JP2014098683A - 遠距離クラック測量方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遠距離クラック測量方法の提供。
【解決手段】本発明は一種の遠距離クラック測量の方法及びその装置に係り、それは先ずマルチポイントで且つ既知形状のレーザー光点を遠距離壁面のクラックの傍らに投射し、幾何計算を利用して、各レーザー光点の間の壁面上の相対座標と実際距離を求め、この実際距離をクラックの参考長さとする。その後、カメラで遠いところからクラックとレーザー光点画像を同時に撮影し、続いて画像認識技術を利用して撮影画像中のクラック関係パラメータを計算により求める。使用者は完全にクラックの所在位置に接近して近距離測量したりその近辺に参考物品を置いたりする必要なく、クラックパラメータを獲得でき、安全性と便利性を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は一種の遠距離クラック測量方法及びその装置に係り、特に、レーザービームで構成したレーザーパターンの変形を使用してクラックの長さと幅等のパラメータを分析する遠距離クラック測量方法及び装置に関する。

建築物の壁に出現するクラックは、構造安全上の警告信号であり、すなわち細小のクラックを、適時に補強しなければ、日々拡大して、内部の鉄筋を露出させて、それを腐食させる可能性を増し、ひいては安全性を脅かす。

台湾は、その地理関係により、長年、台風、水害、地震等の災害の被害に遇っており、このため、建築物或いはエンジニアリング構造物も、クラックを発生して徐々に老化、劣化する恐れが比較的高い。これは人民の生命財産に対して厳重な脅威となる。このため、いかに工程メインテナンス単位が、橋梁、堤防、トンネル等の建築工程において、メインテナンス管理を行う時に、確実にクラックの状態の検出と追跡が行えるかが、重要で且つ取り組まねばならない課題である。

伝統的に、コンクリート建造物にクラックが発生した時、クラックの長さと幅を量化する方法は、接触性の人工測量とされ、すなわち、手持ち式のクラックメジャーを使用して判読するか、或いは超音波を使用して測量する。

しかし、これらの人工測量の方式は、手間と時間がかかり、且つ測量結果は唯一性を有さず、さらに、これらクラックの位置は容易には到達できない場合があり、このため大量の測量作業時には困難がある。

近年、ますます多くの専門家が画像認識により画像上のクラック情報を得ている。しかし、基本的に、これら周知の技術はいずれも画像上のクラック情報、たとえば、長さ、幅等を獲得することができるが、これらのサイズはいずれも画像上のピクセル（ｐｉｘｅｌ）の大きさであり、ゆえに、さらに比尺度の変換関係を参考にしなければ、実際のクラックパラメータを得ることはできない。いまだ、画像上の参考比尺度を提供する簡易で実用的な方式は提出されていない。

本発明の主要な目的は、一種の遠距離クラック測量方法を提供することにあり、それは、まずレーザービームをクラックの一側に照射し、その後、撮影と画像分析処理を行ない、使用者が現場で近距離の測量を行ったり参考物品を設置したりする必要がなく、安全性と便利性を有するものとする。

本発明の次の目的は、一種の遠距離クラック測量方法を提供することにあり、それは、レーザービーム自身の低発散性により測量距離を遠距離に引き伸ばし、互いに非常に遠く離れたところでも正確度に影響を与えないものとする。

本発明の他の目的は、一種の遠距離クラック測量方法を提供することにあり、それは、関係パラメータと撮影画像のみを取得した後に分析処理を行うことができ、これにより、無人監視システムに応用でき、並びにスピーディーにデータを遠方に伝送して統一した分析を行えるものとする。

本発明のさらに一つの目的は、一種の遠距離クラック測量装置を提供することにあり、それは、クラックを有する壁面に、必要なレーザービームを投射し、本発明の方法を組み合わせて正確にクラック測量を行えるものとする。

これにより、本発明は一種の遠距離クラック測量方法及びその装置を提供し、この遠距離クラック測量方法は、以下のステップを包含し、すなわち、
レーザー光点投射器を移動させて、該レーザー光点投射器を、壁面の法線方向に平行とするステップ、
該レーザー光点投射器に水平角度及び垂直角度の移動を行わせ、該レーザー光点投射器の照準を、該壁面のクラックの一側に位置する投射点に合わせるステップ、
該投射点にレーザーパターンを投射するステップ、
該投射点及び該クラックを撮影して変形画像を取得するステップ、及び、
該変形画像を直交画像に還元し、該クラックのパラメータを取得するステップ、
以上を包含する。

