JPH076921B2

JPH076921B2 - 気泡組織測定方法

Info

Publication number: JPH076921B2
Application number: JP1120876A
Authority: JP
Inventors: 耕一鮎田; 宏桜井; 平三郎猪狩; 寛一郎田辺; 勝保相川; 功次小林
Original assignee: Nireco Corp
Current assignee: Nireco Corp
Priority date: 1989-05-15
Filing date: 1989-05-15
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH02298837A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は表面に気泡を有する試料の気泡組織測定方法に
係わり、特に硬化コンクリートの気泡組織を短時間に測
定する方法に関する。

〔従来の技術〕

コンクリート構造物の耐凍害性確保のためには、適切な
エントレインドエアがコンクリートに連行されているこ
とが必要である。そのため、一般にはフレッシュコンク
リートの空気量を測定することにより品質管理を行って
いる。しかし、耐凍害性を得るためには、空気量そのも
のより気泡の間隔が重要であることから、耐凍害性を厳
密に判断するためには、硬化コンクリート中の気泡組織
を求めることが必要になる。

硬化コンクリート中の気泡組織を調べるために、一般に
行われている方法はASTMC457のポイントカウント法ある
いはリニアトラバース法である。これらの方法は、コン
クリート断面を実体顕微鏡下で観察・測定するものであ
るが、測定に長時間かかり測定者に相当な根気が要求さ
れる。この方法の欠点を解消する目的で、画像解析によ
る方法が近年試みられている。

（S.Chatterji and H.Gudmundsson;Characterization
of Entrained Air Bubble System in Concrete b
y Means of an Image Analysing Microscope,Cemen
t and Concrete Research,Vol.7,NO.4,pp-423〜428（1
977），原田克巳外２名；画像解析装置を用いた硬化コ
ンクリート中の気泡組織測定方法、セメント・コンクリ
ート、No471、pp22〜28（1986），太田利隆外３名；自
動画像解析システムを用いた硬化コンクリートの気泡パ
ラメータの測定方法について、第８回コンクリート工学
年次講演会論文集、pp389〜392（1986））これはテレビ
カメラから入力した画像をコンピュータによって処理す
る方法であり、ASTMの方法に比べて測定者に係わる負担
は大幅に減少される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記方法の場合、テレビカメラで得た画像から
直接コンクリート中の気泡を正確に判断するのは困難で
あり、気泡とその外の箇所を区別するために、試料にあ
らかじめ二値化処理を施す必要がある。処理の方法とし
ては、コンクリート表面の気泡の中に白色の溶剤を詰
め、気泡以外の部分には、黒色のペイントを塗る方法が
一般的である。このため、ASTM法に比べて測定そのもの
に係わる時間が短縮されたとしても、二値化のための前
処理に時間を要し、実質的な試験時間の短縮にはならな
い欠点を持っている。また、測定対象の気泡が極めて小
さいため、取り込む画像の視野を数mm程度と狭くする必
要があり、コンクリートの気泡組織を正確に求めるため
には測定視野数を数百としなければならず、画像解析装
置を用いても抜本的な測定時間短縮には必ずしもつなが
らなかった。

本発明の目的は、試料の表面に複数の方向から光を１方
向づつ照射して画像を取り入れ、この各画像の明るさの
差異から短時間に気泡組織を測定する方法を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、気泡組織に複数の方向から
光を１方向づつ照射して各反射光を測定し、比較してそ
の差を検出すればよく、本発明の気泡組織測定方法は、
表面に気泡を有する試料の面に３方向から１方向づつ光
を照射して各照射方向毎の画像を取り込み、各画像の同
一位置における明度up,rp,lpを求め、X,Y,Z軸よりなる
三次元座標を設定し、三次元座標の（1,0,0），（0,1,
0），（0,0,1）を頂点とする三角形（1,1,1）平面を設
定し、３つの座標の値が全て同一の点を通るベクトルを
基準ベクトルとし、この基準ベクトルと三角形（1,1,
1）平面が交わる点を基準点とし、前記各画素の同一位
置における明度を座標（up,rp,lp）で表し、この座標と
原点（0,0,0）を通るベクトルが三角形（1,1,1）平面と
交わる点を明度点とし、前記基準点を基点とし、前記明
度点までのベクトルを明度ベクトルとし、この明度ベク
トルの大きさが所定値より大きい時、前記各画像の同一
位置に気泡があると判定する。また、前記試料としてコ
ンクリートを用いるとよく、この場合、まずコンクリー
トの前記試料の面を骨材領域とセメントペースト領域に
区分し、次にセメントペースト領域のみの気泡測定を行
うとよい。

