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CN116724211A - 变形计算装置、变形测量装置以及变形计算方法 - Google Patents

变形计算装置、变形测量装置以及变形计算方法 Download PDF

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CN116724211A
CN116724211A CN202180077349.3A CN202180077349A CN116724211A CN 116724211 A CN116724211 A CN 116724211A CN 202180077349 A CN202180077349 A CN 202180077349A CN 116724211 A CN116724211 A CN 116724211A
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CN
China
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deformation
image
image group
measurement area
measurement region
Prior art date
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Application number
CN202180077349.3A
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Inventor
佐治重孝
叶名纪彦
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

一种变形计算装置，即使在不存在不移动的基准点的情况下也能够用1台摄像机校正与测定对象的位置变化来计算变形。具备：变形计算部(11)，利用数字图像相关法求出测定区域(2)的单纯计算变形；视点变化去除部(12)，从单纯计算变形减掉假定在测定区域(2)中无变形而反算出的表观应变，来求出临时变形；综合化部(13)，输出将依次改选从第一图像群选择的第一图像和从第二图像群选择的第二图像并应用变形计算部(11)和视点变化去除部(12)求出的临时变形进行平均化所得到的变形来作为从第一摄影期间至第二摄影期间的测定区域(2)的变形。

Description

变形计算装置、变形测量装置以及变形计算方法
技术领域
本申请涉及一种变形计算装置、变形测量装置以及变形计算方法。
背景技术
作为测量物体的变形的方法，已知如下的数字图像相关法：将在作为不同的时间的第一摄影期间和第二摄影期间对一个测定对象进行摄影所得到的图像进行比较，由此以非接触方式测定变形。在数字图像相关法中，使用亮度值分布的相关来检测摄影区域的位移量。这基于物体表面的漫反射像随物体表面一起移动而在第一摄影期间和第二摄影期间保存其亮度值分布这一点。按图像上的每个位置搜索使变形前后的图像中的亮度值的相关最大的位移及应变，由此决定测定对象的变形。在数字图像相关法中，在摄像机与被摄体的相对位置在第一摄影期间与第二摄影期间之间有变化的情况下，在摄影得到的图像上产生测定对象的移动和放大缩小，产生表观变形。因此，存在如下问题：如果摄像机与测定对象的相对位置在第一摄影期间与第二摄影期间之间有变化，则无法准确地测量测定对象的变形。
针对该问题，存在如下方法：通过用设置于互不相同的位置的多个摄像机对测定对象进行摄影，根据立体视觉的原理测量摄像机与测定对象的相对位置，消除摄像机与测定对象的相对位置变化的影响来测量测定对象的变形。但是，由于需要将多个摄像机设置于互不相同的位置，因此存在测定系统复杂化而大型化的倾向。另外，需要准确地测定多个摄像机彼此的相互位置关系，因此与使用1台摄像机的情况相比测量所需的劳力变大。因此，提出了即使是1台摄像机也校正与测定对象的位置变化来测量变形以实现更简易的变形测量的方法。
作为用1台摄像机校正与测定对象的位置变化来测量变形的方法之一，提出了如下方法：针对利用数字图像相关法检测出的变形量，在摄影区域内设定不产生位移及应变的基准区域，求出表示变形前的摄影图像上的坐标位置与变形后的图像上的坐标位置的关系的坐标变换式，从测量位移量减掉因摄像机的移动产生的误差(例如参照专利文献1)。
专利文献1：日本专利第5013047号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1的技术中，在摄影区域内必须包含有在测定对象的变形前后位置不变化的物体来作为用于测量摄像机与测定对象的相对位置的基准点。因而，存在如下问题：在难以设置不移动的基准点的情况下，例如在测定对象的变形的范围遍及整个摄影区域的情况下，无法测量变形。
本申请是为了解决上述问题而完成的，目的在于提供即使在不存在不移动的基准点的情况下也能够用1台摄像机校正与测定对象的位置变化来计算变形的变形计算装置。
用于解决问题的方案
本申请所公开的变形计算装置具备：变形计算部，使用从在第一摄影期间从互不相同的相对位置对测定区域进行摄影所得到的第一图像群选择的1张第一图像以及从在与第一摄影期间不同的第二摄影期间从互不相同的相对位置对测定区域进行摄影所得到的第二图像群选择的1张第二图像，利用数字图像相关法求出测定区域的单纯计算变形；视点变化去除部，从单纯计算变形减掉假定在测定区域中无变形而反算出的表观应变，来求出临时变形；以及综合化部，输出将依次改选从第一图像群选择的第一图像和从第二图像群选择的第二图像并应用变形计算部和视点变化去除部求出的临时变形进行平均化所得到的变形来作为从第一摄影期间至第二摄影期间的测定区域的变形。
发明的效果
本申请所公开的变形计算装置具备：变形计算部，使用从在第一摄影期间从互不相同的相对位置对测定区域进行摄影所得到的第一图像群选择的1张第一图像以及从在与第一摄影期间不同的第二摄影期间从互不相同的相对位置对测定区域进行摄影所得到的第二图像群选择的1张第二图像，利用数字图像相关法求出测定区域的单纯计算变形；视点变化去除部，从单纯计算变形减掉假定在测定区域中无变形而反算出的表观应变，来求出临时变形；以及综合化部，输出将依次改选从第一图像群选择的第一图像和从第二图像群选择的第二图像并应用变形计算部和视点变化去除部求出的临时变形进行平均化所得到的变形来作为从第一摄影期间至第二摄影期间的测定区域的变形，因此即使在不存在不移动的基准点的情况下也能够用1台摄像机校正与测定对象的位置变化来计算变形。
附图说明
图1是表示基于实施方式1的变形计算装置的结构的框图。
图2是实施方式1中的被施加了拉伸载荷的状态的构造体的立体图。
图3是实施方式1中的产生了缺损的构造体的立体图。
图4是用于说明本申请中的变形、位移以及应变的图。
图5是用于说明实施方式1中的因摄像装置的移动产生的表观变形的图。
图6是表示基于实施方式1的变形计算处理的详情的流程图。
图7是表示基于实施方式2的变形计算装置的结构的框图。
图8是实施方式2中的被施加了弯矩的状态的构造体的立体图。
图9是表示实施方式2中的在第一摄影期间拍摄第一图像时的测定区域的情形的图。
图10是表示实施方式2中的在第二摄影期间拍摄第二图像时的测定区域的情形的图。
图11是表示基于实施方式3的变形计算装置的结构的框图。
图12是实施方式3中的被施加了单轴的拉伸或压缩的载荷的状态的构造体的立体图。
图13是表示基于实施方式1、实施方式2以及实施方式3的变形计算装置的硬件的一例的示意图。
图14是用于说明实施方式4中的变形测量装置的结构的图。
(附图标记说明)
1：构造体；2：测定区域；3：缺损区域；4：缺损；5：拉伸载荷；6：弯矩；7c、7d：摄影平面；8：载荷；10、10a、10b：变形计算装置；11：变形计算部；12：视点变化去除部；13、13a、13b：综合化部；20、20a、20b、20c、20d：摄像装置；30：变形前的区域；31：只有位移的变形后的区域；32：因位移及应变引起的变形后的区域；100、100a、100b：变形测量装置；201：处理器；202：存储器；300：移动装置；301：车轮。
具体实施方式
以下，关于用于实施本申请的实施方式所涉及的变形计算装置，参照图来详细说明。此外，在各图中相同的符号表示相同或相当的部分。
实施方式1.
