JP5673017B2 - 振動測定システム、振動測定装置および振動測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の振動状態を測定する振動測定システム、振動測定装置および振動測定方法に関する。

被測定物の振動状態を測定する振動測定装置は、接触式と非接触式とに分けられる。接触式として知られるピックアップ方式の振動測定装置は、被測定物に固定され、内部の圧電素子に加わる力（被測定物の加速度）を電気信号に変換している。また、非接触方式の振動測定装置には、振動によって生じる被測定物の音を収音して振動を検出するマイクアレイ方式、被測定物でのレーザの反射光におけるドップラーシフトを通じて振動を検出するレーザードップラー方式等がある。しかし、マイクアレイ方式は、空間分解能が低く、レーザードップラー方式は、振動自体は測定できるがその変位までは測定できなかった。

また、レーザ等、光を用いた非接触の形状測定装置として、光ビームを被測定物に照射および走査し、その光ビームを走査したときの反射光を集めて結像し被測定物の凹凸情報を求める技術がある（例えば、特許文献１、特許文献２）。しかし、かかる技術では、被測定物上の１点の凹凸位置を連続して取得できないので、時間の経過に応じて形状が変化する振動測定装置の用途には利用できなかった。また、測定方向における集光位置が被測定物の表面上に形成されるように集光手段を変位制御し、その集光手段の変位を被測定物の変位として抽出する技術が知られている（例えば、特許文献３）。さらに、測定光と、測定光に対して周波数変位された参照光との２本のレーザ干渉を通じて振動または変位を測定する技術も公開されている（例えば、特許文献４）。

また、光のみならず、例えば、被測定物に磁石を貼着し、磁石と離隔した磁気プローブを横切る磁力線を検出することで被測定物の振動を抽出する振動検出装置も公開されている（例えば、特許文献５）。このような非接触の振動測定装置では、リアルタイム性こそ充足しているが、被測定物の任意の１点に関する振動や変位しか導出できず、被測定物が振動した場合における、その被測定物の多点の振動状態（振動や変位）を同時に把握することができなかった。

また、仮に複数の振動測定装置を多点に並行して適用しようと試みても、検出構造上の制約、例えば、特許文献５の技術において、測定方向の垂直面に磁気プローブを配する領域を確保しなければならない等の物理的な制約により、測定点数を多くとることができなかった。さらに、磁石を複数並置すると、対象の磁石とその磁石に隣接する他の磁石との磁力線を識別することができず、対象とする点の振動状態を正確に測定できないといった問題が生じることとなる。また、高価な振動測定装置を単純に複数並べるだけでは、オーバースペックとなり測定コストの増大を招いていた。

そこで、１点のみならず、被測定物から放射されるまたは反射される電磁放射（光変調信号）をフォトディテクタアレイで受信し、複数の点における振動周波数を個々に抽出する技術も開示されている（例えば、特許文献６）。

特許２５４０１９３号公報 特許３６７８９１５号公報 特開平５‐２７２９３０号公報 特開平１１‐２５７９２０号公報 特開平０７‐３３３０５１号公報 特表２００６‐５２２３４７号公報

特許文献６の技術では、フォトディテクタアレイによって複数の部位を対象とし、その対象部位、例えば画素毎に光変調信号を取得することはできるが、その画素毎にフーリエ変換等の高負荷処理が実施されるので画素単位の変位を導出するのに時間を要し、リアルタイム性の要求を満たすことができなかった。また、特許文献６の技術では、変位の導出を画素毎に独立して行っており、画素間の対象部位の移動までも把握することはできず、被測定物の映像面（光軸に直交する面）内の振動を測定することはできなかった。

本発明は、このような課題に鑑み、被測定物上の複数の対象部位における振動の変位や周期を非接触かつリアルタイムに測定することが可能な、振動測定システム、振動測定装置および振動測定方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、撮像装置と振動測定装置とが接続された本発明の振動測定システムは、撮像装置が、被測定物を撮像して映像データを生成する撮像部と、生成された映像データを出力する映像出力部と、を備え、振動測定装置が、映像データを取得する映像取得部と、取得された映像データを複数のセグメントに分割し、複数の局所パターンとの積をセグメント内のすべての画素に関して積分する高次局所自己相関特性によって、セグメント毎に特徴ベクトルを導出するベクトル導出部と、特徴ベクトルに対して多変量解析を行い、目的ベクトルを導出する多変量解析部と、セグメント毎の目的ベクトルを用いて、各セグメントに含まれる対象部位を特定し、その対象部位のセグメント間の移動をもって対象部位の変位を導出する変位導出部とを備えることを特徴とする。変位導出部は、さらに、対象部位の変位と経過情報とに基づいて、移動速度、変位の方向、振動周期、振動周波数のうち少なくとも１を導出してもよい。

被測定物に光を照射する発光装置をさらに含んでもよい。また、発光装置から照射される光は、複数の光線を配列してなり、複数の光線は、隣接する光線と投射形状が異なってもよい。

