JP6954369B2 - 振動計測装置、振動計測方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、構造物の振動を計測するための、振動計測装置、及び振動計測方法に関し、更には、これらを実現するためのプログラムに関する。

従来から、対象物の機械振動を遠隔から非接触で計測する技術が提案されている。このような技術によれば、振動検出用のセンサの取り付け及び取り外しが不要となり、効率的な振動計測が可能となるため、特に橋梁・道路・建築物・設備などのインフラ構造物の維持管理及び異常検知などの分野でニーズがある。

例えば、特許文献１は、撮像装置を用いた振動計測装置を開示している。特許文献１に開示された振動計測装置は、撮像装置から対象物の時系列画像を取得し、取得した時系列画像に対して画像処理を行なって、対象物の振動を計測する。但し、特許文献１に開示された振動計測装置では、画像内の２次元の方向での振動成分しか計測できず、撮像装置の光軸方向の振動成分が計測できないという問題がある。

これに対して、特許文献２は、撮像装置に加えて、レーザ距離計及び超音波距離計などの距離測定装置を用いた振動計測装置を開示している。特許文献２に開示された振動計測装置によれば、画像内の２次元の方向での振動成分だけでなく、距離測定装置によって撮像装置の光軸方向における振動成分も計測できるため、３次元方向において対象物の振動を計測することができる。

特開２００３−１５６３８９号公報 特開２００５−２８３４４０号公報

しかしながら、上記特許文献２のように撮像装置と距離測定装置とを用いた３次元の振動を計測する場合には、特に距離方向の振動の計測精度が低下しやすいという問題がある。以下に、その問題点について説明する。

「距離測定装置を別の計測装置で計測した場合」の特徴として、上記特許文献２に示されているような距離測定装置には、原理的に繰り返し精度が低くなりやすいという特徴がある。そのため、精度を高めるには複数回計測した距離を平均化する必要があるため、計測の精度とサンプリングレートにはトレードオフの関係が存在する。計測の安定性及び精度を高めるためには、実用的なサンプリングレートは１０〜３０Ｈｚ程度である。特に、対象物との距離が離れている場合には、実用的なサンプリングレートは低くなる傾向がある。

一方で、画像から２次元の方向の振動成分を計測する場合では、画像の撮影フレームレートと同じサンプリングレートで２次元方向の振動成分を算出することができる。一般的に６０Ｈｚ程度で撮影した場合、６０Ｈｚで２次元の振動成分が算出できる。上記特許文献２に開示された距離測定装置と組み合わせて、同程度のサンプリングレートで計測を行なう必要がある場合は、距離測定装置で計測された距離の値を十分に平均化できず、距離方向の振動計測結果の変動が大きくなる。従って、距離方向の振動計測の精度が低下しやすい。

また、画像から２次元の方向の振動成分を計測する場合は、画像間の変位を計算するため、画像を撮影した瞬間の２次元の方向の振動成分を計測することができる。一方、上述したように、特許文献２に示されているような距離測定装置で得た距離の値は、精度を高めて安定化させるために複数回計測した距離の値を平均化している。そのため、２次元の方向の振動成分に対しては、距離方向の振動成分には平均化に伴う時間遅れ、すなわちタイムラグが含まれる。そのため、３次元の振動成分のうち、距離方向の振動成分だけ遅延を含む性質が異なる振動成分が含まれることになるという問題がある。

「距離測定を画像中のレーザマーカ対の画素間隔から計測する場合」の特徴として、２次元方向の振動成分を計測するための画像を撮影する撮像装置と、レーザマーカ対の画素間隔から距離成分を計測するための画像を撮影する撮像装置とが、同じ撮像装置で実現できる。そのため、上述したような別の計測装置で計測した場合の欠点は、解決できる。しかしながら、このような構成の場合、計測対象物の表面上のレーザ照射点が識別できるような画像を撮影する必要があることから、指向性を絞ったレーザ光を照射する必要があるので、必然的に計測対象物の表面上の測距点の面積は小さくなる。

ここで、計測対象物の表面に凹凸が存在するような場合には、計測対象物が３次元方向に振動すると、測距点の位置およびその高さは照射の度に変化してしまう。そのため、計測された距離の値には表面の凹凸分の誤差が含まれてしまう。従って、上述の距離測定装置では、測距精度を高めることが難しく、結果、振動計測の精度も低下してしまう。

本発明の目的の一例は、上記問題を解消し、３次元の振動を伴う対象物の振動計測における精度の向上を図り得る、振動計測装置、振動計測方法、及びプログラムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一側面における振動計測装置は、対象物の振動を計測するための装置であって、
撮像装置から出力されてきた、前記対象物上の計測対象領域の時系列画像から、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、面方向変位算出部と、
前記時系列画像及び前記計測対象領域の面方向における変位から、前記計測対象領域の法線方向における変位を算出する、法線方向変位算出部と、
算出された、前記計測対象領域の面方向における変位、及び前記計測対象領域の法線方向における変位から、前記対象物の振動を算出する、振動算出部と、
を備えていることを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明の一側面における振動計測方法は、対象物の振動を計測するための方法であって、
（ａ）撮像装置から出力されてきた、前記対象物上の計測対象領域の時系列画像から、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、ステップと、
（ｂ）前記時系列画像及び前記計測対象領域の面方向における変位から、前記計測対象領域の法線方向における変位を算出する、ステップと、
（ｃ）算出された、前記計測対象領域の面方向における変位、及び前記計測対象領域の法線方向における変位から、前記対象物の振動を算出する、ステップと、
を備えていることを特徴とする。

更に、上記目的を達成するため、本発明の一側面におけるプログラムは、コンピュータによって対象物の振動を計測するためのプログラムであって、
前記コンピュータに、
（ａ）撮像装置から出力されてきた、前記対象物上の計測対象領域の時系列画像から、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、ステップと、
（ｂ）前記時系列画像及び前記計測対象領域の面方向における変位から、前記計測対象領域の法線方向における変位を算出する、ステップと、
（ｃ）算出された、前記計測対象領域の面方向における変位、及び前記計測対象領域の法線方向における変位から、前記対象物の振動を算出する、ステップと、
を実行させる、プログラム。

