特開2022-184123流体の密度勾配検知方法および流体の密度勾配検知方法システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022184123
(43)【公開日】2022-12-13
(54)【発明の名称】流体の密度勾配検知方法および流体の密度勾配検知方法システム
(51)【国際特許分類】
G01N 21/17 20060101AFI20221206BHJP
G01N 21/45 20060101ALI20221206BHJP
G06T 7/00 20170101ALI20221206BHJP
【ＦＩ】
G01N21/17 A
G01N21/45 B
G06T7/00 300F
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021091788
(22)【出願日】2021-05-31
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所
(72)【発明者】
【氏名】渕上 郁雄
【テーマコード（参考）】
2G059
5L096
【Ｆターム（参考）】
2G059AA01
2G059BB02
2G059EE04
2G059EE09
2G059FF01
2G059FF08
2G059JJ30
2G059KK04
2G059MM01
2G059MM14
5L096DA02
5L096FA64
5L096GA19
(57)【要約】
【課題】汎用カメラまたは既設のカメラにおいて高感度に気流の密度勾配を可視化する。
【解決手段】流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、撮像装置が撮像した撮像画像を基に、被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力する。撮像条件は、撮像画像上でのパターン模様が周期的に変化する方向における撮像画像の画素の幅と、撮像画像上でのパターン模様のパターン周期幅との関係に基づいて決定される。
【選択図】図５
【解決手段】流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、撮像装置が撮像した撮像画像を基に、被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力する。撮像条件は、撮像画像上でのパターン模様が周期的に変化する方向における撮像画像の画素の幅と、撮像画像上でのパターン模様のパターン周期幅との関係に基づいて決定される。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、
前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、
前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅との関係に基づいて決定される、
流体の密度勾配検知方法。
前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、
前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅との関係に基づいて決定される、
流体の密度勾配検知方法。
【請求項2】
前記撮像条件は、
前記撮像画像上の前記パターン周期幅が前記画素の幅に対して１５０％～２５０％の範囲となる、
請求項１に記載の流体の密度勾配検知方法。
前記撮像画像上の前記パターン周期幅が前記画素の幅に対して１５０％～２５０％の範囲となる、
請求項１に記載の流体の密度勾配検知方法。
【請求項3】
前記撮像条件は、更に、前記撮像画像上に発生するモアレの周期に基づいて決定される、
請求項１または２に記載の流体の密度勾配検知方法。
請求項１または２に記載の流体の密度勾配検知方法。
【請求項4】
前記撮像画像上の前記パターン周期幅が前記画素の幅に対して所定の範囲内となるように前記撮像条件を調整する第１の調整を行い、
前記第１の調整によって調整された前記撮像条件を、この撮像条件で撮像された撮像画像上に発生するモアレの周期に基づいて更に調整する第２の調整を行う、
請求項１～３のいずれか一項に記載の流体の密度勾配検知方法。
前記第１の調整によって調整された前記撮像条件を、この撮像条件で撮像された撮像画像上に発生するモアレの周期に基づいて更に調整する第２の調整を行う、
請求項１～３のいずれか一項に記載の流体の密度勾配検知方法。
【請求項5】
前記第２の調整において、前記モアレの周期が最長となるように前記撮像条件を調整する、
請求項４に記載の流体の密度勾配検知方法。
請求項４に記載の流体の密度勾配検知方法。
【請求項6】
画角を含む、前記撮像装置の光学条件を調整することによって前記撮像条件を変更する、
請求項１に記載の流体の密度勾配検知方法。
請求項１に記載の流体の密度勾配検知方法。
【請求項7】
前記パターン模様のパターン周期幅を調整することによって前記撮像条件を変更する、
請求項１に記載の流体の密度勾配検知方法。
請求項１に記載の流体の密度勾配検知方法。
【請求項8】
前記被観察対象エリアにおける気体密度勾配の大きさに応じて前記パターン周期幅を変更する
請求項７に記載の流体の密度勾配検知方法。
請求項７に記載の流体の密度勾配検知方法。
【請求項9】
前記被観察対象エリアにおける気体密度勾配の方向に応じて前記パターン模様が周期的に変化する方向を決定する、
請求項１に記載の流体の密度勾配検知方法。
請求項１に記載の流体の密度勾配検知方法。
【請求項10】
前記背景画像を複数の区画に分割して、
前記区画毎に、前記被観察対象エリアにおける気体密度勾配の方向に応じて前記パターン模様の方向を決定する、
請求項９に記載の流体の密度勾配検知方法。
前記区画毎に、前記被観察対象エリアにおける気体密度勾配の方向に応じて前記パターン模様の方向を決定する、
請求項９に記載の流体の密度勾配検知方法。
【請求項11】
前記撮像装置の焦点を前記背景画像に合わせた状態で前記第１の調整および前記第２の調整を行う、
請求項４または５に記載の流体の密度勾配検知方法。
請求項４または５に記載の流体の密度勾配検知方法。
【請求項12】
所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像する撮像部と、
前記撮像部が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力する画像出力部と、を備え、
