JP6120459B2 - 規則性模様による変位分布のための測定方法、装置およびそのプログラム - Google Patents
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Description
非特許文献1に記載している変位分布計測技術は、変形前後のランダムなパターンに対して、一定の評価領域(サブセット)の相関を求めることで変形量を算出しているが、高分解能な画像の場合多くの計算時間を要する。
本計測技術は構造物表面に貼付けた格子ピッチの1/1000の精度で微小変位分布を測定できるが、測定で用いている格子は白黒比が1:1の正弦波(もしくは余弦波)または矩形波模様であり、ナノマイクロ材料や大型構造物を対象とした場合、構造物表面にかならずしもこれらの模様が貼付けられるとは限らず適用できる限界があった。また2周期以上の任意の繰り返しのある規則性模様に適用した場合、従来の解析方法では大きな誤差が発生するという問題点がある。
なお、図1に本発明において、適用できる規則性を有する模様の例を示すものであり、規則性模様を限定するものではない。
また次に説明する2つの方法(手段)は各対象とする物体の規則性模様に好適な方法であるが各規則性模様を例示の規則性模様に限定するものではない。
本発明は、物体表面に人工的に作製された(例えば格子模様の貼付けやパターンの転写)、または物体表面に予め存在している1次元の等間隔ピッチの繰り返しを有する規則性模様の画像データに基づいてモアレ縞を発生させ、ある特定の高次周波数に関する位相情報により変位分布を測定する。
この簡便で高速処理が可能な変位分布解析方法は、より詳しくは、物体表面上に貼付けられ等間隔ピッチで水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度に応じた繰り返しを有する規則性模様(例えば貼り付けられた正弦波格子や矩形波格子)、または物体表面上に存在し等間隔ピッチ(p)で水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度を期待し得る繰り返しを有する規則性模様(例えば物体の構造である外壁面にあらわれる縦(横)縞模様)に好適に適用できる。
なお、上にあげた規則性模様は、規則性模様の例示であって、本発明の適用可能な規則性模様を限定するものではない。
図2に第1の手段(1)である任意の解析ピッチによる変位分布解析の原理と画像処理方法を示す。測定対象物表面に貼付した等間隔ピッチで水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度に応じた規則性のある模様、例えば正弦波または矩形波の縞格子を光学式カメラで撮影すると、近似的に式(1)により表されるような輝度分布をもつ1枚の縞格子画像が得られる。
またこれは第2の手段においても同様である。
図3に第2の手段(2)である日常生活で見かける任意の規則性模様による変位分布解析の原理と画像処理方法を示す。
これらの規則性模様は、目視した場合に模様の規則性が異なって見えるので、大まかに、物体表面上に存在しまたは貼付けられた水平方向と垂直方向に各等間隔ピッチで2周期以上の繰り返しを有する1次元規則性模様(例えば物体の構造である外壁のタイル模様や高層ビルの窓模様など)と、物体表面上に存在しまたは貼付けられた水平方向または垂直方向に等間隔ピッチで同じパターンが2個以上の繰り返しを有する2次元規則性模様(例えば英数字、花柄など任意のパターンもの)とに分類できるが、その輝度分布データである画像データに対する適切な処理は次に示すように同一である。
また上に述べた日常生活で見かける任意の規則性模様とは、物体表面上に存在しまたは貼付けられた等間隔ピッチで少なくとも水平方向または垂直方向の輝度分布に測定したい精度を期待し得る繰り返しを有する規則性模様と言ってもよい。
本発明はこの性質は利用して複数の周波数成分を同時に抽出する。離散フーリエ変換により複数個の周波数成分の振幅情報(またはパワースペクトル情報)および位相情報を同時に算出する。
変形前後のモアレ縞の複数個のそれぞれの周波数の位相差から式(4)より、複数個のx方向の変位分布u(i,j;ω)を算出することが可能である。最後に求めた各周波数の振幅またはパワーで重み付けして合成し、最終の変位分布u(i,j)を求める。
同様にy方向について上記の画像処理を行えば、y方向の変位分布v(i,j)を求めることが可能である。
効果の1として、規則性模様に対して、解析ピッチの間隔を限定する必要がなく、より簡便かつ高精度で変位分布を得ることが可能である。
効果の2として、任意の繰り返しのある規則性模様で適用できるため、適用可能範囲が広い。
本発明の第2の手段(2)に記されている方法の有効性を確認するために、シミュレーションによりその効果を確認した。
本発明の第2の手段(2)に記されている方法の有効性を確認するために、図8に示す光学系を用いて、1次元の規則性を有するタイル模様を利用した変位分布解析の実験結果を図9に示す。
本タイルを移動ステージの平面板上に固定し、4.5mから離れた場所に設置した光学カメラで画像撮影を行った。
これらの計4種類の模様を移動ステージの平面板上に固定し、135cmから離れた場所に設置した光学カメラで画像撮影を行った。
なおプログラム言語はC言語とC++言語に限定されず、またRAMにロードされるプログラムであってもよいしROMに固定されるプログラムであってもよい。
変位分布測定装置は、光学式カメラと分離して構成してもよいし、光学式カメラと一体的に構成してもよい。
また変位分布解析装置に組み込んでもよいし、適宜入出力仕様を設定しワンチップにして各種測定装置に組み込むことができる。
より具体的に応用展開できる産業分野は、ナノサイエンス分野、機械材料、インフラ土木分野、およびバイオミメティックス分野が挙げられる。
2 荷重機構
3 支持台
4 格子パターンの拡大図
5 カメラ
6 1次元繰り返し模様
7 移動方向
8 移動ステージ
9 2次元繰り返し模様
Claims (12)
