JP6534147B2 - 単一カメラによる物体の変位と振動の測定方法、装置およびそのプログラム - Google Patents
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- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
Description
しかし、一度の計測では1点の1方向のみの変位情報しか得られず、構造物全体の変位振動挙動を把握するには複数点にセンサを設置しなければならないため、配線が複雑になりコスト費用や解析時間が増加する問題点がある。
特に小さい対象物または巨大構造物の場合、センササイズの制限または取り付けるための足場設置の都合により同時に複数のセンサを設置できない場合がある。
全視野計測法にはスペックル干渉法やデジタルホログラフィ法、デジタル画像相関法、サンプリングモアレ法がある。
さらに、特許文献2に記載されているように、物体の面外変位または面内と面外を含む三次元変位を2台のカメラを用いて計測する方法が開発されているが、単一のカメラのみで三次元変位を測定できる方法および計測装置は開発されていない。
また、室外実験などでは、撮影環境としては常に振動のある場所での画像撮影になり、2台または複数台のカメラは固定されているとはいえ、わずかながらカメラ自身がそれぞれ異なる微小振動があり、それが計測誤差となる場合が多い。
当該カメラが表示部を有するときは、カメラ内の演算部で演算処理を行い適宜表示部に計測結果を表示することができる。
本発明は、物体表面に貼り付けたまたは転写した格子マーカ(格子模様は正弦波もしくは余弦波、矩形波、三角波などの任意の繰り返しのある模様とする)をデジタル(ビデオ)カメラで撮影した場合、画像上の格子のピッチは面外変位が生じるとわずかながら変化することに着目した。
この性質とレンズの倍率の原理を組み合わせることによって面外変位による画像上の格子ピッチのわずかな変化より面外変位量を定量的に求めることができる方法を以下に説明する。
よって,dはレンズの結像の公式より焦点距離fを用いて表すことにする。
この近似式及び式(1)よりレンズと格子間の距離Zはfを用いて式(3)で表すことができる。
式で表現すると、
式(5)から、面外変位量は実験で用いる格子マーカのピッチp [mm]、イメージセンサのピクセルサイズa [mm/pixel]、カメラレンズの焦点距離f [mm]に依存することがわかる。
画像計測の場合、面内変位と面外変位が同時に発生する場合、画像上では本来の測定したい面内変位と面外変位による見かけ上の面内変位が発生する。
そのため、面内変位を正確に計測することはできない。
格子を貼り付けた物体が面内と面外に変位が発生する場合、サンプリングモアレ法で計測するX方向の面内変位量Δxは式(11)で表される。
ここで、面外変位による見かけ上の面内変位δは式(14)より表される。
ただし,微小変形において、
ただし、θはレンズの光軸とレンズの中心と変形前の物体に張り付いた格子を結ぶ線のなす角度の水平方向または垂直方向成分とし、θ'は変形後のレンズの光軸とレンズの中心と変形後の当該格子を結ぶ線のなす角度の水平方向または垂直方向成分とする。
(1)一台のカメラのみで面外変位さらに三次元変位計測ができる。そのため動的計測に容易に適用でき、振動計測が可能である。
(2)複数の変位センサを取り付ける方法に比べて、配線が不要であり、同時に複数点の変位・振動情報が得られる。
(3)遠方からリモート計測が可能である。
本発明による面外変位の計測精度を確認するために以下の実験を行った。
使用した装置は2軸移動ステージ(移動分解能は1μm)、格子マーカとCCDカメラ(1280×960画素, モノクロ, ピクセルサイズは4.65μm×4.65μm)である。
移動ステージを面外(奥行き)方向に移動させ、各移動量の格子を撮影し、それぞれの画像を解析することによって面外変位量を求めた。
評価方法は画像の中心付近の100×100画素における平均変位量を用いた。
