JPWO2016152075A1 - 構造物の状態判定装置と状態判定システムおよび状態判定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、構造物のひび割れや剥離や内部空洞などの欠陥を区別した検出を、遠隔から非接触で精度良く行うことを目的とする。本発明の状態判定装置は、構造物表面の荷重印加前後の時系列画像から、前記時系列画像の変位の２次元空間分布を算出する変位算出部と、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から、前記荷重印加による前記構造物表面の法線方向への移動量に基づく補正量を算出する補正量算出部と、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から前記補正量を差し引いて、前記構造物表面の変位の２次元空間分布を抽出する変位補正部と、前記構造物表面の変位の２次元空間分布と、予め備えられた変位の空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する異常判定部と、を有する。

Description

本発明は、構造物に生じる欠陥などの状態を遠隔から判定する技術に関する。

トンネルや橋梁などのコンクリート構造物においては、構造物の表面に発生するひび割れ、剥離、内部空洞などの欠陥が、構造物の健全度に影響を及ぼすことが知られている。そのため、構造物の健全度を正確に判断するためには、これらの欠陥を正確に検出することが必要となる。

構造物のひび割れ、剥離、内部空洞などの欠陥の検出は、検査員による目視検査や打音検査によって行われてきており、検査のためには検査員が構造物に接近する必要がある。そのため、空中での作業ができる環境を整えることによる作業コストの増加や、作業環境設定のために交通規制をすることによる経済的機会の損失などが問題となっており、検査員が構造物を遠隔より検査する方法が望まれている。

遠隔から構造物の状態を判定する方法として画像計測による方法がある。例えば、構造物を撮像装置で撮像して得られた画像を所定の閾値で２値化処理し、この２値化した画像からひび割れに対応する画像部分を検出する技術が提案されている（特許文献１）。また、構造物の応力状態から、構造物に生じている亀裂を検出する技術が提案されている（特許文献２、特許文献３）。また、赤外線撮像装置或は可視光撮像装置とレーザ撮像装置との両方を使用して、撮像画像を自動解析して計測対象物の不具合を判定するシステム（特許文献４）や、可搬性に優れた撮像手段で撮像した画像から欠陥マップを作成する方法（特許文献５）が提案されている。さらに、非特許文献１には、構造物表面の動画像により、ひび割れ領域の動きを検出することによって、ひび割れの検出精度を高める方法が開示されている。

特開２００３−０３５５２８号公報 特開２００８−２３２９９８号公報 特開２００６−３４３１６０号公報 特開２００４−３４７５８５号公報 特開２００２−２３６１００号公報 特開２０１２−１３２７８６号公報

Ｚ．Ｗａｎｇ，ｅｔ ａｌ．，"Ｃｒａｃｋ−ｏｐｅｎｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｉｍａｇｅｓ ｆｏｒ ｃｉｖｉｌ ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ"，映像メディア処理シンポジウム（ＰＣＳＪ／ＩＭＰＳ２０１４），Ｉ−１−１７，電子情報通信学会，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １２，２０１４．

しかしながら、前記の技術では、例えば橋梁などの構造物の下表面を撮像する場合、荷重により構造物がたわむことで、撮像する表面の位置が表面の法線方向に移動することによる変位（面外変位という）が、構造物の欠陥の情報を有する表面の面内方向の変位（面内変位という）に加算されてしまう。このため、構造物の欠陥を検出する際の精度が低下するという問題があった。

特許文献６には、測定対象物の表面に発生する歪を計測する方法において、撮像された画像の変位から面外変位量を補正する方法が提案されている。特許文献６では、面外変位量を構造物の変形前後の側面画像から読み取る。そのために、構造物の表面を撮影する第１映像装置と、側面を撮影する第２映像装置との、２台の映像装置を備えている。

しかしながら、この方法では、側面を撮影するために、表面を撮影する映像装置とは別にもう一台の映像装置が必要となり、コスト増大の課題がある。さらに、例えば橋梁などの場合、橋梁の側面の測定のためには、撮像装置を固定したり作業者の足場を確保したりする必要があるために作業性が悪く、測定精度が低下するという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、遠隔から非接触で構造物のひび割れや剥離や内部空洞などの欠陥を、コストを抑制しつつ精度良く検出することを可能とすることにある。

本発明の状態判定装置は、構造物表面の荷重印加前後の時系列画像から、前記時系列画像の変位の２次元空間分布を算出する変位算出部と、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から、前記荷重印加による前記構造物表面の法線方向への移動量に基づく補正量を算出する補正量算出部と、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から前記補正量を差し引いて、前記構造物表面の変位の２次元空間分布を抽出する変位補正部と、前記構造物表面の変位の２次元空間分布と、予め備えられた変位の空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する異常判定部と、を有する。

本発明による状態判定システムは、構造物表面の荷重印加前後の時系列画像から前記時系列画像の変位の２次元空間分布を算出する変位算出部と、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から、前記荷重印加による前記構造物表面の法線方向への移動量に基づく補正量を算出する補正量算出部と、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から前記補正量を差し引いて、前記構造物表面の変位の２次元空間分布を抽出する変位補正部と、前記構造物表面の変位の２次元空間分布と予め備えられた変位の空間分布との比較に基づいて前記構造物の欠陥を特定する異常判定部と、を有する状態判定装置と、前記時系列画像を撮像し前記状態判定装置に提供する撮像部と、を有する。

本発明による状態判定方法は、構造物表面の荷重印加前後の時系列画像から、前記時系列画像の変位の２次元空間分布を算出し、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から、前記荷重印加による前記構造物表面の法線方向への移動量に基づく補正量を算出し、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から前記補正量を差し引いて、前記構造物表面の変位の２次元空間分布を抽出し、前記構造物表面の変位の２次元空間分布と、予め備えられた変位の空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する。

本発明によれば、遠隔から非接触で構造物のひび割れや剥離や内部空洞などの欠陥を、コストを抑制しつつ精度良く検出することが可能となる。

本発明の実施形態の状態判定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の状態判定装置の具体的な構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の状態判定システムの構成を示すブロック図である。 構造物の状態（健全な場合）と表面の変位の関係を説明するための図である。 構造物の状態（ひび割れの場合）と表面の変位の関係を説明するための図である。 構造物の状態（剥離の場合）と表面の変位の関係を説明するための図である。 構造物の状態（内部空洞の場合）と表面の変位の関係を説明するための図である。 荷重により構造物にたわみが発生する場合の、構造物の下面を撮像した時の面外変位を説明するための図である。 面外変位ベクトルと面内変位ベクトルと計測ベクトルとの関係を説明する図である。 面外変位ベクトルの大きさのグラフを示す図である。 面外変位ベクトルの大きさのグラフを示す図である。 面外変位ベクトルの大きさと面外変位ベクトルの大きさのグラフを示す図である。 荷重前後の構造物（ひび割れの場合）のＸ方向の表面の変位を変位算出部で算出した結果を示す図である。 荷重前後の構造物（ひび割れの場合）のＹ方向の表面の変位を変位算出部で算出した結果を示す図である。 荷重前後の構造物（ひび割れの場合）のＸ方向の表面の面内変位を変位補正部で算出した結果を示す図である。 荷重前後の構造物（ひび割れの場合）のＹ方向の表面の面内変位を変位補正部で算出した結果を示す図である。 本発明の実施形態の補正量算出部における傾斜がある場合の補正量の算出方法を説明するための図である。 ひび割れ周りの応力場の分布を示した図である。 ひび割れ周りの応力場の分布を示した図である。 ひび割れ周りの変位量の２次元分布（Ｘ方向）の例を示す図である（ひび割れが浅い場合）。 ひび割れ周りの変位量の２次元分布（Ｙ方向）の例を示す図である（ひび割れが浅い場合）。 ひび割れ周りの変位量の２次元分布（Ｘ方向）の例を示す図である（ひび割れが深い場合）。 ひび割れ周りの変位量の２次元分布（Ｙ方向）の例を示す図である（ひび割れが深い場合）。 異常判定部による変位分布（変位のＸ方向のパタン）とのパタンマッチングを説明する図である。 異常判定部による変位分布（変位のＹ方向のパタン）とのパタンマッチングを説明する図である。 異常判定部による変位分布（変位の微分ベクトル場のパタン）とのパタンマッチングを説明する図である。 内部空洞が存在する場合の撮像方向から見た面の応力の２次元分布を示す斜視図である。 内部空洞が存在する場合の撮像方向から見た面の応力の２次元分布を示す平面図である。 内部空洞が存在する場合の撮像方向から見た面の変位の等高線（Ｘ成分）を示す図である。 内部空洞が存在する場合の撮像方向から見た面の変位の等高線（Ｙ成分）を示す図である。 内部空洞が存在する場合の撮像方向から見た面の応力場を示す図である。 内部空洞が存在する場合の構造体にインパルス刺激を与えた場合の応答を説明する図である（応答を得る位置ＡＢＣを示す）。 内部空洞が存在する場合の構造体にインパルス刺激を与えた場合の応答を説明する図である（位置ＡＢＣでの応答を示す）。 剥離が存在する場合の撮像方向から見た面の変位の等高線（Ｘ成分）を示す図である。 剥離が存在する場合の撮像方向から見た面の変位の等高線（Ｙ成分）を示す図である。 剥離が存在する場合の撮像方向から見た面の応力場を示す図である。 剥離が存在する場合の構造体にインパルス刺激を与えた場合の変位の時間応答を説明する図である。 本発明の実施形態の状態判定装置における状態判定方法を示すフローチャートである。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。