本発明は以上のステップにより、使用者は安全の心配なく、正確にクラックの長さ及び幅等の数値を獲得できる。

本発明のステップフローチャートである。 本発明の、レーザー光点投射器を照準し、それを壁面の法線方向と平行とする表示図である。 本発明の、レーザー光点投射器の水平角度移動の表示図である。 本発明の、レーザー光点投射器の垂直角度移動の表示図である。 本発明の、レーザーパターンの投射点への投射の表示図である。 本発明のレーザーパターン断面表示図である。 本発明の平行レーザービーム式レーザー光点投射器の投射口表示図である。 本発明の角度調整可能レーザービーム式レーザー光点投射器の投射表示図である。 本発明の好ましい実施例の、平行レーザービーム式レーザー光点投射器を使用した投射座標表示図である。 本発明の好ましい実施例の変形画像と直交画像写真である。 本発明の実施例１の実際操作画像写真である。 本発明の実施例１の実際操作画像写真である。 本発明の実施例１の実際操作画像写真である。 本発明の実施例１の実際操作画像写真である。 本発明の実施例２の実際操作画像写真である。 本発明の実施例２の実際操作画像写真である。 本発明の実施例２の実際操作画像写真である。 本発明の実施例３の実際操作画像写真である。 本発明の実施例３の実際操作画像写真である。 本発明の実施例３の実際操作画像写真である。 本発明の実施例３の実際操作画像写真である。

本発明の技術内容、構造特徴、達成する目的を詳細に説明するため、以下に実施例を挙げ並びに図面を組み合わせて説明する。

まず、図１を参照されたい。この図は本発明の遠距離クラック測量方法のステップフローチャートであり、それは以下のステップを包含する。
ステップＳ１：レーザー光点投射器を移動させて、該レーザー光点投射器を、壁面の法線方向に平行とする
ステップＳ２：該レーザー光点投射器に水平角度及び垂直角度の移動を行わせ、該レーザー光点投射器の照準を、該壁面のクラックの一側に位置する投射点に合わせる
ステップＳ３：レーザーパターンを該投射点に投射する
ステップＳ４：該投射点及び該クラックを撮影して変形画像を取得するステップ、
ステップＳ５：該変形画像を直交画像に還元し、該クラックのパラメータを取得する
以上を包含する。

本発明中、図２に示されるように、まず、レーザー光点投射器１を、クラックのある壁面２から所定距離離れた位置に設置する。レーザー光自身の特性に基づき、この距離は相当に長くすることができ、これにより、観察する壁面２とレーザー光点投射器１の取り付け位置の間の地形問題を無視できる。

このレーザー光点投射器１はスタンド上に固定可能で、その投射方向は壁面２の法線方向に平行に調整される。

続いて、図３Ａ〜Ｃを参照されたい。使用者はこのレーザー光点投射器１を水平方向に、水平角度α移動させ、及び、垂直方向に垂直角度β移動させることで、レーザー光点投射器１の照準を投射点３に合わせる。

このステップにおいて、水平と垂直方向における調整の順序に制限はなく、ただ、最終的に照準が合わせられる投射点３ともとの開始位置の角度の差異を記録すれば、後続の演算処理の実行に用いることができる。

このほか、この、水平方向における移動の水平角度α、及び垂直方向における移動の垂直角度βの範囲は、適宜調整されて、移動後に、投射点３は壁面２のクラック２１の一側にあるものとされる。

続いて、ステップＳ３において、図４に示されるように、移動後のレーザー光点投射器１よりレーザーパターン４を投射点３に投射する。このレーザーパターン４は、少なくとも４つのレーザー光点４１を備えている。

