(57)【要約】【課題】  演算処理の複雑さを回避して高速な演算、処理の迅速化を図ることを可能とし、高性能なコンピュータを使わずにリアルタイム処理にて流速測定を可能とする。【解決手段】  遠方の流体(40)を被写体とし、当該流体(40)中のトレーサ(41)を画像として捉えることが可能な望遠鏡(11)と、その捉えた画像を平行射影とする平行光学系と、その光軸に対して面を傾けて配置したポルカドット(15)と、そのポルカドット(15)の透過部(17)を通過した画像を連続撮影する第一カメラ(21)と、前記ポルカドット(15)の反射部(18)で反射された画像を撮影する第二カメラ(22)と、その第二カメラ(22)および前記第一カメラ(21)にて撮影された画像から被測定流体(40)の流速を算出する演算手段(33)と、を備えている。前記ポルカドット(15)は、画像を透過する透過部(17)と、前記画像を反射する反射部(18)とで交互に組み合わせたパターン(19)を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠方の流体を被写体とする流体撮影装置であって、
当該流体中のトレーサを画像として捉えることが可能な望遠鏡と、
その望遠鏡で捉えた画像を平行射影とする平行光学系と、
その平行光学系および前記望遠鏡のなす光軸に対して面を傾けて配置したポルカドットと、を備え、
そのポルカドットは、画像を透過する透過部と、前記画像を反射する反射部とで上下および左右の交互に組み合わせたパターンを形成した平面状をなし、
更に、前記ポルカドットの透過部を通過した画像を連続撮影する第一カメラと、
前記ポルカドットの反射部で反射された画像を撮影する第二カメラと、
その第二カメラおよび前記第一カメラのいずれか一方または双方にて撮影された画像から被測定流体の流速を算出する演算手段と、を備えた流体撮影装置。
【請求項２】
前記演算手段が算出した流速を表示する出力手段を備えた請求項１に記載の流体撮影装置。
【請求項３】
前記望遠鏡には、前記流体までの距離を計測するレーザ距離計を備えた請求項１または請求項２のいずれかに記載の流体撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体撮影装置に関する。更に詳しくは、流体に混在したトレーサの流れを撮影した画像によって当該流体の流速を測定するための流体撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気などの気体、水などの液体の流体にトレーサを混在し、そのトレーサの流れを撮影した画像によって当該流体の流速を測定する流体測定装置がある。
【０００３】
その流体の流速の計測には、超音波流速計、ＰＴＶ法などがある。例えば、特許文献1では、トレーサのパターンの変化を撮影し、所定間隔離れた時刻の２つの画像における対応部位をパターンマッチングにより求めることにより、流れの各点での流速ベクトルを求める方法において、そのパターンマッチング処理の精度を向上するための工夫が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２２１２０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＰＴＶ法は、例えば、カメラでトレーサに対して１秒間に３０〜５０回を繰り返して撮影する。そして、その撮影した画像に基づいて時刻間で対応付けされた同一の粒子や画素について、複数(たいてい２台)のカメラで行う場合はステレオペアマッチングにて一致する粒子や画素に対して三次元における速度の情報に変換し、三次元の軌跡を求めるものである。１台のカメラで行う場合は、そのカメラで撮影した画像に基づいてトレーサの二次元像の位置座標を追跡し、速度および軌跡を測定するものである。
【０００６】
すなわち、多数の粒子の中で、時刻間において同一の粒子であることの対応付け（マッチング）をする必要があるが、例えば順列組み合わせで対応付けを確認するアルゴリズムなどが採用されて、計算が行われていた。このとき、３つないしは５つの時刻間で対応付けが検証されていた。その対応付けられた３つないしは５つの時刻間の粒子により、その粒子の三次元速度ベクトル、あるいは二次元速度ベクトルが算出される。
【０００７】
