国立防災科学技術セソター研究報告第22号

1979年10月

550．34：681．3

電子計算機による強震記録の読み取り（第3報）
矢崎忍＊

国立防災科学技術セソター

Digitizimg

ofStrong−Moting

R㏄ordsby

Ear伽ql1ake

Computer（III）

By
S1limobl1Yazaki
ル此伽Zル∫ωκ1・α〃6げ・1〃∫α∫〃乃伽ε〃・〃，Jψα1・

Abstract
Ansystemautomatical

SMACエecord

dizitizinghasdeveloped

NCRDP．

Effortsthehaveaccuracy

With

been

been

madeinespeciallyofthedヨgitヨzed

values．

thenewsystem

sheetwithtoshortenthea−drumsca㎜er＝and−a−computer

processingofrecordincludi㎎threelength，isprocessed

w1thin1O−20mimtes．

Severaltimes

recordhave

revealed

thatthethemm

thesensemeansquareinofasystem

accuracyofdigitized

of

time

trial

valuesisand

toimprovecomp㎝㎝ts，25cm

ind1gitization

aarouesisofaround0．03

error。

1．はじめに
国立防災科学技術セソターでは，主にSMAC強震計を対象として画像化された強震記録を画像入力装置（ドラムスキャナー十A／D変換器）と電子計算機を用いて数値化するシステ
ムを開発してきた（渡辺ほか，1974；諾星，1976）．

従来のシステムのいくつかの点を改良し，実用化に耐えるシステムとした．主な改良点の一つは，計算機による処理時問を大巾に短縮したことである．ディジタル画像処理の一般的な難点としてデータ量の膨大さによる処理時間の長大性があるが，この点に関しては処理対象の特性を考慮しデータ量を圧縮するとともに，走査一入力と演算処理の並行化を導入するなどして高速化をはかった．もう一点は数値化の精度の向上をはかったことである．特に最近記録計白体の小型化により記録感度が小さくなる傾向があり，高精度の読み取りが要求されるようになってきている．そこでソフトウェアによる精度の向上をはかった．
第4研究部計測研究室

一ユ21一

国立防災科学技術セソター研究報告

2・第22号

1979年10月

システムの概要

システムのハードウエァ構成を図1に示す．ここでRTPと記したのはリァルタイム処理装置と呼ばれるもので，マニュアル入出力装置や・アナログ入出力等の実時・…一600（512KB）間で作動する入出力装置とマルチジヨ（64KB）ブを行な1汎用計算機をつなぐ装置でdiscある（勝山ほか，1979）．

TTY

処理全体の手順を図2に示す・以■ド
各項目ごとに述べる．

2・1

SCanne r・／・…。◎⊃。TP

ツAc．nv鶉、tabet

図1システムのハ＿ドゥエァ構成
Fi9．1C㎝丘9「ationoftheha「dwa「e読み取り画像の作製

system．

始

原記録を，ドラムに装着して読み坂る画像を作製する．原記録は準備

記録計の型によって種々の形態をしている．SMAC−Bのようにろう紙に書かれているものは坂り扱いに便利なように写真フィルムに走査転写する・SMAC−Eのように低感度記録されたものは，適当に引き伸ばしをしたほうが数値化の精度がよくなる

また記録の大きさ

線座標検出がスキャナーのドラムの有効画角を超えるときは，互いに適当な重りを持たせて分割して作製する必要がある

2・2走

線座標補正

査

記録線検出

走査系の仕様を表1に示す．送りピッチは通常記録時間相当でO・01秒に最も近いものを選んでいる．走査系の出力はRTPを通して直接ACOS−600に込られ，ACOS−600では送られて来たテ＿

っなきタをそのまま，あるいは一部処理をした後磁気ディスクに書き込む．

紙送り補正
2・3

線座標の検出走査により得られるデータは，2次元のいわゆる画像テータであ

計器特性補正る．我々の対象とする強震記録の場合，画像としては線図形であるから，画像データから線位置の座標の集合ヘデータ構造を変換する

フィルタリング

ことにより・データ量をいちじるしく圧縮することができ・以後の処理の高速化に有効である．

線座標は以下のようにして求めている．読み取り画像は本来白黒の2値画像であるが，検出光学系の口系による平均効果のため濃度Fi9

終図2処理の手順
2Digitizing
process．

読み坂り値は平滑化されている．したがって読み坂り濃度の極大を与える位置を線の中一し、として検出することができる．この際，サ1／プリソグ格子による量子化の誤差をさけるため，格子点上のサソプリソグ濃度値を適当な連続関数で補間してこの関数の極大点を実数として一122一

