(57)【要約】【課題】  粒子画像流速測定方法において、二つの画像における輝度パターンの相互相関値のピーク値を利用して誤ベクトルを精度良く判定する。【解決手段】  粒子画像流速測定装置は、物体の周囲の流れ場にトレーサ粒子供給手段からトレーサ粒子を供給し、トレーサ粒子に時間差を持たせてレーザー光を２回照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の二つの画像に基づいて流れ場の速度ベクトルを求める。二つの画像はそれぞれ複数の検査領域に分割されており、二つの画像の各検査領域におけるトレーサ粒子の輝度パターンの相互相関値の第１ピーク値ｆｐおよび第２ピーク値ｓｐを比較し、第１ピーク値ｆｐ／第２ピーク値ｓｐ≧１．２が成立したときに速度ベクトルの信頼性が高いと判定するので、誤ベクトルを確実に判定して流れの状態の測定精度を高めることができる。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（１２）の周囲の流れ場にトレーサ粒子供給手段（１３）からトレーサ粒子を供給し、トレーサ粒子に時間差を持たせてレーザー光を２回照射して反射光を撮像手段（３２Ａ，３２Ｂ）で撮像し、得られたトレーサ粒子の二つの画像に基づいて流れ場の速度ベクトルを求める粒子画像流速測定方法において、
前記二つの画像はそれぞれ複数の検査領域に分割されており、前記二つの画像の各検査領域におけるトレーサ粒子の輝度パターンの相互相関値の第１ピーク値（ｆｐ）および第２ピーク値（ｓｐ）を比較することで、前記速度ベクトルの信頼性を判定することを特徴とする粒子画像流速測定方法。
【請求項２】
第１ピーク値（ｆｐ）／第２ピーク値（ｓｐ）≧１．２が成立したときに、前記速度ベクトルの信頼性が高いと判定することを特徴とする、請求項１に記載の粒子画像流速測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の周囲の流れ場にトレーサ粒子供給手段からトレーサ粒子を供給し、トレーサ粒子に時間差を持たせてレーザー光を２回照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の二つの画像に基づいて流れ場の速度ベクトルを求める粒子画像流速測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トレーサ粒子が含まれる流体の流れ場に２次元状のレーザーシートを微小な時間差を有する２時刻において照射し、各々の時刻におけるレーザーシート内のトレーサ粒子の画像をカメラで撮像し、それらの２時刻の画像に基づいて流れ場の状態を測定する粒子画像流速測定法（ＰＩＶ：Particle Image Velocimetry）が知られている。
【０００３】
かかる粒子画像流速測定装置では、流体中に含まれるトレーサ粒子からの反射光だけを撮像することが望ましいが、実際には流体中に置かれた物体からの反射光、風洞の観測窓に付着したゴミからの反射光、ハレーション等のノイズ成分がトレーサ粒子からの反射光と共に撮像されることが避けられないため、カメラの画像から流体の速度ベクトルを算出する際に誤った速度ベクトル（誤ベクトル）が算出されてしまう可能性がある。
【０００４】
かかる誤ベクトルの算出を最小限に抑えるべく、画像の各画素の時間平均輝度値あるいは時間差をおいて撮像された複数の画像の最小輝度値を原画像からノイズとして除去することで、トレーサ粒子の反射光だけを残した画像を得るものが、下記特許文献１により公知である。
【０００５】
またカメラの連続する２時刻における濃淡画像から空間周波数成分をハイパスフィルタおよびローパスフィルタでフィルタリングすることで、トレーサ粒子の画像のみを残して２時刻の濃淡画像の最大移動距離を精度良く得るものが、下記特許文献２により公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−７４４１５号公報
【特許文献２】特開２００８−１４０１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１、２に記載されたものは、誤ベクトルの排除にある程度の効果は期待できるものの、誤ベクトルを排除する精度を更に向上させる余地を残している。
