JP2023082603A - Displacement measurement device, image correction device, and system for the same, displacement measurement method, image correction method, and program for the same - Google Patents

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Abstract

To achieve alignment of images and measurement of displacement with high precision using images picked up at different times.SOLUTION: An image correction unit acquires an image representing two or more reference markers used as a reference of an amount of displacement and a measurement marker representing a pattern spatially repeated at a fixed pitch from an imaging unit for each frame to correct a position of the measurement marker so as to compensate for displacement between frames of the reference marker. An amount of displacement calculation unit calculates the amount of displacement of the measurement marker from a phase difference between frames of a moire image generated from a pattern of the measurement marker.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、画像変位測定による変位測定装置、画像補正装置、そのシステム、変位測定方法、画像補正方法およびそのプログラムに関する。本発明は、例えば、構造ヘルスモニタリングと画像処理に関する。 The present invention relates to a displacement measuring device using image displacement measurement, an image correcting device, a system thereof, a displacement measuring method, an image correcting method, and a program thereof. The present invention relates, for example, to structural health monitoring and image processing.

橋梁などの構造物で構成される公共施設(インフラストラクチャ、以下、「インフラ」と呼ぶ)の老朽化対策において、変位検知が喫緊の課題となっている。変位検知において、リング式変位計、ドップラセンサ、固定カメラ、その他の固定式変位測定装置が用いられることがある。固定カメラで撮像ざれる画像を用いてサンプリングモアレ法、ディジタル画像相関法(DIC:Digital Image Correlation法)などの光学的手法が用いられることがある。固定式変位測定装置の設置は、丘陵地、水辺などの地形、測定対象物の周囲の建造物や構造物などの配置によっては、困難なことがある。 Displacement detection has become an urgent issue in measures against aging of public facilities (infrastructure, hereinafter referred to as "infrastructure") composed of structures such as bridges. Displacement sensing may use ring displacement gauges, Doppler sensors, fixed cameras, and other fixed displacement measurement devices. Optical techniques such as a sampling moire method and a digital image correlation method (DIC: Digital Image Correlation method) are sometimes used using an image captured by a fixed camera. Installation of a fixed-type displacement measuring device may be difficult depending on topography such as hills and waterfronts, and the arrangement of buildings and structures around the object to be measured.

このような事情から、無人航空機(ドローン)、ロボットなどの移動体に設置された移動式変位測定装置を用いた変位測定が注目されている。無人航空機には、各種の変位測定装置、例えば、レーザドップラ振動計、全地球測位システム(GPS:Global Positioning System)などの搭載が試みられてきた。しかしながら、レーザドップラ振動計は一般に高価であり、経済的な実現が困難である。GPSではインフラの維持管理に要求される精度が得られないことがある。 Under such circumstances, displacement measurement using a mobile displacement measuring device installed on a moving object such as an unmanned aerial vehicle (drone) or a robot has attracted attention. Attempts have been made to equip unmanned aerial vehicles with various displacement measuring devices, such as laser Doppler vibrometers and global positioning systems (GPS). However, laser Doppler vibrometers are generally expensive and difficult to economically implement. GPS may not provide the accuracy required for infrastructure maintenance.

近年では、ドローンに搭載したカメラで撮像した画像を用いたビジョンベースの構造ヘルス検査システムが提案されている。例えば、非特許文献1、2は、それぞれDIC法を応用したインフラの変位の計測に関する。DIC法によれば、1mm以下の精度で変位を測定することができる。しかしながら、DIC法ではスペックルがマーカとして用いられるため、ノイズによる精度の低下が著しくなりがちである。また、特許文献1に記載の画像撮像管理方法は、直前に撮像された画像の土地部分との重複率が予め定めた重複率となるとき画像を撮像することを特徴とする。そのため、この方法は、インフラの継続的な微小変位の測定に適するものではない。特許文献2に記載の点検方法は、活線状態の送電線の点検において送電線の腐食状態の検出を特徴とする。そのため、この方法もインフラの微小変位の測定に適するものではない。 Recently, a vision-based structural health inspection system using images captured by a camera mounted on a drone has been proposed. For example, Non-Patent Documents 1 and 2 relate to measurement of displacement of infrastructure using the DIC method, respectively. According to the DIC method, displacement can be measured with an accuracy of 1 mm or less. However, since speckles are used as markers in the DIC method, accuracy tends to be significantly degraded due to noise. Further, the image capturing management method described in Patent Document 1 is characterized in that an image is captured when the overlapping rate of the immediately captured image with the land portion reaches a predetermined overlapping rate. Therefore, this method is not suitable for measuring continuous small displacements of infrastructure. The inspection method described in Patent Literature 2 is characterized by detection of a corroded state of a transmission line in inspection of a live transmission line. Therefore, this method is also not suitable for measuring minute displacements of infrastructure.

特開2017-15704号公報JP 2017-15704 A 特開2021-107992号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-107992 特許第4831703号公報Japanese Patent No. 4831703 特許第6565037号公報Japanese Patent No. 6565037

Reagan, D., Sabato, A. and Niezrecki, C.; Feasibility of using digital image correlation for unmanned aerial vehicle structural health monitoring of bridges, Structural Health Monitoring, 2018, 17 (5), pp.1056-1072.Reagan, D., Sabato, A. and Niezrecki, C.; Feasibility of using digital image correlation for unmanned aerial vehicle structural health monitoring of bridges, Structural Health Monitoring, 2018, 17 (5), pp.1056-1072. Kalaizakis, M., Vitzilaios, N., Rizos, D.C. and Sutton, M.A., Drone-Based Stereo DIC: System Devolopment, Experimental Validation and Infrastructure Application, Experimental Mechanics, 2021, 61, pp.981-996.Kalaizakis, M., Vitzilaios, N., Rizos, D.C. and Sutton, M.A., Drone-Based Stereo DIC: System Development, Experimental Validation and Infrastructure Application, Experimental Mechanics, 2021, 61, pp.981-996.

特許文献3、4には、カメラを固定した状態で短時間記録した画像を用い、サンプリングモアレ法を用いてインフラの変位を測定する手法が記載されている。しかしながら、カメラを固定して設置できない場合には、カメラの移動により画像に表れる測定対象物の位置や形状が変化するので、そのままでは正しい変位量が得られない。言い換えれば、ドローン、ロボット、船舶などの移動体に搭載したカメラや、携帯電話機などの携帯機器に内蔵されたカメラを用いて撮像された画像では、高精度の変位測定が困難であった。また、長期間にわたる変位のモニタリングでは、固定したはずのカメラの位置が車両の通行、風などにより動揺することがある。このことも、測定された変位の精度が低下する要因となりうる。 Patent Literatures 3 and 4 describe a method of measuring the displacement of infrastructure using a sampling moire method using images recorded for a short period of time with a camera fixed. However, if the camera cannot be fixed and installed, the position and shape of the object to be measured appearing in the image change as the camera moves, so the correct amount of displacement cannot be obtained as it is. In other words, it has been difficult to measure displacement with high precision using images captured by cameras mounted on moving bodies such as drones, robots, and ships, and cameras built into mobile devices such as mobile phones. In addition, when monitoring displacement over a long period of time, the position of the camera, which is supposed to be fixed, may fluctuate due to passing vehicles, wind, and the like. This can also be a factor in reducing the accuracy of the measured displacement.

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、異なる時刻に撮像された画像を用いて高い精度で画像の位置合わせと変位の測定を実現する変位測定装置、画像補正装置、そのシステム、変位測定方法、画像補正方法およびそのプログラムを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above points, and includes a displacement measuring device, an image correcting device, a system thereof, and a method for aligning images and measuring displacement with high accuracy using images captured at different times. An object of the present invention is to provide a displacement measurement method, an image correction method, and a program therefor.

(1)本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、変位量の基準とする2個以上の基準マーカと、一定のピッチで空間的に繰り返される模様を表す測定マーカとを表す画像をフレームごとに撮像部から取得し、前記基準マーカのフレーム間の変位を補償するように前記測定マーカの位置を補正する画像補正部と、前記測定マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差から、前記測定マーカの変位量を演算する変位量演算部と、を備える変位測定装置である。 (1) The present invention has been made to solve the above-described problems, and one aspect of the present invention is to provide two or more reference markers that are used as references for the amount of displacement, and spatially repeated markers with a constant pitch. an image correcting unit that acquires an image representing a measurement marker representing a pattern from an imaging unit for each frame and corrects the position of the measurement marker so as to compensate for the displacement of the reference marker between frames; and the pattern of the measurement marker. and a displacement amount calculation unit that calculates the displacement amount of the measurement marker from the inter-frame phase difference of the moiré image generated from.

(2)本発明の他の態様は、それぞれ一定のピッチで空間的に繰り返される模様を表す2個以上の基準マーカを表す画像をフレームごとに撮像部から取得し、前記基準マーカのフレーム間の変位を補償するように前記画像を補正し、前記基準マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差を補償するように前記画像をさらに補正する画像補正部を備える画像補正装置である。 (2) Another aspect of the present invention acquires images representing two or more reference markers each representing a pattern that is spatially repeated at a constant pitch from an imaging unit for each frame, and The image correcting apparatus includes an image correction unit that corrects the image to compensate for displacement, and further corrects the image to compensate for inter-frame phase differences of a moire image generated from the pattern of the reference marker. .

(3)本発明の他の態様は、コンピュータに、(1)の変位測定装置、または、(2)の画像補正装置として機能させるためのプログラムであってもよい。 (3) Another aspect of the present invention may be a program for causing a computer to function as the displacement measuring device (1) or the image correcting device (2).

(4)本発明の他の態様は、撮像部と、(1)の変位測定装置、または、(2)の画像補正装置を備えるシステムであってもよい。 (4) Another aspect of the present invention may be a system comprising an imaging unit and the displacement measuring device of (1) or the image correcting device of (2).

(5)本発明の他の態様は、変位測定装置が、変位量の基準とする2個以上の基準マーカと、一定のピッチで繰り返される模様を表す測定マーカとを表す画像をフレームごとに撮像部から取得し、前記基準マーカのフレーム間の変位を補償するように前記測定マーカの位置を補正する画像補正ステップと、前記測定マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差から、前記測定マーカの変位量を演算する変位量演算ステップと、を実行する変位測定方法である。 (5) Another aspect of the present invention is that the displacement measuring device captures an image representing two or more reference markers used as a reference for the amount of displacement and a measurement marker representing a pattern repeated at a constant pitch for each frame. from the image correction step of correcting the position of the measurement marker to compensate for the inter-frame displacement of the reference marker obtained from a unit, and the inter-frame phase difference of the moire image generated from the pattern of the measurement marker, and a displacement amount calculation step of calculating the displacement amount of the measurement marker.

(6)本発明の他の態様は、画像補正装置が、それぞれ一定のピッチで空間的に繰り返される模様を表す2個以上の基準マーカを表す画像をフレームごとに撮像部から取得し、前記基準マーカのフレーム間の変位を補償するように前記画像を補正し、前記基準マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差を補償するように前記画像をさらに補正する画像補正ステップを実行する画像補正方法である。 (6) Another aspect of the present invention is that the image correction device obtains, for each frame, an image representing two or more reference markers each representing a pattern that is spatially repeated at a constant pitch, and performing an image correction step of correcting the image to compensate for the frame-to-frame displacement of the markers, and further correcting the image to compensate for the frame-to-frame phase difference of moire images generated from the pattern of the reference markers. This is an image correction method for

本発明によれば、異なる時刻に撮像された画像を用いて高い精度で画像の位置合わせと変位の測定を実現することができる。 According to the present invention, image alignment and displacement measurement can be achieved with high accuracy using images captured at different times.

本実施形態に係る変位測定システムの概要を説明するための側面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a side view for demonstrating the outline|summary of the displacement measuring system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る変位測定システムの概要を説明するための正面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a front view for demonstrating the outline|summary of the displacement measuring system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る変位測定システムの機能構成例を示す概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram showing a functional configuration example of a displacement measuring system according to an embodiment; FIG. 本実施形態に係る変位測定処理の第1例を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a first example of displacement measurement processing according to the present embodiment; 測定対象物の変形前後の各マーカの配置例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example arrangement of markers before and after deformation of the measurement object; 変形による基準マーカ間の位置関係の変化例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of change in positional relationship between reference markers due to deformation; 本実施形態に係る変位測定処理の第2例を示すフローチャートである。8 is a flowchart showing a second example of displacement measurement processing according to the present embodiment; 各フレームの画像の表示例である。It is a display example of an image of each frame. 各マーカにおける変位量の時間変化を例示する図である。It is a figure which illustrates the time change of the displacement amount in each marker. 実験設備を例示する図である。It is a figure which illustrates an experimental setup. 各マーカの位置の時間変化を例示する図である。It is a figure which illustrates the time change of the position of each marker. 各マーカの軌跡の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of trajectories of respective markers; 基準マーカ間の位置関係の時間変化の例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of temporal change in the positional relationship between reference markers; 観測されたマーカの位置の時間変化の例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of changes in observed marker positions over time; 観測されたたわみ量の時間変化の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of changes in observed deflection amount over time; 変位量の軌跡の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of a locus of displacement amounts; 空撮による変位測定の実験光学系を示す図である。It is a figure which shows the experimental optical system of displacement measurement by aerial photography. 空撮による変位測定例を示す図である。It is a figure which shows the displacement measurement example by aerial photography. ホモグラフィ変換を説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining homography transformation; 本実施形態に係る変位測定処理の第3例を示すフローチャートである。9 is a flowchart showing a third example of displacement measurement processing according to the present embodiment; 本実施形態に係る画像補正システムの機能構成例を示す概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram showing a functional configuration example of an image correction system according to an embodiment; FIG. 画像の位置合わせの第1例を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing a first example of alignment of images; 画像の位置合わせの第2例を示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing a second example of alignment of images; 画像の位置合わせ補正の実験結果を例示する説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of an experimental result of alignment correction of images;

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図1、図2は、本実施形態に係る変位測定システム1の概要を説明するための側面図、正面図である。図1の例では、変位測定システム1は、測定対象物として橋梁Br1の変位の測定に用いられる。橋梁Br1の側面には、2個の基準マーカMk-A、Mk-Bと測定マーカMk-Cが長手方向にその順に配列されている。基準マーカMk-A、Mk-Bは、それぞれ変位量の基準として用いられる。測定マーカMk-Cは、変位量測定の目標位置として、予め定めた測定点に設置される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are a side view and a front view for explaining the outline of a displacement measuring system 1 according to this embodiment. In the example of FIG. 1, the displacement measurement system 1 is used to measure the displacement of a bridge Br1 as the object to be measured. On the side of the bridge Br1, two reference markers Mk-A, Mk-B and a measurement marker Mk-C are arranged in that order in the longitudinal direction. The reference markers Mk-A and Mk-B are used as references for the amount of displacement. The measurement marker Mk-C is set at a predetermined measurement point as a target position for displacement measurement.

撮像部20は、橋梁Br1の側面に対面した位置において、空中を飛行するドローンDnに支持されている。この位置において、撮像部20は、基準マーカMk-A、Mk-Bと、測定マーカMk-Cが表された画像をフレームごとに撮像する。撮像部20の位置は、その視野内に基準マーカMk-A、Mk-Bと、測定マーカMk-Cが含まれる位置であればよい。
橋梁Br1の表面には、道路が敷設されている。道路上を検査車両Vcが通行すると、検査車両Vcの重みにより橋梁Br1が変形する。この設定のもとで変位測定システム1は、橋梁Br1の変形に伴う測定マーカMk-Cにおける変位量を測定することができる。また、変位測定システム1は、より長期間にわたり撮像された画像を取得し、橋梁Br1の形状の経時変化を観察してもよい。以下の説明では、「基準マーカ」と「測定マーカ」を単に「マーカ」と総称することがある。
The imaging unit 20 is supported by a drone Dn flying in the air at a position facing the side of the bridge Br1. At this position, the imaging unit 20 captures an image showing the reference markers Mk-A and Mk-B and the measurement marker Mk-C for each frame. The position of the imaging unit 20 may be a position where the reference markers Mk-A and Mk-B and the measurement marker Mk-C are included in its field of view.
A road is laid on the surface of the bridge Br1. When the inspection vehicle Vc passes on the road, the weight of the inspection vehicle Vc deforms the bridge Br1. Under this setting, the displacement measurement system 1 can measure the amount of displacement at the measurement marker Mk-C that accompanies the deformation of the bridge Br1. Alternatively, the displacement measurement system 1 may acquire images captured over a longer period of time to observe temporal changes in the shape of the bridge Br1. In the following description, the "reference marker" and the "measurement marker" may be collectively referred to simply as the "marker."

次に、変位測定システム1による変位量の測定方法の概要について、図2を用いて説明する。図2に例示される変位測定システム1は、異なる時刻に撮像されたフレーム間で生じた基準マーカMk-A、Mk-Bそれぞれの位置の変化を補償する。撮像された画像の水平方向、垂直方向が、それぞれx方向、y方向に相当する。x方向は、現実に橋梁Br1が設置された三次元空間(以下の説明では、「被写体空間」と呼ぶことがある)における橋桁の長手方向に対応し、y方向は、被写体空間における鉛直方向に対応する。また、個々のフレームの画像上の空間を「画像空間」と呼んで被写体空間と区別することがある。 Next, an outline of a method of measuring displacement by the displacement measuring system 1 will be described with reference to FIG. The displacement measurement system 1 illustrated in FIG. 2 compensates for changes in position of each of the reference markers Mk-A, Mk-B that occur between frames imaged at different times. The horizontal direction and vertical direction of the captured image correspond to the x direction and y direction, respectively. The x direction corresponds to the longitudinal direction of the bridge girder in the three-dimensional space in which the bridge Br1 is actually installed (in the following description, it may be referred to as the “subject space”), and the y direction is the vertical direction in the subject space. handle. Also, the space on the image of each frame is sometimes called "image space" to distinguish it from the object space.

図2(a)は、時刻tにおいて撮像された画像を示す。この時点では、橋梁Br1に変形は生じていない。この画像は、基準画像として用いられる。基準マーカMk-A、基準マーカMk-B、および、測定マーカMk-Cは、図面に対して左右に一直線上に並ぶ位置に配列されている。即ち、測定マーカMk-Cの位置(x,y)は、基準マーカMk-Aの位置(x,y)と基準マーカMk-Bの位置(x,y)を通過する直線の内分点に相当する。 FIG. 2(a) shows an image captured at time t1 . At this point, the bridge Br1 is not deformed. This image is used as a reference image. The reference marker Mk-A, the reference marker Mk-B, and the measurement marker Mk-C are arranged in a straight line from left to right with respect to the drawing. That is, the position (x C , y C ) of the measurement marker Mk-C passes through the position (x A , y A ) of the reference marker Mk-A and the position (x B , y B ) of the reference marker Mk- B . It corresponds to the internal dividing point of a straight line.