本発明で使用するレーザー光点投射器１は、平行レーザービーム式或いは角度調整可能レーザービーム式とされ、両者の差異は、このステップＳ４中に明らかである。

もし、平行レーザービーム式を採用するなら、このようなレーザー光点投射器１は、同時に相互に平行なレーザービームを発射でき、且つ各ビーム間は、矩形の方式で配列される。

もし、角度調整可能レーザービーム式を採用するなら、それは既知の形状（たとえば矩形）の、ただし形状の拡大或いは縮小可能なレーザービームを投射し、レーザー光点投射器１と壁面２との間の距離は、整合レーザー測距計により獲得され得る。これにより、矩形光点拡大或いは縮小後のサイズは、幾何計算により求められる。

どちらの形式のレーザー光点投射器１を使用しても、いずれもレーザー光点投射器１と壁面２の法線の夾角により、またすなわち、前述の水平角度α、垂直角度βにより、レーザー光点４１の壁面２上の相対座標を計算できる。

レーザー光点投射器１は、相互に平行なレーザービームを発射する必要がある時、設計上、難度が存在し、なぜなら、極めて小さい誤差であっても、遠いところに投射すると拡大して無視できない偏移となるためである。

これにより、本発明はレーザー光点投射器１の構造に対して改良を行なった。図５Ａに示されるように、このレーザー光点投射器１の投射面１５中、レーザー光点投射器１の複数の投射口１１は一つに縮限され、それはスライドレールの方式で、レーザー光点投射器１の内部においてスライドレール１２に沿って移動し、これにより、各位置での投射は完全に平行なレーザー光線となる。このとき、後続の撮影取像上、シャッター時間の延長と組み合わせて複数の投射口１１を並列に設けるのと同じ効果を獲得できる。

また、図５Ｂを参照されたい。それは、角度調整可能レーザービーム式のレーザー光点投射器１の投射表示図である。そのうち、レーザー光点投射器１の投射器本体１４の投射面上の投射口はレーザー光源１３を備え、投射口を通してレーザービーム１６を投射する。且つこれらレーザービーム１６は同時に、該投射面の法線と、調整可能な夾角θを有する。レーザービーム１６は壁面２に対して投射されて、レーザーパターンを形成し、このレーザーパターンの大きさは、夾角θにより調整される。

本発明の、平行レーザービーム式を使用した例については、図６を参照されたい。図中、第１パターンＰ₁ は、レーザー光点投射器１が発射した平行レーザービームの断面である。第２パターンＰ₂は、第１パターンＰ₁ に対して垂直角度βの修正を行ない、ＸＹ平面に垂直としたパターンである。第３パターンＰ₃は、第２パターンＰ₂に対して水平角度αの修正を行ない、ＹＺ平面に平行としたパターンである。第４パターンＰ₄ は、レーザー光点投射器１が壁面２において形成する変形パターンである。

そのうち、レーザー光点投射器１が投射する画像は、複数のレーザー光点とされ、図６に示される第１パターンＰ₁ 〜第４パターンＰ₄ は、いずれも、複数のレーザー光点が接続されてなる仮想レーザーパターンであり、並びに実体矩形パターンを投射するのではない。

使用者は続いて、ステップＳ４において、投射点３及びクラック２１を撮影し、変形画像を取得する。このステップでは、カメラ或いは携帯電話付属のカメラで投射点３のレーザー光点４１とクラック２１を一緒に撮影する。この撮影により、変形画像を取得した後、取得した変形画像、水平角度α、垂直角度β及びクラック２１があるＧＰＳ座標を、無線伝送技術により、遠方の画像分析システムへとアップロードし、後続の画像分析処理を行う。

必要な画像座標情報と関係角度等の還元パラメータを獲得した後、使用者は、画像分析を行うことができ、すなわち、該変形画像を直交画像に還元し、たとえば、図７に示される変形画像５を直交画像５１に変換する。

このとき、レーザー光点投射器の回転角（水平角度αと垂直角度β）に基づき、以下の、整理された公式（式１）を利用して図６中の、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点の、壁面２上における変形座標（ＹＺ平面を以て表示される）を得る。

続いて、変形画像中のレーザー光点位置（ｙ’，ｚ’）_A〜（ｙ’，ｚ’）_D、すなわち、撮影した写真上の画像を、画像処理技術を利用して認識し、その後、変形前と変形後の、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの四つの点の座標位置を、以下の式（式２）に代入し、連立方程式を解いて係数ｃ₁ 〜 ｃ₈を求める。

