WO2019235409A1 - 変位量測定装置、変位量測定方法、および記録媒体 - Google Patents

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    • G06T2207/30184—Infrastructure

Definitions

  • the present invention relates to a technique for remotely measuring the amount of displacement in the surface of a structure.
  • defects such as cracks, delamination and internal cavities that occur on the surface of the structure can adversely affect the soundness of the structure. It is necessary to detect defects.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose a technique for detecting a defect in a structure based on a stress generated in the structure.
  • Non-Patent Document 1 discloses a method of measuring the amount of displacement (referred to as in-plane displacement) of a crack region in the in-surface direction from a moving image obtained by photographing the surface of a structure.
  • Patent Document 4 describes a technique for measuring an out-of-plane displacement of a structure by changing an optical distance between the camera and the structure using an optical path length conversion element such as a glass plate.
  • a displacement measuring apparatus includes an image sensor that images the surface of a test object, and the image sensor between the test object and the image sensor. Obtained using the optical path length conversion means arranged to cover a part of the visual field, and an image captured by the imaging element, in the visual field of the imaging element not covered by the optical path length conversion means, A first displacement amount in the surface of the test object and a second displacement amount in the surface of the test object obtained in the field of view of the imaging device covered with the optical path length conversion means are calculated. An out-of-plane displacement that calculates the distance from the test object to the imaging device and the out-of-plane displacement of the test object based on the image analysis means, the first displacement amount, and the second displacement amount Calculating means.
  • a displacement amount measuring method includes an image sensor that images the surface of a test object, and the image sensor between the test object and the image sensor.
  • An optical path length converting means arranged to cover a part of the field of view of the optical path length converting means, and a displacement amount measuring method performed using an apparatus comprising the image picked up by the image sensor.
  • a recording medium includes an imaging device that images the surface of a test object, and a field of view of the imaging device between the test object and the imaging device. And a field of view of the image sensor that is not covered by the optical path length converter using an image captured by the image sensor using a device provided with an optical path length converter disposed so as to cover a part of Obtained by the first displacement amount in the surface of the test object, and the second displacement in the surface of the test object obtained in the field of view of the imaging device covered with the optical path length conversion means. Calculating a displacement amount, and calculating a distance from the test object to the imaging device and an out-of-plane displacement of the test object based on the first displacement amount and the second displacement amount.
  • a program for causing a computer to execute is stored.
  • the relationship between the measured value by an image pick-up element in case there exists in-plane displacement is represented. It is a figure which shows the modification of the optical path length conversion part concerning 1st embodiment. It is a figure which shows the other modification of the optical path length conversion part concerning 1st embodiment. It is a flowchart which shows the flow of the displacement measuring method which the displacement measuring device concerning 1st embodiment performs. It is a figure which shows what kind of stress arises in a structure by a load when a structure is healthy. In the case where a crack is present on the surface imaged by the imaging device, the stress and strain generated in the structure by the load are shown. When peeling exists on the surface imaged by the imaging device, stress and strain generated in the structure due to the load are shown.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a displacement measuring apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the displacement measuring device 100 includes an imaging device 1 and a signal processing unit 2.
  • the imaging device 1 generates a time-series frame image (hereinafter referred to as a time-series image) by repeatedly imaging the surface of the test object 10. That is, the time-series image is composed of a plurality of frame images.
  • the frame rate of the time-series image is 60 Hz, for example.
  • the signal processing unit 2 calculates the distance from the imaging device 1 to the test object 10 based on the time-series image generated by the imaging device 1, and based on the difference between the frame images, the surface of the test object 10 The displacement within is calculated.
  • the signal processing unit 2 is an information device such as a PC (Personal Computer) or a server, for example.
  • Each unit constituting the signal processing unit 2 is realized by a CPU (Central Processing Unit) that is a computing resource of an information device operating a program using a memory or an HDD (Hard Disk Drive) that is a storage resource. can do.
  • a CPU Central Processing Unit
  • HDD Hard Disk Drive
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the configuration of the imaging apparatus 1.
  • the imaging apparatus 1 includes a lens 12 and an imaging element 13.
  • the imaging device 1 further includes an optical path length conversion unit 11.
  • the optical path length conversion unit 11 is disposed on the opposite side of the imaging element 13 with respect to the lens 12.
  • the optical path length conversion unit 11 may be flat glass, for example. Or the optical path length conversion part 11 may be formed with the other material which has a refractive index higher than air.
  • the optical path length conversion unit 11 is an example of an optical path length conversion unit.
  • the focal length of the lens 12 is 100 mm, and the pixel pitch on the imaging surface of the imaging element 13 is 5 ⁇ m. In this case, if the imaging distance is 5 m, the imaging element 13 can obtain a pixel resolution of 250 ⁇ m. When the imaging element 13 includes 2000 pixels horizontally and 2000 pixels vertically, it can capture a range of 0.5 m ⁇ 0.5 m.
  • the focal length of the lens 12, the pixel pitch of the image sensor 13, the number of pixels, and the frame rate may be changed as appropriate according to the subject (test object 10).
  • the imaging device 1 transmits time-series image data to the signal processing unit 2.
  • the signal processing unit 2 included in the displacement measuring device 100 includes a total displacement calculating unit 3, an out-of-plane displacement calculating unit 4, and an in-plane displacement calculating unit 5.
  • the total displacement amount calculation unit 3 receives the time series image from the imaging device 1 and calculates the displacement amount within the surface of the test object 10 based on the difference between the frame images of the received time series image.
  • the total displacement calculation unit 3 calculates the displacement (referred to as the total displacement) in the surface of the test object 10 by image correlation calculation based on the correlation or change between the frame images of the time-series images. Also good.
  • the total displacement calculation unit 3 can calculate a total displacement of 1/100 level of the pixel pitch of the image sensor 13 by using a quadratic curve interpolation method in the image correlation calculation.
  • the total displacement calculation unit 3 may calculate the total displacement using a gradient method instead of the image correlation calculation.
  • the total displacement calculation unit 3 may generate a displacement distribution diagram in a two-dimensional space based on the calculated total displacement. When there is an inclination between the normal direction of the surface of the test object 10 and the optical axis of the lens 12, the total displacement calculation unit 3 performs a perspective projection conversion, thereby correcting the inclination angle. You may go.
  • the out-of-plane displacement calculation unit 4 is a distance from the surface of the test object 10 to the imaging device 1 (referred to as a depth distance) and a displacement amount in the normal direction of the surface of the test object 10 (referred to as an out-of-plane displacement). Is calculated.
  • the out-of-plane displacement calculator 4 is an example of an out-of-plane displacement calculator.
  • the in-plane displacement calculation unit 5 subtracts the out-of-plane displacement calculated by the out-of-plane displacement calculation unit 4 from the total displacement amount calculated by the total displacement amount calculation unit 3, that is, the in-surface direction of the test object 10, that is, the target object.
  • a displacement amount (referred to as in-plane displacement) in a direction parallel to the surface of the specimen 10 is calculated.
  • the in-plane displacement calculation unit 5 is an example of an in-plane displacement calculation unit.
  • interpolation using a quadratic curved surface or a conformal straight line may be used.
  • SAD Sum of Absolute Difference
  • SSD Squared Difference
  • NCC Normalized Cross Correlation
  • ZNCC Zero-memberedCorrelationCorrelation method
  • FIG. 3 shows an optical arrangement at the time of imaging a test object by the imaging apparatus 1.
  • the surface of the test object 10 in a certain frame image is indicated by reference numeral 24, and the surface of the test object 10 in the next frame image is indicated by reference numeral 25.
  • the object planes indicated by reference numerals 24 and 25 are referred to as surfaces 24 and 25 below.
  • the xy axis is two axes orthogonal to each other in the in-surface direction of the test object 10 without distortion
  • the z axis is the normal direction of the surface of the test object 10 without distortion.
  • the z axis coincides with the optical axis direction of the lens 12.
  • the symbol ⁇ represents the distance from the surface 24 to the surface 25.
  • the distance ⁇ is the out-of-plane displacement of the test object 10.
  • the out-of-plane displacement ⁇ is an example of a first displacement amount in the surface of the test object 10 obtained in the field of view of the image sensor 13 that is not covered by the optical path length conversion unit 11.
  • Reference numeral 26 represents a virtual image of the surface 24 in the field of view of the image sensor 13 via the optical path length converter 11.