图1是表示基于实施方式1的变形计算装置10的结构的框图。如图1所示，变形计算装置10具备变形计算部11、视点变化去除部12以及综合化部13。变形测量装置100具备变形计算装置10和摄像装置20。
基于实施方式1的变形计算装置10使用于实验室中的试验片的变形测量、或者基础设施(infrastructure)设备形状的经时变化的检查等各种用途中的变形测量。以下，假设基础设施设备的检查，以测量构成基础设施设备的构造体的应变变化的情况为例说明使用数字图像相关法的变形计算装置10的动作。假设如下情况：在第一摄影期间实施第一次检查，在从第一摄影期间起的固定期间中使用设备之后的第二摄影期间实施第二次检查。利用数字图像相关法将在第一摄影期间由摄像装置20摄影得到的构造体的图像与在第二摄影期间由摄像装置20摄影得到的构造体的图像进行比较，由此检查因设备的运转引起的机械部件的劣化。以下，将成为拍摄图像的对象的构造体设为被摄体，将构造体的表面中的测量变形的范围设为测定区域来进行说明。
在对构成基础设施设备的构造体进行摄影的情况下，难以在第一摄影期间和第二摄影期间中将作为摄像装置20的摄像机与被摄体的相对位置设定为完全相同。其结果，在使用在第一摄影期间摄影得到的被摄体的图像和在第二摄影期间摄影得到的被摄体的图像并通过数字图像相关法测定了被摄体的形状变化的情况下，由于包含因摄像机与被摄体的相对位置的变化引起而出现的移动量作为误差，因此难以高精度地测定被摄体的形状变化。另外，例如在被摄体配置于狭窄部位的状况下，有时无法增大被摄体与摄像机的距离而被摄体遍及摄像机的整个摄影范围。在这样的情况下，难以将被摄体中不产生位移的基准点包含在摄像机的摄影范围中，在使用需要用于测量摄像机与被摄体的相对位置的基准点的技术的情况下，难以求出摄像机与被摄体的相对位置。以下，说明不需要用于测量摄像装置20与被摄体的相对位置的基准点的基于实施方式1的变形计算装置10的动作。
关于由基于实施方式1的变形计算装置10测定形状变化的被摄体，假设如图2和图3所示的在长边方向上被施加了拉伸载荷5的、截面为长方形的构造体1。在构造体1的表面设定测定区域2。在图2和图3中，通过正交坐标系表示构造体1，将设定测定区域2的面设为xy平面，将与xy平面垂直的轴设为z轴。图2表示第一摄影期间中的构造体1，图3表示第二摄影期间中的构造体1。构造体1在图2所示的第一摄影期间是均匀的截面，而在图3所示的第二摄影期间在缺损区域3产生了缺损4，其结果，在图3所示的第二摄影期间在测定区域2产生了形状变化。基于实施方式1的变形计算装置10在第一摄影期间由摄像装置20对构造体1的测定区域2进行摄影，在第二摄影期间由摄像装置20对构造体1的测定区域2进行摄影，利用数字图像相关法，根据各个图像计算因缺损4引起的测定区域2的变形。计算出的测定区域2的变形例如用于估计缺损4的位置和规模。
期望在构造体1的测定区域2预先涂布有随机的图案(pattern)。随机的图案是指无重复的具有各向同性的图案，期望对比度高。在构造体1的测定区域2，例如在涂布白色系的涂料之后喷涂黑色系的涂料，由此涂布随机的图案。此外，在作为测定区域2的构造体1的表面原来就存在对比度高的随机的图案的情况下，也可以不涂布涂料。作为原来就具有对比度高的随机的图案的构造体1的表面的例子，例举混凝土的表面等。
摄像装置20在第一摄影期间对测定区域2进行摄影来输出图像，在第二摄影期间对测定区域2进行摄影来输出图像。变形计算装置10利用数字图像相关法将在第一摄影期间由摄像装置20摄影得到的测定区域2的图像与在第二摄影期间由摄像装置20摄影得到的测定区域2的图像进行比较，由此计算测定区域2的变形。
图4是说明本申请中的变形、位移以及应变的图。在本申请中，将变形作为位移及应变的总称来进行说明。变形前的区域30表示在第一摄影期间观测到的测定区域2的特定的区域。只发生位移的变形后的区域31表示在变形仅为位移的情况下在第二摄影期间观测到的测定区域2的特定的区域。此时，用ux、uy表示位移。基于位移及应变的变形后的区域32表示在变形是位移及应变这两方的情况下在第二摄影期间观测到的测定区域2的特定的区域。此时，用ux、uy表示位移，用表示应变。
以下，说明摄像装置20和变形计算装置10的动作的详情。摄像装置20在第一摄影期间多次对测定区域2进行摄影，输出作为第一图像群的多个图像。另外，摄像装置20在第二摄影期间多次对测定区域2进行摄影，输出作为第二图像群的多个图像。在摄像装置20中，在第一摄影期间对测定区域2进行2次以上的摄影，优选的是进行10次以上的摄影，输出2张以上、优选的是10张以上的图像数据，将其设为第一图像群。第一图像群既可以是连续地拍摄静止图像来获取的图像，也可以是拍摄运动图像并从该运动图像提取多张帧来作为静止图像所得到的图像。包含在第一图像群中的各个图像是在摄像装置20相对于测定区域2的相对位置互不相同的状态下摄影得到的。关于改变测定区域2与摄像装置20的相对位置的方法，既可以使摄像装置20相对于测定区域2平行移动，也可以使测定区域2与摄像装置20之间的距离发生变化，还可以使摄像装置20相对于测定区域2的角度发生变化。另外，也可以将平行移动、距离变化以及角度变化的2个以上同时进行。
