JP4831703B2 - Object displacement measurement method - Google Patents

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本発明は、各種材料の変形応力分布の測定および設計段階または使用中の橋梁、建築物などの大型構造物の変位たわみ量分布などの測定などに好適に実施することができる物体の変位測定方法に関する。 The present invention, measurement of the deformation stress distribution of various materials and design phase or bridges in use, building large structures of the displacement amount of deflection distribution measurement etc. suitably displaced ones body Ru can be performed, such as such as about the measurement how.

従来から、材料および構造物などの物体の変位・応力測定には、変位計および歪ゲージなど各種の測定機器が用いられでいるが、変位計や歪ゲージによって測定できるのは、あくまでも変位計を設置した場所あるいは歪ゲージを接着等によって取り付けた場所の1個所の情報しか得ることができない。したがって物体全体の変位分布や応力分布を得るには、多数の変位計や歪ゲージを使用する必要があるが、手間やコストなどの問題を有するために実用的ではなく、このような問題を解決するために、次のような先行技術が提案されている。   Conventionally, various measuring devices such as displacement gauges and strain gauges have been used to measure the displacement and stress of objects such as materials and structures, but displacement gauges and strain gauges can only measure displacement gauges. It is possible to obtain only information on the place where the strain gauge is installed or where the strain gauge is attached by bonding or the like. Therefore, to obtain the displacement distribution and stress distribution of the entire object, it is necessary to use a large number of displacement gauges and strain gauges, but it is not practical due to problems such as labor and cost, and solves such problems. For this purpose, the following prior art has been proposed.

特許文献1には、複数の異方性圧電材料を貼付けた測定用テープを構造部材の表面に接着して、表面電位計を用いて異方性圧電材料の表面電位を測定することによって、部材の応力分布を求めることが提案されている。   In Patent Document 1, a measurement tape having a plurality of anisotropic piezoelectric materials attached thereto is adhered to the surface of a structural member, and the surface potential of the anisotropic piezoelectric material is measured using a surface potentiometer. It has been proposed to determine the stress distribution.

特許文献1の先行技術では、基本的には1個所ずつ測定プローブで測定を行うため、変形応力分布を得るには多くの時間を要するという問題がある。また、異方性圧電材料そのものに規格サイズがあるため、測定できる間隔や大きさには多くの制限があり、使い勝手が悪いという問題がある。さらに、異方性圧電材料は高価であるので、多くの点、たとえば100万点を測定する必要がある場合、極めて高いコストと多くの手間がかかるという問題がある。さらに、構造物においては、測定装置として表面電位計を構造物に固定した後、移動させることが困難な場所では、この表面電位計を用いて多点測定することが困難であるという問題がある。   In the prior art of Patent Document 1, since measurement is basically performed with a measurement probe one by one, there is a problem that it takes a lot of time to obtain a deformation stress distribution. In addition, since the anisotropic piezoelectric material itself has a standard size, there are many limitations on the distance and size that can be measured, and there is a problem that the usability is poor. Furthermore, since anisotropic piezoelectric materials are expensive, when it is necessary to measure many points, for example, one million points, there is a problem that extremely high cost and much labor are required. Further, in a structure, there is a problem that it is difficult to perform multipoint measurement using this surface electrometer in a place where it is difficult to move the surface electrometer after being fixed to the structure as a measuring device. .

また、特許文献2には、デジタル画像相関法を利用して変形量を算出し、安価な装置で全視野の変位量を得ることができる技術が提案されている。   Further, Patent Document 2 proposes a technique capable of calculating a deformation amount using a digital image correlation method and obtaining a displacement amount of the entire visual field with an inexpensive device.

特許文献2の先行技術では、変位量の算出に多くの計算時間を要するため、リアルタイムで計算結果を見ることができないという問題がある。また、構造物の表面にランダムパターンを貼り付ける必要があるが、ランダムパターンの大きさを変えることが容易ではなく、測定精度に合わせてランダムパターンを作ることが困難であるという問題がある。さらに、測定精度は1/10画素〜1/20画素程度であって、高い測定精度が得られないという問題がある。さらに、この先行技術では、撮影された画像の輝度値を用いるため、環境光の影響を受けやすいという問題がある。   The prior art of Patent Document 2 has a problem that the calculation result cannot be seen in real time because it takes much calculation time to calculate the displacement amount. Moreover, although it is necessary to affix a random pattern on the surface of a structure, there exists a problem that it is not easy to change the magnitude | size of a random pattern and it is difficult to make a random pattern according to a measurement precision. Furthermore, the measurement accuracy is about 1/10 pixel to 1/20 pixel, and there is a problem that high measurement accuracy cannot be obtained. Furthermore, since this prior art uses the luminance value of the photographed image, there is a problem that it is easily affected by ambient light.

特開2003−185507号公報JP 2003-185507 A 特開2006−329628号公報JP 2006-329628 A

本発明の目的は、簡単な構成で材料および構造物などの物体の変位を高精度で検出することができる物体の変位測定方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a displacement measuring how things body Ru can detect an object displacement, such as materials and structures with a simple configuration with high accuracy.

本発明は、物体の表面に測定したい精度に応じたピッチ間隔の矩形波形または正弦状波形の明るさ分布を有する格子パターンが描かれた2次元状のシート体を貼付けることによって規則正しい模様を形成し、該規則正しい模様を基準格子とし、力を加える前と後のそれぞれの所定の領域を、異なる位置に設置された複数台の光学式カメラで撮影するステップと、
撮影された画像に対して、等間隔の画素ごとのサンプリングを、起点の画素を変えながら3回以上の複数回実行し、このサンプリング処理によって得られた間引き画像を補間処理することによってモアレ縞画像を生成し、位相シフト法によって得られるモアレ縞の横方向および縦方向の各位相分布を求めるステップと、
変形前後の位相分布から得られる位相差分布から、物体の変位量分布を算出するステップと
前記変位量分布に基づいて、ひずみまたは応力分布を算出するステップとを含むことを特徴とする物体の変位測定方法である。
The present invention forms a regular pattern on a surface of an object by sticking a two-dimensional sheet body on which a lattice pattern having a rectangular waveform or a sinusoidal waveform with a pitch interval corresponding to the accuracy to be measured is drawn. a step of, by the regular pattern as a reference grid, a respective predetermined areas before and after the application of force, shooting with a plurality of optical cameras installed at different positions,
A moiré fringe image is obtained by performing sampling for each pixel at equal intervals on a photographed image a plurality of times, three or more times while changing the starting pixel, and interpolating the thinned image obtained by this sampling processing. And obtaining each phase distribution in the horizontal and vertical directions of the moire fringes obtained by the phase shift method;
Calculating the displacement distribution of the object from the phase difference distribution obtained from the phase distribution before and after deformation ;
And calculating a strain or stress distribution based on the displacement amount distribution .

本発明に従えば、測定したい部分に本発明の粘着テープ等を貼付け、CCDカメラやCMOSカメラなどの光学式撮影装置で撮影し、撮影された画像に対して、等間隔の画素ごとのサンプリングを、起点の画素を変えながら3回以上の複数回実行し、このサンプリング処理によって得られた間引き画像を補間処理することによってモアレ縞画像を生成し、位相シフト法によってモアレ縞の位相分布を求め、変形前後の位相分布から得られる位相差分布から、簡単かつ高精度に変位応力分布を求めて物体の変位を検出することができる。   According to the present invention, the adhesive tape or the like of the present invention is pasted on the portion to be measured, and is photographed with an optical photographing device such as a CCD camera or a CMOS camera. The photographed image is sampled at equal intervals. , By performing the multiple times three or more times while changing the starting pixel, generating a moire fringe image by interpolating the thinned image obtained by this sampling process, obtaining the phase distribution of the moire fringes by the phase shift method, From the phase difference distribution obtained from the phase distribution before and after the deformation, the displacement stress distribution can be obtained easily and with high accuracy to detect the displacement of the object.

