JP2013083605A - 変位計測装置、変位計測方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】赤熱状態にある測定対象物においても複数の評価点の変位を同時に計測できる変位計測手法を提供すること
【解決手段】画像成分決定手段３ｂにより、赤熱前後の測定対象物１をデジタルカメラ２で撮影した画像データをそれぞれＲＧＢ成分に分離して、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定し、画像変換手段３ｃにより、変形前後の測定対象物１をデジタルカメラ２で撮影した画像データを、画像成分決定手段３ｂにより決定された成分の画像データに変換し、この変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、変位演算手段３により、パターンマッチング処理を行い、変位を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤熱状態にある測定対象物の変位を計測する変位計測装置、変位計測方法及びプログラムに関する。なお、赤熱状態とは測定対象物の種類によっても変化するが、概ね７００℃以上の状態をいう。

赤熱状態にある測定対象物の変位を計測する手法としては、従来、透過型又は反射型のレーザー変位計（例えば特許文献１）、変位を伝達する検出棒（例えば特許文献２）、あるいはひずみゲージ（例えば特許文献３）を用いる手法が知られている。しかし、これら手法はいずれも一つの変位計を用いて一点の変位を計測するものであり、複数の評価点の変位を同時に計測するには、評価点と同じ数の変位計とそれらを固定するジグを用いる必要があるために、装置が複雑になり高額になる問題があった。

一方、複数の評価点の変位を同時に計測する手法として画像相関法が知られている（例えば特許文献４）。画像相関法では、変形前後の測定対象物の表面をデジタルカメラで撮影し、変形前の画像を複数の領域に分割して、その分割された変形前の画像領域（テンプレート画像）に対応する変形後の画像領域をパターンマッチング処理により探し出すことで変位を計測する。このため、画像相関法では測定対象物の表面にランダムパターンが施される。

しかし、この画像相関法を赤熱状態にある測定対象物の変位計測に使用した場合、赤熱領域からの発光により、撮影された測定対象物表面のランダムパターンが識別できなくなり、パターンマッチング処理による変位の計測ができなくなることがある。

特開２００４−３３３１５４号公報 特開平５−２４８９６１号公報 特開平７−１９８０８号公報 特開２００９−１９８４５２号公報

本発明が解決しようとする課題は、赤熱状態にある測定対象物においても複数の評価点の変位を同時に計測できる変位計測手法を提供することある。

本発明の一観点によれば、変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測する変位計測装置であって、赤熱前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データをそれぞれＲＧＢ成分に分離して、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定する画像成分決定手段と、変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、前記画像成分決定手段により決定された成分の画像データに変換する画像変換手段と、前記画像変換手段により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算手段とを備えた変位計測装置が提供される。

本発明の他の観点によれば、変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測する変位計測装置であって、変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、ＲＧＢ成分のいずれかの成分の画像データに変換する画像変換手段と、前記画像変換手段により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算手段とを備えた変位計測装置が提供される。

本発明の更に他の観点によれば、変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測する変位計測方法であって、赤熱前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データをそれぞれＲＧＢ成分に分離して、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定する画像成分決定工程と、変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、前記画像成分決定工程により決定された成分の画像データに変換する画像変換工程と、前記画像変換工程により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算工程とを有する変位計測方法が提供される。

本発明の更に他の観点によれば、変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測する変位計測方法であって、変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、ＲＧＢ成分のいずれかの成分の画像データに変換する画像変換工程と、前記画像変換工程により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算工程とを有する変位計測方法が提供される。

本発明の更に他の観点によれば、変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測するためにコンピュータに、赤熱前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データをそれぞれＲＧＢ成分に分離して、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定する画像成分決定手順と、変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、前記画像成分決定手順により決定された成分の画像データに変換する画像変換手順と、前記画像変換手順により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算手順とを実行させるためのプログラムが提供される。

