(57)【要約】【課題】より簡易な構成でＳＮＲを高め、非定常な流体現象を精度良く把握することができる変動画像解析方法および変動画像解析システムを提供する。【解決手段】圧力の変化によって表面の発光の強さが変化する、感圧塗料を塗った測定対象１の画像を経時的に連続して取得し、それと併行して、測定対象１の表面または近傍で、基準となる圧力を経時的に測定する。測定された基準圧力の時間変化に基づいて、所定の周波数を有する圧力変動をバンドパスフィルタにより抽出する。各画像を取得した時刻に基づいて、抽出された圧力変動周期における各画像の位相を求める。求めた各画像の位相に基づいて各画像を複数の位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して、各位相帯ごとの平均化画像を得る。【選択図】図１
2012002665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１物理量の変化によって表面の発光の強さが変化する測定対象の画像を経時的に連続して取得する画像取得ステップと、
前記画像取得ステップと併行して、前記測定対象の表面または近傍での第２物理量を経時的に測定する基準データ取得ステップと、
前記基準データ取得ステップで測定された前記第２物理量の時間変化に基づいて、所定の周波数を有する前記第２物理量の変動を抽出する変動抽出ステップと、
前記画像取得ステップで各画像を取得した時刻に基づいて、前記変動抽出ステップで抽出された前記第２物理量の変動周期における各画像の位相を求める位相決定ステップとを有することを、
特徴とする変動画像解析方法。
【請求項２】
１周期を複数の位相帯に分割し、前記位相決定ステップで求められた各画像の位相に基づいて各画像を各位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得る画像平均処理ステップを有することを、特徴とする請求項１記載の変動画像解析方法。
【請求項３】
前記第１物理量は圧力から成り、
前記測定対象は表面に感圧塗料を塗って形成されており、
前記第２物理量は圧力、音、流速、力または変位から成り、
前記変動抽出ステップは、前記第２物理量に対して前記所定の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを適用して、または、前記第２物理量を時間微分して、前記所定の周波数を有する前記第２物理量の変動を抽出することを、
特徴とする請求項１または２記載の変動画像解析方法。
【請求項４】
前記測定対象の任意の位置に対して、その位置での前記画像平均処理ステップで得られた平均化画像に基づく前記第１物理量の変動のうち、前記所定の周波数での変動の振幅、および、前記変動抽出ステップで抽出された前記第２物理量の変動からの位相のずれを求める位置変動決定ステップを有することを、特徴とする請求項２記載の変動画像解析方法。
【請求項５】
第１物理量の変化によって表面の発光の強さが変化する測定対象の画像を経時的に連続して取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段による画像の取得と併行して、前記測定対象の表面または近傍での第２物理量を経時的に測定する基準センサと、
前記基準センサで測定された前記第２物理量の時間変化に基づいて、所定の周波数を有する前記第２物理量の変動を抽出し、前記画像取得手段で各画像を取得した時刻に基づいて、各画像の、前記第２物理量の変動周期における位相を求める解析手段とを有することを、
特徴とする変動画像解析システム。
【請求項６】
前記解析手段は、１周期を複数の位相帯に分割し、各画像の位相に基づいて各画像を各位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得ることを、特徴とする請求項５記載の変動画像解析システム。
【請求項７】
前記第１物理量は圧力から成り、
前記測定対象は表面に感圧塗料を塗って形成されており、
前記基準センサは、圧力センサ、マイクロフォン、流速センサ、力センサまたは変位センサから成り、
前記解析手段は、前記第２物理量に対して前記所定の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを適用して、または、前記第２物理量を時間微分して、前記所定の周波数を有する前記第２物理量の変動を抽出することを、
特徴とする請求項５または６記載の変動画像解析システム。
【請求項８】
