JP2020076629A - 変位計測方法及び変位計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】１つの撮像装置を用い、サンプリングモアレ法を用いた比較的簡易な演算処理によって計測対象の三次元変位量を取得可能とする。【解決手段】変位計測方法は、計測点９１上に位置しＸＹ平面に平行なモアレマーカ１１と、計測点９１上に位置しＹＺ平面に平行なモアレマーカ１２と、が存在しているとき、モアレマーカ１１と、鏡面１６に映るモアレマーカ１２の虚像１２’と、をＺ方向からカメラ３で撮像する撮像工程と、カメラ３で得られるモアレマーカ１１の撮像画像に基づき、計測点９１のＸＹ変位量を、サンプリングモアレ法を用いて取得する第１変位取得工程と、カメラ３で得られる虚像１２’の撮像画像に基づき、虚像１２’のＸＹ変位量をサンプリングモアレ法で算出し、算出された当該ＸＹ変位量に基づき、計測点９１のＹＺ変位量を取得する第２変位取得工程と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の計測対象箇所の変位をサンプリングモアレ法を用いて計測する変位計測方法及び変位計測システムに関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の変位計測方法が知られている。この文献では、物体の三次元変位量を１つの撮像装置を用いて求める方法が提案されている。具体的には、物体上に設置された格子マーカがカメラで撮像され、画像上の格子ピッチの位相の面外変位による微小変化からサンプリングモアレ法を利用してその面外変位量が求められる。同様に同一格子の位相の面内・面外変位による微小変化からサンプリングモアレ法を利用してその面外・面内変位量が求められ、見かけ上の面内変位の影響が除外されて三次元変位量が求められる。

再公表特許WO2017/029905号公報

しかしながら、上記の計測方法では、格子マーカの面内変位及び面外変位を算出する際に、特殊なアルゴリズムを用いた煩雑な演算処理が必要であった。本発明は、１つの撮像装置を用い、サンプリングモアレ法を用いた比較的簡易な演算処理によって計測対象の三次元変位量を取得可能とすることを目的とする。

本発明の変位計測方法は、サンプリングモアレ法を用いて計測対象の変位を計測する変位計測方法であって、計測対象上で所定軸線に交差する姿勢で位置する第１モアレマーカと、計測対象上で所定軸線に直交する平面に交差する姿勢で位置する第２モアレマーカと、が存在しており、第１モアレマーカと、計測対象から絶縁された鏡面に映る第２モアレマーカの虚像と、を所定軸線に沿った方向から撮像装置で撮像する撮像工程と、撮像装置で得られる第１モアレマーカの撮像画像に基づき、所定軸線に直交する方向への計測対象の変位量を、サンプリングモアレ法を用いて取得する第１変位取得工程と、撮像装置で得られる虚像の撮像画像に基づき、所定軸線に直交する方向への虚像の変位量をサンプリングモアレ法で算出し、算出された当該変位量に基づき、所定軸線に平行な方向への計測対象の変位量を取得する第２変位取得工程と、を備える。

この変位計測方法によれば、所定軸線に直交する方向への計測対象の変位量は、所定軸線に直交する方向への第１モアレマーカの変位量に相当し、通常のサンプリングモアレ法によって算出可能である。一方、所定軸線に平行な方向への計測対象の変位は、所定軸線に平行な方向への第２モアレマーカの変位に相当し、撮像装置から見れば、所定軸線に直交する方向への虚像の変位として現れる。所定軸線に直交する方向への虚像の変位量は、通常のサンプリングモアレ法によって算出可能である。そして、所定軸線に直交する方向への虚像の変位量と、所定軸線に平行な方向への第２モアレマーカの変位量と、の相関関係は、モアレマーカや鏡面等の各要素の配置に依存する既知のものである。従って、当該相関関係に基づいて、所定軸線に平行な方向への第２モアレマーカの変位量、すなわち、所定軸線に平行な方向への計測対象の変位量を知ることができる。このように、１つの撮像装置を用い、通常のサンプリングモアレ法を用いて、所定軸線に直交する方向への計測対象の変位量と、所定軸線に平行な方向への計測対象の変位量と、を取得することができ、すなわち、計測対象の三次元変位量を得ることができる。また、所定軸線に直交する方向への第１モアレマーカの変位量の算出及び虚像の変位量の算出は、両方とも、通常のサンプリングモアレ法が適用可能であるので、比較的簡易な演算処理によって実行可能である。

また、第１モアレマーカは、所定軸線に略直交する姿勢で位置し、第２モアレマーカは、所定軸線に略平行な姿勢で位置するようにしてもよい。

また、撮像工程では、第１モアレマーカの撮像画像と、虚像の撮像画像と、が略同一のスケールで取得されるようにしてもよい。この場合、第１モアレマーカに関する演算と、虚像に関する演算と、で同様のアルゴリズムが使用可能であるので、演算処理の負担が軽減される。

本発明の変位計測システムは、サンプリングモアレ法を用いて計測対象の変位を計測する変位計測システムであって、計測対象上で所定軸線に交差する姿勢で位置する第１モアレマーカと、計測対象上で所定軸線に直交する平面に交差する姿勢で位置する第２モアレマーカと、が存在しており、第１モアレマーカと、計測対象から絶縁された鏡面に映る第２モアレマーカの虚像と、を所定軸線に沿った方向から撮像する撮像装置と、撮像装置で得られる第１モアレマーカの撮像画像に基づき、所定軸線に直交する方向への計測対象の変位量を、サンプリングモアレ法を用いて取得する第１変位取得手段と、撮像装置で得られる虚像の撮像画像に基づき、所定軸線に直交する方向への虚像の変位量をサンプリングモアレ法で算出し、算出された当該変位量に基づき、所定軸線に平行な方向への計測対象の変位量を取得する第２変位取得手段と、を備える。