また、測定したい精度と範囲に合わせてピッチ間隔や大きさを決めることができる。つまり微小な変形を測定したい場合は細かい格子を用いればよい。また大きな変形を測定したい場合には、ピッチ間隔の大きい格子を使用すればよく、要求精度に応じた格子間隔を任意に選択して用いることができる。 Also , the pitch interval and size can be determined according to the accuracy and range to be measured. In other words, if it is desired to measure a minute deformation, a fine grid may be used. Further, when it is desired to measure a large deformation, a grating having a large pitch interval may be used, and a grating interval corresponding to the required accuracy can be arbitrarily selected and used.

また、測定したい精度の10倍〜1000倍のピッチ間隔の矩形波形または正弦波形の明るさ分布を有する格子パターンのシート体を用いるので、高精度で位相解析することができ、したがって高精度で物体の変形を求めることができる。 In addition , since a lattice pattern sheet body having a rectangular waveform or a sinusoidal brightness distribution with a pitch interval of 10 to 1000 times the accuracy to be measured is used, phase analysis can be performed with high accuracy, and therefore object with high accuracy can be obtained. Can be obtained.

また、探索などの時間がかかる処理を行っていないため、計算時間が従来に比べて高速であり、短時間で高精度に物体の変形を検出することができる In addition , since a time-consuming process such as searching is not performed, the calculation time is faster than the conventional method, and the deformation of the object can be detected with high accuracy in a short time .

また、測定に必要な設備は汎用のパーソナルコンピュータ、既存の光学式カメラおよびシート体があれば、横方向および縦方向の各位相分布を求めて高精度の変位測定が可能であるので、安価なコストで物体の変位を高精度で測定することができ、汎用性の高い測定技術を提供することができる。 In addition , if the equipment necessary for the measurement is a general-purpose personal computer, an existing optical camera, and a sheet body, it is possible to measure the phase distribution in the horizontal direction and the vertical direction and perform highly accurate displacement measurement. The displacement of the object can be measured with high accuracy at a low cost, and a highly versatile measurement technique can be provided.

また、物体の表面にシート体を貼付けることによって物体の表面に格子パターンを形成するので、格子パターンを測定対象面に形成するにあたって、物体表面の性状の制限が緩和され、シート体を貼付けることができればよく、広範囲の物体に対して本発明を実施することができる。 In addition , since the lattice pattern is formed on the surface of the object by pasting the sheet body on the surface of the object, when the lattice pattern is formed on the measurement target surface, the restrictions on the properties of the object surface are relaxed, and the sheet body is pasted. The present invention can be carried out on a wide range of objects.

さらに本発明は、物体の変位を3次元的に検出することを特徴とする。
さらに本発明は、2次元の位相分布を使って、前記複数台のカメラの撮影画像内での対応点を検出することを特徴とする。
Furthermore, the present invention is characterized in that the displacement of the object is detected three-dimensionally.
The present invention uses the two-dimensional phase distribution, and detecting the corresponding points in the captured image of the plurality of cameras.

さらに本発明は、前記複数台のカメラの撮影画像内の対応点の検出結果を用いて、物体の3次元形状を測定することを特徴とする。   Furthermore, the present invention is characterized in that the three-dimensional shape of the object is measured using the detection results of corresponding points in the captured images of the plurality of cameras.

さらに本発明は、前記測定された物体の3次元形状を用いて、物体の表面のひずみ分布を求めることを特徴とする。   Furthermore, the present invention is characterized in that a strain distribution on the surface of the object is obtained using the measured three-dimensional shape of the object.

本発明によれば、簡単かつ高精度に非接触で物体の変位を変位応力分布などの変位を表すパラメータまたは情報として求めることができる。   According to the present invention, the displacement of an object can be obtained as a parameter or information representing a displacement such as a displacement stress distribution in a simple and non-contact manner without contact.

また本発明によれば、測定したい精度と大きさに合わせて格子間隔とサイズを任意に決めることができ、測定対象に応じた測定精度で物体の変位を得ることができる。   Further, according to the present invention, the lattice spacing and size can be arbitrarily determined according to the accuracy and size desired to be measured, and the displacement of the object can be obtained with the measurement accuracy corresponding to the measurement object.

さらに本発明によれば、測定に必要な装置は格子パターンが描かれたシート体、汎用光学式カメラおよびパーソナルコンピュータだけでよいため、安価に短時間で変位応力分布などの変位に関する情報を測定することができる。   Furthermore, according to the present invention, since only a sheet body on which a lattice pattern is drawn, a general-purpose optical camera, and a personal computer are required for the measurement, information on displacement such as displacement stress distribution is measured in a short time at a low cost. be able to.

さらに本発明によれば、材質および形状などが異なる多くの材料や構造物などの物体の変位測定に適用することができ、広範囲に本発明を実施することができる。   Furthermore, according to the present invention, the present invention can be applied to displacement measurement of objects such as many materials and structures having different materials and shapes, and the present invention can be widely implemented.

図1は本発明に実施の一形態の物体の変形測定方法で用いられる測定用テープ1の外観を示す斜視図であり、図2は図1に示す測定用テープ1に表示される格子パターン2を示す図である。図2において、図2(a)は縦方向の白黒バイナリ格子を示し、図2(b)は横方向の白黒バイナリ格子を示し、図2(c)は縦方向の白黒バイナリ格子を示し、図2(d)は横方向の正弦波形または余弦波形の明るさ変化をもつ格子を示し、図2(e)は縦横方向の白黒の正方形状の格子を示し、図2(f)は縦横方向の白黒の正方形状の格子(輝度反転)を示し、図2(g)は縦横方向の白黒のドット状の格子を示し、図2(h)は縦横方向の白黒のドット状の格子(輝度反転)を示し、図2(i)は縦横方向の正弦波形または余弦波形の明るさ変化を有する格子を示す。   FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a measuring tape 1 used in the object deformation measuring method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a lattice pattern 2 displayed on the measuring tape 1 shown in FIG. FIG. In FIG. 2, FIG. 2 (a) shows a vertical black-and-white binary grid, FIG. 2 (b) shows a horizontal black-and-white binary grid, FIG. 2 (c) shows a vertical black-and-white binary grid, 2 (d) shows a grid having a brightness change in a horizontal sine waveform or cosine waveform, FIG. 2 (e) shows a black and white square grid in the vertical and horizontal directions, and FIG. 2 (f) shows a vertical and horizontal grid. FIG. 2 (g) shows a black and white dot-like grid in the vertical and horizontal directions, and FIG. 2 (h) shows a black and white dot-like grid in the vertical and horizontal directions (brightness inversion). FIG. 2 (i) shows a grating having brightness changes in sine or cosine waveforms in the vertical and horizontal directions.

測定用テープ1は、従来の無地の粘着テープの表面に変位量を測定するために目盛りとなる基準格子を印刷したものである。前記印刷された格子パターンは、図2(a)〜図2(i)に示すように、一定間隔の規則正しい模様を有するパターンであり、黒四角「■」と黒丸「●」の形状の白黒格子パターンと正弦波形または余弦波形の明るさ変化を持つ格子によって実現される。その配置は、縦方向または横方向もしくは縦横方向に2次元的に並んでいる。被測定対象とする物体の変形測定を行う際には、このような基準格子を有する測定用テープ1を測定したい個所の表面に直接貼付けて使用することができる。   The measuring tape 1 is obtained by printing a reference grid serving as a scale for measuring the amount of displacement on the surface of a conventional plain adhesive tape. As shown in FIGS. 2A to 2I, the printed lattice pattern is a pattern having a regular pattern at regular intervals, and is a black and white lattice having black squares “■” and black circles “●”. This is realized by a grating having a brightness change of a pattern and a sine waveform or a cosine waveform. The arrangement is two-dimensionally arranged in the vertical direction, the horizontal direction, or the vertical and horizontal directions. When measuring the deformation of an object to be measured, the measuring tape 1 having such a reference lattice can be directly attached to the surface of the place to be measured.