係数ｃ₁ 〜 ｃ₈が既知である状況で、式２は、全体の変形画像を直交画像に還元し、並びにレーザー光点４１間の参考長さを獲得するのに使用され得る。

続いて、クラック２１の画像認識とパラメータのフローは二つの方式があり、第１種の方式は、オリジナル変形画像のクラック２１位置を、（ｙ’，ｚ’）座標システム上で認識し、さらに式２を利用して、それを実際の（ｙ，ｚ）平面座標へと換算し、それは真実座標とされ、これにより、クラック２１の真正の長さ、幅等のパラメータを、実際の座標システムにおいて計算できる。

もう一種の方式は、獲得した直交画像のクラック２１位置を認識し、さらにクラック２１とレーザーパターン４間の参考長さと比較し、クラック２１の真正の長さ、幅等のパラメータを獲得する。

光線不良の時或いは夜間に測量を行う状況では、撮影する画像のクラック画像明晰度をアップするため、本発明が提示する方法は、その他の光源との組合せ使用が可能であり、レーザー光の高い集光性は補助光源の影響を受けない。

実際の応用の操作結果において、本発明の実施例は以下のとおりである。

［実施例１］
平行レーザービーム式のレーザー光点投射器を使用する。レーザー光点投射器の開始矩形幅Ｗは１０ｃｍとされ、高さＨは５ｃｍとされる。レーザー光点を、図８Ａのように壁面上に投射する。レーザー投射角度は、α＝２０°、β＝３０°とされる。その後、カメラを利用し、別の角度からクラックとレーザー光点を撮影し、図８Ｂに示される壁面及びレーザー光点の画像を得る。その後、公式を用いて変形画像上の平行四辺形の赤点位置を得る。

Ａ＝［０，０］
Ｂ＝［Ｗ／ｃｏｓ（α），Ｗ^*ｔａｎ（α）^*ｔａｎ（β）］
＝［１０．６４，２．１０１４］
Ｃ＝［Ｗ／ｃｏｓ（α），Ｈ／ｃｏｓ（β）＋Ｗ^*ｔａｎ（α）^*ｔａｎ（β）］
＝［１０．６４，７．８７４９］
Ｄ＝［０，Ｈ／ｃｏｓ（β）］
＝［０，５．７７３５］

続いて、赤点検出により、レーザー光点のこの変形画像上の座標を探し出す。図８Ｃのとおりである。その後、変形画像を式２により座標変換し、１０．６４ｃｍ×７．８７ｃｍの大きさに変換する。このとき、すでに画像は直交画像に変換され、且つ図の大きさと実際の大きさは、１００画素：１ｃｍとされる。

さらに、クラック長さ計算プロセスにより、クラックの座標システムを認識し、起点と終点を取り出し、クラックセグメントを連続累加し、図８Ｄに示されるクラック図面とする。

起点＝［２４２，１５３７］
終点＝［２８６９，１４９５］
距離＝２８．２ｃｍ （プログラムを使用したセグメント相加の結果）

実際の測量距離は２８．４ｃｍであり、誤差は０．７％である。

［実施例２］
角度調整可能レーザービーム式のレーザー光点投射器を使用する。レーザー光点投射器の開始矩形幅Ｗは１０ｃｍとされ、高さＨは５ｃｍとされる。レーザー光点を、先の例中の、図８Ａの壁面上に投射する。レーザー投射角度は、α＝２０°、β＝３０°で、Ｘｄ＝１００ｃｍ、α_A＝０°，β_A＝０°，α_B＝１°，β_B＝１°，α_C＝１°，β_C＝１°，α_D＝１°、β_D＝１°とされる。

その後、カメラを利用して、別の角度からクラックとレーザー光点を撮影し、図９Ａに示される壁面及びレーザー光点の画像を得る。その後、公式を用いて変形画像上の平行四辺形の赤点位置を得る。