上述したことから分かるように、粒子の対応付けが絶対に間違いがないことを確証するためのアルゴリズムによる計算手法では、画像中のトレーサの対応付けには、膨大な演算量が必要となる。そのため、リアルタイム処理が困難になる、ハードウェアコストが掛かる、等の問題があった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、演算処理の複雑さを回避して高速な演算、処理の迅速化を図ることを可能とし、高性能なコンピュータを使わなくてもリアルタイム処理を実行して流体の流速測定を可能とする技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（第一の発明）
本願における第一の発明は、  遠方の流体(40)を被写体とする流体撮影装置(10)に係る。  すなわち、当該流体(40)中のトレーサ(41)を画像として捉えることが可能な望遠鏡(11)と、  その望遠鏡(11)で捉えた画像を平行射影とする平行光学系と、  その平行光学系および前記望遠鏡のなす光軸に対して面を傾けて配置したポルカドット(15)とを備える。  そのポルカドット(15)は、画像を透過する透過部(17)と、前記画像を反射する反射部(18)とで上下および左右の交互に組み合わせたパターン(19)を形成した平面状をなし、  そのポルカドット(15)の透過部(17)を通過した画像を連続撮影する第一カメラ(21)と、  前記ポルカドット(15)の反射部(18)で反射された画像を撮影する第二カメラ(22)と、  その第二カメラ(22)および前記第一カメラ(21)にて撮影された画像(24),(25)のいずれか一方または双方から被測定流体(40)の流速を算出する演算手段(33)と、を備えた流体撮影装置(10)に係る。
【００１０】
（用語説明）
「トレーサ」とは、流体が移動する軌跡をとらえるために撮影装置の被写体となるものである。後述する実施形態では流体が水であり、その水の流れに乗って移動する気泡が用いられている。本願では、各気泡に該当する個々の粒子を「トレーサ粒子」と称する。
「ポルカドット」は、「ポルカドットビームスプリッタ」とも呼ばれる。
【００１１】
（作用）
ポルカドット(15)を通過した画像(24),(25)は、トレーサ粒子(42)が例えば黒の画像(26)で表示される場合、反射部(18)で形成されるドット部(27)を通過する時の黒の画像(26)の数を数えることによって、連続撮影による各画像間の黒の画像(26)の数の変化により、トレーサ粒子(42)の速度が分かる。しかも、トレーサ粒子(42)の動きは隣り合うドット部(27)間での動きにより、時刻間での対応付けを明確に行うことができる。
したがって、従来のような複雑な演算を行うことなく、各画像(24),(25)に基づく時刻間でのトレーサ粒子(42)の対応付けを容易に行うことができる。
【００１２】
（第一の発明のバリエーション１）
第一の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、  前記演算手段(33)が算出した流速を表示する出力手段(32)を備えることもできる。  出力手段(32)を備えることによって、操作者や関係者における情報共有が簡便化する。
【００１３】
（第一の発明のバリエーション２）
第一の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、  前記望遠鏡(11)には、前記流体(40)までの距離を計測するレーザ距離計(12)を備えることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本願における第一の発明によれば、演算処理の複雑さを回避して高速な演算、処理の迅速化を図ることを可能とし、高性能なコンピュータを使わなくてもリアルタイム処理を実行して流体の流速測定を可能とする流体撮影装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態の流体撮影装置を示す概略的な斜視図である。
【図２】図１のポルカドット、第一カメラおよび第二カメラを拡大した斜視図である。
【図３】（ａ）は第一カメラで撮影した画像で、（ｂ）は（ａ）のΔｔ秒後に第一カメラで撮影した画像である。
【図４】（ａ）は図３（ａ）と同じトレーサ粒子を第二カメラで撮影した画像で、（ｂ）は（ａ）のΔｔ秒後に第二カメラで撮影した画像である。
