JPH04250781A - Ｃｃｄビデオ撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可視化された流れ場の
流動状態を解析するための画像を得るのに好適な、マル
チシャッタ式のＣＣＤビデオ撮像装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば通路内の流体の流れ等により作ら
れる流れ場の流速分布を知るため、流体中にトレーサを
注入して流れ場の可視化を行なう方法が公知である。こ
のようにして可視化された流れ場における流速情報を定
量的なデータとして得るため、この可視化された流れ場
の状態をインタレース方式のテレビジョンカメラを用い
て映像信号に変換し、これにより得られた画像データに
対して、フレーム画像中の各フィールド画像より２枚の
フレーム画像を作成し、それぞれの画像内にある同一ト
レーサで形成された流跡像をその細線化処理で得られた
細線の傾き角と長さの情報とから推定し、同一トレーサ
で形成された流跡像の２枚のフレーム画像間での移動量
から流速の分布を計測する方法が提案されている（流れ
の可視化、Ｖｏｌ．９　、Ｎｏ．３４　、第　３７９頁
〜第　３８２頁）。この方法は１フレームのテレビジョ
ン画像のみを扱うので、２フレーム以上のテレビジョン
画像を扱う方法よりも適用範囲が広いという特徴を有し
ている。しかし、上記従来方法では、流跡像の細線化処
理結果からその傾き角と長さとを求め、この結果を用い
て流跡像を推定するという追跡処理を行なうものである
から、画像に雑音が重畳されていると、上記追跡処理結
果は雑音の影響を大きく受け、流速の計測結果に大きな
誤差を生じさせるという問題点を有している。この誤差
を小さくするには、流れを可視化するにあたり、良好な
照明状態が必須要件となるほか、トレーサ粒子の粒子径
もある一定範囲に選別して用いなければならない。これ
は、粒子径が異なる粒子の流跡像の細線化処理後の細線
の長さは、流跡像の長さが等しくても異なる結果となる
との理由による。したがって、上述した従来技術を実用
化するには、これらの点を克服しなければならないとい
う問題点を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このため、雑音の影響
を軽減し、より正確に流速分布状態を測定することがで
きる流速の計測システムとして、可視化された流れ場を
シャッタなしのインターレース走査撮像管方式のテレビ
ジョンカメラを用いて撮影し、これにより得られたテレ
ビジョン画像信号の１フレームを構成する各フィールド
画像データの論理積演算により、各フィールド画像デー
タ間での流跡像の対応関係を決定する構成が提案されて
いる。しかし、この提案されているシステムでは、計測
時間がＮＴＳＣ方式のテレビジョン画像サンブリング周
期の制約をうけること、また、ビジコンテレビカメラで
は、粒子の画角中における移動速度がはやい場合、粒子
流跡像長さに誤差が生じてしまう事実から、速い流れの
場合には計測が困難であるという問題点を有している。 本発明の目的は、したがって、流速等の計測を行うため
に必要な流れ場の画像撮像を、流れ場の流速の如何に拘
わらず簡単に行うことができるようにしたＣＣＤビデオ
撮像装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の特徴は、トレーサを注入することによって可
視化された流れ場の２次元の流速情報を得るため、流れ
場のテレビジョン画像信号を得るためのＣＣＤビデオ撮
像装置において、整列配置された多数の光−電気変換素
子を含んで成り複数のフィールド画像信号を取り出すこ
とができるＣＣＤ固体撮像素子と、該ＣＣＤ固体撮像素
子から第１のタイミングで第１のフィールド画像信号を
取り出すための第１シャッタ制御手段と、該ＣＣＤ固体
撮像素子から上記第１のタイミングとは異なるが重複タ
イミング部分を有する第２のタイミングで第２のフィー
ルド画像信号を取り出すための第２シャッタ制御手段と
を備えている点にある。

【０００５】

【作用】１フレームのビデオ画像信号を構成するための
、２つのフィールド画像信号を、第１及び第２シャッタ
制御手段によって、異なるタイミングであって重複タイ
ミング部分を有するようにＣＣＤ固体撮像素子から同一
視野の画像データとして所要のタイミングだけ時間的に
ずらせて取り出すことができる。

【０００６】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の一実施例
につき詳細に説明する。

【０００７】図１には、透明ガラスから成る水槽１内の
流体２にナイロン１２の粒子等の適宜の白色のトレーサ
粒子３を注入することによって可視化されている流体２
の流れ場の様子を計測するための流速計測装置１０の構
成が概略的に示されている。

