(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、  そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像を撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるために周波数を変更可能な周波数変更手段と、を備えた流体流動計測システムの制御方法であって、
シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手順と、
ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを計測するコントラスト計測手順と、
その計測されたコントラストが所定のコントラストに達していない場合には、前記周波数変更手段に対して粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させるコントラスト変更手順と、
そのコントラスト変更手順によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させる第二タイミングコントロール手順と、
その変更後の光を用いて前記画像処理手段を作動させる画像処理手順と、によって、粒子群の移動方向および移動量を計測することとした流体流動計測方法。
【請求項２】
粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、  そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像の光データを光伝送する画像伝送ケーブルと、  光伝送されたシート上の画像の光データを撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるために周波数を変更可能な周波数変更手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサの撮影対象であるシート上の画像をＣＭＯＳイメージセンサへ伝送する光学系にビームスプリッタとを備えるとともに、  前記ＣＭＯＳイメージセンサは、そのビームスプリッタによって分光された光データを撮影できるように調整した第一カメラおよび第二カメラからなる高速度カメラとし、  その高速度カメラと前記前記シート状発光装置とを制御する制御装置とを備えた流体流動計測システムの制御方法であって、
シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手順と、
第一カメラおよび第二カメラで撮像された画像のいずれについても粒子群と背景とのコントラストを計測するコントラスト計測手順と、
その計測された二つのコントラストのいずれかが所定のコントラストに達していない場合には、前記周波数変更手段に対して粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させるコントラスト変更手順と、
そのコントラスト変更手順によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させる第二タイミングコントロール手順と、
その変更後の光を用いて前記画像処理手段を作動させる画像処理手順と、によって、粒子群の移動方向および移動量を計測することとした流体流動計測方法。
【請求項３】
粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、  そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像を撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるために周波数を変更可能な周波数変更手段とを備えた流体流動計測システムの制御方法プログラムであって、
そのプログラムは、シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手順と、
ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを計測するコントラスト計測手順と、
その計測されたコントラストが所定のコントラストに達していない場合には、前記周波数変更手段に対して粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させるコントラスト変更手順と、
そのコントラスト変更手順によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させる第二タイミングコントロール手順と、
その変更後の光を用いて前記画像処理手段を作動させる画像処理手順と、をコンピュータに実行させることによって、粒子群の移動方向および移動量を計測することとしたコンピュータプログラム。
【請求項４】
粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、  そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像の光データを光伝送する画像伝送ケーブルと、  光伝送されたシート上の画像の光データを撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるために周波数を変更可能な周波数変更手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサの撮影対象であるシート上の画像をＣＭＯＳイメージセンサへ伝送する光学系にビームスプリッタと、を備えるとともに、  前記ＣＭＯＳイメージセンサは、そのビームスプリッタによって分光された光データを撮影できるように調整した第一カメラおよび第二カメラからなる高速度カメラとし、  その高速度カメラと前記前記シート状発光装置とを制御する制御装置とを備えた流体流動計測システムの制御方法プログラムであって、
そのプログラムは、シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手順と、
第一カメラおよび第二カメラで撮像された画像のいずれについても粒子群と背景とのコントラストを計測するコントラスト計測手順と、
その計測された二つのコントラストのいずれかが所定のコントラストに達していない場合には、前記周波数変更手段に対して粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させるコントラスト変更手順と、
そのコントラスト変更手順によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させる第二タイミングコントロール手順と、
その変更後の光を用いて前記画像処理手段を作動させる画像処理手順と、をコンピュータに実行させることによって、粒子群の移動方向および移動量を計測することとしたコンピュータプログラム。
