JP2006343160A - 撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法および応力計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物の変位量を精度良く求め得る撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法を提供する。
【解決手段】荷重付与前の撮影画像の計測にかかる基準領域部および荷重付与後の撮影画像の計測対象領域部を、フーリエ変換法にて拡大し、これら拡大された両領域部における画素同士の輝度値の残差二乗和を、基準領域部Ａ_ｉを計測対象領域部Ｂ_ｉに対して１画素ずつずらしながら求め、これら求められた各残差二乗和に係る相関値ｒを、基準領域部の各画素に対応して平面上にプロットし、これらプロットされた各相関値を表す点またはその近傍を通過する曲線（曲面）Ｐを最小二乗法により求め、この求められた曲線の最小値を求め、この最小値の座標位置ｘ_ｉと、基準領域部における計測着目画素の座標位置ｘ_ｉ′との距離を求めることにより、構造物の変位量を求める方法である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法およびこの変位量計測方法を用いた応力計測方法に関する。

近年、橋梁などの構造物の健全性を評価してアセットマネジメントを実施することによって予算を効率的に管理しようとする動きが盛んになっている。ところで、構造物の健全性を評価する重要な事項としては、疲労破壊がある。この疲労破壊は、例えば橋梁の場合、車両の走行荷重や風荷重、その他機械的な振動などの繰り返しにより発生する。この疲労破壊を防ぐためには、構造物における応力集中部分を把握することが重要となる。

そこで、従来、応力集中が起こる可能性のある部分に、ひずみゲージを貼付してひずみと変位を計測することにより、応力集中度を推定していた。
一般に、ひずみゲージを用いた場合、信頼性の高いひずみデータを得ることができるが、貼付した場所およびその貼付方向でのデータしか得られなかった。

特に、その計測値はゲージ長の平均的な値であるため、応力集中のように狭い範囲で大きく応力が変動するような場合には、多くのひずみゲージを貼付して推定する必要があった。

ところで、構造物に発生する応力をひずみゲージを用いた位置だけでなく、全視野的に検出しようとする研究が行われている。その一つとして、カメラ装置で撮影した撮影画像を用いる方法があり、この方法は、構造物に荷重が載置される前後の画像をカメラ装置で撮影し、構造物の変形量を荷物の載置前後における撮影画像同士の相関関係から求めるものである（例えば、特許文献１参照）。

この画像の相関関係から求める方法は、構造物の変形前または或る時点での状態を「基準画像」として撮影するとともに、変形後または検査時点での状態を「計測対象画像」として撮影し、これら両画像同士の相関関係を求めるもので、この方法を用いることにより、カメラ装置で撮影し得る広範囲な領域での変形の計測が可能になっており、しかも、最近のデジタルカメラの高性能化、特に、画素数の増加に伴う画像の解像度の向上により、高精度の変形計測が可能になってきていることから、構造物のひずみ計測に応用できる可能性が出てきたため、多くの研究が行われている。
特開平０７−１８１０７５号公報

しかし、上述したように、カメラ装置による撮影画像に、相関関係を用いて変位量を求める場合の精度は、撮影画像の画素数、所謂、解像度により決定されるものであり、構造物に接近して撮影できる場合は良いが、接近することができない場合には、精度良く変位量を計測することができないという問題があった。

そこで、本発明は、構造物の変位量を精度良く求め得る撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法およびこれを用いた応力計測方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法は、構造物に力を付与する前と付与した後との撮影画像の画像情報を比較することにより当該構造物における変位量を計測する方法であって、
上記力付与前における撮影画像の計測に係る部分であるとともに計測着目画素を含む基準領域部と力付与後における撮影画像の計測に係る部分である計測対象領域部とにおける画素同士の画像情報の相関量を、基準領域部を計測対象領域部に対して１画素ずつずらしながら求めるステップと、
これら求められた各相関量を、基準領域部の各画素に対応して直線上または平面上にプロットするステップと、
これらプロットされた各相関量を表す点若しくはその近傍を通過する曲線または曲面を求めるステップと、
このステップにより求められた曲線または曲面の極値を求めるステップと、
この極値の座標位置と、基準領域部における計測着目画素の座標位置との距離を求めることにより、当該構造物の変位量を求めるステップとを具備した方法である。

