JP5082941B2 - 標線位置測定装置、標線位置測定用プログラム、および標線マーク - Google Patents

Description

本発明は、試験片の標線位置を非接触ビデオ式で測定するための標線位置測定装置、標線位置測定用のプログラム、および、標線マークに関するものである。

従来から、材料試験機により試験片に機械的負荷を作用させたとき、標線の位置を光学的に検出することが行われている。試験片の標線に張り付ける標線シールとして、最も単純な例では、試験片の変形方向に直交する方向に直線状の標線マークを描いたシールを貼り付けることが知られている。ところが、単なる直線状の標線マークでは、試験片の変形方向に直交する方向に向って画素ごとの濃淡データを積算したとしても、十分な測定精度を安定的に得ることができないことは周知の事実である。

そこで現在では、単なる直線状の標線マークを改良することにより、試験片の変形方向に直交する方向に向って撮像データを積算したとき、多数の画素ピッチを含んだ補間計算が可能となるようにしている（特許文献１）。すなわち、白黒のはっきりした改良型の標線マークを用い、試験片の変形方向に直交する方向に向って撮像データを積算することにより、試験片の位置を表す座標ｘに関するプロファイルP(x)を求め、そのプロファイル値が所定の閾値と交わる２点のｘ座標値から標線位置を算出することが行われている。
特開平１１−９４７１９号公報

しかしながら、上記の改良型標線マークを使用したとしても、画素ピッチ単位での補間計算を前提としているので、撮像素子間距離の数分の一ないし数十分の一程度の測定分解能を得るのが限界である。換言すると、白黒の標線マークをビデオカメラで撮像しているので、撮像素子間の補間計算まで行って測定分解能を高めることはできなかった。

本発明に係る標線位置測定装置は、試験片に付されている標線の位置を非接触ビデオ式により測定する装置であって、連続した階調の濃度分布が前記標線を挟んで線対称となるよう分布している標線マークを撮像し、標線マーク画像データを出力するビデオカメラと、前記標線マーク画像データに基づいて、前記標線の位置を演算する演算手段とを備え、前記演算手段は、前記標線の位置変位に伴って前記標線マークがＸ軸方向に変位するとき、前記標線マークの変位方向と直交するＹ軸方向に前記標線マーク画像データを積算して関数f(x)を求め、予め定めた直交する２つの関数と前記関数f(x)との相関をそれぞれ算出し、得られた２つの算出結果の比に基づいて前記標線の位置を演算する、ことを特徴とする。
本発明に係る標線マークは、試験片の標線位置を非接触ビデオ式により検出するための標線マークであって、上記の標線位置測定装置に用いることを特徴とする。
本発明に係る標線位置測定用プログラムは、試験片に付されている標線の位置を非接触ビデオ式により測定する装置に用いるための標線位置測定用プログラムであって、連続した階調の濃度分布が前記標線を挟んで線対称となるよう分布している標線マークの画像データを入力する処理と、前記標線マーク画像データに基づいて前記標線の位置を演算する際に、前記標線の位置変位に伴って前記標線マークがＸ軸方向に変位するとき、前記標線マークの変位方向と直交するＹ軸方向に前記標線マーク画像データを積算して関数f(x)を求め、予め定めた直交する２つの関数と前記関数f(x)との相関をそれぞれ算出し、得られた２つの算出結果の比に基づいて前記標線の位置を演算する処理と、をコンピュータで実行させることを特徴とする。

本発明によれば、線対称となっている連続階調画像を標線マークとして使用しているので、白黒などの２値画像を用いる場合に比べて、標線の測定分解能を極めて高めることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明を適用した非接触ビデオ式伸び計の全体構成図である。本図において、ＴＰは試験片であり、図示しない材料試験機の上つかみ具２および下つかみ具４により把持されている。試験片ＴＰに付けられているＧ１およびＧ２は標線である。この標線Ｇ１，Ｇ２の上には標線シールが貼り付けてあり、その標線シール上には標線マーク（後に詳述する）が印刷されている。ここで、標線マークは標線シール上に印刷されているものであるが、標線マークと標線シールは一体として機能するので、以下、単に標線マークＭ１，Ｍ２と呼ぶ。

