JP6654159B2 - 歪み量算出装置、歪み量算出方法及び歪み量算出プログラム - Google Patents

Description

本発明は、対象の歪み量を算出する歪み量算出装置、歪み量算出方法及び歪み量算出プログラムに関する。

近年、各種の製品や部品の設計においては、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）を用いる場合が多い。その設計過程においては、応力に対する耐性等の検査などが含まれる。

対象の応力を測定する手法としては、被測定物の応力を算出する応力測定システムを利用することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の応力測定システムによれば、被測定物に付与された応力発光物質の発光強度を検出し、被測定物を複数の撮像装置で撮像して被測定物の三次元形状を算出し、その三次元形状により発光強度を補正している。

特開２００６−２８４３９３号公報

ところで、ＣＡＥの計算による応力と、実際の製品や部品に対して加わる応力とを比較して、ＣＡＥの計算結果の検証を行うことがある。しかしながら、ＣＡＥで応力分布を出力する場合には、カラーコンターによる出力を行う。即ち、その出力は応力になる。一方、応力発光物質を塗布した被測定物を測定した場合に得られるのは、発光輝度分布であり、比較がしにくいという問題があった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて成されたものであり、撮像画像に基づく応力発光輝度分布をカラーコンターでの出力を可能にする歪み量算出装置、歪み量算出方法及び歪み量算出プログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る歪み量算出装置は、応力発光物質が塗布された対象物を逐次撮像する撮像部が撮像した撮像画像を取得する取得部と、取得部が取得した撮像画像から発光輝度を測定する測定部と、測定部が測定した発光輝度の経時的変化に基づいて、対象物に対する荷重に基づく対象物の歪み量を算出する算出部と、算出部が算出した歪み量に関する情報を出力する出力部とを備える。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る歪み量算出方法は、応力発光物質の発光輝度に基づいて対象物の歪み量を算出する歪み量算出方法であって、対象物を逐次撮像する撮像ステップと、撮像ステップにおいて撮像した撮像画像から発光輝度を測定する測定ステップと、測定ステップにおいて測定した発光輝度の経時的変化に基づいて、対象物に対する荷重に基づく対象物の歪み量を算出する算出ステップと、算出ステップが算出した歪み量を出力する出力ステップとを含む。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る歪み量算出プログラムは、コンピュータに、応力発光物質が塗布された対象物を逐次撮像する撮像機能と、撮像機能により撮像した撮像画像から発光輝度を測定する測定機能と、測定機能により測定した発光輝度の経時的変化に基づいて、対象物に対する荷重に基づく対象物の歪み量を算出する算出機能と、算出機能が算出した歪み量を出力する出力機能とを実現させる。

上記歪み量算出装置において、算出部は、対象物を所定範囲に分割し、所定範囲ごとの歪み量を算出することとしてもよい。

上記歪み量算出装置において、算出部は、対象物に対して荷重が加えられていない場合の発光輝度を基準発光輝度として、歪み量を算出することとしてもよい。

上記歪み量算出装置において、算出部は、測定部が測定する発光輝度が、基準発光輝度に、歪み量と歪み量の経時的変化である歪速度と所定の係数を乗じた値を加算したものであるとして、歪み量を算出することとしてもよい。

上記歪み量算出装置において、出力部は、歪み量をカラーコンター化して得られる対象物の画像を、歪み量に関する情報として、出力することとしてもよい。

本発明の一態様に係る歪み量算出装置は、応力発光輝度の経時的変化に基づいて、歪み量を算出することができるので、応力発光輝度分布を、応力分布としてカラーコンターでの出力をすることができる。

