(57)【要約】【課題】本願発明の課題は、従来技術が抱える問題を解決することであり、すなわち関係者や専門家以外の者であっても容易かつ自在に画像解析処理を行うことができるとともに、コンクリート表面のひび割れを自動抽出することができるひび割れ抽出システム、及びひび割れ抽出方法を提供することである。【解決手段】本願発明のひび割れ抽出システムは、画像を用いてコンクリート構造物の表面に生じたひび割れを抽出するシステムであって、背景輝度算出手段と輝度差算出手段、特異画素抽出手段、形状パラメータ算出手段、ひび割れ抽出手段を備えたものである。このうち形状パラメータ算出手段は、特異画素領域を抽出するとともにこの特異画素領域の形状パラメータを算出する手段である。そしてひび割れ抽出手段が、形状パラメータが形状閾値を下回る特異画素領域をひび割れとして抽出する。【選択図】図２
2020154397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート構造物を撮影した画像を用いて、該コンクリート構造物の表面に生じたひび割れを抽出するシステムにおいて、
前記画像の画素ごとに背景輝度を算出する背景輝度算出手段と、
画素に付与された実輝度と前記背景輝度との差分である輝度差を、画素ごとに算出する輝度差算出手段と、
前記実輝度が前記背景輝度よりも暗い画素であって、前記輝度差があらかじめ定めた輝度差閾値を超える画素である特異画素を抽出する特異画素抽出手段と、
前記特異画素が連続する領域である特異画素領域を抽出するとともに、該特異画素領域の形状パラメータを算出する形状パラメータ算出手段と、
前記形状パラメータがあらかじめ定めた形状閾値を下回る前記特異画素領域をひび割れとして抽出するひび割れ抽出手段と、を備え、
前記背景輝度算出手段は、前記背景輝度の算出対象となる着目画素の周囲にある複数の周辺画素を選出するとともに、該着目画素及び該周辺画素の前記実輝度の代表値に基づいて該着目画素の該背景輝度を算出し、
前記形状パラメータ算出手段は、前記特異画素領域の画素面積の総和Ｓと該特異画素領域を内包する四角形の代表長さＬの２乗の逆数との積に基づいて、前記形状パラメータを算出する、
ことを特徴とするひび割れ抽出システム。
【請求項２】
前記画像に対して着目画素用グリッドを設定するとともに、該着目画素用グリッドの交差位置にある前記画素を前記着目画素として設定する着目画素設定手段を、さらに備え、
前記背景輝度算出手段は、前記着目画素に囲まれた非着目画素の前記背景輝度を、該非着目画素を取り囲む該着目画素の前記背景輝度に基づいて算出する、
ことを特徴とする請求項１記載のひび割れ抽出システム。
【請求項３】
前記背景輝度算出手段は、前記着目画素及び前記周辺画素の前記実輝度から得られる中央値を該着目画素の前記背景輝度として算出する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のひび割れ抽出システム。
【請求項４】
前記輝度差閾値が、前記画像の分解能に応じて設定される値である、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のひび割れ抽出システム。
【請求項５】
ひび割れとして抽出された前記特異画素領域であるひび割れ画素領域の方向であるひび割れ方向を求めるとともに、画像上に設定された直交２軸と該ひび割れ方向との挟角のうち小さい角度となる挟角をひび割れ角度θとして算出するひび割れ角度算出手段と、
前記ひび割れ画素領域を構成する前記特異画素であるひび割れ画素の中からひび割れ代表画素を選出するとともに、該ひび割れ代表画素の前記背景輝度と設定された最小輝度との差分である最大輝度差αを算出する最大輝度差算出手段と、
前記ひび割れ代表画素を通り且つ前記ひび割れ方向と直交又は略直交する直交軸上にある前記ひび割れ画素であって、前記ひび割れ代表画素から連続する該ひび割れ画素である直交画素を抽出するとともに、該直交画素の前記輝度差の和である幅方向輝度差βを算出する幅方向輝度差算出手段と、
前記最大輝度差α、前記幅方向輝度差β、前記ひび割れ角度θ、前記画像の分解能γ、係数κに基づく次式によって、ひび割れ幅ωを算出するひび割れ幅算出手段と、
ω＝κ×β／α×γ／ｃｏｓθ
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のひび割れ抽出システム。
【請求項６】
前記画像に対してひび割れ画素用グリッドを設定するとともに、該ひび割れ画素用グリッドと交差する前記ひび割れ画素を前記ひび割れ代表画素として抽出するひび割れ代表画素抽出手段を、
をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載のひび割れ抽出システム。
【請求項７】
前記ひび割れ角度算出手段は、前記ひび割れ代表画素を中心とする矩形領域を設定するとともに、該矩形領域内に分布する前記ひび割れ画素を直線近似したうえで前記ひび割れ角度θを算出する、
ことを特徴とする請求項５又は請求項６記載のひび割れ抽出システム。
【請求項８】
画像を用いてコンクリート構造物の表面に生じたひび割れを抽出する方法において、
前記コンクリート構造物を撮影して前記画像を取得する撮影工程と、
前記画像の画素ごとに背景輝度を算出する背景輝度算出工程と、
画素に付与された実輝度と前記背景輝度との差分である輝度差を、画素ごとに算出する輝度差算出工程と、
前記実輝度が前記背景輝度よりも暗い画素であって、前記輝度差があらかじめ定めた輝度差閾値を超える画素である特異画素を抽出する特異画素抽出工程と、