【０００８】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、粒子画像流速測定方法において、二つの画像における輝度パターンの相関度のピーク値を利用して誤ベクトルを精度良く判定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、物体の周囲の流れ場にトレーサ粒子供給手段からトレーサ粒子を供給し、トレーサ粒子に時間差を持たせてレーザー光を２回照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の二つの画像に基づいて流れ場の速度ベクトルを求める粒子画像流速測定方法において、前記二つの画像はそれぞれ複数の検査領域に分割されており、前記二つの画像の各検査領域におけるトレーサ粒子の輝度パターンの相互相関値の第１ピーク値および第２ピーク値を比較することで前記速度ベクトルの信頼性を判定することを特徴とする粒子画像流速測定方法が提案される。
【００１０】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、第１ピーク値／第２ピーク値≧１．２が成立したときに、前記速度ベクトルの信頼性が高いと判定することを特徴とする粒子画像流速測定方法が提案される。
【００１１】
尚、実施の形態の第１、第２第１ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂは本発明の撮像手段に対応する。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の構成によれば、物体の周囲の流れ場にトレーサ粒子供給手段からトレーサ粒子を供給し、トレーサ粒子に時間差を持たせてレーザー光を２回照射して反射光を撮像手段で撮像し、得られたトレーサ粒子の二つの画像に基づいて流れ場の速度ベクトルを求める。二つの画像はそれぞれ複数の検査領域に分割されており、二つの画像の各検査領域におけるトレーサ粒子の輝度パターンの相互相関値の第１ピーク値および第２ピーク値を比較することで速度ベクトルの信頼性を判定するので、誤ベクトルを確実に排除して流れの状態の測定精度を高めることができる。
【００１３】
また請求項２の構成によれば、第１ピーク値／第２ピーク値≧１．２が成立したときに速度ベクトルの信頼性が高いと判定するので、誤ベクトルをより一層確実に排除して流れの状態の測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】風洞に設けられた粒子画像流速測定装置の全体平面図。
【図２】図１の２部拡大図。
【図３】図２の３−３線拡大断面図。
【図４】図３の４−４線断面図。
【図５】レーザーシートおよびＣＣＤカメラのＺ軸方向の移動の説明図。
【図６】第１、第２時刻の画像からピークレシオを算出する過程の説明図。
【図７】第１、第２ピークのレシオと誤ベクトルの数との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１〜図７に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１に示すように、所定の流速の空気の一様流が供給される風洞１１の内部に例えば自動車車体の模型のような物体１２が置かれており、その上流側に設置されたトレーサ粒子供給手段１３から直径が数μｍの微小な油滴（トレーサ粒子）が一様流中に供給される。一様流は物体１２の表面に沿って流れの向きを変え、３次元の速度場を形成する。風洞１１の壁面の少なくとも一部には透明な観測窓１４が設けられており、この観測窓１４を挟んで物体１２に臨む位置に粒子画像流速測定装置１５が配置される。
【００１７】
図２〜図４に示すように、粒子画像流速測定装置１５は風洞１１の軸線と平行に配置された主ガイドレール２１と、主ガイドレール２１と平行に配置された副ガイドレール２２と、主ガイドレール２１に移動自在に支持された主トラバーサ２３と副ガイドレール２２に移動自在に支持された一対の第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂと、主トラバーサ２３および第１副トラバーサ２４Ａを連結する第１連結ロッド２５Ａと、主トラバーサ２３および第２副トラバーサ２４Ｂを連結する第２連結ロッド２５Ｂとを備えており、第１、第２連結ロッド２５Ａ，２５Ｂは同じ長さを有している。
【００１８】