在摄像装置20中，在第二摄影期间对测定区域2进行2次以上的摄影，优选的是进行10次以上的摄影，输出2张以上、优选的是10张以上的图像数据，将其设为第二图像群。第二图像群既可以是连续地拍摄静止图像来获取的图像，也可以是拍摄运动图像并从该运动图像提取多张帧来作为静止图像所得到的图像。包含在第二图像群中的各个图像是在摄像装置20相对于测定区域2的相对位置互不相同的状态下摄影得到的。关于改变测定区域2与摄像装置20的相对位置的方法，既可以使摄像装置20相对于测定区域2平行移动，也可以使测定区域2与摄像装置20之间的距离发生变化，还可以使摄像装置20相对于测定区域2的角度发生变化。另外，也可以将平行移动、距离变化以及角度变化的2个以上同时进行。
在变形计算部11中，获取作为摄像装置20的输出的第一图像群和第二图像群。变形计算部11从第一图像群选择1张图像来将其设为第一图像，从第二图像群选择1张图像来将其设为第二图像。将包含在第一图像中的测定区域2的形状作为基准，利用数字图像相关法计算包含在第二图像中的测定区域2的形状变化，计算位移及应变的二维分布，将这些位移及应变的二维分布作为单纯计算变形输出。另外，变形计算部11将在计算单纯计算变形时使用的第一图像及第二图像与单纯计算变形一起输出。在第一摄影期间与第二摄影期间中，测定区域2与摄像装置20的相对位置不同，因此作为变形计算部11的输出的单纯计算变形是因视点变化引起的表观位移及应变叠加于测定区域2的变形而成的变形。
在视点变化去除部12中，根据作为变形计算部11的输出的单纯计算变形、第一图像以及第二图像求出作为测定区域2的位移及应变的二维分布的临时变形，输出所求出的临时变形。图5是用于说明因摄像装置20的移动产生的表观变形的图。在图5中，与图2及图3同样地，通过正交坐标系表示构造体1，将设定测定区域2的面设为xy平面，将与xy平面垂直的轴设为z轴。图5示出了在第一摄影期间和第二摄影期间对构造体1的测定区域2进行摄影的情形的一部分，在第一摄影期间从摄像装置20a的位置对测定区域2进行摄影所得到的图像是第一图像，在第二摄影期间从摄像装置20b的位置对测定区域2进行摄影所得到的图像是第二图像。关于相对于从摄像装置20a的位置对测定区域2进行摄影所得到的第一图像中的测定区域2上的关注点(x、y)而言的、从摄像装置20b的位置对测定区域2进行摄影所得到的第二图像中的测定区域2上的关注点(x、y)的表观上的x方向的应变xs，近似地通过以下的式(1)得到。
[数1]
数1
在图5和式(1)中，(xc，yc)是相对于摄像装置20a的位置而言的摄像装置20b的位置的旋转的中心坐标，z是从摄像装置20a的位置至测定区域2的距离，δz是相对于摄像装置20a的位置而言的摄像装置20b的位置离点(xc，yc)的距离的变化，θ是相对于摄像装置20a的位置而言的摄像装置20b的位置的旋转角的变化量，φ是相对于摄像装置20a的位置而言的摄像装置20b的位置的旋转的方向。
换言之，(xc，yc)是从拍摄了第一图像的摄像装置20a向作为测定区域2的平面的xy平面画垂线时的xy平面上的点的坐标，z是摄像装置20a与点(xc，yc)的距离，z+δz是摄像装置20b与点(xc，yc)的距离。θ是从点(xc，yc)向摄像装置20a的方向与从点(xc，yc)向摄像装置20b的方向所成的角。另外，作为连结点(xc，yc)与摄像装置20b的线段向xy平面的投影的线段与x轴所成的角是φ。
如果能够求出式(1)的6个系数θ、φ、xc、yc、z、δz，则能够反算(back-calculate)出作为变形计算部11的输出的单纯计算变形中包含的因摄像装置20的移动产生的应变。在视点变化去除部12中，针对在测定区域2上至少6个不同的关注点(x、y)，以使作为变形计算部11的输出的单纯计算变形与用式(1)求出的测定区域2上的关注点(x、y)的x方向的应变xs之差最小的方式决定θ、φ、xc、yc、z、δz这6个系数。将6个系数已被决定的式(1)所示的x方向的应变xs设为因摄像装置20的移动产生的表观变形，从作为变形计算部11的输出的单纯计算变形减掉表观变形，由此能够得到作为测定区域2的位移的二维分布的临时变形。
关于相对于从摄像装置20a的位置对测定区域2进行摄影所得到的第一图像中的测定区域2上的关注点(x、y)而言的、从摄像装置20b的位置对测定区域2进行摄影所得到的第二图像中的测定区域2上的关注点(x、y)的表观上的y方向的应变ys，近似地通过以下的式(2)得到。
[数2]
数2
与x方向的应变xs同样地，如果能够求出式(2)的6个系数θ、φ、xc、yc、z、δz，则能够反算出作为变形计算部11的输出的单纯计算变形中包含的因摄像装置20的移动产生的应变。在视点变化去除部12中，针对在测定区域2上至少6个不同的关注点(x、y)，以使作为变形计算部11的输出的单纯计算变形与用式(2)求出的测定区域2上的关注点(x、y)的y方向的应变ys之差最小的方式决定θ、φ、xc、yc、z、δz这6个系数。将6个系数已被决定的式(2)所示的y方向的应变ys设为因摄像装置20的移动产生的表观变形，从作为变形计算部11的输出的单纯计算变形减掉表观变形，由此能够得到作为测定区域2的位移的二维分布的临时变形。从视点变化去除部12输出通过以上处理求出的、从单纯计算变形减掉x方向的应变和y方向的应变所得到的临时变形。