〔作用〕

試料の表面に気泡組織がある場合、ここに複数の方向か
ら１方向づつ光を照射すると、その反射光の明るさは、
気泡部が試料の表面から陥没した形状であるため、互い
に異なったものとなる。この明るさの差、つまり明度差
によって気泡を測定することができる。これを３方向か
ら光を照射した場合につき第１図を用いて説明する。

第１図は、試料の表面にある気泡を半球と仮定し、この
一横断面上において真上、右斜め、左斜めから同じ照度
の光を照射した図である。（ａ）図は気泡の形状と光の
方向を示す。（ｂ）図は真上から光を照射した場合の明
るさ（明度）の分布と影のできかたを示す。明度はその
大きさを０から255までの256段階のレベルで示す。UPは
気泡外のある位置の明度でありupは気泡のある位置にお
ける明度である。またこの場合は影はできない。（ｃ）
図は光を右斜めから照射した場合の明度分布と影のでき
かたを示す。RP,rpは（ｂ）図と同一位置の明度であ
る。（ｄ）図は光を左斜めから照射した場合の明度分布
と影のできかたを示す。LP,lpは（ｂ）図と同一位置の
明度である。ここで（ｂ），（ｃ），（ｄ）図を比較し
た場合、気泡部以外の明度例えば、UP,RP,LPは同一レベ
ルであるが気泡部分では同一場所でも光の照射方向によ
りup,rp,lp,のように明度のレベルは異なっている。こ
れによって気泡を測定することができる。

このため、三次元座標で、座標（up,rp,lp）と原点（0,
0,0）を通るベクトルと、３つの座標の値が全て同一の
点を通る基準ベクトルがそれぞれ三角形（1,1,1）平面
と交わる点を前者は明度点とし、後者は基準点とし、三
角形（1,1,1）平面上で基準点を基点として明度点まで
のベクトルである明度ベクトルを求め、この明度ベクト
ルが所定値より大きい時気泡と判定する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第９図を用いて説明
する。

第２図は本発明を実施する画像解析処理装置のブロック
図を示す。第２図において、１は測定の対象となる試料
で、本実施例では10cm角のコンクリートでありコンクリ
ート表面は前処理はしない状態である。２は試料１の振
動を防止する除振台、３は試料１を搭載した状態で２次
元移動を行うXYステージ、４はXYステージ３の移動を制
御するXYステージ制御装置、５は試料１の上下方向の位
置を制御して最適の焦点となるようにする自動焦点機
構、６は自動焦点機構５を制御する自動焦点制御装置、
７は試料１の気泡を測定するミクロ用カメラ、８は試料
１の骨材領域とセメントペースト領域を識別するマクロ
用カメラ、9,10はそれぞれミクロ用カメラ7,マクロ用カ
メラ８のカメラコントロール部、11はミクロ用カメラ７
とマクロ用カメラ８とを切替えるビデオ切替部、12は試
料１に対する照明装置で、試料１の上面に左右から斜光
と真上からの光を当てるため３個のライトを装備してい
る。13はミクロ用カメラ7,マクロ用カメラ８からの画像
を処理すると共にXYステージ制御部4,自動焦点制御装置
6,ビデオ切替部11を制御する画像処理装置、14は画像処
理装置13を制御するパーソナルコンピュータ、15はパー
ソナルコンピュータ14のプログラムや画像処理装置13の
測定データを記録するマイクロディスクやフロッピーか
らなる二次記憶装置、16は画像処理装置13の測定データ
等を出力するプリンタである。

次に本装置による硬化コンクリートの気泡組織の測定方
法について説明する。

画像解析システムによる硬化コンクリートの気泡組織の
測定は、コンクリート供試体の切断面全体の画像でセメ
ントペースト領域と骨材領域を分離するマクロ測定と、
切断面を拡大した画像で気泡組織の測定を行うミクロ測
定に分かれる。

