JP6788161B2 - In-object deformation part detection device - Google Patents
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Description
本発明は、概して、物体の表面乃至内部に存在する変状部分の位置、形状、範囲などの空間的特性を物体の表面温度分布又はそれに基づいて描かれた画像(両者を総称して、表面温度分布又は画像と呼ぶことがある)に基づいて検出する装置に関する。 In general, the present invention describes spatial characteristics such as the position, shape, and range of deformed parts existing on the surface or inside of an object in the surface temperature distribution of the object or an image drawn based on the same (collectively, the surface). It relates to a device for detecting based on a temperature distribution or an image).
物体の表面乃至内部に、比較的均質な材料特性を有する全体部分とは異なる材料特性の変状部分が存在する場合、外部又は内部から加熱又は冷却すると、物体全体はその変状部分を反映した非定常的な温度分布を経て、最終的に安定した定常的な温度分布を呈するようになる。加熱又は冷却時の物体の表面温度分布には、変状部分を反映した局所的な温度分布である温度変異部分が含まれる。このような場合に、ある時点で物体の表面温度分布を計測すれば、表面温度分布の中での温度変異部分の有無によって、非破壊的又は非接触的に物体の表面乃至内部に存在する変状部分の有無を概略的に検出することができる。 If there is a deformed part of the material properties on the surface or inside of the object that is different from the whole part with relatively uniform material properties, when heated or cooled from the outside or inside, the whole object reflects the deformed part. After undergoing an unsteady temperature distribution, it finally exhibits a stable and steady temperature distribution. The surface temperature distribution of an object during heating or cooling includes a temperature variation portion which is a local temperature distribution reflecting a deformed portion. In such a case, if the surface temperature distribution of the object is measured at a certain point in time, changes existing on the surface or inside of the object in a non-destructive or non-contact manner depending on the presence or absence of a temperature variation portion in the surface temperature distribution. The presence or absence of a shaped portion can be roughly detected.
上記内容を実機に応用するものとして、例えば、土木建築技術分野では、コンクリート構造物におけるひび割れ、空洞、浮き、剥離などの変状部分や、鋼コンクリート合成構造における鋼とコンクリートとの境界に存在する空洞などについて、赤外線カメラで測定した表面温度分布を画像化した着色濃淡画像などの中から局所的に色彩又は濃淡の変動の大きい箇所を見つけて、それを検出対象箇所として定性的に検出する技術が一般的に用いられている。赤外線カメラによる方法は、ハンディな小型装置によって対象構造物から離れた所から非接触で行なえる上に、構造物の表面だけでなく内部に存在する変状部分を反映した表面温度分布を利用するので、外部からは判らない内部の変状部分の存在などを検出することができる。そのため、X線などの電磁波を発生させる大型で非常に高価な装置を接触状態で使用する方法、目視やCCDカメラによる非接触だが構造物表面の現象のみしか対象にできない方法に比べて、赤外線カメラによる方法は、不完全ながらもこれらの方法の長所を保持しつつ、短所を改善できる方法であると考えられる。 As an application of the above contents to an actual machine, for example, in the field of civil engineering and construction technology, it exists in deformed parts such as cracks, cavities, floats, and peelings in concrete structures, and at the boundary between steel and concrete in steel-concrete composite structures. A technique for qualitatively detecting cavities, etc., by locally finding locations with large fluctuations in color or shading from colored shading images that image the surface temperature distribution measured with an infrared camera, and qualitatively detecting them as detection target locations. Is commonly used. The method using an infrared camera can be performed non-contact from a place away from the target structure by a handy small device, and also uses a surface temperature distribution that reflects not only the surface of the structure but also the deformed part existing inside. Therefore, it is possible to detect the existence of an internal deformed portion that cannot be seen from the outside. Therefore, compared to the method of using a large and very expensive device that generates electromagnetic waves such as X-rays in contact state, and the method of not contacting by visual inspection or CCD camera but only targeting the phenomenon of the structure surface, the infrared camera Although the method according to is incomplete, it is considered that the method can improve the weaknesses while retaining the advantages of these methods.
