JP2014032164A - デジタルカメラを用いた構造物の三次元変位測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、特殊な機器を必要とせず、簡単に採用可能な機器で構成出来る、構造物等の三次元変位測定システムを提供することを目的とする。
【解決手段】このシステムは、被測定物の表面の相対的に変位する箇所に夫々設置され、各々グリッド線が表示された２個の計測用パネルと、測定パネルを二方向から撮影するデジタルカメラと、デジタルカメラの画像データを処理するデータ処理装置とを備え、データ処理装置は、デジタルカメラの画像データを、グリッド線に基づき画像処理する手段と、画像データを角度補正して撮影角及び焦点距離を算出する手段と、グリッド線を基準にＸ軸方向及びＹ軸方向を規定し、更に、Ｘ−Ｙ平面に垂直方向をＺ軸方向と規定すると、画像処理された画像データ、角度処理データ及び焦点距離データより、２個の計測用パネル間のＸ軸方向距離、Ｙ軸方向距離、Ｚ軸方向距離及び直線距離を算出する手段とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルカメラを用いた構造物の三次元変位測定システムに関する。更に具体的には、本発明は、構造物等に発生する亀裂（クラック）等の進行を管理するデジタルカメラを用いた構造物の経時的な三次元変位測定システムに関する。

従来、クラックの開き方向寸法（間隙）を測る場合、クラックスケール（物差しやノギスと同様の機能を有する測定器）等で直接計測を行っていた。この方法では、単に間隙を測定しているだけで、クラックの両側の構造物がどの様に変位しているかを把握することが出来なかった。

そこで、本出願人は、特許文献１に開示する「デジタルカメラを用いた構造物の亀裂変位計測方法」の提案を行った。特許文献１では、クラック挙動をデジタルカメラで撮影した画像データを高度情報処理することで数値により把握し管理を行うシステムである。具体的には、計測対象のクラックの両側に、専用の計測用パネル（図２Ａに示すものと同じ。）を夫々貼り付け、デジタルカメラで正面から２枚の計測用パネルの状況を撮影し、画像処理／統計処理により画像データから数値化し、計測用パネル位置として、計測用パネルの演算点間のＸ軸方向移動量及びＹ軸方向移動量を求めている。特許文献１では、定期的に撮影を繰り返し、演算抽出した計測用パネル位置を、初期登録値と比較することで、クラックの挙動傾向を把握するためのデータ（２枚の計測用パネルの相対的２次元変位量）を演算し、表示・記録している。

特開2002-340529「デジタルカメラを用いた構造物の亀裂変位計測方法」（公開日：2002.11.27）出願人：日本工営株式会社（特許第4683516号）

特許文献１では、構造物の亀裂に対して、亀裂の両側に２枚の計測量パネルを夫々固定し、計測量パネルの相対的変位量を２次元数値データで把握している。しかし、亀裂の両側の変位は、本質的には３次元空間で変位するものである。例えば、亀裂を上下方向に走る状態で見て、亀裂に垂直方向をＸ方向、亀裂に沿った方向をＹ方向、亀裂のある構造物の面に垂直方向をＺ方向とすると、亀裂の片側が隆起・陥没した場合、２次元数値データ（ｘ，ｙ値）には殆ど変化が見られない場合でも、３次元データ（ｘ，ｙ，ｚ値）ではｚ値が大きく変化する。

特許文献１で開示する亀裂変位計測方法では、計測用パネルの相対的変位量を２次元数値データで把握するため、亀裂等の実体としての挙動（即ち、三次元で捉えた挙動）を把握することは出来ていない。そのため、亀裂等の実際の挙動を把握可能な構造物の三次元変位測定システムの開発が望まれていた。

そこで、本発明は、特殊な機器を必要とせず、簡単に採用可能な機器で構成出来る、構造物等の三次元変位測定システムを提供することを目的とする。

本発明に係るデジタルカメラを用いた三次元変位測定システムは、被測定物の表面の相対的に変位する箇所に夫々設置され、各々グリッド線が表示された２個の計測用パネルと、前記測定パネルを、二方向から撮影するデジタルカメラと、前記デジタルカメラの画像データを処理するデータ処理装置とを備え、前記データ処理装置は、前記デジタルカメラの画像データを、前記グリッド線に基づき画像処理する手段と、前記画像データを角度補正して撮影角及び焦点距離を算出する手段と、前記グリッド線を基準にＸ軸方向及びＹ軸方向を規定し、更に、Ｘ−Ｙ平面に垂直方向をＺ軸方向と規定すると、前記画像処理された画像データ、角度処理データ及び焦点距離データより、前記２個の計測用パネル間のＸ軸方向距離、Ｙ軸方向距離、Ｚ軸方向距離及び直線距離を算出する手段とを有している。