この測定用テープ1を用いて変位を検出できる精度は、格子間隔の1/1000程度であるが、実際の場合、外乱光やカメラのノイズなどの影響によって、精度は実際上、格子間隔の概ね1/100になる。したがって、たとえば10μmの変位を検出したい場合、1mm間隔の格子を用いればよい。   The accuracy with which the displacement can be detected using the measuring tape 1 is about 1/1000 of the lattice spacing, but in actuality, the accuracy is practically approximately the lattice spacing due to the influence of ambient light, camera noise, and the like. 1/100. Therefore, for example, when it is desired to detect a displacement of 10 μm, a grid with a 1 mm interval may be used.

このような測定用テープ1は、測定対象の物体に直接貼り付けるだけでよいので、現場で使いやすく、安価であり、迅速に測定して画像解析を実施することができる。画像解析の手法としては、サンプリングモアレ法が用いられ、その原理について次に説明する。   Since such a measuring tape 1 only needs to be directly attached to an object to be measured, it is easy to use on the site, is inexpensive, and can be measured quickly to perform image analysis. As a method of image analysis, a sampling moire method is used, and its principle will be described next.

図3は位相シフトモアレ法の原理を説明するための図である。サンプリングモアレ法とは、基準格子として4画素ピッチの格子パターンをCCDカメラで1枚撮影し、得られた画像をもとに、4枚の位相シフトされたモアレパターンを生成し、モアレ縞の位相分布を求める手法である。図3(a)に示す基準格子を物体の表面に貼り付けてCCDカメラで撮影するとき、格子の一周期がCCDカメラの4画素になるように調整する。図3(a)における黒点「・」はCCDカメラのサンプリングの中心点を示し、図3(b)は基準格子を示し、図3(c)は図3(b)の基準格子を撮影して得られた画像を示す。   FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the phase shift moire method. Sampling moire method is a method of taking a four-pixel pitch grid pattern as a reference grid with a CCD camera, generating four phase-shifted moire patterns based on the obtained image, and generating the phase of moire fringes. This is a technique for obtaining the distribution. When the reference grating shown in FIG. 3A is attached to the surface of the object and photographed by the CCD camera, adjustment is made so that one period of the grating is four pixels of the CCD camera. In FIG. 3A, the black dot “·” indicates the center point of sampling of the CCD camera, FIG. 3B shows the reference grid, and FIG. 3C shows the reference grid of FIG. The obtained image is shown.

CCDカメラでは、画像ピッチの正方形の面積に入射する光量を積分値として検出することになるため、白黒以外に灰色(グレースケール)のデータd1,d2,…が存在する。この段階ではモアレ縞を観察することはできないが、4画素おきに間引き処理、すなわちサンプリング処理を行うと、図3(d)〜図3(g)のように、モアレを見ることができる。図3(d)は左から1番目のサンプリング点から4画素おきに間引くのに対して、図3(e)〜図3(g)はそれぞれ2番目、3番目、4番目のサンプリング点から間引き、位相シフト処理を行う。さらに残りのデータのない3画素の輝度値に前のデータを複製すれば、図3(h)〜図3(k)のような画像が得られ、よりモアレ縞が強調される。   In the CCD camera, since the amount of light incident on the square area of the image pitch is detected as an integral value, gray (grayscale) data d1, d2,. At this stage, moire fringes cannot be observed, but if thinning processing, that is, sampling processing is performed every four pixels, moire can be seen as shown in FIGS. 3 (d) to 3 (g). 3D is thinned out every four pixels from the first sampling point from the left, while FIGS. 3E to 3G are thinned out from the second, third, and fourth sampling points, respectively. The phase shift process is performed. Further, if the previous data is duplicated to the luminance value of three pixels with no remaining data, an image as shown in FIGS. 3 (h) to 3 (k) is obtained, and the moire fringes are further enhanced.

まず、測定対象とする物体の画像は、基準格子の間隔が、カメラの3画素以上になるように光学式カメラをセットして撮影することによって得られる。このとき、できるだけカメラの光軸の向きが対象物の撮像面に対して直角となるように、前記カメラを設置することが望ましいが、斜めからの撮影でも解析することができる。   First, an image of an object to be measured is obtained by setting and photographing an optical camera so that the interval of the reference grid is 3 pixels or more of the camera. At this time, it is desirable to install the camera so that the direction of the optical axis of the camera is as perpendicular as possible to the imaging surface of the object.

前記カメラによって撮影された画像は、基準格子の間隔に相当する画素数N(N≧3)で間引き処理を行う。ここで、Nは整数とするが、Nが整数でなくても解析する方法はある。ここでは、間引きの仕方として、画像の上下左右のいずれかの方向から、最初の画素を基本に、N画素毎に輝度を表すデータを取り出す。次に、2番目の画素からN−1番目まで同様に、N画素毎に輝度を表すデータを取り出す。こうして得られた計N枚中のn番目のモアレ縞の輝度分布は、次の式(1)によって求めることができる。   The image taken by the camera is thinned out with the number of pixels N (N ≧ 3) corresponding to the interval of the reference grid. Here, N is an integer, but there is a method of analysis even if N is not an integer. Here, as a thinning-out method, data representing luminance is extracted for each N pixel based on the first pixel from either the top, bottom, left, or right direction of the image. Next, in the same manner from the second pixel to the (N−1) th, data representing luminance is extracted for each N pixel. The luminance distribution of the nth moire fringe in the total N obtained in this way can be obtained by the following equation (1).

ここで、IとIはそれぞれ輝度振幅と背景輝度である。θはモアレ縞の位相である。 Here, Ia and Ib are the luminance amplitude and the background luminance, respectively. θ is the phase of moire fringes.

図4は位相シフトされた複数のモアレ縞画像を得るために必要な画像処理について説明するための図である。ここでは、間引き数を3とした場合を示す。図4(a)は撮影された画像の元の輝度値を示し、図4(b)は左から1番目のスタート点から3画素毎に間引くことによって得られた輝度値を示す。図4(c)は左から2番目のスタート点から3画素毎に間引くことによって得られた輝度値を示し、図4(d)は左から3番目のスタート点から3画素毎に間引くことによって得られた輝度値を示す。   FIG. 4 is a diagram for explaining image processing necessary to obtain a plurality of phase-shifted moire fringe images. Here, a case where the thinning-out number is 3 is shown. 4A shows the original luminance value of the photographed image, and FIG. 4B shows the luminance value obtained by thinning out every third pixel from the first start point from the left. FIG. 4C shows luminance values obtained by thinning out every third pixel from the second start point from the left, and FIG. 4D shows thinning out every third pixel from the third start point from the left. The obtained luminance value is shown.

本来基準格子の明るさ分布が図2(c)、図2(d)、図2(i)のような正弦波形または余弦波形であることが最も理想である。しかし、図2(a)、図2(b)、図2(e)、図2(f)、図2(g)、図2(h)のような白黒のバイナリ格子を用いても、平滑化処理等を行うことによって、近似的に式(1)のように表すことができる。また間引く処理を行うと画素サイズはN倍小さくなるが、抜けた画像データを図4(d)に示すように線形補間すれば、元の画像を同じ解像度の画像を得ることができる。なお、線形補間以外の補間手法も同様の効果が得られるものは利用することができる。   Originally, it is most ideal that the brightness distribution of the reference grid is a sine waveform or a cosine waveform as shown in FIGS. 2 (c), 2 (d), and 2 (i). However, even if a black and white binary lattice such as FIG. 2 (a), FIG. 2 (b), FIG. 2 (e), FIG. 2 (f), FIG. 2 (g), or FIG. By performing the conversion processing or the like, it can be approximately expressed as in Expression (1). If the thinning process is performed, the pixel size is reduced by N times, but if the missing image data is linearly interpolated as shown in FIG. 4D, an image having the same resolution as the original image can be obtained. An interpolation method other than linear interpolation can be used if the same effect can be obtained.