在以上的说明中，在测定区域2为平面的情况下，表现了因视点变化引起的表观应变。即使构造体1的表面为复杂的形状，在表面上局部地具有曲率小而能够视为平面的平面区域的情况下，能够将平面区域设定为测定区域2并通过式(1)和(2)得到测定区域2上的关注点(x、y)的表观上的y方向的应变ys。由此，能够计算具有多个局部平面的构造物、例如建筑物或桥梁的壁面的局部变形。
在测定区域2不是平面的情况、例如为球面状的情况下，作为以几何学方式计算的校正项，将球的半径和表示球的中心的x、y、z方向的位置的3个值合起来的合计4个参数追加到式(1)和(2)，由此能够关于测定区域2表现因视点变化引起的表观应变。在测定区域2为圆柱状的情况下，作为以几何学方式计算的校正项，将与圆柱的中心轴平行的轴设为x轴，将圆柱的半径、表示圆柱的中心轴的y、z方向的位置的2个值以及圆柱的中心轴延伸的方向即x轴合起来的合计4个参数追加到式(1)和(2)，由此能够关于测定区域2表现因视点变化引起的表观应变。根据本方法，能够计算例如配管或罐等具有圆形形状的构造物的变形。
在测定区域2为平面、球面、圆柱面以外的情况下，也通过将与测定区域2的形状相应的校正项追加到式(1)和(2)，能够计算各种形状的构造物的变形。在测定区域2为平面的情况下，与测定区域2不是平面的情况相比，为了求出因视点变化引起的表观应变所需的参数少，因此能够在更短的时间内实施视点变化去除部12中的计算。
也可以还具备测量第一摄影期间和第二摄影期间中的摄像装置20和测定区域2的相对位置变化的距离测量装置，在视点变化去除部12中进一步使用作为距离测量装置的输出的相对位置变化的信息来求出表观应变。距离测量装置例如是超声波式的间隙传感器、激光位移计、接触式位移计等。距离测量装置所输出的相对位置变化例如是在从摄像装置20向预先决定的方向看测定区域2时的从摄像装置20至测定区域2的表面的距离的变化。在距离测量装置测量从摄像装置20向测定区域2的一个方向的相对位置变化的情况下，在视点变化去除部12中，根据相对位置变化的信息，能够根据作为距离测量装置的输出的相对位置变化求出式(1)和式(2)中的系数z和系数δz。在距离测量装置测量从摄像装置20向测定区域2的不同的3个以上的方向的相对位置变化的情况下，或者在使用设置于互不相同的位置的3个以上的距离测量装置的情况下，在视点变化去除部12中，能够根据相对位置变化的信息求出式(1)和式(2)中的全部的系数。根据该方法，通过与测量变形的图像相独立地测量摄像装置20与测定区域2的相对位置变化，在求出式(1)和式(2)的系数时不受到利用图像相关法求出的变形的误差的影响，因此能够提高测量精度。
也可以还具备姿势测量装置，在构造体1不移动的情况下，该姿势测量装置测量第一摄影期间和第二摄影期间中的摄像装置20的姿势变化，在视点变化去除部12中进一步使用作为姿势测量装置的输出的姿势变化的信息来求出表观应变。姿势测量装置例如是陀螺仪传感器、运动跟踪装置等。能够根据作为姿势测量装置的输出的姿势变化的信息决定式(1)和式(2)中的系数θ和系数φ。另外，也可以还具备测量第一摄影期间和第二摄影期间中的摄像装置20的位置变化和旋转变化的运动跟踪装置，在视点变化去除部12中进一步使用作为运动跟踪装置的输出的位置变化和旋转变化的信息来求出表观应变。能够根据作为运动跟踪装置的输出的位置变化和旋转变化的信息决定式(1)和式(2)中的全部的系数。根据该方法，由于不使用摄像装置20与测定区域2的相对位置的信息，因此即使在测定区域2大幅变形的情况下也能够计算因视点变化引起的表观应变，能够高精度地测量变形。
在变形计算部11中，从第一图像群选择1张图像来将其设为第一图像，从第二图像群选择1张图像来将其设为第二图像，但是通过依次改选从第一图像群选择的第一图像和从第二图像群选择的第二图像，针对包含在第一图像群中的图像与包含在第二图像群中的图像的全部组合进行变形计算部11和视点变化去除部12的处理。即，在第一图像群中存在m张图像、且在第二图像群中存在n张图像的情况下，作为第一图像与第二图像的组合进行m*n种选择，针对各个图像的组合进行变形计算部11和视点变化去除部12的处理，得到m*n个临时变形。
此外，设为变形计算部11输出在计算单纯计算变形时使用的第一图像和第二图像，视点变化去除部12从变形计算部11接收第一图像和第二图像，但是也可以是变形计算部11仅输出单纯计算变形，视点变化去除部12从摄像装置20接收第一图像和第二图像。或者，也可以将作为摄像装置20的输出的第一图像群和第二图像群的数据保存在变形计算装置10的内部的存储部中，变形计算部11和视点变化去除部12从该存储部读出第一图像和第二图像的数据。存储部例如通过存储器来实现。存储器例如是半导体存储器、磁盘等。
并且，设为在第一图像群中存在m张图像、且在第二图像群中存在n张图像的情况下，作为第一图像与第二图像的组合进行m*n种选择，针对各个图像的组合进行变形计算部11和视点变化去除部12的处理，但是也可以是：作为第一图像与第二图像的组合进行m*n种选择，针对其全部进行变形计算部11的处理，将结果保存在变形计算装置10的内部的存储部中，接着，针对作为第一图像与第二图像的组合的m*n种进行视点变化去除部12的处理。