【０００８】流速計測装置１０は、この可視化された流
れ場の流れの様子を示すためのトレーサ粒子３の位置の
時間的変化の情報を示す画像情報を取り出すため、本発
明によるＣＣＤビデオ撮像装置１２を有している。

【０００９】ＣＣＤビデオ撮像装置１２は、図２に詳細
に示されるように、整列配置された多数の光−電気変換
素子を含み、複数のフィールド画像信号を取り出すこと
ができるＣＣＤ固体撮像素子２０を具えている。ＣＣＤ
固体撮像素子２０の露光面２２には、所要の流れ場の光
像が光学系２４によって結像されている。

【００１０】この結像された流れ場の画像に相応する１
フレームの画像データを、奇数フィールド画像データＶ
Ａと偶数フィールド画像データＶＢとに分けてＣＣＤ固
体撮像素子２０から取り出すため、ＣＣＤ固体撮像素子
２０は、奇数フィールド部Ａと偶数フィールド部Ｂとに
分けられている。

【００１１】ＣＣＤ固体撮像素子２０の奇数フィールド
部Ａ及び偶数フィールド部Ｂから画像データを取り出す
ためのシャッタタイミング制御を夫々行うため、第１制
御部２４及び第２制御部２６が設けられている。第１及
び第２制御部２４，２６には、垂直同期信号発生器２８
から１／６０秒間隔で出力されるパルス信号から成る垂
直同期信号ＶＳが入力されており、垂直同期信号ＶＳに
基づいて、シャッタ制御用の第１及び第２シャッタ制御
信号Ｓ１，Ｓ２が、第１及び第２制御部２４，２６から
夫々出力される。

【００１２】図３には、第１及び第２制御部２４，２６
の構成が詳細に示されている。図３において、４０は奇
数フィールド部Ａのシャッタ開時間ＴＡを設定するため
の第１設定回路、４２はトリガ信号として与えられてい
る垂直同期信号ＶＳのパルス信号の発生からシャッタ開
動作開始までの遅れ時間ＤＡを設定するための第１遅れ
設定回路である。

【００１３】第１設定回路４０において設定されたシャ
ッタ開時間ＴＡを示す第１設定信号Ｍ１、及び第１遅れ
設定回路４２において設定された遅れ時間ＤＡを示す第
１遅れ設定信号Ｎ１は、垂直同期信号ＶＳが入力されて
いる第１タイミング信号発生回路４４に入力され、ＣＣ
Ｄ固体撮像素子２０の奇数フィールド部Ａのシャッタの
開かれるべきタイミングを示す第１タイミング信号Ｔ１
が、第１タイミング信号発生回路４４から出力される。

【００１４】第１タイミング信号Ｔ１は、外部からレリ
ース信号Ｒ１を受け取っている第１制御回路４６に入力
され、各入力信号に基づいて、ＣＣＤ固体撮像素子２０
の奇数フィールド部Ａのシャッタを開くタイミングで高
レベルとなる第１シャッタ制御信号Ｓ１が、第１制御回
路４６から出力される。

【００１５】次に、第２制御部２６の構成について述べ
ると、５０は偶数フィールド部Ｂのシャッタ開時間ＴＢ
を設定するための第２設定回路、５２はトリガ信号とし
て与えられている垂直同期信号ＶＳのパルス信号の発生
からシャッタ開動作開始までの遅れ時間ＤＢを設定する
ための第２遅れ設定回路である。

【００１６】第２設定回路５０において設定されたシャ
ッタ開時間ＴＢを示す第２設定信号Ｍ２、及び第２遅れ
設定回路５２において設定された遅れ時間ＤＢを示す第
２遅れ設定信号Ｎ２は、垂直同期信号ＶＳが入力されて
いる第２タイミング信号発生回路５４に入力され、ＣＣ
Ｄ固体撮像素子２０の偶数フィールド部Ｂのシャッタの
開かれるべきタイミングを示す第２タイミング信号Ｔ２
が、第２タイミング信号発生回路５４から出力される。

【００１７】第２タイミング信号Ｔ２は、外部からレリ
ース信号Ｒ２を受け取っている第２制御回路５６に入力
され、各入力信号に基づいて、ＣＣＤ固体撮像素子２０
の偶数フィールド部Ｂのシャッタを開くタイミングで高
レベルとなる第２シャッタ制御信号Ｓ２が、第１制御回
路５６から出力される。