以上のように、本発明によれば、撮像装置で得た画像から３次元の振動成分を算出することができるため、振動を伴う対象物の振動計測における精度の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施の形態における振動計測装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態における振動計測装置の動作を示すフロー図である。 図３は、本発明の実施の形態の変形例１における振動計測装置の構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の実施の形態の変形例２における振動計測装置の構成を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態の変形例３における振動計測装置の具体的構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の実施の形態における振動計測装置１０を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態における振動計測装置、振動計測方法、及びプログラムについて、図１〜図６を参照しながら説明する。

［装置構成］
最初に、図１を用いて、本実施の形態における振動計測装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態における振動計測装置の構成を示すブロック図である。

図１に示す本実施の形態における振動計測装置１０は、対象物３０の振動を計測するための装置である。振動計測装置１０は、面方向変位算出部１１と、法線方向変位算出部１２と、振動算出部１３とを備えている。また、振動計測装置１０は撮像装置２０と接続されている。撮像装置２０は、対象物３０上の計測対象領域を撮影可能となるように、対象物から分離された領域（以下、「分離領域」と表記する。）４０（例えば、地面）に固定具２１によって配置されている。

面方向変位算出部１１は、撮像装置２０から出力されてきた、対象物３０上の計測対象領域の時系列画像から、計測対象領域の面方向における変位を算出する。法線方向変位算出部１２は、時系列画像及び計測対象領域の面方向における変位から、計測対象領域の法線方向における変位を算出する。振動算出部１３は、算出された、計測対象領域の面方向における変位、及び計測対象領域の法線方向における変位から、対象物の振動を算出する。

このように、本実施の形態では、撮像装置２０によって撮影された対象物３０上の計測対象領域の画像から、対象物３０上の計測対象領域の３次元方向における振動が計測される。このため、本実施の形態によれば、振動を伴う構造物の振動計測における精度の向上を図ることができる。

本実施の形態においては、対象物３０としては、橋梁、道路、建築物、設備等のインフラ構造物が挙げられる。また、計測対象領域は、対象物３０上に設定されている。具体的には、本実施の形態では、対象物３０が橋梁である場合、計測対象領域としては、例えば、橋梁の桁、床版等の下面の所定の領域が挙げられる。

また、本実施の形態において、対象物３０は、インフラ構造物に限定されることはなく、３次元方向の動き及び振動をともなうものであれば良い。計測対象領域は、図１の例では、上述した橋梁の桁、床版等の下面のような鉛直方向に垂直な領域（図１参照）であるが、これに限定されず、鉛直方向に平行な領域（例えば、橋梁の高欄など側面の領域）であっても良い。

続いて、本実施の形態における振動計測装置１０の構成をより具体的に説明する。まず、本実施の形態１では、図１に示したように、撮像装置２０は、撮影方向が鉛直方向に平行となり、且つ、受光面が計測対象領域と平行となるようにして、地面等の分離領域４０に固定具２１によって配置されている。

すなわち、撮像装置２０を構成する固体撮像素子の受光面の法線が計測対象領域の法線と平行となり、且つ、撮影された時系列画像内における２次元の方向（時系列画像の水平方向及び時系列画像の垂直方向とする）が計測対象領域の面方向に平行となるように、配置されている。ここでの計測対象領域の面方向とは、対象物３０上の計測対象領域が構成する面に対して平行な方向を意味する。時系列画像の水平方向をＸ方向、時系列画像の垂直方向をＹ方向、計測対象領域の法線方向（鉛直方向）をＺ方向とする。

面方向変位算出部１１は、本実施の形態では、撮像装置２０が出力する時系列画像を取得し、任意の時刻に撮像された画像を基準画像とし、それ以外を処理画像とする。そして、面方向変位算出部１１は、処理画像毎に、基準画像上の注目領域、すなわち画像内での計測対象領域を含む特定の領域（以下「特定領域」と表記する）を探索して、面方向における変位（ｄ１ｘ、ｄ１ｙ）を算出する。

具体的には、面方向変位算出部１１は、まず、処理画像と基準画像とを対比して照合し、処理画像毎に、最も照合度合の高い計測対象領域の位置を特定する。また、面方向変位算出部１１は、特定した位置を、Ｘ方向における変位ｄ１ｘ、Ｙ方向における変位ｄ１ｙとして算出する。最も照合度合いの高い計測対象領域の探索手法としては、例えば、ＳＡＤ（Sum of Squared Difference）、ＳＳＤ（Sum ofAbsolute Difference）、ＮＣＣ（Normalized Cross-Correlation）、ＺＮＣＣ（Zero-means Normalized Cross-Correlation）等の類似度相関関数を用いて、最も相関が高い位置（座標）を探索する手法が挙げられる。

また、最も照合度合いの高い計測対象領域の探索手法として、フィッティングを用いることもできる。この方法によると、より精度良く、サブピクセル精度で類似している領域の位置（座標）を算出できる。具体的には、最も照合度合いが高い箇所（座標）を探索した後、その箇所（座標）の前後左右の位置（座標）における類似度相関関数を算出する。その後、算出した各座標の類似度相関関数を用いて、直線フィッティング、曲線フィッティング、パラボラフィッティングなどの手法を適用して、座標間の最も照合度合いが高い位置を探索する。これにより、サブピクセル精度で類似している領域の位置（座標）をすることが算出できる。

法線方向変位算出部１２は、特定領域の法線方向の変位ｄ１ｚを算出するため、基準画像を予め定められた倍率で拡大及び縮小することによって画像群（以下「基準画像群」と表記する）を作成する。このとき、法線方向変位算出部１２は、先に算出した面方向における変位（ｄ１ｘ、ｄ１ｙ）に基づいて、基準画像の拡大画像及び縮小画像の中心位置を設定して、基準画像群を作成する。

