JP6942341B2 - 広測定レンジの変形測定方法およびそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は広測定レンジの変形測定するためのカラー格子を利用した空間的位相接続法に関する。

社会インフラの非破壊検査技術の１つとして格子とデジタルカメラを用いて変位計測が行えるサンプリングモアレ法（特許文献１、非特許文献１）（以下SM法と言う）、が注目されている。

SM法は、１枚の格子画像の画素を一定間隔で間引き処理と輝度補間することにより元の格子よりも大きなピッチをもつモアレ縞画像を生成し、変形前後のモアレ縞の位相差を算出して変位分布を測定する手法である（図１）。

また、SM法は、簡便、高速、安価、高精度な手法であり、既に大型構造物の微小たわみ計測などに適用されている（非特許文献２）。

しかし、SM法では測定レンジと測定精度がトレードオフの関係であり、共に格子ピッチに依存するため、微小変形から大変形までの一連の変形挙動を単一ピッチの格子からは測定できない。
理論上、SM法では変位の向きを考慮しなければ１周期以上、変位の向きを考慮（判別）すると半周以上の変位量を測定できない。

特許第４８３１７０３号公報

Ri, S., Fujigaki, M. and Morimoto, Y.: Sampling Moire Method for Accurate Small Deformation Distribution Measurement, Exp.Mech., 50 (2010), 501-508. Ri, S., Muramatsu, T., Saka, M., Nanbara, M, Kobayashi, D..:Accuracy of the Sampling Moire Method and its Application to Deflection Measurements of Large-Scale Structures, Exp. Mech., 52 (2012), 331-340. Wyant, J. C., Testing Aspherics Using Two-wavelength Holography, Applied Optics, 10-9 (1971), 2113-2118. Ikeda, Y., Yoneyama, S., Fujigaki, M. and Morimoto, Y.: Absolute phase analysis method for three-dimensional surface profilometry using frequency-modulated grating, Opt. Eng., 42-5 (2003), 1249-1256

高精度を維持しながら測定レンジを向上させる方法として、図２に示すように、異なる２種類の格子ピッチを用いる空間的位相接続法（非特許文献３および非特許文献４）が知られている。
この方法によれば、例えば、白黒からなる２種類の格子ピッチが8mmと9mmであるとき、算出されたそれぞれの位相分布を用いて、画素ごとに空間的に位相接続すれば、その最小公倍数である72mmまでの位相の連続化が可能である。
変位は位相と線形関係にあるため，位相接続により測定可能な変位量も増加する。

しかし，従来の白黒格子に位相接続を適用しようとすると，異なるピッチの格子を２枚用意して変形前後に関して２回撮影する必要があり、再現性と効率に問題があった。

本発明は、図３に示すような異なるピッチの赤色と青色の格子を含むカラー格子を１枚作成し試料に貼付ける。
次にカラーデジタルカメラを用いてその試料の変形前後に各１回撮影されたカラー画像をR（赤）成分とB（青）成分に分離することで、同時に２枚のグレースケール画像を得る。

そしてその２枚のグレースケール画像から得られる異なるピッチのモアレ模様の位相分布を非特許文献３や非特許文献４に記載されている方法に適用して、画素ごとに独立して空間的位相接続して得られる連続化された（拡大されたピッチ）変形前後の位相分布から位相差を算出し、広測定レンジの変位分布を求めることができる（図４）。

本発明は具体的に次の手段を提供する。
（１） サンプリングモアレ法により異なるカラーからなる格子（以下、カラー格子とよぶ）を用いた面内変位を計測する方法であって、
前記異なるカラー格子は互い違いに平行して配置されたカラーおよびピッチサイズが異なる規則格子からなり、
前記ピッチサイズの異なる規則格子は位相接続すると前記ピッチサイズが拡大した規則格子となるように構成され、
前記カラー格子を試料に貼付けて、
前記異なるカラーからなるカラー撮像素子を備えた光学式カメラを用いて、前記カラー格子を貼付けた試料の変形前後のカラー画像を撮影し、
前記撮影した試料の変形前後のカラー画像の各々において、前記異なるカラーに係るカラー撮像素子の輝度情報から当該異なるピッチサイズの規則格子の位相情報を求め、
前記異なるピッチサイズの規則格子の位相情報を前記位相接続して前記ピッチサイズが拡大した規則格子の位相情報を生成し、
前記試料の変形前後の前記ピッチサイズが拡大した規則格子の位相情報に基づいて前記サンプリングモアレ法により前記試料の面内変位を算出して計測することを特徴とする方法。