また、請求項２に係る撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法は、構造物に力を付与する前と付与した後との撮影画像の画像情報を比較することにより当該構造物における変位量を計測する方法であって、
上記力付与前における撮影画像の計測に係る部分であるとともに計測着目画素を含む基準領域部および力付与後における撮影画像の計測に係る部分である計測対象領域部を、フーリエ変換法を用いてそれぞれ拡大するステップと、
この拡大された基準領域部と計測対象領域部とにおける画素同士の画像情報の相関量を、基準領域部を計測対象領域部に対して１画素ずつずらしながら求めるステップと、
これら求められた各相関量を、基準領域部の各画素に対応して直線上または平面上にプロットするステップと、
これらプロットされた各相関量を表す点若しくはその近傍を通過する曲線または曲面を求めるステップと、
このステップにより求められた曲線または曲面の極値を求めるステップと、
この極値の座標位置と、力付与前における撮影画像の基準領域部における計測着目画素の座標位置との距離を求めることにより、当該構造物の変位量を求めるステップとを具備した方法である。

また、請求項３に係る撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法は、構造物に力を付与する前と付与した後との撮影画像の画像情報を比較することにより当該構造物における変位量を計測する方法であって、
上記力付与前における撮影画像の計測に係る部分であるとともに計測着目画素を含む基準領域部と力付与後における撮影画像の計測に係る部分である計測対象領域部とにおける画素同士の画像情報の残差二乗和または正規化による相関量を、基準領域部を計測対象領域部に対して１画素ずつずらしながら求めるステップと、
これら求められた各相関量を、基準領域部の各画素に対応して直線上または平面上にプロットするステップと、
これらプロットされた各相関量を表す点若しくはその近傍を通過する曲線または曲面を求めるステップと、
このステップにより求められた曲線または曲面の極値を求めるステップと、
この極値の座標位置と、力付与前における撮影画像の基準領域部における計測着目画素の座標位置との距離を求めることにより、当該構造物の変位量を求めるステップとを具備した方法である。

また、請求項４に係る撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法は、構造物に力を付与する前と付与した後との撮影画像の画像情報を比較することにより当該構造物における変位量を計測する方法であって、
上記力付与前における撮影画像の計測に係る部分であるとともに計測着目画素を含む基準領域部および力付与後における撮影画像の計測に係る部分である計測対象領域部を、フーリエ変換法を用いてそれぞれ拡大するステップと、
この拡大された基準領域部と計測対象領域部とにおける画素同士の画像情報の残差二乗和または正規化による相関量を、基準領域部を計測対象領域部に対して１画素ずつずらしながら求めるステップと、
これら求められた各相関量を、基準領域部の各画素に対応して直線上または平面上にプロットするステップと、
これらプロットされた各相関量を表す点若しくはその近傍を通過する曲線または曲面を求めるステップと、
このステップにより求められた曲線または曲面の極値を求めるステップと、
この極値の座標位置と、力付与前における撮影画像の基準領域部における計測着目画素の座標位置との距離を求めることにより、当該構造物の変位量を求めるステップとを具備した方法である。

また、請求項５に係る撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法は、請求項１乃至４のいずれかに記載の変位量計測方法における画像情報を輝度値とする方法である。
さらに、請求項６に係る撮影画像を用いた構造物における応力計測方法は、請求項１乃至５のいずれかに記載の変位量計測方法により求められた変位量からひずみを求め、このひずみと構造物の材料の縦弾性係数を含む量とに基づき、当該構造物に発生している応力を求める方法である。

上記の各変位量計測方法によると、力を付加する前と付加した後との構造物をカメラ装置で撮影するとともに、これら両撮影画像の計測対象部分での各画素における画像情報の相関量を求めるとともに、この相関量を表す点またはその近傍を通過する曲線または曲面を求めた後、この曲線または曲面における極値をとる直線または平面上での位置と、基準画像における計測着目画素の位置との差を求めるようにしたので、計測着目画素の位置についての変位量を例えば１画素分以下の範囲内で求めることができ、したがって構造物の変位量を精度良く求めることができる。