前記特異画素が連続する領域である特異画素領域を抽出するとともに、該特異画素領域の形状パラメータを算出する形状パラメータ算出工程と、
前記形状パラメータがあらかじめ定めた形状閾値を下回る前記特異画素領域をひび割れとして抽出するひび割れ抽出工程と、を備え、
前記背景輝度算出工程では、前記背景輝度の算出対象となる着目画素の周囲にある複数の周辺画素を選出するとともに、該着目画素及び該周辺画素の前記実輝度の代表値に基づいて該着目画素の該背景輝度を算出し、
前記形状パラメータ算出工程では、前記特異画素領域の画素面積の総和Ｓと該特異画素領域を内包する四角形の代表長さＬの２乗の逆数との積に基づいて、前記形状パラメータを算出する、
ことを特徴とするひび割れ抽出方法。
【請求項９】
ひび割れとして抽出された前記特異画素領域であるひび割れ画素領域の方向であるひび割れ方向を求めるとともに、画像上に設定された直交２軸と該ひび割れ方向との挟角のうち小さい角度となる挟角をひび割れ角度θとして算出するひび割れ角度算出工程と、
前記ひび割れ画素領域を構成する前記特異画素であるひび割れ画素の中からひび割れ代表画素を選出するとともに、該ひび割れ代表画素の前記背景輝度と設定された最小輝度との差分である最大輝度差αを算出する最大輝度差算出工程と、
前記ひび割れ代表画素を通り且つ前記ひび割れ方向と直交又は略直交する直交軸上にある前記ひび割れ画素であって、前記ひび割れ代表画素から連続する該ひび割れ画素である直交画素を抽出するとともに、該直交画素の前記輝度差の和である幅方向輝度差βを算出する幅方向輝度差算出工程と、
前記最大輝度差α、前記幅方向輝度差β、前記ひび割れ角度θ、前記画像の分解能γ、係数ｋに基づく次式によって、ひび割れ幅ωを算出するひび割れ幅算出工程と、
ω＝κ×β／α×γ／ｃｏｓθ
を備えたことを特徴とする請求項８記載のひび割れ抽出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、コンクリート構造物表面に生じたひび割れの抽出に関する技術であり、より具体的には、コンクリート構造物を撮影した画像の輝度を演算処理することによってひび割れを抽出するひび割れ抽出システム、及びひび割れ抽出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高度経済成長期に集中的に整備されてきた建設インフラストラクチャー（以下、「建設インフラ」という。）は、既に相当な老朽化が進んでいることが指摘されている。平成２６年には「道路の老朽化対策の本格実施に関する提言（社会資本整備審議会）」がとりまとめられ、平成２４年の笹子トンネルの例を挙げて「近い将来、橋梁の崩落など人命や社会装置に関わる致命的な事態を招くであろう」と警鐘を鳴らし、建設インフラの維持管理の重要性を強く唱えている。
【０００３】
このような背景のもと、国は道路法施行規則の一部を改正する省令を公布し、具体的な建設インフラの点検方法、主な変状の着目箇所、判定事例写真などを示した定期点検要領を策定している。この定期点検要領では、約７０万橋に上るといわれる橋長２．０ｍ以上の橋を対象としており、供用開始後２年以内に初回点検、以降５年に１回の頻度で定期点検を行うこととしている。また、橋梁の下面であっても双眼鏡などを用いた遠望目視は認められず、原則として肉眼で確認する近接目視による点検としなければならない。道路に限らず鉄道に関しても、初回検査、全般検査等を行うことが国から通達されており、鉄道コンクリート構造物に対しては、通常２年に１回、目視を主体とした全般検査を行っている。
【０００４】
しかしながら、橋梁床版（特に下面）を目視で点検することは、それほど容易ではない。通常、橋梁に近づくためには高所作業車を利用するか若しくは足場を組み立てることになるが、著しく桁下高が高い場合は相当な規模の高所作業車や足場が必要となる。特に足場を組む場合、河川を越える橋梁であれば河川内に足場を組み立てることになるし、跨道橋や跨線橋であれば道路や線路上に足場を組み立てることになり、現実的には足場を構築できないケースさえある。
【０００５】
いずれにしろ従来手法によれば、橋梁に近づくために相当規模の高所作業車や足場を利用することになり、労力やコスト、作業期間が増大するという問題を抱えていた。また、高所作業車や足場を利用した点検作業は、いわゆる高所作業となるため点検者の転落といった作業安全上の問題があるうえ、近接目視による点検はある程度の経験を要することから点検者が限定的となってしまい、近年の人手不足を考えるとこの点も大きな問題として指摘することができる。
【０００６】
そこで近年では、画像を用いた点検作業も行われるようになった。橋梁に近づくための高所作業車や足場の使用が不要であり、取得した画像から損傷箇所を確認することができるため場所や時間を制限されることなく損傷を検出できるうえ、点検者以外の者も判断できることからより客観的に損傷を検出できるわけである。さらに画像を用いた点検は、記録やデータ管理においても紙面を用いるより、労力やコスト、作業期間を短縮することができるといった長所を挙げることができる。例えば特許文献１では、橋面上を移動する台車と、この台車に取り付けられたアームを利用して点検する手法を提案しており、アームの先端を橋梁下面に配置するとともに、アーム先端につながれた飛行体が橋梁下面をカメラで撮影するという技術を提案している。
【０００７】
