JPH1164359A

JPH1164359A - 流速計測方法および流速計測装置

Info

Publication number: JPH1164359A
Application number: JP23057997A
Authority: JP
Inventors: Sadao Mori; 貞雄森; Shigeo Watabe; 成夫渡部; Yuji Hosoda; 祐司細田; Hiroyuki Sugawara; 弘之菅原; Makoto Otsu; 誠大津; Keiko Yasuda; 桂子安田; Ryoji Imai; 良二今井
Original assignee: National Space Development Agency of Japan; Hitachi Ltd
Current assignee: National Space Development Agency of Japan; Hitachi Ltd
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 1999-03-05
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: JP3559816B2

Abstract

(57)【要約】【課題】流速の大小にかかわらず、長時間露光による
ハレーションや流跡の重なりを招かずに、流速を精度良
く求めることができる流速計測装置を提供する。【解決手段】カラーＣＣＤカメラ９と三色光源４とを
用いて、流体１中のトレーサ３のカラー動画像を連続的
に獲得する。露光開始直後に始点画像を獲得し、終了直
前に終点画像を獲得し、その間をつなぐ流跡画像を獲得
するように、三色光源４の各色光源５，６，７の発光タ
イミングを調節する。トレーサ画像を時間を追ってつな
ぎ合わせ、注目するトレーサ３を追跡する。始点と終点
とが流跡画像で結ばれた複数枚のトレーサ画像同士の始
点と終点とを必要に応じて順次重ね合わせ、トレーサの
移動距離を大きくとれるので、低速時はハレーションを
招かず、高速時は画像の明るさの低下を防止し、他のト
レーサと誤認することなく、流速の高精度測定が可能と
なる。

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ＣＣ
Ｄ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Ｔ
₂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６３，６５，６
６，６８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６
３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６３，６
５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２０
１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ＬＥＤ１
０４を交互に並べた光源であり、ＬＥＤ光源ドライバ１
０５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，１１
０ｃ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１
２０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１
１２，１１６のキセノン光源１１３，１１７は、緑色Ｌ
ＥＤ，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１００ＬＥＤ三色光源１０１基板１０２赤色ＬＥＤ１０３緑色ＬＥＤ１０４青色ＬＥＤ１０５ＬＥＤ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ＬＥＤ１２２光源ドライバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者細田祐司茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者菅原弘之茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者大津誠茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者安田桂子茨城県つくば市千現二丁目１番１号宇宙開発事業団宇宙環境利用システム本部宇宙実験グループ内 (72)発明者今井良二茨城県つくば市千現二丁目１番１号宇宙開発事業団宇宙環境利用システム本部宇宙環境利用研究センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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２】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３】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４】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。
【請求項５】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６】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。