図2(b)は、時刻tにおいて撮像された画像を例示する。時刻tの画像に表れた橋梁Br1の形状は、時刻tの画像に表れたものから変形する。時刻tにおける基準マーカMk-Aの位置(x’,y’)は、時刻tにおける基準マーカMk-Aの位置(x,y)よりも下方に変位している。他方、時刻tにおける基準マーカMk-Bの位置(x’,y’)は、時刻tにおける基準マーカMk-Bの位置(x,y)よりも上方に変位している。しかしながら、時刻tの画像に表れる橋梁Br1の変形には、撮像部20の位置や向きの変化による見かけ上の変形が含まれる。見かけ上の変形は、画像の「ぶれ(blur)」として観測され、測定誤差の原因となる。 FIG. 2(b) illustrates an image captured at time t2 . The shape of the bridge Br1 appearing in the image at time t2 is deformed from that appearing in the image at time t1 . The position (x A ', y A ') of the reference marker Mk-A at time t 2 is displaced downward from the position (x A , y A ) of the reference marker Mk-A at time t 1 . On the other hand, the position (x B ', y B ') of the reference marker Mk-B at time t 2 is displaced above the position (x B , y B ) of the reference marker Mk-B at time t 1 . . However, the deformation of the bridge Br1 appearing in the image at time t2 includes apparent deformation due to changes in the position and orientation of the imaging unit 20 . Apparent deformation is observed as image "blur" and causes measurement error.

そこで、変位測定システム1は、図2(c)に例示されるように、時刻tにおける基準マーカMk-Aの補正後の位置(x ,y )と基準マーカMk-Bの補正後の位置(x ,y )が、それぞれ時刻tにおける基準マーカMk-Aの位置(x,y)と基準マーカMk-Bの位置(x,y)に一致するように測定フレームにおける測定マーカMk-Cの位置を補正する。変位測定システム1は、例えば、時刻tの画像を座標変換により補正するための座標変換パラメータを定める。変位測定システム1は、時刻tにおける補正後の測定マーカMk-Cの位置として、定めた座標変換パラメータを用いて補正した画像における測定マーカMk-Cの位置(x ,y )を座標変換して算出することができる。座標変換の手法として、例えば、アフィン変換などの線形変換が利用可能である。 Therefore, as illustrated in FIG. 2(c), the displacement measurement system 1 calculates the corrected position (x A * , y A * ) of the reference marker Mk-A at time t 2 and the position of the reference marker Mk-B. The corrected position (x B * , y B * ) is the position (x A , y A ) of the reference marker Mk-A and the position (x B , y B ) of the reference marker Mk-B at time t 1 . Correct the position of the measurement marker Mk-C in the measurement frame to match. The displacement measurement system 1 determines, for example, coordinate transformation parameters for correcting the image at time t2 by coordinate transformation. The displacement measurement system 1 determines the position (x C * , y C * ) of the measurement marker Mk-C in the image corrected using the determined coordinate transformation parameters as the position of the measurement marker Mk-C after correction at time t 2 . can be calculated by transforming the coordinates. As a method of coordinate transformation, for example, linear transformation such as affine transformation can be used.

そして、変位測定システム1は、補正後の時刻tに撮像された画像と、時刻tに撮像された画像のそれぞれについて、測定マーカMk-Cのモアレ画像を生成する。変位測定システム1は、生成したモアレ画像のフレーム間の位相差に基づいて橋梁Br1に設置された測定マーカMk-Cの変位量を演算する。撮像部20が移動する状況においても、移動に起因する測定フレームの画像に表れる測定マーカMk-Cの位置の変化が補償される。そのため、測定マーカMk-Cの変位量が高い精度で測定される。 Then, the displacement measurement system 1 generates a moiré image of the measurement marker Mk-C for each of the corrected image captured at time t 2 and the image captured at time t 1 . The displacement measurement system 1 calculates the amount of displacement of the measurement marker Mk-C installed on the bridge Br1 based on the inter-frame phase difference of the generated moiré image. Even in a situation where the imaging unit 20 moves, the change in the position of the measurement marker Mk-C appearing in the image of the measurement frame caused by the movement is compensated. Therefore, the displacement amount of the measurement marker Mk-C is measured with high accuracy.

なお、個々のマーカには、輝度が規則的に分布する模様であれば、いかなる模様が表されてもよい。図1、図2の例では、個々のマーカの輝度は、水平方向および垂直方向のそれぞれの方向に対して一定の周期(ピッチ)で変動する格子パターンをなす。撮像部20は、撮影された画像に表れるマーカの模様のピッチが、少なくとも2画素以上となる位置に設置されればよい。 It should be noted that each marker may represent any pattern as long as it is a pattern in which luminance is regularly distributed. In the examples of FIGS. 1 and 2, the brightness of each marker forms a lattice pattern that fluctuates at a constant period (pitch) in each of the horizontal and vertical directions. The imaging unit 20 may be installed at a position where the pitch of the marker pattern appearing in the captured image is at least two pixels or more.

一定方向(例えば、鉛直方向)の変位を測定する場合には、その方向に交差する方向に配列された縞画像が表されたマーカが用いられる。マーカは、変位測定を主目的とする専用物でなくてもよく、測定対象とする構造物表面に表された規則的な模様が利用されてもよい。例えば、建築物表面に配列された個々の窓ガラスの窓枠、壁面に配列されたレンガ、タイル、などの境界がなす模様が利用されてもよい。測定対象物として、橋梁、建築物の他、ダム、トンネル内面、微小試験片、など、あらゆるスケールの変位の計測に適用されてもよい。 When measuring displacement in a certain direction (for example, vertical direction), a marker representing a striped image arranged in a direction intersecting that direction is used. The marker does not have to be a dedicated object whose main purpose is displacement measurement, and a regular pattern displayed on the surface of the structure to be measured may be used. For example, a pattern formed by boundaries such as window frames of individual window panes arranged on a building surface, bricks arranged on a wall surface, tiles, and the like may be used. The object to be measured may be a bridge, a building, a dam, an inner surface of a tunnel, a micro test piece, or any other scale of displacement measurement.

但し、基準マーカの位置は、時間経過に応じて静止しているとみなせる位置、または、測定マーカの位置よりも相対的に変動が少ない位置に設置される。図1、図2の例では、基準マーカMk-A、Mk-Bが設置された橋脚の部分は、測定マーカMk-Cが設置された橋桁の部分よりも相対的に外力による変動が少ない。橋梁に加わる外力には、例えば、車両、通行人などの走行、風、水流、地震、などがある。また、基準マーカの個数は、2個に限られず、3個以上でもよい。測定マーカの個数は1個に限られず、2個以上でもよい。 However, the position of the reference marker is set at a position that can be regarded as stationary with the passage of time, or at a position that fluctuates relatively less than the position of the measurement marker. In the examples of FIGS. 1 and 2, the bridge pier portion on which the reference markers Mk-A and Mk-B are installed has relatively less fluctuation due to external force than the bridge girder portion on which the measurement marker Mk-C is installed. External forces applied to bridges include, for example, running of vehicles and passers-by, wind, water currents, earthquakes, and the like. Also, the number of reference markers is not limited to two, and may be three or more. The number of measurement markers is not limited to one, and may be two or more.

次に、本実施形態に係る変位測定システム1の機能構成例について説明する。図3は、本実施形態に係る変位測定システム1の機能構成例を示す概略ブロック図である。
変位測定システム1は、変位測定装置10と、撮像部20と、を備える。変位測定装置10は、パラメータ入力部12と、演算処理部14と、表示部16と、を備える。
Next, a functional configuration example of the displacement measuring system 1 according to this embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic block diagram showing a functional configuration example of the displacement measuring system 1 according to this embodiment.
A displacement measurement system 1 includes a displacement measurement device 10 and an imaging unit 20 . The displacement measuring device 10 includes a parameter input section 12 , an arithmetic processing section 14 and a display section 16 .

パラメータ入力部12には、各種のパラメータが入力される。これらのパラメータには、個々の基準マーカの位置の特定、測定マーカの変位の測定、基準マーカおよび測定マーカからモアレ画像の生成、モアレ画像の位相差から変位量の算出などに用いられるパラメータ、などが含まれる。これらのパラメータについては、演算処理部14の機能とともに説明する。パラメータ入力部12は、データ入力インタフェースを含んで構成されてもよいし、ユーザの操作に応じて各種の情報を入力するマウス、タッチセンサ、キーボードなどの入力デバイスを含んで構成されてもよい。 Various parameters are input to the parameter input unit 12 . These parameters include parameters used to identify the position of each reference marker, measure the displacement of the measurement marker, generate a moiré image from the reference and measurement markers, calculate the displacement from the phase difference of the moiré image, etc. is included. These parameters will be described together with the functions of the arithmetic processing unit 14. FIG. The parameter input unit 12 may include a data input interface, or may include an input device such as a mouse, touch sensor, or keyboard for inputting various types of information according to user operations.

演算処理部14は、変位測定装置10の機能を発揮させるための処理や、これらの機能を制御するための処理を実現する。演算処理部14は、例えば、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサと、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)などの記憶媒体を備えるコンピュータシステムとして構成されてもよい。プロセッサは、記憶媒体に予め記憶された所定の制御プログラムを読み出し、読み出した制御プログラムに記述された命令で指示される処理を実行することによって、各機能部の機能を実現してもよい。演算処理部14は、機能部としてマーカ検出部142、第1画像補正部144、第1変位量演算部146、第2画像補正部148、第2変位量演算部150、および、変位量出力部152を備える。 The arithmetic processing unit 14 realizes processing for exerting the functions of the displacement measuring device 10 and processing for controlling these functions. The arithmetic processing unit 14 may be configured as a computer system including, for example, a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and storage media such as a RAM (Random Access Memory) and a ROM (Read Only Memory). The processor may implement the function of each functional unit by reading out a predetermined control program pre-stored in the storage medium and executing processing indicated by instructions written in the read control program. The arithmetic processing unit 14 includes, as functional units, a marker detection unit 142, a first image correction unit 144, a first displacement amount calculation unit 146, a second image correction unit 148, a second displacement amount calculation unit 150, and a displacement amount output unit. 152.

マーカ検出部142は、撮像部20から入力された画像データに示される各フレームの画像から基準マーカと測定マーカを検出する。マーカ検出部142は、公知の画像認識処理を実行してマーカを検出することができる。マーカ検出部142は、例えば、公知の機械学習モデル(例えば、ニューラルネットワーク)を用いて、処理対象となる画像の部分領域であるブロックごとに、既知のマーカの模様が表れる可能性の度合いを示す信頼度を算出する。マーカ検出部142には、基準となるマーカの形態であるマーカパターンに係るパターンデータを予め設定しておき、処理対象の画像における一部の領域がマーカパターンと類似する度合い(類似度)を信頼度として算出してもよい。マーカ検出部142は、算出した信頼度が予め設定された信頼度の閾値よりも高い所定の個数の領域をマーカの領域(以下、「マーカ領域」と呼ぶことがある)として定めることができる。所定の個数は、基準マーカの個数と測定マーカの個数の合計に相当する。マーカ検出部142は、各フレームの画像から検出したマーカ領域を示すマーカの中心座標を含むマーカ情報を第1画像補正部144に出力する。 The marker detection section 142 detects the reference marker and the measurement marker from the image of each frame shown in the image data input from the imaging section 20 . The marker detection unit 142 can detect markers by executing known image recognition processing. The marker detection unit 142 uses, for example, a known machine learning model (for example, a neural network) to indicate the degree of possibility that a pattern of a known marker will appear for each block, which is a partial region of the image to be processed. Calculate confidence. In the marker detection unit 142, pattern data related to a marker pattern, which is the form of a reference marker, is set in advance, and the degree of similarity (similarity) between a part of the image to be processed and the marker pattern is relied upon. It may be calculated as degrees. The marker detection unit 142 can define a predetermined number of regions whose calculated reliability is higher than a preset reliability threshold as marker regions (hereinafter sometimes referred to as “marker regions”). The predetermined number corresponds to the sum of the number of reference markers and the number of measurement markers. The marker detection unit 142 outputs to the first image correction unit 144 marker information including the center coordinates of the marker indicating the marker area detected from the image of each frame.

第1画像補正部144は、マーカ検出部142から入力されるマーカ情報に示されるマーカ領域をフレームごとに特定する。撮像時刻ごとの撮像部20の位置や向きの違いにより、特定されるマーカ領域の分布がフレーム間で異なりうる。第1画像補正部144は、基準マーカの位置の違いがフレーム間で補償されるように、撮像部20から入力される画像データに示される画像を補正するための座標変換パラメータを算出する。第1画像補正部144は、例えば、測定マーカの変位の測定対象として注目する測定フレームにおける基準マーカの位置が、測定マーカの変位の基準として用いる基準フレームにおける基準マーカの位置と一致するように座標変換パラメータを算出することができる。基準フレームの画像として、例えば、変形が生じていない時点で撮像された画像が用いられてもよい。第1画像補正部144は、算出した座標変換パラメータを用いて座標変換により補正された画像を示す第1補正画像データを第1変位量演算部146と第2画像補正部148に出力する。第1補正画像データには、補正された測定フレームの画像が含まれる。第1補正画像データには、補正されなかった基準フレームの画像が含まれてもよい。 The first image correction unit 144 identifies the marker area indicated by the marker information input from the marker detection unit 142 for each frame. Due to differences in the position and orientation of the imaging unit 20 for each imaging time, the distribution of the identified marker regions may differ between frames. The first image correction unit 144 calculates coordinate transformation parameters for correcting the image shown in the image data input from the imaging unit 20 so as to compensate for the difference in the position of the reference marker between frames. The first image correction unit 144, for example, adjusts the coordinates so that the position of the reference marker in the measurement frame to which attention is paid as the target for measuring the displacement of the measurement marker matches the position of the reference marker in the reference frame used as the reference for the displacement of the measurement marker. Transformation parameters can be calculated. As the image of the reference frame, for example, an image captured when no deformation has occurred may be used. The first image correction unit 144 outputs first corrected image data representing an image corrected by coordinate conversion using the calculated coordinate conversion parameters to the first displacement amount calculation unit 146 and the second image correction unit 148 . The first corrected image data includes the corrected image of the measurement frame. The first corrected image data may include an image of the reference frame that has not been corrected.

なお、この段階では、個々の基準マーカの位置の精度は、隣接する画素(ピクセル)間の間隔(画素ピッチ)と同じ程度となるため、補正される画像における測定マーカの位置の精度も画素ピッチと同じ程度の精度となる。本願では、第1画像補正部144が実行する画像、または、その画像上の測定マーカの位置の補正を「粗補正」、その補正の精度を「ピクセル精度」と呼ぶことがある。 At this stage, the positional accuracy of each reference marker is about the same as the interval (pixel pitch) between adjacent pixels (pixels), so the positional accuracy of the measurement markers in the corrected image is also the pixel pitch has the same accuracy as In the present application, the correction of the image or the position of the measurement marker on the image executed by the first image correction unit 144 is sometimes called "coarse correction", and the accuracy of the correction is sometimes called "pixel accuracy".

第1変位量演算部146は、第1画像補正部144から入力される第1補正画像データが示す各フレームの画像に表された被写体空間における測定マーカの変位量を第1変位量として算出する。即ち、第1変位量演算部146は、基準フレームの測定マーカの位置と補正後の測定フレームの測定マーカの位置との変位に基づいて現実の測定マーカの変位量を算出する。 The first displacement amount calculator 146 calculates the displacement amount of the measurement marker in the subject space represented in the image of each frame indicated by the first corrected image data input from the first image corrector 144 as the first displacement amount. . That is, the first displacement amount calculator 146 calculates the actual displacement amount of the measurement marker based on the displacement between the position of the measurement marker in the reference frame and the position of the measurement marker in the corrected measurement frame.

第1変位量演算部146は、第1変位量の演算において、サンプリングモアレ法を用いることができる。より具体的には、第1変位量演算部146は、各フレームの画像に表された測定マーカのモアレ画像を生成する。第1変位量演算部146は、例えば、少なくとも測定マーカの領域を含む部分画像に対して、測定マーカの模様の周期Pと同じもしくは異なる周期T(Tは、画素数を示す予め設定された2以上の整数)で間引いて得られるT個の間引き画像を生成する。T個の間引き画素それぞれの位相(間引きの起点となる画素の座標)は、0からT-1のいずれかの値となるようにシフトされる。第1変位量演算部146は、T個の間引き画像のそれぞれに対し、間引き後の隣接する画素間で画素値を補間してモアレ画像を生成することができる。第1変位量演算部146は、位相シフトされたT個のモアレ画像に対して離散フーリエ変換を行い、所定の空間周波数における位相分布を算出する。第1変位量演算部146は、他のフレームについても、同様な手法を用いて位相分布を算出することができる。第1変位量演算部146は、フレーム間の位相分布の差である位相差の分布現実の模様の周期(ピッチ)pを周波数と2πで除算した係数を乗算することで変位分布を算出する。そして、第1変位量演算部146は、変位分布をなす画素ごとの変位量を周波数ならびに個々の画素間で平均化して、その画素が属する測定マーカの変位量を第1変位量として定めることができる。第1変位量演算部146は、定めた第1変位量を示す第1変位量データを変位量出力部152に出力する。よって、第1変位量演算部146では、ピクセル精度で補正された画像を用いて変位量を概算することができる。周期P、T、pは第1変位量を算出するためのパラメータとして、第1変位量演算部146に予め設定しておく。なお、周期Pは撮像画像上での格子マーカのピッチであり、単位は、例えば、画素である。これに対して、周期pは実際の格子マーカの物理的ピッチであり、単位は、例えば、mmである。周期Tは、周期Pと異なる場合もあるが、周期Pに近似した値であればよい。モアレ画像の位相の周期Qの逆数1/Qは、周期Tの逆数1/Tと周期Pの逆数1/Pの差分の絶対値に相当するため、周期Tと周期Pとの差が小さいほど、モアレ画像の位相の周期Qが大きくなる。そこで、周期Qの周期Tに対する所望の倍率に応じて周期Tを予め定めておけばよい。なお、サンプリングモアレ法については、例えば、国際公開2017/138414号公報に、より詳しく記載されている。 The first displacement amount calculator 146 can use the sampling moire method in calculating the first displacement amount. More specifically, the first displacement amount calculator 146 generates a moiré image of the measurement marker represented in the image of each frame. For example, the first displacement amount calculation unit 146 calculates, for a partial image including at least the area of the measurement marker, a period T that is the same as or different from the period P of the pattern of the measurement marker (T is a preset 2 (integer above) to generate T thinned images obtained by thinning. The phase of each of the T pixels to be thinned (coordinates of the pixel that is the starting point of thinning) is shifted to a value between 0 and T−1. The first displacement amount calculator 146 can generate a moiré image by interpolating pixel values between adjacent pixels after thinning out for each of the T thinned images. The first displacement amount calculator 146 performs a discrete Fourier transform on the phase-shifted T moire images to calculate a phase distribution at a predetermined spatial frequency. The first displacement amount calculator 146 can also calculate the phase distribution for other frames using a similar technique. The first displacement amount calculator 146 calculates the displacement distribution by multiplying the distribution period (pitch) p of the phase difference, which is the phase distribution difference between the frames, by the frequency and a coefficient obtained by dividing by 2π. Then, the first displacement amount calculator 146 averages the displacement amount of each pixel forming the displacement distribution between frequencies and individual pixels, and determines the displacement amount of the measurement marker to which the pixel belongs as the first displacement amount. can. The first displacement amount calculation unit 146 outputs first displacement amount data indicating the determined first displacement amount to the displacement amount output unit 152 . Therefore, the first displacement amount calculator 146 can roughly calculate the displacement amount using the image corrected with pixel precision. The periods P, T, and p are preset in the first displacement amount calculator 146 as parameters for calculating the first displacement amount. Note that the period P is the pitch of the grid markers on the captured image, and the unit is, for example, pixels. On the other hand, the period p is the physical pitch of the actual grating markers, in units of mm, for example. The period T may be different from the period P, but a value approximate to the period P may be used. Since the reciprocal 1/Q of the period Q of the moire image corresponds to the absolute value of the difference between the reciprocal 1/T of the period T and the reciprocal 1/P of the period P, the smaller the difference between the period T and the period P, the , the period Q of the phase of the moiré image increases. Therefore, the period T may be determined in advance according to a desired magnification of the period Q with respect to the period T. FIG. Note that the sampling moire method is described in more detail in, for example, International Publication No. 2017/138414.