また、計測対象領域をフーリエ変換法により拡大することにより、構造物の変位量を、より精度良く求めることができる。
また、上記応力計測方法によると、上記各変位量計測方法にて求められた変位量からひずみを求め、このひずみと構造物の材料の縦弾性係数を含む量とに基づき、当該構造物に発生している応力を求めるようにしたので、やはり、構造物に生じている応力を精度良く求めることができる。

すなわち、構造物の撮影画像から応力を求めることができるため、例えばひずみゲージを多数貼付することなく、また任意の位置でも、変位量すなわち応力を計測することができ、したがって応力集中などが発生している場所を、容易に且つ正確に把握することができるので、構造物の管理を精度良く、すなわち効率の良い管理を行うことができる。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態に係る撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法およびこの変位量計測方法を用いた応力計測方法を図面に基づき説明する。

まず、構造物における変位量計測方法について説明する。
本実施の形態においては、構造物の疲労などの強度を推定するために、荷重（力）を付与する前と、付与した後とにおける変位量（ずれ量ともいう）を、カメラ装置（例えば、ＣＣＤを用いたデジタルビデオカメラが用いられる）により撮影し、この荷重の付与前と付与後とにおける撮影画像における画素情報、例えば輝度値を用いて、その前後における変位量を求めるものである。

ここで、この変位量計測方法に用いられる装置の概略構成について説明しておく。
この変位量計測装置は、図１に示すように、少なくとも、支持台１に取り付けられて構造物の所定位置を撮影するカメラ装置２と、このカメラ装置２に設けられて撮影すべき構造物までの距離を測定するレーザ測距装置３と、例えばカメラ装置２側に設けられて撮影位置を特定するためにレーザ光を照射するレーザ照射器４と、例えば支持台１に設けられて当該カメラ装置２の三次元位置を測定するＧＰＳ装置５と、上記各機器からの測定値を入力して構造物における計測対象位置での変位量を演算するコンピュータ装置（演算装置）６とから構成されており、勿論、このコンピュータ装置６にはタブレット、キーボードなどの入力機器７が具備されるとともに、プリンタなどの出力装置も接続されている。

以下、上記変位量計測装置を用いて、すなわち撮影画像を用いて構造物の変位量を計測する方法について説明する。
まず、カメラ装置２により、荷重を付加しない状態で構造物を撮影して荷重付加前画像（以下、基準画像という）を得た後、所定位置に荷重を付加した状態で構造物を撮影して荷重付加後画像（以下、計測対象画像という）を得る。

勿論、このとき、レーザ測距装置３、ＧＰＳ装置５からの測定データを用いて、カメラ装置２に対する被計測部の位置が正確に測定され、そしてこれらの測定値に基づき、当該変位量計測装置にて得られる計測値が正しい変位量となるように補正などが行われる。なお、以下においては、計測された変位量については、正しい値に補正されているものとして説明する。

次に、これら両画像における計測に係る部分（所定領域）の画素数を増加させて、計測部分の拡大を図り、変位量の計測精度の向上が図られる。
以下、この画素数の増加方法（拡大方法）について説明する。

例えば、Ｎ×Ｎ画素を有する画像がある場合、画素の幅をλとすると、この画像の撮影領域は、λＮ×λＮとなる。
ところで、図２（ａ）に示すように、このＮ×Ｎ画素を有する画像を、それぞれＭ倍に、すなわちＭＮ×ＭＮの画素数にすると、図２（ｂ）のようになる。この場合、各画素の幅λ′は、λ／Ｍになっている。

一方、これら増加された各画素における画像情報（画素値）、すなわち輝度値に対してフーリエ変換を行った場合には、図３に示すような空間周波数領域となり、その領域の各辺がＭ倍されたことになる。