前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅との関係に基づいて決定される、
流体の密度勾配検知システム。
前記撮像部が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力する画像出力部と、を備え、
前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅との関係に基づいて決定される、
流体の密度勾配検知システム。
【請求項13】
前記撮像部の光学条件を変更する制御部をさらに有し、
前記制御部は、前記撮像画像のモアレの周期が最長となるように前記光学条件を調整する、
請求項１２に記載の流体の密度勾配検知システム。
前記制御部は、前記撮像画像のモアレの周期が最長となるように前記光学条件を調整する、
請求項１２に記載の流体の密度勾配検知システム。
【請求項14】
前記背景画像を変更する背景作成部をさらに有し、
前記背景作成部は、前記撮像画像のモアレの周期が最長となるように前記背景画像を調整する、
請求項１２に記載の流体の密度勾配検知システム。
前記背景作成部は、前記撮像画像のモアレの周期が最長となるように前記背景画像を調整する、
請求項１２に記載の流体の密度勾配検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、流体の密度勾配を可視化する流体の密度勾配検知方法および流体の密度勾配検知システムに関する。
【背景技術】
【0002】
気流の密度勾配を可視化する方法として、透明な気体中の密度勾配により通過する光が屈折する現象を利用し、屈折率の変化を明暗の差として観測するシュリーレン法が知られている。
【0003】
このシュリーレン法を用いて気流の密度勾配を可視化するためには平行光を作るための光学系と主光束を遮断するためのナイフエッジとが必要であり、光学系の光軸調整に技術を要することや、設置するための場所、撮像方向に制約がある等の問題があった。
【0004】
これら平行光を作り出す光学系や光遮断部を必要としない気流の密度勾配の可視化方法として、背景指向シュリーレン法（Background Oriented Schlieren法、以下「ＢＯＳ法」と呼ぶ）が知られている（例えば非特許文献１参照）。例えば、特許文献１ではＢＯＳ法を用いて、プロジェクタが投影したパターンに応じて光遮断部が光を遮断することで、密度勾配の可視化を行う方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第６７９６３０６号公報
【特許文献2】特許第５８００１７４号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】「Background Oriented Schlieren 法に基づく密度勾配の可視化法の改良」、赤塚純一他、日本機械学会論文集（Ｂ編）７７巻７８４号、２０１１年１２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、一般的にカメラに上述のような光遮断部は設けられておらず、汎用カメラまたは既設のカメラでは、特許文献１に開示される手法で気流の密度勾配の可視化をすることは困難であった。
【0008】
本開示は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、汎用カメラまたは既設のカメラにおいて高感度に気流の密度勾配を可視化する流体の密度勾配検知方法および流体の密度勾配検知システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅との関係に基づいて決定される、流体の密度勾配検知方法を提供する。
【0010】
また、本開示は、所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像する撮像部と、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力する画像出力部と、を備え、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅との関係に基づいて決定される、流体の密度勾配検知システムを提供する。
【発明の効果】
【0011】
本開示によれば、密度勾配の検出感度を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】第１の実施形態に係る撮像システムの構成を示す図
【図2】（ａ）第１の実施形態に係るカメラの概略構成を示す図、（ｂ）第１の実施形態に係るイメージセンサの正面を示す図
【図3】背景を形成するパターン模様の一例を示す図
【図4】所定の撮像条件に設定されたカメラによって、背景のパターン模様を撮像した撮像画像の一例を示す図
【図5】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）ＩＰＨとＳＨの比率と縞模様の関係を示した図
【図6】カメラの光学ユニットの調整手順を示す図
【図7】ズーム位置の調整方法を示す図
【図8】（ａ），（ｂ），（ｃ）モアレ（干渉縞）の周期ＰＭの測定法を説明する図
【図9】ＩＰＨ＝２．０２ＳＨにした条件で、縞模様を１ＩＰＨ分の範囲で動かした場合のモアレによる変位の拡大効果を説明する図
【図10】第２の実施形態に係る撮像システムの構成を示す図
【図11】縞模様の周期ＰＨの調整手順を示す図
【図12】（ａ），（ｂ）縞模様の回転を示す図
【図13】区画ごとに向きを変更した縞模様を示した図
【図14】カメラ制御部の概略構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【0013】
（本開示に係る流体の密度勾配検知の基礎となった知見）
モアレ（干渉縞）は周期性のあるパターンを重ね合わせた時にパターン同士の光学的な干渉により発生する縞模様のことで、例えば、周期性のある画素の集合体であるデジタルカメラのイメージセンサに、周期的なパターンが投影されるとモアレが発生することがある。デジタルカメラに特有のイメージセンサに干渉して発生するモアレは、フィルムカメラとの比較で問題視されることがあり、モアレの発生を抑えるためにフォーカスをずらしたり、ローパスフィルタを取り付けたりして撮像をすることがある。
