JP2023128043A - Displacement measurement device and displacement measurement method - Google Patents

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JP2023128043A JP2022032094A JP2022032094A JP2023128043A JP 2023128043 A JP2023128043 A JP 2023128043A JP 2022032094 A JP2022032094 A JP 2022032094A JP 2022032094 A JP2022032094 A JP 2022032094A JP 2023128043 A JP2023128043 A JP 2023128043A
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武志 仲沢
Takeshi Nakazawa
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Abstract

To provide a displacement measurement device and a displacement measurement method that can measure displacement of a plurality of markers, that is, a plurality of measurement points at a low cost.SOLUTION: A marker image creation unit 30 extracts, for a panorama image 25#1 obtained through imaging at a time point #1 and a panorama image 25#2 obtained through imaging at a time point #2, a plurality of known marker areas where a plurality of markers are present to create a plurality of marker images R#1, M1#1 to Mn#1, R#2, M1#2 to Mn#2. A marker image analysis unit 28a calculates the amount of displacement D1 (x, y) to Dn (x, y) for each of the plurality of markers generated between the time point #1 and the time point #2 based on the plurality of marker images R#1, M1#1 to Mn#1 created from the panorama image 25#1, and the plurality of marker images R#2, M1#2 to Mn#2 created from the panorama image 25#2.SELECTED DRAWING: Figure 5

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。 Patent Document 1 discloses a method of measuring dimensions without providing shape data of a target space based on an omnidirectional image taken from a single viewpoint taken from a limited opening such as an inspection port. Specifically, a panoramic camera is used to take omnidirectional photographs, information about vertical or horizontal lines in the target space is given to adjust the level, and the results are projected onto a regular hexahedron to create a cubic panoramic image. Three-dimensional coordinate measurement is performed using the synthesized cubic panoramic image and camera height information.

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。 Patent Document 2 discloses a method that can suppress unnecessary measurements compared to the case where the distance to the subject is measured once for each of all the images required for one panoramic image capture. Specifically, in panoramic imaging, directional light is emitted to a subject within a specific imaging range among multiple imaging ranges, and the distance to the subject is measured by receiving the reflected light, and the measurement is successful. In this case, measurements targeting subjects within multiple imaging ranges are prohibited.

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。 Patent Document 3 discloses that time-series image data obtained by photographing a predetermined pattern attached to a columnar structure is input, the displacement occurring in the columnar structure is determined from the time-series image data, and the displacement of the columnar structure is determined from the displacement. A method of determining the natural frequency of the columnar structure and determining the state of the columnar structure based on the natural frequency is shown. When determining the displacement occurring in the columnar structure, a digital image correlation method or a moire fringe phase analysis method is used.

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.

特開2015-125002号公報Japanese Patent Application Publication No. 2015-125002 国際公開第2017/149850号International Publication No. 2017/149850 特開2018-141663号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-141663 特開2019-11984号公報Japanese Patent Application Publication No. 2019-11984 国際公開第2017/029905号International Publication No. 2017/029905

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.

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。1 is a schematic diagram showing a configuration example of a displacement measurement system according to Embodiment 1 of the present invention. 図1におけるマーカの構成例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a marker in FIG. 1. FIG. 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。FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration example of the displacement measuring device in FIG. 1. FIG. 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。4 is a schematic diagram showing an example of a panoramic image captured by the imaging device in FIG. 3. FIG. 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。FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration example of main parts of the displacement measuring instrument in FIG. 3. FIG. 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。6 is a block diagram showing a configuration example of a sampling moiré section in FIG. 5. FIG. 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。FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of processing contents of the phase detection section in FIG. 6; 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。FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a marker in FIG. 1 in a displacement measuring device according to a second embodiment. 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。4 is a block diagram illustrating a schematic configuration example of a main part of a displacement measuring device in FIG. 3 in a displacement measuring device according to a second embodiment. FIG. 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。10 is a block diagram showing a configuration example of a phase-only correlation section in FIG. 9. FIG. 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。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a marker in FIG. 1 in a displacement measuring device according to a third embodiment. 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。4 is a block diagram illustrating a schematic configuration example of a main part of a displacement measuring device in FIG. 3 in a displacement measuring device according to a third embodiment. FIG. 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。FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating an example of processing contents of a displacement amount calculation unit in FIG. 12. FIG.