前記解析手段は、前記測定対象の任意の位置に対して、その位置での前記平均化画像に基づく前記第１物理量の変動のうち、前記所定の周波数での変動の振幅、および、前記第２物理量の変動からの位相のずれを求めることを、特徴とする請求項６記載の変動画像解析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変動画像解析方法および変動画像解析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非定常流体現象を計測するために、高速粒子画像流速測定法（Dynamic Particle Image Velocimetry，ＰＩＶ）を用いた非定常速度場の計測が行われており、非定常流体現象の理解に役立っている。しかし、速度場の情報だけでは、実際に流体が物体に与えている流体力を知ることはできない。物体に与えている流体力を知るには、渦の移流や放出等により生じる局所的圧力変動を知ることが重要である。このため、非定常圧力場の面計測手法である非定常感圧塗料計測の実用化が求められている。
【０００３】
しかし、感圧塗料（ＰＳＰ）技術（例えば、非特許文献１参照）を非定常かつ圧力変動量の少ない現象へ応用することは、応答性および信号雑音比（ＳＮＲ）の観点から非常に困難である。非定常現象は、周期現象であっても、広域の変動周波数を有し、振幅や振動中心が一定でないことが少なくない。そのため、単純な加算平均によりＳＮＲの向上を図ることも難しい。
【０００４】
このような問題を解決するために、画像計測および得られた画像の解析を含む非定常ＰＳＰ技術として、周期現象に対して適用できる、いわゆるフェーズロック（Phase-lock）法（例えば、非特許文献２参照）やＦＦＴ法（例えば、非特許文献３または特許文献１参照）が開発されている。
【０００５】
なお、感圧塗料（ＰＳＰ）とは、励起光を照射すると燐光を発する色素と、バインダとしての高分子とからなる塗料で、周囲の酸素濃度によって色素の発光強度が変化する酸素消光（Oxygen quenching）と呼ばれる現象を利用した光学的酸素分子センサである。感圧塗料を塗った物体表面にはたらく圧力と酸素濃度との間に相関があることから、圧力値を得ることができる。風洞試験においては、式（１）のStern-Volmer関係式を用いて、基準状態（一般的に無風時）と通風時との感圧塗料の発光強度比Ｉref／Ｉから圧力Ｐを算出することができる。
Ｉref／Ｉ＝Ａ＋Ｂ・Ｐ／Ｐref                  （１）
ここで、添字refは基準状態を表し、Ａ，ＢはStern-Volmer係数である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８２７３５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Bell, J. H., Schairer, E. T., Hand, L. A., and Mehta, R. D.,“Surfacepressure measurements using luminescent coatings”, Annual Review of Fluid Mechanics, 2001, 33, p.155-206
【非特許文献２】Yorita, D., Narumi, T., Nagai, H., and Asai, K., “Unsteady PSP Technique for Measuring Naturally-Disturbed PeriodicPhenomena, AIAA2010-307, 2010
【非特許文献３】Nakakita, K., “Unsteady PressureDistribution Measurement around 2D-Cylinders Using Pressure-Sensitive Paint”, AIAA 2007-3819, 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
フェーズロック法やＦＦＴ法は、広帯域の現象やゆらぎを有するような現象へも適用が試みられている。しかしながら、そのような現象に適用したときに、フェーズロック法は計測システムが複雑化してしまうことや、十分な精度で位相が分解できないという課題があった。一方、ＦＦＴ法では、画像処理方法が複雑化してしまうという課題があった。