一方、様々な画像そのものを解析的に扱う画像処置技術の近年の発展にはめざましいものがあり、それらの技術を応用することによって、物体の表面温度分布から変状部分の空間的特性をより解析的及び定量的に検出することの可能性が向上すると考えられる。例えば、非特許文献1に示されるような、比較的大きい画像の中に局所的に含まれる特異点などをそれに固有の局在的な波形特徴として検出するためのウェーブレット変換に基づく波形特徴抽出技術が存在する。土木建築技術分野における構造物を対象に考えると、一般的な構造物の劣化現象の初期段階においては、変状部分は構造物の一部分に局所的に現れ始める。したがって、初期の変状部分に関連する表面温度は、構造物全体の広い範囲の比較的一定の表面温度分布の中に局在する特異な温度変化として現れるので、変状部分が存在するか否かを解析的に検出する場合には、変状部分に対応する波形特徴抽出技術の応用などが有効であると考えられる。 On the other hand, the recent development of image treatment technology that handles various images themselves analytically has been remarkable, and by applying these technologies, the spatial characteristics of the deformed part can be further analyzed from the surface temperature distribution of the object. It is considered that the possibility of detection targetly and quantitatively will be improved. For example, a waveform feature extraction technique based on a wavelet transform for detecting a singular point locally contained in a relatively large image as a localized waveform feature peculiar to it, as shown in Non-Patent
なお、構造物の表面は、一般に変状部分と無関係な様々な凹凸を含んでおり、更にそれが自然環境下にある場合には汚れなどが付着し、微少な傷も存在する場合が多い。そのような表面温度分布は、変状部分に起因しない温度成分をノイズとして必然的に含んでいる。ノイズを対象表面温度分布から除去することは、変状部分検出という目的のための画像解析効果を向上させる上で望ましい。そのような方法の一つとして、本願と同一の発明者によるウェーブレット変換を利用したノイズ除去方法が特許文献1に記載されており、その内容は本明細書において参照することによって援用される。本発明は、このノイズ除去方法を併用することも含む。 The surface of the structure generally contains various irregularities unrelated to the deformed portion, and when it is in a natural environment, dirt or the like adheres to it, and there are many cases where even minute scratches are present. Such a surface temperature distribution inevitably includes a temperature component that is not caused by the deformed portion as noise. Removing noise from the target surface temperature distribution is desirable in order to improve the image analysis effect for the purpose of detecting deformed parts. As one of such methods, a noise removing method using a wavelet transform by the same inventor as the present application is described in
物体の表面乃至内部に存在する変状部分の位置、形状、及び範囲などの空間的特性並びに種類を物体の表面温度分布から検出するには、大きく分けて2つの機能が必要である。第1の機能は、表面温度分布に含まれる温度変異部分を検出して、変状部分の存在する位置を検出することである。第2の機能は、その温度変異部分の特徴と、変状部分の形状、範囲などの空間的特性とを関連付けることにより、その空間的特性をより具体的に捉え、それに基づいて変状の種類まで推定することである。第2の機能については、画像工学の知見だけでなく、伝熱工学及び構造工学の知見をも総合的に利用する必要がある。すなわち、変状部分近傍の表面温度分布の温度変異部分についての、特に、その温度変異部分の形状に関する伝熱工学上の知見からの分析と、変状部分に関する構造工学上の知識とが結合されてはじめて、物体の変状部分の形状、範囲のような空間的特性、ひいてはその種類や原因を想定することができると思われる。何故なら、物体のすべての温度分布は、物体全体及び物体の中に局所的に存在する変状部分の熱特性条件及び空間的特性と、加熱条件とによって決定されるものであり、変状部分の形状、範囲のような空間的特性は、一定の物理法則に従って変状部分近傍の表面温度分布の中の、温度変異部分の形状及び範囲に一意的に反映されるからである。 In order to detect spatial characteristics and types such as the position, shape, and range of deformed parts existing on the surface or inside of an object from the surface temperature distribution of the object, two main functions are required. The first function is to detect the temperature variation portion included in the surface temperature distribution and detect the position where the deformed portion exists. The second function is to grasp the spatial characteristics more concretely by associating the characteristics of the temperature variation part with the spatial characteristics such as the shape and range of the deformed part, and based on that, the type of deformation. Is to estimate. For the second function, it is necessary to comprehensively utilize not only the knowledge of image engineering but also the knowledge of heat transfer engineering and structural engineering. That is, the analysis from the heat transfer engineering knowledge about the temperature variation part of the surface temperature distribution near the deformed part, especially the shape of the temperature variation part, and the structural engineering knowledge about the deformed part are combined. For the first time, it seems possible to assume the shape of the deformed part of an object, spatial characteristics such as range, and the type and cause of the object. This is because all the temperature distributions of an object are determined by the thermal and spatial characteristics of the entire object and the deformed parts that are locally present in the object, and the heating conditions. This is because spatial characteristics such as the shape and range of the temperature change part are uniquely reflected in the shape and range of the temperature variation part in the surface temperature distribution near the deformed part according to a certain physical law.
しかし、例えば、土木建築技術分野における、表面温度分布によって構造物の表面乃至内部に存在する構造的な欠陥部分を検出する従来技術は、その表面温度分布に基づいて可視化された着色濃淡画像などに現れた色彩又は濃淡の変化から、最終的に人が目視で変状部分の存在を推定している。このような着色濃淡画像の中に現れた色彩又は濃淡の変化のみに基づく変状部分の検出方法は、物体の変状部分の存否及びその存在する概略の位置を経験的、感覚的に検出しているに過ぎないとも考えられる。 However, for example, in the field of civil engineering and construction technology, a conventional technique for detecting a structural defect portion existing on the surface or inside of a structure by a surface temperature distribution is used for a colored shade image visualized based on the surface temperature distribution. From the change in color or shade that appears, the person finally visually estimates the existence of the deformed part. A method for detecting a deformed portion based only on a change in color or shade appearing in such a colored shade image empirically and sensuously detects the presence or absence of a deformed portion of an object and its approximate position. It can be considered that it is nothing more than.
すなわち、従来の変状部分の検出方法は、表面温度分布の中の温度変異部分の形状が有する特性と、物体の変状部分の形状、範囲などの空間的特性とを理論的、解析的に関連付け、更に変状部分の種類、例えば、ひび割れ、空洞、浮き、及び剥離などを識別する前述した第2の機能を含むまでには至っていない。 That is, the conventional method for detecting a deformed portion theoretically and analytically determines the characteristics of the shape of the temperature variation portion in the surface temperature distribution and the spatial characteristics such as the shape and range of the deformed portion of the object. It has not yet included the above-mentioned second function of associating and further identifying the types of deformed parts, such as cracks, cavities, floats, and peelings.
上記従来技術の課題を解決するために、本発明に係る物体内変状部分検出装置は、物体の表面温度分布を用いて前記物体の表面乃至内部に存在する変状部分を検出する装置であって、
前記表面温度分布の形状を数値で評価し、その評価結果に基づいて前記表面温度分布のうちの前記変状部分に起因する温度変異部分を検出する検出手段と、
検出された温度変異部分を画面に表示する表示手段と、
を備えたものである。In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the in-object deformed portion detecting device according to the present invention is a device that detects a deformed portion existing on the surface or inside of the object by using the surface temperature distribution of the object. hand,
A detection means for numerically evaluating the shape of the surface temperature distribution and detecting a temperature variation portion due to the deformed portion of the surface temperature distribution based on the evaluation result.