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 Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the structure of the marker in FIG. 1. The displacement measurement system shown in FIG. 1 includes a plurality of markers 1r, 1m[1] to 1m[n] attached to one or more objects 3[0] to 3[n], and a displacement measurement device including an imaging device. 2. In the specification, the plurality of markers 1r, 1m[1] to 1m[n] are collectively referred to as marker 1. The objects 3[0] to 3[n] are, for example, buildings installed on the ground at a construction site such as shaft construction, or the ground itself.

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 displacement measuring device 2 images the marker 1 using an imaging device, and measures the displacement of the marker 1 and, by extension, the displacement of the building, the ground, etc., based on the captured image. This makes it possible to successively monitor the displacement status of buildings, the ground, etc., and for example, to detect early signs of accidents such as collapse of buildings and landslides. As a result, accidents can be prevented and worker safety can be ensured.

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, markers 1m[1] to 1m[n] excluding the reference marker 1r are measurement markers attached to actual measurement points. For example, there is a possibility that a displacement occurs not in the marker 1 but in the installation angle of the imaging device in the displacement measuring device 2, etc. By providing the reference marker 1r, it becomes possible to detect such displacement of the imaging device itself. However, if it can be guaranteed that the imaging device itself will not be displaced, all the markers 1r, 1m[1] to 1m[n] may be treated as measurement markers.

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 displacement measuring device 2 is a panoramic camera capable of panoramic photography. As a result, the imaging device images the plurality of markers 1r, 1m[1] to 1m[n], and creates a panoramic image including the plurality of markers 1r, 1m[1] to 1m[n] in one image. Create an image. In general, a panoramic camera, for example, images multiple imaging areas so that some areas overlap while switching the imaging area, and stitches the multiple images obtained from the multiple imaging areas. A single panoramic image is created by combining the images through processing, for example by joining them together. As a result, the panoramic image becomes an image obtained by capturing a wide range of angle of view, for example, exceeding 180°, without reducing the resolution.

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 displacement measuring device 2 is defined as the Z axis, and one direction, in this case, the horizontal direction, is defined as the X axis in the plane direction of the plane perpendicular to the Z axis. The direction perpendicular to the one direction, in this case the vertical direction, is the Y-axis. The plurality of markers 1r, 1m[1] to 1m[n] are attached so that the XY plane is imaged. For example, a pattern as shown in FIG. 2 is written on the XY plane of each of the plurality of markers 1r, 1m[1] to 1m[n].

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 marker 1A shown in FIG. By using the periodic pattern, the displacement of the marker can be measured using the sampling moiré method, which will be described later. In this example, the periodic pattern is a lattice pattern, and black level squares are arranged at regular intervals with white level squares in between in the X-axis direction and the Y-axis direction. The pitch of the black level or white level squares in the X-axis direction is Wx [mm], the pitch in the Y-axis direction is Wy [mm], and the pitches Wx and Wy are, for example, several mm to several tens of mm. It's good.

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 displacement measuring device 2 shown in FIG. 3 includes an imaging device 10 that is a panoramic camera, and a displacement measuring device 20 that is realized by an information processing device such as a PC (Personal Computer) or a dedicated image processing device. Be prepared. However, the imaging device 10 and the displacement measuring device 20 may be implemented in the same device, for example, in the form of an information processing device with a panoramic camera. As described above, the imaging device 10 images a plurality of markers 1 and creates a panoramic image including the plurality of markers 1 in one image. The displacement measuring device 20 measures the amount of displacement for each of the plurality of markers 1, and further for each of the plurality of measurement points, based on the panoramic image created by the imaging device 10.

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 lens 11, an image sensor 12, a computing unit 13, an internal memory 14, a communication interface 15, and a panoramic mechanism 16. Arithmetic unit 13, internal memory 14, and communication interface 15 are connected to each other via a bus. The arithmetic unit 13, internal memory 14, and communication interface 15 may be implemented in, for example, one microcontroller.

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。 Lens 11 focuses light from the imaging area onto image sensor 12 . The image sensor 12 is typically a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, a CCD (Charge Coupled Device) image sensor, or the like, and includes a plurality of pixels arranged in an array. Each pixel of the image sensor 12 generates an electrical signal according to the amount of light focused by the lens 11. The image sensor 12 transmits electrical signals generated at each pixel to the arithmetic unit 13.