たとえば、図4(d)では、間引くことによって、画素Aと画素Dの間に抜けたBおよびCのデータを画素AとDのデータから線形補間で求めることができる。   For example, in FIG. 4D, by thinning out, B and C data missing between the pixel A and the pixel D can be obtained from the data of the pixels A and D by linear interpolation.

モアレ縞の位相θは、これらの位相シフトされた複数枚の画像を用いて次の式(2)によって求めることができる。   The phase θ of the moire fringes can be obtained by the following equation (2) using the plurality of phase-shifted images.

特にN=4のとき、式(3)より簡単に求めることができる。   In particular, when N = 4, it can be easily obtained from equation (3).

次に、基準格子を貼付けた試料が面内変位する場合を考える。試料全体が変位することによってモアレ縞の位相も変化するため、変位前のx方向とy方向の位相分布をそれぞれφx0,φy0とし、変位後のx方向とy方向の位相分布をそれぞれφx1,φy1とすると、変位前後のx方向とy方向の位相差は、それぞれΔφ=φx1−φx0と、φ=φy1−φy0になる。 Next, consider a case where the sample with the reference grid is displaced in-plane. Since the phase of the moire fringe changes when the entire sample is displaced, the phase distributions in the x direction and y direction before displacement are φ x0 and φ y0 , respectively, and the phase distributions in the x direction and y direction after displacement are φ, respectively. x1, When phi y1, the phase difference of the longitudinal displacement x and y directions, a Δφ x = φ x1x0 respectively, becomes φ y = φ y1y0.

変位前後の位相差Δφ,Δφとx方向とy方向の変位量u,vとの関係は、式(4)のようになる。なお、pは格子の間隔であり、使用する測定用テープ1の仕様や撮影された格子の大きさに応じて決定される。 The relationship between the phase differences Δφ x , Δφ y before and after the displacement and the displacement amounts u, v in the x direction and the y direction is as shown in Expression (4). Note that p is a lattice interval, and is determined according to the specification of the measurement tape 1 to be used and the size of the captured lattice.

ここで、得られた変位分布u,vを式(5)に示すように、それぞれの方向に微分することによって、x方向とy方向のひずみε,εの分布が得られる。 Here, as shown in the equation (5), the obtained displacement distributions u and v are differentiated in the respective directions to obtain the distributions of strains ε x and ε y in the x direction and the y direction.

さらに式(5)にヤング率などの材料定数を乗ずると、応力分布を得ることができる。
図5は変位応力分布の測定原理を説明するための図である。左側は画像、右側は横1ラインの断面データを示している。まず、図5(a)に変位前後のそれぞれの格子画像を示す。変形前に比べてわずかに右に変位している。図5(b)は間引き数Nが4のときに間引き処理を行い、抜けたデータを線形補間して得られた4枚の位相シフトされた変位前のモアレ縞画像である。同様に図5(c)は変位後の4枚の位相シフトされたモアレ縞画像である。図5(d)は図4(b)の変位前の位相分布φであり、図5(e)は変位後の位相分布φである。位相値が変わっていることがわかる。図5(f)は変位前後の位相差分布Δφである。この値を式(4)と式(5)に代入すると、変位分布およびひずみ応力分布が得られる。
Furthermore, the stress distribution can be obtained by multiplying Equation (5) by a material constant such as Young's modulus.
FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of measuring the displacement stress distribution. The left side shows an image, and the right side shows cross-sectional data of one horizontal line. First, FIG. 5A shows respective lattice images before and after displacement. It is slightly displaced to the right compared to before deformation. FIG. 5B shows four phase-shifted moire fringe images obtained by performing a thinning process when the thinning number N is 4 and linearly interpolating the missing data. Similarly, FIG. 5C shows four phase-shifted moire fringe images after displacement. FIG. 5D shows the phase distribution φ 0 before displacement of FIG. 4B, and FIG. 5E shows the phase distribution φ 1 after displacement. It can be seen that the phase value has changed. FIG. 5F shows the phase difference distribution Δφ before and after the displacement. By substituting this value into Equation (4) and Equation (5), a displacement distribution and a strain stress distribution are obtained.

(実施例1)
図6および図7に実験装置の光学系を示す。ここでは、単純な3点曲げを受ける板のたわみ測定を行った。試験片5は長さ1000mm、幅30mm、厚さ2.0mmのアルミ板である。表面に間隔が2mmの格子が印刷された測定用テープ1を貼付けた。この試験片5を支点間距離800mmの支点6,7上に設置し、中央部におもり8を載せて荷重を加えた。実際の変位量を知るために、荷重を加えた場所の真下にレーザ式変位センサ9を設置し、荷重を加えた前後の変位量を測定した。また、図7の平面図に示すように、カメラ11を被測定物(本実施例では、試験片5)の真正面に設置することが難しい場合、シフトレンズ12を用いたあおり系の配置で参照符11aのように、カメラ11を設置して実験を行えばよい。それでも困難な場合は、カメラを斜めに設置して撮影を行ってもよい。
Example 1
6 and 7 show the optical system of the experimental apparatus. Here, the deflection of a plate subjected to simple three-point bending was measured. The test piece 5 is an aluminum plate having a length of 1000 mm, a width of 30 mm, and a thickness of 2.0 mm. A measuring tape 1 on which a grid with a spacing of 2 mm was printed was pasted on the surface. This test piece 5 was placed on fulcrums 6 and 7 having a distance between fulcrums of 800 mm, and a weight 8 was placed on the central portion to apply a load. In order to know the actual amount of displacement, a laser displacement sensor 9 was installed immediately below the place where the load was applied, and the amount of displacement before and after the load was applied was measured. In addition, as shown in the plan view of FIG. 7, when it is difficult to install the camera 11 in front of the object to be measured (in this embodiment, the test piece 5), refer to the arrangement of the tilt system using the shift lens 12. An experiment may be performed by installing the camera 11 as indicated by a reference numeral 11a. If it is still difficult, shooting may be performed with the camera installed obliquely.

図8に測定結果を示す。図8(a)の左図は変形前の画像であり、y方向に4画素ごとに画像の間引きを行い、抜けたデータ部分を補間すると図8(b)の左図のような位相シフトされた4枚のモアレ縞画像を得ることができる。この4枚の画像から変形前のモアレ縞の位相分布を求めた結果を、図8(c)の左図に示す。   FIG. 8 shows the measurement results. The left figure in Fig. 8 (a) is an untransformed image. When the image is thinned out every four pixels in the y direction and the missing data part is interpolated, the phase is shifted as shown in the left figure in Fig. 8 (b). Four moiré fringe images can be obtained. The result of obtaining the phase distribution of moire fringes before deformation from these four images is shown in the left diagram of FIG.

同様に、図8(a)の右図は変形後の画像であり、y方向に4画素ごとに画像の間引きを行い、抜けたデータ部分を補間すると、図8(b)の右図のような位相シフトされた4枚のモアレ縞画像を得ることができる。   Similarly, the right diagram in FIG. 8A is a deformed image. When the image is thinned out every four pixels in the y direction and the missing data portion is interpolated, the right diagram in FIG. 8B is obtained. It is possible to obtain four moire fringe images with a phase shift.