更に、上記三次元変位測定システムでは、前記デジタルカメラは、少なくとも３００万画素以上の有効記録画素数を有していてもよい。

更に、上記三次元変位測定システムでは、前記演算点は、前記グリッド線の交点であってよい。

更に、上記三次元変位測定システムでは、前記計測用パネルは、更に、バーコードが表示され、該バーコードに基づき、データが処理されデータベース化されてもよい。

更に、上記三次元変位測定システムでは、更に、撮影時に、前記２個の計測用パネルを覆う、透明部材で形成されたテンプレートを備え、該テンプレートには、傾斜ガイド線が描かれており、撮影時に前記デジタルカメラの撮影フレームを該傾斜ガイド線に一致させることにより、所望の方向からの撮影が出来るようにしてもよい。

更に、上記三次元変位測定システムでは、前記被測定物には、建造物、土木構造物、岩石、危険な斜面、活動期の火山が含まれていてもよい。

更に、上記三次元変位測定システムでは、前記二方向からの撮影は、前記デジタルカメラをＹ軸方向には移動せず、Ｘ−Ｚ平面内で移動して撮影されてもよい。

更に、上記三次元変位測定システムでは、前記二方向からの撮影は、前記デジタルカメラをＸ軸方向には移動せず、Ｙ−Ｚ平面内で移動して撮影されてもよい。

更に、本発明に係るデジタルカメラを用いた三次元変位測定方法は、被測定物の表面の相対的に変位する箇所に夫々設置され、各々グリッド線が表示された２個の計測用パネルを使った、デジタルカメラを用いた三次元変位測定方法に於いて、被測定物の表面に相対的に変位する箇所に夫々設置された、各々グリッド線が表示された２個の計測用パネルをデジタルカメラで二方向から撮影し、前記デジタルカメラからの画像データを前記グリッド線に基づき画像処理し、更に角度補正して撮影角及び焦点距離を算出して、前記２個の計測用パネル間のＸ軸方向距離、Ｙ軸方向距離、Ｚ軸方向距離及び直線距離を算出する。

更に、上記三次元変位測定方法では、前記二方向からの撮影は、前記デジタルカメラをＹ軸方向には移動せず、Ｘ−Ｚ平面内で移動して撮影されてもよい。

更に、上記三次元変位測定方法では、前記二方向からの撮影は、前記デジタルカメラをＸ軸方向には移動せず、Ｙ−Ｚ平面内で移動して撮影されてもよい。

更に、本発明に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、上記デジタルカメラを用いた三次元変位測定方法を実行させるためのコンピュータプログラムである。

更に、本発明に係る記録媒体は、上記のコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。

本発明によれば、特殊な機器を必要とせず、簡単に採用可能な機器で構成出来る、構造物等の三次元変位測定システムを提供することが出来る。

図１は、本実施形態に係る三次元変位測定システムの全体の構成を示す図である。 図２Ａは、好ましい計測用パネルを示す図である。 図２Ｂは、トンネルの内壁に生じたクラックの両側に２個の計測用パネルを固定した様子を示す図である。 図３は、２個の計測用パネルの演算点と演算結果から得られる４要素を説明する図である。 図４Ａは、上段は、カメラにより計測用パネルを撮影角αで撮影した状況を示す図である。下段は、その画像である。 図４Ｂは、撮影時に、計測用パネルの上に配置する、アクリル等の透明部材で形成されたテンプレートを説明する図である。 図４Ｃは、現場に於ける撮影時の作業フローを説明する図である。 図５は、画像処理ソフト「クラック定規デジタル画像簡易演算・管理システム（３Ｄ）」の処理方法の概略を説明する図である。 図６は、演算点の一例として、一方の計測用パネルのグリッド線の交点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、他方の計測用パネルの夫々対応するグリッド線の交点Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を説明する図である。 図７（Ａ）は、上段に撮影角α方向からカメラを向けた撮影時の状況を示し、下段はその時の撮影画像を示している。図７（Ｂ）は、歪んだパネル枠を正方形に復元する角度補正を行った場合を示し、下段はその時の補正画像を示す図である。 図８は、上段に、計測用パネル２０−１，２０−２がＺ軸方向に変位した状態にある図を示す図であり、下段にそれを右及び左方向から夫々撮影した画像を夫々示す図である。

以下、本発明に係るデジタルカメラを用いた構造物の三次元変位測定システムの実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この実施形態は、本発明の例示であって、本発明の範囲を何等限定するものではない。

