3DPTVソフト Flow Expert 3DPTV

Flow_Expert3DPTV製品写真

”全方位の流体計測 3DPTV(Particle Tracking Velocimetry)ソフトウェア”
3DPTVソフト 「Flow Expert3DPTV」は、流れの複雑な動きを全方位で捉え、流体を3次元で計測できます。壁面近傍やせん断の大きい複雑な流れも、細部まで計測し速度の3成分を算出します。自動粒子抽出機能と「ボリュームセルフキャリブレーション」による計測誤差の最小化により、高精度な3次元計測が可能となります。従来は困難であった3DPTVの技術を、より効率的にするソフトウェアです。

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流体を3次元で計測 3次元PTV(Particle Tracking Velocimetry,粒子追跡法)

3DPTVのベクトルを表示
3DPTVのベクトルと軌跡を表示
ベクトルとボックスを表示

3DPTVは、レーザーシート面上の測定とは違い、測定領域にボリュームがあります。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

使用機材

”飛沫を定量化”
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。

PTVの原理 計測の概要

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。速度勾配の大きい、壁面近傍に対しても精密に計測ができます。
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。

PTVの概要説明の粒子画像

粒子画像

PTVの概要説明_探査範囲

探査範囲(推定移動範囲)
※点線丸枠

粒子マスク法

PTVの概要説明_理想的な粒子像

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 計測の流れ

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

粒子を可視化

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

3台のカメラを配置

3台のカメラの上からの視線

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の様子

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台の撮影画像

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. 3DPTVソフト「Flow Expert3DPTV」で計測(速度ベクトルを算出)

3DPTVの速度ベクトル横から

速度ベクトル+軌跡を表示

3DPTVの速度ベクトル上から

上からの視点

3DPTVのキャリブレーション(校正) キャリブレーションに必要なツール

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、空間と画像を関連付け行います。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、正確な粒子移動量を算出することができます。

キャリブレーションプレート

キャリブレーション用治具(トラバーサー)

キャリブレーション用治具
キャリブレーション用治具に校正板を取り付けた状態
キャリブレーションプレートのトラバースイメージ

3DPTVでは、手前と奥の2断面でキャリブレーションが必要です。キャリブレーションプレート用治具は、プレートを固定して奥行方向へトラバースできます。奥行方向Z成分を管理して、キャリブレーションプレート2断面の撮影がズレ無く行えます。

3DPTVベクトル算出まで ソフトウェアの計測手順

1

画像選択

画像選択の画面

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。

2

キャリブレーション

カメラキャリブレーションの画面

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。

3

粒子検出(Find Particle)

粒子検出画面

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。

4

空間マッチング(Space Match)

空間マッチングの画面

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。

5

ベクトル算出(Time Match)

ベクトルを算出する画面

数値化された粒子の3次元座標群を時間軸方向に接続。時刻間の移動量を求めます。
※粒子の移動量と時間軸から速度ベクトルを算出します。

6

計測結果の表示

ベクトルとグラフを算出

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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