主ガイドレール２１の両端に設けられた駆動スプロケット２６および従動スプロケット２７に無端のタイミングベルト２８が巻き掛けられており、その一方の弦部は主トラバーサ２３の一方の貫通孔２３ａ（図４参照）に相対移動不能に係合し、その他方の弦部は主トラバーサ２３の他方の貫通孔２３ｂ（図４参照）を非係合で通過する。駆動スプロケット２６をモータ２９（図３および図４参照）で駆動すると、従動スプロケット２７との間に巻き掛けたタイミングベルト２８が回転し、主トラバーサ２３は主ガイドレール２１に沿って移動する。主トラバーサ２３が移動すると、それに第１、第２連結ロッド２５Ａ，２５Ｂを介して連結された第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂが副ガイドレール２２に沿って移動する。
【００１９】
主ガイドレール２１の延長線上にレーザヘッド３０が設けられており、レーザヘッド３０は主ガイドレール２１に沿ってレーザービームＬｂを照射する。主トラバーサ２３の上面にミラーおよびシリンドリカルレンズよりなるレーザーシート照射手段３１が設けられており、レーザーシート照射手段３１はレーザービームＬｂをそれに直交する平面を照射するレーザーシートＬｓに変換する。レーザービームＬｂおよび風洞１１の軸線はＺ軸方向に延び、レーザーシートＬｓはＺ軸方向に対して直交するＸ軸およびＹ軸方向に延びている。
【００２０】
第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂの上面にそれぞれ第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂが設けられており、第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２ＢはレーザーシートＬｓに対して鏡面対称な位置に配置されて該レーザーシートＬｓ上の一点を指向している。第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂは物体１２の近傍のレーザーシートＬｓの所定領域を撮像するものであり、その撮像領域の全域でピントが合うように第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂにはシャインフルーグアダプタが設けられる。レーザーシート照射手段３１を搭載した主トラバーサ２３と、第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂを搭載した第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂとは一定の位置関係を保ってＺ軸方向に移動するため、レーザーシートＬｓと第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂとは一定の位置関係を保ってＺ軸方向に移動する。
【００２１】
主トラバーサ２３および第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４ＢはＺ軸方向に所定距離ずつ間欠的に移動し、停止する度にレーザーシートＬｓが短い時間間隔Δｔで２回照射される。実施の形態ではＺ軸方向の１ｍの距離を１０ｃｍ間隔で間欠的に移動する（図５参照）。前記時間間隔Δｔは風洞１１内の一様流の流速が高いほど小さく設定されるもので、その間のトレーサ粒子のＺ軸方向の移動距離が測定に適した大きさになるように調整される。また前記時間間隔Δｔにおけるトレーサ粒子のＺ軸方向の移動距離は、レーザーシートＬｓのＺ軸方向の厚さを超えないように設定される。
【００２２】
風洞１１内を流れる一様流は物体１２の周囲で方向を変えて３次元流となり、そこに含まれるトレーサ粒子も空気の流線に沿って移動する。時刻ｔ１における１回目の照射に同期して第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２ＢがレーザーシートＬｓに照射されたトレーサ粒子を撮像することで、照射面内に分布するトレーサ粒子の２方向からの２枚の画像を取得する。同様にして、時刻ｔ１′＝ｔ１＋Δｔにおける２回目の照射に同期して第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２ＢがレーザーシートＬｓに照射されたトレーサ粒子を撮像することで、照射面内に分布するトレーサ粒子の２方向からの２枚の画像を取得する。
【００２３】
本実施の形態では、ＰＩＶの種々の手法のうち、２時刻ｔ１，ｔ１′において取得した二つの画像の輝度パターンを比較してトレーサ粒子群の移動ベクトルを求める「画像相関法」を採用する。
【００２４】