【００１８】図４には第１及び第２タイミング信号Ｔ１
，Ｔ２の波形が垂直同期信号ＶＳの波形と共に示されて
いる。本実施例では、ＤＡとＤＢとは等しく設定されて
おり、ＴＡはＴＢよりも短く設定されている。したがっ
て、第１及び第２タイミング信号Ｔ１，Ｔ２の各立上り
タイミングは同時であるが、第１タイミング信号Ｔ１の
レベルが立下った後に第２タイミング信号Ｔ２のレベル
が立下ることになる。

【００１９】既に説明したように、第１及び第２タイミ
ング信号Ｔ１，Ｔ２にあっては、いずれも高レベル状態
の場合にシャッタを開くように制御するので、結局、第
１タイミング信号Ｔ１による奇数フィールド部Ａのシャ
ッタ開タイミングと第２タイミング信号Ｔ２による偶数
フィールド部Ｂのシャッタ開タイミングとは異なってお
り、且つ両者間には重複タイミング部分（図４において
時間ＴがＴＸからＴＹまでの間）が存在している。

【００２０】なお、第１及び第２制御回路４６がレリー
ス信号を受け取っていない通常の作動時には、第１タイ
ミング信号Ｔ１はそのまま第１制御信号Ｓ１として出力
され、一方、第２タイミング信号Ｔ２はそのまま第２制
御信号Ｓ２として出力される。

【００２１】図２に戻ると、奇数フィールド部Ａは、第
１シャッタ制御信号Ｓ１と垂直同期信号ＶＳとに応答し
、図４に基づいて説明したタイミングでシャッタを開き
、その間に生じた流れ場の様子を示す画像データが奇数
フィールド部Ａに蓄積され、垂直同期信号ＶＳの所定の
タイミングでこの蓄積された画像データが奇数フィール
ド画像データＶＡとして出力され、第１蓄積転送部３０
に送られる。

【００２２】同様にして、第２シャッタ制御信号Ｓ２に
従うタイミングで偶数フィールド部Ｂのシャッタが開か
れ、その間に生じた流れ場の様子を示す画像データが、
偶数フィールド部Ｂから偶数フィールド画像データＶＢ
として出力され、第２蓄積転送部３２に送られる。

【００２３】第１及び第２蓄積転送部３０，３２からの
各出力は、信号合成部３４に入力され、ここで、ＮＴＳ
Ｃ方式に従うテレビジョン映像信号に合成され、この合
成された信号がビデオ出力信号ＶＯとして出力される。

【００２４】図１に戻ると、ＣＣＤビデオ撮像装置１２
の出力として取り出されるビデオ出力信号ＶＯは、アナ
ログ−ディジタル変換部（Ａ／Ｄ）２０においてディジ
タル化され、ディジタル化されたビデオ出力信号ＤＶＯ
は、公知のマイクロコンピュータにより構成されるデー
タ処理ユニット１６に入力され、ここで、メモリ１６Ａ
に予めストアされている所定の処理プログラムに従って
、流速計測のための画像データ処理が行われる。

【００２５】図５には、データ処理ユニット１６におい
て実行される画像データ処理の内容を示す機能図が示さ
れている。この機能図に基づいてデータ処理ユニット１
６において実行される画像データ処理について説明する
。

【００２６】画像データ処理について説明する前に、図
７を参照して奇数フィールド画像データＶＡによる流跡
画像と偶数フィールド画像データＶＢによる流跡画像と
の関係について説明する。

【００２７】図７の（ａ）には、奇数フィールド画像デ
ータＶＡに従う流跡画像ｘが模式的に示され、一方、図
７の（ｂ）には、偶数フィールド画像データＶＢに従う
流跡画像ｙが模式的に示されている。

【００２８】図７の（ａ）と図７の（ｂ）とを重ね合わ
せた図が図７の（ｃ）に示されている。図７の（ｃ）か
ら判るように、奇数フィールド画像データＶＡに従う流
跡画像ｘと偶数フィールド画像データＶＢに従う流跡画
像データｙとは、流体２の流れ方向に沿ってずれること
となり、時間ＴＸからＴＹの間に得られた部分が重複し
ている。

【００２９】図５に戻ると、奇数フィールド画像データ
ＶＡに従う第１データＤ１と，偶数フィールド画像デー
タＶＢに従う第２データＤ２とは、論理積演算手段１６
Ｂに与えられ、ここで、第１データＤ１に従う各流跡像
と、第２データＤ２に従う各流跡像との間で論理積演算
が実行される。そして、論理積演算結果に従う論理積像
が存在する流跡像の組合わせを示すデータが流速ベクト
ル計算手段１６Ｃに与えられる。