（２） 前記位相接続された規則格子の拡大されたピッチサイズは前記異なるピッチサイズの最小公倍数であることを特徴とする（１）に記載の方法。

（３） 前記カラー格子のカラーは赤と青であり前記光学式カメラの異なるカラーは赤と青であることを特徴とする（２）に記載の方法。

（４） 前記異なるピッチサイズの規則格子の位相接続は、前記試料の同一位置に係る一の前記カラー撮像素子の輝度情報から得られた位相情報と前記他のカラー撮像素子の輝度情報から得られた位相情報の組み合わせで位相接続を行うことを特徴とする（３）に記載の方法。

（５） 前記カラー撮像素子は単板式および多板式であることを特徴とする（４）に記載の方法。なお、単板式カラー撮像素子はベイヤー配列として知られるRGGB配置されているが、一般的に用いるベイヤー配列の輝度補間処理を施せば、R、G、Bの各チャンネルのグレー画像が得られ、同一画素における２種類の位相分布をそれぞれサンプリングモアレ法で解析できる。

（６） （５）に記載の前記方法において、
前記撮影した変形前後のカラー格子のカラー画像において前記位相接続を行い前記ピッチサイズが拡大した規則格子の輝度情報を生成し、
前記ピッチサイズが拡大した規則格子の輝度情報を用いて前記試料の面内変位を求めることを特徴とするプログラムおよびプログラムを記録した記憶媒体。

（７） （１）乃至（５）のいずれか１項に記載の方法を実施する変形計測装置であって、
少なくともカラー格子位相情報生成部、カラー格子位相情報接続部、面内変位算出部、および表示部を備え、
前記カラー格子位相情報生成部において、前記異なるピッチサイズの規則格子の位相情報を生成し、
前記カラー格子位相情報接続部において、前記異なるピッチサイズの規則格子の位相情報から前記ピッチサイズが拡大した規則格子の位相情報を生成し、
前記面内変位算出部において、前記試料の変形前後の前記ピッチサイズが拡大した規則格子の位相情報に基づいて前記サンプリングモアレ法により前記試料の面内変位を算出し、
前記表示部において、前記算出された前記試料の面内変位を表示することを特徴とする装置。

本発明により、測定対象物表面に規則模様があるカラー格子を貼り付けるかまたはカラープリンタなどでカラーパターンを転写し、カラーカメラで連続的に撮影するだけで、高精度かつ広レンジの変位分布を測定できる。

そのため、撮影する光学素子を光学顕微鏡や産業用カラーカメラであるCCD/CMOSカメラ、さらに一眼レフカメラやビデオカメラで観察する対象物の大きさにあわせて選択すれば、小さいスケールの機械部品から大型構造物まで幅広い範囲における対象物の広レンジの変位を測定することが可能である。

また、カラー格子を用いることで物体の小さな変形から大きな変形まで一貫して測定することができる。

従来のモアレ法による格子ピッチの半分しか測定できない問題点を克服することができる。

本発明は特に以下の効果がある。
（１）１台のカラーカメラで変形前後のカラー格子を撮影すれば広レンジの変位測定ができる。そのため動的計測にも容易に適用でき、振動計測を可能にする。

（２）従来の変位センサを取り付ける方法に比べて、複雑なケーブル配線が不要であり、簡便に変位情報が得られる。

（３）カメラより遠方からの複数箇所におけるリモート計測が可能である。

サンプリングモアレ法の原理を表す図である。（a）(a’)はそれぞれデジタルカメラに記録された変形前後の格子模様の輝度情報を表す図である。（b）（b’）はそれぞれダウンサンプリングと輝度補間よる画像処理によって得られた変形前後の位相シフトされたモアレ縞を表す図である。（c）（c’）はそれぞれ変形前後のモアレ縞の位相分布を表す図である。(d)は変形によって生じたモアレ縞の位相差分布を表す図である。 ２種類の格子ピッチによる空間的位相接続法の原理を表す図である。（a）は２種類の格子ピッチ（例えば格子ピッチ比が８：９）のグレー格子を表す図である。(b)は(a)の格子を位相解析技術によって得られた（位相接続前の）位相分布である。(c)は空間的位相接続した後の連続化した位相分布を表す図である。 本発明であるカラー格子による空間位相接続の原理を表す図である。 1次元のカラー格子の設計例を表す図である。 2次元のカラー格子の設計例を表す図である。 カラー格子による空間的位相接続の流れを表す図である。 従来法と本発明の変位算出法の比較を表す図である。 カラー格子を用いた広レンジの変位測定実験の光学系を表す図である。 x方向のみ変位を与えた場合の変位測定結果を表す図である。 x方向とy方向の両方変位を与えた場合の変位測定結果を表す図である。 本発明の測定装置を表す図である。 本発明のフローチャートを表す図である。

