CN114303168A - 应力解析装置 - Google Patents

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CN114303168A CN202080059646.0A CN202080059646A CN114303168A CN 114303168 A CN114303168 A CN 114303168A CN 202080059646 A CN202080059646 A CN 202080059646A CN 114303168 A CN114303168 A CN 114303168A
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入江庸介
井上裕嗣
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Abstract

本发明提供一种能够获得精度被进一步改善的应力图像的应力解析装置。应力解析装置具备：摄像元件，其针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；特征点提取部，其提取各温度图像中的特征点；射影变换部，其将各温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各温度图像中的特征点一致；像素重新排列部，其将进行射影变换后的各温度图像的像素排列相对于作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；应力变换部，其将像素重新排列后的各温度图像乘以应力变换系数来得到各应力图像；以及加法平均部，其对各应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像。

Description

应力解析装置
技术领域
本发明涉及一种使用了多个温度图像的应力解析装置。
背景技术
关于根据温度图像进行应力解析的技术，提出了各种各样的技术(例如，参照专利文献1。)。在这些应力解析技术中，利用在从温度图像获得的对象物的温度变化与影响该对象物的应力之间具有线性关系，来从温度图像获得应力图像。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2017/141294号
发明内容
发明要解决的问题
但是，在从一般的温度图像获得应力变化的情况下，由于源自摄像元件的噪声而得不到足够精度的应力图像。
因此，本发明的目的在于提供一种能够获得精度被进一步改善的应力图像的应力解析装置。
用于解决问题的方案
本公开所涉及的应力解析装置具备：
摄像元件，其针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
特征点提取部，其提取各所述温度图像中的特征点；
射影变换部，其将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
像素重新排列部，其将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
应力变换部，其将像素重新排列后的各所述温度图像乘以应力变换系数来得到各应力图像；以及
加法平均部，其对所述各应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像。
本发明所涉及的应力解析方法包括以下步骤：
针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
提取各所述温度图像中的特征点；
将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
将像素重新排列后的各所述温度图像乘以应力变换系数来得到各应力图像；以及
对所述各应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像。
本发明所涉及的温度测定装置具备：
摄像元件，其针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
特征点提取部，其提取各所述温度图像中的特征点；
射影变换部，其将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
像素重新排列部，其将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
温度图像获取部，其获得像素重新排列后的各所述温度图像；以及
温度图像加法平均部，其对各所述温度图像进行加法平均来得到加法平均温度图像。
本发明所涉及的温度测定方法包括以下步骤：
针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
提取各所述温度图像中的特征点；
将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
获得像素重新排列后的各所述温度图像；
对各所述温度图像进行加法平均来得到加法平均温度图像。
这些概括性的且特定的方式可以通过系统、方法、计算机程序、以及系统、方法与计算机程序的任意组合来实现。
发明的效果
根据本发明所涉及的应力解析装置，由于对多个应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像，因此能够得到精度被改善的应力图像。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的应力解析装置的结构的框图。
图2是实施方式1所涉及的应力解析方法的流程图。
图3是示出变形例所涉及的应力解析装置中使用的复眼摄像机得到的视场1至视场4的4个温度图像的概要图。
图4A是示出实施方式1所涉及的应力解析装置的视场1至视场4这4个视场中的视场1的温度图像中的特征点的概要图。
图4B是示出实施方式1所涉及的应力解析装置的视场1至视场4这4个视场中的视场2的温度图像中的特征点的概要图。
