定の画像部が移動したものとして二次元流速
分布を得る。

【０００９】 Ｒｒ＝｜（Ｒmin −Ｒmean）／Ｒmean｜…〔１１〕 ここで、Ｒmin は輝度相互相関値Ｒfgの最小値、Ｒmean
は輝度相互相関値Ｒfgの平均値である。

【００１０】本第２発明において、画像全体の輝度レベ
ルが変動しても正規化値の大きさは変動しない。したが
って、テンプレート画像と後時刻の二次元流れ場画像の
各画像部の相似性を常に絶対的な値によって確実に判定
することができ、測定条件による影響を大きく受けるこ
となく流速分布を測定することができる。

【００１１】本第３発明では、所定のサイズで、最高輝
度および輝度分布を予め定めた基準粒子テンプレート画
像を用意し、各二次元流れ場画像について、基準粒子テ
ンプレート画像との輝度相互相関値Ｒehを下式〔１２〕
により算出し、輝度相互相関値Ｒehが最小値を示す二次
元流れ場画像中の画像部を、基準粒子テンプレート画像
と相似性が最も高いものとして二次元流れ場画像中のト
レーサ粒子と認定する。

【００１２】Ｒeh＝Σ｜ｅi −ｈi ｜…〔１２〕 ここで、上記基準粒子テンプレートおよび上記画像部の
画素数をｍとして、１≦i ≦ｍであり、ｅi は基準粒子
テンプレート画像に含まれるi 番目の画素の輝度、ｈi
は二次元流れ場画像の画像部に含まれるi 番目の画素の
輝度である。

【００１３】本第３発明においては、二次元流れ場画像
中のトレーサ粒子の認定を、基準粒子テンプレート画像
と二次元流れ場画像中の画像部の相似性を判定すること
により行っているから、従来の微分フィルタを使用した
トレーサ粒子認定方法に比して、背景や光ムラによる影
響が小さく、ノイズに強い。したがって、流路可視化の
条件を緩和することができる。

【００１４】本第４発明では、本第３発明で算出した輝
度相互相関値Ｒehの最小値Ｒmin を下式〔１３〕により
正規化し、この正規化値Ｒｒが最大値を示す二次元流れ
場画像中の画像部を、基準粒子テンプレート画像との相
似性が最も高いものとして二次元流れ場画像中のトレー
サ粒子と認定する。

【００１５】 Ｒｒ＝｜（Ｒmin −Ｒmean）／Ｒmean｜…〔１３〕 ここで、Ｒmin は輝度相互相関値Ｒehの最小値、Ｒmean
は輝度相互相関値Ｒehの平均値である。

【００１６】本第４発明において、画像全体の輝度レベ
ルが変動しても正規化値の大きさは変動しない。したが
って、基準粒子テンプレート画像と二次元流れ場画像中
の画像部との相似性を常に絶対的な値によって確実に判
定することができ、測定条件による影響を大きく受ける
ことなくトレーサ粒子を認定することができる。

【００１７】本第５発明では、測定開始時の二次元流れ
場画像中の粒子密度を判定し、粒子密度が所定値より小
さい場合にのみ本第３発明ないし本第４発明の手順を行
う。

【００１８】本第５発明においては、粒子密度が小さい
場合にのみ、測定開始時の二次元流れ場画像中のトレー
サ粒子を認定し、トレーサ粒子の追跡を行う。これに対
して粒子密度が大きい場合にはトレーサ粒子を認定する
ことなく、流れパターンの追跡がなされる。したがっ
て、トレーサ粒子追跡の特徴を生かした定常流れ場の高
精度な測定と、流れパターン追跡の特徴を生かした局部
的な非定常流れを含む流れ場全体の把握に適した測定と
が自動的に選択されて二次元平面内の流速分布が良好に
測定される。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１には本発明の流速分布測定方
法を実行するための装置構成を示す。図において、実機
の一部が透明体１で置換され、この透明体１内に実機の
流路の一部が形成されている（図示略）。透明体１には
側方から二次元平面的なシート光Ｌが照射されており、
このシート光Ｌは、レーザ光出力装置２から出力される
レーザ光をシリンドリカルレンズ３で二次元平面的な光
に変換して得られる。透明体１の流路内を流通する流体
にはスチレン球等のトレーサ粒子が混入されており、透
明体１の上方に設置されたビデオカメラ４で流路を撮影
すると、シート光で照射された二次元平面内で各トレー
サ粒子が輝いて見える、二次元流れ場画像が得られる。
この流れ場画像は所定周期で高速ＶＴＲ５に取り込まれ
る。高速ＶＴＲ５から再生された各流れ場画像は続く画
像入力回路７でデジタルデータ化されて（これを以下、
フレームという）コンピュータ６に入力される。コンピ
ュータ６にはモニタやキーボード等が接続されている
（図示略）。