ところで、点検作業で取得した画像からひび割れを自動（あるいは半自動）で抽出し、さらに抽出したひび割れの幅寸法を求めるためには、画像解析処理によるのが一般的である。例えば非特許文献１〜非特許文献３では、画像解析によってコンクリート表面のひび割れを自動抽出し、ひび割れ幅を算出する具体的な解析手法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１６−７９６８４号公報
【非特許文献１】「画像処理によるコンクリート構造物の高精度なひび割れ自動抽出」土木学会論文集Ｆ，Ｖｏｌ．６６・Ｎｏ．３，ｐｐ．４５９−４７０，２０１０
【非特許文献２】「ガボールウェーブレット変換を用いたコンクリートのひび割れ画像解析技術の開発」土木学会論文集Ｅ２，Ｖｏｌ．６８・Ｎｏ．３，ｐｐ．１７８−１９４，２０１２
【非特許文献３】「統計的特徴および幾何学的特徴に着目したコンクリート表面ひび割れの画像解析による検出」土木学会論文集Ｆ３，Ｖｏｌ．７０・Ｎｏ．２，Ｉ＿１−Ｉ＿８，２０１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１〜非特許文献３に示す画像解析手法によればコンクリート表面のひび割れを自動抽出することができ、さらにはひび割れ幅を算出することができる。しかしながら、従来の画像解析手法は極めて複雑であり、関係者や専門家以外の者が容易かつ自在に使用することはできなかった。また、鉄道コンクリート構造物については、デジタルカメラを使用した点検も認められており、実際にデジタルカメラを使用しているが、従来の方法では０．３ｍｍ程度の幅を有するひび割れまでしか計測できず、しかもひび割れを検出するにはやや煩雑な作業を伴っていた。
【００１０】
本願発明の課題は、従来技術が抱える問題を解決することであり、すなわち関係者や専門家以外の者であっても容易かつ自在に画像解析処理を行うことができるとともに、コンクリート表面のひび割れを自動抽出することができるひび割れ抽出システム、及びひび割れ抽出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は、算出された画素ごとの背景輝度と実際の輝度からひび割れ候補となる特異画素を抽出するとともに、特異画素からなる特異画素領域の形状パラメータに基づいてひび割れを抽出する、という点に着目してなされたものであり、これまでにない発想に基づいて行われた発明である。
【００１２】
本願発明のひび割れ抽出システムは、画像を用いてコンクリート構造物の表面に生じたひび割れを抽出するシステムであって、背景輝度算出手段と輝度差算出手段、特異画素抽出手段、形状パラメータ算出手段、ひび割れ抽出手段を備えたものである。このうち背景輝度算出手段は、画像の画素ごとに背景輝度を算出する手段であり、輝度差算出手段は輝度差（画素に付与された実輝度と背景輝度との差分）を画素ごとに算出する手段であり、特異画素抽出手段は、特異画素（実輝度が背景輝度よりも暗い画素であって、輝度差があらかじめ定めた輝度差閾値を超える画素）を抽出する手段である。形状パラメータ算出手段は、特異画素領域（特異画素が連続する領域）を抽出するとともにこの特異画素領域の形状パラメータを算出する手段であり、ひび割れ抽出手段は、形状パラメータがあらかじめ定めた形状閾値を下回る特異画素領域をひび割れとして抽出する手段である。なお背景輝度算出手段は、着目画素（背景輝度の算出対象となる画素）の周囲にある複数の周辺画素を選出するとともに、着目画素と周辺画素の実輝度の代表値に基づいて着目画素の背景輝度を算出する。また形状パラメータ算出手段は、特異画素領域の画素面積の総和Ｓと特異画素領域を内包する四角形の代表長さＬの２乗の逆数との積に基づいて形状パラメータを算出する。
【００１３】
本願発明のひび割れ抽出システムは、着目画素設定手段をさらに備えたものとすることもできる。この着目画素設定手段は、画像に対して着目画素用グリッドを設定するとともに、着目画素用グリッドの交差位置にある画素を着目画素として設定する手段である。この場合、背景輝度算出手段は、非着目画素（着目画素に囲まれた画素）を取り囲む着目画素の背景輝度に基づいて、非着目画素の背景輝度を算出する。
【００１４】
本願発明のひび割れ抽出システムは、着目画素と周辺画素の実輝度から得られる中央値を着目画素の背景輝度として算出するものとすることもできる。
【００１５】
本願発明のひび割れ抽出システムは、画像の分解能に応じて設定される輝度差閾値を用いたものとすることもできる。
【００１６】
本願発明のひび割れ抽出システムは、ひび割れ角度算出手段と最大輝度差算出手段、幅方向輝度差算出手段、ひび割れ幅算出手段を、さらに備えたものとすることもできる。このひび割れ角度算出手段は、ひび割れ画素領域（ひび割れとして抽出された特異画素領域）の方向（ひび割れ方向）を求めるとともに、画像上に設定された直交２軸とこのひび割れ方向との挟角のうち小さい角度となる挟角をひび割れ角度θとして算出する手段であり、最大輝度差算出手段は、ひび割れ画素（ひび割れ画素領域を構成する特異画素）の中からひび割れ代表画素を選出するとともに、このひび割れ代表画素の背景輝度と最小輝度（あらかじめ設定）との差分である最大輝度差αを算出する手段である。幅方向輝度差算出手段は、ひび割れ代表画素を通り且つひび割れ方向と略直交（直交含む）する直交軸上にあるひび割れ画素であって、ひび割れ代表画素から連続するひび割れ画素である直交画素を抽出するとともに、この直交画素の輝度差の和である幅方向輝度差βを算出する手段である。そしてひび割れ幅算出手段が、最大輝度差α、幅方向輝度差β、ひび割れ角度θ、画像の分解能γ、係数κに基づく次式によってひび割れ幅ωを算出する。