歪み量算出システムの構成例を示す図である。 歪み量算出装置の動作を示すフローチャートである。 （ａ）は、対象に荷重を加えていない場合の応力発光状態の一例を示す図である。（ｂ）は、（ａ）に示す対象の応力分布をカラーコンターで出力する場合の一例を示す図である。（ｃ）は、対象に荷重を加えている場合の応力発光状態の一例を示す図である。（ｄ）は、（ｃ）に示す対象の応力分布をカラーコンターで出力する場合の一例を示す図である。 歪み量算出装置の機能構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施態様に係る歪み量算出装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜実施の形態＞
＜構成＞
図１は、歪み量算出装置１００を含む歪み量算出システムの構成を示す図である。歪み量算出システムは、応力発光物質を塗布された対象物１１０を撮像部１２０が撮像し、撮像して得られた撮像画像１３０に基づいて歪み量算出装置１００が対象物１１０にかかる歪み量（応力）を発光輝度に基づいて算出する。そして、歪み量算出装置１００が算出した歪み量に基づいてカラーコンター化した画像を表示装置１５０が表示する。このようなシステムに係る歪み量算出装置１００について詳細に説明する。

図１に示すように、歪み量算出装置１００は、取得部１０１と、測定部１０２と、算出部１０３と、出力部１０４と、記憶部１０５とを備える。

取得部１０１は、応力発光物質が塗布された対象物１１０を逐次撮像する撮像部１２０が撮像した撮像画像１３０を取得する機能を有する通信インターフェースである。取得部１０１は、撮像部１２０が撮像した映像をそのまま受信することとしてもよいし、撮像部１２０が撮像した映像が撮像部１２０にネットワークを介して接続されたサーバ装置（図示せず）等に記憶保存されたものを取得することとしてもよい。取得部１０１は、撮像部１２０あるいは、外部のサーバ装置と、有線または無線のネットワークを介して接続されてよく、撮像画像１３０を取得できるのであれば、通信に使用する通信プロトコルは問わないものとする。なお、取得部１０１による撮像画像１３０の取得は、撮像部１２０が逐次撮像した画像を取得するものであってもよいし、撮像部１２０が撮影している映像から順番に各フレームを撮像画像として取得するものであってもよい。

応力の測定対象となる対象物１１０は、応力発光物質を表面に付着させていればどのようなものあってもよい。

ここで、応力発光物質（塗料、材料）は、摩擦、衝撃、振動、圧縮、引っ張り、捻じりなど各種の荷重が機械刺激として加えられたことに応じて発光するものであり、応力発光は印加された荷重（応力）に応じた輝度で発光する現象のことをいう。

応力発光物質としては、例えば、ユーロピウムをドープし、構造制御したアルミン酸ストロンチウム（ＳｒＡｌ_２０_４：Ｅｕ）、遷移金属や希土類をドープした硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｍｎ）やチタン酸バリウム・カルシウム（（Ｂａ，Ｃａ）ＴｉＯ_３：Ｐｒ）、アルミン酸カルシウムイットリウム（ＣａＹＡｌ_３Ｏ_７：Ｃｅ）などを用いることができるが、応力に応じた輝度で発光するものあれば、これらに限定されるものではない。

測定部１０２は、取得部１０１が取得した撮像画像１３０から対象物１１０に塗布された応力発光物質の輝度を測定（算出する）機能を有する。測定部１０２は、予め撮像部１２０が撮像する撮像画像１３０から得られる輝度と、実際の輝度との間の変換係数を保持し、撮像画像１３０を構成する各画素の輝度値に対して、上述の変換係数を乗じることで、実際の輝度値を算出することができる。測定部１０２は、例えば、歪み量算出装置１００が備える記憶部１０５に予め記憶している輝度値算出プログラムを読み出して実行するプロセッサにより実現することができる。

算出部１０３は、測定部１０２が測定した発光輝度の経時的変化に基づいて、対象物１１０に対する荷重に基づく対象物１１０の歪み量（応力）を算出する機能を有する。応力発光の強度（輝度）は、背景光＋（歪み量×歪み速度）という形で表すことができる。より具体的には、以下の数式（１）で、時刻ｔにおける輝度Ｌ（ｔ）を表すことができる。