【００２０】以下、上記コンピュータ６内でプログラム
により実行される流速分布測定の手順を説明する。図２
のステップ１０１では二次元流れ場の平均流速分布を測
定する。すなわち、図６に示すように、前時刻フレーム
を複数の所定の画像部（例えば６４０×４８０画素のフ
レームの場合、８×８画素の領域。図は理解を容易にす
るために画素数を実際よりも少なくしてある）に分割
し、これら各画像部７１（これを以下、テンプレート画
像という）に対応する後時刻フレーム中の画像部７２の
周囲７３（例えば二次元方向へ±１６画素の範囲。これ
を以下、周囲領域という）についてテンプレート画像を
二次元方向へ一画素づつずらしながら以下に説明する輝
度差累積法による相互相関をとる。この相互相関は下式
〔１４〕で算出され、テンプレート画像７１は、輝度相
互相関値Ｒfgが最小値を示す後時刻フレームの画像部７
２の座標位置に移動したものとして、ベクトル的な流速
を得る。このような流速測定を例えば前後する１６０フ
レームについて行い、各測定で得られた流速の平均値を
平均流速とする。ところで、上記輝度相互相関値Ｒfgは
フレーム全体の輝度レベルに応じてその大きさが変化す
るから、下式〔１５〕により正規化して、この正規化値
Ｒｒが最大値を示す座標位置にテンプレート画像７１が
移動したものとする。

【００２１】Ｒfg＝Σ｜ｆi −ｇi ｜…〔１４〕 ここで、上記テンプレート画像７１および画像部７２の
画素数をそれぞれｎ（図６では１６）として、１≦i ≦
ｎであり、ｆi はテンプレート画像に含まれるi 番目の
画素Ｅi の輝度、ｇi は後時刻の二次元流れ場画像の画
像部に含まれるi 番目の画素Ｆi の輝度である。

【００２２】 Ｒｒ＝｜（Ｒmin −Ｒmean）／Ｒmean｜…〔１５〕 ここで、Ｒmin は輝度相互相関値Ｒfgの最小値、Ｒmean
は後時刻フレームの周囲領域７３内に存在する各画像部
７２について算出された輝度相互相関値Ｒfgの平均値で
あり、また、０≦Ｒｒ≦１である。

【００２３】ステップ１０２では、ステップ１０１で得
られた各画像部７２（正確にはその中心座標位置）の平
均速度に基づいて、フレーム内の必要位置における速度
を内挿処理等により算出し、各位置での速度ベクトルが
周囲の速度ベクトルと方向や大きさで整合性を有するか
否かを判定する。整合性を有しない場合や、テンプレー
ト画像の移動位置が後時刻フレーム内で見つからず、速
度ベクトルが得られない場合等にはその旨をモニタ上に
表示して、測定者に撮影速度の向上や画像スケールの縮
小等の対策を促す。これにより、テンプレート画像の移
動量を適正範囲内に抑えることができる。