作为视点变化去除部12的输出的临时变形是在测定区域2的变形中包含随机误差。关于作为视点变化去除部12的输出的临时变形中包含的随机误差的去除，通过将多个临时变形进行平均化来进行。综合化部13将通过上述处理求出的m*n个临时变形进行平均化来进行随机误差的去除并作为测定区域2的变形输出。关于平均化的处理，例如固定测定区域上的点(x，y)并将m＊n个临时变形的值进行平均化。在使用在第一摄影期间摄影得到的第i个图像和在第二摄影期间摄影得到的第j个图像计算出的个别的临时变形中，在将测定区域上的点(x，y)处的位移设为(ux(i，j，x，y)，uy(i，j，x，y))时，用以下的式(3)表示平均化后的测定区域上的点(x，y)处的位移(Ux(x，y)，Uy(x，y))。
[数3]
数3
(Ux(x，y)，Uy(x，y))＝(∑i，jux(i，j，x，y)，∑i，juy(i，j，x，y))…(3)
同样地，在将测定区域上的点(x，y)处的应变设为(εx(i，j，x，y)，εy(i，j，x，y))时，用以下的式(4)表示平均化后的测定区域上的点(x，y)处的应变(Ex(x，y)，Ey(x，y))。
[数4]
数4
(Ex(x，y)，Ey(x，y))＝(∑i，jεx(i，j，x，y)，∑i，jεy(i，j，x，y))…(4)
综合化部13也可以将通过上述处理求出的m＊n个临时变形中的所选择的多个临时变形进行平均化后作为测定区域2的变形来输出。综合化部13例如通过根据预先决定的条件选择m＊n个临时变形中的一部分，能够提高所输出的测定区域2的变形的精度。作为预先决定的条件，例如在临时变形中包含的随机误差足够大于被摄体的实际的测定区域2的变形的情况下，选择测定区域2的变形小的临时变形即可。例如，在如图3所示那样构造体1中产生的缺损4是在测定区域2的相反侧的面的附近产生的情况下，由于缺损4而在测定区域2中产生的变形被限定于测定区域2的离缺损4近的部分，在测定区域2的离缺损4远的部分，位移均匀地几乎为零。因而，认为从测定区域2的整体来看随机误差在临时变形中所占的比例大。因此，关于测定区域2的整体的应变的方差小的临时变形，能够判断为随机误差小，因此在综合化部13中，例如仅将测定区域2的整体的应变的方差小于预先决定的阈值的临时变形进行平均化后作为测定区域2的变形来输出。通过以上的处理，在综合化部13中，输出将根据预先决定的条件选择出的多个临时变形进行平均化所得到的变形来作为第一摄影期间与第二摄影期间之间的测定区域2的变形。
另外，综合化部13也可以通过对第一摄影期间与第二摄影期间之间的测定区域2的变形在x方向和y方向上进行空间积分，来计算测定区域2的位移分布并将其输出。
接着，使用流程图说明变形计算装置10的处理的详情。图6是说明由变形计算装置10执行的处理的流程图。步骤S11和步骤S12是在摄影阶段执行的处理，步骤S13至步骤S18是在变形计算阶段执行的处理。步骤S11和步骤S12是由摄像装置20执行的，步骤S13、步骤S14以及步骤S16是由变形计算部11执行的，步骤S15是由视点变化去除部12执行的，步骤S17至步骤S19是由综合化部13执行的。步骤S11和步骤S12是摄像步骤，步骤S13和步骤S14是变形计算步骤，步骤S15是视点变化去除步骤，步骤S17至步骤S19是综合化步骤。
在步骤S11中，摄像装置20在第一摄影期间中改变摄像装置20与测定区域2的相对位置来多次进行摄影，制作由多张图像构成的第一图像群，并进入步骤S12。在步骤S12中，摄像装置20在第二摄影期间中改变摄像装置20与测定区域2的相对位置来多次进行摄影，制作由多张图像构成的第二图像群，并进入步骤S13。
在步骤S13中，变形计算部11从第一图像群选择1张图像来将其设为第一图像，从第二图像群选择1张图像来将其设为第二图像，并进入步骤S14。在步骤S14中，变形计算部11使用第一图像和第二图像并利用数字图像相关法计算测定区域2的位移及应变的二维分布来作为单纯计算变形，并进入步骤S15。在步骤S15中，视点变化去除部12根据单纯计算变形、第一图像以及第二图像求出作为测定区域2的位移及应变的二维分布的临时变形，并进入步骤S16。在步骤S16中，确认是否针对全部的第一图像与第二图像的组合求出了临时变形，在没有针对全部的组合求出临时变形的情况下返回到步骤S13，在针对全部的组合求出了临时变形的情况下进入步骤S17。
在步骤S17中，综合化部13选择测定区域2的整体的应变的方差小于预先决定的阈值的临时变形，并进入步骤S18。在步骤S18中，综合化部13将在步骤S17中选择出的临时变形进行平均化来求出测定区域2的变形，并进入步骤S19。在步骤S19中，综合化部13输出在步骤S18中求出的测定区域2的变形，结束处理。
如以上那样，基于实施方式1的变形计算装置10具备：变形计算部11，使用从在第一摄影期间从互不相同的相对位置对测定区域2进行摄影所得到的第一图像群选择的1张第一图像以及从在与第一摄影期间不同的第二摄影期间从互不相同的相对位置对测定区域2进行摄影所得到的第二图像群选择的1张第二图像，利用数字图像相关法求出测定区域2的单纯计算变形；视点变化去除部12，从单纯计算变形减掉假定在测定区域2中无变形而反算出的表观应变，来求出临时变形；以及综合化部13，输出将依次改选从第一图像群选择的第一图像和从第二图像群选择的第二图像并应用变形计算部11和视点变化去除部12求出的临时变形进行平均化所得到的变形来作为从第一摄影期间至第二摄影期间的测定区域2的变形，因此即使在不存在不移动的基准点的情况下也能够用1台摄像机校正与测定对象的位置变化来计算变形。
实施方式2.