上記式（１）において、Ｌ（ｔ）は、測定部１０２が測定する輝度値である。また、Ｌ_ｂｇは、基準となる基準発光輝度のことであり、応力による発光を行っていない状態の対象物１１０の輝度値であり、上述の背景光に相当する。ｋは、所定の係数である。ここでｋは、あらかじめ特定の厚みの応力発光塗料を塗布した特定の反射率をもつ物質に対し、特定レベルの励起状態を与え、撮像装置において取得できた輝度と、その際の歪量を歪みゲージなどにて同時に計測することで決定することが出来る（任意点におけるキャリブレーション）が、これらに限定されるものではない。上記式（１）においてεは、歪み量であり、∂ε／∂ｔは歪み速度である。歪み速度は、歪みの時間変化を意味する。算出部１０３は、上記式（１）を利用して歪み量εを算出する。算出部１０３は、撮像画像の所定範囲ごとに上述の式（１）を用いて、各所定範囲の歪み量を算出する。ここで所定範囲は、一例としては、一画素範囲とするが、これに限るものではない。複数画素を所定範囲としてもよく、その場合に、当該所定範囲の輝度値は、各画素の輝度値の平均値を用いてもよい。

上記式（１）において、ｉ番目（時刻ｔ）のフレームについて、歪み量ε（ｉ）を算出する場合、上記式（１）は、ｉ−１番目（時刻ｔ−１）のフレームに対して算出した歪み量ε（ｉ−１）を用いて、以下の式（２）のように変形することができる。

式（２）を変形すると、以下の式（３）を導出できる。

式（３）において、Ｌ（ｉ）は測定部１０２が測定する既知の値であり、Ｌｂｇは予め測定した基準発光輝度である既知の値であり、ｋは予め定められた係数であるため既知の値である。また、ε（ｉ−１）もｉ−１番目のフレームに対して算出した歪み量であるため既知の値である。したがって、上記式（３）において、未知の値は、ε（ｉ）のみである。よって、算出部１０３は、上記式（３）に示す二次方程式を解くことでｉ番目のフレームに対する歪み量ε（ｉ）を算出することができる。

算出部１０３は、例えば、歪み量算出装置１００が備える記憶部１０５に予め記憶している歪み量算出プログラムを読み出して実行するプロセッサにより実現することができる。歪み量の算出に関する更なる具体例については後述する。

出力部１０４は、算出部１０３が算出した歪み量に関する情報を出力する機能を有する通信インターフェースである。出力部１０４は、外部の表示装置１５０と、有線または無線のネットワークを介して接続されてよく、歪み量に関する情報を送信できるのであれば、通信に使用する通信プロトコルは問わないものとする。ここで、歪み量に関する情報とは、算出部１０３が算出した歪み量の値そのものであってもよいし、歪み量の値を加工した情報（例えば、カラーコンター化した画像）であってもよい。歪み量を加工した情報を出力する場合には、歪み量算出装置１００は、算出部１０３が算出した画素単位の歪み量に基づいて、カラーコンター化した画像を生成する画像生成部（図示せず）を備えることとしてもよい。画像生成部は、従来のＣＡＥと同様に応力（歪み量）に基づいてカラーコンター化した画像を生成することができる。

出力部１０４が出力した歪み量に関する情報に基づいて、例えば、表示装置１５０において応力分布を示すカラーコンター画像として表示することができる。表示装置１５０は、一般に知られるＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイ等により実現することができる。なお、表示装置１５０としては、その他にも、例えば、携帯端末のモニターや、タブレット端末のモニターなどを用いることとしてもよい。

記憶部１０５は、歪み量算出装置１００が動作上必要とする各種データやプログラムを記憶する機能を有する記憶媒体である。記憶部１０５は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等により実現することができるが、この限りではない。記憶部１０５は、例えば、測定部１０２が撮像画像１３０から各画素の発光輝度を算出するための測定プログラム、算出部１０３が歪み量を算出するための歪み量算出プログラム、算出部１０３が算出した歪み量などを記憶する。