  • Reference numeral 27 represents a virtual image of the surface 25 in the visual field of the image sensor 13 through the optical path length converter 11.
  • both the reference numerals 26 and 27 are referred to as virtual image planes.
  • the optical path length change amount d indicates how much the surface 24 appears to be lifted in the visual field of the image sensor 13 through the optical path length converter 11, that is, how close the surface 24 appears to the image sensor 13.
  • the optical path length conversion unit 11 included in the imaging device 1 is arranged so as to be shifted from the optical axis of the lens 12.
  • the optical path length conversion unit 11 covers a part of the field of view of the lens 12.
  • the distance represented by ( ⁇ + d) is an example of the second displacement amount in the surface of the test object 10 obtained in the field of view of the image sensor 13 covered with the optical path length conversion unit 11. It is.
  • the optical path length conversion unit 11 has a flat plate shape with a thickness t of 30 mm, and when the refractive index n is 1.5, the optical path length variation d is 10 mm according to Equation 1.
  • the coordinate xi on the image sensor 13 that is an image of the coordinate x of the surface 24. Is displaced by ⁇ gx (xi) in the x direction. While the displacement ⁇ of the coordinate x of the surface 24 is referred to as an out-of-plane displacement, the displacement ⁇ gx (xi) of the coordinate xi projected on the image sensor 13 is hereinafter referred to as an out-of-projection displacement.
  • a value obtained by dividing ⁇ gx (xi) shown in Equation 2 by xi shown in Equation 5 is Mgx (xi), and ⁇ ax (xi) shown in Equation 3 is divided by xi shown in Equation 4 as Max (xi).
  • Mgx (xi) and Max (xi) are represented by the following formulas 6 and 7. (Formula 6) (Formula 7)
  • the optical path length change amount d is a known value because it is determined by the refractive index (> 1) of the optical path length conversion unit 11.
  • the total amount of displacement when there is no in-plane displacement on the surfaces 24 and 25 of the structure 20 matches the out-of-projection displacement ( ⁇ gx (xi), ⁇ ax (xi)). Since the out-of-projection displacement ( ⁇ gx (xi), ⁇ ax (xi)) can be calculated in real time in each frame, Mgx (xi) and Max (xi) represented by Equation 6 and Equation 7 It can be calculated in real time in the frame. When the out-of-plane displacement ⁇ of the structure 20 is constant in the surfaces 24 and 25, Mgx (xi) and Max (xi) are constant regardless of xi.
  • the out-of-plane displacement calculation unit 4 calculates the average value of Mgx (xi) and Max (xi) in consideration of the difference between the out-of-plane displacements ⁇ within the surfaces 24 and 25 and the possibility of measurement noise. Also good.
  • ⁇ is about 5 mm (5 0.025mm) and L are calculated to be about 5000 mm (5020.020015 mm).
  • the distance (L- ⁇ ) from the lens 12 to the surface 25 is 5015 mm.
  • the out-of-plane displacement calculation unit 4 calculates the equation 6 And according to Equation 7, the out-of-plane displacement ⁇ can be calculated.
  • the method of calculating the out-of-plane displacement from the out-of-projection displacement in the x direction has been described.
  • the optical axis direction (z direction) of the lens 12 and the y direction orthogonal to the x direction are also the same method.
  • the out-of-plane displacement can be calculated from the out-of-projection displacement.
  • the out-of-plane displacement can be calculated by the method described here.
  • FIG. 4 shows the field of view of the image sensor 13. More specifically, FIG. 4 shows how the test object 10 looks from the image sensor 13.
  • the symbol V ⁇ b> 1 represents the field of view of the image sensor 13 that does not pass through the optical path length converter 11.
  • Reference numeral V ⁇ b> 2 represents the field of view of the image sensor 13 through the optical path length converter 11.
  • the optical path length conversion unit 11 covers approximately half of the entire visual field of the image sensor 13.
  • the shape and arrangement of the optical path length conversion unit 11 are not particularly limited.
  • the test object 10 is enlarged as compared to the visual field V1 not through the optical path length conversion unit 11. That is, in the visual field V2 of the image sensor 13 through the optical path length conversion unit 11, it appears that the test object 10 approaches the image sensor 13 by the optical path length change amount d shown in FIG.
  • FIG. 5a is a diagram showing the total amount of displacement within the surface of the test object 10 when there is no in-plane displacement. When there is no in-plane displacement, the total displacement amount matches the out-of-plane displacement.
  • the arrow in the figure represents the total displacement vector.
  • the total displacement vector represents the magnitude and direction of the total displacement viewed from the image sensor 13, but does not exist on the actual image.
  • the size of the total displacement vector is enlarged as compared to the field of view V1 not through the optical path length conversion unit 11.
  • FIG. 5b is a graph showing the relationship between the measured values ⁇ gx (xi), ⁇ ax (xi), and xi measured by the image sensor 13.
  • the origin of the coordinate system shown in FIG. 5 b corresponds to the imaging center of the imaging device 1.
  • ⁇ gx (xi) and ⁇ ax (xi) increase. In other words, the total displacement vector increases as the distance from the imaging center increases.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating the total displacement amount in the surface of the test object 10 when there is an in-plane displacement.
  • the total amount of displacement when there is in-plane displacement is the sum of the out-of-plane displacement and the in-plane displacement.
  • the thin solid line arrow represents the out-of-projection displacement vector ⁇ ( ⁇ xi, ⁇ yi).
  • the thick solid line arrow represents the in-plane displacement vector ⁇ ( ⁇ xi, ⁇ yi).
  • the total displacement vector V (Vxi, Vyi) is a combined vector of the out-of-projection displacement vector ⁇ ( ⁇ xi, ⁇ yi) and the in-plane displacement vector ⁇ ( ⁇ xi, ⁇ yi).
  • FIG. 6b shows the relationship between the measured values ⁇ gx (xi), ⁇ ax (xi), and xi measured by the image sensor 13 when there is an in-plane displacement.
  • the relationship between the measured values ⁇ gx (xi), ⁇ ax (xi), and xi when there is no in-plane displacement is indicated by a solid line.
  • a function R (x, y) representing the magnitude of the out-of-projection displacement vector ⁇ ( ⁇ xi, ⁇ yi) in the field of view of the image sensor 13 without passing through the optical path length conversion unit 11 is expressed by the following Expression 8. (Formula 8)
  • Equation 8 Equation 8 .
  • the coefficient portion is k. That is, k is defined by Equation 9 below. (Formula 9)
  • Expression 8 is expressed as Expression 10 below. (Formula 10)
  • the total displacement vector V (Vxi, Vyi), which is a measured value, is expressed as the following Expression 11. (Formula 11)
  • a function R (x, y, k) is a function with k on the right side of Expression 10 as a variable.
  • the evaluation function E (k) may be an absolute value sum of Rmes (x, y) and the function R (x, y), or another power sum.
  • a proportionality constant ka (corresponding to k in Expression 9) in the field of view of the image sensor 13 without passing through the optical path length conversion unit 11 can be calculated.
  • a value obtained by dividing the proportionality constant ka thus calculated by xi corresponds to the representative value Max_rep of the inclination Max (xi) of the out-of-projection displacement graph shown in FIGS. 5B and 6B. That is, the representative value Max_rep is as shown in Expression 14 when Expression 4 is used. Note that a representative value of the inclination of the out-of-projection displacement graph can be calculated for the y direction by the same method. (Formula 14)
  • the in-plane displacement calculation unit 5 subtracts the out-of-plane displacement vector ⁇ ( ⁇ xi, ⁇ yi) calculated by the out-of-plane displacement calculation unit 4 from the total displacement vector V (Vxi, Vyi), thereby obtaining an in-plane displacement vector ⁇ . ( ⁇ xi, ⁇ yi) is calculated.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an optical path length conversion unit 11a according to a modification of the optical path length conversion unit 11 according to the present embodiment.
  • the optical path length conversion unit 11 a includes a plurality of mirrors 51.
  • the light from the test object 10 is reflected many times between the plurality of mirrors 51 and then enters the lens 12.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an optical path length conversion unit 11b according to another modification of the optical path length conversion unit 11 according to the present embodiment.
  • the optical path length conversion unit 11 b includes a plurality of portions 111 and 112.
  • the plurality of portions 111 and 112 have different refractive indexes. For this reason, the magnification of the field of view of the image sensor 13 through the portion 111 is different from that of the field of view of the image sensor 13 through the portion 112. Different from the portion 112.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the flow of the displacement amount measuring method executed by the displacement amount measuring apparatus 100.
  • the total displacement calculation unit 3 receives a time-series image obtained by the imaging device 1 imaging the surface of the test object 10 (S1).
  • the out-of-plane displacement calculator 4 calculates the depth distance L from the measured values Vxi and Vyi (the xi and yi components of the total displacement vector shown in FIG. 6a) measured by the image sensor 13 in accordance with the above-described equations 8 to 13. And out-of-plane displacement ⁇ are calculated (S3).
  • the in-plane displacement calculation unit 5 subtracts the out-of-projection displacement calculated from the out-of-plane displacement calculated by the out-of-plane displacement calculation unit 4 from the total displacement calculated by the total displacement calculation unit 3.
  • An in-plane displacement within the surface of the object 10 is calculated (S4).
  • the total displacement calculation unit 3 determines whether or not the total displacement has been calculated for predetermined n (> 1) frame images included in the time-series image (S5).
  • the flow returns to step S1, and the total displacement amount calculation unit 3 performs the next frame image included in the time-series image.
  • the total amount of displacement is calculated using a set of the above, that is, the m + 1th and m + 2th frame images.