本発明の更に他の観点によれば、変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測するためにコンピュータに、変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、ＲＧＢ成分のいずれかの成分の画像データに変換する画像変換手順と、前記画像変換手順により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算手順とを実行させるためのプログラムが提供される。

本発明によれば、赤熱前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データをそれぞれＲＧＢ成分に分離して、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分の画像データ、すなわち赤熱の影響を最も受けなかった成分の画像データを使用して変位を計測するので、赤熱状態にある測定対象物においても複数の評価点の変位を同時に計測できる。

赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分がＲ成分、Ｇ成分及びＢ成分のいずれであるかは、予め、赤熱前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データをそれぞれＲＧＢ分離して、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を求めることで決定できる。なお、予め、各成分の赤熱前後の赤熱領域の輝度値の変化を求めるまでもなく、赤熱前後の赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分が明確である場合には、予め赤熱前後の赤熱領域の輝度値の変化を求める処理は省略することができる。

本発明の一実施形態による変位計測装置の構成を示すブロック図である。 図１の変位計測装置による変位計測方法において、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定する手順を示すフローチャートである。 図１の変位計測装置による変位計測の手順を示すフローチャートである。 耐火物のスポーリング試験の要領を示す説明図である。 実施例１における赤熱後の測定対象物の画像データを示す。 図５の画像データをＲＢＧ成分に分離した画像データを示し、（ａ）はＲ成分、（ｂ）はＧ成分、（ｃ）はＢ成分を示す。 実施例１による変位演算の結果をイメージ化したものである。 比較例１による変位演算の結果をイメージ化したものである。 実施例２における赤熱後の測定対象物の画像データを示す。 図９の画像データをＲＢＧ成分に分離した画像データを示し、（ａ）はＲ成分、（ｂ）はＧ成分、（ｃ）はＢ成分を示す。 実施例２による変位演算の結果をイメージ化したものである。 比較例２による変位演算の結果をイメージ化したものである。

図１は、本発明の一実施形態による変位計測装置の構成を示すブロック図である。図１に示す変位計測装置は、測定対象物１を撮影するデジタルカメラ２と、デジタルカメラ２で撮影した画像データを処理するコンピュータ３とから構成される。

コンピュータ３は、メモリ手段３ａ、画像成分決定手段３ｂ、画像変換手段３ｃ、変位演算手段３ｄ及びフィルタ手段３ｅを備える。

メモリ手段３ａは、デジタルカメラ２で撮影した画像データを保存する。

画像成分決定手段３ｂは、赤熱前後の測定対象物１をデジタルカメラ２で撮影した画像データをそれぞれＲＧＢ成分に分離して、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定する。赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定する方法としては、例えば、各成分について赤熱前後で赤熱領域（赤熱前では赤熱後の赤熱領域に対応する領域）の輝度値の平均値を演算し、赤熱前後の輝度値の平均値の差が最も小さい領域を求める方法を採用できる。赤熱前後の赤熱領域の輝度値の変化を求める際には、赤熱領域全体の輝度値の平均値を使用できるほか、赤熱領域を一ピクセル単位あるいは複数のピクセル単位に区分して、そのピクセル単位毎の輝度値の平均値を使用できる。赤熱領域をピクセル単位に区分する場合、赤熱前後で対応するピクセル単位毎に赤熱前後の輝度値の変化を求め、その変化の平均値が最も小さい成分を、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分とすることができる。

なお、本発明において、画像成分決定手段３ｂは、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定するもので、その決定方法は上述の方法に限定されず、例えば上述の方法のほかに、カラー画像で十分に赤熱していると判断された領域を定義し、ＲＧＢの各画像について、その領域内における輝度値の標準偏差を計算し、標準偏差の大きい成分を選択する方法を採用することもできる。

また、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分の決定は、画像成分決定手段３ｂによる演算によらず、目視で決定することもできる。

画像変換手段３ｃは、変形前後の測定対象物１をデジタルカメラ２で撮影した画像データを、画像成分決定手段３ｂにより決定された成分の画像データに変換する。

変位演算手段３ｄは、画像変換手段３ｃにより変換された変形前後の測定対象物１の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する。