第2画像補正部148は、第1変位量演算部146から入力される第1補正画像データに示されるフレームごとの画像から、各マーカのマーカ領域を特定する。第2画像補正部148は、特定した基準マーカのそれぞれに対してモアレ画像を生成する。第2画像補正部148は、モアレ画像の生成において、第1変位量演算部146と同様の手法を用いることができる。第2画像補正部148は、所定の周波数について生成したモアレ画像の位相分布をフレームごとに算出する。第2画像補正部148は、第1画像補正部144と同様に、基準マーカの位置の差異がフレーム間で補償されるように、第1補正画像データに示される画像を座標変換により補正するための座標変換パラメータを算出する。モアレ画像の位相の周期はマーカの輝度の周期よりも拡大するため、この段階における画像の補正は1画素未満の微小な精度(サブピクセル精度)でなされる。第2画像補正部148は、算出した座標変換パラメータを用いて座標変換により補正された画像を示す第2補正画像データを第2変位量演算部150に出力する。第2補正画像データには、補正された測定フレームの他、補正されなかった基準フレームの画像が含まれてもよい。本願では、第2画像補正部148が実行する画像の補正を「微小補正」、その補正の精度を「サブピクセル精度」と呼ぶことがある。第2画像補正部148は、座標変換において第1画像補正部144と同じ手法を用いることができる。 The second image corrector 148 identifies the marker region of each marker from the image for each frame indicated by the first corrected image data input from the first displacement amount calculator 146 . The second image correction unit 148 generates a moire image for each of the identified reference markers. The second image correction unit 148 can use the same technique as the first displacement amount calculation unit 146 in generating the moiré image. The second image correction unit 148 calculates the phase distribution of the moiré image generated for the predetermined frequency for each frame. As with the first image correction unit 144, the second image correction unit 148 corrects the image shown in the first corrected image data by coordinate transformation so that the difference in the position of the reference marker is compensated for between frames. Calculate the coordinate transformation parameters of Since the period of the phase of the moire image expands more than the period of the brightness of the markers, the image correction at this stage is done with fine precision of less than one pixel (sub-pixel precision). The second image corrector 148 outputs to the second displacement amount calculator 150 second corrected image data representing an image corrected by coordinate transformation using the calculated coordinate transformation parameters. The second corrected image data may include an uncorrected reference frame image in addition to the corrected measurement frame. In the present application, the image correction performed by the second image correction unit 148 may be called "micro correction", and the precision of the correction may be called "sub-pixel precision". The second image correction unit 148 can use the same technique as the first image correction unit 144 in coordinate transformation.

第2変位量演算部150は、第2画像補正部148から入力される第2補正画像データが示す各フレームの画像に基づき、第1変位量演算部146と同様にサンプリングモアレ法を用いてフレーム間の測定マーカの変位量を第2変位量として算出する。第2変位量演算部150は、定めた第2変位量を示す第2変位量データを変位量出力部152に出力する。よって、第2変位量演算部150では、サブピクセル精度で補正された画像を用いて第2補正量として微小な変位量の補正量が求まる。 Based on the image of each frame indicated by the second corrected image data input from the second image correction unit 148, the second displacement amount calculation unit 150 uses the sampling moire method similarly to the first displacement amount calculation unit 146 to correct the frame. A displacement amount of the measurement marker between is calculated as a second displacement amount. The second displacement amount calculation section 150 outputs second displacement amount data indicating the determined second displacement amount to the displacement amount output section 152 . Therefore, in the second displacement amount calculation unit 150, a minute displacement amount correction amount is obtained as the second correction amount using the image corrected with sub-pixel precision.

変位量出力部152は、第1変位量演算部146から入力される第1変位量データに示される各測定マーカの第1変位量、または、第2変位量演算部150から入力される第2変位量データに示される各測定マーカ第2変位量のいずれかを、測定マーカの最終の変位量として選択する。変位量出力部152は、選択した変位量の情報を表示部16に出力する。変位量出力部152には、第1変位量と第2変位量のいずれを選択するかを予め設定しておいてもよいし、入力デバイスから入力される入力信号に従って第1変位量と第2変位量のいずれを選択してもよい。 The displacement amount output unit 152 outputs the first displacement amount of each measurement marker indicated by the first displacement amount data input from the first displacement amount calculation unit 146 or the second displacement amount input from the second displacement amount calculation unit 150 . Any one of the second displacement amounts of each measurement marker indicated by the displacement amount data is selected as the final displacement amount of the measurement marker. The displacement amount output unit 152 outputs information on the selected displacement amount to the display unit 16 . Either the first displacement amount or the second displacement amount may be set in advance in the displacement amount output unit 152, or the first displacement amount and the second displacement amount may be selected in accordance with an input signal input from an input device. Any amount of displacement may be selected.

表示部16は、演算処理部14から入力される測定マーカの変位量を示す情報を表示する。表示部16は、変位をいかなる態様で表示してもよい。表示部16は、例えば、変位を数値で表してもよいし、その大きさの変化を図示してもよい。表示部16は、例えば、液晶ディスプレイ、文字盤、などのいずれを備えてもよい。 The display unit 16 displays information indicating the amount of displacement of the measurement marker input from the arithmetic processing unit 14 . The display unit 16 may display the displacement in any manner. The display unit 16 may, for example, represent the displacement numerically, or may graphically show the change in magnitude. The display unit 16 may include, for example, a liquid crystal display, a dial, or the like.

撮像部20は、撮像方向を中心とする所定の視野内の被写体を表す画像を撮像する。撮像部20は、図1、図2に例示されるように、複数の基準マーカと少なくとも1個の測定マーカが設置された被写体が視野に含まれる位置および向きに設置されればよい。本実施形態では、撮像部20の位置は固定されていなくてもよい。図1、図2に例示されるように、ドローンなどの移動体に設置または支持されてもよい。移動体は、ドローンに限らず、ロボット、台車、車両、船舶、生物(例えば、人間による手持ち撮影)などであってもよい。撮像部20は、必ずしも撮像を主機能としない機器、例えば、多機能携帯電話機(スマートフォン)、顕微鏡、などに備わるものであってもよい。 The imaging unit 20 captures an image representing a subject within a predetermined field of view centered on the imaging direction. As illustrated in FIGS. 1 and 2, the imaging unit 20 may be installed at a position and in an orientation in which a subject on which a plurality of reference markers and at least one measurement marker are installed is included in the field of view. In this embodiment, the position of the imaging unit 20 does not have to be fixed. As illustrated in FIGS. 1 and 2, it may be installed or supported by a moving object such as a drone. The mobile object is not limited to a drone, and may be a robot, a trolley, a vehicle, a ship, a living thing (for example, hand-held photographing by a person), or the like. The imaging unit 20 may be provided in a device whose main function is not necessarily imaging, such as a multifunction mobile phone (smartphone), a microscope, or the like.

撮像部20は、所定時間(例えば、1/960~1/15秒)ごとに1フレームの画像を逐次に撮像するデジタルビデオカメラである。通常のデジタルビデオカメラは、二次元の撮像面内に画素が配列され、二次元画像を撮像することができる。逐次に撮像された複数の静止画像は、動画像を構成する。撮像部20は、撮像した画像を示す画像データを変位測定装置10に無線または有線で出力する出力データインタフェースを備える。 The image capturing unit 20 is a digital video camera that sequentially captures one frame image every predetermined time (eg, 1/960 to 1/15 second). A typical digital video camera has pixels arranged in a two-dimensional imaging plane and can capture a two-dimensional image. A plurality of still images captured in succession form a moving image. The imaging unit 20 includes an output data interface that outputs image data representing a captured image to the displacement measuring device 10 wirelessly or by wire.

次に、基準マーカの位置に基づく変位測定処理の例について図4-図6を用いて説明する。但し、2個の基準マーカと1個以上の測定マーカが用いられ(図1、図2参照)。基準時刻(基準フレーム)において、測定マーカを2個の基準マーカを端点とする直線上に配置させておく。但し、座標変換において、アフィン変換を用いる場合を例にする。 Next, an example of displacement measurement processing based on the position of the reference marker will be described with reference to FIGS. 4 to 6. FIG. However, two reference markers and one or more measurement markers are used (see FIGS. 1 and 2). At the reference time (reference frame), the measurement markers are arranged on a straight line with two reference markers as endpoints. However, the case of using affine transformation in the coordinate transformation will be taken as an example.

(アフィン変換)
図4は、本実施形態に係る変位測定処理の第1例を示すフローチャートである。図4に例示される処理を実行する際、演算処理部14は変位量の基準とする基準フレームを定める。基準フレームの画像として、例えば、変位前の測定対象物を表す画像が用いられる。典型的には、観測当初の画像を基準フレームと定めておき、それ以降に撮像されたフレームが測定フレームとして補正対象となる。
(affine transformation)
FIG. 4 is a flowchart showing a first example of displacement measurement processing according to this embodiment. When executing the processing illustrated in FIG. 4, the arithmetic processing unit 14 determines a reference frame as a reference for the amount of displacement. As the image of the reference frame, for example, an image representing the object to be measured before being displaced is used. Typically, an image at the beginning of observation is set as a reference frame, and frames captured after that are set as measurement frames to be corrected.

(ステップS102)マーカ検出部142は、撮像部20から入力される画像データに示されるフレームごとにマーカを検出する。マーカ検出部142は、検出したマーカごとの重心の座標を中心座標として定める。
(ステップS104)第1画像補正部144は、基準フレームにおける2個の基準マーカの配置と、基準時刻とは異なる測定フレームにおける2個の基準マーカの配置を用いて、基準フレームから測定フレームへの平行移動量(translation)、回転量(rotation)、および、縮尺率(scaling factor)を解析する。並行移動量、回転量、縮尺率は、基準フレームから測定フレームへのアフィン変換による座標変換パラメータに相当する。第1画像補正部144は、解析した平行移動量での平行移動、回転量での回転、縮尺率での倍率が補償されるように測定フレームの画像をピクセル精度で補正する(粗補正)。
(ステップS106)第1変位量演算部146は、サンプリングモアレ法を用いて、基準フレーム、測定フレームそれぞれの測定マーカのモアレ画像の位相差を解析し、解析した位相差から現実の測定マーカの変位量を第1変位量として算出する。
(Step S<b>102 ) The marker detection unit 142 detects markers for each frame shown in the image data input from the imaging unit 20 . The marker detection unit 142 determines the coordinates of the center of gravity of each detected marker as the center coordinates.
(Step S104) The first image correction unit 144 uses the arrangement of the two reference markers in the reference frame and the arrangement of the two reference markers in the measurement frame different from the reference time to convert the reference frame to the measurement frame. Analyze translation, rotation, and scaling factors. The translation amount, rotation amount, and scale ratio correspond to coordinate transformation parameters by affine transformation from the reference frame to the measurement frame. The first image correction unit 144 corrects the image of the measurement frame with pixel accuracy so that the translation by the analyzed translation amount, the rotation by the rotation amount, and the magnification by the scale factor are compensated (coarse correction).
(Step S106) The first displacement amount calculator 146 analyzes the phase difference of the moiré images of the measurement markers in the reference frame and the measurement frame using the sampling moiré method, and calculates the actual displacement of the measurement marker from the analyzed phase difference. amount is calculated as the first displacement amount.

(ステップS108)第2画像補正部148は、基準マーカごとに、基準フレームでのモアレ画像と、ピクセル精度での位置の補正後の測定フレームでのモアレ画像との位相差を解析する。第2画像補正部148は、解析した位相差に基づいて基準フレームから測定フレームへの平行移動量、回転量、および、縮尺率を解析する。第2画像補正部148は、解析した平行移動量での平行移動、回転量での回転、縮尺率での倍率が補償されるように補正後の測定フレームの画像をサブピクセル精度で再補正する(微小補正)。
(ステップS110)第2変位量演算部150は、サンプリングモアレ法を用いて、基準フレーム、測定フレームそれぞれの測定マーカのモアレ画像の位相差を解析し、解析した位相差から現実の測定マーカの変位量を第2変位量として算出する。
(ステップS112)変位量出力部152は、ステップS106で得られた第1変位量、または、ステップS110で得られた第2変位量のいずれかを最終変位量として選択する。変位量出力部152は、選択した変位量の情報を表示部16に表示させる。
(Step S108) The second image correction unit 148 analyzes, for each reference marker, the phase difference between the moiré image in the reference frame and the moiré image in the measurement frame after position correction with pixel accuracy. The second image correction unit 148 analyzes the amount of translation, the amount of rotation, and the scale ratio from the reference frame to the measurement frame based on the analyzed phase difference. The second image correction unit 148 re-corrects the image of the measurement frame after correction with sub-pixel accuracy so that the translation by the analyzed translation amount, the rotation by the rotation amount, and the magnification by the scale factor are compensated. (Minor correction).
(Step S110) The second displacement amount calculator 150 uses the sampling moire method to analyze the phase difference between the moiré images of the measurement markers in the reference frame and the measurement frame, and calculates the actual displacement of the measurement marker from the analyzed phase difference. amount is calculated as the second displacement amount.
(Step S112) The displacement amount output unit 152 selects either the first displacement amount obtained in step S106 or the second displacement amount obtained in step S110 as the final displacement amount. The displacement amount output unit 152 causes the display unit 16 to display information on the selected displacement amount.

図5(a)は、測定対象物の変形前に撮像された基準フレーム上の基準マーカMk-A、Mk-Bと測定マーカMk-Cの配置例を示す。測定マーカMk-Cの位置は、2個の基準マーカMk-A、Mk-Bの内分点に相当する。マーカ検出部142は、基準フレームの画像から基準マーカMk-A、Mk-Bと測定マーカCのそれぞれの重心A、B、Cの座標(x,y)、(x,y)、(x,y)を画素単位(ピクセル精度)で特定することができる。
図5(b)は、測定対象物の変形後に撮像された測定フレーム上の基準マーカMk-A、Mk-Bと測定マーカMk-Cの配置例を示す。マーカ検出部142は、測定フレームの画像から基準マーカMk-A、Mk-Bと測定マーカCのそれぞれの重心A’、B’、C’の座標(x’,y’)、(x’,y’)、(x’,y’)を画素単位(ピクセル精度)で特定することができる。
FIG. 5(a) shows an arrangement example of the reference markers Mk-A and Mk-B and the measurement marker Mk-C on the reference frame imaged before deformation of the object to be measured. The position of the measurement marker Mk-C corresponds to the internal dividing point of the two reference markers Mk-A and Mk-B. The marker detection unit 142 detects the coordinates (x A , y A ) and (x B , y B ) of the centers of gravity A, B, and C of the reference markers Mk- A , Mk-B and the measurement marker C from the image of the reference frame. , (x C , y C ) can be specified in pixels (pixel precision).
FIG. 5(b) shows an arrangement example of the reference markers Mk-A, Mk-B and the measurement marker Mk-C on the measurement frame imaged after the deformation of the measurement object. The marker detection unit 142 detects the coordinates (x A ', y A '), (x A '), (x B ', y B '), (x C ', y C ') can be specified in pixel units (pixel accuracy).

フレーム間の基準マーカMk-A、Mk-Bの位置の変動の因子には、平行移動、縮尺(大きさの変化、倍率のずれ)および回転が含まれる。
第1画像補正部144は、いずれか1個の基準マーカのフレーム間の変位、例えば、重心Aから重心A’への変位(x’-x,y’-y)を基準マーカMk-Aの平行移動量(Δx,Δy)として算出することができる。
第1画像補正部144は、基準フレームにおける2個の基準マーカMk-A、Mk-B間の距離rから測定フレームにおける2個の基準マーカA、Mk-Bの距離r’への倍率r’/rを縮尺率Δs(倍率のずれ、図6(b)参照)として算出することができる。距離rは、√(x-x+(y-y、距離r’は、√(x’-x’)+(y’-y’)となる。
Factors that vary the positions of the fiducial markers Mk-A and Mk-B between frames include translation, scale (change in size, shift in magnification) and rotation.
The first image correction unit 144 calculates the displacement of any one reference marker between frames, for example, the displacement from the center of gravity A to the center of gravity A' (x A '-x A , y A '-y A ) as a reference marker. It can be calculated as the translation amount (Δx, Δy) of Mk−A.
The first image correction unit 144 calculates a magnification r' from the distance r between the two reference markers Mk-A and Mk-B in the reference frame to the distance r' between the two reference markers A and Mk-B in the measurement frame. /r can be calculated as a scale factor Δs (magnification deviation, see FIG. 6B). Distance r is √(x B −x A ) 2 +(y B −y A ) 2 , distance r′ is √(x B '−x A ') 2 +(y B '−y A ') 2 becomes.

第1画像補正部144は、基準フレームにおける重心A、Bを通る直線ABと、測定フレームにおける重心A’、B’を通る直線A’B’とのなす角を回転量Δθ(回転のずれ、図6(a)参照)として算出することができる。回転量Δθは、重心Aから重心BへのベクトルABと、重心A’から重心B’へのベクトルA’B’の内積を、ベクトルAB、A’B’のそれぞれの絶対値で正規化して得られる余弦値(cos)に対する逆余弦関数値(arccos)を回転量Δθとして算出することができる。図6(c)は、回転のずれと倍率のずれが重畳する状況を示す。一般には、回転のずれ、倍率のずれの他、平行移動も含まれうる。 The first image correction unit 144 calculates the angle formed by the straight line AB passing through the centers of gravity A and B in the reference frame and the straight line A'B' passing through the centers of gravity A' and B' in the measurement frame as a rotation amount Δθ (rotation deviation, (see FIG. 6(a)). The rotation amount Δθ is obtained by normalizing the inner product of the vector AB from the center of gravity A to the center of gravity B and the vector A'B' from the center of gravity A' to the center of gravity B' by the absolute values of the vectors AB and A'B'. An inverse cosine function value (arccos) for the obtained cosine value (cos) can be calculated as the amount of rotation Δθ. FIG. 6(c) shows a situation in which a rotational shift and a magnification shift are superimposed. In general, translational shifts may be included as well as rotational shifts and magnification shifts.