モアレ（干渉縞）は周期性のあるパターンを重ね合わせた時にパターン同士の光学的な干渉により発生する縞模様のことで、例えば、周期性のある画素の集合体であるデジタルカメラのイメージセンサに、周期的なパターンが投影されるとモアレが発生することがある。デジタルカメラに特有のイメージセンサに干渉して発生するモアレは、フィルムカメラとの比較で問題視されることがあり、モアレの発生を抑えるためにフォーカスをずらしたり、ローパスフィルタを取り付けたりして撮像をすることがある。
【0014】
しかし、本開示では積極的にイメージセンサへの干渉によるモアレを発生させることで、モアレの持つ変位の拡大効果を利用して、一般的なＢＯＳ法では困難な微小な密度変化の可視化を実現した。
【0015】
モアレには、パターン同士の微小な相対変位をモアレの移動量として大きく拡大する特性があり、たとえば、図９は、ＩＰＨ＝２．０２ＳＨにした条件で、縞模様を１ＩＰＨ分の範囲で動かした場合のモアレによる変位の拡大効果を示した図である。図９では、縞模様の位相の変位（０π・ｒａｄ～２π・ｒａｄの１１パターン）毎のモアレの画像を４００ピクセル幅で表示したものを、縦方向に並べており、縦方向の１π・ｒａｄ（＝１ピクセル相当）の変位に対して、モアレは横方向に約１００ピクセル分の変位として現れる。このようにモアレを利用することで微小な変位を拡大できる。
【0016】
以下の実施形態ではイメージセンサへの干渉によるモアレを利用することで、特殊な光学設備を使用せずに、汎用カメラによる高精度な密度勾配の可視化を実現した例を説明する。
【0017】
以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係る流体の密度勾配検知方法および流体の密度勾配検知システムを具体的に開示した実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【0018】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る撮像システム１００の構成を示す図である。撮像システム１００は、カメラ２０および背景３０を含み、ＢＯＳ法によって観測対象１０の密度勾配を観測する。カメラ２０は、距離Ｌ離れて配置された背景３０にフォーカスを合わせ、画角αで観測対象１０と背景３０の一部または全部を撮像する。そして、観測対象１０は、カメラ２０と背景３０との間の被観察対象エリアに位置し、少なくとも空気等の気体を含む領域に相当する。
図１は、第１の実施形態に係る撮像システム１００の構成を示す図である。撮像システム１００は、カメラ２０および背景３０を含み、ＢＯＳ法によって観測対象１０の密度勾配を観測する。カメラ２０は、距離Ｌ離れて配置された背景３０にフォーカスを合わせ、画角αで観測対象１０と背景３０の一部または全部を撮像する。そして、観測対象１０は、カメラ２０と背景３０との間の被観察対象エリアに位置し、少なくとも空気等の気体を含む領域に相当する。
【0019】
本実施形態では、観測対象１０は、気流が発生し密度勾配がある空気等の気体を想定しているが、カメラ２０で撮像可能な波長の光が透過可能な液体や固体等でもよい。
【0020】
撮像システム１００は、更に背景３０を設置または表示するための表示媒体３５を有してもよい。つまり、表示媒体３５は、カメラ２０から見て背景３０の背面側に設けられてもよい。表示媒体３５は、例えば壁等の施設の一部で構成されてもよい。この場合、背景３０は壁等の模様として形成されてもよいし、プロジェクタによって壁等に投射されてもよい。または、表示媒体３５は、例えば紙、プラスチック等の持ち運び可能な媒体で構成されてもよい。この場合、背景３０は、持ち運び可能な媒体に印刷され、施設内の壁やスクリーン等に張り付けられる。または、表示媒体３５は、例えばディスプレイ等で構成されてもよい。この場合、背景３０は、ディスプレイに表示される。
【0021】
撮像システム１００は、更にカメラ２０の動作を制御するための制御信号を送信するコンピュータ（以下「カメラ制御部２６」と言う）を有してもよい。制御信号は、例えば、カメラ２０のフォーカス、ズーム等の光学条件を変更する信号、撮像開始または撮像停止を制御する信号等を含む。なお、カメラ２０がパンまたはチルトが可能であれば、カメラ制御部２６はパンまたはチルトを制御するための制御信号をカメラ２０に送信してもよい。
【0022】
なお、カメラ制御部２６は、カメラ２０内に一体的に組み込まれてもよい。また、カメラ２０の制御の全てまたは一部は、カメラ制御部２６の代わりにカメラ２０に取り付けられた入力部（ボタン、レンズ、タッチパネル等）をユーザが直接的に操作することによって実行されてもよい。
【0023】
図１４は、カメラ制御部２６の概略構成を示すブロック図である。図１４に示すように、カメラ制御部２６は、プロセッサ４１、バス４２、メモリ４３、ディスプレイ４４、入力部４５、通信部４６を有する構成である。プロセッサ４１、メモリ４３、ディスプレイ４４、入力部４５、通信部４６は、バス４２を介して互いにデータの入出力が可能に接続される。
【0024】
プロセッサ４１は、バス４２を介してカメラ制御部２６の各要素を制御する。プロセッサ４１として、例えば、汎用ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が用いられるが、他にはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）あるいはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を用いて構成されてもよい。また、プロセッサ４１は、メモリ４３に記憶されている所定のプログラムを実行することにより、カメラ２０により撮像された撮像画像に基づいてフォーカス調整信号やズーム調整信号を生成したり、カメラ２０により撮像された撮像画像を用いて後述の処理により密度勾配の可視化をしたりしてもよい。
【0025】
メモリ４３は、他の要素から様々な情報を取得し、一時的あるいは恒久的にその情報を保持する。メモリ４３は、いわゆる一次記憶装置と二次記憶装置の総称である。メモリ４３は、物理的に複数配置されてもよい。メモリ４３として、例えば、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）が用いられる。
【0026】
ディスプレイ４４は、例えばＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）あるいは有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）デバイスを用いて構成され、カメラ２０から送られた撮像画像や密度勾配の可視化処理を行った結果を表示してもよい。