A display means for displaying the detected temperature mutation part on the screen,
It is equipped with.
より具体的には、前記表面温度分布を2次元データとして展開された画像データの特定領域毎にフィルタを用いて前記表面温度分布のうちの前記変状部分に起因する温度変異部分を検出する検出手段と、
検出された2次元データの特定領域を画面に表示する表示手段と、
を備えたものである。More specifically, detection for detecting a temperature variation portion caused by the deformed portion of the surface temperature distribution by using a filter for each specific region of image data developed using the surface temperature distribution as two-dimensional data. Means and
A display means for displaying a specific area of the detected two-dimensional data on the screen,
It is equipped with.
<本発明の解決原理>
本発明は、概説すれば、物体の変状部分に特有の空間的特性と、その影響を受けた加熱時の物体の表面温度分布のうちの温度変異部分の形状との相関関係を利用して、着目する物体の変状部分に特有の温度変異部分の形状が生じている箇所を理論的、解析的に検出することにより、変状部分が存在する位置を見つけるものであるが、それは、次のような解決原理に基づいている。<Solution Principle of the Present Invention>
To outline, the present invention utilizes the correlation between the spatial characteristics peculiar to the deformed portion of an object and the shape of the temperature variation portion in the surface temperature distribution of the object when heated. , The position where the deformed part exists is found by theoretically and analytically detecting the part where the shape of the temperature variation part peculiar to the deformed part of the object of interest occurs. It is based on the solution principle such as.
最初に、検出対象である変状部分に特有の、表面温度分布のうちの温度変異部分の形状について検討する。
例えば、図1の数値実験用ひび割れモデルに示すように、物体表面付近にひび割れが存在する場合、開口部近傍の表面温度分布は、概して、ひび割れ面と物体表面とのなす角度δ(以下、傾斜角δと呼ぶ)、ひび割れ面が物体の内部で広がる深さや範囲などによって変化する。図1に示すような数値実験用ひび割れモデルについて、ひび割れが存在する側の表面を加熱したときを想定して、一定条件において伝熱解析を行った。傾斜角δを30°、45°及び60°とした場合において、ひび割れが存在する表面における温度分布は、それぞれ、およそ図2A〜Cのようになる。First, the shape of the temperature variation part of the surface temperature distribution, which is peculiar to the deformed part to be detected, is examined.
For example, as shown in the crack model for numerical experiments in FIG. 1, when cracks are present near the surface of the object, the surface temperature distribution near the opening is generally the angle δ (hereinafter, inclination) formed by the crack surface and the surface of the object. The angle δ), the cracked surface changes depending on the depth and range of the inside of the object. For the crack model for numerical experiments as shown in FIG. 1, heat transfer analysis was performed under certain conditions, assuming that the surface on the side where the cracks exist was heated. When the inclination angles δ are 30 °, 45 °, and 60 °, the temperature distributions on the surface where the cracks are present are approximately as shown in FIGS. 2A to 2C, respectively.
図2A〜2Cに示す表面温度分布について、ひび割れ面と物体表面との交線であるひび割れ開口部を1つの線分と考えたとき、その線分の垂直二等分線上に分布する表面温度を示したものが図3である。縦軸はひび割れの影響が小さい箇所の表面温度との温度差、横軸はx方向の距離(この場合、温度分布を画像で捉えたときの画素数)で示している。 Regarding the surface temperature distribution shown in FIGS. 2A to 2C, when the crack opening which is the intersection line between the crack surface and the object surface is considered as one line segment, the surface temperature distributed on the perpendicular bisector of that line segment is calculated. The one shown is shown in FIG. The vertical axis shows the temperature difference from the surface temperature of the part where the influence of cracks is small, and the horizontal axis shows the distance in the x direction (in this case, the number of pixels when the temperature distribution is captured in the image).
この表面温度分布のうちの温度変異部分の形状的な特徴は、ひび割れ開口部を境として最高温点と最低温点とが存在し、開口部を挟んでひび割れ面が広がる側で温度が高く、その反対側で低くなるということである。また、傾斜角δが小さいほど高低の温度差が大きくなり、また、ひび割れ開口部の線分を挟む表面温度の勾配の方向はこの線分とほぼ直角をなしている。従って、このようなひび割れ開口部近傍に特徴的な温度変異部分を解析的に検出すれば、ひび割れ発生箇所を見つけることできると考えられる。 The structural feature of the temperature variation part in this surface temperature distribution is that there are a maximum temperature point and a minimum temperature point with the crack opening as a boundary, and the temperature is high on the side where the crack surface spreads across the opening. It is lower on the other side. Further, the smaller the inclination angle δ, the larger the temperature difference between high and low, and the direction of the gradient of the surface temperature sandwiching the line segment of the crack opening is substantially perpendicular to this line segment. Therefore, it is considered that the crack occurrence location can be found by analytically detecting the characteristic temperature variation portion in the vicinity of such a crack opening.