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 internal memory 14 is, for example, a nonvolatile memory such as a flash memory, and corresponds to a built-in memory in a microcontroller or an external memory such as a memory card. The panorama mechanism 16 switches the imaging area by, for example, mechanically moving the lens 11, the imaging device 10 itself, etc., in response to instructions from the computing unit 13. Note that the method of the panoramic camera is not limited to such a mechanically moving method, and may be any of various known methods including, for example, a method including a plurality of lenses.

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 arithmetic unit 13 includes a processor 13a such as a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), or a DSP (Digital Signal Processor), and a RAM (Random Access Memory) 13b. The processor 13a executes various processes necessary for creating a panoramic image, for example, by executing a program loaded from the internal memory 14 into the RAM 13b. Specifically, the processor 13a creates an image for each imaging area based on the electrical signal from the image sensor 12 while switching the imaging area via the panorama mechanism 16. Further, the processor 13a creates one panoramic image by stitching the images of each imaging area, and stores the panoramic image in the internal memory 14.

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 communication interface 15 sends and receives data to and from the displacement measuring device 20, specifically, the communication interface 21 therein. As one example, the communication interface 15 transmits the panoramic image stored in the internal memory 14 to the displacement measuring device 20. Communication interface 15 and communication interface 21 are connected by wire or wirelessly. In this case, for example, a configuration in which the connection is made via an external network such as the Internet may be used.

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 communication interface 15 for wireless communication may be fixedly installed at a construction site, and a displacement measuring device 20 may be mounted on an in-house server device of a construction company. The form is beneficial. In this case, the imaging device 10 can sequentially transmit the created panoramic images to the in-house server device via the external network, and the in-house server device can perform displacement measurement based on the panoramic images.

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 displacement measuring device 20 includes a computing unit 22, an internal memory 23, and a communication interface 21. Arithmetic unit 22, internal memory 23, and communication interface 21 are connected to each other via a bus. For example, when the displacement measuring device 20 is configured with a dedicated image processing device or the like, the arithmetic unit 22, internal memory 23, and communication interface 21 may be implemented in one microcontroller. The internal memory 23 is, for example, a nonvolatile memory such as a flash memory or a hard disk drive. The communication interface 21 receives, for example, a panoramic image from the communication interface 15 of the imaging device 10 and stores it in the internal memory 23.

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 arithmetic unit 22 includes a processor 22a such as a CPU, GPU, or DSP, and a RAM 22b. The computing unit 22 calculates the amount of displacement for each of the plurality of markers 1, for example, by performing predetermined image processing on the panoramic image stored in the internal memory 23. At this time, the processor 22a calculates the amount of displacement, for example, by executing a displacement measurement program loaded from the internal memory 23 into the RAM 22b. Note that the arithmetic unit 22 is not limited to the processor 22a, but may be partially or entirely configured with hardware such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit). That is, the arithmetic unit 22 may be configured as appropriate using a software method, a hardware method, or a combination thereof. This also applies to the arithmetic unit 13 within the imaging device 10.

<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 panoramic image 25 shown in FIG. 4 includes a plurality of markers 1, that is, a reference marker 1r and measurement markers 1m[1] to 1m[n] in one image. The panoramic image 25 is created, for example, by combining captured images 26[0] to 26[n] of a plurality of imaging areas set so that some areas overlap.

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 displacement measuring device 20 shown in FIG. 5 includes a marker image creation section 30 and a marker image analysis section 28a. Each of these parts is realized, for example, by the processor 22a executing a displacement measurement program. In addition, the internal memory 23 in the displacement measuring device 20 stores a panoramic image 25#1 obtained by imaging at time point #1 and a panoramic image 25#2 obtained by imaging at a subsequent time point #2. Panoramic images 25 at each point in time are stored.

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 image creation unit 30 creates a plurality of marker images by extracting a plurality of known marker regions in which a plurality of markers 1 exist, from the plurality of panoramic images 25 stored in the internal memory 23 . That is, the marker region where marker 1 exists in panoramic image 25 is fixedly determined in advance based on the positional relationship at the stage of constructing the displacement measurement system shown in FIG. In the example shown in FIG. 4, for each marker 1r, 1m[1] to 1m[n], a pixel range slightly inside the outer frame is fixedly determined as a marker area, and an image of this marker area is extracted. In this way, a marker image 27 is created.