【0027】
入力部４５は、ユーザからの操作を受け付けるための操作デバイスを用いて構成され、例えばマウスあるいはキーボードであってよい。また、入力部４５は、ディスプレイ４４と一体となったタッチパネルを構成してもよい。
【0028】
通信部４６は、カメラ２０との間での通信インターフェースとして機能するための通信回路を用いて構成され、例えばカメラ２０に対してフォーカス調整信号やズーム調整信号を出力したり、カメラ２０から撮像画像を受信したりする。また。通信部４６は、撮像画像や、密度勾配の可視化処理の結果をインターネット等のネットワークを介して他の外部装置に転送してもよい。
【0029】
図２（ａ）は、第１の実施形態に係るカメラ２０の概略構成の断面を示す図である。図２（ｂ）は、第１の実施形態に係るイメージセンサの正面を示す図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、カメラ２０（「撮像装置」に相当）は、光学ユニット２１とイメージセンサ２５とを有し、光学ユニット２１を操作または制御することでイメージセンサ２５に入射する光を調整可能である。詳細は後述するが、カメラ２０は、観測対象１０および背景３０を撮像する際の光学条件が光学ユニット２１によって調整されることで、観測対象１０における気流の密度勾配を適切な条件で撮像することができる。
【0030】
光学ユニット２１は、例えば複数のレンズで構成され、フォーカス機能部２２とズーム機能部２３とを有し、カメラ２０の光学条件を変更する。光学ユニット２１を構成する１つ以上のレンズの位置等を調整することによって、フォーカス位置を調整するフォーカス機能部２２、また、ズームにより画角の大きさを調整するズーム機能部２３は実現される。なお、光学ユニット２１は、ユーザによる直接的な操作によって、または、後述するカメラ制御部２６からのフォーカス調整信号とズーム調整信号とによって、フォーカス機能部２２とズーム機能部２３とを実行してもよい。
【0031】
イメージセンサ２５は、２次元に配置された複数画素の集合体であり、密度変化を可視化したい方向に対して、撮像面の長さＷＳに、ＲＨ個の画素数を有する。つまり、本実施形態に係るカメラ２０のイメージセンサ２５では、水平方向に合計ＲＨ個の画素が配列される。イメージセンサ２５は、撮像により得られた出力として画像信号または画像データを得るが、撮像面に入射した可視光を撮像するものでもよいし、撮像面に入射した赤外線等の非可視光を撮像するものであってもよい。
【0032】
図３は、背景を形成するパターン模様の一例を示す図である。背景３０はパターン模様である縞模様３１を形成する。縞模様３１は、明部（白）と暗部（黒）とが横方向に周期ＰＨで繰り返す模様を形成する。すなわち、図３に示す縞模様３１が周期的に変化する方向は横方向である。なお、縞模様３１は、可視化したい密度勾配の方向に分布を有することが好ましく、例えば図３に示す縞の方向では横方向（つまり、左右方向）の密度勾配の観測に適している。
【0033】
本実施形態では縞模様３１は白黒２値の縞模様を使用しているが、カラーの縞模様であってもよいし、グラデーション変化による縞模様であってもよいし、格子状であってもよい。
【0034】
図４は、所定の撮像条件に設定されたカメラ２０によって、背景のパターン模様を撮像した撮像画像の一例を示す図である。撮像画像３２は、ピクセルの集合体である。図４において、ＩＰＨとＳＨとは、それぞれ背景画像として撮像された縞模様３１の縞の周期（パターン周期）とパターン周期方向のピクセルの幅を表す。なお、ここでの撮像条件とは、撮像画像３２上での縞模様３１が周期的に変化する方向における撮像画像３２の画素の幅であるピクセル幅（ＳＨ）と、撮像画像３２上での縞模様３１のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係に基づいて決定される。すなわち、この撮像条件は、カメラ２０の光学条件（例えば画角（ズーム）、焦点等）、カメラ２０および背景３０間の距離Ｌ（図１参照）、縞模様３１のパターン周期幅（ＩＰＨ）などを変更することで調整可能である。
【0035】
本実施形態では、図４に示す撮像画像３２において、撮像画像３２に映る背景画像の縞の周期ＩＰＨと画像のピクセル幅ＳＨの関係がＩＰＨ≒２ＳＨとなるようにカメラ２０の光学ユニット２１がカメラ制御部２６によって調整される。具体的には、背景３０が距離Ｌ離れた状況において、背景３０にフォーカスが合うように調整され、上記関係（つまり、ＩＰＨ≒２ＳＨ）となるようにカメラ２０の画角αがカメラ制御部２６によって調整される。そして、その条件で撮像された撮像画像３２を用いてＢＯＳ法を行う。
【0036】
上記の撮像条件において、カメラ２０が観測対象１０と背景画像とを撮像した撮像画像３２には、モアレによる変位の拡大効果が表れる。これにより、撮像対象（言い換えると、観測対象１０）の密度変化勾配により発生する１画素に満たない変位を拡大することができ、ＢＯＳ法の密度勾配の検出感度を向上することができる。
【0037】
【0038】
図５（ａ）は、ＩＰＨ＝２ＳＨの条件での画素と縞模様の関係を示した図である。上２段分の画素に対応する背景と比較して、下２段分の背景は横方向に１画素の幅であるピクセル幅（ＳＨ）より小さく移動（以下、シフトΔＳ）している。このシフトΔＳは、観測対象１０の例えば密度勾配がある空気（つまり、観測対象１０）による光の屈折により発生する。
【0039】
そして、シフトΔＳによって下２段分の画素では、上２段分と比較して、その画素に占める縞模様の明部（白）と暗部（黒）の割合が変化するため、イメージセンサ２５により撮像される画像を構成する画素の値が変化する。この画素の変化がモアレとなって現れることで、背景の移動（つまり、気体の密度勾配による光の屈折）を可視化することができる。
【0040】
例えば、光学条件（例えば周期ＩＰＨ）が２ＳＨよりも大きい場合、図５（ｂ）に示すＩＰＨ＝３ＳＨの状態では、シフトΔＳが発生しても、画素に占める縦線の白黒の割合が変化しない個所（図中矢印部分）では画素の値が変化しない。
【0041】
ここで、ＩＰＨを２ＳＨに近づけて図５（ｃ）に示すＩＰＨ＝２．５ＳＨの状態にすると、シフトΔＳに対して、すべての画素で、画素に占める縦線の白黒の割合が変化するため、気体の密度勾配を検出できるようになる。しかし、シフトΔＳにより各画素値が白黒から、白黒の中間色（グレー）に変化する図５（ａ）と比較すると、図５（ｃ）ではシフトΔＳに係わらず常にグレーの画素を含むため、モアレの鮮明さは劣る。