图7是表示基于实施方式2的变形计算装置10a的结构的图。图7所示的基于实施方式2的变形计算装置10a与图1所示的基于实施方式1的变形计算装置10相比而言，综合化部13变为综合化部13a。基于实施方式2的变形测量装置100a具备变形计算装置10a和摄像装置20。
在基于实施方式2的变形计算装置10a中，计算构造体1的测定区域2中的面外位移。关于由基于实施方式2的变形计算装置10a测定形状变化的被摄体，假设如图8所示的被附加了均匀的弯矩6的构造体1。在变形计算装置10a中，计算施加到构造体1的弯矩6在第一摄影期间与第二摄影期间之间有变化时的测定区域2的曲率变化。图9是表示在第一摄影期间拍摄第一图像时的测定区域2的情形的图，图10是表示在第二摄影期间拍摄第二图像时的测定区域2的情形的图。如图9和图10所示，在第一摄影期间平坦的测定区域2在第二摄影期间受到弯矩6的变化而沿着y轴向下凸出地变形。在这样的变形的情况下，以第一摄影期间中的测定区域2为基准的第二摄影期间中的测定区域2的应变与场所无关地成为固定。另外，在图10中，测定区域2的面外位移在测定区域2的中央部最大，在周边部最小。在这样的情况下，由变形计算装置10a针对测定区域2的各个位置求出值不同的面外位移，由此能够计算因施加到构造体1的弯矩6引起的变形。
在图9中，包含拍摄第一图像时的摄像装置20c的位置且与测定区域2平行的摄影平面7c与测定区域2上的点(xd，yd)的距离是zd。如图10所示，在包含拍摄第二图像时的摄像装置20d的位置且与测定区域2平行的摄影平面7d与测定区域2上的点(xd，yd)的距离增加为zd+δzd时，点(xd，yd)在表观上被缩小。此时的表观上的缩小与方向无关地被观测为用以下的式(5)表示的负的应变。
[数5]
数5
在此，δzd是由于从图9的摄像装置20c的位置变化为图10的摄像装置20d的位置所引起的测定区域2与摄像装置20的距离变化δzd1以及测定区域内的面外位移δzd2这2个分量相加而成的。其中，δzd1为与测定区域内的位置无关的固定值，δzd2为按测定区域内的每个位置而不同的值。在实施方式2中，通过求出δzd2来计算测定区域2的曲率变化，计算因施加到构造体1的弯矩6引起的变形。
在基于实施方式2的变形计算装置10a中，摄像装置20、变形计算部11以及视点变化去除部12中的处理与基于实施方式1的变形计算装置10相同。在综合化部13a中，首先进行与基于实施方式1的变形计算装置10的综合化部13相同的处理。此时得到的测定区域2的变形的值是在测定区域2的面上正交的2个方向的应变的分布，是由于测定区域2的面外位移而产生的表观上的放大缩小。在综合化部13a中，将得到的2个方向的应变中的1个方向的应变的平均值、或者2个方向的应变的平均值与式(5)的值进行比较，去除δzd中的在测定区域内为固定值的分量，由此计算测定区域2的面外位移δzd2。
如以上那样，基于实施方式2的变形计算装置10a是计算被附加了均匀的弯矩6的构造体1的测定区域2的变形的变形计算装置10a，综合化部13a计算测定区域2的面上的1个方向的变形的应变的平均值、或者测定区域2的面上的正交的2个方向的变形的应变的平均值，从计算出的平均值去除在测定区域2中为固定值的分量，由此计算测定区域2的局部的面外位移，因此即使在不存在不移动的基准点的情况下也能够用1台摄像机校正与测定对象的位置变化来计算面外位移。
实施方式3.
