(57)【要約】【課題】流体中の気泡または液滴を撮影した画像に含まれる気泡像または液滴像の形状を楕円に近似したときの該楕円の中心位置および楕円パラメーターとして、気泡像または液滴像の中心位置および形状を算出しうる装置を提供する。【解決手段】本発明の装置は、上記画像の画像記憶手段、この画像を二値化して輪郭線抽出画像を求める輪郭線抽出手段を備え、一対のエッジ点の各エッジ点にハフ変換を施すことにより各エッジ点における輪郭線方向を求めるハフ変換手段、ハフ変換手段によりハフ変換を施したエッジ点の近傍において、共分散行列を求める共分散行列算出手段、共分散行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを求め、その方向を接線方向として得る接線方向算出手段、中心位置候補記憶手段を備え、楕円中心位置を求めた各楕円について、該一対のエッジ点を通る楕円の楕円パラメーターを算出する楕円パラメーター算出手段を備えることを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中の気泡または液滴を撮影した画像に含まれる気泡像または液滴像の形状を楕円に近似したときの該楕円の中心位置および楕円パラメーターとして、前記気泡像または液滴像の中心位置および形状を算出する装置であって、
前記気泡または液滴を撮影して得られ、気泡像または液滴像を含む画像を記憶する画像記憶手段(1)、および
前記画像記憶手段に記憶された前記画像を二値化して、前記気泡像または液滴像の輪郭線を抽出した輪郭線抽出画像を求める輪郭線抽出手段(2)を備えると共に、
前記輪郭線抽出画像において前記輪郭線を構成するエッジ点から任意に選ばれた一対のエッジ点の各エッジ点にハフ変換を施すことにより各エッジ点における輪郭線方向を求めるハフ変換手段(3-1)、
前記ハフ変換手段によりハフ変換を施したエッジ点の近傍において、該エッジ点を通り前記ハフ変換手段により得られた輪郭線方向と同じ方向の直線と、前記近傍に含まれる全てのエッジ点との共分散行列を求める共分散行列算出手段(3-2)、
前記共分散行列算出手段により求めた共分散行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを求め、該固有ベクトルの方向を前記ハフ変換を施したエッジ点における前記輪郭線の接線方向として得る接線方向算出手段(3-3)、
前記一対のエッジ点の各エッジ点についてそれぞれ得られた前記接線方向を、前記気泡像または液滴像の形状を楕円に近似したときの該楕円の接線方向とし、該接線方向から該楕円の中心位置候補を求める中心位置候補算出手段(3-4)、および
前記一対のエッジ点のそれぞれについて前記中心位置候補算出手段により求めた中心位置候補を記憶する中心位置候補記憶手段(3-5)を備え、
前記中心位置候補記憶手段に記憶された中心位置候補のうちから、前記一対のエッジ点のそれぞれについて該一対のエッジ点を通る楕円の中心位置を求める楕円中心位置算出手段(4)、および
前記楕円中心位置算出手段により楕円中心位置を求めた各楕円について、該楕円中心位置と、該楕円が通る一対のエッジ点の各エッジ点の位置と、該エッジ点における接線方向とから、該一対のエッジ点を通る楕円の楕円パラメーターを算出する楕円パラメーター算出手段(5)
を備えることを特徴とする前記気泡像または液滴像の中心位置および形状算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気泡像または液滴像の中心位置および形状算出装置に関し、詳しくは流体中の気泡または液滴を撮影した画像に含まれる気泡像または液滴像の形状を楕円に近似したときの該楕円の中心位置および楕円パラメーターとして、上記の気泡像または液滴像の中心位置および形状を算出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体などの流体中に分散した多数の気泡や、層分離して存在する多数の液滴について、その中心位置や形状を求める方法としては、これらの気泡または液滴を撮影した画像を二値化して二値化画像を得、得られた二値化画像に含まれる気泡像または液滴像を真円形状に近似し、この真円の中心位置および直径として、気泡像または液滴像の中心位置および直径を求める方法が知られており、コンピューターを用いて、かかる方法を実行する算出装置も知られている〔非特許文献１：千ら「円形状抽出による分散粒子の界面計測」日本混相流学会誌、Vol.22, No.1, pp.50-59(2008)〕。
