JP7508034B2

JP7508034B2 - 変位測定システム

Info

Publication number: JP7508034B2
Application number: JP2020111726A
Authority: JP
Inventors: 哲也樋口
Original assignee: JAPAN INFRASTRUCTURE MEASUREMENT INC.
Current assignee: JAPAN INFRASTRUCTURE MEASUREMENT INC.
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2024-07-01
Anticipated expiration: 2040-06-29
Also published as: JP2022010929A

Description

本発明は、構造物の時間的な変位を光学的に測定する技術に関する。

従来、インフラ構造物、例えば、道路橋、鉄道橋、歩道橋等の橋梁、鉄道線路、建築物等の維持管理は、目視、打音検査等で異常発生箇所を発見するという点検員による膨大な労力によって行われていた。インフラ構造物の大半が高齢化が進み、効率的に点検を行う手法の開発が鋭意進められている。

橋梁等に格子または縞模様パターンを有するマーカを設置し、カメラによってマーカを撮像した画像をサンプリングモアレ法により処理して、マーカの時間経過後の変位を測定することによって橋梁等の異常を検知する技術が知られている（例えば、特許文献１または２参照。）。

特開２０１７－１４２１８５号公報特開２０１５－１４１１５１号公報

変位の測定対象が建物等により、時刻帯によっては日向になることもあり、日陰になることがある。特許文献１または２のマーカでは、一つのマーカの一部が日陰になった場合、マーカの模様のコントラストが日向部分と日陰部分で異なり、そのマーカは変位していないにも拘わらず、測定した変位の変動量が増大するおそれがある。

本発明の目的は、上述した問題を解決するもので、測定対象の変位の変動量を抑制可能な変位測定システムを提供することである。

本発明の変位測定システムによれば、２次元平面に形成され、所定の方向に所定のピッチを有する第１の領域と第２の領域とからなる繰り返し構造を備え、前記第２の領域が再帰性反射材を含み、基板面上のｘ方向及びｙ方向に沿って所定のピッチで形成された模様が形成された複数のマーカと、
前記複数のマーカに赤外線を含む光を照射する光源と、
前記複数のマーカからの反射光を同時に撮像して赤外線透過フィルタを有し、前記反射光が該赤外線透過フィルタを透過した前記複数のマーカの画像を取得する撮像手段と、
前記撮像手段により取得した前記複数のマーカの画像の繰り返し模様に基づいて、サンプリングモアレ法に基づく演算により、前記複数のマーカのうち基準点として配置された基準マーカに対する測定マーカの時間的な変位量を求める変位測定手段とを備えることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る変位測定システムの概略構成図である。本発明の一実施形態に係るマーカの模式図である。本発明の一実施形態に係る変位測定装置の概略構成図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る変位測定システムの概略構成図である。図１を参照するに、変位測定システム１０は、鉄道線路１１の側部に配置された測定マーカ１２と、基準点の基準マーカ１３と、測定マーカ１２および基準マーカ１３に光を照射する光源１４と、測定マーカ１２および基準マーカ１３を撮像するカメラ１５と、光源１４およびカメラ１５に接続された変位測定装置１６とを備える。

変位測定システム１０は、測定マーカ１２および基準マーカ１３に、光源１４により光を照射し、カメラ１５によって測定マーカ１２および基準マーカ１３を撮像して画像データを取得する。変位測定装置１６は時間が異なる画像データをカメラ１５から受信して、画像データから測定マーカ１２および基準マーカ１３の画像データを抽出し、サンプリングモアレ法を用いて、基準マーカ１３に対する測定マーカ１２の時間的な変位を測定する。

測定マーカ１２は、２本の鉄道線路１１に、その長手方向に複数配置される。基準マーカ１３は、鉄道線路１１から離隔して配置される。測定マーカ１２および基準マーカ１３は、模様が、例えば鉛直方向および水平方向に規則的に繰り返すように配置される。

光源１４は、複数（図１では４つ）の測定マーカ１２と基準マーカ１３に光を照射する。カメラ１５は、複数の測定マーカ１２および基準マーカ１３が一つの画像に撮像されるように設定される。カメラ１５は、光源１４から測定マーカ１２および基準マーカ１３に照射され反射された光を受光しやすいように、光源１４に隣接して配置することが好ましい。光源１４からの入射光の測定マーカ１２および基準マーカ１３への入射角は、０度～３０度の範囲に設定されることが好ましい。ここで、入射角は、測定マーカ１２および基準マーカ１３の主面の法線方向に対する角度である。後述するように、測定マーカ１２および基準マーカ１３は、後述する高反射領域に再帰性反射材を含んでいるので、カメラ１５は、光源１４に近接して配置することが、光源１４方向の反射光の光度が大きくなる点で特に好ましい。