次に、図4の4分の一モデルが示すような、物体内部に直方体形状の空洞が存在する場合の表面温度分布のうちの温度変異部分の形状的な特徴について考える。4分の一モデルが4個合わさった物体全体の表面のうちの1つを加熱したとき、その加熱面における表面温度分布は、およそ図5のようになる。この表面温度分布のうちの温度変異部分は、空洞中央部の直上に最高温点が存在し、空洞の垂直側面の直上に向かって次第になだらかに低くなるという特徴がある。空洞と物体の加熱面との距離が小さいほど空洞直上の表面温度は高くなる。一方、物体表面から垂直方向に測った空洞の厚さについては、空洞と物体を構成する物質との熱伝導率が大きく異なる場合、例えば、コンクリートでできた構造物の中に空気で満たされた空洞が存在する場合、空洞の厚さが小さくとも十分に断熱層として作用するので、空洞の厚さの相違が表面温度分布に及ぼす影響は小さい。したがって、空洞の厚さが小さい場合に相当する浮き、剥離のような変状についても、空洞モデルで代表させることができる。同様に、前述のひび割れにおけるひび割れ面同士の間隔であるひび割れ幅(又は厚さ)は、表面温度分布のうちの温度変異部分に与える影響が小さい。 Next, the shape characteristics of the temperature variation portion in the surface temperature distribution when a rectangular parallelepiped-shaped cavity exists inside the object as shown by the quarter model of FIG. 4 will be considered. When one of the surfaces of the entire object in which four quarter models are combined is heated, the surface temperature distribution on the heated surface is approximately as shown in FIG. The temperature variation portion of this surface temperature distribution is characterized in that the highest temperature point exists directly above the central part of the cavity and gradually decreases toward directly above the vertical side surface of the cavity. The smaller the distance between the cavity and the heating surface of the object, the higher the surface temperature directly above the cavity. On the other hand, regarding the thickness of the cavity measured in the vertical direction from the surface of the object, when the thermal conductivity between the cavity and the substance constituting the object is significantly different, for example, a structure made of concrete is filled with air. When the cavity is present, even if the thickness of the cavity is small, it acts as a heat insulating layer sufficiently, so that the difference in the thickness of the cavity has a small effect on the surface temperature distribution. Therefore, even deformations such as floating and peeling, which correspond to the case where the thickness of the cavity is small, can be represented by the cavity model. Similarly, the crack width (or thickness), which is the distance between the cracked surfaces in the above-mentioned cracks, has a small effect on the temperature variation portion of the surface temperature distribution.
物体が変状部分を含む場合、例えば、上記のようなひび割れ又は空洞などを含む場合、加熱後の物体の表面温度分布に含まれる温度変異部分を検出するために、例えば、その温度変異部分に類似の形状を有する空間的に局在化した関数からなるフィルタを表面温度分布の特定領域に対して走査させ、表面温度分布の各局所におけるその関数との相関性を求めて、相関性が高い箇所にそのような変状部分が存在する可能性が高いと判断することが考えられる。 When an object contains a deformed portion, for example, a crack or a cavity as described above, in order to detect a temperature variation portion included in the surface temperature distribution of the object after heating, for example, in the temperature variation portion. A filter consisting of spatially localized functions having a similar shape is scanned against a specific region of the surface temperature distribution, and the correlation with the function in each region of the surface temperature distribution is obtained, and the correlation is high. It is conceivable to judge that there is a high possibility that such a deformed part exists in the place.
この走査に用いる具体的な関数として、例えば、2次元ウェーブレット変換のウェーブレットが考えられる。その場合の基本式は、座標軸を横方向x、縦方向yとすると、式1のようになる。 As a specific function used for this scanning, for example, a wavelet of a two-dimensional wavelet transform can be considered. The basic equation in that case is as in
2次元ウェーブレット変換を用いて物体の表面温度分布を走査して、特定の温度変異部分を検出するためには、2次元マザーウェーブレットψ(x,y)にその温度変異部分の特徴を適切に特性化できるような関数を設定する必要がある。そのような関数のうち、例えば、信号の局所的な周期性及び方向性を検出するのに有効とされるガボール関数を用いた2次元ガボールウェーブレットを適用する場合をここで説明する。 In order to scan the surface temperature distribution of an object using the two-dimensional wavelet transform and detect a specific temperature variation part, the two-dimensional mother wavelet ψ (x, y) appropriately characteristics the characteristics of the temperature variation part. It is necessary to set a function that can be transformed. Among such functions, for example, a case where a two-dimensional Gabor wavelet using a Gabor function effective for detecting the local periodicity and directionality of a signal is applied will be described here.
ψ(x,y)を改めて2次元ガボールウェーブレット(以下、ガボールウェーブレットと略す)と定義し直すと、その一般的なもののひとつは、式2のようになる。これはy方向に振動する複素振動ei(2πfy+φ)に2次元のガウス窓をかけることによって生成されている。2次元のガウス窓をかけることにより、複素振動ei(2πfy+φ)はガウス窓の原点の周りに局在するようになっている。When ψ (x, y) is redefined as a two-dimensional Gabor wavelet (hereinafter abbreviated as Gabor wavelet), one of the general ones is as shown in
このようなガボールウェーブレットを用いることによって、温度分布t(x,y)のガボールウェーブレット変換Ψ(x,y)は式3で与えられる。
By using such a Gabor wavelet, the Gabor wavelet transform Ψ (x, y) of the temperature distribution t (x, y) is given by
しかし、式2のウェーブレットはy方向にのみ振動する関数であるので、任意の方向に進む変化の検出に対応するためには、原点の周りに回転させる必要がある。そこで、ψ(x,y)を原点の反時計回りに角度θrだけ回転させたψr(x,y,θr)を式5、6及7で定義する。However, since the wavelet of
θroに対応するガボールウェーブレット展開級数の絶対値を大きい順に並べて、例えば、上位p%(展開係数残存比率)の展開係数のみ残して他を0にする操作を行った後に逆変換して戻すと、複素振動ei(2πfy+φ)と相似の変状部分に特有の温度変異部分が強調された状態で含まれる表面温度分布が得られる。展開係数の選択の方法は、これに限定されない。Arranging the absolute values of the Gabor wavelet expansion series corresponding to θ ro in descending order, for example, if only the expansion coefficient of the upper p% (expansion coefficient residual ratio) is left and the others are set to 0, then the inverse transform is performed and returned. , A surface temperature distribution is obtained in which the temperature variation portion peculiar to the deformed portion similar to the complex vibration e i (2πfy + φ) is emphasized. The method of selecting the expansion coefficient is not limited to this.
