オープンソースハードウェア及びオープンソースソフトウェアを用いた動画解析による地震時応答モニタリング
Earthquake Response Monitoring by Video Analysis
Using Open Source Hardware and Open Source Software○谷 明勲 *1，川手 滉一郎 *2，山邊 友一郎*3
Akinori Tani＊1, Koichiro Kawate＊2 and Yuichiro Yamabe＊3*1 神戸大学大学院工学研究科建築学専攻教授

博士(工学)

Professor, Graduate School of Engineering, Department of Architecture, Kobe University, Dr. Eng.
*2 元神戸大学工学部建築学科学部生(現大成建設㈱)

学士(工学)

Former Undergraduate Student, Faculty of Engineering, Kobe University (Now Taisei Corporation) , B. Eng.
*3 神戸大学大学院工学研究科建築学専攻准教授

博士(工学)

Associate Professor, Graduate School of Engineering, Department of Architecture, Kobe University, Dr. Eng.
キーワード：地震時応答モニタリング; オープンソースハードウェア; オープンソースソフトウェア; 動画解析
Keywords: Earthquake response monitoring; Open Source Hardware; open source software; video analysis.

1. はじめに超えると，Arduino から Raspberry Pi の GPIO ピンの電圧レ

近年，OSHW(Open Source Hardware)や各種センサの低価ベルを変更して動画収集を開始する。これは，Python で作格化により，ユーザのニーズに応じた種々の建築情報モニ成した Raspberry Pi の画像収録プログラムが，動画の記録タリング1)-4)が可能となっている。さらに，Raspberry

Pi5)を始めると記録終了まで加速度データの計測ができないのような Linux ベースの OSHW では，センサだけではなためで，加速度データの計測・保存は Arduino で行う。なく，専用カメラや Web カメラを用いた静止画や動画の収録

お，Raspberry Pi での動画収集・動画解析方法は後述する。

も可能となっている。動画や静止画には多くの情報が含まれ，その解析により多くの物理量を得ることができ，地震時の情報モニタリングに適していると考えられ，静止画を用いたモニタングシステムの提案 6)も行われている。筆者
らも，高性能の Raspberry Pi 専用カメラは設置等に制限があるため，Raspberry Pi7)8)と一般的な USB カメラを用いて動画を撮影し，市販の動画解析ソフト 9)を用いた地震時応答変位の推定精度の検証 10)を行ったが，画素数やフレーム

表 1 使用機器の概要 5)7)8)
Raspbeery Pi 3 ModelB+
1.4GHz Cortex-A53
1GB
USB2.0x4, micorSD，
コネクタ
HDMI×1, 40pinGPIO他無線LAN IEEE802.11b/g/n
定格電源 DC5V

Raspbeery Pi Camera V2
808万画素CMOS
センサ
インターフェース 15pin専用ケーブル
最大3240×2464 15fps
解像度約30cm～無限遠フォーカス
フレームレート 15, 30, 40, 60, 90fps
カメラサイズ W23.6×D25xH9mm

CPU
メモリ

レートの制約で精度良い推定はできなかった。このため，
本研究では，設置への制約はあるが，小型振動台実験における Raspberry Pi と専用カメラを用いた動画収集システムと OSSW(Open Source Software)の Kinovea11)-13)を用いた動画解析で得られた応答変位の推定結果とレーザ変位計にArduino2. 実験システムの概要
2.1. 動画撮影システム

電圧レベル変換回路

Raspberry Pi
Pi 専用カメラ

加速度センサ
図 1 システム構成

よる応答変位の計測結果を比較し，その応答変位推定精度に関する基礎的な検討を行うことを目的とする。

ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ・ｷｰﾎﾞｰﾄﾞ・ﾏｳｽ

Note PC

Arduino
加速度計測値の絶対値 aStart

Raspberry Pi
ﾄﾘｶﾞﾋﾟﾝ電圧：計測値 v

本システムは，既報 10)と同様に Arduino Uno R314)で加速度No
Yesv=High?
a≧10gal?
No
加速度Yesﾄﾘｶﾞ計測
動画記録
電圧NoLow?
Yes ﾄﾘｶﾞﾋﾟﾝ電
記録時間終了?
圧=Low
Yes
ﾃﾞｰﾀ保存End計測を行い，加速度計測値の絶対値が設定したトリガ値を

