JPH03269685A - 高速現象の解析方法及び高速現象撮影装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野１ 本発明は、高速で移動する物体を視覚的に捕らえて、そ
の運動解析を実現しつる方法に関するものである。また
、その応用として、細線状振動体の振動解析、あるいは
対象の個数、形状、明るさといった状態量の時間的変化
の定量的解析を可能としつるものである。

〔従来の技術〕

第４図は、従来の高速移動物体の動作解析装置の一例を
示す説明図、第５図は同装置を使用した場合の解析方法
の説明図である（特開昭６２−２３７３５８号公報参照
）。

まず、解析装置の構成であるが、対象を撮影するための
ビデオカメラ（６）とカメラが捕らえたビデオ信号をデ
ィジタル値に変換するためのＡ／Ｄコンバーク（３）、
及び画像データを一時記憶するための画像メモリ（４）
、そしてそれらを処理するための専用処理回路（７）か
ら成る。

続いて解析方法であるが、第５図に示すように高速で移
動する物＃　（１０２）をビデオカメラ（６）にて撮影
し１画像データを画像メモリ（３０）〜（３２）に順に
記録する。これらの画像メモリの論理和（３３）をとる
ことにより対象の移動軌跡（３５）が得られる。

このデータと画像メモリのデータ間の論理積から始点（
３６）と終点（３７）を得、その間の時間差とＸ、Ｙ方
向の距離から平均速度ベクトル（３０）が得られる。

以上が従来の高速移動物体の視覚的な動作解析方法の一
例である。

なお、−枚の画像中に記録されている対象を背景から切
離すための方法として、背景だけが記録されている画像
を反転したものを用意し、該対象が記録されている画像
との論理和をとるものが提案されている（特開昭６３−
２４６６７８号公報参譚）。

また、第６図（ａ）及び第６図ｆｂ）は、従来の（細線
状）振動体の振動解析装置とその方法を示す説明図で、
第６図（ａｌのように対象（１３）の振動方向に振動を
計測するための加速度センサー（３８）を近接配置して
計測する方法と、第６図（ｂ）のように対象（１３）の
振動方向と直交する方向に発光素子（３９）から発せら
れる直進性に優れた光（４１）を当てて受光素子（４０
）で受け、受光素子（４０）が受ける光の強さから対象
が該光束（４１）を遮る位置を検出でき、その結果とし
て対象の振動を計測する方法があり、こうした各種のセ
ンサーから得られる電気信号を専用の波形解析装置（Ｆ
ＦＴアナライザーなど）に入力して振動解析を実行する
のが従来の方法であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の高速移動物体の視覚的な動作解析装置ならびに解
析方法は、時間の経過とともにその位置をかえる計測対
象の位置認識を、ビデオカメラの撮影画像の１コマ拳位
で行っていない。

因みに対象の位置認識を撮影画像のｌコマ単位で行うと
、その後の種々の解析に汎用性が生じ好都合である。

又計測対象をビデオカメラの撮影画像の１コマ単位で位
ｒＩｌ認識させる方法として、対象のみを抽出した画像
を所定のしきい値で２値化し、これを縦横方向にスキャ
ンする方法が考えられるが、この方法は、２値化のしき
い値を厳密に設定したとしても、撮影時の計測対象への
光の当たり具合により対象の輪郭が欠けたり不鮮明にな
ったりする場合があり、認識精度が悪い。

又従来の計測対象を背景から切離すための方法は、計測
対象の写っていない背景を予め用意する必要があり、又
撮影時のみ背景が変化するような場合には、計測対象の
みを抽出することが困難であった。

更にまた、細線状振動体に関しては対象を視覚的に捕ら
えるのは困難なため前述の通り各種センサーを用いてそ
の振動波形を捕らえていたが、被計測点が対象中の一点
に限定され、対象の振動に付随する他の現象を振動解析
と一緒に解析する場合（例えばワイヤ放電加工機におけ
るワイヤ電極の振動と、ワイヤ電極とワークとの間の放
電現象）等複雑な解析は不可能であるという問題点があ
った。

