PIVによる流体可視化

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この章を学ぶ前に必要な知識
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要約

概要

PIV(粒子画像流速測定法, particle image velocimetry)は、気体や液体などの流体の流れによく追従するトレーサー粒子(マーカーのようなもの)を流してそれを高速なカメラで撮像し微小単位時間の移動量から速度を求め可視化する手法.2枚の画像を用いて相互相関法によって求める方法と1枚の画像に2回重ねて撮像して自己相関法によって求める方法があります.
ー 条件 ー
  • トレーサー粒子を流せること
  • 粒子直径が1画素以上であればサブピクセル補完可能
ー 効果 ー
  • 目立つ粒子を流体に流して流体の速度や流れ方を可視化
ーポイントー
  • 精度を高めるには移動量を少なくした方がよい
  • 粒子の密度が薄かったり粒子の消失などで精度が出ないこともありうる
  • 個々の粒子を追跡するのではなく、粒子の集合がどの方向に平均的に動いたかで速度計算
  • 相互相関法による移動量の算出は計算コストが高いためFFTによって求めることもあるが、速度は環境による
  • 1枚の画像に2回撮像して自己相関は移動量が算出可能だが方向は不明瞭
  • 相互相関法は2枚の画像を撮像して速度も方向も求まる
  • 3次元の測定を行う場合は2台のカメラを使用してステレオPIVなどが行われる

解  説

PIV(粒子画像流速測定法, particle image velocimetry)は、気体や液体などの流体の流れによく追従するトレーサー粒子(マーカーのようなもの)を流してそれを高速なカメラで撮像し微小単位時間の移動量から速度を求め可視化する手法. 2枚の画像を用いて相互相関法によって求める方法と 1枚の画像に2回重ねて撮像して自己相関法によって求める方法があります. 精度を高くするには、 ・粒子直径が1画素以上で写ること(サブピクセル補間が可能になる) ・撮像ごとの粒子の移動量が小さくなるようにすること ・粒子を十分な量流すこと などが挙げられます. 3次元の動きを知りたい場合は、ステレオの構成にして3次元PIVなどで行われます.
PIV(粒子画像流速測定法, particle image velocimetry)とは
PIVによる可視化の概要図
PIV全体の処理について. PIVは粒子を流してしまえばあとは撮像して速度を求めるだけとなる. PIVの処理のながれ 1. 粒子が写るようにセットして、撮像. 相互相関法を用いる : 短い周期に2枚の画像を撮像する. (要高速なカメラ) 自己相関法を用いる : 短い周期に1枚の画像に2回露光する. 2. 速度を算出する.画像内を複数の小さな領域に分割してそれぞれで速度を求める. 画像の中の小さな32x32などの領域に注目して、    相互相関法: 2枚目の画像と同様の領域または少しずらした領域を比較して最もスコア高くなるずれ量(移動量)を求める.(方向も求まる) 自己相関法: 自身の同画像と同様の領域または少しずらした領域を比較して最もスコアが高くなるずれ量(移動量)を求める.(方向は不明)
PIVの処理について
相互相関法の概要図. 矩形領域に注目して その対応するずれ量を相互相関係数を計算することで求める. 1pxずつずらしながら行うことが多く計算コストがかかる.
自己相関法は同じ画像に二回露光して粒子を映し出します. そのため相互相関法と同様に移動量は自己相関係数を求めることでわかりますが、 移動の方向は時間方向の情報がないためわかりません.また粒子が重なった場合にも情報がなくなってしまいます. この手法は、カメラが低解像度低速時代によく使われていた手法です.現在では相互相関法が使用されることが多くなっています.
自己相関法に関して
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