JP2004354098A - スペクトル画像化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート領域と非コンクリート領域が混在する検査対象物を一括して検査することができるスペクトル画像化装置を提供する。
【解決手段】切り替え式干渉フィルタ１１は、それぞれ波長帯λ１〜λ８の光を透過させる干渉フィルタ干渉フィルタ１１_{λ １}〜１１_{λ ８}を備える。干渉フィルタ１１_{λ １}〜１１_{λ ８}を切り替えつつ、ＣＣＤ１５が検査対象面４ａの二次元スペクトル画像Ｓ_{λ １}〜Ｓ_{λ ８}を撮像する。コンクリート領域区別部２３が、二次元スペクトル画像Ｓ_{λ １}、Ｓ_{λ ２}に基づき検査対象面４ａをコンクリート領域と非コンクリート領域とに区別する。劣化部分検出部２５が、二次元スペクトル画像Ｓ_{λ ３}〜Ｓ_{λ ８}に基づきコンクリート領域における中性化劣化部分を検出する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の検査対象面におけるコンクリートの劣化部分を検出するために用いられるスペクトル画像化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
検査対象物の劣化状態を検査する従来の技術として、検査対象物をハンマーで叩いた応答音をマイクロホンで採取して内部の空隙を検出する技術、検査対象物にレーザ光を照射し、その反射波を検出することで表面のひび割れを検出する技術などがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、検査対象物の劣化状態を検査する従来の技術を用いてコンクリートの劣化部分を検査する場合、予めコンクリート領域と非コンクリート領域が混在する検査対象物からコンクリート領域を抽出し、その上でコンクリート領域を検査するという手間を要した。すなわち、コンクリート領域と非コンクリート領域が混在する検査対象物を一括して検査することができないという問題点があった。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、コンクリート領域と非コンクリート領域が混在する検査対象物を一括して検査することができるスペクトル画像化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のスペクトル画像化装置は、構造物の検査対象面におけるコンクリートの劣化部分を検出するために用いられるスペクトル画像化装置であって、複数の波長帯ごとに、検査対象面の二次元スペクトル画像を撮像するスペクトル画像撮像手段と、特定の波長帯の二次元スペクトル画像における各箇所の分光強度に基づいて、検査対象面をコンクリート領域と非コンクリート領域とに区別するコンクリート領域区別手段と、複数の二次元スペクトル画像のコンクリート領域における各箇所の分光強度に基づいて、検査対象面におけるコンクリートの劣化部分を検出する劣化部分検出手段とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
コンクリート領域区別手段が特定の波長帯の二次元スペクトル画像における各箇所の分光強度からコンクリート領域を判別し、劣化部分検出手段が判別されたコンクリート領域を検査するという構造を有することにより、コンクリート領域と非コンクリート領域が混在する検査対象物を一括して検査することができる。
【０００７】
本発明のスペクトル画像化装置は、劣化部分検出手段が、更にコンクリートの劣化部分における劣化の深さ及び劣化の種類のうち少なくとも一方を判断することが好適である。これにより、どのような補修が必要なのか知ることができる。
【０００８】
本発明のスペクトル画像化装置は、コンクリート領域区別手段が、二次元スペクトル画像上の画素点を複数の特定の波長帯における分光強度を座標軸とする多次元座標系に投影し、多次元座標系における座標に基づき、投影された画素点を複数のクラスタに分類し、多次元座標系における所定の領域と重なるクラスタに属する画素点を含む領域をコンクリート領域又は非コンクリート領域と判断することが好適である。これにより、コンクリート領域を容易に判別することができる。
【０００９】