图4C是示出实施方式1所涉及的应力解析装置的视场1至视场4这4个视场中的视场3的温度图像中的特征点的概要图。
图4D是示出实施方式1所涉及的应力解析装置的视场1至视场4这4个视场中的视场4的温度图像中的特征点的概要图。
图5A的(a)是示出视场1的温度图像的包含特征点的像素排列的概要图，(b)是示出视场2的温度图像的包含特征点的像素排列的概要图。
图5B的(a)是示出基于作为基准的视场1的温度图像的坐标系的像素排列的概要图，(b)是示出将图5A的(b)的视场2的温度图像以使特征点一致的方式射影变换为视场1的温度图像的坐标系之后的视场2的温度图像的像素排列的概要图。
图6A的(a)是示出基于作为基准的视场1的温度图像的坐标系的像素排列的概要图，(b)是示出射影变换为视场1的温度图像的坐标系之后的视场2的温度图像的像素排列的概要图。
图6B的(a)是示出作为基准的视场1的温度图像的像素排列的概要图，(b)是示出将视场2的温度图像的像素排列以与视场1的温度图像的像素排列对应的方式进行像素重新排列后的视场2的温度图像的像素排列的概要图。
图7是示出将射影变换后的视场2的像素排列向最接近的视场1的像素排列进行像素重新排列的概要图。
图8是示出1个像素的温度变化的通过采样得到的插值前的数据点以及通过采样得到的对各数据点之间进行插值的插值后的数据点的概要图。
图9是示出针对与温度图像的傅立叶变换后的频率对应的振幅进行振幅校正之前及之后的情形的概要图。
图10是示出图9的振幅校正时使用的一阶延迟系统的频率响应函数的一例的图。
图11A是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场1的温度图像的一阶延迟系统的频率响应函数中的时间常数的图。
图11B是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场2的温度图像的一阶延迟系统的频率响应函数中的时间常数的图。
图11C是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场3的温度图像的一阶延迟系统的频率响应函数中的时间常数的图。
图11D是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场4的温度图像的一阶延迟系统的频率响应函数中的时间常数的图。
图12是将振幅校正后的各视场中的对应的相同像素的温度随时间的变化叠加示出的图。
图13是将图12的振幅校正后的各视场中的对应的相同像素的温度随时间的变化以使开始点一致的方式叠加示出的图。
图14A是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场1的温度图像以截距的倒数计算出的应力变换系数的图。
图14B是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场2的温度图像以截距的倒数计算出的应力变换系数的图。
图14C是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场3的温度图像以截距的倒数计算出的应力变换系数的图。
图14D是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场4的温度图像以截距的倒数计算出的应力变换系数的图。
图15A是将1个视场的温度图像中的1个像素的作为温度随时间的变化的温度数据与载荷数据叠加示出的图。
图15B是将2个视场的温度图像中的对应的相同像素的作为温度的加法平均的温度变化的温度数据与载荷数据叠加示出的图。
图15C是将3个视场的温度图像中的对应的相同像素的作为温度的加法平均的温度变化的温度数据与载荷数据叠加示出的图。
图15D是将4个视场的温度图像中的对应的相同像素的作为温度的加法平均的温度变化的温度数据与载荷数据叠加示出的图。
图16是示出针对1个像素的加法平均的次数与温度数据同载荷数据的相关系数之间的关系的图。
图17是示出针对1个像素的加法平均的次数与温度数据同载荷数据的均方根误差(RMSE)之间的关系的图。
图18A是示出沿着温度图像的X方向进行1次的加法平均的情况和进行4次的加法平均的情况下的温度数据与载荷数据的均方根误差(RMSE)的图。
图18B是示出沿着温度图像的Y方向进行1次的加法平均的情况和进行4次的加法平均的情况下的温度数据与载荷数据的均方根误差(RMSE)的图。
图19是示出实施方式2所涉及的温度测定装置50的结构的框图。
图20是实施方式2所涉及的温度测定方法的流程图。
具体实施方式
第1方式所涉及的应力解析装置具备：
摄像元件，其针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
特征点提取部，其提取各所述温度图像中的特征点；
射影变换部，其将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
像素重新排列部，其将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
应力变换部，其将像素重新排列后的各所述温度图像乘以应力变换系数来得到各应力图像；以及
加法平均部，其对所述各应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像。
关于第2方式所涉及的应力解析装置，也可以是，在上述第1方式所涉及的应力解析装置中，还具备背景温度减法部，所述背景温度减法部从像素重新排列后的各所述温度图像中减去背景温度。
关于第3方式所涉及的应力解析装置，也可以是，在上述第1或第2方式所涉及的应力解析装置中，还具备振幅校正部，所述振幅校正部针对像素重新排列后的各所述温度图像，通过将傅立叶变换后的频率与振幅的关系除以一阶延迟系统的频率响应函数来进行振幅校正。
关于第4方式所涉及的应力解析装置，也可以是，在上述第1至第3方式中的任一方式所涉及的应力解析装置中，还具备样条插值部，所述样条插值部针对像素重新排列后的各所述温度图像的所述同一时间范围进行样条插值。