電子計算機による強震記録の読み取り（第3報）一矢崎

一畢尚蛸山帖Q■−Oく妻ω①b0碍昌︸−o〇五昌要①口くo123．■．Oく妻ω＞﹄石王08−．1︷■︑．．∵〜■「Lり6o的園出竃国立防災科学技術セ：／ター研究報告第22号

1979年10月

表1走査系（ドラムスキャナー十A／D変換器）の仕様
Table1

Speci丘cation

ofthe

drumscamer＿A／D

converter

system．

有効画角430mm（走査方向）x280mm（送り方向）
ドラム回転送度

300rpm

回転信号1パルス／1回校
サソプリソグサィズ

0．08mm

送りピッチ0．05，O．1，O．2および0．4mm

解像度8bit／最大濃度差求めている（図4）．すなわち，走査方向の距離z（濃度）γの関数として濃度2（μ）を，極大濃度を与える格子点（図でωを中心とする前後3点（μ1，伽，ψ・）の濃度読み坂り値（21，Z・，2・）からここでZ2は次式で補間し，線の中心座標μ。を勿為一21（1）2222−23−21により求めている．ここで勿はサソプリソグ

Z1

ひσ＝伽十一・間隔で，我々のシステムの場合0．08mmである．

Fig．4

2．4

線座標の補正Z3

ノ1V4／2九、ノ1

カV−ノ（走査方向距離）

V1一。

∠ノ
∠ノ HH
図4 線中心位置の検出
Estimationofthepositionofthe

1in・…t…

2・3で求めた座標に対して次の3つの補正をこの順序で行う．
（1）走査系の機械的誤差の補正
スキャナーの機械的誤差は，ドラムの回転誤差と検出部（光学台）の送りの誤差が合わさっている．前者は我々の現在の機械がドラムの回転とA／D変換サソプリソグとの同期式であるため，ドラムの回転速度のムラが検出位置の誤差として現われてくるものである．この誤差成分はほとんどすべての周波数上にほぼ一様に現われ，またその大きさはドラムの先端（回転パルスが発生する位置）からの距離に比例している．これに対して後者は波長5mmの線スペクトルとして現われ，大きさはドラム上の位置によらず一定である．このように誤差成分は各周波数成分毎にドラム上の位置への依存が異なるため，補正はドラム上の一端に引かれた直線の読み取り値にドラム上の位置の関数であるフィルターをかけることによって行っている．すなわち補正のための直線の読みのFourier変換凪（1）とドラムの先端ひmmからの位置における補正値のFourier変換凡（∫）との間に凧（！）＝A（η，1）・ハo（！）の関係を仮定している．ここでフィルターA（ひ，！）の具体的な形は，補正のための直接とμmmの位置においた直線の多数回の読み取りの各周波数成分毎の相関から統計的に決めている．

一124｝

電子計算機による強震記録の読み取り（第3報）一矢崎（2）装着誤差の補正
記録紙をドラムに装着する際の傾きの補正であり，座標回転で現わせる．すなわち走査格
子座標（，ひ），記録の時間軸の傾きθから（l1ニニ：、㍗二、／（2）で与えられる．

（3）円弧補正
記録時の円弧描きを直交座標に変換するもので，円弧半径を7として2）の補正後の座標（，μ）から（∵㍍（、（・）ブノノ！

θ1xによってま時間および振幅座標0に変換されxる（図5）．

2．5

図5度標変換Fig．5

記録線の検出Coordinatetransformatヨon．

読み取り画像は必ずしも非常に鮮明とは1眼らない．すなわち記録以外のシミがあったり，記録線が途切れている部分があったりする．そこでこのようなノイズを含んだデータから記録線を抽出する処理が必要になる．この部分の処理については，計算機アルゴリズムによる白動検出とディスプレイ装置を使ったマソマシ：／方式の修正処理とを併用している．

（1）白動検出一①①①①一白動検出のアルゴリズムの概略は次
シミのとおりである（図1）．

i）

記録紙

時間座標について記録時問相当

でO．01mmの格子間隔で量子化する．

②②②ii）隣接する時問軸格子線上の2点の振幅座標の差が一定値δ以下のとき，それら2点を連続と判断し，〃個

図6記録線の検出
Fig．6

Detectionoftherecord1ine．の点が互いに連続なときその点列を線成分と判断する．

iii）同一時間軸区間に線成分が一つだけしかないとき，その線成分を記録線の一部と判断する（図6の①の部分）．

iv）iii）で決まった区問の両端から連続性をたどる（図6の②）．

v）小区間の欠落は直線で内挿する（図6の③）．

一125一

国立防災科学技術セソター研究報告第22号

1979年10月

上記中，実数δと〃はプログラムのパラメーターとして画像の画質や記録の波形に応じて適当な値を与えている．i）〜V）の判断で未決定な区間は未決定のまま残しておく．
（2）