【００３０】流速ベクトル計算手段１６Ｃにも、第１及
び第２データＤ１，Ｄ２が与えられており、これらの入
力に基づき各流跡像の重心位置が計算される。さらに、
流跡像の組合わせを示す組合わせデータに基づいて一対
の流跡像の各重心位置の移動ベクトルが求められる。各
移動ベクトルから、その点における流速ベクトルが計算
される。計算された流速ベクトルを示す流速ベクトルデ
ータにより、ＣＣＤビデオ撮像装置１２により捉えた視
野における流体２の２次元の流速分布の計測が行われる
。

【００３１】次に、図６に示される、データ処理ユニッ
ト１６内のメモリ１６Ａにストアされている画像処理プ
ログラムのフローチャートに基づき、その画像処理操作
をより詳細に説明する。

【００３２】画像処理プログラム６０の実行が開始され
ると、先ず、ステップ６２において、ディジタル化され
たビデオ出力信号ＤＶＯが入力され、第１及び第２デー
タＤ１，Ｄ２が、図５の（ａ）に示す第１流跡画像及び
図５の（ｂ）に示す第２流跡画像をそれぞれ示すデータ
として、メモリ内にストアされる。

【００３３】次にステップ６４に進み、ここで、第１及
び第２データＤ１，Ｄ２により示される各画像の２値化
のためのデータ処理が行われる。この２値化のためのデ
ータ処理は、適宜に設定されたしきい値を用いることに
より各データＤ１，Ｄ２を２値画像に変換することによ
り行われ、この結果、２値化流跡画像を示す２値化デー
タＤａ，Ｄｂが得られる。

【００３４】次のステップ６６では、これらの２値化デ
ータＤａ，Ｄｂに基づいて、不要な情報の除去、すなわ
ちノイズ除去処理か実行される。この処理は、（ａ）各
流跡のうち、画像の枠に連接する流跡画像のデータを全
く除去する処理。 （ｂ）膨張、収縮による流跡像外周のノイズ除去処理。 （ｃ）予め設定された画素数以下の流跡像を雑音とみな
して除去する処理。を含むものである。しかし、これら
に加えて、又はこれらのいくつかに代えて、適宜の他の
ノイズ除去処理を行ってもよいことは勿論である。

【００３５】次に、ステップ６８において、ステップ６
６のノイズ除去処理の結果残された、２つの流跡画像中
の流跡像の各々にラベリング１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・
、２ａ，２ｂ，２ｃ，・・・を行い（図７の（ｄ），（
ｅ）参照）、ラベリングされた全ての流器像について重
心の計算及び面積の計算を行う。

【００３６】しかるのち、ステップ７０に進み、ここで
、奇数フィールド信号により得られた流跡画像における
各流跡像と偶数フィールド信号により得られた流跡画像
における各流跡像との間で論理積が計算される。

【００３７】次いで、ステップ７２では、論理積演算の
結果値をもった、一方の流跡画像中の流跡像のラベルと
他方の流跡画像中の流跡像のラベルとの組合わせを示す
組合せデータを得る。例えば、ラベル１ａの流跡像とラ
ベル２ａの流跡像とが対応関係にあり、図８に示す位置
関係にあると、これらの流跡像の論理積の結果は、図８
中ハッチングを施した重畳部分の面積を表し、この面積
が零より大きい場合、両流跡像が同一のトレーサ粒子に
よって形成された流跡像であるとされる。

【００３８】したがって、この場合には、ラベル１ａと
２ａとで示される１組の流跡像を示す組合せデータが得
られることになる。この演算が全ての組合せについて行
われ、流跡像の組合せが決定される。

【００３９】ステップ７４では、上述の如くして得られ
た流跡像の各組合せが正当か否かを判別するため、以下
の条件を満足しているかのチェックが行われる。 （１）流跡像の夫々は、他方の時刻の流跡像のうちの唯
１つとだけ組合わされていること。 （２）１組の流跡像の各重心を結ぶ直線がこれらにより
得られる論理積像を通過していること。これら（１），
（２）の各条件を満足する組合せデータのみが正しい組
合せデータとして取り込まれ、条件（１），（２）のい
ずれか１つでも満足していない組合データは除去される
。

【００４０】ステップ７６では、正当性の認められた組
合せデータにより示される１組の流跡像のうち、例えば
図８に示されるように、奇数フィールド画像データＶＡ
により得られた流跡像１ａの重心位置Ｗ１から偶数フィ
ールド画像データＶＢにより得られた流跡像２ａの重心
位置Ｗ２に向かうベクトルＶＣが計算され、このベクト
ルＶＣを、流跡像１ａと流跡像２ａとの間の平均時間差
（ＤＢ＋ＴＢ／２）−（ＤＡ＋ＴＡ／２）で割ったもの
が、流体２のこの点における流速ベクトルとされる。こ
のようにして全ての組合せデータにより示される流跡像
に対して上述の如くして流速ベクトルが計算される。