［システムの全体］
図１は、本実施形態に係る構造物の三次元変位測定システム１の全体構成を示す図である。この構造物の三次元変位測定システム１は、例えば、典型的には、トンネル等に発生する亀裂の進行に関して、亀裂の両側に２個のマーカー（目印）を設置し、デジタルカメラを用いて時間の経過に伴うマーカー間の相対的変位を三次元で捉えて、亀裂の進行を数値管理するシステムである。

図１に示すように、三次元変位測定システム１の全体構成は、被測定物に固定された、マーカーとしての１組２枚の計測用パネル２０と、この１組２枚の計測用パネルを撮影するデジタルカメラ３０と、デジタルカメラの画像データを画像処理及び演算処理するデータ処理装置（コンピュータ）４０と、データ処理装置に接続されたモニタ５０、ＨＤＤ６０及び光ディスクドライブ７０を備えている。

データ処理装置４０では、後で説明する「三次元画像計測処理ソフト」としてプログラム化されたステップに沿って処理が行われる。この処理ソフトは、予め、データ処理装置４０の内部記憶装置に蓄積しておいてもよく、或いはＣＤ，ＤＶＤ等に記録して処理毎に光ディスクドライブ７０からデータ処理装置４０にロードしてもよい。

構造物等としては、亀裂等の発生が予想されるビル、橋梁等の建造物、トンネル、道路等の土木構造物が対象となる。構造物等に発生する亀裂（クラック）等としては、現在進行中の亀裂、進行が疑われる亀裂（以下、まとめて「進行性亀裂」という。）が対象となる。しかし、亀裂は例示であって、例え亀裂が存在しなくても、２個のマーカーを設置した場合に三次元でマーカー間に時間の経過に伴う相対的変位が予想される構造物等も対象となる。更に、崩落が予想される岩石、危険な斜面、活動期の火山等の地山等も対象となる。本出願書類では、これらを総称して、「被測定物」という。

被測定物に設置した２個のマーカーに関しては、個数は２個に限定されない。３個以上のマーカーの場合、それらから選択された２個のマーカー間で相対的変位を求め、順次これを繰り返して、１個の基準マーカーに対する他のマーカーの相対的変位、又は第１のマーカーに対する第２のマーカーの相対的変位、第２のマーカーに対する第３のマーカーの相対的変位のような増分的な相対的変位を求めるシステムも含まれる。

なお、本明細書では、本実施形態の三次元変位測定システムを分かり易く説明するため、２個のマーカーを使ってトンネルに発生する進行性亀裂の両側の三次元の相対的変位を測定するシステムを例にとって説明する。各構成要素について説明する。

［各構成要素］
（計測用パネル）
計測用パネルは、デジタルカメラで撮影した場合のマーカー（目印）となる物である。図２Ａは、好ましい計測用パネル２０を示す図である。この計測用パネル２０は、本出願人が意匠権者である登録意匠第１３８９０５７号（意匠に係る物品：クラック計測用パネル）と同じである。計測用パネル２０は、一辺が５０ｍｍの正方形の表示領域２７内に、１０ｍｍ間隔で描かれた縦方向及び横方向のグリッド線２４，２５により、一辺が１０ｍｍの正方形２６が４×４個描かれている。

計測用パネル２０には、各計測用パネルを特定するバーコード２２が表示されている。データ処理に際して、バーコード２２を利用することにより、この計測用パネル２０が設置されたトンネルのデータ（場所、設置日時、複数の組の計測用パネルを設置した場合の追い番等）、初期測定データ及びその後の計測データ等を分類整理し、演算処理、データベース化することが出来る。

計測用パネル２０には、その他、トンネルに設置するため使用されるアンカーホール２１、データを補助的に確認するノギス計測用ホール２３等が形成されている。

計測用パネル２０は、野外で使用されることが多いため、野外環境によって破壊、変形等を起こしにくい材質で形成される。計測用パネル２０は、代表的には、ステンレスパネルにセラミック塗装を焼成処理した高強度・高耐久性パネルである。グリッド線２４，２５等は焼成前に描かれて焼き込まれる。計測用パネル２０は、その他、例えば、陶器、磁器、琺瑯、金属で形成してもよい。

図２Ｂは、トンネルの内壁に生じたクラックの両側に２個の計測用パネルを固定した様子を示す図である。トンネルの内壁５に発生した進行性クラック７の両側に、２枚の計測用パネル２０を、例えばアンカーボルトを使って夫々固定する。説明の便宜上、２枚の計測用パネル２０の一方を第１の計測用パネル２０−１とし、他方を第２の計測用パネル２０−２とする。これら計測用パネル２０−１，２０−２の設置位置は、クラックが縮むことを考慮して、クラック７を挟んで数ミリの間隔で並置することが好ましい。