【０００３】
しかし、流体中の気泡や液滴の多くは、真円とは大きく異なる回転楕円体形状であることから、真円形状に近似する上記方法を実行する従来の算出装置では、得られた中心位置や径が、実際の画像中の気泡像または液滴像の中心位置や形状と大きく異なっていることがあった。
【０００４】
このため、気泡像または液滴像を楕円形状に近似し、この楕円の中心位置や楕円パラメーター、すなわち長径、短径および長径方向として、気泡像または液滴像の中心位置や形状を算出できる装置が望まれていた。
【０００５】
【非特許文献１】千ら「円形状抽出による分散粒子の界面計測」日本混相流学会誌、Vol.22, No.1, pp.50-59(2008)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明者は、流体中の気泡または液滴を撮影した画像に含まれる気泡像または液滴像の形状を楕円に近似したときの該楕円の中心位置および楕円パラメーターとして、気泡像または液滴像の中心位置および形状を算出しうる装置を開発するべく鋭意検討した結果、本発明に至った。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明は、流体中の気泡または液滴を撮影した画像に含まれる気泡像または液滴像の形状を楕円に近似したときの該楕円の中心位置および楕円パラメーターとして、前記気泡像または液滴像の中心位置および形状を算出する装置であって、
前記気泡または液滴を撮影して得られ、気泡像または液滴像を含む画像を記憶する画像記憶手段(1)、および
前記画像記憶手段に記憶された前記画像を二値化して、前記気泡像または液滴像の輪郭線を抽出した輪郭線抽出画像を求める輪郭線抽出手段(2)を備えると共に、
前記輪郭線抽出画像において前記輪郭線を構成するエッジ点から任意に選ばれた一対のエッジ点の各エッジ点にハフ変換を施すことにより各エッジ点における輪郭線方向を求めるハフ変換手段(3-1)、
前記ハフ変換手段によりハフ変換を施したエッジ点の近傍において、該エッジ点を通り前記ハフ変換手段により得られた輪郭線方向と同じ方向の直線と、前記近傍に含まれる全てのエッジ点との共分散行列を求める共分散行列算出手段(3-2)、
前記共分散行列算出手段により求めた共分散行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを求め、該固有ベクトルの方向を前記ハフ変換を施したエッジ点における前記輪郭線の接線方向として得る接線方向算出手段(3-3)、
前記一対のエッジ点の各エッジ点についてそれぞれ得られた前記接線方向を、前記気泡像または液滴像の形状を楕円に近似したときの該楕円の接線方向とし、該接線方向から該楕円の中心位置候補を求める中心位置候補算出手段(3-4)、および
前記一対のエッジ点のそれぞれについて前記中心位置候補算出手段により求めた中心位置候補を記憶する中心位置候補記憶手段(3-5)を備え、
前記中心位置候補記憶手段に記憶された中心位置候補のうちから、前記一対のエッジ点のそれぞれについて該一対のエッジ点を通る楕円の中心位置を求める楕円中心位置算出手段(4)、および
前記楕円中心位置算出手段により楕円中心位置を求めた各楕円について、該楕円中心位置と、該楕円が通る一対のエッジ点の各エッジ点の位置と、該エッジ点における接線方向とから、該一対のエッジ点を通る楕円の楕円パラメーターを算出する楕円パラメーター算出手段(5)
を備えることを特徴とする前記気泡像または液滴像の中心位置および形状算出装置を提供するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の装置によれば、気泡像または液滴像を含む画像から、気泡像または液滴像を楕円形状に近似したときの楕円の中心位置として、その中心位置を算出し、またこの楕円の楕円パラメーターとして、気泡像または液滴像の形状を算出するので、実際の画像中に含まれる気泡像または液滴像の中心位置や形状と大きく異なることなく、中心位置および形状を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図１のフローチャートを用いて本発明の装置について詳細に説明する。
【００１０】
〔画像〕
