共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 降雪粒子の立体形状解析に関する研究
研究代表者／所属 金沢大学自然科学研究科
研究代表者／職名 教授
研究代表者／氏名 村本健一郎

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 古川政弘 金沢大学工学部 技術専門職員

2

 久保守 金沢大学自然科学研究科 助手

3

 藤吉康志 北大低温研 教授

研究目的 　降雪粒子は，結晶が絡み合って形成されているため，その形状は非常に複雑である．しかし，粒子形状に関する研究のほとんどは，地上に到達後の雪に対する観測であり，空中での形状とは必ずしも一致していなかった．本研究では，低温科学研究所の設備である2D-Video-Distrometerと，金沢大学で開発した3次元映像撮影装置の両装置を組み合わせたシステムを用いて，落下中の降雪粒子の様々なパラメータを測定することを目的とする．両装置を同期させて観測することにより，落下中降雪粒子の取得データの種類を増加させることができ，降雪現象の更なる解明が期待できる．
図1：2DVDシルエット画像　図2：立体復元結果　図3：濃淡分布表示
研究内容・成果 　本研究では，2次元粒子映像解析装置2D-Video-Distrometer (2DVD)ならびに異なる3 方向のCCDビデオカメラから構成される3次元映像撮影装置の両装置を同期させて，落下中の降雪粒子を観測するシステムを構築した．
　2DVDからは，大量の降雪粒子の2次元シルエット形状，粒径，落下速度などの数値データを得ることができた．
　3次元映像撮影装置を用いて撮影される粒子の濃淡映像から，3次元画像を復元する方法について述べる．3台のビデオカメラにより撮影した3 方向からの粒子画像から，視体積交差法を用いて，シルエットを断面とする無限長の柱体を仮想的な3 次元空間に逆投影し，3 枚の画像に対しその論理積を取ることにより，物体の存在の有無を示す3 次元ボクセルデータを生成した．その後，高速処理が可能なレンダリング手法であるMarching Cubes 法により，近似された等値面を生成し，粒子の立体形状を可視化した．等値面の不連続性によってやや角ばった形状となったが，高解像度画像から高速に粒子の3次元形状の復元が可能となった．
　次に，3方向濃淡画像をヒストグラム変換することにより，粒子画像の濃淡階調別の分布および等高線表示を行った．この結果から，高濃度領域に結晶の集まっていることが容易に推測できるようになった．さらに，複雑な降雪粒子構造では，高濃度領域が，複数点在していることが確認できた．これは，粒子の生成過程で雪結晶が幾度も衝突・併合を繰り返すときに，周囲の気象条件などの多くのパラメータが複雑に関与しているためと考えられる．図1は2DVDから取得された雪片のシルエット画像，図2は同一雪片の立体復元画像の例である．また図3は濃淡分布表示の例である．
　最後に， 3方向画像から立体の連結性を利用して，3次元細線化スケルトンを生成した．ところどころに孤立点が見られ，スケルトンも枝分かれしており，2 次元細線化結果に比べて複雑な構造であることがわかった．枝の集まりも多いため，その中から芯線を分離することは困難であったが，今後，前述した濃淡分布との組み合わせによって粒子の核と骨格構造の推定に役立つと考えられる．
　以上より，降雪粒子の観測には，2DVDから取得されるデータと3次元映像撮影装置を用いて撮影される濃淡映像から解析されるデータを組み合わせることにより，降雪現象の更なる解明へ貢献できるものと確信する．
図1：2DVDシルエット画像　図2：立体復元結果　図3：濃淡分布表示
成果となる論文・学会発表等 滝澤久美子，久保守，村本健一郎，南雲信宏，藤吉康志，画像データを用いた降雪粒子形状の立体復元と解析，画像電子学会第219回研究会， 05-02， 7-12， 2005