算出した縮尺率、回転量、および、平行移動量は、基準フレーム上の任意の位置を測定フレーム上に変換するための座標変換パラメータに相当する。第1画像補正部144は、算出した縮尺率、回転量、および、平行移動量を用いて、基準フレームと測定フレームとの間で基準マーカの位置を一致させる座標変換を用いて、測定フレーム上の測定マーカの位置を補正することができる。 The calculated scale ratio, rotation amount, and translation amount correspond to coordinate transformation parameters for transforming an arbitrary position on the reference frame onto the measurement frame. The first image correction unit 144 uses the calculated scale ratio, amount of rotation, and amount of translation to convert the position of the reference marker between the reference frame and the measurement frame to match the position of the reference marker on the measurement frame. can be corrected for the positions of the measurement markers.

(AB補正)
なお、測定マーカの位置は、より簡素な手法を用いて実現することもできる。次に説明する手法は、AB補正(Absolute Blurring Compensation)とも呼ばれる。第1画像補正部144は、陽に縮尺率、回転量、および、平行移動量を計算せずに、測定フレームの測定マーカの位置を、その測定フレームの2個の基準マーカの位置を用いて補正することができる。
(AB correction)
It should be noted that the position of the measurement markers can also be achieved using simpler techniques. The method described below is also called AB correction (Absolute Blurring Compensation). The first image corrector 144 uses the positions of the two reference markers of the measurement frame to determine the positions of the measurement markers in the measurement frame without explicitly calculating the scale, rotation, and translation. can be corrected.

AB補正では、基準フレームにおいて測定マーカMk-Cの重心Cを2個の基準マーカMk-A、Mk-Bの重心A、B間を通る直線上に設置しておき、第1画像補正部144は、基準マーカMk-A、Mk-Bそれぞれのフレーム間の変位(x’-x,y’-y)、(x’-x,y’-y)の加重平均値を、測定マーカMk-Cの重心(x’,y’)に対する補正量として定める。但し、測定マーカMk-Cの重心Cが2個の基準マーカMk-A、Mk-Bの重心A、Bの内分点となる場合には、変位(x’-x,y’-y)、(x’-x,y’-y)に対する重み係数として重心A、Bのそれぞれから重心Cまでの内分比の逆数を用いることができる。例えば、重心A、C間の距離、重心C、B間の距離を、それぞれL、Lとすると、第1画像補正部144は、測定フレームにおける測定マーカMk-Cのy方向の補正後の座標値y を、式(1)に従って算出することができる。同様に、第1画像補正部144は、測定フレームにおける測定マーカMk-Cのx方向の補正後の座標値x を、式(2)に従って算出することができる。 In the AB correction, the center of gravity C of the measurement marker Mk-C is placed on a straight line passing between the centers of gravity A and B of the two reference markers Mk-A and Mk-B in the reference frame, and the first image correction unit 144 are the weights of the inter-frame displacements (x A '-x A , y A '-y A ) and (x B '-x B , y B '-y B ) of the reference markers Mk-A and Mk-B, respectively The average value is determined as the correction amount for the center of gravity (x C ', y C ') of the measurement marker Mk-C. However, when the center of gravity C of the measurement marker Mk-C is the point that internally divides the center of gravity A and B of the two reference markers Mk-A and Mk-B, the displacement (x A '-x A , y A ' -y A ), (x B '-x B , y B '-y B ), the reciprocal of the internal ratio from each of the centers of gravity A and B to the center of gravity C can be used. For example, if the distance between the centers of gravity A and C and the distance between the centers of gravity C and B are L A and L B , respectively, the first image correction unit 144 corrects the measurement marker Mk-C in the measurement frame in the y direction. can be calculated according to equation (1). Similarly, the first image correction unit 144 can calculate the corrected coordinate value x C * in the x direction of the measurement marker Mk-C in the measurement frame according to Equation (2).

Figure 2023082603000002
Figure 2023082603000002

Figure 2023082603000003
Figure 2023082603000003

特に、測定マーカMk-Cの重心Cが2個の基準マーカMk-A、Mk-Bの重心A、Bの中点となる場合には、第1画像補正部144は、基準マーカMk-A、Mk-Bそれぞれの測定フレームにおける重心の座標値の(x’,y’)、(x’,y’)の単純平均値を補正値として、測定マーカMk-Cの重心の座標値(x’,y’)から差し引いて補正することができる。 In particular, when the center of gravity C of the measurement marker Mk-C is the middle point of the centers of gravity A and B of the two reference markers Mk-A and Mk-B, the first image correction unit 144 sets the reference marker Mk-A , Mk-B, the coordinates of the center of gravity of the measurement frame (x A ', y A '), (x B ', y B ') are used as correction values, and the center of gravity of the measurement marker Mk-C It can be corrected by subtracting from the coordinate values (x C ', y C ').

測定フレームは、基準フレームの画像が重心Cを基点として面内変形して形成されると捉えることもできる。その場合、回転、倍率(縮尺)、レンズ収差が重心Cに対して点対称に表れる。重心A、Bが水平方向(x方向)にある場合、回転により重心A、Bは、それぞれy方向、-y方向に変位し、縮尺の変化により重心A、Bは、-x方向、+x方向に変位する。そのため、重心Cが重心A、Bの内分点である場合には、重心A、Bのそれぞれまでの距離の逆数に応じた加重平均により、重心A、Bのそれぞれに生じた変位が相殺(キャンセル)される。また、平行移動によれば、重心A、B、Cは、全て同じ方向に同じ変位量で変位するので、重心A、Bの内分点の座標を重心Cの座標から差し引く補正により平行移動による変位が相殺される。 The measurement frame can also be regarded as being formed by in-plane deformation of the image of the reference frame with the center of gravity C as a base point. In that case, rotation, magnification (scale), and lens aberration appear point-symmetrically with respect to the center of gravity C. When the centers of gravity A and B are in the horizontal direction (x direction), the centers of gravity A and B are displaced in the y direction and -y direction by rotation, and the changes in scale cause the centers of gravity A and B to move in the -x direction and +x direction. is displaced to Therefore, when the center of gravity C is the point that internally divides the centers of gravity A and B, the weighted average corresponding to the reciprocal of the distance to each of the centers of gravity A and B cancels out the displacements occurring in each of the centers of gravity A and B ( canceled). Further, according to the parallel movement, the centers of gravity A, B, and C are all displaced in the same direction by the same amount of displacement. Displacement is canceled.

なお、測定マーカMk-Cの重心Cが2個の基準マーカMk-A、Mk-Bの重心A、Bの外分点となる場合には、変位(x’-x,y’-y)、(x’-x,y’-y)に対する重み係数として重心A、Bのそれぞれから外分点までの外分比の逆数を用いることができる。この場合も、平行移動、回転、および、縮尺の変化が簡素な演算により補償される。但し、レンズの収差による誤差が相殺されないため、測定マーカMk-Cの重心Cが2個の基準マーカMk-A、Mk-Bの重心A、Bの内分点になる場合よりも精度が低くなる。 Note that when the center of gravity C of the measurement marker Mk-C is the external dividing point of the centers of gravity A and B of the two reference markers Mk-A and Mk-B, the displacement (x A '-x A , y A ' −y A ), (x B ′−x B , y B′ −y B ), the reciprocal of the external division ratio from each of the centers of gravity A and B to the external division point can be used. Again, translation, rotation and scale changes are compensated for by simple arithmetic. However, since the error due to the aberration of the lens is not canceled, the accuracy is lower than when the center of gravity C of the measurement marker Mk-C becomes the internally dividing point of the center of gravity A and B of the two reference markers Mk-A and Mk-B. Become.

なお、サンプリングモアレ法では、測定マーカに表された模様の半周期よりも大きい変位量を測定することができない。サンプリングモアレ法では、その模様から生成されたモアレの位相差を用いるため、模様の周期の整数倍の差をなす変位量同士を区別できないためである。本手法ではフレーム間の変位がピクセル精度で補正され、測定マーカMk-Cの補正後の測定フレームにおける重心の位置C’と基準フレームにおける重心の位置Cとの変位に基づいて、測定マーカMk-Cのフレーム間の変位を測定マーカMk-Cの模様のピッチの半周期以内に収めることができる。よって、第1変位量演算部146は、サンプリングモアレ法を用いて、補正後のフレーム間の測定マーカMk-Cの現実の変位量を第1変位量としてピクセル精度で測定することができる。 Note that the sampling moire method cannot measure a displacement amount larger than the half period of the pattern represented by the measurement marker. This is because the sampling moiré method uses the phase difference of the moiré generated from the pattern, and therefore cannot distinguish between displacement amounts that differ by an integer multiple of the period of the pattern. In this method, the displacement between frames is corrected with pixel accuracy, and based on the displacement between the position C' of the center of gravity in the corrected measurement frame of the measurement marker Mk-C and the position C of the center of gravity in the reference frame, the measurement marker Mk- The frame-to-frame displacement of C can be contained within half a period of the pattern pitch of the measurement marker Mk-C. Therefore, the first displacement amount calculator 146 can measure the actual displacement amount of the measurement marker Mk-C between frames after correction with pixel accuracy as the first displacement amount using the sampling moire method.

また、第2画像補正部148は、ピクセル精度で補正された測定フレームにおける基準フレームの位置に対してAB補正を用いて、サブピクセル精度で測定フレームにおける測定フレームの位置を補正することができる。サブピクセル精度での補正を行う際、第2画像補正部148は、測定フレームにおいてマーカごとにモアレ画像を生成し、生成したモアレ画像の位相分布を定める。第2画像補正部148は、測定フレームにおける基準マーカごとの位相分布を生成する。第2画像補正部148は、基準マーカごとの位相分布を加重平均して得られる位相分布を測定マーカの補正量として算出する。他方、第2画像補正部148は、測定フレームの測定マーカにおける位相分布から補正量を差し引いて補正後の位相分布を生成する。第2変位量演算部150は、サンプリングモアレ法を用いて、測定フレームの測定マーカにおける補正後の位相分布から基準フレームの測定マーカにおける位相分布との位相差に基づいて、第2変位量をサブピクセル精度で測定することができる。 In addition, the second image correction unit 148 can correct the position of the measurement frame in the measurement frame with sub-pixel precision using AB correction for the position of the reference frame in the measurement frame corrected with pixel precision. When performing correction with sub-pixel accuracy, the second image correction unit 148 generates a moire image for each marker in the measurement frame and determines the phase distribution of the generated moire image. The second image corrector 148 generates a phase distribution for each reference marker in the measurement frame. The second image correction unit 148 calculates the phase distribution obtained by weighted averaging the phase distribution for each reference marker as the correction amount of the measurement marker. On the other hand, the second image correction unit 148 generates a phase distribution after correction by subtracting the correction amount from the phase distribution in the measurement markers of the measurement frame. The second displacement amount calculation unit 150 uses the sampling moire method to sub-calculate the second displacement amount based on the phase difference between the corrected phase distribution of the measurement markers of the measurement frame and the phase distribution of the measurement markers of the reference frame. It can be measured with pixel precision.

次に、AB補正を用いた変位測定処理の例について図7を用いて説明する。図7は、本実施形態に係る変位測定処理の第2例として、AB補正を用いた手法を示すフローチャートである。図7に例示される処理を実行する際も、図4の例と同様に、演算処理部14は、変位量の基準とする基準フレームを設定し、それ以外のフレームを測定フレームとして補正対象とする。但し、基準フレームにおいて、測定マーカの中心座標を2個の基準マーカの中心座標を通る直線上、つまり、内分点または外分点となるように、これらの測定マーカと基準マーカを設置しておく。 Next, an example of displacement measurement processing using AB correction will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a flowchart showing a method using AB correction as a second example of displacement measurement processing according to the present embodiment. When executing the process illustrated in FIG. 7, similarly to the example of FIG. 4, the arithmetic processing unit 14 sets a reference frame as a reference for the amount of displacement, and sets other frames as measurement frames to be corrected. do. However, in the reference frame, the measurement marker and the reference marker are placed so that the center coordinates of the measurement marker are on a straight line passing through the center coordinates of the two reference markers; back.

(ステップS152)マーカ検出部142は、撮像部20から入力される画像データに示されるフレームごとにマーカを検出する。マーカ検出部142は、検出したマーカごとの重心の座標を中心座標として定める。
(ステップS154)第1画像補正部144は、各基準マーカの中心座標の基準フレームと測定フレームにおけるフレーム間変位を算出する。第1画像補正部144は、式(1)、(2)に従って、測定フレームにおける測定マーカの中心座標を、各基準マーカの中心座標のフレーム間変位の加重平均値に基づいて補正する。これにより、測定マーカの位置がピクセル精度で補正される(粗補正)。
(ステップS156)第1変位量演算部146は、サンプリングモアレ法を用い、基準フレームの測定マーカと、位置を補正した測定フレームの測定マーカのそれぞれのモアレ画像の位相差を解析し、解析した位相差から現実の測定マーカの変位量を第1変位量として算出する。
(Step S<b>152 ) The marker detection section 142 detects a marker for each frame shown in the image data input from the imaging section 20 . The marker detection unit 142 determines the coordinates of the center of gravity of each detected marker as the center coordinates.
(Step S154) The first image correction unit 144 calculates the inter-frame displacement of the center coordinates of each reference marker between the reference frame and the measurement frame. The first image correction unit 144 corrects the center coordinates of the measurement markers in the measurement frame according to formulas (1) and (2) based on the weighted average value of inter-frame displacements of the center coordinates of each reference marker. This corrects the position of the measurement marker with pixel accuracy (coarse correction).
(Step S156) The first displacement amount calculator 146 uses the sampling moire method to analyze the phase difference between the moiré images of the measurement marker of the reference frame and the measurement marker of the position-corrected measurement frame, and A displacement amount of the actual measurement marker is calculated as a first displacement amount from the phase difference.

(ステップS158)第2画像補正部148は、各基準マーカについて、基準フレームでのモアレ画像と、ピクセル精度での位置の補正後の測定フレームでのモアレ画像との位相差を解析する。解析された位相差は、サブピクセル精度のフレーム間変位に対応する。第2画像補正部148は、式(1)、(2)に従って、測定フレームにおけるピクセル精度での補正後の測定マーカの中心座標を、各基準マーカの中心座標のサブピクセル精度でのフレーム間変位の加重平均値に基づいて補正する。これにより、測定マーカの位置がサブピクセル精度で補正される(微小補正)。
(ステップS160)第2変位量演算部150は、サンプリングモアレ法を用いて、基準フレームの測定マーカのモアレ画像と、サブピクセル精度で位置が補正された測定フレームの測定マーカのモアレ画像との位相差を解析し、解析した位相差から現実の測定マーカの変位量を第2変位量として算出する。
(ステップS162)ステップS156で得られた第1変位量、または、ステップS160で得られた第2変位量のいずれかを選択する。変位量出力部152は、選択した変位量の情報を表示部16に表示させる。
(Step S158) For each reference marker, the second image correction unit 148 analyzes the phase difference between the moiré image in the reference frame and the moiré image in the measurement frame after position correction with pixel precision. The analyzed phase difference corresponds to frame-to-frame displacement with sub-pixel accuracy. The second image correction unit 148 converts the center coordinates of the measurement markers after correction with pixel accuracy in the measurement frame to the inter-frame displacement of the center coordinates of each reference marker with sub-pixel accuracy according to equations (1) and (2). is corrected based on the weighted average of This corrects the position of the measurement marker with sub-pixel precision (fine correction).
(Step S160) The second displacement amount calculator 150 uses the sampling moire method to determine the positions of the moire images of the measurement markers in the reference frame and the moire images of the measurement markers in the measurement frame whose positions are corrected with sub-pixel precision. The phase difference is analyzed, and the actual displacement amount of the measurement marker is calculated as the second displacement amount from the analyzed phase difference.
(Step S162) Either the first displacement amount obtained in step S156 or the second displacement amount obtained in step S160 is selected. The displacement amount output unit 152 causes the display unit 16 to display information on the selected displacement amount.

(シミュレーション)
次に、本実施形態に係る変位測定装置10に対して実施したシミュレーションについて説明する。シミュレーションでは、既知の変位量を用いて測定を検証する。
第1のシミュレーションでは、変位前の基準フレームの画像として図8(a)に例示する画像aと、変位後の測定フレームの画像として図8(b)に例示する画像bを用いた。そして、画像bの測定マーカの座標を補正し、画像c(図8(c))における補正後の測定マーカの座標を演算した。画像cは、基準マーカの位置が画像aのものと一致するように画像b内の座標を座標変換して得られる。画像a-cの大きさは、それぞれ4000画素×1600画素である。
(simulation)
Next, a simulation performed on the displacement measuring device 10 according to this embodiment will be described. The simulation verifies the measurements using known displacements.
In the first simulation, image a illustrated in FIG. 8A was used as the image of the reference frame before displacement, and image b illustrated in FIG. 8B was used as the image of the measurement frame after displacement. Then, the coordinates of the measurement markers in image b were corrected, and the coordinates of the measurement markers after correction in image c (FIG. 8(c)) were calculated. Image c is obtained by transforming the coordinates in image b so that the positions of the reference markers match those of image a. The size of images ac is 4000 pixels×1600 pixels, respectively.

画像aは、7個のマーカA-Gが設置された橋梁の正面を模して合成された画像である。マーカA-Gの中心座標(X,Y)は、それぞれ次の通りである。
A(400,360)、D(1200,960)、C(2000,360)、E(2800,360)、B(3600,360)、F(400,960)、G(3600,960)
マーカA-Gには、それぞれ水平方向および垂直方向に一定のピッチPで輝度が6周期分変動してなる格子模様が表される。各マーカの座標(i,j)における輝度値をBias+Amp(cos(2π(i/P+X)+cos(2π(j/P+Y))とした。但し、ピッチPを20画素、バイアス値Biasを128、振幅Ampを50とした。
マーカA-Gのうち、マーカA、Bを基準マーカとして用い、マーカC-Eを測定マーカとして用いた。マーカC-Eの位置は、それぞれマーカA、Bを通る直線の内分点に相当する。マーカCの位置は、マーカA、Bの中点に相当する。
Image a is a synthesized image simulating the front of a bridge on which seven markers A to G are installed. Center coordinates (X, Y) of markers AG are as follows.
A(400,360), D(1200,960), C(2000,360), E(2800,360), B(3600,360), F(400,960), G(3600,960)
Markers A to G represent lattice patterns in which the luminance fluctuates for six periods at a constant pitch P in the horizontal and vertical directions. The luminance value at the coordinates (i, j) of each marker is set to Bias+Amp(cos(2π(i/P+X)+cos(2π(j/P+Y))), where the pitch P is 20 pixels, The bias value Bias was set to 128, and the amplitude Amp was set to 50.
Among markers AG, markers A and B were used as reference markers, and markers C to E were used as measurement markers. The positions of markers C to E correspond to internal dividing points of straight lines passing through markers A and B, respectively. The position of marker C corresponds to the midpoint of markers A and B. FIG.