この発明は以上のような問題点を解決するためになされ
たもので、計測対象を背景から切離すために計測対象の
写っていない背景を予め用意しなくてもよい方法を提供
することにある。

又この発明の他の目的は、抽出した計測対象の位置認識
を精度よく行う方法を提供することにある。

又この発明の他の目的は、計測対象の振動に付随する他
の現象を振動解析と一緒に解析する場合等の複雑な解析
をも可能とする方法を提供することにある。

更に又この発明の他の目的は、細線状振動体の振動解析
の撮影に好適な新規な撮影装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この第１の発明は、非常に速い速度でその位置を変える
計測対象を、高速度で記録可能なビデオシステムにて撮
影記録し、再生画像をＡ／Ｄ変換器にてディジタル情報
に変換して画像データをメモリに入力し、計測対象の動
作解析をコンピュータにて実行する高速現象の解析方法
において、計測対象を背景から切離す対象画像と背景画
像との論理和をとって計測対象を背景から切離すに際し
、計測対象及び背景が記録されている複数枚の画像の論
理積をとって上記背景画像を得るものである。

また第２の発明は、計測対象を背景から切離した画像に
対し、計測対象と同等の形状を有するパターンを画面上
で走査し、計測対象とパターンとの間のずれ量が最も少
ない位置を計測対象の存在する位置としてコンピュータ
に認識させるものである。

また第３の発明は、細線状振動体を背景から切離した画
像に対し、細線状振動体と同等の形状を有する長方形パ
ターンを画面上で走査し、細線状振動体と長方形パター
ンとの間のずれ量が最も少ない位置を細線状振動体の存
在する位置としてコンピュータに認識させるものである
。

更にまた第４の発明は、拡大レンズ系と計測対象に集中
的に光を発するファイバー照明装置とを備え、計測対象
を視覚的に捕える高速現象撮影袋＾ 置にある。

［作用］ 第１の発明方法によれば、高速現象の解析に是非とも必
要な計測対象が記録されている画像を流用して計測対象
を背景から切離す。

また、第２、第３の発明方法によれば、抽出された計測
対象の輪郭が欠けたり、不鮮明なものであってもその対
象の位置認識を行う。

更にまた第４の発明によれば、ファイバー照明装置によ
り計測対象に集中的に光が照射され、かつ拡大レンズに
て拡大されて撮影される。

［発明の実施例〕 第１図は、本発明の実施例による動作解析装置のシステ
ム構成図であり、第２図（ａ）、第３図（ｃ）は本実施
例による解析処理の流れを説明する図である。また、第
２図（ｅ）、第２図（ｆ）、第３図ｔｅｌ、第３図ｆｆ
）は解析結果を示したものである。

以下、この発明の一実施例を図について説明する。まず
、第１図は本発明による高速現象解析装置のシステム構
成図であり、高速度ビデオカメラｍ　と高速度ビデオデ
ツキ（２）から成る高速度ビデオシステム、及び高速度
ビデオデツキの映像出力をデジタル情報に変換するため
のＡ／Ｄコンバータ（３）、デジタル情報に変換された
画像データを記憶するための画像メモリ（４）、そして
それらを制御するホストコンピュータ（５）とからなる
システム構成を示している。

続いて、最初に運動解析の一実施例として、ピストルか
ら発射される弾丸の移動軌跡、速度、加速度の定量解析
事例について説明する。第２図（ａｌにその解析処理の
流れについて概略説明しているが、以下その内容につい
て詳しく説明する。

まず、高速度ビデオカメラ（１）にてピストルから弾丸
が発射される瞬間をｌコマ当り１／２０００秒の速度で
１秒間撮影し、再生した画像を１枚毎Ａ／Ｄ変換した後
画像メモリ（４）に入力する。実際に撮影された映像の
１コマ（８）を第２図（ｂｌに示すが、ピストルの銃口
（１０１１、弾丸（１０２１、背景の山河（１０３）が
映っている。

