CN109100100B - 刚性测定装置以及刚性测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种刚性测定装置以及刚性测定方法。刚性测定装置(200)是对计测对象的刚性进行测定的刚性测定装置，具备载荷估计部(240)、位移计算部(230)和刚性计算部(250)。载荷估计部(240)利用拍摄到计测对象的拍摄图像来估计对设定于计测对象的计测点施加的载荷。位移计算部(230)利用拍摄图像来计算计测点的位移。刚性计算部(250)利用载荷和位移来计算计测对象的刚性。

Description

刚性测定装置以及刚性测定方法
本申请是国际申请日为2017年6月7日、国家申请号为201780005391.8的发明申请的分案申请，该申请的发明创造名称为刚性测定装置以及刚性测定方法。
技术领域
本公开涉及对计测对象的刚性进行测定的刚性测定装置以及刚性测定方法。
背景技术
专利文献1公开了构造物的弯曲刚性测定方法。根据该方法，在计测对象物配置多个振动传感器，对计测对象物赋予冲击，计算由振动传感器获得的振动的传播速度，从而能够获得对象物的弯曲刚性。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-55776号公报
发明内容
本公开提供一种能够利用拍摄到计测对象的拍摄图像而简便且低成本地测定计测对象的刚性的刚性测定装置。
本公开中的刚性测定装置是对计测对象的刚性进行测定的刚性测定装置，具备载荷估计部、位移计算部和刚性计算部。载荷估计部利用拍摄到计测对象的拍摄图像来估计对设定于计测对象的计测点施加的载荷。位移计算部利用拍摄图像来计算计测点的位移。刚性计算部利用载荷和位移来计算计测对象的刚性。
本公开中的刚性测定方法是对计测对象的刚性进行测定的刚性测定方法，包括载荷计算步骤、位移计算步骤和刚性计算步骤。载荷计算步骤是利用拍摄到计测对象的拍摄图像来估计对设定于计测对象的计测点施加的载荷的步骤。位移计算步骤是利用拍摄图像来计算计测对象的位移的步骤。刚性计算步骤是利用载荷和位移来计算计测对象的刚性的步骤。
本公开中的刚性测定装置以及刚性测定方法能够利用拍摄到计测对象的拍摄图像地简便且低成本地测定计测对象的刚性。
附图说明
图1是表示实施方式1中的刚性测定系统的一结构例的外观图。
图2是表示实施方式1中的刚性测定装置的一结构例的框图。
图3是表示实施方式1中的刚性测定装置的另一结构例的框图。
图4是表示实施方式1中的刚性测定装置的动作的流程图。
图5是表示实施方式1中的刚性测定装置的另一动作的流程图。
图6A是表示桥梁的拍摄图像的一例的图。
图6B是表示桥梁的拍摄图像的另一例的图。
图7是表示设定于桥梁的计测点的配置例的图。
图8是表示位移计算部计算出的位移的一例的图。
图9是表示设定于桥梁的坐标的图。
图10是表示桥梁的位移分布和载荷分布的一例的图。
图11是表示桥梁的位移分布和载荷分布的另一例的图。
图12是表示桥梁的刚性分布的一例的图。
图13是表示桥梁和拍摄装置的位置关系的一例的图。
图14是表示桥梁的剖面的图。
图15A是表示桥梁的拍摄图像的另一例的图。
图15B是表示设定于桥梁的计测点的配置的另一例的图。
图15C是表示桥梁的缆索长度的图。
图15D是表示桥梁的缆索长度的另一状态的图。
图16是表示实施方式2中的刚性测定装置的一结构例的框图。
图17是表示实施方式2中的桥梁的拍摄图像的一例的图。
图18是表示实施方式2中的刚性测定装置的另一结构例的框图。
图19A是表示使刚性分布可视化的一例的图。
图19B是表示判断为异常的结果的一例的图。
图20是表示使位移分布以及载荷分布可视化的结果的一例的图。
具体实施方式
以下，边适当参照附图边详细说明实施方式。不过，有时省略必要以上的详细说明。例如，有时省略已经熟知的事项的详细说明、对于实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明变得不必要的冗余，易于使本领域技术人员理解。
另外，添加的附图以及以下的说明是为使本领域技术人员充分理解本公开而提供的，并非意图通过这些内容来限定权利要求书记载的主题。
(实施方式1)
以下，利用图1～15D来说明实施方式1。
[1-1.结构]
[1-1-1.计测对象的拍摄]
图1是表示实施方式1中的刚性测定系统1的一结构例的外观图。刚性测定系统1包括摄像机101和刚性测定装置200。摄像机101在给定期间对桥梁102进行多次拍摄，生成拍摄到桥梁102的多个拍摄图像。摄像机101例如以给定的时间间隔对桥梁102进行多次拍摄。
摄像机101所生成的多个拍摄图像被输入至刚性测定装置200。刚性测定装置200根据被输入的多个拍摄图像来计算表示桥梁102整体的刚性的空间分布的刚性分布。在本实施方式中，以拍摄装置为摄像机101、计测对象为桥梁102的情况作为例子来进行说明。
[1-1-2.刚性测定装置的结构]
图2是表示实施方式1中的刚性测定装置200的一结构例的框图。如图2所示，刚性测定装置200具备输入输出I/F210、控制部220、位移计算部230、载荷估计部240、刚性计算部250以及存储器260。刚性测定装置200例如具有保存有程序的非易失性存储器、作为用于执行程序的临时性存储区域的易失性存储器、输入输出端口、执行程序的处理器等。