【請求項５】
粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、
そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像を撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、
前記シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手段と、
前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、
前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更可能な周波数変更手段と、を備え、
その周波数変更手段は、前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを計測して所定のコントラストに達していない場合には、粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させるものであり、
前記タイミングコントロール手段は、前記周波数変更手段によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させ、
前記画像処理手段は、変更後の光を用いて粒子群の移動方向および移動量を計測することとした流体流動計測システム。
【請求項６】
粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、
そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像の光データを光伝送する画像伝送ケーブルと、
光伝送されたシート上の画像の光データを撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、
前記シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手段と、
前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、
前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更可能な周波数変更手段と、を備え、
その周波数変更手段は、前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを計測して所定のコントラストに達していない場合には、粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させるものであり、
前記タイミングコントロール手段は、前記周波数変更手段によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させ、
前記画像処理手段は、変更後の光を用いて粒子群の移動方向および移動量を計測することとした流体流動計測システム。
【請求項７】
前記ＣＭＯＳイメージセンサの撮影対象であるシート上の画像をＣＭＯＳイメージセンサへ伝送する光学系にビームスプリッタを備え、
前記ＣＭＯＳイメージセンサは、そのビームスプリッタによって分光された光データを撮影できるように調整した第一カメラおよび第二カメラからなる高速度カメラとし、
前記タイミングコントロール手段は、第一カメラおよび第二カメラと前記前記シート状発光装置とについて、
第二カメラの完全露光時間の開始時点を第一カメラの完全露光時間の終了時点よりも前となるように制御可能とした請求項５または請求項６のいずれかに記載の流体流動計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に測定する流体の流動計測技術に係り、特に閉空間内を流動する流体の流速および流れ方向を計測する流体の流動計測に関連する技術に関する。
【背景技術】
（現状技術とニーズ）
原子力発電プラントや火力発電プラント、化学プラント等においては、以下のような理由から、複雑な流動場における流体の流動（流体の速度、流れ方向等）を高精度かつ精密に測定することが望まれている。すなわち、プラント挙動予測の高精度化、プラント診断、プラント性能評価や機器改良にとって極めて重要だからである。
しかし、現実のプラント、特に外界と環境を異にする厳しい環境下での流体の流動計測は、複雑な流れをもつ流体流動計測条件であることを理由として、極めて困難である。
加えて、原子炉圧力容器や火力発電プラントの熱交換器内は、厳しい環境下であるとともに、そうした容器へのアクセスが困難である。
近年熱流動場における可視化技術の研究が進んだ。複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に測定可能な粒子画像流速計（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｏｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：以下、「ＰＩＶ」と記す。）が開発されつつある。
ＰＩＶは、流体内に混入した微少な粒子（トレーサ）にレーザ光などを照射してそれらの散乱光を画像として連続して取得し、粒子群の移動距離を求めて二次元平面内の流体速度を計測する方法である。空間分解能に優れており、複雑な流動場における流体の流動を計測するのに適している。
この「ＰＩＶ」と後述する「光ファイバを束ねたイメージガイド」（以下、「光ファイバ・イメージガイド」と略記する）を併用することにより、原子炉圧力容器内のように、外界と環境を異にする閉空間であっても、流体の流動測定が期待できる。
（ＰＴＶについて）
なお、トレーサの追跡および個々の粒子像をコンピュータにてデジタル処理する方法として、粒子追跡法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ；「ＰＴＶ」と略記する）があるが、本書類では、ＰＴＶはＰＩＶの一種として含めることとする。
（光ファイバ・イメージガイド）
前述の光ファイバ・イメージガイドは、画像を直接伝送するファイバスコープとして応用され、例えば医療用内視鏡が既に開発されている。光ファイバ・イメージガイドは、可撓性に富み、観察手段のための画像伝送手段として重要な役割を果している。
医療用に開発された光ファイバ・イメージガイドは、今日では工業分野にも応用され、航空機エンジンの内部点検、短かいパイプや原子炉炉心の観察に応用されている。
光ファイバは、光損失が生じるために長距離の画像伝送が困難であったが、光損失の小さな光ファイバの開発によって、長距離の画像伝送も可能となってきた。そのため、大規模プラント設備における遠隔地からの新たな保守点検手段として脚光を浴びている。