以上が、歪み量算出装置１００の構成についての説明である。

＜動作＞
ここから、歪み量算出装置１００による歪み量の算出に係る動作を説明する。

（ステップＳ２０１）
ステップＳ２０１において、歪み量算出装置１００の取得部１０１は、歪み量を算出する対象であり、応力発光物質を塗布した対象物１１０に荷重が加えられていない状態を撮像した基準画像（映像の０番目（最初）のフレームでもよい）を取得する。取得部１０１は、取得した基準画像を測定部１０２に伝達し、ステップＳ２０２に移行する。

（ステップＳ２０２）
ステップＳ２０２において、測定部１０２は、取得部１０１が伝達された基準画像を構成する各画素（所定範囲）について、基準となる基準輝度Ｌ_ｂｇを測定し、ステップＳ２０３に移行する。

（ステップＳ２０３）
ステップＳ２０３において、取得部１０１は、撮像部１２０から、応力発光塗料を塗布した対象物１１０に荷重を加えていく状態（過程）を撮像した映像を取得し、ステップＳ２０４に移行する。

（ステップＳ２０４）
ステップＳ２０４において、歪み量算出装置１００は、処理に係るフレームの番号ｉを１に初期化して、ステップＳ２０５に移行する。

（ステップＳ２０５）
ステップＳ２０５において、測定部１０２は、伝達された映像からｉ番目のフレームを取得し、ステップＳ２０６に移行する。

（ステップＳ２０６）
ステップＳ２０６において、測定部１０２は、ｉ番目のフレームの対象物１１０の各所定範囲（各画素）の発光輝度Ｌｉを測定し、ステップＳ２０７に移行する。

（ステップＳ２０７）
ステップＳ２０７において、算出部１０３は、ｉ−１番目のフレームに対して算出した歪み量ε（ｉ−１）を記憶部１０５が記憶しているか否かを判定する。記憶している場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２０８に移行し、記憶していない場合には（ＮＯ）、ステップＳ２１０に移行する。

（ステップＳ２０８）
ステップＳ２０８において、算出部１０３は、測定部１０２が測定したｉ番目のフレームの各画素の歪み量ε（ｉ）を、上述の式（１）、（３）を利用して、算出する。その後に、ステップＳ２０９に移行する。

（ステップＳ２０９）
ステップＳ２０９において、歪み量算出装置１００は、歪み量算出処理の終了入力を受けているか否かを判定し、受けている場合には（ＹＥＳ）、処理を終了する。受けていない場合には（ＮＯ）、ステップＳ２１０に移行する。

（ステップＳ２１０）
ステップＳ２１０において、歪み量算出装置１００は、ｉに１加算して、ステップＳ２０５に戻る。

＜歪み量算出の具体例＞
ここから、一具体例を用いて、歪み量の算出の具体例を示す。

まず、対象物１１０に対して荷重が加えられていない状態で（図３（ａ）に示す状態）、対象物１１０の発光輝度を測定する。この時の発光輝度を「０」とする。これにより、基準発光輝度Ｌ_ｂｇを０として無視することができる。実際には、測定された値を、Ｌ_ｂｇとして、以降の荷重を加えたときの発光輝度値から、Ｌ_ｂｇを減算する値を用いる。このときのカラーコンターとしては、例えば、図３（ｂ）に示すように一様な応力分布を示すカラーコンターが出力されることとなる。

次に、図３（ｃ）に示すように、対象物１１０に対して荷重を加えていった場合に、その応力に応じて、応力発光物質が発光する。このとき、荷重を加えはじめてから、１／６０秒の応力発光輝度が「１」であったとする。１／６０秒の時点では、前回の歪み量ε（ｉ−１）は、時刻「０」における歪み量であるため、「０」となる。すると、上記式（２）に当てはめると、以下の関係式（４）を得ることができる。

ここで、説明を簡単にするために、係数ｋを１／６０であるとする。すると、Ｌ（１／６０）＝１なので、ε（１／６０）^２＝１という関係式を得ることができることから、この関係式の正の解を１／６０の時点での歪み量ε（１／６０）として算出することができる。即ち、この例で言えば、ε（１／６０）＝１を得ることができる。