次に、ひび割れに特有の温度変異部分を検出するために好適な複素振動ei(2πfy+φ)がどのようなものであるかについて検討する。図3に示した温度変異部分の1つの特徴は、前述のように、ひび割れ開口部に原点におくと、原点を境界として温度の正負が逆転することである。これは、原点を境界として値の正負が逆転する正弦関数の特徴と類似している。また、図3に示すように、温度変異部分の全体的な温度分布は、この正弦関数類似のパターンがピークにおける温度を若干変化させながらひび割れ開口部に沿ってほぼ一様な形で一方向に積層するようにして構成されている。従って、このような温度変異部分の検出に適した複素振動ei(2πfy+φ)は、例えば、実部のみにsin(2πfy)なる正弦関数及びそれに類似する関数を有するものが適していると思われる。以上の特性を有するガボールウェーブレットψr(x,y,θr)に基づくガボールウェーブレット変換Ψの値は、温度分布t(x,y)における大きさσx、σyの周辺領域についての、角度θr方向に進行する周波数fの正弦関数及びそれに類似する関数に相関した値になる。Next, it is examined what kind of complex vibration ei (2πfy + φ) suitable for detecting the temperature variation portion peculiar to the crack. One of the features of the temperature variation portion shown in FIG. 3 is that, as described above, when the origin is placed at the crack opening, the positive and negative of the temperature are reversed with the origin as the boundary. This is similar to the characteristics of trigonometric functions in which the positive and negative values are reversed with the origin as the boundary. Further, as shown in FIG. 3, the overall temperature distribution of the temperature variation portion is unidirectional in a substantially uniform shape along the crack opening while this sinusoidal-like pattern slightly changes the temperature at the peak. It is configured to be laminated. Therefore, as the complex vibration e i (2πfy + φ) suitable for detecting such a temperature variation portion, for example, one having a sinus function of sin (2πfy) and a function similar thereto seems to be suitable only in the real part. .. The value of the Gabor wavelet transform Ψ based on the Gabor wavelet ψ r (x, y, θ r ) having the above characteristics is the angle with respect to the peripheral region of the magnitudes σ x and σ y in the temperature distribution t (x, y). The value correlates with the trigonometric function of the frequency f traveling in the θr direction and a function similar thereto.
更に、空洞の直上部分の表面温度分布に含まれる特徴的な温度変異部分を検出するために好適な複素振動ei(2πfy+φ)について検討する。図4に示したような直方体形状の空洞が内在する箇所の表面温度分布に含まれる温度変異部分は、前述のように、空洞中央部の直上に最高温点が存在し、空洞の垂直側面の直上に向かって次第になだらかに低くなるという特徴がある。この温度変異部分は、空洞中央部に原点をおくと、原点に値の頂点があり、原点を離れるに従って値がなだらかに低下する余弦関数の特徴と類似する。従って、このような温度変異部分の検出に適した複素振動ei(2πfy+φ)は、例えば、実部のみにcos(2πfy)なる余弦関数及びそれに類似する関数を有するものが適していると思われる。Furthermore, a complex vibration ei (2πfy + φ) suitable for detecting a characteristic temperature variation portion included in the surface temperature distribution of the portion directly above the cavity will be examined. As described above, the temperature variation portion included in the surface temperature distribution of the portion where the rectangular parallelepiped-shaped cavity is contained as shown in FIG. 4 has the highest temperature point directly above the central portion of the cavity, and is located on the vertical side surface of the cavity. It is characterized by a gradual decrease toward the top. This temperature variation portion is similar to the characteristic of the cosine function, in which the value has an apex at the origin when the origin is placed in the center of the cavity, and the value gradually decreases as the origin moves away from the origin. Therefore, as the complex vibration e i (2πfy + φ) suitable for detecting such a temperature variation portion, for example, one having a cosine function of cos (2πfy) and a function similar thereto only in the real part seems to be suitable. ..
更に、温度変異部分の存在の検出精度を向上させ、変状部分の空間的特性をより詳細に特定する方法としては、例えば、いわゆるパターン認識又は機械学習の手法を採用することができる。すなわち、事前に、様々な変状部分を有する物体モデルについて、物体の熱特性条件、周辺環境条件、境界条件、加熱条件などを考慮した数値実験又は試験体実験を行って、変状部分に起因して生じる物体の表面温度分布の中の温度変異部分の特性を教師データとして得ておく。次に、変状部分を有する物体の表面温度分布の測定データと教師データとを照合して、教師データとの相関性が高い温度変異部分が存在する箇所を検出する。最終的に、その箇所には、教師データを生じさせた物体モデルの変状部分と相関性が高い変状部分が存在する可能性が高いと判断する。 Further, as a method of improving the detection accuracy of the presence of the temperature variation portion and specifying the spatial characteristics of the deformed portion in more detail, for example, a so-called pattern recognition or machine learning method can be adopted. That is, in advance, for an object model having various deformed parts, a numerical experiment or a test piece experiment considering the thermal characteristic conditions, ambient environmental conditions, boundary conditions, heating conditions, etc. of the object is performed, and the cause is caused by the deformed parts. The characteristics of the temperature variation part in the surface temperature distribution of the object generated by the above are obtained as training data. Next, the measurement data of the surface temperature distribution of the object having the deformed portion is collated with the teacher data, and the portion where the temperature variation portion having a high correlation with the teacher data exists is detected. Finally, it is determined that there is a high possibility that there is a deformed part that has a high correlation with the deformed part of the object model that generated the teacher data.