本発明の装置が対象とする画像は、気泡像または液滴像を含むものである。気泡としては、例えば液体中にガスを吹き込んで生ずる気泡を撮影したもの、液体成分を、これと非相溶性の第二液体成分と混合し、激しく撹拌することにより生ずる液滴を撮影したものなどが挙げられる。かかる画像は、通常の方法、例えば透明容器中で気泡または液滴を含む流体をデジタルカメラにより撮影することにより、得ることができる。
【００１１】
〔画像記憶手段〕
画像記憶手段は、かかる画像を記憶するものであり、例えばコンピューター上のメモリーであってもよいし、ハードディスクなどであってもよい。
【００１２】
〔輪郭線抽出手段〕
輪郭線抽出手段は、画像記憶手段に記憶された上記画像を二値化して、気泡像または液滴像の輪郭線を抽出した輪郭線抽出画像を求める手段である。
【００１３】
輪郭線抽出手段では、Cannyの最適フィルタを用いることで輪郭線画素(エッジ点)を抽出する(図１のCのＩ) 〔Canny「A computational approach to edge detection」IEEE Trans. Pattern AnaI & Mach., Vol.PAMI-8, No.6, pp.679-697(1986)〕。
【００１４】
〔ハフ変換手段〕
ハフ変換手段は、輪郭線抽出画像において輪郭線を構成するエッジ点から任意に選ばれた一対のエッジ点の各エッジ点にハフ変換を施すことにより、各エッジ点における輪郭線方向を求める手段である。
【００１５】
この手段では、まず、エッジ点(Pi)に対してハフ変換を施すことにより、エッジ点(Pi)における輪郭線の傾斜角度を得る（図１のCのIIIa)。なお、ハフ変換は、輪郭線を抽出した画像から、この輪郭線を構成する直線成分を抽出するための画像処理方法として、知られている変換である〔渡辺ら「ハフ変換を用いた接線情報の抽出と欠損楕円の検出」電子情報通信学会論文誌, Vol.J82-D-II, No.12, pp.2221-2229(1999)、松山ら「Hough変換とパターンマッチング」情報処理, vol.30, No.9, pp.1035-1046(1989)、堀木ら「ディジタル直線の標本化誤差を考慮した組合せは負変換の改良」信学論（Ｄ−II）, vol.J78-D-II, No.12, pp.1767-1776,(Dec.1995)〕。
【００１６】
〔共分散行列算出手段〕
共分散行列算出手段は、ハフ変換手段によりハフ変換を施したエッジ点(Pi)の近傍において、このエッジ点(Pi)を通り前記ハフ変換手段により得られた輪郭線方向と同じ方向の直線と、上記近傍に含まれる全てのエッジ点との共分散行列を求める手段である。
【００１７】
〔接線方向算出手段〕
上記で得た共分散行列の最大固有値を求め、この最大固有値に対応する固有ベクトルを求める。この固有ベクトルの方向を輪郭線の接線方向とする(図１のCのIIIb) 〔渡辺ら「ハフ変換を用いた接線情報の抽出と欠損楕円の検出」電子情報通信学会論文誌, Vol.J82-D-II, No.12, pp.2221-2229(1999)〕。
【００１８】
〔中心位置候補算出手段〕
楕円中心位置候補算出手段では、画像と同サイズの二次元配列を用意し、その配列の楕円中心位置候補点に投票し、投票数が極大である点を求める。図2に示す通り、楕円中心位置候補点は、画像の輪郭線上から一対のエッジ点（以下、一対のエッジ点をエッジ点対と言うことがある。）(Pi,Pj)を選択し(図1のCのII)、このエッジ点対(Pi、Pj)を結ぶ線分の中点(Mij)と各点における下記接線情報抽出手段より得られる二本の接線(li,lj)が交差する点(Qij)とを結ぶことによりできる直線(lij)上の点を中心位置候補とする。〔渡辺ら「ハフ変換を用いた接線情報の抽出と欠損楕円の検出」電子情報通信学会論文誌, Vol.J82-D-II, No.12, pp.2221-2229(1999)〕
【００１９】
〔中心位置候補記憶手段〕
この手段では、画像の輪郭線からランダムに複数のエッジ点対を選択し(図1のCのII)、各点対における楕円中心位置候補点に投票し(図1のCのIV)、候補情報として記憶する。〔渡辺ら「ハフ変換を用いた接線情報の抽出と欠損楕円の検出」電子情報通信学会論文誌, Vol.J82-D-II, No.12, pp.2221-2229(1999)〕
【００２０】
〔楕円中心位置算出手段〕
前記中心位置候補記憶手段に記憶された中心位置候補のうちから、極大点を求めることで楕円中心位置Okを決定する(図1のCのＶ)。〔渡辺ら「ハフ変換を用いた接線情報の抽出と欠損楕円の検出」電子情報通信学会論文誌, Vol.J82-D-II, No.12, pp.2221-2229(1999)〕