次に、２／６０秒のときの測定部１０２が測定した発光輝度値が「２０」であるとする。すると、以下の関係式（５）を得ることができる。

Ｌ（２／６０）の時点での発光輝度値が２０であることから、ε（２／６０）＝−４又は５を得る。これらの値の内の正の値を解として、算出部１０３は、２／６０秒の時点の歪み量ε（２／６０）として「５」を算出することができる。

次に、３／６０秒の時に、測定部１０２が測定した発光輝度が５０であったとする。すると、この場合も、同様にして、以下の式（６）を解くことで、歪み量ε（３／６０）を得ることができる。

上記式（６）を解くことで、算出部１０３は、ε（３／６０）＝１０を算出する。したがって、本具体例のように、ｋを時間差、基準発光輝度Ｌｂｇを０、測定部１０２が測定した発光輝度をａとすると、算出部１０３は、下記式（７）に示す二次式を解き、正の解を歪み量ε（ｉ）として算出することができる。

その結果、例えば、図３（ｄ）に示すように、算出した歪み量に基づいてカラーコンター化した画像を出力することができる。

＜まとめ＞
歪み量算出装置１００は、応力発光輝度の経時的変化から、対象物の歪み量を算出することができる。したがって、その算出した歪み量に基づいてカラーコンター化した応力分布の画像を生成することができる。これにより、ＣＡＥによる応力分布のカラーコンター画像と、歪み量算出装置１００が算出した歪み量に基づくカラーコンター画像とを比較することで、ＣＡＥによる応力分布の検証を行うことができる。また、ＣＡＥを用いた応力分布ではユーザが気づくことができない箇所に荷重が加わっていることを、歪み量算出装置１００が算出した歪み量に基づくカラーコンター画像をユーザが確認することで、認識することができる。

＜補足＞
上記実施の形態に係る歪み量算出装置は、上記実施の形態に限定されるものではなく、他の手法により実現されてもよいことは言うまでもない。以下、各種変形例について説明する。

（１）上記実施の形態においては、撮像部１２０は、歪み量算出装置１００外の装置としているが、歪み量算出装置１００は、撮像部１２０も備えることとしてもよい。

（２）上記実施の形態においては、表示装置１５０は、歪み量算出装置１００外の装置としているが、歪み量算出装置１００は、表示装置１５０を備えることとしてもよい。

（３）上記実施の形態において、歪み量算出装置１００が歪み量そのものを出力する場合には、これを受ける表示装置１５０あるいは表示装置１５０に接続された演算装置は、受け取った歪み量に基づいて対象物１１０のカラーコンター化した画像を生成する機能を有するとよい。

（４）上記実施の形態においては、一具体例として、１／６０秒毎に歪み量を算出する例を示したが、これはその限りではないことはいうまでもない。例えば、１／２０秒毎であってもよいし、１／９０秒毎であってもよい。

（５）上記実施の形態においては、測定部１０２は、撮像画像１３０から各画素の輝度値を測定することとしたが、この手法に代えて、輝度センサを用いて測定することとしてもよい。

（６） 上記実施の形態においては、歪み量算出装置が歪み量を算出する手法として、歪み量算出装置１００を構成する各機能部として機能するプロセッサが歪み量算出プログラム等を実行することにより、歪み量を算出することとしているが、これは装置に集積回路（ＩＣ（Integrated Circuit）チップ、ＬＳＩ（Large Scale Integration））等に形成された論理回路（ハードウェア）や専用回路によって実現してもよい。また、これらの回路は、１または複数の集積回路により実現されてよく、上記実施の形態に示した複数の機能部の機能を１つの集積回路により実現されることとしてもよい。ＬＳＩは、集積度の違いにより、ＶＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩなどと呼称されることもある。すなわち、図４に示すように、歪み量算出装置１００を構成する各機能部は、物理的な回路により実現されてもよい。図４に示すように、歪み量算出装置１００は、取得回路１０１ａと、測定回路１０２ａと、算出回路１０３ａと、出力回路１０４ａ、記憶回路１０５ａとを備え、各回路は、上述の同名の各機能部と同様の機能を有する。

