JP2019011994A - 変位測定装置、変位測定方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象を撮影した撮像画像を利用して、測定対象の変位を精度よく測定し、かつ変位を直感的に理解することができる変位測定装置等を提供する。【解決手段】撮像部２０で撮影した測定対象の撮像画像に基づいて、測定対象を加振したときの変位を測定する変位測定装置１０であり、撮像部２０によって所定時間ごとに連続して撮影された測定対象の複数の撮像画像を取得する画像情報取得部３５と、複数の撮像画像に基づいて、測定対象の複数の測定点の基準位置からの変位情報を時系列に算出する変位情報算出部３６と、所定時間ごとの複数の測定点の変位情報を平滑化フィルタにより平滑化する平滑化処理部３７と、を備えて構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、変位測定装置、変位測定方法、及びプログラムに関するものである。

特許文献１，２に開示されているように、コンクリート構造物の表面を打撃した際に内部を伝播する弾性波速度を計測することで、コンクリートの強度などの物性を把握する方法が知られている。

特許文献１の弾性波速度比による床版の劣化度診断法には、弾性波速度の低下からひび割れや劣化の進行度合いを推定する方法が示されている。この文献には、衝撃弾性波を発生させる方法として、鋼製ハンマで床版を打撃する方法が記載されている。

一方、特許文献２には、橋梁やトンネルの壁面の簡単な加振方法として、火薬を目標点に向けて投てきすることで、検査員の手が容易に届かない場所であっても大きな加振力を発生させることができる方法が記載されている。

一方、特許文献３に開示されているように、橋梁や建物の壁面等の測定対象に設置した反射体（ターゲット）に向けてレーザ光を出射し、反射されてきたレーザ光を受光することで測定対象の振動やたわみを非接触で測定する変位測定装置が知られている。

また、昨今では４Ｋ高速度カメラ等、高画質で高サンプリングレートのビデオカメラの普及により、撮像された画像データを解析することで、様々な物体の多様な動作を検出する技術が開発され、この技術が建造物の変位の検出にも応用され始めている。

特開２０１４−１４９２８５号公報 特開２０１５−２０３５７２号公報 特開２０１７−５３７７２号公報

しかしながら、特許文献１−３に記載の従来技術では、測定対象にセンサやターゲットを取り付ける必要があり、長大橋や斜張橋の斜材（ケーブル）などが測定対象となった場合、これらの取り付けが困難となる。一方、４Ｋ高速度カメラ等を用いた場合、ターゲット等の設置は不要となるが、画像データ量が膨大であり、そのままでは測定対象の動きを直感的に理解するのが困難となるおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、測定対象を撮影した撮像画像を利用して、測定対象の変位を精度よく測定し、かつ変位を直感的に理解することができる変位測定装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の変位測定装置は、測定対象を撮影した撮像画像に基づいて、前記測定対象を加振したときの変位を測定する変位測定装置であって、所定時間ごとに連続して撮影された前記測定対象の複数の撮像画像を取得する画像情報取得部と、前記複数の撮像画像に基づいて、前記測定対象の複数の測定点の基準位置からの変位情報を時系列に算出する変位情報算出部と、前記所定時間ごとの前記複数の測定点の前記変位情報を平滑化フィルタにより平滑化する平滑化処理部と、を備えたことを特徴とする。

ここで、平滑化処理された前記複数の測定点の前記変位情報に基づいて、前記測定対象の変位を時系列に表す三次元画像を生成し表示部に表示する画像生成部を、備えた構成とすることができる。また、前記平滑化処理部は、前記測定点の総数を基準とした次数によって前記変位情報を平滑化する構成とすることができる。さらには、前記測定対象が、平面視長方形状の桁の隅角部が複数の支承で支持された梁状構造物であり、前記平滑化処理部により平滑化処理された前記複数の測定点の前記変位情報に基づいて、前記支承による前記桁の支持状態を検出する支持状態検出部を、備えた構成とすることができる。

また、本発明の変位測定方法は、上述のような変位測定装置で行われる変位測定方法であって、所定時間ごとに連続して撮影された測定対象の複数の撮像画像を取得する工程と、前記複数の撮像画像に基づいて、前記測定対象の複数の測定点の基準位置からの変位情報を時系列に算出する工程と前記所定時間ごとの前記複数の測定点の前記変位情報を平滑化フィルタにより平滑化する工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明のプログラムは、コンピュータを、所定時間ごとに連続して撮影された測定対象の複数の撮像画像を取得する手段と、前記複数の撮像画像に基づいて、前記測定対象の複数の測定点の基準位置からの変位情報を時系列に算出する手段と、前記所定時間ごとの前記複数の測定点の前記変位情報を平滑化フィルタにより平滑化する手段として機能させるためのプログラムである。

このように構成された本発明の変位測定装置は、所定時間ごとに連続して撮影された測定対象の複数の撮像画像に基づいて、測定対象の複数の測定点の変位情報を算出する。よって、高画質の複数の撮像画像から、より多くの測定点における変位情報を時系列に算出することができる。そして、算出された変位情報を、平滑化フィルタを用いて平滑化することで、測定点によって異なる変位情報のノイズを精度よく除去することができる。したがって、測定対象を撮影した撮像画像を利用して、測定対象の変位を精度よく測定し、かつ変位を直感的に理解することが可能となる。