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 image creation unit 30 stores the created marker image 27 in, for example, the RAM 22b. The created marker image 27 includes a reference marker image R#1 and measurement marker images M1#1 to Mn#1 at time point #1, and a reference marker image R#2 and measurement marker image M1# at time point #2. 2 to Mn#2 are included. For example, the reference marker image R#1 and the measurement marker images M1#1 to Mn#1 are the reference marker 1r and the measurement markers 1m[1] to 1m[n] from the panoramic image 25#1 at time point #1. It is created by extracting each marker area.

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 images R#1 and R#2 are collectively referred to as reference marker image R, or simply marker image R. Furthermore, the measurement marker images M1#1 and M1#2 are collectively referred to as the measurement marker image M1 or simply the marker image M1. Similarly, measurement marker images Mn#1 and Mn#2 are collectively referred to as measurement marker image Mn, or simply marker image Mn.

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 image analysis unit 28a includes a plurality of marker images R#1, M1#1 to Mn#1 created from the panoramic image 25#1, a plurality of marker images R#2, created from the panoramic image 25#2, Based on M1#2 to Mn#2, the amount of displacement for each of the plurality of markers 1 occurring between time point #1 and time point #2 is calculated. Specifically, the marker image analysis section 28a includes a sampling moire section 31 and a displacement amount calculation section 32.

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 sampling moire unit 31 uses a sampling moire method to determine the phase of the moire fringe, in this case PH#1, for each of the plurality of marker images R#1, M1#1 to Mn#1 created from the panoramic image 25#1. to detect. Similarly, the sampling moire unit 31 detects the phase of the moire fringe, which is PH#2 in this case, for each of the plurality of marker images R#2, M1#2 to Mn#2 created from the panoramic image 25#2. do. Based on the difference between the detected phases PH#1 and PH#2, the sampling moiré unit 31 extracts each of the plurality of marker images R, M1 to Mn that occurred between time point #1 and time point #2. Calculate the phase difference of moire fringes.

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 sampling moire unit 31 calculates the phase difference ΔPHr(x,y) generated in the reference marker image R and the phase difference ΔPHm1(x,y) to ΔPHmn(x,y) generated in the measurement marker images M1 to Mn. Calculate. Each of the phase differences ΔPHr (x, y), ΔPHm1 (x, y) to ΔPHmn (x, y) represents the phase difference ΔPH (x) in the X-axis direction and the phase difference ΔPH (y) in the Y-axis direction. include.

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 displacement calculation unit 32 calculates the phase differences ΔPHr (x, y), ΔPHm1 (x, y) to ΔPHmn (x, y) of the moire fringes for each of the marker images R, M1 to Mn calculated by the sampling moire unit 31 [ rad], the displacement amount for each marker 1, for example, the displacement amount D1 (x, y) to Dn (x, y) [mm] for each measurement marker 1 m [1] to 1 m [n] is calculated. Each of the displacement amounts D1(x,y) to Dn(x,y) includes a displacement amount D(x) in the X-axis direction and a displacement amount D(y) in the Y-axis direction.

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 sampling moiré section 31 and the X calculated by the displacement calculation section 32 The axial displacement amount D(x) [mm] and the Y-axis displacement amount D(y) [mm] have the relationship shown in equation (1) and equation (2). In equations (1) and (2), Wx [mm] and Wy [mm] are the pitches on the marker 1A shown in FIG. 2, respectively. The displacement calculation unit 32 calculates the displacement D1 (x, y) to Dn (x, y) for each measurement marker 1 m [1] to 1 m [n] using equations (1) and (2). do.
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 displacement calculation unit 32 calculates the displacement D1(x,y) to Dn(x,y) for each measurement marker 1m[1] to 1m[n] as the displacement of the reference marker 1r. Calculate using the difference value. In detail, the displacement calculation unit 32 calculates, for example, the difference value between the phase difference ΔPHm1 (x, y) generated at the measurement marker 1m[1] and the phase difference ΔPHr (x, y) generated at the reference marker 1r. “ΔPHm1(x,y)−ΔPHr(x,y)” is regarded as the phase difference generated at the measurement marker 1m[1]. Then, the displacement calculation unit 32 calculates the displacement D1 (x, y) of the measurement marker 1m[1] by substituting the considered phase difference into Equation (1) and Equation (2).