続いて、法線方向変位算出部１２は、処理画像毎に、拡大画像及び縮小画像に照合し、最も照合度合の高い拡大画像又は縮小画像を特定する。照合度合の高い画像の特定は、例えば、ＳＡＤ、ＳＳＤ、ＮＣＣ、ＺＮＣＣ等の先に述べた類似度相関関数を用いて行なうことができる。そして、法線方向変位算出部１２は、基準画像群を構成する画像の中から最も類似度が高い画像、即ち、相関が高い画像を特定し、特定した画像の拡大率又は縮小率（以下「倍率」と表記する）を、特定領域の法線方向の変位を示す量（ｄ１ｚ）として算出する。

また、法線方向変位算出部１２は、最も照合度合が高い画像を特定した後、基準画像群の中から、特定した画像の前後の倍率の画像を選択し、特定した画像と選択した画像との類似度相関関数を算出する。そして、法線方向変位算出部１２は、算出した類似度相関関数を用いて、直線フィッティング、曲線フィッティングなどの手法を適用して、法線方向の変位を示す量（ｄ１ｚ）となる倍率を算出することもできる。これにより、より精度良く、法線方向の変位を示す量として、倍率（ｄ１ｚ）を算出できることになる。このようにして処理画像毎の特定領域の変位（ｄ１ｘ、ｄ１ｙ）、および法線方向の変位を示す量として倍率（ｄ１ｚ）を算出する。

また、面方向変位算出部１１及び法線方向変位算出部１２は、変位の精度を高めるため、上述の処理を複数回実行することができる。具体的には、面方向変位算出部１１は、先に法線方向変位算出部１２で算出した倍率ｄ１ｚの影響を考慮して、基準画像群を構成する画像の中から、倍率ｄ１ｚに対応する画像を選択し、選択した画像を新たな基準画像とする。次いで、面方向変位算出部１１は、処理画像と新たな基準画像とを対比して、処理画像において、新たな基準画像に最も類似している類似箇所を特定し、その位置を求めて、類似箇所の変位（ｄ２ｘ、ｄ２ｙ）を検出する。

次いで、法線方向変位算出部１２は、面方向変位算出部１１で新たに検出した変位（ｄ２ｘ、ｄ２ｙ）に基づいて、基準画像群を構成する各画像の拡大又は縮小の中心位置を設定し、新たな基準画像群を作成する。そして、法線方向変位算出部１２は、処理画像と新たな基準画像群を構成する各画像との類似度を算出し、新たな基準画像群を構成する画像の中から最も類似度が高い画像を特定する。その後、法線方向変位算出部１２は、特定した画像の倍率を、特定領域の法線方向の変位を示す量（ｄ２ｚ）として算出する。

このように、１回目の処理では、法線方向の変位を示す倍率であるｄ１ｚが考慮されていない状態で、変位（ｄ１ｘ、ｄ１ｙ）が算出されているのに対して、２回目の処理では、倍率ｄ１ｚが考慮された状態で、変位（ｄ２ｘ、ｄ２ｙ）が算出される。このため、２回目の処理で算出された変位（ｄ２ｘ、ｄ２ｙ）の方が、１回目に算出された変位に比べて、高い精度で算出されている。また、同様な処理を複数回実行する場合は、変位の精度がより向上することになる。

なお、上述の例では、処理の繰り返し回数は２回であるが、特に限定されるものではない。繰り返しの回数は、予め設定された回数であっても良いし、結果に応じて適宜設定されても良い。また、算出された変位の値が閾値に到達するまで繰り返される態様であっても良い。

また、以降の説明では、ある処理画像において最終的に得られる変位は、変位（ｄｎｘ、ｄｎｙ）と、法線方向の変位を示す量である倍率（ｄｎｚ）とで表される。時系列画像に対して同様に変位を算出した結果は、時間変化する値として扱うことができるため、変位（ｄｎｘ（ｔ）、ｄｎｙ（ｔ））、および倍率（ｄｎｚ（ｔ））と表記する。

振動算出部１３は、本実施の形態では、まず、特定領域の面方向における変位と撮像装置２０の撮影情報とに基づいて、対象物３０上の計測対象領域の面方向における振動を算出する。続いて、振動算出部１３は、特定領域の法線方向における変位と撮像装置２０から対象物３０までの距離とに基づいて、対象物３０上の計測対象領域の法線方向における振動を算出する。

具体的には、特定領域の面方向における変位（ｄｎｘ（ｔ）、ｄｎｙ（ｔ））は、ピクセル単位で算出されている。従って、振動算出部１３は、下記の数１及び数２に示すように、Ｘ方向及びＹ方向それぞれにおける撮像装置２０の撮像素子の１ピクセル当たりの長さ（Ｄｘ、Ｄｙ）［ｍｍ／ｐｉｘｅｌ］を用いて、Ｘ方向及びＹ方向それぞれにおける移動量（△ｘ、△ｙ）［ｍｍ］を算出する。また、撮像素子の１ピクセル当たりの長さ（Ｄｘ、Ｄｙ）［ｍｍ／ｐｉｘｅｌ］は、撮像素子の画素ピッチ（ｐｘ、ｐｙ）［ｍｍ］と、レンズの焦点距離ｆ［ｍｍ］と、レンズの主点から計測対象領域までの距離Ｌ［ｍｍ］とを用いて、下記の数３及び数４から算出できる。

（数１）
△ｘ＝Ｄｘ・ｄｎｘ（ｔ）

（数２）
△ｙ＝Ｄｙ・ｄｎｙ（ｔ）

（数３）
Ｄｘ＝ｐｘ・（Ｌ／ｆ）

（数４）
Ｄｙ＝ｐｙ・（Ｌ／ｆ）

また、特定領域の法線方向における変位は、倍率として算出されている。従って、振動算出部１３は、下記の数５に示すように、撮像素子の主点から特定領域までの距離Ｌ［ｍｍ］を用いて、Ｚ方向（法線方向）における移動量△ｚ［ｍｍ］を算出する。