図１は、本発明の実施形態の状態判定装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の状態判定装置１００は、構造物表面の荷重印加前後の時系列画像から、前記時系列画像の変位の２次元空間分布を算出する変位算出部１０１を有する。さらに、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から、前記荷重印加による前記構造物表面の法線方向への移動量に基づく補正量を算出する補正量算出部１０２を有する。さらに、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から前記補正量を差し引いて、前記構造物表面の変位の２次元空間分布を抽出する変位補正部１０３を有する。さらに、前記構造物表面の変位の２次元空間分布と、予め備えられた変位の空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する異常判定部１０４を有する。なお、図１中の矢印の向きは一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。

図２は、本発明の実施形態の状態判定装置の具体的な構成を示すブロック図である。状態判定装置１は、変位算出部２、補正量算出部３、変位補正部４、微分変位算出部５、異常判定部６、異常マップ作成部９を備えている。異常判定部６は、２次元空間分布情報解析部７と時間変化情報解析部８を備えている。なお、図２中の矢印の向きは一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。

図３は、本発明の実施形態の状態判定システムの構成を示すブロック図である。状態判定システム１０は、状態判定装置１と撮像部１１とを備えている。状態判定装置１は図２に示す装置である。撮像部１１は撮像用のカメラである。撮像部１１は、構造物１２に荷重を印加する前後の構造物１２の表面を、Ｘ−Ｙ平面の時系列画像として撮像し、撮像した時系列画像を状態判定装置１の変位算出部２に入力する。状態判定装置１は、撮像部１１から時系列画像情報を取得する。図３では、被測定物である構造物１２を、２点支持された梁状の構造としている。構造物１２には、各種の欠陥１３が存在する可能性がある。なお、図３中の矢印の向きは一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。

状態判定装置１の変位算出部２は、時系列画像のＸ−Ｙ平面上の各（Ｘ，Ｙ）座標ごとの変位を算出する。すなわち、撮像部１１で撮像された荷重印加前のフレーム画像を基準とし、荷重印加後の最初の時刻のフレーム画像における変位を算出する。次に、荷重印加後の次の時刻のフレーム画像の変位、さらにその次の時刻のフレーム画像の変位という具合に、時系列画像ごとに荷重印加前の画像に対する変位を算出する。変位算出部２は、画像相関演算を用いて変位を算出することができる。また、変位算出部２は、算出した変位を、Ｘ−Ｙ平面の２次元空間分布とする変位分布図として表すこともできる。

補正量算出部３は、変位算出部２が算出した時系列画像の変位の２次元空間分布から、変位算出部２が算出した変位に含まれている、構造物１２がたわむなどして構造物１２表面がその法線方向へ移動することによる変位（面外変位という）を算出する。

変位補正部４は、変位算出部２で算出された変位もしくは変位分布図から、補正量算出部３で算出された面外変位を差し引くことによって、構造物１２の表面に生じている変位（面内変位という）を抽出する。変位補正部４は、抽出した面内変位を、微分変位算出部５と異常判定部６とに入力する。

微分変位算出部５は、変位もしくは変位分布図に空間微分を施し、微分変位、もしくは、算出した微分変位をＸ−Ｙ平面上の２次元微分空間分布とする微分変位分布図を算出する。変位補正部４、および、微分変位算出部５の算出結果は、異常判定部６に入力される。

異常判定部６は、入力された算出結果に基づいて、構造物１２の状態を判定する。すなわち、異常判定部６は、２次元空間分布情報解析部７と時間変化情報解析部８での解析結果から、構造物１２の異常（欠陥１３）の場所と種類を判定する。さらに、異常判定部６は、判定した構造物１２の異常の場所と種類を、異常マップ作成部９に入力する。異常マップ作成部９は、構造物１２の異常状態の空間分布をＸ−Ｙ平面にマップ化し、異常マップとして記録し、出力する。

状態判定装置１は、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）やサーバなどの情報機器とすることができる。情報機器の有する演算資源であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、記憶資源であるメモリやＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）を用いて、ＣＰＵでプログラムを動作させることにより、状態判定装置１を構成する各部を実現することができる。

図４Ａ〜図４Ｄは、構造物１２の各種異常状態と表面の面内変位の関係を説明するための図である。図４Ａは、２点支持された梁状の構造物１２の側面図である。図４Ａに示すように、図３における撮像部１１は、構造物１２の下表面を撮像方向（Ｚ方向）から撮像する条件で配置されている。このとき、構造物１２が健全であれば、図４Ａに示すように、構造物１２の上面からの垂直荷重に対し、構造物１２の上面には圧縮応力が、下面には引張応力がそれぞれ働く。なお、構造物１２は、同様の応力が働く条件であれば、特に２点支持された梁状の構造物でなくてもよい。

ここで構造物１２が弾性体である場合、応力は歪に比例する。その比例定数であるヤング率は、構造物の材質に依存する。応力と比例する歪は単位長さあたりの変位であるので、変位補正部４で算出された結果を微分変位算出部５で空間微分することにより、歪を算出することができる。すなわち、微分変位算出部５の結果により、応力場を求めることが可能となる。

図４Ｂに示すように、ひび割れが存在する場合、ひび割れ部分は荷重による変位が大きい。一方で、ひび割れ部分の周辺は、ひび割れ部分により応力の伝達がないため、構造物１２の下面の引張応力は、図４Ａに示す健全な状態と比べ小さくなる。

また、図４Ｃに示すように、剥離が存在する場合、構造物１２の下面から見た外観は、ひび割れの場合と同様の外観が観察される。しかしながら、剥離の場合は、剥離部分とその上部との間に応力伝達がない。そのため、荷重による変位は剥離部分においては一定方向に一定量が平行移動するだけであり、その空間微分値である歪は発生しない。よって、荷重による変位を空間微分することで得られる歪の情報を用いることで、ひび割れと剥離との区別をつけることが可能となる。

また、図４Ｄに示すように、内部空洞が存在する場合、内部空洞では応力の伝達が妨げられるため、構造物１２の下面における応力は小さくなる。よって、画像から算出される歪も小さくなることから、構造物１２の外側から直接見ることができない内部空洞を見つけることが可能である。

図４Ａ〜図４Ｄで計測すべき構造物表面の変位はＸ-Ｙ面内の面内変位（Ｘ方向およびＹ方向）である。そのため、補正量算出部３で、荷重により構造物１２の表面がその法線方向に移動する際に生じる見かけの変位（面外変位）を補正量として算出し、変位補正部４で面外変位を差し引いて面内変位を抽出する。以下では、補正量算出部３で面外変位を算出する方法について説明する。

なお、表面が曲面である場合に対して法線というが、全体として大きな曲面を成していて、大きな曲面上に複数の小さな曲面を有している場合、ここでは大きな曲面に対する法線を指すものとする。また、表面が平面である場合に対しては垂線というが、以下の説明では、単純化のために法線と統一して表記することとする。