ω＝κ×β／α×γ／ｃｏｓθ
【００１７】
本願発明のひび割れ抽出システムは、ひび割れ代表画素抽出手段をさらに備えたものとすることもできる。このひび割れ代表画素抽出手段は、画像に対してひび割れ画素用グリッドを設定するとともに、このひび割れ画素用グリッドと交差するひび割れ画素をひび割れ代表画素として抽出する手段である。
【００１８】
本願発明のひび割れ抽出システムは、ひび割れ角度算出手段がひび割れ代表画素を中心とする矩形領域を設定するとともに、この矩形領域内に分布するひび割れ画素を直線近似したうえでひび割れ角度θを算出するものとすることもできる。
【００１９】
本願発明のひび割れ抽出方法は、画像を用いてコンクリート構造物の表面に生じたひび割れを抽出する方法であって、撮影工程と背景輝度算出工程、輝度差算出工程、特異画素抽出工程、形状パラメータ算出工程、ひび割れ抽出工程を備えた方法である。このうち撮影工程では、コンクリート構造物を撮影して画像を取得し、背景輝度算出工程では、画像の画素ごとに背景輝度を算出し、輝度差算出工程では、画素ごとに輝度差を算出する。特異画素抽出工程では、特異画素を抽出し、形状パラメータ算出工程では、特異画素領域を抽出するとともにこの特異画素領域の形状パラメータを算出する。そしてひび割れ抽出工程で、形状パラメータが形状閾値を下回る特異画素領域をひび割れとして抽出する。なお背景輝度算出工程では、複数の周辺画素を選出するとともに、着目画素と周辺画素の実輝度の代表値に基づいて着目画素の背景輝度を算出し、形状パラメータ算出工程では、特異画素領域の画素面積の総和Ｓと特異画素領域を内包する四角形の代表長さＬの２乗の逆数との積に基づいて形状パラメータを算出する。
【００２０】
本願発明のひび割れ抽出方法は、ひび割れ角度算出工程と最大輝度差算出工程、幅方向輝度差算出工程、ひび割れ幅算出工程を備えた方法とすることもできる。このひび割れ角度算出工程では、ひび割れ方向を求めるとともに、画像上に設定された直交２軸とひび割れ方向との挟角のうち小さい角度となる挟角をひび割れ角度θとして算出し、最大輝度差算出工程では、ひび割れ画素の中からひび割れ代表画素を選出するとともに、このひび割れ代表画素の背景輝度と最小輝度との差分である最大輝度差αを算出する。幅方向輝度差算出工程では、ひび割れ代表画素を通り且つひび割れ方向と略直交（直交含む）する直交軸上にあるひび割れ画素であって、ひび割れ代表画素から連続するひび割れ画素である直交画素を抽出するとともに、この直交画素の輝度差の和である幅方向輝度差βを算出する。そしてひび割れ幅算出工程において、最大輝度差α、幅方向輝度差β、ひび割れ角度θ、画像の分解能γ、係数κに基づく次式によってひび割れ幅ωを算出する。
ω＝κ×β／α×γ／ｃｏｓθ
【発明の効果】
【００２１】
本願発明のひび割れ抽出システム、及びひび割れ抽出方法には、次のような効果がある。
（１）画像取得による点検作業が可能であり、労力やコスト、作業期間を低減することができるうえ、高所作業を回避することで従来手法より安全に点検作業を行うことができ、さらに客観的にひび割れ抽出をするため点検者を限定することなく実施することができる。
（２）コンクリート表面のひび割れを自動抽出することができるとともに、そのための画像解析処理を容易かつ自在に行うことができ、しかも高速に処理することができる。
（３）形状パラメータに基づいてひび割れを抽出することから、従来手法に比べ誤抽出を低減することができ、その結果、より高精度でひび割れを抽出することができる。また、画像の分解能（画素の１辺長）よりも小さいひび割れ幅を求めることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）はコンクリート構造物の表面を示す画像図、（ｂ）は画像を処理した結果抽出されたひび割れを示す拡大画像図。
【図２】ひび割れ抽出システムの主な構成を示すブロック図。
【図３】ひび割れ抽出システムがひび割れを抽出するまでの主な処理の流れを示すフロー図。
【図４】ひび割れ抽出システムがひび割れ幅を算出するまでの主な処理の流れを示すフロー図。
【図５】画像を構成する画素の中から選出された着目画素を示すモデル図。
【図６】（ａ）は着目画素に隣接する８個の周辺画素を示すモデル図、（ｂ）は着目画素の周囲にある２４個の周辺画素を示すモデル図。
【図７】４個の着目画素に取り囲まれた９個の非着目画素を示すモデル図。
【図８】（ａ）は１９個の特異画素で構成される特異画素領域を示すモデル図、（ｂ）は１９個の特異画素からなる特異画素領域を内包する内包四角形を示すモデル図。
【図９】（ａ）はひび割れ画素領域を構成するひび割れ画素の中から選出されたひび割れ代表画素を示すモデル図、（ｂ）は矩形領域内のひび割れ画素に基づいて求められたひび割れ方向を示すモデル図。
【図１０】近似直線とＸ軸がなす挟角と、近似直線とＹ軸がなす挟角を示すモデル図。
【図１１】近似直線と略直交する直交軸と、この直交軸上にある直交画素を示すモデル図。
【図１２】直交画素の輝度差の総和を説明するグラフ図。
【図１３】本願発明のひび割れ抽出方法の主な工程を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本願発明のひび割れ抽出システム、及びひび割れ抽出方法の実施形態の例を図に基づいて説明する。
【００２４】
１．全体概要