以下に図を用いて本発明を説明するが、以下は本発明を特定するものであって、本発明を限定するためのものでないことは言うまでもない。

図３に本発明であるカラー格子による空間位相接続の原理を示す。
カラー格子の赤成分では１種類の格子と青成分ではもう１種類の格子模様を含んでいる。
撮影されたカラー画像から赤成分および青成分の格子をグレー画像として抽出する。

図４に１次元のカラー格子の設計例を示す。
図４では一例として、ピッチ比が８：９のカラー格子を示している。

図５に２次元のカラー格子の設計例を示す。
図５(a)の従来の１種類の格子ピッチのみが存在する規則的グレー格子に比べて、図５(b)はピッチの異なる２種類の規則的赤ドットや青ドットを含むカラー格子であることが特徴である。
図５(b)に示すように、カラー格子を設計する場合、赤ドットおよび青ドットは色の重複なし（(a)左図）の場合と、色の重複あり（(b)左図）の場合が考えられる。
任意の色をプリントできない場合は、色の重複なしのカラー格子が作製上比較的容易である。

色の重複なしのカラー格子を用いる場合、試料の同一位置において、どちらの色情報の輝度値が欠落するが、周辺の輝度値を用いて適宜輝度補間すればよい。

図６は、カラー格子による空間的位相接続の流れを表す図を示す。
撮影されたカラー格子画像のうち、赤成分および青成分をそれぞれ抽出し、フーリエ変換やローパスフィルタなどの画像処理により、x方向およびy方向の格子画像を分離させ、SM法を適用して格子の位相を算出する。
得られた２種類の格子位相を用いて、空間的位相接続を行い連続した位相分布を得る。

図７は従来法と本発明の変位算出法の比較を表す図である。
従来法では、1種類の格子ピッチのみを用いるため、格子の半分を超える変位を測定できない。
しかし、本発明では、２種類の格子ピッチによって位相接続した位相分布を用いているため、格子のピッチの数倍を超える大きな変形も測定できることが図７からわかる。

（カラー格子を用いた１方向の広レンジの変位測定）
図８に実験の光学系を示す。

提案手法のカラー格子３０と従来手法の白黒格子３５を１枚の平板に貼り付け、これを移動ステージ５０（SIGMAKOKI, HST-100）に固定した。

移動ステージを0mmから10mmまで0.1mmずつx軸方向に移動（変位）させ、各位置でカラーデジタルカメラ１０（The Imaging Source社, DFK23UP1300）で撮影し、得られた撮影画像から従来方法と本発明の方法でそれぞれ変位量を算出した。

解析条件として、ピッチ比が8の格子画像では、間引き数を15画素、ピッチ比が9の格子画像では、間引き数を21画素と設定してそれぞれサンプリングモアレ法で位相分布を解析し、その後異なる２種類のピッチ格子による空間的位相接続法に適用して、位相接続を行った。

撮影した各格子の中央部の100×100画素（11×11mmに相当）の領域での測定値の平均値を評価した。

図９に移動ステージの移動量と従来の白黒格子と本発明のカラー格子で算出したx方向とy方向の変位量の関係を示す。
従来の白黒格子に比べて、カラー格子を用いることで、約9倍の8.8mmまでの変位量を測定することができた。

測定精度について従来手法と同程度であり、測定精度を維持したまま測定レンジを向上することができている。

（カラー格子を用いた２方向の広レンジの変位測定）
図８に示す同一の実験光学系において、提案手法のカラー格子３０と従来手法の白黒格子３５を１枚の平板に貼り付け、これを移動ステージ５０（SIGMAKOKI, HST-100）に固定した。

移動ステージを0mmから10mmまで0.1mmずつx軸方向およびy軸方向に同時に移動（変位）させ、各位置の試料をカラーデジタルカメラ１０で撮影し、得られた撮影画像から従来方法と本発明の方法でそれぞれ変位量を算出した。