输入输出I/F210受理桥梁102在给定期间被拍摄到的多个拍摄图像的输入。而且，输入输出I/F210输出刚性计算部250计算出的桥梁102的刚性分布(多个测定点的刚性值和它们的分布状况)。输入输出I/F210经由无线、有线、或者记录介质等来受理摄像机101所生成的多个拍摄图像的输入。而且，输入输出I/F210将多个拍摄图像保存至存储器260。此外，输入输出I/F210经由无线、有线或者记录介质等将刚性计算部250计算出的桥梁102的刚性分布输出至显示部(未图示)等。显示部显示从刚性测定装置200输出的刚性分布。
控制部220对刚性测定装置200的各部分的动作进行控制。
位移计算部230利用拍摄到计测对象的拍摄图像来计算设定于该计测对象的计测点的位移。更具体而言，位移计算部230针对存储器260中保存的、由摄像机101生成的多个拍摄图像，分别检测存在于拍摄图像内的桥梁102。而且，位移计算部230计算设定于桥梁102的多个计测点处的空间位移。由此，位移计算部230计算桥梁102的位移分布(多个测定点的位移量和它们的分布状况)。而且，位移计算部230将该位移分布保存至存储器260。
载荷估计部240利用拍摄到计测对象的拍摄图像来估计对设定于该计测对象的计测点施加的载荷。更具体而言，载荷估计部240针对存储器260中保存的多个拍摄图像，分别检测存在于拍摄图像内的桥梁102上的载荷源。在检测到对桥梁102施加载荷的车辆等载荷源之后，载荷估计部240检测载荷源的种类和载荷源在桥梁102上的位置。而且，载荷估计部240获取与存储器260中预先保存的载荷源的种类对应的载荷值。或者，可以预先决定对桥梁102施加载荷的载荷源，载荷估计部240获取存储器260中预先保存的给定的载荷值。具体而言，在将载荷源固定为起重机车的情况下，载荷估计部240可以获取存储器260中保存的起重机车的载荷值。在该情况下，刚性测定装置200的各部分仅利用拍摄到起重机车的拍摄影像来进行处理。载荷估计部240利用载荷源的位置和获取到的载荷值来计算表示对桥梁102所施加的载荷的空间分布的载荷分布。
另外，载荷估计部240在计测点和载荷源的位置一致的情况下，可以将对计测点所施加的载荷估计为存储器260中保存的载荷值。此外，载荷估计部240在计测点和载荷源的位置不一致的情况下，可以根据计测点与载荷源的位置的距离以及存储器260中保存的载荷值来估计对计测点所施加的载荷。
刚性计算部250利用位移分布和载荷分布来计算表示计测对象的刚性的空间分布的刚性分布。具体而言，刚性计算部250利用位移计算部230计算出的位移分布和载荷估计部240计算出的载荷分布来计算桥梁102的刚性分布。而且，刚性计算部250将该刚性分布保存至存储器260。
存储器260存储从输入输出I/F210输入的拍摄图像。此外，存储器260用作各部分的工作存储器。例如，存储器260存储位移计算部230计算出的位移、计算出的位移分布。存储器260存储载荷估计部240计算出的载荷分布或者车辆等载荷源的每个种类的载荷值。存储器260存储刚性计算部250计算出的桥梁102的刚性分布。存储器260例如包括DRAM(Dynamic Random Access Memory：动态随机存取存储器)等的能够进行高速动作的半导体存储元件。
刚性测定装置200的全部或者一部分的功能例如通过处理器执行非易失性存储器中保存的程序来实现。
[1-1-3.刚性测定装置的另一结构]
在摄像机101所生成的多个拍摄图像中，不限于在相同的位置拍摄桥梁102。在这种情况下，位移计算部230计算出的位移会产生误差。为了消除该误差，刚性测定装置可以具备对位移计算部230计算出的位移进行修正的功能。
图3是表示实施方式1中的刚性测定装置的另一结构的框图。在图3的刚性测定装置201中，关于进行与图2的刚性测定装置200相同动作的构成要素，赋予相同的符号，并省略说明。
控制部221对刚性测定装置201的各部分的动作进行控制。
刚性测定装置201具备修正部270。修正部270利用由位移计算部230计算出的、给定的基准计测点的位移(基准位移)，来修正由位移计算部230计算出的、上述多个计测点的位移。更具体而言，修正部270以拍摄图像内的设定于桥梁102的给定的基准计测点的基准位移为基准来修正其他计测点的位移。由此，修正部270对位移分布进行修正。而且，修正部270将被修正后的位移分布保存至存储器260。基准计测点例如是假定在多个计测点中位移最少的点。
刚性计算部251根据由修正部270修正后的位移分布和由载荷估计部240计算出的载荷分布来计算刚性分布。而且，刚性计算部251将该刚性分布保存至存储器260。
[1-2.动作]
[1-2-1.不进行修正的情况下的动作]
图4是表示实施方式1中的刚性测定装置200的动作的流程图。
(摄影图像获取步骤S310)
控制部220经由输入输出I/F210来获取拍摄图像。对于拍摄图像，由摄像机101在给定期间拍摄桥梁102。控制部220将获取到的拍摄图像保存至存储器260。
(位移计算步骤S320)
控制部220使位移计算部230计算桥梁102上设定的多个计测点处的时间位移。尤其是，在计算后述的弯曲刚性的情况下，位移计算部230计算3点以上的计测点的位移。位移计算部230按照拍摄时刻顺序取出存储器260存储的多个拍摄图像，按照每个拍摄图像来计算桥梁102的位移。位移计算部230根据计算出的位移来计算位移分布。而且，位移计算部230将该位移分布保存至存储器260。