光源１４が赤外線を含む光を照射する場合は、カメラ１５は、赤外線透過フィルタを用いることが、他の波長帯の光により測定マーカ１２と基準マーカ１３の模様のコントラストが低下することを抑制する点で好ましい。カメラ１５は、赤外線だけを受光する赤外線カメラでもよく、赤外線透過フィルタを用いる場合と同じ効果が得られる。

図２は、本発明の一実施形態に係るマーカの模式図である。図２を図１と合わせて参照するに、測定マーカ１２および基準マーカ１３は、基板面上の２つの方向に沿って所定のピッチで形成された模様が形成される。例えば、測定マーカ１２および基準マーカ１３は、ｘ方向および、ｘ方向に垂直なｙ方向に所定のピッチｐ_x、ｐ_yで、２つの光学特性の異なる領域、すなわち、低反射領域１８および高反射領域１９からなる模様が繰り返し形成される。なお、以下、測定マーカ１２および基準マーカ１３は同じ模様を有しているので、説明の便宜のため、特に断らない限り測定マーカ１２について説明する。

測定マーカ１２の低反射領域１８は、光源１４から照射される光の波長帯の再帰反射係数が高反射領域１９よりも低い領域である。再帰反射係数Ｒ’は、高反射領域１９および低反射領域１８の各々（面積Ｓ）を、入射光の方向に垂直に置いて受ける照度Ｅn、観測方向への光度Ｉとした場合、Ｒ’＝Ｉ／（Ｅn×Ｓ）で表され、例えば、日本産業規格ＪＩＳＺ８７１３－１９９５の規定による。

低反射領域１８は、ｘ方向およびｙ方向のサイズＬ_x、Ｌ_yが、各々所定のピッチｐ_x、ｐ_yよりも小さく、つまり、Ｌ_x＜ｐ_x、Ｌ_y＜ｐ_yに設定される。サイズＬ_x、Ｌ_yは各々ｐ_x／２、ｐ_y／２であることが変位測定精度が向上する点で好まく、さらにｐ_x＝ｐ_y（＝ｐ）であることが好ましい。すなわち、ｘ方向およびｙ方向において、低反射領域１８と高反射領域１９との長さが等しくなるように低反射領域１８が配置されることが、変位測定精度が向上する点で好ましい。

測定マーカ１２の高反射領域１９は、再帰性反射材を含む領域である。再帰性反射材は、例えば、金属膜の反射層上に微小透明球を多数配列した構造を有する。再帰性反射材は、光源１４から入射した光を微小透明球が透過し、反射層で反射した光が再び微小透明球を透過して光源１４に向かって伝搬する。再帰性反射材は、その他公知の材料を使用することができる。再帰性反射材は、例えば、広仁社の商品名レフピカを用いることができる。高反射領域１９は、再帰性反射材を含むことで低反射領域１８よりも所定の波長帯の反射率が高い。再帰性反射材は、再帰性反射フィルムの形態でもよく、再帰性反射層、例えば塗膜の形態でもよい。

高反射領域１９は、赤外線の波長帯の再帰反射係数Ｒ’が高いことが、変位測定精度が低下しない点で好ましい。日中、マーカの一部が日陰になった場合に、従来のマーカでは、日陰になった部分と日向の部分とで模様のコントラストが異なり、変位測定精度が低下することがある。測定マーカ１３の高反射領域１９が赤外線の波長帯の再帰反射係数Ｒ’が高いと、日陰の部分と日向の部分との模様のコントラスの差を低減でき、変位測定精度の低下を抑制できる。一方、低反射領域１８は、高反射領域１９よりも赤外線の波長帯の再帰反射係数Ｒ’が低い領域であり、再帰性反射材を含まない方が高反射領域１９とのコントラストを大きくできる点で好ましい。

さらに、高反射領域１９は、再帰性反射材を含む領域であるので、光源１４から赤外線が照射される場合は、光源１４の方向、すなわち、光源１４に隣接するカメラ１５の方向に反射する。これにより、測定マーカ１２の一部が日陰になった場合でもその影響を低減できる。

低反射領域１８および高反射領域１９は、表面に着色層が形成されていてもよい。着色層は、低反射領域１８および高反射領域１９において、黒色であることが、測定マーカ１２の一部が日陰になった場合、日向の部分と日陰の部分における低反射領域１８および高反射領域１９からの反射光の変位の測定への影響をより低減することができる点で好ましい。着色層は、黒色の他、有彩色、例えば濃紺でもよい。着色層の表面に透明のラミネート層を形成してもよい。