なお、標線マークＭ１，Ｍ２はシールとして試験片ＴＰに貼り付けるほか、試験片ＴＰの表面にインクを吐出もしくは塗布することにより形成してもよい。また、図１では、標線マークＭ１，Ｍ２の下面にある標線Ｇ１，Ｇ２が透過して見えるように描いてあるが、実際には、標線マークＭ１，Ｍ２のみが観測対象となる。
本明細書において、標線マークＭ１，Ｍ２を含む標線マークの総称を指すときには、単に標線マークＭという。同様に、標線Ｇ１，Ｇ２を含む標線の総称を指すときには、単に標線Ｇという。

６はビデオカメラであり、その撮影視野内には少なくとも標線マークＭ１，Ｍ２が含まれるように、レンズあるいはズーム倍率等の設定をしておく。ビデオカメラ６は、後に詳述するように、標線マークＭ１，Ｍ２を捕捉して画像データ（以下、標線マーク画像データともいう）を出力する。

８はコンピュータであり、その内部には、画像データを取り込むためのインタフェースＩ／Ｏのほか、演算処理および各種制御用のＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭが含まれている。コンピュータ８には、表示装置１０，入力装置１２，外部記憶装置１４が接続されている。コンピュータ８のＲＯＭには、標線マークＭ１，Ｍ２の位置を演算するための演算プログラムが記憶されている。その演算処理については、後に詳述する。なお、このコンピュータ８は、図示しない材料試験機のコントローラとしても機能するので、材料試験機を制御するための各種インタフェースおよび制御回路（いずれも図示せず）も含んでいる。

図１の右側部分には、標線位置を測定するうえで必要な座標の方向を描いてある。試験片ＴＰに負荷が作用されると標線間距離は伸びるが、その伸びる方向をＸ軸としてある。換言すると、標線Ｇ１，Ｇ２に直交する方向をＸ軸方向としている。したがって、標線Ｇ１，Ｇ２に平行な方向がＹ軸方向となる。

標線間距離を測定する際には、２つの標線Ｇ１，Ｇ２の位置をＣＰＵでそれぞれ演算する必要がある。しかし、２つの標線Ｇ１，Ｇ２それぞれの位置を演算する手法は同じであるので、一方の標線位置を演算する過程について以下に説明していく。

図２は、標線マークＭ１を拡大した図である。本図に示すように、標線Ｇ１が変位する前（すなわち、試験片ＴＰに負荷が作用されていないとき）のＸ座標を０としている。標線マークＭ１のうち、Ｘ座標＝０を挟んで±πの範囲内には、連続した黒色濃度分布が上下対称に印刷されている。いわゆる、上下対称のグレイスケールがＸ座標＝±πの範囲内に描かれている。その対称軸は、標線Ｇ１と一致している。より具体的に述べると、Ｘ座標＝０の黒色濃度は１（１００％）であり、Ｘ座標＝±πの黒色濃度は０（０％）となるように連続した階調の濃度分布が描かれている。Ｘ座標が±πを超えた領域は白色（黒色濃度０）である。

図２に示した標線マークＭ１の横方向（Ｙ軸方向）長さは、ビデオカメラ６で撮像して得られた標線マーク画像データをＹ軸方向に積算するのに適した長さにしておく。また、Ｘ軸方向の黒色濃度は、例えば８ビットで表現される階調（＝２５６階調）としておく。

本実施の形態において、Ｘ軸方向の黒色濃度は、次の数式１で表される濃淡分布を有しているものとする。

説明の都合上、いま試験片ＴＰに負荷を作用させたとき、標線マークＭ１がＸ軸のプラス方向に変位したものとする。その状態を示したのが図３（Ａ）である。
図３（Ａ）は、変位した標線マークＭ１の位置と、標線マーク画像データをＹ軸方向に積算する際の計算領域を示している。この図３（Ａ）に示されているｂは、変位した標線Ｇ１のＸ座標を表していると同時に、上下対称のグレイスケールにおける対称軸の位置でもある。