また、平滑化処理された複数の測定点の変位情報に基づいて、測定対象の変位を時系列に表す三次元画像を生成して表示する構成であれば、測定者は測定対象の変位を、視覚によって、より直感的に理解することができる。また、測定点の総数を基準とした次数によって変位情報を平滑化する構成であれば、測定点の総数に応じた適切な平滑化が可能となり、変位をより精度よく測定し、変位をより直感的に理解することができる。

また、測定対象が、平面視長方形状の桁の隅角部が複数の支承で支持された梁状構造物である場合は、平滑化処理された複数の測定点の変位情報に基づいて、支承による桁の支持状態を検出することができる。梁状構造物の変位を精度よく測定し、かつ変位を直感的に理解できることから、三点支持状態であるなど、支承による桁の支持状態を、より精度よく検出することができ、かつ支持状態を直感的に理解することができる。

第１実施形態の変位測定装置の全体構成及び測定状況を説明するための図である。 図１に示す変位測定装置の機能を表す機能ブロック図である。 模型橋梁を衝撃加振した後の、ある時点での平滑化処理前の元の変位データをプロットして変形形状を表したグラフと、平滑化処理後の変位データをプロットして変形形状を表したグラフである。 模型橋梁を衝撃加振し、各測定点で測定された変位データに基づいて生成された変位波形の三次元画像の一例を示す図である。 平滑化処理後の変位データに基づいて生成された変位波形の三次元画像の一例を示す図である。 第１実施形態の変位測定装置で実行される変位測定方法の工程の一例を示すフローチャートである。 橋梁における三点支持状態を説明するための図である。 第１実施形態の変位測定装置で、三点支持状態の模型橋梁の変位を測定したときの三次元画像を示す図である。 第１実施形態の変位測定装置で、浮きのない健全状態の模型橋梁の変位を測定したとき三次元画像を示す図である。 第２実施形態の変位測定装置で、三点支持状態の模型橋梁の変位を測定したときの三次元画像を示す図である。 第２実施形態の変位測定装置で、浮きのない健全状態の模型橋梁の変位を測定したとき三次元画像を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態の変位測定装置１０の全体構成及び測定状況を説明するための図である。また、図２は、変位測定装置１０の機能を表す機能ブロック図である。

本実施形態の変位測定装置１０は、測定対象の振動や変形等の変位を測定する。測定対象は、橋梁の橋桁等の梁状構造物、建築物若しくは擁壁等の構造物又は地面、斜面若しくは岩盤等の地物など、変位が生じるものであればいずれの構造又は形態であってもよい。

図１では、測定対象として、橋梁１のＲＣ桁２を例示している。このＲＣ桁２は、平面視長方形状のコンクリート構造物であり、橋脚３，３間に架け渡されている。ＲＣ桁２は、例えば列車Ｔの走行等による衝撃で振動する。

また、測定対象が斜張橋の斜材（ケーブル）などの細長い物であってもよい。例えば、測定対象が斜張橋や長大橋であった場合に、変位を測定したい箇所を撮影しにくいことがある。そのような場合に、例えば斜材を撮影した撮像画像を利用することができる。
ことができる。

本実施形態の変位測定装置１０は、図１に示すように、測定対象となる構造物の撮像画像を所定時間ごとに連続して撮影する撮像部２０と、撮像部２０から逐次入力される撮像画像に基づいて、測定対象の変位を算出する演算部３０と、撮像部２０及び演算部３０とを接続するケーブル４０と、を備えて構成される。

本実施形態では、撮像部２０と演算部３０とはケーブル４０を介して撮像画像等を送受信しているが、これに限定されるものではない。例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の近距離無線通信や、ＷｉＦｉ（登録商標）等の無線ＬＡＮ通信を利用して画像データを送受信する構成とすることもできる。

撮像部２０は、構造物の被写体像を形成する撮像光学系と、この被写体像を電気信号に変換して出力するＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子と、などを備えて構成される。撮像部２０としては、構造物の撮像画像を、所定時間ごとに連続して撮影し、画像データとして出力することができれば、特に限定されるものではないが、精度よく変位を測定するために、高画質で高サンプリングレートのデジタルビデオカメラを使用することが望ましい。より具体的には、解像度が７２０×４８０以上で、サンプリング周波数（フレームレート周波数）が６０Ｈｚ以上のデジタルビデオカメラなどを使用することが望ましい。本実施形態では、解像度が１，９２０×６００で、サンプリング周波数１２０Ｈｚの高解像度で高サンプリングレートのデジタルビデオカメラを使用している。