クラック７が進行すると、これら計測用パネル２０−１，２０−２の相対的位置が変化する。本実施形態では、クラックの挙動を計測用パネル２０−１，２０−２の相対的位置の変化に置き換えて把握している。

図３は、２個の計測用パネルの演算点と演算結果から得られる４要素を説明する図である。本実施形態では、相対的位置の変化は、任意の一方の計測用パネル（図３では２０−２）のグリッド線２５の方向をＸ軸方向、グリッド線２４の走る方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面に垂直方向（即ち、計測用パネル２０−２の表面に垂直方向）をＺ軸方向として、把握する。

計測用パネル２０−１，２０−２に演算点２０ａ，２０ｂ（図中、●で示す。）を夫々定めて、次の４要素を演算により求める。

ｘ：演算点２０ａ，２０ｂ間のＸ軸方向距離
ｙ：演算点２０ａ，２０ｂ間のＹ軸方向距離
ｚ：演算点２０ａ，２０ｂ間のＺ軸方向距離
ｒ：演算点２０ａ，２０ｂ間の直線距離
これら４要素を使って、過去の測定データ（例えば、初期測定データ，前回の測定データ等）と今回の測定データの夫々の差分より、演算点２０ａ，２０ｂ間の相対的３次元変位量（即ち、クラックの実際の挙動）を把握する。

（カメラ及び撮影方法）
デジタルカメラ３０は、市販のカメラを利用することができる。デジタルカメラ３０は、有効記録画素数３００万又は５００万画素以上であることが好ましい。

撮影方法に関し、特許文献１では、２枚一組の計測用パネルを正面から撮影し、計測用パネルに描かれたグリッド（格子）を画像処理して、計測用パネル間の距離を演算していた。即ち、図３に関連して説明した、演算点２０ａ，２０ｂ間のＸ軸方向距離ｘとＹ軸方向距離ｙとを演算により求めていた。

本実施形態では、更にＺ軸方向距離ｚを求めるために、計測用パネル２０を右及び左方向から所定の角度で撮影する。この撮影角は、試作実験を通じて、約１５度が好ましいことが判明した。そのため、撮影に不慣れな場合でも約１５度の方向から簡単に撮影出来るように、次のようなテンプレートが用意されている。

図４Ａの上段は、カメラ３０により、計測用パネル２０−１，２０−２を撮影角αで撮影した状況を示している。カメラ３０から見ると、計測用パネル２０−１に比較して、計測用パネル２０−２が近くに位置している。下段は、その撮影画像３１であり、カメラ３０からの遠近の差により、画像中の計測用パネル画像２０−１ｖは、計測用パネル画像２０−２ｖに比較して小さい。この計測用パネル画像２０−１ｖ，２０−２ｖの下側の辺を結んだ傾斜線３２の水平線に対する角度は、上段の撮影角αの関数となる。

図４Ｂは、撮影時に、計測用パネル２０−１，２０−２の上に配置する、アクリル等の透明部材で形成されたテンプレート３４を説明する図である。テンプレート３４には、予め、計測用パネル２０−１，２０−２に向かって右方向の撮影角１５度から撮影した場合の傾斜線３２（図４Ａ参照）に一致する傾斜ガイド線３３−Ｒが描かれている。同様に、左方向の撮影角１５度から撮影した場合の傾斜線３２に一致する傾斜ガイド線３３−Ｌが描かれている。なお、テンプレート３４の左右方向領域は、右端部３４Ｒから左端部３４Ｌまでである。

図４Ｃは、現場に於ける撮影時の作業フローを説明する図である。

ステップＳ４０で、デジタルカメラ３０を準備する。

ステップＳ４１で、計測用パネル２０−１，２０−２にテンプレート３４をセットする。

ステップＳ４２で、カメラ３０を計測用パネル２０−１，２０−２の正面に位置決めし、テンプレート３４の左右端３４Ｒ，３４Ｌ（図４Ｂ参照）を、撮影フレーム３６の左右の枠線に一致するまで、計測用パネルからのカメラの距離を調節する。計測用パネル２０−１，２０−２を撮影フレーム３６一杯に大きく撮影するためである。撮影フレーム３６とは、デジタルカメラに備えられた撮影画像表示用の液晶パネルのフレーム、カメラのファインダーのフレーム等である。