本発明の変位計測方法は、サンプリングモアレ法を用いて計測対象の変位を計測する変位計測方法であって、計測対象上で所定軸線に交差し且つ所定軸線に直交する平面に交差する姿勢で位置するモアレマーカが存在しており、モアレマーカと、計測対象から絶縁された鏡面に映るモアレマーカの虚像と、を所定軸線に沿った方向から撮像装置で撮像する撮像工程と、撮像装置で得られるモアレマーカの撮像画像に基づき、所定軸線に直交する方向への計測対象の変位量を、サンプリングモアレ法を用いて取得する第１変位取得工程と、撮像装置で得られる虚像の撮像画像に基づき、所定軸線に直交する方向への虚像の変位量をサンプリングモアレ法で算出し、算出された当該変位量に基づき、所定軸線に平行な方向への計測対象の変位量を取得する第２変位取得工程と、を備える。

本発明の変位計測システムは、サンプリングモアレ法を用いて計測対象の変位を計測する変位計測システムであって、計測対象上で所定軸線に交差し且つ所定軸線に直交する平面に交差する姿勢で位置するモアレマーカが存在しており、モアレマーカと、計測対象から絶縁された鏡面に映るモアレマーカの虚像と、を所定軸線に沿った方向から撮像する撮像装置と、撮像装置で得られるモアレマーカの撮像画像に基づき、所定軸線に直交する方向への計測対象の変位量を、サンプリングモアレ法を用いて取得する第１変位取得手段と、撮像装置で得られる虚像の撮像画像に基づき、所定軸線に直交する方向への虚像の変位量をサンプリングモアレ法で算出し、算出された当該変位量に基づき、所定軸線に平行な方向への計測対象の変位量を取得する第２変位取得手段と、を備える。

この変位計測システムによれば、前述の変位計測方法が実行可能である。

本発明の変位計測方法及び変位計測システムによれば、１つの撮像装置を用い、サンプリングモアレ法を用いた比較的簡易な演算処理によって計測対象の三次元変位量を取得することが可能になる。

第１実施形態に係る変位計測システムを示す斜視図である。 第１実施形態の計測点近傍を拡大して示す平面図である。 第１実施形態の計測点近傍をカメラから見た状態を示す正面図である。 第２実施形態に係る変位計測システムを示す斜視図である。 第２実施形態の計測点近傍を拡大して示す平面図である。 第２実施形態の計測点近傍をカメラから見た状態を示す正面図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照しつつ本発明に係る変位計測方法及び変位計測システムの第１実施形態について詳細に説明する。本実施形態の変位計測方法及び変位計測システムは、サンプリングモアレ法を用いて対象物上の計測点の微小な変位量を計測するものである。上記の対象物としては、法面、トンネル、山留、鉄道工事の桟橋等、橋梁、建物等が例として挙げられる。

ここでは、図１に示されるように、道路橋９０を対象とした変位計測を一例として説明する。以下の説明では、図に表示されるように、道路橋９０の橋軸方向をＺ方向とし、橋軸直角方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向の両方に直交する方向をＹ方向とする。また、Ｚ方向に直交する仮想平面をＸＹ平面、Ｘ方向に直交する仮想平面をＹＺ平面、Ｙ方向に直交する仮想平面をＺＸ平面と呼ぶ場合がある。また、Ｘ方向への変位、Ｙ方向への変位、及びＺ方向への変位を、それぞれ単に、Ｘ変位、Ｙ変位、及びＺ変位と呼ぶ場合がある。また、ＸＹ平面内での変位、ＹＺ平面内での変位、及びＺＸ平面内での変位を、それぞれ単に、ＸＹ変位、ＹＺ変位、及びＺＸ変位と呼ぶ場合がある。

本実施形態では、所定の間隔をあけて橋軸方向に並んだ複数の計測点９１（計測対象）が道路橋９０の橋桁上に設定され、各計測点９１のそれぞれの三次元変位量が計測される。なお、ここで計測される三次元変位量は、道路橋９０の橋桁下方の地盤を不動の基準物として、当該地盤に対する相対的な変位量である。各計測点９１同士の互いの距離は、例えば、１０〜２０ｍである。本実施形態では、図１に示されるように、３箇所の計測点９１が設定されているものとする。各計測点９１を区別する場合には、それぞれ、後述のカメラ３に近い方から計測点９１ａ，９１ｂ，９１ｃと呼ぶものとする。

本実施形態の変位計測システム１は、各計測点９１にそれぞれ設置されるターゲット１３，１４と、各ターゲット１３，１４の近傍に設置される鏡体１５と、を備えている。また、変位計測システム１は、計測点９１ａ〜９１ｃの画像を撮像する１台のカメラ３（撮像装置）と、カメラ３の撮像画像に基づいて演算を行う演算装置５とを備えている。

図１〜図３を参照しながら、計測点９１における、ターゲット１３，１４及び鏡体１５の設置形態について説明する。図２は、１つの計測点９１及びカメラ３近傍を示す平面図である。図３は、カメラ３から見た計測点９１を示す正面図である。なお、３つの計測点９１ａ〜９１ｃにおける、ターゲット１３，１４及び鏡体１５の設置形態はすべて同じであるので、重複する説明は省略する。

