<4D F736F F D2090BC95948E B5A8F7094AD955C89EF985F95B E48FE3816A2E646F63>

Size: px

Start display at page:

Download "<4D F736F F D2090BC95948E B5A8F7094AD955C89EF985F95B E48FE3816A2E646F63>"

なおみのしま
5 years ago
Views:

1 ラインセンサを用いた構造物の表面変状計測装置の開発佐賀大学大学院井上賢優,Achfas Zacoeb 佐賀大学伊藤幸広, 石橋孝治長崎大学松田浩ヤマウ山本康雄, 片山強 1. はじめに構造物の表面に現れたひび割れ, 錆, 漏水跡などの表面変状は, 劣化診断を行う際の重要な情報となる維持管理における調査点検では, これら変状を観察の後, 計測, 記録することが行われる表面変状の中でも特にひび割れは, 構造物の耐力, 耐久性と関係が深く, 補修補強計画に影響するため, 定期的に正確な計測を行う必要がある一方, コンクリート構造物や二次製品の施工製造管理においても, ひび割れ, コールドジョイント, 気泡, 色むらなどの表面変状の検査が行われ, 管理基準を外れた場合には補修などの対処が必要となる補修事例が多い変状は気泡, 色むらであるが, その検査方法としては目視によって定性的な判定を行う場合が多い現在, 表面変状の計測や記録にはデジタルカメラが一般的に用いられているしかし, デジタルカメラによる撮影では, 外部光の変動の影響を受け, 変状の色を正確に再現することが難しいまた, 撮影した画像からひび割れ幅などの細部の計測を行う時には, 画像解像度を高くする必要から撮影範囲が極めて狭くなるという問題がある以上のようなことから, 現場において変状の色や寸法を精度良くかつ簡易に計測できるハンディな機器の開発が求められている本研究では, 外部光の影響を受けず表面変状を計測記録できるラインセンサと光源を内蔵した小型装置の開発を行い, コンクリート表面のひび割れ, 気泡などの計測精度について検証したものである 2. 表面変状計測装置の概要 (1) 特徴表面変状をデジタル画像として記録し, 精度良く計測するためには, 撮影した画像が高解像度であり色再現性の高いことはもとより, 画像全域に渡り色収差や歪曲収差が少ないことが求められるフラットベッドスキャナに代表されるようなラインセンサを走査し 2 次元画像を取得する画像入力機器は, 歪曲収差の問題が無く, 機器内部に一定光源を持つため外部光を遮断して撮影することが可能であるラインセンサを用いた撮影機器として, 本研究で開発した表面変状計測装置 ( 以下,LS 装置 ) を写真 -1 および 2 に示す基本的な構成は, 正面に撮影操作や画像の記録計測を行うためのタブレット型ノートパソコン ( 以下,PC) を配置し, 背面には, ラインセンサ, 光源およびその駆動系を配置したものであるすなわち, 画像の入力部と記録部, 解析部を一体化させた装置であり, 現場における操作性や作業効率を考慮し設計したものであるなお, 撮影の開始停止や画像の保存, 計測, 解析といった全ての操作は,PC 画面を指やペンなどで触タブレット型ノートパソコンれることによって操作できるタッチパネル方式とした写真 -1 LS 装置の外観 ( 正面 )

(2) 仕様 LS 装置の撮影範囲は, 最大 215mm 286mm であり, A4 サイズと同等とした変状が大きい場合は, 連続した複数の画像を撮影し,PC 上で結合することができるラインセンサには, コンタクトイメージセンサ (CIS) を使用し, 駆動系および装置全体の軽量化を図った本装置の総質量は約 3.

外部光の影響を遮断できることおよび焦点距離が常に一定になることであり, これによりデジタルカメラでは必要となる露出, シャッタースピードの調整およびピント合わせや, 解析のためのスケールの写し込み作業が不要となるなお,PC 部は, 写真 -4 のように開閉可能な構造としており, 透明な窓を通して撮影範囲を確認することができる 1 回の撮影に要する時間は 400dpi の場合,90 秒程度である

286mm 読み取り解像度 : 最大 2400dpi カラー階調 :48bit(RGB 各 16bit) 焦点距離 : 約 3mm PCタイプ : タブレット型ノートパソコン OS:Windows Vista Home Premium CPU:1.20GHz メインメモリ :1GB HDD:60GB バッテリー稼動時間 : 約 4.3 時間 3.

