JPH0695065B2

JPH0695065B2 - 亀裂試験装置の亀裂進展追跡装置

Info

Publication number: JPH0695065B2
Application number: JP62048473A
Authority: JP
Inventors: 厚美甲斐; 志朗萩下
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-02
Filing date: 1987-03-02
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPS63214642A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、引張り荷重（繰り返し荷重が加えられること
が多い）又は曲げ荷重を加えられた試験片に発生する亀
裂の進展状況を観測又は記録するための亀裂試験装置の
亀裂進展追跡装置に関する。

〔従来の技術〕

試験片に発生する亀裂の進展状況を観測又は記録するた
めに、近年では、亀裂発生箇所を撮像し、その撮像情報
を利用して観測又は記録することが行われている。つま
り、亀裂発生箇所を高解像に撮像するために、所定倍率
（例えば、100倍程度）で撮像する光学系を備えたビデ
オカメラ等を撮像手段として設け、その亀裂進展状況と
しての撮像情報を、例えば、設定時間を経過する毎にビ
デオテープ等に順次記録し、そして、その再生画像情報
を用いて、亀裂進展状況を観測するようにしていた。

ところで、撮像手段は、一般に、試験片全体を撮像する
ことができないものであり、このために、従来では、亀
裂発生箇所を追跡すべく、撮像手段の撮像範囲を試験片
の亀裂発生箇所の先端に合わせるように移動させていた
（例えば特開昭56-35006号公報参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この種の試験において、亀裂範囲は撮像
範囲のうちで試験片の表面部分に現れるだけとは限ら
ず、試験片の内部での亀裂が表面の亀裂に先行して進展
し、さらに亀裂が進行したときに内部の亀裂が撮像表面
側に現れてくる場合もある。つまり、試験片の表面に現
れる亀裂が連続せず、不連続な状態で現れることがあ
る。

このような場合には、亀裂の先端箇所を追跡して撮像し
ていても、連続の亀裂が途絶えた箇所が亀裂先端と判断
されてしまうため、事実上の正確な亀裂先端を捕らえる
ことができないという不都合があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、そ
の目的は、試験片全体を撮像することができない撮像手
段を用いて亀裂の進展を追跡するに際して、その亀裂が
連続したものでない場合にも、事実上の亀裂先端を正確
に特定して追跡できるようにすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による亀裂試験装置の亀裂進展追跡装置の特徴構
成は、荷重を加えられた試験片の亀裂発生箇所を撮像す
る撮像手段と、前記試験片に対する前記撮像手段の撮像
位置を変更する位置変更手段と、前記撮像手段の撮像画
像情報に基づいて亀裂位置を検出する亀裂位置検出手段
と、前記撮像手段の撮像視野の特定点が前記試験片の亀
裂発生箇所の先端側位置となるように、前記亀裂位置検
出手段による検出情報に基づいて前記位置変更手段を作
動させる亀裂追跡制御手段とを備えた亀裂試験装置の亀
裂進展追跡装置において、前記亀裂位置検出手段は、撮
像視野のうちの亀裂進展方向に交差する方向での輝度分
布のヒストグラムを算出し、その最大値付近の撮像視野
内に亀裂進展方向に沿った走査領域を設定する手段と、
前記走査領域のうちの走査方向での一部分に相当する小
範囲を亀裂先端判定用の検出領域として予め設定する手
段とを備えているとともに、前記亀裂先端判定用の検出
領域内での全画素に対する亀裂存在部分と判定される画
素の割合を検出して、その割合が予め設定されている比
率以上であるときに、その検出領域内における不連続な
亀裂存在部分の画素間のつながりを補完して連続した亀
裂存在部分として出力する亀裂範囲補正手段を備えてい
る点にあり、その作用並びに効果は次の通りである。

〔作用〕

すなわち、撮像手段の特定点が、試験片の亀裂発生箇所
の先端側位置となるように、その亀裂画像情報に基づい
て、試験片に対する撮像手段の撮像位置を自動的に変更
させることにより、自動的に亀裂発生箇所が撮像視野内
に位置するように制御するのであるが、このときの亀裂
発生箇所の先端側位置を特定するにあたり本発明では次
のようにしている。