撮像部２０で撮影される撮像画像は、所定時間ごとに連続して撮影された静止画像であってもよいし、動画像のフレーム画像であってもよい。

撮像部２０は、測定者に保持されて撮影が行われるものでもよいが、本実施形態では、図１に示すように、撮像部２０を三脚部２１によって支持し、地面等に固定した状態で撮影を行うことで、ブレ等を抑制している。なお、撮像部２０をドローン等の小型無人航空機等に搭載して、空中から構造物等の測定対象を撮影する構成とすることもでき、測定者が近づきにくい斜張橋や長大橋等でも容易に撮影することができる。

演算部３０としては、例えば、液晶ディスプレイ等の表示部３１と、キーボードやマウス等の操作部３２を備え、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を内蔵したパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を使用することができる。ＰＣとしては、デスクトップ型ＰＣを使用してもよいが、軽量で携帯性に優れることから、本実施形態では、ノート型ＰＣを使用している。

図２に示すように、演算部３０は、変位測定装置１０全体の動作を制御する制御部（ＣＰＵ）３３と、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等からなり各種プログラムやデータを記憶する記憶部３４と、などを備えている。制御部３３は、記憶部３４に記憶されたプログラムに従って、変位測定装置１０全体を制御する。また、制御部３３は、記憶部３４に記憶された変位測定プログラムに従って、変位測定方法を実行する。すなわち、制御部３３は、画像情報取得部３５、変位情報算出部３６、平滑化処理部３７、表示画像生成部３８としても機能する。

画像情報取得部３５は、撮像部２０から入力される測定対象の撮像画像の画像データを取得する。このとき、画像情報取得部３５は、取得した画像データに対して、必要な画像処理や加工（例えば、座標変換、コントラスト調整、色変換、明るさ調整、フィルタ処理等）を施す。取得した画像データは、記憶部３４に記憶されて、変位情報算出部３６に受け渡される。なお、記憶部３４への記憶は、揮発メモリに一時的に記憶されるものであってもよいし、不揮発メモリに記憶されるものであってもよい。以降で説明する変位データや表示画像データ等についても同様である。

変位情報算出部３６は、画像情報取得部３５で取得した所定時間ごとの複数の画像データについて、適宜の画像解析ツールを用いて、画像データごとに、測定対象の複数の測定点の、予め決められた所定の基準位置からの変位情報（変位データ）を算出する。これにより、複数の測定点の変位データを時系列に取得することができる。つまり、変位データは、空間方向（測定点の位置の方向）と時間方向（撮影の時間軸方向）とを有する時空間データとして表される。算出された変位データは、記憶部３４に記憶されて平滑化処理部３７に受け渡される。

より精度よく変位を測定するために、例えば、ＲＣ桁２の長手方向の多数の箇所を、測定点とすることが望ましい。より具体的には、測定点を１００点よりも多くすることが望ましく、２００点以上とすることがより望ましく、いわゆる大規模多点の変位データを測定することが望ましい。高画質で高サンプリングレートの撮像部２０で撮影した撮像画像を用いることによって、このような大規模多点での変位データを取得することができる。この大規模多点での変位データに基づいて、より精度よく変位を測定することができる。

ここで、橋梁のような梁状測定対象の振動形状は、橋梁全体を剛体とした平進・回転成分とサイン波で表わされる梁の曲げ成分により説明することができる。しかしながら、大規模多点での変位データにおいては、各測定点でノイズ及び測定精度が異なるため、取得された変位データから上述のような各成分を読み取ることは困難である。また、時系列に得られた大規模多点の変位データのデータ量は膨大であり、測定結果を二次元プロットしただけでは測定対象の動きを直感的に理解することが困難である。

このことを鑑みて、発明者は、「梁状構造物において線路方向の変位形状は連続であり、近接した任意の二点の変位はどの時点においても大きく異ならない。」という性質に着目し、変位データを、時間方向ではなく、空間方向に平滑化することに想到した。これにより、ノイズを精度よく除去するとともに、測定対象の動きを直感的に理解できるようにしようとするものである。

そこで、平滑化処理部３７は、変位情報算出部３６で算出した変位データに基づいて、所定時間ごとの複数の測定点の変位データを平滑化フィルタにより平滑化する。この平滑化処理によって、各測定点で異なるノイズを精度よく除去することができる。平滑化フィルタによる平滑化の方法としては、特に限定されることはないが、移動平均フィルタによる移動平均フィルタ処理、メディアンフィルタを用いたメディアンフィルタ処理が好適である。

なお、時空間データである変位データは、空間方向と時間方向は独立している。そのため、通常の二次元移動平均フィルタやメディアンフィルタではなく、空間的な移動平均フィルタやメディアンフィルタを用いて、空間方向にのみ平滑化処理を行う。

また、平滑化処理では、測定点の総数を基準とした次数によって変位データを平滑化することが望ましい。例えば、測定点が１００点より多く２００点より少ないときは、測定点の総数の１０分の１を次数とし、１０分の１次の移動平均フィルタや、１０分の１次のメディアンフィルタを用いて平滑化処理を行うことが望ましい。また、測定点の総数が２００点以上であるときには、次数を２０とし、２０次の移動平均フィルタや、２０次のメディアンフィルタを用いて平滑化処理を行うことが望ましい。これは、梁状構造物であるＲＣ桁２の変位が不連続に変化しないこと、変形形状は概ね三次の曲げ変形程度までで表現できることを根拠としている。