上記課題を解決するために、本発明の振動測定装置は、被測定物を撮像した映像データを取得する映像取得部と、取得された映像データを複数のセグメントに分割し、複数の局所パターンとの積をセグメント内のすべての画素に関して積分する高次局所自己相関特性によって、セグメント毎に特徴ベクトルを導出するベクトル導出部と、特徴ベクトルに対して多変量解析を行い、目的ベクトルを導出する多変量解析部と、セグメント毎の目的ベクトルを用いて、各セグメントに含まれる対象部位を特定し、その対象部位のセグメント間の移動をもって対象部位の変位を導出する変位導出部とを備えることを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の振動測定方法は、被測定物を撮像した映像データを取得し、取得した映像データを複数のセグメントに分割し、複数の局所パターンとの積をセグメント内のすべての画素に関して積分する高次局所自己相関特性によって、セグメント毎に特徴ベクトルを導出し、特徴ベクトルに対して多変量解析を行い、目的ベクトルを導出し、セグメント毎の目的ベクトルを用いて、各セグメントに含まれる対象部位を特定し、その対象部位のセグメント間の移動をもって対象部位の変位を導出することを特徴とする。

本発明によれば、被測定物上の複数の対象部位における振動の変位や周期を非接触かつリアルタイムに測定することが可能となる。

振動測定システムの概略的な接続関係を示した説明図である。 撮像装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。 振動測定装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。 高次局所自己相関特性を導出するための局所パターンを例示した説明図である。 対象部位とセグメントとの関係を説明するための説明図である。 対象部位とセグメントとの他の関係を説明するための説明図である。 部分対象部位とセグメントとの関係を説明するための説明図である。 振動測定方法の全体的な流れを示したフローチャートである。 他の振動測定システムの概略的な接続関係を示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

被測定物の荷重変更を伴うことなくその振動状態を測定するため、様々な非接触式の振動測定装置が提案されている。しかし、従来の非接触式の振動測定装置では、振動の変位までも測定できるものが少ない。また、測定結果をその場で評価したり、その測定結果を制御の操作量に用いたりする場合、振動の変位に加えてリアルタイム性も必要となり、さらに、被測定物が振動した場合の被測定物全体の相対的な変位を把握するためには被測定物上の複数の対象部位を同時に測定することも望まれる。しかし、そのようなリアルタイム性を充足しつつ複数の対象部位を同時に測定できる振動測定装置は存在しなかった。

ここでは、被測定物上の複数の対象部位における振動の変位や周期を非接触かつリアルタイムに測定可能な振動測定装置を含む振動測定システムを提案し、その後、具体的な処理の流れ（振動測定方法）を詳述する。

（第１の実施形態：振動測定システム１００）
図１は、振動測定システム１００の概略的な接続関係を示した説明図である。振動測定システム１００は、被測定物１１０を測定するための、撮像装置１２０と、振動測定装置１３０とを含んで構成される。

被測定物１１０は、振動測定システム１００における測定対象であり、本実施形態においては、例えば、ビルや橋等の構造体、内燃機関（エンジン）やファンベルト、風洞内における翼や回転中のプロペラ、ベアリング、ピストン、ギア、ボルト等が想定される。

撮像装置１２０は、被測定物１１０の測定面（表面）を撮像し、映像データを生成する。本実施形態では、撮像装置１２０で生成された映像データにおける、エッジ等を有する特徴的な対象部位の画面内の移動により振動の変位や周期が測定される。したがって、図１の被測定物１１０および撮像装置１２０の上面視で示したように、撮像装置１２０の撮像方向は、被測定物１１０の振動方向と０度以外の角度を有していなくてはならない。

このとき、撮像装置１２０の撮像方向と被測定物１１０の振動方向とが為す角度をθとすると、撮像装置１２０で生成された映像データにおける水平方向の振動の変位は、被測定物１１０の振動方向における実際の変位にｓｉｎθを乗じた値となる。したがって撮像装置１２０を通じて導出された変位をｓｉｎθで除算した値が振動方向の実際の変位となる。

また、撮像装置１２０を２つ準備して、異なる角度から撮像したものの変位を合成すれば実際の変位を導出することができる。

また、振動測定システム１００では、被測定物１１０の絶対的変位ではなく、被測定物１１０と撮像装置１２０との相対的変位が導出されるため、測定用途に応じて撮像装置１２０の固定場所を考慮しなければならない。例えば、被測定物１１０が固定された構造体の振動も含んで被測定物１１０の振動を測定する場合、撮像装置１２０は、その構造体とアイソレーションされた構造体に固定すべきであり、被測定物１１０自体の振動のみを測定する場合、撮像装置１２０は、被測定物１１０と同一の構造体に固定すべきである。

また、被測定物１１０と撮像装置１２０とを同一の構造体に固定することができない状況下において被測定物１１０自体の振動のみを測定する場合、被測定物１１０が固定されている構造体に新たに基準となる基準体を固定し、撮像装置１２０が被測定物１１０と共にその基準体を撮像し、基準体との相対変位のみを抽出することで、被測定物１１０と撮像装置１２０との構造体同士の相対振動を排除することができる。

振動測定装置１３０は、撮像装置１２０で生成された映像データに基づいて、被測定物１１０の振動の変位および周期を測定する。かかる振動測定装置１３０の測定能力は、撮像装置１２０の撮像分解能や撮像速度が十分に高いことを前提に、例えば、撮像装置１２０の撮像範囲が数ｍ^２の状況下において、ｍｓｅｃオーダーの時間分解能で、撮像範囲の約１／１００程度の相対変位を取得することを目的としている。このような測定能力により、例えば、１０万回転／ｍｉｎで回転しているファンベルトのたるみやバランスをも把握することができる。以下、振動測定システム１００を構成する撮像装置１２０および振動測定装置１３０の詳細な構成を説明する。