図３（Ａ）に示した標線マークＭ１の位置において、ビデオカメラ６から得られた標線マーク画像データをコンピュータ８でＹ軸方向に積算（計算領域は−π〜＋π）すると、図３（Ｂ）に示すような関数f(x)が算出される。
上記の関数f(x)は、次の数式２で示される。
ここで、ａは、光学系の倍率，カメラと標線マークＭ１との距離等により規定される標線マークの大きさに関連した定数である。ｂは、図３（Ｂ）に示した通り、計算領域（±π）内における標線マークの重心位置である。

以上の前提に基づいて、本実施の形態における演算の原理を説明する。
まず次の数式３に基づいて、上記の関数f(x)とcos x の相関を計算し、その計算結果をｘ相関と定義する。これと同時に、上記の関数f(x)とsin x の相関を計算し、その計算結果をｙ相関と定義する。ここで、cos xとsin xについては、直交関数となっていることから便宜的に用いたものである。また、数式３に示してある＝マークは、右辺により計算した結果を左辺にする、という意味である。

数式３から、ｘ相関は次の数式４の通り計算される。

同様に、数式３から、ｙ相関は次の数式５の通り計算される。

ここで、数式４と数式５から、ｘ相関とｙ相関のベクトル位相を求めると、次の数式６の通りとなり、ｂの値を計算することができる。
なお、数式６から明らかなように、数式２で用いた定数ａはｂの値に何の影響も与えないことが判る。また、数式６から明らかなように、ｂの値はｘ相関とｙ相関の比だけで決まるので、ビデオカメラのコントラストも計算結果に影響を与えない。さらに、変位位置を計算するために何らかの閾値も必要としないので、演算結果にばらつきが生じない。

以上が、本実施の形態によりｂの値（すなわち、標線Ｇ１のＸ座標）を演算するための原理的説明である。
実際にコンピュータ８でｂの値を計算するためには、数式３の演算を離散的に実行すればよい。すなわち、図３（Ｂ）において説明した関数f(x)とcos x の相関Ｒｘを計算し、且つ、上記の関数f(x)とsin x の相関Ｒｙを計算し、それら計算結果の比からtan-¹ (Ｒｙ／Ｒｘ)を求めればよい。

図４は、標線位置を決定するための処理手順を示すフローチャートである。本図に示す処理手順は、プログラムの形態でコンピュータ８のＲＯＭ（または外部記憶装置１４）に記憶されており、ＣＰＵにより実行される。
ステップＳ１では、ビデオカメラ６から標線マーク画像データをＣＰＵ内のワークエリアに取り込む。
ステップＳ２では、図３（Ａ）,（Ｂ）で説明したように、試験片ＴＰに負荷がかけられたときの関数f(x)を計算する。
ステップＳ３では、ステップＳ２で求めた関数f(x)とcos x の相関Ｒｘを計算する。同時に、上記の関数f(x)とsin x の相関Ｒｙを計算する。
ステップＳ４では、ステップＳ３で求めた計算結果の比からtan-¹ (Ｒｙ／Ｒｘ)を計算し、その結果をｂとする。
ステップＳ５では、ステップＳ４で求めたｂの値を実際の長さに変換するための変換処理および校正処理を行う。

図５は、ビデオカメラ６の撮像素子が離散的に配置されていることにより生じる測定結果への影響を説明する図である。いま図５に示すように、Ｘ軸方向を−π〜＋πの範囲で８分割する９個の撮像素子が有ると仮定する。そして、演算のために入力された信号の大きさが次の数式７で表され、ｂが０からπ／４まで（＝１画素分）移動する場合を想定する。

すると、相関係数の計算に関わる撮像素子は−π／４，０，π／４，π／２の位置にある４素子だけであり、ｘ，ｙの相関係数はそれぞれ以下のように計算される。
まず、ｘ相関は次の数式８により求められる。