図６には、例えば第１ＣＣＤカメラ３２Ａで２時刻において取得した二つの画像が示される。第１ＣＣＤカメラ３２Ａの軸線はレーザーシートＬｓの照射面に対して傾斜しているため、その画像のｘ−ｙ平面はレーザーシートＬｓの照射面のＸ−Ｙ座標に対して傾いている。四角い枠は、第１ＣＣＤカメラ３２Ａの画像を碁盤目状に分割した検査領域の一つであり、各々の検査領域においてトレーサ粒子群のｘ−ｙ平面内の移動ベクトルが算出される。即ち、時刻ｔ１に取得した第１画像の所定の検査領域におけるトレーサ粒子群の輝度パターンが、時刻ｔ１′に取得した第２画像の所定の検査領域のどの位置に移動したかを相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）を用いて検出し、その移動ベクトルを時間Δｔで除算したものを該検査領域における２成分速度ベクトルとする。以下、その２成分速度ベクトルの算出過程を説明する。
【００２５】
先ず、第１ピーク値ｆｐおよび第２ピーク値ｓｐの初期値を共に０に設定する。
【００２６】
ｆｐ←０
ｓｐ←０
続いて、次式で定義される相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）を算出する。
【００２７】
【数１】
2011017603.tif 000003
【００２８】
ここで、ｆ（ｘ，ｙ）は第１画像の輝度パターンから求めた輝度関数であり、ｇ（ｘ，ｙ）は第２画像の輝度パターンから求めた輝度関数である。よって、ｇ（ｘ＋Δｘ，ｙ＋Δｙ）は、ｇ（ｘ，ｙ）の輝度分布をｘ軸方向に−Δｘだけ移動させ、ｙ軸方向に−Δｙだけ移動させたものに相当する。従って、Δｘ，Δｙは時間間隔Δｔにおける輝度パターンの移動量に対応する。
【００２９】
各検査領域は、一辺の長さがｐの正方形のピクセルがｘ軸方向にｎ個、ｙ軸方向にｎ個集合したものであり、Δｘをｐからｎｐまで掃引し、かつΔｙをｐからｎｐまで掃引しながら、相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）を算出する。そして相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）が現第１ピーク値ｆｐを超える度に、相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）を新第１ピーク値ｆｐとし、現第１ピーク値ｆｐを新第２ピーク値ｓｐとする。
【００３０】
このようにしてΔｘおよびΔｙの全ての値について相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）を算出したとき、最終的な第１ピーク値ｆｐが得られたΔｘおよびΔｙの値を第１画像から第２画像への輝度パターンの移動量とする。そしてΔｘ，Δｙを第１、第２画像が取得された時間間隔Δｔで除算したものが、その検査領域における２成分速度ベクトルのｘ成分およびｙ成分であるｖｘ，ｖｙとなる。
【００３１】
このとき、第１画像と第２画像との相関度が高い場合には、第１ピーク値ｆｐは突出して大きくなり、第２ピーク値ｓｐは第１ピーク値ｆｐに対して遥かに小さくなるが、第１画像と第２画像との相関度が低い場合には、第１ピーク値ｆｐおよび第２ピーク値ｓｐの差は小さくなる、このような場合にはΔｘおよびΔｙに基づいて求めた２成分速度ベクトルの信頼性が低くなる。
【００３２】
そこで本実施の形態では、第１ピーク値ｆｐおよび第２ピーク値ｓｐの比であるピークレシオｆｐ／ｓｐを算出し、ピークレシオｆｐ／ｓｐが閾値１．２以上の場合、つまり第１ピーク値ｆｐが第２ピーク値ｓｐに対して１．２倍以上であれば、２成分速度ベクトルの信頼性が高いと判断し、逆に第１ピーク値ｆｐが第２ピーク値ｓｐに対して１．２倍未満であれば、２成分速度ベクトルの信頼性が低いと判断し、その２成分速度ベクトルを誤ベクトルとして削除する。
【００３３】
図７の横軸はピークレシオであり、縦軸は誤ベクトルの数である。このグラフから、ピークレシオが１．２以上の領域で誤ベクトルの数が極めて少なく、ピークレシオが１．２未満の領域で誤ベクトルの数が急激に増加することが分かる。
【００３４】
以上、第１ＣＣＤカメラ３２Ａで２時刻ｔ１，ｔ１′において取得した二つの画像から各検査領域における２成分速度ベクトルを算出する手法を説明したが、同様にして、第２ＣＣＤカメラ３２Ｂで２時刻ｔ１，ｔ１′において取得した二つの画像を比較することで、各検査領域における３成分速度ベクトルを算出することができる。
【００３５】
第１ＣＣＤカメラ３２Ａの画像から得られた検査領域の２成分速度ベクトルと、第２ＣＣＤカメラ３２Ｂの画像から得られた該検査領域の２成分速度ベクトルとは、第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの撮像方向が異なっていることにより、つまり実際の３成分速度ベクトルを異なる方向から見た視差により異なったものとなる。