フィルタ手段３ｅは、赤熱において発光輝度が高い長波長側の光（具体的には例えば４００ｎｍ以上の波長）をカットする。本実施形態では、フィルタ手段３ｅで赤熱による発光をカットした画像データがメモリ手段３ａに保存され、その画像データが、上述の画像成分決定手段３ｂ、画像変換手段３ｃ及び変位演算手段３ｄに供される。

これらの画像成分決定手段３ｂ、画像変換手段３ｃ、変位演算手段３ｄ及びフィルタ手段はＣＰＵで構成することができ、コンピュータ３にインストールされたプログラムに従い機能する。

以下、図２及び図３を参照して、図１の変位計測装置による変位計測方法を説明する。図２は、図１の変位計測装置による変位計測方法において、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定する手順を示すフローチャート、図３は、図１の変位計測装置による変位計測の手順を示すフローチャートである。

本実施形態では、予め、図２の手順により赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分、すなわち赤熱の影響を最も受けなかった成分を決定する。

具体的には、まず、赤熱前と赤熱後の測定対象物１をデジタルカメラ２で撮影し、それぞれの画像データから赤熱による発光をフィルタ手段３ｅでカットした上で、各画像データ（赤熱前後の画像データ）をメモリ手段３ａに保存する。次に、画像成分決定手段３ｂが、メモリ手段３ａから赤熱前後の画像データを読み出し、これをＲＧＢ成分に分離して、Ｒ成分、Ｇ成分及びＢ成分のそれぞれについて赤熱領域における輝度値の平均値を演算し、赤熱前後の輝度値の平均値の差が最も小さい成分を決定する。

以下、図３を参照して図１の変位計測装置による変位計測の手順を説明する。

まず、変形中（変形前後を含む）の測定対象物１をデジタルカメラ２で連続的に撮影し、その画像データから赤熱による発光をフィルタ手段３ｅでカットした上で、当該画像データをメモリ手段３ａに保存する。

一方、画像変換手段３ｃ及び変位演算手段３ｄは、画像データの処理に先立ち、メモリ手段３ａに別途保存されているパラメータを読み込む。具体的には、画像変換手段３ｃは、画像変換に必要なパラメータとして、予め図２の手順で決定された、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分の種類を読み込む。また、変位演算手段３ｄは、変位の演算に必要なパラメータとして、パターンマッチング処理の際のテンプレート画像の大きさ、検索領域の大きさ、更にはサブピクセル処理の種類とそのパラメータを読み込む。

次に、画像変換手段３ｃが、メモリ手段３ａから変形中の画像データを読み出し、上述のパラメータに基づき、その画像データをＲ成分、Ｇ成分又はＢ成分の画像データに変換する。

この変換された画像データを使用して、変位演算手段３ｄがパターンマッチング処理により変位を演算する。具体的には、変位演算手段３ｄは、まず、メモリ手段３ａから変形前画像データと変形後画像データを選択して読み出す。ここで、変形前画像データとはデジタルカメラ２で連続的に撮影した画像データのうち先に撮影した画像データのことをいい、変形後画像データとは後に撮影した画像データのことをいう。

次に、変位演算手段３ｄは、上述のパラメータに基づき、処理領域としてテンプレート画像の大きさと位置を決定し、変形前画像データからテンプレート画像を、変形後画像データから検索領域の画像を作成する。すなわち、変位演算手段３ｄは、処理領域として変形前画像データをテンプレート画像の大きさで分割して、そのうちの一つをテンプレート画像として選択し上で、変形後画像データから検索領域の画像を作成する。そして、変位演算手段３ｄは、テンプレート画像と検索領域の画像をパターンマッチング処理し、ピクセルレベルでの変位を演算する。パターンマッチング処理によるピクセルレベルでの変位を演算する手法は、画像相関法において周知であるので、詳細な説明は省略する。