- 物体表面上にあらわれ、等ピッチで水平方向と垂直方向の少なくとも一方向に繰り返しを有する規則性模様のデジタル画像である模様画像を変位分布測定装置が処理して前記物体の変位分布を測定する方法において、
変形前後の前記模様画像を取得するステップと、
変形前後の前記模様画像の輝度データのそれぞれに対して前記少なくとも一方向に前記規則性模様のピッチと一致しない一定の解析ピッチで間引き処理と輝度補間を行い、1画素ずつ位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像のそれぞれに対しフーリエ変換を行って振幅またはパワーを算出し、前記振幅またはパワーが最も大きい周波数の前記モアレ縞画像の位相分布を求めるステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像の位相分布から得られる位相差分布と前記周波数と前記少なくとも一方向のピッチ間隔の実寸値から、前記物体の前記少なくとも一方向の変位分布を算出するステップを有することを、特徴とする変位分布測定方法。 - 物体表面上にあらわれ、水平方向と垂直方向の少なくとも一方向に等ピッチで2周期以上の繰り返しを有する1次元規則性模様のデジタル画像である1次元規則性模様画像を変位分布測定装置が処理して前記物体の変位分布を測定する方法において、
変形前後の前記1次元規則性模様画像を取得するステップと、
変形前後の前記1次元規則性模様画像の輝度データのそれぞれに対して前記少なくとも一方向に前記1次元規則性模様画像のピッチと一致しない一定の解析ピッチで間引き処理と輝度補間を行い、1画素ずつ位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像のそれぞれに対しフーリエ変換を行い、前記解析ピッチに対応する基本周波数と高次周波数のそれぞれの周波数の前記モアレ縞画像の位相分布と振幅もしくはパワーを求めるステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像の位相分布から得られる位相差分布を前記それぞれの周波数について、当該周波数と前記少なくとも一方向のピッチ間隔の実寸値から算出される前記物体の前記少なくとも一方向の変位分布を前記振幅もしくは前記パワーで重み付けして、前記物体の変位分布を算出するステップを有することを
特徴とする変位分布測定方法。 - 物体表面上にあらわれ、水平方向と垂直方向の少なくとも一方向に等ピッチで2周期以上の繰り返しを有する2次元規則性模様のデジタル画像である2次元規則性模様画像を変位分布測定装置が処理して前記物体の変位分布を測定する方法において、
変形前後の前記2次元規則性模様画像を取得するステップと、
変形前後の前記2次元規則性模様画像の輝度データのそれぞれに対して前記少なくとも一方向に前記2次元規則性模様画像のピッチと一致しない一定の解析ピッチで間引き処理と輝度補間を行い、1画素ずつ位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像のそれぞれに対しフーリエ変換を行い、前記解析ピッチに対応する基本周波数と高次周波数のそれぞれの周波数の前記モアレ縞画像の位相分布と振幅もしくはパワーを求めるステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像の位相分布から得られる位相差分布を前記それぞれの周波数について、当該周波数と前記少なくとも一方向のピッチ間隔の実寸値から算出される前記物体の前記少なくとも一方向の変位分布を前記振幅もしくは前記パワーで重み付けして、前記物体の変位分布を算出するステップを有することを、
特徴とする変位分布測定方法。 - 物体表面上にあらわれ、等ピッチで少なくとも水平方向と垂直方向の一方向に繰り返しを有する規則性模様のデジタル画像である規則性模様画像を変位分布測定装置が処理して前記物体の変位分布を測定する方法において、
変形前後の前記規則性模様画像を取得するステップと、
変形前後の前記規則性模様画像の輝度データのそれぞれに対して前記少なくとも一方向に前記規則性模様のピッチと一致しない一定の解析ピッチで間引き処理と輝度補間を行い、1画素ずつ位相がシフトされた複数枚のモアレ縞画像を生成するステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像のそれぞれに対しフーリエ変換を行い、前記解析ピッチに対応する基本周波数と高次周波数のそれぞれの周波数の前記モアレ縞画像の位相分布と振幅もしくはパワーを求めるステップと、
変形前後の前記モアレ縞画像の位相分布から得られる位相差分布を前記それぞれの周波数について、当該周波数と前記少なくとも一方向のピッチ間隔の実寸値から算出される前記物体の前記少なくとも一方向の変位分布を前記振幅もしくは前記パワーで重み付けして、前記物体の変位分布を算出するステップを有することを
特徴とする変位分布測定方法。 - コンピュータに請求項1に記載の変位分布測定方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
- コンピュータに請求項2に記載の変位分布測定方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
- コンピュータに請求項3に記載の変位分布測定方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
- コンピュータに請求項4に記載の変位分布測定方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
- 変位分布測定装置であって、請求項1に記載の変位分布測定方法を実行することを特徴とする変位分布測定装置。
- 変位分布測定装置であって、請求項2に記載の変位分布測定方法を実行することを特徴とする変位分布測定装置。
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