【００３６】
よって前記二つの２成分速度ベクトルと、レーザーシートＬｓに対する第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの相対的な位置関係とから、キャリブレーション（校正）によりレーザーシートＬｓの面内速度（Ｘ軸方向の速度ＶｘおよびＹ軸方向の速度Ｖｙ）と、面外速度（Ｚ軸方向の速度Ｖｚ）とよりなる３成分速度ベクトルを、照射面の各位置に対応して算出することができる。
【００３７】
以上のようにしてレーザーシートＬｓの照射面内における３成分速度ベクトルが算出されると、主トラバーサ２３および第１、第２副トラバーサ２４Ａ，２４Ｂを一定の位置関係を保ってＺ軸方向に移動させることで、つまりレーザーシートＬｓおよび第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂを一定の位置関係を保ってＺ軸方向に移動させることで、レーザーシートＬｓでＺ軸方向にずれた照射面を照射し、その新たな照射面の各位置における３成分速度ベクトルを算出する。図１には、粒子画像流速測定装置１５の照射面が物体１２の前端（上流端）側の位置にある状態が実線で示され、物体１２の後端（下流端）側の位置にある状態が鎖線で示される。
【００３８】
この操作をＺ軸方向に所定距離ずつ離間する複数の照射面について実行した結果をＺ軸方向に積み重ねることで、物体１２の周囲の３次元空間の全ての３成分速度ベクトルを測定することができ、これより物体１２の周囲に形成される速度場を詳細に測定することができる。
【００３９】
尚、レーザーシートＬｓの位置を軸線Ｚ方向に移動させながら照射面に分布するトレーサ粒子の画像を順次取得するため、各画像が取得された時刻は異なったものとなるが、物体の周囲の流れを定常流として計測するため、前記時刻のずれは問題とはならない。
【００４０】
ところで、仮に第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの位置を固定し、レーザーシート照射手段３１だけをＺ軸方向に移動させた場合、レーザーシート照射手段３１の移動に伴って第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂとの相対的な位置関係が変化するため、第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂの画像から得られた二つの２成分速度ベクトルから３成分速度ベクトルを算出する際のキャリブレーションがレーザーシートＬｓの位置を移動させる毎に異なってしまい、そのキャリブレーション工数が増加する問題がある。
【００４１】
しかしながら本実施の形態によれば、レーザーシート照射手段３１および第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂが一定の位置関係を保ってＺ軸方向に移動するため、レーザーシートＬｓの位置が移動する度にキャリブレーションを実行する必要をなくしてキャリブレーション工数を軽減することができる。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４３】
例えば、実施の形態では直接相互相関法を用い、二つの画像の相互相関値Ｃ（Δｘ，Δｙ）から算出した第１、第２ピーク値ｆｐ，ｓｐに基づいて誤ベクトルを判定しているが、直接相互相関法以外にＦＦＴ相互相関法や自己相関法等の他の相関法を用いることができる。
【００４４】
また実施の形態では第１、第２ＣＣＤカメラ３２Ａ，３２Ｂを用いたステレオＰＩＶを採用しているが，本発明は１台のＣＣＤカメラを用いたＰＩＶに対しても適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１２        物体
１３        トレーサ粒子供給手段
３２Ａ      第１ＣＣＤカメラ（撮像手段）
３２Ｂ      第３ＣＣＤカメラ（撮像手段）
ｆｐ        第１ピーク値
ｓｐ        第２ピーク値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2011017603.tif 000007
【図５】
2011017603.tif 000008
【図６】
2011017603.tif 000009
【図７】
2011017603.tif 000010