（現在の技術とその限界）
ＰＩＶにおいては、以下のような問題があった。
第一の問題は、ＣＣＤカメラと画像処理用の演算装置との間には、インタフェイスが必要であった。すなわち、ＣＣＤカメラからのアナログ画像信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器（フレームグラバボード）を介する必要があった。このため、伝送速度、処理時間などの短縮に対して、ボトルネックとなっていた。
第二の問題は、全画素の同時蓄光、全画素の同時読み出しが好ましいが、その条件を満たすには、シャッターのタイミングコントロールは簡単ではないため、露光時間を長めに設定するなどの対応が必要だった。露光時間が長めになると、極めて短い間隔での連続撮影も困難になっていた。
第三の問題は、ＰＩＶにおいては、時刻をずらした二枚の画像が必要であるが、カメラには必ず撮影直後の立ち上がり時間としてデッドタイムが存在するので、極めて短い間隔での連続撮影は困難だった。
（問題解決への試み）
第一および第二の問題は、ＰＩＶにおいて、時間分解能と空間分解能とを両立できれば、ある程度解決する。例えば、ＣＣＤカメラおよび周辺機器の性能向上とともに解決してきた。また、時間分解能に関する欠点を改善した技術として、特開２００４−２０３８５号が提供されている。
第三の問題は、連続撮影の最小時間間隔は、カメラの不感時間以下にすることはできないという大前提に立脚している。その問題に対しては、必要に応じて、不感時間の極めて短い高性能のカメラを用いるという対応がなされていた。
（新たな問題点）
撮影時間が短縮されると光量も減ってしまう。その結果、暗電流（ノイズ成分）が増えてしまうのである。これを防ぐには、撮影用の光源からの光量を上げる、更に感度の高いＣＣＤカメラを用いる、ＣＣＤカメラをペルチェ冷却などによる極度に冷却するなどの方法がある。しかし、いずれの方法も設備が増え、コストが上昇する。
また上述の例に限らず、例えば光量が不十分な環境や、放射線環境下や、流体速度が速い、といった現在よりも過酷な条件下でもＰＩＶを活用したいという要請がある。
（本発明が解決しようとする課題）
本発明が解決しようとする課題は、現在よりも過酷な条件下でも利用可能なＰＩＶによる計測技術を提供することにある。
請求項１から請求項４に記載の発明の目的は、現在よりも過酷な条件下でも利用可能なＰＩＶ計測システムに用いるアルゴリズムを提供することにある。
また、請求項５から請求項７に記載の発明の目的は、現在よりも過酷な条件下でも利用可能なＰＩＶによる計測システムを提供することにある。
【発明の開示】
上記した課題を解決するため、各請求項に記載した技術的手段を提供する。
（請求項５）
請求項５に記載の発明は、 粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、 そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像を撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、 前記シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手段と、 前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段とを備えた流体流動計測システムに係る。
すなわち、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更可能な周波数変更手段、を更に備える。
また、その周波数変更手段は、前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを計測して所定のコントラストに達していない場合には、粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させる。
前記タイミングコントロール手段は、前記周波数変更手段によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させる。
また、前記画像処理手段は、変更後の光を用いて粒子群の移動方向および移動量を計測することとした。
（用語説明）
「シート状発光装置」は、レーザ光の発振装置、ハロゲン光の発光装置、ＬＥＤなどがある。パルスレーザ光のように間歇的に発光可能な装置の他、連続光の光源であっても良い。
「ＣＭＯＳイメージセンサ」とは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）を利用したイメージセンサであり、「ＣＭＯＳセンサ」と略記される。ＣＣＤセンサの１割程度の電力で作動し、単一の低電圧で稼動できるため、周辺回路との一体化も可能である。このため、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサは、撮像した二次元の粒子画像をデジタル変換可能な回路と一体に形成している。
（作用および効果）
まず、シート状発光装置がシート状の光を流体の流動場内へ発光させる。そのシート上の二次元の画像をＣＭＯＳイメージセンサが撮像する。シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとは、タイミングコントロール手段が同期作動させる。次に、ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻における粒子画像の輝度パターン分布を画像処理手段が比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する。
ＣＭＯＳイメージセンサは、撮影した画像信号をデジタル変換可能に形成しているため、ＣＣＤカメラを用いた場合には必要だったアナログ画像信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器（フレームグラバボード）が不要となった。このため、伝送速度、処理時間などの短縮に寄与している。
撮像される画像のために発光される光は、ＣＭＯＳイメージセンサ側で露光時間を制御することができるので、ＣＣＤカメラを用いた場合には必要だった露光時間に合わせた発光をきめ細かく制御できる発光装置が不要となった。そのため、連続光の発光装置でも採用可能となる。また、非蓄積型のＣＭＯＳイメージセンサを採用すれば、低照度でも暗電流（ノイズ成分）が少ないため、発光装置の出力が小さくても撮影が可能となる。更に、ＣＭＯＳイメージセンサにはシャッター機能を備えることができるので、シート状発光装置が撮影のタイミングでのみ発光するような細かい制御を必要とするパルスレーザである必要がなくなる。
（請求項６）
