パソコ ンを使用した流れ場の 画像処理システムの開発

長野工業高等専門学校紀要 ･第

号

パ ソ コ ン を 使 用 し た 流 れ 場 の 画 像 処 理 シ ス テ ム の 開 発

戸谷順信 八田陽平

Deyelopment of Digital Image Processing System for  Flow Field by Personal Computer

Yorinobu TOYA Youhei HATTA

A digitalimage processing system for the Row 丘eld isdeveloped using a personalcomputer,notgeneralpurposecomplュter.Specially thepurposeofthis work istheanalysisforthetwodimensional瓜ow fieldin therotating cylinders (Taylorvortexflow).Workingfhidisvisualizedwithsmallparticles.The瓜ow 丘eld lightedwith slitted lightperpendiculartotherotatingaxisoftheinnercylinder istakenphotographedpictureforimagedata.

Thisimageprocessingsystem consistsofanimagescaner(NECPC‑in503)asthe inputdevi

c

cessingdevice,aT･V monitor,aplotterandaprinterasoutputtingdevices.This system presentsthevelocityvectordiagram fortheTaylorvortexflow.

1. 緒 言

大型計算機を使ったデジタル画像処理の研究は医学,理学,工学等あ らゆる分野に応用 さ れてお り,その重要性は益々増加 している

流体工学の分野において流れの可視化技術に より流れの定性的特徴を明 らかに しようとする研究が以前 より行われてお り,その後, ‑更に この流れ場を一つの画像データとして とらえ

カメラ等に より得 られた 画像データか ら画像処理に より数値データの形に変換 し定量的特徴を得 ようとす る研究が盛 んに行われている

又,従来,画像処理 とい うと高価な画像入出力装置 ( 例えば, TV カ メラ, ドラムスキャナ,インクジェッ トプ リンタ等) ,又大型計算機を使用 されて きたが( 3 ) , 最近,パーソナル コンピュータと

カメラ,等 の簡単なシステムを構成す ることに より 画像処理及び解析を行 う研究が行われている

本研究が対象 とす る流れ場は回転二重円筒管内の流れ (テイラー渦流れ)である. この流 れはスパイラル状の流れが積み重なった定常安定な構造を持ち,回転円筒軸上断面における 流れは互いに反対方向に流れる渦対がみ られる

この流れ場 の速度等の物理量は流れ場 の

* 横枕工学科 講師

料

日本電信電話 ( 秩)

原稿受付 平成元年

月

日

56

戸谷順信 ･八田陽平

敏感性から非接触で測定す ることが必要であ り, I /‑ザー ドップラ‑流速計等で測定されて いるが,これ らの測定機 のシステムは操作方法,価格等, ･ 問題を多 く含んでお り, もっと簡 便に測定できるシステムが望 まれている･鍔串,画像処理を対象 とす る流れ場は

次元であ ったが,本研究の流れ場は実際には

次元であ り, この3 次元流れ場を可視化により

次元 流れ場に置 き換えて解析が行われる.

本報は

カメラで写真撮影 した ものを画像データとし, イメージスキャナで画像をパ ー ソナルコンピュータに取 り込んだ後,デジタル画像処琴す ることに より流れの定量的解析 を行 うことを主眼 としてお り,比較的手軽に入手できる処理機器を使 って構成できる画像処 理 システムを構築 し,画像処理における一連の ソフ トウェアーの開発を行 った結果, さらに 本研究の対象 とす る流れ場に このシステムを応用 した結果を報告するものである.

2.

実験方法 と入力画像

潤 . 象 となる流れ場 とその実験装置を図

に示す･ この流叫 ま回転二重円筒管内におけるス パイラル状 の流れの積み重なった構造を持つ･実験において作動流体は水 車グ リセ リンの混 倉液で,流れの可視化のために トレーサ として直径が約

のポ わ l スチ レンビーズをい れ る. 円筒の外側か ら約

の幅のス リッ ト光を照射す ることによ り回転軸を含む平面方 向の流れの状鼠 即 ち各々反対 の流れ方向を持つ渦が積み重なった状態が可視化さ. れ卑･ こ のように

次元流れ場を

次元化す ることで半径方向,軸方向の流れの解析が可能になる.