本願発明のひび割れ抽出システムは、図１（ａ）に示すような画像を用いてコンクリート構造物の表面に生じたひび割れ（図１（ｂ））を抽出するものである。なお図１（ａ）はコンクリート構造物の表面を撮影した画像であり、図１（ｂ）はこの画像を処理した結果抽出されたひび割れを示す拡大画像である。以下、画像からひび割れを抽出するまでの概略の処理の流れについて説明する。
【００２５】
まず画像から、コンクリート構造物そのものを示す輝度（以下、「背景輝度」という。）を画素（ピクセル）ごとに求め、さらに実際にその画素がもつ輝度（以下、「実輝度」という。）と背景輝度との差（以下、「輝度差」という。）を求める。なお、ここでいう「輝度」とは、明るさ（暗さ）を示す指標（いわゆるグレースケール）であり、例えば０〜２５５の幅で与えることができる。画素ごとに輝度差が得られると、この輝度差に基づいてひび割れと考えられる画素（以下、「特異画素」という。）を抽出するとともに、特異画素が連続する領域（以下、「特異画素領域」という。）を抽出する。
【００２６】
抽出された特異画素領域には、ひび割れを示すものもあれば、コンクリート表面の汚れを示すものや、単なるノイズを示すものもある。つまり、汚れやノイズ等を除外し、ひび割れを示す特異画素領域（以下、「ひび割れ画素領域」という。）を適切に抽出する必要がある。そこで本願発明では、特異画素領域の形状を示す指標値（以下、「形状パラメータ」という。）に基づいてひび割れ画素領域を抽出することとした。ひび割れは、汚れやノイズとは異なり特徴的な形状（つまり、線状などいわば細長い形状）を示すことから、特定の値を示す形状パラメータの特異画素領域をひび割れ画素領域として抽出するわけである。
【００２７】
２．ひび割れ抽出システム
本願発明のひび割れ抽出システムついて、図を参照しながら詳しく説明する。なお、本願発明のひび割れ抽出方法は、本願発明のひび割れ抽出システムを用いてひび割れを抽出する方法であり、したがってまずは本願発明のひび割れ抽出システムについて説明し、その後に本願発明のひび割れ抽出方法について説明することとする。
【００２８】
図２は、ひび割れ抽出システム１００の主な構成を示すブロック図である。この図に示すようにひび割れ抽出システム１００は、背景輝度算出手段１０１と輝度差算出手段１０２、特異画素抽出手段１０３、形状パラメータ算出手段１０４、ひび割れ抽出手段１０５を含んで構成され、さらに着目画素設定手段１０６やひび割れ角度算出手段１０７、ひび割れ代表画素抽出手段１０８、最大輝度差算出手段１０９、幅方向輝度差算出手段１１０、ひび割れ幅算出手段１１１、ディスプレイやプリンタといった出力手段１１２、輝度差閾値記憶手段１１３、形状閾値記憶手段１１４を含んで構成することもできる。
【００２９】
ひび割れ抽出システム１００のうち背景輝度算出手段１０１と輝度差算出手段１０２、特異画素抽出手段１０３、形状パラメータ算出手段１０４、ひび割れ抽出手段１０５、着目画素設定手段１０６、ひび割れ角度算出手段１０７、ひび割れ代表画素抽出手段１０８、最大輝度差算出手段１０９、幅方向輝度差算出手段１１０、ひび割れ幅算出手段１１１は、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。このコンピュータ装置は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）や、ｉＰａｄ（登録商標）といったタブレット型ＰＣ、あるいはスマートフォンを含む携帯端末などによって構成することができる。コンピュータ装置は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリを具備しており、さらにマウスやキーボード等の入力手段やディスプレイを含むものもある。
【００３０】
また、輝度差閾値記憶手段１１３と形状閾値記憶手段１１４は、例えばデータベースサーバに構築することができ、ローカルなネットワーク（ＬＡＮ：Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）に置くこともできるし、インターネット経由（つまり無線通信や有線通信）で保存するクラウドサーバとすることもできる。
【００３１】
続いて図３と図４を参照しながら本願発明のひび割れ抽出システム１００の主な処理について説明する。図３は、ひび割れ抽出システム１００がひび割れを抽出するまでの主な処理の流れを示すフロー図であり、図４は、ひび割れ抽出システム１００がひび割れ幅を算出するまでの主な処理の流れを示すフロー図である。なおこれらのフロー図では、その中央の列に実施する処理を示し、左列にはその処理に必要な入力情報を、右列にはその処理から生ずる出力情報を示している。
【００３２】
図３に示すように、まずは着目画素設定手段１０６（図２）によって「着目画素」が設定される（図３のＳｔｅｐ１０１）。既述したとおり本願発明のひび割れ抽出システム１００は、画像を構成する画素ごとに背景輝度を求める。つまり、背景輝度を求める対象の画素を順次設定していく必要があり、ここで設定された着目画素ごとに背景輝度を求めていくわけである。
【００３３】
着目画素の背景輝度は、後述する計算処理によって求められる。画像を構成するすべての画素に対して（つまり全画素を着目画素として）この処理を行うこともできるが、この場合は計算時間や計算コストが増大するため、代表的な画素を着目画素として選出したうえで背景輝度を算出するとよい。
【００３４】