（数５）
Δｚ＝Ｌ・ｄｎｚ（ｔ）

また、このようにして得られた計測対象領域の移動量（△ｘ、△ｙ、△ｚ）は、時系列画像を撮影したフレーム毎に得られている。よって、時系列画像毎に得られた各移動量は、撮影フレームレートの逆数をサンプリング間隔とした計測対象領域の振動成分を表している。このため、振動算出部１３で算出した時系列画像毎に得られた各移動量は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向それぞれについての計測対象領域の振動情報(振動波形)として扱うことができる。

［装置動作］
次に、本実施の形態における振動計測装置１０の動作について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態における振動計測装置の動作を示すフロー図である。以下の説明においては、適宜図１を参酌する。また、本実施の形態では、振動計測装置１０を動作させることによって、振動計測方法が実施される。よって、本実施の形態における振動計測方法の説明は、以下の振動計測装置の動作説明に代える。

図３に示すように、最初に、振動計測装置１０において、面方向変位算出部１１は、撮像装置２０から出力されてきている、対象物３０の計測対象領域を撮影した時系列画像の画像データを取得する（ステップＡ１）。

次に、面方向変位算出部１１は、ステップＡ１で取得された時系列画像の画像データを用いて、画像データ中の計測対象領域を含む領域である特定領域の面方向における変位（ｄ１ｘ、ｄ１ｙ）を算出する（ステップＡ２）。そして、面方向変位算出部１１は、時系列画像の画像データと算出した面方向における変位とを、法線方向変位算出部１２に渡す。

次に、法線方向変位算出部１２は、ステップＡ２で面方向変位算出部１１から受け渡された、時系列画像の画像データと、特定領域の面方向における変位とから、特定領域の法線方向における変位ｄ１ｚを算出する（ステップＡ３）。

次に、法線方向変位算出部１２は、ステップＡ２及びＡ３の実行回数が閾値Ｎに達したかどうかを判定する（ステップＡ４）。閾値Ｎは、予め行なわれる実験等によって適宜設定されている。また、閾値Ｎは１に設定されていても良い。

ステップＡ４の判定の結果、ステップＡ２及びＡ３の実行回数が閾値Ｎに達していない場合は、法線方向変位算出部１２は、面方向変位算出部１１に、再度ステップＡ２を実行するように指示する。これにより、再度、ステップＡ２及びＡ３が実行される。また、閾値Ｎは２以上の場合には、実行回数の最終回において、ステップＡ３の処理がスキップされように設定されていても良い。

一方、ステップＡ４の判定の結果、ステップＡ２及びＡ３の実行回数が閾値Ｎに達している場合は、法線方向変位算出部１２は、変位の算出が行なわれた処理画像の枚数が閾値ｍより少ないかどうかを判定する（ステップＡ５）。閾値ｍは、予め行なわれる実験等によって適宜設定されている。

ステップＡ５の判定の結果、処理画像の枚数が閾値ｍより少ない場合は、法線方向変位算出部１２は、面方向変位算出部１１に、再度ステップＡ１を実行するように指示する。この場合、別の処理画像に対して、ステップＡ１〜Ａ４が実行される。

一方、ステップＡ５の判定の結果、処理画像の枚数が閾値ｍより少なくない場合（枚数が閾値ｍとなった場合）は、法線方向変位算出部１２は、振動算出部１３に振動を算出するように指示する。これにより、振動算出部１３は、処理画像毎の、ステップＡ２で算出された特定領域の面方向における変位、及びステップＡ３で算出された特定領域の法線方向における変位から、対象物３０の振動を算出する（ステップＡ６）。

［実施の形態における効果］
以上のように本実施の形態によれば、撮像装置２０によって撮影された対象物３０の時系列画像から、対象物３０の３次元方向における振動が計測される。このため、本実施の形態によれば、振動を伴う構造物の振動計測における精度の向上を図ることができる。

［プログラム］
本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータに、図３に示すステップＡ１〜Ａ６を実行させるプログラムであれば良い。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施の形態における振動計測装置１０と振動計測方法とを実現することができる。この場合、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）は、面方向変位算出部１１、法線方向変位算出部１２、及び振動算出部１３として機能し、処理を実行する。。

また、本実施の形態におけるプログラムは、複数のコンピュータによって構築されたコンピュータシステムによって実行されても良い。この場合は、例えば、各コンピュータが、それぞれ面方向変位算出部１１、法線方向変位算出部１２、及び振動算出部１３のいずれかとして機能しても良い。

［変形例１］
ここで、本実施の形態における変形例１について説明する。図３は、本発明の実施の形態の変形例１における振動計測装置の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、本実施の形態の変形例１では、振動計測装置１０は、上述した面方向変位算出部１１、法線方向変位算出部１２、及び振動算出部１３に加えて、更に、負荷推定部１４も備えている。

負荷推定部１４は、振動算出部１３によって算出された振動に基づいて、対象物３０に加わった負荷を推定する。具体的には、負荷推定部１４は、振動算出部１３によって算出された振動波形から、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向について、対象物３０の振動特性を算出する。振動特性とは、ここでは特定の周波数における振幅情報を指す。そして、負荷推定部１４は、特定した振幅から、対象物３０に加わった負荷及び外力の大きさ、方向を推定する。また、負荷推定部１４は、推定結果に対して、統計処理を実行し、それによって、例えば、対象物３０が橋梁であるならば、車両重量毎に通行頻度を集計する。

具体的には、対象物３０が橋梁であるとすると、Ｚ方向の変位（橋梁の桁たわみ）は、車両重量と相関がある。そのため、既知(規定)の重量の車両が通行するときに、橋梁のたわみ量（Ｚ方向の振動）がどの程度であるのかという情報を予め用意しておけば、たわみ量から、通行する車両が規定重量よりもどの程度軽いか、重いかを判断することが可能となる。つまり、橋梁のたわみ量と車両重量との関係を予め特定しておくことで、上述したように振動特性から対象物３０に加わった負荷を推定することが可能となる。