(载荷估计步骤S340)
控制部220使载荷估计部240计算桥梁102的载荷分布。载荷估计部240根据存储器260中保存的拍摄图像来对载荷源(车辆等)的种类和位置进行图像识别。例如，在载荷源为车辆的情况下，载荷估计部240对车辆的种类和桥梁102上的车辆的行驶位置进行识别。载荷估计部240根据识别出的载荷源的种类来获取预先保存至存储器260的每个种类的载荷值。载荷估计部240利用载荷值和载荷源的位置来计算空间的载荷分布。而且，载荷估计部240将该载荷分布保存至存储器260。载荷估计部240除了存储器260以外，还可以经由I/F210而从外部数据库获取载荷值。此外，在预先确定了载荷源的种类的情况下，载荷估计部240可以仅检测载荷源的位置，作为对应的载荷值而利用预先保存至存储器260的给定的载荷值。
(刚性计算步骤S350)
控制部220使刚性计算部250利用位移计算部230计算出的位移分布和载荷估计部240计算出的载荷分布来计算桥梁102整体的刚性分布。刚性计算部250读出存储器260存储的位移分布和载荷分布，计算桥梁102整体的刚性分布。而且，刚性计算部250将该刚性分布保存至存储器260。控制部220经由输入输出I/F210来输出存储器260存储的桥梁102整体的刚性分布。
另外，在图4中，虽然按照位移计算步骤S320、载荷估计步骤S340的顺序进行了记载，但也可以按照载荷估计步骤S340、位移计算步骤S320的顺序进行。在该情况下，能够在无载荷源的期间预先使位移计算步骤S320停止。
[1-2-2.进行修正的情况下的动作]
图5是表示实施方式1中的刚性测定装置的另一动作的流程图。图5表示刚性测定装置201的动作。
在图5中，对于进行与图4的流程图相同动作的步骤赋予相同的符号，并省略说明。
(位移修正步骤S330)
控制部221使修正部270修正位移计算部230计算出的多个计测点处的位移。修正部270读出存储器260存储的多个计测点处的时间位移，利用基准位移来修正各位移。修正部270将修正后的各位移保存至存储器260。
(刚性计算步骤S351)
控制部221使刚性计算部251利用修正部270修正后的多个计测点处的位移分布和载荷估计部240计算出的载荷分布来计算刚性分布。刚性计算部251读出存储器260存储的多个计测点处的位移分布和载荷分布，来计算刚性分布。刚性计算部251将计算出的刚性分布保存至存储器260。
另外，对于位移修正步骤S330以及刚性计算步骤S351的处理，可以利用在数学上同等的不同步骤，也可以作为结果被综合后的过程而采用一并处理。
[1-2-3.动作例1]
在此，对刚性测定装置201的动作例进行说明。
控制部221经由输入输出I/F210来获取如图1所示那样拍摄到桥梁102的多个拍摄图像。控制部221将多个拍摄图像保存至存储器260。
图6A表示桥梁102的拍摄图像的一例。此外，图6B表示桥梁102的拍摄图像的另一例。在图6A所示的拍摄图像400和图6B所示的拍摄图像401中，在不同的时刻拍摄到桥梁102。拍摄图像400、401表示在桥梁102上存在成为载荷源的车辆402。在拍摄图像400中，车辆402处于桥梁102的桥墩103上，桥梁102未发生位移。相对于此，在拍摄图像401中，车辆402处于桥梁102的中央附近，桥梁102发生了位移。如此，可以在拍摄图像中拍摄到与桥梁102不同的物体(例如车辆402等)。
位移计算部230利用已有的图像识别技术来检测存在于拍摄图像内的桥梁102。位移计算部230对检测到的桥梁102上设定的多个计测点的坐标进行检测。
图7是表示设定于桥梁102的多个计测点的配置例的图。
在图7中，计测点501～计测点511表示设定于桥梁102的多个计测点。各计测点可以预先由用户设定，也可以在通过图像识别而自动检测到桥梁102之后设定。在图7中，各计测点大致等间隔地设定，但即便非等间隔地设定，也可获得本实施方式的效果。在此，在本实施方式中，从多个计测点之中，将至少一个计测点设定为基准计测点。基准计测点设为与其他计测点相比最不易受到载荷等的影响、位移小的计测点。在实施方式1中，利用计测点501以及计测点511作为基准计测点。在此，计测点501以及计测点511被设定在桥梁102的桥墩103与在对桥墩103进行支承的地基内设置的桥座(未图示)的接点附近。
位移计算部230按照拍摄时刻顺序取出存储器260存储的多个拍摄图像，并按照每个拍摄图像来计算桥梁102的位移。位移计算部230计算例如拍摄图像400与拍摄图像401之间的各计测点处的位移。另外，作为拍摄图像中的位移计算方法，位移计算部230能够利用块匹配或者相关法。在此，作为相关法，可列举标准化相关法(normalized crosscorrelation)、相位相关法(phase correlation)、激光散斑相关法等。此外，位移计算部230可以利用采样莫尔法、特征点追踪法等一般的位移计算方法。位移计算的精度可以是像素单位，也可是子像素单位。
图8是表示位移计算部230计算出的位移的一例的图。图8表示桥梁102在给定期间被拍摄到的多个拍摄图像(帧(Frame)1、帧2、帧3、...、帧n)中的计测点501～计测点511的位置坐标(x，y)。