【００４１】この結果、画像内における各位置の流速ベ
クトルが明らかとなり、ステップ７８で、各流速ベクト
ルに基づき、流速分布の計測が行われ、流速及びその分
布結果を示すデータが適宜の形態で出力される。このデ
ータは、例えば表示管上に映像としてもよいし、そのデ
ータをプリントアウトしてもよい。

【００４２】このように、図１に示す装置では、単一の
ＣＣＤ撮像装置において、所要の流れ場を奇数フィール
ド画像と偶数フィールド画像として得るようにし、且つ
各フィールド画像を得るためのシャッタタイミングを、
図２に示される一実施例のように、シャッタを開くタイ
ミングが異なるが、必ず重複する部分を有するように各
シャッタ制御を行ない、これにより、各フィールドに応
じた流跡像に関する複数の画像データを得るようにした
ので、１つの画像データにより示される各流跡像と他の
画像データにより示される各流跡像とは、シャッタが同
時に開いている重複期間に相応する分だけ重複する２つ
の画像として得られる。

【００４３】したがって、各シャッタ開タイミングを適
宜に設定することにより、トレーサ粒子の移動方向及び
移動速度に拘わらず、２つの流跡画像間における流跡像
の対応関係を、これらの間の論理積を計算することによ
り極めて容易に知ることができる。

【００４４】このため、計測時間がＮＴＳＣ方式のＴＶ
画像サンプリング周期に制約されないので、簡単な処理
により極めて精度よく速い流れ場の流速及び流速分布の
計測を行なうことができるものである。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、上述の如く、被計測対
象の流れ場のテレビジョン画像信号を得るためのＣＣＤ
ビデオ撮像装置において、複数のフィールド画像信号を
、異なるシャッタタイミングであるが重複する部分を有
するようにして取り出すようにしたので、取り出された
複数のフィールド画像信号に従う複数の流跡画像間にお
いて、対応する一組の流跡像間に重複部分を生ぜしめる
ことができ、各流跡像間の対応関係を各流跡画像を示す
データの論理積演算によって簡単に決定するのに極めて
便利である上、各流跡画像における流跡像を、ＴＶ画像
のサンプリング周期、トレーサの移動速度及び方向によ
り影響を受けることなしに、流速等の計測に必要な流れ
場の様子を正確に画像化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＣＣＤビデオ撮像装置を用いた流
速計測装置の一実施例を示す概略構成図。

【図２】図１のＣＣＤビデオ撮像装置の詳細ブロック図
。

【図３】図２の第１及び第２制御部の詳細ブロック図。

【図４】図３に示す第１及び第２制御部の作動を説明す
るための波形図。

【図５】図１のデータ処理ユニットの構成を示す機能図
。

【図６】図１のデータ処理ユニットにおいて実行される
画像処理プログラムを示すフローチャート。

【図７】図１の装置における画像処理の説明のための流
跡画像を示す図。

【図８】図１の装置において実行される流跡像の論理積
演算及び速度ベクトル算出のための説明図。

【符号の説明】

２　　流体 １２　　ＣＣＤビデオ撮像装置 ２０　　ＣＣＤ固体撮像素子 ２４　　第１制御部 ２６　　第２制御部 Ｓ１　　第１シャッタ制御信号 Ｓ２　　第２シャッタ制御信号 Ａ　　奇数フィールド部 Ｂ　　偶数フィールド部 ＶＡ　　奇数フィールド画像データ ＶＢ　　偶数フィールド画像データ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　トレーサを注入することによって可視
   化された流れ場の２次元の流速情報を得るため、前記流
   れ場のテレビジョン画像信号を得るためのＣＣＤビデオ
   撮像装置において、整列配置された多数の光−電気変換
   素子を含んで成り複数のフィールド画像信号を取り出す
   ことができるＣＣＤ固体撮像素子と、該ＣＣＤ固体撮像
   素子から第１のタイミングで第１のフィールド画像信号
   を取り出すための第１シャッタ制御手段と、該ＣＣＤ固
   体撮像素子から上記第１のタイミングとは異なるが重複
   タイミング部分を有する第２のタイミングで第２のフィ
   ールド画像信号を取り出すための第２シャッタ制御手段
   とを備えたことを特徴とするＣＣＤビデオ撮像装置。