画像bは、画像aに表されたマーカC-Eに、それぞれ既知の変位を与え、変位を与えて得られる画像をアフィン変換して平行移動、縮尺、回転を加えて合成した。マーカC-Eに与えた変位は、それぞれ次の通りである。
D(0.025,-0.05)、C(0,-0.1)、E(0,-0.01)
平行移動量Δx、Δyを、それぞれ6.6画素、13.2画素とした。回転角Δθを2.2°とした。
Image b is synthesized by giving known displacements to the markers C to E represented in image a, applying affine transformation to the images obtained by giving the displacements, and adding translation, scale, and rotation. The displacements given to the markers CE are as follows.
D (0.025, -0.05), C (0, -0.1), E (0, -0.01)
The parallel displacement amounts Δx and Δy are set to 6.6 pixels and 13.2 pixels, respectively. The rotation angle Δθ was set to 2.2°.

比較のため、アフィン変換前に既知の変位を加えて得られる画像b’を変形後の測定フレームの画像として、サンプリングモアレ法を用いて、マーカC-Eの変位を算出した。ここで、マーカに表された模様の現実のピッチpを100mm、間引きの周期Tを20画素とした。二次元の格子模様からx方向の模様の成分とy方向の模様の成分を分離するため、フィルタサイズが43画素、遮断周波数が0.1の低域フィルタを適用した。変位量の平均化領域の大きさを30画素×30画素とした。その結果、マーカD、C、Eのy方向の変形前後の変位量は、それぞれ5.0、10.0、1.021mmとなった。 For comparison, the image b' obtained by applying a known displacement before the affine transformation was used as the image of the measurement frame after deformation, and the sampling moire method was used to calculate the displacement of the markers CE. Here, the actual pitch p of the pattern represented by the markers is 100 mm, and the thinning period T is 20 pixels. A low-pass filter with a filter size of 43 pixels and a cutoff frequency of 0.1 was applied to separate the pattern component in the x direction and the pattern component in the y direction from the two-dimensional lattice pattern. The size of the area for averaging the amount of displacement was set to 30 pixels×30 pixels. As a result, the amounts of displacement of the markers D, C, and E before and after deformation in the y direction were 5.0, 10.0, and 1.021 mm, respectively.

第2のシミュレーションでは、次のアプローチでマーカD、C、Eのy方向の変位を定めた。特に断らない限り、画像の補正方法としてAB補正を用いた。
(1)粗補正を行って得られた画像cにおけるマーカD、C、Eの座標値(ピクセル精度)を、マーカA、Bの座標値と内分比に基づいて補正し、サンプリングモアレ法を用いてy方向の変位を定めた。その結果、マーカD、C、Eのy方向の変形前後の変位量は、それぞれ5.007、9.992、1.020mmとなった。
(2)粗補正と微小補正を行って得られた画像cにおけるマーカD、C、Eの座標値(サブピクセル精度)を用いて、サンプリングモアレ法を用いてy方向の変位を定めた。その結果、マーカD、C、Eのy方向の変形前後の変位量は、それぞれ5.064、10.034、1.071mmとなった。
(3)粗補正と微小補正を行って得られた画像cにおけるマーカD、C、Eの座標値を、マーカA、Bの座標値と内分比に基づいて補正し、サンプリングモアレ法を用いてy方向の変位を定めた。その結果、マーカD、C、Eのy方向の変形前後の変位量は、それぞれ5.019、9.988、1.024mmとなった。
In a second simulation, the following approach was taken to define the y-direction displacement of the markers D, C, E. AB correction was used as the image correction method unless otherwise specified.
(1) Correct the coordinate values (pixel accuracy) of markers D, C, and E in image c obtained by performing rough correction based on the coordinate values of markers A and B and the internal division ratio, and perform the sampling moiré method. was used to define the displacement in the y-direction. As a result, the displacement amounts of the markers D, C, and E before and after deformation in the y direction were 5.007, 9.992, and 1.020 mm, respectively.
(2) Using the coordinate values (sub-pixel precision) of the markers D, C, and E in the image c obtained by performing coarse correction and fine correction, the displacement in the y direction was determined using the sampling moire method. As a result, the displacement amounts of the markers D, C, and E before and after deformation in the y direction were 5.064, 10.034, and 1.071 mm, respectively.
(3) Correct the coordinate values of the markers D, C, and E in the image c obtained by performing the coarse correction and the fine correction based on the coordinate values of the markers A and B and the internal division ratio, and use the sampling moire method. determined the displacement in the y direction. As a result, the amounts of displacement of markers D, C, and E before and after deformation in the y direction were 5.019, 9.988, and 1.024 mm, respectively.

(1)、(2)を比較すると、(2)よりも(1)の方が得られた変位量の誤差が少ない。サンプリングモアレ法を用いて高い精度で変位量が得られたとしても、アフィン変換で模擬された撮像方向に対する補正の精度が必ずしも高くないことを示す。(1)、(3)を比較すると、(1)の方が、(3)よりもわずかに誤差が少なくなる。但し、変位量の誤差は、(1)、(2)の間で同程度であり有意差は生じない。 Comparing (1) and (2), the error in the displacement amount obtained in (1) is smaller than in (2). Even if the displacement amount is obtained with high accuracy using the sampling moire method, the accuracy of correction for the imaging direction simulated by the affine transformation is not necessarily high. Comparing (1) and (3), (1) has a slightly smaller error than (3). However, the error in the amount of displacement is about the same between (1) and (2), and there is no significant difference.

第3のシミュレーションでは、変位後の測定フレームごとに次のケース(i)-(v)を仮定してマーカC-Eにおける変位量を算出した。ケースごとの期間を、20フレームとした。
(i)撮像部20の位置が静止している場合(静止、変換なし)、(ii)x方向(水平方向)に平行している場合(Δx)、(iii)y方向に平行移動している場合(Δy)、(iv)回転している場合(Δθ)、(v)倍率が変動する場合(Δs)
In the third simulation, the amount of displacement at markers CE was calculated assuming the following cases (i)-(v) for each measurement frame after displacement. The period for each case was 20 frames.
(i) when the position of the imaging unit 20 is stationary (still, no conversion), (ii) when parallel to the x direction (horizontal direction) (Δx), (iii) when translated in the y direction (Δy), (iv) rotating (Δθ), (v) changing magnification (Δs)

(i)では、カメラのショットノイズを模擬するため、図8(a)に示す基準フレームの画像に表される各マーカの輝度値にマーカの模様を表す輝度の振幅の2%に相当する振幅を有するランダムノイズを加え、測定フレームごとに位置を変動させた。 (ii)では、各マーカの座標値にランダムノイズを加算して得られる画像に加えるx方向の平行移動量の初期値を0とし、フレームごとに0.1画素ずつ増加させ、最大値1画素に達した後、フレームごとに0.1画素ずつ減少させた。
(iii)では、各マーカの座標値にランダムノイズを加算して得られる画像に加えるy方向の平行移動量の初期値を0とし、フレームごとに0.1画素ずつ増加させ、最大値1画素に達した後、フレームごとに0.1画素ずつ減少させた。
(iv)では、各マーカの座標値にランダムノイズを加算して得られる画像に加える回転量の初期値を0とし、フレームごとに0.001度ずつ増加させ、最大値0.01度に達した後、フレームごとに0.01度ずつ減少させた。回転の基準点を、画像の中心とした。
(v)では、各マーカの座標値にランダムノイズを加算して得られる画像に加える倍率の初期値を1(等倍)とし、フレームごとに0.0001倍ずつ増加させ、最大値1.001倍に達した後、フレームごとに0.001ずつ減少させた。拡大の基準点を、画像の中心とした。
In (i), in order to simulate camera shot noise, the brightness value of each marker represented in the image of the reference frame shown in FIG. Random noise with σ was added and the position was varied for each measurement frame. In (ii), the initial value of the amount of translation in the x direction added to the image obtained by adding random noise to the coordinate values of each marker is set to 0, and the amount is increased by 0.1 pixels for each frame, and the maximum value is 1 pixel. After reaching , it was decreased by 0.1 pixels per frame.
In (iii), the initial value of the amount of translation in the y direction added to the image obtained by adding random noise to the coordinate values of each marker is set to 0, and is increased by 0.1 pixels for each frame, and the maximum value is 1 pixel. After reaching , it was decreased by 0.1 pixels per frame.
In (iv), the initial value of the amount of rotation to be applied to the image obtained by adding random noise to the coordinate values of each marker is set to 0, and is increased by 0.001 degrees for each frame, reaching the maximum value of 0.01 degrees. and then decreased by 0.01 degrees every frame. The reference point for rotation was the center of the image.
In (v), the initial value of the magnification to be added to the image obtained by adding random noise to the coordinate values of each marker is 1 (same magnification), and the magnification is increased by 0.0001 times for each frame, and the maximum value is 1.001. After doubling, it was decreased by 0.001 every frame. The reference point for magnification was taken as the center of the image.

図9(a)、(b)は、各測定フレームにおけるマーカA-Cのx、y方向の変位量を示す。この変位量は、補正を行わずにサンプリングモアレ法を用いて得られた値である。但し、間引きの周期Tを20、被写体空間におけるマーカのピッチ周期pを100mm、低域フィルタの遮断周波数を0.1、モアレ画像の位相差を平均する際の平均領域の大きさを40×40画素とした。図9(a)、(b)に示すように、撮像方向の変化を模した座標変化により、有意にx、y方向の変位量が変動する。
図9(c)は、各測定フレームにおける補正後のマーカCのx方向の変位量とy方向の変位量を、それぞれ〇印、●印を用いて示す。補正は、測定フレームにおける画像上でのマーカA、Bのy座標の平均値を差し引いてなされる。その結果、(i)-(v)のいずれのケースでもx、y方向の平均値は、0.017、-0.017、標準偏差は、0.011、0.012となり、有意差が生じない。図9(c)のシミュレーション結果は、平行移動、回転または縮尺が変化するケースでも、変化しないケースと同様の計測精度が得られることを示す。
9(a) and 9(b) show the amount of displacement in the x and y directions of the markers AC in each measurement frame. This displacement amount is a value obtained using the sampling moire method without correction. However, the thinning period T is 20, the pitch period p of the marker in the object space is 100 mm, the cutoff frequency of the low-pass filter is 0.1, and the size of the average area when averaging the phase difference of the moiré image is 40×40. pixel. As shown in FIGS. 9A and 9B, the displacement amounts in the x and y directions significantly fluctuate due to coordinate changes that mimic changes in the imaging direction.
FIG. 9(c) shows the amount of displacement of the marker C in the x direction and the amount of displacement in the y direction after correction in each measurement frame using marks ◯ and ●. The correction is made by subtracting the mean value of the y-coordinates of the markers A and B on the image in the measurement frame. As a result, in all cases (i)-(v), the average values in the x and y directions were 0.017 and -0.017, and the standard deviations were 0.011 and 0.012, indicating a significant difference. do not have. The simulation results in FIG. 9(c) show that the same measurement accuracy can be obtained in the case of translation, rotation or scale change as in the case of no change.

(実験)
次に、本実施形態に係る変位測定装置10に対して実施した実験について説明する。
第1の実験は、移動するカメラから撮像された画像の位置合わせの検証を主な目的とする。第1の実験では、構造物に設置された3個のマーカMk-A~Mk-Cの画像をドローンに搭載されたカメラから一定時間間隔で撮像した。マーカMk-A~Mk-Cを、水平方向に等間隔に配列させた。図10(a)が構造物の正面に向けて撮像された画像の例である。図10(b)が、図10(a)のうち、マーカMk-A~Mk-Cが表された領域を拡大した拡大図である。実験では、マーカMk-A~Mk-Cのうち、マーカMk-Cを測定マーカとして用い、マーカMk-A、Mk-Bを基準マーカとして用いた。ドローンの飛行中において構造物に外力を与えなかった。従って、理想的には各マーカにおける変位量は0になる。
(experiment)
Next, an experiment conducted on the displacement measuring device 10 according to this embodiment will be described.
The first experiment is primarily aimed at verifying registration of images captured from a moving camera. In the first experiment, images of three markers Mk-A to Mk-C installed on a structure were taken at regular time intervals from a camera mounted on a drone. Markers Mk-A to Mk-C were arranged at regular intervals in the horizontal direction. FIG. 10(a) is an example of an image captured toward the front of the structure. FIG. 10(b) is an enlarged view of the area where the markers Mk-A to Mk-C are shown in FIG. 10(a). In the experiment, among markers Mk-A to Mk-C, marker Mk-C was used as a measurement marker, and markers Mk-A and Mk-B were used as reference markers. No external force was applied to the structure during the flight of the drone. Therefore, the amount of displacement at each marker is ideally zero.

図11は、各時刻において撮像された画像におけるマーカMk-A、Mk-C、Mk-Bそれぞれの中心点のx座標、y座標をピクセル精度で示す。図11において、各列はマーカに、各行は座標に対応している。マーカMk-A、Mk-C、Mk-Bは、現実には静止しているところ、図11に示される位置の変化は、撮像部20として用いられるカメラの位置の変化(画像ぶれ)を示す。 FIG. 11 shows the x-coordinate and y-coordinate of the center point of each of the markers Mk-A, Mk-C, and Mk-B in the image captured at each time with pixel accuracy. In FIG. 11, each column corresponds to a marker and each row corresponds to coordinates. The markers Mk-A, Mk-C, and Mk-B are actually stationary, but the change in position shown in FIG. .

図12は、観測開始から終了までの画像におけるマーカMk-A、Mk-C、Mk-Bそれぞれの重心点の軌跡を左列にピクセル精度で示し、右列にサブピクセル精度で示す。図12において、各列はマーカに対応している。ピクセル精度、サブピクセル精度のいずれについても各マーカの軌跡の形状は互いに類似している。このことは画像全体に共通の変位が有意であり、補正をしなければ局所的な変位が隠蔽される可能性を示す。また、サブピクセル精度で各マーカの位置を補正することで、滑らかな軌跡が得られる。サブピクセル精度の計測により、各マーカの変位が高い精度で得られることが期待される。 FIG. 12 shows the trajectory of the center of gravity of each of the markers Mk-A, Mk-C, and Mk-B in the image from the start to the end of observation with pixel precision in the left column, and with sub-pixel precision in the right column. In FIG. 12, each column corresponds to a marker. The shapes of the trajectories of the markers are similar to each other in both pixel precision and sub-pixel precision. This indicates that displacements common to the entire image are significant, and that local displacements can be hidden without correction. Also, by correcting the position of each marker with sub-pixel accuracy, a smooth trajectory can be obtained. It is expected that the displacement of each marker can be obtained with high precision by measuring with sub-pixel accuracy.

図13(a)、(b)、(c)、(d)は、それぞれ各時刻において撮像された測定画像から算出されたx方向の平行移動量Δx、y方向の平行移動量Δy、回転量Δθ、縮尺率Δsを示す。但し、初期(時刻t=0)のフレームを基準フレームとし、それよりも後の各時刻tにおけるフレームを測定フレームとした。平行移動量Δx、Δy、回転量Δθ、縮尺率Δsは、各時刻の測定フレームと基準フレームのそれぞれにおける基準マーカの重心点から算出される。 13A, 13B, 13C, and 13D show the amount of parallel movement Δx in the x direction, the amount of parallel movement Δy in the y direction, and the amount of rotation calculated from the measurement image captured at each time. Δθ, scale factor Δs. However, the initial (time t=0) frame was used as the reference frame, and the subsequent frames at each time t were used as the measurement frames. The translation amounts Δx and Δy, the rotation amount Δθ, and the scale ratio Δs are calculated from the center of gravity of the reference marker in each of the measurement frame and the reference frame at each time.

図14(a)、(b)は、各時刻におけるマーカMk-Aの重心点のx座標、y座標を示す。ピクセル精度で得られた値、サブピクセル精度で得られた値を、それぞれ薄い線、濃い線で表す。ピクセル精度では値が時間経過に応じて段状に変化するのに対し、サブピクセル精度では時間経過に応じて滑らかに変化する。この段状の変化は、時間変化が相対的に少ないy座標値の方において顕著である。マーカMk-Aの位置の画素単位(ピクセル精度)での量子化が、微小な変位に対する誤差に大きな影響を与えることを示す。 14(a) and (b) show the x-coordinate and y-coordinate of the center of gravity of the marker Mk-A at each time. Values obtained with pixel precision and sub-pixel precision are represented by light and dark lines, respectively. In pixel precision, values change stepwise over time, while in sub-pixel precision, values change smoothly over time. This stepwise change is more conspicuous in the y-coordinate value, which changes relatively little over time. It is shown that quantization of the position of marker Mk-A in units of pixels (pixel accuracy) has a large effect on error for small displacements.

図15は、各時刻におけるマーカMk-Cのサブピクセル精度のたわみ値を示す。例示されるたわみ値は、マーカMk-A、Mk-Bの位置を用いて補正されたマーカMk-Cのy方向の変位量に相当する。図15に示す変位量は、たわみ値の平均、標準偏差は、それぞれ0.004mm、0.048mmとなった。この結果は、構造物の正面を飛行(ホバリング)するドローンに搭載するカメラで撮像された画像を用いても、飛行による位置や向きの変動に関わらず、0.1mm以下の高い精度でたわみ値を計測できることを示す。 FIG. 15 shows the sub-pixel precision deflection values of the marker Mk-C at each time. The exemplified deflection values correspond to the y-direction displacement of marker Mk-C corrected using the positions of markers Mk-A and Mk-B. As for the amount of displacement shown in FIG. 15, the average deflection value and the standard deviation were 0.004 mm and 0.048 mm, respectively. This result shows that even when using images taken by a camera mounted on a drone flying (hovering) in front of the structure, the deflection value can be obtained with a high accuracy of 0.1 mm or less, regardless of changes in position and orientation due to flight. can be measured.