ターゲット１３は、例えば２０ｃｍ×縦３０ｃｍ程度のサイズの矩形平板状の部材である。ターゲット１３は、例えばポリカーボネイト製の板材である。ターゲット１３の表面には所定の模様のモアレマーカ１１（第１モアレマーカ）が形成されている。計測点９１において、ターゲット１３は、モアレマーカ１１をカメラ３側に向け、モアレマーカ１１をＸＹ平面に平行にする姿勢で、道路橋９０の側面９３に固定されている。ターゲット１３は、カメラ３から見て、道路橋９０の側面９３から左側に突出するように設置されている。

ターゲット１４は、ターゲット１３と同サイズで同材料からなる矩形平板状の部材である。ターゲット１４の表面にはモアレマーカ１１と同サイズで同じ模様のモアレマーカ１２（第２モアレマーカ）が形成されている。ターゲット１４は、モアレマーカ１２を道路橋９０の外方に向け、モアレマーカ１２をＹＺ平面に平行にする姿勢で、道路橋９０の側面９３に固定されている。モアレマーカ１２はモアレマーカ１１に対して直交する姿勢で設置されている。

ターゲット１３，１４は、計測点９１に固定されているので、計測点９１が変位したときには、計測点９１に追従して同じ変位量でモアレマーカ１１，１２も変位する。

モアレマーカ１１、１２の模様は、空間的に規則的に繰り返される模様であり、すなわち、サンプリングモアレ法が適用可能な模様である。モアレマーカ１１、１２の模様として、例えば、等間隔の格子模様、又は等間隔の縞模様等が用いられる。ここでは、計測点９１のＸＹ変位量を計測するために、モアレマーカ１１として、Ｘ方向及びＹ方向の繰返し模様である格子模様が用いられる。例えば、当該格子模様のＸ方向の繰返しピッチとＹ方向の繰返しピッチとは、同じである。同様に、計測点９１のＹＺ変位量を計測するために、モアレマーカ１２として、Ｙ方向及びＺ方向の繰返し模様である格子模様が用いられる。また、例えば、当該格子模様のＹ方向の繰返しピッチとＺ方向の繰返しピッチとは、同じである。モアレマーカ１１、１２は、例えば、ターゲット１３，１４の表面に直接描かれてもよく、模様が付されたシート等がターゲット１３，１４の表面に貼着されて構成されてもよい。

鏡体１５はその一表面に鏡面１６を有する平面鏡である。鏡体１５は、鏡面１６がカメラ３から見えるように設置される。鏡体１５の設置状態において、鏡面１６は、ＸＹ平面と略４５度の角度をなして交差し、ＹＺ平面と略４５度の角度をなして交差し、ＺＸ平面と略直交する。また、鏡体１５は、計測点９１からは絶縁されて設置される。すなわち、計測点９１が変位したときにも、鏡体１５は計測点９１に追従して変位することはない。このような絶縁構造を実現するために、例えば、道路橋９０の橋桁下方の地盤上に設置台座１７が構築され、当該設置台座１７に対して鏡体１５が固定される。設置台座１７としては、例えば単管パイプを組み合わせた構造物等が用いられてもよい。鏡体１５は、カメラ３から見てターゲット１３の直ぐ左側に設置される。

カメラ３としては、サンプリングモアレ法に適した分解能を有するものが採用される。また、カメラ３としては、所定のネットワークを通じて撮像データを送出するネットワークカメラとしての使用に適したものが採用されてもよい。

カメラ３は、Ｚ軸（所定軸線）に沿った方向から、すべての計測点９１ａ〜９１ｃを撮像する。すなわち、カメラ３は、モアレマーカ１１に略直交する方向から、３つのモアレマーカ１１と３つの鏡面１６と、をすべて同一画面に収めて撮像する。カメラ３は、道路橋９０の側面９３の近傍に設置されており、この設置位置からモアレマーカ１１側にカメラ３が向けられている。カメラ３から計測点９１ａまでの距離は、例えば約５０ｍ程度である。カメラ３は、道路橋９０からは絶縁されて設置されており、各計測点９１が変位したときにも、これに追従して変位することはない。このような絶縁構造を実現するために、例えば、道路橋９０の橋桁下方の地盤上に設置台座１９が構築され、当該設置台座１９に対してカメラ３が固定される。設置台座１９としては、例えば単管パイプを組み合わせた構造物等が用いられてもよい。

Ｚ方向に並ぶ３つのモアレマーカ１１及び３つの鏡面１６をカメラ３からすべて見通すために、カメラ３は、３つのモアレマーカ１１を通る仮想直線から僅かにずれた位置に設置される。従って、カメラ３がモアレマーカ１１等を撮像する方向は、モアレマーカ１１に厳密に直交する方向ではなく、モアレマーカに「略直交」する方向である。但し、カメラ３と計測点９１ａとの距離（約５０ｍ程度）と、ターゲット１３の縦寸法（約３０ｃｍ程度）との比を考慮すれば、その誤差の影響は無視することができる。従って、カメラ３がモアレマーカ１１等を撮像する方向は、モアレマーカ１１に直交するものとして取扱ってよい。

また、３つのモアレマーカ１１及び３つの鏡面１６がカメラ３の撮像画面内に入りさえすれば、カメラ３の視準軸ＨがＺ方向からずれていてもよい。但し、カメラ３の撮像画面の中央付近にモアレマーカ１１及び鏡面１６が撮像されるために、当該カメラ３の視準軸ＨがＺ方向に沿うような姿勢でカメラ３が設置されることが好ましい。換言すれば、カメラ３の視準軸ＨをＺ方向に対して略平行にすることが好ましい。

