JP2023128043A - Displacement measurement device and displacement measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、変位計測装置および変位計測方法に関する。 The present invention relates to a displacement measuring device and a displacement measuring method.
特許文献1には、点検口など限られた開口部から撮影された単一視点の全方位撮影画像をもとに、対象空間の形状データを与えることなく、寸法計測を行う方法が示される。具体的には、パノラマ撮影装置を用いて全方位撮影写真を撮影し、対象空間上における鉛直線または水平線の情報を与えて水準調整を行い、その結果を正六面体に投影してキュービックパノラマ画像として合成し、生成されたキュービックパノラマ画像とカメラの高さ情報を用いて三次元座標計測を行う。
特許文献2には、1回のパノラマ撮像で要する全ての撮像の各々について1回ずつ被写体までの距離を計測する場合に比べ、不要な計測を抑制することができる方法が示される。具体的には、パノラマ撮像における複数の撮像範囲のうちの特定撮像範囲内の被写体へ指向性光を射出し、その反射光を受光することで被写体までの距離を計測し、当該計測が成功した場合には、複数の撮像範囲内の被写体を対象とした計測を禁止する。
特許文献3には、柱状構造物に付した所定のパターンを撮影した時系列画像データを入力し、当該時系列画像データから柱状構造物に発生している変位を求め、当該変位から柱状構造物の固有振動数を求め、当該固有振動数に基づいて柱状構造物の状態を判定する方法が示される。柱状構造物に発生している変位を求める際には、ディジタル画像相関法又はモアレ縞位相解析法が用いられる。
特許文献4には、サンプリングモアレ法を用いて対象表面における計測点の変位を計測する際に、対象面の傾き又は計測方向による誤差を低減可能にする方法が示される。また、特許文献5には、単一カメラから得た画像に基づき、サンプリングモアレ法を用いて物体の面内変位および面外変位を測定する方法が示される。 Patent Document 4 discloses a method that makes it possible to reduce errors due to the inclination of the target surface or the measurement direction when measuring the displacement of a measurement point on the target surface using the sampling moiré method. Further, Patent Document 5 discloses a method of measuring in-plane displacement and out-of-plane displacement of an object using a sampling moiré method based on an image obtained from a single camera.
近年、撮像装置で撮像した画像に基づいて物体の変位を計測する技術が発達してきている。当該技術では、物体に装着されたマーカを撮像し、撮像した画像に対して各種画像処理を行うことで、マーカ、ひいては物体の変位が算出される。このような技術を用いると、トータルステーション等の専用の測量装置を用いる場合と比較して、装置コストの低減や、自動化に伴う作業効率の向上等が図れる。さらには、計測結果を数値だけでなく画像の形で残せることや、赤外線カメラによって常時計測を行えることや、撮像装置を監視カメラの役割と兼用できることなどによる、様々な利点も得られる。 In recent years, technology for measuring the displacement of an object based on images captured by an imaging device has been developed. In this technology, the displacement of the marker and, by extension, the object is calculated by capturing an image of a marker attached to an object and performing various image processing on the captured image. By using such technology, compared to using a dedicated surveying device such as a total station, equipment costs can be reduced and work efficiency can be improved due to automation. Furthermore, various advantages can be obtained, such as being able to record measurement results in the form of images as well as numerical values, being able to perform constant measurements with an infrared camera, and being able to use the imaging device as a surveillance camera.
ここで、例えば、建設現場等では、単数または複数の物体における複数の計測点で変位を計測したい場合がある。この場合、複数の計測点にそれぞれに装着された複数のマーカを撮像すればよい。一方、複数のマーカを撮像するためには、一般的に撮影距離を長くする必要がある。この場合、画角が狭くなるおそれや、撮影面の解像度が低下するおそれがあった。そこで、複数のマーカを複数台の撮像装置に振り分けて撮像する方法が考えられる。ただし、この場合、コストの増大を招くおそれがあった。 Here, for example, at a construction site or the like, there are cases where it is desired to measure displacement at a plurality of measurement points on a single object or a plurality of objects. In this case, it is sufficient to image a plurality of markers attached to a plurality of measurement points, respectively. On the other hand, in order to capture images of multiple markers, it is generally necessary to increase the shooting distance. In this case, there was a risk that the angle of view would become narrower or that the resolution of the photographing surface would decrease. Therefore, a method of distributing a plurality of markers to a plurality of imaging devices and capturing images may be considered. However, in this case, there was a risk of an increase in cost.
本発明は、このようなことに鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、複数のマーカ、ひいては複数の計測点の変位を低コストで計測可能な変位計測装置および変位計測方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and one of its objects is to provide a displacement measuring device and a displacement measuring method that can measure the displacement of multiple markers and, by extension, multiple measurement points at low cost. It is about providing.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。 A brief overview of typical inventions disclosed in this application is as follows.
本発明の代表的な実施の形態による変位計測装置は、マーカを撮像する撮像装置と、撮像装置で撮像された画像に基づいてマーカの変位を計測する変位計測器と、を有する。撮像装置は、単数または複数の物体に装着された複数のマーカを撮像し、複数の撮像画像を合成することで一枚の画像内に複数のマーカを含んだパノラマ画像を作成する。変位計測器は、マーカ画像作成部と、マーカ画像解析部と、を備える。マーカ画像作成部は、第1の時点での撮像によって得られた第1のパノラマ画像と、第2の時点での撮像によって得られた第2のパノラマ画像とを対象に、複数のマーカが存在する既知の複数のマーカ領域をそれぞれ抽出することで複数のマーカが撮影された画像を作成する。マーカ画像解析部は、第1のパノラマ画像から作成された複数のマーカ画像と、第2のパノラマ画像から作成された複数のマーカ画像と、に基づいて、第1の時点と第2の時点との間に生じた複数のマーカ毎の変位量を算出する。 A displacement measuring device according to a typical embodiment of the present invention includes an imaging device that images a marker, and a displacement measuring device that measures the displacement of the marker based on an image captured by the imaging device. An imaging device images a plurality of markers attached to a single object or a plurality of objects, and creates a panoramic image including a plurality of markers in one image by composing the plurality of captured images. The displacement measuring device includes a marker image creation section and a marker image analysis section. The marker image creation unit includes a plurality of markers for a first panoramic image obtained by imaging at a first time point and a second panoramic image obtained by imaging at a second time point. By extracting a plurality of known marker regions, an image in which a plurality of markers are photographed is created. The marker image analysis unit determines the first point in time and the second point in time based on the plurality of marker images created from the first panoramic image and the plurality of marker images created from the second panoramic image. The amount of displacement for each of the plurality of markers that occurred during that time is calculated.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、複数のマーカ、ひいては複数の計測点の変位を低コストで計測することが可能になる。 Of the inventions disclosed in this application, the effects obtained by typical ones will be briefly described. Displacements of a plurality of markers and, by extension, a plurality of measurement points can be measured at low cost.
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまでも一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the disclosure is merely an example, and any modifications that can be easily made by those skilled in the art while maintaining the gist of the invention are naturally included within the scope of the present invention. In addition, in order to make the explanation clearer, the drawings may schematically represent the width, thickness, shape, etc. of each part compared to the actual aspect, but these are only examples, and the interpretation of the present invention is It is not limited.
また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。 In addition, in this specification and each figure, the same elements as those described above with respect to the previously shown figures are denoted by the same reference numerals, and detailed explanations may be omitted as appropriate.