2 (2) 仕様 LS 装置の撮影範囲は, 最大 215mm 286mm であり, A4 サイズと同等とした変状が大きい場合は, 連続した複数の画像を撮影し,PC 上で結合することができるラインセンサには, コンタクトイメージセンサ (CIS) を使用し, 駆動系および装置全体の軽量化を図った本装置の総質量は約 3.9kg である装置本体, センサ部および PC 部の仕様は, 表 -1 に示す通りである (3) 操作方法 LS 装置を用いた画像の撮影方法としては, 構造物や部材の表面に装置を押しあて,PC モニタ上のスタートボタンを指でタッチするのみという簡易な方法である写真 -3 は, 実際の撮影状況である構造物に密着させて撮影する利点としては, 外部光の影響を遮断できることおよび焦点距離が常に一定になることであり, これによりデジタルカメラでは必要となる露出, シャッタースピードの調整およびピント合わせや, 解析のためのスケールの写し込み作業が不要となるなお,PC 部は, 写真 -4 のように開閉可能な構造としており, 透明な窓を通して撮影範囲を確認することができる 1 回の撮影に要する時間は 400dpi の場合,90 秒程度である撮影終了後には, 直ちに各種ソフトにより画像の表示や各部の計測解析が可能となる本体センサ部 PC 部ラインセンサ光源写真 -2 LS 装置の外観 ( 背面 ) 表 -1 LS 装置の仕様制御回路外形寸法 (W H D):430mm 252mm 100mm 総質量 :3921g センサタイプ : コンタクトイメージセンサ (CIS) センサ長 :227mm 撮影範囲 :215mm 286mm 読み取り解像度 : 最大 2400dpi カラー階調 :48bit(RGB 各 16bit) 焦点距離 : 約 3mm PCタイプ : タブレット型ノートパソコン OS:Windows Vista Home Premium CPU:1.20GHz メインメモリ :1GB HDD:60GB バッテリー稼動時間 : 約 4.3 時間 3. 計測精度の検証実験の概要 (1) 実験概要 LS 装置による表面変状の計測精度を検証するため写真 -3 LS 装置による撮影方法に, 色再現性, ひび割れ幅計測精度および気泡面積計測精度の 3 種類の検証実験を行ったなお, 比較のためにデジタルカメラを用い同様の実験を行った使用したデジタルカメラは,600 万画素の一眼レフデジタルカメラであり, 実験条件に合わせてレンズを交換し撮影を行った撮影した画像から, 色 (RGB 値 ), ひび割れ幅, 気泡面積を計測するソフトには, 市販の画像編集アプリケーションソフト ( 以下, 画像ソフト ) を使用した (2) 色再現性の検証写真 -4 PC 部 ( 窓 ) の開閉状況色再現性の検証実験は,LS 装置およびデジタルカメラで JIS の標準色紙 (15 色 ) を貼付したカラーチャートを撮影し, 画像ソフトで各色の RGB 値を求め検証する方法とした標準色紙の形状は 45 64mm であり, 無彩色 5 色, 有彩色 10 色を mm(A4 サイズ ) の範囲内に配置した写真 -5 は, 標準色紙を貼付したカラーチャート

に各色の一般名称およびマンセル記号を記載したものである RGB 値は, 各標準色紙の中央, 四隅の 5 箇所において測定し, 平均値および標準偏差を求めた LS 装置による撮影条件としては, 読み取り解像度を 400dpi とし, 屋内においてカラーチャートに密着させ撮影した保存する画像形式は記録容量を考え JPEG 形式としたデジタルカメラによる撮影条件としては,

通りであるいずれの撮影条件におい表 -2 デジタルカメラの設定ても, レンズにはズームレンズ (18-70mm) 撮影条件蛍光灯屋外 ( 日陰 ) 屋外 ( 日向 ) 画像サイズ 3008 2000 画素を使用し, 画像サイズ 3008 2000 画素の JPEG レンズズームレンズ 18-70mm 形式で画像を保存した外部光の条件別のデジシャッタースピード 1/30 秒 1/640 秒