つまり、亀裂位置検出手段が、撮像視野のうちの亀裂進
展方向に沿う方向での輝度分布のヒストグラムを算出
し、その最大値付近の撮像視野内に亀裂進展方向に沿っ
た走査領域を設定する手段と、前記走査領域のうちの走
査方向での一部分に相当する小範囲を亀裂先端判定用の
検出領域として予め設定する手段とを備えていて、撮像
視野内の走査領域を走査し、前記検出領域毎に、その検
出領域内での全画素に対する亀裂存在部分と判定される
画素の割合を検出する。

そして、その割合が予め設定されている比率以上である
ときに、その検出領域内における不連続な亀裂存在部分
の画素間のつながりを補完して連続した亀裂存在部分と
して出力するようにしたので、発生亀裂が試験片の撮像
表面側で連続していない場合にも、最も進行した位置の
事実上の亀裂先端を検出できる可能性が高い。

〔発明の効果〕

従って、自動的に亀裂発生箇所が撮像視野内に位置する
ように制御して、亀裂の進展を自動的に追跡し、しか
も、見かけ上亀裂が連続していない場合における亀裂先
端の検出精度も高められるので、亀裂発生箇所の追跡を
精度良く行え、もって、亀裂進展の観測又は記録が便利
に行えるようになった。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に示すように、試験装置（１）に、CTやCCT等（J
IS規格やASTM規格）の試験片（２）が、上下方向に向け
て所定の引張に荷重が加えられた状態で、ボルト等にて
取り付けられている。

但し、上述の引張り荷重による亀裂発生を促進するため
に、前記試験片（２）は、所定の荷重を設定周期で繰り
返し加えられることにより、加振される状態となるよう
にしてある。

そして、前記試験片（２）の亀裂発生箇所を撮像する撮
像手段としての固体撮像素子を用いたビデオカメラ
（３）が、前記試験片（２）に対する撮像位置を変更す
るための位置変更手段としての３軸パルスステージ
（４）に取り付けられている。もって、前記試験片
（２）に対する前記ビデオカメラ（３）の撮像位置を、
左右（Ｘ軸）、前後（Ｙ軸）、及び、上下（Ｚ軸）の３
方向に位置変更できるようにしてある。

但し、図示を省略するが、前記試験片（２）の亀裂発生
箇所が、その周囲よりも明るく見えるように、所定の角
度から照明されるようにしてある。

前記ビデオカメラ（３）の撮像画像情報に基づいて亀裂
位置を検出する亀裂位置検出手段（100）、及び、前記
ビデオカメラ（３）の撮像視野の特定点としての視野中
心が前記試験片（２）の亀裂発生箇所の先端側位置とな
るように、前記亀裂位置検出手段（100）の検出情報に
基づいて、前記３軸パルスステージ（４）のコントロー
ラ（５）を制御する亀裂追跡制御手段（101）を構成す
ると共に、前記試験装置（１）の作動（引張り荷重や加
振の開始停止及びその値の指示等）を制御するマイクロ
コンピュータ利用の制御装置（６）が設けられている。

但し、前記ビデオカメラ（３）には、ファイバスコープ
（3a）を取り付けてあり、前記試験片（２）の亀裂発生
箇所を、高温下や腐食雰囲気下においても、非接触状態
で、且つ、約100倍程度の倍率で拡大して撮像できるよ
うにしてある。つまり、前記ビデオカメラ（３）の解像
度が低解像度（512×512ドットに設定してある）のもの
を用いながらも、亀裂発生箇所の状態を、１〜2cm²の撮
像視野範囲において、高精度に観測できるようにしてあ
る。

尚、図中、（７）は前記ビデオカメラ（３）の撮像画像
情報を処理するためのマイクロコンピュータ利用のイメ
ージプロセッサーであって、前記制御装置（６）からの
指令に基づいて作動するように構成されている。又、
（８）は前記ビデオカメラ（３）の画像情報を表示する
システムモニタ、（９）は前記イメージプロセッサー
（７）や制御装置（６）にて処理される情報を表示する
ためのビデオモニタ、（10）は測定データ等を印刷する
ためのプリンタ、（11）は前記制御装置（６）による計
測データや計測条件等の各種の情報を表示するディスプ
レイ、（12）は計測条件等の各種設定情報を前記制御装
置（６）に入力したり指示するためのキーボード、（1
3）は計測条件や計測データ等の各種計測情報を記録す
るための記憶装置であって、例えば、フロッピィディス
ク装置等が用いられてる。