关于第5方式所涉及的应力解析装置，也可以是，在上述第1至第4方式中的任一方式所涉及的应力解析装置中，在获取所述2个以上的温度图像时，所述摄像元件使所述2个以上的温度图像中包含同步信号，并且
所述应力解析装置还具备开始点设定部，所述开始点设定部基于所述同步信号来使像素重新排列后的各所述温度图像的开始点一致。
第6方式所涉及的应力解析方法包括以下步骤：
针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
提取各所述温度图像中的特征点；
将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
将像素重新排列后的各所述温度图像乘以应力变换系数来得到各应力图像；以及
对所述各应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像。
第7方式所涉及的温度测定装置具备：
摄像元件，其针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
特征点提取部，其提取各所述温度图像中的特征点；
射影变换部，其将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
像素重新排列部，其将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
温度图像获取部，其获得像素重新排列后的各所述温度图像；以及
温度图像加法平均部，其对各所述温度图像进行加法平均来得到加法平均温度图像。
第8方式所涉及的温度测定方法包括以下步骤：
针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
提取各所述温度图像中的特征点；
将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
获得像素重新排列后的各所述温度图像；
对各所述温度图像进行加法平均来得到加法平均温度图像。
下面，参照附图来说明实施方式所涉及的应力解析装置。此外，针对附图中实质上相同的构件标注相同的附图标记。
(实施方式1)
<应力解析装置>
图1是示出实施方式1所涉及的应力解析装置40的结构的框图。
该应力解析装置40具备：摄像元件20a～20d，其获取2个以上的温度图像；特征点提取部35a，其提取各温度图像中的特征点；射影变换部35b，其将各温度图像进行位置对准；像素重新排列部35c，其将各温度图像的像素排列进行重新排列；应力变换部35h，其将各温度图像乘以应力变换系数来得到各应力图像；以及加法平均部35i，其对各应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像。摄像元件20a～20d针对对象物1的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像。射影变换部35b将各温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各温度图像中的特征点一致。像素重新排列部35c将进行射影变换后的各温度图像的像素排列相对于作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列。
根据该应力解析装置40，对2个以上的应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像。由此，源自摄像元件的噪声通过各应力图像的加法平均而被消除，得到精度被改善的应力图像。
下面，对构成该应力解析装置40的各构件进行说明。
<对象物>
对象物1是作为被解析应力的对象的物体。在图1中，示出了细长的试验片，但是对象物1不限于此。例如，也可以是桥梁、高楼、塔等建筑物、车辆、船舶、飞机等可动体以及红外线摄像机侧移动的情况。
<载荷施加部>
在图1中，通过载荷施加部10来支承对象物1。可以利用该载荷施加部10来将已知的正弦波负荷、多个频率的正弦波负荷复合地施加于对象物1。在该情况下，从载荷施加部10施加于对象物1的载荷是已知的。此外，载荷施加部10只要根据需要设置即可，是任意的结构。另外，对该应力解析装置中作为解析的对象的对象物1施加的载荷不仅包含上述已知的载荷，还包含未知的载荷。
通过利用该载荷施加部10对对象物1施加已知的载荷，能够进行所得到的温度图像的温度数据与已知的载荷数据的对比。针对各摄像元件，一阶延迟系统的频率响应函数的时间常数不同，应力变换系数也不同。因此，通过该载荷施加部10对对象物施加已知的正弦波负荷，能够计算各摄像元件的频率响应函数的时间常数以及应力变换系数。
<摄像元件>
在图1中，示出了4个摄像元件20a～20d。另外，在图1中，这些摄像元件20a～20d是以将4个分别由透镜和摄像元件构成的红外线摄像机组合在一起的结构示出的。在图1中，将4个摄像元件20a～20d以1层配置2个且整体配置成2层的方式进行配置，但配置方法不限于此。例如，也可以将4个摄像元件20a～20d沿横向并列配置成一列。
摄像元件20a～20d具有多个像素、例如320×256个像素，针对对象物1的同一区域拍摄同一时间范围的视场1至视场4的4个温度图像(图4A至图4D)。温度图像也称为红外线图像。拍摄是以规定的帧频、例如5Hz～3000Hz(5张/秒～3000张/秒)进行拍摄。此外，上述摄像元件20a～20d的上述特性是一例，并不限定于这些。
另外，关于摄像元件，这里示出了4个的情况，但不限于此。摄像元件只要能够获得2个以上的温度图像即可，既可以如后述的变形例所示的那样是1个，也可以是多个。
<图像处理部(计算机装置)>
通过图像处理部30进行多个温度图像的图像处理。图像处理部30例如是计算机装置。作为该计算机装置，能够使用通用的计算机装置，例如图1所示，包括处理部31、存储部32以及显示部33。此外，也可以还包括输入装置、存储装置、接口等。
<处理部>
处理部31例如只要是中央处理算子(CPU、MPU等)、微计算机、或能够执行计算机可执行命令的处理装置即可。
<存储部>
存储部32例如可以是ROM、EEPROM、RAM、快闪SSD、硬盘、USB存储器、磁盘、光盘、光磁盘等中的至少一者。