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 displacement calculation unit 32 measures the difference value between the phase difference ΔPHmn(x,y) generated at the measurement marker 1m[n] and the phase difference ΔPHr(x,y) generated at the reference marker 1r. The displacement amount Dn(x, y) of the measurement marker 1m[n] is calculated by regarding it as the phase difference generated at the marker 1m[n]. In this way, by calculating the phase difference between the measurement markers 1m[1] to 1m[n], and thus the amount of displacement, using the difference value from the phase difference of the reference marker 1r and, ultimately, the amount of displacement, as described in Fig. 1, In addition, the displacement of the imaging device 10 can be detected, and the displacement of each measurement marker can be measured after reflecting the displacement of the imaging device 10.

<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 sampling moire section 31 shown in FIG. 6 includes a phase detection section 35 and a phase difference calculation section 36. The phase detection unit 35 uses the sampling moiré method to detect the phase PH(x,y)#1 of the moire fringes for the marker image 27#1 at time point #1, and similarly detects the phase PH(x,y)#1 of the moire fringe at time point #2. The phase PH(x,y)#2 of the moiré fringe is detected for the marker image 27#2. The marker image 27#1 corresponds to one of the reference marker image R#1 and the measurement marker images M1#1 to Mn#1 at the time point #1, and the marker image 27#2 corresponds to the reference marker image R#1 at the time point #1 and one of the measurement marker images M1#1 to Mn#1. This corresponds to one of the reference marker image R#2 and the measurement marker images M1#2 to Mn#2.

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 phase detection unit 35 converts the grid pattern represented by the marker image 27 into a striped pattern arranged in the X-axis direction as a preprocessing. do. Similarly, when detecting the phase PH(y) in the Y-axis direction, the phase detection unit 35 converts the lattice pattern represented by the marker image 27 into a striped pattern arranged in the Y-axis direction as preprocessing.

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 phase detection section 35. In FIG. 7, an imaging device 10 having a plurality of pixels P arranged at a pitch p creates a marker image 27 including a periodic pattern by imaging the marker 1A. The phase detection unit 35 detects the phase of the moire fringes by performing the following processing on this periodic pattern based on the sampling moire method.

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 phase detection unit 35 creates a sampling image by sampling pixels P at predetermined intervals, typically one every four pixels, for the periodic pattern in the marker image 27. At this time, the phase detection unit 35 creates four sampling images 40[0] to 40[3] by sequentially shifting the sampling pixel positions.

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 phase detection unit 35 interpolates each of the four sampling images 40[0] to 40[3] to obtain four moire images 41[0] to 41 including moiré fringes. Create [3]. Next, the phase detection unit 35 uses the formula ( 3) is calculated. In equation (3), I0, I1, I2, and I3 are the brightness values of the moire images 41[0], 41[1], 41[2], and 41[3] at each pixel P, respectively.
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 phase detection unit 35 detects the phase PH(x,y)#1 for each marker image 27#1 at time point #1 for each plurality of pixels P, Phase PH(x,y)#2 is detected for each marker image 27#2 at time point #2. As shown in FIG. 7, the method of creating a plurality of grating images (moiré images in this case) whose phases are sequentially shifted and determining the phase PH of the gratings (here moiré fringes) using equation (3) etc. is based on the phase shift method. Also called shift method. The sampling moire method utilizes this phase shift method and uses a moire image created by sampling pixels P as a grid image.

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 difference calculation section 36 includes an average value calculation section 37. The phase difference calculation unit 36 receives the input from the phase detection unit 35 and calculates the difference between the phase PH(x,y)#1 at time point #1 and the phase PH(x,y)#2 at time point #2. Calculate the phase difference. Specifically, the phase difference calculation unit 36 calculates such a phase difference for each of the plurality of pixels P using equation (3). The average value calculation unit 37 calculates the average value of the phase differences obtained from the plurality of pixels P, and outputs the calculated phase difference ΔPH (x, y) to the displacement amount calculation unit 32 shown in FIG.

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 marker 1, in other words, the deformation state of an object, etc., based on the phase difference for each pixel P. On the other hand, for example, at a construction site such as shaft construction, when measuring the displacement of a structure or the ground, information on the in-plane displacement of the marker 1 is not particularly required, and the displacement information of the marker 1 as a whole, and even more , movement information of the object itself is often required. In order to measure the displacement of the marker 1 as a whole in this way, in this example, the average value calculation unit 37 is used to calculate the average value. Furthermore, the lower the resolution of the marker image 27, the lower the accuracy and resolution of displacement measurement, so the marker image 27 needs to have a somewhat high resolution. For this reason, it is beneficial to create a panoramic image 25 as shown in FIG.

