PIV 방법의 원리

PIV란 Particle Image Velocimetry의 약어로서, 유동장에 유체 와 동일한 비중의 미소입자(일반적으로 100미크론 전후의 직경을 가지는 입자)를 투입한 다음, 이들 입자들의 거동을 카메라로 영상 화해서 속도장을 계산해 내는 기술을 말한다.

즉, 두 시각분의 영상에서 미소입자들의 이동거리와 카메라의 시 간간격을 계산하면 속도벡터가 얻어지게 된다. 영상에서의 이동거 리는 두 영상에 나타난 추적 입자들의 중심이나 혹은 추적 입자들 의 계조치패턴을 동일한 것으로 판단하여 대응시킬 수 있느냐가 PIV계측에 있어서 중요한 사항이다(공간대응 문제 혹은 입자동정 문제라고 한다). 이 동일한 입자중심 혹은 입자들의 계조치패턴을 짧은 시간차를 가진 두 화상 상에서 찾을 수만 있다면 이동거리는 자동적으로 구할 수 있게 되고 속도분포는 전술의 시간정보를 이용 하여 구해지는 것이다. 즉 이동거리에 CCD카메라의 시간차를 나누 면 속도(Fig. 2.1)가 되는 것이다.

일반적으로 시간차를 가진 두 화상 상에서 공간 대응시키는 방법 에는 통계이론이나 인공지능 등에 의거한 여러 가지 알고리즘이

Argon-ion laser

Fig. 2.1 The principle of gray-level cross-correlation PIV algorithm

있지만 그 중 현재 가장 많이 이용되고 있으며 본 연구에서 도입되

상호상관 계수값을 구하고 비교하여 그 중 가장 큰 값을 동일입자 군의 이동위치로 간주할 수 있다. 컴퓨터상에서 이와 같은 계산을 빠른 속도로 행할 수 있으면 가상의 중심 입자군 속도(속도벡터의 시점)에 대하여 이동벡터의 종점을 용이하게 구할 수 있게 된다.

한편, 계조치패턴은 Imageboard 내부에 A/D변환기가 내장이 되어 있어서 화상데이터를 0에서 255까지(8bit A/D변환의 경우)의 계조 치로 변환이 되므로 2치화작업 및 각종 화상처리작업에 의하여 구하 여지게 된다.

2치화 작업을 통하여 입자들이 있는 부분에는 1의 값과 없는 부 분에는 0의 값으로 나누어지게 되는데 이 1의 값을 가진 입자의 형 상의 중심이 입자중심이 된다. 일반적으로 2치화 작업은 Imageboard 를 제작한 회사가 상용프로그램으로 제공하는 경우가 많다. 또한 계조치패턴은 2치화과정을 거치지 아니하고 원래의 추적 입자들의 분포화상이 그대로 A/D변환된 화상을 말한다.

한편, PIV계측 기술은 크게 고밀도 PIV법과 저밀도 PIV(일명 PTV: Particle Tracking Velocimetry)법 두 가지로 대별되며, 입자 영상으로부터 입자들을 구분하기 어려울 정도로 입자밀도가 많은 경우에 속도를 구하는 경우에는 일반적으로 입자들의 계조치분포에 대한 상관으로부터 속도를 구한다고 해서 PIV법이라고 하며, 이와 반면에 입자들의 중심이 구분될 수 있을 경우에 입자(Particle)들 의 중심을 추적(Tracking)하여 속도(Velocity)를 구한다고 해서 PTV법이라고 한다.