【図５】図３および図４とは別の例で、（ａ）は第二カメラで撮影した画像で、（ｂ）は（ａ）のΔｔ秒後に第二カメラで撮影した画像である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）はポルカドットの他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
まず、図１および図２を用いて説明する。この実施の形態に係る流体撮影装置１０は、遠方の高速流体４０を被写体とするものである。例えば流体４０にはトレーサ４１を混在させる。なお、流体４０は高速流体でなくても適用される。
【００１７】
トレーサ４１とは、流体４０が移動する軌跡をとらえるために流体撮影装置１０の被写体となるもので、本実施形態では流体４０が水であり、その水の流れに乗って移動する気泡がトレーサ４１として用いられている。本願では、トレーサ４１を構成する各気泡に該当する個々の粒子を「トレーサ粒子４２」と称する。
流体４０が液体の場合は、トレーサ粒子４２としては、気泡の他に染料なども用いることができる。また、流体４０が気体の場合は、例えば煙の粒子、空中の粉塵などが用いられるので、特に限定されない。
【００１８】
その流体４０を遠方から撮影するために、当該流体４０中のトレーサ４１を画像として捉えることが可能な望遠レンズを備えた望遠鏡１１が用いられる。本実施形態にかかる流体撮影装置１０にて算出される被測定流体４０の流速は、撮影手段２０にて撮影された画像２４，２５それぞれの全体における平均値をあらわす。このため、望遠鏡１１を用いて、流体４０の測定領域を小さくすることにより、測定の精度を高めることができる。また、後述する反射部１８の数が少ない場合は、望遠鏡１１で測定領域を拡大して撮影画像２４，２５内のドット部２７の数を相対的に多くすることにより、測定精度を高めることができる。
【００１９】
望遠鏡１１には流体４０との距離を計測するためのレーザ距離計１２が備えられており、そのレーザ距離計１２は制御装置３０に接続されている。本実施形態では投光したレーザ光１３が流体４０で反射し、その反射レーザ光１３を受光し、このときのデータが制御装置３０に送信されて距離が計算される。
【００２０】
前記望遠鏡１１の設置場所が限りなく遠いならば、その画像を捉えた光は平行光となるが、そのような測定条件は現実的ではない。そこで、その望遠鏡１１の後方側には当該望遠鏡１１で捉えた画像を平行射影とする平行光学系機器１４（平行光学系）が備えられる。平行光学系を備えることにより、被測定流体４０の流速の算出において、余計な補正などを不要にできる。
【００２１】
平行光学系機器１４の後方側には、ポルカドット１５が上記の平行光学系機器１４および前記望遠鏡１１のなす光軸に対して面を傾けて配置される。そのポルカドット１５の傾き角度は、図1に示すように、モータ等の回転駆動部１６により回転して調整自在に構成されている。当該ポルカドット１５は、平行射影画像を透過する透過部１７と、前記画像を反射する反射部１８とで交互に組み合わせたパターン１９を形成した平面状をなしている。
【００２２】
前記透過部１７としては、例えば光を透過する平面状のガラス体１７ａで構成される。一方、前記反射部１８としては、例えば複数の矩形状のミラー片１８ａが前記ガラス体１７ａの表面にドット状に、図１および図２では、縦方向と横方向に列状をなすように整然と配列されたパターン１９ａを形成して貼り付けられている。
【００２３】
なお、そのパターン１９は、「画像を透過する透過部と、前記画像を反射する反射部とで上下および左右の交互に組み合わせたパターン」であればよい。例えば、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、種々の形状をなす複数のミラー片をガラス体１７ａの表面に配列することができ、特に限定されない。
図６（ａ）では複数の細かい矩形状のミラー片１８ｂが、特に横方向に狭い間隔で配列されたパターン１９ｂを形成している。図６（ｂ）では複数の円形状のミラー片１８ｃが縦方向と横方向にほぼ均等の間隔で整然と配列されたパターン１９ｃを形成している。図６（ｃ）では、例えば２ｍｍ幅でドーナツ状をなすミラー片１８ｄが、例えば２．５ｍｍの等間隔で同心円上に配列されたパターン１９ｄを形成している。
【００２４】
なお、本実施形態では、上述した複数のミラー片１８ａ〜１８ｄを配置した箇所が第一カメラ２１で撮影された画像２４の空白の部分、並びに第二カメラ２２で撮影された画像２５の画像部分を、単に「ドット部２７」と称する。