在存储部32中包括程序35。此外，在图像处理部30连接于网络的情况下，也可以根据需要从网络下载程序35。
<程序>
在程序35中包括特征点提取部35a、射影变换部35b、像素重新排列部35c、应力变换部35h以及加法平均部35i。这些部在执行时被从存储部32读出并由处理部31执行。
此外，在图1中，除上述以外还包括背景温度减法部35d、样条插值部35e、振幅校正部35f以及开始点设定部35g，但这些不是必需的结构，是任意的构成要素。
<特征点提取部>
在特征点提取部35a中，提取各温度图像中的特征点。此外，在温度图像中，温度不同的部位被表现为浓淡的差异。另一方面，相同温度的部位无论形状如何都被表现为相同温度，无法加以区分。因而，在通常的图像中能够成为特征点的形状等差异在温度图像中则不是明显的差异，难以被用作特征点。也就是说，在温度图像中，在外观上以不同的温度看到的部位才能够成为特征点。因此，例如，也可以在对象物的表面局部地设置改变辐射率的图案。即使温度与周围实质相同，但设置有辐射率不同的图案的部位能够在温度图像内在外观上被以不同的温度识别出图案，从而能够成为特征点。关于辐射率不同的图案，在对象物1的表面为接近黑体的辐射率的情况下，例如可以将辐射率低的铝薄膜粘贴于对象物1的局部来形成图案。
图4A是示出视场1至视场4这4个视场中的视场1的温度图像中的特征点的概要图。图4B是示出视场1至视场4这4个视场中的视场2的温度图像中的特征点的概要图。图4C是示出视场1至视场4这4个视场中的视场3的温度图像中的特征点的概要图。图4D是示出视场1至视场4这4个视场中的视场4的温度图像中的特征点的概要图。
在图4A至图4D中，示出了在视场1至视场4的各视场的温度图像中在对象物1的表面设置的辐射率不同的图案被检测为具有明显温度差的特征点的情形。具体地说，在细长的对象物的上下分别用4个圆形○形成的正方形的图案被检测为特征点。在各视场的温度图像中，对象物的上下的正方形的图案彼此对应。
<射影变换部>
在射影变换部35b中，将各温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各温度图像中的特征点一致。
首先，根据特征点求出用于使视场2、3、4的温度图像与视场1的温度图像重叠的射影变换的系数。从(x，y)变换为(x’，y’)的射影变换的式子如下。
Figure BDA0003516169300000111
Figure BDA0003516169300000121
此外，f0为常数，hij为系数。这里，将f0设为1，使用最小二乘法来求出系数。
当使用将第三成分设为1的归一化运算子Z[]时，表示为下面的式子。
x’＝Z[Hx]
其中，x、x’、H如下面那样表示。
Figure BDA0003516169300000122
此外，归一化为||H||＝1。
式子x’＝Z[Hx]表示向量x’与Hx平行，因此与下面的式子等效。
x’×Hx＝0
接着，如下面那样定义9维向量h、ξ(1)、ξ(2)、ξ(3)。
Figure BDA0003516169300000123
根据x’×Hx＝0得到下面的约束式。
(ξ(1)，h)＝0、(ξ(2)，h)＝0、(ξ(3)，h)＝0
其中，将(a，b)设为a、b的内积。
在给出了与N个特征点(xα、yα)对应的特征点(x’α、y’α)、(α＝1～N)时，将ξ(1)、ξ(2)、ξ(3)分别设为ξα (1)、ξα (2)、ξα (3)。
因此，求出成为(ξ(1)，h)～0、(ξ(2)，h)～0、(ξ(3)，h)～0、(α＝1～N)那样的向量h。
约束式的平方和如下。
Figure BDA0003516169300000131
其中，M用下面的式子表示。
Figure BDA0003516169300000132
应求出的向量h是对于使J最小的矩阵M的最小值而言的单位固有向量。
图5A的(a)是示出视场1的温度图像的包含特征点的像素排列的概要图，图5A的(b)是示出视场2的温度图像的包含特征点的像素排列的概要图。图5B的(a)是示出基于作为基准的视场1的温度图像的坐标系的像素排列的概要图，图5B的(b)是示出将图5A的(b)的视场2的温度图像以使特征点一致的方式射影变换为视场1的温度图像的坐标系之后的视场2的温度图像的像素排列的概要图。
当将图5A的(a)的视场1的温度图像的特征点与图5A的(b)的视场2的温度图像的特征点进行对比时可知，视场2的温度图像相对于视场1的温度图像顺时针旋转了45°。因此，为了以视场1的温度图像为基准使对应的特征点一致，需要进行使视场2的温度图像逆时针旋转45°的射影变换。
图5B的(b)的视场2的温度图像是示出进行使图5A的(b)的视场2的温度图像逆时针旋转45°的射影变换之后的像素排列的概要图。当将图5B的(a)的视场1的温度图像与图5B的(b)的射影变换后的视场2的温度图像进行对比时可知，各个特征点相互对应。
由此，能够以视场1的温度图像为基准来将视场2的温度图像进行位置对准。
<像素重新排列部(重采样)>
图6A的(a)是示出基于作为基准的视场1的温度图像的坐标系的像素排列的概要图，图6A的(b)是示出射影变换为视场1的温度图像的坐标系之后的视场2的温度图像的像素排列的概要图。图6B的(a)是示出作为基准的视场1的温度图像的像素排列的概要图，图6B的(b)是示出将视场2的温度图像的像素排列以与视场1的温度图像的像素排列对应的方式进行像素重新排列后的视场2的温度图像的像素排列的概要图。此外，在各图中，示出在3行3列的方格中分别配置有像素。
在像素重新排列部35c中，将进行射影变换后的各温度图像的像素排列相对于作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列。像素重新排列也称为重采样。例如，如图6A的(b)所示，存在射影变换后的视场2的温度图像的像素排列相对于视场1的温度图像的像素排列进行了旋转的情况。在该情况下，各温度图像中对应的像素是哪个可能是不明确的。因此，通过像素重新排列部35c将像素进行重新排列，以使视场2的温度图像的像素排列的结构与视场1的温度图像的像素排列的结构一致。