表示画像生成部３８は、平滑化処理された複数の測定点の変位データに基づいて、測定対象の変位を時系列に表す三次元画像を生成し、表示部３１に表示する（例えば図５、図８−図１１参照）。

次に、本実施形態の変位測定装置１０で行われる変位測定方法について、図６のフローチャートに基づき説明する。変位測定を行うに際して、まず、図１に示すように、測定対象である橋梁１のＲＣ桁２の全体像を撮像部２０で撮影できる位置に、変位測定装置１０を設置する。その後、演算部３０を起動して、操作部３２を操作すること等により、変位測定プログラムを起動するとともに、撮像部２０を起動してＲＣ桁２の撮影を開始する。ここでは、動画像を撮影するものとする。

そして、衝撃加振によってＲＣ桁２が振動する様子を、撮像部２０で撮影する。この衝撃加振は、例えば列車Ｔの走行等によるものであってもよいが、ハンマ等によってＲＣ桁２を叩くことによるものであってもよい。撮影画像の画像データが撮像部２０から演算部３０に出力されることで、変位測定処理が開始される。この画像データの出力は、動画像の撮影に対応してリアルタイムに行われるものであってもよいし、予め決められた時間の動画像の撮影が完了した後に、一括出力するものであってもよい。

図６に示すように、変位測定処理では、まず、ステップＳ１で、画像情報取得部３５が、撮像部２０からの動画像の画像データ（フレーム画像データ）を取得し、必要な画像処理や加工処理を施す。次のステップＳ２では、変位情報算出部３６が、ステップＳ１で取得した画像データに基づいて、画像解析によってフレームごとに、予め決められた複数の測定点における変位データを算出し、記憶部３４に記憶する。

次のステップＳ３では、平滑化処理部３７が、ステップＳ２で算出された複数の測定点での時系列の変位データ（大規模多点変位データ）を、行数を時間、列数を空間とした行列として記憶部３４から読み込む。読み込んだ変位データの行数Ｎと列数Ｍとを算出する。動画像の場合は、フレーム画像のフレーム数を、行数Ｎとすることができる。また、測定点の総数を、空間の列数Ｍとすることができる。その後、ステップＳ４へと進む。

このステップＳ４では、列数Ｍの数に基づいて平滑化を行うか否かを決定し、かつ平滑化のための次数を決定するため、列数Ｍが１００以下か判定する。列数Ｍが１００以下（ステップＳ４の判定がＹＥＳ）の場合は、平滑化を行わずにステップＳ１７へと進む。

一方、列数Ｍが１００より多い（ステップＳ４の判定がＮＯ）場合は、平滑化のための次数を設定すべく、ステップＳ５へと進む。このステップＳ５では、列数Ｍが２００以上か判定し、２００以上（ステップＳ５の判定がＹＥＳ）の場合は、ステップＳ６へと進み、平滑化の次数を２０に設定する。これに対して、列数Ｍが２００未満（ステップＳ５の判定がＮＯ）の場合は、ステップＳ７へと進み、平滑化の次数を列数Ｍの１０分の１に設定する。次数を設定したら、ステップＳ８へと進む。

このステップＳ８では、行数カウンタｎに１を設定する。この行数カウンタｎは、時空間データである変位データを、時間（フレーム）ごと、つまり第ｎ行ごとに平滑化処理を行うためのカウンタで、現在処理中の行数（時間）を表す。

次に、ステップＳ９へと進み、列数カウンタｍに１を設定する。この列数カウンタは、第ｎ行の時間における各測定点での変位データを、次数に応じて順次平滑化処理を行うためのカウンタであり、現在処理中の列数（測定点）を表す。

その後、ステップＳ１０へと進むと、平滑化処理部３７が、ステップＳ６又はＳ７で設定した次数に従って、移動平均フィルタ又はメディアンフィルタを用いて第ｎ行の時間での変位データの平滑化処理を行う。

次いで、ステップＳ１１へと進み、列数カウンタｍ＝Ｍか、すなわち第ｎ行のすべての測定点での変位データを用いて平滑化処理が終了したか否か判定する。ｍ＜Ｍ（ステップＳ１１の判定がＮＯ）の場合は、すべての測定点を用いた平滑化処理が終了していないため、ステップＳ１２へと進んで列数カウンタｍをカウントアップし（ｍ＝ｍ＋１）、ステップＳ１０に戻って、変位データの平滑化処理を続行する。

そして、ｍ＝Ｍ（ステップＳ１１の判定がＹＥＳ）となり、当該第ｎ行のすべての測定点での変位データを用いた平滑化処理が終了したら、ステップＳ１３へと進む。

移動平均フィルタ処理の効果を証明すべく、図３に、ある時点での平滑化処理前の元の変位データをプロットして変形形状を表したグラフと、平滑化処理後の変位データをプロットして変形形状を表したグラフを示す。図３のグラフは、図１のような実物の橋梁１ではなく、一本のＲＣ桁が橋脚によって支持された模型橋梁を使用し、ＲＣ桁の中央をハンマで叩いて衝撃加振させ、変位測定装置１０で変位を測定して得たものである。平滑化処理には、２０次の移動平均フィルタを用いた。この図３から解るように、平滑化処理前の変形形状のグラフに比べて、平滑化処理の変形形状のグラフでは、当該時点における剛体平進・回転成分及び曲げ変形成分を、より直感的に理解することができる。