図 2 システムフロー

本研究では，仕様を表 1 に示す Raspberry Pi 35)と専用カメラ 7)8)を用いた動画収集システムを構築する。図 1 に本システムの構成を，
図 2 に本システムの動作フローを示す。

日本建築学会情報システム技術委員会
第 42 回情報･システム･利用･技術シンポジウム論文集， 284-287 ， 2019 年 12 月，東京
Proceedings of the 42nd Symposium on Computer Technology of Information ，Systems and Applications ， AIJ ， 284-287 ， Dec. ， 2019 ， TokyoNo－ 284 －2-2 供試体及び小型振動台実験の概要の Kinovea は運動解析ソフトとして開発され，スロー再生，

図 3 に動画計測システムを用いた 3 層供試体 10)の振動台

二画面再生による映像比較，自動軌道追跡による距離，角実験の概要を示す。この実験では，供試体基礎に設置した度，速度の計測等を行うことができる。また，動画収集にデジタル加速度センサ(MMA8451)15)の計測値(分解能 14bit，は Raspberry Pi の撮影条件を設定した raspivid コマンドをサンプリング間隔 20ms)をトリガとし，図 4 に示す撮影対用い H264 形式で保存した。実験終了後に，H264 形式の動象に応じて設置した Raspberry Pi 用ケース内に設置した Pi

画ファイルを動画形式変換ソフト GPAC16)で MP4 にエンコ

カメラで図 4 に示す撮影対象に貼付したマーカーを撮影し， ードし， Windows 対応 PC で Kinovea を用いた動画解析を振動台実験時の撮影対象の相対変位を動画解析により算行った。なお，Kinovea での動画解析における寸法換算に出する。なお，マーカーは円形で，1F-，2F-，3F-基礎は直は，1F-基礎，2F-基礎，3F-基礎では寸法換算用の定規の目

径 15mm，振動台-天井は直径 115mm とし，1F-，2F-，3F-盛を，振動台-天井ではマーカーの直径 115mm を使用した。

基礎では寸法換算用定規も設置した。また，1F-基礎の動画収集と，2F-，3F-基礎及び振動台-天井の動画収集は，システムを図 4 中に示す設置位置 1，2 でそれぞれ行う。さらに，本実験では供試体の応答変位をレーザ変位計とデータロガーGL900 で計測し，動画解析結果との比較を行う。
レーザ変位計の計測は 20ms 間隔とし，動画収集システム作動前に計測を開始し，動画収集終了後に終了させる。
3 層供試体データロガー(GL900)レーザ変位計表2Kinovea の概要 11)-13)

対応OS
実行環境
CPU
メモリ
スクリーンサイズ

Windows(XP, Vista,7, 8.1, 10).NET Framework3.5 以降
1GHz
256MB
1024x600 Pixel
AVI, MPG, MOV, WMV, MP4, FLV, 3GP,
入力ビデオフォーマット
MKV, VOR, MOD, TOD
入力ビデオコーデック DV, DivX, Xvid, H264, MJPEG, Theora等

3.実験設定及び実験結果
本研究では，表 3 に示す 5 種の画素数，fps(フレームレート)の撮影設定で動画収集を行った。振動台への入力地
震波は，El Centro NS (1940)，Hachinohe NS (1968)，JMAKobe NS (1995)の 3 波を用いた。なお，本システムは加速度計測値がトリガ値を超えた時に動画収集を開始するため，動画解析結果の自由振動部分のデータを用いて動画解

Arduino Uno

析結果の基線補正を行う。また，収集した動画とレーザ変位計の計測結果は同期していないため，応答変位はレーザ変位計による計測結果と動画解析結果の最大値の時刻を

Raspberry Pi+Pi Camera

加速度センサ(MMA8451)

レーザ変位計図 3 実験システムの概要

合わせて比較を行う。図 5～13 に，JMA Kobe 波を用いた場合の撮影設定 1，3，4 の場合のレーザ変位計の計測結果と Kinovea による応答変位の推定結果として，1F-基礎，3F基礎，振動台-天井の場合の比較を示す。また，表 4 には全ての撮影設定と 3 つの入力波について，応答変位の最大値，最小値と推定誤算の一覧を示す。