（１）マクロ測定マクロ測定は、テレビカメラから取り込まれた濃淡画像
を二値化処理した画像を基にして行われる。

濃淡画像とは、テレビカメラから入力されたテレビ信号
を１画素（画像の構成要素）ごとに、その濃さによって
デジタル化（例えば、白を“0",黒を“225"とし、256段
階に分ける）して取り込んだものである。二値化はこの
“0"から“255"の間で任意の値を設定し、設定値より上
を“1",下を“0"とすることにより行う。

二値化処理では、取り込んだ硬化コンクリート切断面の
濃淡画像を骨材領域とセメントペースト領域とに二値化
する。つまり、256段階の濃さの中から骨材と判断され
る部分（骨材領域）とそうでない部分（セメントペース
ト領域）が適切に判別されるような値を調整し、骨材領
域を黒（１）、セメントペースト領域を白（０）に分け
る。

ここで試料を横切るある任意の直線上の濃淡を次のよう
に想定する。直線の長さの単位は画素である。

二値化処理では設定した二値化レベルより上を１、それ
より下を０とし、濃淡画像を単純化する。これを第３図
を用いて説明すると二値化レベルより上の部分が骨材領
域で、二値化レベルより下の部分がセメントペースト領
域である。

しかし、この方法はすべての判断を色の濃淡によって行
うため、白っぽい色の骨材，水晶などが混じった骨材は
骨材として認識されにくいので、手動による修正が必要
となる。

（２）ミクロ測定ミクロ測定は、視点を１つとして対象に３つの異なった
方向から１方向ずつ同じ照度の光を当てて３枚の画像を
取り込み、３枚の画像に対応する同一点の３つの明るさ
（明度）の差からその点の位置を計測するものである。
ここで、画像上の点に対応する対象上の点における光の
反射率は一定であると仮定している。対象部分が完全拡
散反射面の場合に３つの異なった方向からの光の反射光
が等しい明るさになるためには、投射角のCOSINEに反射
比例し、距離の２乗に反比例した強さの光源が望まし
い。

この原理は、ある領域を持つ斜面の一点に３方向から異
なった角度で同じ照度の光を１方向ずつ当てた場合、固
定された視点からはその点はそれぞれ違った明るさに見
えるということを応用している。

ここで硬化コンクリート中の気泡について次のように想
定する。コンクリート面上の全ての点における光の反射
率は一定であると仮定し、第１図で説明したように真
上，右斜め，左斜めの３方向から１方向ずつ照明を当て
て、視点は真上とし、明度はその大きさを０から225ま
での256段階のレベルで表す。この３枚の図を合わせて
見た場合、気泡以外の部分は明度のレベルが同じである
が、気泡部分で影のできた部分は明度のレベルが小さく
なり、気泡以外の部分のデータと異なっていることが解
る。

次に、気泡を判別するための二値化画像は次のように得
る。いま、上，右斜め，左斜めから光を当てた場合の明
度を表すのに第４図に示す三次元座標を用いる。１つの
座標軸に１つの光の方向が対応し、座標軸の大きさは明
度のレベルの値である、０から255である。三次元座標
の（1,0,0）、（0,1,0）、（0,0,1）を頂点とする三角
形（１１１）平面を考える。また、ここで３つの座
標の値が全て同一の点（例えば座標（1,1,1）点）を通
るベクトルを考え、これを基準ベクトルとする。

第１図で気泡内の任意の点における上，右斜め，左斜め
から光を当てた時の明度レベル、up,rp,lpをこの座標系
にのせ、（0,0,0）を起点とするベクトルをつくる。

ここで、（１１１）平面とベクトル（up,rp,lp）が
交わる点（明度点と称する）ができるので、基準ベクト
ルが（１１１）平面と交わる点（基準点と称する）
を起点とする明度点までのベクトル（明度ベクトルと称
する）をつくることができる。

この明度ベクトルの大きさで気泡を判別する。この明度
ベクトルが大きければ大きいほどそれは気泡である可能
性が大きいことになる。逆に、この明度ベクトルが小さ
ければそれは気泡である可能性は小さいといえる。第１
図の気泡以外の部分における明度レベル、UP,RP,LPは同
一のため基準点を通ることにのなり、気泡である可能性
はほとんどないといってよい。したがって、以上のこと
からある程度以上の明度ベクトルを持つ点を気泡と考え
ればよいことになる。