変状部分の空間的特性としては、ひび割れについては、ひび割れの開口部長さ、幅、傾斜角、先端部の物体表面からの深さなどが含まれ、空洞については、物体表面側から見た平面的な形状及び面積、上面及び下面の物体表面からの深さなどが含まれる。ただし、これらに限定されるものではない。 The spatial characteristics of the deformed part include the opening length, width, inclination angle, depth of the tip of the crack from the object surface, etc. for the crack, and the plane seen from the object surface side for the cavity. Shape and area, depth from the surface of the object on the upper and lower surfaces, and the like. However, it is not limited to these.
ところで、前述のように、現実の物体の表面温度分布にはノイズが存在しているので、ノイズの影響を受けて表面温度分布が乱される。工学的に一般に用いられる方法として、変状部分を有する物体の表面温度分布の標準偏差をσとして、図2Bに示す数値実験用ひび割れモデルについての表面温度分布に標準偏差σwが2σのガウス性白色ノイズを付加した表面温度分布を図6に示す。ノイズは、変状部分に特徴的な温度変異部分の形状をも乱すので、表面温度分布の中から温度変異部分を検出することを困難にする大きな要因となる。By the way, as described above, since noise exists in the surface temperature distribution of an actual object, the surface temperature distribution is disturbed by the influence of the noise. As a method generally used in engineering, the standard deviation of the surface temperature distribution of an object having a deformed portion is σ, and the standard deviation σ w is 2σ in the surface temperature distribution of the crack model for numerical experiments shown in FIG. 2B. The surface temperature distribution with white noise added is shown in FIG. Since noise also disturbs the shape of the temperature variation portion characteristic of the deformed portion, it becomes a major factor that makes it difficult to detect the temperature variation portion from the surface temperature distribution.
以上の方法において、前出の特開2006−250892号に記載のノイズ除去法を表面温度分布に適用してノイズを低減させた表面温度分布に対して、上記の変状部分検出方法を適用する方が検出精度は向上する。 In the above method, the above-mentioned deformed portion detection method is applied to the surface temperature distribution in which the noise is reduced by applying the noise removal method described in JP-A-2006-250892 to the surface temperature distribution. The detection accuracy is improved.
なお、本発明においては、変状部分の存在に起因する特徴的な温度変異部分の形状を正弦関数又は余弦関数並びにそれらに類似した関数を用いて表現する場合について説明したが、特徴的な温度変異部分の形状を数値で評価することにより、例えば、3次元曲率などによって類似された関数との相関性から変状部分の存在を検出し、変状部分の空間的特性の詳細を推定し、更には変状の種類を分類することも考えられる。 In the present invention, the case where the shape of the characteristic temperature variation portion due to the existence of the deformed portion is expressed by using the trigonometric function or the cosine function and a function similar thereto has been described, but the characteristic temperature. By evaluating the shape of the deformed part numerically, for example, the existence of the deformed part is detected from the correlation with a function similar to the three-dimensional curvature, and the details of the spatial characteristics of the deformed part are estimated. Furthermore, it is conceivable to classify the types of deformation.
本発明によれば、構造物の表面乃至内部に存在する構造的な欠陥部分を人間の経験と感に頼らずに自動的に検出することができる。しかも、物体の表面温度分布から構造物内部の欠陥部分を検出するから、橋脚、道路、トンネル等の非破壊検査装置として極めて有用性が高い。 According to the present invention, structural defects existing on the surface or inside of a structure can be automatically detected without relying on human experience and feeling. Moreover, since it detects defective parts inside the structure from the surface temperature distribution of the object, it is extremely useful as a non-destructive inspection device for bridge piers, roads, tunnels, and the like.
以下、図17の構成ブロック図に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図17において、物体内変状部分検出装置1は、構造物の外表面を撮像してその表面温度を画像データとして出力する赤外線カメラ2と、入力した画像データに基づいて後述の演算処理を実行するコンピュータ3と、そのコンピュータ3の処理結果を表示する表示手段4とを備える。また、コンピュータ3と接続された記憶手段5には、入力された画像データを二次元の画像データとして記憶しておくエリアと、前述のフィルタや教師データが記憶されている。なお、入力手段6からは、使用するフィルタの指定や、その他の各種データが入力される。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the block diagram of FIG.