請求項６に記載の発明は、 粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、 そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像の光データを光伝送する画像伝送ケーブルと、 光伝送されたシート上の画像の光データを撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、 前記シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手段と、 前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、を備えた流体流動計測システムに係る。
前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更可能な周波数変更手段と、を備える。
その周波数変更手段は、前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを計測して所定のコントラストに達していない場合には、粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させる。
前記タイミングコントロール手段は、前記周波数変更手段によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させ、  前記画像処理手段は、変更後の光を用いて粒子群の移動方向および移動量を計測することとした。
請求項５に記載の発明と異なるのは、被写体（発光されたシート上の画像）とカメラ（ＣＭＯＳイメージセンサ）との間に画像データを物理的に移動させることができる伝送ケーブルを備えている点である。すなわち、被写体とカメラとが物理的に離れた位置にある場合に用いられる。
（用語説明）
「画像伝送ケーブル」とは、明度情報を伝達可能な線状のコア材を束ねて形成されており、イメージガイドとも言われる。たとえば、１本のイメージガイドは、たとえば約３万本のコアを束ねて形成されている。耐放射線性能のあるイメージガイドとしては、光ファイバ・イメージガイドの一種であるフッ素ドープ石英コアの光ファイバ・イメージガイドがある。
画像転送ケーブルを介して画像が送られる場合、ファイバ・ノイズが発生するが、画像処理手段にはファイバ・ノイズを除去するフィルタリング処理手段を備える。
（請求項５および請求項６の作用）
請求項５および請求項６は、前記シート状発光装置は、前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更可能な周波数変更手段を備える。
したがって、  ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像について、粒子群と背景とのコントラストが弱い場合には、画像処理手段による粒子画像の輝度パターン分布を得られない場合がある。その場合には、周波数変更手段が粒子群と背景とのコントラストを強調できるように、シート状発光装置が発光する光の周波数を変更する。
変更した周波数によって、ＣＭＯＳイメージセンサでもう一度撮影し、ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻における粒子画像の輝度パターン分布を画像処理手段が比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する。
なお、再設定した周波数によっても粒子群と背景とのコントラストが出ない場合には、更に設定し直して撮影を行うこととしてもよい。
（請求項７）
請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６のいずれかに記載の流体流動計測システムを限定したものである。
すなわち、前記ＣＭＯＳイメージセンサの撮影対象であるシート上の画像をＣＭＯＳイメージセンサへ伝送する光学系にビームスプリッタを備え、前記ＣＭＯＳイメージセンサは、そのビームスプリッタによって分光された光データを撮影できるように調整した第一カメラおよび第二カメラからなる高速度カメラとし、前記タイミングコントロール手段は、第一カメラおよび第二カメラと前記前記シート状発光装置とについて、 第二カメラの完全露光時間の開始時点を第一カメラの完全露光時間の終了時点よりも前となるように制御可能とした流体流動計測システムに係る。
（用語説明）
「ビームスプリッタ」とは、光を分岐する光学部品である。入射した光のＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を別方向へ反射するといった機能を備える誘導体多層膜をコーティングした偏光ビームスプリッタなどがある。本発明では、ハーフミラー、ハーフプリズムも「ビームスプリッタ」の一種とする。
なお、ビームスプリッタを用いることにより、第一カメラと第二カメラを調整すれば、同一領域を撮影することができるが、二つの撮影画像における偏差を校正するための校正ユニットが必要である。この構成ユニットは、画像処理手段に備えることとする。
（作用および効果）
これまで一台のＣＭＯＳイメージセンサでは、その不感時間よりも短い間隔での撮影はできなかった。
第一カメラと第二カメラとは、それぞれ不感時間（ｔ３１，ｔ３２）が存在する。しかし、制御装置が、第二カメラの完全露光時間（ｔ２２）の開始時点を第一カメラの完全露光時間（ｔ２１）の終了時点よりも前となるように制御する。その結果、ＣＭＯＳイメージセンサの不感時間よりも短い間隔での連続撮影が可能となった。その連続撮影画像によれば、これまでは解析できなかった動きを捉えることができる。
なお、同一領域を第一カメラおよび第二カメラにて撮影するため、各カメラの光量が半分となってしまうので、ＣＣＤカメラを採用する場合には光量の調整（増量）が必要となる場合も多い。しかし、本請求項に係る発明では、第一カメラおよび第二カメラをＣＭＯＳイメージセンサとしたため、低照度でもノイズ成分少なく撮影が可能なので、光量の調整作業が簡易である。ＣＣＤカメラを用いた場合に必要となっていたペルチェ冷却などの必要もない。
（請求項１）
請求項１に記載の発明は、粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、  そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像を撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるために周波数を変更可能な周波数変更手段とを備えた流体流動計測システムの制御方法に係る。