同様に、ｙ相関は次の数式９により求められる。

そこで、数式８と数式９から、次の数式１０を使ってβを求めると、βはｂの関数となる。
このようにして数値計算した結果と理想的直線との関係は、図６に示す通りである。
図７は、図６に示した計算結果と理想的直線との誤差を示している。この図から明らかなように、計算に関わる素子は僅かに４素子であるにも拘わらず、計算領域（撮像範囲）の０．２％程度の精度が得られている。よって、撮像素子が離散的に配置されていることは、測定結果にほとんど影響を与えないことがわかる。

−実施の形態１による作用・効果−
（１）本実施の形態では、試験片ＴＰ上の標線Ｇを対称軸として、その両側に黒色濃度が徐々に下がっていく連続階調分布（いわゆるグレイスケール）を備えた標線マークＭを用いた。その結果、従来から用いられてきた白黒の標線マークを用いる場合に比べて撮像素子間の補間までも行うことができるので、より高分解能を達成することができる。
（２）本実施の形態では、試験片ＴＰ上の標線Ｇを対称軸として、その両側に黒色濃度が徐々に下がっていく連続階調分布をビデオカメラで撮影しているので、撮像素子から出力される映像信号のレベルも連続的なものとなる。その結果として、高い測定精度を安定的に得ることができる。
（３）１つの撮像素子に着目すると、感光部分はその素子のある１部の領域にすぎないことになるが、従来から知られている白黒の標線マークでは境界部が通り過ぎてから隣の素子の感光部分が応答するまで映像出力が変化せず、適切な計算結果が得られなかった。他方、本実施の形態では、黒色濃度が徐々に下がっていく連続階調分布を撮像しているので、常に安定した位置演算を実行することができる。
（４）本実施の形態では、標線マークＭを撮影するビデオカメラ側の設定、および、映像信号のコントラスに依存することなく、標線位置の演算を行うことができる。
（５）標線Ｇの位置を計算するに際して、所定値の閾値を用いることなく演算を実行することができるので、演算結果にばらつきが生じることがない。
（６）撮像素子が離散的に配置されていたとしても、標線マークＭとして連続階調の黒色濃度を撮影しているので、撮像素子が離散的に配置されていることは、位置測定のための演算結果にほとんど影響を与えることがない。

−変形例−
実施の形態１における各構成要素は、以下に列挙するよう変形することができる。
（１）上述した標線マークＭでは、黒色の連続階調分布を用いているが、有彩色の連続階調分布を線対称とした場合にも同様に適用可能である。また、対称軸位置での色濃度を１（１００％）とすることなく、逆に０（０％）としてもよい。

（２）図１に示した構成では、１つのビデオカメラ６を用いて、その視野内に２つの標線マークＭ１，Ｍ２を捉えているが、図８に示すように、１つの標線マークに対して１つのビデオカメラを対応させることも可能である。これとは逆に、１つのビデオカメラを用いて３本以上の標線マークを補足し、それにより、複数の標線間距離を同時に測定することも可能である。

（３）実施の形態１では、試験片ＴＰの伸びを測定しているが、１つの標線マークを使用することによって、伸び計と幅計の両機能を実現することも可能である。斯かる構成について、以下に説明する。
伸び計と幅計を同時に機能させるための全体構成は、図１に示した構成と同じである。但し、標線マークの画像として、線対称の濃度分布をＸ軸方向のみならず、Ｙ軸方向にも備えた画像とする必要がある。
Ｘ軸方向の伸びと、Ｙ軸方向の伸びを同時に測定するために、一例として、次の数式１１に示す濃淡をもつ標線マークを使用することができる。

数式１１は、無彩色のみならず有彩色にも適用し得ることは勿論である。
図９は、Ｘ軸方向の伸びと、Ｙ軸方向の伸びを同時に測定するための濃度分布を示した一例である。なお、この図９においてはContrastという変数を用いているが、このContrastとは、通常の意味におけるコントラスト（明度差）ではなく、各座標位置における色濃度を１〜０の範囲で表したものである。
図１０は、Ｘ軸方向の伸びとＹ軸方向の伸びを同時に測定するために、連続階調の色濃度分布を備えた標線マークの一例を示す。