この4枚の画像から変形後のモアレ縞の位相分布を求めた結果を、図8(c)の右図に示す。図8(c)の左図および図8(c)の右図から求めた各位相差分布を、図8(d)に示す。この位相差分布に対して、式(4)から図8(e)の変位分布を得ることができる。   The result of obtaining the phase distribution of the moire fringes after deformation from these four images is shown in the right figure of FIG. Each phase difference distribution obtained from the left diagram in FIG. 8C and the right diagram in FIG. 8C is shown in FIG. With respect to this phase difference distribution, the displacement distribution of FIG. 8E can be obtained from the equation (4).

図8(e)の横1ラインの断面データを図8に示す。同図から試験片5の板がたわんでいる様子がわかる。同じ場所において、レーザ式変位センサ9で測定したところ、299.7μmの変位があるのに対して、本方法では301.2μmの変位を検出したことから、誤差は1.5μmであり、精度よく変位を検出することが確認できた。よって実際の橋や高層ビルなどの大型構造物に適用した場合であっても、同様に変位分布が得られるものと考えられる。   FIG. 8 shows cross-sectional data of one horizontal line in FIG. From this figure, it can be seen that the plate of the test piece 5 is bent. When measured with the laser displacement sensor 9 at the same place, there was a displacement of 299.7 μm, whereas in this method, a displacement of 301.2 μm was detected, so the error was 1.5 μm and the accuracy was high. It was confirmed that the displacement was detected. Therefore, even when applied to large structures such as actual bridges and high-rise buildings, it is considered that the displacement distribution can be obtained similarly.

(実施例2)
図10に実験装置を示す。面内変位の検出精度を確認するために、150mm×150mmの基準格子(格子間隔1.016mm)を予め貼り付けた試料を1軸の移動ステージ上に設置し、x方向に1μmずつ20回移動させながら、それぞれの位置において画像撮影を行った。移動ステージの移動分解能は0.1μmである。
(Example 2)
FIG. 10 shows an experimental apparatus. To confirm the in-plane displacement detection accuracy, a sample with a 150 mm x 150 mm reference grid (lattice spacing of 1.016 mm) is placed on a uniaxial moving stage and moved 20 times by 1 μm in the x direction. Images were taken at each position. The moving resolution of the moving stage is 0.1 μm.

実験では、ソニー製のデジタルインターフェイス(XCD−X700)のCCDカメラを使用し、1024画素×768画素の8bitのグレースケールの画像を得た。このとき、格子間隔である1.016mm間隔がカメラの4画素となるように、モアレ縞を観察しながらカメラの位置を調整した。すなわち、このとき撮影におけるCCDカメラのサンプリング間隔は0.254mmである。得られた画像に対して間引き処理と画像データ補間処理を行い、それぞれの位置の位相分布を求めた後、変位前後の位相差分布から式(4)によって変位量を算出した。   In the experiment, a CCD camera with a Sony digital interface (XCD-X700) was used to obtain an 8-bit grayscale image of 1024 pixels × 768 pixels. At this time, the position of the camera was adjusted while observing the moire fringes so that the 1.016 mm interval, which is the lattice interval, was 4 pixels of the camera. That is, at this time, the sampling interval of the CCD camera in photographing is 0.254 mm. After the thinning process and the image data interpolation process were performed on the obtained image to obtain the phase distribution at each position, the displacement amount was calculated from the phase difference distribution before and after the displacement according to Expression (4).

図11に本方法によって検出されたx方向の変位量と実際の移動ステージに与えた変位量との関係を示す。黒丸「●」は中央120×120画素の平均値であり、白丸「○」は中央1点の値である。図10より、平均値を用いた場合、1.016mm間隔の格子に対して平均誤差0.31μm、最大誤差0.71μmであった。平均誤差0.31μmは使用した格子間隔の0.03%に相当し、画素数に換算すると0.0012画素になる。   FIG. 11 shows the relationship between the amount of displacement in the x direction detected by this method and the amount of displacement applied to the actual moving stage. A black circle “●” is an average value of 120 × 120 pixels in the center, and a white circle “◯” is a value at one center. From FIG. 10, when the average value was used, the average error was 0.31 μm and the maximum error was 0.71 μm with respect to the lattice having a spacing of 1.016 mm. The average error of 0.31 μm corresponds to 0.03% of the lattice spacing used, and is 0.0012 pixels when converted to the number of pixels.

実験結果から非常に高い精度で変位を検出できることが確認された。一方、1点の場合はやや誤差が大きい。その原因として、平均値に比べて1点の場合は、CCDカメラのランダムノイズ等の影響を受けやすいことが考えられる。このような場合、同じ画像に対して連続的に複数枚の画像を取得し、画像平均を施すことで精度の向上が期待できる。   From the experimental results, it was confirmed that displacement can be detected with very high accuracy. On the other hand, the error is slightly large in the case of one point. As a cause thereof, it is conceivable that in the case of one point compared to the average value, it is easily affected by random noise of the CCD camera. In such a case, improvement in accuracy can be expected by acquiring a plurality of images continuously for the same image and performing image averaging.

(実施例3)
これまで測定対象物の表面に測定用テープを直接貼付けてから測定を行ったが、測定対象物の表面に始めから規則正しい模様がある場合、その模様をうまく利用することができる。その一例として高層ビルの揺れを検出する方法について述べる。
(Example 3)
In the past, measurement was performed after directly applying a measuring tape to the surface of the measurement object. However, if there is a regular pattern on the surface of the measurement object, the pattern can be used well. As an example, a method for detecting shaking of a high-rise building is described.

図12に高層ビルの写真を示す。ここでは中央の枠内の対象部分(図13(a))において、ビルの構造材料が作る部材の模様を基準格子と見なすことができる。このとき、構造物上の模様の1周期の間隔は、カメラ上では概ね7画素に相当する。したがって、x方向に7画素ごとに画像の間引き処理をすると、図13(b)に示すような位相がシフトされた7枚のモアレ縞画像を得ることができ、式(2)によって、図13(c)に示すようなモアレ縞の位相分布を求めることができる。ビルが揺れる(変位がある)と、この位相分布も変化するので、ビルの揺れ前後の位相差分布からビルの揺れを検出することができる。   FIG. 12 shows a photograph of a high-rise building. Here, in the target portion (FIG. 13A) in the center frame, the pattern of the member made of the building structural material can be regarded as the reference lattice. At this time, the interval of one period of the pattern on the structure corresponds to approximately 7 pixels on the camera. Therefore, if the image thinning process is performed for every seven pixels in the x direction, seven moire fringe images having a phase shift as shown in FIG. 13B can be obtained. The phase distribution of moire fringes as shown in (c) can be obtained. When the building shakes (there is displacement), this phase distribution also changes, so that the building shake can be detected from the phase difference distribution before and after the building shake.

[サンプリングモアレ法]
次に、本発明のサンプリングモアレ法による位相解析方法について説明する。サンプリングモアレ法の特徴は、1枚の画像で解析可能であり、撮影・解析ともに高速化が可能であり、格子間隔の1/100〜1/1000の高精度化を図ることができ、これらを低コストで実現することができることである。
[Sampling moire method]
Next, a phase analysis method using the sampling moire method of the present invention will be described. The characteristics of the sampling moire method can be analyzed with a single image, both shooting and analysis can be performed at high speed, and the accuracy of 1/100 to 1/1000 of the lattice spacing can be improved. It can be realized at low cost.

(元の格子画像の位相解析方法)
位相シフトモアレ法により得られたx,y方向のモアレパターンの位相分布から格子画像のx方向、y方向の位相分布を求める方法について述べる。N画素毎にサンプリングすることによって得られたモアレ縞は、撮影した格子画像と1間隔がN画素である格子画像とを重ね合わすことにより得られるモアレ縞に相当する、またその位相値は変形前後の格子の位相値の差から求まる。よってモアレパターンの位相分布は、撮影した格子画像の位相分布と、N画素で1間隔を成す格子の位相分布との差から求めることができる。
(Phase analysis method of original grid image)
A method for obtaining the phase distribution of the lattice image in the x and y directions from the phase distribution of the moire pattern in the x and y directions obtained by the phase shift moire method will be described. The moiré fringes obtained by sampling every N pixels correspond to the moiré fringes obtained by superimposing the captured lattice image and the lattice image with one interval of N pixels, and the phase value is before and after the deformation. It is obtained from the difference of the phase values of the gratings. Therefore, the phase distribution of the moire pattern can be obtained from the difference between the phase distribution of the captured grid image and the phase distribution of the grid that forms one interval with N pixels.