具体地说，当将图6A的(b)的射影变换后的视场2的温度图像与图6B的(b)的像素重新排列后的视场2的温度图像的像素排列进行对比时，像素重新排列前的视场2的像素排列的中央的特征点的3个像素直接对应于中央的纵向3个像素。另一方面，像素重新排列前的两侧角部的像素分别对应于像素重新排列后的两侧的正中间的像素。另外，像素重新排列前的与两侧角部相邻的侧部的像素对应于像素重新排列后的两侧的角部的像素。
由此，当将图6B的(a)的视场1的像素排列与图6B的(b)的视场2的像素排列进行对比时，两者的像素排列的结构一致，并且彼此对应的像素变得明确。
图7是示出将射影变换后的视场2的像素排列向最接近的视场1的像素排列进行像素重新排列的概要图。此外，在图7中，不同于图6A和图6B所示的在方格配置有各像素的情况，而是将视场1的像素排列和射影变换后的视场2的像素排列分别表示为各像素位于网格点。
在图6A的情况下，是视场2的像素排列相对于视场1的像素排列处于顺时针旋转了45°的关系的情况下的像素重新排列的例子，但是像素重新排列不限于此。也就是说，在像素排列相互形成任意的角度的情况下，如图7所示那样将视场2的像素排列的各像素向视场1的像素排列的最接近的各像素进行像素重新排列即可。具体地说，如图7的箭头所示那样重新配置与视场1的像素排列的各像素最接近的视场2的像素排列的各像素。该方法被称为“最接近法(最邻近法)”。由此，视场2的像素排列成为与视场1的像素排列相同的结构。
由此，即使在像素排列相互形成任意的角度的情况下，也能够将视场2的像素排列向与视场1的像素排列相同的像素排列进行像素重新排列。
此外，像素重新排列的方法不限于上述的最接近法，也可以通过其它方法来进行。另外，像素重新排列不是必需的结构，根据需要设置即可。
<背景温度减法部>
在背景温度减法部35d中，从像素重新排列后的各温度图像中减去背景温度。背景温度例如可以是虽然存在于对象物的周围但与对象物无关且未受到应力的背景物等的温度。通过从温度图像中减去背景温度，能够降低因环境的温度变化而引起的背景噪声(backnoise)。特别是在温度变化大的情况下对于噪声降低是有效的。此外，背景物不限于自然中存在的物体，例如也可以是预先设置的板等。
另外，在如冷却型的摄像元件那样发生温度漂移的摄像元件的情况下，将被认为温度变动恒定的物体作为被获得背景温度的物体而映现于温度图像内是有效的。
此外，在不需要实质地考虑背景温度的变化的情况下，背景温度减法部不是必需的。
<样条插值部>
在样条插值部35e中，针对像素重新排列后的各温度图像的同一时间范围进行样条插值。基于通过对各温度图像的各像素进行采样得到的插值前的数据点，来针对数据点之间获得多项式近似、例如3次式近似式，以将各数据点平滑地连接，由此进行样条插值。通过进行样条插值，能够得到各温度图像的数据点之间的连续的时间内的温度变化。由此，即使是各摄像元件的帧频发生偏差而在不同的定时进行采样从而导致各温度图像中数据点发生了偏差的情况，也能够通过插值来计算相同定时的数据点。此外，能够通过一般进行的方法来进行样条插值。
针对测量数据(x0、y0)、(x1、y1)、···(xn、yn)，通过下面的式子得到区间[xi，xi+1](i＝0、1、···、n-1)内的x的插补值y。
y＝Ayi+Byi+1fCy”i+Dy”
Figure BDA0003516169300000161
B＝1-A
Figure BDA0003516169300000162
Figure BDA0003516169300000163
图8是示出1个像素的温度变化的通过采样得到的插值前的数据点以及通过采样得到的对各数据点之间进行插值的插值后的数据点的概要图。如图8所示，示出在插值后在通过采样得到的数据点之间作为各温度图像中的相同定时的数据点进行插值所得到的数据点。
此外，在如各温度图像的采样的定时实质相同的情况、或者在如复眼红外线摄像机的情况那样由同一摄像元件获得了多个温度图像的情况下，不需要进行样条插值。
<振幅校正部>
图9是示出针对与温度图像的傅立叶变换后的频率对应的振幅进行振幅校正之前及之后的情形的概要图。图10是示出图9的振幅校正时使用的一阶延迟系统的频率响应函数的一例的图。
在振幅校正部35f中，针对像素重新排列后的各温度图像，通过将傅立叶变换后的频率与振幅的关系除以一阶延迟系统的频率响应函数来进行振幅校正。
频率越高的情况下，则温度变化的振幅越容易衰减。该振幅的衰减倾向例如假定用一阶延迟系统来表示。该情况下的频率响应函数用图10所示的下述式子来表示。此外，在图10中，将校正对象的频率ω最高设为10Hz。这是由于频率越高则校正量越多，因此，这里，作为校正对象的频率范围，将10Hz设为上限。在该情况下，10Hz也是高频率。也就是说，频率越高，则一阶延迟系统的频率响应函数越小，因此越是高频率则校正后的振幅越大。此外，如果为校正对象的上限以上，则将频率响应函数的值设为1，因此不进行校正。
H(ω)＝(1-jωα)/(1+02α2)
此外，α为时间常数。
图11A是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场1的温度图像的一阶延迟系统的频率响应函数中的时间常数的图。图11B是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场2的温度图像的一阶延迟系统的频率响应函数中的时间常数的图。图11C是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场3的温度图像的一阶延迟系统的频率响应函数中的时间常数的图。图11D是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场4的温度图像的一阶延迟系统的频率响应函数中的时间常数的图。
如图11A至图11D所示，通过向对象物1施加已知的正弦波负荷，将所得到的温度变化除以应力，并且用上述一阶延迟系统的频率响应函数进行拟合，能够求出时间常数α。能够使用所得到的时间常数α来计算各视场的一阶延迟系统的频率响应函数，针对各温度图像，将傅立叶变换后的频率与振幅的关系除以计算出的一阶延迟系统的频率响应函数来进行振幅校正。
此外，校正对象的频率范围的上限不限于10Hz。