（撮像装置１２０）
図２は、撮像装置１２０の概略的な構成を示した機能ブロック図である。撮像装置１２０は、操作部１５０と、撮像部１５２と、映像出力部１５４とを含んで構成される。本実施形態における撮像装置１２０は、高速撮像に対応しており、例えば、６４０×４８０ピクセル（ピクセルは画素の単位）のフレームデータを１０万フレーム／ｓｅｃ以上の速度で生成することを可能としている。ここで、フレームは、１の映像データを構成する時系列に並べられた１枚の静止画をいい、その静止画単位のデータをフレームデータとする。また、ここでは、高速の撮像装置１２０を用いるとしているが、かかる場合に限られず、振動の測定範囲によっては市販の撮像装置を用いることも可能である。

操作部１５０は、レリーズスイッチや電源スイッチを含む操作キー、十字キー、ジョイスティック、タッチパネル等で構成され、ユーザの操作入力を受け付ける。

撮像部１５２は、撮像レンズ１７０と、撮像対象の拡大および縮小が可能なズームレンズ１７２と、焦点調整に用いられるフォーカスレンズ１７４と、露光調整に用いられる絞り（アイリス）１７６と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）や消費電力の少ないＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等による２次元光電変換素子で構成され、撮像レンズ１７０を通じて入射した光束を映像データに光電変換する受光素子１７８と、操作部１５０に対するユーザの操作入力に応じて、ズームレンズ１７２、フォーカスレンズ１７４、絞り１７６および受光素子１７８をそれぞれ駆動させる駆動部１８０とを含んで構成され、被測定物１１０を撮像して映像データを生成する。

映像出力部１５４は、受光素子１７８で光電変換された映像データを、振動測定装置１３０が認識できるフォーマットに変換し、振動測定装置１３０に出力する。

（振動測定装置１３０）
図３は、振動測定装置１３０の概略的な構成を示した機能ブロック図である。振動測定装置１３０は、映像取得部２１０と、データバッファ２１２と、論理演算部２１４と、メモリ２１６と、中央制御部２１８と、表示部２２０とを含んで構成される。

当該振動測定システム１００では、被測定物１１０上の複数の特徴的な対象部位における振動の変位や周期を非接触かつリアルタイムに測定することを目的としている。そこで、撮像装置１２０では、例えば、１０万フレーム／ｓｅｃ以上の速度で映像データを生成し、振動測定装置１３０は、そのように高速に生成された映像データから対象部位の変位を高速に抽出する。ここでは、複数の対象部位の抽出に、自己相関関数を高次に拡張し、比較対象となるパターンを注目画素近傍の局所領域内に限定した高次局所自己相関特性（ＨＬＡＣ：Higher order Local Auto Correlation）によるパターン認識を利用する。

かかる高次局所自己相関特性では、映像における対象範囲内のどの位置に対象部位があったとしても、その対象部位を示す特徴ベクトルが対象範囲に対して一意に求まる（位置不変性）。また、高次局所自己相関特性では、対象範囲内に外観の異なる複数の対象部位が含まれていた場合に、それぞれの対象部位の個々の特徴ベクトルの和となる１つの特徴ベクトルが対象範囲に対して導出される（加法性）。さらに、高次局所自己相関特性では、対象部位の過去の状態を要さず、一時的に測定不能となったとしても、現在の映像から特徴ベクトルを導出できるロバスト性を有している。したがって、高次局所自己相関特性では、パイプライン式（シーケンシャル）に処理を遂行でき、簡単な論理回路によってパターン認識が可能となるため、この処理をハードウェアで実現することができる。

ハードウェアとしては、シンプルなアルゴリズムであれば容易に適用可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）を用いる。ＦＰＧＡは、ハードウェア記述言語（ＨＤＬ：Hardware Description Language）等を用いて画一的にプログラミング可能なＬＳＩ（Large Scale Integration）であり、例えば、１０００万を超える論理ゲートを自由に何度も組み替えることが可能である。また、ＦＰＧＡは、それ自体を複数連接し、他のＦＰＧＡと連携して並行処理を行ったり、互いに情報を共有することも可能である。

さらに、ＦＰＧＡを用いた開発の結果、そこに形成すべき論理回路が確定したら、安価かつ高速なＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を用いることもできる。こうして、振動測定装置１３０では、撮像装置１２０が生成した映像データ中の複数の対象部位の変位を短時間かつ同時に導出できる。以下、振動測定装置１３０の一部の機能部を、ＦＰＧＡで構成された論理演算部２１４に設けることで、高次局所自己相関特性に基づく計算処理をハードウェアで展開する。

映像取得部２１０は、撮像装置１２０から映像データを取得し、データバッファ２１２と論理演算部２１４に出力する。このとき、映像取得部２１０は、取得した映像データをフレームデータ単位でサブピクセル補間し、フレームデータの分解能を高めることもできる。

データバッファ２１２は、ＦＩＦＯ（First In First Out）等のシフトレジスタで構成され、映像取得部２１０が取得した映像データをフレームデータ単位で一時的に保持する。ここで、保持される値は、例えば、フレームデータにおける各画素の輝度値である。また、カラー映像を対象とする場合には、Ｒ（Red）Ｇ（Green）Ｂ（Blue）の値をそれぞれ保持してもよい。

論理演算部２１４は、高速ＬＳＩである、例えば上述したＦＰＧＡで構成され、内部の論理ゲートの組み合わせにより、データ判定部２３０、ベクトル導出部２３２、多変量解析部２３４として機能する。ただし、多変量解析部２３４は、ＬＳＩ上だけではなく、中央制御部２１８にて実現される場合もある。