そして、この空間周波数領域には、図２（ａ）に示す範囲における輝度値にフーリエ変換を行った値を対応させることになるが、実際のデータは、Ｎ×Ｎの範囲での輝度値であり、そのフーリエ変換値は、−π／λ〜π／λの範囲（小さい点にて示す）のデータだけである。したがって、図３に示す拡大された部分（小さい点の部分以外の外周部）については、データを持っていないため、この部分には「ゼロ」が入れられる。つまり、拡大された部分をカットする窓関数を用いたことになる。

次に、このような二次元のフーリエ変換値ａ_ｋｌに対し、下記（１）式で示すフーリエ逆変換を行うと、画素数がＭ×Ｍ倍された（拡大された）画像データＡ（ｍ，ｎ）が得られることになる。

このようにフーリエ変換法による拡大方法を採用することにより、例えば周囲の４点の画素値を用いた補間法に比べて、１つの画素値を得るために、全てのフーリエ変換値（広範囲での値）が用いられることになり、したがってノイズの影響（悪影響）を少なくすることができる。

次に、基準画像と計測対象画像とに画像相関法を適用して、画像情報である輝度値による画素同士の変位量を求める手順について説明する。
この手順においては、計測に係る部分については所定の画素領域（例えば、複数個の画素）ずつ、順次、画像相関法を適用していくが、ここでは、比較元となる基準画像側を基準領域部と称するとともに、比較対象となる計測対象画像側を計測対象領域部と称して説明する。

すなわち、画素数が増加されるとともにフーリエ変換法により増加した画素分の輝度値が補間されてなる基準領域部および計測対象領域部における各画素の輝度値（画素値）の差を求める方法について説明する。

また、以下においては、理解を容易にするために、構造物として、一次元の棒状体について説明する。
さらに、計測に係る画素領域の個数としては、奇数個、例えば５個にするとともに、変位の計測を行うために着目する画素（以下、計測着目画素という）については、中央の画素とする。

すなわち、図４（ａ）に示すように、基準画像側の５個の画素群が基準領域部（Ａ_ｉ）にされるとともに、計測対象画像側の５個の画素群が計測対象領域部（Ｂ_ｉ）とされる。したがって、中央の画素（ｉ番目の画素）が計測着目画素となる。

これら両領域部（Ａ_ｉ，Ｂ_ｉ）同士を比較する場合、まず、図４（ｂ）に示すように、計測対象領域部（Ｂ_ｉ）に対して、基準領域部（Ａ_ｉ）を一方に、例えば左側に１画素分だけずらせた状態で、両領域部の各画素同士間で輝度値の残差二乗和（相関量の一例である）を求める。この残差二乗和は、両輝度値の差を二乗したものを、５つの画素分について加算したものである。

そして、この残差二乗和を、引き続き、基準領域部（Ａ_ｉ）を順次右側に１画素ずつずらせながら（矢印ａにて示す）、それぞれについて、残差二乗和を求める。
次に、図４（ｃ）に示すように、移動された各基準領域部Ａ_ｉにおける計測着目画素の位置をｘ軸上にとるとともに、各基準領域部Ａ_ｉについて求められた各残差二乗和（グラフでは、残差二乗和相関値ｒで表されており、○印にて示す）をｙ軸にとり、ｘ−ｙ平面上にプロットする。

次に、このｘ−ｙ平面上にて、プロットされた複数の点またはその近傍を通過する二次曲線（応答曲線ともいう）Ｐを、最小二乗法を用いて求める。なお、応答曲線である二次曲線の代わりに、多項式曲線、sinc関数曲線などを用いることができる。また、最小二乗法の代わりに、最急降下法を用いてもよい。

そして、この二次曲線Ｐの極値、この場合は、最小値のｘ座標位置（ｘ_ｉ′）を求めるとともに、このｘ座標位置と基準画像上での基準領域部Ａ_ｉにおける計測着目画素である中央のｘ座標位置（ｘ_ｉ）との差、すなわちずれ量Δｉを求める。