撮影設定
123

表 3 撮影設定
fps 撮影設定 画素数 fps
画素数
1920×1080 25
4640×480 50
1280×72025
5640×480 90640×480
25
fps：フレームレート4.考察
本研究では，Raspberry Pi と専用カメラで収集した地震時動画を OSSW の Kinovea で動画解析して推定された応答
図 4 動画収集システムと撮影対象変位をレーザ変位計の計測結果と比較し，その推定精度の検証を行った。その結果，以下のことが明らかかとなった。

2-3 動画収集及び分析方法
表 2 に動画解析ソフト Kinovea の概要 11)-13)を示す。OSSW

報告 H621)本研究で構築した OSHW を用いた応答動画収集システ
ムは，振動台実験で設定通り(図 1，2)の作動を，動画－ 285 －3020100-10 0510152025変位(mm)

変位(mm)

201000510152025-10-20-20-30

図53020100-10 0-20-30

Kinovea

1F-基礎の応答変位の比較(撮影設定 1)

GL900

図 11 振動台-天井の応答変位の比較(撮影設定 1)
20510152025変位(mm)

変位(mm)

時間(s)

時間(s)
Kinovea
GL900

図6005152025時間(s)Kinovea
GL900

GL9001F-基礎の応答変位の比較(撮影設定 3)

10-10-20時間(s)Kinovea10図 12 振動台-天井の応答変位の比較(撮影設定 3)3020100-10 0510152025-20-3010001F-基礎の応答変位の比較(撮影設定 4)510152025-10-20時間(s)KinoveaGL900

図7変位(mm)

変位(mm)

20時間(s)
KinoveaGL900

図 13 振動台-天井の応答変位の比較(撮影設定 4)

変位(mm)

50

析用 OSSW の Kinovea は，推定誤差が生じる設定もある25が，応答動画解析に適用できることをそれぞれ確認した。
00520252)レーザ変位計の計測値と Kinovea で推定した応答変位の比較では，図 5-10(撮影対象:1F-, 3F-基礎)には振幅，位相共にほとんど差が見られないが，図 11-15(撮影対象：天時間(s)KinoveaGL900

図8変位(mm)15-25-50井)では，振幅，位相共に大きな差が見られた。

3F-基礎の応答変位の比較(撮影設定 1)

3)構築した動画収集システムでは，撮影対象に貼付した円

50形マーカーをターゲットとして動画解析ソフトに自動25追尾させ，マーカーの移動を相対応答変位として推定したが，カメラと被写体の距離が約 68cm(撮影対象 1F-, 2F-00510152025-25基礎)までは，動画サイズ 640×480pixel，fps25 の撮影設
定 3 でも誤差平均約 6%(表 4)で応答変位が推定できた。

-50時間(s)KinoveaGL900

図9変位(mm)104)カメラとマーカーの距離が約 1m(撮影対象 3F-基礎)，動画サイズ 1280×720pixel，fps25(撮影設定 2)の場合，応答1F-基礎の応答変位の比較(撮影設定 3)変位が誤差平均約 8%(表 4)で推定できた。なお，この距50離の動画サイズ 640×480pixel，fps25(撮影設定 3)で，25Kinovea の自動追尾機能にズレが生じる場合が見られた。
5)カメラとマーカーの距離が約 2.51m の場合(撮影対象振005101520-25-50

図 10

報告 H6225動台-天井)は，マーカーまでの距離が長いため大きいマーカーを用いたが，表 4 より応答変位も小さく，今回設

時間(s)Kinovea
GL900

3F-基礎の応答変位の比較(撮影設定 4)

定した 5 種の撮影設定に推定精度の良い条件はなかった。
6)一般に，同一範囲を撮影した場合，動画サイズが大きいと 1pixel 当たりの寸法が細かくなり応答推定精度が向上－ 286 －

表 4 応答変位の最大値，最小値と推定誤算一覧
設定 対象Max
Min
Max
2 1F
Min
Max
3 1F
Min
Max
4 1F
Min
Max
5 1FMin
設定 対象
Max
1 3FMinMax
2 3F
MinMax3 3FMinMax
4 3FMinMax
5 3FMin
11F

設定 対象
Max
Min
Max
2 1F
Min
Max
3 1F
Min
Max
4 1F
Min
Max
5 1F
Min
設定 対象
Max
1 3F
Min
Max
2 3F
Min
Max
3 3F
Min
Max
4 3F
Min
Max
5 3F
Min
11F