(実施の形態1)
<変位計測システムの概略>
図1は、本発明の実施の形態1による変位計測システムの構成例を示す概略図である。図2は、図1におけるマーカの構成例を示す概略図である。図1に示す変位計測システムは、単数または複数の物体3[0]~3[n]に装着された複数のマーカ1r,1m[1]~1m[n]と、撮像装置を含む変位計測装置2とを有する。明細書では、複数のマーカ1r,1m[1]~1m[n]を総称して、マーカ1と呼ぶ。物体3[0]~3[n]は、例えば、立坑工事等の建設現場において地盤上に設置された建造物や、または、地盤そのもの等である。
(Embodiment 1)
<Outline of displacement measurement system>
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a displacement measurement system according to
変位計測装置2は、撮像装置を用いてマーカ1を撮像し、撮像された画像に基づいてマーカ1の変位、ひいては、建造物や地盤等の変位を計測する。これにより、建造物や地盤等の変位状況を逐次監視することができ、例えば、建造物の崩壊や、土砂崩れといった事故が発生する兆候を早期に検知できる。その結果、事故を未然に防止でき、作業者の安全を確保することが可能になる。
The
マーカ1rは、不動点として取り扱う計測点に装着される基準マーカである。一方、基準マーカ1rを除くマーカ1m[1]~1m[n]は、実質的な計測点に装着される計測マーカである。例えば、マーカ1ではなく、変位計測装置2内の撮像装置の設置角度等に変位が生じる可能性がある。基準マーカ1rを設けることで、このような撮像装置自体の変位を検出することが可能になる。ただし、撮像装置自体の変位が生じないことを保証できる場合には、複数のマーカ1r,1m[1]~1m[n]を全て計測マーカとして取り扱ってもよい。
The marker 1r is a reference marker attached to a measurement point treated as a fixed point. On the other hand,
ここで、変位計測装置2内の撮像装置は、パノラマ撮影が可能なパノラマカメラである。これにより、撮像装置は、複数のマーカ1r,1m[1]~1m[n]を撮像し、一枚の画像内に当該複数のマーカ1r,1m[1]~1m[n]を含んだパノラマ画像を作成する。一般的に、パノラマカメラは、例えば、撮像領域を切り替えながら、一部の領域が重複するように複数の撮像領域を撮像し、当該複数の撮像領域から得られた複数の撮像画像を、スティッチング処理により合成する、例えば繋ぎ合わせることで、一枚のパノラマ画像を作成する。その結果、パノラマ画像は、例えば180°を超えるような広い画角の範囲を、解像度を低下させることなく撮像したような画像となる。
Here, the imaging device in the
明細書では、図1に示されるように、変位計測装置2内の撮像装置の光軸方向をZ軸とし、Z軸に直交する面の面方向において、一方向、ここでは水平方向をX軸とし、当該一方向に直交する方向、ここでは垂直方向をY軸とする。複数のマーカ1r,1m[1]~1m[n]は、XY面が撮像されるように装着される。複数のマーカ1r,1m[1]~1m[n]のそれぞれのXY面には、例えば、図2に示されるような模様が記されている。
In the specification, as shown in FIG. 1, the optical axis direction of the imaging device in the
図2に示すマーカ1Aには、周期模様が記されている。周期模様を用いることで、後述するサンプリングモアレ法等を用いてマーカの変位する計測することができる。この例では、周期模様は、格子模様となっており、X軸方向およびY軸方向において、黒レベルの四角が白レベルの四角を挟んで等間隔で配置されている。黒レベルまたは白レベルの四角のX軸方向のピッチはWx[mm]であり、Y軸方向のピッチはWy[mm]であり、ピッチWx,Wyは、例えば、数mm~数十mm等であってよい。
A periodic pattern is written on the
また、図2に示した格子模様は、実質的には、X軸方向またはY軸方向に並んだストライプ模様と等価である。すなわち、格子模様に対して画像処理、詳細にはY軸方向に沿った平均化処理を行うことでX軸方向に並んだストライプ模様に変換できる。同様に、格子模様に対して画像処理、詳細にはX軸方向に沿った平均化処理を行うことでY軸方向に並んだストライプ模様に変換できる。なお、周期模様は、格子模様に限らず、このようなストライプ模様であってもよい。 Further, the lattice pattern shown in FIG. 2 is substantially equivalent to a striped pattern arranged in the X-axis direction or the Y-axis direction. That is, by performing image processing on the grid pattern, specifically averaging processing along the Y-axis direction, it can be converted into a striped pattern lined up in the X-axis direction. Similarly, by performing image processing on the grid pattern, specifically averaging processing along the X-axis direction, it can be converted into a striped pattern arranged in the Y-axis direction. Note that the periodic pattern is not limited to a lattice pattern, and may be such a striped pattern.
<変位計測装置の概略>
図3は、図1における変位計測装置の概略構成例を示すブロック図である。図3に示す変位計測装置2は、パノラマカメラである撮像装置10と、PC(Personal Computer)等の情報処理装置や、または、専用の画像処理装置等で実現される変位計測器20と、を備える。ただし、撮像装置10および変位計測器20は、例えば、パノラマカメラ付きの情報処理装置等の形態で同一の装置内に実装されてもよい。撮像装置10は、前述したように、複数のマーカ1を撮像し、一枚の画像内に当該複数のマーカ1を含んだパノラマ画像を作成する。変位計測器20は、撮像装置10によって作成されたパノラマ画像に基づいて、複数のマーカ1毎、ひいては複数の計測点毎の変位量を計測する。
<Outline of displacement measuring device>
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration example of the displacement measuring device in FIG. 1. As shown in FIG. The
撮像装置10は、レンズ11と、イメージセンサ12と、演算器13と、内部メモリ14と、通信インタフェース15と、パノラマ機構16とを備える。演算器13、内部メモリ14および通信インタフェース15は、互いにバスで接続される。演算器13、内部メモリ14および通信インタフェース15は、例えば、1個のマイクロコントローラ等に実装されてもよい。
The imaging device 10 includes a
レンズ11は、撮像領域からの光をイメージセンサ12に集光する。イメージセンサ12は、代表的には、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサや、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ等であり、アレイ状に配置された複数の画素を含む。イメージセンサ12の各画素は、レンズ11で集光された光の光量に応じた電気信号を生成する。イメージセンサ12は、各画素で生成された電気信号を演算器13へ送信する。
内部メモリ14は、例えば、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、マイクロコントローラ内の内蔵メモリや、または、メモリカード等の外付けメモリ等に該当する。パノラマ機構16は、演算器13からの指示に応じて、例えば、レンズ11や撮像装置10自体等を機械的に動かすことで撮像領域を切り替える。なお、パノラマカメラの方式は、このような機械的に動かす方式に限らず、例えば、複数のレンズを備える方式等を含めて既知の様々な方式であってよい。
The