另外，在摄像元件的频率特性恒定的情况下，不需要进行振幅校正。
<开始点设定部>
在开始点设定部35g中，基于各温度图像中包含的同步信号来使像素重新排列后的各温度图像的开始点一致。通过在各温度图像中包含同步信号，能够确定各温度图像的同一时间，能够使开始点一致。同步信号例如具有作为因LED灯的发光而在各温度图像内引起的同一时间的温度变化的记录。能够将因LED灯的发光而在各温度图像内引起的同一时间的温度变化用作同步信号。
此外，同步信号不限于上述的作为因LED灯的发光而在各温度图像内引起的同一时间的温度变化的记录。例如，也可以将各摄像元件摄像时的快门的开闭用作同步信号。
另外，使开始点一致的方式不限于使用上述的各温度图像中包含的同步信号的情况。例如，也可以计算各温度图像的互相关来计算各温度图像的振幅最一致的定时，从而使开始点一致。
图12是将振幅校正后的各视场中的对应的相同像素的温度随时间的变化叠加示出的图。图13是将图12的振幅校正后的各视场中的对应的相同像素的温度随时间的变化以使开始点一致的方式叠加示出的图。
在图12中，由于各视场的温度图像的开始点发生了偏差，因此即使是相同周期的温度变化，在各视场中也不重叠。另一方面，如图13所示可知，通过使各视场的温度图像的开始点一致，相同周期的温度变化在各视场的温度图像中重叠。
此外，在如复眼红外线摄像机那样在硬件方面开始点已经一致的情况下，不需要进行开始点设定。
<应力变换部>
在应力变换部35h中，将像素重新排列后的各温度图像乘以应力变换系数来得到各应力图像。应力变换部35h例如使用表示热弹性效应的下面的式子(1)，根据温度变化量ΔT来计算应力变化量Δδ。
ΔT＝-KTΔδ…(1)
K为热弹性系数，且K＝α/(CP)，T为对象物的表面的绝对温度。α为对象物的表面的线膨胀系数，ρ为对象物的表面的密度，CP为应力恒定下的对象物的表面的比热。
而且，应力变换部35h能够得到基于全部像素的应力变化量的应力图像。
图14A是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场1的温度图像以截距的倒数计算出的应力变换系数的图。图14B是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场2的温度图像以截距的倒数计算出的应力变换系数的图。图14C是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场3的温度图像以截距的倒数计算出的应力变换系数的图。图14D是示出针对通过正弦波负荷实验得到的视场4的温度图像以截距的倒数计算出的应力变换系数的图。
能够使用图14A至图14D所示的各应力变换系数，来针对各视场的温度图像随时间的变化得到应力图像。
此外，该应力变换不限于在开始点设定后的定时进行的情况。例如，也可以在温度图像读入后进行。另外，也可以在之后的背景温度减法运算后、样条插值后、振幅校正后、加法平均后中的任一定时进行。
<加法平均部>
在加法平均部35i中，对各应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像。被进行加法平均的应力图像的数量为2个以上即可。若增加应力图像的数量则精度变高，但应力图像的数量过多也会导致进行处理所需要的时间等增多。另外，如果摄像元件的数量变多，则其配置等也变难。因此，通常是对例如4个应力图像进行加法平均即可。此外，至多对8个～10个应力图像进行加法平均即可。
图15A是将1个视场的温度图像中的1个像素的作为温度随时间的变化的温度数据与载荷数据叠加示出的图。图15B是将2个视场的温度图像中的对应的相同像素的作为温度的加法平均的温度变化的温度数据与载荷数据叠加示出的图。图15C是将3个视场的温度图像中的对应的相同像素的作为温度的加法平均的温度变化的温度数据与载荷数据叠加示出的图。图15D是将4个视场的温度图像中的对应的相同像素的作为温度的加法平均的温度变化的温度数据与载荷数据叠加示出的图。在图15A至图15D中，施加于对象物的载荷数据是已知的。因此，通过将根据温度图像随时间的变化得到的温度数据与载荷数据叠加示出，来获知从温度图像向应力图像的应力变换的精度。也就是说，温度数据与载荷数据越是一致，则应力变换的精度越高。
此外，从“温度数据”向“应力数据”的应力变换为线性变换，因此在图中，作为“温度数据”的单位，用应力变换后的“MPa”来表示。
如图15A所示，一个温度图像的温度数据相对于载荷数据而言噪声较大，应力图像的精度不足。另一方面，当将对2个温度图像的温度数据进行加法平均得到的图15B、对3个温度图像的温度数据进行加法平均得到的图15C、对4个温度图像的温度数据进行加法平均得到的图15D进行对比时，可知随着加法平均的次数增加而接近载荷数据。通过对多个温度图像、也就是多个应力图像进行加法平均来计算加法平均应力图像，能够得到精度被改善的应力图像。
图16是示出针对1个像素的加法平均的次数与温度数据同载荷数据的相关系数之间的关系的图。图17是示出针对1个像素的加法平均的次数与温度数据同载荷数据的均方根误差(RMSE)之间的关系的图。图18A是示出沿着温度图像的X方向进行1次的加法平均的情况和进行4次的加法平均的情况下的温度数据与载荷数据的均方根误差(RMSE)的图。图18B是示出沿着温度图像的Y方向进行1次的加法平均的情况和进行4次的加法平均的情况下的温度数据与载荷数据的均方根误差(RMSE)的图。
如图16所示，温度数据与载荷数据的相关系数随着加法平均的次数增加而变高。另外，如图17所示，温度数据与载荷数据的均方根误差(RMSE)随着加法平均的次数增加而变小。并且，如图18A所示，相比于沿着温度图像的X方向进行1次加法平均的情况而言，在沿着温度图像的X方向进行4次加法平均的情况下温度数据与载荷数据的均方根误差(RMSE)更低。同样地，如图18B所示，相比于沿着温度图像的Y方向进行1次加法平均的情况而言，在沿着温度图像的Y方向进行4次加法平均的情况下温度数据与载荷数据的均方根误差(RMSE)更低。
如以上那样可知，通过对多个温度图像、也就是多个应力图像进行加法平均来计算加法平均应力图像，能够得到精度被改善的应力图像。
<显示部>