ステップＳ４３で、図４Ａの上段に示すように、右方向からの画像を得るため、撮影フレーム３６の傾斜線３２を、テンプレート３４の傾斜ガイド線３３−Ｒに一致するまで、カメラ３０を＋Ｘ軸方向に移動させて位置決めする。この位置決めにより、およそ角度１５度の画角（図４Ａの撮影角α）が得られる。

ステップＳ４４で、この状態で、右方向から計測用パネルを撮影する。５枚以上撮影することが好ましい。

ステップＳ４５で、左方向からの画像を得るため、撮影フレーム３６の傾斜線３２を、テンプレート３４の傾斜ガイド線３３−Ｌに一致するまで、カメラ３０を−Ｘ軸方向に移動させて位置決めする。同様に、およそ、角度１５度の画角（図４Ａの撮影角α）が得られる。

ステップＳ４６で、この状態で、左方向から計測用パネルを撮影する。５枚以上撮影することが好ましい。

なお、ステップＳ４３とステップＳ４５を入れ替えて撮影順序を逆にして、最初に左方向から撮影し、次に、右方向から撮影してもよい。

この撮影方法では、図４Ａから分かるように、カメラ３０をＸ−Ｚ平面内で±Ｘ軸方向に移動し、±Ｙ軸方向の移動を最小限にしている。即ち、右左の画像において、三次元のＸＹＺの内、変動を二次元のＸ−Ｚ平面内にしている。この代わりに、カメラ３０をＹ−Ｚ平面内で±Ｙ軸方向に移動し、Ｘ軸方向の移動を最小限にしてもよい。

（データ処理装置及び画像処理方法）
図１を参照されたい。データ処理装置４０として、市販のパーソナルコンピュータを使用することが出来る。データ処理装置４０のＯＳとして、例えば、Ｗｉｎｄｏｗｅｓ ＸＰ，Ｖｉｓｔａ又はＷｉｎｄｏｗｅｓ７、ＣＰＵとしてＩｎｔｅｌ Ｃｏｒｅ ２Ｄｕｏ以上、メインメモリとして２ＧＢ以上が好ましい。

図１に示すように、データ処理装置４０には、モニタ５０と、画像データ、演算処理して得られた計測用パネル間の相対的三次元データ等を蓄積してデータベース化するＨＤＤ６０と、この画像処理ソフト「クラック定規デジタル画像簡易演算・管理システム（３Ｄ）」が記録されたＣＤ，ＤＶＤ等を駆動する光ディスクドライブ７０とを有する。

図５は、画像処理ソフト「クラック定規デジタル画像簡易演算・管理システム（３Ｄ）」の処理方法の概略のフローである。

最初に、測定データ及び変位量について説明する。図６は、一例として、一方の計測用パネル（２０−１）のグリッド線の交点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、他方の計測用パネル（２０−２）の夫々対応するグリッド線の交点Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を説明する図である。これら交点が演算点となる。これらは画像データであるので、参照符号に（）を付して表示する。

測定データとして、演算点Ｒ１とＬ１の演算点間のＸ軸方向距離ｘ１，Ｙ軸方向距離ｙ１，Ｚ軸方向距離ｚ１を演算により求める。同様に、演算点Ｒ２とＬ２の距離ｘ２，ｙ２，ｚ２を求める。同様に、演算点ＲｎとＬｎ（ｎ＝１，２，３…）の距離ｘｎ，ｙｎ，ｚｎを求める。

次に、変位量として、Ｘ軸方向距離ｘ１，ｘ２，…，ｘｎの数値は異なるが、計測を複数回に行った場合、過去の測定値（初回測定値，前回の測定値等）に対する夫々の差分（変位量）は同じはずである。従って、変位量（Δｘ１，Δｘ２，…，Δｘｎ）の平均値をとり、Ｘ軸方向変位量Δｘの測定精度を高めている。｛Δｘ＝（Δｘ１＋Δｘ２＋…＋Δｘｎ）／ｎ｝。Ｙ軸方向変位量Δｙ、Ｚ軸方向変位量Δｚ、直線距離変位量Δｒに関しても同様である。

ステップＳ５０で、デジタルカメラ３０により、右及び左方向から計測用パネル２０−１，２０−２を夫々撮影する。通常のデジタルカメラから出力される画像データは、高解像度のデータを圧縮したＪＰＥＧ形式であり、これをそのまま画像処理することは出来ない。

ステップ５１で、ＪＰＥＧデータを、ＢＭＰ形式に変換し、更に、「１」，「０」の二値データ化する。

ステップＳ５２で、レンズの歪み補正を行う。デジタルカメラ３０の光学レンズの歪み特性により、撮影画像は歪んだ画像になっている。この歪み補正を行う。

ステップＳ５３で、この二値化画像データより、ハフ変換（Ｈｏｕｇｈ変換）を利用して、計測用パネル２０に表示された縦横のグリッド線２４，２５（図２Ａ参照）の正確な直線方程式を求めて仮想空間に展開する。