図５は、荷重により構造物１２にたわみなどが発生する場合の、構造物の下面を撮像した時（図３を参照）の面外変位を説明するための図である。図５では、構造物１２表面の、その法線方向（Ｚ方向）への移動量を、構造物のたわみによるものとし、たわみ量δとして表記している。なお、表面のＺ方向への移動量は、たわみ量だけには限定されず、例えば、荷重により構造物１２の全体が沈み込むことで移動する量などが、含まれていても良い。

図５に示すように、荷重により構造物１２にたわみ（たわみ量δ）が発生する場合、撮像部１１の撮像面には、Ｘ方向で、構造物表面の変位の２次元空間分布である面内変位Δｘに相当するΔｘ_ｉとは別に、たわみ量δによる面外変位δｘ_ｉが生じる。同様にＹ方向で、面内変位Δｙに相当するΔｙ_ｉと、たわみ量δによる面外変位δｙ_ｉが生じる。面外変位δｘ_ｉ、δｙ_ｉと、面内変位Δｘ_ｉ、Δｙ_ｉとは、撮像距離をＬ、レンズ焦点距離をｆ、構造物表面の撮像中心を原点とする座標を（ｘ、ｙ）とすると、それぞれ、式１、式２、式３、式４で表される。

例えば、構造物１２の荷重前後のたわみ量δが４ｍｍ、撮像距離Ｌが５ｍ、レンズ焦点距離ｆが５０ｍｍの場合、構造物１２の表面における撮像中心からの距離ｘが２００ｍｍにおいて、撮像面の面外変位δｘ_ｉは式１より１．６μｍとなる。一方、構造物１２の表面に１６０μｍの面内変位Δｘが存在する場合、式３より撮像面の面内変位Δｘ_ｉは１．６μｍとなる。このように、変位算出部２で算出された時系列画像の変位やＸ−Ｙ平面の２次元空間分布とする変位分布図には、面内変位と同等の面外変位が重畳されている場合がある。

ここで、式１と式２を面外変位ベクトルδｉ（δｘ_ｉ，δｙ_ｉ）、式３と式４を面内変位ベクトルΔｉ（Δｘ_ｉ，Δｙ_ｉ）としてまとめると、それぞれ式５と式６となる。

図６は、式５と式６で示される面外変位ベクトルδｉ（δｘ_ｉ，δｙ_ｉ）と面内変位ベクトルΔｉ（Δｘ_ｉ，Δｙ_ｉ）の関係を示す図である。図６において、面外変位ベクトルδｉ（δｘ_ｉ，δｙ_ｉ）は放射状のベクトル群（図６中細実線の矢印）となり、その大きさＲ（ｘ，ｙ）は式１と式２から式７のようになる。式７によれば、たわみ量δが一定であれば、その大きさは撮像中心からの距離に比例した値となり、比例定数を式８に示すようにｋと置けば、式７は式９のように表される。

ここで、変位算出部２で算出される変位分布は、面外変位ベクトルδｉ（δｘ_ｉ，δｙ_ｉ）（図６中細実線の矢印）と面内変位ベクトルΔｉ（Δｘ_ｉ，Δｙ_ｉ）（図６中太実線の矢印）との合成ベクトルである計測ベクトルＶ（Ｖｘ，Ｖｙ）（図６中点線の矢印）である。計測ベクトルＶ（Ｖｘ，Ｖｙ）の大きさをＲｍｅｓ（ｘ，ｙ）とすると、式１０、式１１のように表される。

図７Ａ、図７Ｂは、式７、式８、式９で与えられる面外変位ベクトルδｉ（δｘ_ｉ，δｙ_ｉ）の大きさＲ（ｘ，ｙ）の値の例を示したグラフである。図７Ａ、図７Ｂは、たわみ量δがそれぞれ１ｍｍ、４ｍｍの場合の面外変位ベクトルの大きさＲ（ｘ，ｙ）を示したグラフであり、どちらのグラフもたわむ前の撮像距離Ｌは５０００ｍｍ、焦点距離ｆは５０ｍｍである。図７Ａ、図７Ｂのグラフを比較して分かるように、双方のグラフは相似形であり、たわみ量δが大きいとその拡大率も大きくなる。この拡大率とは、式８で与えられる比例定数ｋに相当する。

図８は、図７Ｂのグラフに計測ベクトルＶ（Ｖｘ，Ｖｙ）の大きさＲｍｅｓ（ｘ，ｙ）を重ねて表示したグラフである。図８においてＲｍｅｓ（ｘ，ｙ）は細実線で示す。Ｒｍｅｓ（ｘ，ｙ）は、面内変位ベクトルΔｉ（Δｘ_ｉ，Δｙ_ｉ）に対して面外変位ベクトルの大きさＲ（ｘ，ｙ）が大きい場合、面外変位ベクトルの大きさＲ（ｘ，ｙ）と似た形状をしており、Ｒｍｅｓ（ｘ，ｙ）から、Ｒ（ｘ，ｙ）の拡大率を推定することが可能となる。Ｒ（ｘ，ｙ）の拡大率の推定は、式１２に示す評価関数Ｅ（ｋ）を最小にする比例定数ｋを求めることで行う。

式１２による拡大係数ｋの算出は、最小２乗法を用いて行う。評価関数Ｅ（ｋ）は、Ｒｍｅｓ（ｘ，ｙ）とＲ（ｘ，ｙ）の差の２乗和以外に、絶対値和や、他の累乗和等を用いてもよい。

補正量算出部３は、推定した拡大率ｋから、式８を用いてたわみ量δに変換する演算をして、面外変位ベクトルを推定する。変位補正部４は、変位算出部２で得られる計測ベクトルから、補正量算出部３で得られた面外変位ベクトルを補正量として減算することによって、面内変位ベクトルを抽出する。

以下、構造物１２が、図４Ｂに示すようなＹ方向に沿ったひび割れを有する場合を例として、面外変位を算出し、算出した面外変位を計測した変位から差し引いて、面内変位を抽出する例を説明する。変位算出部２による変位の算出には、図３に示す構造物１２の下面を、荷重印加前後で図中に示す撮像方向から撮像した時系列画像を用いている。

ここで、撮像距離は５ｍ、構造物１２は長さ２０ｍ、厚さ０．５ｍ、幅１０ｍのコンクリート（ヤング率４０ＧＰａ）とし、１０ｔの荷重をかけた場合と等価な条件の両持ち梁としている。画像の変位を計測する領域は、構造物１２表面のひび割れ部分を画像中心として、Ｘ方向、Ｙ方向共に±２００ｍｍの範囲としている。

例として、撮像部１１のカメラのレンズ焦点距離は５０ｍｍ、画素ピッチは５μｍとして、撮像距離５ｍにおいて２５０μｍの画素分解能が得られるようにしている。撮像部１１の撮像素子は、モノクロで水平２０００画素、垂直２０００画素の画素数の素子を使用し、撮像距離５ｍにおいて０．５ｍ×０．５ｍの範囲が撮像できるようにする。撮像素子のフレームレートは６０Ｈｚとする。また、変位算出部２における画像相関では、２次曲線補間によるサブピクセル変位推定を使用し、１/１００画素まで変位推定ができるようにし、２.５μｍの変位分解能が得られるようにすることができる。

以上の撮像部１１を用いた場合、画像変位計測領域（Ｘ方向、Ｙ方向共に−２００ｍｍから２００ｍｍの範囲）は、水平１６００画素、垂直１６００画素となる。この画素領域について式１から式１２の演算を行う。

図９Ａ、図９Ｂは、変位算出部２で得られた計測ベクトルＶ（Ｖｘ，Ｖｙ）のＹ＝０ｍｍにおけるＸ方向の変位分布、Ｘ＝０ｍｍにおけるＹ方向の変位分布をそれぞれ示す図である。図９Ａ、図９Ｂは、計測ベクトルＶ（Ｖｘ，Ｖｙ）に含まれている面外変位は考慮せず、式６から得られた変位を、構造物１２の被測定面の座標での変位としたグラフである。