3つの異なる焦点距離のカメラレンズを用いた場合、いずれも与えられた面外変位量によく一致した結果が得られた。
ここでも同じく3つの異なる焦点距離のカメラレンズを用いた場合、いずれも与えられた面外変位量によく一致した結果が得られた。
本発明の画像の演算処理は、パーソナルコンピュータ上のC/C++プログラムにより実行して計測結果を求めたが、プログラムの種類は本発明を実施する計測実行環境により適宜変更することができる。
図7に2台のカメラを設置した面内・面外変位同時計測精度検証実験の光学系を示す。
また2台のカメラ間の距離は55mm、CCD面と物体格子間の距離は365mmであった。
(1)カメラ1とカメラ2をそれぞれの画像上の格子ピッチが10pixelになるようにカメラ位置を調節した。
(2)面外方向に0.1mmの変位を与え、それぞれのカメラで撮影し、見かけの上の面内変位よりカメラ1、カメラ2上での画角tanθを算出した。
(3)移動ステージに貼り付けた格子をそれぞれのカメラで撮影し、その画像データを保存した。
(4)X方向に面内変位を0.001mmずつ計10回与え、0〜0.01mm間,計11枚の画像をそれぞれのカメラで撮影した。
(5)X方向の移動ステージの移動量を0mmに戻す。
(6)Z方向に面外変位を0.01mm与えその画像をそれぞれのカメラで撮影した。
(7)Z方向に移動した状態で(4)〜(5)の作業を行う。
(8)(4)〜(7)の作業を面外変位量が0〜0.1mm間、計11回行う。
(9)(3)と(4)〜(8)の作業を行い、単一カメラで得られた画像、および2台のカメラから得られた画像を利用して面内変位量と面外変位量解析を行った。
従来の2台のカメラから撮影された画像から面内・面外変位を算出した結果と本発明である単一カメラ(カメラ1)より取得した画像から面内・面外変位を算出した結果を比較した。
図8と図9から、微小変位計測実験での所定評価エリアの平均値では、単一カメラで計測した場合でも2台のカメラとほぼ同じ精度で計測できることを確認できた。
本発明では動画撮影のフレームレートの半分以下の周波数の振動の計測が可能である。
発明による振動計測の一例として、図10に片持ち梁の振動解析実験の光学系を示す。
直定規表面にピッチ周期が2.3mmの格子を貼り付けた。
サンプリング周期は52.08Hzである。使用した一眼レフデジタルビデオカメラのフレームレートは24fpsである。
カメラと格子間の距離は350mmとなった。
カメラで得られた動画から時系列でのJPEG画像に変換し、得られた画像より梁の振動を計測した。
実験結果より、本発明はLDVと同精度で振動計測が可能であることが確認できた。
一次振動、2次振動のピークがそれぞれサンプリングモアレ法では3.70Hz、7.38Hz、LDVでは3.71Hz、7.40Hzと計測された。
これにより本発明法は従来のLDVと同じ高い精度で振動周波数解析が行うことができることがわかる。
さらに高い振動数の振動を計測するにはフレームレートの高い撮影が可能なカメラを利用すればよい。
2 対物レンズ
3 イメージセンサ(水平方向および垂直方向に格子状に配置された撮像素子)
4 格子
5 被計測物(物体)
6 変形前の格子ピッチpのz平面
7 変形後の格子ピッチpのz平面
8 光軸
9 イメージセンサ平面
Claims (12)
- 単一のデジタルカメラによる面外変位分布計測方法であって、
前記デジタルカメラは焦点距離fの対物レンズと、水平方向および垂直方向に格子状に配置された撮像素子を備え、
被計測物の表面に前記撮像素子の水平方向または垂直方向と同一方向にピッチpの周期模様が貼り付けてられている状態において、
前記被計測物に面外荷重が与えられた場合、
前記デジタルカメラで当該面外荷重による面外変位の前後における前記周期模様を撮像し、
当該面外変位の前後におけるピッチpに対応する当該画像上の当該周期模様の(i,j)座標におけるピッチQ、Q’を求め、
当該周期模様の当該面外変位量Δzを次の数式16により求めて全視野における面外変位分布を得ることを特徴とする単一のデジタルカメラによる面外変位分布計測方法。