演算器13は、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、またはDSP(Digital Signal Processor)等のプロセッサ13aと、RAM(Random Access Memory)13bとを備える。プロセッサ13aは、例えば、内部メモリ14からRAM13bへ展開されたプログラムを実行することで、パノラマ画像の作成に必要な各種処理を実行する。詳細には、プロセッサ13aは、パノラマ機構16を介して撮像領域を切り替えながら、イメージセンサ12からの電気信号に基づいて撮像領域毎の画像を作成する。さらに、プロセッサ13aは、撮像領域毎の画像をスティッチング処理により繋ぎ合わせることで、一枚のパノラマ画像を作成し、当該パノラマ画像を内部メモリ14に格納する。
The
通信インタフェース15は、変位計測器20、詳細にはその中の通信インタフェース21との間でデータの送受信を行う。その一つとして、通信インタフェース15は、内部メモリ14に格納されたパノラマ画像を変位計測器20へ送信する。通信インタフェース15と通信インタフェース21との間は、有線または無線で接続される。この際には、例えば、インターネット等の外部ネットワークを介して接続される形態を用いてもよい。
The
外部ネットワークを用いる場合には、例えば、無線通信用の通信インタフェース15を備えた撮像装置10を建設現場に固定的に設置し、変位計測器20を建設会社の社内サーバ装置等に実装するような形態が有益となる。この場合、撮像装置10は、作成したパノラマ画像を、逐次、外部ネットワークを介して社内サーバ装置へ送信し、社内サーバ装置は、当該パノラマ画像に基づいて変位計測を行うことが可能である。
When using an external network, for example, an imaging device 10 equipped with a
変位計測器20は、演算器22と、内部メモリ23と、通信インタフェース21とを備える。演算器22、内部メモリ23および通信インタフェース21は、互いにバスで接続される。例えば、変位計測器20を専用の画像処理装置等で構成する場合、演算器22、内部メモリ23および通信インタフェース21は、1個のマイクロコントローラに実装されてもよい。内部メモリ23は、例えばフラッシュメモリやハードディスクドライブ等の不揮発性メモリである。通信インタフェース21は、例えば、撮像装置10の通信インタフェース15からのパノラマ画像を受信し、それを内部メモリ23に格納する。
The
演算器22は、CPU、GPU、またはDSP等のプロセッサ22aと、RAM22bとを備える。演算器22は、例えば、内部メモリ23に格納されたパノラマ画像に対して所定の画像処理を行うことで複数のマーカ1毎の変位量を算出する。この際に、プロセッサ22aは、例えば、内部メモリ23からRAM22bへ展開された変位計測プログラムを実行することで変位量を算出する。なお、演算器22は、プロセッサ22aに限らず、一部または全てがFPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のハードウェアで構成されてもよい。すなわち、演算器22は、ソフトウェア方式、ハードウェア方式、あるいはその組み合わせによって適宜構成されればよい。これは、撮像装置10内の演算器13に関しても同様である。
The
<変位計測器の概略>
図4は、図3において、撮像装置によって撮像されるパノラマ画像の一例を示す概略図である。図4に示すパノラマ画像25は、一枚の画像内に、複数のマーカ1、すなわち基準マーカ1rおよび計測マーカ1m[1]~1m[n]を含んでいる。パノラマ画像25は、例えば、一部の領域が重複するように設定された複数の撮像領域毎の撮像画像26[0]~26[n]を合成することで作成される。
<Outline of displacement measuring instrument>
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a panoramic image captured by the imaging device in FIG. 3. The
図5は、図3における変位計測器の主要部の概略構成例を示すブロック図である。図5に示す変位計測器20は、マーカ画像作成部30と、マーカ画像解析部28aとを備える。これらの各部は、例えば、プロセッサ22aが変位計測プログラムを実行することで実現される。また、変位計測器20内の内部メモリ23には、時点#1での撮像によって得られたパノラマ画像25#1と、その後の時点#2での撮像によって得られたパノラマ画像25#2とを含む、各時点でのパノラマ画像25が格納されている。
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration example of the main parts of the displacement measuring instrument in FIG. 3. As shown in FIG. The
マーカ画像作成部30は、内部メモリ23に格納された複数のパノラマ画像25を対象に、複数のマーカ1が存在する既知の複数のマーカ領域をそれぞれ抽出することで複数のマーカ画像を作成する。すなわち、パノラマ画像25内でマーカ1が存在するマーカ領域は、図1に示した変位計測システムを構築した段階での位置関係に基づいて、予め固定的に定められる。図4に示される例では、各マーカ1r,1m[1]~1m[n]において、外枠よりも若干内側の画素範囲がマーカ領域として固定的に定められ、このマーカ領域の画像を抽出することで、マーカ画像27が作成される。
The marker
マーカ画像作成部30は、作成したマーカ画像27を、例えばRAM22bに格納する。作成されたマーカ画像27には、時点#1での基準マーカ画像R#1および計測マーカ画像M1#1~Mn#1と、時点#2での基準マーカ画像R#2および計測マーカ画像M1#2~Mn#2とが含まれる。例えば、基準マーカ画像R#1および計測マーカ画像M1#1~Mn#1は、時点#1でのパノラマ画像25#1の中から、基準マーカ1rおよび計測マーカ1m[1]~1m[n]のマーカ領域をそれぞれ抽出することで作成される。
The marker
明細書では、基準マーカ画像R#1,R#2を総称して基準マーカ画像R、または単にマーカ画像Rと呼ぶ。また、計測マーカ画像M1#1,M1#2を総称して計測マーカ画像M1、または単にマーカ画像M1と呼ぶ。同様に、計測マーカ画像Mn#1,Mn#2を総称して計測マーカ画像Mn、または単にマーカ画像Mnと呼ぶ。
In the specification, reference marker
マーカ画像解析部28aは、パノラマ画像25#1から作成された複数のマーカ画像R#1,M1#1~Mn#1と、パノラマ画像25#2から作成された複数のマーカ画像R#2,M1#2~Mn#2と、に基づいて、時点#1と時点#2との間に生じた複数のマーカ1毎の変位量を算出する。具体的には、マーカ画像解析部28aは、サンプリングモアレ部31と、変位量算出部32とを備える。
The marker
サンプリングモアレ部31は、パノラマ画像25#1から作成された複数のマーカ画像R#1,M1#1~Mn#1毎に、サンプリングモアレ法を用いてモアレ縞の位相、ここではPH#1とする、を検出する。同様に、サンプリングモアレ部31は、パノラマ画像25#2から作成された複数のマーカ画像R#2,M1#2~Mn#2毎にモアレ縞の位相、ここではPH#2とする、を検出する。そして、サンプリングモアレ部31は、検出した位相PH#1と位相PH#2との差分に基づいて、時点#1と時点#2との間に生じた複数のマーカ画像R,M1~Mn毎のモアレ縞の位相差を算出する。
The
すなわち、サンプリングモアレ部31は、基準マーカ画像Rで生じた位相差ΔPHr(x,y)と、計測マーカ画像M1~Mnで生じた位相差ΔPHm1(x,y)~ΔPHmn(x,y)とを算出する。位相差ΔPHr(x,y),ΔPHm1(x,y)~ΔPHmn(x,y)のそれぞれは、X軸方向の位相差ΔPH(x)と、Y軸方向の位相差ΔPH(y)とを含む。
That is, the
変位量算出部32は、サンプリングモアレ部31で算出されたマーカ画像R,M1~Mn毎のモアレ縞の位相差ΔPHr(x,y),ΔPHm1(x,y)~ΔPHmn(x,y)[rad]に基づいて、マーカ1毎の変位量、例えば、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の変位量D1(x,y)~Dn(x,y)[mm]を算出する。変位量D1(x,y)~Dn(x,y)のそれぞれは、X軸方向の変位量D(x)と、Y軸方向の変位量D(y)とを含む。
The
具体的には、サンプリングモアレ部31からのX軸方向の位相差ΔPH(x)[rad]およびY軸方向の位相差ΔPH(y)[rad]と、変位量算出部32で算出されるX軸方向の変位量D(x)[mm]およびY軸方向の変位量D(y)[mm]とは、式(1)および式(2)に示す関係となる。式(1)および式(2)において、Wx[mm]およびWy[mm]は、それぞれ、図2に示したマーカ1A上のピッチである。変位量算出部32は、式(1)および式(2)を用いて、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の変位量D1(x,y)~Dn(x,y)を算出する。