図16は、各時刻における画像ぶれ量を示す。例示される画像ぶれ量は、初期におけるマーカMk-Cの重心点の座標を基準とした、以降の各時刻におけるマーカMk-Cの重心点の座標までの変位量に相当する。図16(a)はマーカMk-Cの位置を補正せずに得られた画像ぶれ量の軌跡を示す。軌跡は、原点から開始され右方に約20画素移動し、左方に約40画素移動し、その後、原点に向けて移動する。
図16(b)はマーカMk-Cの位置をピクセル精度で補正して得られる画像ぶれ量の軌跡を示す。補正により、画像ぶれ量は原点の近傍に収束する。
図16(c)は、図16(b)の拡大図に相当する。画像ぶれ量は、x方向に±3画素程度、y方向に±1画素程度の範囲内に収まる。
図16(d)はマーカMk-Cの位置をサブピクセル精度で補正して得られる画像ぶれ量の軌跡を示す。サブピクセル精度での補正により、画像ぶれ量はピクセル精度での補正よりもさらに原点の近傍に収束する。
図16(e)、(f)は、いずれも図16(d)の拡大図に相当する。画像ぶれ量は、x方向に±0.2画素程度、y方向に±0.03画素程度の範囲内に収まる。
図16に示す例より、本実施形態により撮像部20が移動する状況においても、移動に伴う画像ぶれが高い精度で補正される。よって、撮像された画像を用いて測定された変位量の精度が向上する。
FIG. 16 shows the amount of image blurring at each time. The exemplified amount of image blur corresponds to the amount of displacement from the initial coordinates of the center of gravity of the marker Mk-C to the coordinates of the center of gravity of the marker Mk-C at each subsequent time. FIG. 16(a) shows the trajectory of the amount of image blur obtained without correcting the position of the marker Mk-C. The trajectory starts at the origin, moves right about 20 pixels, moves left about 40 pixels, and then moves toward the origin.
FIG. 16(b) shows the trajectory of the image blur amount obtained by correcting the position of the marker Mk-C with pixel accuracy. Due to the correction, the amount of image blur converges near the origin.
FIG. 16(c) corresponds to an enlarged view of FIG. 16(b). The amount of image blurring is within the range of about ±3 pixels in the x direction and about ±1 pixel in the y direction.
FIG. 16(d) shows the trajectory of the image blur amount obtained by correcting the position of the marker Mk-C with sub-pixel precision. Correction with sub-pixel precision converges the amount of image blur closer to the origin than correction with pixel precision.
Both FIGS. 16(e) and 16(f) correspond to enlarged views of FIG. 16(d). The amount of image blurring is within a range of about ±0.2 pixels in the x direction and about ±0.03 pixels in the y direction.
From the example shown in FIG. 16, even in a situation where the imaging unit 20 moves according to the present embodiment, image blur caused by movement is corrected with high accuracy. Therefore, the accuracy of the displacement amount measured using the captured image is improved.

第2の実験は、ドローンを用いて移動させたカメラから撮像された画像を用いて測定した変位の検証を主な目的とする。
図17は、空撮による変位測定の実験光学系を示す図である。図17に示す例では、ドローンに搭載されたカメラを用いて撮像された画像を用いてy方向の変位を測定した(たわみ測定)。但し、比較のため、焦点距離が35mmである単焦点レンズを装着し、三脚に固定されたデジタルカメラを用いて撮影された画像(図17(a))を用いてy方向の変位を測定した。図17(a)は、3個のマーカA-Cを表す。図面に対して左右のマーカA、Bを基準マーカとし、中央のマーカCを測定マーカとして用いた。マーカA-Cの模様のx方向、y方向のピッチを50mmとした。マーカCを移動ステージに固定させ、オペレータの操作によりステージコントローラを用いて移動ステージの高さ(y方向(鉛直方向とは逆向き、「上方」と呼ぶことがある)の変位)を制御した。カメラまたはドローンからマーカCまでの距離を約7mとし、マーカAとマーカCの距離、マーカBとマーカCの距離をいずれも3.1mとした。こにより、全長が6.2mの橋梁の中央におけるたわみ計測が想定されている。
The main purpose of the second experiment is to verify the displacement measured using the images captured by the camera moved using the drone.
FIG. 17 is a diagram showing an experimental optical system for displacement measurement by aerial photography. In the example shown in FIG. 17, the displacement in the y-direction was measured using an image captured using a camera mounted on a drone (deflection measurement). However, for comparison, a monofocal lens with a focal length of 35 mm was attached, and the displacement in the y direction was measured using an image (Fig. 17(a)) taken using a digital camera fixed to a tripod. . FIG. 17(a) represents three markers AC. The markers A and B on the left and right sides of the drawing were used as reference markers, and the central marker C was used as a measurement marker. The pitches in the x and y directions of the patterns of the markers A to C were set to 50 mm. The marker C was fixed to the moving stage, and the stage controller was used to control the height of the moving stage (displacement in the y direction (opposite to the vertical direction, sometimes called "upward")) by the operator's operation. The distance from the camera or drone to marker C was set to about 7 m, and the distance between marker A and marker C and the distance between marker B and marker C were both set to 3.1 m. This assumes deflection measurement at the center of a bridge with a total length of 6.2 m.

本実験では、小型ドローンに搭載されたカメラを用いて、高さを約2.5mとして動画(解像度:3840画素×2160画素)を撮像した。1回の撮像時間は約50秒である。最初10秒間ではy方向への変位なしとし、その後5秒間にわたりy方向の変位が5mmとなるまで上昇させ、その後、約20秒間高さを維持し、さらに5秒間にわたりy方向の変位が10mmとなるまで上昇させ、その後、高さを10秒間維持した。
図17(b)と図17(c)にそれぞれ小型ドローンが飛行中に撮影された撮像開始時(0秒)における変位量0での撮像画像と、撮像開始から25秒後における変位量5mmとなる変形後の撮像画像を示す。この場合、カメラの位置は、測定物であるマーカCに対して、正面ではなく、上方から下向きであおりのついた動画が撮影される。図17(b)、(c)のそれぞれの左右の矢印の位置は、画像の位置が上下左右にずれることを示す。図17(b)、(c)のそれぞれの中央の矢印の位置の違いは、ドローンの高さの違いによる視差の効果を含む。このことは、必ずしもドローンの位置を被写体とする構造物の正面に配置する必要がないことを示す。
In this experiment, using a camera mounted on a small drone, a moving image (resolution: 3840 pixels × 2160 pixels) was captured at a height of about 2.5 m. One imaging time is about 50 seconds. No displacement in the y direction for the first 10 seconds, followed by an increase over 5 seconds until the displacement in the y direction is 5 mm, then the height is maintained for about 20 seconds, and a displacement in the y direction of 10 mm for 5 seconds. and then the height was maintained for 10 seconds.
Fig. 17(b) and Fig. 17(c) respectively show an image captured during flight of the small drone with a displacement of 0 at the start of imaging (0 seconds) and a displacement of 5 mm after 25 seconds from the start of imaging. 4 shows a captured image after deformation. In this case, the position of the camera with respect to the marker C, which is the object to be measured, is not the front, but the moving image with the tilt is taken downward from above. The positions of the left and right arrows in FIGS. 17B and 17C indicate that the position of the image is shifted vertically and horizontally. The difference in the position of the central arrow in each of FIGS. 17(b) and (c) includes the effect of parallax due to the difference in drone height. This means that it is not always necessary to position the drone in front of the object structure.

図18は、空撮によるたわみ測定の実験結果を示す。図18(a)は、サブピクセル精度で測定された各マーカの位置のx-y平面内軌道を示す。これらの軌道は、小型ドローンのホバリングにより時間の経過に応じて位置が変化することを示す。図18(b)、(c)は、それぞれドローンに搭載されたカメラと三脚に固定されたカメラで撮像された画像を用いて測定されたy方向の変位量の時系列を示す。既知の変位量は、撮像開始時から10秒後までは変位量は0mm、15秒後から35秒後までは変位量は5mm、40秒後以降では10mmである。本実施形態を用いドローンに搭載されたカメラを用いて撮像された画像を用いた変位量は(図18(b))、撮像開始時から10秒後までは変位量は0.095mm、15秒後から35秒後以降までは変位量は4.744mm、40秒後以降では10.540mmとなった。三脚に固定されたカメラを用いて撮像された画像を用いて従来法で解析された変位量は(図18(c))、撮像開始時から10秒後までは変位量は0.034mm、15秒後から35秒後以降までは変位量は5.035mm、40秒後以降では10.051mmとなった。この実験結果から、本実施形態により移動するカメラで撮影された画像を用いても、固定したカメラで撮影された画像を用いた場合と同様に、正確な変位量が得られることを確認できた。本実験から、本実施形態によれば、ドローン空撮による画像を用いて構造物のたわみ測定を高精度で実現できることを検証できた。 FIG. 18 shows experimental results of deflection measurement by aerial photography. FIG. 18(a) shows the xy plane trajectory of the position of each marker measured with sub-pixel accuracy. These trajectories show that hovering small drones change position over time. FIGS. 18B and 18C show the time series of displacement in the y direction measured using images captured by the camera mounted on the drone and the camera fixed to the tripod, respectively. The known displacement amount is 0 mm from the start of imaging until 10 seconds later, 5 mm from 15 seconds to 35 seconds later, and 10 mm after 40 seconds later. The displacement amount using the image captured using the camera mounted on the drone using this embodiment (FIG. 18(b)) is 0.095 mm for 15 seconds from the start of imaging until 10 seconds later. The amount of displacement was 4.744 mm after 35 seconds and 10.540 mm after 40 seconds. The amount of displacement analyzed by the conventional method using an image captured using a camera fixed to a tripod (Fig. 18(c)) is 0.034 mm for 10 seconds after the start of imaging. The amount of displacement was 5.035 mm from seconds to 35 seconds, and 10.051 mm after 40 seconds. From this experimental result, it was confirmed that an accurate amount of displacement can be obtained by using an image captured by a moving camera according to the present embodiment, as in the case of using an image captured by a fixed camera. . From this experiment, it was verified that according to this embodiment, the deflection measurement of a structure can be realized with high accuracy using an image taken by a drone.

(基準マーカが3個以上の場合)
次に、基準マーカを3個以上用いる場合における実施形態について説明する。上記のAB補正では、基準フレームにおいて2個の基準マーカの直線上に測定マーカを配置することを要する。基準マーカの配置によっては、変位量を測定したいと考える位置に測定マーカを設置できないこともある。また、撮像部20からの測定マーカの方向と、撮像部20の光学軸の方向(つまり、撮像方向)とのなす角度が大きくなるほど、撮像された画像に表れる測定マーカの形態の歪が著しくなる傾向がある。そのため、撮像部20の位置と各マーカの配置の制約を緩和することが望まれる。
(When there are 3 or more reference markers)
Next, an embodiment in which three or more reference markers are used will be described. The above AB correction requires placing the measurement marker on a straight line between the two reference markers in the reference frame. Depending on the placement of the reference marker, it may not be possible to place the measurement marker at the position where the displacement is desired to be measured. Further, as the angle formed by the direction of the measurement marker from the imaging unit 20 and the direction of the optical axis of the imaging unit 20 (that is, the imaging direction) increases, the distortion of the shape of the measurement marker appearing in the captured image becomes significant. Tend. Therefore, it is desirable to ease restrictions on the position of the imaging unit 20 and the placement of each marker.

そこで、第1画像補正部144または第2画像補正部148は、各フレームにおいて3個以上の基準マーカを表す画像を用い、基準フレームと測定フレームとの間で個々の基準マーカの位置を一致させるように、測定フレーム内の座標に対する座標変換の変換パラメータを算出する。第1画像補正部144または第2画像補正部148は、算出した変換パラメータを用いて測定マーカの位置を座標変換することにより補正する。3個以上の基準マーカを用いる場合には、測定マーカの位置は、基準マーカの位置と異なっていれば各フレームの画像における任意の位置であればよい。そのため、測定マーカの位置の制約が緩和される。より具体的には、測定マーカの位置は、AB補正のように各2個の基準マーカ間の直線上になくてもよいし、3個以上の基準マーカの位置を頂点とする多角形の範囲内になくてもよい。また、撮像部20からの測定マーカの方向が、正面方向と交差する斜め方向であっても、撮像された画像に表れる測定マーカの形態の剪断歪み(skew, shear)が補償されるため、測定精度の低下が抑制される。基準マーカの数が3個の場合には、第1画像補正部144または第2画像補正部148は、座標変換の手法としてアフィン変換などの線形変換を用いることができる。その場合には、平行移動、回転、および、縮尺の他、剪断歪みも考慮される。 Therefore, the first image correction unit 144 or the second image correction unit 148 uses an image representing three or more reference markers in each frame, and matches the positions of the individual reference markers between the reference frame and the measurement frame. Transformation parameters for coordinate transformation to coordinates in the measurement frame are calculated as follows. The first image correction unit 144 or the second image correction unit 148 corrects the positions of the measurement markers by coordinate transformation using the calculated transformation parameters. When three or more reference markers are used, the position of the measurement marker may be any position in the image of each frame as long as it differs from the position of the reference marker. Therefore, restrictions on the positions of the measurement markers are relaxed. More specifically, the positions of the measurement markers do not have to be on the straight line between each two reference markers as in the case of AB correction. It doesn't have to be inside. In addition, even if the direction of the measurement marker from the imaging unit 20 is an oblique direction that intersects the front direction, the shear distortion (skew, shear) of the form of the measurement marker that appears in the captured image is compensated. A decrease in accuracy is suppressed. When the number of reference markers is three, the first image correction unit 144 or the second image correction unit 148 can use linear transformation such as affine transformation as a method of coordinate transformation. In that case, translation, rotation, and scale as well as shear strain are taken into account.

基準マーカの個数が4個である場合には、第1画像補正部144または第2画像補正部148は、座標変換法としてホモグラフィ変換を用いることができる。ホモグラフィ変換は、四角形Pの4個の頂点P1-P4を、それぞれ形状の異なる補正後の四角形Qの頂点Q1-Q4となる線形変換であり(図19参照)、台形変換とも呼ばれる。四角形P内の点P5は、ホモグラフィ変換により四角形Q内のQ5に変換される。点P5が点Q5に変換される際、各頂点との位置関係が維持され、より複雑な変形による変位が簡素な演算により補償される。 When the number of reference markers is four, the first image correction unit 144 or the second image correction unit 148 can use homography transformation as the coordinate transformation method. The homography transformation is a linear transformation in which the four vertices P1-P4 of the quadrangle P become the vertices Q1-Q4 of the corrected quadrangle Q having different shapes (see FIG. 19), and is also called trapezoidal transformation. Point P5 in quadrilateral P is transformed to Q5 in quadrilateral Q by homographic transformation. When the point P5 is converted to the point Q5, the positional relationship with each vertex is maintained, and displacement due to more complicated deformation is compensated for by a simple calculation.

第1画像補正部144または第2画像補正部148は、各フレームの補正後の画像における4個の基準マーカMk-1~Mk-4の位置Q1~Q4がフレーム間で共通となるように、ホモグラフィ変換に用いる座標変換パラメータを定めればよい。第1画像補正部144または第2画像補正部148は、補正前の測定マーカMk-5の位置P5を示す座標(x,y)を、定めた座標変換パラメータを用いてホモグラフィ変換を実行し補正後の測定マーカMk-5の位置Q5の座標(u,v)を算出することができる。 The first image correction unit 144 or the second image correction unit 148 performs the following operations so that the positions Q1 to Q4 of the four reference markers Mk-1 to Mk-4 in the corrected image of each frame are common between frames. It is sufficient to determine the coordinate transformation parameters used for homography transformation. The first image correction unit 144 or the second image correction unit 148 performs homography transformation on the coordinates (x, y) indicating the position P5 of the measurement marker Mk-5 before correction using the determined coordinate transformation parameters. The coordinates (u, v) of the position Q5 of the measurement marker Mk-5 after correction can be calculated.

例えば、初期のフレームを基準フレームとして用いる場合、第1画像補正部144または第2画像補正部148には、基準フレームに表される4個の基準マーカMk-1~Mk-4の位置を基準位置として設定しておく。第1画像補正部144または第2画像補正部148は、その他各フレームを測定フレームとし、個々の測定フレームに表される4個の基準マーカMk-1~Mk-4の位置を基準位置に変換するための座標変換パラメータを定める。第1画像補正部144または第2画像補正部148は、定めた座標変換パラメータを用いて、測定フレームに表される測定マーカMk-5の位置に対して式(3)を用いて、補正後の測定マーカMk-5の位置を定める。 For example, when the initial frame is used as the reference frame, the first image correction unit 144 or the second image correction unit 148 has four reference markers Mk-1 to Mk-4 represented in the reference frame. Set as position. The first image correction unit 144 or the second image correction unit 148 uses each other frame as a measurement frame, and converts the positions of the four reference markers Mk-1 to Mk-4 represented in each measurement frame to the reference positions. Define the coordinate transformation parameters for The first image correcting unit 144 or the second image correcting unit 148 uses the determined coordinate transformation parameters to calculate the position of the measurement marker Mk-5 represented in the measurement frame using Equation (3). to determine the position of the measurement marker Mk-5.

式(3)は、座標(x,y)から座標(u,v)への座標変換を示す。式(3)において、a~hは、座標変換パラメータに相当する実数である。式(3)に代えて、式(4)が用いられてもよい。座標変換パラメータa~hは、式(5)、(6)の等式をいずれも満足する。 Equation (3) represents the coordinate transformation from coordinates (x, y) to coordinates (u, v). In equation (3), a to h are real numbers corresponding to coordinate transformation parameters. Equation (4) may be used instead of Equation (3). Coordinate transformation parameters a to h satisfy both equations (5) and (6).

Figure 2023082603000004
Figure 2023082603000004

Figure 2023082603000005
Figure 2023082603000005

Figure 2023082603000006
Figure 2023082603000006

Figure 2023082603000007
Figure 2023082603000007

よって、第1画像補正部144または第2画像補正部148は、測定フレームにおいて、4個の基準マーカの位置を示す座標(x,y)、(x,y)、(x,y)、(x,y)と、それぞれ対応する基準位置の座標(u,v)、(u,v)、(u,v)、(u,v)との間で、式(5)、(6)を満足するように座標変換パラメータa~hを算出することができる。より具体的には、第1画像補正部144または第2画像補正部148は、式(5)、(6)に基準マーカごとに補正前後の座標を代入して得られる8本の等式(式(7))を連立し、ガウス消去法などの手法を用いて、座標変換パラメータa~hを算出することができる。 Therefore, the first image correction unit 144 or the second image correction unit 148 sets the coordinates (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ), (x 3 ) indicating the positions of the four reference markers in the measurement frame. , y 3 ), (x 4 , y 4 ) and the corresponding reference position coordinates (u 1 , v 1 ), (u 2 , v 2 ), (u 3 , v 3 ), (u 4 , v 4 ), coordinate transformation parameters a to h can be calculated so as to satisfy equations (5) and (6). More specifically, the first image correction unit 144 or the second image correction unit 148 calculates eight equations ( The coordinate transformation parameters a to h can be calculated by combining equations (7) and using a technique such as Gaussian elimination.

Figure 2023082603000008
Figure 2023082603000008

次に、ホモグラフィ変換を適用した変位測定処理の例について説明する。以下の説明では、測定フレームにおける基準マーカの位置をサブピクセル精度で補正し、基準フレームにおける基準マーカの位置から補正後の測定フレームにおける基準マーカの位置への座標変換に基づいて測定フレームの測定マーカの位置を補正する場合を例にする。 Next, an example of displacement measurement processing to which homography transformation is applied will be described. In the following description, the position of the reference marker in the measurement frame is corrected with sub-pixel accuracy, and the measurement marker in the measurement frame is calculated based on the coordinate transformation from the position of the reference marker in the reference frame to the position of the reference marker in the corrected measurement frame. A case of correcting the position of is taken as an example.