この求められたずれ量が変位量であり、１画素分以下の所謂サブピクセルオーダーの変位量として精度良く計測できる。
なお、図４の右側に、上記と同様のことを、異なる基準領域部Ａ_ｊで行った場合の結果｛ｊ番目の画素のずれ量（Δｊ）｝を示しておく。

ところで、上記説明においては、理解の容易化を図るために、棒状体についての変位量を求める場合について説明したが、通常は、構造物の表面（二次元）を構成する平板について、その変位量が求められる。

この場合の基準領域部および計測対象領域部は、当然に、平面であるとともに、これら二次元平面における各画素についての残差二乗和（または、残差二乗和相関値）が得られる。

そして、これら残差二乗和の各点を通過し得る例えば下記（２）式で示される二次曲面（応答曲面ともいう）が最小二乗法により求められ、その曲面での極値、例えば最小値となる平面上での点が、基準画像上での基準領域部における計測着目画素が移動した位置であり、この移動距離が変位量となる。なお、応答曲面である二次曲面の代わりに、多項式で表される曲面、sinc関数で表されるも曲面などを用いることができる。この場合も、最小二乗法の代わりに、最急降下法を用いてもよい。

図５に、この二次曲面Ｓを示しておく。但し、相関値にて表されている。

ここで、図６に、本発明に係る変位量計測方法を用いた実験結果を示す。
図６は、試験片として、長方形の板体（２ｔ×３０Ｗ×３００Ｌ；単位はｍｍ）に、引張荷重を加えた場合の本発明に係る変位量計測方法による計測値と、ひずみゲージによる計測値との比較を示している。なお、（ａ）は計測値を比較したグラフ、（ｂ）は試験片の外観を示す図である。また、図６（ａ）に記載のひずみゲージによる変位量の計測値は、ひずみゲージから得られたひずみ量を積分したものである。

この図６に示す結果から、本発明に係る変位量計測方法による計測値が、ひずみゲージによる計測値とほぼ同等であることが分かる。このことから、本発明に係る変位量計測方法を用いることにより、ひずみゲージを用いることなく、構造物の変位量（変形量）を高精度に計測できることが分かった。

また、本発明に係る変位量計測方法は、ひずみゲージによる計測方法とは異なり、画像撮影領域のほぼ全面に亘って変位量の計測を可能にするものであり、非接触による高精度変位量計測法として、非常に有効な方法である。

上述したように、荷重を付加する前と付加した後との構造物をカメラ装置で撮影するとともに、これら両撮影画像の計測に係る部分に拡大処理を施した後、これら拡大された領域における、計測対象部分での各画素における輝度値の残差二乗和を求めるとともに、この残差二乗和を表す点またはその近傍を通過する曲面を最小二乗法により求めた後、この曲面における極値、例えば最小値をとる平面上での位置と、基準画像における計測着目画素の位置との差を求めるようにしたので、計測着目画素の位置についての変位量を１画素分以下の範囲内で、すなわちサブピクセルオーダーとして求めることができ、したがって構造物の変位量、すなわち変形量を精度良く求めることができる。

次に、上記変位量計測方法を用いた応力計測方法について簡単に説明する。
上記変位量計測方法により精度良く求められた変位量に基づき、すなわち下記に示す（３）式および（４）式に示すように、この変位量（δ）と変位−ひずみの関係を表す量（例えば、係数行列）［Ｂ］とからひずみ（ε）を算出するとともに、このひずみ（ε）に応力−ひずみの関係を表す量（例えば、構造物を構成する材料の縦弾性係数を含む係数行列）［Ｄ］を掛けることにより、構造物に発生している応力（σ）を求めることができる。すなわち、構造物を撮影した画像から、応力を求めることができるため、例えばひずみゲージを多数貼付することなく、また任意の位置でも、変位量すなわち応力を計測することができ、したがって応力集中などが発生している場所を、容易に且つ正確に把握することができるので、構造物の管理を精度良く、すなわち効率の良い管理を行うことができる。