In FIG. 17, the in-object deformation
コンピュータ3には、前述の解決原理を実行するプログラムが記憶されており、それを実行することにより、入力した画像データから表面温度分布の形状を数値で評価し、その評価結果に基づいて前記表面温度分布のうちの変状部分に起因する温度変異部分を検出する。より具体的には、二次元に展開された画像データの特定領域毎にフィルタを用いて表面温度分布のうちの変状部分に起因する温度変異部分を検出する検出手段31としての機能を実現する。ここで使用するフィルタは、特定領域の画像データを前述の数式1〜7に入力して演算処理するものである。さらに、変状部分を表面乃至内部に有する物体モデルについての表面温度分布に関する教師データの表面温度分布と前記物体の表面温度分布とを比較して、両者の相関性を評価する評価手段32や、評価した相関性が大きい教師データから変状部分を推定する推定手段33としての機能も実現する。 The
このコンピュータ3を使用して、表面温度分布の中に含まれる、変状部分の存在に起因する特徴的な温度変異部分を検出するかどうかを検証した。
最初に、図2Bに示す数値実験用ひび割れモデルのひび割れの傾斜角δが45°の場合の表面温度分布を対象にした検証結果を示す。図2Bに示すノイズを含まないときの表面温度分布及び図6に示すノイズを含むときの表面温度分布について、それぞれの表面温度分布を等温線で表示したものが図7A及び7Bである。図7Aに示すノイズを含まない場合は、等温線が、中央にある直線のひび割れ開口部の位置の両側にほぼ円弧状に規則正しく描かれている。一方、図7Bが示すノイズを含む場合は、その規則的な等温線が乱されてノイズの中に埋没し、ひび割れの存在を明確に視認することが困難になっている。実際に、ひび割れが生じた物体の表面温度分布から描かれた赤外線画像は、図7Bのものに近く、ひび割れの存在を視認することは容易ではない。Using this
First, the verification results for the surface temperature distribution when the crack inclination angle δ of the crack model for numerical experiments shown in FIG. 2B is 45 ° are shown. Regarding the surface temperature distribution when the noise shown in FIG. 2B is not included and the surface temperature distribution when the noise shown in FIG. 6 is included, the respective surface temperature distributions are shown by isotherms in FIGS. 7A and 7B. When the noise shown in FIG. 7A is not included, the isotherms are regularly drawn in a substantially arc shape on both sides of the position of the straight crack opening in the center. On the other hand, when the noise shown in FIG. 7B is included, the regular isotherms are disturbed and buried in the noise, making it difficult to clearly see the presence of cracks. In fact, the infrared image drawn from the surface temperature distribution of the cracked object is close to that of FIG. 7B, and it is not easy to visually recognize the existence of the crack.
図8A及び8Bは、図7A及び7Bに示す表面温度分布について、ひび割れに特有の温度変異部の検出のために、正弦関数を含む2次元ガボールウェーブレットをベースにした関数による検出処理を施した結果を示す。ノイズの有無に関係なく、ひび割れ開口部付近に特徴的な温度変異部分の存在位置が細長い長方形によって明確に示されている。 8A and 8B show the results of performing detection processing on the surface temperature distributions shown in FIGS. 7A and 7B by a function based on a two-dimensional Gabor wavelet including a sine function in order to detect a temperature variation peculiar to a crack. Is shown. The location of the characteristic temperature variation near the cracked opening, with or without noise, is clearly indicated by the elongated rectangle.
次に、図2A〜Cに示すような傾斜角δが30°、45°及び60°のひび割れが、1つの面に混在する場合の表面温度分布を対象にした場合についての検証結果を示す。図9は、図7Bに示すノイズを含む場合であって、画像全体の範囲を4等分したうちの右下の範囲の中央付近にδ=30°、左上の範囲にδ=45°、左下の範囲にδ=60°のひび割れが存在し、右上の範囲にはひび割れが存在していない場合の画像を示す。図10A、B、及びCは、正弦関数を含む2次元ガボールウェーブレットをベースにした関数による検出処理を施した結果であって、それぞれ前述の展開係数残存比率pを3%、1%及び0.5%と変化させた場合を示す。p=3%の場合は、傾斜角の大きさに関係なく、ひび割れに特徴的な温度変異部分の存在位置が明確に示されている。更に、展開係数残存比率pを小さくするほど、傾斜角が小さいひび割れのみを検出できるようになることがわかる。 Next, the verification results for the case where the surface temperature distribution when cracks having inclination angles δ of 30 °, 45 °, and 60 ° as shown in FIGS. 2A to 2C are mixed on one surface are shown. FIG. 9 shows the case where the noise shown in FIG. 7B is included, and δ = 30 ° near the center of the lower right range, δ = 45 ° in the upper left range, and lower left in the range of the entire image divided into four equal parts. An image is shown in the case where there is a crack of δ = 60 ° in the range of and no crack is present in the upper right range. 10A, B, and C are the results of detection processing by a function based on a two-dimensional Gabor wavelet including a sine function, and the above-mentioned expansion coefficient residual ratios p are 3%, 1%, and 0, respectively. The case where it was changed to 5% is shown. When p = 3%, the location of the temperature variation characteristic of cracks is clearly shown regardless of the size of the tilt angle. Further, it can be seen that as the expansion coefficient residual ratio p is reduced, only cracks having a small inclination angle can be detected.
次に、ひび割れ試験体実験によって測定した表面温度分布についての検証結果を示す。試験体は、図11に示すような大きさが450×600×200mmのコンクリート製のものであって、表面となす角度が30°及び60°であるように厚さ1mm(幅250mm、長さ200mm及び150mm)のひび割れを模擬するアクリル板を挿入したものである。図12は模擬ひび割れを設けた面を真上にして快晴の日の日中に日射により加熱したときの加熱後のその面における表面温度分布の画像である。 Next, the verification results of the surface temperature distribution measured by the crack test piece experiment are shown. The test piece is made of concrete having a size of 450 × 600 × 200 mm as shown in FIG. 11, and has a thickness of 1 mm (
図12に示す画像に対して、正弦関数を含む2次元ガボールウェーブレットをベースにした関数による検出処理を施した。展開係数残存比率pを100%として検出処理を行なった結果を図13Aに示す。この場合、シミ状の微小な温度変化の影響が多く残るため、ひび割れ開口部近傍の温度変化がそれらに隠れて明瞭に現れていない。そこで、展開係数残存比率pを10%にすると図13Bに示す結果が得られる。微小な温度変化の影響がほとんど除去され、特に傾斜角δ=30°のひび割れの開口部の存在が明瞭に検出できている。 The image shown in FIG. 12 was subjected to detection processing by a function based on a two-dimensional Gabor wavelet including a sine function. FIG. 13A shows the result of the detection process with the expansion coefficient residual ratio p as 100%. In this case, since the influence of minute stain-like temperature changes remains, the temperature changes in the vicinity of the cracked openings are hidden behind them and do not appear clearly. Therefore, when the expansion coefficient residual ratio p is set to 10%, the result shown in FIG. 13B can be obtained. The influence of minute temperature changes is almost eliminated, and the presence of crack openings with an inclination angle of δ = 30 ° can be clearly detected.