先ず、前記試験片（２）の亀裂進展試験における発生亀
裂の計測処理の概略について説明する。

第２図に示すように、前記試験片（２）には、その上下
方向の略中間部の右端側に、Ｖ字状の切欠（2a）が形成
されている。そして、所定の強度の引張り荷重又は繰返
し荷重を加えることにより、左方向に向けて予備亀裂
（2b）（1mm〜2mm程度）を予め生じさせておく。

そして、前記システムモニタ（８）に表示される画像を
見ながら、前記予備亀裂（2b）を生じた箇所が、撮像視
野（3b）の中心に位置するように、前記ビデオカメラ
（３）の位置を人為的に調節する。次に、予め入力され
た試験条件等に基づいて、前記制御装置（６）にて、前
記試験装置（１）を作動させながら、前記予備亀裂（2
b）の先端側位置（2c）が画面中心に位置するように、
設定時間経過する毎に、前記イメージプロセッサー
（７）が、前記制御装置（６）の指令に基づいて前記ビ
デオカメラ（３）による撮像画像情報を取り込み（第６
図（イ）参照）、前記制御装置（６）が、その処理され
た画像情報に基づいて亀裂発生箇所を検出すると共に、
前記３軸パルスステージ（４）のコントローラ（５）に
作動指令を出力して亀裂進展を自動的に追跡させ、そし
て、得られる画像情報に基づいて、発生した亀裂の長さ
や亀裂先端部の変位を自動的に測定するようにしてあ
る。

つまり、第３図に示すように、試験を始める前に、前記
制御装置（６）に、前記試験片（２）の亀裂進展状況を
記録するための初期データファイル名を入力すると共
に、前記ディスプレイ（11）に表示される初期データの
内容に基づいて、前記キーボード（12）を用いて試験条
件等の各種試験データを入力する。そして、その入力内
容を確認した後、前述の如く、前記試験片（２）の予備
亀裂（2b）の先端位置（2c）が、前記ビデオカメラ
（３）の撮像視野の中心に位置するように、前記システ
ムモニタ（８）に表示される画像情報を参照しながら、
測定開始位置としてのホームポジションを人為的に設定
して、計測を開始することになる。

そして、計測される中間データ（計測時間の経過、亀裂
先端側箇所の座標値、その長さ等）を表示しながら、例
えば、設定時間経過するまで、自動的に亀裂発生箇所の
先端側箇所が、前記ビデオカメラ（３）の撮像視野の中
心に位置するように、ビデオカメラ（３）の位置を自動
的に変更して追跡させながら、発生した亀裂の長さを自
動的に計測させるのである。

尚、計測した亀裂の長さ等の各種計測データは、前記デ
ィスプレイ（11）に経過時間情報等と共に表示されると
共に、前記記憶装置（13）に記録されることとなり、そ
して、必要に応じて前記プリンタ（10）にて出力される
こととなる。

次に、第４図に示すフローチャートに基づいて、前記亀
裂長さを自動的に計測する処理について説明しながら、
亀裂位置検出手段（100）、及び、亀裂追跡制御手段（1
01）について詳述する。

設定時間経過する毎に、前記試験装置（１）の加振のた
めの振動を、設定時間（約0.5秒に設定してある）の間
停止させると共に、その停止させている間に、前記ビデ
オカメラ（３）の焦点が前記試験片（２）の亀裂発生箇
所の先端側位置（2c）に合うように自動焦点調整の処理
を行った後、前記ビデオカメラ（３）の撮像画像情報を
取り込む。