［変形例２］
図１に示した例では、撮像装置２０は、対象物から分離された領域４０（例えば、地面）に固定され、計測対象領域は対象物３０に設定されているが、本実施の形態は、この例に限定されることはない。

図４は、本発明の実施の形態の変形例２における振動計測装置の構成を示す図である。図４の例では、撮像装置２０は、対象物３０に固定具２２によって固定されている。また、画像で撮影する計測対象領域は、対象物から分離された領域４０、例えば、地面の上に設定されている。

図４に示した例では、対象物３０が振動すると、撮像装置２０も一緒に振動する。このため、得られた時系列画像からは対象物３０と、対象物から分離された領域４０との相対的な振動成分が算出される。ここで、時系列画像として撮影されている対象物から分離された領域４０上の計測対象領域が、固定されており動かない場合、得られた振動成分は、対象物３０の振動成分として扱うことができる。以上のように、振動を計測したい対象物３０に撮像装置２０を固定した場合にも、対象物３０の振動を計測することが可能となる。なお、図４の例において、撮像装置２０は、対象物３０と共に振動するように固定されていれば良く、対象物３０のどの部分に固定されていても良い。

［変形例３］
図５は、本発明の実施の形態の変形例３における振動計測装置の構成を示す図である。図５に示すように、本変形例３では、振動計測装置１０は、上述した面方向変位算出部１１、法線方向変位算出部１２、及び振動算出部１３に加えて、更に、対象物３０の状態を判定する状態判定部１５を備えている。

状態判定部１５は、振動算出部１３によって算出された対象物３０上の計測対象領域の振動情報に基づいて、対象物３０の状態を判定する。具体的には、状態判定部１５は、振動算出部１３によって算出されたＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の振動波形の特性を算出する。振動波形の特性としては、振動波形そのものの最大／最小振幅、周期／振動数が挙げられる。また、振動波形の特性としては、更に、振動波形に対して周波数解析を行うことによって算出された周波数毎の振幅、固有振動数及びその周波数における振幅等も挙げられる。

そして、状態判定部１５は、算出した振動波形の特性と予め設定した各閾値とを対比することによって、対象物３０の状態を判定する。例えば、対象物３０が、インフラ構造物の橋梁であり、計測対象領域が、橋桁（桁とする）であるとする。このとき、桁のたわみに相当するＺ方向の振動波形の最大振幅が予め定められた閾値（ここでは許容値）に比べて異常に大きい場合、橋梁の耐荷力に影響を及ぼすような異常が橋梁に発生していると判断できる。同様に、桁の横揺れの成分に当たるＸ方向、及びＹ方向の固有振動数及びその周波数における振幅が、閾値（ここでは設計値と安全係数から算出される値）と比べて大きく異なっている場合には、橋梁には何らかの状態の異常が発生していると考えられる。

状態判定部１５は、上述の例のように、対象物３０に異常が発生していないかどうかを判定する。また、上述で述べた閾値は、インフラ構造物の設計値と安全係数とから求められていても良いし、インフラ構造物の設計標準、維持管理標準、又は示方書に記載の数値から求められていても良い。

このような構成により、本変形例３によれば、計測された振動に基づいて、対象物３０の状態を判定することもできるため、特に対象物３０がインフラ構造物である場合は、劣化状態を特定することも可能となる。

また、本変形例３は、変形例１に適用することもできる。この場合、負荷推定部１４によって、負荷が推定されると、状態判定部１５は、推定された負荷に基づいて、対象物３０の状態判定を行う。例えば、上述のように、車両重量毎に通行頻度を集計された場合は、状態判定部１５は、集計結果から、橋梁の桁、床版における累積疲労損傷度評価を行うことができる。また、この場合、状態判定部１５は、累積疲労損傷度評価の結果に基づいて、異常判定を行うこともできる。

［物理構成］
ここで、本実施の形態におけるプログラムを実行することによって、振動計測装置１０を実現するコンピュータについて図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態における振動計測装置１０を実現するコンピュータの一例を示すブロック図である。

図６に示すように、コンピュータ１１０は、ＣＰＵ１１１と、メインメモリ１１２と、記憶装置１１３と、入力インターフェイス１１４と、表示コントローラ１１５と、データリーダ／ライタ１１６と、通信インターフェイス１１７とを備える。これらの各部は、バス１２１を介して、互いにデータ通信可能に接続される。

ＣＰＵ１１１は、記憶装置１１３に格納された、本実施の形態におけるプログラム（コード）をメインメモリ１１２に展開し、これらを所定順序で実行することにより、各種の演算を実施する。メインメモリ１１２は、典型的には、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の揮発性の記憶装置である。また、本実施の形態におけるプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体１２０に格納された状態で提供される。なお、本実施の形態におけるプログラムは、通信インターフェイス１１７を介して接続されたインターネット上で流通するものであっても良い。

また、記憶装置１１３の具体例としては、ハードディスクドライブの他、フラッシュメモリ等の半導体記憶装置が挙げられる。入力インターフェイス１１４は、ＣＰＵ１１１と、キーボード及びマウスといった入力機器１１８との間のデータ伝送を仲介する。表示コントローラ１１５は、ディスプレイ装置１１９と接続され、ディスプレイ装置１１９での表示を制御する。

データリーダ／ライタ１１６は、ＣＰＵ１１１と記録媒体１２０との間のデータ伝送を仲介し、記録媒体１２０からのプログラムの読み出し、及びコンピュータ１１０における処理結果の記録媒体１２０への書き込みを実行する。通信インターフェイス１１７は、ＣＰＵ１１１と、他のコンピュータとの間のデータ伝送を仲介する。

また、記録媒体１２０の具体例としては、ＣＦ（Compact Flash（登録商標））及びＳＤ（Secure Digital）等の汎用的な半導体記憶デバイス、フレキシブルディスク（Flexible Disk）等の磁気記録媒体、又はＣＤ−ＲＯＭ（Compact DiskRead Only Memory）などの光学記録媒体が挙げられる。