ここで、第５図に示すように三角形（１１１）平面
の３つの頂点に基準点から引いた直線を、それぞれ基準
点を起点として０から255まで256段階のレベルに分割
し、３つの直線上の同じレベルの点を結ぶと、この三角
形平面内を基準点を中心として256段階にレベルづけす
ることができる。

これが二値化レベルで、明度レベルup,rp,lpをもつ点の
明度ベクトルはその大きさにより、このレベルで表され
る。そして、その明度ベクトルの一定のレベルより上の
レベルを１、下のレベルを０として二値化すれば、その
明度ベクトルを持つ試料上の点は気泡として判断され
る。これが二値化処理である。

したがって、試料上の測定範囲の全ての点を気泡部分と
気泡以外の部分に分ける際、気泡部分が明確に判別でき
る二値化レベルを設定しておけば、この二値化レベルよ
り上の明度ベクトルのレベルを持つ点は気泡として認識
されることになる。

この二値化処理のためのレベルの設定は、ディスプレイ
上で画像を参照しながら調節することができる。

以上の濃淡画像の処理は、カラー画像を処理するカラー
解析を応用したものである。

カラー画像は、画像を構成する１画素毎にＲ（赤）,G
（緑）,B（青）の光の３原色を合成したものからなる。
R,G,Bの各色はそれぞれ０から225まで256段階の濃さの
データを持ち、その３色の混ざり具合で色を表す。ま
た、３色の濃さのデータがすべて同じときはモノクロに
なる。したがって、例えばＲとＧの濃さのデータが同じ
でＢのデータがほかのＲとＧのデータより大きい場合、
ＲとＧ及びＢのR,Gと同じデータの分は合成されてモノ
クロになるのでＢの突き出した部分が残って色は青っぽ
くなる。また逆にＢがほかのR,Gのデータより小さい場
合、表される色はＲとＧが混ざった色になる。

カラー解析とは、R,G,Bの濃さのデータをIHP処理して輝
度，色相，純度のデータに変換することである。IHP処
理はR,G,Bのデータを第４図のように３次元座標にの
せ、（１１１）平面を考える（第６図）。座標原点
から座標（1,1,1）を通る直線がこの平面と交わる点を
白黒点とする。

純度とは３原色の混ざり具合を表しており、第５図の明
度ベクトルのように白黒点を起点とした、R,G,Bのデー
タでつくられるベクトルが（１１１）平面と交わる
点とのベクトルで表される。純度のレベルは白黒点から
３角形の頂点に引いた直線を白黒点０として256分割
し、３つの直線上の同じレベルの点を結んで三角形平面
内を白黒点を中心として256段階にレベルづけして表さ
れる。

色相とは、白黒点から参加形のＲ（赤）に引いた直線を
基準としてＲ→Ｇ→Ｂ→Ｒ……の方向で純度のベクトル
となす角度のことである。これは３原色で表される色が
どの色に偏っているかを表すものである。色相のレベル
は、360度を256分割したもので表される。

輝度とは、３次元座標上で座標原点を起点としてR,G,B
のデータでつくられた座標点に引かれたベクトルの大き
さで表される。輝度のレベルは座標点から座標（255,25
5,255）に引かれたベクトルを座標原点を０として256分
割した長さで表される。

本気泡組織測定のための画像解析システムではこのカラ
ー解析のR,G,Bのデータの代わりに、上，右斜め，左斜
めから１方向ずつ光を当てた時の濃淡画像のデータを処
理している。したがって、カラー解析の色相及び輝度は
気泡の判別には役に立たず、純度のみが有効である。

ミクロ測定は数多くの視野を対象に行わなければならな
いが、最初に設定した二値化レベルで画像を処理しなが
ら測定終了までオートステージ上で自動的に繰り返され
る。また、あるミクロ測定の視野で、マクロ二値画像に
よりその測定範囲が100％骨材領域であると判断された
ところは、測定を行わずに自動的に次の視野に移動す
る。