解析条件は実施例１と同様である。
図１０(ａ)にx方向の移動ステージの移動量と従来の白黒格子と本発明のカラー格子で算出した変位量の関係を示す。
図１０(ｂ)にy方向の移動ステージの移動量と従来の白黒格子と本発明のカラー格子で算出した変位量の関係を示す。
従来法に比べて、２方向とも広レンジの変位を測定できていることを確認できる。

この実施例においては、図１１に示すハードウェアの構成を有する測定装置で実施した。
光学式カラーデジタルカメラから得たカラー画像データについてパーソナルコンピュータを使用して処理し各広レンジの変位分布の測定結果を得た。カラー画像を取得するのに、単板のカラーデジタルカメラまたは３板式のカラーデジタルカメラは特に問わず、画素情報からなるカラー画像さえ撮影できればよい。

変位分布（変形）測定装置の構成は、光学式カラーデジタルカメラと分離して構成してもよいし、光学式カラーデジタルカメラと一体的に構成してもよい。
また変位分布解析装置に組み込んでもよいし、適宜入出力仕様を設定しワンチップにして各種測定装置に組み込むことができる。

この実施例においては、図１２に示すフローチャートの画像処理で広レンジの変位解析を行った。
プログラムはC言語とC++言語で作成し、各変位分布測定方法を実行して変位分布を測定した。

なおプログラム言語はC言語とC++言語に限定されず、またRAMにロードされるプログラムであってもよいしROMに固定されるプログラムであってもよい。

また各要素を独立形態として、例えば画像処理部のみをクラウドオンラインサービス処理としてもよい。

本発明は、新規開発材料の破壊までの機械的特性評価や、社会インフラの非破壊検査技術において広測定レンジに高精度な変位計測法が求められる分野に好適である。

１ 変形測定装置（変形計測装置）
１０ 格子画像記録装置（カラーデジタルカメラ）
２０ コンピュータ
２１ プロセッサ
２２ メモリ
２２１ モアレ縞発生部（カラー格子位相情報生成部）
２２２ 位相接続処理部（カラー格子位相情報接続部）
２２３ 変位分布計算部（面内変位算出部）
２３ 入力装置
２４ 出力装置（表示部）
３０ カラー格子
３５ 白黒格子
４０ 負荷印加装置
５０ 移動ステージ

Claims (6)

1. サンプリングモアレ法により異なるカラーからなる格子（以下、カラー格子とよぶ）を用いた面内変位を計測する方法であって、
   前記異なるカラー格子は互い違いに平行して配置されたカラーおよびピッチサイズが異なる規則格子からなり、
   前記ピッチサイズの異なる規則格子は位相接続すると前記ピッチサイズが拡大した規則格子となるように構成され、
   前記カラー格子を試料に貼付けて、
   前記異なるカラーからなるカラー撮像素子を備えた光学式カメラを用いて、前記カラー格子を貼付けた試料の変形前後のカラー画像を撮影し、
   前記撮影した試料の変形前後のカラー画像の各々において、前記異なるカラーに係るカラー撮像素子の輝度情報から当該異なるピッチサイズの規則格子の位相情報を求め、
   前記異なるピッチサイズの規則格子の位相情報を前記位相接続して前記ピッチサイズが拡大した規則格子の位相情報を生成し、
   前記試料の変形前後の前記ピッチサイズが拡大した規則格子の位相情報に基づいて前記サンプリングモアレ法により前記試料の面内変位を算出して計測することを特徴とする方法。
2. 前記位相接続された規則格子の拡大されたピッチサイズは前記異なるピッチサイズの最小公倍数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記カラー格子のカラーは赤と青であり前記光学式カメラの異なるカラーは赤と青であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記異なるピッチサイズの規則格子の位相接続は、前記試料の同一位置に係る一の前記カラー撮像素子の輝度情報から得られた位相情報と前記他のカラー撮像素子の輝度情報から得られた位相情報の組み合わせで位相接続を行うことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記カラー撮像素子は単板式または多板式であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 請求項５に記載の前記方法において、
   前記撮影した変形前後のカラー格子のカラー画像において前記位相接続を行い前記ピッチサイズが拡大した規則格子の輝度情報を生成し、
   前記ピッチサイズが拡大した規則格子の輝度情報を用いて前記試料の面内変位を求めることを特徴とするプログラム。
   

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