次に、ステップＳ１３では、行数カウンタｎ＝Ｎか、すなわちすべての行（時間）の変位データの平滑化処理が終了したか否か判定する。ｎ＜Ｎ（ステップＳ１３の判定がＮＯ）の場合は、すべての行での平滑処理が終了していないため、ステップＳ１４へと進む。このステップＳ１４で行数カウンタｎをカウントアップした後（ｎ＝ｎ＋１）、ステップＳ９に戻って、行数カウンタｍに１を設定して初期化し、ステップＳ１０へと進んで次の第ｎ行の時間における変位データの平滑化処理を続行する。

一方、ｎ＝Ｎ（ステップＳ１３の判定がＹＥＳ）となり、すべての時間での変位データの平滑化処理が終了したら、ステップＳ１５の三次元画像の生成処理へと進む。

このステップＳ１５では、表示画像生成部３８が、平滑化処理後の変位データを、時間軸、空間軸及び変位軸の３次元空間に曲面としてプロットし、表示部３１へ表示する三次元画像を生成する。このとき、表示画像生成部３８は平滑化処理後の変位データに基づいて曲面を計算する。また、変位の大きさにより表示カラーを変化させてグラデーション化することで、視認性を向上させることができる。また、曲面を半透明化することで、グラフの重なっている部分の可視性を向上させることができる。このような三次元画像では、変位の直感的な理解を促進させることができる。

その後、ステップＳ１６へと進み、表示画像生成部３８は、ステップＳ１４で生成した三次元画像を表示部３１に表示する。

なお、先のステップＳ４で、列数Ｍが１００以下と判定され、平滑化処理を行わずにステップＳ１７へと進んだ場合は、表示画像生成部３８は、平滑化処理前の元の変位データを三次元プロットして三次元画像を生成する。この場合も、グラデーション化や半透明化を施すことで、視認性を向上させることができる。その後、ステップＳ１６へと進み、表示画像生成部３８は、ステップＳ１７で生成した三次元画像を表示部３１に表示する。

このように本実施形態では列数Ｍが１００以下の場合でも三次元画像を生成して表示しているが、これに限定されることはない。ステップＳ１７を設けずに、列数Ｍが１００以下の場合は、直ちに変位測定処理を終了してもよい。

以上で、変位測定装置１０による変位測定処理が完了する。測定者は、大規模多点の変位データ（ビックデータ）に基づいて生成された三次元画像を視認することで、剛体平進・回転変形、曲げ変形といった梁状構造物の変形形状と、時間的な振動性状を直感的に理解することが可能となる。

図５に、平滑化処理後の変位データに基づいて生成された変位波形の三次元画像の一例を示す。また、参考として、図４に、平滑処理前の元の変位データに基づいて生成された三次元画像の一例を示す。図４、図５の三次元画像も、本実施形態の変位測定装置１０で測定した模型橋梁の変位データに基づいて生成されたものである。

図４、図５中の「Disp」は変位を表し、「Frame num.」はフレームNo、すなわち時間を表し、「Measurement points」は測定点、すなわち空間を表す。また、三次元画像中の「Excitation」は、ハンマにより衝撃加振した位置と時点を表す。後述の図８−図１１の三次元画像においても同様である。

平滑処理後の変位データに基づく図５の三次元画像によれば、衝撃加振後に１次曲げ変形と剛体平進による振動が励起され、曲げ変形はすぐに減衰し、剛体平進振動も徐々に減衰していく様子を直感的に理解することができる。

これに対して、平滑化処理前の元の変位データに基づく図４の三次元画像においては、衝撃加振後に徐々に振動が減衰していく様子は確認できるが、ノイズにより変形成分までを捉えることはできないことが解る。

なお、三次元画像の表示方向が図４、図５に示されるものに限定されることはなく、異なる表示方向の三次元画像を生成することもできる。また、測定者が操作部３２等を操作して、三次元画像を表示部３１内で回転させ、測定者が三次元画像の表示方向を任意に変化させることができる構成とすることもできる。いずれの場合でも、変形状態等に応じて、測定者が見易い表示方向で三次元画像を表示することが望ましい。

以上説明したように、第１実施形態の変位測定装置１０、変位測定方法及びプログラムでは、測定対象の変位を精度よく測定でき、かつ、測定対象の変位を直感的に理解することができる。また、この高精度な測定結果を活用することで、測定対象の損傷検知や状態評価を精度よく行うことが可能となる。以下では、本実施形態の変位測定装置１０を用いて橋梁１の変位を測定し、その測定結果を利用して支承状態を検出（評価）する具体例について説明する。