【００２４】ステップ１０３では粒子密度を判定する。
この判定には基準粒子テンプレート画像を使用する。基
準粒子テンプレート画像とはトレーサ粒子を中心に位置
させた一定領域の正方形画像で、図７に示すように、実
験的検討に基づいて粒子形状、最高輝度レベル、レベル
分布等が異なる基準粒子テンプレート画像７４Ａ〜７４
Ｃを予め複数種用意しておく。複数種の基準粒子テンプ
レート画像を用意するのは、シート光の照射方向が各ト
レーサ粒子によって微妙に異なるため、画像上のトレー
サ粒子が種々の形状、輝度を示すからである。そして、
各基準粒子テンプレート画像７４Ａ〜７４Ｃをフレーム
上で図中の矢印のように走査しつつ下式〔１６〕，下式
〔１７〕で正規化値Ｒｒを算出し、この正規化値Ｒｒが
所定値以上を示した画像部位置にトレーサ粒子が存在す
るものとして粒子数を積算する。そして、積算された粒
子数より粒子密度を算出し、粒子密度が所定値よりも小
さい場合にはトレーサ粒子追跡を行う図３のステップ１
０４以下へ進み、粒子密度が所定値よりも大きい場合に
は流れパターン追跡を行う図４のステップ１１１以下へ
進む。なお、粒子密度の算出は所定数のフレームについ
ての平均値を使用することができ、また、ステップ１０
４以下とステップ１１１以下への分岐を、フレームの全
体ではなく、フレームの局所についての粒子密度によっ
て切り換えるようにしても良い。

【００２５】Ｒeh＝Σ｜ｅi −ｈi ｜…〔１６〕 ここで、上記基準粒子テンプレート７４Ａ〜７４Ｃおよ
び二次元流れ場画像中の画像部の画素数をそれぞれｍと
して、１≦i ≦ｍであり、ｅi は基準粒子テンプレート
画像７４Ａ〜７４Ｃに含まれるi 番目の画素の輝度、ｈ
i は二次元流れ場画像の画像部に含まれるi 番目の画素
の輝度である。

【００２６】 Ｒｒ＝｜（Ｒmin −Ｒmean）／Ｒmean｜…〔１７〕 ここで、Ｒmin は輝度相互相関値Ｒehの最小値、Ｒmean
はフレーム内に存在する各画像部について算出された輝
度相互相関値Ｒehの平均値である。また、０≦Ｒｒ≦１
である。

【００２７】ステップ１０４では、各トレーサ粒子の位
置を抽出する。これはステップ１０３と同様に、基準粒
子テンプレート画像を使用してこれを全てのフレーム上
で走査しつつ正規化値Ｒｒを算出し、この正規化値Ｒｒ
が所定値以上を示す画像部の座標位置をトレーサ粒子の
位置とするものである。このような粒子抽出方法は、従
来の微分フィルタによる方法に比して、背景や光ムラに
よる影響が小さく、ノイズに強い。したがって、シート
光による流路可視化の制約が緩和される。

【００２８】ステップ１０５では、位置が抽出された各
トレーサ粒子の速度を推定する。この速度は、測定開始
時や、シート光から外れたことによる消失後の粒子再発
生時等には上記ステップ１０１で測定された平均速度か
ら内挿等により推定する。また、正常な測定時には、後
述する速度算出ステップ（ステップ１０８）で算出され
た速度から推定する。

【００２９】ステップ１０６ではトレーサ粒子の移動領
域を推定する。この推定は上記ステップ１０５で推定さ
れた速度に基づき、例えば図８の斜線領域で示すよう
に、速度ベクトルＶの延長方向の±５０°の角度範囲
で、速度ベクトルＶの大きさの０．５〜１．５倍の半径
範囲を次時刻のトレーサ粒子Ｐの移動領域Ｍとする。こ
のように粒子移動領域Ｍを推定することにより、トレー
サ粒子周辺を均等に探索する従来の方法に比して次のス
テップ１０７における粒子移動位置特定のための演算処
理量が低減されるとともに、粒子移動位置特定の確実性
が増す。

【００３０】ステップ１０７では粒子移動位置を特定す
る。これは図９に示すように、ステップ１０４で抽出さ
れたトレーサ粒子Ｐ１〜Ｐ３を中心にその周囲の一定領
域を切り出してテンプレート画像とし、このテンプレー
ト画像を、後時刻フレームの推定移動領域Ｍ内で抽出さ
れているトレーサ粒子（対応する粒子をＰ１´〜Ｐ３´
で、対応しない粒子を×印で示す）の周囲で走査して、
既述の式〔１４〕，式〔１５〕で正規化値Ｒｒを算出す
る（この場合、式〔１４〕中のｆi はテンプレート画像
に含まれるi 番目の画素の輝度、ｇi は後時刻フレーム
上で走査されるテンプレート画像に対応する画像部に含
まれるi 番目の画素の輝度である）。トレーサ粒子Ｐ１
〜Ｐ３を含んだテンプレート画像は、その粒子サイズ、
輝度レベル、輝度分布がそれぞれ異なっており、正規化
値Ｒｒが所定値以上を示す後時刻フレーム内の画像部
に、当該トレーサ粒子Ｐ１〜Ｐ３に対応するトレーサ粒
子Ｐ１´〜Ｐ３´があるものとして粒子移動位置を特定
する。