  • FIG. 10 shows what kind of stress is generated in the structure 20 by the load when the structure 20 is healthy. As shown in FIG. 10, when the structure 20 is healthy, compressive stress and tensile stress are generated on the surface of the structure 20.
  • the strain amount is a value representing the magnitude and direction of deformation of the structure 20 and is calculated by differentiation of in-plane displacement.
  • the surface of the structure 20 is characterized in that a large change in in-plane displacement occurs with strain.
  • FIG. 11 shows stress and strain generated in the structure 20 due to a load when cracks are present on the surface of the structure 20 photographed by the imaging apparatus 1.
  • strain and in-plane displacement due to tensile stress exist in the vicinity of the crack on the surface imaged by the imaging apparatus 1.
  • the transmission of the tensile stress is weakened, so that the amount of strain is small and the in-plane displacement is constant.
  • FIG. 12 shows stress and strain generated in the structure 20 due to a load when there is peeling on the surface of the structure 20 photographed by the imaging device 1.
  • the imaging device 1 captures an image
  • the surface of the structure 20 is peeled off, and since the amount of strain is almost zero, the in-plane displacement is constant.
  • out-of-plane displacement and strain due to tensile stress occur, and thus the in-plane displacement changes.
  • FIG. 13 shows stress and strain generated in the structure 20 due to a load when a cavity exists inside the structure 20.
  • the internal cavity functions to disperse the stress due to the load, so that the amount of distortion is reduced on the surface imaged by the imaging device 1. That is, in the same way as when the structure 20 is cracked, the in-plane displacement is almost constant on the surface imaged by the imaging device 1 even when there is a cavity inside the structure 20.
  • the optical path length conversion unit is disposed between the structure and the image sensor so as to cover a part of the field of view of the image sensor.
  • the optical path length from the test object to the image sensor becomes longer. That is, the imaging device can image the surface of the structure from two different optical path lengths at a time.
  • the signal processing unit calculates the out-of-plane displacement and the depth distance of the structure in the field of view of the image sensor not covered by the optical path length conversion unit and the field of view of the image sensor covered by the optical path length conversion unit.
  • the signal processing unit calculates the in-plane displacement by subtracting the out-of-projection displacement from the total displacement amount in the surface of the structure.
  • the signal processing unit outputs information on the in-plane displacement, the out-of-plane displacement, and the depth distance thus calculated. For example, the user determines the presence / absence of a defect in the structure and the type of the defect based on the output information. Therefore, it is possible to accurately detect a defect of the structure without contact.
  • FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of the displacement measuring apparatus 200 according to this embodiment.
  • the displacement measuring device 200 uses the imaging device 1 to capture a time-series image of the surface of the structure 20, calculates the displacement of each part of the structure 20 from the time-series image, and from the imaging device 1 to the structure. A distance up to 20 is also calculated.
  • the displacement measuring device 200 measures the depth distance, the out-of-plane displacement, and the in-plane displacement from the time series images before and after the deformation.
  • the state determination unit 73 acquires data relating to the depth distance, the out-of-plane displacement, and the in-plane displacement from the displacement amount measuring apparatus 200, and diagnoses the state of the structure 20 using the acquired data.
  • the state determination unit 73 acquires information indicating a correspondence relationship between the depth distance and the amount of displacement and the state of deterioration of the structure 20.
  • the state determination unit 73 may acquire threshold information for determining a defect or information indicating a characteristic displacement and distortion pattern (FIGS. 11 to 13) corresponding to the type of defect.
  • the state determination unit 73 determines the presence / absence of defects such as cracks, separation, and internal cavities of the structure 20 and the type of defects based on the acquired information.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a state determination method by the displacement measuring apparatus 200 according to this embodiment.
  • steps S1 to S6 are the same as the displacement amount measuring method shown in the flowchart of FIG. In the present embodiment, the description from step S1 to step S6 is omitted.
  • step S6 the state determination unit 73 diagnoses the state of the structure 20 (S7).
  • the state determination unit 73 may output the diagnosis result of the state of the structure 20 to an external device such as a display device. As a result, the user can determine whether or not repair of the structure 20 or precise inspection is necessary by looking at the output diagnosis result.
  • the displacement amount and the depth distance in the surface of the structure are calculated at a time. Based on the calculated displacement and depth distance, the presence / absence of a defect in the structure and the type of the defect are determined. Therefore, the state of the structure can be diagnosed from the remote location of the structure without contact.
  • the configuration of the displacement measuring apparatus according to the present embodiment is the same as that of the displacement measuring apparatus 200 according to the second embodiment (FIG. 14).
  • FIG. 16 is a graph showing a response (referred to as impulse response) when an extremely short-time impact is applied to the surface of the structure 20 (referred to as impulse stimulus).
  • the impulse response is a temporal change in displacement and strain of the structure 20 with respect to the impulse stimulus.
  • 16A shows an impulse response when the structure 20 is in a healthy state. As shown in the graph A, when the structure 20 is in a healthy state, the stress is quickly transmitted in the structure 20, so that the displacement is large and the convergence is quick.
  • Graphs B and C in FIG. 16 respectively show impulse responses when the structure 20 is in a deteriorated state.
  • the deterioration here is, for example, cracking, peeling, or internal cavity (FIGS. 11 to 13).
  • the displacement is smaller and convergence is slower than when the structure 20 is in a healthy state.
  • the state determination unit 73 (FIG. 14) of the displacement measuring device uses the means described in the second embodiment, such as a threshold value or pattern matching, or has the characteristic of the impulse response described above. Based on the pattern, it is determined whether the structure 20 is in a healthy state or has defects such as cracks, peeling, and internal cavities.
  • the state of the structure is determined using the characteristics of the structure indicated by the impulse response. Therefore, it can be determined more accurately whether the structure has a defect.
  • FIG. 17 is a block diagram showing a configuration of a displacement measuring apparatus 300 according to the present embodiment.
  • the displacement amount measuring apparatus 300 includes an image sensor 310, an optical path length conversion unit 320, an image analysis unit 330, and an out-of-plane displacement calculation unit 340.
  • the image sensor 310 images the surface of the test object.
  • the optical path length conversion unit 320 is disposed between the test object and the image sensor 310 so as to cover a part of the field of view of the image sensor 310.
  • the optical path length conversion unit 11 is an example of an optical path length conversion unit.
  • the image analysis unit 330 uses the image captured by the image sensor 310 and the first displacement amount in the surface of the test object obtained in the field of view of the image sensor 310 not covered by the optical path length conversion unit 320.
  • the second displacement amount in the surface of the test object obtained from the field of view of the image sensor 310 covered with the optical path length conversion unit 320 is calculated.
  • the image analysis unit 330 is an example of an image analysis unit.
  • the out-of-plane displacement calculation unit 340 calculates the distance from the test object to the image sensor 310 and the out-of-plane displacement of the test object based on the first displacement amount and the second displacement amount.
  • the out-of-plane displacement calculator 340 is an example of an out-of-plane displacement calculator.
  • the optical path length conversion unit is disposed between the test object and the imaging device so as to cover a part of the field of view of the imaging unit. Therefore, the imaging device of the imaging unit can image the test object from two different optical path lengths at a time. Thus, the displacement amount and the depth distance in the surface of the test object can be calculated at a time from the image obtained by imaging by the imaging device. Thereby, the defect of a structure can be detected accurately with non-contact.
  • each component of each device represents a functional unit block.
  • a part or all of each component of each device is realized by an arbitrary combination of an information processing device 900 and a program as shown in FIG. 18, for example.
  • FIG. 18 is a block diagram illustrating an example of a hardware configuration of the information processing apparatus 900 that realizes each component of each apparatus.
  • the information processing apparatus 900 includes the following configuration as an example.
  • CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • a program 904 loaded into the RAM 903
  • a storage device 905 that stores the program 904
  • a drive device 907 that reads and writes the recording medium 906
  • a communication interface 908 connected to the communication network 909
  • Each component of each device in each embodiment is realized by the CPU 901 acquiring and executing a program 904 that realizes these functions.
  • a program 904 for realizing the function of each component of each device is stored in advance in, for example, the storage device 905 or the ROM 902, and the CPU 901 loads the RAM 903 and executes it as necessary.
  • the program 904 may be supplied to the CPU 901 via the communication network 909, or may be stored in the recording medium 906 in advance, and the drive device 907 may read the program and supply it to the CPU 901.