データ判定部２３０は、必要に応じて、映像取得部２１０が取得したフレームデータを、後述する各機能部（ベクトル導出部２３２、多変量解析部２３４）が処理し易いように加工する。例えば、データ判定部２３０は、変位追跡と無関係な領域が認識時にノイズになるのを避けるため、マスクを使って無関係な部分をデータ「０」に置換する。また、加工の一例としてフレームデータ間の差分を２値化する場合、データ判定部２３０は、映像取得部２１０が取得した現在のフレームデータと、データバッファ２１２に保持されている過去のフレームデータとを画素単位で比較し、フレームデータの画素毎の差分を導出する。具体的に、データ判定部２３０は、現在のフレームデータおよび過去のフレームデータの同一位置の画素の差分をとり、その差分が所定の閾値以上となる画素を、有効な値、例えば「１」に、所定の閾値未満の画素を、無効な値、例えば「０」に置き換え、フレームデータを２値化する。こうして、フレームデータは、差分が所定の閾値以上となる画素のみ、換言すれば、動きのある画素のみを把握できるデータに置換される。また、時間方向のフレーム間差分のみならず、空間方向のフレーム内差分、即ち、画面中の隣接する画素間の差分を所定の閾値と比較して２値化することもできる。

また、ここでは、データ判定部２３０の加工処理として２値化する例を挙げて説明しているが、複数の範囲に細分化し、例えばグレースケールとして扱うとしてもよい。また、差分を形成する手法として、データ判定部２３０は、フレームデータを、画素間に差分が生じた時点に最大値を有し、経時に従って値が漸減するＭＨＩ（Motion History Image）に変更するとしてもよい。勿論、何ら加工処理を行わず、ベクトル導出部２３２が、映像取得部２１０が取得したフレームデータを直接用いることも可能である。

また、ここでは、画素毎に差分が導出されているが、複数の画素を纏めたブロック単位（以下に示すセグメントよりは小さい）で輝度値を平均化して、以下の処理を画素の代わりにブロックで行ってもよい。

ベクトル導出部２３２は、映像取得部２１０が取得したフレームデータ、または、データ判定部２３０で加工されたフレームデータを複数のセグメントに分割し、そのセグメント毎に高次局所自己相関特性に基づく特徴ベクトルを導出する。ここで、セグメントは、任意の大きさに設定できるが、ここでは説明の便宜のため、１６×１６ピクセルとする。したがって、フレームデータが例えば６４０×４８０ピクセルであった場合、１枚のフレームデータには、４０×３０の１２００のセグメントが存在することとなる。しかし、フレームデータやセグメントのサイズはかかる値に限らず、対象部位の大きさや抽出すべき振動の変位の大きさに応じて任意の値に設定することができる。

高次局所自己相関特性は、画像から画像認識や測定に有効な特徴ベクトルを抽出する処理であり、以下の数式１で表される。

…（数式１）
高次局所自己相関特性では、任意の次数を用いることができるが、ここでは、計算を容易にするため、０次、１次、２次のみを対象とする。したがって、対象となる高次局所自己相関特性は、それぞれの次数に対応した、以下の数式２、３、４となる。

…（数式２）

…（数式３）

…（数式４）
また、相関をとる範囲を注目画素から所定の距離、ここでは、いずれの次元においても±１画素の局所領域とし、二次元変位ベクトル／ａ_ｉを（ここで「／」はベクトルを示す。）、注目画素の二次元変位ベクトル／ｒを中心とする３×３の９画素の局所領域内、即ち注目画素の８近傍に限定している。

図４は、高次局所自己相関特性を導出するための局所パターン２５０を例示した説明図である。ここでは、０次、１次、２次それぞれの局所パターン（相関を取る画素の組合せを示す情報）２５０を示している。例えば、０次の局所パターン２５０は、注目画素のみが有効な値（図４中、ハッチングで示す。）を示し、１次の局所パターン２５０は、注目画素とさらに局所領域内の１の画素と（合計２画素）が有効な値を示し、２次の局所パターン２５０は、注目画素とさらに局所領域内の２の画素と（合計３画素）が有効な値を示す。このとき、例えば、１次の局所パターン２５０中の任意の局所パターン２５２の二次元変位ベクトル／ａ_１は、注目画素よりＸ軸方向に＋１変位しているので、（ｘ，ｙ）＝（１，０）であり、２次の局所パターン２５０中の任意の局所パターン２５４の二次元変位ベクトル／ａ_１、／ａ_２は、（ｘ，ｙ）＝（−１，−１）、（１，１）である。

このようにして０、１、２次の局所パターン２５０の組み合わせをすべて抽出すると３７個存在するが、特徴ベクトルの次元数を下げるべく、平行移動すると等価となる局所パターンを排除することができるので、局所パターン２５０の数は、図４の如く、０次１個、１次４個、２次２０個となり、合計２５個となる。本実施形態では、図４に示された２５個の局所パターン２５０を用いる。

例えば、数式２を用いて０次の高次局所自己相関特性を導出する場合、ベクトル導出部２３２は、セグメント内の任意の１の画素を注目画素とし、その近傍の局所領域内の３×３のパターンと、図４の０次に示した局所パターン２５０とを乗算する。これは注目画素自体が有効な値を有しているか否かを検出していることに相当する。続いて、ベクトル導出部２３２は、注目画素を１画素分シフトし繰り返し局所パターン２５０との乗算値を導出する。ベクトル導出部２３２は、このような画素毎の乗算を、対象であるセグメント（画像領域）すべてに関して実行し、その和（積分値）を求める。ただし、すべての局所パターン２５０は共通して注目画素が有効な値である。したがって、有効な値を有していない画素に関しては、いずれにしても高次局所自己相関特性に影響しないので、計算を省略できる。このとき、論理演算部２１４においては、ソフトウェアを用いることなく、乗算を論理積で、和をカウンタで実現する。