なお、本実施の形態における振動計測装置１０は、プログラムがインストールされたコンピュータではなく、各部に対応したハードウェアを用いることによっても実現可能である。更に、振動計測装置１０は、一部がプログラムで実現され、残りの部分がハードウェアで実現されていてもよい。

上述した実施の形態の一部又は全部は、以下に記載する（付記１）〜（付記１８）によって表現することができるが、以下の記載に限定されるものではない。

（付記１）
対象物の振動を計測するための装置であって、
撮像装置から出力されてきた、前記対象物上の計測対象領域の時系列画像から、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、面方向変位算出部と、
前記時系列画像及び前記計測対象領域の面方向における変位から、前記計測対象領域の法線方向における変位を算出する、法線方向変位算出部と、
算出された、前記計測対象領域の面方向における変位、及び前記計測対象領域の法線方向における変位から、前記対象物の振動を算出する、振動算出部と、
を備えていることを特徴とする振動計測装置。

（付記２）
前記時系列画像が、前記対象物から分離された領域に固定された前記撮像装置から出力されてきた前記対象物上の計測対象領域の時系列画像、または前記対象物に固定されている撮像装置から出力されてきた前記対象物から分離された領域上の計測対象領域の時系列画像である、
付記１に記載の振動計測装置。

（付記３）
前記面方向変位算出部が、複数の時系列画像のうちの１つの画像を基準画像、他の画像を処理画像とし、前記基準画像と前記処理画像とを対比して照合し、最も照合度合の高い前記計測対象領域の位置を特定して、前記計測対象領域の面方向における変位を算出し、
前記法線方向変位算出部が、前記計測対象領域の面方向における変位に基づいて、前記基準画像の拡大画像及び縮小画像の中心位置を設定して、前記拡大画像及び前記縮小画像を作成し、
そして、前記処理画像を前記拡大画像及び前記縮小画像に照合し、最も照合度合の高い前記拡大画像又は前記縮小画像を特定して、前記処理画像の前記基準画像に対する倍率を求め、求めた倍率を前記計測対象領域の法線方向における変位とする、
付記１または２に記載の振動計測装置。

（付記４）
前記面方向変位算出部が、
前記法線方向変位算出部による、前記計測対象領域の法線方向における変位の算出が行なわれた場合に、前記法線方向変位算出部が作成した前記拡大画像又は前記縮小画像を用いて、再度、前記計測対象領域の面方向における変位を算出し、
前記法線方向変位算出部が、再度算出された、前記計測対象領域の面方向における変位を用いて、前記計測対象領域の法線方向における変位を再度算出する、
付記３に記載の振動計測装置。

（付記５）
前記振動算出部が、
前記計測対象領域の面方向における変位と前記撮像装置の撮影情報とに基づいて、前記計測対象領域の面方向における振動を算出し、
前記計測対象領域の法線方向における変位と前記撮像装置から前記対象物までの距離とに基づいて、前記計測対象領域の法線方向における振動を算出する、
付記１〜４のいずれかに記載の振動計測装置。

（付記６）
前記計測対象領域の面方向が、前記時系列画像の水平方向に対応する方向と、前記時系列画像の垂直方向に対応する方向とを含む、
付記１〜５のいずれかに記載の振動計測装置。

（付記７）
対象物の振動を計測するための方法であって、
（ａ）撮像装置から出力されてきた、前記対象物上の計測対象領域の時系列画像から、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、ステップと、
（ｂ）前記時系列画像及び前記計測対象領域の面方向における変位から、前記計測対象領域の法線方向における変位を算出する、ステップと、
（ｃ）算出された、前記計測対象領域の面方向における変位、及び前記計測対象領域の法線方向における変位から、前記対象物の振動を算出する、ステップと、
を備えていることを特徴とする振動計測方法。

（付記８）
前記時系列画像が、前記対象物から分離された領域に固定された前記撮像装置から出力されてきた前記対象物上の計測対象領域の時系列画像、または前記対象物に固定されている撮像装置から出力されてきた前記対象物から分離された領域上の計測対象領域の時系列画像である、
付記７に記載の振動計測方法。

（付記９）
前記（ａ）のステップにおいて、複数の時系列画像のうちの１つの画像を基準画像、他の画像を処理画像とし、前記基準画像と前記処理画像とを対比して照合し、最も照合度合の高い前記計測対象領域の位置を特定して、前記計測対象領域の面方向における変位を算出し、
前記（ｂ）のステップにおいて、前記計測対象領域の面方向における変位に基づいて、前記基準画像の拡大画像及び縮小画像の中心位置を設定して、前記拡大画像及び前記縮小画像を作成し、
そして、前記処理画像を前記拡大画像及び前記縮小画像に照合し、最も照合度合の高い前記拡大画像又は前記縮小画像を特定して、前記処理画像の前記基準画像に対する倍率を求め、求めた倍率を前記計測対象領域の法線方向における変位とする、
付記７または８に記載の振動計測方法。

（付記１０）
（ｄ）前記（ｂ）のステップによる、前記計測対象領域の法線方向における変位の算出が行なわれた場合に、前記（ｂ）のステップで作成した前記拡大画像又は前記縮小画像を用いて、再度、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、ステップと、
（ｅ）前記（ｄ）のステップで再度算出された、前記計測対象領域の面方向における変位を用いて、前記計測対象領域の法線方向における変位を再度算出する、ステップと、
を更に有する、付記９に記載の振動計測方法。

（付記１１）
前記（ｃ）のステップにおいて、
前記計測対象領域の面方向における変位と前記撮像装置の撮影情報とに基づいて、前記計測対象領域の面方向における振動を算出し、
前記計測対象領域の法線方向における変位と前記撮像装置から前記対象物までの距離とに基づいて、前記計測対象領域の法線方向における振動を算出する、
付記７〜１０のいずれかに記載の振動計測方法。

（付記１２）
前記計測対象領域の面方向が、前記時系列画像の水平方向に対応する方向と、前記時系列画像の垂直方向に対応する方向とを含む、
付記７〜１１のいずれかに記載の振動計測方法。