【００２５】
また、前記ポルカドット１５の後方側には、撮像手段２０が配置されている。すなわち、そのポルカドット１５の透過部１７を通過した平行射影画像を連続撮影する第一カメラ２１が配置されている。その第一カメラ２１は画像処理装置２３を経て制御装置３０に接続されている。
【００２６】
一方、前記ポルカドット１５の表面の反射部１８が光を反射する側には、そのポルカドット１５の反射部１８で反射された平行射影画像を前記第一カメラ２１と同期して連続撮影する第二カメラ２２が配置されている。その第二カメラ２２は画像処理装置２３を経て制御装置３０に接続されている。
【００２７】
制御装置３０には、図示を省略したＣＰＵ（中央演算処理装置）に、種々のデータを入力するための入力装置３１と画像やデータ等を表示するための出力手段（表示装置）３２が接続されている。また、前記第一カメラ２１および第二カメラ２２にて撮影された画像２４、２５から被測定流体４０の流速を算出する演算手段３３が備えられている。
【００２８】
出力手段（表示装置）３２は、その演算手段３３が算出した流速を表示する。出力手段３２には、必要に応じて紙媒体に印刷する印刷装置も含む。
【００２９】
上記構成により、水の流体４０にはトレーサ４１となる気泡が混在している。流体４０から遠方に設置した望遠鏡１１により、前記水の流体４０のトレーサ４１が画像として捉えられる。その画像は、平行光学系機器１４により平行光とされて平行射影が後方側のポルカドット１５を経て、第一カメラ２１および第二カメラ２２で撮影される。
【００３０】
その平行射影画像は、第一カメラ２１の側では、ポルカドット１５の透過部１７のガラス体１７ａを透過するが、反射部１８の各ミラー片１８ａでは反射されるために、ミラー片１８ａの部分を除く画像２４を撮影することになる。その画像２４は、図２にイメージ的な模式図として示す。
一方、第二カメラ２２の側では、反射部１８の各ミラー片１８ａで反射される部分だけの画像２５を撮影することになる。その画像２５は、図２にイメージ的な模式図として示す。
【００３１】
流体４０とトレーサ４１は輝度が異なるので、流体４０中のトレーサ４１の画像を捉えることができる。例えば、図２に示されているように、トレーサ粒子４２は黒の画像２６で捉えられる。動画であれば、黒の画像２６の動きが連続的に刻々と線の状態で変化するので、同一のトレーサ粒子４２を追いかけることができる。
したがって、シャッタスピードを遅くするか、あるいは高速連写することによって可能となる。例えば、高速連写の場合、トレーサ４１に対してカメラで１秒間に３０〜５０回を繰り返して撮影する。
【００３２】
ＰＴＶ法では、その撮影した各画像はトレーサ４１の動きによる時刻間の変化があるので、それらの画像間で黒の画像２６が同一のトレーサ粒子４２であることの対応付けをする必要がある。
しかしながら、従来では、その対応付けが容易ではなく複雑で膨大な計算を行う必要がある。また、トレーサ４１の先頭と後ろを探す必要があるがそれも難しい。
【００３３】
本願の場合は、ポルカドット１５を通過した画像２４、２５は、トレーサ粒子４２が例えば黒の画像２６で表示される場合、反射部１８の各ミラー片１８ａで形成される矩形状のドット部２７を通過する時の黒の画像２６の数を数えることによって、連続撮影による各画像間の黒の画像２６の数の変化により、トレーサ粒子４２の速度を把握できる。つまり、トレーサ粒子４２の動きが速ければ前記黒の画像２６のあるドット部２７の数が多くなるが、遅ければ少なくなる。
しかも、トレーサ粒子４２の動きは隣り合う矩形状のドット部２７間での動きにより、明確に対応付けをすることができる。したがって、各画像２４、２５に基づく時刻間でのトレーサ粒子４２の対応付けが容易であるため、トレーサ粒子の対応付けに膨大な演算処理を実行していた従来の演算が不要となる。したがって、演算処理を実行するコンピュータの性能も高度なモノでなくて良く、測定に必要な設備を簡素化できる。
【００３４】
一例として、図３（ａ），（ｂ）は、第一カメラ２１で撮影した画像２４であり、ドット部２７は空白となるが、透過部１７を透過した黒の画像２６の領域内にあるドット部２７の数を数えることで、トレーサ粒子４２が通過する時のドット部２７の数とその位置をデータとして捉えることができる。