すなわち、シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手順と、  ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを計測するコントラスト計測手順と、  その計測されたコントラストが所定のコントラストに達していない場合には、前記周波数変更手段に対して粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させるコントラスト変更手順と、  そのコントラスト変更手順によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させる第二タイミングコントロール手順と、  その変更後の光を用いて前記画像処理手段を作動させる画像処理手順とによって、粒子群の移動方向および移動量を計測することとした流体流動計測方法である。
（請求項２）
請求項２に記載の発明は、粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、 そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像の光データを光伝送する画像伝送ケーブルと、  光伝送されたシート上の画像の光データを撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるために周波数を変更可能な周波数変更手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサの撮影対象であるシート上の画像をＣＭＯＳイメージセンサへ伝送する光学系にビームスプリッタとを備えるとともに、  前記ＣＭＯＳイメージセンサは、そのビームスプリッタによって分光された光データを撮影できるように調整した第一カメラおよび第二カメラからなる高速度カメラとし、その高速度カメラと前記前記シート状発光装置とを制御する制御装置とを備えた流体流動計測システムの制御方法に係る。
すなわち、シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手順と、  第一カメラおよび第二カメラで撮像された画像のいずれについても粒子群と背景とのコントラストを計測するコントラスト計測手順と、  その計測された二つのコントラストのいずれかが所定のコントラストに達していない場合には、前記周波数変更手段に対して粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させるコントラスト変更手順と、  そのコントラスト変更手順によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させる第二タイミングコントロール手順と、  その変更後の光を用いて前記画像処理手段を作動させる画像処理手順とによって、粒子群の移動方向および移動量を計測することとした流体流動計測方法である。
（請求項３）
請求項３に記載の発明は、粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、  そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像を撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるために周波数を変更可能な周波数変更手段とを備えた流体流動計測システムの制御方法プログラムに係る。
そのプログラムは、シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手順と、  ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを計測するコントラスト計測手順と、  その計測されたコントラストが所定のコントラストに達していない場合には、前記周波数変更手段に対して粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させるコントラスト変更手順と、  そのコントラスト変更手順によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させる第二タイミングコントロール手順と、  その変更後の光を用いて前記画像処理手段を作動させる画像処理手順とをコンピュータに実行させることによって、粒子群の移動方向および移動量を計測することとしたコンピュータプログラムである。
（請求項４）
請求項４に記載の発明は、粒子群を含む流体の流動場内へシート状の光を発光させるシート状発光装置と、  そのシート状発光装置から発光されたシート上の画像の光データを光伝送する画像伝送ケーブルと、  光伝送されたシート上の画像の光データを撮像するとともにその画像信号をデジタル変換可能なＣＭＯＳイメージセンサと、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された複数の時刻におけるシート上の画像の輝度パターン分布を比較解析し、粒子群の移動方向および移動量を計測する画像処理手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサで撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるために周波数を変更可能な周波数変更手段と、  前記ＣＭＯＳイメージセンサの撮影対象であるシート上の画像をＣＭＯＳイメージセンサへ伝送する光学系にビームスプリッタとを備えるとともに、  前記ＣＭＯＳイメージセンサは、そのビームスプリッタによって分光された光データを撮影できるように調整した第一カメラおよび第二カメラからなる高速度カメラとし、その高速度カメラと前記前記シート状発光装置とを制御する制御装置とを備えた流体流動計測システムの制御方法プログラムに係る。
そのプログラムは、シート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させるタイミングコントロール手順と、  第一カメラおよび第二カメラで撮像された画像のいずれについても粒子群と背景とのコントラストを計測するコントラスト計測手順と、  その計測された二つのコントラストのいずれかが所定のコントラストに達していない場合には、前記周波数変更手段に対して粒子群と背景とのコントラストを強調させるためにシート状発光装置が発光する光の周波数を変更させるコントラスト変更手順と、  そのコントラスト変更手順によって光の周波数が変更された場合には、変更後のシート状の光によるシート状発光装置とＣＭＯＳイメージセンサとを同期作動させる第二タイミングコントロール手順と、  その変更後の光を用いて前記画像処理手段を作動させる画像処理手順とをコンピュータに実行させることによって、粒子群の移動方向および移動量を計測することとしたコンピュータプログラムである。
（記録媒体および伝送手段）
請求項３または請求項４に記載のコンピュータプログラムを、記録媒体へ記憶させて提供することもできる。  ここで、「記録媒体」とは、それ自身では空間を占有し得ないプログラムを担持することができる媒体であり、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＰＤなどである。