図５を参照しながら、着目画素を選出する処理の一例について説明する。図５は、画像を構成する多数の画素Ｐの中から選出された着目画素Ｐａを示すモデル図である。この図に示すように、適当な間隔（例えば１０画素×１０画素）で画像上にグリッド（以下、「着目画素用グリッド」という。）を設定し、この着目画素用グリッドのうち横軸ＡＧｘと縦軸ＡＧｙが交差する位置にある画素を着目画素Ｐａとして設定することができる。もちろん着目画素用グリッドの間隔は任意に設計することができるし、また図５に示す手法以外で着目画素Ｐａを設定することもできる。
【００３５】
着目画素Ｐａを設定すると、背景輝度算出手段１０１（図２）によってその着目画素Ｐａにおける「背景輝度」が算出される（図３のＳｔｅｐ１０２）。背景輝度を算出するにあたっては、まず「周辺画素」を選出する。この周辺画素Ｐｂは、着目画素Ｐａの周囲にある画素から所望の個数で選出することができ、例えば図６（ａ）では着目画素Ｐａに隣接する８個の周辺画素Ｐｂ１〜Ｐｂ８を選出しており、図６（ｂ）では着目画素Ｐａの周囲にある２４個の周辺画素Ｐｂ１〜Ｐｂ２４を選出している。周辺画素Ｐｂが選出されると、これら周辺画素Ｐｂの実輝度と着目画素Ｐａの実輝度からなる代表値を求め、この代表値を着目画素Ｐａの背景輝度とする。例えば図６（ａ）のケースでは、着目画素Ｐａと８個の周辺画素Ｐｂ１〜Ｐｂ８の９つの実輝度を明るい（暗い）順に並べ、中央値である５番目の実輝度を着目画素Ｐａの背景輝度とすることができる。代表値としては、中央値のほか平均値や最頻値などを用いることもできる。
【００３６】
着目画素Ｐａの背景輝度が得られると、背景輝度算出手段１０１（図２）によって「非着目画素」の背景輝度が算出される（図３のＳｔｅｐ１０３）。ここで非着目画素とは、着目画素Ｐａとして設定されない画素のことであり、非着目画素の背景輝度は、その周囲にある着目画素Ｐａの背景輝度に基づいて算出することができる。例えば図７では、９個の非着目画素Ｐｎ１〜非着目画素Ｐｎ９が４個の着目画素Ｐａ１〜着目画素Ｐａ４に取り囲まれており、この場合、非着目画素Ｐｎ１〜非着目画素Ｐｎ９の背景輝度は４個の着目画素Ｐａ１〜着目画素Ｐａ４の背景輝度を内挿することによって算出することができる。なお、画像を構成するすべての画素に対して背景輝度を求める（つまり全画素を着目画素Ｐａとする）場合は、当然ながら非着目画素Ｐｎの背景輝度を算出する処理（図３のＳｔｅｐ１０３）は省略することができる。
【００３７】
着目画素Ｐａや非着目画素Ｐｎの背景輝度が得られると、輝度差算出手段１０２（図２）によって「輝度差」が算出される（図３のＳｔｅｐ１０４）。この輝度差は、既述したとおり当該画素における実輝度と背景輝度との差であり、背景輝度から実輝度を引いた値（背景輝度−実輝度）とするか、正負を考慮しない絶対値として求めるとよい。なお輝度差は、図３のフロー図（Ｓｔｅｐ１０１〜Ｓｔｅｐ１０４の右側矢印）に示すように、対象とされるすべての画素に対して繰り返し算出される。
【００３８】
対象とされるすべての画素に対して輝度差を算出すると、特異画素抽出手段１０３（図２）によって「特異画素」が抽出される（図３のＳｔｅｐ１０５）。ここで特異画素とは、背景輝度よりも実輝度が暗い（小さい）画素であって、輝度差があらかじめ定めた輝度差閾値を超える画素のことである。より詳しくは、特異画素抽出手段１０３が、図２に示すように輝度差閾値記憶手段１１３から「輝度差閾値」を読み出すとともに、その実輝度が背景輝度よりも暗い画素であって輝度差閾値を超える画素を特異画素として抽出する。なお発明者らは、画像の分解能（１画素の辺長）の大小に応じて輝度差閾値を設定すると、より精度よくひび割れを抽出できることを見出している。したがって輝度差閾値は、取得する画像の分解能に応じて適宜設定するとよい。
【００３９】
特異画素を抽出すると、形状パラメータ算出手段１０４（図２）によって「形状パラメータ」が算出される（図３のＳｔｅｐ１０９）。以下、形状パラメータを算出するまでの処理の流れについて詳しく説明する。
【００４０】
まず、連続配置される特異画素によって形成された領域を「特異画素領域」として抽出する（図３のＳｔｅｐ１０６）。例えば図８（ａ）では、１９個の特異画素Ｐｓが連続して配置されており、この領域が特異画素領域Ｒｓとして抽出される。このとき、特異画素Ｐｓどうしが直接接触する位置関係のことを「連続する」としてもよいし、特異画素Ｐｓどうしが近接する（例えば１個おきに隣接するなどの）位置関係のことを「連続する」としてもよい。
【００４１】
次に、特異画素領域Ｒｓの画素面積（以下、「画素面積の総和Ｓ」という。）を算出する（図３のＳｔｅｐ１０７）。画素面積の総和Ｓは、特異画素領域Ｒｓを構成する特異画素Ｐｓの面積の総和であり、つまり１個の画素Ｐの面積（単位面積）にその特異画素領域Ｒｓを構成する特異画素Ｐｓの個数を乗じた値である。例えば図８（ａ）の場合、特異画素領域Ｒｓを構成する特異画素Ｐｓは１９個であるから、その画素面積の総和Ｓは「単位面積×１９」によって求めることができる。
【００４２】
また、特異画素領域Ｒｓを内包する四角形（以下、「内包四角形Ｑｃ」という。）の代表長さＬも求める（図３のＳｔｅｐ１０８）。例えば図８（ａ）では、破線で示す範囲内が内包四角形Ｑｃとして切り出され、図８（ｂ）に示すように内包四角形Ｑｃを形成する長辺Ｌａや短辺Ｌｂ、あるいは対角線の長さ（長辺Ｌａと短辺Ｌｂの二乗和の平方根）が代表長さＬとして求められる。
【００４３】