图11是表示基于实施方式3的变形计算装置10b的结构的图。图11所示的基于实施方式3的变形计算装置10b与图1所示的基于实施方式1的变形计算装置10相比而言，综合化部13变为综合化部13b。基于实施方式3的变形测量装置100b具备变形计算装置10b和摄像装置20。
在基于实施方式3的变形计算装置10b中，在受到单轴的拉伸或压缩的载荷的构造体1的泊松比已知的情况下，计算测定区域2的应变和位移。在变形计算装置10b中，即使在测定区域2均匀地变形的情况下，也估计因测定区域2与摄像装置20的距离的变化引起的位移δzs，计算由于单轴的拉伸或压缩的载荷而在测定区域2的面上产生的均匀的应变。
关于由基于实施方式3的变形计算装置10b测定形状变化的被摄体，假设如图12所示的受到单轴的拉伸或压缩的载荷8的构造体1。载荷8的方向是与y轴平行的方向，在变形计算装置10b中计算x方向和y方向的应变的分布。
在基于实施方式3的变形计算装置10b中，摄像装置20、变形计算部11以及视点变化去除部12中的处理与基于实施方式1的变形计算装置10相同。在综合化部13b中，首先进行与基于实施方式1的变形计算装置10的综合化部13相同的处理。在将此时得到的测定区域2的变形的值中的、作为载荷8的方向的y方向的应变设为第一应变Ey，将在测定区域2中与第一应变Ey的方向正交的方向的x方向的应变设为第二应变Ex时，使用在测定区域2中产生的真应变(εx，εy)和面外位移δzs用以下的式(6)和式(7)表示(Ex，Ey)。此外，zd是包含拍摄第一图像时的摄像装置20的位置且与测定区域2平行的摄影平面与测定区域2上的点的距离。
[数6]
数6
[数7]
数7
在此，关于εx与εy的关系，使用泊松比γ用以下的式(8)表示。
[数8]
数8
εx＝-γεy …(8)
通过以上，通过以下的式(9)和式(10)表示由变形计算装置10b计算的(Ex，Ey)与因载荷8引起的真应变(εx，εy)的关系。
[数9]
数9
[数10]
数10
在综合化部13b中，根据式(9)和式(10)计算由于载荷8而在测定区域2中产生的真应变(εx，εy)，并将其输出。
如以上那样，基于实施方式3的变形计算装置10b是计算泊松比已知且受到单轴的拉伸或压缩的载荷8的构造体1的测定区域2的变形的变形计算装置10b，综合化部13b求出作为受到载荷8的方向的应变的第一应变以及作为在测定区域2中与第一应变正交的方向的应变的第二应变来作为测定区域2的变形，根据测定区域2的变形和泊松比计算在测定区域2中产生的真应变，因此即使在不存在不移动的基准点的情况下也能够用1台摄像机校正与测定对象的位置变化来计算泊松比已知的构造体1的测定区域2的真应变。
图13是表示基于实施方式1、实施方式2以及实施方式3的变形计算装置10、10a、10b的硬件的一例的示意图。关于变形计算部11、视点变化去除部12以及综合化部13、13a、13b，由执行被存储在存储器202中的程序的CPU、系统LSI等处理器201实现。另外，也可以使多个处理电路联合执行上述功能。并且，也可以通过专用的硬件来实现上述功能。在通过专用的硬件实现上述功能的情况下，专用的硬件例如是单一电路、复合电路、被编程的处理器、ASIC、FPGA、或者将这些组合而成的硬件。上述功能也可以通过专用硬件与软件的组合、或者专用硬件与固件的组合来实现。在变形计算装置10、10a、10b的内部具备存储部的情况下，由存储器202实现存储部。摄像装置20、处理器201以及存储器202相互进行总线连接。
实施方式4.
图14是用于说明基于实施方式4的变形测量装置的结构的图。基于实施方式4的变形测量装置将摄像装置20安装于例如具有车轮301的移动装置300，一边使摄像装置20移动一边实施测定区域2的摄影。移动装置300的移动单元不限于车轮301，例如也可以是履带(caterpillar)。使用由图14所示的摄像装置20获取的图像，利用实施方式1至实施方式3所示的方法计算测定区域2的变形。
也可以设为将图13所示的存储器202和处理器201搭载于移动装置300并由移动装置300计算变形的结构。另外，也可以与移动装置300相独立地准备具有存储器202和处理器201的硬件，基于从移动装置300传输的图像计算变形。
根据基于实施方式4的变形测量装置，通过使用小型的移动装置300，能够进入难以由人进行测量的狭窄部位来测量测定区域2的变形。另外，在测量时无需准确地定位移动装置300，因此能够在短时间内获取用于变形测量的图像。
实施方式5.
基于实施方式5的变形计算装置计算进行振动或旋转运动的构造体1的测定区域2的变形，使用由被固定的摄像装置20对测定区域2进行摄影所得到的第一图像群和第二图像群的数据计算变形。即使在摄像装置20被固定的状态下，也能够得到在摄像装置20相对于测定区域2的相对位置互不相同的状态下摄影所得到的第一图像群和第二图像群。能够不使摄像装置20移动、并且不使构造体1的运动静止而计算变形，能够实现测量设备的简化和测量过程的简化。
本申请记载了各种示例性的实施方式，但是在一个或多个实施方式中记载的各种特征、方式以及功能不限于特定的实施方式的应用，能够单独地或以各种组合应用于实施方式。
因而，在本申请所公开的技术范围内可设想未例示的无数个变形例。例如包括将至少一个结构要素变形的情况、追加的情况或省略的情况以及提取至少一个结构要素并与其它实施方式的结构要素组合的情况。

Claims (12)

1.一种变形计算装置，具备：
变形计算部，使用从第一图像群选择的1张第一图像以及从第二图像群选择的1张第二图像，利用数字图像相关法，求出测定区域的单纯计算变形，其中，所述第一图像群是在第一摄影期间从互不相同的相对位置对所述测定区域进行摄影所得到的，所述第二图像群是在与所述第一摄影期间不同的第二摄影期间从互不相同的相对位置对所述测定区域进行摄影所得到的；
视点变化去除部，从所述单纯计算变形减掉假定在所述测定区域中无变形而反算出的表观应变，来求出临时变形；以及