ハフ変換自体は、デジタル画像処理で用いられる公知の特徴抽出方法である。簡単に説明すると、デジタルカメラで撮影した線分のデータ（ここでは、ほぼ線状に散在するドットの集合のグリッド線の二値化データ）にはノイズが乗っている。コンピュータの処理では、ノイズが乗った線分データから、これを表す直線方程式を一義的に定めることが出来ない。

このため、ハフ変換が利用される。一般に、直線は、ρ＝ｘｃｏｓθ＋ｙｓｉｎθ （ρ，θは未知のパラメータ）で表すことができる。コンピュータ内で、この直線方程式の（ρ，θ）を順次変化させ、デジタルカメラで撮影した線分のドットデータが最も乗っているときの（ρ，θ）を決定する。その結果得られた直線方程式 ρ＝ｘｃｏｓθ＋ｙｓｉｎθ（この時点では、ρ，θは既知）は、デジタルカメラで撮影した線分のデータ上を走る直線となる。換言すれば、グリッド線を正確に表す直線方程式となる。

ステップＳ５４で、縦横のグリッド線２４，２５の正確な直線方程式から、グリッド線の交点位置を求める。グリッド線の交点は、図３及び図６で説明した演算点２０ａ，２０ｂ（●）として使用される。

ステップＳ５５で、右及び左方向から見た、２つの演算点間のＸ軸方向距離ｘＲ，ｘＬ及びＹ軸方向移動量ｙＲ，ｙＬを演算する。

演算点Ｒ１とＬ１の演算点間のＸ軸方向距離ｘＲ，ｘＬ、Ｙ軸方向距離ｙＲ，ｙＬに関して説明する。図７（Ａ）は、上段に右方向撮影角度α方向からカメラ３０を向けた撮影時の状況を示し、下段はその時の撮影画像を示している。計測用パネル２０−１，２０−２は、カメラ３０からの遠近により、その画像は２０−１ｖに比較して、２０−２ｖが大きくなる。図示していないが、左方向撮影角度α方向からカメラ３０を向けた場合、画像は、逆に２０−１ｖに比較して、２０−２ｖが大きくなる。

更に、図８を参照されたい。図８は、上段に、計測用パネル２０−１，２０−２を示し、下段にそれを右方向及び左方向から撮影した画像を夫々示している。分かり易くするため、誇張して描かれていることを承知されたい。計測用パネル２０−１，２０−２の演算点を黒丸（●）で表示する。演算点間のＸ軸方向距離ｘ１は、右の方向からはｘＲに撮影され、左の方向からはｘＬに撮影される。

計測用パネル２０−１，２０−２では、グリッド線２４，２５がＸ軸方向，Ｙ軸方向に複数個の１０ｍｍの正方形を形成している。画像データでは、グリッド線が形成する正方形は、カメラ−測定用パネル間の遠近に応じて変形されている。これを使って、比例計算で右及び左方向から見たＸ軸方向移動量ｘＲ，ｘＬ及びＹ軸方向移動量ｙＲ，ｙＬが演算される。他の演算点ＲｎとＬｎの演算点間も同様に演算される。

ステップＳ５６で、計測用パネルの表示領域２７の枠の形状を利用し、歪んだパネル枠を正方形に復元する角度補正を行って、右及び左方向からの撮影角αＲ，αＬ及びカメラの焦点距離Ｆを演算により求める。焦点距離Ｆは、カメラのレンズ中心から結像面までの距離である。この補正では、表示領域２７の枠でなく、グリッド線２４，２５が形成する正方形２６やこの集合を使ってもよい。

再び図７を参照すると、図７（Ａ）は、上段に撮影角度α方向からカメラ３０を向けた撮影時の状況を示し、下段はその時の撮影画像を示している。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の歪んだパネル枠を正方形に復元する角度補正、換言すれば、撮影画像の撮影角をαからゼロにする角度補正を行った場合を示す。この角度補正により、右方向からの撮影角αＲ，左方向からのαＬ及び焦点距離Ｆが演算により求められる。

ステップＳ５７で、右及び左方向からの撮影角αＲ，αＬ、ステップＳ５５で求めた計測用パネルの演算点間の距離ｘＲ，ｘＬ及び焦点距離Ｆから、演算点Ｒ１とＬ１の間のＸ軸方向距離ｘ１、Ｚ軸方向距離ｚ１を演算により求める。Ｙ軸方向距離ｙ１は、ステップＳ５５で求めたｙＲ、ｙＬの差が非常に小さいので、平均値を採用する。他の演算点ＲｎとＬｎの間の距離も同様に演算する。