【００３１】ステップ１０８では、ステップ１０７で特
定された粒子移動位置に基づいて各トレーサ粒子の速度
を算出する（図９の後時刻フレーム内にその速度ベクト
ルを矢印で模式的に示す）とともに、算出された速度が
ステップ１０５で推定された速度に対して流体の連続性
の観点より妥当なものであるかを、ベクトル長の比較や
ベクトル間交差角が閾値を越えているか否かで判定す
る。

【００３２】ステップ１０９では、ステップ１０８で算
出された速度情報のうち、妥当と判定されたもののみを
受け取り、フレーム上で各トレーサ粒子毎に空間的に離
散している速度ベクトル（図１０の左側）を、現象理解
を容易にするために、内挿処理等によって等間隔正方格
子等の基準格子上に平均的に配列する（図１０の右
側）。

【００３３】ステップ１１０では、ステップ１０９で基
準格子上に配列平均化された各速度ベクトルに対して、
周囲の速度ベクトルに対して方向等が整合性を有してい
るか否か等の正誤判定を行う。

【００３４】図４のステップ１１１では、流速測定を行
う最小単位領域（以下、流れパターンという）にフレー
ムを分割する。この流れパターンはステップ１０１にお
ける小領域７１よりも小さい例えば正方領域とし、これ
らが互いに重なっても良い。この流れパターンの大きさ
は、ステップ１０１で測定された平均流速分布を基に、
把握したい現象等から適当に設定する。

【００３５】ステップ１１２では、各流れパターンの速
度を推定する。この速度は、測定開始時や、シート光か
ら外れたことによる消失後の流れパターンの再発生時等
には上記ステップ１０１で測定された平均速度から内挿
等により推定する。また、正常な測定時には、後述する
速度算出ステップ（ステップ１１５）で算出された速度
から推定する。

【００３６】ステップ１１３では流れパターンの移動領
域を推定する。これは、上記ステップ１１２で推定され
た速度に基づき、速度ベクトルの延長方向の例えば±５
０°の範囲を次時刻の流れパターン移動領域とするもの
である。このように流れパターン移動領域を推定するこ
とにより、従来の流れパターン周辺を均等に探索するの
に比して次のステップ１１４における流れパターン移動
位置特定のための演算処理量が低減されるとともに、流
れパターン移動位置特定の確実性が増す。

【００３７】ステップ１１４では流れパターン移動位置
を特定する。これは前時刻フレーム内の流れパターンを
切り出してテンプレート画像とし、このテンプレート画
像を後時刻フレーム上で走査して既述の式〔１４〕，式
〔１５〕で正規化値Ｒｒを算出する（この場合、式〔１
４〕中のｆi はテンプレート画像に含まれるi 番目の画
素の輝度、ｇi は後時刻フレーム上で走査されるテンプ
レート画像に対応する画像部に含まれるi 番目の画素の
輝度である）。切り出されたテンプレート画像は、ステ
ップ１０１で使用されたテンプレート画像よりも小さ
く、かつ輝度レベル、輝度分布がそれぞれ異なってい
る。そして、正規化値Ｒｒが所定値以上を示した位置
に、目的とする流れパターンに対応する流れパターンが
存在するものとして、流れパターンの移動位置を特定す
る。なお、テンプレート画像が実際に走査される範囲
は、後時刻フレームのうちの上記ステップ１１３で推定
された流れパターン移動領域内に限られる。

【００３８】ステップ１１５では、ステップ１１４で特
定された流れパターン移動位置に基づいて各流れパター
ンの速度を算出するとともに、算出された速度がステッ
プ１１２で推定された速度に対して流体の連続性の観点
より妥当なものであるかを、ベクトル長の比較やベクト
ル間交差角が閾値を越えているか否かで判定する。