在此，将在时刻t拍摄到桥梁102的拍摄图像帧t中的第i个计测点Pi的位置坐标(x，y)表示为Pi(x，y，t)。此外，将帧t中的第i个计测点Pi的位移表示为Di(x，y，t)。位移Di(x，y，t)成为各拍摄图像间的计测点的位置坐标Pi之差。在本实施方式中，将i设为1～11的整数。计测点P1～P11相当于计测点501～计测点511。
例如，位移Di(x，y，t)能够利用在时间上相邻的多个拍摄图像的位置坐标Pi而由数学式1来计算。
【数学式1】
Di(x，y，t)＝Pi(x，y，t)-Pi(x，y，t-1)
此外，位移Di(x，y，t)可以利用基准拍摄图像以及各拍摄图像的位置坐标Pi而由数学式2来计算。在此，基准拍摄图像例如是时间上排头的拍摄图像、拍摄到视作稳定状态的计测对象的拍摄图像等。
【数学式2】
Di(x，y，t)＝Pi(x，y，t)-Pi(x，y，0)
在此，Pi(x，y，0)为基准拍摄图像中的位置坐标。
另外，控制部221根据需要来修正摄像机101的拍摄光学系统的图像失真。此外，控制部221(缩放部的一例)也可以基于计测点与拍摄桥梁102的摄像机101的距离来对位移计算部230计算出的位移进行缩放修正。缩放修正是指如在各计测点中使拍摄图像上的位移与实际空间上的位移的比率相等的修正。这种修正可以针对拍摄图像来进行，也可以针对计算出的位移来进行。控制部221例如可以利用关于存储器260中保存的各计测点的实际空间上的坐标来进行缩放修正。
修正部270读出存储器260存储的各计测点的位移Di(x，y，t)。修正部270利用多个计测点之中的给定的基准计测点P1(计测点501)的位移D1(x，y，t)来修正各位移Di。即，修正部270按照每个拍摄图像从各计测点的位移Di(x，y，t)之中减去基准计测点的位移D1(x，y，t)。由此，能够除去在拍摄中摄像机101的x，y方向的朝向发生了变化的情况下产生的图像位移的影响。
进而，修正部270也可以基准计测点P1的位置为中心，对各计测点的位移Di(x，y，t)的x，y坐标值进行旋转变换，使得设定与基准计测点P1不同的基准计测点P11(计测点511)，且基准计测点P11的位移D11(x，y，t)的值接近0。由此，能够除去在拍摄中由于摄像机101的旋转(roll)方向的变化而产生的各拍摄图像的位移的影响。修正部270将修正后的各计测点的位移保存至存储器260。
另外，可以将基准计测点设定在桥梁102上，也可以设定在桥梁102以外。例如，可以将基准计测点设定在拍摄图像的背景中的静止物(建筑物等)。此外，可以使各计算位置的x，y方向的平行移动修正和旋转修正量最佳化，使得增加基准计测点的数量，且各基准计测点的位移的合计成为最小。由此，能够降低拍摄中的摄像机101的旋转、朝向的变化导致的对位移计算的影响。此外，可以对多个时刻的帧图像的运动进行分析，检测图像整体的支配性运动(全局运动)，将遵循该运动的图像内的点设为基准计测点。
另外，在拍摄图像中摄像机101的朝向、旋转等所引起的位移预测为容许范围的情况下，可以省略基于修正部270的位移的修正。
图9是表示设定于桥梁102的坐标的图。图9表示在以后的说明中利用的位移分布y(x)和位置x的关系。如图8那样，以下关注于从桥梁102的各计测点获得的位移之中的尤其是桥主梁部分的y方向的位移分布进行说明。
载荷估计部240利用存储器260中保存的拍摄图像来对载荷源(车辆等)的种类(在车辆的情况下为车型)和位置进行图像识别。载荷估计部240参照该车型识别结果和预先保存在存储器260中的每个车型的载荷值，来计算空间的载荷分布。而且，载荷估计部240将该载荷分布保存至存储器260。载荷估计部240也可以利用机器学习来识别车辆的种类或特定的车辆。此外，载荷估计部240对拍摄图像内的车辆的位置进行识别。对于机器学习，能够利用模板学习、矢量量化、决策树、神经网络、贝叶斯学习等。另外，在预先确定了车型的情况下，仅识别车辆的位置即可。此外，载荷估计部240可以利用在图像识别中对车辆的图像和车重的关系直接进行过学习的识别器。
此外，载荷估计部240可以经由输入输出I/F210获取从设置于计测对象的其他传感器等获得的载荷分布。
图10是表示桥梁的位移分布和载荷分布的一例的图。在图10中，图像10c表示拍摄图像，位移分布10a和载荷分布10b分别表示针对拍摄图像10c获得的位移分布和载荷分布。在拍摄图像10c中，在桥梁102上的中央附近有车辆402，桥梁102发生位移。此时，位移分布10a表示车辆402的位置附近发生最大位移。此外，载荷分布10b表示在车辆402的位置附近施加了载荷。
同样，图11是表示桥梁的位移分布和载荷分布的另一例的图。图11表示从拍摄图像11c获得的位移分布11a和载荷分布11b。在拍摄图像10c以及拍摄图像11c中，在互不相同的时刻拍摄到桥梁102。在拍摄图像11c中，在桥梁102上的中央左侧附近有车辆402，桥梁102发生位移。此时，位移分布11a也表示车辆402的位置附近发生最大位移。此外，载荷分布11b表示在车辆402的位置附近施加了载荷。
刚性计算部251利用位移分布和载荷估计部240计算出的载荷分布来计算刚性分布。刚性计算部251例如利用数学式3所示那样的力学方程式来计算弯曲刚性分布Sb(x)。
【数学式3】
Figure BDA0001800157660000111