したがって、図３（ａ）の黒の画像２６と、そのΔｔ秒後の図３（ｂ）の黒の画像２６を比較すると、同一のトレーサ粒子４２が移動していることは明らかである。
【００３５】
一方、図４（ａ），（ｂ）は、上記の図３（ａ），（ｂ）を撮影した時に、第二カメラ２２で撮影した画像２５である。つまり、図４（ａ）は図３（ａ）と同じ時に撮影したもので、図４（ｂ）は図３（ｂ）と同じ時に撮影したものである。
したがって、図３の場合と同様に、黒の画像２６のあるドット部２７の数を数えることで、トレーサ粒子４２が通過する時のドット部２７の数とその位置をデータとして捉えることができる。図４（ａ）の黒の画像２６と、そのΔｔ秒後の図４（ｂ）の黒の画像２６を比較しても、同一のトレーサ粒子４２が移動していることが明らかとなる。
【００３６】
さらに、図３（ａ），（ｂ）および図４（ａ），（ｂ）には、それぞれの画像２４、２５の下側に、矩形状のドット部２７の間隔で段付きのグラフを図示し、トレーサ粒子４２が通過している流れ方向の位置を実線で示している。各ドット部２７およびその間隔の寸法は予め分かっているので、その段付きのグラフからも、Δｔ秒後のトレーサ粒子４２の位置が分かることから、トレーサ粒子４２の速度は演算手段３３で容易に計算することができる。
【００３７】
第一カメラ２１で撮影した画像２４に基づいて計算したトレーサ粒子４２の速度Ｖ１と、第二カメラ２２で撮影した画像２５に基づいて計算したトレーサ粒子４２の速度Ｖ２とを比較することにより、トレーサ粒子４２の速度を検証することができる。
たとえば、速度Ｖ１と速度Ｖ２との平均値を最終的な流体速度としてもよい。また、一方のカメラによる撮影画像が不鮮明であるような場合には、もう一方による速度算出が可能である。
【００３８】
また、他の例として、図５（ａ），（ｂ）は、第二カメラ２２で撮影した画像２５であり、図５（ａ）の黒の画像２６と、そのΔｔ秒後の図５（ｂ）の黒の画像２６を比較すると、同一のトレーサ粒子４２が移動していることは明らかである。しかも、トレーサ粒子４２の動く方向が分かる。すなわち、図５（ａ），（ｂ）のそれぞれの画像２５における黒の画像２６が通過する時のドット部２７の数とその位置をデータとして捉え、そのデータに基づいてトレーサ粒子４２の速度と方向を演算手段３３で容易に計算することができる。
【００３９】
以上のことから、演算処理の複雑さを回避して高速な演算、処理の迅速化を図ることが可能となる。その結果、高性能なコンピュータを使わなくてもリアルタイム処理を実行して流体の流速測定を可能とする流体撮影装置１０を提供することとなる。
【００４０】
前述した図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のようなポルカドットもまた、前述した図２のポルカドット１５を用いた場合と同様の作用、効果を得ることができる。流体の性質によって、適切なポルカドットを選択すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、流体の計測技術を必要とする流体計測器の製造業、流体計測技術を用いる環境調査などの公共事業などにおいて、利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００４２】
１０  流体撮影装置          １１  望遠鏡
１２  レーザ距離計          １３  レーザ光
１４  平行光学系機器        １５  ポルカドット
１６  回転駆動部            １７  透過部
１７ａ  ガラス体            １８  反射部
１８ａ〜１８ｄ  ミラー片    １９、１９ａ〜１９ｄ  パターン
２０  撮影手段              ２１  第一カメラ
２２  第二カメラ            ２３  画像処理装置
２４  画像（第一カメラによる）
２５  画像（第二カメラによる）
２６  黒の画像（トレーサ粒子４２による）
２７  ドット部
３０  制御装置              ３１  入力装置
３２  出力手段（表示装置）  ３３  演算手段
４０  流体                  ４１  トレーサ
４２  トレーサ粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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