JP2021162390A - 変位計測装置および変位計測方法 - Google Patents
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Abstract
Description
《変位計測システムの概略》
図1(a)は、本発明の実施の形態1による変位計測システムの構成例を示す概略図であり、図1(b)および図1(c)は、図1(a)におけるマーカのそれぞれ異なる構成例を示す概略図である。図1(a)に示す変位計測システムは、物体3に装着されたマーカ1と、カメラ等の撮像部を含む変位計測装置2とを有する。
図2は、図1における変位計測装置の概略構成例を示すブロック図である。図2に示す変位計測装置2は、マーカ1を撮像する撮像部10と、撮像部10によって撮像されたマーカ画像に基づいてマーカ1(ひいては物体3)の変位を計測する変位計測部20とを備える。撮像部10は、代表的には、デジタルカメラ等である。変位計測部20は、例えば、PC(Personal Computer)等の情報処理装置や、または、専用の画像処理装置等である。ただし、撮像部10および変位計測部20は、例えば、カメラ付きの情報処理装置等の形態で同一の装置内に実装されてもよい。
図3は、図2における変位計測部の主要部の詳細な構成例を示すブロック図である。図4は、図3における内部マーカ作成部の処理内容の一例を説明する模式図である。図5は、図3におけるモアレ画像作成部の処理内容の一例を説明する模式図である。図3の変位計測部20において、プロセッサ22aは、変位計測プログラムを実行することで実装される内部マーカ作成部31、モアレ画像作成部32および検出部33を備える。また、ここでは、マーカ1として、図1(b)に示したようなストライプ模様が記されたマーカ1aを用いる場合を例とする。
図6は、図3における検出部の詳細な構成例を示すブロック図である。図7は、図6におけるモアレ縞傾き算出部の詳細な処理内容の一例を説明する模式図である。図8は、図6におけるモアレ縞周期算出部の詳細な処理内容の一例を説明する模式図である。図6に示す検出部33は、モアレ縞傾き算出部40と、モアレ縞周期算出部41と、奥行方向変位量算出部42とを備える。
DR=W/w …(3)
IR=DR×PN …(4)
φ=2×tan−1{SS/(2×f)} …(5)
D=IR/{2×tan(φ/2)} …(6)
図10は、本発明の実施の形態1による変位計測方法における処理内容の一例を示すフロー図である。まず、図3の内部マーカ作成部31は、図4に示したような内部マーカ画像35を作成する(ステップS101)。続いて、図3の変位計測部20は、撮像部10を用いてマーカ1を撮像することで計測用マーカ画像[1]を取得する(ステップS102)。次いで、図3のモアレ画像作成部32は、図5に示したように、計測用マーカ画像[1]に内部マーカ画像35を重ね合わせることでモアレ画像[1]を作成する(ステップS103)。
図11は、図3および図6の変位計測部の動作検証結果の一例を示す図である。この例では、マーカ画像周期wが0.02倍単位で短くなる計測用マーカ画像36(実際のマーカ画像)が、図3の変位計測部20に順次入力されている。そして、その都度、図3および図6で述べた各種処理を経て、式(2)で算出されたマーカ画像周期wの算出値が示される。マーカ画像周期wが短くなるということは、図1(a)において、マーカ1と変位計測装置2との奥行き方向(Z軸方向)の距離が長くなることを意味する。
ここでは、図1(b)に示したような、X軸方向に並んだストライプ模様が記されたマーカ1aを用いる場合を例に説明を行った。ただし、その代わりに、Y軸方向に並んだストライプ模様が記されたマーカを用いてもよく、図1(c)に示したようなチェッカ模様が記されたマーカ1bを用いてもよい。マーカ1bを用いる場合、変位計測部20は、チェッカ模様を含んだマーカ画像を、画像処理によってX軸方向に並んだストライプ模様またはY軸方向に並んだストライプ模様に変換すればよい。