【００３９】ステップ１１６では、ステップ１１５で算
出された速度情報のうち、妥当と判定されたもののみを
受け取り、周囲の速度ベクトルに対して方向等が整合性
を有しているか否か等の正誤判定を行う。

【００４０】図５のステップ１１７では、上記ステップ
１１０、１１６で正しいと判定された速度ベクトルにつ
いて、目的に応じてこれらを加工して有用な速度分布情
報とする。例えば、定常現象を理解したい場合には、各
フレームの同一位置における速度ベクトルを複数フレー
ムで平均化することにより統計的な評価を可能とする。
あるいは、流動場と非流動場を分離するために流動場に
「１」、非流動場に「０」のフラグを立てて、流路壁内
等に誤って速度が表示されることのないようにする。流
動場と非流動場の判断は、所定数以上のフレームにわた
って速度ベクトルが殆ど生じていない部分を非流動場と
する等により行う。

【００４１】ステップ１１８では、ステップ１１７で加
工された速度分布情報および流動場・非流動場のフラグ
等に基づいて、これらを渦度や流れ関数等の他の物理量
に変換して表示し、現象理解を助ける。

【００４２】このように、本実施形態の流速分布測定方
法によれば、輝度相互相関値を使用することによってト
レーサ粒子や流れパターンの移動位置を簡易な演算で正
確に特定して、二次元平面内の流速分布を測定すること
ができる。特に輝度相互相関値を正規化することによ
り、撮像画面全体の輝度レベルに左右されることなく、
常に正確な移動位置の特定が可能である。また、トレー
サ粒子の粒子密度に応じて、粒子追跡と流れパターン追
跡とを切り換えているから、前者の特徴を生かした定常
流れ場の高精度な測定と、後者の特徴を生かした局部的
な非定常流れを含む流れ場全体の把握に適した測定とを
自動選択して二次元平面内の流速分布を良好に測定する
ことができる。さらに、ステップ１０４以下あるいはス
テップ１１１以下の本格的な測定を開始する前に、ステ
ップ１０２でフレーム内の必要位置における速度ベクト
ルの整合性を判断し、測定者に撮影速度の向上等を指示
するようにしたから、適切な測定条件の設定を無駄な試
行錯誤を伴うことなく速やかに行うことができる。

【００４３】なお、上記実施形態では粒子追跡と流れパ
ターン追跡とを自動選択するようにしたが、手動選択と
しても良く、また、粒子追跡と流れパターン追跡のいず
れかのみで常に測定するようにもできる。上記実施形態
では輝度相互相関値の演算をソフト的に行ったが、専用
ハードウエアで行うようにすれば、さらに迅速な測定が
可能となる。

【００４４】上記コンピュータ６で実行されるプログラ
ムは媒体に記録された状態で提供することができる。プ
ログラムを記憶した媒体としては、例えばフレキシブル
ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード等を用いること
ができる。媒体に記録されたプログラムは、ハードウエ
アシステムに組み込まれている記憶装置、例えばハード
ディスク装置にインストールされることにより、このプ
ログラムを実行して、上述の流速分布測定を行うことが
できる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、本発明の流速分布測定方
法によれば、簡易な演算で迅速に二次元流れ場の流速分
布を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流速分布測定方法を実行するための装
置のブロック構成図である。

【図２】流速分布測定の手順を示すプログラムフローチ
ャートである。

【図３】流速分布測定の手順を示すプログラムフローチ
ャートである。

【図４】流速分布測定の手順を示すプログラムフローチ
ャートである。

【図５】流速分布測定の手順を示すプログラムフローチ
ャートである。

【図６】平均流速分布の測定方法を説明する概念図であ
る。

【図７】トレーサ粒子の密度判定方法を説明する概念図
である。

【図８】トレーサ粒子移動領域の推定方法を説明する概
念図である。

【図９】トレーサ粒子移動位置の特定方法を説明する概
念図である。

【図１０】速度ベクトルの配列平均化を説明する概念図
である。

【符号の説明】

１…透明体、２…レーザ光出力装置、３…シリンドリカ
ルレンズ、４…ビデオカメラ、５…高速ＶＴＲ、６…コ
ンピュータ。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年１１月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】追加