D(x)=(ΔPH(x)/2π)×Wx …(1)
D(y)=(ΔPH(y)/2π)×Wy …(2)
Specifically, the phase difference ΔPH (x) [rad] in the X-axis direction and the phase difference ΔPH (y) [rad] in the Y-axis direction from the
D(x)=(ΔPH(x)/2π)×Wx…(1)
D(y)=(ΔPH(y)/2π)×Wy...(2)
ただし、この際に、変位量算出部32は、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の変位量D1(x,y)~Dn(x,y)を、基準マーカ1rの変位量との差分値で算出する。詳細には、変位量算出部32は、例えば、計測マーカ1m[1]で生じた位相差ΔPHm1(x,y)と、基準マーカ1rで生じた位相差ΔPHr(x,y)との差分値“ΔPHm1(x,y)-ΔPHr(x,y)”を、計測マーカ1m[1]で生じた位相差とみなす。そして、変位量算出部32は、当該みなした位相差を式(1)および式(2)に代入することで、計測マーカ1m[1]の変位量D1(x,y)を算出する。
However, at this time, the
同様に、変位量算出部32は、計測マーカ1m[n]で生じた位相差ΔPHmn(x,y)と、基準マーカ1rで生じた位相差ΔPHr(x,y)との差分値を、計測マーカ1m[n]で生じた位相差とみなして、計測マーカ1m[n]の変位量Dn(x,y)を算出する。このように、計測マーカ1m[1]~1m[n]の位相差、ひいては変位量を、基準マーカ1rの位相差、ひいては変位量との差分値で算出することで、図1でも述べたように、撮像装置10の変位を検出することができ、撮像装置10の変位を反映した上で、計測マーカ毎の変位を計測することが可能になる。
Similarly, the
<サンプリングモアレ部の詳細>
図6は、図5におけるサンプリングモアレ部の構成例を示すブロック図である。図7は、図6における位相検出部の処理内容の一例を説明する模式図である。図6に示すサンプリングモアレ部31は、位相検出部35と、位相差算出部36とを有する。位相検出部35は、時点#1でのマーカ画像27#1を対象に、サンプリングモアレ法を用いてモアレ縞の位相PH(x,y)#1を検出し、同様に、時点#2でのマーカ画像27#2を対象にモアレ縞の位相PH(x,y)#2を検出する。マーカ画像27#1は、時点#1での基準マーカ画像R#1および計測マーカ画像M1#1~Mn#1の中の一つに該当し、マーカ画像27#2は、時点#2での基準マーカ画像R#2および計測マーカ画像M1#2~Mn#2の中の一つに該当する。
<Details of sampling moiré part>
FIG. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of the sampling moiré section in FIG. 5. FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of the processing contents of the phase detection section in FIG. 6. The
ここで、位相PH(x,y)#1,PH(x,y)#2のそれぞれは、X軸方向の位相PH(x)と、Y軸方向の位相PH(y)とを含む。X軸方向の位相PH(x)は、X軸方向に並ぶ周期模様から得られ、Y軸方向の位相PH(y)は、Y軸方向に並ぶ周期模様から得られる。図2で述べたように、位相検出部35は、X軸方向の位相PH(x)を検出する場合、前処理として、マーカ画像27が表す格子模様をX軸方向に並んだストライプ模様に変換する。同様に、位相検出部35は、Y軸方向の位相PH(y)を検出する場合、前処理として、マーカ画像27が表す格子模様をY軸方向に並んだストライプ模様に変換する。
Here, each of the phases PH(x,y)#1 and PH(x,y)#2 includes a phase PH(x) in the X-axis direction and a phase PH(y) in the Y-axis direction. The phase PH(x) in the X-axis direction is obtained from the periodic patterns arranged in the X-axis direction, and the phase PH(y) in the Y-axis direction is obtained from the periodic patterns arranged in the Y-axis direction. As described in FIG. 2, when detecting the phase PH(x) in the X-axis direction, the
図7には、位相検出部35で用いられるサンプリングモアレ法の原理が示される。図7において、ピッチpで配置された複数の画素Pを有する撮像装置10は、マーカ1Aを撮像することで周期模様を含んだマーカ画像27を作成する。位相検出部35は、この周期模様を対象に、サンプリングモアレ法に基づき次のような処理を行うことで、モアレ縞の位相を検出する。
FIG. 7 shows the principle of the sampling moiré method used in the
まず、位相検出部35は、マーカ画像27内の周期模様を対象に、画素Pを所定の間隔でサンプリングする、代表的には4画素に1画素ずつサンプリングすることで、サンプリング画像を作成する。この際に、位相検出部35は、このサンプリングする画素位置を順にシフトすることで、4個のサンプリング画像40[0]~40[3]を作成する。
First, the
続いて、位相検出部35は、4個のサンプリング画像40[0]~40[3]を対象にそれぞれ内挿を行うことで、モアレ縞を含んだ4個のモアレ画像41[0]~41[3]を作成する。次いで、位相検出部35は、モアレ画像41[0]に含まれるモアレ縞の位相、詳細にはモアレ縞の輝度分布42における画素P毎の位相PHを求めるため、複数の画素P毎に式(3)を演算する。式(3)において、I0,I1,I2,I3は、それぞれ、各画素Pにおけるモアレ画像41[0],41[1],41[2],41[3]の輝度値である。
tan(PH)=-(I3-I1)/(I2-I0) …(3)
Next, the
tan(PH)=-(I3-I1)/(I2-I0)...(3)
ここで、モアレ画像41[n](n=0,1,2,3)における各画素Pの輝度値Inは、一般的に、輝度振幅A0、位相PH、背景輝度B0を用いて、式(4)で表すことができる。式(4)において、未知数であるA0,B0が判明すれば、位相PHを求めることが可能である。そこで、サンプリングモアレ法では、例えば、図7のように、順に位相をπ/2ずつシフトさせた4個のモアレ画像41[0]~41[3]を作成することで、画素P毎に4個の輝度値I0~I3を取得できるようにする。4個の輝度値I0~I3を取得できると、式(4)に基づき、4個の連立方程式を作成できる。式(3)は、この4個の連立方程式から位相PHを求めた式である。
In=A0×cos(PH+(n×π/2))+B0 …(4)
Here, the brightness value In of each pixel P in the moire image 41[n] (n=0, 1, 2, 3) is generally calculated using the formula ( 4). In equation (4), if the unknowns A0 and B0 are known, it is possible to determine the phase PH. Therefore, in the sampling moire method, for example, as shown in FIG. 7, by creating four moire images 41[0] to 41[3] whose phases are sequentially shifted by π/2, brightness values I0 to I3 can be obtained. If four luminance values I0 to I3 can be obtained, four simultaneous equations can be created based on equation (4). Equation (3) is an equation for determining the phase PH from these four simultaneous equations.