図20は、本実施形態に係る変位測定処理の第3例として、ホモグラフィ変換を用いた手法を示すフローチャートである。図20に例示される処理を実行する際も、図4の例と同様に、演算処理部14は、変位量の基準とする基準フレームを設定し、それ以外のフレームが測定フレームとして補正対象とする。
(ステップS202)マーカ検出部142は、撮像部20から入力される画像データに示されるフレームごとにマーカを検出する。マーカ検出部142は、検出したマーカごとの重心の座標を中心座標として定める。
(ステップS204)第1画像補正部144は、基準フレームにおける4個の基準マーカの配置と、基準時刻とは異なる測定フレームにおける4個の基準マーカの配置を用い、測定フレームにおける個々の基準マーカの位置を基準マーカにおける対応する基準マーカの位置へのホモグラフィ変換の座標変換パラメータを定める。第1画像補正部144は、定めた座標変換パラメータを用いて測定フレームの測定マーカの位置に対してホモグラフィ変換を実行してピクセル精度での補正後の位置を定める(粗補正)。
(ステップS206)第1変位量演算部146は、サンプリングモアレ法を用いて、基準フレームの測定マーカと、測定フレームの位置を補正した測定マーカのモアレ画像の位相差を解析し、解析した位相差から現実の測定マーカの変位量を第1変位量として算出する。
FIG. 20 is a flowchart showing a method using homography transformation as a third example of displacement measurement processing according to this embodiment. When executing the process illustrated in FIG. 20, similarly to the example of FIG. 4, the arithmetic processing unit 14 sets a reference frame as a reference for the amount of displacement, and the other frames are measurement frames to be corrected. do.
(Step S<b>202 ) The marker detection unit 142 detects markers for each frame shown in the image data input from the imaging unit 20 . The marker detection unit 142 determines the coordinates of the center of gravity of each detected marker as the center coordinates.
(Step S204) The first image correction unit 144 uses the arrangement of the four reference markers in the reference frame and the arrangement of the four reference markers in the measurement frame different from the reference time, and uses the arrangement of the individual reference markers in the measurement frame. Define the coordinate transformation parameters for the homography transformation of the position to the position of the corresponding reference marker in the reference marker. The first image correction unit 144 performs homography transformation on the positions of the measurement markers in the measurement frame using the determined coordinate transformation parameters to determine positions after correction with pixel accuracy (coarse correction).
(Step S206) The first displacement amount calculator 146 uses the sampling moiré method to analyze the phase difference between the moire images of the measurement marker in the reference frame and the measurement marker whose position in the measurement frame is corrected, and the analyzed phase difference , the displacement amount of the actual measurement marker is calculated as the first displacement amount.

(ステップS208)第2画像補正部148は、基準マーカごとに、基準フレームのモアレ画像と、ピクセル精度での位置の補正後の測定フレームでのモアレ画像との位相差を解析する。第2画像補正部148は、解析した位相差に基づいて測定フレームから基準フレームへのホモグラフィ変換の座標変換パラメータを算出する。第2画像補正部148は、算出した座標変換パラメータを用いてピクセル精度での補正後の測定フレームでの測定マーカの位置に対してホモグラフィ変換を実行して、サブピクセル精度での補正後の測定マーカの位置を定める。
(ステップS210)第2変位量演算部150は、サンプリングモアレ法を用いて、基準フレームの測定マーカと、サブピクセル精度での測定フレームの位置を補正した測定マーカのモアレ画像の位相差を解析し、解析した位相差から現実の測定マーカの変位量を第2変位量として算出する。
(ステップS212)変位量出力部152は、ステップS206で得られた第1変位量、または、ステップS210で得られた第2変位量のいずれかを選択する。変位量出力部152は、選択した変位量の情報を表示部16に表示させる。
(Step S208) For each reference marker, the second image correction unit 148 analyzes the phase difference between the moiré image of the reference frame and the moiré image of the measurement frame after position correction with pixel accuracy. The second image correction unit 148 calculates coordinate transformation parameters for homography transformation from the measurement frame to the reference frame based on the analyzed phase difference. The second image correction unit 148 uses the calculated coordinate transformation parameters to perform homography transformation on the position of the measurement marker in the measurement frame corrected with pixel accuracy, and obtains the position of the measurement marker after correction with sub-pixel accuracy. Determine the position of the measurement marker.
(Step S210) The second displacement amount calculation unit 150 uses the sampling moiré method to analyze the phase difference between the moiré image of the measurement marker of the reference frame and the moiré image of the measurement marker whose position is corrected with sub-pixel accuracy. , the displacement amount of the actual measurement marker is calculated as the second displacement amount from the analyzed phase difference.
(Step S212) The displacement amount output unit 152 selects either the first displacement amount obtained in step S206 or the second displacement amount obtained in step S210. The displacement amount output unit 152 causes the display unit 16 to display information on the selected displacement amount.

(画像補正装置)
上記の説明では、変位測定システム1および変位測定装置10としての実施形態を例示したが、画像補正システム3および画像補正装置30としての形態で実施されてもよい。以下の説明では、上記の実施形態との差異点を主とし、特に断らない限り共通の符号を付して上記の説明を援用する。
(Image correction device)
In the above description, the displacement measuring system 1 and the displacement measuring device 10 are exemplified, but they may be implemented in the form of the image correcting system 3 and the image correcting device 30 . The following description mainly focuses on the points of difference from the above embodiment, and unless otherwise specified, the same reference numerals are used and the above description is used.

図21は、本実施形態に係る画像補正システム3の機能構成例を示す概略ブロック図である。画像補正システム3は、画像補正装置30と、撮像部20と、を備える。画像補正装置30は、パラメータ入力部12と、演算処理部34と、表示部16と、を備える。演算処理部34は、マーカ検出部142、第1画像補正部144、および、第2画像補正部148を含んで構成される。図21に例示される演算処理部34は、図3に例示される演算処理部14から第1変位量演算部146、第2変位量演算部150、および、変位量出力部152が省略されている。第1画像補正部144では、測定フレームと基準フレームのフレーム間で各基準マーカの変位が補償されるように、測定フレーム内の各位置の座標を座標変換することによりピクセル精度で位置が補正された測定フレームの画像が得られる。第2画像補正部148では、ピクセル精度で位置が補正された測定フレームの画像における基準マーカのモアレ画像と、基準フレームの画像における基準マーカのモアレ画像との位相差に対応する変位が補償されるように、測定フレーム内の各位置の座標を座標変換することによりサブピクセル精度で位置が補正された測定フレームの画像が得られる。 FIG. 21 is a schematic block diagram showing a functional configuration example of the image correction system 3 according to this embodiment. The image correction system 3 includes an image correction device 30 and an imaging section 20 . The image correction device 30 includes a parameter input section 12 , an arithmetic processing section 34 and a display section 16 . The arithmetic processing section 34 includes a marker detection section 142 , a first image correction section 144 and a second image correction section 148 . The calculation processing unit 34 illustrated in FIG. 21 is obtained by omitting the first displacement amount calculation unit 146, the second displacement amount calculation unit 150, and the displacement amount output unit 152 from the calculation processing unit 14 illustrated in FIG. there is The first image correction unit 144 corrects the position with pixel accuracy by converting the coordinates of each position in the measurement frame so that the displacement of each reference marker is compensated between the measurement frame and the reference frame. An image of the measured frame is obtained. The second image correction unit 148 compensates for the displacement corresponding to the phase difference between the moiré image of the reference marker in the image of the measurement frame whose position is corrected with pixel accuracy and the moiré image of the reference marker in the image of the reference frame. By transforming the coordinates of each position in the measurement frame as described above, an image of the measurement frame in which the position is corrected with sub-pixel precision is obtained.

この構成により、撮像部20が移動体に搭載されている場合でもサブピクセル精度でフレーム間において複数の基準マーカの位置が合致するように画像の位置合わせが実現する。位置合わせは、撮像された画像の所定の評価領域における輝度分布の時間変化に基づく各種の表面状態のモニタリングなどに応用することができる。また、画像は、被写体から発される可視光線に基づく可視画像に限らず、赤外線画像、紫外線画像、X線画像などであってもよい。また、評価領域内に応力発光体を予め塗布しておくことで、応力発光により表れる模様(応力発光画像)を用いて応力分布の解析にも応用することができる。 With this configuration, even when the imaging unit 20 is mounted on a moving object, image registration is realized so that the positions of a plurality of reference markers match between frames with sub-pixel accuracy. Alignment can be applied to monitoring various surface conditions based on temporal changes in luminance distribution in a predetermined evaluation area of a captured image. Further, the image is not limited to a visible image based on visible light emitted from a subject, and may be an infrared image, an ultraviolet image, an X-ray image, or the like. In addition, by applying a stress-stimulated luminescent material in advance to the evaluation region, the pattern (stimulated-stimulated luminescent image) that appears by the stress-stimulated luminescence can be used to analyze the stress distribution.

次に、画像補正装置30による画像の位置合わせの例について説明する。図22は、画像の位置合わせの第1例の説明図である。図22の例では、撮像部20の撮像領域(視野)内の被写体の表面に4個の基準マーカMk-A~Mk-Dを設置し、撮像領域に含まれる評価領域内の表面に表れる観測対象物の例として壁面のひび割れ(亀裂)の形状の変化の観測に応用する場合を例にする。その場合、フレームごとに撮像された画像を用いて評価領域内のひび割れの長さ、幅、分岐などの時間発展を観測することができる。評価領域は、観測期間内における各フレームにおいて撮像領域に含まれる領域であればよい。 Next, an example of alignment of images by the image correction device 30 will be described. FIG. 22 is an explanatory diagram of a first example of alignment of images. In the example of FIG. 22, four reference markers Mk-A to Mk-D are placed on the surface of the subject within the imaging region (field of view) of the imaging unit 20, and the observations appearing on the surface within the evaluation region included in the imaging region As an example of the target object, a case of application to observation of changes in the shape of cracks (cracks) in a wall surface will be taken as an example. In that case, it is possible to observe the temporal evolution of the crack length, width, branching, etc. in the evaluation area using the image captured for each frame. The evaluation area may be any area included in the imaging area in each frame within the observation period.

図23は、画像の位置合わせの第2例の説明図である。図23は、複数のフレームの画像を1フレームの画像への接続に対する応用例である。第1画像補正部144、第2画像補正部148は、複数フレームの画像を取得し、取得した画像に共通に含まれる2以上の基準フレームの位置が合致するように取得したフレーム内の位置を補正する。これにより、複数フレームの画像をサブピクセル精度で空間的に接続することができる。図23(a)は、異なる時刻に撮像された2フレームの画像を例示する。一方のフレームの画像Aは、マーカMk-A1、Mk-B1、Mk-B2、Mk-A2を含む視野Aを表し、他方のフレームの画像Bは、マーカMk-C1、Mk-B1、Mk-B2、Mk-C2を含む視野Bを表す。第1画像補正部144、第2画像補正部148は、両フレームに共通のマーカとして、マーカMk-B1、Mk-B2の位置がそれぞれ合致するように画像Aと画像Bを接続して、より領域が大きい画像を形成することができる。複数のフレームは、同時に別個の撮像部20を用いて撮像されたものでもよいし、1個の撮像部20を用いて異なる時刻で撮像されたものでもよい。また、第1画像補正部144、第2画像補正部148は、2以上の基準マーカを視野に共通に含む2フレームの画像の組ごとに順次接続し、3以上のフレームの画像から1フレームのより領域が大きい画像を形成してもよい。 FIG. 23 is an explanatory diagram of a second example of image registration. FIG. 23 is an application example for splicing multiple frame images into a single frame image. The first image correction unit 144 and the second image correction unit 148 acquire images of a plurality of frames, and adjust the positions in the acquired frames so that the positions of two or more reference frames commonly included in the acquired images match. to correct. Thereby, images of multiple frames can be spatially connected with sub-pixel precision. FIG. 23(a) illustrates two frames of images captured at different times. Image A in one frame represents a field of view A containing markers Mk-A1, Mk-B1, Mk-B2, Mk-A2, and Image B in the other frame represents markers Mk-C1, Mk-B1, Mk- B2, represents field of view B containing Mk-C2. The first image correcting unit 144 and the second image correcting unit 148 connect the image A and the image B so that the positions of the markers Mk-B1 and Mk-B2, which are common markers for both frames, match each other. Large area images can be formed. A plurality of frames may be captured simultaneously using separate imaging units 20, or may be captured using a single imaging unit 20 at different times. In addition, the first image correction unit 144 and the second image correction unit 148 sequentially connect each set of two-frame images including two or more reference markers in common in the field of view, and select one frame image from three or more frame images. Images with larger areas may be formed.

図24は、画像の位置合わせ補正の実験結果を示す例示する説明図である。実験では、飛行中の小型ドローンに搭載された撮像部20から一定の時間間隔で空中撮影して得られた画像を位置合わせに用いた。図24(a)は、最初のフレームの画像と90枚目のフレームの画像を単純に重ね合わせて合成して得られた画像を示す。図24(a)は、補正前において異なる時刻で撮影された2枚の画像間に表れた共通の図形や文字の位置が有意に異なる図24(b)は、各フレームの画像の左右両端に表れた2つのマーカMk-A、Mk-Bを利用して、2枚のうち後の時刻のフレームの画像に対してAB補正を行って得られた補正後の画像と先の時刻のフレームの撮像画像とを合成して得られた画像を示す。図24(b)には、異なる時刻で撮影された2枚の画像間では共通の図形や文字の配置の差異が生じず、2枚の画像の模様がほぼ完全に重なっていることを示す。これにより、ドローンから撮影された撮像画像のぶれ補正が実現され、一例として、ユーザが観察を所望する表示領域(例えば、評価領域)における画像情報(図24の例ではNEW NORMAL!の文字)の変化が容易に検出できるようになる。本実施形態は、一般的なカメラで撮像された可視光に基づく撮像画像のみならず、赤外線カメラで撮像された撮像画像や応力発光画像などに適用することで、構造物の健全性評価診断における様々な画像評価に利用できる。 24A and 24B are explanatory diagrams illustrating experimental results of image alignment correction. In the experiment, images obtained by aerial photography at regular time intervals from an imaging unit 20 mounted on a small flying drone were used for alignment. FIG. 24A shows an image obtained by simply superimposing and synthesizing the image of the first frame and the image of the 90th frame. FIG. 24(a) shows that the positions of common graphics and characters appearing between two images taken at different times before correction are significantly different. Using the two markers Mk-A and Mk-B that appear, the corrected image obtained by performing AB correction on the image of the later frame of the two frames and the frame of the earlier time. An image obtained by synthesizing the captured image is shown. FIG. 24(b) shows that there is no difference in the layout of common figures and characters between the two images taken at different times, and the patterns of the two images almost completely overlap. As a result, it is possible to correct the blurring of the captured image taken from the drone. As an example, the image information (the letters NEW NORMAL! Changes can be easily detected. This embodiment can be applied not only to visible light-based images captured by a general camera, but also to images captured by an infrared camera, stress luminescence images, etc. It can be used for various image evaluations.

以上に説明したように、本実施形態に係る変位測定装置10は、変位量の基準とする2個以上の基準マーカと、一定のピッチで空間的に繰り返される模様を表す測定マーカとを表す画像をフレームごとに撮像部20から取得し、基準マーカのフレーム間の変位を補償するように前記測定マーカの位置を補正する画像補正部(例えば、第1画像補正部144、第2画像補正部148)を備える。変位測定装置10は、測定マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差から、測定マーカの変位量を演算する変位量演算部(第1変位量演算部146、第2変位量演算部150)を備える。
この構成によれば、フレームごとに撮像部20の位置や向きが変動しても、撮像された画像における各座標の変化が補償される。そのため、異なる時刻に撮像された画像から測定マーカが設置された部位の変位量を、精度を損なわずに測定することができる。
As described above, the displacement measuring apparatus 10 according to the present embodiment provides an image representing two or more reference markers that serve as a reference for the amount of displacement, and a measurement marker representing a pattern that is spatially repeated at a constant pitch. from the imaging unit 20 for each frame, and corrects the position of the measurement marker so as to compensate for the inter-frame displacement of the reference marker (for example, the first image correction unit 144, the second image correction unit 148 ). The displacement measuring apparatus 10 includes a displacement amount calculator (a first displacement amount calculator 146, a second displacement amount calculator 146, a 150).
According to this configuration, even if the position and orientation of the imaging unit 20 change for each frame, the change in each coordinate in the captured image is compensated. Therefore, it is possible to measure the displacement amount of the site where the measurement marker is placed from the images captured at different times without impairing the accuracy.

また、変位量の基準とするフレームである基準フレームの画像において、前記測定マーカの位置は2個の基準マーカ間を通過する直線上にあり、画像補正部は、基準フレームにおける2個の基準マーカのそれぞれの位置と、変位量の測定対象とするフレームである測定フレームの画像における2個の基準マーカのそれぞれの位置に基づいて、測定フレームの画像の基準フレームからの縮尺率、回転量および並進移動量を解析し、測定フレームにおける測定マーカの位置を、縮尺率、回転量および並進移動量に基づいて補正してもよい。
この構成によれば、2個の基準マーカの位置を基準としてフレーム間に生じる被写体の像の大きさの変化、回転および並進移動が補償される。そのため、簡素な演算により撮像部20の位置や向きの変動が補償される。
Further, in the image of the reference frame, which is the frame used as the reference for the amount of displacement, the position of the measurement marker is on a straight line passing between the two reference markers, and the image correction unit and the respective positions of the two reference markers in the image of the measurement frame, which is the frame for which the amount of displacement is to be measured. The amount of movement may be analyzed and the position of the measurement marker in the measurement frame may be corrected based on the scale factor, rotation amount and translation amount.
This configuration compensates for changes in size, rotation, and translation of the image of the subject that occur between frames with the positions of the two reference markers as references. Therefore, fluctuations in the position and orientation of the imaging unit 20 are compensated for by a simple calculation.

また、変位量の基準とするフレームである基準フレームの画像において、測定マーカの位置は2個の基準マーカ間の内分点であって、画像補正部は、変位量の測定対象とするフレームである測定フレームの画像における測定マーカの位置を、当該測定フレームにおける内分点の位置に基づいて補正してもよい。
この構成によれば、2個の基準マーカの位置を基準としてフレーム間に生じる測定マーカの位置の変化が補償される。そのため、簡素な演算により精度を損なわずに撮像部20の位置や向きの変動が補償される。
Further, in the image of the reference frame, which is the frame used as the reference for the amount of displacement, the position of the measurement marker is the internal division point between the two reference markers, and the image correcting unit performs the measurement on the frame that is the object of measurement of the amount of displacement. The positions of the measurement markers in the image of a measurement frame may be corrected based on the positions of the internal division points in the measurement frame.
This configuration compensates for changes in the position of the measurement marker that occur between frames with respect to the positions of the two reference markers. Therefore, fluctuations in the position and orientation of the imaging unit 20 can be compensated by a simple calculation without impairing accuracy.