【０００９】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、より簡易な構成でＳＮＲを高め、非定常な流体現象を精度良く把握することができる変動画像解析方法および変動画像解析システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る変動画像解析方法は、第１物理量の変化によって表面の発光の強さが変化する測定対象の画像を経時的に連続して取得する画像取得ステップと、前記画像取得ステップと併行して、前記測定対象の表面または近傍での第２物理量を経時的に測定する基準データ取得ステップと、前記基準データ取得ステップで測定された前記第２物理量の時間変化に基づいて、所定の周波数を有する前記第２物理量の変動を抽出する変動抽出ステップと、前記画像取得ステップで各画像を取得した時刻に基づいて、前記変動抽出ステップで抽出された前記第２物理量の変動周期における各画像の位相を求める位相決定ステップとを有することを、特徴とする。
【００１１】
本発明に係る変動画像解析システムは、第１物理量の変化によって表面の発光の強さが変化する測定対象の画像を経時的に連続して取得する画像取得手段と、前記画像取得手段による画像の取得と併行して、前記測定対象の表面または近傍での第２物理量を経時的に測定する基準センサと、前記基準センサで測定された前記第２物理量の時間変化に基づいて、所定の周波数を有する前記第２物理量の変動を抽出し、前記画像取得手段で各画像を取得した時刻に基づいて、各画像の、前記第２物理量の変動周期における位相を求める解析手段とを有することを、特徴とする。
【００１２】
本発明に係る変動画像解析方法および変動画像解析システムは、第２物理量の所定の周波数を有する変動の、１周期における各画像の位相を求めることができる。各画像を、求めた位相の順番に並べ替えたり、所定の位相幅ごとに画像を平均化して並べ替えたりすることにより、第２物理量の所定の周波数を有する変動の、１周期内での第１物理量の変化を容易に把握することができる。
【００１３】
このため、第２物理量として、第１物理量の変化と関連して変化する物理量を測定することにより、広帯域の現象やゆらぎを有するような現象であっても、所定の周波数の変動に着目して第１物理量の周期的な変化を画像で把握することができる。このように、本発明に係る変動画像解析方法および変動画像解析システムは、フェーズロック法やＦＦＴ法より簡易な構成でＳＮＲを高め、非定常な流体現象を精度良く把握することができる。
【００１４】
測定対象の画像を連続的に取得する画像取得手段は、第１物理量の変化を計測可能な撮影速度および解像度を有していればよく、例えば、ＣＭＯＳ高速度カメラから成る。第１物理量は、発光の強さなどの測定対象の表面の変化により計測可能な物理量であればいかなるものであってもよい。第１物理量は、例えば、測定対象の表面に感圧塗料や感温塗料等を塗ることにより計測可能となる、圧力や温度等から成る。
【００１５】
第２物理量は、第１物理量の変化と関連して変化すると考えられる物理量であればいかなるものであってもよく、例えば、圧力、音、流速、力、変位等から成る。第２物理量を経時的に測定する基準センサは、第２物理量の所望の周波数を有する変動を抽出可能であれば、いかなるものであってもよい。また、測定対象の表面に直接設置されていても、測定対象に接することなく測定対象の近傍に設置されていてもよい。複数箇所に設置されていてもよい。着目する所定の周波数は、１つであっても複数であってもよい。
【００１６】
本発明に係る変動画像解析方法は、１周期を複数の位相帯に分割し、前記位相決定ステップで求められた各画像の位相に基づいて各画像を各位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得る画像平均処理ステップを有することが好ましい。
【００１７】
本発明に係る変動画像解析システムで、前記解析手段は、１周期を複数の位相帯に分割し、各画像の位相に基づいて各画像を各位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得ることが好ましい。
【００１８】
各位相帯ごとの平均化画像を得ることにより、周期ごとに異なる変化や位相帯の幅より短い変化、所定の周波数とは異なる変化等を相対的に小さくすることができ、所定の周波数の変動に対するＳＮＲをより高めることができる。解析精度を高めるために、各位相帯には、偏りなく画像が配分されていることが好ましく、各位相帯の中にも、画像の位相が偏りなく分布していることが好ましい。平均化画像は、例えば、各位相帯に含まれる複数の画像を単純に加算平均したり、各画像が有する位相の各位相帯中での位置に応じて、各画像に重みを加えて加算平均したりすることにより得ることができる。