Ｘ方向の変位を示す図９Ａでは、撮像範囲±２００ｍｍの範囲で±１７０μｍの変位が生じている。Ｙ方向の変位を示す図９Ｂでは、撮像範囲±２００ｍｍの範囲で±１６０μｍの変位が直線的に生じている。Ｘ方向の変位は、面内変位に面外変位が重畳された変位となっている。一方、Ｙ方向の変位は、面外変位のみの変位となっている。

変位算出部２で得られた計測ベクトルＶ（Ｖｘ，Ｖｙ）を用いて、式１２の評価関数Ｅ（ｋ）を最小にする比例定数ｋは、最小２乗法により０．０００００８と求められる。この値を式８に代入すると、たわみ量δは４ｍｍと求められる。このたわみ量δを式５に代入すると、面外変位ベクトルδｉ（δｘ_ｉ，δｙ_ｉ）が求められ、この結果を補正量算出部３の出力として、変位補正部４に入力する。

変位補正部４では、変位算出部２で得られた計測ベクトルＶ（Ｖｘ，Ｖｙ）から補正量算出部３で得られた面外変位ベクトルδｉ（δｘ_ｉ，δｙ_ｉ）を減算することで、面内変位ベクトルΔｉ（Δｘ_ｉ，Δｙ_ｉ）を求め、式６よりＸ方向、Ｙ方向それぞれの面内変位を算出する。

図１０Ａ、図１０Ｂは、変位補正部４の出力を示す。図１０ＡはＸ方向の変位を示すグラフであり、ひび割れ部では不連続な２０μｍの急激な変位が生じている。一方、図１０ＢはＹ方向の変位を示すグラフであり、変位は０である。図１０Ａ、図１０Ｂのように、面外変位を分離して構造物表面の面内変位を抽出することができる。

図１１は、補正量算出部３における補正量の算出方法において、構造物１２に傾斜がある場合についての面外変位を説明する図である。図１１に示すように、Ｙ軸を軸として構造物１２の表面の垂線がθだけ回転している場合、撮像部１１の光軸をｚ軸とした座標と構造物表面の法線をz’とした座標と関係は、式１３、式１４、式１５で示される。

さらに、θだけ回転した映像面のＸ−Ｙ座標は式１６、式１７で写像される。

よって、荷重の印加により構造物１２がたわむことでの座標Ｐ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）から座標Ｐ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２）への変位による、Ｘ方向の面外変位δｘｉ、Ｙ方向の面外変位δｙｉは、各々、式１８、式１９で示される（図１１中でＹ成分は図示せず）。

したがって、傾斜θがある場合、式７に式１８と式１９を代入した関数Ｒ（θ）が求まる。ここで、傾斜角θが未知である場合、θを０°から９０°まで例えば０．５°ステップで変化させて、各角度θにおける関数Ｒ（θ）を用いて、式１２の評価関数Ｅ（ｋ）を最小にするｋ（θ）を求める。そして、求めた全てのｋ（θ）の中で評価関数Ｅ（ｋ）を最小にする角度を傾斜角とする。この傾斜角におけるｋと式８の関係からたわみ量δが求められる。求められた傾斜角とたわみ量δと式１３、式１４、式１５、式１６、式１７、式１８、式１９の関係から面外変位ベクトルδｉ（δｘｉ，δｙｉ）が推定できる。

この結果を補正量算出部３の出力として、変位補正部４に入力する。変位補正部４では計測ベクトルＶ（Ｖｘ，Ｖｙ）から面外変位ベクトルδｉ（δｘｉ，δｙｉ）を減算することで、面内変位ベクトルΔｉ（Δｘｉ，Δｙｉ）が求められる。ここで、面内変位ベクトルΔｉ（Δｘｉ，Δｙｉ）に対して、荷重印加後表面への射影を式１３、式１４、式１５、式１６、式１７を用いて計算することで、構造物の面内変位を求めることが可能となる。

なお、図１１では、Ｙ軸を軸として、構造物１２表面の法線が撮像部１１の撮像方向の中心の光軸に対してθだけ回転している場合を取り扱ったが、Ｘ軸やＺ軸を軸とする場合も同様に考えて、補正を行うことができる。

変位補正部４の出力である構造物表面の面内変位は、微分変位算出部５で構造物表面の歪に置き換えられる。構造物表面の歪にヤング率を乗ずると応力となるので、このことから構造物表面の応力場が求まる。変位補正部４で得られた変位情報と、微分変位算出部５で得られた歪情報は、異常判定部６に入力される。

異常判定部６は、変位補正部４で得られた変位情報や微分変位算出部５で得られた歪情報に対して、欠陥の種類と場所を特定するために、２次元空間分布情報解析部７と時間変化情報解析部８とに、予め、欠陥を判定するための閾値や、欠陥の種類に対応した特徴的な変位や歪のパタンを備えている。そして、２次元空間分布情報解析部７と時間変化情報解析部８とは、変位情報や歪情報と前記閾値との比較や、前記パタンとのパタンマッチングにより、図４Ａ〜図４Ｄで示したような、健全な状態、もしくは、ひび割れや剥離や内部空洞といった欠陥を判定する。

図１０Ａは、Ｙ方向に沿ったひび割れが存在する場合の、荷重印加による構造物のＸ方向の表面の面内変位の例を示している。ひび割れ部では、不連続な２０μｍの急激な面内変位が生じていることが分かる。このような急激な変位は、欠陥の無い健全な状態では生じない。よって、予め不連続な変位の大きさに閾値を設けておくことで、これを上回る変位が確認されることでひび割れを検出することが可能である。

図１２Ａと図１２Ｂは、Ｙ方向に沿ったひび割れがある場合の、微分変位算出部５で算出されるひび割れ部の周りの応力場の分布を示した図である。図１２Ａに示すように、ひび割れにより応力方向が曲げられるため、図１２ＡにおけるＸ方向に引張応力が構造体の両端に働いている場合でも、ひび割れ近傍の応力方向は図１２Ｂに示すようにＹ方向の成分が発生する。したがって、このＹ方向の成分の有無の検出によってもひび割れを検出できる。なお、このようなひび割れ周りの応力場は、線形応答を示す弾性体においては応力拡大係数としてその分布が知られているので、その情報を利用することも可能である。

図１３Ａ〜１３Ｄに、ひび割れ周りの変位量の２次元変位分布の例を示す。図１３Ａと図１３Ｂは、それぞれ、図４Ｂにおける水平方向（Ｘ方向）と図４Ｂにおける紙面に垂直な方向（Ｙ方向）の変位量等高線である。図１３Ａに示すように、Ｘ方向に関して、ひび割れがない領域よりひび割れ周りでは変位量等高線の密度が疎となる。これは、図１０Ａに示したひび割れ部分での急激な変位の、外側の緩やかな変位の部分に相当する。この部分での変位は、ひび割れが無いときの変位よりも緩やかとなる。

また、図１３Ｂに示すように、Ｙ方向に関して、ひび割れ部分の周辺に変位のＹ方向の成分が生じる。これは、図１２Ｂに示した、応力場（歪）のＹ方向の成分に対応する。

図１３Ｃと図１３Ｄは、それぞれ、図１３Ａと図１３Ｂの場合よりひび割れが深い場合を示す。この場合、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれに関してひび割れ周りでは変位量等高線の密度がより疎になる。この疎密の情報から、ひび割れの深さを知ることも可能である。

以上のひび割れの判定は、図２における異常判定部６内の２次元空間分布情報解析部７で行われる。

ひび割れがある場合、図１０Ａに示したように、ひび割れ部では、ひび割れの開きが大きくなることに対応して変位量が急増する。よって、Ｘ方向もしくはＹ方向の単位長さ当りの変位量の閾値を、各々、予め設けておくことで、閾値を超える変位量が検出された場所にひび割れがあると推定することができる。

また、Ｘ方向の歪は、ひび割れ部では急激に増大する。このことから、Ｘ方向の歪の値に閾値を予め設けておくことで、閾値を上回る歪が検出された場所にひび割れがあると推定することができる。

また、図１２Ａ、図１２Ｂに示したように、ひび割れがある場合、Ｙ方向の歪が生じる。よって、Ｙ方向の歪の値に閾値を予め設けておくことで、閾値を上回る歪が検出された場所にひび割れがあると推定することができる。