也可以通过显示部33来显示所拍摄到的温度图像、温度变化的图表、所得到的应力图像以及加法平均应力图像等。
(变形例)
图3是示出变形例所涉及的应力解析装置40中使用的摄像元件的复眼红外线摄像机得到的视场1至视场4的4个温度图像的概要图。在本变形例中，不同点在于没有如图1那样使用多个摄像元件。也就是说，特征在于，在1个摄像元件中拍摄到视场1至视场4的多个温度图像。在本变形例中，使用了针对一个摄像元件具有多个透镜的复眼红外线摄像机。复眼红外线摄像机如图3所示那样针对一个摄像元件具有多个透镜，能够通过一个摄像元件拍摄各透镜的视场1至视场4的4个温度图像。此外，视场的数量为例示，不限定于此。
另外，在图1中，引导至摄像元件的光路分别是来自不同视点的不同的光路，但不限于此。作为其它变形例，例如也可以设为以下结构：使用棱镜从相同的光轴进行光路分割并向多个摄像元件引导，来获得具有相同的光轴的多个温度图像。由此，各温度图像具有相同的光轴，具有实质相同的像素排列，因此能够减轻后述的特征点提取、射影变换以及像素重新排列的负荷。
<应力解析方法>
图2是实施方式1所涉及的应力解析方法的流程图。下面对该应力解析方法进行说明。此外，各步骤的详细内容与针对“摄像元件”、“特征点提取部”、“射影变换部”、“像素重新排列部”、“背景温度减法部”、“样条插值部”、“振幅校正部”、“开始点设定部”、“应力变换部”以及“加法平均部”说明的详细内容实质相同，因此这里省略重复的说明。
(1)读入针对对象物1的同一区域的2个以上的同一时间范围的温度图像(S01)。具体地说，将由摄像元件20a～20d拍摄到的2个以上的温度图像读入到图像处理部30。
(2)针对各温度图像提取特征点(S02)。例如，也可以将辐射率低的铝薄膜粘贴于对象物1的局部而形成特征点的图案。
(3)将各温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使特征点一致(S03)。
(4)将进行射影变换后的各温度图像的像素排列相对于作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列(S04)。通过将视场2的像素排列的各像素重新排列为与最接近的视场1的像素排列同样的像素排列，视场2的像素排列成为与视场1的像素排列同样的结构。
(5)从各温度图像中减去背景温度(S05)。由此，能够降低因环境的温度变化而引起的背景噪声。具体地说，从背景物中检测背景温度并从温度图像中减去背景温度即可。
(6)针对各温度图像的同一时间范围进行样条插值(S06)。由此，即使是各摄像元件的帧频不同而在不同的定时进行采样从而各温度图像中数据点不同的情况，也能够通过插值来计算相同定时的数据点。
(7)针对各温度图像，通过将傅立叶变换后的频率与振幅的关系除以一阶延迟系统的频率响应函数来进行振幅校正(S07)。例如，除以图10所示的频率响应函数来进行振幅校正。
(8)基于预先包含的同步信号来使各温度图像的开始点一致(S08)。同步信号例如也可以记录为因LED灯的发光而在各温度图像内引起的同一时间的温度变化。或者，也可以将各摄像元件摄像时的快门的开闭用作同步信号。另外，使开始点一致的方式不限于使用上述的各温度图像中包含的同步信号的情况。例如，也可以计算各温度图像的互相关来使开始点一致。
(9)将各温度图像乘以应力变换系数来得到各应力图像(S09)。例如，使用表示热弹性效应的式子ΔT＝-KTΔδ，根据温度变化量ΔT来计算应力变化量Δδ。各摄像元件的应力变换系数能够如上述那样基于施加已知的载荷而得到的温度图像来计算。
(10)对各应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像(S10)。被进行加法平均的应力图像的数量为2个以上即可。通过对多个温度图像、也就是多个应力图像进行加法平均来计算加法平均应力图像，能够得到精度被改善的应力图像。
通过以上方法，能够得到精度被改善的应力图像。
(实施方式2)
<温度测定装置>
图19是示出实施方式2所涉及的温度测定装置50的结构的框图。
该温度测定装置50具备：摄像元件20a～20d，其获取2个以上的温度图像；特征点提取部35a，其提取各温度图像中的特征点；射影变换部35b，其将各温度图像进行位置对准；像素重新排列部35c，其将各温度图像的像素排列进行重新排列；温度图像获取部35j，其获得各温度图像；以及温度图像加法平均部35k，其对各温度图像进行加法平均来得到加法平均温度图像。摄像元件20a～20d针对对象物1的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像。射影变换部35b将各温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各温度图像中的特征点一致。像素重新排列部35c将进行射影变换后的各温度图像的像素排列相对于作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列。
根据该温度测定装置40，当与实施方式1所涉及的应力解析装置进行对比时，不对温度图像乘以应力变换系数而直接获取温度图像，并对2个以上的温度图像进行加法平均来得到加法平均温度图像。由此，源自摄像元件的噪声通过各温度图像的加法平均而被消除，得到精度被改善的温度图像。
下面，对构成该温度测定装置50的各构件进行说明。
此外，摄像元件20a～20d、特征点提取部35a、射影变换部35b、像素重新排列部35c、背景温度减法部35d、样条插值部35e、振幅校正部35f以及开始点设定部35g与实施方式1实质相同，因此省略说明。
<温度图像获取部>
温度图像获取部35j不对温度图像乘以应力变换系数而直接获取温度图像。
<温度图像加法平均部>
温度图像加法平均部35k对2个以上的温度图像进行加法平均来得到加法平均温度图像。
<温度测定方法>
图20是实施方式2所涉及的温度测定方法的流程图。下面，对该温度测定方法进行说明。此外，各步骤的详细内容与针对“摄像元件”、“特征点提取部”、“射影变换部”、“像素重新排列部”、“背景温度减法部”、“样条插值部”、“振幅校正部”、“开始点设定部”、“温度图像获取部”以及“温度图像加法平均部”说明的详细内容实质相同，因此这里省略重复的说明。另外，下面的各步骤S11～S18与实施方式1所涉及的应力解析方法的各步骤S01～S08实质相同，因此省略说明的一部分。