マンマシ：／方式による修正（1）の処理の結果は直ちにディスプレイ管上に表示される．オペレーターは表示された波形と原記録を見比べて（1）の処理で未決定のまま残された部分や誤半■」断の部分があれば，タイプライターまたは座標入力装置（ダブルレット）を用いて種々の修正指示ができるようになっている．

2．6つなぎ

記録が2枚以上に分割して作られているときは，各々について数値化した後つなぎ合わせる．つなぎの際の位相合わせは，まずタイマー線で合わせ，それから各チャネルの波形を合わせる．このとき，画像作成の際の等光学系の収差により波形同志が滑らかにつながらない場合がある．こういう場合は便宜的に各分割波形ごとに適当な変形を加えている．つなぎの処理も，白動処理とマンマシソ方式を併用している．
2．7

紙送り誤差の補正

記録時の記録紙の送りの誤差を補正するものである．送りの誤差には，送り速度のムラと送りの蛇行がある．送り速度の補正は時間軸の変換である．変換は線型補間により行なっている．この場合の補正の情報はタイマー線の読み取りパルス間隅から得られる．一方，送りの蛇行は低周波誤差として現われる．したがって補正の情報は直線の読み取り値の低周波成分として得られるが，タイマー線も本来は低周波成分を含まないから，タイマー線の読み坂り値からも得られる．ここでは，処理量の節約のためタイマー線の読みから補正値を得ている．低周波成分のとり出しは，ここでは時間の低次式による回帰により行なっている．
2．8

計器特性補正強震計の記録値から入力加速度への変換である．SMAC強震計の場合はすべて単振子であるから，フィルター・（・）一・一（チ）2・・肋（チ）（4）により変換される．ここで固有振動数力および滅衰定数んはSMACの各型毎に決った値を持っている．

2．9

フィルタリンゲ

フィルタリソグは次節で述べる読み取り値に含まれる種々の誤差による低周波および高周波成分を坂り除くために行なう．しかし，現時点ではフィルターの具体的な形については十分検討していないので，便宜的に各記録ごとに原記録と見比べて適当なフィルターをかけている．フィルターについては，4．で述べる速度・変位の推定とも関連して今後さらに検討する予定である．

一126一

電子計算機による強震記録の読み坂り（第3報）一矢崎

3．数値化の精度数値化された値に含まれる誤差は大きく次の4つに分けられる．
i）記録計白体による誤差（周波数特性，紙送り誤差等）．

ii）記録の処理過程で現われる誤差（コピー，引き伸ばし時のレソズ系の収差など）．
iii）走査系の機械的誤差．

iV）計算機処理過程の誤差．

ここでは我々の数値システムの精度を評価するために，iii）とiV）について検討する．検討にあたって直線および実際の強震記録を同一の画像につきそれぞれ数回数値化した．読み取りはいずれも205mmの長さをo．1mmピッチで走査し，記録感度を10ga1／mm，0．1秒／mmとして数値化した．
直線の数値化は，2本の直線（定規で引いたもの）をドラムの先端付近（a）と後端付近（b）において行なった．数回の試行でいずれも同様の結果を得たのでそのうちの一つについて数値の時間領域および周波数領域でのプ1コットを図7，および図8に示す．時間領域でみるとaでは最大誤差O．7ga1（画像上で0．07mm），標準偏差O．16ga1（同0，016mm），bではそれぞれ1．3ga1（O．13mm），O．3ga1（O．03mm）であった．周波数領域で見るとa，bともにi）約O・2Hz（画像上で波長50mm），ii）2Hz（同5mm）にピークが見られる．i）には読
み取り直線そのものの誤差がかなり含まれている

H 2・阯「■■」と考えられる．ii）はスキャナーの特性によるもの

肇、．、旨、である．他の成分についてはほぼ一様に分布して彗

「E目且v・る．

而ピ・臼ドぷ二鴛二㍗∴㍗二 11似〃蜘㎞幽ふL

闘「R＝0U口｛こYCHOKUS〔N2rNO］竈

YOHユTORIaコ」㍗、帆、山〕

4〔工HZ〕；lllr〕

blコ㍗榊榊榊

1L・」

臼．阯

一一r
b目、ロエ

彗、。r刎面蝸叫
圃

51藺

帖

困2s

『ユ［E壬s一じ〕

図7直線の読み取り例
Fig．7

Digitizationofaヨ匿「R［GuEN〔Y｛HZ〕

図8図7のFourierスペクトル
Fig．8Fourierspect．umofwhati．shownstraight1ine．

in

一127一Fig．7．

国立防災科学技術セソター研究報告第・・号1。。。年ユ。月は5回）行なった．各試行による数値を北（オ）（ん＝1，）とし，各比（オ）は0H・成分を除いた後時間領域で差の2乗積分＝最小の条件で位相を合わせた．図9に各κ（オ）の一部を，また図㍗に平均波榊）一（白幼））／・をホす．誤差の大きさを評価するためには誤差のパワースペクトル度を推定するのがよい．なぜならばその積分（グラフの面積）が周波数区間上の誤25ri小州〜差の大きさを与えるからである．。此（1），、．．。。ゴ」