6 タルカメラの設定を表 -2 に示す感度 ISO 800 (2) ひび割れ幅計測精度の検証ホワイトバランス蛍光灯晴天日陰晴天ひび割れ幅計測精度の検証実験としては, コンクリート供試体に発生させたひび割れを LS 装置およびデジタルカメラで撮影し, 画像解析により算出したひび割れ幅と 2 次元レーザ計測器により実測したひび割れ幅とを比較することにより検討したコンクリート供試体は,150

3 に各色の一般名称およびマンセル記号を記載したものである RGB 値は, 各標準色紙の中央, 四隅の 5 箇所において測定し, 平均値および標準偏差を求めた LS 装置による撮影条件としては, 読み取り解像度を 400dpi とし, 屋内においてカラーチャートに密着させ撮影した保存する画像形式は記録容量を考え JPEG 形式としたデジタルカメラによる撮影条件としては, 撮影範囲が標準色紙を貼付した範囲と一致するようにし, 外部光の条件を 3 通りに変化させ実験を行った外部光の条件としては,1 屋内において, 白色蛍光灯 (18W) をカラーチャート面から 45 上方より照射し撮影,2 快晴の日中, 屋外の日陰内で撮影,3 快晴の日中, 屋外の日向において, 太陽光がカラーチャート面から 45 方向から照射するようにして撮写真 -5 カラーチャート影, の 3 通りであるいずれの撮影条件におい表 -2 デジタルカメラの設定ても, レンズにはズームレンズ (18-70mm) 撮影条件蛍光灯屋外 ( 日陰 ) 屋外 ( 日向 ) 画像サイズ画素を使用し, 画像サイズ画素の JPEG レンズズームレンズ 18-70mm 形式で画像を保存した外部光の条件別のデジシャッタースピード 1/30 秒 1/640 秒 1/4000 秒 F 値 5.6 タルカメラの設定を表 -2 に示す感度 ISO 800 (2) ひび割れ幅計測精度の検証ホワイトバランス蛍光灯晴天日陰晴天ひび割れ幅計測精度の検証実験としては, コンクリート供試体に発生させたひび割れを LS 装置およびデジタルカメラで撮影し, 画像解析により算出したひび割れ幅と 2 次元レーザ計測器により実測したひび割れ幅とを比較することにより検討したコンクリート供試体は, mm の無筋のものであり, 曲げ載荷により破断させ, 任意の幅のひび割れを作製できるようにしたひび割れ幅の実測に用いた 2 次元レーザ計測器は, ひび割れ幅方向の分解能が 0.005mm のものであり, 写真 -6 にはその計測状況を示す画像解析によるひび割れ幅の計測位置は,2 次元レーザ計測器で計測した箇所と同位置とし, ひび割れ幅 0.05mm から 2.0mm までの間で 12 箇所計測を行った LS 装置による撮影条件は, 読み取り解像度を 500dpi とし, 屋内においてコンクリート表面に密着させて撮影したまた, デジタルカメラの撮影条件としては, 接写用マイクロレンズ (60mm F2.8D) を使用し, デジタルカメラで撮影した画像の 1 画素のサイズが LS 装置のそれと同じとなるよう供試体までの距離を調節して撮影した LS 装置およびデジタルカメラの 1 画素のサイズは,0.05mm であり, 計測する最小ひび割れ幅と同等とした外部光の条件としては, 屋内において, 白色蛍光灯 (18W) を供試体表面から 45 上方より照射し撮影したデジタルカメラの設定としては, シャッタースピード 1/15 秒,F 値 5.6, 感度 ISO800 であり, 画像サイズ画素の JPEG 画像とした画像解析によるひび割れ幅の計測方法は,LS 装置およびデジタルカメラとも同じ方法であり, 撮影した画像の輪郭部分の強調処理などを行った後,2 値化し, ひび割れ部分の画素数よりひび割れ幅を算出したなお,2 値化処理でのしきい値は, ひび割れ 2 次元レーザ計測器中央部において基準点を設け,2 次元レーザ計測器で実測した基準点のひび割れ幅を参照し決定した写真 -6 2 次元レーザ計測器による計測状況