以上、実施の形態1の変位計測装置および変位計測方法を用いることで、代表的には、小さい処理負荷または記憶容量でマーカ1(ひいては物体3)の奥行き方向の変位を計測可能になる。すなわち、サンプリングモアレ法等のような複雑な処理を用いることなく、マーカ1(ひいては物体3)の全体としての奥行き方向の変位量を検出できるようになる。その結果、例えば、立坑工事等の建設現場において、地盤の変位状況を監視することができ、作業者の安全を確保することが可能になる。また、レーザ光や光波等を利用した距離計を用いることなく奥行き方向の変位を計測できるため、コストを低減することも可能である。
《検出部の詳細》
図12は、本発明の実施の形態2による変位計測装置において、図3における検出部の詳細な構成例を示すブロック図である。図12に示す検出部33は、図6の構成例と比較して、モアレ縞周期算出部41が設けられず、また、奥行方向変位量算出部42aの処理内容が異なっている。奥行方向変位量算出部42aは、図6の構成例と異なり、モアレ縞傾き算出部40からのモアレ縞[1]の傾きθ1と、モアレ縞[2]の傾きθ2と受けて、各モアレ縞の周期を算出することなく、奥行き方向に生じたマーカ1の変位量を算出する。
以上、実施の形態2の変位計測装置を用いることで、実施の形態1で述べた効果と同様の効果が得られる。さらに、実施の形態1の方式と比較して、モアレ縞の周期を算出する処理が不要となり、処理負荷または記憶容量をより小さくすることが可能になる。一方、奥行き方向の変位量の計測精度の観点では、実施の形態1の方式の方が望ましい。
《検出部の詳細》
図13は、本発明の実施の形態3による変位計測装置において、図3における検出部の詳細な構成例を示すブロック図である。図13に示す検出部33は、奥行方向変位検出部60と、面方向変位検出部61とを備える。奥行方向変位検出部60は、図6と同様の構成を備える。面方向変位検出部61は、モアレ縞位相算出部65と、面方向変位量算出部66とを備える。モアレ縞位相算出部65は、モアレ画像[1]に含まれるモアレ縞[1]の位相α1と、モアレ画像[2]に含まれるモアレ縞[2]の位相α2とをそれぞれ算出する。
IX=AX×cos{(x/λX)×2π+αX}+BX …(8)
ΔU=(Δα/2π)×W …(9)
図14は、本発明の実施の形態3による変位計測方法における処理内容の一例を示すフロー図である。図14に示すフローでは、図10に示したフローと比較して、ステップS201〜S203の処理が追加されている。ステップS201は、ステップS104とステップS105との間に挿入される。ステップS201において、モアレ縞位相算出部65は、モアレ画像[1]を対象に、モアレ縞[1]の位相[1]を検出する。
以上、実施の形態3の変位計測装置および変位計測方法を用いることで、実施の形態1で述べたような各種効果に加えて、単一の撮像部10を用いて取得したマーカ画像に基づいて、マーカ1(ひいては物体3)の面方向(X軸方向またはY軸方向)の変位と、奥行き方向(Z軸方向)の変位の両方を計測可能になる。その結果、低コストで効率的な変位計測を行えるようになる。
Claims (12)
- 周期模様が記されたマーカを撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像されたマーカ画像に基づいて前記マーカの変位を計測する変位計測部と、
を有する変位計測装置であって、
前記変位計測部は、
前記マーカ画像に含まれる周期模様の形成方向を基準方向とした際に、前記基準方向に対して基準の傾きだけ傾いた方向に形成され、かつ予め周期が定められる基準の周期模様を含んだ内部マーカ画像を作成する内部マーカ作成部と、
第1の時点で前記撮像部によって撮像された第1のマーカ画像と、第2の時点で前記撮像部によって撮像された第2のマーカ画像とに対して、前記内部マーカ作成部で作成された同一の前記内部マーカ画像を重ね合わせることで第1のモアレ画像と第2のモアレ画像とをそれぞれ作成するモアレ画像作成部と、