ただし、前記周期模様は水平方向にピッチpとし、数式16においてaは定数とし、また、ピッチQ、Q’は数式17、数式18により求めるものとし、数式17、数式18において、Tはサンプリングモアレ法により間引き処理をする画素間隔、φmはそのモアレ縞の位相、φmドット(φの上に点)、φ’mドットは前記面外変位の前後におけるその位相値を用いて求めた位相勾配である。
- 単一のデジタルビデオカメラによる動的面外変位分布計測方法であって、
請求項1の単一のデジタルカメラはさらに所定の時間分解能(フレームレート、fps)を有する動画撮影機構を備え、
前記被計測物に前記面外荷重が与えられ、
前記デジタルビデオカメラにより当該面外荷重による面外変位の前後における前記周期模様を前記フレームレートで撮影し、
前記面外荷重の前後に撮像された連続するフレーム画像から所定の時間において前記全視野における面外変位分布を連続して求めることを特徴とする動的面外変位分布計測方法。 - 単一のデジタルビデオカメラによる周期模様を用いた振動周波数解析方法であって、
請求項1の単一のデジタルカメラはさらに時間分解能(フレームレート、fps)が計測する振動周期の倍より大きい動画撮影機構を備え、
前記被計測物に振動により前記面外荷重が与えられ、
前記デジタルビデオカメラにより所定の位置における当該面外荷重による面外変位の前後における前記周期模様を前記フレームレートで撮影し、
前記振動の前後に撮像された連続するフレーム画像から所定の時間において連続して得られる当該所定の位置における当該面外変位に基づいて前記被計測物の振動波形を求めて振動周波数を解析することを特徴とする振動周波数解析方法。 - 請求項1に記載する単一のデジタルカメラによる面外変位分布計測方法において撮像した画像を当該処理する事を特徴とするプログラムおよび当該プログラムを収納した記録媒体。
- 請求項2に記載する単一のデジタルカメラによる面内・面外変位同時計測方法において撮像した画像を当該処理する事を特徴とするプログラムおよび当該プログラムを収納した記録媒体。
- 請求項3に記載する単一のデジタルビデオカメラによる動的面外変位分布計測方法おいて撮像した画像を当該処理することを特徴とするプログラムおよび当該プログラムを収納した記録媒体。
- 請求項4に記載する単一のデジタルビデオカメラによる振動周波数解析方法において撮像した画像を当該処理することを特徴とするプログラムおよび当該プログラムを収納した記録媒体。
- 単一のデジタルカメラによる面外変位分布計測装置であって、
少なくとも単一のデジタルカメラと、
前記単一のデジタルカメラで撮像した画像を処理する演算部と、
前記演算結果を表示する表示部を備え、
請求項1に記載の単一のデジタルカメラによる面外変位分布計測方法を実行する事を特徴とする面外変位分布計測装置。 - 単一のデジタルカメラによる面内・面外変位同時計測装置であって、
少なくとも単一のデジタルカメラと、
前記単一のデジタルカメラで撮像した画像を処理する演算部と、
前記演算結果を表示する表示部を備え、
請求項2に記載の単一のデジタルカメラによる面内・面外変位同時計測方法を実行する事を特徴とする面外変位分布計測装置。 - 単一のデジタルビデオカメラによる動的面外変位分布計測装置であって、
少なくとも単一のデジタルビデオカメラと、
前記単一のデジタルビデオカメラで撮像した画像を処理する演算部と、
前記演算結果を表示する表示部を備え、
請求項3に記載の単一のデジタルビデオカメラによる動的面外変位分布計測方法を実行する事を特徴とする動的面外変位分布計計測装置。 - 単一のデジタルビデオカメラによる振動周波数解析装置であって、
少なくとも単一のデジタルビデオカメラと、
前記単一のデジタルビデオカメラで撮像した画像を処理する演算部と、
前記演算結果を表示する表示部を備え、
請求項4に記載の単一のデジタルビデオカメラによる振動周波数解析方法を実行する事を特徴とする振動周波数解析装置。
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