<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 Embodiment 1>
As described above, by using the method of Embodiment 1, it is typically possible to measure the displacements of a plurality of markers 1 and, by extension, a plurality of measurement points at low cost. Specifically, in the method of the first embodiment, the imaging device 10 creates a panoramic image 25 including a plurality of markers 1 in one image, and the displacement measuring device 20 uses the panoramic image 25 to The displacement of each of the plurality of markers 1 can be measured based on the extracted plurality of marker images 27 having sufficient resolution. As a result, there is no need to provide a plurality of imaging devices to obtain sufficient resolution, and by providing one imaging device 10, it becomes possible to perform high-resolution or highly accurate displacement measurement.

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 measurement marker 1m[1] to 1m[n] is calculated by the difference value from the displacement amount of the reference marker 1r. As a result, it becomes possible to reflect the displacement of the imaging device 10 and measure the displacement of each measurement marker 1m[1] to 1m[n]. At this time, the reference marker image R and the measurement marker images M1 to Mn are not images taken by different imaging devices, but are images taken by panoramic photography by one imaging device 10, that is, substantially Since the images were captured under the same conditions as before, a situation in which the displacement of the imaging device 10 is erroneously determined is unlikely to occur.

(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 marker 1B shown in FIG. By using the geometric pattern, the displacement of the marker can be measured using a phase-only correlation method, which will be described later. In this example, the geometric pattern is six circles arranged at 60° intervals. However, the geometric pattern is not limited to this, and may be any of various commonly known patterns, especially if it is a pattern that does not include periodic components in the X- and Y-axis directions. good.

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 displacement measuring device 20 shown in FIG. 9 includes a marker image creation section 30 and a marker image analysis section 28b. As in the case of FIG. 5, the marker image creation unit 30 extracts a plurality of known marker areas from the panoramic images 25#1, 25#2, . . . stored in the internal memory 23, thereby creating a plurality of Create a marker image. However, in FIG. 4, the marker image 27 of the reference marker 1r and measurement markers 1m[1] to 1m[n] included in the panoramic image 25 changes from the periodic pattern shown in FIG. 2 to the geometric pattern shown in FIG. It will be replaced.

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 image analysis unit 28b, as in the case of FIG. Based on the plurality of marker images R#2, M1#2 to Mn#2, the amount of displacement of each of the plurality of markers 1 occurring between time point #1 and time point #2 is calculated. However, unlike the case in FIG. 5, the marker image analysis section 28b includes a phase-only correlation section 45 and a displacement amount calculation section 46.

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-only correlation unit 45 generates a plurality of marker images R#1, M1#1 to Mn#1 created from the panoramic image 25#1, and a plurality of marker images R#2, created from the panoramic image 25#2. The correlations with M1#2 to Mn#2 are calculated using the phase-only correlation method. Thereby, the phase only correlation unit 45 calculates the shift amount for each of the plurality of marker images R, M1 to Mn that occurred between time point #1 and time point #2.

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-only correlation unit 45 calculates the shift amount ΔSFr (x, y) that occurred in the reference marker image R and the shift amount ΔSFm1 (x, y) to ΔSFmn (x, y) that occurred in the measurement marker images M1 to Mn. Calculate. Each of the shift amounts ΔSFr(x, y), ΔSFm1(x, y) to ΔSFmn(x, y) represents the shift amount ΔSF(x) in the X-axis direction and the shift amount ΔSF(y) in the Y-axis direction. include.

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 displacement calculation unit 46 calculates the shift amounts ΔSFr (x, y), ΔSFm1 (x, y) to ΔSFmn (x, y) [pixel ( px)], calculate the displacement amount for each marker 1, for example, the displacement amount D1 (x, y) to Dn (x, y) [mm] for each measurement marker 1 m [1] to 1 m [n]. . Each of the displacement amounts D1(x,y) to Dn(x,y) includes a displacement amount D(x) in the X-axis direction and a displacement amount D(y) in the Y-axis direction.