以上の各閾値は、構造物と同様の寸法や材質を用いてのシミュレーションや、縮小模型による実験などにより設定することができる。さらに、実際の構造物を長期間にわたって測定し蓄積されたデータから設定することもできる。

以上の判定は、以上のような数値による比較によらずとも、以下に説明する様なパタンマッチング処理によっても可能である。

図１４Ａ〜１４Ｃは、２次元空間分布情報解析部７による変位分布のパタンマッチング処理を説明する図である。変位補正部４や微分変位算出部５によれば、図１３Ａ〜１３Ｄに示したように、Ｘ−Ｙ平面に変位量を変位分布図として表すことができる。２次元空間分布情報解析部７は、図１４Ａに示すように、予め記憶されたひび割れ周りの変位のＸ方向のパタンを回転、拡大縮小して、変位補正部４で得られた変位分布図とのパタンマッチングにより、ひび割れの方向と深さを判定することができる。ここで、予め記憶されたひび割れ周りの変位のＸ方向のパタンは、ひび割れの深さや幅ごとに予めシミュレーションなどにより作成しておくことができる。

また、２次元空間分布情報解析部７は、図１４Ｂに示すように、予め記憶されたひび割れ周りの変位のＹ方向のパタンを回転、拡大縮小して、変位補正部４で得られた変位分布図とのパタンマッチングにより、ひび割れの方向と深さを判定する。ここで、予め記憶されたひび割れ周りの変位のＹ方向のパタンは、ひび割れの深さや幅ごとに予めシミュレーションなどにより作成しておくことができる。

また、２次元空間分布情報解析部７は、図１４Ｃに示すように、予め記憶されたひび割れ周りの変位の微分ベクトル場のパタンを回転、拡大縮小して、微分変位算出部５で得られた微分ベクトル場（応力場に相当）とのパタンマッチングにより、ひび割れの方向と深さを判定する。ここで、予め記憶されたひび割れ周りの変位の微分ベクトル場のパタンは、ひび割れの深さや幅ごとに予めシミュレーションなどにより作成しておくことができる。

前記パタンマッチングには相関演算を用いている。パタンマッチングにはその他の各種統計的演算手法を用いてもよい。

以上、構造物１２がひび割れを有する場合について説明を行ってきたが、以下に、内部空洞を有する場合と剥離を有する場合とについて説明を行う。

図１５Ａと図１５Ｂは、図４Ｄに示すような内部空洞が存在する場合の撮像方向から見た面の応力の２次元分布を示す。図１５Ａは斜視図であり、図１５Ｂは平面図である。図１５Ｂに示すように、荷重によって図のＸ方向に応力が働くが、空洞部分では応力場が曲がるため、応力に図のＹ方向の成分が存在する。

図１６Ａ〜１６Ｃは、内部空洞が存在する場合の撮像方向から見た面の変位の等高線及び応力場を示した図であり、変位のＸ成分の等高線を図１６Ａに、変位のＹ成分の等高線を図１６Ｂに、応力場を図１６Ｃにそれぞれ示す。

空洞部分では、図４Ｄの説明で述べた通り歪量が小さくなるので、図１６Ａに示す変位のＸ成分の等高線の密度が小さくなる。また、図１６Ｂに示す変位のＹ成分の等高線は閉じた曲線となる。さらに、図１６Ｃに示す、変位の微分である応力場は空洞部分で曲がることとなる。表面の応力場は空洞部分が表面に近いほどその影響が顕著になるため、応力場の曲がり方から空洞部分の表面からの深さを推定することもできる。

ここで、２次元空間分布情報解析部７で予め記憶された空洞周りの変位のＸ方向の変位のパタン、空洞周りの変位のＹ方向の変位のパタン、および微分ベクトル場（応力場に相当）を、ひび割れを判定した時と同様に、図１４Ａに図１６Ａを、図１４Ｂに図１６Ｂを、図１４Ｃに図１６Ｃを適用すると、内部空洞の位置および深さの状態判定をすることができる。前記パタンマッチングには相関演算を用いているが、その他の統計的演算手法を用いてもよい。

また、内部空洞を有する場合も、Ｙ方向の変位量やＹ方向の歪の特徴から、これらの変位量や歪に閾値を予め設けて、これを上回る場合に内部空洞があると推定することもできる。

図１７Ａと図１７Ｂは、内部空洞がある構造体に荷重を短時間与えた場合（インパルス刺激という）の応答を説明する図である。インパルス刺激は、例えば、荷重を掛ける位置に掛けることができる。このインパルス刺激に対する、図１７Ａに示すＡ、Ｂ、Ｃの表面の各点での変位の時間応答を、図１７Ｂに示す。内部空洞がないＡ点では、応力伝達が早く変位の振幅も大きい。一方、Ｃ点では、内部空洞中は応力が伝達しないため、応力は空洞の周辺から伝達するため、応力伝達が遅くかつ変位の振幅が小さい。また、Ａ点とＣ点の中間にあるＢ点での応力伝達時間と振幅は、Ａ点とＣ点の中間の値となる。従って、構造体を撮像方向から見た面の面内における変位分布を、異常判定部６内の時間変化情報解析部８で周波数解析をすると、共振周波数近傍の振幅と位相とから内部空洞の領域を特定できる。また、共振周波数のずれから内部空洞を判定してもよい。

なお、荷重を長時間与えた場合であっても、荷重を与えた初期段階では図１７Ｂに相当する変位の変動が確認される。但しこの場合、変位の収束値はゼロではなく荷重にバランスする値となる。よって、荷重を長時間与えた場合も、時間変化情報解析部８により内部空洞の領域を特定できる。

以上の変位の時間応答の処理は、時間変化情報解析部８において高速フーリエ変換を用いた周波数解析により行われる。また、周波数解析にはウェーブレット変換等の各種周波数解析法を用いてもよい。

図１８Ａ〜１８Ｃは、剥離が存在する場合の撮像方向から見た面の変位の等高線及び応力場を示した図であり、変位のＸ成分の等高線を図１８Ａに、変位のＹ成分の等高線を図１８Ｂに、応力場を図１８Ｃにそれぞれ示す。

図４Ｃに示すように、剥離が存在する場合、梁状の構造物の下面から見た外観ではひび割れと同様の外観が観察される。しかしながら、剥離部分とその上部との間には応力伝達がないため、荷重前後の変位は剥離部分において一定方向に一定量が平行移動するだけであり、その空間微分値である歪は発生しない。

図１８Ａは、変位のＸ成分の等高線を示す。剥離部分は歪がなく一定方向に移動するため等高線が存在しない。この特徴を用いて、異常判定部６は剥離が存在すると判定する。また、図中のＡ点の部分は剥離による断裂で応力が伝達しづらいので、健全部分であるＢ点に比べて等高線が疎になる。異常判定部６はこの性質を用いて剥離部分と健全部分とを判定してもよい。

図１８Ｂは、変位のＹ成分の等高線を示す。剥離部分の外周の外側にはＹ方向の変位が生じる。この特徴を用いて、異常判定部６は剥離が存在すると判定することができる。また、図１８Ｃに示す変位の微分である応力場は、剥離部分では０かその近傍の値となる。この特徴を用いて、異常判定部６は剥離が存在すると判定することができる。

ここで、２次元空間分布情報解析部７で予め記憶された剥離周りの変位のＸ方向の変位のパタン、空洞周りの変位のＹ方向の変位のパタン、および微分ベクトル場（応力場に相当）を、ひび割れの深さを判定した時と同様に、図１４Ａに図１８Ａを、図１４Ｂに図１８Ｂを、図１４Ｃに図１８Ｃを適用すると、剥離の位置の判定をすることができる。前記パタンマッチングには相関演算を用いているが、その他の統計的演算手法を用いてもよい。

図１９は、剥離を有する構造体がインパルス刺激を受けた場合の時間応答を示す図である。時間応答では、剥離部分と健全部分とでは変位の方向が逆、すなわち位相が１８０°異なる波形となる。また、剥離部分は軽くなっているため振幅が大きい。構造体を撮像方向から見た面の面内における変位分布を時間変化情報解析部８で周波数解析をすることで、振幅と位相から剥離部分を特定できる。また、剥離部分は構造体全体から浮いているため、構造体全体とは別の周波数成分を含んでいる場合があるため、共振周波数のずれから剥離部分を判定してもよい。