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Abstract

構造物の欠陥を非接触で精度良く検出する。光路長変換部（３２０）は、被検物と撮像素子（３１０）との間に、撮像素子（３１０）の視野の一部を覆うように配置されており、画像解析部（３３０）は、撮像素子（３１０）が撮影した画像を用いて、光路長変換部（３２０）に覆われていない／覆われた撮像素子（３１０）の２つの視野で得られた、被検物の表面内における変位量を算出し、面外変位算出部（３４０）は、算出された変位量に基づいて、被検物の面外変位を算出する。

Description

変位量測定装置、変位量測定方法、および記録媒体
　本発明は、構造物の表面内における変位量を遠隔から測定する技術に関する。
　トンネルや橋梁など、コンクリート製の構造物においては、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、構造物の健全性に悪影響を及ぼし得るため、できるだけ早く正確に、これらの欠陥を検出することが必要となる。
　一般的には、検査員が目視検査や打音検査を行うことによって、構造物の欠陥を検出しているが、この方法には、多大な人的コストがかかり、また作業中に交通規制をすることが必要になるという問題がある。
　そこで、構造物の画像に基づいて、構造物の状態を判定する方法が開発されている。例えば、特許文献１に開示された技術では、構造物をカメラで撮影することによって得られた画像を２値化処理し、生成した２値化画像中から、ひび割れ等の欠陥に対応する特徴を検出する。
　特許文献２および特許文献３には、構造物に発生する応力に基づいて、構造物の欠陥を検出する技術が開示されている。また、非特許文献１には、構造物の表面を撮影した動画像から、表面内方向におけるひび割れ領域の変位量（面内変位と呼ぶ）を測定する方法が開示されている。
　構造物に荷重がかかるとき、構造物がたわむ。これにより、構造物の表面が、表面の法線方向に変位する（面外変位と呼ぶ）。しかしながら、関連する技術では、欠陥による面内変位と、欠陥によらない面外変位とを区別できないため、欠陥の検出精度が低下する可能性がある。
　特許文献４には、ガラス板などの光路長変換素子を用いて、カメラと構造物との間の光学距離を変化させることにより、構造物の面外変位を測定する技術が記載されている。
特開２００３－０３５５２８号公報 特開２００８－２３２９９８号公報 特開２００６－３４３１６０号公報 国際公開第２０１７／１７９５３５号
　しかしながら、特許文献４に記載された技術では、カメラと構造物との間に、光路長変換素子を介在させた状態と、光路長変換素子を介在させない状態とで、少なくとも２回の測定を行う必要があるため、測定作業に時間がかかるという問題がある。また、特許文献４に記載された技術では、光路長変換素子を移動させるための可動部を設ける必要があるが、光学系が可動部を含むことは、測定の精度を低下させる原因になる。
　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、構造物の欠陥を非接触で精度良く検出することを可能とすることにある。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係わる変位量測定装置は、被検物の表面を撮像する撮像素子と、前記被検物と前記撮像素子との間に、前記撮像素子の視野の一部を覆うように配置された光路長変換手段と、前記撮像素子が撮影した画像を用いて、前記光路長変換手段に覆われていない前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第一の変位量と、前記光路長変換手段に覆われた前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第二の変位量とを算出する画像解析手段と、前記第一の変位量および前記第二の変位量に基づいて、前記被検物から前記撮像素子までの距離、および、前記被検物の面外変位を算出する面外変位算出手段と、を備えている。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係わる変位量測定方法は、被検物の表面を撮像する撮像素子と、前記被検物と前記撮像素子との間に、前記撮像素子の視野の一部を覆うように配置された光路長変換手段と、を備えた装置を用いて行う変位量測定方法であって、前記撮像素子が撮影した画像を用いて、前記光路長変換手段に覆われていない前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第一の変位量と、前記光路長変換手段に覆われた前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第二の変位量とを算出することと、前記第一の変位量および前記第二の変位量に基づいて、前記被検物から前記撮像素子までの距離、および、前記被検物の面外変位を算出することとを含む。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係わる記録媒体は、被検物の表面を撮像する撮像素子と、前記被検物と前記撮像素子との間に、前記撮像素子の視野の一部を覆うように配置された光路長変換手段と、を備えた装置を用いて、前記撮像素子が撮影した画像を用いて、前記光路長変換手段に覆われていない前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第一の変位量と、前記光路長変換手段に覆われた前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第二の変位量とを算出することと、前記第一の変位量および前記第二の変位量に基づいて、前記被検物から前記撮像素子までの距離、および、前記被検物の面外変位を算出することとをコンピュータに実行させるためのプログラムを格納している。
　本発明によれば、構造物の欠陥を非接触で精度良く検出することができる。
第一の実施形態に係わる変位量測定装置の構成を示すブロック図である。 第一の実施形態に係わる変位量測定装置が備えた撮像部の詳細な構成を示す図である。 撮像部による被検物の撮影時における光学配置を示す図である。 撮像部が備えた撮像素子から見た被検物を示す図である。 面内変位がない場合における、被検物の表面内の変位量を示す。 面内変位がない場合における、撮像素子による測定値の間の関係を表す。 面内変位がある場合における、被検物の表面内の変位量を示す図である。 面内変位がある場合における、撮像素子による測定値の間の関係を表す。 第一の実施形態に係わる光路長変換部の一変形例を示す図である。 第一の実施形態に係わる光路長変換部の他の変形例を示す図である。 第一の実施形態に係わる変位量測定装置が実行する変位量測定方法の流れを示すフローチャートである。 構造物が健全である場合に、荷重によって構造物にどのような応力が生じるのかを示す図である。 撮像装置が撮影する表面にひび割れが存在する場合に、荷重によって構造物に生じる応力および歪を示す。 撮像装置が撮影する表面に剥離が存在する場合に、荷重によって構造物に生じる応力および歪を示す。 構造物の内部に空洞が存在する場合に、荷重によって構造物に生じる応力および歪を示す。 第二の実施形態に係わる変位量測定装置の構成を示すブロック図である。 第二の実施形態に係わる変位量測定装置が実行する変位量測定方法の流れを示すフローチャートである。 構造物に荷重を短時間の刺激を与えた場合の応答を示すグラフである。 第三の実施形態に係わる変位量測定装置の構成を示すブロック図である。 第四の実施形態に係わる情報処理装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
　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はいずれも、本発明の範囲を限定するものではない。
　〔第一の実施形態〕
　（変位量測定装置１００）
　図１は、本発明の第一の実施形態に係わる変位量測定装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、変位量測定装置１００は、撮像装置１および信号処理部２を備えている。
　撮像装置１は、被検物１０の表面を繰り返し撮像することによって、時系列のフレーム画像（以下、時系列画像と呼ぶ）を生成する。すなわち、時系列画像は、複数のフレーム画像で構成されている。時系列画像のフレームレートは、例えば、６０Ｈｚである。
　信号処理部２は、撮像装置１が生成した時系列画像に基づいて、撮像装置１から被検物１０までの距離を算出するとともに、フレーム画像間における差異に基づいて、被検物１０の表面内における変位を算出する。信号処理部２は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）やサーバなどの情報機器である。
　信号処理部２を構成する各部は、情報機器の有する演算資源であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が、記憶資源であるメモリやＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）を用いて、プログラムを動作させることによって、実現することができる。
　（撮像装置１）
　図２は、撮像装置１の構成を概略的に示す図である。図２に示すように、撮像装置１は、レンズ１２および撮像素子１３を備えている。また、撮像装置１は、光路長変換部１１をさらに備えている。光路長変換部１１は、レンズ１２に対して、撮像素子１３と反対側に配置されている。光路長変換部１１は、例えば平板ガラスであってよい。あるいは、光路長変換部１１は、空気よりも高い屈折率を有する他の材料で形成されていてもよい。光路長変換部１１は、光路長変換手段の一例である。
　一例において、レンズ１２の焦点距離は１００ｍｍ、撮像素子１３の撮像面における画素ピッチは５μｍである。この場合、撮像距離が５ｍならば、撮像素子１３は、２５０μｍの画素分解能を得られる。撮像素子１３は、水平に２０００画素、垂直に２０００画素を備えている場合、０．５ｍ×０．５ｍの範囲を撮像することができる。
　レンズ１２の焦点距離、撮像素子１３の画素ピッチ、画素数、およびフレームレートは、被写体（被検物１０）に応じて適宜変更されてもよい。
　撮像装置１は、時系列画像のデータを信号処理部２へ送信する。
　（信号処理部２）
　図１に示すように、変位量測定装置１００が備えた信号処理部２は、全変位量算出部３と、面外変位算出部４と、面内変位算出部５とを備える。
　全変位量算出部３は、撮像装置１から時系列画像を受信し、受信した時系列画像のフレーム画像間における差異に基づいて、被検物１０の表面内における変位量を算出する。
　例えば、全変位量算出部３は、時系列画像のフレーム画像間の相関または変化に基づいて、画像相関演算によって、被検物１０の表面内の変位（全変位量と呼ぶ）を算出してもよい。全変位量算出部３は、画像相関演算において２次曲線補間法を使用することにより、撮像素子１３の画素ピッチの１／１００のレベルの全変位量を算出することができる。あるいは、全変位量算出部３は、画像相関演算の代わりに、勾配法を用いて、全変位量を算出してもよい。
　全変位量算出部３は、算出した全変位量に基づいて、２次元空間における変位分布図を生成してもよい。被検物１０の表面の法線方向とレンズ１２の光軸との間に傾斜がある場合、全変位量算出部３は、透視投影変換を実行することによって、傾斜の角度に相当する補正を行ってもよい。
　面外変位算出部４は、被検物１０の表面から撮像装置１までの距離（奥行距離と呼ぶ）、および、被検物１０の表面の法線方向における変位量（面外変位と呼ぶ）を算出する。面外変位算出部４は、面外変位算出手段の一例である。
　面内変位算出部５は、全変位量算出部３が算出した全変位量から、面外変位算出部４が算出した面外変位を差し引くことによって、被検物１０の表面内方向、すなわち被検物１０の表面に平行な方向における変位量（面内変位と呼ぶ）を算出する。面内変位算出部５は、面内変位算出手段の一例である。
　面外変位算出部４による面外変位の算出、および、面内変位算出部５による面内変位の算出には、２次曲面、または等角直線による補間を使用してもよい。また、画像相関の演算のために、ＳＡＤ（Ｓｕｍ　ｏｆ　Ａｂｓｏｌｕｔｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）法、ＳＳＤ（Ｓｕｍ　ｏｆ　Ｓｑｕａｒｅｄ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）法、ＮＣＣ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ　Ｃｒｏｓｓ　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法、またはＺＮＣＣ（Ｚｅｒｏ－ｍｅａｎ　Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ　Ｃｒｏｓｓ　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法などを用いてもよい。あるいは、これらの方法を組み合わせてもよい。
　（撮像装置１の光学配置）
　図３は、撮像装置１による被検物の撮影時における光学配置を示す。
　図３では、あるフレーム画像における被検物１０の表面を符号２４で示し、次のフレーム画像における被検物１０の表面を符号２５で示している。以下では、符号２４、２５によって示される物体面を、以下では表面２４、２５と呼ぶ。図３において、ｘｙ軸は、歪のない被検物１０の表面内方向における互いに直交する２軸であり、ｚ軸は、歪のない被検物１０の表面の法線方向である。ｚ軸は、レンズ１２の光軸方向と一致する。
　符号δは、表面２４から表面２５までの距離を表す。距離δは、被検物１０の面外変位である。面外変位δは、光路長変換部１１によって覆われていない撮像素子１３の視野で得られた、被検物１０の表面内における第一の変位量の一例である。
　符号２６は、光路長変換部１１を介した撮像素子１３の視野における、表面２４の虚像を表す。符号２７は、光路長変換部１１を介した撮像素子１３の視野における、表面２５の虚像を表す。以下では、符号２６および符号２７を、どちらも虚像面と呼ぶ。
　光路長変換部１１は、撮像素子１３から見て、表面２４からレンズ１２までの距離（奥行距離と呼ぶ）をＬからＬ´＝（Ｌ－ｄ）に変化させる。この変化量ｄ（＝Ｌ－Ｌ´）のことを、以下では光路長変化量と呼ぶ。光路長変化量ｄは、光路長変換部１１を介した撮像素子１３の視野において、表面２４がどれだけ浮き上がって見えるか、すなわち表面２４が撮像素子１３にどれだけ近づいて見えるかを示す。
　図３に示すように、撮像装置１が備えた光路長変換部１１は、レンズ１２の光軸からずらして配置されている。光路長変換部１１は、レンズ１２の視野の一部を覆っている。また、図３において、（δ＋ｄ）で表される距離は、光路長変換部１１に覆われた撮像素子１３の視野で得られた、被検物１０の表面内における第二の変位量の一例である。
　（面外変位の算出方法）
　図３を参照して、面外変位算出部４が面外変位を算出する方法を説明する。
　光路長変換部１１の厚さをｔ、屈折率をｎとすると、上述した光路長変化量ｄは、以下の式１で表される。
（式１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　例えば、光路長変換部１１は、厚さｔが３０ｍｍの平板形状であり、屈折率ｎが１．５であるとき、光路長変化量ｄは、式１によって、１０ｍｍとなる。
　図３に示すように、表面２４がｚ方向にδだけ移動したとき、光路長変換部１１を介した撮像素子１３の視野において、表面２４の座標ｘの像である撮像素子１３上の座標ｘｉは、ｘ方向にδｇｘ（ｘｉ）だけ変位する。表面２４の座標ｘの変位δを面外変位と呼ぶのに対して、撮像素子１３に投影された座標ｘｉの変位δｇｘ（ｘｉ）を、以下では投影面外変位と呼ぶこととする。
　一方、光路長変換部１１を介さない撮像素子１３の視野において、表面２４の座標ｘの像は、撮像素子１３上の座標ｘｉでｘ方向にδａｘ（ｘｉ）だけ変位する。レンズ１２の焦点距離をｆとするとき、δｇｘ（ｘｉ）およびδａｘ（ｘｉ）は、それぞれ、以下の式２、式３で表される。