しか しこの

次元化 された画像データでは方位角方向の流れは解析が不可能である. 1この流 れ方向はス リッ ト光の面を光軸を中心 として

回転 させることによ り確認できる.. さらに 求めも半径方向 と軸方向の流れに関 して も方位角方向の移動にようで写真撮影の結果,画像 が鮮明でな くなる部分が発生 し,その分正確な値が求 まらないことになる.正確な値を求め るためには方位角方向速度成分を求めることに よって値を補正 しなければな らない.本研究 においては第一段階 として

次元化 された流れ場の画像データか ら画像処理に より定量的解 析す ることを主 目的 とす る.

実際に画像処理 され る流れの渦は積み重なったい くつかの渦の うちの一つを取 り出して行 う･写真は

カメラで撮影する･ 画像処理に適 した入力画像を得る' た. めにt , iヰ リスチレ ンビーズを適量入れなければならない. こ､ のことは写真上において流れの状態を明瞭に表す

図

実 験 装 匿

パソコンを使用した流れ場の画像処理システムの開発

にはポ リスチ レンの量は多い方が適 しているが,その写真を画像データとして使用するため には トレーサによる軌跡 の線は他 のポ リスチ レソの軌跡の線 とできる限 り重な らない ように しなければな らないか らである. カメラのシャッタースピー ドは

,または

秒 で あ る. この値は何度かの試行の後に軌跡の線がデータ処理に最 も適 している長 さを選択す る.

流れの方向は画像データか ら判別できないので,データとして入力 しなければな らない.方 向を決定するために軌跡 の始点を示す画像 と終点を示す画像のデータを

枚入力す る方法等 が研究 されているが,現段階の流れの解析は流れの中の一つの渦流れに注 目しているので, 流れの方向は入力する方法で も問題はない と考える.

3.

画像処理 システムの構成

図

に画像処理 システムの‑｣ ドウェアを示す.流れの可視化によ り得 られた写真,即 ち 入力画像は画像入力装置であるイメージスキャナ

で読み取 られ,パー ソ

図

画像処理‑ードゥェ

ナルコンピュータ

,以下パ ソコンとい う) に より2 倍のデータとして取 り込 まれ る･画像データを取 り込む 条件である

倍化するしきい値, 線密度 (画像

に対す る 読み込む点 (ドッ 日 の数, 6段階に設定可能) , 濃度 (1 0 段階 に設 定可能)はイメージスキャナで設定で きる.現段階ではこれ らのパ ラメータは入力画像の状態に より. その都度設定する･取 り 込 まれた画像データ,及び画像勉琴 した結果のデータはフロッピ ーディスクに記憶 され る.パ ソコンはシステムの制御,画像処理 プログラムの実行を行 う.処理 したデータはモニター, プ リンタ ーに よっていつで も確認することができる.ベ ク トル線図はプロ

ッターに表示することができ. る.

画像処理手順の概略を図

に示す.第一段階 として流れの可視 化写真をイメージスキャナで入力す る. このデータは画像 の黒い 部分を 1,白い部分を 0とす る

倍のデータとなる. よってこの 段階で 流れの軌跡 の線は 0となるので,

と0を 反転す る必要

三 三 ≡ ≡ ‑ i

図

画像処理手

58

戸 ' mW l m ･八

似平

がある. 実際には 対負 としている

^L 城の粥微か ら 画像を入力す るときに 同時に反転処理

を行 っている. この i 7 T r l 像を

71 ‑ r 対敵 と呼ぶ. この入力 された原画像を画像処理 して行 くときパ ソコソのメモ リ容Lと か らその勉理l r lが限 られ るため全データが一度に処理で きない. よって原r q像 の中で処理す る伽域を折' 起す る.以後, この指定 した領域 のみを画像 処理す ることになる.

段階 として細線化

を行 う･画像の軌跡 の線はあ る太

さを持 っているが, これは泡常定皿解析には必典としない. よってこれを太 さ 1 の緑にす る.