本発明のスペクトル画像化装置は、分光強度を検査対象面を照明する光の強度に対して正規化する正規化手段を備えたことが好適である。これにより、検査対象物を照明する光の強度にむらがある場合でも劣化部分の検出精度が損なわれない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明のスペクトル画像化装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００１１】
まず、本実施形態のスペクトル画像化装置１の構成を説明する。図１は、スペクトル画像化装置１の機能的構成を示す図である。本実施形態では、スペクトル画像化装置１が、鉄筋コンクリート製三階建ての建造物４の検査対象面４ａにおけるコンクリートの中性化（Ｃａ（ＯＨ）_２＋Ｈ_２ＣＯ_３→ＣａＣＯ_３＋２Ｈ_２Ｏ）を検査する。スペクトル画像化装置１は、切り替え式干渉フィルタ１１、結像光学系１３、二次元の撮像面１５ｐを有するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）１５、検査対象面４ａにおける照度（反射光の強度）を検出する照度検出部１７、切り替え式干渉フィルタ１１におけるフィルタの切り替えを制御すると共にＣＣＤ１５及び照度検出部１７が取得したデータを制御・記録するデータ制御・記録部２１、コンクリート領域区別部２３、劣化部分検出部２５並びに表示部２７を備える。スペクトル画像化装置１は、持ち運び可能な軽量小型の装置であり、三脚３により支持された状態で検査対象面４ａの二次元スペクトル画像（特定の波長帯における分光強度を濃度分布として表す二次元画像）を撮像する。
【００１２】
図２は、切り替え式干渉フィルタ１１の構造を説明する図である。切り替え式干渉フィルタ１１は、中心点Ａを中心として回転可能な円盤１１ａを備える。円盤１１ａには、８個の異なる波長帯を透過させる干渉フィルタ１１_{λ １}〜１１_{λ ８}が中心点Ａを中心として円状に配置されている。干渉フィルタ１１_{λ １}〜１１_{λ ８}は、それぞれ波長帯λ１〜λ８の光を透過させ、それ以外の光を遮光する。
【００１３】
干渉フィルタ１１_{λ １}、１１_{λ ２}の透過波長帯λ１、λ２はコンクリートの特徴波長帯であり、この波長帯においてコンクリートは他の物質と顕著に異なる光の吸収率又は反射率を有する。すなわち、干渉フィルタ１１_{λ １}、１１_{λ ２}は、検査対象面４ａをコンクリート領域と非コンクリート領域とに区別するために用いられる。
【００１４】
具体的には、透過波長帯λ１、λ２は、次のとおり設定される。
λ１：６５０〜６８０ｎｍ、λ２：７００〜８００ｎｍ
【００１５】
干渉フィルタ１１_{λ ３}〜１１_{λ ８}の透過波長帯λ１〜λ８は、次のとおりである。
λ３：１９００〜１９１０ｎｍ、λ４：１９７０〜１９８０ｎｍ
λ５：２１２０〜２１３０ｎｍ、λ６：２１８０〜２１９０ｎｍ
λ７：２３２０〜２３３０ｎｍ、λ８：２３８０〜２３９０ｎｍ
後述するとおり、１９００〜１９８０ｎｍ、２１２０〜２１９０ｎｍ、２３２０〜２３９０ｎｍが中性化劣化したコンクリートの特徴波長帯となる。すなわち、干渉フィルタ１１_{λ ３}〜１１_{λ ８}は、中性化劣化部分を検出するために用いられる。
【００１６】
円盤１１ａは、データ制御・記録部２１の制御信号に応じて回転するステップモータを備える。ステップモータの動作に応じて円盤１１ａが回転することにより、干渉フィルタ１１_{λ １}〜１１_{λ ８}のうち結像光学系１３の光軸と交わる干渉フィルタが切り替わっていく。
【００１７】
結像光学系１３は、干渉フィルタ１１_{λ １}〜１１_{λ ８}のうちいずれか一つの干渉フィルタを透過した光を集光し、ＣＣＤ１５の撮像面１５ｐ上に検査対象面４ａの二次元スペクトル像を結像する。
【００１８】
ＣＣＤ１５は、波長帯λ１〜λ８における各二次元スペクトル画像を撮像し、データ制御・記録部２１に記録する。
【００１９】
照度検出部１７は、検査対象面４ａ上の一定間隔の格子点で反射された反射光の強度を順次検出していくことにより、検査対象面４ａを照明する光のむらを検出する。データ制御・記録部２１が、照度検出部１７の検出結果を記録し、検査対象面４ａを照明する光のむらがない状態の画像になるように二次元スペクトル画像に対して補正処理を施す。具体的には、各格子点の周囲における分光強度を照度検出部１７が検出した反射光の強度で除することにより、分光強度を検査対象面４ａを照明する光の強度に対して正規化する。