以上の処理において時間変化情報解析部８における周波数解析は高速フーリエ変換を用いている。周波数解析にはウェーブレット変換等の各種周波数解析法を用いてもよい。

図２０は、図２の状態判定装置１の状態判定方法を示すフローチャートである。

ステップＳ１で、状態判定装置１の変位算出部２は、撮像部１１で撮像された荷重を印加する前後での構造物１２の表面の時系列画像において、荷重を印加する前後での変位量を算出する基準となる荷重印加前のフレーム画像を取り込み、さらに、荷重印加後のフレーム画像を時系列に取り込む。

さらに、変位算出部２は、基準となる荷重印加前の画像に対する荷重印加後の画像のＸ、Ｙ方向の変位量を算出する。さらに、算出した変位量の２次元分布をＸ−Ｙ平面に表示した変位分布図（変位量の等高線）としてもよい。さらに、変位算出部２は、算出した変位量もしくは変位分布図を、補正量算出部３と変位補正部４に入力する。

ステップＳ２で、補正量算出部３は、変位算出部２が算出した時系列画像の変位の２次元空間分布から、荷重により構造物１２がたわむなどして構造物１２表面がその法線方向へ移動する距離情報と、撮像部１１の光軸と構造物１２の表面の法線とのなす角度の傾斜情報とを推定する。

ステップＳ３で、補正量算出部３は、距離情報と傾斜情報とから、面外変位を算出する。

ステップＳ４で、変位補正部４は、変位算出部２で得られた変位量から補正量算出部３で得られた面外変位を減算して面内変位を抽出する。すなわち、変位補正部４は、基準となる荷重印加前に対する、荷重印加後の構造物１２の表面のＸ−Ｙ方向の面内変位を算出する。さらに、算出した面内変位の２次元分布をＸ−Ｙ平面に表示した変位分布図（変位量の等高線）としてもよい。変位補正部４は、算出した結果を微分変位算出部５と異常判定部６に入力する。

ステップＳ５で、微分変位算出部５は、変位補正部４から入力された面内変位もしくは変位分布図を空間微分して、微分変位量（応力値）もしくは微分変位分布図（応力場）を算出する。微分変位算出部５は、算出した結果を異常判定部６に入力する。

以下のステップＳ６、ステップＳ７、ステップＳ８は、異常判定部６の２次元空間分布情報解析部７が構造体の欠陥であるひび割れ、剥離、内部空洞を判定するステップである。判定方法としては、前述したパタンマッチングによる方法と、閾値による方法を挙げて説明する。

ステップＳ６で、異常判定部６の２次元空間分布情報解析部７は、入力されたＸ方向の変位量もしくは変位分布図から、ひび割れ、剥離、内部空洞の状態を判定する。

まず、パタンマッチングによる判定方法を説明する。２次元空間分布情報解析部７は、図１４Ａ、図１６Ａ、図１８Ａに示すような、ひび割れや内部空洞や剥離の幅や深さなどに対応して予め作成された変位分布パタンをデータベースとして備えている。２次元空間分布情報解析部７は、変位補正部４から入力されたＸ方向の変位分布図に対して、これらの変位分布パタンを回転、拡大縮小してパタンマッチングし、Ｘ−Ｙ平面における欠陥の位置や種類を判定する。

次に、変位量の閾値による判定方法を説明する。２次元空間分布情報解析部７は、入力されたＸ方向の変位量に基づいて、例えば、変位量の連続性を判定する。すなわち、図１０Ａに示したように、変位量の閾値以上の急峻な変化の有無により、連続性の無し有りを判定する。２次元空間分布情報解析部７は、Ｘ−Ｙ平面上のいずれかの箇所に連続性が無い急峻な変化がある場合、当該箇所にひび割れや剥離が存在する可能性があると判定し、不連続フラグＤｉｓＣ（ｘ，ｙ，ｔ）に１をセットするとともに、急峻な変化がある箇所の変位量データを数値情報として記録する。ここでｔは、ステップＳ１で取り込んだフレーム画像の時系列画像上の時刻である。

異常判定部６は、パタンマッチングにより判定した欠陥の情報、もしくは、変位量の閾値により判定した不連続フラグＤｉｓＣ（ｘ，ｙ，ｔ）や数値情報を、異常マップ作成部９に入力する。

ステップＳ７で、異常判定部６の２次元空間分布情報解析部７は、入力されたＹ方向の変位量もしくは変位分布図から、ひび割れ、剥離、内部空洞の状態を判定する。

まず、パタンマッチングによる判定方法を説明する。２次元空間分布情報解析部７は、図１４Ｂ、図１６Ｂ、図１８Ｂに示すような、ひび割れや内部空洞や剥離の幅や深さなどに対応して予め作成された変位分布パタンをデータベースとして備えている。２次元空間分布情報解析部７は、変位補正部４から入力されたＹ方向の変位分布図に対して、これらの変位分布パタンを回転、拡大縮小することによってパタンマッチングし、Ｘ−Ｙ平面における欠陥の位置や種類を判定する。

次に、変位量の閾値による判定方法を説明する。ひび割れ、剥離、内部空洞の欠陥がある場合、Ｙ方向にも変位量が発生する。よって、２次元空間分布情報解析部７は、予め定められた閾値より大きい変位量を検知した場合、当該箇所に欠陥があると判定して、直交フラグｏｒｔｈｏ（ｘ，ｙ，ｔ）に1をセットするとともに、閾値より大きい変位量を検知した箇所の変位量データを数値情報として記録する。

異常判定部６は、パタンマッチングにより判定した欠陥の情報、もしくは、変位量により判定した直交フラグｏｒｔｈｏ（ｘ，ｙ，ｔ）や数値情報を、異常マップ作成部９に入力する。

ステップＳ８で、異常判定部６の２次元空間分布情報解析部７は、入力された微分変位量（応力値）もしくは微分変位分布図（応力場）から、ひび割れ、剥離、内部空洞の状態を判定する。

まず、パタンマッチングによる判定方法を説明する。２次元空間分布情報解析部７は、図１４Ｃ、図１６Ｃ、図１８Ｃに示すような、ひび割れや内部空洞や剥離の幅や深さなどに対応して予め作成された変位分布パタンをデータベースとして備えている。２次元空間分布情報解析部７は、微分変位算出部５から入力された微分変位分布図に対して、これらの変位分布パタンを回転、拡大縮小することによってパタンマッチングし、Ｘ−Ｙ平面における欠陥の位置や種類を判定する。

次に、微分変位量の閾値による判定方法を説明する。例えば、Ｘ方向の歪は、ひび割れ部では変位の微分値が発散するため、急増する。このことから、歪の値に閾値を予め設けておくことで、閾値を上回る歪が検出された箇所にひび割れがあると判定することができる。２次元空間分布情報解析部７は、入力された微分変位量に基づいて、当該箇所にひび割れが存在すると判定し、微分値フラグＤｉｆｆ（ｘ，ｙ，ｔ）に１をセットするとともに、欠陥箇所の微分変位量データを数値情報として記録する。

異常判定部６は、パタンマッチングにより判定した欠陥の情報、もしくは、微分変位量により判定した微分値フラグＤｉｆｆ（ｘ，ｙ，ｔ）や数値情報を、異常マップ作成部９に入力する。

ステップＳ９で、変位算出部２は、時系列画像の各フレーム画像の処理が完了したかを判定する。すなわち、時系列画像のフレーム数がｎ枚であった場合、ｎ枚目の処理が終わったか否かを判定する。処理がｎ枚に満たない場合（ＮＯ）、ステップＳ１からの処理を繰り返す。これをｎ枚が終了するまで繰り返す。なお、ｎは全フレーム数には限定されず、任意の数に設定することができる。処理がｎ枚を終了した場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０で、異常判定部６の時間変化情報解析部８は、ｎ枚のフレーム画像に対応した時系列の変位量もしくは変位分布図から、図１７Ｂや図１９に示したような変位の時間応答を解析する。すなわち、ｎ枚の変位分布図Ｉ（ｘ，ｙ，ｎ）から、時間周波数分布（時間周波数をｆとする）が振幅Ａ（ｘ，ｙ，ｆ）、位相Ｐ（ｘ，ｙ，ｆ）として算出される。時間変化情報解析部８は、時間周波数分布が図１７Ｂのように場所によって位相が異なる特徴を有する場合、位相ずれを生じている箇所に内部空洞があると判定する。また、図１９のように変位の極性が反転している場合、その間の箇所に剥離があると判定する。時間変化情報解析部８は、以上の時間周波数分布の算出結果と欠陥の判定結果を、異常マップ作成部９に入力する。