続いて、撮影像から対象である弾丸だけを抽出する方法
を第２図ｆｃｌ　を用いて説明する。即ち、解析対象の
画像から複数枚を任意、に画像ｆ８ａ）　ｆ８ｂｌ（８
ｃ）を選択し、これらの論理積をとる。この結果非可動
部だけが残るので、これを背景像（９）とし、この背景
像（９）のデータを反転し、この反転像と前記撮影像の
１コマ（８）の論理和をとると弾丸だけの画像（１０）
が得られる。このような方法にて弾丸を抽出する。

続いて、弾丸の位置座標の自動認識方法について第２図
（ｄ）によって詳しく説明する。まず、前述の処理に依
って抽出された弾丸ｆ１０２１が記録されている画像メ
モリ（ｌＯ）に対して、弾丸の形状に相当する円形パタ
ーン（１０４１を描いた画像メモリｆｌｌａｌ　との論
理積の結果（１０５ａ）を有する画像メモリ（１２ａｌ
を得る。同様にして、パターンｆ１０４１の位置を画面
上で移動させた画像メモリ（ｌｌｂｌ　、　（ｌｌｃ）
と画像メモリ（１０）との論理積の結果ｆ１０５ｂ１．
　（１０５ｃｌを有する画像メモリｆ１２ｂ１．　ｆ１
２ｃ）を得る。これらのうち、論理積の値（ここでは１
０５ａ−１０５ｃの面積に相当する）が最大となる画像
メモリ（１２ｂｌ　に対応するパターンｔｔｉｂ＋の画
面上の位置！Ｘ、Ｙｌ　、即ち両者のずれ量が最も少な
い位置を、「弾丸が存在する位置」としてコンピュータ
（５）に記憶させる。以上が、弾丸の位置座標の自動認
識方法である。

こうして、１枚の画像の計測を完了するが、この処理工
程を１サイクルとして、撮影コマ数である２０００枚の
画像について同様の処理を実施して、時系列の弾丸位置
座標ｆＸ、、Ｙ、ｊ〜　（ｘ２°。。、Ｙ、。。。）を
得る。

次に、画像メモリ中の弾丸の直径が画素数にして４画素
であり、該弾丸の実直径が１０ＩＩＩｍであることから
１画素あたりの長さはｌＯ／４・２．５　（ｍｍ／画素
）であることがわかる。この値を実寸法への校正常数り
として、ピストルの銃口の位置（ｘ、、ｙ、ｌ　を座標
原点とすると、時刻ｉ／２０００秒後の弾丸の２次元空
間における実座標値ｆＸ、、、Ｙ、、ｌはＬ−１＝　（
Ｘｌ−＋　−ｘｏｌ　　＊　ＤＹ、−＋＝（Ｙｌ−＋　
　−Ｙｏｌ　　＊　ＤガＳｌ＾コ、　　　　　　　　　
←今骨埼蟻号。

さらに、該座標値をＸ、Ｙ座標上に重ねて描くことによ
り、第２図ｔｅｌ　に示すような弾丸の軌跡が得られる
。また、弾丸の時刻ｉ／２０００秒に於ける速度ベクト
ルＶｉ−１＝　（ＶＸ、、、ＶＹＩ−、ｌ　、加速度ベ
クトルＡ、−＋＝　（ＡＸ＋−＋、ＡＹ＋−＋）は、Ｖ
Ｌ−１＝　　ｆｘｌｘ、−１／　ｆ２／２０００）ＶＹ
ｌ−３＝　　（ｙｌｙ＋−ｘ）／　（２／２０００）Ｖ
ｉ−１＝　　’　（ｖｘ＋−＋２＋　ＶＹＩ−１”）Ａ
Ｘ＋−１＝　　（ＶＸ、−ＶＬ−怠）／　（２／２００
０１ＡＹｉ−、＝　　（ＶＹ、−ＶＹｉ−！ｌ／（２／
２０００１Ａ、−、＝　　　ｔＡｘ、−＋２−　Ａｙ、
−，２＋にて得られ、第２図（ｆｌに示すような速度、
加速度の時間的変化曲線を描くことが可能である。