在此，x为桥梁102的横向的位置，y(x)为位移分布，w(x)为载荷分布。这种微分方程式例如能够如Hiroyuki KISU，et al，”A study for identification of bendingrigidity of a beam”，Transactions of the Japan Society of MechanicalEngineers，Series A，Vol.70，No.698，2004.记载的那样在数值上进行求解。
另外，在计测点数不足等条件不足时成为不良设定问题的情况、计测值包含噪声的情况下，刚性计算部251除了数学式3之外，还可以组合数学式4、数学式5等的约束条件来计算刚性。数学式4表示刚性不依赖于位置x，数学式5表示刚性在空间中平滑地变化。
【数学式4】
Figure BDA0001800157660000121
【数学式5】
Figure BDA0001800157660000122
图12是表示桥梁的刚性分布的一例的图。在此，示出遍及桥梁102的桥主梁整体而大致恒定的值的刚性分布12a。
刚性计算部251作为其他计算方法，可以作为最佳化问题而设定如数学式6那样的与Sb(x)有关的评价函数E(Sb)，计算将其最小化的Sb(x)。在此，|C|p表示函数C的p阶范数。此外，将λ1、λ2预先规定为权重参数。
【数学式6】
Figure BDA0001800157660000123
另外，在计测点数不足等条件不足时成为不良设定问题的情况、计测值包含噪声的情况下，为了求得稳定的解，刚性计算部251可以组合从载荷分布对相同的桥梁102不同的多个拍摄图像获得的位移分布和载荷分布来计算刚性分布。刚性计算部251例如可以组合如图10、图11那样不同时刻的位移分布和载荷分布的多个组来计算如图12那样的刚性分布。此时，刚性计算部251利用不同的拍摄图像内的桥梁102相同这一情况来计算共同的刚性分布。如果在车辆402通过桥梁102时对桥梁102进行运动图像拍摄，则能够容易获得载荷分布不同的多个拍摄图像。由此，能够更高精度地求出桥梁102的刚性分布。
[1-2-4.动作例2]
接下来，对计算剪切刚性Ss(x)的例子进行说明。在该情况下，刚性计算部251能够利用如数学式7那样的力学方程式，与弯曲刚性的情况同样地计算剪切刚性分布。在此，Sb为弯曲刚性。
【数学式7】
Figure BDA0001800157660000131
[1-2-5.动作例3]
接下来，利用图13以及图14，对计算扭转刚性St的例子进行说明。图13是表示桥梁和拍摄装置的位置关系的一例的图。图14是表示桥梁的剖面的图。图14表示在图13所示的A-A线处被切断的桥梁102的剖面。
在图13中，设上侧为桥梁102的纵深方向，下侧为桥梁102的跟前方向。设车辆402从跟前侧沿纵深方向行驶。此时，摄像机130相对于车辆的行进方向而从右侧拍摄桥梁102。此外，摄像机131相对于车辆的行进方向而从左侧拍摄桥梁102。即，摄像机130(多个拍摄装置之中的一个拍摄装置的一例)相对于桥梁102被配置在与摄像机131(多个拍摄装置之中的另一个拍摄装置的一例)相反的一侧。
图14是表示桥梁102被扭转的状态的图。更详细而言，由于车辆402的载荷，桥梁102受到扭转力矩MT，扭转了扭转角
Figure BDA0001800157660000133
在图14中，位移YL、位移YR是由于车辆402的载荷而在桥梁102的左侧以及右侧的各端部发生的位移。位移计算部230根据摄像机130以及摄像机131的拍摄图像来分别计算位移YR以及位移YL。
刚性计算部251能够利用数学式8来计算扭转刚性St。
【数学式8】
Figure BDA0001800157660000132
在此，输入I/F210受理由摄像机130以及摄像机131同步拍摄到桥梁102的两个拍摄图像的输入。在此，摄像机130以及摄像机131如图13那样沿着桥轴直角方向(与A-A线平行的方向)配置在桥梁102的两侧。位移计算部230根据摄像机130生成的拍摄影像来计算位移分布yR(x)，根据摄像机131生成的拍摄影像来计算位移分布yL(x)。位移计算部230利用yR(x)、yL(x)和数学式9来计算桥梁102的扭转角在此，Wb为已知的桥梁102的宽度。
【数学式9】
Figure BDA0001800157660000141
此外，载荷估计部240根据车辆402的通行影像来判断通行车道，从而求出与桥轴垂直的方向上的车辆402的位置z。在此，车道的高度方向的位置预先设为已知。此时，载荷估计部240利用载荷位置z×载荷w×重力加速度g来计算扭转力矩MT。
[1-2-6.动作例4]
接下来，利用图15A～15D来说明求出具有悬吊构造的桥梁112的铅垂缆索的轴刚性Sa的情况。
图15A是表示桥梁的拍摄图像的另一例的图。如图15A所示，桥梁112具有悬吊构造，具备3根铅垂缆索151～153。
图15B是表示设定于桥梁的计测点的配置的另一例的图。如图15B所示，将各铅垂缆索的两端点设定在计测点151a、151b、152a、152b、153a、153b。
图15C是表示桥梁的缆索长度的图。图15C表示未对桥梁112施加载荷的状态。在图15C中示出铅垂缆索152的缆索长度为L。
图15D是表示桥梁的缆索长度的另一状态的图。图15D表示车辆402在桥梁112上行驶从而对桥梁112施加了载荷的状态。图15D表示桥梁112由于车辆402的载荷而挠曲从而铅垂缆索152的长度成为L+δL。