こうして、０次に関しては、局所パターン２５０が１個なので、高次局所自己相関特性は１つの値のみが導出される。同様に、数式３を用いて１次の高次局所自己相関特性を導出する場合や、数式４を用いて２次の高次局所自己相関特性を導出する場合も、ベクトル導出部２３２は、注目画素と局所パターン２５０との乗算をセグメント内の画素すべてに対して行い、その乗算値の和を計算する。したがって、１次に関する高次局所自己相関特性は局所パターン２５０と同数の４つの値が、２次に関する高次局所自己相関特性は局所パターン２５０と同数の２０の値が導出される。この０次、１次、２次の値を纏めた２５次元の値が当該対象となるセグメントの特徴ベクトルとなる。ベクトル導出部２３２は、このような２５次元の特徴ベクトルをセグメントの数分導出する。

多変量解析部２３４では、ベクトル導出部２３２が導出したセグメント毎の特徴ベクトルを統計的に扱うべく、多変量解析を実行する。対象部位Ｃｊ（ｊは、Ｎ個の対象部位がある場合のｊ番目のものである事を示す。）から特徴ベクトルｘを計算した場合、各対象部位はそのときどきでノイズや変形を含むため、必ずしも固定値にならず、確率的な分布を示す。この分布をＰ（ｘ｜Ｃｊ）とする。多変量解析部２３４では、特徴ベクトルｘを、より次元の小さい新たな特徴ｙへと変換処理ｙ＝φ（ｘ）を行う。このφ（ｘ）の作り方には様々なものがあるが、非線形な場合であれば、実装のシンプルなニューラルネット等が使用できる。この処理が理想的になされた場合、数式５のような写像になる。ここで、Ｐ（Ｃｊ｜ｘ）はベイズの事後確率である。

…（数式５）

メモリ２１６は、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)等で構成され、中央制御部２１８が振動測定装置１３０全体を制御するためのプログラムを一時的に保持したり、プログラムに従った演算結果等を保持したりする。

中央制御部２１８は、中央処理装置（ＣＰＵ）や信号処理装置（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）、プログラム等が格納されたＲＯＭやメモリ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、振動測定装置１３０全体を管理および制御する。また、本実施形態において、中央制御部２１８は、変位導出部２４０、表示制御部２４２としても機能する。

変位導出部２４０は、多変量解析部２３４で導出されたセグメント毎の目的ベクトルを取得し、その目的ベクトルを用いて、各セグメントに含まれる対象部位を特定し、その対象部位のセグメント間の移動をもって、その対象部位の変位を導出する。

図５は、対象部位とセグメントとの関係を説明するための説明図である。図５（ａ）は、フレームデータ中の一部を示し、図５（ａ）中、罫線で仕切られている四角がセグメントに相当する。また、図５（ｂ）は、対象部位２６２の移動軌跡を示している。

上述したように高次局所自己相関特性では、対象とする領域に対して位置不変性を有し、その中にどのような対象部位があるかは特定できるが、その具体的な位置は特定できない。ここでは、その対象とする領域を複数のセグメントとすることで、セグメントそれぞれで対象部位を特定し、そのセグメント間の移動によって変位を導出する。

また、本実施形態では、１０万フレーム／ｓｅｃといった速度で目的ベクトルが生成されているため、対象部位は、１フレームの間に１のセグメントを跨ぐことはあっても２以上のセグメントを跨ぐことはない。したがって、同一の対象部位の移動先は隣接するセグメントのみを対象とすればよい。

例えば、図５（ａ）のように、時刻ｔ_１において、変位導出部２４０が、セグメント２６０ａの目的ベクトルから対象部位２６２を特定すると、セグメント２６０ａ内のいずれかの位置に対象部位２６２が存在するということになる。そして、時刻ｔ_２において、セグメント２６０ａの目的ベクトルから対象部位２６２を特定できず、隣接するセグメント２６０ｂの目的ベクトルから同一の外観を有する対象部位２６２を特定すると、変位導出部２４０は、対象部位２６２がセグメント２６０ａからセグメント２６０ｂに移動したと判定する。また、同様に、時刻ｔ_３において、セグメント２６０ｂの目的ベクトルから対象部位２６２を特定できず、隣接するセグメント２６０ｃの目的ベクトルから対象部位２６２を特定すると、変位導出部２４０は、対象部位２６２がセグメント２６０ｂからセグメント２６０ｃに移動したと判定する。

このとき、変位導出部２４０は、対象部位２６２がセグメント２６０ａからセグメント２６０ｃに変位したことを把握するが、その変位のみならず、図５（ｂ）の移動軌跡２６４に示されるように、経時情報（時刻ｔ_１から時刻ｔ_３）を用いて移動速度も把握でき、さらに、セグメント２６０ａからセグメント２６０ｃといった変位の方向までも把握することが可能となる。また、変位導出部２４０は、図５（ｂ）のように対象部位２６２の移動軌跡２６４を把握すると、対象部位２６２の振動周期や振動周波数も導出することができる。

また、変位導出部２４０は、目的ベクトルから以下のようにして対象部位２６２を特定する。セグメントの目的ベクトルｙと、そのセグメントに含まれる可能性のある複数の対象部位２６２を示す対象ベクトルｚ_１、ｚ_２、…、ｚ_Ｎとは、高次局所自己相関特性の加法性により数式６の関係となる。