【００２０】
データ制御・記録部２１は、切り替え式干渉フィルタ１１におけるフィルタの切り替えを制御すると共にＣＣＤ１５及び照度検出部１７が取得したデータを制御・記録することにより、波長帯λ１〜λ８の正規化された二次元スペクトル画像Ｓ_{λ １}〜Ｓ_{λ ８}を生成する。
【００２１】
コンクリート領域区別部２３は、二次元スペクトル画像Ｓ_{λ １}、Ｓ_{λ ２}に基づき検査対象面４ａをコンクリート領域と非コンクリート領域とに区別する。劣化部分検出部２５は、二次元スペクトル画像Ｓ_{λ ３}〜Ｓ_{λ ８}とに基づきコンクリート領域における中性化劣化部分を検出する。表示部２７は、劣化部分検出部２５の検出結果に基づき、検査対象面４ａ中の中性化劣化部分を表示する。
【００２２】
次に、スペクトル画像化装置１が検査対象面４ａの中性化劣化を検査する動作を説明する。図３及び４は、スペクトル画像化装置１が検査対象面４ａの中性化劣化を検査する動作の手順を示すフローチャートである。まず、データ制御・記録部２１が切り替え式干渉フィルタ１１のフィルタを切り替えつつ、ＣＣＤ１５がコンクリート領域を判別するための特徴波長帯λ１、λ２の二次元スペクトル画像Ｓ_{λ １}、Ｓ_{λ ２}を撮像し、データ制御・記録部２１に記録する（Ｓ３０２）。
【００２３】
同様にＣＣＤ１５が中性化劣化部分を検出するための特徴波長帯λ３〜λ８の二次元スペクトル画像Ｓ_{λ ３}〜Ｓ_{λ ８}を撮像し、データ制御・記録部２１に記録する（Ｓ３０４）。
【００２４】
データ制御・記録部２１が、二次元スペクトル画像Ｓ_{λ １}〜Ｓ_{λ ８}における格子点（照度検出部１７の検出点）周辺の分光光度を照度検出部１７により検出された格子点における反射光の強度で除することにより、二次元スペクトル画像Ｓ_{λ １}〜Ｓ_{λ ８}を検査対象面４ａを照明する光の強度に対して正規化する（Ｓ３０６）。
【００２５】
正規化した二次元スペクトル画像Ｓ_{λ １}、Ｓ_{λ ２}から一定間隔ｉ_１で抽出した格子点（画素点）を、特徴波長帯λ１、λ２における分光強度を座標軸とする二次元座標系Ｃに投影する（Ｓ３０８）。
【００２６】
図６は、二次元スペクトル画像Ｓを示す。図７は、画素点が投影された二次元座標系Ｃを示す。図６に示すとおり、二次元スペクトル画像Ｓは、検査対象面４ａ中のコンクリート領域４ａ１及び窓ガラス領域４ａ２、屋上の金属製タンクの領域４ｂ１並びにその他の背景の領域４ｂ２に分割される。図７に示すとおり、かかる画像の画素点が二次元座標系Ｃに投影されると、同一領域に属する画素点が近接して分布する。図７に示すクラスタ１〜４がそれぞれ領域４ａ１、領域４ａ２、領域４ｂ１及び領域４ｂ２に該当する。
【００２７】
次に、二次元座標系Ｃに投影された画素点を最短距離法によりＫ個のクラスタに分類する（Ｓ３１０）。図５は、本実施形態におけるクラスタ分類（クラスタリング）の手順を示すフローチャートである。本実施形態では最短距離法が採用されている。まず、最終的に分類されるクラスタの数Ｋを入力する（Ｓ５０２）。上記のとおり二次元スペクトル画像Ｓは４つの領域に分割されるので、Ｋ＝４を入力する。
【００２８】
現存するクラスタの数ｍがＫよりも多い状態にあるときには（Ｓ５０４）、二次元座標系Ｃにおける現存するすべてのクラスタの間の距離（双方のクラスタに含まれる画素点のうち最も近いものの間の距離）を算出する（Ｓ５０６）。
【００２９】
最も距離が近いクラスタを統合して新しいクラスタを形成する（Ｓ５０８）。すなわち、クラスタの数が一つ減る。Ｓ５０４〜Ｓ５０８の処理をｍ＝Ｋになるまで繰り返して行う。なお、クラスタリングの他の方法としては、最尤度法、閾値法（例えば、クラスタの中心座標の距離が閾値以下である周辺のクラスタを統合していく方法）、二次元座標系Ｃにおけるコンクリートの特徴領域に含まれる画素点の集合をコンクリート領域に相当するクラスタと判別する方法などが考えられる。
【００３０】
次に、クラスタ１〜４を二次元座標系Ｃにおけるコンクリートの特徴領域を含むクラスタとそれ以外のクラスタとに分類する（Ｓ３１２）。図７に示すように、波長帯λ１における分光強度がａ１〜ｂ１の間に含まれ、かつ波長帯λ２における分光強度がａ２〜ｂ２の間に含まれる領域がコンクリートの特徴領域である。クラスタ１〜４は、このコンクリート特徴領域を含むクラスタ１と、その他のクラスタ２〜３とに分類される。