勿論、上述した変位量を求める演算およびこの変位量に基づく応力の演算（解析）については、コンピュータ装置に具備された演算用プログラムにより行われる。

ここで、上述した方法によって求められた変位計測値を用いて応力を計算する方法を具体的に説明する。
すなわち、基準画像中における計測点Ｎ_０１（ｘ，ｙ）に対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において、隣り合う計測点をＮ_０２（ｘ＋ｐ_ｘ，ｙ），Ｎ_０４（ｘ，ｙ＋ｐ_ｙ）とするとともに、対角上にある計測点をＮ_０３（ｘ＋ｐ_ｘ，ｙ＋ｐ_ｙ）として考えると、これら４点の計測点からなる要素によって、応力解析を実施することができる。なお、この場合、基準画像中における要素は、Ｘ軸方向での長さがｐ_ｘ，Ｙ軸方向での長さがｐ_ｙである方形として考える。そして、これら４つの変形計測点Ｎ_０ｉ（ｉ＝１〜４）が、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に、それぞれｕ_ｉおよびｖ_ｉ移動したと考える。このとき、これら４計測点からなる要素中心点Ｎ_０（ｘ＋ｐ_ｘ／２，ｙ＋ｐ_ｙ／２）が変形後に生じるＸ軸方向ひずみ、Ｙ軸方向ひずみ、剪断ひずみ、およびＸ軸方向応力、Ｙ軸方向応力、剪断応力を、それぞれε_ｘ（ｘ＋ｐ_ｘ／２，ｙ＋ｐ_ｙ／２），ε_ｙ（ｘ＋ｐ_ｘ／２，ｙ＋ｐ_ｙ／２），γ_ｘｙ（ｘ＋ｐ_ｘ／２，ｙ＋ｐ_ｙ／２）、およびσ_ｘ（ｘ＋ｐ_ｘ／２，ｙ＋ｐ_ｙ／２），σ_ｙ（ｘ＋ｐ_ｘ／２，ｙ＋ｐ_ｙ／２），τ_ｘｙ（ｘ＋ｐ_ｘ／２，ｙ＋ｐ_ｙ／２）とすると、これらの値は、簡易的に下記（５）式および（６）式により求めることができる。

上記（６）式中、Ｅは測定対象物の縦弾性係数、νはポアソン比である。

すなわち、上記の式を用いることにより、サブピクセルレベルでの変位計測値に基づいて応力解析を行うことができる。
ここで、本発明に係る変位量計測方法および応力計測方法を用いた実験結果を示しておく。

図７は、長方形の板体（２ｔ×３０Ｗ×３００Ｌ；単位はｍｍ）に円孔（孔径が１０ｍｍ）を形成した試験片の図であり、図８は、この試験片に引張荷重を加えた場合の本発明に係る変位量計測方法により得られた変位量に基づき求められた計測領域全体の応力分布を示す図であり、また図９は、本発明に係る応力計測方法で求められた応力分布（実線にて示す）と、ひずみゲージで計測された応力（プロット箇所にて示す）と、下記（７）式に示す理論値（破線にて示す）とを比較した図である。なお、図８においては、引張荷重が異なる３つのケース１〜ケース３について示されている。また、図８から、円孔側部においては、応力集中が生じているとともに、円孔上部および下部においては、応力が小さくなっているのが分かる。また、図９からは、円孔左側においては、幾分の差異が見受けられるが、全体的には、サブピクセル画像処理による計測値、ひずみゲージによる計測値、および理論値がほぼ同程度の結果であることが分かる。

上記（７）式中、σ_０は円孔中心から上部７５ｍｍの位置にあるひずみゲージから計算した円孔遠方部での応力値（図７の二点鎖線にて示す）であり、ｒは円孔の半径であり、ｘは円孔中心からの位置（距離）を示す。