設定 対象
Max
1 1F
Min
Max
2 1F
Min
Max
3 1F
Min
Max
4 1F
Min
Max
5 1F
Min
設定 対象
Max
1 3F
Min
Max
2 3F
Min
Max
3 3F
Min
Max
4 3F
Min
Max
5 3F
Min

El Centro NS (GL900, Kinovea, 誤差：単位 mm)
GL900 Kinovea 誤差 誤差(%) 設定 対象
GL900 Kinovea
16.46
16.98 -0.5174 3.143
Max 29.41
27.60
1 2F
-16.66 -16.74 0.08262 0.496
Min -28.43 -27.22
16.57
16.90 -0.3282 1.980
Max 29.37
27.56
2 2F
16.75
16.58 0.1654 0.987
Min -28.35 -26.49
16.62
17.67 -1.053 6.340
Max 29.59
26.57
3 2F-16.86 -17.33 0.4666 2.767
Min -28.53 -24.91
16.75
17.25 -0.5029 3.003
Max 29.76
28.29
4 2F-16.71 -17.09 0.3771 2.256
Min -28.62 -28.19
16.74
17.96 -1.216 7.263
Max 29.71
28.45
5 2F-16.80 -17.49 0.6942 4.132
Min -28.59 -27.60
GL900 Kinovea 誤差 誤差(%) 設定 対象
GL900 Kinovea
30.41
30.88 -0.4660 1.532
Max 9.83612.30
1 天井-28.83 -29.30 0.4740 1.644
Min -7.964 -10.03
30.42
29.46 0.9623 3.163
Max 10.03
13.44
2 天井
-28.84 -28.41 -0.4277 1.483
Min -7.851 -11.01
30.51
28.02
2.490
8.162
Max 10.11
15.00
3 天井
-29.05 -27.72 -1.330 4.578
Min -7.891 -11.93
30.67
30.71 -0.04364 0.142
Max 10.11
10.68
4 天井
-29.09 -28.87 -0.2236 0.769
Min -7.934 -10.67
30.59
30.72 -0.1302 0.426
Max 10.15
12.58
5 天井
-29.09 -27.88 -1.210 4.160
Min -7.972 -9.060
Hachinohe NS (GL900, Kinovea, 誤差：単位 mm)
GL900 Kinovea 誤差 誤差(%) 設定 対象
GL900 Kinovea
13.72
12.98 0.7371 5.374
Max 27.1225.07
1 2F-12.54 -12.73 0.1872 1.492
Min -24.60 -23.32
13.65
13.40 0.2579 1.889
Max 27.15
24.29
2 2F-12.57 -12.61 0.04788 0.381
Min -24.59 -23.74
13.65
13.40 0.2579 1.889
Max 27.08
24.71
3 2F-12.57 -12.61 0.04788 0.381
Min -24.54 -23.57
13.83
13.34 0.4888 3.535
Max 27.13
25.00
4 2F-12.63 -12.82 0.1888 1.494
Min -24.57 -24.03
13.86
13.40 0.4609 3.325
Max 27.09
25.92
5 2F-12.62 -13.02 0.4009 3.177
Min -24.73 -23.77
GL900 Kinovea 誤差 誤差(%) 設定 対象
GL900 Kinovea
30.16
30.35 -0.1801 0.597
Max 7.588
7.742
1 天井
-27.14 -27.51 0.3799 1.400
Min -7.812 -9.315
30.22
29.87 0.3457 1.144
Max 7.628
11.27
2 天井
-27.14 -27.24 0.09568 0.352
Min -7.812 -8.919
30.12
27.68 2.4354 8.087
Max 7.623
12.89
3 天井
-27.16 -25.68 -1.4846 5.465
Min -7.817 -9.693
30.13
29.75 0.3803 1.262
Max 7.569
10.44
4 天井
-27.27 -27.27 -0.009680 0.035
Min -7.809 -8.850
30.26
29.55 0.7019 2.320
Max 7.590
10.17
5 天井
-27.36 -26.39 -0.9781 3.574
Min -7.810 -9.335
JMA Kobe NS (GL900, Kinovea, 誤差：単位 mm)
GL900 Kinovea 誤差 誤差(%) 設定 対象
GL900 Kinovea
18.22
19.12 -0.8981 4.929
Max 36.78
34.65
1 2F-18.16 -18.01 -0.1486 0.818
Min -34.94 -32.77
18.04
19.07 -1.0297 5.708
Max 36.70
32.79
2 2F-18.16 -18.32 0.1603 0.883
Min -34.76 -30.92
17.94
19.51 -1.5698 8.752
Max 36.77
34.39
3 2F-18.18 -17.91 -0.2698 1.484
Min -34.97 -30.51
18.12
19.29 -1.1695 6.453
Max 36.72
34.97
4 2F-18.22 -18.43 0.2100 1.153
Min -34.94 -32.32
18.12
19.48 -1.3631 7.522
Max 36.76
33.66
5 2F
-18.20 -18.48 0.2769 1.521
Min -34.88 -31.49
GL900 Kinovea 誤差 誤差(%) 設定 対象
GL900 Kinovea
40.28
40.26 0.0228 0.057
Max 11.19
12.32
1 天井
-38.64 -38.80 0.1628 0.421
Min -11.17 -15.23
40.18
40.63 -0.4453 1.108
Max 11.10
15.53
2 天井
-38.44 -38.44 -0.0053 0.014
Min 11.2512.92
40.30
38.72
1.589
3.944
Max 11.19
13.06
3 天井
-38.60 -38.07 -0.5305 1.375
Min -11.33 -15.92
40.29
41.36 -1.075 2.668
Max 11.19
14.71
4 天井
-38.67 -38.58 -0.0947 0.245
Min -11.25 -13.06
40.26
40.73 -0.4632 1.151
Max 11.20
14.25
5 天井
-38.56 -37.93 -0.6232 1.616
Min -11.28 -13.33
誤差=Kinovea推定値－GL900計測値，誤差(%)=100×｜誤差/GL900計測値｜