【0042】
また、光学条件（例えば周期ＩＰＨ）が２ＳＨよりも小さい場合においても、ＩＰＨが２ＳＨに近づくほどシフトΔＳを可視化できるようになる。
【0043】
例えば、図５（ｄ）に示すＩＰＨ＝１ＳＨの状態では、シフトΔＳが発生している下２段分の画素の全ておいて値が変化しないため、モアレは発生しない。
【0044】
ここで、ＩＰＨを２ＳＨに近づけて図５（ｅ）に示すＩＰＨ＝１．５ＳＨの状態にすると、シフトΔＳに対して、画素に占める縦線の白黒の割合が変化しない個所（図中矢印部分）は残るものの、モアレが発生する。
【0045】
このように、ＩＰＨと２ＳＨの関係は、ＩＰＨが１．５ＳＨより大きく、２．５ＳＨよりも小さい範囲内において、特にＩＰＨ＝２ＳＨの条件時に気体の密度勾配をモアレにより鮮明に可視化することができる。
【0046】
次に、図６を用いてカメラ２０の画角αの調整手順を説明する。図６は、カメラ２０の光学ユニット２１の調整手順の一例を示す図である。なお、以下の説明においてカメラ制御部２６によってカメラ２０の光学ユニット２１を調整する事例について説明するが、各調整ステップの一部または全てがユーザの直接的な操作によって行われてもよい。
【0047】
まず、カメラ制御部２６は、カメラ２０のズーム機能部２３を用いてズームを望遠端に設定し、背景３０の縞模様３１を拡大して撮像する（ＳＴ１００）。
【0048】
次に、カメラ制御部２６は、フォーカス機能部２２を用いて背景３０にフォーカスが合うように調整する（ＳＴ１１０）。なお、フォーカスの調整は一般的なオートフォーカス機能によって行われてもよい。
【0049】
次に、カメラ制御部２６は、ズーム機能部２３により画角αを粗調整（第１の調整の一例）を行う（ＳＴ１２０）。画角αの調整目標値は、カメラ２０から背景３０までの距離Ｌと、イメージセンサ２５の水平画素数ＲＨと背景３０の縞模様３１の周期ＰＨとを用いて（図１，図２，図３参照）、下記の（数式１）から算出される。
【0050】
【数1】
【0051】
また、ズームの調整の単位として焦点距離ｆを利用する場合には、画角αと焦点距離ｆの関係を下記の（数式２）を用いて求めることができる。ＷＳはイメージセンサ２５の撮像面の有効領域の長さである（図２参照）。
【0052】
【数2】
【0053】
そして、（数式１）の光学条件で背景３０にフォーカスを合わせて撮像した撮像画像３２は縞模様３１の周期ＩＰＨと画像のピクセル幅ＳＨとの関係が、１．５ＳＨ＜ＩＰＨ＜２．５ＳＨとなり、イメージセンサ２５の画素列と縞模様３１とが干渉したことによるモアレが発生する。
【0054】
なお、イメージセンサ２５がグレースケール画像を生成するイメージセンサである場合、このイメージセンサ上の１ピクセルが生成されたグレースケール画像データの１ピクセルと対応するため、水平画素数ＲＨはこのイメージセンサ２５上の水平画素数に相当する。一方、イメージセンサ２５がＢａｙｅｒ配列によって構成され、カラー画像を生成する場合、配列の１組が画像データでの１ピクセルに対応するため、水平画素数ＲＨは配列の組の数に相当する。
【0055】
ステップＳＴ１２０による画角αの粗調整（第１の調整の一例）の次に、カメラ制御部２６は、モアレを利用してズーム位置（焦点距離ｆ）の微調整（第２の調整の一例）を行う（ＳＴ１３０）。
【0056】
ここで、図７を用いてカメラのズーム位置の微調整について詳細に説明する。図７は、モアレ（干渉縞）の周期ＰＭを利用してズーム位置の調整方法を示す図である。以下の説明において、カメラ制御部２６によってカメラ２０の光学ユニット２１を調整する事例について説明するが、各調整ステップの一部または全てがユーザの直接的な操作によって行われてもよい。
【0057】
ステップＳＴ１３１においてカメラ制御部２６はステップＳＴ１２０で調整した画角に対応する焦点距離を、繰り返し回数ｋ＝０時の焦点距離ｆ（０）として記憶する。
【0058】
ステップＳＴ１３２においてカメラ制御部２６は後述の方法でモアレの周期ＰＭ
（０）を測定する。
【0059】
ステップＳＴ１３３においてカメラ制御部２６は焦点距離ｆがΔｆ（Ｋ）分ずれるようにズーム位置を変更する。
【0060】
ステップＳＴ１３４においてカメラ制御部２６はズーム位置変更後のモアレの周期ＰＭ
（Ｋ）を測定する。
【0061】
ステップＳＴ１３５においてカメラ制御部２６はＰＭ
（Ｋ）とそのズーム変更前のＰＭ
（Ｋ－１）の差分ΔＰＭ
（Ｋ）を算出する。
【0062】
ステップＳＴ１３６においてカメラ制御部２６はΔＰＭ
（Ｋ）の絶対値と終了判定閾値ＰＴＨとの比較を行う。終了判定閾値ＰＴＨは、ΔＰＭ
（Ｋ）の変化が、例えば目視で判断できない程度に小さくなる値を設定する。
【0063】
ΔＰＭ
（Ｋ）がＰＴＨより大きい場合には次のステップに移り、小さい場合には調整が完了したとして処理を完了する。
【0064】
また、処理の完了条件はΔＰＭ
（Ｋ）とＰＴＨの比較だけではなく、ループカウンタｋが所定の値を超えた場合は終了する条件も追加してもよい。これにより、ズームの調整を行っても終了判定閾値ＰＴＨ以下に収束しない場合にも処理を終えることができる。
【0065】
ステップＳＴ１３７においてカメラ制御部２６はΔＰＭ
（Ｋ）が０以上かを判定し、０以上ならばステップＳＴ１３７に進み、０よりも小さい場合にはステップＳＴ１３８に進む。
【0066】
ステップＳＴ１３８において次のズームの調整幅Δｆ（Ｋ＋１）をΔｆ（Ｋ）と同じにして、ステップＳＴ１３３に戻る。
【0067】
ステップＳＴ１３９においてカメラ制御部２６は次のズームの調整幅Δｆ（Ｋ＋１）を－ＸΔｆ（ｋ）として、ステップＳＴ１３３に戻る。Ｘは０＜Ｘ＜１を満たす更新係数である。
【0068】
ここで、モアレ（干渉縞）の周期ＰＭの測定法を説明する。図８（ａ）～（ｃ）は、モアレ（干渉縞）の周期ＰＭの測定法を説明する図である。図８（ａ）は、ＩＰＨ＝２．０２０ＳＨ時のモアレの模様（上段）とモアレの模様の濃淡をグラフ化した物（下段）を示している。ここでモアレの模様に対して、包絡線を描き、その周期を測定することで、モアレの周期ＰＭを測定することができる。このモアレの周期ＰＭはＩＰＨ＝２ＳＨの時に最長となり、図８（ｂ）に示すＩＰＨ＝１．９７０ＳＨの場合や、図８（ｃ）に示すＩＰＨ＝２．０７１ＳＨの場合には、図８（ａ）よりも周期が短くなる。
【0069】
以上の手順により、撮像画像３２の縞の周期ＩＰＨと画像のピクセル幅ＳＨの関係が、ＩＰＨ≒２ＳＨとなるようにカメラ２０の光学ユニット２１を調整ができる。