ステップＳ１１で、異常マップ作成部９は、以上のステップで入力された情報に基づいて、異常マップ（ｘ，ｙ）を作成する。２次元空間分布情報解析部７および時間変化情報解析部８から送られた結果は、Ｘ-Ｙ座標上の点（ｘ，ｙ）に関与するデータ群である。これらのデータは、異常判定部６内の２次元空間分布情報解析部７および時間変化情報解析部８にて、構造物の状態が判定されている。

これらの判定は、Ｘ方向の変位量もしくは変位分布図、Ｙ方向の変位量もしくは変位分布図、微分変位量もしくは微分変位分布図、さらには変位や微分変位の時間応答についてなされている。そのため、異常マップ作成部９は、例えば、Ｙ方向の変位量での判定が付かないなどのデータの欠落を生じたとしても、Ｘ方向の変位量と微分変位量での判定が付いていることによって、Ｘ−Ｙ座標中の当該の箇所の状態を決定できる。そして、この決定に基づいて、異常マップ（ｘ，ｙ）を作成することができる。

また、欠陥状態の判定に際しては、Ｘ方向変位、Ｙ方向変位、微分変位の判定が喰い違った場合、多数決により決定しても良い。また、判定基準である閾値と最も差の大きい項目に決定しても良い。

また、異常マップ作成部９は、前述の各種数値情報に基づいて、欠陥の程度を表現することができる。例えば、ひび割れの幅や深さ、剥離の寸法、内部空洞の寸法や表面からの深さなどを表現することができる。

また、異常判定部６内の２次元空間分布情報解析部７および時間変化情報解析部８で行う構造物の欠陥状態の判定を、異常マップ作成部９が異常マップ（ｘ，ｙ）を作成する際に行うようにすることもできる。すなわち、２次元空間分布情報解析部７および時間変化情報解析部８からは解析データを入手し、解析データに基づく欠陥状態の判定を、異常マップ作成部９が行うようにしても良い。

また、異常マップ作成部９の結果出力は、人が表示装置で直接可視化できる形態の情報でもよいし、機械が読み込むための形態の情報でもよい。

本実施形態において、例えば、撮像部１１のレンズ焦点距離は５０ｍｍ、画素ピッチは５μｍとして、撮像距離５ｍにおいて５００μｍの画素分解能が得られるようにすることができる。撮像部１１の撮像素子は、モノクロで水平２０００画素、垂直２０００画素の画素数のものを使用し、撮像距離５ｍにおいて、１ｍ×１ｍの範囲が撮像できるようにすることができる。撮像素子のフレームレートは６０Ｈｚとすることができる。

また、変位算出部２における画像相関では、２次曲線補間によるサブピクセル変位推定を使用し、１/１００画素まで変位推定ができるようにし、５μｍの変位分解能が得られるようにすることができる。画像相関におけるサブピクセル変位推定には、以下の各種方法を用いることができる。また、変位微分において微分時のノイズ削減のために平滑フィルタを使用することができる。

サブピクセル変位推定には、２次曲面、等角直線などによる補間を使用してもよい。また、画像相関演算には、ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）法、ＳＳＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）法、ＮＣＣ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法、ＺＮＣＣ（Ｚｅｒｏ−ｍｅａｎ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法などの各種方法を用いてもよい。また、これらの方法と前述のサブピクセル変位推定法とのいかなる組み合わせを用いてもよい。

撮像部１１のレンズ焦点距離、撮像素子の画素ピッチ、画素数、フレームレートは、測定対象に応じて適宜変更してもよい。

本実施形態において、例えば、梁状構造物は橋梁に、荷重は走行車両に相当するとすることができる。以上の説明では、梁状構造物上に荷重をかけて説明したが、荷重が走行車両のように橋梁上を移動する場合でも、同様に、ひび割れ、内部空洞、剥離の検出が可能である。また、材料力学的に以上の説明と同様の挙動を呈するものであれば、他の材料やサイズや形状を有する構造物、構造物に荷重を載せるのとは異なる荷重方法、例えば、荷重を吊り下げるなどの荷重方法によるものにも適用することができる。

また、構造物の表面変位の空間２次元分布の時系列信号を計測できるものであれば、時系列画像に限らず、アレイ状のレーザドップラセンサや、アレイ状の歪ゲージ、アレイ状の振動センサ、アレイ状の加速度センサ等を用いてもよい。これらアレイ状のセンサから得られる空間２次元の時系列信号を画像情報として扱ってもよい。

本実施形態では、構造物表面の法線方向への移動による面外変位を算出するための距離情報や傾斜情報を、荷重印加前後での構造物表面を撮像した画像から取得することができる。構造物表面の法線方向への移動量は、構造物の側面方向から、荷重によるたわみ量を測定することによって得ることが原理的には可能である。しかしながら、例えば、構造物が橋梁などの場合、橋梁の側面からの測定は作業をする上で極めて困難であり、そのため、測定精度も低くなる。本実施形態は、この作業上の問題も解決できるので、構造物表面の画像の変位を高い精度で補正することができる。また、本実施形態では、側面方向からたわみ量を測定するための装置や設備も必要ないことから、コストの増大を抑制できる。