4 (3) 気泡面積計測精度の検証気泡面積計測精度の検証実験としては, コンクリート供試体表面に発生した気泡を LS 装置およびデジタルカメラで撮影し, 画像解析により算出した気泡面積と 2 次元レーザ計測器により実測したそれとを比較する方法としたコンクリート供試体は, mm の形状のものであり, 型枠に接した面に発生した直径 2~8mm 程度の気泡 12 個について計測を行った 2 次元レーザ計測器は, ひび割れ幅の実測に用いたものと同じであるが, 面積の計測ではレーザを XY 軸方向に走査し面積を求めた LS 装置およびデジタルカメラによる撮影条件は, ひび割れ幅計測の実験とそれぞれ同じである画像解析による気泡面積の計測方法は, 撮影した画像の輪郭部分の強調処理や階調補正などを行った後,2 値化し, 気泡部分の画素数より面積を算出した 2 値化処理でのしきい値の決定は, 元画像と 2 値化画像を比較し目視判断で行った 4. 検証実験の結果 (1) 色再現性 LS 装置および各種外部光条件下で撮影したデジタルカメラによる RGB 値の計測結果を表 -3 に示す標準色紙の変換 RGB 値は, マンセル記号から JIS Z 8781 の付属書付表 (C 光源 2 度視野 ) を用いて求めた LS 装置においては, 有彩色での絶対値が 30 以上となる色も一部見られるが, おおむね良好な結果が得られている一方, デジタルカメラは外部光の違いにより RGB 値が大きく変化することが分かるまた, 同一標準色紙内の各 RGB 値の 5 点の計測値のばらつき ( 標準偏差 ) をみると,LS 装置は非常に小さいが, デジタルカメラはいずれの外部光の条件においても大きなばらつきが見られるこれは外部光の照射角度の影響の他, レンズの色収差による影響も考えられる以上より, 外部光を遮蔽し, 内蔵する一定光源で撮影する LS 装置は, デジ分類無彩色有彩色分類無彩色有彩色表 -3 LS 装置およびデジタルカメラによる RGB 値計測結果標準色紙 LS 装置による計測結果蛍光灯照明下のデジタルカメラによる計測結果 No. 一般変換 RGB 値名称 R G B R G B R G B R G B R G B 1 黒 (0.45) 23 (0.45) 30 (0.45) (1.82) 12 (1.64) 13 (3.27) 濃い灰色 (0.89) 48 (0.89) 60 (0.89) (4.45) 39 (3.00) 46 (7.40) 灰色 (1.30) 101 (1.30) 113 (1.64) (3.67) 89 (3.85) 98 (2.70) 淡い灰色 (0.84) 165 (0.84) 173 (0.84) (5.50) 135 (5.50) 148 (7.89) 白 (0.89) 228 (1.34) 227 (0.00) (6.32) 179 (5.77) 198 (6.98) 赤 (1.34) 47 (1.00) 72 (0.89) (4.16) 59 (4.04) 74 (4.66) 黄赤 (1.58) 95 (1.10) 69 (1.14) (3.35) 115 (3.29) 32 (6.80) 黄 (1.95) 152 (1.95) 66 (0.84) (2.59) 156 (3.11) 黄緑 (0.89) 137 (1.67) 58 (0.55) (5.89) 128 (4.95) 0 (0.45) 緑 (1.48) 132 (1.67) 96 (1.67) (4.38) 96 (6.72) 71 (6.02) 青緑 (1.00) 116 (0.45) 125 (3.91) (1.10) 94 (3.16) 117 (2.97) 青 (1.10) 91 (1.41) 136 (1.41) (3.78) 84 (3.11) 135 (3.71) 青紫 (1.34) 53 (1.14) 131 (2.00) (3.65) 68 (8.73) 138 (5.89) 紫 (2.07) 40 (1.22) 96 (1.64) (3.65) 51 (3.74) 111 (6.65) 赤紫 (1.79) 37 (1.30) 81 (1.79) (4.38) 36 (2.68) 80 (7.07) 標準色紙屋外日陰におけるデジタルカメラによる計測結果屋外日向におけるデジタルカメラによる計測結果 No. 一般変換 RGB 値名称 R G B R G B R G B R G B R G B 1 黒 (3.70) 47 (3.97) 63 (3.03) (3.90) 29 (5.00) 30 (6.47) 濃い灰色 (5.59) 83 (4.72) 95 (2.97) (3.70) 98 (2.77) 98 (2.77) 灰色 (4.32) 126 (4.24) 132 (3.70) (2.97) 157 (1.52) 157 (1.14) 淡い灰色 (3.96) 173 (3.77) 180 (2.07) (3.44) 210 (2.77) 210 (3.03) 白 (4.16) 210 (3.65) 213 (3.83) (5.72) 250 (3.36) 248 (3.24) 赤 (8.90) 81 (25.4) 102 (19.8) (3.54) 118 (8.44) 129 (11.4) 黄赤 (3.63) 130 (9.85) 80 (19.3) (2.55) 165 (2.41) 91 (11.9) 黄 (3.51) 165 (4.09) 11 (15.7) (3.35) 205 (3.08) 16 (5.41) 黄緑 (4.56) 146 (3.29) 8 (16.4) (2.39) 183 (2.51) 17 (3.08) 緑 (9.47) 124 (8.58) 84 (14.2) (3.74) 161 (2.95) 119 (4.45) 青緑 (6.44) 147 (10.1) 156 (3.05) (3.78) 159 (2.70) 166 (2.97) 青 (11.8) 125 (4.24) 170 (4.32) (4.16) 147 (1.30) 189 (1.64) 青紫 (4.77) 81 (2.88) 158 (2.28) (5.13) 121 (2.30) 196 (1.92) 紫 (3.19) 76 (3.11) 130 (3.46) (1.52) 95 (0.55) 164 (1.92) 赤紫 (7.29) 47 (12.9) 102 (10.9) (5.15) 83 (5.90) 140 (3.27)