また、これらの発明に係るプログラムを格納したコンピュータから、通信回線を通じて他のコンピュータへ伝送することも可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、第一の実施形態の構成を示す概念図である。
図２は、ひとつの撮影領域に対して二台の高速度カメラを設置した様子を示す平面図である。
図３は、高速度カメラおよび高速度発光手段を制御する制御装置の信号処理方法を示す概念図である。
図４は、伝送ケーブルを用いて画像を伝送する様子を示す概念図である。
図５は、非線形モデルのフィルタリング処理を示す概念図である。
図６は、非線形モデルのフィルタリング処理を示す概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】
（図１）
第一の実施形態に係るＰＩＶ計測システムは、放射線環境下にある複雑な流動場を測定するためのものであり、レーザ発振装置１１と、そのレーザ発振装置１１から発振されたレーザ光を流動場１４へシート状に照射させるレーザシート形成用走査光学系１３と、そのレーザシート１５の中の一定領域（測定領域１６）から二次元粒子軌跡画像を撮影して撮影画像データを取得する画像撮影手段３０と、撮影のタイミングを同期させるタイミング制御手段２０と、撮影画像データを処理する画像処理手段４０とを備えている。
レーザ発振装置１１から発振されたレーザ光は、送光用ファイバ１２を通ってレーザシート形成用の走査光学系１３に導かれる。その走査光学系１３は、レーザ発振装置１１から発振されたレーザ光を流体の流動場１４にシート状に投射させ、レーザシート１５を形成する。流体の流動場１４は、外界と環境を異にする閉空間内に形成されており、図１中では、一点破線にて囲むことによって表示している。
走査光学系１３によって形成されたレーザシート１５は、流体の流動場１４を可視化している。本システム１０でシート状のレーザシート１５としているのは、流動場１４の奥行き方向の空間分解能を確保のためである。レーザシート１５の測定範囲１６に対向して設けられているのが画像撮影手段３０である。
前記画像撮影手段３０は、レーザシート１５の測定領域１６におけるレーザ光に対する浮遊物などの反射光を集光する対物レンズ３４と、その対物レンズ３４によって集光された光データを、カメラレンズ３２を介して受光するエリアスキャンカメラ３１とを備えている。なお、この実施形態では、エリアスキャンカメラとして、ＣＭＯＳセンサを採用している。
ＣＭＯＳセンサを採用することにより、ＣＭＯＳセンサ側で露光時間を制御することができるので、ＣＣＤカメラを用いた場合には必要だった露光時間に合わせた発光をきめ細かく制御できる発光装置が不要となる。ＣＭＯＳセンサとして非蓄積型を採用した場合には、低照度でもノイズが少ないため連続光の発光装置でも採用可能となり、レーザ発振装置１１やその周辺機器について要求されるスペックを下げることもできる。
前記タイミング制御手段５０は、タイミングスケジューラ５１とシンクロナイザ５２を備えて形成されている。
そのタイミングスケジューラ５１からのタイミングにてレーザ発振装置１１が発振せしめられる一方、この発振タイミングとシンクロナイザ５２で同期をとってエリアスキャンカメラ３１を駆動する。すなわち、タイミングコントロール手段５１は、レーザ発振装置１１と操作手段としてのエリアスキャンカメラ３１との同期をとって駆動させるようになっている。
前記エリアスキャンカメラ３１はＣＭＯＳイメージセンサを採用しているので、アナログ撮影し、それをデジタル処理することができる。処理されたデジタル画像信号である画像フレームは、ＰＩＶ手法により画像処理するコンピュータを備えた画像処理手段４０によって画像データを処理するのである。
処理された画像データは、通信ネットワークを介して必要とされている他のコンピュータ４４などへ伝送される。例えば、原子力プラントから離れた場所にある当該プラントの制御センターに設置されているコンピュータなどである。
上記のようなＰＩＶ計測システムでは、エリアスキャンカメラ３１に撮像された時間的に微小時間異なる二つの時刻の粒子画像を輝度パターンの分布とみなして画像処理手段４０のコンピュータにより画像比較解析の画像処理を行い、粒子群の移動量を推定する。粒子画像は、レーザシート１５上の流体中に拡散分布するパーティクル（粒子）群のある時刻での分布画像を表わしており、デジタル化された輝度を持つピクセル（画素）によって構成される。画像処理手段４０による画像処理、いわゆるＰＩＶ処理の過程では、各粒子画像のうち限定された測定領域１６を取り出して画像処理される。
なお、レーザ発振装置１１には、エリアスキャンカメラ３１で撮像された画像から粒子群と背景とのコントラストを強調させるため、発光する光の周波数を変更可能な周波数変更手段を備えている。粒子群と背景とのコントラストが弱い場合には、画像処理手段による粒子画像の輝度パターン分布を得られない場合がある。その場合には、周波数変更手段が、シート状発光装置が発光する光の周波数を変更し、粒子群と背景とのコントラストを強調させ、再度撮影するのである。
エリアスキャンカメラ３１にＣＭＯＳイメージセンサを採用したので、連続光の発光装置でも採用可能となり、シート状発光装置が撮影のタイミングでのみ発光するような細かい制御を必要とするパルスレーザである必要がなくなった。このため、シート状発光装置に要求されるパフォーマンスを下げることができ、コスト低減も実現する。
（図２）
図２に示す第二の実施形態は、流体の流動場１４にエリアスキャンカメラ３１を設置できないような場合に、画像伝送手段を用いてその流動場１４から離れた場所にエリアスキャンカメラ３１を設置した場合を示している。
具体的な流動場１４としては、例えば原子炉圧力容器のダウンカマ部、炉心シュラウド、火力発電プラントの熱交換器や蒸気発生器内等の閉空間における流体の速度場である。
この実施形態では、対物レンズ３４によって集光された光データをカメラレンズ３２まで伝送する伝送ケーブル３３を備える。この伝送ケーブル３３は、明度情報を伝達可能な線状のコア材を約３万本束ねて形成されている。耐放射線性能のあるイメージガイドとしては、光ファイバ・イメージガイドの一種であるフッ素ドープ石英コアの光ファイバ・イメージガイドがある。伝送ケーブル３３を採用すると、ファイバ・ノイズが生じるという欠点があるが、そのファイバ・ノイズは、背景処理等の画像処理手段によって克服することができる。
本実施形態では、カメラレンズ３２とＣＭＯＳイメージセンサとの間にビームスプリッタ３５を備える。ここで、「ビームスプリッタ」とは、光を分岐する光学部品であるが、ハーフミラー、ハーフプリズムであってもよい。
また、前記ＣＭＯＳイメージセンサは、そのビームスプリッタ３５によって分光された光データを撮影できるように調整した第一カメラ３１および第二カメラ３１ａからなる高速度カメラとしている。そして、タイミングコントロール手段５１は、第一カメラ３１および第二カメラ３１ａとレーザ発振装置１１とについて、図３に示すような制御を行う。