図14に示すように、1間隔がN画素(この場合は4画素を例とする)、すなわちN画素で1周期を成す位相分布画像を予め作成し、それを参照画像とする。参照画像の位相分布をθ、モアレパターンの位相分布をθ、撮影した格子の位相分布をθとすると、モアレの発生原理より、式(6)に示す関係が成り立つ。
θ=θ−θ …(6)
As shown in FIG. 14, a phase distribution image in which one interval is N pixels (in this case, four pixels are taken as an example), that is, N pixels form one cycle, is used as a reference image. Assuming that the phase distribution of the reference image is θ R , the phase distribution of the moire pattern is θ m , and the phase distribution of the captured grating is θ g , the relationship shown in Expression (6) is established based on the moire generation principle.
θ m = θ g −θ R (6)

この式(6)を変形して次の式(7)を得る。これにより格子の位相分布が求まる。2次元格子の場合であっても、x,y方向それぞれにおいて参照画像を作成して、それぞれのモアレパターン画像との演算を行うと、格子のx方向、y方向の位相分布が得られる。
θ=θ+θ …(7)
This equation (6) is modified to obtain the following equation (7). Thereby, the phase distribution of the grating is obtained. Even in the case of a two-dimensional grating, when a reference image is created in each of the x and y directions and is calculated with each moire pattern image, phase distributions in the x and y directions of the grating can be obtained.
θ g = θ m + θ R (7)

式(7)より、変形前後における元の格子の位相値をθg0、θg1とすると、変位量は、θg1−θg0となり、
θg1−θg0=(θm1−θ)−(θm0−θ
=θm1−θm0 …(8)
From equation (7), if the phase values of the original grating before and after deformation are θ g0 and θ g1 , the displacement is θ g1 −θ g0 ,
θ g1 −θ g0 = (θ m1 −θ R ) − (θ m0 −θ R )
= Θ m1 −θ m0 (8)

式(8)より、元格子の変形量は、結果的にモアレの位相差分布から直接求められることになり、画像を斜めから撮影しても正しく変位分布を求めることができる。   From the equation (8), the deformation amount of the original lattice can be obtained directly from the moire phase difference distribution as a result, and the displacement distribution can be obtained correctly even when the image is taken from an oblique direction.

(複数台のカメラ型形状計測方法)
複数台のカメラの撮影画像内の対応点の検出結果を用いることで、以下のようにして物体の3次元形状と物体の表面のひずみ分布を求めることができる。
(Multi-camera shape measurement method)
By using the detection results of corresponding points in the captured images of a plurality of cameras, the three-dimensional shape of the object and the strain distribution on the surface of the object can be obtained as follows.

図15に、格子画像と格子の位相、位相接続された格子の位相の関係を示す。格子には順に通し番号をつける。格子の位相は2πの範囲の値として得られる。図15の場合は−πからπの間でノコギリ波状に繰り返している。連続的に位相が変化する範囲を同じ格子の範囲とみなし、画素ごとに、格子の通し番号に2πを乗算した値を元の位相値に加える操作を行うことで位相接続を行うことができる。位相接続された位相を2πで割ると,小数化された格子の番号の分布となる。すなわち、この操作をすることで、画素と格子の位置を精密に対応づけることができるようになる。   FIG. 15 shows the relationship between the lattice image, the phase of the lattice, and the phase of the phase-connected lattice. Serial numbers are assigned to the grids in order. The phase of the grating is obtained as a value in the range of 2π. In the case of FIG. 15, it repeats in a sawtooth waveform between −π and π. A range in which the phase continuously changes is regarded as a range of the same lattice, and phase connection can be performed for each pixel by performing an operation of adding a value obtained by multiplying the serial number of the lattice by 2π to the original phase value. Dividing the phase connected phase by 2π results in a distribution of fractionalized lattice numbers. That is, by performing this operation, the positions of the pixels and the grid can be precisely associated.

図16に、2次元格子と位相接続されたx方向とy方向の格子の位相を模式的に示す。2次元格子の場合、方向別に位相接続された位相分布を求めると、画素ごとに2次元の位相値(φx,φy)を得ることができる。2次元格子の場合は,2次元の位相値(φx,φy)から2次元格子上の1点を特定することができる。 FIG. 16 schematically shows the phases of the x-direction and y-direction gratings phase-connected to the two-dimensional grating. In the case of a two-dimensional grating, when a phase distribution phase-connected in each direction is obtained, a two-dimensional phase value (φ x , φ y ) can be obtained for each pixel. In the case of a two-dimensional lattice, one point on the two-dimensional lattice can be specified from the two-dimensional phase values (φ x , φ y ).

図17に、2次元格子が貼付けられた物体と2台のカメラの配置を示す。また、図18に2次元格子が貼付けられた物体を2台のカメラで撮影した画像を示す。それぞれのカメラには2次元格子画像が撮影されるので、画素ごとに2次元の位相値を求めることによって、物体上の1点と,各カメラで撮影された画像内での画素の対応がわかる。左右のカメラで撮影された画像における対応点がわかれば、あらかじめ2台のカメラの校正を行っておくことで、その物体上の1点の3次元座標を求めることができる。それを物体上の多くの点について行うことで、その物体の形状を求めることができる。   FIG. 17 shows an arrangement of an object to which a two-dimensional grid is attached and two cameras. FIG. 18 shows an image obtained by photographing an object to which a two-dimensional lattice is attached with two cameras. Since each camera captures a two-dimensional lattice image, the correspondence between one point on the object and the pixel in the image captured by each camera can be determined by obtaining a two-dimensional phase value for each pixel. . If the corresponding points in the images taken by the left and right cameras are known, the three-dimensional coordinates of one point on the object can be obtained by calibrating the two cameras in advance. By performing it for many points on the object, the shape of the object can be obtained.

また、計測対象物体が変形する際に、変形前後において上述の形状計測を行っておく。この形状計測手法では、物体表面に固定された格子パターンの対応点における3次元座標が得られるため、物体表面の2点間の距離が変形前後でどのように変化するかを求めることによって、物体表面のひずみを計算することができる。多くの点でひずみを計算するとひずみ分布を得ることができる。   Further, when the measurement target object is deformed, the above-described shape measurement is performed before and after the deformation. In this shape measurement method, the three-dimensional coordinates at the corresponding points of the lattice pattern fixed on the object surface are obtained. Therefore, by calculating how the distance between two points on the object surface changes before and after the deformation, Surface strain can be calculated. Strain distribution can be obtained by calculating strain at many points.

(投影型形状測定方法)
z=0の基準面をR、基準面からz方向に距離zだけ移動させた基準面をRとする。x−y平面を基準面と平行にとり、被測定物の高さ方向をz軸とする。この空間座標は、(x,y,z)で表される。まず、物体上の任意の点(x,y,z)と、カメラの同一画素に撮影されるR,R上の点(x,y,0),(x,y,z)の位相値を、位相解析法を用いて求める。その後、(x,y,z)の位相値を求める。図19に示す2枚の基準面R,Rを用いたときの関係から、次の式(9)が得られる。
(Projected shape measurement method)
A reference plane with z = 0 is R 0 , and a reference plane moved by a distance z in the z direction from the reference plane is R 1 . The xy plane is parallel to the reference plane, and the height direction of the object to be measured is the z-axis. The spatial coordinates are represented by (x, y, z). First, R 0, a point on the R 1 (x 0, y 0 , 0) of any point (x, y, z) and are captured in the same pixel of the camera on the object, (x 1, y 1, The phase value of z 1 ) is obtained using a phase analysis method. Thereafter, the phase value of (x, y, z) is obtained. From the relationship when the two reference planes R 0 and R 1 shown in FIG. 19 are used, the following equation (9) is obtained.