また、基準マーカの個数は3以上であり、画像補正部は、基準マーカの位置をフレーム間で一致させる座標変換の変換パラメータを算出し、変換パラメータを用いて測定マーカの位置を補正してもよい。
この構成によれば、3個以上の基準マーカの位置を基準としてフレーム間に生じる測定マーカの位置の変化が補償される。測定マーカの位置を撮像部20の視野内に任意に設定でき、撮像部20から測定マーカへの方向が撮像部20の撮像方向と交差する方向であっても測定マーカの位置の変化が補償される。そのため、測定マーカや撮像部20の設置位置の自由度が緩和される。
Further, the number of reference markers is 3 or more, and the image correction unit calculates transformation parameters for coordinate transformation that matches the positions of the reference markers between frames, and corrects the positions of the measurement markers using the transformation parameters. good.
This configuration compensates for changes in the positions of the measurement markers between frames based on the positions of three or more reference markers. The position of the measurement marker can be arbitrarily set within the field of view of the imaging unit 20, and even if the direction from the imaging unit 20 to the measurement marker intersects the imaging direction of the imaging unit 20, the change in the position of the measurement marker is compensated. be. Therefore, the degree of freedom in the installation positions of the measurement markers and the imaging unit 20 is relaxed.

また、基準マーカの個数は4であり、座標変換は、ホモグラフィ変換であってもよい。
この構成によれば、基準マーカの個数は3である場合よりも、基準マーカの位置を基準として複雑な画像の変形を補正することができる。そのため、撮像部20の光学系、ノイズなど、より耐性の高い補正を実現することができる。
Also, the number of reference markers may be four, and the coordinate transformation may be homography transformation.
According to this configuration, it is possible to correct complicated deformation of an image based on the positions of the reference markers, as compared with the case where the number of reference markers is three. Therefore, the optical system of the imaging unit 20, noise, and the like can be corrected with higher resistance.

また、基準マーカは、それぞれ一定のピッチで空間的に繰り返される模様を表し、画像補正部(例えば、第2画像補正部148)は、基準マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差を補償するように測定マーカの位置をさらに補正してもよい。
この構成によれば、基準マーカの模様を表す輝度の分布が拡大されたモアレ画像を用いることで、画素よりも微細な精度で基準マーカの位置を補正することができる。そのため、測定される基準マーカの変位量の精度を向上することができる。
Each reference marker represents a pattern that is spatially repeated at a constant pitch. The positions of the measurement markers may be further corrected to compensate for the phase difference.
According to this configuration, the position of the reference marker can be corrected with finer accuracy than a pixel by using the moire image in which the luminance distribution representing the pattern of the reference marker is enlarged. Therefore, the accuracy of the measured displacement amount of the reference marker can be improved.

また、変位測定システム1において、撮像部20を設置する移動体(例えば、ドローン)を備えてもよい。
この構成によれば、撮像部20を固定できない利用環境においても、撮像部20が撮像した画像を用いて測定マーカが設置された部位における変位量を高い精度で測定することができる。
Further, the displacement measurement system 1 may include a moving body (for example, a drone) on which the imaging unit 20 is installed.
According to this configuration, even in a usage environment in which the imaging unit 20 cannot be fixed, it is possible to measure the displacement amount at the site where the measurement marker is installed using the image captured by the imaging unit 20 with high accuracy.

(変形例)
上記の実施形態に係る変位測定システム1、画像補正システム3は、次のように変形して実施されてもよい。撮像部20と変位測定装置10もしくは画像補正装置30とは有線または無線のネットワークで接続されてもよい。
変位測定装置10または画像補正装置30は、必ずしもパラメータ入力部12と表示部16と一体化されていなくてもよい。変位測定装置10において、パラメータ入力部12と表示部16の一方または両方が省略されてもよい。
また、変位測定装置10または画像補正装置30は、撮像部20を含み、単一の変位測定装置10または画像補正装置30として構成されてもよい。
(Modification)
The displacement measurement system 1 and the image correction system 3 according to the above embodiment may be modified as follows. The imaging unit 20 and the displacement measuring device 10 or the image correcting device 30 may be connected via a wired or wireless network.
The displacement measuring device 10 or the image correcting device 30 does not necessarily have to be integrated with the parameter input section 12 and the display section 16 . In the displacement measuring device 10, one or both of the parameter input section 12 and the display section 16 may be omitted.
Further, the displacement measuring device 10 or the image correcting device 30 may include the imaging unit 20 and be configured as a single displacement measuring device 10 or image correcting device 30 .

上記の説明では、変位測定装置10または画像補正装置30において、第1画像補正部144、第2画像補正部148が、測定フレームの個々の基準マーカの位置が、基準フレームの対応する基準マーカの位置と一致するように、測定フレームの測定マーカの位置を補正する場合を主としたが、これには限られない。第1画像補正部144、第2画像補正部148は、各時刻のフレームを測定フレームとし、測定フレームごとに個々の基準マーカの位置が、測定フレームとは別個の基準フレームの対応する基準マーカの位置と一致するように、測定フレームごとの測定マーカの位置を補正してもよい。 In the above description, in the displacement measuring device 10 or the image correcting device 30, the first image correcting unit 144 and the second image correcting unit 148 adjust the position of each reference marker in the measurement frame to that of the corresponding reference marker in the reference frame. Although the case where the position of the measurement marker of the measurement frame is corrected so as to match the position has been mainly described, the present invention is not limited to this. The first image correction unit 144 and the second image correction unit 148 use the frame at each time as a measurement frame, and the position of each reference marker in each measurement frame is adjusted to the position of the corresponding reference marker in a reference frame separate from the measurement frame. The positions of the measurement markers for each measurement frame may be corrected to match the positions.

また、第1変位量演算部146、第2変位量演算部150が、画素毎の信号値として輝度値を用いる場合を例にしたが、これには限られない。第1変位量演算部146、第2変位量演算部150は、画素毎の信号値として色信号値、例えば、赤、緑、青など各色の信号値もしくは、それらの信号値の組を用いてもよい。
第1画像補正部144、第2画像補正部148は、3個以上の基準マーカのうち、所定の2個の基準マーカを用いてAB補正を行ってもよい。
上記の説明では、個々のマーカの位置を代表する代表点として重心を例にしたが、これには限られない。代表点は、所定の1個の頂点、例えば、図面に対して左下端の頂点であってもよい。
Moreover, although the case where the 1st displacement amount calculating part 146 and the 2nd displacement amount calculating part 150 used the luminance value as a signal value for each pixel was exemplified, the present invention is not limited to this. The first displacement amount calculation unit 146 and the second displacement amount calculation unit 150 use color signal values, for example, signal values of each color such as red, green, and blue, or combinations of these signal values, as signal values for each pixel. good too.
The first image correction unit 144 and the second image correction unit 148 may perform AB correction using two predetermined reference markers among the three or more reference markers.
In the above description, the center of gravity was used as an example of the representative point representing the position of each marker, but the present invention is not limited to this. The representative point may be one predetermined vertex, for example, the lower left vertex in the drawing.

また、変位測定装置10または画像補正装置30において、第1画像補正部144と第2画像補正部148は、一体化され単一の画像補正部として構成されてもよい。
変位測定装置10において、第1変位量演算部146と第2変位量演算部150は、一体化され単一の変位量演算部として構成されてもよい。
Further, in the displacement measuring device 10 or the image correcting device 30, the first image correcting section 144 and the second image correcting section 148 may be integrated to form a single image correcting section.
In the displacement measuring device 10, the first displacement amount calculator 146 and the second displacement amount calculator 150 may be integrated to form a single displacement amount calculator.

なお、変位測定装置10において、第2画像補正部148と第2変位量演算部150が省略されてもよい。その場合には、サブピクセル精度での補正がなされない。基準マーカに表される模様の信号値は、必ずしも規則的に変動しなくてもよい。第1変位量演算部146は、ピクセル精度で算出した第1変位量の情報を測定マーカの変位量を示す情報として表示部16に出力する。
また、パラメータ入力部12と表示部16の一方または両方は、省略されてもよい。変位量の演算に用いられる各種のパラメータは、予め設定されていてもよいし、他装置から入力されてもよい。第1変位量演算部146が算出した第1変位量、変位量出力部152が取得した変位量の情報は、自装置に蓄積されてもよいし、他装置に出力されてもよい。
In addition, in the displacement measuring device 10, the second image correcting section 148 and the second displacement amount calculating section 150 may be omitted. In that case, correction with sub-pixel accuracy is not performed. The signal values of the patterns represented by the reference markers do not necessarily fluctuate regularly. The first displacement amount calculator 146 outputs information on the first displacement amount calculated with pixel accuracy to the display unit 16 as information indicating the displacement amount of the measurement marker.
Also, one or both of the parameter input section 12 and the display section 16 may be omitted. Various parameters used to calculate the displacement amount may be set in advance or may be input from another device. Information on the first displacement amount calculated by the first displacement amount calculation unit 146 and the information on the displacement amount acquired by the displacement amount output unit 152 may be accumulated in the device itself or may be output to another device.

上記の説明では、各マーカに表された繰り返し模様のピッチがマーカ間で共通である場合を前提にしていたが、マーカごとに異なっていてもよい。例えば、撮像部20からの距離が大きい測定点ほど、ピッチが大きくてもよい。その場合には、撮像部20からの距離が大きくなっても画像上に表される模様の周期が小さくならないので、撮像部20からの距離による測定精度の劣化を防止または緩和することができる。 In the above description, it is assumed that the pitch of the repeating pattern represented by each marker is common among the markers, but it may be different for each marker. For example, the pitch may be larger for measurement points that are farther from the imaging unit 20 . In this case, even if the distance from the imaging unit 20 increases, the period of the pattern displayed on the image does not decrease, so deterioration of measurement accuracy due to the distance from the imaging unit 20 can be prevented or mitigated.

なお、上述した実施形態における変位測定装置10または画像補正装置30の一部、例えば、演算処理部14をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この制御機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、変位測定装置10または画像補正装置30に内蔵されたコンピュータシステムであって、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
また、上述した実施形態における変位測定装置10または画像補正装置30の一部、または全部を、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路として実現してもよい。変位測定装置10または画像補正装置30の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
A part of the displacement measuring device 10 or the image correcting device 30 in the above-described embodiments, for example, the arithmetic processing unit 14 may be realized by a computer. In that case, a program for realizing this control function may be recorded in a computer-readable recording medium, and the program recorded in this recording medium may be read into a computer system and executed. The "computer system" here is a computer system built into the displacement measuring device 10 or the image correcting device 30, and includes hardware such as an OS and peripheral devices. The term "computer-readable recording medium" refers to portable media such as flexible discs, magneto-optical discs, ROMs and CD-ROMs, and storage devices such as hard discs incorporated in computer systems. Furthermore, "computer-readable recording medium" means a medium that dynamically stores a program for a short period of time, such as a communication line for transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. It may also include a volatile memory inside a computer system that serves as a server or client in that case, which holds the program for a certain period of time. Further, the program may be for realizing part of the functions described above, or may be capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in the computer system.
Further, part or all of the displacement measuring device 10 or the image correcting device 30 in the above-described embodiments may be realized as an integrated circuit such as LSI (Large Scale Integration). Each functional block of the displacement measuring device 10 or the image correcting device 30 may be individually processorized, or part or all of them may be integrated and processorized. Also, the method of circuit integration is not limited to LSI, but may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor. In addition, when an integration circuit technology that replaces LSI appears due to advances in semiconductor technology, an integrated circuit based on this technology may be used.

以上、図面を参照してこの発明の実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the specific configurations are not limited to those described above, and various design changes can be made without departing from the gist of the present invention. It is possible to

1…変位測定システム、3…画像補正システム、10…変位測定装置、12…パラメータ入力部、14、34…演算処理部、16…表示部、30…画像補正装置、142…マーカ検出部、144…第1画像補正部、146…第1変位量演算部、148…第2画像補正部、150…第2変位量演算部、152…変位量出力部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Displacement measuring system 3... Image correction system 10... Displacement measuring device 12... Parameter input part 14, 34... Arithmetic processing part 16... Display part 30... Image correction apparatus 142... Marker detection part 144 146 : first displacement amount calculation unit 148 : second image correction unit 150 : second displacement amount calculation unit 152 : displacement amount output unit

Claims (12)

変位量の基準とする2個以上の基準マーカと、一定のピッチで空間的に繰り返される模様を表す測定マーカとを表す画像をフレームごとに撮像部から取得し、
前記基準マーカのフレーム間の変位を補償するように前記測定マーカの位置を補正する画像補正部と、
前記測定マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差から、前記測定マーカの変位量を演算する変位量演算部と、
を備える変位測定装置。
acquiring an image representing two or more reference markers used as a reference for the amount of displacement and a measurement marker representing a pattern spatially repeated at a constant pitch from the imaging unit for each frame;
an image correction unit that corrects the position of the measurement marker to compensate for inter-frame displacement of the reference marker;
a displacement amount calculation unit that calculates a displacement amount of the measurement marker from a phase difference between frames of moire images generated from the pattern of the measurement marker;
A displacement measuring device comprising:
変位量の基準とするフレームである基準フレームの画像において、前記測定マーカの位置は2個の基準マーカ間を通過する直線上にあり、
前記画像補正部は、前記基準フレームにおける前記2個の基準マーカのそれぞれの位置と、変位量の測定対象とするフレームである測定フレームの画像における前記2個の基準マーカのそれぞれの位置に基づいて、前記測定フレームの画像の前記基準フレームからの縮尺率、回転量および並進移動量を解析し、
前記測定フレームにおける前記測定マーカの位置を、前記縮尺率、前記回転量および前記並進移動量に基づいて補正する
請求項1に記載の変位測定装置。
In the image of the reference frame, which is the frame used as the reference for the amount of displacement, the position of the measurement marker is on a straight line passing between the two reference markers,
The image correcting unit is configured to, based on the position of each of the two reference markers in the reference frame and the position of each of the two reference markers in the image of the measurement frame, which is the frame to be measured for the amount of displacement, , analyzing the scale ratio, the amount of rotation, and the amount of translation of the image of the measurement frame from the reference frame;
The displacement measuring device according to claim 1, wherein the positions of the measurement markers in the measurement frame are corrected based on the scale factor, the amount of rotation, and the amount of translational movement.
変位量の基準とするフレームである基準フレームの画像において、前記測定マーカの位置は2個の基準マーカ間の内分点であって、
前記画像補正部は、変位量の測定対象とするフレームである測定フレームの画像における前記測定マーカの位置を、当該測定フレームにおける前記内分点の位置に基づいて補正する
請求項1に記載の変位測定装置。
In the image of the reference frame, which is the frame used as the reference for the amount of displacement, the position of the measurement marker is an internal dividing point between the two reference markers,
2. The displacement according to claim 1, wherein the image correction unit corrects the position of the measurement marker in the image of the measurement frame, which is the frame to be measured for the amount of displacement, based on the position of the internal division point in the measurement frame. measuring device.
前記基準マーカの個数は3以上であり、
前記画像補正部は、
前記基準マーカの位置をフレーム間で一致させる座標変換の変換パラメータを算出し、前記変換パラメータを用いて前記測定マーカの位置を補正する
請求項1に記載の変位測定装置。
The number of reference markers is 3 or more,
The image correction unit
2. The displacement measuring device according to claim 1, wherein a transformation parameter for coordinate transformation that matches the position of the reference marker between frames is calculated, and the position of the measurement marker is corrected using the transformation parameter.
前記基準マーカの個数は4であり、
前記座標変換は、ホモグラフィ変換である
請求項4に記載の変位測定装置。
The number of reference markers is 4,
The displacement measuring device according to claim 4, wherein the coordinate transformation is homography transformation.
前記基準マーカは、それぞれ一定のピッチで空間的に繰り返される模様を表し、
前記画像補正部は、前記基準マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差を補償するように前記測定マーカの位置をさらに補正する
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の変位測定装置。
each of the reference markers represents a pattern that is spatially repeated at a constant pitch;
6. The image correction unit further corrects the position of the measurement marker so as to compensate for a phase difference between frames of a moire image generated from the pattern of the reference marker. Displacement measuring device as described.
それぞれ一定のピッチで空間的に繰り返される模様を表す2個以上の基準マーカを表す画像をフレームごとに撮像部から取得し、
前記基準マーカのフレーム間の変位を補償するように前記画像を補正し、
前記基準マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差を補償するように前記画像をさらに補正する画像補正部を備える
画像補正装置。
acquiring images representing two or more reference markers each representing a pattern that is spatially repeated at a constant pitch from the imaging unit for each frame;
correcting the image to compensate for the frame-to-frame displacement of the fiducial marker;
An image correcting apparatus comprising an image correcting unit that further corrects the image so as to compensate for a phase difference between frames of a moire image generated from the pattern of the reference marker.
コンピュータに、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の変位測定装置、または、請求項7に記載の画像補正装置として機能させるための
プログラム。
to the computer,
A program for functioning as the displacement measuring device according to any one of claims 1 to 6 or the image correcting device according to claim 7.
前記撮像部と、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の変位測定装置、または、請求項7に記載の画像補正装置を備える
システム。
A system comprising the imaging unit, the displacement measuring device according to any one of claims 1 to 6, or the image correcting device according to claim 7.
前記撮像部を設置する移動体を備える
請求項9に記載のシステム。
10. The system according to claim 9, comprising a moving body on which said imaging unit is installed.
変位測定装置が、
変位量の基準とする2個以上の基準マーカと、一定のピッチで繰り返される模様を表す測定マーカとを表す画像をフレームごとに撮像部から取得し、
前記基準マーカのフレーム間の変位を補償するように前記測定マーカの位置を補正する画像補正ステップと、
前記測定マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差から、前記測定マーカの変位量を演算する変位量演算ステップと、
を実行する変位測定方法。
A displacement measuring device
Acquiring an image representing two or more reference markers used as a reference for the amount of displacement and a measurement marker representing a pattern repeated at a constant pitch from the imaging unit for each frame;
an image correction step of correcting the positions of the measurement markers to compensate for inter-frame displacements of the reference markers;
a displacement amount calculation step of calculating a displacement amount of the measurement marker from a phase difference between frames of moiré images generated from the pattern of the measurement marker;
Displacement measurement method to perform.
画像補正装置が、
それぞれ一定のピッチで空間的に繰り返される模様を表す2個以上の基準マーカを表す画像をフレームごとに撮像部から取得し、
前記基準マーカのフレーム間の変位を補償するように前記画像を補正し、
前記基準マーカの模様から生成されるモアレ画像のフレーム間の位相差を補償するように前記画像をさらに補正する画像補正ステップ
を実行する画像補正方法。
The image correction device
acquiring images representing two or more reference markers each representing a pattern that is spatially repeated at a constant pitch from the imaging unit for each frame;
correcting the image to compensate for the frame-to-frame displacement of the fiducial marker;
an image correction step of further correcting the image so as to compensate for phase differences between frames of a moire image generated from the pattern of the reference marker.
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