（式２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002

（式３）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　光路長変換部１１を介さない撮像素子１３の視野において、表面２４上におけるｘ方向の座標ｘと、撮像素子１３上におけるｘ方向の座標ｘｉとの関係は、以下の式４によって表される。

（式４）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　一方、光路長変換部１１を介した撮像素子１３の視野において、虚像面２６上におけるｘ方向の座標ｘと、撮像素子１３上におけるｘ方向の座標ｘｉとの関係は、以下の式５によって表される。

（式５）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　式２に示すδｇｘ（ｘｉ）を、式５に示すｘｉで除算したものをＭｇｘ（ｘｉ）とし、式３に示すδａｘ（ｘｉ）を、式４に示すｘｉで除算したものをＭａｘ（ｘｉ）とする。Ｍｇｘ（ｘｉ）およびＭａｘ（ｘｉ）は、以下の式６、７で表される。

（式６）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
（式７）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　光路長変化量ｄは、光路長変換部１１の屈折率（＞１）によって定まるので、既知の値である。
　構造物２０の表面２４、２５に面内変位のない場合における全変位量は、投影面外変位（δｇｘ（ｘｉ），δａｘ（ｘｉ））と一致する。投影面外変位（δｇｘ（ｘｉ），δａｘ（ｘｉ））は、各フレームにおいてリアルタイムで算出することができるため、式６、式７で表されるＭｇｘ（ｘｉ）、Ｍａｘ（ｘｉ）も、各フレームにおいてリアルタイムで算出することができる。なお、構造物２０の面外変位δが、表面２４、２５内において一定である場合、Ｍｇｘ（ｘｉ）、Ｍａｘ（ｘｉ）は、ｘｉによらず一定である。しかしながら、面外変位算出部４は、表面２４、２５内における面外変位δの差や、計測ノイズがある可能性を考慮して、Ｍｇｘ（ｘｉ）、Ｍａｘ（ｘｉ）の平均値を求めてもよい。
　一例では、ある時刻における、Ｍｇｘ（ｘｉ）、Ｍａｘ（ｘｉ）のそれぞれの平均値Ｍｇｘ_ａｖｇ、Ｍａｘ_ａｖｇが、Ｍｇｘ_ａｖｇ＝０．００１００３、Ｍａｘ_ａｖｇ＝０．００１００１であるとする。これらの値を、Ｍｇｘ（ｘｉ）、Ｍａｘ（ｘｉ）として、式６、式７にそれぞれ代入して、式６、式７をδ、Ｌについての連立方程式として解けば、δは約５ｍｍ（５．０２００１５ｍｍ）、Ｌは約５０００ｍｍ（５０２０．０２００１５ｍｍ）と算出される。
　また、レンズ１２から表面２５までの距離（Ｌ－δ）は５０１５ｍｍとなる。
　このように、レンズ１２から表面２４までの距離Ｌ、および、レンズ１２から表面２５までの距離（Ｌ－δ）のどちらも不明な場合であっても、面外変位算出部４は、式６および式７にしたがって、面外変位δを算出することができる。
　ここでは、ｘ方向の投影面外変位から、面外変位を算出する方法について述べたが、レンズ１２の光軸方向（ｚ方向）およびｘ方向と直交するｙ方向についても、同様の方法で、投影面外変位から面外変位を算出することができる。あるいは、後述するように、（ｘ，ｙ）平面における投影面外変位ベクトルの大きさから、投影面外変位を求めた後、ここで説明した方法で、面外変位を算出することもできる。
　（撮像素子１３の視野）
　図４は、撮像素子１３の視野を示す。より詳細には、図４は、撮像素子１３から、被検物１０がどのように見えるかを示す。図４において、符号Ｖ１は、光路長変換部１１を介さない撮像素子１３の視野を表す。符号Ｖ２は、光路長変換部１１を介した撮像素子１３の視野を表す。図４では、光路長変換部１１は、撮像素子１３の全視野のおおよそ半分を覆っている。しかしながら、光路長変換部１１の形状および配置は特に限定されない。
　図４に示すように、光路長変換部１１を介した撮像素子１３の視野Ｖ２では、光路長変換部１１を介さない視野Ｖ１に比べて、被検物１０が拡大されている。すなわち、光路長変換部１１を介した撮像素子１３の視野Ｖ２では、図３に示す光路長変化量ｄだけ、被検物１０が撮像素子１３に近付いているように見える。
　（面内変位がない場合）
　図５ａは、面内変位がない場合における、被検物１０の表面内の全変位量を示す図である。面内変位が存在しない場合、全変位量は面外変位と一致する。
　図５ａにおいて、図中の矢印は、全変位ベクトルを表す。全変位ベクトルは、撮像素子１３から見た全変位量の大きさおよび方向を表すが、実際の画像上に存在するものではない。図５ａに示すように、光路長変換部１１を介した撮像素子１３の視野Ｖ２では、光路長変換部１１を介さない視野Ｖ１に比べて、全変位ベクトルの大きさが拡大されている。
　図５ｂは、撮像素子１３による測定値δｇｘ（ｘｉ）、δａｘ（ｘｉ）、およびｘｉの間の関係を表すグラフである。図５ｂに示す座標系の原点は、撮像装置１の撮像中心に対応する。図５ｂに示すグラフの傾きは、式６、式７に示すＭｇｘ（ｘｉ）（＝δｇｘ（ｘｉ）／ｘｉ）、Ｍａｘ（ｘｉ）（＝δａｘ（ｘｉ）／ｘｉ）に対応する。図５ｂに示すグラフによれば、ｘｉが大きくなるほど、δｇｘ（ｘｉ）およびδａｘ（ｘｉ）は、それぞれ大きくなる。言い換えれば、撮像中心から離れるほど、全変位ベクトルは大きくなる。
　（面内変位がある場合）
　図６ａは、面内変位がある場合における、被検物１０の表面内の全変位量を示す図である。面内変位がある場合の全変位量は、投影面外変位と面内変位との総和である。
　図６ａにおいて、細実線の矢印は、投影面外変位ベクトルδ（δｘｉ，δｙｉ）を表す。太実線の矢印は、面内変位ベクトルΔ（Δｘｉ，Δｙｉ）を表す。
　また、点線の矢印は、全変位ベクトルＶ（Ｖｘｉ，Ｖｙｉ）を表す。全変位ベクトルＶ（Ｖｘｉ，Ｖｙｉ）は、投影面外変位ベクトルδ（δｘｉ，δｙｉ）と面内変位ベクトルΔ（Δｘｉ，Δｙｉ）との合成ベクトルである。
　図６ｂは、面内変位がある場合における、撮像素子１３による測定値δｇｘ（ｘｉ）、δａｘ（ｘｉ）、およびｘｉの間の関係を表す。比較のために、図６ｂでは、面内変位がない場合における、測定値δｇｘ（ｘｉ）、δａｘ（ｘｉ）、およびｘｉの関係を実線で示している。
　光路長変換部１１を介さない撮像素子１３の視野において、投影面外変位ベクトルδ（δｘｉ，δｙｉ）の大きさを表す関数Ｒ（ｘ，ｙ）は、以下の式８で表される。
（式８）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　ここで、上述した式３に基づいて、以下の式を式８に代入した。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
　式８によれば、値ｘ，ｙが大きくなるほど、関数Ｒ（ｘ，ｙ）の値も大きくなる。このことは、投影面外変位が、撮像中心（ｘ，ｙ）＝（０，０）から遠くなるほど、大きくなることを表している。式８において、係数の部分をｋとおく。すなわち、ｋは、以下の式９によって規定される。

（式９）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
　式９を用いると、式８は、以下の式１０のように表される。

（式１０）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
　測定値である全変位ベクトルＶ（Ｖｘｉ，Ｖｙｉ）は、以下の式１１のように表される。

（式１１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
　また、全変位ベクトルＶ（Ｖｘｉ，Ｖｙｉ）の大きさＲｍｅｓ（ｘ，ｙ）は、以下の式１２のように表される。

（式１２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000014
　投影面外変位の拡大率Ｒ（ｘ，ｙ）が、面内変位ベクトルΔ（Δｘｉ，Δｙｉ）に対して十分に大きいとする。この場合、例えば、以下の式１３に示す評価関数Ｅ（ｋ）を最小にする比例定数ｋを算出することによって、式８に示す関数Ｒ（ｘ，ｙ）を推定することができる。

（式１３）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
　式１３において、関数Ｒ（ｘ，ｙ，ｋ）は、式１０の右辺のｋを変数とした関数である。他の例では、評価関数Ｅ（ｋ）は、Ｒｍｅｓ（ｘ，ｙ）と関数Ｒ（ｘ，ｙ）との絶対値和、または他の累乗和であってもよい。
　式１３にしたがって、光路長変換部１１を介さない撮像素子１３の視野における比例定数ｋａ（式９のｋに対応）を算出することができる。こうして算出した比例定数ｋａをｘｉで除算したものは、図５ｂ、図６ｂに図示した投影面外変位グラフの傾きＭａｘ（ｘｉ）の代表値Ｍａｘ_ｒｅｐに相当する。すなわち、代表値Ｍａｘ_ｒｅｐは、式４を用いると、式１４の通りとなる。なお、同様の方法により、ｙ方向についても、投影面外変位グラフの傾きの代表値を算出することができる。

（式１４）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016
　また、光路長変換部１１を介す撮像素子１３の視野における比例定数ｋｇ（式９のｋに対応）は、式８、式９におけるＬをＬ´（＝Ｌ－ｄ）に置き換えることによって求められる。この場合、図５ｂ、図６ｂに示す投影面外変位グラフの傾きＭｇｘ（ｘｉ）の代表値Ｍｇｘ_ｒｅｐは、式５を用いると、以下の式１５の通りとなる。

（式１５）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017
　こうして求められたＭｇｘ_ｒｅｐ、Ｍａｘ_ｒｅｐを、式６、式７のＭｇｘ（ｘｉ）、Ｍａｘ（ｘｉ）として、式６、式７のそれぞれに代入すると、以下の式１６、１７が得られる。