前述のようなカメラ３、ターゲット１３，１４、及び鏡体１５の配置によれば、モアレマーカ１１は、当該モアレマーカ１１に略直交する方向からカメラ３によって撮像される。一方、モアレマーカ１２自体をカメラ３側から直接見ることはほとんどできないが、カメラ３からは鏡面１６に映ったモアレマーカ１２を見ることができる。すなわち、前述したような鏡面１６等の配置によれば、図３に示されるように、カメラ３からは、鏡面１６に映ったモアレマーカ１２の虚像１２’がモアレマーカ１１の直ぐ左側に並んで見える。すなわち、モアレマーカ１２の虚像１２’は、当該虚像１２’に略直交する方向からカメラ３によって撮像されることになる。

図２に示されるように、虚像１２’はモアレマーカ１１に比べて、カメラ３から僅かに遠い。しかしながら、カメラ３と計測点９１ａとの距離（約５０ｍ程度）と、ターゲット１３の横寸法（約２０ｃｍ程度）との比を考慮すれば、カメラ３から見て、モアレマーカ１１と虚像１２’とは、ほぼ等距離に位置すると言える。また、前述のとおり、モアレマーカ１１とモアレマーカ１２とが、同一サイズで同一模様をなしている。従って、モアレマーカ１１と虚像１２’とは、カメラ３により互いに略同一スケールで撮像されると言える。

演算装置５は、例えば、ネットワーク７を通じてカメラ３と接続されたコンピュータシステムである。ネットワーク７は、例えばインターネットである。カメラ３をネットワーク７に接続するための無線ルータ９が、カメラ３の近傍に配置されてもよい。また、無線ルータ９は、例えば、給電スイッチハブや漏電ブレーカと一緒にパッケージされ設置台座１９上に設置されてもよい。演算装置５は、ネットワーク７を通じてカメラ３からの撮像データを取得可能である。

そして演算装置５は、取得した撮像データに基づいて画像処理を実行し、サンプリングモアレ法を用いて各計測点９１ａ，９１ｂ，９１ｃの三次元変位量を算出する。なお、演算装置５とカメラ３とがインターネット等のネットワーク７を介して接続されることは必須ではなく、演算装置５とカメラ３とが近傍に設置されて直接的に接続されてもよい。

更に詳細には、演算装置５は、機能的な構成要素として、第１変位取得部２１と、第２変位取得部２２と、撮像データ取得部２３と、変位データ送信部２４と、を備えている。これらの、第１変位取得部２１（第１変位取得手段）と、第２変位取得部２２（第２変位取得手段）と、撮像データ取得部２３と、変位データ送信部２４と、は、演算装置５が所定のプログラムに従って動作することによって実現される構成要素である。

撮像データ取得部２３は、前述のとおり、カメラ３が撮像した撮像データをネットワーク７経由で取得する。第１変位取得部２１は、撮像データ取得部２３で取得された撮像データに基づき、当該撮像データに含まれるモアレマーカ１１の画像に対してサンプリングモアレ法を適用し、当該モアレマーカ１１の面内変位量（ＸＹ変位量）を算出する。具体的には、第１変位取得部２１は、現時点のモアレマーカ１１の画像からサンプリングモアレ法で得られるモアレ縞と、前回計測時に同様に得られたモアレ縞と、を比較し、モアレ縞のＸＹ変位量に基づいて、前回計測時からの現時点までのモアレマーカ１１のＸＹ変位量を算出する。ここで取得されるモアレマーカ１１のＸＹ変位量は、そのまま、計測点９１のＸＹ変位量に相当する。

第２変位取得部２２は、撮像データ取得部２３で取得された撮像データに基づき、当該撮像データ中の鏡面１６に映ったモアレマーカ１２の虚像１２’に対してサンプリングモアレ法を適用し、当該虚像１２’の面内変位量（ＸＹ変位量）を算出する。具体的には、第２変位取得部２２は、現時点の虚像１２’の画像からサンプリングモアレ法で得られるモアレ縞と、前回計測時に同様に得られたモアレ縞と、を比較し、モアレ縞のＸＹ変位量に基づいて、前回計測時からの現時点までの虚像１２’のＸＹ変位量を算出する。

ここで、モアレマーカ１２、鏡面１６及びカメラ３の前述したような位置関係によれば、モアレマーカ１２が＋Ｚ方向に変位したときに、カメラ３からは、虚像１２’が−Ｘ方向に変位したように観測される。また、モアレマーカ１２が＋Ｙ方向に変位したときに、カメラ３からは、虚像１２’が＋Ｙ方向に変位したように観測される。そして、モアレマーカ１２の＋Ｚ方向への変位量（Δ１）と、虚像１２’の−Ｘ方向への変位量（Δ１’）との相関関係が、Δ１＝Δ１’であることが幾何学的に明らかである。また、モアレマーカ１２の＋Ｙ方向への変位量（Δ２）と、虚像１２’の＋Ｙ方向への変位量（Δ２’）との相関関係が、Δ２＝Δ２’であることも幾何学的に明らかである。この知見に基づけば、第２変位取得部２２で取得される虚像１２’のＸＹ変位量は、実際のモアレマーカ１２のＹＺ変位量に相当し、すなわち、計測点９１のＹＺ変位量に相当する。

上述のサンプリングモアレ法とは、カメラ等の撮像装置でモアレマーカを撮像し、モアレマーカの繰返し模様と撮像装置の画素との干渉で発生するモアレ縞を所定の画像処理により取得し、当該モアレ縞の変位量に基づいて実際のモアレマーカの変位量を取得する方法である。サンプリングモアレ法は、モアレマーカの変位量を上記のようにモアレ現象を利用して高精度で算出する方法として公知であるので、更なる詳細な説明は省略する。通常のサンプリングモアレ法では、撮像データに含まれるモアレマーカの、撮像画面に平行な方向の変位量（本実施形態においてはＸＹ変位量）を算出することができる。