（図３）
第一カメラ、第二カメラとも、完全に露光できるようになるまでには最大で約２０μｓが必要である（立ち上がり時間ｔ１１，ｔ２１）。また、完全露光が終わり、もう一度撮影可能となるためには、シャットダウン時間と不感時間（ｔ３１，ｔ３２）とが必要となる。したがって、一台のカメラによっては、不感時間よりも短い間隔で連続撮影することはできない。しかし、タイミングコントロール手段５１は、第二カメラの完全露光時間（ｔ２２）の開始時点を第一カメラの完全露光時間（ｔ２１）の終了時点よりも前となるように制御する。これによって、実質的撮影間隔（ｔ４）は、不感時間（ｔ３１，ｔ３２）よりも短い間隔とすることができる。
なお、ビームスプリッタを用いることにより、第一カメラと第二カメラを調整すれば、同一領域を撮影することができるが、撮影画像における偏差を校正するための校正ユニットが必要である。この構成ユニットは、画像処理手段に備えるが、複数の画像の偏差校正に関する技術は公知の技術を用いるので、個々での詳細な説明は省略する。
（図４）
図４は、実際の光ファイバ・イメージガイド（２４）を用いて撮影データを伝送する様子をモデル化したものである。
光ファイバ・イメージガイド（２４）は、多数本の光ファイバ（２３）が六方稠密配列にて配列されている。このため、対物レンズ（２５）、イメージガイド（２４）、カメラレンズ（２６）を介して撮影された画像には、「ゆがみ（ファイバ・ノイズ）」が生じてしまう。
そこで、イメージガイド（２４）を経由して撮影された粒子画像については、ファイバ・ノイズを除去するために、線形モデルによる背景処理、非線形モデルによる背景処理という二つの技術を開発した。
線形モデルによる背景処理は、背景処理とその後の流体流動の解析とを切り離して行う場合に適している。一方、非線形モデルによる背景処理は、背景処理と流体流動の解析とを連続的に処理したい場合に適している。
（非線形モデルによる背景処理）
非線形モデルによる背景処理は、二枚の画像データを用いた背景処理と、三枚以上の画像データを用いた背景処理という二種類の技術を提供する。以下、図５および図６に基づいて説明する。
（図５）
まず、ある座標（ｘ，ｙ）の画素について、時刻ｔにおける輝度値ｐを、ｐ（ｔ，ｘ，ｙ）と定義する。
前述のエリアスキャンカメラでは、第一の時刻（ｔ１）における第一画像データとその第一の時刻とは異なる時刻（ｔ２）の第二画像データとを取得する。第一画像データにおけるある座標（ｘ，ｙ）の輝度値ｐ１は、ｐ１（ｔ１，ｘ、ｙ）となり、第二画像データにおけるある座標（ｘ，ｙ）の輝度値ｐ２は、ｐ２（ｔ２，ｘ、ｙ）となる。輝度値は、２５６階調である。
まず、第一背景処理手段が、第一画像データと第二画像データとにおける輝度値を、第一画像データから第二画像データを差分し、その差分が所定値以下である場合には当該座標を背景として扱うことにより、第一画像データを背景処理した第一背景処理データを取得する。具体的には、
Ｆ＝｛ｐ１（ｔ１，ｘ、ｙ）−ｐ２（ｔ２，ｘ、ｙ）｝
ＩＦ Ｆ＜５ ｔｈｅｎ ｐ１（ｔ１，ｘ、ｙ）＝０ ・・・（式１）
を実行するのである。すなわち、第一画像データにおいて輝度値が８より小さい値となった座標については「背景」とみなすのである。
続いて、第二背景処理手段が、第一画像データと第二画像データとにおける輝度値を、第二画像データから第一画像データを差分し、その差分が所定値以下である場合には当該座標を背景として扱うことにより第二画像データを背景処理した第二背景処理データを取得する。同じく、
Ｆ＝｛ｐ２（ｔ２，ｘ、ｙ）−ｐ１（ｔ１，ｘ、ｙ）｝
ＩＦ Ｆ＜５ ｔｈｅｎ ｐ２（ｔ２，ｘ、ｙ）＝０ ・・・（式２）
を実行するのである。すなわち、第二画像データにおいても、輝度値が５より小さい値となった座標については「背景」とみなすのである。なお、この所定値＝５については、２５６階調において経験的に見出されたものであり、様々な条件について常にベストな値であるとは限らない。
以上のような背景処理を行った後に、第一背景処理データと第二背景処理データとを用いて粒子画像の輝度パターン分布についての画像処理をする。
前述した背景処理によれば、二枚の画像データを用いて雑音を取り除いて背景データとすることができるので、ファイバ・ノイズの除去に要する撮影画像の枚数を大幅に減らし、計算負担や時間短縮を達成できる。
（図６）
背景処理法について図５に示す方法とは別の方法を、図６を用いて更に詳しく説明する。
そのエリアスキャンカメラにてｎ個以上（ｎ＞２）の時刻における画像データを取得することとし、それぞれ、ｐ１，ｐ２，・・ｐｎとする。
そして、ｎ個全ての画像データを重ね合わせ、座標毎に最低輝度を抽出し、最低輝度にて形成される最低輝度画像データｐ’を作成する。具体的には、
ｐ’＝ｍｉｎ｛ｐ１（ｔ１，ｘ、ｙ），ｐ２（ｔ２，ｘ、ｙ），・・ｐｎ（ｔｎ，ｘ、ｙ）｝・・・（式３）
を算出する。すなわち、最も輝度値が小さい座標を抽出するのである。
続いて、最低輝度画像データを撮影された各画像データの輝度値から差分する。すなわち、
Ｆ＝｛ｐ１（ｔ１，ｘ、ｙ）−ｐ’（ｘ、ｙ）｝
ＩＦ Ｆ＜５ ｔｈｅｎ ｐ１（ｔ１，ｘ、ｙ）＝０
Ｆ＝｛ｐ２（ｔ２，ｘ、ｙ）−ｐ’（ｘ、ｙ）｝
ＩＦ Ｆ＜５ ｔｈｅｎ ｐ２（ｔ２，ｘ、ｙ）＝０
・・・・・・・・・・・・・・・
Ｆ＝｛ｐｎ（ｔｎ，ｘ、ｙ）−ｐ’（ｘ、ｙ）｝
ＩＦ Ｆ＜５ ｔｈｅｎ ｐｎ（ｔｎ，ｘ、ｙ）＝０ ・・・（式４）
を実行するのである。これにより、各画像データにおいて、輝度値が５より小さい値となった座標については「背景」とみなすのである。なお、ここにおいても所定値＝５については、２５６階調において経験的に見出されたものであり、様々な条件について常にベストな値であるとは限らない。
また、エリアスキャンカメラが取得する画像データ数は、少なくとも三以上であるが、あまり多すぎると計算負担の軽減や時間短縮ができない。また、撮影画像の枚数が増えるほど、ノイズに弱くなるという欠点もある。そこで経験的には、６〜１０くらいが妥当であり、「８」を用いることが多い。ただし、これも使用するコンピュータのパフォーマンスや撮影条件、撮影対象の性状などによってベストな値は変動することがある。
以上のような背景処理を行った後に、各画像データのうちの少なくとも二つを用いて粒子画像の輝度パターン分布についての画像処理をする。画像処理については後述する。
図５にて説明した背景処理方法では、第一画像データにおいて粒子と認識できた画素部分と、第二画像データにおいて別の場所から移動してきた別の粒子が当該画素部分へ重なってしまった場合には、当該画素部分は背景として扱われてしまう場合がある。その場合、第一画像データにおける粒子、第二画像データにおける別の粒子とも、粒子分布データ処理手段によってはトレースされないこととなってしまう、という欠点がある。
図６にて説明した第二の背景処理方法は、第一の背景処理方法の欠点を補いつつ、ファイバ・ノイズの除去に要する撮影画像の枚数を大幅に減らし、計算負担や時間短縮を達成できる。