In=A0×cos(PH+(n×π/2))+B0…(4)
このようなサンプリングモアレ法を用いて、位相検出部35は、複数の画素P毎に、時点#1での各マーカ画像27#1を対象として位相PH(x,y)#1を検出し、時点#2での各マーカ画像27#2を対象として位相PH(x,y)#2を検出する。なお、図7に示されるように、位相を順にシフトさせた複数の格子画像、ここではモアレ画像を作成し、式(3)等によって格子、ここではモアレ縞の位相PHを求める方式は、位相シフト法とも呼ばれる。サンプリングモアレ法は、この位相シフト法を利用すると共に、格子画像として、画素Pのサンプリングによって作成したモアレ画像を適用したものである。
Using such a sampling moiré method, the
図6に戻り、位相差算出部36は、平均値算出部37を備える。位相差算出部36は、位相検出部35からの入力を受けて、時点#1での位相PH(x,y)#1と、時点#2での位相PH(x,y)#2との位相差を算出する。詳細には、位相差算出部36は、このような位相差を、複数の画素P毎に式(3)を用いて算出する。平均値算出部37は、複数の画素Pから得られる位相差の平均値を算出し、算出結果となる位相差ΔPH(x,y)を図5に示した変位量算出部32へ出力する。
Returning to FIG. 6, the phase
なお、サンプリングモアレ法は、一般的に、画素P毎の位相差に基づいて、マーカ1の装着領域における面内変位、言い換えれば物体の変形状態等を計測する際に用いられる。一方、例えば、立坑工事等の建設現場では、建造物や地盤等の変位を計測する際に、マーカ1の面内変位の情報は、特に必要とされず、マーカ1の全体として変位情報、ひいては、物体自体の移動情報等が必要とされる場合が多い。このようにマーカ1の全体として変位を計測するため、この例では、平均値算出部37を用いて平均値の算出が行われる。また、マーカ画像27の解像度が低くなるほど、変位計測の精度や分解能が低下するため、マーカ画像27は、ある程度高い解像度を持つ必要がある。このため、図4に示したようなパノラマ画像25を作成することが有益となる。
Note that the sampling moiré method is generally used to measure in-plane displacement in the mounting area of the
<実施の形態1の主要な効果>
以上、実施の形態1の方式を用いることで、代表的には、複数のマーカ1、ひいては複数の計測点の変位を低コストで計測可能になる。詳細には、実施の形態1の方式では、撮像装置10が、一枚の画像内に複数のマーカ1を含んだパノラマ画像25を作成することで、変位計測器20は、当該パノラマ画像25から抽出した、十分な解像度を持つ複数のマーカ画像27に基づいて複数のマーカ1毎の変位を計測することができる。その結果、十分な解像度を得るために複数台の撮像装置を設ける必要性がなくなり、1台の撮像装置10を設けることで、高分解能または高精度な変位計測を行うことが可能になる。
<Main effects of
As described above, by using the method of
さらに、実施の形態1の方式では、基準マーカ1rが設けられ、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の変位量が、基準マーカ1rの変位量との差分値で算出される。その結果、撮像装置10の変位を反映した上で、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の変位を計測することが可能になる。そして、この際に、基準マーカ画像Rと、計測マーカ画像M1~Mnとは、異なる撮像装置で撮像されたものではなく、1台の撮像装置10によるパノラマ撮影によって撮像されたもの、すなわち実質的に同一の条件で撮像されたものであるため、撮像装置10の変位を誤判定するような事態も生じ難い。
Furthermore, in the method of the first embodiment, a reference marker 1r is provided, and the displacement amount for each
(実施の形態2)
<変位計測器の概略>
図8は、実施の形態2による変位計測装置において、図1におけるマーカの構成例を示す概略図である。図8に示すマーカ1Bには、幾何学模様が記されている。幾何学模様を用いることで、後述する位相限定相関法等を用いてマーカの変位する計測することができる。幾何学模様は、この例では、6個の円を60°刻みで配置したものとなっている。ただし、これに限らず、幾何学模様は、一般的に知られている様々な模様であってよく、特に、X軸方向およびY軸方向に周期的な成分を含まないような模様であればよい。
(Embodiment 2)
<Outline of displacement measuring instrument>
FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration example of the marker in FIG. 1 in the displacement measuring device according to the second embodiment. A geometric pattern is written on the
図9は、実施の形態2による変位計測装置において、図3における変位計測器の主要部の概略構成例を示すブロック図である。図9に示す変位計測器20は、マーカ画像作成部30と、マーカ画像解析部28bとを備える。マーカ画像作成部30は、図5の場合と同様に、内部メモリ23に格納されたパノラマ画像25#1,25#2,…を対象に、既知の複数のマーカ領域をそれぞれ抽出することで複数のマーカ画像を作成する。ただし、図4において、パノラマ画像25に含まれる基準マーカ1rおよび計測マーカ1m[1]~1m[n]のマーカ画像27は、図2に示した周期模様から図8に示した幾何学模様に置き換わったものとなる。
FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration example of the main part of the displacement measuring device in FIG. 3 in the displacement measuring device according to the second embodiment. The
マーカ画像解析部28bは、図5の場合と同様に、パノラマ画像25#1から作成された複数のマーカ画像R#1,M1#1~Mn#1と、パノラマ画像25#2から作成された複数のマーカ画像R#2,M1#2~Mn#2と、に基づいて、時点#1と時点#2との間に生じた複数のマーカ1毎の変位量を算出する。ただし、マーカ画像解析部28bは、図5の場合と異なり、位相限定相関部45と、変位量算出部46とを備える。
The marker
位相限定相関部45は、パノラマ画像25#1から作成された複数のマーカ画像R#1,M1#1~Mn#1と、パノラマ画像25#2から作成された複数のマーカ画像R#2,M1#2~Mn#2との相関を、位相限定相関法を用いてそれぞれ算出する。これにより、位相限定相関部45は、時点#1と時点#2との間に生じた複数のマーカ画像R,M1~Mn毎のシフト量を算出する。
The phase-
すなわち、位相限定相関部45は、基準マーカ画像Rで生じたシフト量ΔSFr(x,y)と、計測マーカ画像M1~Mnで生じたシフト量ΔSFm1(x,y)~ΔSFmn(x,y)とを算出する。シフト量ΔSFr(x,y),ΔSFm1(x,y)~ΔSFmn(x,y)のそれぞれは、X軸方向のシフト量ΔSF(x)と、Y軸方向のシフト量ΔSF(y)とを含む。
That is, the phase-
変位量算出部46は、位相限定相関部45で算出されたマーカ画像R,M1~Mn毎のシフト量ΔSFr(x,y),ΔSFm1(x,y)~ΔSFmn(x,y)[画素(px)]に基づいて、マーカ1毎の変位量、例えば、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の変位量D1(x,y)~Dn(x,y)[mm]を算出する。変位量D1(x,y)~Dn(x,y)のそれぞれは、X軸方向の変位量D(x)と、Y軸方向の変位量D(y)とを含む。
The
具体的には、位相限定相関部45からのX軸方向のシフト量ΔSF(x)[px]およびY軸方向のシフト量ΔSF(y)[px]と、変位量算出部46で算出されるX軸方向の変位量D(x)[mm]およびY軸方向の変位量D(y)[mm]とは、式(5)および式(6)に示す関係となる。式(5)および式(6)において、Lx[mm]およびLy[mm]は、イメージセンサ12の1画素に対応するマーカ1上のX軸方向の長さおよびY軸方向の長さであり、イメージセンサ12の画素数や撮像時の光学倍率の設定等に基づいて固定的に定められる。変位量算出部46は、式(5)および式(6)を用いて、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の変位量D1(x,y)~Dn(x,y)を算出する。
D(x)=ΔSF(x)×Lx …(5)
D(y)=ΔSF(y)×Ly …(6)
Specifically, the shift amount ΔSF(x) [px] in the X-axis direction and the shift amount ΔSF(y) [px] in the Y-axis direction from the phase-
D(x)=ΔSF(x)×Lx…(5)
D(y)=ΔSF(y)×Ly...(6)
ただし、この際に、変位量算出部46は、図5の場合と同様に、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の変位量D1(x,y)~Dn(x,y)を、基準マーカ1rの変位量との差分値で算出する。詳細には、変位量算出部46は、例えば、計測マーカ1m[1]で生じたシフト量ΔSFm1(x,y)と、基準マーカ1rで生じたシフト量ΔSFr(x,y)との差分値“ΔSFm1(x,y)-ΔSFr(x,y)”を、計測マーカ1m[1]で生じたシフト量とみなす。そして、変位量算出部46は、当該みなしたシフト量を式(5)および式(6)に代入することで、計測マーカ1m[1]の変位量D1(x,y)を算出する。他の計測マーカ1m[n]に関しても同様である。
However, at this time, the
<位相限定相関部の詳細>
図10は、図9における位相限定相関部の構成例を示すブロック図である。複数の画像の一致度を、画像の周波数成分の相関によって求める方式が知られている。画像の周波数成分を求めた場合、画像内の像の形状に関する情報は、一般的に、振幅スペクトルではなく位相スペクトルによって保持される。これを利用して、位相限定相関法では、画像の相関を求める際に、画像の周波数成分の振幅スペクトルを例えば1に正規化した上で位相スペクトルを主体として相関が求められる。
<Details of phase-only correlation section>
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of the phase-only correlation section in FIG. 9. A method is known in which the degree of matching between a plurality of images is determined by correlating frequency components of the images. When determining the frequency components of an image, information about the shape of the image within the image is generally held by the phase spectrum rather than the amplitude spectrum. Utilizing this, in the phase-only correlation method, when determining the correlation between images, the amplitude spectrum of the frequency component of the image is normalized to 1, for example, and then the correlation is determined mainly based on the phase spectrum.