次に、変位演算手段３ｄは、上述のパラメータに基づきサブピクセル処理を行ってサブピクセルレベルでの変位を算出し、これをピクセルレベルの変位に加算する。サブピクセル処理の手法は、画像相関法において周知であり、類似度補間法又は相違度補間法、画像補間法、勾配法、２次元ＤＦＴ(Discrete Fourier Transform)法をそれぞれ単独で又は組み合わせて適用できる。本実施形態では、類似度補間法と画像補間法を組み合わせて適用した。

変位演算手段３ｄは、以上の処理を全ての分割領域の処理が完了するまで繰り返し、全ての分割領域の処理が完了したら、選択した変形前後の画像データにおける変位の演算結果を出力する。変位演算手段３ｄは、変形前後の画像データを順次選択して処理を行い、全ての画像データの処理が完了したら、処理を終了する。

なお、以上の実施形態では、画像成分決定手段３ｂを使用して、図２の手順により、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定するようにしたが、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分が明確である場合には、画像成分決定手段３ｂによる図２の処理を省略し、図３の手順において、単にパラメータとして、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分の種類を読み込むようにしてもよい。また、サブピクセル処理も省略することができる。

（実施例１）
図４に示す要領で耐火物製の測定対象物１のスポーリング試験を行い、測定対象物１の変位を計測した。すなわち、実施例１では、図４に示すように、ベースれんが４に保持された測定対象物１の一端（一側面）をガスバーナ５で加熱し、その一端を含む領域を上方からデジタルカメラ２で撮影し、その画像データを図１で説明したコンピュータ３で処理した。なお、実施例１では、フィルタ手段３ｅは使用しなかった。

一方、比較例１では、実施例１と同じ測定対象物１の画像データをＲＧＢ成分に分離することなく、変位演算手段３ｄで処理した。

図５は、デジタルカメラ２で撮影した赤熱後の測定対象物１の画像データを示す。また、図６は、図５の画像データをＲＢＧ成分に分離した画像データを示し、（ａ）はＲ成分、（ｂ）はＧ成分、（ｃ）はＢ成分を示す。

これらの赤熱後のＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の画像データと、予め撮影しておいた同じ視野での測定対象物１の赤熱前の画像データのＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分とを画像成分決定手段３ｂで処理し、赤熱前後で赤熱領域の輝度値（平均値）の変化が最も小さい成分を求めたところ、Ｂ成分であった。

そこで、実施例１では、Ｂ成分の画像データを使用して、図３に示した手順にて変位演算手段３ｄによりパターンマッチング処理を行い測定対象物１の変位を演算した。パターンマッチング処理におけるテンプレート画像の大きさは縦５０ピクセル、横５０ピクセルとした。

図７は、実施例１による上述の変位演算の結果をイメージ化したものである。図７では、ピクセルレベルでの変位の大きさをグレースケールの濃淡で示すとともに、上述のパターンマッチング処理における相関係数（類似度）が０．１以下の領域は、変位計測不能と見なして非表示領域としている。なお、非表示領域は、図７中の外枠内における白色部分の領域のことをいう（図８、図１１、図１２についても同様）。

一方、図８は、比較例１による変位演算の結果を図７と同じ要領でイメージ化したものである。

図７及び図８において、その画像の上部が赤熱領域であり、図７と図８を比較すると、実施例１の図７では比較例１の図８に比べ、赤熱領域において変位計測不能であることを示す非表示領域が少なく、実施例１では赤熱の影響を軽減できていることがわかる。

（実施例２）
上記実施例１と同じ要領で耐火物製の測定対象物１のスポーリング試験を行い、測定対象物１の変位を計測した。ただし、実施例２ではフィルタ手段３ｅを使用した。フィルタ手段３ｅでは赤熱成分として主に３９０ｎｍより長波長の光をカットできるものを使用した。