以上が、運動解析の一実施例として弾丸の軌跡、速度、
加速度の定量解析事例である。

次に、細線状振動体の振動解析の一実施例として、糸の
振動解析事例について説明する。

まず、その撮影に際しては、第３図ｆａｌに示すような
構成の撮影系が必要である。対象である糸（１３）振動
体を拡大するための顕微鏡用接眼レンズ（１４）とリレ
ーレンズ（１５Ｌそして接眼レンズの両側から細いスリ
ット状に絞られた光を発生する光ファイバーが明装本（
１６）が糸に向けて配置されている。なお、光フアイバ
ー即問装置（１６）の光源は。

ビデオカメラｆｉｌ　内に配されている。また、光フア
イバー照明装置（１６）を接眼レンズの両側に配したの
は、光フアイバー照明装置（１６）からの光を糸（Ｉ３
）に集中的に当てるため、光ファイバーの角度を調整す
る必要があるが、その角度調整をし易くするためであり
、即ちこの光フアイバー照明装置（１６）の製作を容易
にするためである。また、ビデオカメラｆｉｌは撮影時
の微少位置決めのために精搭 密移動台（１７）に麦載されている。更に、糸のエツジ
部を明確に捕らえるために、ビデオカメラ（１）側の照
明装置（１６）を糸をはさんでレンズの反対側から背光
用ファイバー照明装置（１８）を配置する場合（図中点
線で示す）もあるし、第３図（ｂｌに示すように、同様
の装置を配した高速度ビデオカメラをもう一台直角方向
から撮影できるように配置して、糸の振動をＸ、Ｙの２
方向から捕らえることも可である。

このような撮影系で捕らえた糸の振動解析の流れについ
て概略を第３図（Ｃ）に示したが、以下その内容につい
て詳しく説明する。

まず、上記の装置にて糸（１３）の振動を高速度ビデオ
カメラ（１）にて１コマ当り１７１２０００秒の速度で
１秒間撮影し、再生した画像を１枚毎Ａ／Ｄ変換した後
画像メモリ（４）に入力する。実際に撮影された映像の
１コマ（１９）を第３図ｆｄｌに示すが、拡大撮影され
ているため糸（１３）が幅を有する長方形状に映ってい
る。続いて、前述の弾丸の動作解析時と同様な方法にて
、対象である糸を画像から抽出する。次に拡大率を考慮
して対象の幅相当の長方形のマスク（パターン）を別の
画像メモリーに用意する。このマスクを画面左から順に
右方ヘスライドさせ（位置１〜３）、原画の用意されて
いる画像メモリーから減算した結果を９ずれ量”として
捕らえる。この結果ずれ量が最も少ない位置２を対象が
存在する位置としてホストコンピュータが認識する。

このサイクルを１２０００回繰り返すことにより撮影時
間である１秒間の糸の時系列位置データを得る。

該時系列データを実寸法に変換後、第３図ｔｅｌに示す
ように、縦軸に変位量をとり、横軸に時間をとって糸の
振動波形を描くことができる。さらに第３図［ｆ＋　に
示すように該時系列データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ
Ｉ　した後、縦軸にパワースペクトラムを、横軸に周波
数をとってグラフを描くこともできる。

〔発明の効果］ 以上のようにこの第１の発明によれば、計測対象を背景
から切離すために計測対象の写っていない背景を予め用
意する必要がなくなり、又撮影時のみ背景が変化するよ
うな場合にあっても計測対象のみを確実に抽出すること
が可能となる。