5 タルカメラと比較し, 屋外での計測にも適用性が高いと言えるなお,LS 装置は, 屋内外で外部光の条件を変化させても RGB 計測値がほとんど変わらないという結果も得られており, 補正を行うことにより正確に色を再現できる可能がある (2) ひび割れ幅計測精度 3 LS 装置とデジタルカメラによるひび割れ幅の計測結果を図 -1 に示すまた, 図 -2 には,2 次元 2.5 レーザ計測器で計測したひび割れ幅に対する各装 2 置の計測値の分布を示すデジタルカメラによる計測結果は, ひび割れ幅が大きくなるに従い, 1.5 写真 -7 建築物壁面のひび割れと漏水跡が大きくなる傾向にあり, ひび割れ幅を小さく評価するケースが多い一方 LS 装置は, 計測 1 したひび割れ幅全域に渡り計測精度は高いまた, デジタルカメラ 0.5 LS 装置分布からもデジタルカメラのは広く分布するのに対し,LS 装置は全体の半数以上が ± 0 0.1mm 以内のとなっている LS 装置の計測精度が高い理由としては, 画像が高精細であること, 2 次元レーザ計測器による実測値 (mm) 図 -1 各装置によるひび割れ幅計測結果コンタクトイメージセンサの焦点深度が比較的浅 16 いため, ひび割れ部の階調値が小さくなることな 14 写真 -8 製品表面の気泡と色むらデジタルカメラどが考えられるなお, 本実験では,LS 装置と画 12 LS 装置像解像度を同じにするため, デジタルカメラを近頻 10 度接撮影としたが, この条件でのデジタルカメラの 8 撮影範囲は, およそ mm と極めて狭い 6 逆に, デジタルカメラの撮影範囲を LS 装置と同 4 2 等の A4 サイズとすると,1 画素のサイズは約 0 0.1mm となり計測精度はさらに低下する -0.9< -0.7< -0.5< -0.3< -0.1< 0.1< 0.3< 0.5< (3) 気泡面積計測精度気泡面積計測結果を図 -3 に示すひび割れ幅の図 -2 ひび割れ幅計測の分布計測結果と同様に, デジタルカメラでは, 大きなの範囲 (mm) 気泡になる程, が大きくなる傾向にあるそ 25 のは最大のもので,5.7mm 2 であった LS 装置は気泡面積においても, 微小なものから大きな 20 気泡まで高精度な計測結果となっている LS 装置による気泡の 2 値化画像は, 焦点深度の関係で気 15 泡部分とその他の部分の階調値の差が大きく, 気泡の平面形状を正確に 2 値化できる実施例 (1)RC 構造物の劣化調査事例築後 37 年経過した RC 建築物の壁面に生じたひび割れについて,LS 装置を用いて調査を行ったひび割れは壁面の中央部に鉛直方向に発生してい LS 装置, デジタルカメラによる計測値 (mm) LS 装置, デジタルカメラによる計測値 (mm 2 ) 5 0 デジタルカメラ LS 装置次元レーザ計測器による実測値 (mm 2 ) 図 -3 各装置による気泡面積計測結果