報告 H62

誤差 誤差(%)
1.809
6.150
-1.211 4.261
1.813
6.172
-1.857 6.551
3.024
10.22-3.626 12.71
1.467
4.929-0.4332 1.513
1.264
4.255
-0.9857 3.448
誤差 誤差(%)-2.466 25.07
2.064
25.92
-3.406 33.96
3.154
40.18
-4.891 48.38
4.039
51.19
-0.569 5.629
2.731
34.42
-2.432 23.97
1.088
13.64
誤差 誤差(%)
2.054
7.573
-1.286 5.229
2.865
10.55
-0.8455 3.439
2.370
8.752
-0.9699 3.952
2.130
7.854
-0.5495 2.236
1.174
4.334
-0.9557 3.865
誤差 誤差(%)-0.1537 2.026
1.503
19.24
-3.643 47.76
1.107
14.17
-5.264 69.06
1.876
23.99
-2.871 37.93
1.041
13.33-2.575 33.92
1.525
19.53
誤差 誤差(%)
2.126
5.781
-2.174 6.221
3.905
10.64-3.845 11.06
2.387
6.492-4.463 12.76
1.759
4.790
-2.621 7.502
3.101
8.436
-3.389 9.716
誤差 誤差(%)-1.130 10.10
4.060
36.34-4.427 39.90-1.665 14.80-1.863 16.65
4.587
40.49-3.513 31.39
1.807
16.07-3.046 27.20
2.044
18.12

すると考えられるが，動画サイズが大きい 1920×1080pixel(撮影設定 1)で収集した応答動画にコマ落ちが見られた。一方，動画サイズ 1280×720pixel(撮影設定 2)ではコマ落ちはなかったため，構築した応答動画撮影システ
ムの動画サイズの上限は 1280×720pixel と考える。
7)カメラとマーカーの距離が約 2.51m の場合(撮影対象振動台-天井)に，静止状態の撮影動画の Kinovea による動画解析でマーカーが移動する現象が見られた。このため，Kinovea を使用する場合，カメラとマーカーの距離が大きい場合は推定精度が低下すると考えられる。
8)本研究では、撮影設定で fps を変化させたが，fps=50 とfps=90 の場合の応答変位の推定結果にほとんど差がないため，構築したシステムの fps は 50 で十分と考える。
5.まとめ
以上より，本研究の範囲では，構築した応答動画撮影システムと OSSW の動画解析システムを用いた応答変位推定に関して，本システムの適用範囲と応答変位推定精度を明らかにできたと考える。より高精度の動画解析による応答変位推定システムの構築には，今後，本研究で得られたた問題点の改善方法のより詳細な検討が必要と考える。
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