…（数式６）
ただし、ｋ_１、ｋ_２、…、ｋ_Ｎはそれぞれの対象部位２６２の個数であり、対象部位２６２が固有の外観である場合、１の値をとる。

上述したように、目的ベクトルｙは、対象部位２６２を識別するのに有効なベクトルであるので、変位導出部２４０は、数式６を用いて、メモリ２１６に記憶されている対象ベクトルｚ_１、ｚ_２、…、ｚ_Ｎのうちどの対象ベクトルが目的ベクトルｙに含まれるか、行列演算を用いて容易に計算することができる。このとき、対象ベクトルは、予めメモリ２１６に保持されていてもよいし、多変量解析して得た値を１の対象部位２６２とみなしてメモリ２１６に保持させてもよい。さらに、対象部位２６２がセグメント２６０より相対的に大きい場合、その対象部位２６２の部分ごとに対応する対象ベクトルをメモリ２１６に保持させてもよい。

また、変位導出部２４０が、１のセグメント２６０に複数の対象部位２６２が含まれると判断した場合、時間軸における対象部位２６２の増減を通じて、対象部位２６２の変位をそれぞれ独立して計算することとなる。そのときの対象部位２６２の移動先はやはり隣接するセグメント２６０となる。

ここで、変位導出部２４０は、セグメント２６０間の移動を把握できるが、セグメント２６０内の位置は把握できない。したがって、変位の分解能はセグメント２６０の大きさに依存することとなる。しかし、上述したようにセグメント２６０数は１２００／フレームあるため目的とする分解能を十分に達成することができる。また、セグメントの切り方をずらしたもの（例えばセグメントサイズの１／２ずらしたもの）を用意して、同じ種類の計算を並列に行えば、同じ処理時間で分解能を上げることができる。

図６は、対象部位２６２とセグメント２６０との他の関係を説明するための説明図である。ここで、対象部位２６２がセグメント２６０の境界に跨っていた場合、目的ベクトルから一意に対象部位２６２を特定できるのかという問題が生じうる。図６に示すように、対象部位２６２がセグメント２６０ａ、２６０ｂを跨いで、その対象部位２６２を特定するのに十分な特徴ベクトルを得ることができなければ、その時点ｔ_４において、対象部位２６２は、どのセグメント２６０にも含まれないと判断され、追跡できなくなる。しかし、本実施形態では、対象部位２６２は２以上のセグメント２６０を跨ぐことがない速度で撮像しているため、一旦、対象部位２６２がないと判断されたとしても、いずれ隣接するセグメント２６２ｂや元のセグメント２６０ａで対象部位２６２が特定される。したがって、変位導出部２４０は、その対象部位２６２の移動軌跡２６４を推定することが可能となる。

また、対象部位２６２がセグメント２６０を跨って、セグメント２６０に含まれる目的ベクトルのうちの対象部位２６２の成分が対象ベクトルと同一のベクトルにならなかったとしても、類似する値となるので、変位導出部２４０は、例えば、セグメント２６０に含まれる目的ベクトルのうちの任意の成分と対象ベクトルとのベクトル間距離（平均二乗誤差）を計算し、その値が所定の閾値以下であれば、その任意の成分を対象部位２６２と特定してもよい。

さらに、対象部位２６２を複数に分割した複数の部分対象部位それぞれに対して対象ベクトルを準備し、目的ベクトルから部分対象部位２６２それぞれの対象ベクトルを特定するとしてもよい。

図７は、部分対象部位とセグメント２６０との関係を説明するための説明図である。ここで、対象部位２６２が、４つの部分対象部位「○」「△」「□」「×」から構成されるとする。対象部位２６２がセグメント２６０ａとセグメント２６０ｂとの境界に跨っていた場合に、目的ベクトルから一意に対象部位２６２を特定できなかったとしても、例えば、時点ｔ_５では、セグメント２６０ｂにおいて部分対象部位「○」が特定され、他の部分対象部位「△」「□」「×」は、依然としてセグメント２６０ａにおいて特定される。このとき、変位導出部２４０は、対象部位２６２の一部（ここでは、部分対象部位「○」）のみがセグメント２６０ｂに移動したことを受けて、対象部位２６２がセグメント２６０ｂ方向に移動しつつあることを把握できる。

また、４つの部分対象部位「○」「△」「□」「×」がすべてセグメント２６０ｂに移動した後、例えば、時点ｔ_６においてセグメント２６０ａで部分対象部位「×」が特定され、他の部分対象部位「○」「△」「□」は、セグメント２６０ｂにおいて特定されたとすると、変位導出部２４０は、対象部位２６２の一部（ここでは、部分対象部位「×」）のみがセグメント２６０ａに移動したことを受けて、対象部位２６２がセグメント２６０ａ方向に移動しつつあることを把握できる。こうして、変位導出部２４０は、図７に示すように対象部位２６２の移動軌跡２６４を把握し、対象部位２６２の変位のみならず対象部位２６２の振動の周期も導出することもできる。

また、上述したように、変位導出部２４０は、被測定物１１０の画面上の変位を導出しているが、撮像装置１２０の撮像方向と被測定物１１０の振動方向とが為す角度θと、撮像装置１２０と被測定物１１０との距離ｄとを把握できれば、被測定物１１０の振動方向における実際の変位を、三角関数を用いて幾何学的に直接導出することもできる。このような導出式は既存の技術なので、ここでは、その詳細な説明を省略する。このとき、フレーム内の複数のセグメントはそれぞれ実空間における振動方向の位置に対応付けられ、変位導出部２４０は、セグメント内に存在を確認した対象部位２６２を一旦振動方向の位置に変換した後、変位を導出する。