撮像画像情報を取り込んだ後、前記試験装置（１）の加
振のための振動を再開させると共に、前記イメージプロ
セッサー（７）にて画像処理させることにより、コント
ラスト強調並びに画像の平滑化処理を行った後、画像上
の水平方向つまり前記Ｘ軸方向の１ライン毎にそのライ
ンの全画素の輝度レベルを加算して、１画面の上下方向
つまり前記Ｚ軸方向における輝度分布のヒストグラムを
算出し、そして、その輝度分布が最大となる位置を、亀
裂発生箇所のＺ軸における位置として推定する（第６図
（ロ）参照）。そして、Ｚ軸上でこの輝度分布が最大と
なる位置付近を検出対象とするように、前記Ｚ軸上の輝
度分布が最大となる位置付近で、かつ、撮像視野内のＸ
軸上の全範囲にわたって走査領域を設定する。さらに、
前記走査領域内に、走査領域のうちの走査方向での一部
分に相当する小範囲を亀裂先端判定用の検出領域として
予め設定する。

次に、予め設定された輝度レベルの闘値に基づいて前記
画像情報を２値化すると共に（第６図（ハ）参照）、そ
の２値化画像情報に基づいて、後述する亀裂範囲補正手
段が発生亀裂の前記Ｘ軸方向における先端位置（2c）を
推定する。

もって、上述した処理が、前記亀裂位置検出手段（10
0）を構成すると共に、その亀裂位置検出手段（100）
が、前記撮像手段としてのビデオカメラ（３）の撮像画
像情報の明るさ分布に基づいて、前記試験片（２）の亀
裂発生箇所の先端側位置（2c）を検出するように構成さ
れていることになる。

そして、前記推定されたＸ軸及びＺ軸の値に基づいて、
その位置が前記ビデオカメラ（３）の視野中心に一致す
るまで、前記パルスステージ（４）を作動させる。もっ
て、撮像手段の撮像視野の特定点としての視野中心が前
記試験片（２）の亀裂発生箇所の先端側位置となるよう
に、前記亀裂位置検出手段（100）による検出情報に基
づいて位置変更手段を作動させる亀裂追跡制御手段（10
1）が構成されている。

その後は、前記推定されたＸ軸及びＺ軸の値と、前回の
測定時点におけるＸ軸及びＺ軸の値との差に基づいて、
亀裂先端の時間経過に伴う変位を算出し、その変位に基
づいて、測定開始時点からの亀裂長さ等を算出しなが
ら、亀裂進展状況を順次記録することとなる。

前記コントラスト強調について説明を加えれば、第７図
に示すように、全画像情報の輝度レベルの分布のヒスト
グラムを、同一輝度レベルとなる量子化画素の固数の分
布として算出し、最低輝度レベルと最大輝度レベルとの
間を、演算可能な最大値と最低値との間で伸長させる処
理を行うことにより、コントラスト強調するようにして
ある。

前記画像の平滑化処理について説明を加えれば、前記亀
裂が画面上横方向つまり前記Ｘ軸方向に向けて進展する
ように設定してあることから、いわゆる空間フィルタを
用いて隣接画素間の輝度レベルの変化を強調するように
してある。

つまり、第８図に示すように、注目画素（ｅ）に対して
上下左右及び斜めに隣接する８画素を用いて、前記注目
画素（ｅ）の輝度レベルの値を、下記式に基づいて演算
すると共に、その演算された値に置き換えることによ
り、画面全体を平滑化するのである。

前記２値化画像情報に基づいて、発生亀裂の前記Ｘ軸方
向における先端位置を推定する亀裂範囲補正手段での処
理について説明を加えれば次の通りである。

前記Ｚ軸の位置を推定した１ライン分の画素とその画素
に対して上下に隣接した各１ライン分の画素との２ライ
ン分を前記走査領域として設定し、この走査領域の画像
情報を検出対象とし、かつ、上下に３ドットで画面横方
向（Ｘ軸方向）40ドットの３×40ドット分の小範囲を亀
裂先端判定用の検出領域として設定して、この検出領域
内における画素を検出する。

そして、画面上右側から左側方向つまり亀裂の進展方向
に向けて、前記Ｘ軸方向に沿って１画素毎に前記の検出
領域を移動させる。本発明では、この１画素毎の検出領
域の移動を、前記設定された走査領域内における検出領
域の走査と定義する。この検出領域の走査を行いなが
ら、その検出領域内における２値化の明るい部分のドッ
ト数が予め設定してある比率（50％に設定してある）以
上あるか否かに基づいて、前記検出領域内の内部に位置
する画素間のつながりを補完する。