Ａ＝［０，０］
Ｂ＝［１２．９９５９，０．０１１５］
Ｃ＝［１３．０９８８，１１．０２６５］
Ｄ＝［−２．３４２６，７．８５３２］

続いて、赤点検出により、レーザー光点のこの変形画像上の座標を探し出す。図９Ｂのとおりである。その後、変形画像を公式により直交画像に変換し、さらに、クラック長さ計算プロセスにより、クラックの座標システムを認識し、起点と終点を取り出し、クラックセグメントを連続累加し、図９Ｃに示されるクラック図面とする。

起点＝［１４０，１０５５］
終点＝［２７２８，９７９］
距離＝２７．８４ｃｍ （セグメント相加の結果）

実際の測量距離は２８．４ｃｍであり、誤差は２％である。

［実施例３］
この実施例は、図８Ａに示されるクラックを円柱に設置し、クラックを曲面に位置させる。レーザー光点投射器を利用して４本のレーザービームを、その上に投射し、さらにカメラで別の角度からクラックとレーザー光点を撮影し、図１０Ａに示されるような、非直交図を獲得する。その後、レーザー測距計により、各光点の座標を計算する。

Ａ＝［０，０，０］
Ｂ＝［５，１７，０］
Ｃ＝［５，１７，１３．６］
Ｄ＝［０，０，１３．６］

続いて、図１０Ｂに示されるように、赤点検出により、レーザー光点のこの変形画像上の座標を探し出す。その後、変形画像を公式を用いて座標変換して直交画像となし、さらに、目標曲面の曲面関数の計算により、すなわち、全ての点を右向きと下向きに６００画素移動させ、４点座標を曲面公式に代入し、並びに改めて三次元空間に投影し、確実に曲面となす。

Ａ＝［０，６００，１９６０］
Ｂ＝［５００，２３００，１９６０］
Ｃ＝［５００，２３００，６００］
Ｄ＝［０，６００，６００］
ｘ＝ａｙ² ＋ｂｙｚ＋ｃｚ² ＋ｄに代入し、
ａ＝０．０００１，ｂ＝ｃ＝０，ｄ＝−３６．５１１２を得る。

続いて、クラック長さ計算により、クラックを認識し、起点と終点を取り出し、クラックセグメントを連続累加する。そのうち、直線距離はクラック深さ値ｘの影響を考慮しないものとし、曲線距離はクラック深さ値ｘの影響を考慮する。

全長クラック（図１０Ｃに示されるとおり）：
起点＝［２３４，１３８３］
終点＝［２０６１，１３０７］
直線距離２３．６８ｃｍ
曲線距離２５．８５ｃｍ（セグメント相加の結果）

実際の測量距離は、２８．４ｃｍであり、誤差は９％である。

部分クラック：（図１０Ｄに示されるとおり、すなわち、図１０Ａのレーザー光点内範囲）
起点＝［８８９，１４５５］
終点＝［２０７２，１３９２］
曲線距離１２．４５ｃｍ（セグメント相加の結果）

実際の測量距離は１２．３ｃｍであり、誤差は１．２％である。

そのうち、全長クラック測量誤差がやや大きい原因には二つある。そのうち一つは、レーザー光点外の区域の幾何構成誤差であり、もう一つは、レーザー光点外の区域の曲面関数誤差である。

本発明に記載された遠距離クラック測量方法及びその装置は、まず、マルチポイント且つ既知形状のレーザー光点を遠距離壁面のクラックの傍らに投射し、その後、幾何計算により各レーザー光点の間の壁面上の相対座標と実際距離を得て、クラックの参考長さとなす。

その後、カメラで遠くからクラックとレーザー光点の画像を一緒に撮影し、画像に対して画像認識技術によりクラック関係パラメータを計算により求め、使用者が現場に赴き近距離から測量したり参考物品を設置したりする必要をなくし、安全性と便利性を有する遠距離クラック測量の技術である。

以上述べたことは、本発明の実施例にすぎず、本発明の実施の範囲を限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲に基づきなし得る同等の変化と修飾は、いずれも本発明の権利のカバーする範囲内に属するものとする。