次に測定例を説明する。

試料のコンクリートは10cm角の大きさで、マクロ画像の
測定範囲は９×9cm、ミクロ画像の測定範囲は６×6mmで
ある。用いたコンクリートのフレッシュ時の空気量は4.
6％である。

第７図に気泡組織を二値化した画像を示す。この二値化
ミクロ画像から気泡組織を求めるには次の通りの方法を
用いた。

（１） ASTMのリニアトラバース法に準じたものであ
り、画像にトラバース線を設定し、その線が横切った気
泡の数、長さなどから気泡組織を求める。

（２） ASTMの修正ポイントカウント法に準じたもので
あり、画像にポイントを設定し、ポイントと重なった気
泡の数などから気泡組織を求める。

（３）画像から直接得た気泡の数、面積などから気泡
組織を求める。

第８図に上記３つの方法で求めた測定結果を示す。同図
には比較のために行ったASTMの修正ポイントカウント法
による結果も示している。第８図における（１），
（２），（３）は上記の３つの方法の（１），（２），
（３）を表し（４）はASTMの修正ポイントカウント法
（Modified Point-Count Method of ASTM）を表してい
る。なおこの（４）の方法のセメントペースト容量は配
合から求めたものである。

第９図は測定した気泡の大きさの分布を示す。横軸は、
気泡の直径を示し、縦軸は、頻度を％で示す。第８図、
第９図により、本画像解析装置によって得られたコンク
リートの気泡組織は、相当信頼度の高いものであること
がうかがえる。

画像解析に要した時間は、３方法いずれによっても１時
間程度であり、かつ最も時間を要するミクロ画像の取り
込み、処理時間は自動的に測定が行われるので、測定者
が拘束される時間は一測定につき、わずか20分程度であ
る。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、試料
に複数の方向から光を一方向づつ当てて、その反射光を
解析することにより気泡組織を短時間に精度よく測定す
ることができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す説明図、第２図は本発明を
実施する画像解析装置のブロック図の一例を示す図、第
３図はコンクリートの骨材領域とセメントペースト領域
を二値化処理する説明図、第４図は照度ベクトルの説明
図、第５図は照度ベクトルを二値化処理する説明図、第
６図はカラー解析の説明図、第７図は気泡組織を二値化
した画像の一例を示す図、第８図は実施例の測定結果を
示す図、第９図は実施例の気泡分布を示す図である。１……試料、２……除振台、３……XYステージ４……XYステージ制御装置５……自動焦点機構、６……自動焦点制御装置７……ミクロ用カメラ、８……マクロ用カメラ 9,10……カメラコントロール部 11……ビィデオ切替部、12……照明装置 13……画像処理装置 14……パーソナルコンピュータ 15……二次記憶装置、16……プリンタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林功次東京都八王子市追分町７―13―２―501 (56)参考文献特開昭52−49856（ＪＰ，Ａ) 特開平２−77648（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−134148（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に気泡を有する試料の面に対向して撮
像装置を設け、該試料の面に３方向から１方向づつ光を
照射して各照射方向毎の画像を取り込み、各画像の同一
位置における明度up,rp,lpを求め、明度を表すX,Y,Z軸
よりなる三次元座標を設定し、三次元座標の（1,0,
0），（0,1,0），（0,0,1）を頂点とする三角形（1,1,
1）平面を設定し、３つの座標の値が全て同一の点を通
るベクトルを基準ベクトルとし、この基準ベクトルと三
角形（1,1,1）平面が交わる点を基準点とし、前記各画
素の同一位置における明度を座標（up,rp,lp）を表し、
この座標と原点（0,0,0）を通るベクトルが三角形（1,
1,1）平面と交わる点を明度点とし、前記基準点を基点
とし、前記明度点までのベクトルを明度ベクトルとし、
この明度ベクトルの大きさが所定値より大きい時、前記
各画像の同一位置に気泡があると判定することを特徴と
する気泡組織測定方法。
【請求項２】前記試料としてコンクリートを用いたこと
を特徴とする請求項１記載の気泡組織測定方法。
【請求項３】コンクリートの前記試料の面を滑材領域と
セメントペースト領域に区分し、セメントペースト領域
のみの気泡測定を行うことを特徴とする請求項２記載の
気泡組織測定方法。