図８は、上段に、計測用パネル２０−１，２０−２がＺ軸方向に変位した状態にある図を示し、下段にそれを右方向及び左方向から撮影した画像を夫々示している。

演算点間の距離ｘＲ，ｘＬ、撮影角αＲ，αＬ、焦点距離Ｆから、Ｘ軸方向距離ｘ１及びＺ軸方向距離ｚ１を演算により求める。

図８から分かるように、演算点間のＹ軸方向距離ｙ１を考慮していない。一般に、複数写真のデータを使った三次元計算では、ＸＹＺ軸方向の変位データｘ，ｙ，ｚを処理している。しかし、本実施形態では、図４Ｃに関連して説明したように、カメラ３０をＸ−Ｚ平面内で移動し、Ｙ軸方向には移動しないようにしてＹ軸方向距離の変化を抑制している。これにより、Ｚ軸方向距離ｚを演算する際に、Ｘ−Ｚ平面内の二次元データとして演算することが出来、パラメータを減らすことが出来、比較的簡単な演算により、Ｚ軸方向距離ｚを求めることが出来る。更に、ステップＳ５５で求めたＹ軸方向距離ｙＲ，ｙＬの平均値をｙ１として使用することが出来る。カメラ３０をＸ軸方向には移動しないようにした場合も同様に、Ｚ軸方向距離ｚを演算するに、演算点間のＸ軸方向距離ｘを考慮しなくてよい。他の演算点ＲｎとＬｎの間の距離も同様に演算する。

ステップＳ５８で、演算点間の直線距離ｒを求める。演算点Ｒ１とＬ１の間の直線距離は、ｒ１＝（ｘ１^２＋ｙ１^２＋ｚ１^２）^０．５である。他の演算点ＲｎとＬｎの間の直線距離も同様に、ｒｎ＝（ｘｎ^２＋ｙｎ^２＋ｚｎ^２）^０．５である。

これらのデータを使って、各種の処理が可能となる。例えば、図６に関連して説明した変位量を求めて、クラックの挙動の経時的変化を把握することが出来る。例えば、測定頻度を比較的密にして、各測定データを直近の測定データと比較することにより、単に一方向の変位だけでなく、三次元空間内の複雑な挙動（ＸＹＺの各軸方向に経時的に変化する挙動等）も把握することが出来る。

例えば、これらのデータは、計測用パネル２０に表示されたバーコード２２により分類され、経時的変化等が直ちにモニタ５０に表示され、或いはプリンタ（図示せず。）により出力される。

（誤差に関する検討）
本実施形態に係る構造物の三次元変位測定システム１を試作して、測定精度の検討を行った。演算点間距離に対する％ＦＳ（フルスケール）誤差を求めた。試作結果では、Ｘ軸方向移動量ｘに関してはｍａｘ．１．８％Ｆ、Ｙ軸方向移動量ｙに関してはｍａｘ．１．８％ＦＳ、Ｚ軸方向移動量ｚに関してはｍａｘ．１６％ＦＳであった。

（本システムの特徴・利点・効果等）
本システムは、次のような特徴を有している。

(1)システムを構成する要素として、特別な機器、専用機器等を使わず、いずれも市販の機器で構成できる。従って、コストも比較的廉価に抑えることが出来る。

(2)被測定物として、トンネル等の土木構造物に限らず、橋梁等の建造物、崩落が予想される岩石等、活動期の火山等の治山等も対象となる。

(3)Ｚ軸方向移動量ｚを測定するため、Ｙ軸方向の変化を抑えて、演算処理を簡単な物とすることにより、速い画像処理／演算処理が可能になった。

(4)被測定物の２点間の空間的な挙動を、数値データで把握することが可能になった。

(5)測定者は、遠方又は奥地の被測定物のある場所に行く際に、市販のデジタルカメラ、及び必要に応じてテンプレートを持参するだけで測定が可能である。

［まとめ］
以上、本実施形態に係るデジタルカメラを用いた構造物の三次元変位測定システムに関して説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を制限するものではない。当業者が、本実施形態に対して容易になしえる追加・削除・変更・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の記載に基づいて定められる。