つまり、検出領域内における３×40ドットの50％である
60ドット以上を２値化の明るい部分が占める場合、この
検出領域の全体を亀裂存在範囲として推定することによ
り、不連続な発生亀裂部分（第６図（ハ）参照）を、Ｘ
軸方向に向けて連続した線状の２値化画素（第６図
（ニ）参照）に変換するのである。

但し、上述のＸ軸方向に向けて連続した線状の２値化画
像に変換する処理において、推定したＺ軸方向における
１ライン分のみについて処理を行うと、発生した亀裂が
Ｚ軸方向に蛇行しているような場合には、中間部分で画
像情報が途切れる虞れがあることから、実際には、前記
推定したＺ軸方向における１ライン分の画素に対して上
下に数ライン分を隣接する画像情報に対しても、上述の
連続した線状の２値化画像に変換する処理を施すように
してある。

そして、その連続した線状の２値化画像の左端部分を、
発生亀裂の先端側位置として、求めるのである。

次に、前記自動焦点調整の処理について説明する。

第５図に示すように、前記試験装置（１）の加振を停止
する毎に、前記ビデオカメラ（３）の前記試験片（２）
に対する遠近方向つまり前記Ｙ軸方向の位置を、設定距
離毎に前後方向に10回移動させながら、その設定距離の
移動毎に撮像画像情報を取り込んで、画面中心近傍の設
定範囲（全画面の約半分となる256×256ドットの範囲に
設定してある）における隣接画素間の輝度変化の微分値
を、いわゆるラプラスフィルタ等を用いて求め、第９図
に示すように、その隣接画素毎の輝度変化の微分値の分
布を、微分値つまりコントラストの濃度の大きさと同一
濃度の値をとる個数のヒストグラムとして求める。

但し、このヒストグラムを求める処理において、画面中
心近傍の設定範囲のみの画像情報を用いるのは、画像中
心付近において焦点位置を調整すればよいものであるこ
と、及び、画像処理を高速化するためには、処理画像情
報が少ないほうがよいこと等に基づくものである。

そして、コントラストの変化が最も大きくなる位置の濃
度の値を、コントラストの度合を示すパラメータ（ｋ）
として、このパラメータ（ｋ）の値と最大輝度変化とな
る濃度最大値との間で囲まれる面積（Ａ）の値から算出
する。

つまり、前記面積（Ａ）の値を、先ず、予め設定された
所定値に設定して、その面積における前記パラメータ
（ｋ）の値を前記ヒストグラムから求め、そして、前記
面積（Ａ）を順次増減しながら前記パラメータ（ｋ）の
値が最も大きく変化する点を検索することにより、前記
パラメータ（ｋ）の値を算出する。

そして、前記パラメータ（ｋ）の値を算出する処理を10
回繰り返した後、それら10個のパラメータ（ｋ）の値
を、第10図に示すように、２次曲線として近似して、そ
の値が極大となる極大値（PK1）を求めると共に、前記1
0個のパラメータ（ｋ）の最大値（PK2）を求める。

次に、前記極大値（PK1）と最大値（PK2）との差が略合
焦とみなせる80μ以上あるか否かを判別し、80μ以下で
ある場合は、前記ビデオカメラ（３）の焦点位置を前記
最大値（PK2）に決定する。一方、80μを越える場合
は、前記最大値（PK2）が撮像処理の誤動作にて誤って
いたものと判断して、前記ビデオカメラ（３）の焦点位
置を前記極大値（PK1）に決定する。

そして、前記ビデオカメラ（３）の前記試験片（２）に
対する前後方向つまり前記Ｙ軸方向の位置が前記決定さ
れた位置（PK1又はPK2）となるように、前記パルスステ
ージ（４）を作動させることにより、前記ビデオカメラ
（３）の焦点位置が、前記試験片（２）の亀裂発生箇所
に一致するように制御するのである。