式(9)をzについて整理すると、次の式(10)になる。   When formula (9) is arranged with respect to z, the following formula (10) is obtained.

式(10)から点zの座標が求まる。ただし、式(9)および式(10)は、カメラと基準面Rの距離hに比べて十分大きい場合に成り立つ。 From the equation (10), the coordinates of the point z are obtained. However, Expressions (9) and (10) hold when the distance h between the camera and the reference plane R 0 is sufficiently large.

(測定物体の高さ分布)
前述の解析原理を用いて実際に図19に示す被測定対象物を測定する手順について説明する。この実験では、カメラと投影面の距離hは960mm、プロジェクタと投影面の距離は650mm、基準板間隔は2.0mmで行った。実験環境は、図14の場合と同様である。被測定対象物は、縦幅a1=50mm、横幅b1=40mm、厚みt1=1mmの第1板体、縦幅a2=100mm、横幅b2=80mm、厚みt2=1mmの第2板体、縦幅a3=150mm、横幅b3=120mm、厚みt3=1mmの第3板体、および縦幅a4=200mm、横幅b4=150mm、厚みt4=3mmの第4板体が、この順序に同心上に積層された構成である。
(Height distribution of measurement object)
A procedure for actually measuring the object to be measured shown in FIG. 19 using the above analysis principle will be described. In this experiment, the distance h between the camera and the projection surface was 960 mm, the distance between the projector and the projection surface was 650 mm, and the reference plate interval was 2.0 mm. The experimental environment is the same as in FIG. An object to be measured is a first plate having a vertical width a1 = 50 mm, a horizontal width b1 = 40 mm, a thickness t1 = 1 mm, a vertical plate a2 = 100 mm, a horizontal width b2 = 80 mm, and a second plate having a thickness t2 = 1 mm. A third plate with a3 = 150 mm, width b3 = 120 mm, thickness t3 = 1 mm, and a fourth plate with length a4 = 200 mm, width b4 = 150 mm, thickness t4 = 3 mm are stacked concentrically in this order. It is a configuration.

図20に投影画像をCCDカメラで撮影した結果を示す。図21は図22の画像を用いて間引き処理をして得られたモアレパターン画像を示す。図22はモアレパターンの位相分布画像を示す。図23に測定物体の高さ分布画像を示す。図24に図23のAの横1ラインを抜き出した高さの断面形状を示す。図25に図23のBの縦1ラインを抜き出した高さの断面形状を示す。   FIG. 20 shows the result of photographing the projected image with a CCD camera. FIG. 21 shows a moire pattern image obtained by performing the thinning process using the image of FIG. FIG. 22 shows a phase distribution image of a moire pattern. FIG. 23 shows a height distribution image of the measurement object. FIG. 24 shows a cross-sectional shape at a height where one horizontal line of A in FIG. 23 is extracted. FIG. 25 shows a cross-sectional shape of a height obtained by extracting one vertical line of B in FIG.

表1はAの横1ラインを抜き出したときの平均値と標準偏差を示し、表2は表1から求めた実測値と測定した高さから求めた誤差を示す。表2にBの縦1ラインを抜き出したときの平均値と標準偏差を示す。なお、実測値はハイトゲージで測定した。平均誤差および標準偏差ともに0.1mm未満であり、精度よく測定することができた。   Table 1 shows an average value and standard deviation when one horizontal line A is extracted, and Table 2 shows an error obtained from an actual value obtained from Table 1 and a measured height. Table 2 shows the average value and standard deviation when one vertical line of B is extracted. In addition, the actual measurement value was measured with a height gauge. Both the average error and the standard deviation were less than 0.1 mm and could be measured with high accuracy.