(1)读入针对对象物1的同一区域的2个以上的同一时间范围的温度图像(S11)。
(2)针对各温度图像提取特征点(S12)。
(3)将各温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使特征点一致(S13)。
(4)将进行射影变换后的各温度图像的像素排列相对于作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列(S14)。
(5)从各温度图像中减去背景温度(S15)。由此，能够降低因环境的温度变化而引起的背景噪声。
(6)针对各温度图像的同一时间范围进行样条插值(S16)。由此，即使是各摄像元件的帧频不同而在不同的定时进行采样从而各温度图像中数据点不同的情况，也能够通过插值来计算相同定时的数据点。
(7)针对各温度图像，通过将傅立叶变换后的频率与振幅的关系除以一阶延迟系统的频率响应函数来进行振幅校正(S17)。
(8)基于预先包含的同步信号来使各温度图像的开始点一致(S18)。
(9)获得各温度图像(S19)。
(10)对各温度图像进行加法平均来得到加法平均温度图像(S20)。被进行加法平均的温度图像的数量为2个以上即可。
根据以上方法，通过对多个温度图像进行加法平均来计算加法平均温度图像，能够得到精度被改善的温度图像。
此外，在本公开中，包含将上述的各种实施方式和/或实施例中的任意的实施方式和/或实施例适当地进行组合的情况，并且能够起到各个实施方式和/或实施例所具有的效果。
产业上的可利用性
根据本发明所涉及的应力解析装置，通过对多个温度图像、也就是多个应力图像进行加法平均来计算加法平均应力图像，能够得到精度被改善的应力图像。
附图标记说明
1：对象物；10：载荷施加部；20a、20b、20c、20d：摄像元件；30：图像处理部(计算机装置)；31：处理部；32：存储部；33：显示部；35：程序；35a：特征点提取部；35b：射影变换部；35c：像素重新排列部；35d：背景温度减法部；35e：样条插值部；35f：振幅校正部；35g：开始点设定部；35h：应力变换部；35i：加法平均部；35j：温度图像获取部；35k：温度图像加法平均部；40：应力解析装置；50：温度测定装置。

Claims (8)

1.一种应力解析装置，具备：
摄像元件，其针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
特征点提取部，其提取各所述温度图像中的特征点；
射影变换部，其将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
像素重新排列部，其将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
应力变换部，其将像素重新排列后的各所述温度图像乘以应力变换系数来得到各应力图像；以及
加法平均部，其对所述各应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像。
2.根据权利要求1所述的应力解析装置，其中，
还具备背景温度减法部，所述背景温度减法部从像素重新排列后的各所述温度图像中减去背景温度。
3.根据权利要求1或2所述的应力解析装置，其中，
还具备振幅校正部，所述振幅校正部针对像素重新排列后的各所述温度图像，通过将傅立叶变换后的频率与振幅的关系除以一阶延迟系统的频率响应函数来进行振幅校正。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的应力解析装置，其中，
还具备样条插值部，所述样条插值部针对像素重新排列后的各所述温度图像的所述同一时间范围进行样条插值。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的应力解析装置，其中，
在获取所述2个以上的温度图像时，所述摄像元件使所述2个以上的温度图像中包含同步信号，并且
所述应力解析装置还具备开始点设定部，所述开始点设定部基于所述同步信号来使像素重新排列后的各所述温度图像的开始点一致。
6.一种应力解析方法，包括以下步骤：
针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
提取各所述温度图像中的特征点；
将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
将像素重新排列后的各所述温度图像乘以应力变换系数来得到各应力图像；以及
对所述各应力图像进行加法平均来得到加法平均应力图像。
7.一种温度测定装置，具备：
摄像元件，其针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
特征点提取部，其提取各所述温度图像中的特征点；
射影变换部，其将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
像素重新排列部，其将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
温度图像获取部，其获得像素重新排列后的各所述温度图像；以及
温度图像加法平均部，其对各所述温度图像进行加法平均来得到加法平均温度图像。
8.一种温度测定方法，包括以下步骤：
针对对象物的同一区域获取2个以上的同一时间范围的温度图像；
提取各所述温度图像中的特征点；
将各所述温度图像进行射影变换后相对于作为基准的温度图像进行位置对准，以使各所述温度图像中的特征点一致；
将进行射影变换后的各所述温度图像的像素排列相对于所述作为基准的温度图像的像素排列进行重新排列；
获得像素重新排列后的各所述温度图像；以及
对各所述温度图像进行加法平均来得到加法平均温度图像。
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