さらに、以下、上記実施の形態に係る変位量計測方法をステップ様式にて記載しておく。
すなわち、上記実施の形態に係る変位量計測方法は、構造物に力を付与する前と付与した後との撮影画像の画像情報を比較することにより当該構造物における変位量を計測する方法であって、上記力付与前における撮影画像の計測に係る部分であるとともに計測着目画素を含む基準領域部および力付与後における撮影画像の計測に係る部分である計測対象領域部を、フーリエ変換法を用いてそれぞれ拡大するステップと、この拡大された基準領域部と計測対象領域部とにおける画素同士の画像情報例えば輝度値の残差二乗和または正規化による相関量を、基準領域部を計測対象領域部に対して１画素ずつずらしながら求めるステップと、これら求められた各相関量を、基準領域部の各画素に対応して直線上または平面上にプロットするステップと、これらプロットされた各相関量を表す点若しくはその近傍を通過する曲線または曲面を求めるステップと、このステップにより求められた曲線または曲面の極値を求めるステップと、この極値の座標位置と、力付与前における撮影画像の基準領域部における計測着目画素の座標位置との距離を求めることにより、当該構造物の変位量を求めるステップとを具備した方法である。

なお、上記応力計測方法は、簡単に言うと、上記変位量計測方法により求められた変位量からひずみを求め、このひずみと構造物の材料の縦弾性係数を含む量とに基づき、当該構造物に発生している応力を求める方法である。

本実施の形態に係る応力計測装置の構成によると、下記のような効果を有している。
（１）カメラ装置、変位量および応力解析用のコンピュータ装置および出力装置を一体化させることによって、現場での構造物の応力状態が即座に評価できるので、構造物の点検および診断を、効率よく実施することができる。
（２）当該応力計測装置に組み込まれたレーザ測距装置およびＧＰＳ装置によって、被計測部の位置情報を効率よく取得することができるので、データの解析および構造物の健全性診断を容易に行うことができる。
（３）応答曲面（または応答曲線）を用いてずれ位置、すなわち変位量を求めるようにしたので、変位を２０ｎｍ程度の精度で測定することができ、したがって従来できなかった応力測定の分野まで、カメラ方式を適用することができる。
（４）画像の拡大法と応答曲面法とを組み合わせることによって、ひずみの検出精度の向上を図ることができ、延いては、応力の測定精度の向上を図り得る。

ところで、上記実施の形態においては、画素同士の変位量を求める画像相関法（相関量）として残差二乗和（残差二乗和相関値）を用いたが、例えば正規化相関値を用いることもできる。

正規化相関値を求める場合は、下記に示す（８）式（二次曲面の場合）が用いられる。

また、上記実施の形態においては、計測に係る部分の撮影画像を、フーリエ変換法を用いて拡大するように説明したが、場合によっては、拡大しなくても、二次曲面の極値を求めることにより、やはり、変位量を精度良く求めることができる。

本発明の実施の形態に係る変位量計測方法および応力計測方法を実施するための装置の概略構成を示す側面図である。 同変位量計測方法における画像領域の拡大方法を説明するための図で、（ａ）は拡大前の画像領域を示し、（ｂ）は拡大後の画像領域を示す。 同拡大方法により拡大された空間周波数領域を示す図である。 同変位量計測方法を説明するための図で、（ａ）は画像領域を示し、（ｂ）は比較方法を示し、（ｃ）は残差二乗和の相関値を示す。 同変位量計測方法を説明するための図で、平面での残差二乗和の相関値を示す斜視図である。 同変位量計測方法による実験結果を示す図で、（ａ）は計測値の比較を示すグラフで、（ｂ）は実験に用いた試験片の外観を示す。 同変位量計測方法による他の実験に係る試験片の外観を示す図で、（ａ）は全体図、（ｂ）は計測対象領域の拡大図である。 同他の実験結果における応力分布を示す平面図である。 同他の実験結果における応力値と、ひずみゲージによる計測値および理論値との比較を示すグラフである。

符号の説明

１ 支持台
２ カメラ装置
３ レーザ測距装置
４ レーザ照射器
５ ＧＰＳ装置
６ コンピュータ装置

Claims (6)