〔別実施例〕

上記実施例では、発生した亀裂の長さをも求めるように
した場合を例示したが、本発明は、単に発生する亀裂の
進展状況を観測するために、亀裂進展を自動的に追跡さ
せるために用いることもできるものであって、得られる
測定値等の各種データは、試験条件等に基づいて、各種
変更設定できる。

又、上記実施例では、試験片の亀裂が画面上左右方向に
進展するようにした場合を例示したが、上下方向でもよ
く、亀裂進展方向は各種変更できる。

又、上記実施例では、試験片に亀裂を生じさせるため
に、引張り荷重を繰り返し加えることにより加振するよ
うにした場合を例示したが、単に引張り荷重を加えた
り、曲げ荷重を加えるようにしてもよい。

又、上記実施例では、亀裂位置検出手段（100）を、ビ
デオカメラ（３）の撮像画像情報の明るさが最も明るい
箇所を、亀裂発生箇所として検出させるように構成した
場合を例示したが、例えば、前記試験片（２）に対向す
る方向から照明することにより、亀裂発生箇所がその周
囲よりも暗くなるようにしてもよく、亀裂発生箇所を撮
像画像情報の明るさに基づいて検出するための具体構成
は、各種変更できる。

又、上記実施例では、前記ビデオカメラ（３）の焦点位
置を自動調整するに、ビデオカメラ（３）自体を試験片
（２）に対して前後方向に移動させるようにした場合を
例示したが、前記ビデオカメラ（３）の光学系の焦点位
置を調節するようにしてもよく、自動焦点調整の具合構
成は、各種変更できる。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするた
めに符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構
成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る亀裂試験装置の亀裂進展追跡装置の
実施例を示し、第１図は装置構成を示すブロック図、第
２図は試験片と撮像視野との関係を示す試験片の平面
図、第３図は亀裂長さの自動計測処理の概略を示すフロ
ーチャート、第４図は亀裂追跡における制御作動を示す
フローチャート、第５図は自動焦点調整における制御作
動を示すフローチャート、第６図（イ），（ロ），
（ハ），（ニ）は画像処理の説明図、第７図はコントロ
ラスト強調処理の説明図、第８図は画像の平滑化の説明
図、第９図はコントラスト変化のヒストグラムの説明
図、第10図はコントラスト変化のパラメータの説明図で
ある。（２）……試験片、（３）……撮像手段、（４）……位
置変更手段、（100）……亀裂位置検出手段、（101）…
…亀裂追跡制御手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷重を加えられた試験片（２）の亀裂発生
箇所を撮像する撮像手段（３）と、前記試験片（２）に
対する前記撮像手段（３）の撮像位置を変更する位置変
更手段（４）と、前記撮像手段（３）の撮像画像情報に
基づいて亀裂位置を検出する亀裂位置検出手段（100）
と、前記撮像手段（３）の撮像視野の特定点が前記試験
片（２）の亀裂発生箇所の先端側位置となるように、前
記亀裂位置検出手段（100）による検出情報に基づいて
前記位置変更手段（４）を作動させる亀裂追跡制御手段
（101）とを備えた亀裂試験装置の亀裂進展追跡装置に
おいて、前記亀裂位置検出手段（100）は、撮像視野のうち亀裂
進展方向に交差する方向での輝度分布のヒストグラムを
算出し、その最大値付近の撮像視野内に亀裂進展方向に
沿った走査領域を設定する手段と、前記走査領域のうち
の走査方向での一部分に相当する小範囲を亀裂先端判定
用の検出領域として予め設定する手段とを備えていると
ともに、前記亀裂先端判定用の検出領域内での全画素に対する亀
裂存在部分と判定される画素の割合を検出して、その割
合が予め設定されている比率以上であるときに、その検
出領域内における不連続な亀裂存在部分の画素間のつな
がりを補完して連続した亀裂存在部分として出力する亀
裂範囲補正手段を備えていることを特徴とする亀裂試験
装置の亀裂進展追跡装置。
【請求項２】前記亀裂位置検出手段（100）は、前記撮
像手段（３）の撮像画像情報の明るさ分布に基づいて、
前記試験片（２）の亀裂発生箇所の先端側位置を検出す
るように構成されている特許請求の範囲第１項に記載の
亀裂進展追跡装置。