＜実施の形態２＞
図１１は、図３（Ｂ）に示した関数f(x)を用いることにより、標線Ｇの位置（＝標線マークの重心位置）ｂを算出する手順を示した説明図である。
図３（Ｂ）に示した関数f(x)を算出する手順は実施の形態１で説明した通りであるので、説明は省略する。ここで述べる実施の形態２では、所定の閾値Ｔｈと関数f(x)との交点Ｘ_１およびＸ₂を求め、その中点をｂの座標としている。

−実施の形態２による作用・効果−
本実施の形態では、従来から知られている閾値を使用しているので、図３（Ｂ）に示した関数f(x)を算出した後は、より簡便に標線の位置を算出することができる。

−変形例−
図１１から明らかなように、実施の形態２で重要な数値は、閾値Ｔｈと関数f(x)との交点となるＸ_１およびＸ₂である。従って、これら交点Ｘ_１およびＸ₂を含む立上がり領域および立下り領域以外は、どのような濃度分布であってもよい。すなわち、標線マークの対称軸近辺における濃度は必ずしも連続階調とする必要はない。一例として、標線を挟んだＸ軸方向の所定領域を一定の濃度とした標線マークを用いることができる。

＜実施の形態３＞
図１２は、図３（Ｂ）に示した関数f(x)を用いることにより、標線Ｇの位置（＝標線マークの重心位置）ｂを算出する手順を示した説明図である。
図３（Ｂ）に示した関数f(x)を算出する手順は実施の形態１で説明した通りであるので、説明は省略する。ここで述べる実施の形態３では、試験片ＴＰへ負荷を作用させる前に、標線マークＭの濃淡分布を横方向に積分して関数f_１(x)を予め求めておく。次に、変位後の関数f_２(x)と一致するまでＸ軸上をΔτずつ移動させる。Δτは、所望する分解能である。これにより、標線マークＭの重心位置ｂを求めることができる。関数f_１(x)をＸ軸上で移動させるためには、f_１(x −τ)とf_２(x)との相関を計算すればい。そして、最大の相関値を呈するτをｂの座標とする。

−実施の形態３による作用・効果−
本実施の形態によれば、標線マークＭの濃淡分布を横方向に積分して関数f_１(x)を予め求めておけばよいので、同一の標線マークＭを用いるユーザにとっては、既知の関数f_１(x)を共用することができる。

−変形例−
実施の形態３では、1)試験片ＴＰの標線Ｇと直交するＸ軸方向に負荷が作用される前に、標線Ｇと平行なＹ軸方向に標線マーク画像データを積算することにより、Ｘ座標を変数とする第１の関数f_１(x)を予め算出しておき、2)試験片ＴＰに負荷が作用されたとき標線Ｇの位置変位に伴って標線マークＭがＸ軸方向に変位した時点で、Ｙ軸方向に前記標線マーク画像データを積算することにより、Ｘ座標を変数とする第２の関数f_２(x)を算出し、3)第１の関数f_１(x)と第２の関数f_２(x)との相関関数Ｒ_１２(τ)が最大値を呈するτを求めることにより前記標線の位置を判定していた。
しかし、Ｘ軸上を移動させる関数は上記第１の関数f_１(x)に限らず、正規分布曲線あるいは２等辺三角形など、任意な関数を用いることが可能である。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上述した実施の形態および変形例に限定されるものではない。また、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

特許請求の範囲に記載した構成要素と、実施の形態との対応関係は次に例示する通りである。
試験片は、図１の試験片ＴＰに相当する。標線は、図１の標線Ｇ１，Ｇ２に相当する。連続した階調の色濃度が標線を挟んで線対称となるよう分布している標線マークは、図１の標線マークＭ１，M２に相当する。ビデオカメラは、図１のビデオカメラ６に相当する。演算手段は、図１のコンピュータ８に相当する。
なお、本発明を解釈する上で上記の対応関係は何ら限定とならない。