（支承状態の検出例）
図７を用いて、三点支持状態について説明する。図７に示す橋脚１は、平面視長方形状のＲＣ桁２の隅角部２ａ−２ｄが、一対の橋脚３ａ，３ｂ上の４つの支承４ａ−４ｄで支持されている。

このような４点の支承４ａ−４ｄで支持されるＲＣ桁２の場合、橋脚３ａ，３ｂの沈下や偏心により、ある一つの支承４ａ−４ｄでの支持部のみが浮いてしまう三点支持状態になることがある。図７では、一方の橋脚３ａの沈下や偏心により傾斜した例を示している。この状態の橋梁１では、列車Ｔの通過によって支承４ｂと支承４ｃに過大な荷重が作用し、支承４ｄに作用する荷重は小さくなり、支承４ａ側ではＲＣ桁２の隅角部２ａが浮いた状態となり、三点支持状態となる。

この三点支持状態になると、列車Ｔの通過とともに支承４ａとＲＣ桁２とが衝突を繰り返す現象が生じる。一般的には支承４の「バタつき」と言われ、支承部の代表的な異常として知られている。この三点支持状態を放置すると、支承部の損傷や異常を招く結果となる。また、三点支持となっている場合でも見かけ上は浮きが確認できない場合もあり、損傷が生じてから三点支持状態であったことがわかる場合が多い。損傷等を抑制するためには、支承状態の異常を、速やかに、かつ精度よく検出することが肝要である。

本実施形態の変位測定装置１０によって、支承状態の異常等を、速やかに、かつ精度よく検出するこができることを検証するため、三点支持状態の模型橋梁と、浮きのない健全状態の模型橋梁とを衝撃加振して変位を測定した。そして、平滑化処理後の変位データに基づいてそれぞれの三次元画像を生成し、表示部３１に表示した。変位測定手順は、上記で図６のフローチャートを用いて説明したとおりである。

図８に、三点支持状態の模型橋梁の変位を測定したときの三次元画像を示し、図９に、浮きのない健全状態の模型橋梁の変位を測定したとき三次元画像を示す。

図８の三次元画像によれば、三点支持状態で浮きがある場合には、衝撃加振により支承反力が生じないことが解る。これに対して、図９の三次元画像によれば、浮きのない健全な支承状態では、支承反力により衝撃加振直後に上側振幅が生じることが解る。

また、支承反力の不釣り合いにより衝撃加振直後の橋梁では剛体平進とともに剛体回転成分が卓越するため、浮きがある三点支持状態では、図８に示すように、小刻みな衝突と反発とが繰り返される。

図８、図９の結果から、浮きのない健全な支承状態で１波振動する間に、浮きのある三点支持状態では２波振動することが解る。また、浮きがない健全な場合には、図９に示すように、左右の平均支承変位はほぼ一致し、衝撃加振直後の上側振幅の継続時間も概ね一致する。なお、剛体回転成分は２波程度ですぐに減衰してしまうため、加振直後の波形を用いることが望ましい。

以上説明したように、本実施形態では、測定対象の変位を精度よく測定できることから、その測定結果（三次元画像等）を分析することで、各振動成分の卓越度合いにより、測定対象が健全であるか否かを精度よく判断することができる。また、異常の場合は、異常が発生した箇所がどこであるかを精度よく判断することができる。また、模型橋梁等を用いて、予め様々な状態の変位を測定しておき、各状態での波形の特徴を予め把握しておけば、これらと、実際の測定対象を衝撃加振したときの変位の測定結果とを比較することで、当該測定対象の状態を迅速かつ精度よく評価することができる。

また、測定対象の局所的な損傷は、曲げ変形の曲率に表れることが知られている。そのため、本実施形態の変位測定装置１０等を用いて変位を測定することで、曲げ変形に基づく損傷位置の同定が可能となる。また、本実施形態では、ビッグデータを用いて精度よく変位を測定することができるため、梁状構造物の大規模な数値解析モデルの検証にも応用することができる。

次に、本実施形態の作用を説明する。本実施形態の変位測定装置１０は、撮像部２０によって所定時間ごとに連続して撮影された測定対象の複数の画像データ（撮像画像）を取得する画像情報取得部３５と、複数の画像データに基づいて、測定対象の複数の測定点の基準位置からの変位データ（変位情報）を時系列に算出する変位情報算出部３６と、所定時間ごとに複数の測定点の変位情報を平滑化フィルタにより平滑化する平滑化処理部３７と、を備えている。

また、本実施形態の変位測定方法は、本実施形態の変位測定装置１０で行われ、撮像部２０によって所定時間ごとに連続して撮影された測定対象の複数の撮像画像を取得する工程と、複数の撮像画像に基づいて、測定対象の複数の測定点の基準位置からの変位情報を時系列に算出する工程と、所定時間ごとの複数の測定点の変位情報を平滑化フィルタにより平滑化する工程と、を有している。