図10に示す位相限定相関部45は、フーリエ変換部50と、合成関数算出部51と、相関関数算出部52とを備える。フーリエ変換部50には、時点#1でのマーカ画像27#1の画像データf1(m,n)と、時点#2でのマーカ画像27#2の画像データf2(m,n)とが入力される。マーカ画像27#1は、時点#1での基準マーカ画像R#1および計測マーカ画像M1#1~Mn#1の中の一つに該当し、マーカ画像27#2は、時点#2での基準マーカ画像R#2および計測マーカ画像M1#2~Mn#2の中の一つに該当する。ここで、マーカ画像27の画素領域をM×N画素として、mはM個の整数のいずれかであり、nはN個の整数のいずれかである。
The phase-
フーリエ変換部50は、画像データf1(m,n),f2(m,n)を例えば二次元離散フーリエ変換することで、式(7)および式(8)に示されるフーリエ変換値F1(u,v),F2(u,v)をそれぞれ算出する。式(7)および式(8)において、uはM個の整数のいずれかであり、vはN個の整数のいずれかである。また、A(u,v),B(u,v)は、振幅スペクトルであり、ejθ1(u,v)およびejθ2(u,v)は、位相スペクトルである。
F1(u,v)=A(u,v)×ejθ1(u,v) …(7)
F2(u,v)=B(u,v)×ejθ2(u,v) …(8)
The
F1(u,v)=A(u,v)×e jθ1(u,v) ...(7)
F2(u,v)=B(u,v)×e jθ2(u,v) ...(8)
合成関数算出部51は、フーリエ変換値F1(u,v)の位相スペクトルと、フーリエ変換値F2(u,v)の位相スペクトルの複素共役とを乗算することで、式(9)に示される合成関数C12(u,v)を算出する。相関関数算出部52は、式(9)の合成関数C12(u,v)を二次元離散フーリエ逆変換することで、相関関数c12(m,n)を算出する。
C12(u,v)=ej(θ1(u,v)-θ2(u,v)) …(9)
The composition
C12(u,v)=e j(θ1(u,v)−θ2(u,v)) …(9)
ここで、例えば、画像データf1(m,n)と画像データf2(m,n)とで像の位置が同一である場合を想定する。この場合、画像データf1(m,n)と画像データf2(m,n)との相関関数c12(m,n)は、原点位置(0,0)にピーク値を持つデルタ関数に近いものとなる。一方、画像データf2(m,n)が、画像データf1(m,n)に対して像の位置をm方向にΔmだけシフトさせた画像データである場合を想定する。この場合、画像データf1(m,n)と画像データf2(m,n)(=f1(m-Δm,n))との相関関数c12(m,n)を算出すると、ピーク値の位置が原点位置からm方向にΔmだけシフトする。n方向についても同様である。 Here, for example, assume that the positions of the images of image data f1 (m, n) and image data f2 (m, n) are the same. In this case, the correlation function c12(m,n) between image data f1(m,n) and image data f2(m,n) is close to a delta function with a peak value at the origin position (0,0). Become. On the other hand, assume that the image data f2 (m, n) is image data in which the image position is shifted by Δm in the m direction with respect to the image data f1 (m, n). In this case, when the correlation function c12(m,n) between image data f1(m,n) and image data f2(m,n) (=f1(m-Δm,n)) is calculated, the position of the peak value is Shift by Δm in the m direction from the origin position. The same applies to the n direction.
このように、このように位相限定相関部45を用いると、ピーク値が生じた位置に基づいて、時点#1と時点#2との間に生じたマーカ画像27のm方向およびn方向への各シフト量、すなわち、X軸方向およびY軸方向へのシフト量ΔSF(x,y)を算出できる。位相限定相関部45は、当該算出したシフト量ΔSF(x,y)を、図9に示した変位量算出部46へ出力する。なお、マーカ画像27の解像度が低くなるほど、変位計測の精度や分解能が低下するため、マーカ画像27は、ある程度高い解像度を持つ必要がある。このため、図4に示したようなパノラマ画像25を作成することが有益となる。
In this way, when the phase-
<実施の形態2の主要な効果>
以上、実施の形態2の方式を用いることでも、実施の形態1で述べた各種効果と同様の効果が得られ、代表的には、複数のマーカ1、ひいては複数の計測点の変位を低コストで計測可能になる。なお、サンプリングモアレ法と位相限定相関法とを比較すると、分解能の観点ではサンプリングモアレ法が優れ、画像処理の容易性やコスト等の観点では位相限定相関法が優れる。このため、例えば、変位計測に高い分解能が求められる場合には、実施の形態1の方式を適用し、そうでない場合には、実施の形態2の方式を適用すればよい。
<Main effects of
As described above, by using the method of
すなわち、分解能は、位相限定相関法では画素単位となるに対して、サンプリングモアレ法では、例えば、図7のマーカ画像27に示される周期模様をモアレ画像41[0]に示される周期模様に拡大して変位を計測するため、実効的にサブ画素単位となる。また、位相限定相関法では、図10で述べたような簡素な演算処理によって変位を計測できるのに対して、サンプリングモアレ法では、図7で述べたような複雑な画像処理が必要とされる。さらに、位相限定相関法では、通常、高い分解能を求められないため、サンプリングモアレ法と比較して、高性能、すなわち高コストなイメージセンサ12等は必要とされない。
That is, the resolution is in pixel units in the phase-only correlation method, whereas in the sampling moiré method, for example, the periodic pattern shown in the marker image 27 in FIG. 7 is expanded to the periodic pattern shown in the moiré image 41[0]. Since the displacement is measured by using a sub-pixel, the displacement is effectively measured in sub-pixel units. Furthermore, in the phase-only correlation method, displacement can be measured through simple arithmetic processing as described in Figure 10, whereas in the sampling moiré method, complex image processing as described in Figure 7 is required. . Furthermore, since the phase-only correlation method does not normally require high resolution, it does not require high performance, ie, high-
(実施の形態3)
<変位計測器の概略>
図11は、実施の形態3による変位計測装置において、図1におけるマーカの構成例を示す概略図である。図11に示すマーカ1Cは、図2に示したマーカ1Aと図8に示したマーカ1Bとを組み合わせたものである。すなわち、マーカ1Cには、幾何学模様と周期模様とが、互いに重複しないように、例えばX軸方向に並んで記されている。幾何学模様は、位相限定相関法で用いられ、周期模様は、サンプリングモアレ法で用いられる。
(Embodiment 3)
<Outline of displacement measuring instrument>
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration example of the marker in FIG. 1 in the displacement measuring device according to the third embodiment. The marker 1C shown in FIG. 11 is a combination of the
図12は、実施の形態3による変位計測装置において、図3における変位計測器の主要部の概略構成例を示すブロック図である。図12に示す変位計測器20は、マーカ画像作成部30と、マーカ画像解析部28cとを備える。マーカ画像作成部30は、図5の場合と同様に、内部メモリ23に格納されたパノラマ画像25#1,25#2,…を対象に、既知の複数のマーカ領域をそれぞれ抽出することで複数のマーカ画像を作成する。
FIG. 12 is a block diagram showing a schematic configuration example of the main parts of the displacement measuring device in FIG. 3 in the displacement measuring device according to the third embodiment. The
ただし、図4において、パノラマ画像25に含まれる基準マーカ1rおよび計測マーカ1m[1]~1m[n]のマーカ画像27は、図2に示した周期模様から図11に示した幾何学模様および周期模様の組み合わせに置き換わったものとなる。図11に示したようなマーカ1Cを用いる場合、マーカ画像27の領域が広がり得るため、通常は、解像度を保ち難くなる。一方、パノラマ画像25を用いると、幾何学模様と周期模様のそれぞれの解像度を十分に高めることが可能になる。なお、マーカ領域は、幾何学模様と周期模様のそれぞれに対して個別に設定される。
However, in FIG. 4, the marker images 27 of the reference marker 1r and
マーカ画像解析部28cは、図5および図9の場合と同様に、パノラマ画像25#1から作成された複数のマーカ画像R#1,M1#1~Mn#1と、パノラマ画像25#2から作成された複数のマーカ画像R#2,M1#2~Mn#2と、に基づいて、時点#1と時点#2との間に生じた複数のマーカ1毎の変位量を算出する。ただし、マーカ画像解析部28cは、図5および図9の場合と異なり、サンプリングモアレ部31と、位相限定相関部45と、変位量算出部55とを備える。
As in the case of FIGS. 5 and 9, the marker