本発明に実施の一形態の物体の変形測定方法で用いられる測定用テープ1の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the measuring tape 1 used with the deformation | transformation measuring method of the object of one Embodiment of this invention. 図1に示す測定用テープ1に表示される格子パターン2を示す図であり、図2(a)は縦方向の白黒バイナリ格子を示し、図2(b)は横方向の白黒バイナリ格子を示し、図2(c)は縦方向の白黒バイナリ格子を示し、図2(d)は横方向の正弦波形または余弦波形の明るさ変化をもつ格子を示し、図2(e)は縦横方向の白黒正方形状格子を示し、図2(f)は縦横方向の白黒正方形状格子(輝度反転)を示し、図2(g)は縦横方向の白黒ドット状格子を示し、図2(h)は縦横方向の白黒ドット状格子(輝度反転)を示し、図2(i)は縦横方向の正弦波形または余弦波形の明るさ変化をもつ格子を示す。It is a figure which shows the lattice pattern 2 displayed on the measuring tape 1 shown in FIG. 1, FIG. 2 (a) shows the black-and-white binary lattice of a vertical direction, FIG.2 (b) shows the black-and-white binary lattice of a horizontal direction. 2 (c) shows a black-and-white binary grid in the vertical direction, FIG. 2 (d) shows a grid with a brightness change in the horizontal sine waveform or cosine waveform, and FIG. FIG. 2 (f) shows a black and white square lattice (intensity inversion) in the vertical and horizontal directions, FIG. 2 (g) shows a black and white dot lattice in the vertical and horizontal directions, and FIG. 2 (h) shows a vertical and horizontal direction. FIG. 2 (i) shows a grid having a brightness change of a sine waveform or cosine waveform in the vertical and horizontal directions. 位相シフトモアレ法の原理を説明するための図であり、図3(a)は基準格子を物体の表面に貼り付けてCCDカメラのサンプリングの中心点を示し、図3(b)は基準格子を示し、図3(c)は図3(b)の基準格子を撮影して得られた画像を示す。図3(c)は画像ピッチの正方形の面積に入射する光量を積分値として検出される白黒以外の灰色(グレースケール)のデータd1,d2,…を示し、図3(d)〜図3(g)は4画素おきに間引き処理したときの画像を示し、図3(h)〜図3(k)はデータのない3画素の輝度値に前のデータを複製して得られたモアレ縞を示す。FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the principle of the phase shift moire method, in which FIG. 3A shows the center point of the CCD camera sampling by pasting the reference grating on the surface of the object, and FIG. 3B shows the reference grating. FIG. 3C shows an image obtained by photographing the reference grid of FIG. FIG. 3C shows gray (grayscale) data d1, d2,..., Which are detected by using the amount of light incident on the square area of the image pitch as an integral value. g) shows an image when the thinning process is performed every four pixels, and FIGS. 3 (h) to 3 (k) show moire fringes obtained by duplicating the previous data to the luminance values of three pixels without data. Show. 位相シフトされた複数のモアレ縞画像を得るための画像処理手順を説明するための図であり、間引き数を3とした場合を示す。図3(a)は撮影された画像の元の輝度値を示し、図3(b)は左から1番目のスタート点から3画素毎に間引くことによって得られた輝度値を示し、図3(c)は左から2番目のスタート点から3画素毎に間引くことによって得られた輝度値を示し、図3(d)は左から3番目のスタート点から3画素毎に間引くことによって得られた輝度値を示す。It is a figure for demonstrating the image processing procedure for obtaining the several moire fringe image by which the phase shift was carried out, and shows the case where the thinning number is set to 3. 3A shows the original luminance value of the photographed image, FIG. 3B shows the luminance value obtained by thinning out every third pixel from the first start point from the left, and FIG. c) shows a luminance value obtained by thinning out every third pixel from the second start point from the left, and FIG. 3D was obtained by thinning out every third pixel from the third start point from the left. Indicates the luminance value. 変位応力分布測定の原理を示す図であり、図5(a)は変位前後の格子画像を示し、図5(b)は変位前のモアレ縞画像を示し、図5(c)は変位後のモアレ縞画像を示し、図5(d)は変位前の位相分布を示し、図5(e)は変位後の位相分布を示し、図5(f)は変位前後の位相差分布を示す。FIG. 5A is a diagram showing the principle of displacement stress distribution measurement, FIG. 5A shows a lattice image before and after displacement, FIG. 5B shows a moire fringe image before displacement, and FIG. FIG. 5D shows a phase distribution before displacement, FIG. 5E shows a phase distribution after displacement, and FIG. 5F shows a phase difference distribution before and after displacement. アルミ板の変形分布測定の光学のレイアウトを示す側面図である。It is a side view which shows the optical layout of the deformation distribution measurement of an aluminum plate. アルミ板の変形分布測定の光学のレイアウトを示す平面図である。It is a top view which shows the optical layout of the deformation distribution measurement of an aluminum plate. 図4における変位分布の測定結果を示す図であり、図8(a)は変形前の画像を示し、図8(b)は変形後の画像を示し、図8(c)は変形前の位相シフトされたモアレ縞画像を示し、図8(d)は変形後の位相シフトされたモアレ縞画像を示し、図8(e)は変形前のモアレ縞の位相分布を示し、図8(f)は変形後のモアレ縞の位相分布を示し、図8(g)は図8(c)の変形前の位相分布と変形後の位相分布との位相差分布を示し、図8(e)は変位分布を示す。FIGS. 8A and 8B show measurement results of the displacement distribution in FIG. 4, FIG. 8A shows an image before deformation, FIG. 8B shows an image after deformation, and FIG. 8C shows a phase before deformation. FIG. 8D shows a phase-shifted moire fringe image after deformation, FIG. 8E shows a phase distribution of moire fringes before deformation, and FIG. 8F shows a shifted moire fringe image. Shows the phase distribution of the moire fringes after deformation, FIG. 8 (g) shows the phase difference distribution between the phase distribution before deformation and the phase distribution after deformation of FIG. 8 (c), and FIG. 8 (e) shows the displacement. Show the distribution. 図6のラインBのおけるアルミ板のたわみ形状を示す図である。It is a figure which shows the bending shape of the aluminum plate in the line B of FIG. 変位の検出精度の確認実験の光学系と装置の写真を示す図である。It is a figure which shows the photograph of the optical system and apparatus of a confirmation experiment of the detection accuracy of a displacement. 実験結果と実際の変位の精度比較を示す図である。It is a figure which shows the accuracy comparison of an experimental result and an actual displacement. 高層ビルの写真である。It is a photograph of a high-rise building. 図10の中央領域の解析結果を示し、図13(a)は撮影画像であり、図13(b)は7画素ごとの間引きによって得られたモアレ縞画像を示し、図13(c)は図13(b)の7枚の位相シフトされた画像から求めた位相分布を示す。FIG. 13A shows the analysis result of the central region in FIG. 10, FIG. 13A shows the captured image, FIG. 13B shows the moire fringe image obtained by thinning out every 7 pixels, and FIG. The phase distribution obtained from seven phase-shifted images of 13 (b) is shown. 1間隔がN画素で1周期を成す位相分布の参照画像を示す図である。It is a figure which shows the reference image of the phase distribution in which 1 space | interval comprises 1 pixel and 1 period. 格子画像と格子の位相、位相接続された格子の位相の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the grating | lattice image, the phase of a grating | lattice, and the phase of the phase-connected grating | lattice. 2次元格子と位相接続されたx方向とy方向の格子の位相を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the phase of the grating | lattice of the x direction and y direction phase-connected with the two-dimensional grating | lattice. 2次元格子が貼付けられた物体と2台のカメラの配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the object on which the two-dimensional lattice was stuck, and two cameras. 2次元格子が貼付けられた物体を2台のカメラで撮影した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which image | photographed the object with which the two-dimensional lattice was stuck with two cameras. 測定対象物の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of a measuring object. 投影画像をCCDカメラで撮影した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having image | photographed the projection image with the CCD camera.

図20の画像を用いて間引き処理をして得られたモアレパターン画像を示す。The moire pattern image obtained by performing the thinning process using the image of FIG. 20 is shown. モアレパターンの位相分布画像を示す。The phase distribution image of a moiré pattern is shown. 測定物体の高さ分布画像を示す。The height distribution image of a measurement object is shown. 図23のAの横1ラインを抜き出した位相値を示す。The phase value which extracted one horizontal line of A of FIG. 23 is shown. 図23のBの縦1ラインを抜き出した位相値を示す。The phase value which extracted one vertical line of B of FIG. 23 is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 測定用テープ
2 格子パターン
3 物体の表面
1 Measuring Tape 2 Grid Pattern 3 Object Surface

Claims (5)

物体の表面に測定したい精度に応じたピッチ間隔の矩形波形または正弦状波形の明るさ分布を有する格子パターンが描かれた2次元状のシート体を貼付けることによって規則正しい模様を形成し、該規則正しい模様を基準格子とし、力を加える前と後のそれぞれの所定の領域を、異なる位置に設置された複数台の光学式カメラで撮影するステップと、
撮影された画像に対して、等間隔の画素ごとのサンプリングを、起点の画素を変えながら3回以上の複数回実行し、このサンプリング処理によって得られた間引き画像を補間処理することによってモアレ縞画像を生成し、位相シフト法によって得られるモアレ縞の横方向および縦方向の各位相分布を求めるステップと、
変形前後の位相分布から得られる位相差分布から、物体の変位量分布を算出するステップと
前記変位量分布に基づいて、ひずみまたは応力分布を算出するステップとを含むことを特徴とする物体の変位測定方法。
A regular pattern is formed by attaching a two-dimensional sheet body on which a lattice pattern having a rectangular waveform or a sinusoidal waveform brightness distribution with a pitch interval corresponding to the accuracy to be measured is applied to the surface of the object, and the regular pattern pattern as the reference grid and the respective predetermined regions before and after the application of force, a step of photographing by a plurality of optical cameras installed at different positions,
A moiré fringe image is obtained by performing sampling for each pixel at equal intervals on a photographed image a plurality of times, three or more times while changing the starting pixel, and interpolating the thinned image obtained by this sampling processing. And obtaining each phase distribution in the horizontal and vertical directions of the moire fringes obtained by the phase shift method;
Calculating the displacement distribution of the object from the phase difference distribution obtained from the phase distribution before and after deformation ;
And calculating a strain or stress distribution based on the displacement amount distribution .
物体の変位を3次元的に検出することを特徴とする請求項に記載の物体の変位測定方法。 The object displacement measuring method according to claim 1 , wherein the displacement of the object is detected three-dimensionally. 2次元の位相分布を使って、前記複数台のカメラの撮影画像内での対応点を検出することを特徴とする請求項に記載の物体の変位測定方法。 The object displacement measuring method according to claim 2 , wherein corresponding points in the captured images of the plurality of cameras are detected using a two-dimensional phase distribution. 前記複数台のカメラの撮影画像内の対応点の検出結果を用いて、物体の3次元形状を測定することを特徴とする請求項に記載の物体の変位測定方法。 4. The object displacement measuring method according to claim 3 , wherein a three-dimensional shape of the object is measured using detection results of corresponding points in the captured images of the plurality of cameras. 前記測定された物体の3次元形状を用いて、物体の表面のひずみ分布を求めることを特徴とする請求項に記載の物体の変位測定方法。 5. The object displacement measuring method according to claim 4 , wherein a strain distribution on the surface of the object is obtained using the measured three-dimensional shape of the object.
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