【0070】
次に、上述の光学条件にて撮像した撮像画像３２を用いて観測対象１０の密度勾配を可視化する方法を説明する。
【0071】
被観察対象エリア内で気流の密度勾配が発生していない状態でカメラを用いて撮像した基準となる背景画像と、被観察対象エリア内で気流の密度勾配が発生している状態で撮像した観測用の背景画像と、を用いて画像処理を行い気流の密度勾配を可視化する。
【0072】
画像処理はカメラ制御部２６で実施し、例えば、特許文献２に記載されている方法を用いてもよい。
【0073】
また、基準となる背景画像と観測用の背景画像との差分を用いず、観測用の背景画像を連続で取得して、最新の背景画像とその単位時間前（１フレーム前）に撮像した背景画像とのフレーム差分を用いてもよい。
【0074】
フレーム差分を用いることで、基準画像の撮像時と観測画像の撮像時とでカメラの位置がずれて光学条件が変化した場合の影響を抑制できる。
【0075】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第１の実施形態で説明した部材については同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。第１の実施形態では縞模様３１は背景３０上にあり固定されているが、第２の実施形態は図１０に示すように背景３０にプロジェクタ５０で投影した撮像システムである。図１０は、第２の実施形態に係る撮像システムの構成を示す図である。また、本実施形態ではプロジェクタによる投影だが、背景がディスプレイ装置であり映像として縞模様３１を映し出すものであってもよい。
次に、第２の実施形態について説明する。第１の実施形態で説明した部材については同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。第１の実施形態では縞模様３１は背景３０上にあり固定されているが、第２の実施形態は図１０に示すように背景３０にプロジェクタ５０で投影した撮像システムである。図１０は、第２の実施形態に係る撮像システムの構成を示す図である。また、本実施形態ではプロジェクタによる投影だが、背景がディスプレイ装置であり映像として縞模様３１を映し出すものであってもよい。
【0076】
プロジェクタ５０は、カメラ制御部２６から入力された画像を投影する。
【0077】
カメラ制御部２６は、カメラ２０に接続され、カメラ２０が撮像した背景画像を解析して、プロジェクタ５０がスクリーンや壁等の表示媒体３５に投影する縞模様３１の周期ＰＨを変更する背景作成部７０を有する。この背景作成部７０は、プロセッサ４１（図１４参照）によって実現される。
【0078】
第２の実施形態では単焦点カメラをカメラ２０として使用できる。第１の実施形態では光学によるズーム機能を持つカメラを用いたが、一般には光学ズーム機能のない単焦点カメラも存在する。
【0079】
光学ズーム機能がない単焦点カメラを用いてＩＰＨ＝２ＳＨに近づける場合、第１の実施形態では画角αの調整ができないために距離Ｌを変更する必要がある。しかし、カメラ２０および表示媒体３５の設置場所に制約がある場合、距離Ｌを変更することは困難である。
【0080】
第２の実施形態ではカメラ２０の画角αが固定であるとしても、また、カメラ２０および表示媒体３５の設置場所に制約があるとしても、背景３０の縞模様３１の縞の間隔とも言える周期ＰＨを変更することで、ＩＰＨ≒２ＳＨとなる撮像条件に調整を行うことができる。
【0081】
以下、背景作成部７０における背景３０の生成方法について説明する。背景３０を変更して撮像条件を調整するために、まず、背景作成部７０は縞模様の初期値ＰＨ
（０）として前述の（数式１）を満たすように背景の縞のパターンを作成する（第１の調整の一例）。
【0082】
ここで、（数式１）のカメラ２０と背景との距離Ｌは実際に測定して入力してもよいし、背景作成部７０が、プロジェクタ５０に既知のサイズの図形を入力し、カメラ２０で撮像した画像からその図形のサイズを測定し、そのサイズから距離Ｌを推定してもよい。
【0083】
【0084】
ステップＳＴ２０１において背景作成部７０はモアレの周期ＰＭ
（０）を測定する。
【0085】
ステップＳＴ２０２において背景作成部７０は縞模様３１の周期ＰＨを縞パターンの調整幅ΔＰＨ
（ｋ）分だけ変更する。
【0086】
ステップＳＴ２０３において背景作成部７０はモアレの周期ＰＭ
（ｋ）を測定する。
【0087】
ステップＳＴ２０４において背景作成部７０はＰＭ
（ｋ）とその縞パターン変更前のＰＭ
（ｋ－１）の差分ΔＰＭ
（ｋ）を算出する。
【0088】
ステップＳＴ２０５において背景作成部７０はΔＰＭ
（ｋ）の絶対値を終了判定閾値ＰＴＨと比較を行い、|ΔＰＭ
（ｋ）|がＰＴＨ以上の場合には次のステップに移り、閾値より小さい場合には縞模様３１の周期ＰＨの調整が完了したとして処理を完了する。終了判定閾値ＰＴＨはΔＰＭ
（Ｋ）の変化が、例えば目視で判断できない程度に小さくなる値を設定する。
【0089】
ステップＳＴ２０６において背景作成部７０はΔＰＭ
（ｋ）が０以上かを判定し、０以上ならばステップＳＴ２０７に進み、０よりも小さい場合にはステップＳＴ２０８に進む。ステップＳＴ２０７において背景作成部７０は次の縞パターンの調整幅ΔＰＨ
（Ｋ＋１）をΔＰＨ
（Ｋ）と同じにして、ステップＳＴ２０２に戻る。
【0090】
ステップＳＴ２０８において背景作成部７０は次の縞パターンの調整幅ΔＰＨ
（Ｋ＋１）を－ＸΔＰＨ
（Ｋ）に変更し、ステップＳＴ２０２に戻る。Ｘは０＜Ｘ＜１を満たす更新係数である。
【0091】
以上の手順により、撮像画像３２の縞の周期ＩＰＨと画像のピクセル幅ＳＨの関係が、ＩＰＨ≒２ＳＨとなるように背景３０の縞模様３１を調整ができる。
【0092】
また、背景作成部７０は、背景３０の縞模様３１を可視化したい密度勾配の方向に分布するように回転してもよい。図１２（ａ），（ｂ）は、縞模様の回転を示す図である。例えば、図１２（ａ）に示す変更前（回転前）の背景３０のように、ユーザが密度勾配を可視化したい方向と、縞模様３１が周期的に変化する方向とが一致していない場合には、背景作成部７０は、図１２（ｂ）に示すように縞模様３１を回転（変更）することでこれを一致させることができる。これにより、測定対象の密度勾配の方向が変化した場合にも、ＢＯＳ法の感度を向上できる。なお、縞模様３１の回転は、可視化したい密度勾配の方向がユーザに応じて行われる。
【0093】