前記基準方向に対して前記第1のモアレ画像に含まれる第1のモアレ縞が成す第1の傾きと、前記基準方向に対して前記第2のモアレ画像に含まれる第2のモアレ縞が成す第2の傾きとをそれぞれ算出するモアレ縞傾き算出部と、
前記第1の傾きに基づく方向で前記第1のモアレ縞の周期を算出し、前記第2の傾きに基づく方向で前記第2のモアレ縞の周期を算出するモアレ縞周期算出部と、
前記第1のモアレ縞の周期と、前記第2のモアレ縞の周期との周期差に基づいて、前記第1の時点と前記第2の時点との間で前記撮像部の光軸方向に生じた前記マーカの変位量を算出する奥行方向変位量算出部と、
を有する、
変位計測装置。 - 請求項1記載の変位計測装置において、
前記モアレ縞傾き算出部は、前記第1のモアレ縞と前記第2のモアレ縞とをそれぞれハフ変換を用いて検出することで前記第1の傾きと前記第2の傾きとを算出する、
変位計測装置。 - 請求項1記載の変位計測装置において、
前記モアレ縞周期算出部は、前記第1の傾きに基づく方向で前記第1のモアレ縞を三角関数で近似することで前記第1のモアレ縞の周期を算出し、前記第2の傾きに基づく方向で前記第2のモアレ縞を三角関数で近似することで前記第2のモアレ縞の周期を算出する、
変位計測装置。 - 請求項1記載の変位計測装置において、
前記奥行方向変位量算出部は、
前記第1のモアレ縞の周期と、前記基準の周期模様の周期と、前記基準の傾きとを用いて前記第1のマーカ画像に含まれる周期模様の周期である第1のマーカ画像周期を算出し、前記第1のマーカ画像周期と、前記マーカに記された周期模様の周期と、前記撮像部における既知の光学仕様とに基づいて前記撮像部と前記マーカとの間の第1の撮影距離を算出し、
前記第2のモアレ縞の周期と、前記基準の周期模様の周期と、前記基準の傾きとを用いて前記第2のマーカ画像に含まれる周期模様の周期である第2のマーカ画像周期を算出し、前記第2のマーカ画像周期と、前記マーカに記された周期模様の周期と、前記撮像部における既知の光学仕様とに基づいて前記撮像部と前記マーカとの間の第2の撮影距離を算出する、
変位計測装置。 - 請求項1記載の変位計測装置において、さらに、
前記第1のモアレ縞の位相と、前記第2のモアレ縞の位相とをそれぞれ算出するモアレ縞位相算出部と、
前記第1のモアレ縞の位相と、前記第2のモアレ縞の位相との位相差に基づいて、前記第1の時点と前記第2の時点との間で前記マーカの面方向に生じた変位量を算出する面方向変位量算出部と、
を有する、
変位計測装置。 - 周期模様が記されたマーカを撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像されたマーカ画像に基づいて前記マーカの変位を計測する変位計測部と、
を有する変位計測装置であって、
前記変位計測部は、
前記マーカ画像に含まれる周期模様の形成方向を基準方向とした際に、前記基準方向に対して基準の傾きだけ傾いた方向に形成され、かつ予め周期が定められる基準の周期模様を含んだ内部マーカ画像を作成する内部マーカ作成部と、
第1の時点で前記撮像部によって撮像された第1のマーカ画像と、第2の時点で前記撮像部によって撮像された第2のマーカ画像とに対して、前記内部マーカ作成部で作成された同一の前記内部マーカ画像を重ね合わせることで第1のモアレ画像と第2のモアレ画像とをそれぞれ作成するモアレ画像作成部と、
前記基準方向に対して前記第1のモアレ画像に含まれる第1のモアレ縞が成す第1の傾きと、前記基準方向に対して前記第2のモアレ画像に含まれる第2のモアレ縞が成す第2の傾きとをそれぞれ算出するモアレ縞傾き算出部と、
前記第1の傾きと、前記基準の周期模様の周期と、前記基準の傾きとに基づいて前記第1のマーカ画像に含まれる周期模様の周期である第1のマーカ画像周期を算出し、前記第2の傾きと、前記基準の周期模様の周期と、前記基準の傾きとに基づいて前記第2のマーカ画像に含まれる周期模様の周期である第2のマーカ画像周期を算出し、前記第1のマーカ画像周期と、前記第2のマーカ画像周期との周期差に基づいて、前記第1の時点と前記第2の時点との間で前記撮像部の光軸方向に生じた前記マーカの変位量を算出する奥行方向変位量算出部と、