また、撮像データ上に複数のモアレマーカが現れる場合には、それぞれのモアレマーカごとに個別にサンプリングモアレ法を適用して、モアレマーカごとの変位量を算出することが可能である。また、撮像データ上に現れる複数のモアレマーカを一緒に処理可能なプログラムを用いてもよく、このようなプログラムの実行によって前述の第１変位取得部２１及び第２変位取得部２２が一緒に実現されてもよい。本実施形態においては、各計測点９１ａ〜９１ｃのモアレマーカ１１及びモアレマーカ１２の虚像１２’といった、合計６つのモアレマーカが上記のようなプログラムで一緒に処理されてもよい。

また、サンプリングモアレ法の計測精度は、カメラ３の画素の配列ピッチやモアレマーカ１１，１２の模様の繰返しピッチ等に依存するので、例えば、モアレマーカ１１，１２の模様の繰返しピッチを適宜調整することで、計測点９１の変位量の計測精度を調整することができる。例えば本実施形態では、計測精度はモアレマーカ１１，１２の模様の繰返しピッチの1/1000程度であり、計測点９１の変位量を０．１ｍｍ単位で計測可能であるように設定される。

前述のようにして第１変位取得部２１で得られるＸ変位量及びＹ変位量と、第２変位取得部２２で得られるＹ変位量とＺ変位量と、を合わせれば、計測点９１のＸＹＺ方向の三次元変位量を取得することができる。そして、上記のような処理が計測点９１ごとに実行されることで、３つの計測点９１ａ〜９１ｃのＸＹＺ方向の三次元変位量を取得することができる。各計測点９１ａ〜９１ｃの三次元変位量が取得されることで、道路橋９０に発生する歪みを知ることもできる。上記のような計測点９１の変位計測は、例えば数分間隔で繰返し実行されてもよい。なお、ここで得られる三次元変位量は、カメラ３及び鏡体１５が固定された物・場所（すなわち、道路橋９０の橋桁下方の地盤）を不動の基準物として、当該基準物に対する相対的な計測点９１の変位量である。

変位データ送信部２４は、上記のように得られた計測点９１の三次元変位量の情報を、ネットワーク７を介して、管理者用のコンピュータ端末８に送信する。これにより、管理者は、ほぼリアルタイムで計測点９１の変位量を知ることができる。また、数分間隔で繰返し計測された計測点９１の変位量が、時系列変化のグラフ等として可視化されてコンピュータ端末８に提示されるようにしてもよい。また、このような情報をコンピュータ端末８にダウンロード可能にしてもよい。コンピュータ端末８は、例えば管理者が保持するスマートフォン端末であってもよい。なお、コンピュータ端末８は、ネットワーク７を介して演算装置５に接続されることは必須ではなく、演算装置５の近傍に設置され演算装置５に直接的に接続されてもよい。また、特定の権限者がネットワーク７経由で演算装置５にアクセス可能とし、変位量の情報を閲覧できるようにしてもよい。

更に、変位データ送信部２４は、得られた計測点９１の三次元変位量を予め記憶された許容規準値と比較する。そして、計測点９１の変位量が上記の許容規準値を超えている場合には、管理者用のコンピュータ端末８に対し、ネットワーク７を介して警報情報（例えば、警報メール）を送信する。このような警報情報により、管理者は、道路橋９０の計測点９１の異常な変位の可能性を認識し、適切な措置を取ることができる。

上記のように、カメラ３、演算装置５及びコンピュータ端末８の間でのデータ授受がインターネット等のネットワーク７を介して行われるようにすれば、道路橋９０の変位を、リアルタイムで、常時、リモートで監視することが可能になる。

続いて、以上説明した変位計測システム１を用いた変位計測方法の一例について説明する。

まず、カメラ３によって、モアレマーカ１１と、鏡面１６に映るモアレマーカ１２の虚像１２’と、が撮像される（撮像工程）。この撮像工程で得られた撮像データは、ネットワーク７を介してカメラ３から演算装置５へ送信される。演算装置５の撮像データ取得部２３は、撮像データを受信する。第１変位取得部２１は、上記撮像データに含まれるモアレマーカ１１の撮像画像に基づいて、前回計測時に対する、当該モアレマーカ１１のＸＹ変位量を、サンプリングモアレ法により算出する。この変位量が、計測点９１のＸＹ変位量として取得される。（第１変位取得工程）。

更に、演算装置５においては、第２変位取得部２２が、上記撮像データに含まれる虚像１２’の撮像画像に基づいて、前回計測時に対する、当該虚像１２’のＸＹ変位量を、サンプリングモアレ法により算出する。この変位量が、前述のとおり、計測点９１のＹＺ変位量として取得される。（第２変位取得工程）。

上記のように得られた、計測点９１のＸＹ変位量（Ｘ変位量及びＹ変位量）と、ＹＺ変位量（Ｙ変位量及びＺ変位量）と、を合せることで、演算装置５では、計測点９１のＸＹＺ方向の三次元変位量が認識される。

ここでは、例えば、第１変位取得工程で得られた計測点９１のＸ変位量とＹ変位量と、第２変位取得工程で得られた計測点９１のＺ変位量と、を合せて上記三次元変位量とすればよい。または、第１変位取得工程で得られた計測点９１のＸ変位量と、第２変位取得工程で得られた計測点９１のＹ変位量とＺ変位量と、を合せて上記三次元変位量としてもよい。

演算装置５の変位データ送信部２４は、上記三次元変位量の情報を、ネットワーク７を介して管理者用のコンピュータ端末８に送信する。更に、変位データ送信部２４は、上記三次元変位量が所定の許容規準値を超えている場合には、ネットワーク７を介して警報情報をコンピュータ端末８に送信する。