（付記１３）
コンピュータによって対象物の振動を計測するためのプログラムであって、
前記コンピュータに、
（ａ）撮像装置から出力されてきた、前記対象物上の計測対象領域の時系列画像から、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、ステップと、
（ｂ）前記時系列画像及び前記計測対象領域の面方向における変位から、前記計測対象領域の法線方向における変位を算出する、ステップと、
（ｃ）算出された、前記計測対象領域の面方向における変位、及び前記計測対象領域の法線方向における変位から、前記対象物の振動を算出する、ステップと、
を実行させる、プログラム。

（付記１４）
前記時系列画像が、前記対象物から分離された領域に固定された前記撮像装置から出力されてきた前記対象物上の計測対象領域の時系列画像、または前記対象物に固定されている撮像装置から出力されてきた前記対象物から分離された領域上の計測対象領域の時系列画像である、
付記１３に記載のプログラム。

（付記１５）
前記（ａ）のステップにおいて、複数の時系列画像のうちの１つの画像を基準画像、他の画像を処理画像とし、前記基準画像と前記処理画像とを対比して照合し、最も照合度合の高い前記計測対象領域の位置を特定して、前記計測対象領域の面方向における変位を算出し、
前記（ｂ）のステップにおいて、前記計測対象領域の面方向における変位に基づいて、前記基準画像の拡大画像及び縮小画像の中心位置を設定して、前記拡大画像及び前記縮小画像を作成し、
そして、前記処理画像を前記拡大画像及び前記縮小画像に照合し、最も照合度合の高い前記拡大画像又は前記縮小画像を特定して、前記処理画像の前記基準画像に対する倍率を求め、求めた倍率を前記計測対象領域の法線方向における変位とする、
付記１３または１４に記載のプログラム。

（付記１６）
前記コンピュータに、
（ｄ）前記（ｂ）のステップによる、前記計測対象領域の法線方向における変位の算出が行なわれた場合に、前記（ｂ）のステップで作成した前記拡大画像又は前記縮小画像を用いて、再度、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、ステップと、
（ｅ）前記（ｄ）のステップで再度算出された、前記計測対象領域の面方向における変位を用いて、前記計測対象領域の法線方向における変位を再度算出する、ステップと、
を更に実行させる、付記１５に記載のプログラム。

（付記１７）
前記（ｃ）のステップにおいて、
前記計測対象領域の面方向における変位と前記撮像装置の撮影情報とに基づいて、前記計測対象領域の面方向における振動を算出し、
前記計測対象領域の法線方向における変位と前記撮像装置から前記対象物までの距離とに基づいて、前記計測対象領域の法線方向における振動を算出する、
付記１３〜１６のいずれかに記載のプログラム。

（付記１８）
前記計測対象領域の面方向が、前記時系列画像の水平方向に対応する方向と、前記時系列画像の垂直方向に対応する方向とを含む、
付記１３〜１７のいずれかに記載のプログラム。

以上のように、本発明によれば、振動を伴う構造物の振動計測における精度の向上を図ることができる。本発明は、橋梁・道路・建築物・設備などのインフラ構造物の維持管理及び異常検知などの分野に有用である。

１０ 振動計測装置
１１ 面方向変位算出部
１２ 法線方向変位算出部
１３ 振動算出部
１４ 負荷推定部
１５ 状態判定部
２０ 撮像装置
２１ 固定具
２２ 固定具
３０ 対象物
４０ 対象物から分離された領域（地面）
１１０ コンピュータ
１１１ ＣＰＵ
１１２ メインメモリ
１１３ 記憶装置
１１４ 入力インターフェイス
１１５ 表示コントローラ
１１６ データリーダ／ライタ
１１７ 通信インターフェイス
１１８ 入力機器
１１９ ディスプレイ装置
１２０ 記録媒体
１２１ バス

Claims (12)