本発明を適用した非接触ビデオ式伸び計の全体構成図である。 標線マークＭ１，Ｍ２の拡大図である。 標線マークＭ１，Ｍ２が変位したときの説明図である。 標線位置を決定するための処理手順を示すフローチャートである。 ビデオカメラ６の撮像素子が離散的に配置されていることにより生じる測定結果への影響を説明する図である。 ビデオカメラ６の撮像素子が離散的に配置されているときの計算結果と理想的直線との関係を示す図である。 図６に示した計算結果と理想的直線との誤差を示す図である。 ２台のビデオカメラを使用した伸び計の説明図である。 Ｘ軸方向の伸びとＹ軸方向の伸びを同時に測定するための濃度分布を示した説明図である。 Ｘ軸方向の伸びとＹ軸方向の伸びを同時に測定するために、連続階調の色濃度分布を備えた標線マークの一例を示す図である。 実施の形態２の説明図である。 実施の形態３の説明図である。

符号の説明

２ 上つかみ具
４ 下つかみ具
６ ビデオカメラ
８ コンピュータ
１０ 表示装置
１２ 入力装置
１４ 外部記憶装置
Ｇ１，Ｇ２ 標線
Ｍ１，Ｍ２ 標線マーク

Claims (5)

1. 試験片に付されている標線の位置を非接触ビデオ式により測定する装置であって、
   連続した階調の濃度分布が前記標線を挟んで線対称となるよう分布している標線マークを撮像し、標線マーク画像データを出力するビデオカメラと、
   前記標線マーク画像データに基づいて、前記標線の位置を演算する演算手段とを備え、
   前記演算手段は、
   前記標線の位置変位に伴って前記標線マークがＸ軸方向に変位するとき、前記標線マークの変位方向と直交するＹ軸方向に前記標線マーク画像データを積算して関数f(x)を求め、予め定めた直交する２つの関数と前記関数f(x)との相関をそれぞれ算出し、得られた２つの算出結果の比に基づいて前記標線の位置を演算する、
   ことを特徴とする標線位置測定装置。
2. 請求項１に記載の標線位置測定装置において、
   前記標線マークは、無彩色または有彩色の連続的な階調の濃度分布が所定の対称軸を挟んでいる画像として、標線シール上に印刷されていることを特徴とする標線位置測定装置。
3. 請求項１または２に記載の標線位置測定装置において、
   前記試験片に対して負荷が作用されたとき、前記標線が、前記標線に直交するＸ軸方向および前記標線に平行なＹ軸方向に向って変位する際には、
   前記標線マークとして、
   連続した階調の濃度分布が、前記試験片の標線を挟んで線対称となるよう連続分布している第１の濃度パターンと、
   連続した階調の色濃度が、前記試験片の標線上における所定の点を通り且つ前記標線と直行する直線を挟んで線対称となるよう連続分布している第２の濃度パターンとを併せ備えたマークを用いることにより、
   前記試験片のＸ座標およびＹ座標を算出することを特徴とする標線位置測定装置。
4. 試験片の標線位置を非接触ビデオ式により検出するための標線マークであって、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の標線位置測定装置に用いることを特徴とする標線マーク。
5. 試験片に付されている標線の位置を非接触ビデオ式により測定する装置に用いるための標線位置測定用プログラムであって、
   連続した階調の濃度分布が前記標線を挟んで線対称となるよう分布している標線マークの画像データを入力する処理と、
   前記標線マーク画像データに基づいて前記標線の位置を演算する際に、前記標線の位置変位に伴って前記標線マークがＸ軸方向に変位するとき、前記標線マークの変位方向と直交するＹ軸方向に前記標線マーク画像データを積算して関数f(x)を求め、予め定めた直交する２つの関数と前記関数f(x)との相関をそれぞれ算出し、得られた２つの算出結果の比に基づいて前記標線の位置を演算する処理と、
   をコンピュータで実行させることを特徴とする標線位置測定用プログラム。