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-only correlation unit 45 are calculated by the displacement amount calculation unit 46. The displacement amount D(x) [mm] in the X-axis direction and the displacement amount D(y) [mm] in the Y-axis direction have the relationship shown in Equation (5) and Equation (6). In equations (5) and (6), Lx [mm] and Ly [mm] are the length in the X-axis direction and the length in the Y-axis direction on the marker 1 corresponding to one pixel of the image sensor 12. , is fixedly determined based on the number of pixels of the image sensor 12, the setting of the optical magnification at the time of imaging, and the like. The displacement calculation unit 46 calculates the displacement D1 (x, y) to Dn (x, y) for each measurement marker 1 m [1] to 1 m [n] using equations (5) and (6). do.
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 displacement calculation unit 46 calculates the displacement D1(x,y) to Dn(x,y) for each measurement marker 1m[1] to 1m[n], as in the case of FIG. , and the displacement amount of the reference marker 1r. In detail, the displacement calculation unit 46 calculates, for example, the difference value between the shift amount ΔSFm1 (x, y) generated at the measurement marker 1m[1] and the shift amount ΔSFr (x, y) generated at the reference marker 1r. “ΔSFm1(x,y)−ΔSFr(x,y)” is regarded as the amount of shift caused by the measurement marker 1m[1]. Then, the displacement calculation unit 46 calculates the displacement D1 (x, y) of the measurement marker 1m[1] by substituting the considered shift amount into equations (5) and (6). The same applies to the other measurement markers 1m[n].

<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-only correlation unit 45 shown in FIG. 10 includes a Fourier transform unit 50, a composite function calculation unit 51, and a correlation function calculation unit 52. Image data f1 (m, n) of marker image 27#1 at time point #1 and image data f2 (m, n) of marker image 27#2 at time point #2 are input to the Fourier transform unit 50. be done. The marker image 27#1 corresponds to one of the reference marker image R#1 and the measurement marker images M1#1 to Mn#1 at the time point #1, and the marker image 27#2 corresponds to the reference marker image R#1 at the time point #1 and one of the measurement marker images M1#1 to Mn#1. This corresponds to one of the reference marker image R#2 and the measurement marker images M1#2 to Mn#2. Here, assuming that the pixel area of the marker image 27 is M×N pixels, m is one of M integers, and n is one of N integers.

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 Fourier transform unit 50 performs two-dimensional discrete Fourier transform on the image data f1 (m, n), f2 (m, n), for example, to obtain the Fourier transform value F1 (u , v) and F2(u, v), respectively. In formulas (7) and (8), u is any one of M integers, and v is any one of N integers. Further, A(u,v) and B(u,v) are amplitude spectra, and ejθ1(u,v) and ejθ2(u,v) are phase spectra.
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 function calculation unit 51 multiplies the phase spectrum of the Fourier transform value F1 (u, v) by the complex conjugate of the phase spectrum of the Fourier transform value F2 (u, v) to obtain the result shown in equation (9). A composite function C12(u,v) is calculated. The correlation function calculation unit 52 calculates the correlation function c12(m, n) by subjecting the composite function C12(u,v) of Equation (9) to two-dimensional inverse discrete Fourier transform.
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-only correlation unit 45 is used, the marker image 27 that occurs between time point #1 and time point #2 is calculated in the m direction and the n direction based on the position where the peak value occurs. Each shift amount, that is, the shift amount ΔSF(x,y) in the X-axis direction and the Y-axis direction can be calculated. The phase-only correlation unit 45 outputs the calculated shift amount ΔSF(x,y) to the displacement amount calculation unit 46 shown in FIG. Note that the lower the resolution of the marker image 27, the lower the accuracy and resolution of displacement measurement, so the marker image 27 needs to have a somewhat high resolution. For this reason, it is beneficial to create a panoramic image 25 as shown in FIG.

<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 Embodiment 2>
As described above, by using the method of Embodiment 2, various effects similar to those described in Embodiment 1 can be obtained. becomes measurable. Note that when comparing the sampling moiré method and the phase-only correlation method, the sampling moiré method is superior in terms of resolution, and the phase-only correlation method is superior in terms of ease of image processing, cost, and the like. Therefore, for example, if high resolution is required for displacement measurement, the method of Embodiment 1 may be applied, and if not, the method of Embodiment 2 may be applied.

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-cost image sensor 12, etc., compared to the sampling moiré method.

(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 marker 1A shown in FIG. 2 and the marker 1B shown in FIG. 8. That is, on the marker 1C, a geometric pattern and a periodic pattern are written side by side in, for example, the X-axis direction so as not to overlap with each other. Geometric patterns are used in the phase-only correlation method, and periodic patterns are used in the sampling moiré method.

