3DPTVソフト Flow Expert 3DPTV

3DPTVソフト Flow Expert3DPTV

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3次元PTV（Particle Tracking Velocimetry：粒子追跡法）ソフトウェア
3DPTVソフトウェア「Flow Expert 3DPTV」は、複数台のカメラで撮影した粒子画像をもとに、ボリューム内の粒子挙動を解析するソフトウェアです。
粒子の3次元位置を追跡し、速度の3成分を算出することで、レーザーシート面内の計測では捉えられない立体的な流れ場の評価に活用できます。壁面近傍やせん断の大きい領域など、複雑な流れの解析にも対応します。

自動粒子抽出機能やボリュームセルフキャリブレーションにより、3DPTV解析に必要な粒子検出、空間対応付け、速度ベクトル算出を支援します。

流体を3次元で計測

3DPTVは、レーザーシート面上の測定とは違い、測定対象をボリュームとして扱います。流れ場にシーディングしたトレーサー粒子を追跡して、複雑な流体構造を3次元で計測することができます。流体の速度ベクトルを算出して、3D表示で視点を変更しながら確認することができ、計測データはCSVで出力可能です。

くしゃみ（飛沫）の3次元PTV計測

使用した主な構成

3DPTVソフトFlow Expert3DPTV
ハイスピードカメラk5（3台）

飛沫の3次元的な挙動を評価
くしゃみの際に飛散する飛沫を3次元PTVで計測した事例です。ハイスピードカメラ3台と高輝度LED光源を使用して計測しています。

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PTVの原理

粒子画像

探査範囲（推定移動範囲）
※点線丸枠

PTV（粒子追跡法）では個々の粒子を追跡して速度ベクトルを算出します。壁面近傍など速度勾配の大きい領域の評価にも活用できます。
粒子移動先の判定に探査範囲（推定移動範囲）を設定し、粒子移動量を求めます。探査範囲内に複数の粒子が存在する場合には、ベクトルを算出しません。

粒子マスク法

Flow Expert3DPTVでは、粒子の移動先を求めるために「粒子マスク法」を使用しています。「粒子マスク法」とは、理想的な粒子像のテンプレートを用意して、濃淡画像（粒子の濃淡）における輝度値のピーク位置を探して移動先を特定します。

※左図では、理想的な粒子像の濃淡（輝度分布）から相関係数を求め、ピーク値を探していきます。

3DPTVの計測手順

3DPTVの計測手順をCG映像で紹介します。ノズルからの噴流を計測対象と仮定して、ハイスピードカメラ3台とLED光源を使用した事例としています。計測対象となる画像を撮影して、速度ベクトル算出までの手順を紹介いたします。

1. 噴流の粒子を可視化する

ノズルから吐出される粒子の噴流を、高輝度LED光源を照射して可視化します。

2. カメラを配置する（例：カメラ3台使用）

3台のカメラを配置

カメラの視線

測定対象を囲むようにカメラを配置して、同エリアを撮影します。カメラは同期させて、同じ時間軸で撮影をしていきます。

3. キャリブレーションを行う

キャリブレーションプレート（校正板）を使用して、カメラ3台の校正を行います。プレートを測りたい場所に配置して、カメラ3台でそれぞれ撮影します。

Z軸方向へトラバースさせ、手前と奥の2面でプレートを撮影することで、画像座標と空間座標の関連付けができます。

4. 撮影（3台のカメラ：各視点で撮影）

カメラ3台それぞれの視点から粒子を撮影。
撮影した画像をソフトウェアにインポートして計測を行います。

5. 「Flow Expert3DPTV」で計測（速度ベクトルを算出）

速度ベクトルと軌跡を表示

上からの視点

お役立ち資料【プレゼンにも使える】
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3DPTVのキャリブレーション（校正）

キャリブレーションプレート（校正板）

3DPTVを行うために等間隔にドットを刻印した専用のキャリブレーションプレート（校正板）を使用します。

複数のカメラでキャリブレーションプレートを撮影して、空間座標と画像座標の関連付けを行います。流れ場の3次元空間の位置情報をカメラに投影することで、粒子移動量の算出に必要な校正を行います。

キャリブレーション用治具（トラバーサー）

3DPTVでは、手前側と奥側の2断面でキャリブレーションを行います。
キャリブレーションプレート用治具は、プレートを固定し、奥行方向へ移動させるための治具です。Z方向の移動量を管理しながら2断面を撮影することで、奥行方向を含むキャリブレーションを行いやすくなります。

ベクトル算出までの手順

画像選択

計測する画像とキャリブレーション用の画像を読み込み、カメラごとに整理して確認します。※計測対象の画像、キャリブレーション画像、カメラをソフトウェア上で関連付けます。

キャリブレーション

キャリブレーションプレートの原点とX,Y方向のマーカーをクリックすることで、ドット配置のすべてのマーカーを自動検出します。完了するとソフトウェア上で、カメラ配置を確認することができます。

粒子検出（Find Particle）

キャリブレーションが完了すると、粒子検出（Find Particle）が有効になり、粒子の検出を行います。

空間マッチング（Space Match）

複数のカメラで捉えた粒子を、各カメラ映像をもとに対応付けます。これにより、粒子の各時刻での3次元位置を算出します。

ベクトル算出（Time Match）

数値化された粒子の3次元座標を時間方向に対応付け、各時刻間の移動量を算出します。
※粒子の移動量と時間間隔から、速度ベクトルを算出します。

計測結果の表示

ベクトルの3Dアニメーション表示、グラフ作成、CSV出力が行えます。

Flow Expert3DPTV製品概要

計測対象空間	立体（3次元）
検出ベクトル成分	3成分（X, Y, Z）
計測手法	PTV（Particle Tracking Velocimetry, 粒子追跡法）
カメラ台数	2台以上（3台以上推奨）
キャリブレーション	キャリブレーションプレートを指定量移動
対応画像フォーマット	動画：AVI, WMV 静止画：JPEG, BMP, TIFF, PNG
出力形式	動画：AVI, WMV（ベクトルアニメーション）静止画：JPEG, BMP, TIFF, PNG CSV形式（数値データ）
出力数値	平均流速
対応OS	Windows10（64bit）
メモリ	4GB以上推奨
ストレージ	空き容量10GB以上
ディスプレイ	SXGA以上の解像度

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