【００１９】
本発明に係る変動画像解析方法で、前記第１物理量は圧力から成り、前記測定対象は表面に感圧塗料を塗って形成されており、前記第２物理量は圧力、音、流速、力または変位から成り、前記変動抽出ステップは、前記第２物理量に対して前記所定の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを適用して、または、前記第２物理量を時間微分して、前記所定の周波数を有する前記第２物理量の変動を抽出してもよい。
【００２０】
本発明に係る変動画像解析システムで、前記第１物理量は圧力から成り、前記測定対象は表面に感圧塗料を塗って形成されており、前記基準センサは、圧力センサ、マイクロフォン、流速センサ、力センサまたは変位センサから成り、前記解析手段は、前記第２物理量に対して前記所定の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを適用して、または、前記第２物理量を時間微分して、前記所定の周波数を有する前記第２物理量の変動を抽出してもよい。
【００２１】
感圧塗料を使用することにより、圧力変動を伴う非定常な流体現象を精度良く把握することができる。また、バンドパスフィルタや時間微分を用いることにより、有意な所望の周波数を有する第２物理量の変動を容易に抽出することができる。十分な解析精度を得るために、感圧塗料は、所定の周波数の変動に対して、十分な感度を有し、十分に速い応答時間を有するものから成ることが好ましい。
【００２２】
本発明に係る変動画像解析方法は、前記測定対象の任意の位置に対して、その位置での前記画像平均処理ステップで得られた平均化画像に基づく前記第１物理量の変動のうち、前記所定の周波数での変動の振幅、および、前記変動抽出ステップで抽出された前記第２物理量の変動からの位相のずれを求める位置変動決定ステップを有していてもよい。
【００２３】
本発明に係る変動画像解析システムで、前記解析手段は、前記測定対象の任意の位置に対して、その位置での前記平均化画像に基づく前記第１物理量の変動のうち、前記所定の周波数での変動の振幅、および、前記第２物理量の変動からの位相のずれを求めてもよい。
【００２４】
測定対象の任意の位置での、所定の周波数の変動の振幅および位相のずれを求めることにより、その位置での第１物理量の変動を詳細に把握することができる。測定対象の全ての位置について、所定の周波数の変動の振幅および位相のずれを求めることにより、測定対象の第１物理量の変動を詳細に把握することができる。また、その振幅および位相のずれを画像で表すことにより、視覚的に容易に把握できるようにすることができる。振幅および位相のずれは、測定対象の位置ごとに、例えば、第１物理量の変動を正弦波近似することにより求めることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、より簡易な構成でＳＮＲを高め、非定常な流体現象を精度良く把握することができる変動画像解析方法および変動画像解析システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態の変動画像解析システムを示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態の変動画像解析方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの（ａ）測定対象である３次元角柱模型を示す斜視図、（ｂ）３次元角柱模型の設置状態を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、基準センサによる圧力変動の（ａ）時系列波形を示すグラフ、（ｂ）振幅スペクトルを示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの（ａ）基準センサによる圧力変動の時系列波形を示すグラフ、（ｂ）バンドパスフィルタ適用後の圧力変動の時系列波形を示すグラフ、（ｃ）高速度カメラの撮影タイミングのパルス信号を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、３０ｄｅｇずつに分割された１２の位相帯ごとに求めた３次元角柱模型の側面における圧力の平均化画像である。