【補正内容】

【０００７】本第１発明においては、テンプレート画像
は、式〔１０〕によって算出された輝度相互相関値Ｒfg
が最小値を示す後時刻の二次元流れ場画像の画像部と最
も相似しており、したがって、当該画像部へ移動してい
ると考えられる。そこで、この時の単位時間内の移動量
および移動方向を算出することにより、後時刻の二次元
流れ場画像の画像部へ至るまでの速度ベクトルが得られ
る。前時刻の二次元流れ場画像中の必要な画像部をテン
プレート画像として上記の手順を繰り返すことにより、
二次元流れ場内の流速分布を得ることができる。上記輝
度相互相関値Ｒfgの演算は一般の相互相関値の演算に比
して簡易であり、迅速に二次元流れ場の流速分布を測定
することができる。この場合、テンプレート画像とし
て、前時刻の二次元流れ場画像内に存在する各トレーサ
粒子を中心とした画像部を選択すれば、トレーサ粒子の
移動を追跡することができる。さらにこの場合、後時刻
の二次元流れ場画像内に、上記テンプレート画像として
選択された画像中のトレーサ粒子の速度に応じた推定移
動領域を設定し、当該推定移動領域内に存在するトレー
サ粒子を含むその周囲の画像部について、テンプレート
画像との輝度相互相関値Ｒfgを算出するようにすると、
粒子移動追跡の無駄がなくなり、演算処理量が低減され
る。この結果、流速分布測定の即応性が向上する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】本第５発明では、所定の二次元流れ場画像
中の粒子密度を判定し、粒子密度が所定値より小さい場
合にのみ本第３発明ないし本第４発明の手順を行う。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】本第５発明においては、所定の二次元流れ
場画像中の粒子密度が小さい場合にのみ、各二次元流れ
場画像中のトレーサ粒子を認定し、トレーサ粒子の追跡
を行う。これに対して粒子密度が大きい場合にはトレー
サ粒子を認定することなく、流れパターンの追跡がなさ
れる。したがって、トレーサ粒子追跡の特徴を生かした
定常流れ場の高精度な測定と、流れパターン追跡の特徴
を生かした局部的な非定常流れを含む流れ場全体の把握
に適した測定とが自動的に選択されて二次元平面内の流
速分布が良好に測定される。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】追加

【補正内容】

【００２４】ステップ１０３では粒子密度を判定する。
この判定には基準粒子テンプレート画像を使用する。基
準粒子テンプレート画像とはトレーサ粒子を中心に位置
させた一定領域の正方形画像で、図７に示すように、実
験的検討に基づいて粒子形状、最高輝度レベル、レベル
分布等が異なる基準粒子テンプレート画像７４Ａ〜７４
Ｃを予め複数種用意しておく。複数種の基準粒子テンプ
レート画像を用意するのは、シート光の照射方向が各ト
レーサ粒子によって微妙に異なるため、画像上のトレー
サ粒子が種々の形状、輝度を示すからである。そして、
各基準粒子テンプレート画像７４Ａ〜７４Ｃを測定開始
時のフレーム上で図中の矢印のように走査しつつ下式
〔１６〕，下式〔１７〕で正規化値Ｒｒを算出し、この
正規化値Ｒｒが所定値以上を示した画像部位置にトレー
サ粒子が存在するものとして粒子数を積算する。そし
て、積算された粒子数より粒子密度を算出し、粒子密度
が所定値よりも小さい場合にはトレーサ粒子追跡を行う
図３のステップ１０４以下へ進み、粒子密度が所定値よ
りも大きい場合には流れパターン追跡を行う図４のステ
ップ１１１以下へ進む。なお、粒子密度の算出は測定開
始時以外のフレームついて行っても良く、あるいは測定
開始時の所定数のフレームについての平均値を使用する
ことができ、また、ステップ１０４以下とステップ１１
１以下への分岐を、フレームの全体ではなく、フレーム
の局所についての粒子密度によって切り換えるようにし
ても良い。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】追加