在该情况下，刚性计算部251能够利用数学式10来计算铅垂缆索152的轴刚性Sa。在此，N为由于载荷而产生的施加于铅垂缆索152的力，通过车辆402的载荷w×重力加速度g来计算。δL为通过施加了载荷w而产生的铅垂缆索152的缆索长度的伸长量。δL为计测点152a和152b的位移的差分。关于铅垂缆索151、153，也能够同样计算δL。
【数学式10】
Figure BDA0001800157660000151
除了具有上述悬吊构造的桥墩以外，在求出斜拉桥、竖琴桥、具有电缆构造的电线、铁塔等复合构造物整体的刚性分布的情况下，也能够应用同样的方法。
以上，在实施方式1中示出了弯曲刚性、剪切刚性、扭转刚性、以及轴刚性的计算例，但无需总是对它们全部进行计算。可以不计算能够预先忽略的刚性参数、不必要的刚性参数。此外，在刚性计算中利用的力学方程式可以是比上述的式子简化的式子、更严格的式子。此外，可以利用同时包含多种刚性参数的力学方程式。
[1-3.效果等]
如以上，本实施方式的刚性测定装置200是对计测对象的刚性进行测定的刚性测定装置，具备载荷估计部240、位移计算部230和刚性计算部250。载荷估计部240利用拍摄到桥梁102的拍摄图像来估计对设定于桥梁102的计测点施加的载荷。位移计算部230利用拍摄图像来计算计测点的位移。刚性计算部250利用载荷和位移来计算桥梁102的刚性。
由此，能够从远处测定计测对象的刚性。
此外，载荷估计部240通过对设定于桥梁102的多个计测点所施加的载荷进行估计，由此来计算桥梁102的载荷分布。位移计算部230通过计算多个计测点的位移，由此来计算桥梁102的位移分布。刚性计算部250利用载荷分布和位移分布来计算桥梁102的刚性分布。
由此，能够从远处测定计测对象的整体的刚性分布。
因此，能够简便且低成本地获取计测对象的构造物整体的位移分布和载荷分布并计算刚性分布。因而，能够容易获得构造物的强度评价等。此外，由于记录影像，因此也存在还易于同时掌握计测对象的外观状态的优点。
此外，摄像机101对计测对象上的包括计测点以及基准计测点的宽范围进行拍摄，从而能够抑制摄像机抖动的影响来高精度地测定计测对象的刚性。
(实施方式2)
以下，利用图1～3、图7、图16～19B来说明实施方式2。
在拍摄装置101生成的多个拍摄图像中，桥梁102不限于始终在相同的位置被拍摄。在这种情况下，若将在某拍摄图像中设定的计测点的坐标位置应用于其他拍摄图像，则应用的计测点的位置有可能偏离本来设定的位置。因而，关于位移计算部230计算出的位移，能够计算位置发生了偏离的计测点间的位移。为了消除该问题，实施方式2所涉及的刚性测定装置202具备设定部280。设定部280参照在其他拍摄图像中设定的计测对象上的计测点的位置来设定位移计算对象的拍摄图像中的计测对象的计测点的位置。
[2-1.结构]
图16是表示实施方式2中的刚性测定装置202的一结构例的框图。在图16中，关于进行与图2相同动作的构成要素赋予相同的符号，并省略说明。
实施方式2的刚性测定装置202除了实施方式1的刚性测定装置200的结构之外，还具备设定计测点的设定部280。
设定部280基于计测对象来设定计测点。换言之，设定部280基于第2拍摄图像中的设定于桥梁102的计测点来设定第1拍摄图像中的桥梁102的计测点。在本实施方式中，设在第1拍摄图像的拍摄时和第2拍摄图像的拍摄时，拍摄装置101的拍摄位置不同。另外，即便是第1拍摄图像和第2拍摄图像的拍摄顺序相反的情况，本实施方式也能够应用。
[2-2.动作]
在实施方式1的刚性测定装置200和实施方式2的刚性测定装置202中，仅设定部280设定计测点的动作不同，因此在此仅说明设定部280的动作。
在实施方式2中，将作为位移计算的对象的第1拍摄图像设为图7的拍摄图像500。
图17是表示实施方式2中的桥梁102的第2拍摄图像的一例的图。图17是表示拍摄图像800和拍摄图像800中的设定在桥梁102上的计测点的配置例的图。在拍摄图像500以及拍摄图像800中，分别从不同的拍摄位置拍摄到桥梁102。
在图17中，计测点801～计测点811表示设定于桥梁102的计测点。另外，计测点801～811与实施方式1同样地可以预先由用户设定，也可以在对桥梁102进行了图像识别之后在桥梁102上自动设定。
如图7以及图17所示，设相对于拍摄图像500中的桥梁102的位置，拍摄图像800中的桥梁102的位置向右下侧偏离。如此，在拍摄到相同计测对象的多个拍摄图像间，拍摄到的计测对象的位置发生了偏离的情况下，在各个拍摄图像中设定于桥梁102的计测点的位置有可能偏离(不同)。
因而，在实施方式2中，设定部280基于拍摄图像800和计测点801～811(包含基准计测点)的位置，在图7的拍摄图像500中的桥梁102上设定计测点501～511(包含基准计测点)。
具体而言，设定部280对于拍摄图像500和拍摄图像800，利用图像的局部特征量、块匹配、相关法等，来决定与拍摄图像800的计测点对应的拍摄图像500中的计测点的位置。作为局部特征量，能够利用SIFT(Scale-Invariant Feature Transform：尺度不变特征变换)、SURF(Speeded Up Robust Features：加速鲁棒特征)等。