【図７】本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、平均化画像から得られる３次元角柱模型の中心における圧力変動（図中の黒丸）、および、基準センサで得られた圧力変動（図中の実線）を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、３次元角柱模型の側面において求めた（ａ）１５０Ｈｚの変動の振幅（圧力比）を示す画像、（ｂ）基準センサの１５０Ｈｚの圧力変動からの位相のずれを示す画像である。
【図９】本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、３０ｄｅｇずつに分割された１２の位相帯ごとに求めた平板上における圧力の平均化画像である。
【図１０】本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、平板上で求めた（ａ）１５０Ｈｚの変動の振幅（圧力比）を示す画像、（ｂ）基準センサの１５０Ｈｚの圧力変動からの位相のずれを示す画像、（ｃ）３００Ｈｚの変動の振幅（圧力比）を示す画像、（ｄ）基準センサの３００Ｈｚの圧力変動からの位相のずれを示す画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１０は、本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムを示している。
図１に示すように、変動画像解析システム１０は、画像取得手段１１と基準センサ１２と解析手段１３とを有している。
【００２８】
図１に示すように、変動画像解析システム１０の測定対象１は、表面に感圧塗料を塗って形成されている。感圧塗料は、測定を行いたい周波数の変動に対して、十分な感度を有し、十分に速い応答時間を有するものから成っている。測定対象１は、第１物理量の圧力の変化によって表面の発光の強さが変化するようになっている。
【００２９】
図１に示すように、画像取得手段１１は、感圧塗料を励起させるための２台の紫外線ＬＥＤ（ＵＶ−ＬＥＤ）２１と、高速度カメラ２２とから成っている。画像取得手段１１は、紫外線ＬＥＤ２１の光を測定対象１に照射して感圧塗料を発光させつつ、高速度カメラ２２で測定対象１の画像を連続的に取得するようになっている。高速度カメラ２２は、測定を行いたい測定対象１の圧力の変化を計測可能な撮影速度および解像度を有するものから成っている。また、高速度カメラ２２は、画像の撮影タイミングをパルス信号として出力可能になっている。
【００３０】
図１に示すように、基準センサ１２は、第２物理量の圧力を測定可能な圧力変換器から成り、測定対象１の表面に取り付けられている。基準センサ１２は、画像取得手段１１による画像の取得と併行して、測定対象１の表面での圧力を経時的に測定するようになっている。基準センサ１２は、測定を行いたい周波数の圧力変動を測定可能になっている。なお、基準センサ１２は、圧力以外にも、画像取得手段１１で測定される感圧塗料による変化と関連して変化する音や流速、力、変位を測定可能な、マイクロフォンや流速センサ、力センサ、変位センサから成っていてもよい。また、基準センサ１２は、測定対象１の近傍に設置されていてもよく、１箇所に設置されていても複数箇所に設置されていてもよい。
【００３１】
図１に示すように、解析手段１３は、データロガー２３および解析部２４から成っている。データロガー２３は、高速度カメラ２２と基準センサ１２とに接続され、高速度カメラ２２により取得された画像と、基準センサ１２により測定された圧力データとを、同時系列で記録可能になっている。また、データロガー２３は、高速度カメラ２２からの撮影タイミングのパルス信号も同時系列で記録可能になっている。
【００３２】
解析部２４は、コンピュータから成り、データロガー２３に接続されている。解析部２４は、データロガー２３に記録されたデータを解析可能になっている。解析部２４は、基準センサ１２で測定された圧力データの時間変化に基づいて、所望の周波数を有する圧力変動を抽出するようになっている。このとき、解析部２４は、圧力データに対して所望の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを適用することにより、または、圧力データを時間微分することにより、所望の周波数を有する圧力変動を抽出するようになっている。
【００３３】
また、解析部２４は、画像取得手段１１で取得した全ての画像を、式（１）を用いて、発光強度の画像から圧力の画像に変換するようになっている。次に、解析部２４は、画像取得手段１１で各画像を取得した時刻に基づいて、所望の周波数を有する圧力データの変動周期における各画像の位相を求めるようになっている。