また、図１３に示すように背景作成部７０は、背景３０を区画に分けて、密度変化勾配の向きに応じて、区画ごとに縞模様３１の縞の向きを変更してもよい。図１３は、区画ごとに向きを変更した縞模様を示した図である。これにより、密度変化の向きが一様でない場合にも、ＢＯＳ法の感度を向上できる。
【0094】
また、密度変化による変位が大きい場合には背景３０の縞模様３１を変更し、モアレの拡大効果を利用しないＢＯＳ法に切り替えてもよい。その場合の縞模様３１として、例えば、非特許文献１に記載されている縞模様を用いてもよい。
【0095】
この方法により気圧密度変化が大きい場合に一般的なＢＯＳ法で測定でき、測定可能な密度変化の幅を拡大できる。
【0096】
本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、被観察対象エリアの背景として、縞模様があり、被観察対象エリア越しに背景を撮像した背景画像を用いて被観察対象エリアの密度勾配を可視化する方法である。背景画像中の縞模様の縞の周期が、１画素の幅の１５０％～２５０％の範囲に収まる光学条件で、撮像された背景画像を用いることを特徴とする。
【0097】
本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係に基づいて決定される。これによると、撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とが適切な関係の撮像条件で被観察対象エリアを撮像するため、特殊な光学系を用いずに、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0098】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係が、前記パターン周期幅（ＩＰＨ）が前記画素の幅（ＳＨ）に対して１５０％～２５０％の範囲に決定する。これによると、撮像画像の１ピクセル未満の変化を拡大することができ、特殊な光学系を用いずに、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0099】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係と、前記撮像画像上に発生するモアレの周期に基づいて決定される。これによると、撮像画像の画素の幅とパターン周期幅との関係を、撮像画像に発生するモアレの周期で決定した適切な撮像条件で被観察対象エリアを撮像するため、特殊な光学系を用いずに、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0100】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係により第１の調整を行い、更に、第１の調整により調整された撮像条件で撮像された前記撮像画像上に発生するモアレの周期に基づいて第２の調整を行う。これによると、まず撮像画像にモアレを発生させ、次に発生したモアレの周期を利用して撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とを適切な関係に調整し、被観察対象エリアを撮像することで、特殊な光学系を用いずに、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0101】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係により第１の調整を行い、更に、第１の調整により調整された撮像条件で撮像された前記撮像画像上に発生するモアレの周期に基づいて、前記モアレの周期が最長となるように第２の調整を行う。これによると、まず撮像画像にモアレを発生させ、次に発生したモアレの周期を利用して撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とを適切な関係に調整し、被観察対象エリアを撮像することで、特殊な光学系を用いずに、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0102】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係に基づいて決定し、画角を含む、前記撮像装置の光学条件を調整することによって前記撮像条件を変更する。これによると、撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とが適切な関係の撮像条件で被観察対象エリアを撮像するため、特殊な光学系を用いずに、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0103】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係に基づいて決定し、前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）を調整することによって前記撮像条件を変更する。これによると、撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とが適切な関係の撮像条件で被観察対象エリアを撮像するため、ズーム機能の無いカメラでも、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0104】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係に基づいて決定し、前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）を調整することによって前記撮像条件を変更する。更に、前記被観察対象エリアにおける気体密度勾配の大きさに応じて前記パターン周期幅（ＩＰＨ）を変更する。これによると、被観察対象エリアの気体密度勾配の大きさに応じて、撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とが適切な関係の撮像条件で被観察対象エリアを撮像するため、特殊な光学系を用いずに、流体の密度勾配の大きさに応じて検知感度を変更することができる。