サンプリングモアレ部31は、図5および図6に示した構成と同様であり、サンプリングモアレ法を用いて、基準マーカ画像Rで生じた位相差ΔPHr(x,y)と、計測マーカ画像M1~Mnで生じた位相差ΔPHm1(x,y)~ΔPHmn(x,y)とを算出する。位相限定相関部45は、図9および図10に示した構成と同様であり、位相限定相関法を用いて、基準マーカ画像Rで生じたシフト量ΔSFr(x,y)と、計測マーカ画像M1~Mnで生じたシフト量ΔSFm1(x,y)~ΔSFmn(x,y)とを算出する。
The
ここで、サンプリングモアレ法では、周期模様を用いるため、マーカ1に、周期模様の1周期分の長さを超える変位が生じた場合、すなわち周期ズレが生じた場合に、当該周期ズレを検出することが困難となる。一方、位相限定相関法では、幾何学模様を用いるため、このような周期ズレの問題は生じない。そこで、変位量算出部55は、位相限定相関部45で算出された複数のマーカ画像27毎のシフト量ΔSF(x,y)に基づいて、サンプリングモアレ部31で算出された複数のマーカ画像27毎のモアレ縞の位相差ΔPH(x,y)に加わる周期ズレの大きさを判別する。そして、変位量算出部55は、当該モアレ縞の位相差ΔPH(x,y)と周期ズレの大きさとに基づいて、複数のマーカ1毎の変位量D1(x,y)~Dn(x,y)を算出する。
Here, in the sampling moiré method, since a periodic pattern is used, if a displacement exceeding the length of one period of the periodic pattern occurs in
図13は、図12における変位量算出部の処理内容の一例を説明する概念図である。図13には、サンプリングモアレ部31によって検出された、時点#1でのモアレ縞の輝度分布42#1の位相と、時点#2でのモアレ縞の輝度分布42#2の位相とが示される。サンプリングモアレ部31は、輝度分布42#1の位相と、輝度分布42#2の位相との位相差ΔPH[rad]を-πから+πまでの範囲で算出する。このため、実際の位相差は、ΔPH+0であるとは限らず、ΔPH+2πや、ΔPH+4π等である可能性がある。この0,2π,4π等を、位相限定相関部45からのシフト量ΔSF(x,y)に基づいて判別する。
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating an example of the processing content of the displacement amount calculation unit in FIG. 12. FIG. 13 shows the phase of the moire
具体例として、図11に示したマーカ1Cにおける周期模様のピッチWxが5mmであり、位相限定相関法による分解能、すなわち、式(5)におけるLxが5mm、または5mm未満であり、実際の変位量が12mmであった場合を想定する。サンプリングモアレ法を用いると、変位量は、例えば、2mm,7mm,12mm,17mm,…のいずれかといった結果が得られる。一方、位相限定相関法を用いると、変位量は、例えば、10mm~15mmの範囲内といった結果が得られる。変位量算出部55は、これらの結果の重複部分に基づいて、実際の変位量である12mmを算出することができる。
As a specific example, the pitch Wx of the periodic pattern in marker 1C shown in FIG. Assume that the length is 12 mm. When the sampling moiré method is used, a displacement amount of, for example, 2 mm, 7 mm, 12 mm, 17 mm, etc. can be obtained. On the other hand, when the phase-only correlation method is used, a result is obtained in which the amount of displacement is within a range of, for example, 10 mm to 15 mm. The
変位量算出部55は、このようにして、基準マーカ1rの実際の変位量と、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の実際の変位量とを算出する。さらに、変位量算出部55は、図5の場合と同様に、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の実際の変位量と基準マーカ1rの実際の変位量との差分値によって、計測マーカ1m[1]~1m[n]毎の正しい変位量D1(x,y)~Dn(x,y)を算出する。
In this way, the
<実施の形態3の主要な効果>
以上、実施の形態3の方式を用いることで、実施の形態1および実施の形態2で述べた各種効果と同様の効果が得られ、代表的には、複数のマーカ1、ひいては複数の計測点の変位を低コストで計測可能になる。さらに、サンプリングモアレ法で生じる周期ズレの大きさを、位相限定相関法を用いて検出することができ、サンプリングモアレ法に基づく高分解能な計測を、広い計測範囲で実現することが可能になる。
<Main effects of
As described above, by using the method of
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。 As above, the invention made by the present inventor has been specifically explained based on the embodiments, but the present invention is not limited to the embodiments described above, and various changes can be made without departing from the gist thereof.
1,1A~1C…マーカ、1r…基準マーカ、1m[1]~1m[n]…計測マーカ、2…変位計測装置、3[0]~3[n]…物体、10…撮像装置、20…変位計測器、25…パノラマ画像、26[0]~26[n]…撮像画像、27…マーカ画像、28a~28c…マーカ画像解析部、30…マーカ画像作成部、31…サンプリングモアレ部、32,46,55…変位量算出部、45…位相限定相関部、R…基準マーカ画像、M1~Mn…計測マーカ画像 1, 1A to 1C...Marker, 1r...Reference marker, 1m[1] to 1m[n]...Measurement marker, 2...Displacement measuring device, 3[0] to 3[n]...Object, 10...Imaging device, 20 ...Displacement measuring device, 25...Panorama image, 26[0] to 26[n]...Pictured image, 27...Marker image, 28a to 28c...Marker image analysis section, 30...Marker image creation section, 31...Sampling moire section, 32, 46, 55...Displacement amount calculation unit, 45...Phase only correlation unit, R...Reference marker image, M1 to Mn...Measurement marker image
Claims (7)
前記撮像装置で撮像された画像に基づいて前記マーカの変位を計測する変位計測器と、
を有する変位計測装置であって、
前記撮像装置は、単数または複数の物体に装着された複数のマーカを撮像し、複数の撮像画像を合成することで一枚の画像内に前記複数のマーカを含んだパノラマ画像を作成し、
前記変位計測器は、
第1の時点での撮像によって得られた第1のパノラマ画像と、第2の時点での撮像によって得られた第2のパノラマ画像とを対象に、前記複数のマーカが存在する既知の複数のマーカ領域をそれぞれ抽出することで複数のマーカ画像を作成するマーカ画像作成部と、
前記第1のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像と、前記第2のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像と、に基づいて、前記第1の時点と前記第2の時点との間に生じた前記複数のマーカ毎の変位量を算出するマーカ画像解析部と、
を備える、
変位計測装置。 an imaging device that images the marker;
a displacement measuring device that measures the displacement of the marker based on an image captured by the imaging device;
A displacement measuring device having:
The imaging device images a plurality of markers attached to a single object or a plurality of objects, and creates a panoramic image including the plurality of markers in one image by combining the plurality of captured images,
The displacement measuring device is
A first panoramic image obtained by imaging at a first point in time and a second panoramic image obtained by imaging at a second point in time are targeted for a known plurality of known markers in which the plurality of markers exist. a marker image creation unit that creates a plurality of marker images by extracting each marker area;
The first point in time and the second point in time are determined based on the plurality of marker images created from the first panoramic image and the plurality of marker images created from the second panoramic image. a marker image analysis unit that calculates the amount of displacement for each of the plurality of markers that occurred during
Equipped with
Displacement measuring device.