【００３４】
解析部２４は、１周期を複数の位相帯に分割し、求めた各画像の位相に基づいて各画像を各位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得るようになっている。このとき、解析部２４は、各位相帯に含まれる複数の画像を加算平均することにより、平均化画像を得るようになっている。解析部２４は、得られた平均化画像を、位相帯の順番に並べて出力可能になっている。
【００３５】
さらに、解析部２４は、測定対象１の全ての位置に対して、各位置での平均化画像に基づく圧力変動のうち、所望の周波数での変動の振幅、および、基準センサ１２による所望の周波数の圧力変動からの位相のずれを求めるようになっている。このとき、解析部２４は、測定対象１の各位置ごとに、平均化画像の圧力変動を正弦波近似することにより、振幅および位相のずれを求めるようになっている。解析部２４は、求められた振幅および位相のずれを、画像により出力可能になっている。
【００３６】
本発明の実施の形態の変動画像解析方法は、変動画像解析システム１０により実施することができる。図２に示すように、本発明の実施の形態の変動画像解析方法は、まず、感圧塗料が塗られた測定対象１の画像を、画像取得手段１１により経時的に連続して取得するとともに（「PSP images」；ステップ３１）、それと併行して、基準センサ１２により測定対象１の表面での圧力を経時的に測定する（「Reference signal」；ステップ３２）。次に、解析手段１３により、基準センサ１２で測定された圧力データの時間変化から、所望の周波数を有する圧力変動を抽出する（「Conditioned signal」；ステップ３３）。このとき、バンドパスフィルタや時間微分を用いるため、データに含まれる高周波の雑音や低周波のバイアスの変動を取り除き、所望の周波数帯域を通過する有意な圧力変動を容易に抽出することができる。
【００３７】
解析手段１３により、画像取得手段１１で取得した全ての画像を、式（１）を用いて圧力画像に変換する（「Pressure images」；ステップ３４）。このとき、発光強度の基準画像（Ｉref）として、取得した全ての画像の平均画像（averaged image）を使用することにより、圧力の変動成分のみを得ることができる。また、測定対象１の温度変化や色素の光劣化の影響を低減することもでき、測定対象１の変形の位置補正も不要である。
【００３８】
次に、解析手段１３により、画像取得手段１１で各画像を取得した時刻に基づいて、所望の周波数を有する圧力データの変動周期における各画像の位相を求める（「Phase categorized images」；ステップ３５）。求められた各画像の位相に基づいて、１周期を分割した各位相帯に各画像を配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得る（「Phase-averaged images」；ステップ３６）。このとき、平均化画像を得ることにより、周期ごとに異なる変化や、所望の周波数とは異なる変化等を相対的に小さくすることができ、所望の周波数の変動に対するＳＮＲを高めることができる。また、所望の周波数を有する変動の、１周期内での測定対象１の表面の圧力変化を容易に把握することができる。
【００３９】
さらに、解析手段１３により、測定対象１の全ての位置に対して、各位置での平均化画像に基づく圧力変動のうち、所望の周波数での変動の振幅、および、基準センサ１２による所望の周波数の圧力変動からの位相のずれを求める。これにより、測定対象１の全ての位置について、圧力変動を詳細に把握することができる。
【００４０】
このように、本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システム１０によれば、広帯域の現象やゆらぎを有するような現象であっても、所定の周波数の変動に着目して、測定対象１の表面の圧力の周期的な変化を画像で容易に把握することができる。また、感圧塗料を使用するため、圧力変動を伴う非定常な流体現象を精度良く把握することができる。本発明に係る変動画像解析方法および変動画像解析システム１０は、フェーズロック法やＦＦＴ法より簡易な構成でＳＮＲを高め、非定常な流体現象を精度良く把握することができる。
【実施例１】
【００４１】