【補正内容】

【００３０】ステップ１０７では粒子移動位置を特定す
る。これは図９に示すように、ステップ１０４で抽出さ
れたトレーサ粒子Ｐ１〜Ｐ３を中心にその周囲の一定領
域を切り出してテンプレート画像とし、このテンプレー
ト画像を、後時刻フレームの推定移動領域Ｍ内で抽出さ
れているトレーサ粒子（対応する粒子をＰ１´〜Ｐ３´
で、対応しない粒子を×印で示す）を含むその周囲で走
査して、既述の式〔１４〕，式〔１５〕で正規化値Ｒｒ
を算出する（この場合、式〔１４〕中のｆi はテンプレ
ート画像に含まれるi 番目の画素の輝度、ｇi は後時刻
フレーム上で走査されるテンプレート画像に対応する画
像部に含まれるi 番目の画素の輝度である）。トレーサ
粒子Ｐ１〜Ｐ３を含んだテンプレート画像は、その粒子
サイズ、輝度レベル、輝度分布がそれぞれ異なってお
り、正規化値Ｒｒが所定値以上を示す後時刻フレーム内
の画像部に、当該トレーサ粒子Ｐ１〜Ｐ３に対応するト
レーサ粒子Ｐ１´〜Ｐ３´があるものとして粒子移動位
置を特定する。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 時間間隔をおいて測定された一対の二次
   元流れ場画像のうち後時刻の二次元流れ場画像につい
   て、前時刻の二次元流れ場画像中の所定の画像部をテン
   プレート画像として当該テンプレート画像との輝度相互
   相関値Ｒfgを下式〔１〕により算出し、当該輝度相互相
   関値Ｒfgが最小値を示す前記後時刻の二次元流れ場画像
   中の画像部に前記前時刻の二次元流れ場画像中の所定の
   画像部が移動したものとして二次元流速分布を得ること
   を特徴とする流速分布測定方法。 Ｒfg＝Σ｜ｆi −ｇi ｜…〔１〕 ここで、前記テンプレート画像および前記画像部の画素
   数をそれぞれｎとして、１≦i ≦ｎであり、ｆi はテン
   プレート画像に含まれるi 番目の画素の輝度、ｇi は後
   時刻の二次元流れ場画像の画像部に含まれるi 番目の画
   素の輝度である。
2. 【請求項２】 時間間隔をおいて測定された一対の二次
   元流れ場画像のうち後時刻の二次元流れ場画像につい
   て、前時刻の二次元流れ場画像中の所定の画像部をテン
   プレート画像として当該テンプレート画像との輝度相互
   相関値Ｒfgを下式〔２〕により算出するとともに、得ら
   れた輝度相互相関値の最小値Ｒmin を下式〔３〕により
   正規化し、この正規化値Ｒｒが最大値を示す前記後時刻
   の二次元流れ場画像中の画像部に前記前時刻の二次元流
   れ場画像中の所定の画像部が移動したものとして二次元
   流速分布を得ることを特徴とする流速分布測定方法。 Ｒfg＝Σ｜ｆi −ｇi ｜…〔２〕 ここで、前記テンプレート画像および前記画像部の画素
   数をそれぞれｎとして、１≦i ≦ｎであり、ｆi はテン
   プレート画像に含まれるi 番目の画素の輝度、ｇi は後
   時刻の二次元流れ場画像の画像部に含まれるi 番目の画
   素の輝度である。 Ｒｒ＝｜（Ｒmin −Ｒmean）／Ｒmean｜…〔３〕 ここで、Ｒmin は輝度相互相関値Ｒfgの最小値、Ｒmean
   は輝度相互相関値Ｒfgの平均値である。
3. 【請求項３】 前記テンプレート画像として、前時刻の
   二次元流れ場画像内に存在するトレーサ粒子を中心とし
   た画像部を選択する請求項１又は２に記載の流速分布測
   定方法。
4. 【請求項４】 所定のサイズで、最高輝度および輝度分
   布を予め定めた基準粒子テンプレート画像を用意し、各
   二次元流れ場画像について、前記基準粒子テンプレート
   画像との輝度相互相関値Ｒehを下式〔４〕により算出
   し、輝度相互相関値Ｒehが最小値を示す前記二次元流れ
   場画像中の画像部を、前記基準粒子テンプレート画像と
   相似性が最も高いものとして二次元流れ場画像中のトレ