【0105】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係に基づいて決定され、更に、前記被観察対象エリアにおける気体密度勾配の方向に応じて前記パターン模様が周期的に変化する方向を決定する。これによると、測定対象の密度勾配の方向が変化しても、撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とを適切な関係に保つことで、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0106】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係に基づいて決定され、更に、前記背景画像を複数の区画に分割して、前記区画毎に、前記被観察対象エリアにおける気体密度勾配の方向に応じて前記パターン模様の方向を決定する。これによると、測定対象の密度変化の向きが撮像対象エリア内で複数あっても、それぞれの向きに合わせて、撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とを適切な関係に保つことができ、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0107】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知方法は、撮像装置が所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像し、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力し、前記撮像条件の調整は、前記撮像装置の焦点を前記背景画像に合わせた状態で行われ、まず、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係により第１の調整を行い、更に、第１の調整により調整された撮像条件で撮像された前記撮像画像上に発生するモアレの周期に基づいて第２の調整を行う。これによると、撮像画像の画素の幅とパターン周期幅との関係を、撮像画像に発生するモアレの周期で決定した適切な撮像条件で被観察対象エリアを撮像するため、特殊な光学系を用いずに、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0108】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知システムは、所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像する撮像部と、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力する画像出力部と、を備え、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係に基づいて決定される。これによると、撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とが適切な関係の撮像条件で被観察対象エリアを撮像するため、特殊な光学系を用いずに、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0109】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知システムは、所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像する撮像部と、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力する画像出力部と、前記撮像部の光学条件を変更する制御部と、を備え、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係に基づいて決定され、前記制御部は前記撮像画像のモアレの周期が最長となるように前記光学条件を調整する。これによると、まず撮像画像にモアレを発生させ、次に発生したモアレの周期を利用して撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とを適切な関係に調整し、被観察対象エリアを撮像することで、特殊な光学系を用いずに、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【0110】
また、本開示の一態様に係る流体の密度勾配検知システムは、所定の撮像条件で、周期的なパターン模様を形成する背景画像を被観察対象エリア越しに撮像する撮像部と、前記撮像装置が撮像した撮像画像を基に、前記被観察対象エリアにおける流体密度勾配を示す画像を出力する画像出力部と、前記背景画像を変更する背景作成部と、を備え、前記撮像条件は、前記撮像画像上での前記パターン模様が周期的に変化する方向における前記撮像画像の画素の幅（ＳＨ）と、前記撮像画像上での前記パターン模様のパターン周期幅（ＩＰＨ）との関係に基づいて決定され、前記背景作成は、前記撮像画像のモアレの周期が最長となるように前記背景画像を調整する。これによると、まず撮像画像にモアレを発生させ、次に発生したモアレの周期を利用して撮像画像の画素の幅とパターン周期幅とを適切な関係に調整し、被観察対象エリアを撮像することで、ズーム機能の無いカメラでも、流体の密度勾配の検知感度を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【0111】
本開示は、汎用カメラにおいて気流の密度勾配を可視化する方法の検出感度を向上させることができ、室内空間での微小な気流の可視化や、温度変化の可視化を行う流体の密度勾配検知方法および流体の密度勾配検知システムに有用である。
【符号の説明】
【0112】
１０ 観測対象
２０ カメラ
２１ 光学ユニット
２２ フォーカス機能部
２３ ズーム機能部
２５ イメージセンサ
２６ カメラ制御部
３０ 背景
３１ 縞模様
３２ 撮像画像
３５ 表示媒体
４１ プロセッサ
４２ バス
４３ メモリ
４４ ディスプレイ
４５ 入力部
４６ 通信部
５０ プロジェクタ
７０ 背景作成部
１００ 撮像システム
２０ カメラ
２１ 光学ユニット
２２ フォーカス機能部
２３ ズーム機能部
２５ イメージセンサ
２６ カメラ制御部
３０ 背景
３１ 縞模様
３２ 撮像画像
３５ 表示媒体
４１ プロセッサ
４２ バス
４３ メモリ
４４ ディスプレイ
４５ 入力部
４６ 通信部
５０ プロジェクタ
７０ 背景作成部
１００ 撮像システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】