岬昨帖．1［鋏U．讐および那）のFourier変換凡（1），F（1）から誤差のFourierスペクトル

虹を1 亙町）＝下昌1榊）一戸（1）1「（5）

肺「丁竹r㌃「㍗丁丁一、図・・同一波形の数値fヒー平均波形で定都し，パワースペクトル密度は丁州一舳Fi・・10A・・・・・…1・…fth・t．i．ldi．iti、、ti。、、。fFourierスペクトルの2乗の適当な平animage．

滑化によって求めた（ここでは，幅口6一舳r山L■舳』■｝一一一一一一r

1Hzの重みつき移動平均をとった）．すなわ

奏8．鰍L
葦 1
筆日．欄仁
■

1 ll！

ち，Z（6））2…

lr肝9UrNこ〔HZ〕

11「㌔㌔㌔r（7）図11に平均波形および誤差のパワースペク

峯叩、

1，！

トル密度を示す・図から2Hzの成分が約O・01ga12＝（O・1ga1）2（画像上での標準偏差而

葦、

皇は約0・05ga12＝（O・22ga1）・（同0．02mm）がF
一128一舌；
j！

1へ

1l

11！

1←一・・一1
1 ， 6
・ 「R＝OU「NこY
柵
2u 壬HZ〕
38 蝸
50＝（O．15ga1）2（同0，015mm），全周波数上で読みとれる．

一㌔一丁一十→一一半1

一・H・0・01mm）・・OH・以上の成分が1勺・．O・・。、1・l

彗・伽L1ρ（・）一÷／l。。舳1・・（ト〃・1D（1）＝沽グ（∫

1；

図11平均波形（下）および誤差（上）のバ
ワースペクトルg11鵬）猟ユ、溶（滞・・1…

電子計算機による強震記録の読み坂り（第3報）一矢崎

4．おわリに当セソターでは，今後強震記録が得られ次第，これを本方式により適宜数値化して刊行していく予定である．すでにr1978年1月伊豆大島近海の強震」およびr1978年6月宮城果沖地震」の強震記録の数値はr強震記録数値集（第1集）」（防災科学技術資料第40号，国立防災科学技術セソター，1979）として発行されている．r数値集」には，数値化された加速度値のほかに，加速度を用いて計算したいくつかの基本的な解析の結果のグラフを付する予定である．すでに発行したr第1集」には，Fou・ierスペクトル，3種の応答スペクトル，およびラソニソグスペクトルを載せてある．「第2集」以後には，これらの他に速度および変位の推定波形を載せることを予定している．なおこれらの解析の定義・計算方法は十分確定していないので，それぞれのr数値集」にその都度記述する予定である．
今回は，主に計算機処理の高速化と数値の高精度化に重点をおいてシステムの改良を行なった．そして両方の而で，現在のハードウェアシステム下での原理的な限界近くまで達したと思われる．今後の問題としては，処理時問の面では，現在単なるデータ転送用の端末として用いられているRTPに演算処理の一部を担わせることにより，汎用計算機の負担を少なくすること，また精度の面では，スキャナーを現在の回転同期サソプリソグ方式から非同期方式に改造することにより，さらに精度の向上をはかること，などが残っている．これらの問題は，近く順次取り組まれる予定である．

参1）井合進・倉r□栄一・土円考文献

肇（1978）：強震記録の数値化と補正．港湾技研資料No286．

2）国立防災科学技術セソター（1979）1強震記録数値集（第1集）一1978年ユ月伊豆大、帯近海の地

震一・！978年6月宮城果沖地震一r防災科学技術研究資料第40号．
3）勝山ヨシ子・御子柴正・矢崎

忍・諸星敏一（1979）：災害・防災情報の白動計測のための基本ソフ

トウェアシステムの開発．国立防災科学技術セソター研究報告．第22号．
4）諸星敏一（1976）：電子計算機による強震記録の読み取り，国立防災科学技術セ：／ター研究報告，第16→書．．

29−45．

5）渡辺一郎・勝山ヨシ子・尾崎容子・福井隆文：電子計算機による強震記録の読み取り，国立防災科
学技術セソター研究報告，第9号．11−31．

（1979年6月19口

一129一

原稿受理）