前記複数のマーカの一つは、不動点として取り扱う計測点に装着された基準マーカであり、
前記基準マーカを除くマーカは、計測マーカであり、
前記マーカ画像解析部は、前記計測マーカ毎の変位量を、前記基準マーカの変位量との差分値で算出する、
変位計測装置。 The displacement measuring device according to claim 1,
One of the plurality of markers is a reference marker attached to a measurement point treated as a fixed point,
Markers other than the reference marker are measurement markers,
The marker image analysis unit calculates the displacement amount of each measurement marker using a difference value from the displacement amount of the reference marker.
Displacement measuring device.
前記複数のマーカのそれぞれには、周期模様が記され、
前記マーカ画像解析部は、前記第1のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像毎にサンプリングモアレ法を用いてモアレ縞の第1の位相を検出し、前記第2のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像毎に前記サンプリングモアレ法を用いて前記モアレ縞の第2の位相を検出し、前記第1の位相と前記第2の位相との差分に基づいて、前記第1の時点と前記第2の時点との間に生じた前記複数のマーカ画像毎の前記モアレ縞の位相差を算出する、
変位計測装置。 The displacement measuring device according to claim 1 or 2,
A periodic pattern is written on each of the plurality of markers,
The marker image analysis unit detects a first phase of a moire fringe using a sampling moire method for each of the plurality of marker images created from the first panoramic image, and detects a first phase of a moire fringe created from the second panoramic image. A second phase of the moire fringes is detected for each of the plurality of marker images using the sampling moire method, and based on the difference between the first phase and the second phase, the second phase of the moire fringe is detected for each of the plurality of marker images. and calculating a phase difference of the moiré fringes for each of the plurality of marker images that occurs between and the second time point.
Displacement measuring device.
前記複数のマーカのそれぞれには、幾何学模様が記され、
前記マーカ画像解析部は、前記第1のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像と、前記第2のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像との相関を、位相限定相関法を用いてそれぞれ算出することで、前記第1の時点と前記第2の時点との間に生じた前記複数のマーカ画像毎のシフト量を算出する、
変位計測装置。 The displacement measuring device according to claim 1 or 2,
A geometric pattern is written on each of the plurality of markers,
The marker image analysis unit calculates the correlation between the plurality of marker images created from the first panoramic image and the plurality of marker images created from the second panoramic image using a phase-only correlation method. calculating a shift amount for each of the plurality of marker images that occurred between the first time point and the second time point;
Displacement measuring device.
前記複数のマーカのそれぞれには、周期模様と幾何学模様とが記され、
前記マーカ画像解析部は、
前記周期模様を対象に、前記第1のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像毎にサンプリングモアレ法を用いてモアレ縞の第1の位相を検出し、前記第2のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像毎に前記サンプリングモアレ法を用いて前記モアレ縞の第2の位相を検出し、前記第1の位相と前記第2の位相との差分によって、前記第1の時点と前記第2の時点との間で生じた前記複数のマーカ画像毎の前記モアレ縞の位相差を算出するサンプリングモアレ部と、
前記幾何学模様を対象に、前記第1のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像と、前記第2のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像との相関を、位相限定相関法を用いてそれぞれ算出することで、前記第1の時点と前記第2の時点との間に生じた前記複数のマーカ画像毎のシフト量を算出する位相限定相関部と、
前記位相限定相関部で算出された前記複数のマーカ画像毎のシフト量に基づいて、前記サンプリングモアレ部で算出された前記複数のマーカ画像毎の前記モアレ縞の位相差に加わる周期ズレの大きさを判別し、前記モアレ縞の位相差と前記周期ズレの大きさとに基づいて、前記複数のマーカ毎の変位量を算出する変位量算出部と、
を備える、
変位計測装置。 The displacement measuring device according to claim 1 or 2,
Each of the plurality of markers has a periodic pattern and a geometric pattern written on it,
The marker image analysis unit includes:
A sampling moire method is used to detect a first phase of moire fringes for each of the plurality of marker images created from the first panoramic image for the periodic pattern, and a first phase of moire fringes created from the second panoramic image is detected. A second phase of the moire fringes is detected for each of the plurality of marker images using the sampling moire method, and a difference between the first phase and the second phase is used to determine the difference between the first time point and the second phase. a sampling moire unit that calculates a phase difference of the moire fringes for each of the plurality of marker images occurring between the second time point;
A phase-only correlation method is used to calculate the correlation between the plurality of marker images created from the first panoramic image and the plurality of marker images created from the second panoramic image, targeting the geometric pattern. a phase-only correlation unit that calculates a shift amount for each of the plurality of marker images that occurred between the first time point and the second time point by calculating each using the phase-only correlation unit;
Based on the shift amount for each of the plurality of marker images calculated by the phase-only correlation unit, the size of a periodic shift added to the phase difference of the moire fringes for each of the plurality of marker images calculated by the sampling moiré unit. a displacement calculation unit that calculates a displacement amount for each of the plurality of markers based on the phase difference of the moire fringes and the magnitude of the periodic shift;
Equipped with
Displacement measuring device.
単数または複数の物体に装着された複数のマーカを撮像し、複数の撮像画像を合成することで一枚の画像内に前記複数のマーカを含んだパノラマ画像を作成するステップと、
第1の時点での撮像によって得られた第1のパノラマ画像と、第2の時点での撮像によって得られた第2のパノラマ画像とを対象に、前記複数のマーカが存在する既知の複数のマーカ領域をそれぞれ抽出することで複数のマーカ画像を作成するステップと、
前記第1のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像と、前記第2のパノラマ画像から作成された前記複数のマーカ画像と、に基づいて、前記第1の時点と前記第2の時点との間で生じた前記複数のマーカ毎の変位量を算出するステップと、
を備える、
変位計測方法。 A displacement measurement method that uses an imaging device that images a marker and measures the displacement of the marker based on an image captured by the imaging device, the method comprising:
a step of capturing images of a plurality of markers attached to a single object or a plurality of objects, and creating a panoramic image including the plurality of markers in one image by composing the plurality of captured images;
A first panoramic image obtained by imaging at a first point in time and a second panoramic image obtained by imaging at a second point in time are targeted for a known plurality of known markers in which the plurality of markers exist. creating a plurality of marker images by respectively extracting marker regions;
The first point in time and the second point in time are determined based on the plurality of marker images created from the first panoramic image and the plurality of marker images created from the second panoramic image. a step of calculating the amount of displacement for each of the plurality of markers that occurred between;
Equipped with
Displacement measurement method.
前記複数のマーカの一つは、不動点として取り扱う計測点に装着された基準マーカであり、
前記基準マーカを除くマーカは、計測マーカであり、
前記計測マーカ毎の変位量を、前記基準マーカの変位量との差分値で算出するステップを更に備える、
変位計測方法。 The displacement measuring method according to claim 6,
One of the plurality of markers is a reference marker attached to a measurement point treated as a fixed point,
Markers other than the reference marker are measurement markers,
further comprising the step of calculating the amount of displacement for each of the measurement markers by a difference value from the amount of displacement of the reference marker;
Displacement measurement method.
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