   ーサ粒子と認定することを特徴とする請求項３に記載の
   流速分布測定方法。 Ｒeh＝Σ｜ｅi −ｈi ｜…〔４〕 ここで、前記基準粒子テンプレートおよび前記画像部の
   画素数をそれぞれｍとして、１≦i ≦ｍであり、ｅi は
   基準粒子テンプレート画像に含まれるi 番目の画素の輝
   度、ｈi は二次元流れ場画像の画像部に含まれるi 番目
   の画素の輝度である。
5. 【請求項５】 所定のサイズで、最高輝度および輝度分
   布を予め定めた基準粒子テンプレート画像を用意し、各
   二次元流れ場画像について、前記基準粒子テンプレート
   画像との輝度相互相関値Ｒehを下式〔５〕により算出す
   るとともに、得られた輝度相互相関値の最小値Ｒmin を
   下式〔６〕により正規化し、この正規化値Ｒｒが最大値
   を示す前記二次元流れ場画像中の画像部を、前記基準粒
   子テンプレート画像との相似性が最も高いものとして二
   次元流れ場画像中のトレーサ粒子と認定することを特徴
   とする請求項３に記載の流速分布測定方法。 Ｒeh＝Σ｜ｅi −ｈi ｜…〔５〕 ここで、基準粒子テンプレートおよび前記画像部の画素
   数をｍとして、１≦i≦ｍであり、ｅi は基準粒子テン
   プレート画像に含まれるi 番目の画素の輝度、ｈi は二
   次元流れ場画像の画像部に含まれるi 番目の画素の輝度
   である。 Ｒｒ＝｜（Ｒmin −Ｒmean）／Ｒmean｜…〔６〕 ここで、Ｒmin は輝度相互相関値Ｒehの最小値、Ｒmean
   は輝度相互相関値Ｒehの平均値である。
6. 【請求項６】 測定開始時の二次元流れ場画像中の粒子
   密度を判定し、粒子密度が所定値より小さい場合にのみ
   請求項４又は５に記載の手順を行うことを特徴とする流
   速分布測定方法。
7. 【請求項７】 時間間隔をおいて測定された一対の二次
   元流れ場画像のうち後時刻の二次元流れ場画像につい
   て、前時刻の二次元流れ場画像中の所定の画像部をテン
   プレート画像として当該テンプレート画像との輝度相互
   相関値Ｒfgを下式〔７〕により算出し、当該輝度相互相
   関値Ｒfgが最小値を示す前記後時刻の二次元流れ場画像
   中の画像部に前記前時刻の二次元流れ場画像中の所定の
   画像部が移動したものとして二次元流速分布を得るコン
   ピュータプログラムを記録した媒体。 Ｒfg＝Σ｜ｆi −ｇi ｜…〔７〕 ここで、前記テンプレート画像および前記画像部の画素
   数をｎとして、１≦i≦ｎであり、ｆi はテンプレート
   画像に含まれるi 番目の画素の輝度、ｇi は後時刻の二
   次元流れ場画像の画像部に含まれるi 番目の画素の輝度
   である。
8. 【請求項８】 時間間隔をおいて測定された一対の二次
   元流れ場画像のうち後時刻の二次元流れ場画像につい
   て、前時刻の二次元流れ場画像中の所定の画像部をテン
   プレート画像として当該テンプレート画像との輝度相互
   相関値Ｒfgを下式〔８〕により算出するとともに、得ら
   れた輝度相互相関値の最小値Ｒmin を下式〔９〕により
   正規化し、この正規化値Ｒｒが最大値を示す前記後時刻
   の二次元流れ場画像中の画像部に前記前時刻の二次元流
   れ場画像中の所定の画像部が移動したものとして二次元
   流速分布を得るコンピュータプログラムを記録した媒
   体。 Ｒfg＝Σ｜ｆi −ｇi ｜…〔８〕 ここで、前記テンプレート画像および前記画像部の画素
   数をｎとして、１≦i≦ｎであり、ｆi はテンプレート
   画像に含まれるi 番目の画素の輝度、ｇi は後時刻の二
   次元流れ場画像の画像部に含まれるi 番目の画素の輝度
   である。 Ｒｒ＝｜（Ｒmin −Ｒmean）／Ｒmean｜…〔９〕 ここで、Ｒmin は輝度相互相関値Ｒfgの最小値、Ｒmean
   は輝度相互相関値Ｒfgの平均値である。