本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システム１０を、図３に示す３次元角柱模型５１の側面および角柱を設置した平板５２の上に生じる周期的な圧力変動場に適用し、その有効性の評価を行った。図３に示すように、３次元角柱模型５１は、縦４０ｍｍ、横４０ｍｍの正方断面を有し、高さが１００ｍｍである。３次元角柱模型５１は、内部が中空になっている。感圧塗料（ＰＳＰ）は、３次元角柱模型５１の一つの側面全体に塗装されている。この感圧塗料の塗装面には、幅３０ｍｍ、高さ１００ｍｍ、厚さ５ｍｍの取り外し可能な試験プレート５１ａが埋め込まれている。３次元角柱模型５１と試験プレート５１ａには、段差はない。計側面の中心に、基準センサ１２としての圧力変換器（Kulite Semiconductor Products, Inc.製；製品名「XCL-152」）が取り付けられている。
【００４２】
なお、感圧塗料は、数百Ｈｚ以下の変動に対して十分に速い応答時間を有する、高応答性のPolymer/Ceramic ＰＳＰ（ＰＣ−ＰＳＰ）から成っている。感圧塗料は、３次元角柱模型５１の側面にスプレーで塗布されている。感圧塗料は、色素として PtTFPP が用いられており、圧力に対する感度が０．５％／ｋＰａである。
【００４３】
この３次元角柱模型５１を用いて風洞試験を行った。風洞試験で使用した風洞は、大気吸い込み型であり、通風による温度上昇が比較的小さいため、感圧塗料を用いた実験に適している。３次元角柱模型５１は、平板５２上の直径２５０ｍｍのターンテーブル（Turn table）に固定されている。本試験では、ターンテーブル上にも感圧塗料が塗布されており、３次元角柱模型５１を設置した平板５２の上に生じる周期的な圧力変動場についても計測を行った。主流速度は５０ｍ／ｓとし、模型偏揺角は計測面が流れと平行になる０ｄｅｇとした。
【００４４】
図１に示すように、高速度カメラ２２による感圧塗料面の計測と、基準センサ１２の圧力変換器による圧力測定とを併行して行った。ここで、紫外線ＬＥＤ２１には、ピーク波長３９５ｎｍの、浜松ホトニクス（株）製；製品名「LEDH576-395」を用い、高速度カメラ２２には、分解能１２ビットのＣＭＯＳ高速度カメラ（（株）フォトロン製；製品名「FASTCAM SA5」）を用いた。高速度カメラ２２の撮影速度は１０００ｆｒａｍｅ／ｓとし、通風中の感圧塗料の発光画像を２３，０００枚取得した。また、画像１枚あたりの露光時間を０．９９ｍｓとした。これにより、得られる発光画像は、変動現象の位相幅５４ｄｅｇの平均画像となる。また、データロガー２３は、横河電機（株）製；製品名「WE7000」を用い、そのサンプリングレートを１０ｋＨｚとした。
【００４５】
基準センサ１２の圧力変換器により測定した、３次元角柱模型５１の側面に生じる圧力変動の時系列波形および振幅スペクトルを、図４に示す。図４（ｂ）に示すように、３次元角柱模型５１の側面に生じる圧力変動の基本成分は、周波数１５０Ｈｚの正弦振動である。ただし、図４（ａ）に示すように、その振幅や周期、ゼロ点はゆらぎを有している。この図４（ａ）に示す圧力変動に、中心周波数１５０Ｈｚの１オクターブバンドパスフィルタを適用した。これにより得られた１５０Ｈｚの圧力変動を、図５（ｂ）に示す。
【００４６】
高速度カメラ２２で取得した全ての画像を、式（１）を用いて、発光強度の画像から圧力の画像に変換した。図５に示すように、得られた圧力画像のそれぞれの位相を、圧力変換器のデータを用いて決定した。ここでは、まず、図５（ｂ）に示す圧力変動の符号が負から正に変化する点を変動の開始点（位相０ｄｅｇ）とし、変動の１周期を決定した。ここで、各画像に含まれる位相θimageは、１周期の長さＴｊと、直前の変動開始点からの時間差ｔｉとにより、
θimage＝tｉ／Ｔｊ×３６０  ［ｄｅｇ］                        （２）
と定義できる。この式（２）を用いて、全ての画像の位相を求めた。
【００４７】
求められた各画像の位相に基づいて、２３，０００枚の全ての画像を３０ｄｅｇずつ、１２の位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を加算平均して、各位相帯ごとの１２の平均化画像を得た。得られた各位相帯ごとの平均化画像を、図６に示す。風の流れる方向は、各画像の左から右である。図６に示すように、３次元角柱模型５１の側面に周期的に生じる圧力変動場を、はっきりと可視化できている。この圧力変動は、３次元角柱模型５１の下方ほど強くなる傾向にあり、３次元角柱模型５１の後縁側底部には局所的に変動の強い領域が現れていることが確認できる。
【００４８】