また、上記歪み量算出プログラムは、プロセッサが読み取り可能な記録媒体に記録されていてよく、記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記歪み量算出プログラムは、当該歪み量算出プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記プロセッサに供給されてもよい。本発明は、上記歪み量算出プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

なお、上記歪み量算出プログラムは、例えば、ActionScript、JavaScript（登録商標）などのスクリプト言語、Objective-C、Java（登録商標）などのオブジェクト指向プログラミング言語、HTML5などのマークアップ言語などを用いて実装できる。

（６）上記実施の形態及び各補足に示した構成は、適宜組み合わせることとしてもよい。

１００ 歪み量算出装置
１０１ 取得部
１０２ 測定部
１０３ 算出部
１０４ 出力部
１０５ 記憶部

Claims (5)

1. 応力発光物質が塗布された対象物を逐次撮像する撮像部が撮像した撮像画像を取得する取得部と、
   前記取得部が取得した撮像画像から発光輝度を測定する測定部と、
   前記測定部が測定した発光輝度の経時的変化に基づいて、前記対象物に対する荷重に基づく前記対象物の歪み量を算出する算出部と、
   前記算出部が算出した歪み量に関する情報を出力する出力部とを備え、
   前記算出部は、
   前記対象物を所定範囲に分割して前記所定範囲ごとの歪み量を算出し、
   前記対象物に対して荷重が加えられていない場合の発光輝度を基準発光輝度として前記歪み量を算出し、
   前記測定部により測定される発光輝度が、前記基準発光輝度に、歪み量と歪み量の経時的変化である歪速度と所定の係数を乗じた値を加算したものであるとして、前記歪み量を算出する
   歪み量算出装置。
2. 前記出力部は、前記歪み量をカラーコンター化して得られる前記対象物の画像を、前記歪み量に関する情報として、出力することを特徴とする請求項１に記載の歪み量算出装置。
3. 前記算出部は、前記発光輝度をＬ（ｔ）とし、前記基準発光輝度をＬ_ｂｇとし、ｋを係数とし、歪み量をεとしたとき、下記数式（１）を用いて、
   前記歪み量を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の歪み量算出装置。
4. 応力発光物質が塗布された対象物の発光輝度に基づいて前記対象物の歪み量を算出する歪み量算出方法であって、
   前記対象物を逐次撮像する撮像ステップと、
   前記撮像ステップにおいて撮像した撮像画像から発光輝度を測定する測定ステップと、
   前記測定ステップにおいて測定した発光輝度の経時的変化に基づいて、前記対象物に対する荷重に基づく前記対象物の歪み量を算出する算出ステップと、
   前記算出ステップが算出した歪み量を出力する出力ステップとを含み、
   前記算出ステップは、
   前記対象物を所定範囲に分割して前記所定範囲ごとの歪み量を算出し、
   前記対象物に対して荷重が加えられていない場合の発光輝度を基準発光輝度として前記歪み量を算出し、
   前記測定ステップにより測定される発光輝度が、前記基準発光輝度に、歪み量と歪み量の経時的変化である歪速度と所定の係数を乗じた値を加算したものであるとして、前記歪み量を算出する
   歪み量算出方法。
5. コンピュータに、
   応力発光物質が塗布された対象物を逐次撮像する撮像機能と、
   前記撮像機能により撮像した撮像画像から発光輝度を測定する測定機能と、
   前記測定機能により測定した発光輝度の経時的変化に基づいて、前記対象物に対する荷重に基づく前記対象物の歪み量を算出する算出機能と、
   前記算出機能が算出した歪み量を出力する出力機能とを実現させる歪み量算出プログラムであって、
   前記算出機能は、
   前記対象物を所定範囲に分割して前記所定範囲ごとの歪み量を算出し、
   前記対象物に対して荷重が加えられていない場合の発光輝度を基準発光輝度として前記歪み量を算出し、
   前記測定機能により測定される発光輝度が、前記基準発光輝度に、歪み量と歪み量の経時的変化である歪速度と所定の係数を乗じた値を加算したものであるとして、前記歪み量を算出する
   歪み量算出プログラム。