図９は、赤熱後の測定対象物１の画像データ（フィルタ手段３ｅにより赤熱成分カット済）を示す。また、図１０は、図９の画像データをＲＢＧ成分に分離した画像データを示し、（ａ）はＲ成分、（ｂ）はＧ成分、（ｃ）はＢ成分を示す。

これらの赤熱後のＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の画像データと、予め撮影しておいた同じ視野での測定対象物１の赤熱前の画像データのＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分とを画像成分決定手段３ｂで処理し、赤熱前後で赤熱領域の輝度値（平均値）の変化が最も小さい成分を求めたところ、Ｒ成分であった。

そこで、実施例２では、Ｒ成分の画像データを使用して、実施例１と同様に変位演算手段３ｄによりパターンマッチング処理を行い測定対象物１の変位を演算した。

一方、比較例２では、実施例２と同じ測定対象物１の画像データ（フィルタ手段３ｅにより赤熱成分カット済）をＲＧＢ成分に分離することなく、変位演算手段３ｄで処理した。

図１１は、実施例２による変位演算の結果をイメージ化したもの、図１２は、比較例２による変位演算の結果をイメージ化したものである。図１１及び図１２においても、パターンマッチング処理における相関係数（類似度）が０．１以下の領域は、変位計測不能と見なして非表示としている。

図１１と図１２を比較すると、実施例２の図１１では比較例２の図１２に比べ、赤熱領域において変位計測不能であることを示す非表示領域が少なく、実施例２では赤熱の影響を軽減できていることがわかる。

本発明による変位計測手法は、上述のスポーリング試験による変位（ひずみ）の計測のほか、高温下で行う材料試験における亀裂の長さと幅の計測、高温下で行う材料試験における試料の変位量計測、高温となった炉体の変形計測、浸漬ノズルの交換時における高温となった部材の移動量計測などに利用することができる。

１ 測定対象物
２ デジタルカメラ
３ コンピュータ
３ａ メモリ手段
３ｂ 画像成分決定手段
３ｃ 画像変換手段
３ｄ 変位演算手段
３ｅ フィルタ手段
４ ベースれんが
５ ガスバーナ

Claims (6)

1. 変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測する変位計測装置であって、
   赤熱前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データをそれぞれＲＧＢ成分に分離して、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定する画像成分決定手段と、
   変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、前記画像成分決定手段により決定された成分の画像データに変換する画像変換手段と、
   前記画像変換手段により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算手段と
   を備えた変位計測装置。
2. 変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測する変位計測装置であって、
   変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、ＲＧＢ成分のいずれかの成分の画像データに変換する画像変換手段と、
   前記画像変換手段により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算手段と
   を備えた変位計測装置。
3. 変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測する変位計測方法であって、
   赤熱前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データをそれぞれＲＧＢ成分に分離して、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定する画像成分決定工程と、
   変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、前記画像成分決定工程により決定された成分の画像データに変換する画像変換工程と、
   前記画像変換工程により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算工程と
   を有する変位計測方法。
4. 変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測する変位計測方法であって、
   変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、ＲＧＢ成分のいずれかの成分の画像データに変換する画像変換工程と、
   前記画像変換工程により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算工程と
   を有する変位計測方法。
5. 変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測するためにコンピュータに、
   赤熱前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データをそれぞれＲＧＢ成分に分離して、赤熱前後で赤熱領域の輝度値の変化が最も小さい成分を決定する画像成分決定手順と、
   変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、前記画像成分決定手順により決定された成分の画像データに変換する画像変換手順と、
   前記画像変換手順により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算手順と
   を実行させるためのプログラム。
6. 変形前後の少なくともいずれかにおいて赤熱状態にある測定対象物の変位を計測するためにコンピュータに、
   変形前後の測定対象物をデジタルカメラで撮影した画像データを、ＲＧＢ成分のいずれかの成分の画像データに変換する画像変換手順と、
   前記画像変換手順により変換された変形前後の測定対象物の画像データを使用して、パターンマッチング処理により変位を演算する変位演算手順と
   を実行させるためのプログラム。