続いて、上述した変位計測システム１及び変位計測方法による作用効果について説明する。この変位計測システム１及び変位計測方法によれば、ＸＹ平面に平行なモアレマーカ１１が、カメラ３により略Ｚ方向から撮像される。従って、モアレマーカ１１のＸＹ変位量は、通常のサンプリングモアレ法によって算出可能であり、当該ＸＹ変位量は、計測点９１のＸＹ変位量に相当する。

また、カメラ３では、鏡面１６に映るモアレマーカ１２の虚像１２’が撮像される。カメラ３から観測される虚像１２’のＸＹ変位は、実際のモアレマーカ１２のＹＺ変位に相当する。従って、モアレマーカ１２の虚像１２’に対して通常のサンプリングモアレ法を適用し、当該虚像１２’のＸＹ変位量を算出すれば、算出されたＸＹ変位量を実際のモアレマーカ１２のＹＺ変位量として採用することができる。そして、前述のとおり、モアレマーカ１２のＹＺ変位量は計測点９１のＹＺ変位量に相当する。

以上のように、計測点９１のＸＹ変位量とＹＺ変位量とが１つのカメラ３を用いて計測可能になる。すなわち、計測点９１の三次元変位量が、が１つのカメラ３を用いて取得可能になる。また、前述したようなモアレマーカ１１のＸＹ変位量及び虚像１２’のＸＹ変位量を算出するにあたっては、両方とも通常のサンプリングモアレ法を用いればよく、比較的簡易な演算処理による算出が可能である。また、カメラ３から見て奥行き方向（Ｚ方向）の変位量も、サンプリングモアレ法によって、カメラ３の撮像画面に平行な方向（Ｘ方向及びＹ方向）の変位量と同程度の精度で計測可能である。

また前述のとおり、モアレマーカ１１の撮像画像と虚像１２’の撮像画像とが、略同一のスケールで取得される。よって、モアレマーカ１１のＸＹ変位量の演算と、虚像１２’のＸＹ変位量（モアレマーカ１２のＹＺ変位量）の演算と、をほぼ同じアルゴリズムで実行すればよいので、演算装置５による演算処理の負担が小さくなる。また、モアレマーカ１１の撮像画像と虚像１２’の撮像画像とが、略同一のスケールで取得されるので、ＸＹＺ方向の各変位量が同程度の精度で取得される。

また、本実施形態の変位計測システム１及び変位計測方法では、道路橋９０の現場に設置されたターゲット１３，１４、鏡体１５、カメラ３等といった比較的安価な設備によって、道路橋９０の変位を無人で高精度に監視することができる。また、カメラ３でモアレマーカ１１等の撮像データが取得可能であれば、夜間であっても変位計測が可能である。

（第２実施形態）
続いて、図４〜図６を参照しながら、本発明に係る変位計測方法及び変位計測システムの第２実施形態について詳細に説明する。図４に示されるように、本実施形態の変位計測システム２０１は、第１実施形態におけるターゲット１３，１４に代えて、ターゲット３９を備えている。これ以外の点については、本実施形態の変位計測システム２０１は、第１実施形態の変位計測システム１と同様の構成を備えるので、同一又は同等の構成要素に対して図面に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

ターゲット３９は、ターゲット１３，１４と同サイズで同材料からなる矩形平板状の部材である。ターゲット３９の表面にはモアレマーカ１１，１２と同サイズで同じ模様のモアレマーカ３７が形成されている。各計測点９１において、ターゲット３９は、道路橋９０の側面９３から４５°の角度で張出すように側面９３に取付けられている。モアレマーカ３７は、ターゲット３９のカメラ３側の面上に位置しており、ＸＹ平面に対して４５°の角度をなして交差する鉛直面をなす。

このようなターゲット３９、カメラ３、及び鏡体１５の配置によれば、図５及び図６に示されるように、カメラ３からは、モアレマーカ３７と、鏡面１６に映った当該モアレマーカ３７の虚像３７’がＸ方向に並んで見える。図５に示されるように、虚像３７’はモアレマーカ１１に比べて、カメラ３から僅かに遠い。しかしながら、カメラ３と計測点９１ａとの距離（約５０ｍ程度）と、ターゲット３９の横寸法（約２０ｃｍ程度）との比を考慮すれば、カメラ３から見て、モアレマーカ３７と虚像３７’とは、ほぼ等距離に位置すると言える。また、モアレマーカ３７と虚像３７’とは、カメラ３により互いに略同一スケールで撮像されると言える。

また、モアレマーカ３７と虚像３７’がＺ方向に対して傾いていることから、Ｚ方向からカメラ３で見たときに、厳密に言えばモアレマーカ３７と虚像３７’の格子模様が僅かに台形状に歪んで見える。しかしながら、カメラ３と計測点９１ａとの距離（約５０ｍ程度）と、ターゲット３９の横寸法（約２０ｃｍ程度）との比を考慮すれば、モアレマーカ３７と虚像３７’とは、矩形の格子模様として取扱ってもよい。

ここで、モアレマーカ３７、鏡面１６及びカメラ３の前述したような位置関係によれば、モアレマーカ３７が＋Ｚ方向に変位したときに、カメラ３からは、虚像３７’が−Ｘ方向に変位したように観測される。また、モアレマーカ３７が＋Ｙ方向に変位したときに、カメラ３からは、虚像３７’が＋Ｙ方向に変位したように観測される。