表示制御部２４２は、変位導出部２４０が導出した、被測定物１１０における各対象部位２６２の振動の変位や周期を数値やグラフ等で表示部２２０に表示させる。

表示部２２０は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ(Electro Luminescence)ディスプレイ等で構成され、表示制御部２４２の制御に従って、被測定物１１０における各対象部位２６２の変位や周期を表示する。

以上、説明した振動測定装置１３０は、高次局所自己相関特性を用いることで、セグメントにおける対象部位２６２の位置に拘わらず、対象部位２６２を一意に特定でき、そのセグメント間の移動を確実に抽出することが可能となる。

また、高次局所自己相関特性は対象部位２６２の数によって制限されない。例えば、セグメント内に異なる複数の対象部位２６２が存在する場合であっても、それぞれの対象部位２６２を特定できるので、全体的に複数の対象部位２６２の変位を導出できることとなる。

さらに、高次局所自己相関特性では、主として、乗算器（２値化データに限れば論理積）とカウンタといったパイプライン式（シーケンシャル）の処理のみによって実行できるので、ＦＰＧＡ等のハードウェアを用いて容易に適用でき、フレームデータといった広い範囲における複数の対象部位２６２を同時にかつリアルタイムに処理できる。したがって、振動測定装置１３０は、被測定物上の複数の対象部位２６２における振動の変位や周期を非接触かつリアルタイムに測定することが可能となる。

このように、変位を時間相関がある状態でリアルタイムに取得できることから、フレームデータの各対象部位２６２における変位の位相差までも把握できる。また、１０万フレーム／ｓｅｃといった速度で詳細に対象部位２６２の変位を導出できるので、ＤＣ〜数万Ｈｚまでの測定が可能となる。さらに、当該高次局所自己相関特性は、積分処理を含むためノイズにも強いことが知られており、また、過去の履歴を必要としないのでロバスト性も有している。

（振動測定方法）
また、振動測定装置１３０を用いた振動測定方法も提供される。以下、このような振動測定方法を詳細に説明する。

図８は、振動測定方法の全体的な流れを示したフローチャートである。図８に示すように、振動測定装置１３０の映像取得部２１０は、撮像装置１２０から映像データを取得し、ベクトル導出部２３２に出力する（Ｓ３０２）。

ベクトル導出部２３２は、映像取得部２１０が取得したフレームデータを複数のセグメントに分割し（Ｓ３０４）、そのセグメント毎に数式１を用いて高次局所自己相関特性に基づく特徴ベクトルを導出する（Ｓ３０６）。多変量解析部２３４は、ベクトル導出部２３２が導出したセグメント毎の特徴ベクトルに対して多変量解析を行い、セグメント毎の目的ベクトルを導出する（Ｓ３０８）。

変位導出部２４０は、セグメント毎の目的ベクトルを用いて、各セグメントに含まれる対象部位２６２を特定し、その対象部位２６２のセグメント間の移動をもって対象部位２６２の変位を導出する（Ｓ３１０）。表示制御部２４２は、変位導出部２４０が導出した対象部位２６２毎の変位を表示部２２０に表示させる（Ｓ３１２）。以後、映像データ取得ステップ３００から振動変位表示ステップ３１２までを繰り返す。

上述した、振動測定装置１３０の技術的思想に基づく構成要素やその説明は、当該振動測定方法にも適用可能である。

（第２の実施形態）
第１の実施形態において、表面形状が凹凸しているものや表面に模様が形成されている被測定物１１０に関しては、良好な測定結果を得ることができた。しかし、被測定物１１０が必ずしも局所的に特徴があるとは限らず、フレームデータにおいて、エッジやコントラストの変化が少ない場合は、レーザによる幾何パターンの照射を行うことで、その対象部位２６２を能動的に生成することができる。

（振動測定システム４００）
図９は、他の振動測定システム４００の概略的な接続関係を示した説明図である。振動測定システム４００は、被測定物１１０と、撮像装置１２０と、振動測定装置１３０と、発光装置４４０とを含んで構成される。第１の実施形態における構成要素として既に述べた被測定物１１０と、撮像装置１２０と、振動測定装置１３０とは、実質的に機能が同一なので重複説明を省略し、ここでは、構成が相違する発光装置４４０を主に説明する。

発光装置４４０は、レーザダイオード等で構成され、照射していない部分の反射光と照射している部分の反射光の輝度が異なるように、レーザ光を被測定物１１０の表面に照射する。具体的に、発光装置４４０は、レーザ光によって被測定物１１０表面に任意の幾何パターンによる複数の光線を格子上に配列する。また、発光装置４４０は、被測定物１１０の表面に固定的に光を照射するため被測定物１１０と共に振動するように配置し、撮像装置１２０とのアイソレーションの有無は問わない。

第１の実施形態においては、被測定物１１０表面の対象部位２６２を任意に抽出する必要があるが、第２の実施形態においては、レーザ光の照射により被測定物１１０表面に、輝度が他と異なる反射光が形成されるため、変位導出部２４０は、レーザ光の反射光として予め定められた対象ベクトルを用いて対象部位２６２である反射光を特定すればよい。

かかる構成により、被測定物１１０がエッジやコントラストが局所的に大きく変化する点がなく、特徴的な対象部位２６２の抽出が難しい場合であっても、特徴的な対象部位を新たに付加して、対象部位２６２を確実に特定することができる。