図６の平均化画像から得られる３次元角柱模型５１の中心における圧力変動（図７中の黒丸）、および、基準センサ１２で得られた圧力変動を、図７に示す。図７に示すように、平均化画像を求めることにより、３次元角柱模型５１の側面に生じる圧力の正弦変動が捉えられており、基準センサ１２の測定結果と定量的にもよく一致していることがわかる。
【００４９】
次に、３次元角柱模型５１の側面の全ての位置に対して、各位置での平均化画像に基づく圧力変動のうち、１５０Ｈｚの変動の振幅、および、基準センサ１２の１５０Ｈｚの圧力変動からの位相のずれを求めた。ここでは、まず、図６に示す平均化画像を５×５ピクセルの領域でビニングした後に、各ピクセルで式（３）の正弦波近似を行うことにより、振幅Ａおよび位相のずれθ0の分布を求めた。
Ｐ／Ｐref＝Ａ・sin（θ＋θ０）＋Ｂ                    （３）
ここで、Ｂはバイアス成分である。
【００５０】
得られた振幅Ａおよび位相のずれθ０の分布を、図８に示す。図８に示すように、振幅、位相分布の可視化により、３次元角柱模型５１の側面に生じる圧力変動を明瞭に捉えることができる。図８（ａ）に示すように、３次元角柱模型５１の後縁側底部には強い変動が生じているのが確認できる。また、図８（ｂ）に示すように、位相分布では、後縁付近に位相が１５ｄｅｇ程度遅れる領域を確認することができる。この位相遅れ領域は、局所的に振幅が強い領域とも相関があるようにみえる。これらの構造は、３次元角柱模型５１の周りの複雑な流れ場に起因すると考えられる。
【００５１】
同様にして、３次元角柱模型５１を設置した平板５２の上に生じる周期的な圧力変動場の平均化画像を求め、図９に示す。風の流れる方向は、各画像の左から右である。基準センサ１２は、各画像で下側となる側面に設置している。図９に示すように、負圧と正圧の対称な領域が、３次元角柱模型５１の側面近傍から下流へと移動していく様子が捉えられており、平板５２の上に周期的に生じる圧力変動場をはっきりと可視化できている。なお、図９に示す圧力変動場は、３次元角柱模型５１の前縁から発生した渦が交互に通過することで生じていると考えることができる。
【００５２】
平板５２の上の全ての位置について、図９に示す圧力変動の振幅および位相のずれを求め、図１０に示す。ここでは、１対の交互渦の通過を考慮して、２倍波の成分を含めた式（４）により正弦波近似を行い、振幅および位相のずれを求めている。
Ｐ／Ｐref＝Ａ１・sin（θ＋θ１）＋Ａ２・sin（θ＋θ２）＋Ｂ        （４）
ここで、添え字１、２はそれぞれ基本波（ｆ＝１５０Ｈｚ）成分、２倍波（ｆ＝３００Ｈｚ）成分を意味している。
【００５３】
図１０（ａ）に示すように、３次元角柱模型５１の側面近傍から下流にわたって圧力変動が生じていることがわかる。３次元角柱模型５１の背後で、この変動は最大となっている。また、この振幅分布は、模型５１の流れ方向中心軸に対し対称に現れている。一方、図１０（ｂ）に示すように、位相は中心軸で１８０度反転した分布をしている。これは、対称な２つの圧力変動が半周期ずれて発生することを示している。図１０（ｃ）および（ｄ）に示すように、２倍波の成分は、交互渦の両方が通過する３次元角柱模型５１の背面にのみ現れている。このように、１対の交互渦が下流へ流れていく際に誘起する圧力変動場を、明瞭に捉えることができている。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る変動画像解析方法および変動画像解析システムは、自動車や高速鉄道、飛行機等の輸送分野、および、ビルや橋梁等の建築分野において、縮尺モデルや実物を用いた風洞実験に使用することができる。また、コンプレッサーやプロペラ等の回転機械、送風機や空調機器等の流体機械、さらには、ゴルフボール等を対象とするスポーツ工学分野にも利用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  変動画像解析システム
１１  画像取得手段
１２  基準センサ
１３  解析手段
２１  紫外線ＬＥＤ
２２  高速度カメラ
２３  データロガー
２４  解析部
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図１】
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【図３】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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