6 た発生時期は不明であるが, ひび割れから漏水によるエフロレッセンスの析出跡が見られる写真 -7 は, その状況を LS 装置で撮影したものである壁内および壁背面には給排水設備が無いため, 漏水跡は, ひび割れ内に浸透した雨水が滲出した箇所と考えられるひび割れが鉄筋位置まで達している場合, 雨水の進入により鉄筋の腐食が促進される恐れがあるまた, 本物件の基礎が沈下傾向にあるため, ひび割れの拡大が危惧される今後, LS 装置を用いた定期的な調査を行うこととし, 調査項目をひび割れ部からの錆汁の有無, ひび割れ幅の経時変化とした数箇所のひび割れ幅を撮影画像から計測した結果, 最小 0.32mm, 最大 0.51mm であった今回 2 次元レーザ計測器により同位置のひび割れ幅を計測したところ, LS 装置の計測は最大でも 0.055mm となり, 屋外のロバストな計測においても適用できることが確認された (2) 二次製品の品質管理事例コンクリート二次製品の製造管理において, 製品表面の気泡, 色むらは全数検査が行われる品質管理項目であるが, その検査は目視により定性的な判定がなされる場合がほとんどである写真 -8 は, 出荷前の側溝表面を LS 装置により撮影した画像であるまた, 図 -4 には同画像を 2 値化処理したものを示す気泡は微細なものまで正確に 2 値化されており, 色むらの一部も 2 値化後の画像に現れている 2 値化画像から, 画像解析により気泡の分布状況を求めたものが図 -5 である画像解析では, 各気泡の周長, 高さ, 幅なども同時に計測できるため, 色むらやノイズの判別, 除去が可能である撮影範囲内で 3mm 2 を越える気泡の総数は 29 個であり,21mm 2 ( 直径約 5mm) 以上の比較的大きい気泡は 1 個のみであったこのような定量的な評価結果を製造工程にフィードバックすれば, 品質向上や製造コストの削減が可能となる写真 -7 RC 壁面のひび割れと漏水跡写真 -8 製品表面の気泡と色むら図 -4 製品表面の 2 値化画像 14 3mm 2 以下の気泡を除くおわりに本報では, 開発した表面変状計測装置の精度をコンクリート供試体を用いて検証し, また, その適用事例について述べた結果として, 計測精度は実用上問題が無く, コンクリート構造物や部材の各種管理に利用できることを示した今後は, 鋼構造物やプラントの検査装置としての適用性について検討を行っていく予定である < 6 6< 9 9< 12 12< 15 15< 18 18< 21 21< 24 気泡面積の範囲 (mm 2 ) 図 -5 気泡の分布状況 24< 27 27< 謝辞本研究を遂行するに当り増見集平君に多大なる協力を頂いたまた本研究は, 平成 19 年度科学研究費補金 ( 基盤研究 B( 一般 )) 光学的非接触全視野計測法による建設構造物のマルチスケール損傷診断法の開発によって行われたことを付記する

Microsoft PowerPoint - H24全国大会_発表資料.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - H24全国大会_発表資料.ppt [互換モード] 第 47 回地盤工学研究発表会モアレを利用した変位計測システムの開発 ( 計測原理と画像解析 ) 平成 24 年 7 月 15 日山形設計 ( 株 ) 技術部長堀内宏信 1. はじめにひびわれ計測の必要性高度成長期に建設された社会基盤の多くが老朽化を迎え, また近年多発している地震などの災害により, 何らかの損傷を有する構造物は膨大な数に上ると想定される老朽化による劣化や外的要因による損傷などが生じた構造物の適切な維持管理による健全性の確保と長寿命化のためには,