また、被測定物１１０を照射する、レーザ光以外の光量に拘わらず、レーザ光のみによって対象部位２６２を特定できるので、光量の少ない、例えば、暗室であっても、レーザ光のみによってその振動の変位を測定することができる。

さらに、被測定物１１０自体の外観（表面形状が凹凸しているものや表面に模様が形成されている）特徴に頼ることなく、積極的に所望する位置にレーザ光によるグリッド（レーザグリッド）を形成することができるので、被測定物１１０に対し均一に対象部位２６２を配したり、特に重点的に測定したい部分に対象部位２６２を集中させたりと、測定対象の自由度も高めることが可能となる。

また、ここでは、発光装置４４０によって被測定物１１０を照射し、撮像装置１２０はその反射光を撮像する構成を述べているが、被測定物１１０の荷重の増加を無視することができる場合、発光装置４４０を被測定物１１０に直接固定し、撮像装置１２０は、その光を直接撮像することもできる。また、撮像方向に対する光の反射量が異なる反射体を複数配した反射板を被測定物１１０に固定し、その反射光の光量によって対象部位２６２を特定することもできる。さらに２本のレーザを異なる角度であてることで３次元の変位も測定することが可能となる。

また、発光装置４４０は、隣接するグリッド間で形状が異なるようにグリッド光を照射する。例えば、発光装置４４０は、「○」「△」「□」といった形状の異なるグリッドを繰り返し並べる。このように、被測定物１１０の表面に合計１００程度の「○」「△」「□」のレーザグリッドを均等に配すると、１のセグメントや隣接するセグメントに２以上のグリッドが同時に存在することがなくなるので、変位導出部２４０は、目的ベクトルから１のグリッドの対象ベクトルを特定すればよく、処理負荷を軽減すると共に、誤認識を回避し、測定精度を向上することができる。１つの光源を用いて、同じ形状の模様をグリッド上に並べて作りたい場合（形状の複製）には、ファイバーグレーティング手法が使用できる。

こうして、第２の実施形態における振動測定システム４００においても、被測定物１１０上の複数の対象部位２６２における振動の変位や周期を非接触かつリアルタイムに測定することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、高次局所自己相関特性を用いて特徴ベクトルを導出しているが、最終的にセグメント内に存在する対象部位２６２を特定さえできれば、他の様々なアルゴリズムを適用することもできる。

なお、本明細書の振動測定方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、被測定物の振動状態を測定する振動測定システム、振動測定装置および振動測定方法に利用することができる。

１００、４００ …振動測定システム
１１０ …被測定物
１２０ …撮像装置
１３０ …振動測定装置
２１０ …映像取得部
２３０ …データ判定部
２３２ …ベクトル導出部
２３４ …多変量解析部
２４０ …変位導出部
２５０ …局所パターン
２６０ …セグメント
２６２ …対象部位
４４０ …発光装置

Claims (6)

1. 撮像装置と振動測定装置とが接続された振動測定システムであって、
   前記撮像装置は、
   被測定物を撮像して映像データを生成する撮像部と、
   生成された映像データを出力する映像出力部と、
   を備え、
   前記振動測定装置は、
   前記映像データを取得する映像取得部と、
   取得された前記映像データを複数のセグメントに分割し、複数の局所パターンとの積を該セグメント内のすべての画素に関して積分する高次局所自己相関特性によって、該セグメント毎に特徴ベクトルを導出するベクトル導出部と、
   前記特徴ベクトルに対して多変量解析を行い、目的ベクトルを導出する多変量解析部と、
   セグメント毎の前記目的ベクトルを用いて、各セグメントに含まれる対象部位を特定し、その対象部位のセグメント間の移動をもって該対象部位の変位を導出する変位導出部と、
   を備えることを特徴とする振動測定システム。
2. 前記変位導出部は、さらに、前記対象部位の変位と経過情報とに基づいて、移動速度、変位の方向、振動周期、振動周波数のうち少なくとも１を導出することを特徴とする請求項１に記載の振動測定システム。
3. 前記被測定物に光を照射する発光装置をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の振動測定システム。
4. 前記発光装置から照射される光は、複数の光線を配列してなり、該複数の光線は、隣接する光線と投射形状が異なることを特徴とする請求項３に記載の振動測定装置。
5. 被測定物を撮像した映像データを取得する映像取得部と、
   取得された前記映像データを複数のセグメントに分割し、複数の局所パターンとの積を該セグメント内のすべての画素に関して積分する高次局所自己相関特性によって、該セグメント毎に特徴ベクトルを導出するベクトル導出部と、
   前記特徴ベクトルに対して多変量解析を行い、目的ベクトルを導出する多変量解析部と、
   セグメント毎の前記目的ベクトルを用いて、各セグメントに含まれる対象部位を特定し、その対象部位のセグメント間の移動をもって該対象部位の変位を導出する変位導出部と、
   を備えることを特徴とする振動測定装置。
6. 被測定物を撮像した映像データを取得し、
   取得した前記映像データを複数のセグメントに分割し、複数の局所パターンとの積を該セグメント内のすべての画素に関して積分する高次局所自己相関特性によって、該セグメント毎に特徴ベクトルを導出し、
   前記特徴ベクトルに対して多変量解析を行い、目的ベクトルを導出し、
   セグメント毎の前記目的ベクトルを用いて、各セグメントに含まれる対象部位を特定し、その対象部位のセグメント間の移動をもって該対象部位の変位を導出することを特徴とする振動測定方法。

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