また、本実施形態のプログラムは、コンピュータを、所定時間ごとに連続して撮影された測定対象の複数の撮像画像を取得する手段と、複数の撮像画像に基づいて、測定対象の複数の測定点の基準位置からの変位情報を時系列に算出する手段と、所定時間における複数の測定点の変位情報を平滑化フィルタにより平滑化する手段として機能させるためのプログラムである。

したがって、本実施形態では、撮像部２０での撮像画像を利用することで、従来のようなターゲットが不要となるとともに、多くの測定点での変位データを取得することができる。特に、高画質で高サンプリングレートの撮像部２０を使用することで、大規模多点の変位データ（いわゆるビッグデータ）を取得することができる。この膨大な変位データであっても、平滑化処理によって、各測定点で異なる変位データのノイズを精度よく除去することができる。したがって、平滑化処理された変位データに基づいて、測定対象の変位を精度よく測定することができる。そのため、剛体平進・回転、及び曲げ変形といった梁状構造物の変形形状、時間的な振動性状など、測定対象の変位を直感的に理解することが可能な変位測定装置１０、変位測定方法及びプログラムを提供することができる。

また、本実施形態では、平滑化処理された複数の測定点の変位データに基づいて、測定対象の変位を時系列に表す三次元画像を生成し表示部３１に表示する表示画像生成部３８を備えた構成となっている。この三次元画像によって、測定者が変位デーを視覚的に理解し易くなり、測定対象の変位をより直感的に理解することができる。

また、本実施形態では、平滑化処理部３７は、測定点の総数を基準とした次数によって変位データを平滑化する構成となっている。これにより、測定点の総数に応じた適切な平滑化処理が可能となり、測定対象の変位をより直感的に理解することができる。

また、本実施形態では、平面視長方形状のＲＣ桁２の隅角部２ａ−２ｄが複数の支承４ａ−４ｂで支持された梁状構造物（橋梁１）の変形を測定するものとし、平滑化処理部３７により平滑化処理された複数の測定点の変位データに基づいて、支承４ａ−４ｂによるＲＣ桁２前記桁の支持状態を検出する支持状態検出部３９を備えた構成とすることもできる。この構成により、支承４ａ−４ｂによる支持状態を、精度よく検出することができ、かつ支承状態を直感的に理解することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の変位測定装置１０について、図面に基づいて説明する。第２実施形態の変位測定装置１０は、制御部３３に、図２に点線で示した支持状態検出部３９を設けたこと以外は、図１、図２に示す第１実施形態の変位測定装置１０と同様の基本構成を備えている。そのため、以下では主に第１実施形態とは異なる構成について説明し、第１実施形態と同様の構成には同様の符号を付して、詳細な説明は省略する。

第２実施形態の変位測定装置１０は、撮像部２０と、表示部３１、操作部３２、制御部３３及び記憶部３４を主に備えた演算部３０と、がケーブル４０によって接続されている。制御部３３は、図２に示すように、画像情報取得部３５、変位情報算出部３６、平滑化処理部３７、表示画像生成部３８、及び支持状態検出部３９を備えて構成されている。支持状態検出部３９は、平滑化処理部３７により平滑化処理された複数の測定点の変位データに基づいて、支承４によるＲＣ桁２の支持状態を検出する。

上記第１実施形態では、変位の測定結果（三次元画像）に基づいて、測定者が支承状態を評価していた。これに対して、第２実施形態の変位測定装置１０では、支持状態検出部３９によって、自動で支承による支持状態を検出する構成となっている。

なお、本実施形態の支持状態検出部３９は、剛体回転成分の卓越度を用いて支持状態を検出しているが、これに限定されるものではなく、他の手法によって支持状態を検出することもできる。

支持状態の検出手順を説明すると、まず、第１実施形態と同様に、ＲＣ桁２を衝撃加振して、撮像部２０によって動画像を撮影する。そして、撮像部２０で撮影した動画像の画像データを画像情報取得部３５が取得し、この画像データに基づいて、変位情報算出部３６が、各測定点における変位データを時系列で算出する。この変位データに基づいて、平滑化処理部３７が平滑化処理を実行する。

次に、支持状態検出部３９は、平滑化処理後の大規模多点の変位データに基づいて、衝撃加振直後の最大振幅記録時点の変形を抽出する。この最大振幅記録時点の変形形状に対して、一次関数（傾きと切片）を算出する。支持状態検出部３９は、算出した一次関数の両支点部での振幅に一定以上の差がある場合には、振幅が小さい方に浮きがあると判定する。浮きの判定に用いる両支点部での振幅の差の例として、例えば２倍がある。

そして、表示画像生成部３８は、大規模多点の変位データに基づいて三次元画像を生成するとともに、その三次元画像中に一次関数を表す線分を重畳して、表示部３１に表示する。このとき、「浮きあり（三点支持状態）」、「健全状態」等の文字列表示部３１に三次元画像とともに表示してもよい。測定者は、表示部３１に表示された三次元画像を視認するだけで、測定対象の変形形状や振動形状だけでなく、支持状態が健全であるか否かを、直感的に理解することができる。