又第２．３の発明によれば、バクーンマッチングを行う
ので、２値化により計測対象を抽出するものに比し認識
精度を向上させることができる。

又振動解析とこの振動に付随する他の現象の解析を一緒
に行うことが可能となり、複雑な解析が可能となる。

更に第４の発明によれば、特に細線状振動体をその輪郭
が鮮明なものとして撮影することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による動作解析装置のシステム
構成図であり、第２図ｆａｌは本実施例による弾丸の運
動解析処理方法の流れを説明する図、第２図ｆｂｌ及び
第２図ｔｅｌは弾丸の撮影像と背景の除去方法の説明図
、第２図（ｄ）は弾丸の位置座標の自動認識方法の説明
図、第２図（ｅ）及び第２図（ｆ）は弾丸の運動解析処
理結果を示す図、第３図（ａｌ及び第３図（ｂｌ　は振
動解析の実施例としての細線状振動体の撮影装置の説明
図、第３図ｆｃｌは振動解析処理の流れを説明する図、
第３図（ｄｉは振動する糸の撮影像と長方形状のパター
ンを示すと共に振動体の位置座標の自動認識方法の説明
図、第３図ｆｅ）及び第３図ｆｆ）は糸の振動解析結果
を示す図、第４図は従来の高速移動物体の運動解析装置
の一例の説明図、第５図は同装置による従来の高速移動
物体の運動解析方法の一例を示す図、第６図ｆａｌ及び
第６図ｆｂ）は従来の振動解析方法の説明図である。 図において、（１１は高速度ビデオカメラ、（２）は高
速度ビデオデツキ、（３）はＡ／Ｄコンバータ、（４）
は画像メモリ、（５）はホストコンピュータ、（６）は
ビデオカメラ、（７）は解析処理用専用回路、（１４）
は接眼レンズ、（１５）はリレーレンズ、［１６］　ｆ
１８１はファイバー照明装置、（１７）は精密移動台で
ある。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）非常に速い速度でその位置を変える計測対象を、
   高速度で記録可能なビデオシステムにて撮影記録し、再
   生画像をＡ／Ｄ変換器にてディジタル情報に変換して画
   像データをメモリに入力し、計測対象の動作解析をコン
   ピュータにて実行する高速現象の解析方法において、計
   測対象を背景から切離す対象画像と背景画像との論理和
   をとって計測対象を背景から切離すに際し、計測対象及
   び背景が記録されている複数枚の画像の論理積をとって
   上記背景画像を得ることを特徴とする高速現象の解析方
   法。
2. （２）非常に速い速度でその位置を変える計測対象を、
   高速度で記録可能なビデオシステムにて撮影記録し、再
   生画像をＡ／Ｄ変換器にてディジタル情報に変換して画
   像データをメモリに入力し、計測対象の動作解析をコン
   ピュータにて実行する高速現象の解析方法において、計
   測対象を背景から切離した画像に対し、計測対象と同等
   の形状を有するパターンを画面上で走査し、計測対象と
   パターンとの間のずれ量が最も少ない位置を計測対象の
   存在する位置としてコンピュータに認識させることを特
   徴とする高速現象の解析方法。
3. （３）非常に速い速度でその位置を変える細線状振動体
   を、高速度で記録可能なビデオシステムにて撮影記録し
   、再生画像をＡ／Ｄ変換器にてディジタル情報に変換し
   て画像データをメモリに入力し、計測対象の動作解析を
   コンピュータにて実行する高速現象の解析方法において
   、細線状振動体を背景から切離した画像に対し、細線状
   振動体と同等の形状を有する長方形パターンを画面上で
   走査し、細線状振動体と長方形パターンとの間のずれ量
   が最も少ない位置を細線状振動体の存在する位置として
   コンピュータに認識させることを特徴とする高速現象の
   解析方法。
4. （４）拡大レンズ系と計測対象に集中的に光を発するフ
   ァイバー照明装置とをを備え、計測対象を視覚的に捕え
   ることを特徴とする高速現象撮影装置。