【００２１】
〔楕円パラメーター算出手段〕
上記楕円中心位置手段で用いたエッジ点対が、算出した楕円中心位置に対応する楕円に属する点対であるかを判断し、そのエッジ点対が属する楕円のパラメーターを算出する。エッジ点対(Pi,Pj)を結ぶ線分の中点Mijと各点における接線(li,lj)が交差する点(Qij)とを結ぶことによりできる直線(lij)と楕円中心位置Okとの距離が閾値以下ならば、算出した楕円中心位置Okに対応する楕円に属すると判断する(図１のCのVI)。
【００２２】
楕円パラメーターの算出は、長径αおよび短径βに対する二次元配列を用意し、全該エッジ点対から求めた長径および短径の候補(α',β')に対応する配列上の点へ投票し(図１のCのVII)、投票数の極大点を長径αおよび短径βと決定する方法(図１のCのVIII)と、傾斜角θに対する一次元配列を用意し、各エッジ点から求めた傾斜角候補θ'に対応する配列上の点へ投票し(図１のCのＩＸ)、投票数の極大点を傾斜角θと決定する方法(図１のCのＸ)で行う。
【００２３】
長径、短径および傾斜角の候補(α',β',θ')は、楕円中心位置(Ok)を原点とし、楕円方程式(1)およびその接線の傾きの式(2)を導入し、楕円中心位置に属する各エッジ点対の位置情報(Pi,Pj)と接線情報(li,lj)を用いて式(1)および式(2)中のb、cおよびhを求め、式(3)〜(5)より算出する。
【００２４】
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【００２５】
なお、楕円傾斜角候補への投票は、決定した長径αおよび短径βに投票したエッジ点対から算出した楕円傾斜角候補θ'に限る〔渡辺ら「ハフ変換を用いた接線情報の抽出と欠損楕円の検出」電子情報通信学会論文誌, Vol.J82-D-II, No.12, pp.2221-2229(1999)〕。
【実施例】
【００２６】
本発明の装置により、流体中の気泡を撮影した画像から、この画像に含まれる気泡像の形状を楕円に近似したときの、この楕円の中心位置および楕円パラメーター（長径、短径および長径傾斜角度）を算出した過程および結果を示す。
【００２７】
図３は、流体中の気泡を撮影した画像である。
【００２８】
図４は、輪郭線抽出手段により図３の画像から気泡像の輪郭線を抽出した輪郭線抽出画像である。
【００２９】
図５は、楕円中心位置算出手段および楕円パラメーター算出手段により求めた楕円中心位置および楕円パラメーター（長径、短径、長径傾斜角度）の楕円の形状を、図３の画像の気泡像と重ね合わせて表示したものである。各気泡像の形状が、正確に楕円に近似されていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の装置は、画像中に含まれる気泡像または液滴像の中心位置と大きく異なることなく、中心位置および形状を算出することができるので、例えば化学プラントを構成する気泡塔中で、液体成分中にガス成分を吹き込むことにより発生する気泡を撮影し、得られた画像に含まれる気泡像の位置を求めるために使用することができる。気泡塔内の気泡の位置は、内部での液体成分とガスの接触の程度、接触時間などを知るための重要な基礎データである。
【００３１】
また、互いに非相溶性の液体成分を激しく撹拌したのち、液液分離器内で静置している間の液滴を撮影し、得られた画像に含まれる液滴像の位置を求めるために用いることもできる。液液分離器内での液滴の位置は、液液分離器により分離されるまでの液体成分の挙動を知るための重要な基礎データである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の装置により気泡像または液滴像の中心位置および形状を求める手順を示すフローチャートである。
【図２】一対のエッジ点から楕円中心位置候補を求める手順を示す模式図である。
【図３】流体中の気泡を撮影した画像である。
【図４】輪郭線抽出手段により図３の画像から気泡像の輪郭線を抽出した輪郭線抽出画像である。
【図５】楕円中心位置算出手段および楕円パラメーター算出手段により求めた楕円中心位置および楕円パラメーター（長径、短径、長径傾斜角度）の楕円の形状を、図３の画像の気泡像と重ね合わせて表示したものである。
【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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