従って、演算装置５の第２変位取得部２２は、カメラ３による虚像３７’の撮像画像に対してサンプリングモアレ法を適用することで、当該虚像３７’のＸＹ変位量を算出することができる。そして、算出された上記ＸＹ変位量に基づいて、モアレマーカ３７のＹＺ変位量を算出することができる（第２変位取得工程）。ここでは、虚像３７’の−Ｘ変位量が、モアレマーカ３７の＋Ｚ変位量に相当し、虚像３７’のＹ変位量が、モアレマーカ３７のＹ変位量に相当することが、幾何学的に明らかである。また、演算装置５の第１変位取得部２１は、モアレマーカ３７の撮像画像に対してサンプリングモアレ法を適用することで、当該モアレマーカ３７の面内変位量（ＸＹ変位量）を算出することができる（第１変位取得工程）。

なお、カメラ３によって観測されるモアレマーカ３７と虚像３７’においては、前述のモアレマーカ１１及び虚像１２’に比べて、格子模様のＸ方向の繰返しピッチが１／（√２）倍に縮小されるが、その影響は適宜演算によって補正されればよい。或いは、予め、モアレマーカ１１，１２を水平方向に（√２）倍に引き伸ばした格子模様をモアレマーカ３７として採用することで、上記影響を相殺してもよい。

上記のようにして第１変位取得部２１で得られるＸ変位量及びＹ変位量と、第２変位取得部２２で得られるＹ変位量とＺ変位量と、を合わせれば、計測点９１のＸＹＺ方向の三次元変位量を取得することができる。

なお、本実施形態の変位計測システム２０１では、第１実施形態におけるモアレマーカ１１（第１モアレマーカ）とモアレマーカ１２（第２モアレマーカ）とが共通化されて１つのモアレマーカ３７とされたとも考えることができる。すなわち、本実施形態におけるモアレマーカ３７は、第１実施形態におけるモアレマーカ１１とモアレマーカ１２との両方の機能を併せ持つものと考えることができる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

例えば、上述の実施形態では、複数の計測点９１が存在する例を示したが、計測点９１は１箇所であってもよい。また、例えば、鏡体１５を設置することは必須ではなく、モアレマーカ１２，３７を映す既存の鏡面を鏡面１６の代わりに利用してもよい。例えば、道路橋９０に隣接する建物の窓ガラス面を、鏡面１６の代わりに利用し、当該窓ガラス面に映るモアレマーカ１２の虚像の撮像データを変位量演算に利用してもよい。また、上述の実施形態では、モアレマーカ１２，３７を１つの鏡面１６に反射させてカメラ３で撮像しているが、モアレマーカ１２，３７を合わせ鏡で複数回反射させて撮像してもよい。

また、ターゲット１３，１４，３９やモアレマーカ１１，１２，３７を計測対象上に設置することは必須ではなく、計測対象上に存在する既存の模様をモアレマーカとして利用してもよい。例えば、計測対象の表面上で規則的に並ぶリベット、タイル、窓等が存在すれば、これらをモアレマーカ１１，１２，３７の代わりに利用してもよい。

また、上述の実施形態では、変位計測システム１，２０１によって計測点９１のＸＹＺ方向の三次元変位量を取得するようにしているが、変位計測システム１，２０１では、例えば、計測点９１のＺ変位のみが取得されるようにしてもよい。例えば、変位計測システム１では、カメラ３から虚像１２’のみを観測し、当該虚像１２’のＸ変位に基づいてモアレマーカ１２のＺ変位（すなわち、計測点９１のＺ変位）を取得するようにしてもよい。同様に、変位計測システム２０１では、カメラ３から虚像３７’のみを観測し、当該虚像３７’のＸ変位に基づいてモアレマーカ３７のＺ変位（すなわち、計測点９１のＺ変位）を取得するようにしてもよい。これらの場合、計測点９１のＸ変位及びＹ変位は、他のシステムで別途取得されるようにしてもよい。

また、第１実施形態において、モアレマーカ１１，１２が両方とも格子模様であることは必須ではない。例えば、モアレマーカ１２からは少なくともＺ変位量が取得できればよいので、モアレマーカ１２はＺ方向のみに繰返される一次元的な繰返し模様（例えば縞模様）であってもよい。この場合、モアレマーカ１１は、Ｘ変位量及びＹ変位量を取得するために、Ｘ方向及びＹ方向に繰返される二次元的な繰返し模様（例えば格子模様）とされる。或いは、モアレマーカ１１をＸ方向のみに繰返される一次元的な繰返し模様とし、モアレマーカ１２をＹ方向及びＺ方向に繰返される二次元的な繰返し模様としてもよい。この場合、モアレマーカ１１からはＸ変位量が得られ、モアレマーカ１２からはＹ変位量及びＺ変位量が得られる。

また、第１実施形態におけるターゲット１３とターゲット１４とが、まとめて一体の部材として形成されてもよい。

また、上述の第１実施形態では、モアレマーカ１１の姿勢がＸＹ平面に平行としているが、ＸＹ変位の算出結果に及ぼす影響が無視できる程度であれば、モアレマーカ１１の姿勢のズレは許容される。すなわち、モアレマーカ１１の姿勢はＸＹ平面に略平行であればよい。同様に、モアレマーカ１２の姿勢もＹＺ平面に略平行であればよい。

更には、モアレマーカ１１の姿勢はＸＹ平面に略平行にも限定されず、モアレマーカ１１はＺ方向に交差する姿勢であればよい。すなわち、モアレマーカ１１はＺ方向に平行ではない姿勢であればよい。同様に、モアレマーカ１２の姿勢はＹＺ平面に略平行にも限定されず、モアレマーカ１２はＸＹ平面に交差する姿勢であればよい。すなわち、モアレマーカ１２はＸＹ平面に平行ではない姿勢であればよい。その一例として、モアレマーカ１２は、道路橋９０の底面又は上面に配置されるなどしてＺＸ平面に平行な姿勢で存在してもよい。