（線形モデルによる背景処理）
線形モデルによる背景処理とは、伝送ケーブルを通してＣＭＯＳセンサにて撮像された粒子軌跡画像を処理し、時系列に得られた粒子軌跡画像を各ピクセル毎に輝度値の加算平均値を求め、各々の粒子軌跡画像の輝度値から加算平均値を減じることで、伝送ケーブルのファイバ配列の輝度パターンを除去する技術である。
伝送ケーブルの配列の輝度パターン除去の画像処理アルゴリズムを以下に説明する。
測定データの粒子軌跡画像をｘ、伝送ケーブル配列の輝度パターン（信号成分）をｓ、粒子群の輝度パターン（雑音成分）をｎとするとき、粒子軌跡画像ｘは、
ｘ＝ｓ＋ｎ ・・・（式５）
にて表される。
すなわち、測定データの粒子軌跡画像ｘには、信号（光ファイバ配列の輝度パターン）に雑音（粒子の輝度パターン）が重なった画像を測定していると考える。加算平均を取ることによる光ファイバ配列の輝度パターン除去処理は、ＳＮ比が小さく、信号と雑音の構成周波数にも大差がない場合や同じ条件で何度も測定を繰返すことが可能な場合に有効な手法である。
式５に時系列要素を負荷して表示すると、式６のように表される。
ｘｉ（ｋ）＝ｓｉ（ｋ）＋ｎｉ（ｋ） ・・・（式６）
ここで、ｉ＝ｉ枚目の粒子画像
ｋ：ｉ枚目の粒子画像内のｋ番目のピクセル輝度値
粒子軌跡画像の撮影において、取り込んだ粒子軌跡画像の枚数をＭ枚とすれば、Ｍ枚の粒子軌跡画像に対する加算平均ｘ（ｋ）は、式７のように表せる。
0004596372.tif 000002
伝送ケーブルの配列の輝度パターンｓは、同一の実験条件（送光系・受光系）であれば、連続する粒子軌跡画像においては同じパターンが出現するため、Ｍ回の加算によりＭ倍の輝度値となり、これを平均する（Ｍで除する）加算平均処理すると、もとの輝度値のままである。すなわち、加算平均処理により、粒子の存在しない光ファイバ配列のみ映った画像を得ることができ、光ファイバ配列の存在する粒子軌跡画像から各画素毎に光ファイバ配列の輝度値（Ｎ度パターン）を引けば、光ファイバ配列の輝度パターンの除去が可能となる。
この背景処理によって、取得した画像の背景輝度は画面全体にわたってほぼ均一になるので、相関計算処理に対して有効だけでなく、後述する二値化処理においても有効な手段となる。
（背景処理法の選択）
非線形モデルによる二種類の背景処理法、および線形モデルによる背景処理について説明してきたが、いずれにも利点欠点があるので、いずれを選択するかについて、ＰＩＶ計測システムのパフォーマンス、流体の性状などの条件を蓄積し、自動選択させたり、非線形モデルによる第二の方法における適正な撮影画像枚数を参考に出力させることも可能である。
（画像処理）
画像処理については、以下のような手順にて行われる。
（二値化・膨張化画像処理）
粒子軌跡画像から粒子の識別を行うための前処理として、二値化および膨張化画像処理を行う。流体中に浮遊する粒子の軌跡像は、光ファイバ２５のクラッドの影響を受け、連続的なものとはならず、断続的な画像として記録される。この断続的粒子画像を二値化処理しても、クラッドによって情報の失われた部分は回復されない。これらの分断された粒子の軌跡像を同一の粒子の移動軌跡として認識させるために、膨張化画像処理が行われる。
膨張化画像処理とは、注目の画素が存在すれば、その周囲のすべての画素を０から２５５に変換するものである（８連結の膨張処理）。本アルゴリズムでは、この膨張化処理を２回繰返すことで分断された断続的粒子画像は、連続性のある軌跡画像として回復される。
（ラベリングおよび粒子画像位置の検出）
１枚の粒子軌跡画像には複数（多数）の粒子画像が存在するので、それぞれを個々の粒子として認識させるために、以下のようなラベリングを行う。すなわち、それぞれの連結した画素には同じ番号を、異なった連結成分には別の番号をつける。このような個々の領域に番号付けを行うことを「ラベリング」と呼ぶ。このラベリングによって識別された粒子画像は、元画像に戻って中心位置が算出される。中心座標は、以下の重心法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍａｇｅ ｃｅｎｔｏｉｄ）によって求められる。
重心の座標Ｘ０、Ｙ０、各点の座標をｉ、ｊ、所定の座標の輝度値Ｉとすると
Ｘ０＝｛Σｉ・Ｉ（ｉ，ｊ）｝／｛ΣＩ（ｉ，ｊ）｝
Ｙ０＝｛Σｊ・Ｉ（ｉ，ｊ）｝／｛ΣＩ（ｉ，ｊ）｝ ・・・（式８）
で表される。
（相関計算による整数移動量の算出）
背景処理から粒子画像位置の検出までの粒子画像前処理によって、粒子軌跡画像の中心位置が検出されたので、個々の粒子の移動量を相互相関法により求める。
なお、ＰＩＶシステムのエリアスキャンカメラで撮像された第一の時刻における二次元粒子軌跡画像をデジタル処理した粒子軌跡画像を「参照画像」と定義し、「参照画像」のうち限定された矩形領域を「参照窓画像」と定義し、第一時刻とは微小時間異なる第二時刻における二次元粒子軌跡画像をデジタル処理した粒子軌跡画像を「探索画像」と定義し、「探索画像」のうち限定された矩形領域を「探索窓画像」と定義する。
相互相関法による粒子の移動量推定は、「探索窓画像」と「参照窓画像」との間で次式にて表される相関値Ｒをもつことが知られており、この相関値Ｒをもって個々の粒子の輝度パターンの類似度を求め、比較検討して２画像間の個々の粒子の移動量を求める手法である。
移動後の座標をＸ’，Ｙ’とし、探索窓画像と参照窓画像との相対的な位置をξ，ηとする。
0004596372.tif 000003
式９および式１０に示すように、相関値Ｒは、探索窓画像および参照窓画像の輝度値の二乗平均で除する（正規化する）ことによって、？１から１までの値をとる。相関値Ｒが１のときに二画像は完全に一致し、相関値Ｒの値が大きいほど窓画像間の類似度が大きいことを意味する。
相関値Ｒが最大となる位置ξ、ηが、画像内での粒子の移動量ΔＸ’、ΔＹ’に相当する。参照窓画像の大きさｎ×ｍおよび参照窓画像との相対的な位置は、予測される最小および最大速度から決定される。
（サブピクセル移動量の算出）
（相関計算による整数移動量の算出の相関計算）により、粒子画像の移動量の整数値が求まるので、相関係数のピークの近傍３点を用いた正規分布近似（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｐｅａｋ−ｆｉｔ）により、サブピクセル移動量を見積もる。ｘ、ｙ方向についてそれぞれ独立に算出される。
（較正）
以上の手順により、粒子軌跡画像の移動量がピクセル（ｐｉｘｅｌ）単位で求まるので、較正することによって実空間での移動量に変換される。
【図１】
0004596372.tif 000004
【図２】
0004596372.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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