画素面積の総和Ｓと代表長さＬが得られると、特異画素領域Ｒｓの形状パラメータを算出する（図３のＳｔｅｐ１０９）。形状パラメータは、「画素面積の総和Ｓ」と「代表長さＬの２乗の逆数」との積に基づいて求められ、例えば次式によって算出することができる。なお次式中のｍはあらかじめ設定される係数であり、ｍ＝１とすることもできるし、ｍ＜１０の範囲、あるいはｍ＞１の範囲で設定することもできる。
（形状パラメータ）＝ｍ×Ｓ÷Ｌ２
【００４４】
特異画素領域Ｒｓの形状パラメータが得られると、ひび割れ抽出手段１０５（図２）によってひび割れが抽出される（図３のＳｔｅｐ１１０）。より詳しくは、ひび割れ抽出手段１０５が、図２に示すように形状閾値記憶手段１１４から「形状閾値」を読み出すとともに、この形状閾値と形状パラメータを照らし合わせ、形状パラメータが形状閾値を下回る特異画素領域Ｒｓをひび割れ画素領域とし、すなわちこれをひび割れとして抽出する。形状パラメータが比較的大きい特異画素領域Ｒｓは、円形や四角形、多角形など縦横に相当の長さを確保できる形状であり、一方、形状パラメータが比較的小さい特異画素領域Ｒｓは、線状や棒状といった形状であることから、形状閾値を境界とする形状パラメータの大小によって、特異画素領域Ｒｓをひび割れ画素領域かそれ以外に選別するわけである。
【００４５】
ひび割れ画素領域を抽出すると（つまり、ひび割れを抽出すると）、ひび割れ幅算出手段１１１（図２）によって「ひび割れ幅ω」が算出される（図４のＳｔｅｐ１１８）。以下、ひび割れ幅ωを算出するまでの処理の流れについて詳しく説明する。
【００４６】
まず、ひび割れ代表画素抽出手段１０８（図２）によって、「ひび割れ代表画素」が抽出される（図４のＳｔｅｐ１１１）。ひび割れ幅ωは、ひび割れ画素領域のうち所定の位置で（いわば断片的に）算出される。そしてひび割れ代表画素は、ひび割れ幅ωを算出する位置を示すいわば基準となる画素である。図９を参照しながら、ひび割れ代表画素Ｐｍを抽出する処理の一例について説明する。この図に示すように、適当な間隔（例えば１００画素×１００画素）で画像上にグリッド（以下、「ひび割れ画素用グリッド」という。）を設定し、このひび割れ画素用グリッドのうち横軸ＭＧｘと縦軸ＭＧｙが交差する位置が、ひび割れ画素領域Ｒｃを構成する特異画素（以下、「ひび割れ画素Ｐｃ」という。）と重なるときに、そのひび割れ画素Ｐｃをひび割れ代表画素Ｐｍとして設定することができる。もちろんひび割れ画素用グリッドの間隔は任意に設計することができるし、また図９（ａ）に示す手法以外でひび割れ代表画素Ｐｍを抽出することもできる。
【００４７】
また、ひび割れ代表画素Ｐｍが抽出される一方で、「ひび割れ方向」も算出される（図４のＳｔｅｐ１１３）。ひび割れ方向は、ひび割れ画素領域Ｒｃに基づいて求められる方向であり、より詳しくは、図９（ｂ）に示すようにひび割れ代表画素Ｐｍを中心とする矩形領域Ｑｒを設定したうえで（図４のＳｔｅｐ１１２）、この矩形領域Ｑｒ内にあるひび割れ画素Ｐｃに基づいて求められる近似直線Ｌｃの方向である。この近似直線Ｌｃは、ひび割れ画素領域Ｒｃをいわば直線モデルで表したものであって、矩形領域Ｑｒ内にあるひび割れ画素Ｐｃに対して最小二乗法をはじめとする種々の従来手法により計算することで求めることができる。なお図９（ｂ）に示す矩形領域Ｑｒは、ひび割れ画素Ｐｃを中心とする９画素×９画素の正方形領域であるが、もちろん任意の大きさ（画素×画素）で矩形領域Ｑｒを設定することができ、また正方形に限らず長方形で矩形領域Ｑｒを設定することもできるし、また図９（ｂ）に示す手法以外で矩形領域Ｑｒを設定することもできる。
【００４８】
ひび割れ方向が求められると（すなわち近似直線Ｌｃが設定されると）、ひび割れ角度算出手段１０７（図２）によって「ひび割れ角度θ」が算出される（図４のＳｔｅｐ１１４）。ひび割れ角度θは、図９（ｂ）で示すＸ軸、Ｙ軸など画像上に設定された直交２軸と、近似直線Ｌｃとによって形成される挟角である。ただし図１０に示すように、近似直線ＬｃとＸ軸（第１軸）がなす挟角θｘと、近似直線ＬｃとＹ軸（第２軸）がなす挟角θｙうち、小さい角度の挟角（図１０の場合は挟角θｘ）がひび割れ角度θとして算出される。
【００４９】
ひび割れ角度θが算出される一方で、最大輝度差算出手段１０９（図２）によって「最大輝度差α」も算出される（図４のＳｔｅｐ１１５）。最大輝度差αは、あらかじめ設定された「最小輝度」と、ひび割れ代表画素Ｐｍの背景輝度との差分であり、ひび割れ代表画素Ｐｍの背景輝度から最小輝度を引いた値（ひび割れ代表画素Ｐｍの背景輝度―最小輝度）である。この最小輝度は、ひび割れに相当する輝度として設定され、例えばひび割れで完全に覆われた画素の輝度を最小輝度として設定するとよい。
【００５０】
ひび割れ角度θや最大輝度差αとともに、「幅方向輝度差β」も幅方向輝度差算出手段１１０（図２）によって算出される（図４のＳｔｅｐ１１７）。幅方向輝度差βは、近似直線Ｌｃと略直交（直交含む）する方向（つまり、ひび割れの幅方向）に連続配置されるひび割れ画素Ｐｃの輝度差を総和した値である。以下、幅方向輝度差βを算出する手法について、図１１と図１２を参照しながらより詳しく説明する。
【００５１】
まず、図１１に示す直交軸Ｌｖを設定する。この直交軸Ｌｖは、ひび割れ代表画素Ｐｍを通り、且つ近似直線Ｌｃと略直交（直交含む）する直線である。次に、直交軸Ｌｖ上にあるひび割れ画素Ｐｃであって、しかもひび割れ代表画素Ｐｍから連続して配置されるひび割れ画素Ｐｃを、「直交画素Ｐｖ」として抽出する（図４のＳｔｅｐ１１６）。例えば図１１のケースでは、４個の直交画素Ｐｖ１〜直交画素Ｐｖ４が抽出されるわけである。このとき、特異画素領域の抽出処理と同様、直交画素Ｐｖどうしが直接接触する位置関係のことを「連続する」としてもよいし、直交画素Ｐｖどうしが近接する（例えば１個おきに隣接するなどの）位置関係のことを「連続する」としてもよい。