（式１６）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000018
（式１７）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000019
　式１６、１７を未知数δ、Ｌについて解けば、面外変位δ、および奥行距離Ｌが算出される。また、算出された面外変位δから、投影面外変位ベクトルδ（δｘｉ，δｙｉ）も算出される。なお、これらの演算は、面外変位算出部４によって行われる。
　面内変位算出部５は、全変位ベクトルＶ（Ｖｘｉ，Ｖｙｉ）から、面外変位算出部４が算出した投影面外変位ベクトルδ（δｘｉ，δｙｉ）を減算することによって、面内変位ベクトルΔ（Δｘｉ，Δｙｉ）を算出する。
　（変形例１；光路長変換部）
　図７は、本実施形態に係わる光路長変換部１１の一変形例に係わる光路長変換部１１ａを示す図である。図７に示すように、光路長変換部１１ａは、複数のミラー５１で構成されている。光路長変換部１１ａにおいては、被検物１０からの光が、複数のミラー５１の間で何度も反射した後、レンズ１２に入射する。
　（変形例２；光路長変換部）
　図８は、本実施形態に係わる光路長変換部１１の他の変形例に係わる光路長変換部１１ｂを示す図である。図８に示すように、光路長変換部１１ｂは、複数の部分１１１、１１２を含む。複数の部分１１１、１１２は、互いに異なる屈折率を有する。そのため、部分１１１を介した撮像素子１３の視野と、部分１１２を介した撮像素子１３の視野とでは、拡大率が異なるので、撮像素子１３からの被検物１０の見え方は、部分１１１と部分１１２との間で異なる。
　（動作フロー）
　図９を参照して、変位量測定装置１００の動作フローを説明する。図９は、変位量測定装置１００が実行する変位量測定方法の流れを示すフローチャートである。
　図９に示すように、まず、全変位量算出部３は、撮像装置１が被検物１０の表面を撮像することによって得られた時系列画像を受信する（Ｓ１）。
　全変位量算出部３は、時系列画像に含まれる第ｍ（＝＞１）枚目と第ｍ＋１枚目のフレーム画像の組を用いて、被検物１０の表面内における全変位量を算出する（Ｓ２）。
　次に、面外変位算出部４は、上述した式８～式１３にしたがって、撮像素子１３による測定値Ｖｘｉ、Ｖｙｉ（図６ａに示す全変位べクトルのｘｉ，ｙｉ成分）から、奥行距離Ｌおよび面外変位δをそれぞれ算出する（Ｓ３）。
　面内変位算出部５は、全変位量算出部３が算出した全変位量から、面外変位算出部４が算出した面外変位から求められた投影面外変位を減算することによって、被検物１０の表面内における面内変位を算出する（Ｓ４）。
　その後、全変位量算出部３は、時系列画像に含まれる所定のｎ（＞１）枚のフレーム画像について、全変位量を算出したかどうかを判定する（Ｓ５）。所定のｎ枚のフレーム画像について、全変位量を算出していない場合（Ｓ５でＮｏ）、フローは、ステップＳ１に戻り、全変位量算出部３は、時系列画像に含まれる次のフレーム画像の組、つまり、第ｍ＋１枚目と第ｍ＋２枚目のフレーム画像を用いて、全変位量を算出する。
　一方、全変位量算出部３が、所定のn枚のフレーム画像について、全変位量を算出した場合（Ｓ５でＹｅｓ）、フローは終了する。
　（欠陥と変位量との関係）
　図１０～図１４を参照して、荷重によって構造物２０に生じる欠陥と、構造物２０の表面内における変位量との関係を説明する。ここでいう変位量とは、面内変位のことである。撮像装置１が撮影する表面は、荷重がかかる表面に対して、反対側の表面であるとする。また、構造物２０の両端は固定されているとする。
　（構造物２０が健全である場合；欠陥なし）
　図１０は、構造物２０が健全である場合に、荷重によって構造物２０にどのような応力が生じるのかを示す。図１０に示すように、構造物２０が健全である場合、構造物２０の表面には、圧縮応力および引張応力が生じる。歪量とは、構造物２０の変形の大きさおよび方向を表す値であり、面内変位の微分によって算出される。
　図１０に示すように、荷重がかかる表面には、圧縮応力が生じる一方、撮像装置１が撮影する表面には、引張応力が生じる。その結果、撮像装置１が撮影する構造物２０の表面には歪が生じる。歪は、歪量によって表されるが、歪量は、面内変位の微分量である。したがって、構造物２０の表面に歪が生じたとき、表面内において、変形の大きさが変化している。
　このように、構造物２０が健全である場合、構造物２０の表面において、歪に伴って、面内変位の大きな変化が生じることが特徴である。
　（構造物２０に欠陥がある場合）
　（ケース１．ひび割れ）
　図１１は、撮像装置１が撮影する構造物２０の表面にひび割れが存在する場合に、荷重によって構造物２０に生じる応力および歪を示す。図１１に示すように、撮像装置１が撮影する表面において、ひび割れの近傍では、引張応力による歪および面内変位が存在する。しかしながら、ひび割れから離れた領域では、引張応力の伝達が弱まるため、歪量は小さくなり、面内変位は一定になることが特徴である。
　（ケース２．剥離）
　図１２は、撮像装置１が撮影する構造物２０の表面に剥離が存在する場合に、荷重によって構造物２０に生じる応力および歪を示す。図１２に示すように、撮像装置１が撮影する表面において、構造物２０の表面が剥離している部分では、歪量はほとんど０に近いため、面内変位は一定である。しかし、構造物２０の表面が剥離していない部分では、引張応力による面外変位および歪が生じるため、面内変位が変化する。
　このように、構造物２０の表面に剥離が存在する場合、剥離の近傍とそれ以外とで、面内変位の変化に差があることが特徴である。また、剥離していない部分と剥離している部分との間で、面外変位に差が生じることも特徴である。
　（ケース３．内部空洞）
　図１３は、構造物２０の内部に空洞が存在する場合に、荷重によって構造物２０に生じる応力および歪を示す。図１３に示すように、内部空洞は、荷重による応力を分散させる働きをするので、撮像装置１が撮影する表面において、歪量は小さくなる。すなわち、構造物２０にひび割れが存在する場合と同様に、構造物２０の内部に空洞が存在する場合も、撮像装置１が撮影する表面において、面内変位はほとんど一定である。
　（本実施形態の効果）
　本実施形態の構成によれば、構造物と撮像素子との間に、撮像素子の視野の一部を覆うように、光路長変換部が配置される。光路長変換部を介した撮像素子の視野の一部において、被検物から撮像素子までの間の光路長が長くなる。すなわち、撮像素子は、一度に２つの異なる光路長から、構造物の表面を撮像することができる。
　信号処理部は、光路長変換部に覆われていない撮像素子の視野と、光路長変換部に覆われた撮像素子の視野とにおいて、構造物の面外変位および奥行距離を算出する。信号処理部は、構造物の表面内における全変位量から、投影面外変位を減算することによって、面内変位を算出する。信号処理部は、このように算出した面内変位、面外変位、および奥行距離の情報を出力する。例えば、ユーザは、出力されたこれらの情報に基づいて、構造物の欠陥の有無および欠陥の種類を判断する。したがって、構造物の欠陥を非接触で精度良く検出することができる。
　加えて、本実施形態の構成では、ただ１つの撮像部のみを用いるので、構造物の撮影にかかるコストを削減することができる。
　〔第二の実施形態〕
　本発明の他の実施形態について、以下で説明する。本実施形態では、変位量および奥行距離を算出した後、欠陥の有無及び欠陥の種類を判定する構成を説明する。
　（変位量測定装置２００）
　図１４は、本実施形態に係わる変位量測定装置２００の構成を示すブロック図である。変位量測定装置２００は、撮像装置１を用いて、構造物２０の表面の時系列画像を撮像し、時系列画像から構造物２０の各部分の変位を算出するとともに、撮像装置１から構造物２０までの距離も算出する。
　例えば、構造物２０が、荷重によって、図１０～図１３に示すような変形をしたとする。この場合、変位量測定装置２００は、変形前後の時系列画像から、奥行距離、面外変位、および、面内変位を測定する。状態判定部７３は、変位量測定装置２００から、奥行距離、面外変位、および、面内変位に係わるデータを取得し、取得したデータを用いて、構造物２０の状態を診断する。