【００３１】
二次元スペクトル画像Ｓにおいてクラスタ２〜３に属する画素点で囲まれる領域を非コンクリート領域とし、それ以外の領域をコンクリート領域とする。非コンクリート領域は、次ステップ以降の中性化劣化部分の検査処理がなされないマスクＭとなる（Ｓ３１４）。図８に、二次元スペクトル画像ＳにマスクＭが形成された状態を示す。図８中のハッチング領域がマスクＭを示す。
【００３２】
マスクＭ外の領域から一定間隔ｉ_２で抽出した格子点（画素点）について、特徴波長帯（１９００〜１９８０、２１２０〜２１９０、２３２０〜２３９０ｎｍ）における一次微分値を算出する（Ｓ４０２）。一定間隔ｉ_２は上記の一定間隔ｉ_１よりも短く設定されている。これにより、少ない計算量でマスクＭを形成した上、限定された領域についてのみ精密な中性化劣化の検査をすることができる。その結果、全体の計算量を軽減することができる。
【００３３】
上記の特徴波長帯における一次微分値Ｘ´_{λ ３}〜_{λ ４}、Ｘ´_{λ ５}〜_{λ ６}、Ｘ´_{λ ７}〜_{λ ８}、は、次の式（１）〜（３）で表される。
Ｘ´_{λ ３}〜_{λ ４}＝（Ｘ_{λ ４}−Ｘ_{λ ３}）／（１９８０−１９００）・・・（１）
Ｘ´_{λ ５}〜_{λ ６}＝（Ｘ_{λ ６}−Ｘ_{λ ５}）／（２１９０−２１２０）・・・（２）
Ｘ´_{λ ７}〜_{λ ８}＝（Ｘ_{λ ８}−Ｘ_{λ ７}）／（２３９０−２３２０）・・・（３）
ただし、Ｘ_{λ ３}、Ｘ_{λ ４}、Ｘ_{λ ５}、Ｘ_{λ ６}、Ｘ_{λ ７}、Ｘ_{λ ８}は、それぞれ二次元スペクトル画像Ｓ_{λ ３}、Ｓ_{λ ４}、Ｓ_{λ ５}、Ｓ_{λ ６}、Ｓ_{λ ７}、Ｓ_{λ ８}における分光強度を表す。
【００３４】
本発明者らは、中性化コンクリートと中性化していないコンクリートにおけるスペクトルを比較することにより、１９００〜１９８０ｎｍ、２１２０〜２１９０ｎｍ、２３２０〜２３９０ｎｍの波長帯における分光強度の一次微分値が、コンクリートの中性化と相関関係にあることを発見した。図９は、中性化コンクリートで反射した光の一次微分スペクトルを示す。中性化コンクリートで反射した光の一次微分スペクトルは、１９００〜１９８０ｎｍ、２１２０〜２１９０ｎｍ、２３２０〜２３９０ｎｍの波長帯おいて、それぞれ大きな値を示す。図１０は、中性化していないコンクリートの（分光反射率−分光波長）スペクトル特性を示す。
【００３５】
劣化部分検出部２５が、該当画素点における特徴波長帯の一次微分値を以下の式（４）に示す線形回帰分析式に代入して中性化深さＨｔ（コンクリートの表面から中性化が進んでいる深さ）を算出する（Ｓ４０４）。Ｓ４０２及びＳ４０４の処理をマスクＭ外の領域に含まれる一定間隔ｉ_２の各画素点について繰り返し行う。
Ｈ＝ＡＸ´_{λ ３}〜_{λ ４}＋ＢＸ´_{λ ５}〜_{λ ６}＋ＣＸ´_{λ ７}〜_{λ ８}＋Ｄ・・・（４）
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ：定数
【００３６】
劣化部分検出部２５が、検査対象面４ａ（マスクＭ外の領域）において中性化深さＨｔが閾値Ｈｔｈ以上になっている箇所を抽出し、そこで中性化劣化が生じていると判断する（Ｓ４０６）。
【００３７】
表示部２７が、Ｓ３１４で判別されたコンクリート領域及びＳ４０６で中性化劣化が生じていると判断された箇所を表示する（Ｓ４０８）。図１１にこのときの表示画面を示す。以上により、コンクリートの中性化が進行し鉄筋腐食が起こるおそれのある箇所を知ることができる。
【００３８】
本実施形態ではコンクリートの中性化が検査されるが、線形回帰分析式の定数及び特徴波長帯を変えることにより、塩化物イオン浸透（Ｃａ（ＯＨ）_２＋２Ｃｌ⁻→ＣａＣｌ_２＋２ＯＨ⁻）深さを算出し、塩害劣化箇所を検出することもできる。同様に硫酸塩劣化（Ｃａ（ＯＨ）_２＋ＳＯ_４ ^２−＋２Ｈ_２Ｏ→ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ＋ＯＨ^２−）を検査することもできる。また、劣化部分検出部が、中性化劣化深さに加えて塩化物イオン浸透深さ及び硫酸塩劣化深さも算出することにより、劣化の種類を判断することもできる。