１：三次元変位測定システム、 ５：トンネルの内壁、 ７：クラック，亀裂，進行性クラック、 １５：撮影角、 ２０：計測用パネル、 ２０ａ，２０ｂ：演算点 ２１：アンカーホール、 ２２：バーコード、 ２３：ノギス計測用ホール、 ２４：グリッド線、 ２６：正方形、 ２７：表示領域、 ３０：デジタルカメラ、 ３１：撮影画像、 ３１Ｌ：左方向からの画像、 ３１Ｒ：右方向からの画像、 ３２：傾斜線 ３３：傾斜ガイド線、 ３４：テンプレート、 ３４Ｌ：左端部、 ３４Ｒ：右端部、 ３４Ｒ：左右端、 ３６：撮影フレーム、 ４０：データ処理装置，コンピュータ、 ５０：モニタ、 ７０：光ディスクドライブ、

Claims (13)

1. 被測定物の表面の相対的に変位する箇所に夫々設置され、各々グリッド線が表示された２個の計測用パネルと、
   前記測定パネルを、二方向から撮影するデジタルカメラと、
   前記デジタルカメラの画像データを処理するデータ処理装置とを備え、
   前記データ処理装置は、
   前記デジタルカメラの画像データを、前記グリッド線に基づき画像処理する手段と、
   前記画像データを角度補正して撮影角及び焦点距離を算出する手段と、
   前記グリッド線を基準にＸ軸方向及びＹ軸方向を規定し、更に、Ｘ−Ｙ平面に垂直方向をＺ軸方向と規定すると、前記画像処理された画像データ、角度処理データ及び焦点距離データより、前記２個の計測用パネル間のＸ軸方向距離、Ｙ軸方向距離、Ｚ軸方向距離及び直線距離を算出する手段とを有している、デジタルカメラを用いた三次元変位測定システム。
2. 請求項１に記載のデジタルカメラを用いた三次元変位測定システムにおいて、
   前記デジタルカメラは、少なくとも３００万画素以上の有効記録画素数を有している、システム。
3. 請求項１に記載のデジタルカメラを用いた三次元変位測定システムにおいて、
   前記演算点は、前記グリッド線の交点である、システム。
4. 請求項１に記載のデジタルカメラを用いた三次元変位測定システムにおいて、
   前記計測用パネルは、更に、バーコードが表示され、該バーコードに基づき、データが処理されデータベース化される、システム。
5. 請求項１に記載のデジタルカメラを用いた三次元変位測定システムにおいて、
   更に、撮影時に、前記２個の計測用パネルを覆う、透明部材で形成されたテンプレートを備え、該テンプレートには、傾斜ガイド線が描かれており、撮影時に前記デジタルカメラの撮影フレームを該傾斜ガイド線に一致させることにより、所望の方向からの撮影が出来る、システム。
6. 請求項１に記載のデジタルカメラを用いた三次元変位測定システムにおいて、
   前記被測定物には、建造物、土木構造物、岩石、危険な斜面、活動期の火山が含まれる、システム。
7. 請求項１に記載のデジタルカメラを用いた三次元変位測定システムにおいて、
   前記二方向からの撮影は、前記デジタルカメラをＹ軸方向には移動せず、Ｘ−Ｚ平面内で移動して撮影される、システム。
8. 請求項１に記載のデジタルカメラを用いた三次元変位測定システムにおいて、
   前記二方向からの撮影は、前記デジタルカメラをＸ軸方向には移動せず、Ｙ−Ｚ平面内で移動して撮影される、システム。
9. 被測定物の表面の相対的に変位する箇所に夫々設置され、各々グリッド線が表示された２個の計測用パネルを使った、デジタルカメラを用いた三次元変位測定方法に於いて、
   被測定物の表面に相対的に変位する箇所に夫々設置された、各々グリッド線が表示された２個の計測用パネルをデジタルカメラで二方向から撮影し、
   前記デジタルカメラからの画像データを前記グリッド線に基づき画像処理し、更に角度補正して撮影角及び焦点距離を算出して、前記２個の計測用パネル間のＸ軸方向距離、Ｙ軸方向距離、Ｚ軸方向距離及び直線距離を算出する、方法。
10. 請求項９に記載のデジタルカメラを用いた三次元変位測定方法に於いて、
    前記二方向からの撮影は、前記デジタルカメラをＹ軸方向には移動せず、Ｘ−Ｚ平面内で移動して撮影される、三次元変位測定方法。
11. 請求項９に記載のデジタルカメラを用いた三次元変位測定方法に於いて、
    前記二方向からの撮影は、前記デジタルカメラをＸ軸方向には移動せず、Ｙ−Ｚ平面内で移動して撮影される、三次元変位測定方法。
12. コンピュータに、
    請求項９〜１１のいずれか一項に記載のデジタルカメラを用いた三次元変位測定方法を実行させるためのコンピュータプログラム。
13. 請求項１２に記載のコンピュータプログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体。