以上のように、本実施形態によれば、遠隔から非接触で構造物のひび割れや剥離や内部空洞などの欠陥を、コストを抑制しつつ精度良く検出することが可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）
構造物表面の荷重印加前後の時系列画像から、前記時系列画像の変位の２次元空間分布を算出する変位算出部と、
前記時系列画像の変位の２次元空間分布から、前記荷重印加による前記構造物表面の法線方向への移動量に基づく補正量を算出する補正量算出部と、
前記時系列画像の変位の２次元空間分布から前記補正量を差し引いて、前記構造物表面の変位の２次元空間分布を抽出する変位補正部と、
前記構造物表面の変位の２次元空間分布と、予め備えられた変位の空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する異常判定部と、を有する、状態判定装置。
（付記２）
前記補正量算出部は、前記時系列画像から前記構造物の傾斜角度を推定し、前記傾斜角度で補正した前記移動量に基づいて前記補正量を算出する、付記１記載の状態判定装置。
（付記３）
前記構造物表面の変位の２次元空間分布から２次元微分空間分布を算出する微分変位算出部を有し、前記異常判定部は、前記２次元微分空間分布と、予め備えられた微分変位の微分空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記１または２記載の状態判定装置。
（付記４）
前記異常判定部は、前記構造物表面の変位の２次元空間分布の時間変化に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記１から３の内の１項記載の状態判定装置。
（付記５）
前記異常判定部は、前記２次元微分空間分布の時間変化に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記３または４記載の状態判定装置。
（付記６）
前記異常判定部は、前記構造物表面の変位の変位量と、予め備えられた閾値との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記１から５の内の1項記載の状態判定装置。
（付記７）
前記異常判定部は、前記構造物表面の変位の微分変位量と、予め備えられた閾値との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記３から６の内の１項記載の状態判定装置。
（付記８）
前記異常判定部の判定結果に基づいて、前記欠陥の場所と種類を示す異常マップを作成する異常マップ作成部を有する、付記１から７の内の１項記載の状態判定装置。
（付記９）
前記欠陥の種類は、ひび割れ、剥離、内部空洞を含む、付記１から８の内の１項記載の状態判定装置。
（付記１０）
前記予め備えられた変位の空間分布と前記予め備えられた微分変位の微分空間分布は、前記ひび割れ、前記剥離、前記内部空洞の情報に基づく、付記９記載の状態判定装置。
（付記１１）
前記２次元空間分布は、前記変位のＸ−Ｙ平面におけるＸ方向の変位の分布、前記変位のＸ−Ｙ平面におけるＹ方向の変位の分布を含む、付記１から１０の内の１項記載の状態判定装置。
（付記１２）
構造物表面の荷重印加前後の時系列画像から前記時系列画像の変位の２次元空間分布を算出する変位算出部と、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から、前記荷重印加による前記構造物表面の法線方向への移動量に基づく補正量を算出する補正量算出部と、前記時系列画像の変位の２次元空間分布から前記補正量を差し引いて、前記構造物表面の変位の２次元空間分布を抽出する変位補正部と、前記構造物表面の変位の２次元空間分布と予め備えられた変位の空間分布との比較に基づいて前記構造物の欠陥を特定する異常判定部と、を有する状態判定装置と、
前記時系列画像を撮像し前記状態判定装置に提供する撮像部と、を有する、状態判定システム。
（付記１３）
前記補正量算出部は、前記時系列画像から前記構造物の傾斜角度を推定し、前記傾斜角度で補正した前記移動量に基づいて前記補正量を算出する、付記１２記載の状態判定システム。
（付記１４）
前記構造物表面の変位の２次元空間分布から２次元微分空間分布を算出する微分変位算出部を有し、前記異常判定部は、前記２次元微分空間分布と、予め備えられた微分変位の微分空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記１２または１３記載の状態判定システム。
（付記１５）
前記異常判定部は、前記構造物表面の変位の２次元空間分布の時間変化に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記１２から１４の内の１項記載の状態判定システム。
（付記１６）
前記異常判定部は、前記２次元微分空間分布の時間変化に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記１４または１５記載の状態判定システム。
（付記１７）
前記異常判定部は、前記構造物表面の変位の変位量と、予め備えられた閾値との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記１２から１６の内の１項記載の状態判定システム。
（付記１８）
前記異常判定部は、前記構造物表面の変位の微分変位量と、予め備えられた閾値との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記１４から１７の内の１項記載の状態判定システム。
（付記１９）
前記異常判定部の判定結果に基づいて、前記欠陥の場所と種類を示す異常マップを作成する異常マップ作成部を有する、付記１２から１８の内の１項記載の状態判定システム。
（付記２０）
前記欠陥の種類は、ひび割れ、剥離、内部空洞を含む、付記１２から１９の内の１項記載の状態判定システム。
（付記２１）
前記予め備えられた変位の空間分布と前記予め備えられた微分変位の微分空間分布は、前記ひび割れ、前記剥離、前記内部空洞の情報に基づく、付記２０記載の状態判定システム。
（付記２２）
前記２次元空間分布は、前記変位のＸ−Ｙ平面におけるＸ方向の変位の分布、前記変位のＸ−Ｙ平面におけるＹ方向の変位の分布を含む、付記１２から２１の内の１項記載の状態判定システム。
（付記２３）
構造物表面の荷重印加前後の時系列画像から、前記時系列画像の変位の２次元空間分布を算出し、
前記時系列画像の変位の２次元空間分布から、前記荷重印加による前記構造物表面の法線方向への移動量に基づく補正量を算出し、
前記時系列画像の変位の２次元空間分布から前記補正量を差し引いて、前記構造物表面の変位の２次元空間分布を抽出し、
前記構造物表面の変位の２次元空間分布と、予め備えられた変位の空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、状態判定方法。
（付記２４）
前記時系列画像から前記構造物の傾斜角度を推定し、前記傾斜角度で補正した前記移動量に基づいて前記補正量を算出する、付記２３記載の状態判定方法。
（付記２５）
前記２次元空間分布から前記２次元空間分布の２次元微分空間分布を算出し、
前記２次元微分空間分布と、予め備えられた微分変位の微分空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記２３または２４記載の状態判定方法。
（付記２６）
前記２次元空間分布の時間変化に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記２３から２５の内の１項記載の状態判定方法。
（付記２７）
前記２次元微分空間分布の時間変化に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記２５または２６記載の状態判定方法。
（付記２８）
前記構造物表面の変位の変位量と、予め備えられた閾値との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記２３から２７の内の１項記載の状態判定方法。
（付記２９）
前記構造物表面の変位の微分変位量と、予め備えられた閾値との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、付記２５から２８の内の１項記載の状態判定方法。
（付記３０）
前記判定結果に基づいて、前記欠陥の場所と種類を示す異常マップを作成する、付記２３から２９の内の１項記載の状態判定方法。
（付記３１）
前記欠陥の種類は、ひび割れ、剥離、内部空洞を含む、付記２３から３０の内の１項記載の状態判定方法。
（付記３２）
前記予め備えられた変位の空間分布と前記予め備えられた微分変位の微分空間分布は、前記ひび割れ、前記剥離、前記内部空洞の情報に基づく、付記３１記載の状態判定方法。
（付記３３）
前記２次元空間分布は、前記変位のＸ−Ｙ平面におけるＸ方向の変位の分布、前記変位のＸ−Ｙ平面におけるＹ方向の変位の分布を含む、付記２３から３２の内の１項記載の状態判定方法。

この出願は、２０１５年３月２０日に出願された日本出願特願２０１５−０５７０４７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、トンネルや橋梁などの構造物に発生するひび割れや剥離や内部空洞などの欠陥を、遠隔から観察して検出する装置やシステムへの利用が可能である。

１、１００ 状態判定装置
２ 変位算出部
３ 補正量算出部
４ 変位補正部
５ 微分変位算出部
６ 異常判定部
７ ２次元空間分布情報解析部
８ 時間変化情報解析部
９ 異常マップ作成部
１０ 状態判定システム
１１ 撮像部
１２ 構造物
１３ 欠陥

Claims (10)

1. 構造物表面の荷重印加前後の時系列画像から、前記時系列画像の変位の２次元空間分布を算出する変位算出手段と、
   前記時系列画像の変位の２次元空間分布から、前記荷重印加による前記構造物表面の法線方向への移動量に基づく補正量を算出する補正量算出手段と、
   前記時系列画像の変位の２次元空間分布から前記補正量を差し引いて、前記構造物表面の変位の２次元空間分布を抽出する変位補正手段と、
   前記構造物表面の変位の２次元空間分布と、予め備えられた変位の空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する異常判定手段と、を有する、状態判定装置。
2. 前記補正量算出手段は、前記時系列画像から前記構造物の傾斜角度を推定し、前記傾斜角度で補正した前記移動量に基づいて前記補正量を算出する、請求項１記載の状態判定装置。
3. 前記構造物表面の変位の２次元空間分布から２次元微分空間分布を算出する微分変位算出手段を有し、前記異常判定手段は、前記２次元微分空間分布と、予め備えられた微分変位の微分空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、請求項１または２記載の状態判定装置。
4. 前記異常判定手段は、前記構造物表面の変位の２次元空間分布の時間変化に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、請求項１から３の内の１項記載の状態判定装置。
5. 前記異常判定手段は、前記２次元微分空間分布の時間変化に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、請求項３または４記載の状態判定装置。
6. 前記異常判定手段は、前記構造物表面の変位の変位量と、予め備えられた閾値との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、請求項１から５の内の1項記載の状態判定装置。
7. 前記異常判定手段は、前記構造物表面の変位の微分変位量と、予め備えられた閾値との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、請求項３から６の内の１項記載の状態判定装置。
8. 前記異常判定手段の判定結果に基づいて、前記欠陥の場所と種類を示す異常マップを作成する異常マップ作成手段を有する、請求項１から７の内の１項記載の状態判定装置。
9. 請求項１から８の内の１項記載の状態判定装置と、
   前記時系列画像を撮像し前記状態判定装置に提供する撮像手段と、を有する、状態判定システム。
10. 構造物表面の荷重印加前後の時系列画像から、前記時系列画像の変位の２次元空間分布を算出し、
    前記時系列画像の変位の２次元空間分布から、前記荷重印加による前記構造物表面の法線方向への移動量に基づく補正量を算出し、
    前記時系列画像の変位の２次元空間分布から前記補正量を差し引いて、前記構造物表面の変位の２次元空間分布を抽出し、
    前記構造物表面の変位の２次元空間分布と、予め備えられた変位の空間分布との比較に基づいて、前記構造物の欠陥を特定する、状態判定方法。

Images