【００３９】
上記実施形態では、分光強度の一次微分値を線形回帰分析式に代入する方法が用いられているが、これに代えて比演算法を用いることもできる。比演算法では、劣化コンクリートと正常コンクリートとで反射率が特に大きく異なる特徴波長λ９、λ１０を抽出する。これらを次の式（５）に示す比演算式に代入することにより劣化深さＨが算出される。
Ｈ＝Ｅ・Ｘ_{λ ９}／Ｘ_{λ １０}−Ｆ・・・（５）
Ｘ_{λ ９}：λ９における分光強度
Ｘ_{λ １０}：λ１０における分光強度
Ｅ、Ｆ：定数
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスペクトル画像化装置によれば、コンクリート領域と非コンクリート領域が混在する検査対象物を一括して検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スペクトル画像化装置１の機能的構成を示す図である。
【図２】切り替え式干渉フィルタ１１の構造を説明する図である。
【図３】スペクトル画像化装置１が検査対象面４ａの中性化劣化を検査する動作の手順を示す第１のフローチャートである。
【図４】スペクトル画像化装置１が検査対象面４ａの中性化劣化を検査する動作の手順を示す第２のフローチャートである。
【図５】本実施形態におけるクラスタ分類（クラスタリング）の手順を示すフローチャートである。
【図６】二次元スペクトル画像Ｓを示す。
【図７】画素点が投影された二次元座標系Ｃを示す。
【図８】二次元スペクトル画像ＳにマスクＭが形成された状態を示す。
【図９】中性化コンクリートで反射した光の一次微分スペクトルを示す。
【図１０】中性化していないコンクリートの（分光反射率−分光波長）スペクトル特性を示す。
【図１１】表示部２７の表示画面を示す。
【符号の説明】
１・・・スペクトル画像化装置、１１・・・切り替え式干渉フィルタ、１１ａ・・・円盤、１１_{λ １}〜１１_λ８・・・干渉フィルタ、１３・・・結像光学系、１５・・・ＣＣＤ、１５ｐ・・・撮像面、１７・・・照度検出部、２１・・・データ制御・記録部、２３・・・コンクリート領域区別部、２５・・・劣化部分検出部、２７・・・表示部、３・・・三脚、４・・・建造物、４ａ・・・検査対象面、４ａ１・・・コンクリートの領域、４ａ２・・・窓ガラスの領域、４ｂ１・・・金属製タンクの領域、４ｂ２・・・背景の領域。

Claims (4)

1. 構造物の検査対象面におけるコンクリートの劣化部分を検出するために用いられるスペクトル画像化装置であって、
   複数の波長帯ごとに、前記検査対象面の二次元スペクトル画像を撮像するスペクトル画像撮像手段と、
   特定の波長帯の前記二次元スペクトル画像における各箇所の分光強度に基づいて、前記検査対象面をコンクリート領域と非コンクリート領域とに区別するコンクリート領域区別手段と、
   複数の前記二次元スペクトル画像の前記コンクリート領域における各箇所の分光強度に基づいて、前記検査対象面におけるコンクリートの劣化部分を検出する劣化部分検出手段とを備えた
   ことを特徴とするスペクトル画像化装置。
2. 前記劣化部分検出手段が、更にコンクリートの劣化部分における劣化の深さ及び劣化の種類のうち少なくとも一方を判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載のスペクトル画像化装置。
3. 前記コンクリート領域区別手段が、
   前記二次元スペクトル画像上の画素点を複数の前記特定の波長帯における分光強度を座標軸とする多次元座標系に投影し、
   前記多次元座標系における座標に基づき、投影された前記画素点を複数のクラスタに分類し、
   前記多次元座標系における所定の領域と重なる前記クラスタに属する画素点を含む領域をコンクリート領域又は非コンクリート領域と判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載のスペクトル画像化装置。
4. 前記分光強度を前記検査対象面を照明する光の強度に対して正規化する正規化手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスペクトル画像化装置。

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