1. 対象物の振動を計測するための装置であって、
   撮像装置から出力されてきた、前記対象物上の計測対象領域の時系列画像から、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、面方向変位算出部と、
   前記時系列画像及び前記計測対象領域の面方向における変位から、前記計測対象領域の法線方向における変位を算出する、法線方向変位算出部と、
   算出された、前記計測対象領域の面方向における変位、及び前記計測対象領域の法線方向における変位から、前記対象物の振動を算出する、振動算出部と、
   を備え、
   前記面方向変位算出部が、複数の時系列画像のうちの１つの画像を基準画像、他の画像を処理画像とし、前記基準画像と前記処理画像とを対比して照合し、最も照合度合の高い前記計測対象領域の位置を特定して、前記計測対象領域の面方向における変位を算出し、
   前記法線方向変位算出部が、前記計測対象領域の面方向における変位に基づいて、前記基準画像の拡大画像及び縮小画像の中心位置を設定して、前記拡大画像及び前記縮小画像を作成し、
   そして、前記処理画像を前記拡大画像及び前記縮小画像に照合し、最も照合度合の高い前記拡大画像又は前記縮小画像を特定して、前記処理画像の前記基準画像に対する倍率を求め、求めた倍率を前記計測対象領域の法線方向における変位とし、
   前記面方向変位算出部が、前記法線方向変位算出部による、前記計測対象領域の法線方向における変位の算出が行なわれた場合に、前記法線方向変位算出部が作成した前記拡大画像又は前記縮小画像を用いて、再度、前記計測対象領域の面方向における変位を算出し、
   前記法線方向変位算出部が、再度算出された、前記計測対象領域の面方向における変位を用いて、前記計測対象領域の法線方向における変位を再度算出する、
   ことを特徴とする振動計測装置。
2. 前記時系列画像が、前記対象物から分離された領域に固定された前記撮像装置から出力されてきた前記対象物上の計測対象領域の時系列画像、または前記対象物に固定されている撮像装置から出力されてきた前記対象物から分離された領域上の計測対象領域の時系列画像である、
   請求項１に記載の振動計測装置。
3. 前記振動算出部が、
   前記計測対象領域の面方向における変位と前記撮像装置の撮影情報とに基づいて、前記計測対象領域の面方向における振動を算出し、
   前記計測対象領域の法線方向における変位と前記撮像装置から前記対象物までの距離とに基づいて、前記計測対象領域の法線方向における振動を算出する、
   請求項１または２に記載の振動計測装置。
4. 前記計測対象領域の面方向が、前記時系列画像の水平方向に対応する方向と、前記時系列画像の垂直方向に対応する方向とを含む、
   請求項１〜３のいずれかに記載の振動計測装置。
5. 対象物の振動を計測するための方法であって、
   （ａ）撮像装置から出力されてきた、前記対象物上の計測対象領域の時系列画像から、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、ステップと、
   （ｂ）前記時系列画像及び前記計測対象領域の面方向における変位から、前記計測対象領域の法線方向における変位を算出する、ステップと、
   （ｃ）算出された、前記計測対象領域の面方向における変位、及び前記計測対象領域の法線方向における変位から、前記対象物の振動を算出する、ステップと、
   を有し、
   前記（ａ）のステップにおいて、複数の時系列画像のうちの１つの画像を基準画像、他の画像を処理画像とし、前記基準画像と前記処理画像とを対比して照合し、最も照合度合の高い前記計測対象領域の位置を特定して、前記計測対象領域の面方向における変位を算出し、
   前記（ｂ）のステップにおいて、前記計測対象領域の面方向における変位に基づいて、前記基準画像の拡大画像及び縮小画像の中心位置を設定して、前記拡大画像及び前記縮小画像を作成し、
   そして、前記処理画像を前記拡大画像及び前記縮小画像に照合し、最も照合度合の高い前記拡大画像又は前記縮小画像を特定して、前記処理画像の前記基準画像に対する倍率を求め、求めた倍率を前記計測対象領域の法線方向における変位とし、
   更に、当該方法は、
   （ｄ）前記（ｂ）のステップによる、前記計測対象領域の法線方向における変位の算出が行なわれた場合に、前記（ｂ）のステップで作成した前記拡大画像又は前記縮小画像を用いて、再度、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、ステップと、
   （ｅ）前記（ｄ）のステップで再度算出された、前記計測対象領域の面方向における変位を用いて、前記計測対象領域の法線方向における変位を再度算出する、ステップと、
   を有していることを特徴とする振動計測方法。
6. 前記時系列画像が、前記対象物から分離された領域に固定された前記撮像装置から出力されてきた前記対象物上の計測対象領域の時系列画像、または前記対象物に固定されている撮像装置から出力されてきた前記対象物から分離された領域上の計測対象領域の時系列画像である、
   請求項５に記載の振動計測方法。
7. 前記（ｃ）のステップにおいて、
   前記計測対象領域の面方向における変位と前記撮像装置の撮影情報とに基づいて、前記計測対象領域の面方向における振動を算出し、
   前記計測対象領域の法線方向における変位と前記撮像装置から前記対象物までの距離とに基づいて、前記計測対象領域の法線方向における振動を算出する、
   請求項５または６に記載の振動計測方法。
8. 前記計測対象領域の面方向が、前記時系列画像の水平方向に対応する方向と、前記時系列画像の垂直方向に対応する方向とを含む、
   請求項５〜７のいずれかに記載の振動計測方法。
9. コンピュータによって対象物の振動を計測するためのプログラムであって、
   前記コンピュータに、
   （ａ）撮像装置から出力されてきた、前記対象物上の計測対象領域の時系列画像から、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、ステップと、
   （ｂ）前記時系列画像及び前記計測対象領域の面方向における変位から、前記計測対象領域の法線方向における変位を算出する、ステップと、
   （ｃ）算出された、前記計測対象領域の面方向における変位、及び前記計測対象領域の法線方向における変位から、前記対象物の振動を算出する、ステップと、
   を実行させ、
   前記（ａ）のステップにおいて、複数の時系列画像のうちの１つの画像を基準画像、他の画像を処理画像とし、前記基準画像と前記処理画像とを対比して照合し、最も照合度合の高い前記計測対象領域の位置を特定して、前記計測対象領域の面方向における変位を算出し、
   前記（ｂ）のステップにおいて、前記計測対象領域の面方向における変位に基づいて、前記基準画像の拡大画像及び縮小画像の中心位置を設定して、前記拡大画像及び前記縮小画像を作成し、
   そして、前記処理画像を前記拡大画像及び前記縮小画像に照合し、最も照合度合の高い前記拡大画像又は前記縮小画像を特定して、前記処理画像の前記基準画像に対する倍率を求め、求めた倍率を前記計測対象領域の法線方向における変位とし、
   更に、前記コンピュータに、
   （ｄ）前記（ｂ）のステップによる、前記計測対象領域の法線方向における変位の算出が行なわれた場合に、前記（ｂ）のステップで作成した前記拡大画像又は前記縮小画像を用いて、再度、前記計測対象領域の面方向における変位を算出する、ステップと、
   （ｅ）前記（ｄ）のステップで再度算出された、前記計測対象領域の面方向における変位を用いて、前記計測対象領域の法線方向における変位を再度算出する、ステップと、
   を実行させる、プログラム。
10. 前記時系列画像が、前記対象物から分離された領域に固定された前記撮像装置から出力されてきた前記対象物上の計測対象領域の時系列画像、または前記対象物に固定されている撮像装置から出力されてきた前記対象物から分離された領域上の計測対象領域の時系列画像である、
    請求項９に記載のプログラム。
11. 前記（ｃ）のステップにおいて、
    前記計測対象領域の面方向における変位と前記撮像装置の撮影情報とに基づいて、前記計測対象領域の面方向における振動を算出し、
    前記計測対象領域の法線方向における変位と前記撮像装置から前記対象物までの距離とに基づいて、前記計測対象領域の法線方向における振動を算出する、
    請求項９または１０に記載のプログラム。
12. 前記計測対象領域の面方向が、前記時系列画像の水平方向に対応する方向と、前記時系列画像の垂直方向に対応する方向とを含む、
    請求項９〜１１のいずれかに記載のプログラム。

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