综合化部，作为从所述第一摄影期间至所述第二摄影期间的所述测定区域的变形，输出将依次改选从所述第一图像群选择的所述第一图像和从所述第二图像群选择的所述第二图像并应用所述变形计算部和所述视点变化去除部求出的所述临时变形进行平均化所得到的变形。
2.根据权利要求1所述的变形计算装置，其特征在于，
所述综合化部输出仅将依次改选从所述第一图像群选择的所述第一图像和从所述第二图像群选择的所述第二图像并针对所述第一图像与所述第二图像的全部的组合应用所述变形计算部和所述视点变化去除部求出的所述临时变形中的、所述测定区域的整体的应变的方差小于预先决定的阈值的所述临时变形进行平均化所得到的变形来作为所述测定区域的所述变形。
3.根据权利要求1所述的变形计算装置，其特征在于，
所述变形计算装置是计算被附加了均匀的弯矩的构造体的所述测定区域的变形的变形计算装置，
所述综合化部计算所述测定区域的面上的1个方向的所述变形的应变的平均值、或者所述测定区域的面上的正交的2个方向的所述变形的应变的平均值，通过从计算出的所述平均值去除在所述测定区域中成为固定值的分量，计算所述测定区域的局部的面外位移。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的变形计算装置，其特征在于，
所述变形计算装置是计算在表面上局部地具有平坦的平坦区域的构造体的变形的变形计算装置，
将所述平坦区域设为所述测定区域，
所述视点变化去除部假定所述测定区域为平面来求出所述临时变形。
5.根据权利要求1所述的变形计算装置，其特征在于，
所述变形计算装置是计算泊松比已知且受到单轴的拉伸或压缩的载荷的构造体的所述测定区域的变形的变形计算装置，
所述综合化部求出作为受到所述载荷的方向的应变的第一应变以及作为在所述测定区域中与所述第一应变正交的方向的应变的第二应变来作为所述测定区域的所述变形，
所述综合化部根据所述测定区域的所述变形和所述泊松比计算在所述测定区域中产生的真应变。
6.一种变形测量装置，具备：
权利要求1至5中的任一项所述的变形计算装置；以及
摄像装置，拍摄所述第一图像群和所述第二图像群的图像。
7.一种变形计算方法，包括：
变形计算步骤，使用从第一图像群选择的1张第一图像以及从第二图像群选择的1张第二图像，利用数字图像相关法，求出测定区域的单纯计算变形，其中，所述第一图像群是在第一摄影期间从互不相同的相对位置对所述测定区域进行摄影所得到的，所述第二图像群是在与所述第一摄影期间不同的第二摄影期间从互不相同的相对位置对所述测定区域进行摄影所得到的；
视点变化去除步骤，从所述单纯计算变形减掉假定在所述测定区域中无变形而反算出的表观应变，来求出临时变形；以及
综合化步骤，作为从所述第一摄影期间至所述第二摄影期间的所述测定区域的变形，输出将依次改选从第一图像群选择的第一图像和从第二图像群选择的第二图像并应用所述变形计算步骤和所述视点变化去除步骤求出的所述临时变形进行平均化所得到的变形。
8.一种变形测量装置，具备：
权利要求1至5中的任一项所述的变形计算装置；
摄像装置，拍摄所述第一图像群和所述第二图像群的图像；以及
移动装置，使所述摄像装置移动。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的变形计算装置，其特征在于，
将从在所述第一摄影期间对所述测定区域进行摄影所得到的运动图像提取多张静止图像所得到的图像群设为所述第一图像群，将从在所述第二摄影期间对所述测定区域进行摄影所得到的运动图像提取多张静止图像所得到的图像群设为所述第二图像群。
10.一种变形测量装置，具备：
摄像装置，在第一摄影期间从互不相同的相对位置对测定区域进行摄影来输出第一图像群，在与所述第一摄影期间不同的第二摄影期间从互不相同的相对位置对所述测定区域进行摄影来输出第二图像群；
距离测量装置，测量所述第一摄影期间和所述第二摄影期间中的所述摄像装置与所述测定区域的至少一个方向的相对位置变化；
变形计算部，使用从所述第一图像群选择的1张第一图像和从所述第二图像群选择的1张第二图像，利用数字图像相关法，求出所述测定区域的单纯计算变形；
视点变化去除部，使用所述相对位置变化的信息，从所述单纯计算变形减掉假定在所述测定区域中无变形而反算出的表观应变，来求出临时变形；以及
综合化部，作为从所述第一摄影期间至所述第二摄影期间的所述测定区域的变形，输出将依次改选从所述第一图像群选择的所述第一图像和从所述第二图像群选择的所述第二图像并应用所述变形计算部和所述视点变化去除部求出的所述临时变形进行平均化所得到的变形。
11.一种变形测量装置，具备：
摄像装置，在第一摄影期间从互不相同的相对位置对测定区域进行摄影来输出第一图像群，在与所述第一摄影期间不同的第二摄影期间从互不相同的相对位置对所述测定区域进行摄影来输出第二图像群；
姿势测量装置，测量所述第一摄影期间和所述第二摄影期间中的所述摄像装置的姿势变化；
变形计算部，使用从所述第一图像群选择的1张第一图像和从所述第二图像群选择的1张第二图像，利用数字图像相关法，求出所述测定区域的单纯计算变形；
视点变化去除部，使用所述姿势变化的信息，从所述单纯计算变形减掉假定在所述测定区域中无变形而反算出的表观应变，来求出临时变形；以及
综合化部，作为从所述第一摄影期间至所述第二摄影期间的所述测定区域的变形，输出将依次改选从所述第一图像群选择的所述第一图像和从所述第二图像群选择的所述第二图像并应用所述变形计算部和所述视点变化去除部求出的所述临时变形进行平均化所得到的变形。
12.根据权利要求1至5中的任一项所述的变形计算装置，其特征在于，
所述变形计算装置是计算进行振动或旋转的构造体的所述测定区域的变形的变形计算装置，
使用由被固定的摄像装置对所述测定区域进行摄影所得到的所述第一图像群和所述第二图像群计算变形。
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