另外，实施方式2的刚性测定装置202与实施方式1同样地可以如图18的刚性测定装置203所示那样具备修正部270。图18是表示实施方式2中的刚性测定装置的另一结构例的框图。
[2-3.效果等]
如以上，实施方式2的刚性测定装置202还具备设定部280。设定部280基于桥梁102来设定计测点。
由此，在对过去计测出的计测对象进行重新计测的情况下，能够在计测对象上的相同位置计算位移。
因此，在对相同的计测对象进行重新拍摄时，拍摄位置、拍摄装置改变的情况下，基于计测对象来设定拍摄图像内的计测点。因而，能够减轻重新设定多个计测点的麻烦。即，能够容易进行在不同时期拍摄到的计测对象的计测结果的比较。
此外，在给定期间内多次拍摄计测对象时，例如即便是拍摄装置的姿势发生了变化的情况，本公开也能够应用。
(其他实施方式)
如以上，作为在本申请中公开的技术的例示，说明了实施方式1～2。然而，本公开中的技术不限定于此，也能够应用于进行了变更、置换、附加、省略等的实施方式。此外，也能够组合在上述实施方式中说明过的各构成要素来作为新的实施方式。
因此，以下例示其他实施方式。
摄像机101可以如图1所示那样是与刚性测定装置200不同的个体，也可以配备在刚性测定装置200内。此外，拍摄图像可以是黑白图像，也可以是彩色图像(包含多光谱)。此外，摄像机101可以不是通常的摄像机。摄像机101可以使利用测距传感器、加速度传感器来检测计测对象并将通过检测获得的排列数据作为图像来输出的摄像机。
在上述实施方式中，主要利用了一个摄像机，但可以如图13那样利用对同一计测对象的不同场所进行拍摄的多个摄像机。在该情况下，利用由多个摄像机同步拍摄到的拍摄图像，按照各摄像机生成的每个拍摄图像来进行处理，直到步骤S330为止。然后，关于步骤S340以后，能够将从多个拍摄图像获得的全部位移分布作为组来进行同样的处理。由此，关于由一个摄像机无法拍摄的计测对象，也能够高精度地进行位移计测。即，位移计算部230可以利用由多个拍摄装置同步拍摄到计测对象102的多个拍摄图像来计算位移。
此外，在上述实施方式中，虽然计算了二维的位移Di(x，y)，但也可以获取距离图像(depth image)来计算三维的位移Di(x，y，z)。在位移计算后执行与上述实施方式同样的过程，从而也能够获得高精度的三维位移。作为生成距离图像的摄像机或者方法，能够利用基于多个摄像机的同步拍摄的立体摄像机、多视点摄像机立体法、图案投影法、飞行时间(TOF：Time of flight)摄像机、激光位移计等。即，位移计算部230可以利用包括表示计测点与拍摄计测对象的拍摄装置的距离的信息在内的距离图像来计算位移。
此外，在上述实施方式中，作为计测对象而例示了桥梁102，但除了桥梁102以外，即便是大楼等建筑物、铁塔、烟囱、墙面、地板材料、板材、钢架脚手架、路面、线路、车身等，也可获得同样的效果。
此外，摄像机101拍摄的光除了可见光以外，还可以是紫外光、近红外光、远红外光。
此外，可以使刚性计算部250计算出的刚性分布可视化。例如，控制部220(叠加图像生成部的一例)可以生成基于由刚性计算部250计算出的刚性的图像相对于多个拍摄图像之中的至少一个叠加得到的叠加图像。同样，控制部220可以如图20那样使位移计算部230计算出的位移分布20a、载荷估计部240计算出的载荷分布20b相对于摄影图像20c进行叠加来可视化。由此，用户能够确认刚性测定装置200的动作。无需全部显示位移分布、载荷分布、以及刚性分布，可以仅显示任一个必要的分布。
控制部220如图19A所示那样生成基于刚性分布的图像相对于拍摄到桥梁102的拍摄图像叠加得到的叠加图像。在图19A中，虚线Q1表示与桥梁102的位置相匹配地显示出的刚性分布。在图19A中，虚线Q1向下方凹陷的附近表示桥梁102的一部分的刚性下降。刚性分布除了曲线显示以外，还可以通过浓淡、彩色显示来表示。通过如此显示，从而能够易于掌握桥梁102的刚性的空间分布。在使用距离图像的情况下，能够利用3D显示来实现同样的显示。
此外，刚性计算部250可以存储计测对象的刚性的基准值，利用该基准值来判断计算出的刚性是否异常。刚性计算部250例如在计算出的刚性为基准值以下的情况下，判断为刚性异常。控制部220可以如图19B那样除了刚性分布的可视化之外，还使得表示刚性计算部250判断为异常的刚性的位置可视化。在图19B中，用粗线Q2来表示刚性异常的位置。即，刚性计算部250可以输出判断了刚性是否异常的结果。
此外，位移计算部230可以在空间上对计算出的计测对象整体的位移进行插补，由此来估计计测点以外的点的位移。此外，修正部270可以修正拍摄图像或者位移计算部230计算出的位移，以使得拍摄图像中包含的计测对象的实际缩放变得相等。在对拍摄图像进行修正的情况下，在位移计算部230计算位移之前，修正部270进行修正处理。
此外，刚性计算部250可以组合互不相同的多个载荷分布和与各载荷分布对应的位移分布来计算刚性分布。
另外，上述实施方式用于例示本公开中的技术，因此能够在权利要求书或其均等的范围内进行各种变更、置换、附加、省略等。
产业上的可利用性
本公开所涉及的刚性测定装置能够利用于构造体的构造强度的计测、测定、分析、诊断、检查等。
符号说明
1：刚性测定系统；
101、130、131：摄像机(拍摄装置)；
102、112：桥梁(计测对象)；