但し、モアレマーカ１２がＹＺ平面から傾いた姿勢で存在する場合や、カメラ３の撮像方向がＺ軸からずれて設定されている場合、前述したようなΔ２＝Δ２’の相関関係が成立しない場合がある。しかしこの場合においても、Δ２とΔ２’との相関関係は、モアレマーカ１２，カメラ３及び鏡面１６の位置関係等に基づいて既知であるので、当該既知の相関関係に基づいて演算を行えばよい。同様にして、モアレマーカ１１がＸＹ平面から傾いた姿勢で存在する場合や、カメラ３の撮像方向がＺ軸からずれて設定されている場合においても、撮像画面に平行な方向へのモアレマーカ１１の変位量を、既知の相関関係に基づき補正して、モアレマーカ１１のＸＹ変位量を算出すればよい。

１、２０１…変位計測システム、３…カメラ（撮像装置）、１１…モアレマーカ（第１モアレマーカ）、１２…モアレマーカ（第２モアレマーカ）、３７…モアレマーカ、１２’，３７’…虚像、１６…鏡面、２１…第１変位取得部（第１変位取得手段）、２２…第２変位取得部（第２変位取得手段）、９１，９１ａ，９１ｂ，９１ｃ…計測点（計測対象）。

Claims (6)

1. サンプリングモアレ法を用いて計測対象の変位を計測する変位計測方法であって、
   前記計測対象上で所定軸線に交差する姿勢で位置する第１モアレマーカと、前記計測対象上で前記所定軸線に直交する平面に交差する姿勢で位置する第２モアレマーカと、が存在しており、
   前記第１モアレマーカと、前記計測対象から絶縁された鏡面に映る前記第２モアレマーカの虚像と、を前記所定軸線に沿った方向から撮像装置で撮像する撮像工程と、
   前記撮像装置で得られる前記第１モアレマーカの撮像画像に基づき、前記所定軸線に直交する方向への前記計測対象の変位量を、サンプリングモアレ法を用いて取得する第１変位取得工程と、
   前記撮像装置で得られる前記虚像の撮像画像に基づき、前記所定軸線に直交する方向への前記虚像の変位量をサンプリングモアレ法で算出し、算出された当該変位量に基づき、前記所定軸線に平行な方向への前記計測対象の変位量を取得する第２変位取得工程と、
   を備える、変位計測方法。
2. 前記第１モアレマーカは、前記所定軸線に略直交する姿勢で位置し、前記第２モアレマーカは、前記所定軸線に略平行な姿勢で位置する、請求項１に記載の変位計測方法。
3. 前記撮像工程では、
   前記第１モアレマーカの撮像画像と、前記虚像の撮像画像と、が略同一のスケールで取得される、請求項１又は２に記載の変位計測方法。
4. サンプリングモアレ法を用いて計測対象の変位を計測する変位計測システムであって、
   前記計測対象上で所定軸線に交差する姿勢で位置する第１モアレマーカと、前記計測対象上で前記所定軸線に直交する平面に交差する姿勢で位置する第２モアレマーカと、が存在しており、
   前記第１モアレマーカと、前記計測対象から絶縁された鏡面に映る前記第２モアレマーカの虚像と、を前記所定軸線に沿った方向から撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置で得られる前記第１モアレマーカの撮像画像に基づき、前記所定軸線に直交する方向への前記計測対象の変位量を、サンプリングモアレ法を用いて取得する第１変位取得手段と、
   前記撮像装置で得られる前記虚像の撮像画像に基づき、前記所定軸線に直交する方向への前記虚像の変位量をサンプリングモアレ法で算出し、算出された当該変位量に基づき、前記所定軸線に平行な方向への前記計測対象の変位量を取得する第２変位取得手段と、
   を備える、変位計測システム。
5. サンプリングモアレ法を用いて計測対象の変位を計測する変位計測方法であって、
   前記計測対象上で所定軸線に交差し且つ前記所定軸線に直交する平面に交差する姿勢で位置するモアレマーカが存在しており、
   前記モアレマーカと、前記計測対象から絶縁された鏡面に映る前記モアレマーカの虚像と、を前記所定軸線に沿った方向から撮像装置で撮像する撮像工程と、
   前記撮像装置で得られる前記モアレマーカの撮像画像に基づき、前記所定軸線に直交する方向への前記計測対象の変位量を、サンプリングモアレ法を用いて取得する第１変位取得工程と、
   前記撮像装置で得られる前記虚像の撮像画像に基づき、前記所定軸線に直交する方向への前記虚像の変位量をサンプリングモアレ法で算出し、算出された当該変位量に基づき、前記所定軸線に平行な方向への前記計測対象の変位量を取得する第２変位取得工程と、
   を備える、変位計測方法。
6. サンプリングモアレ法を用いて計測対象の変位を計測する変位計測システムであって、
   前記計測対象上で所定軸線に交差し且つ前記所定軸線に直交する平面に交差する姿勢で位置するモアレマーカが存在しており、
   前記モアレマーカと、前記計測対象から絶縁された鏡面に映る前記モアレマーカの虚像と、を前記所定軸線に沿った方向から撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置で得られる前記モアレマーカの撮像画像に基づき、前記所定軸線に直交する方向への前記計測対象の変位量を、サンプリングモアレ法を用いて取得する第１変位取得手段と、
   前記撮像装置で得られる前記虚像の撮像画像に基づき、前記所定軸線に直交する方向への前記虚像の変位量をサンプリングモアレ法で算出し、算出された当該変位量に基づき、前記所定軸線に平行な方向への前記計測対象の変位量を取得する第２変位取得手段と、
   を備える、変位計測システム。

Images