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 displacement measuring device 20 shown in FIG. 12 includes a marker image creation section 30 and a marker image analysis section 28c. As in the case of FIG. 5, the marker image creation unit 30 extracts a plurality of known marker areas from the panoramic images 25#1, 25#2, . . . stored in the internal memory 23, thereby creating a plurality of Create a marker image.

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 measurement markers 1m[1] to 1m[n] included in the panoramic image 25 vary from the periodic pattern shown in FIG. 2 to the geometric pattern shown in FIG. It is replaced by a combination of periodic patterns. When using a marker 1C as shown in FIG. 11, the area of the marker image 27 may expand, so it is usually difficult to maintain resolution. On the other hand, when the panoramic image 25 is used, it becomes possible to sufficiently increase the resolution of each of the geometric pattern and the periodic pattern. Note that the marker areas are individually set for each of the geometric pattern and the periodic pattern.

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 image analysis unit 28c analyzes the plurality of marker images R#1, M1#1 to Mn#1 created from the panoramic image 25#1, and the panoramic image 25#2. Based on the plurality of created marker images R#2, M1#2 to Mn#2, the amount of displacement of each of the plurality of markers 1 occurring between time point #1 and time point #2 is calculated. However, unlike the cases shown in FIGS. 5 and 9, the marker image analysis section 28c includes a sampling moire section 31, a phase-only correlation section 45, and a displacement calculation section 55.

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 sampling moire unit 31 has the same configuration as shown in FIGS. 5 and 6, and uses the sampling moire method to calculate the phase difference ΔPHr (x, y) generated in the reference marker image R and the measurement marker images M1 to Mn. The phase differences ΔPHm1 (x, y) to ΔPHmn (x, y) that occur are calculated. The phase-only correlation unit 45 has the same configuration as shown in FIGS. 9 and 10, and uses the phase-only correlation method to calculate the shift amount ΔSFr (x, y) generated in the reference marker image R and the measurement marker image M1. The shift amount ΔSFm1 (x, y) to ΔSFmn (x, y) caused by ~Mn is calculated.

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 marker 1, that is, if a periodic deviation occurs, the periodic deviation is detected. This becomes difficult. On the other hand, the phase-only correlation method uses a geometric pattern, so this problem of periodic deviation does not occur. Therefore, the displacement calculation section 55 calculates the shift amount ΔSF(x,y) for each of the plurality of marker images 27 calculated by the phase-only correlation section 45, and calculates The magnitude of the periodic shift added to the phase difference ΔPH(x,y) of each moire fringe is determined. Then, the displacement amount calculation unit 55 calculates the displacement amount D1(x,y) to Dn(x, y).

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 fringe brightness distribution 42#1 at time point #1 and the phase of the moire fringe brightness distribution 42#2 at time point #2, which are detected by the sampling moire unit 31. . The sampling moiré unit 31 calculates a phase difference ΔPH [rad] between the phase of the brightness distribution 42#1 and the phase of the brightness distribution 42#2 in the range from −π to +π. Therefore, the actual phase difference is not necessarily ΔPH+0, but may be ΔPH+2π, ΔPH+4π, or the like. These 0, 2π, 4π, etc. are determined based on the shift amount ΔSF(x,y) from the phase only correlation unit 45.

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 displacement calculation unit 55 can calculate the actual displacement of 12 mm based on the overlapping portion of these results.

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 displacement calculation unit 55 calculates the actual displacement of the reference marker 1r and the actual displacement of each of the measurement markers 1m[1] to 1m[n]. Further, as in the case shown in FIG. Correct displacement amounts D1(x,y) to Dn(x,y) for each marker 1m[1] to 1m[n] are calculated.

<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 Embodiment 3>
As described above, by using the method of Embodiment 3, various effects similar to those described in Embodiment 1 and Embodiment 2 can be obtained. displacement can be measured at low cost. Furthermore, the magnitude of the periodic deviation caused by the sampling moiré method can be detected using the phase-only correlation method, making it possible to realize high-resolution measurement based on the sampling moiré method over a wide measurement range.

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)

マーカを撮像する撮像装置と、
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.
請求項1記載の変位計測装置において、
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.
請求項1または2記載の変位計測装置において、
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.
請求項1または2記載の変位計測装置において、
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.
請求項1または2記載の変位計測装置において、
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.
マーカを撮像する撮像装置を用い、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方法であって、
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.
請求項6記載の変位計測方法において、
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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