測定マーカ１２は、着色層の表面に親水性の透明のラミネート層を形成することが好ましい。測定マーカ１２の表面に降雨、結露等で水滴が形成されることを抑制して、反射光に水滴によるノイズが重畳することを抑制できる。測定マーカ１２の表面が親水性であればよく、親水性処理、例えば、酸素プラズマによる表面処理がされていてもよい。日本産業規格Ｒ３２５７－１９９９「基板ガラス表面のぬれ性試験方法」に規定する試験方法により測定した接触角θが小さい程好ましいが、２０度以下であることが好ましい。

低反射領域１８および高反射領域１９は、ＣＩＥ１９７６のＬ^*ａ^*ｂ^*表色系の場合、明度Ｌ^*が０～５０であることが好ましく、０～１０であることが特に好ましい。測定マーカ１２の一部が日陰になった場合、日向の部分と日陰の部分における低反射領域１８および高反射領域１９からの反射光の変位の測定への影響をより低減することができる点で好ましい。なお、明度Ｌ^*の測定は、例えばＸ－Ｒｉｔｅ社製モデル９３９反射分光濃度計を用いることができる。

高反射領域１９は、図２に示すように、格子状模様に形成することができる。測定マーカ１２は、高反射領域１９の部分以外の部分に低反射領域１８が形成される。

代替例としては、図示は省略するが、低反射領域１８が格子状模様に形成することができ、低反射領域１８の部分以外の部分に高反射領域１９が形成される。

図１に戻り、変位測定装置１６は、測定箇所にある光源１４およびカメラ１５と、無線または有線により接続されていてもよく、ネットワークを介して接続されていてもよく、クラウドにカメラによって撮像された画像データおよび画像データの測定箇所および日時等の補助情報を蓄積し、必要に応じてダウロードして変位測定装置により測定対象の変位を取得するようにしてもよい。光源１４およびカメラ１５は、光源１４の光照射およびカメラの撮像のタイミングを変位測定装置１６の制御信号により制御するようにしてもよく、タイマー等で定期的に制御するようにしてもよい。

変位測定装置１６は、コンピュータのハードウェアと、そのハードウェア上で実行可能なソフトウェアにより構成することができる。コンピュータは、クラウド上のコンピュータでもよく、ネットワークで接続されたコンピュータでもよい。測定結果は、ネットワークを介して、スマートフォンやパソコンに提供されるようにしてもよい。

図３は、本発明の一実施形態に係る変位測定装置の概略機能構成図である。図３を参照するに、変位測定装置１６は、画像処理部２０、位相算出部２１、位相格納部２２、変位量算出部２３、変位量補正部２４および表示部２５を有する。変位測定装置１６は、図１に示した測定マーカ１２₁～１２₄と基準マーカ１３が撮像されている画像データを受信し、基準マーカ１３に対する測定マーカ１２₁～１２₄の各々の経時的な変位、例えば少なくとも２つの異なる時点（時点Ｔ₁、時点Ｔ₂とし、Ｔ₁＜Ｔ₂と仮定する。）での変位をサンプリングモアレ法により演算により取得する。サンプリングモアレ法は、例えば、特許文献１に記載された手法を用いることができる。

画像処理部２０は、画像データに含まれる測定マーカ１２₁～１２₄および基準マーカ１３の画像を抽出する。画像データは所定の解像度を有する。さらに、抽出した測定マーカ１２₁～１２₄および基準マーカ１３の画像の各々に対して、それらを構成する画素を所定の間引き間隔で間引く処理を行って間引き画像を生成する。

位相算出部２１は、画像処理部２０により生成された測定マーカ１２₁～１２₄および基準マーカ１３の画像の各々についての間引き画像を補間することで所定の解像度のモアレ画像の位相を算出する。

位相格納部２２は、位相算出部２１により算出されたモアレ画像の位相を測定マーカ１２₁～１２₄および基準マーカ１３の位置を示すインデックスおよび時点Ｔ₁、Ｔ₂等の補助情報と共に格納する。

変位量算出部２３は、時点Ｔ₁に対する時点Ｔ₂における位相の位相差に基づいて、測定マーカ１２₁～１２₄および基準マーカ１３の各々の画素数を単位とした変位量を算出する。