200、201、202、203：刚性测定装置；
210：输入输出I/F；
220、221：控制部；
230：位移计算部；
240：载荷估计部；
250、251：刚性计算部；
260：存储器；
270：修正部；
280：设定部。

Claims (17)

1.一种刚性测定装置，对计测对象的刚性进行测定，
所述刚性测定装置具备：
载荷估计部，利用拍摄到所述计测对象的拍摄图像，基于所述计测对象上的载荷源的载荷值和所述载荷源的位置来估计对设定于所述计测对象的计测点施加的载荷；
位移计算部，利用所述拍摄图像来计算所述计测点的位移；和
刚性计算部，利用所述载荷和所述位移来计算所述计测对象的刚性。
2.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述刚性测定装置具备存储载荷源的载荷值的存储部，
所述载荷估计部利用所述拍摄图像来检测所述计测对象上的所述载荷源的位置，利用所述载荷值和所述载荷源的位置来估计对所述计测点施加的载荷。
3.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述刚性测定装置具备存储与载荷源的种类对应的载荷值的存储部，
所述载荷估计部利用所述拍摄图像来检测所述计测对象上的所述载荷源的位置以及种类，利用与所述载荷源的种类对应的载荷值和所述载荷源的位置来估计对所述计测点施加的载荷。
4.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述刚性测定装置具备存储给定的载荷值的存储部，
所述载荷估计部利用所述拍摄图像来检测所述计测对象上的载荷源的位置，利用所述给定的载荷值和所述载荷源的位置来估计对所述计测点施加的载荷。
5.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述刚性测定装置具备基于所述计测对象来设定所述计测点的设定部。
6.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述刚性测定装置具备修正部，
所述位移计算部计算给定的基准计测点的基准位移，
所述修正部利用所述基准位移来修正所述位移，
所述刚性计算部利用被修正后的所述位移来计算所述刚性。
7.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述位移计算部利用块匹配或者相关法来计算所述位移。
8.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述载荷估计部通过估计对设定于所述计测对象的多个所述计测点施加的载荷，由此来计算所述计测对象的载荷分布，
所述位移计算部通过计算所述多个计测点的位移，由此来计算所述计测对象的位移分布，
所述刚性计算部利用所述载荷分布和所述位移分布来计算所述计测对象的刚性分布。
9.根据权利要求8所述的刚性测定装置，其中，
所述刚性计算部组合互不相同的多个所述载荷分布和与所述多个载荷分布分别对应的所述位移分布，来计算所述刚性分布。
10.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述刚性测定装置具备叠加图像生成部，所述叠加图像生成部生成对所述拍摄图像叠加基于所述刚性的图像而得到的叠加图像。
11.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述刚性计算部存储所述计测对象的刚性的基准值，利用所述基准值来判断计算出的所述刚性是否异常，并输出判断出的结果。
12.根据权利要求11所述的刚性测定装置，其中，
所述刚性测定装置具备叠加图像生成部，该叠加图像生成部生成对所述拍摄图像叠加基于所述刚性的图像而得到的叠加图像，
所述叠加图像生成部使所述刚性计算部判断为异常的所述刚性在所述叠加图像中可视化。
13.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述刚性测定装置具备缩放部，所述缩放部基于所述计测点与拍摄所述计测对象的拍摄装置的距离来对所述位移进行缩放修正。
14.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述位移计算部利用由多个拍摄装置同步拍摄到所述计测对象的多个所述拍摄图像来计算所述位移。
15.根据权利要求14所述的刚性测定装置，其中，
所述多个拍摄装置之中的一个拍摄装置相对于所述计测对象被配置在与所述多个拍摄装置之中的其他拍摄装置相反的一侧。
16.根据权利要求1所述的刚性测定装置，其中，
所述拍摄图像包括表示所述计测点与拍摄所述计测对象的拍摄装置的距离的信息，
所述位移计算部利用所述拍摄图像来计算所述位移。
17.一种刚性测定方法，对计测对象的刚性进行测定，
所述刚性测定方法包括：
载荷估计步骤，利用拍摄到所述计测对象的拍摄图像，基于所述计测对象上的载荷源的载荷值和所述载荷源的位置来估计对设定于所述计测对象的计测点施加的载荷；
位移计算步骤，利用所述拍摄图像来计算所述计测点的位移；和
刚性计算步骤，利用所述载荷和所述位移来计算所述计测对象的刚性。
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