本発明は新規性、進歩性及び産業上の利用価値を有し、特許法に規定する特許の要件を満たすことに疑いはなく、ここに特許出願をする次第です。

１ レーザー光点投射器
１１ 投射口
１２ スライドレール
１３ レーザー光源
１４ 投射器本体
１５ 投射面
１６ レーザービーム
２ 壁面
２１ クラック
３ 投射点
４ レーザーパターン
４１ レーザー光点
５ 変形画像
５１ 直交画像
α 水平角度
β 垂直角度
Ｐ₁ 第１パターン
Ｐ₂ 第２パターン
Ｐ₃ 第３パターン
Ｐ₄ 第４パターン
θ 夾角

Claims (14)

1. 遠距離クラック測量方法において、
   レーザー光点投射器を移動させて、該レーザー光点投射器を、壁面の法線方向に平行とするステップ、
   該レーザー光点投射器に水平角度及び垂直角度の移動を行わせ、該レーザー光点投射器の照準を、該壁面のクラックの一側に位置する投射点に合わせるステップ、
   該投射点にレーザーパターンを投射するステップ、
   該投射点及び該クラックを撮影して変形画像を取得するステップ、及び、
   該変形画像を直交画像に還元し、該クラックのパラメータを取得するステップ、
   以上を包含することを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
2. 請求項１記載の遠距離クラック測量方法において、該レーザー光点投射器は平行レーザービーム式或いは角度調整可能レーザービーム式とされることを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
3. 請求項１記載の遠距離クラック測量方法において、該レーザー光点投射器はただ一つの投射口を有することを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
4. 請求項１記載の遠距離クラック測量方法において、該レーザーパターンは少なくとも四つのレーザー光点を有することを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
5. 請求項１記載の遠距離クラック測量方法において、該レーザーパターンは矩形とされることを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
6. 請求項１記載の遠距離クラック測量方法において、該変形画像を直交画像に還元するステップにおいて、該変形画像の座標、該水平角度、及び該垂直角度を還元パラメータとすることを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
7. 請求項６記載の遠距離クラック測量方法において、該パラメータを取得するステップにおいては、先に該変形画像の変形後の座標を認識し、さらにこれら還元パラメータを利用し、該変形画像を還元して該直交画像となすことを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
8. 請求項１記載の遠距離クラック測量方法において、該クラックの該パラメータを取得するステップにおいて、まず、該クラックの該変形画像における座標を認識し、さらに真実座標へと換算することで該パラメータを取得することを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
9. 請求項１記載の遠距離クラック測量方法において、該クラックの該パラメータを取得するステップにおいて、まず、該クラックの該直交画像の座標を認識し、さらに該クラックと該レーザーパターン間の参考長さを参考にして、該パラメータを取得することを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
10. 請求項１記載の遠距離クラック測量方法において、該パラメータは該クラックの長さ及び幅を包含することを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
11. 請求項１記載の遠距離クラック測量方法において、該変形画像を取得した後、さらに、 該変形画像、該水平角度、該垂直角度及びグローバルポジショニングシステム座標を遠方に伝送するステップ、
    を包含することを特徴とする、遠距離クラック測量方法。
12. 遠距離クラック測量装置において、それはレーザー光点投射器とされ、それは、
    投射器本体であって、その一つの投射面が複数の投射口を備えた上記投射器本体と、
    複数のレーザー光源であって、これら投射口を通してレーザービームを投射し、且つこれらレーザービームは、同時に該投射面の法線と、調整可能な夾角を有する上記複数のレーザー光源と、
    を包含し、これらレーザービームは、壁面に投射されてレーザーパターンを形成し、該レーザーパターンの大きさは、該夾角により調整されることを特徴とする、遠距離クラック測量装置。
13. 遠距離クラック測量装置において、それはレーザー光点投射器とされ、それは、
    投射器本体であって、その一つの投射面が少なくとも一つの投射口を備えた上記投射器本体と、
    少なくとも一つのレーザー光源であって、これら投射口を通してレーザービームを投射する上記少なくとも一つのレーザー光源と、
    を包含することを特徴とする、遠距離クラック測量装置。
14. 請求項１３記載の遠距離クラック測量装置において、該投射面はスライドレールを備え、該投射口が該スライドレールに沿って平行なレーザービームを投射することを特徴とする、遠距離クラック測量装置。