細線化は処理J J 一 法 として逐次処理 に よるjT 法 と竣列如拙に よるノ) 一法があ り,処理結果 として 8近傍 と4近傍を行 う^法があ るが,今阿は 8近似 こよる ヒルデ ィッチの方法

1

を使用す る.

細線化処理において,軌跡 の線が亜なっている切合, また軌跡 の線が韮 なっていな くて も一 本の線が伎別れす る) 3 1 ･ 合がある. この枝を一本の 紘 ^{ドす る処刑i J J l} 法が研究 されているが,そ の効果は十分 とは i l Tえず, この段階では段別I tす るj i l 合が少ない ことか ら枝別れ したデーメ は削除す ることに した. この処理 も細線化 の小でr n J L 呼に/ r J) DjLる. 折3 段階 として軌跡 の線 を各･ 4区別す るために ラベ リングを行 う

ラベ リングも

連結成分で行われ る･

この段階で画像処理はほぼ終了す る.

段階 としてベ ク トル線図を作成す る. まず各々の 軌跡 の線 の良さを測定す る. これは細線化 された線 の! . i . ( の故の和 になる.次に軌跡の始点 と 終点を結ぶ線分の中間点を始点 とし,その線分 の傾 きで肋跡 の線 の戊さ分 の線を引 く. この

段階の初めにベ ク トルの方 向を決め るために流れの

L

を抑kfしてお く.

4.

回転 二 重 管 内 の 流 れ 場 へ の 応 用

作成 した画像処理 システムを回転二重 円筒内の流れ切に応用す る

に入力す る可視化

図4

入力画像 ( テイラー渦の断面)

(

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図5 原 画 像

バソ

ソを使用した流れ場の画像処理システムの開発

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図

原画像処理範囲

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59

図

細

写真を示す.写真の左側が外側円筒, 右側が内側円筒である.実際に入力す る画像の大 きさはモニターの表示範囲 を越 えないよ うにす るため入力画像の 一部分を入力す る.図

に原画像を示 す.国中における四角に囲んだ領域は 画像処理を行 う範囲である.現段階に おいては この範囲が最大処理量である.

図

に原画像の処理を行 う範囲の図を 示す.図

に細線化図を示す.図

に

一

速度ベ ク トル線図を示す.

▲.

図

ベクトル線図

5..結 論

3 次元流れ場を可視化法に よって 2 次元化することに より流れ場 の画像処理を行 うことを 試みた.特に比較的手軽に入手できる機器を使 って画像処理 システムを構築 し,更に流れ場 の定量的解析を行 うことができるデータを得 ることができるよ うな画像処理の ソフ トウェア を開発 した. これによ り2 次元化 した流れ場 の速度ベ ク トル線図化を行 うことがで きた. し か し入力できる画像はかな り質的に高いものでな くてはな らず,実際の流れの可視化写真は 様 々な画像データが含 まれてお り,その中か ら必要なデータを抽出す るには更に高度な処理 技術が必要 とされ ると思われ る.又得 られたデータの信頼性を確認す る必要がある.今後は それ らを検討 し,処理を加えなが ら流れ場の定量的解析を進めて行 く.

6.謝 辞

本研究にあた りご指導をいただ きました名古屋大学工学部中村育雄教授に感謝の意を表 し

60

_{戸谷頒信 ･八田陽平}

ます.又,画像入力装置に関 して長野工業高等専門学校坂 口正雄教授 よりイメージスキャナ を使用 させていただきました･.ここl 羊感謝 の意を表 します･

参 . 考 文 献

(1)

長谷川純一,輿水大礼 中山 晶,横井茂&,画像処理の基本技監 技術評論社

(2)

小林敏雄,佐賀徹雄,瀬川茂樹,神田 宏, 日本機械学会論文集

( 3 ) 辰 巳 邦,流れの可視化

.

,

(4)

西野耕一,笠木伸英,平田 賢,佐田 豊, 日本機挟学会論文集

o

(5)

中村育雄,戸谷順信,山下新大肌 植木艮昇, 日本撰械学会論文集

o

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