1. 構造物に力を付与する前と付与した後との撮影画像の画像情報を比較することにより当該構造物における変位量を計測する方法であって、
   上記力付与前における撮影画像の計測に係る部分であるとともに計測着目画素を含む基準領域部と力付与後における撮影画像の計測に係る部分である計測対象領域部とにおける画素同士の画像情報の相関量を、基準領域部を計測対象領域部に対して１画素ずつずらしながら求めるステップと、
   これら求められた各相関量を、基準領域部の各画素に対応して直線上または平面上にプロットするステップと、
   これらプロットされた各相関量を表す点若しくはその近傍を通過する曲線または曲面を求めるステップと、
   このステップにより求められた曲線または曲面の極値を求めるステップと、
   この極値の座標位置と、基準領域部における計測着目画素の座標位置との距離を求めることにより、当該構造物の変位量を求めるステップと
   を具備したことを特徴とする撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法。
2. 構造物に力を付与する前と付与した後との撮影画像の画像情報を比較することにより当該構造物における変位量を計測する方法であって、
   上記力付与前における撮影画像の計測に係る部分であるとともに計測着目画素を含む基準領域部および力付与後における撮影画像の計測に係る部分である計測対象領域部を、フーリエ変換法を用いてそれぞれ拡大するステップと、
   この拡大された基準領域部と計測対象領域部とにおける画素同士の画像情報の相関量を、基準領域部を計測対象領域部に対して１画素ずつずらしながら求めるステップと、
   これら求められた各相関量を、基準領域部の各画素に対応して直線上または平面上にプロットするステップと、
   これらプロットされた各相関量を表す点若しくはその近傍を通過する曲線または曲面を求めるステップと、
   このステップにより求められた曲線または曲面の極値を求めるステップと、
   この極値の座標位置と、力付与前における撮影画像の基準領域部における計測着目画素の座標位置との距離を求めることにより、当該構造物の変位量を求めるステップと
   を具備したことを特徴とする撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法。
3. 構造物に力を付与する前と付与した後との撮影画像の画像情報を比較することにより当該構造物における変位量を計測する方法であって、
   上記力付与前における撮影画像の計測に係る部分であるとともに計測着目画素を含む基準領域部と力付与後における撮影画像の計測に係る部分である計測対象領域部とにおける画素同士の画像情報の残差二乗和または正規化による相関量を、基準領域部を計測対象領域部に対して１画素ずつずらしながら求めるステップと、
   これら求められた各相関量を、基準領域部の各画素に対応して直線上または平面上にプロットするステップと、
   これらプロットされた各相関量を表す点若しくはその近傍を通過する曲線または曲面を求めるステップと、
   このステップにより求められた曲線または曲面の極値を求めるステップと、
   この極値の座標位置と、力付与前における撮影画像の基準領域部における計測着目画素の座標位置との距離を求めることにより、当該構造物の変位量を求めるステップと
   を具備したことを特徴とする撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法。
4. 構造物に力を付与する前と付与した後との撮影画像の画像情報を比較することにより当該構造物における変位量を計測する方法であって、
   上記力付与前における撮影画像の計測に係る部分であるとともに計測着目画素を含む基準領域部および力付与後における撮影画像の計測に係る部分である計測対象領域部を、フーリエ変換法を用いてそれぞれ拡大するステップと、
   この拡大された基準領域部と計測対象領域部とにおける画素同士の画像情報の残差二乗和または正規化による相関量を、基準領域部を計測対象領域部に対して１画素ずつずらしながら求めるステップと、
   これら求められた各相関量を、基準領域部の各画素に対応して直線上または平面上にプロットするステップと、
   これらプロットされた各相関量を表す点若しくはその近傍を通過する曲線または曲面を求めるステップと、
   このステップにより求められた曲線または曲面の極値を求めるステップと、
   この極値の座標位置と、力付与前における撮影画像の基準領域部における計測着目画素の座標位置との距離を求めることにより、当該構造物の変位量を求めるステップと
   を具備したことを特徴とする撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法。
5. 画像情報が輝度値であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の撮影画像を用いた構造物における変位量計測方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の変位量計測方法により求められた変位量からひずみを求め、このひずみと構造物の材料の縦弾性係数を含む量とに基づき、当該構造物に発生している応力を求めることを特徴とする撮影画像を用いた構造物における応力計測方法。
   

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