図１０に、三点支持状態の模型橋梁の変位を測定したときの三次元画像を示し、図１１に、浮きのない健全状態の模型橋梁の変位を測定したとき三次元画像を示す。

図１０の三次元画像によれば、支承部に浮きがある場合には、衝撃加振の直後に橋梁１の剛体平進とともに剛体回転成分が卓越する。その結果、衝撃加振直後に最大変位を記録した時点において橋梁１の剛体回転成分が大きくなる。本実施形態のように、変形形状の一次関数を求めることで、この傾向をより明確化し、ノイズのよる誤差の影響を低減することができる。

なお、図１１の三次元画像によれば、浮きがない場合には回転成分はほとんど励起されないため、最大変位を記録した時点の両支点部の振幅値は、概ね同じ値（０．７５〜１．２）程度となることが解る。

なお、本実施形態では、算出した一次関数に基づいて、浮きがあるか否か等を判定しているが、これに限定されるものではない。支持状態検出部３９は、判定までを行わずに、一次関数の算出までを行い、一次関数の線分が重畳された三次元画像を、測定者が視認することで、測定者自身が中に浮きがあるか否か等を判定するものであってもよい。

以上、第２実施形態の変位測定装置１０、変位測定方法及びプログラムによっても、第１実施形態と同様に、測定対象の変位を精度よく測定することができるため、その測定結果に基づいて、支承状態等を精度よく検出することができる。しかも、変位測定装置１０によって自動で支承状態を検出するため、その検出結果を視認することで、測定者は支承状態を直感的に理解することができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、上記各実施形態では、変位測定装置１０が撮像部２０を備え、この撮像部２０で撮影した撮像画像が演算部３０に逐次入力される構成となっているが、この構成に限定されるものではない。演算部３０が撮像画像を取得できればよく、例えば、撮像部２０で撮影した撮像画像を撮像部２０の記憶部に記録しておき、演算部３０にすべての撮影画像のデータを転送する構成とすることもできる。また、現場で撮影した撮像画像を、インターネット等の通信回線を通じてダウンロードしたり、ＵＳＢメモリやＳＤメモリカード等からインストールしたりする構成とすることもできる。

また、演算部３０がＰＣに限定されることはなく、大規模な多点変位データを処理する能力を備えていれば、タブレット端末や、スマートフォン等の携帯端末を使用することもできる。

また、上記各実施形態では、図７に示すように、４点の支承４によって支持されたＲＣ桁２を、支承状態の検出対象としているが、検出対象が図７の例に限定されるものではない。例えば５点以上の支承４によって支持されたＲＣ桁２などでも、上記各実施形態の変位測定装置１０、変位測定方法及びプログラムによって、精度よく支承状態を検出することができる。

１ 橋梁（測定対象）
２ ＲＣ桁（測定対象）
２ａ−２ｄ 隅角部
４ａ−４ｄ 支承
１０ 変位測定装置
２０ 撮像部
３１ 表示部
３３ 制御部
３５ 画像情報取得部
３６ 変位情報算出部
３７ 平滑化処理部
３８ 表示画像生成部
３９ 支持状態検出部

Claims (6)

1. 測定対象の撮像画像に基づいて、前記測定対象を加振したときの変位を測定する変位測定装置であって、
   所定時間ごとに連続して撮影された前記測定対象の複数の撮像画像を取得する画像情報取得部と、
   前記複数の撮像画像に基づいて、前記測定対象の複数の測定点の基準位置からの変位情報を時系列に算出する変位情報算出部と、
   前記所定時間ごとの前記複数の測定点の前記変位情報を平滑化フィルタにより平滑化する平滑化処理部と、を備えたことを特徴とする変位測定装置。
2. 平滑化処理された前記複数の測定点の前記変位情報に基づいて、前記測定対象の変位を時系列に表す三次元画像を生成し表示部に表示する表示画像生成部を、備えたことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
3. 前記平滑化処理部は、前記測定点の総数を基準とした次数によって前記変位情報を平滑化することを特徴とする請求項１または２に記載の変位測定装置。
4. 前記測定対象が、平面視長方形状の桁の隅角部が複数の支承で支持された梁状構造物であり、
   前記平滑化処理部により平滑化処理された前記複数の測定点の前記変位情報に基づいて、前記支承による前記桁の支持状態を検出する支持状態検出部を、備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の変位測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の変位測定装置で行われる変位測定方法であって、
   所定時間ごとに連続して撮影された測定対象の複数の撮像画像を取得する工程と、
   前記複数の撮像画像に基づいて、前記測定対象の複数の測定点の基準位置からの変位情報を時系列に算出する工程と、
   前記所定時間ごとの前記複数の測定点の前記変位情報を平滑化フィルタにより平滑化する工程と、を有することを特徴とする変位測定方法。
6. コンピュータを、
   所定時間ごとに連続して撮影された測定対象の複数の撮像画像を取得する手段と、
   前記複数の撮像画像に基づいて、前記測定対象の複数の測定点の基準位置からの変位情報を時系列に算出する手段と、
   前記所定時間ごとの前記複数の測定点の前記変位情報を平滑化フィルタにより平滑化する手段として機能させるためのプログラム。