　具体的には、状態判定部７３は、奥行距離および変位量と、構造物２０の劣化の状態との間の対応関係を示す情報を取得する。例えば、状態判定部７３は、欠陥を判定するための閾値の情報、または、欠陥の種類に対応する特徴的な変位および歪のパターン（図１１～図１３）を示す情報を取得してもよい。状態判定部７３は、取得したこれらの情報に基づいて、構造物２０のひび割れや剥離や内部空洞といった欠陥の有無、および欠陥の種類を判定する。
　（動作フロー）
　図１５は、本実施形態に係わる変位量測定装置２００による状態判定方法を示すフローチャートである。図１５において、ステップＳ１からステップＳ６までは、図９のフローチャートに示す変位量測定方法と同様である。なお、本実施形態では、ステップＳ１からステップＳ６までの説明を省略する。
　図１５に示すように、ステップＳ６の後、状態判定部７３は、構造物２０の状態を診断する（Ｓ７）。
　上述したステップＳ７の後、状態判定部７３は、構造物２０の状態の診断結果を、表示装置などの外部機器へ出力してもよい。これにより、ユーザは、出力された診断結果を見て、例えば、構造物２０の修理または精密調査の要否を判断することができる。
　（本実施形態の効果）
　本実施形態の構成によれば、構造物の表面内における変位量および奥行距離を一度に算出する。そして、算出した変位量および奥行距離に基づいて、構造物の欠陥の有無、および欠陥の種類を判定する。そのため、構造物の遠隔から非接触で、構造物の状態を診断することができる。
　〔第三の実施形態〕
　本発明の他の実施形態について、以下で説明する。本実施形態では、構造物に瞬間的な荷重（本実施形態では撃力と呼ぶ）を与えた場合の、構造物の応答について説明する。
　本実施形態に係わる変位量測定装置の構成は、前記第二の実施形態に係わる変位量測定装置２００と同じ（図１４）である。
　（応答）
　図１６は、構造物２０の表面に対し、極短時間の撃力を与えた場合（インパルス刺激という）の応答（インパルス応答という）を示すグラフである。インパルス応答とは、インパルス刺激に対する、構造物２０の変位および歪の時間変化のことである。
　図１６のグラフＡは、構造物２０が健全な状態である場合のインパルス応答を示す。グラフＡが示すように、構造物２０が健全な状態である場合、構造物２０内で、応力が素早く伝達されるため、変位は大きくかつ収束が速い。
　図１６のグラフＢ、Ｃは、それぞれ、構造物２０が劣化した状態である場合のインパルス応答を示す。ここでいう劣化とは、例えば、ひび割れ、剥離、または内部空洞（図１１～図１３）などである。グラフＢ、Ｃが示すように、構造物２０が劣化した状態である場合、構造物２０が健全な状態である場合よりも、変位が小さくかつ収束が遅い。
　本実施形態において、変位量測定装置の状態判定部７３（図１４）は、閾値またはパターンマッチングなど、前記第二の実施形態において説明した手段を用いて、あるいは、上述したインパルス応答の特徴的なパターンに基づいて、構造物２０が健全な状態であるか、あるいはひび割れや剥離や内部空洞といった欠陥を有するかどうかを判定する。
　（本実施形態の効果）
　本実施形態の構成によれば、インパルス応答が示す構造物の特性を利用して、構造物の状態を判定する。したがって、構造物が欠陥を有するかどうかを、より正確に判定することができる。
　〔第四の実施形態〕
　本発明の他の実施形態について、以下で説明する。本実施形態では、課題を解決するための必須構成について説明する。
　（変位量測定装置３００）
　図１７は、本実施形態に係わる変位量測定装置３００の構成を示すブロック図である。図１７に示すように、変位量測定装置３００は、撮像素子３１０、光路長変換部３２０、画像解析部３３０、および面外変位算出部３４０を備えている。
　撮像素子３１０は、被検物の表面を撮像する。
　光路長変換部３２０は、被検物と撮像素子３１０との間に、撮像素子３１０の視野の一部を覆うように配置されている。光路長変換部１１は、光路長変換手段の一例である。
　画像解析部３３０は、撮像素子３１０が撮影した画像を用いて、光路長変換部３２０に覆われていない撮像素子３１０の視野で得られた、被検物の表面内における第一の変位量と、光路長変換部３２０に覆われた撮像素子３１０の視野で得られた、被検物の表面内における第二の変位量とを算出する。画像解析部３３０は、画像解析手段の一例である。
　面外変位算出部３４０は、第一の変位量および第二の変位量に基づいて、被検物から撮像素子３１０までの距離、および、被検物の面外変位を算出する。面外変位算出部３４０は、面外変位算出手段の一例である。
　（本実施形態の効果）
　本実施形態の構成によれば、被検物と撮像素子との間に、撮像部の視野の一部を覆うように、光路長変換部が配置される。そのため、撮像部の撮像素子は、一度に２つの異なる光路長から、被検物を撮像することができる。このように撮像素子が撮像することによって得られた画像から、被検物の表面内における変位量および奥行距離を一度に算出することができる。これにより、構造物の欠陥を非接触で精度良く検出することができる。
　〔第五の実施形態〕
　本開示の各実施形態において、各装置の各構成要素は、機能単位のブロックを示している。各装置の各構成要素の一部又は全部は、例えば図１８に示すような情報処理装置９００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現される。図１８は、各装置の各構成要素を実現する情報処理装置９００のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
　（ハードウェア構成について）
　図１８に示すように、情報処理装置９００は、一例として、以下のような構成を含む。
　　・ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）９０１
　　・ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）９０２
　　・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）９０３
　　・ＲＡＭ９０３にロードされるプログラム９０４
　　・プログラム９０４を格納する記憶装置９０５
　　・記録媒体９０６の読み書きを行うドライブ装置９０７
　　・通信ネットワーク９０９と接続する通信インタフェース９０８
　　・データの入出力を行う入出力インタフェース９１０
　　・各構成要素を接続するバス９１１
　各実施形態における各装置の各構成要素は、これらの機能を実現するプログラム９０４をＣＰＵ９０１が取得して実行することで実現される。各装置の各構成要素の機能を実現するプログラム９０４は、例えば、予め記憶装置９０５やＲＯＭ９０２に格納されており、必要に応じてＣＰＵ９０１がＲＡＭ９０３にロードして実行される。なお、プログラム９０４は、通信ネットワーク９０９を介してＣＰＵ９０１に供給されてもよいし、予め記録媒体９０６に格納されており、ドライブ装置９０７が当該プログラムを読み出してＣＰＵ９０１に供給してもよい。
　（本実施形態の効果）
　本実施形態の構成によれば、前記のいずれかの実施形態において説明した装置が、ハードウェアとして実現される。したがって、前記のいずれかの実施形態において説明した効果と同様の効果を、ハードウェア資源を用いて達成することができる。
　以上、実施形態（及び実施例）を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されるものではない。上記実施形態（及び実施例）の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１８年６月５日に出願された日本出願特願２０１８－１０７９１３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。
　１　　撮像装置
　２　　信号処理部
　３　　全変位量算出部
　４　　面外変位算出部
　５　　面内変位算出部
　１０　　被検物
　１１　　光路長変換部
　１２　　レンズ
　１３　　撮像素子
　３００　　変位量測定装置
　３１０　　撮像素子
　３２０　　光路長変換部
　３３０　　画像解析部
　３４０　　面外変位算出部