【００５２】
そして、抽出された直交画素Ｐｖの輝度差を総和して幅方向輝度差βを算出する（図４のＳｔｅｐ１１７）。図１２は、図１１に示す４個の直交画素Ｐｖ１〜直交画素Ｐｖ４の輝度差Ｄｇ１〜輝度差Ｄｇ４と、ひび割れ代表画素Ｐｍの輝度差Ｄｇｍを示すグラフである。幅方向輝度差βは、この図に示す輝度差Ｄｇ１〜輝度差Ｄｇ４と輝度差Ｄｇｍの総和であり、すなわちこのグラフの面積に相当する。
【００５３】
ひび割れ角度θと最大輝度差α、幅方向輝度差βが得られると、ひび割れ幅算出手段１１１（図２）によってひび割れ幅ωが算出される（図４のＳｔｅｐ１１８）。ひび割れ幅ωは、係数ｋと分解能γ（１画素の辺長）、そしてひび割れ角度θ、最大輝度差α、及び幅方向輝度差βに基づいて求められ、例えば次式によって算出することができる。なお次式中のｋはあらかじめ設定される係数であり、ｋ＝１とすることもできるし、ｋ＜１０の範囲、あるいはｋ＞１の範囲で設定することもできる。
ω＝κ×β×γ÷（α×ｃｏｓθ）
【００５４】
ひび割れ抽出システム１００によって抽出されたひび割れ、あるいは算出されたひび割れ幅は、ディスプレイやプリンタといった出力手段１１２によって出力される。
【００５５】
３．ひび割れ抽出方法
次に、本願発明のひび割れ抽出方法ついて図を参照しながら説明する。なお、本願発明のひび割れ抽出方法は、ここまで説明したひび割れ抽出システム１００を使用してひび割れを抽出する方法であり、したがってひび割れ抽出システム１００で説明した内容と重複する説明は避け、本願発明のひび割れ抽出方法に特有の内容のみ説明することとする。すなわち、ここに記載されていない内容は、「２．ひび割れ抽出システム」で説明したものと同様である。
【００５６】
図１３は、本願発明のひび割れ抽出方法の主な工程を示すフロー図である。この図に示すように、まずコンクリート構造物の表面を撮影して画像を取得する（Ｓｔｅｐ２０１）。そして、取得した画像の画素Ｐごとに背景輝度を求め（Ｓｔｅｐ２０２）、画素Ｐごとに輝度差を求める（Ｓｔｅｐ２０３）。
【００５７】
画素Ｐごとの輝度差が得られると、特異画素Ｐｓを抽出するとともに（Ｓｔｅｐ２０４）、特異画素領域Ｒｓを抽出する（Ｓｔｅｐ２０５）。そして、画素面積の総和Ｓと代表長さＬによって形状パラメータを算出し（Ｓｔｅｐ２０６）、この形状パラメータに基づいてひび割れ（ひび割れ画素領域Ｒｃ）を抽出する（Ｓｔｅｐ２０７）。
【００５８】
ひび割れ画素領域Ｒｃが得られると、ひび割れ方向（近似直線Ｌｃ）を求めてひび割れ角度を算出するとともに（Ｓｔｅｐ２０８）、最大輝度差αを算出し（Ｓｔｅｐ２０９）、さらに直交画素Ｐｖを抽出して幅方向輝度差βを算出する（Ｓｔｅｐ２１０）。そして、係数ｋと分解能γ、ひび割れ角度θ、最大輝度差α、幅方向輝度差βに基づいて、ひび割れ幅ωを算出する（Ｓｔｅｐ２１１）。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本願発明のひび割れ抽出システム、及びひび割れ抽出方法は、コンクリート床版のほか、コンクリートダムやトンネル覆工コンクリート、コンクリート擁壁など種々のコンクリート構造物に利用できる。本願発明によれば、供用中の建設インフラの劣化状況が把握でき、その劣化状況に応じた早期の補修、補強対策が可能となり、ひいては建設インフラの長寿命化につながることを考えれば、本願発明は産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献を期待し得る発明といえる。
【符号の説明】
【００６０】
１００  ひび割れ抽出システム
１０１  （ひび割れ抽出システムの）背景輝度算出手段
１０２  （ひび割れ抽出システムの）輝度差算出手段
１０３  （ひび割れ抽出システムの）特異画素抽出手段
１０４  （ひび割れ抽出システムの）形状パラメータ算出手段
１０５  （ひび割れ抽出システムの）ひび割れ抽出手段
１０６  （ひび割れ抽出システムの）着目画素設定手段
１０７  （ひび割れ抽出システムの）ひび割れ角度算出手段
１０８  （ひび割れ抽出システムの）ひび割れ代表画素抽出手段
１０９  （ひび割れ抽出システムの）最大輝度差算出手段
１１０  （ひび割れ抽出システムの）幅方向輝度差算出手段
１１１  （ひび割れ抽出システムの）ひび割れ幅算出手段
１１２  （ひび割れ抽出システムの）出力手段
１１３  （ひび割れ抽出システムの）輝度差閾値記憶手段
１１４  （ひび割れ抽出システムの）形状閾値記憶手段
ＡＧｘ  着目画素用グリッドの横軸
ＡＧｙ  着目画素用グリッドの縦軸
Ｌｃ    近似直線
Ｌｖ    直交軸
ＭＧｘ  ひび割れ画素用グリッドの横軸
ＭＧｙ  ひび割れ画素用グリッドの縦軸
Ｐａ    着目画素
Ｐｂ    周辺画素
Ｐｃ    ひび割れ画素
Ｐｍ    ひび割れ代表画素
Ｐｎ    非着目画素
Ｐｓ    特異画素
Ｐｖ    直交画素
Ｒｃ    ひび割れ画素領域
Ｒｓ    特異画素領域
Ｑｃ    内包四角形
Ｑｒ    矩形領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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