ピッチ算出部は、測定マーカ１２₁～１２₄および基準マーカ１３の各々の画像データ上の模様のピッチを画素数を単位として算出する。図１に示したように、カメラ１５と測定マーカ１２₁～１２₄および基準マーカ１３の各々との距離が異なるため、これらのマーカの模様のもともとのピッチは同じであっても、画像データ上のピッチが異なる。ピッチ算出部は、モアレ画像の位相勾配と画像処理部で用いた間引き間隔に基づいて測定マーカ１２₁～１２₄および基準マーカ１３の各々の画像データ上のピッチを算出する。

変位量補正部２４は、変位量算出部２３で算出した測定マーカ１２₁～１２₄および基準マーカ１３の各々の変位量をピッチ算出部で算出したピッチで補正して基準マーカ１３に対する測定マーカ１２₁～１２₄の実際の変位量を求める。

表示部２５は、測定マーカ１２₁～１２₄の実際の変位量を例えば表示装置に出力する。

本実施形態によれば、測定マーカ１２および基準マーカ１３が低反射領域１８と高反射領域１９とからなる繰り返し構造を有し、高反射領域１９が再帰性反射材を含んでおり、測定マーカ１２または基準マーカ１３の一部が日陰になった場合でも、低反射領域１８と高反射領域１９とのコントラストが日向部分と日陰部分との差を低減することができるので、サンプリングモアレ法による測定される変位の変動量を抑制できる。変位測定システム１０は光源１４から測定マーカ１２および基準マーカ１３に赤外線を含む光を照射し再帰性反射材を含む高反射領域１９から反射された光を受光するので、マーカの一部が日陰になっても、日向部分と日陰部分とで、低反射領域１８と高反射領域１９とのコントラストの差を抑制することができるので、サンプリングモアレ法を用いて測定した変位の変動量を抑制できる。

上記の実施形態では鉄道線路に測定マーカ１２₁～１２₄を設置した例を示したが、時間的な変位を測定する目的において適用する範囲に制限はない。例えば、測定マーカ１２を橋梁の橋脚に設置し、基準マーカ１３を橋脚以外の箇所、例えば橋桁の両端の橋台に設置して橋脚の変位を測定してもよく、測定マーカ１２を橋桁に設置し、基準マーカ１３を橋台または橋脚に設置して橋桁の変位を測定してもよい。

上記の実施形態では、再帰性反射材として微小透明球を使用したが本発明はこれに限らず、例えばマイクロプリズムを使用しても良い。要は高反射領域１９は、入った方向に再び光が帰る反射現象を生じさせる再帰反射性を呈すればよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。測定マーカ１２₁～１２₄および基準マーカ１３は、上記実施形態では高反射領域１９または低反射領域１８を格子状模様に形成したが、測定する変位の方向に沿って周期的に繰り返す模様であれば特に限定されない。

１０変位測定システム
１１鉄道線路
１２測定マーカ
１３基準マーカ
１４光源
１５カメラ
１６変位測定装置
１８低反射領域
１９高反射領域

Claims

２次元平面に形成され、所定の方向に所定のピッチを有する第１の領域と第２の領域とからなる繰り返し構造を備え、前記第２の領域が再帰性反射材を含み、基板面上のｘ方向及びｙ方向に沿って所定のピッチで形成された模様が形成された複数のマーカと、
前記複数のマーカに赤外線を含む光を照射する光源と、
前記複数のマーカからの反射光を同時に撮像して赤外線透過フィルタを有し、前記反射光が該赤外線透過フィルタを透過した前記複数のマーカの画像を取得する撮像手段と、
前記撮像手段により取得した前記複数のマーカの画像の繰り返し模様に基づいて、サンプリングモアレ法に基づく演算により、前記複数のマーカのうち基準点として配置された基準マーカに対する測定マーカの時間的な変位量を求める変位測定手段と
備えることを特徴とする変位測定システム。
前記複数のマーカの少なくとも一つを測定対象に配置し、前記複数のマーカの他の一つを該測定対象以外の位置に基準点として配置して、該基準点に対する該測定対象の時間的な変位を測定可能である
ことを特徴とする請求項１に記載の変位測定システム。
前記複数のマーカの少なくとも一つを鉄道線路の側部に配置し、前記複数のマーカの他の一つを該鉄道線路以外の位置に基準点として配置して、該基準点に対する該鉄道線路の時間的な変位を測定可能である
ことを特徴とする請求項１に記載の変位測定システム。
前記複数のマーカは、
ｘ方向及びｙ方向において、第１の領域と第２の領域の長さが等しくなるように形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の変位測定システム。