Claims (8)

  1. 　被検物の表面を撮像する撮像素子と、
    　前記被検物と前記撮像素子との間に、前記撮像素子の視野の一部を覆うように配置された光路長変換手段と、
    　前記撮像素子が撮影した画像を用いて、前記光路長変換手段に覆われていない前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第一の変位量と、前記光路長変換手段に覆われた前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第二の変位量とを算出する画像解析手段と、
    　前記第一の変位量および前記第二の変位量に基づいて、前記被検物から前記撮像素子までの距離、および、前記被検物の面外変位を算出する面外変位算出手段と、を備えた
    　変位量測定装置。
  2. 　前記光路長変換手段は、屈折率が１よりも大きい透明な材料で構成されている
    　ことを特徴とする請求項１に記載の変位量測定装置。
  3. 　前記光路長変換手段は、前記撮像素子の撮像面に対して平行な平板の形状である
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載の変位量測定装置。
  4. 　前記画像解析手段が算出した前記第一の変位量および前記第二の変位量と、前記面外変位算出手段が算出した前記面外変位とに基づいて、前記被検物の面内変位を算出する面内変位算出手段をさらに備えた
    　ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の変位量測定装置。
  5. 　前記面外変位算出手段が算出した前記距離の変位および前記面外変位と、前記面内変位算出手段が算出した前記面内変位とに基づいて、前記被検物の状態を判定する状態判定手段をさらに備えた
    　ことを特徴とする請求項４に記載の変位量測定装置。
  6. 　前記状態判定手段は、インパルス応答の特徴的なパターンに基づいて、前記被検物が健全な状態であるか、あるいは欠陥を有するかどうかを判定する
    　ことを特徴とする請求項５に記載の変位量測定装置。
  7. 　被検物の表面を撮像する撮像素子と、前記被検物と前記撮像素子との間に、前記撮像素子の視野の一部を覆うように配置された光路長変換手段と、を備えた装置を用いて行う変位量測定方法であって、
    　前記撮像素子が撮影した画像を用いて、前記光路長変換手段に覆われていない前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第一の変位量と、前記光路長変換手段に覆われた前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第二の変位量とを算出することと、
    　前記第一の変位量および前記第二の変位量に基づいて、前記被検物から前記撮像素子までの距離、および、前記被検物の面外変位を算出することとを含む
    　変位量測定方法。
  8. 　被検物の表面を撮像する撮像素子と、前記被検物と前記撮像素子との間に、前記撮像素子の視野の一部を覆うように配置された光路長変換手段と、を備えた装置を用いて、
    　前記撮像素子が撮影した画像を用いて、前記光路長変換手段に覆われていない前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第一の変位量と、前記光路長変換手段に覆われた前記撮像素子の視野で得られた、前記被検物の表面内における第二の変位量とを算出することと、
    　前記第一の変位量および前記第二の変位量に基づいて、前記被検物から前記撮像素子までの距離、および、前記被検物の面外変位を算出することと
    　をコンピュータに実行させるためのプログラムを格納した、一時的でない記録媒体。
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