を有する、
変位計測装置。 - 請求項6記載の変位計測装置において、
前記モアレ縞傾き算出部は、前記第1のモアレ縞と前記第2のモアレ縞とをそれぞれハフ変換を用いて検出することで前記第1の傾きと前記第2の傾きとを算出する、
変位計測装置。 - 請求項6記載の変位計測装置において、
前記奥行方向変位量算出部は、
前記第1のマーカ画像周期と、前記マーカに記された周期模様の周期と、前記撮像部における既知の光学仕様とに基づいて前記撮像部と前記マーカとの間の第1の撮影距離を算出し、
前記第2のマーカ画像周期と、前記マーカに記された周期模様の周期と、前記撮像部における既知の光学仕様とに基づいて前記撮像部と前記マーカとの間の第2の撮影距離を算出する、
変位計測装置。 - 周期模様が記されたマーカを撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像されたマーカ画像に基づいて前記マーカの変位を計測する変位計測部と、
を用いて前記マーカの変位を計測する変位計測方法であって、
前記変位計測部が、前記マーカ画像に含まれる周期模様の形成方向を基準方向とした際に、前記基準方向に対して基準の傾きだけ傾いた方向に形成され、かつ予め周期が定められる基準の周期模様を含んだ内部マーカ画像を作成する第1の工程と、
第1の時点で前記撮像部によって前記マーカを撮像することで第1のマーカ画像を取得する第2の工程と、
前記変位計測部が、前記第1のマーカ画像に対して前記第1の工程で作成した前記内部マーカ画像を重ね合わせることで第1のモアレ画像を作成する第3の工程と、
第2の時点で前記撮像部によって前記マーカを撮像することで第2のマーカ画像を取得する第4の工程と、
前記変位計測部が、前記第2のマーカ画像に対して前記第1の工程で作成した前記内部マーカ画像を重ね合わせることで第2のモアレ画像を作成する第5の工程と、
前記変位計測部が、前記基準方向に対して前記第1のモアレ画像に含まれる第1のモアレ縞が成す第1の傾きと、前記基準方向に対して前記第2のモアレ画像に含まれる第2のモアレ縞が成す第2の傾きとをそれぞれ算出する第6の工程と、
前記変位計測部が、前記第1の傾きに基づく方向で前記第1のモアレ縞の周期を算出し、前記第2の傾きに基づく方向で前記第2のモアレ縞の周期を算出する第7の工程と、
前記変位計測部が、前記第1のモアレ縞の周期と、前記第2のモアレ縞の周期との周期差に基づいて、前記第1の時点と前記第2の時点との間で前記撮像部の光軸方向に生じた前記マーカの変位量を算出する第8の工程と、
を有する、
変位計測方法。 - 請求項9記載の変位計測方法において、
前記変位計測部は、前記第6の工程において、前記第1のモアレ縞と前記第2のモアレ縞とをそれぞれハフ変換を用いて検出することで前記第1の傾きと前記第2の傾きとを算出する、
変位計測方法。 - 請求項9記載の変位計測方法において、
前記変位計測部は、前記第7の工程において、前記第1の傾きに基づく方向で前記第1のモアレ縞を三角関数で近似することで前記第1のモアレ縞の周期を算出し、前記第2の傾きに基づく方向で前記第2のモアレ縞を三角関数で近似することで前記第2のモアレ縞の周期を算出する、
変位計測方法。 - 請求項9記載の変位計測方法において、さらに、
前記変位計測部が、前記第1のモアレ縞の位相と、前記第2のモアレ縞の位相とをそれぞれ算出する第9の工程と、
前記変位計測部が、前記第1のモアレ縞の位相と、前記第2のモアレ縞の位相との位相差に基づいて、前記第1の時点と前記第2の時点との間で前記マーカの面方向に生じた変位量を算出する第10の工程と、
を有する、
変位計測方法。
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