傾斜角δ=60°のひび割れ開口部の存在を明瞭にするには、傾斜角δ=30°のひび割れの開口部の温度変異部分を除去するか、又はガボールウェーブレットの周波数fを変化させて走査することが有効である。
ここで、前述のウェーブレット変換を利用したノイズ除去法を表面温度分布の前処理として用いる効果を検証する。本ノイズ除去法は、直交ウェーブレットによる多重解像度解析を利用したウェーブレット縮退によるものである。このノイズ除去を行なった後に、展開係数残存比率pを10%とした検出処理を行なった結果を図14に示す。図13Bにおいて残っていた微小なノイズの影響が完全に除去されており、ひび割れに関係する等温線のみが描かれている。この場合も、傾斜角δ=30°のひび割れの開口部の温度変異部分を除去するか、又はガボールウェーブレットの周波数fを変化させて走査すれば、傾斜角δ=60°のひび割れ開口部を更に強調することができる。To clarify the existence of a crack opening with an inclination angle of δ = 60 °, either remove the temperature variation part of the crack opening with an inclination angle of δ = 30 °, or scan by changing the frequency f of the Gabor wavelet. It is effective to do.
Here, the effect of using the above-mentioned noise removal method using the wavelet transform as a pretreatment for the surface temperature distribution will be verified. This noise removal method is based on wavelet degeneracy using multiple resolution analysis using orthogonal wavelets. FIG. 14 shows the result of performing the detection process with the expansion coefficient residual ratio p set to 10% after performing this noise removal. The influence of the minute noise remaining in FIG. 13B has been completely removed, and only the isotherms related to cracks are drawn. In this case as well, if the temperature variation portion of the crack opening with an inclination angle δ = 30 ° is removed or the frequency f of the Gabor wavelet is changed and scanned, the crack opening with an inclination angle δ = 60 ° can be further increased. Can be emphasized.
次に、図4に示す数値実験用空洞モデルの表面温度分布を対象にした検証結果を示す。空洞の存在に起因する特徴的な温度変異部分を、余弦関数を含む2次元ガボールウェーブレットをベースにした関数によって検出できることを検討した。図15は、空洞モデルの表面温度分布がノイズを含む場合の画像を示し、画像の中央部付近の直下の位置に空洞が存在している。この場合、ノイズのために、画像からは空洞の存在が明確に視認できなくなっている。図16は、展開級数残存比率p=5%の場合についての検出結果を示す。図16において、空洞に特徴的な温度変異部分の存在位置が検出されて、ほぼ楕円形状の線で囲まれた領域として表示されている。 Next, the verification results for the surface temperature distribution of the cavity model for numerical experiments shown in FIG. 4 are shown. It was investigated that the characteristic temperature variation due to the existence of the cavity can be detected by a function based on the two-dimensional Gabor wavelet including the cosine function. FIG. 15 shows an image when the surface temperature distribution of the cavity model includes noise, and the cavity exists at a position directly below the central portion of the image. In this case, the presence of cavities is not clearly visible in the image due to noise. FIG. 16 shows the detection results in the case where the residual development series ratio p = 5%. In FIG. 16, the existence position of the temperature variation portion characteristic of the cavity is detected and displayed as a region surrounded by a substantially elliptical line.
1 物体内変状部分検出装置
2 赤外線カメラ
3 コンピュータ
4 表示手段
5 記憶手段
31 検出手段
32 評価手段
33 推定手段
51 ひび割れ開口部
52 ひび割れ面
53 コンクリート表面
54 ひび割れ面
55 ひび割れ開口部
56 アクリル板1 In-object deformation
Claims (4)
前記表面温度分布を2次元データとしてコンピュータのメモリに展開する手段と、A means for expanding the surface temperature distribution as two-dimensional data in a computer memory,
前記展開された2次元データの特定領域毎の前記表面温度分布にフィルタを作用させて前記変状部分に起因する温度変異部分を検出する検出手段であって、前記フィルタの作用は、2次元ガボールウェーブレットを用いて前記表面温度分布をウェーブレット変換して展開級数を求め、前記展開級数のうちの一部分のみを残してそれ以外を除去し、除去後に残った前記展開級数をウェーブレット逆変換して前記特定領域毎の前記表面温度分布を再構成する、検出手段と、It is a detection means for detecting a temperature variation portion caused by the deformed portion by acting a filter on the surface temperature distribution for each specific region of the developed two-dimensional data, and the action of the filter is a two-dimensional Gabor. Using a wavelet, the surface temperature distribution is wavelet-transformed to obtain an expansion series, only a part of the expansion series is left and the rest is removed, and the expansion series remaining after removal is wavelet-reverse-transformed to specify the above. A detection means that reconstructs the surface temperature distribution for each region,
前記再構成された前記特定領域毎の前記表面温度分布を画面に表示する表示手段と、A display means for displaying the reconstructed surface temperature distribution for each specific region on the screen, and
を備え、With
前記変状部分がひび割れである場合、前記2次元ガボールウェーブレットは、正弦関数を含み、前記変状部分が空洞、浮き又は剥離である場合、前記2次元ガボールウェーブレットは、余弦関数を含む、物体内変状部分検出装置。If the deformed portion is cracked, the two-dimensional Gabor wavelet contains a sine function, and if the deformed portion is hollow, floating or peeled, the two-dimensional Gabor wavelet contains a cosine function. Deformation part detection device.
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