技術紹介

コンクリート表面の気泡検出方法に関する研究
畑信佳 *1

Hata Nobuyoshi

久山岳 *1

Hisayama Takeshi

西土隆幸 *2

Nishido Takayuki

黒澤隆 *3

Kurosawa Takashi

コンクリートセグメントでは、製造時にできたコンクリート表面の気泡の補修作業がある。気泡の大きさについては、目視で評価されている。しかし、その評価結果は、人によりばらつきが生じるとともに、手間がかかるという問題がある。そこで、デジタルカメラで撮影した対象物の画像データに対し、コンピュータ処理により気泡の評価を行うシステムを開発した。
キーワード：コンクリート表面気泡、画像データ処理、パターンマッチングにはひび割れ、豆板（コンクリートの仕上がり表

1. はじめに面上に凹部が生じ、表面がザラつき粗骨材が確認

コンクリートセグメントでは、製造時にできたできる状態）、および気泡がある。このうちコンクコンクリート表面の気泡の補修が行われる。これ

リートセグメントのひび割れおよび豆板についてらの作業は、美観維持や構造上の欠点と考えられは、現在、機器・装置を用いて評価しており、気る一定値以上のものを対象にしている。しかし、泡については、目視で評価されている。しかし、この補修は、作業工程の中でも多くの時間を占め目視での評価には、その結果が人によってばらつている。気泡を発生させないことが作業の効率化きを生じるとともに、手間がかかるという問題がにつながることから、現在、気泡の大きさを一定ある。それらの問題を解決するため、デジタルカ（1）値以内に抑えるための研究が進められている 。

メラで撮影した対象物の画像データに対し、コンまた、製造条件に応じて気泡の発生がどのようにピュータ処理により気泡の評価を行うシステム（以変化するのかを定量的に把握することが必要とな下、本システム）を開発した。

る。そこで、工場で簡易的に気泡の状態を評価で2.2 システム機能要件きるシステムを開発した。本稿では、その評価システムの紹介を行う。

本システムの機能要件は、画像データのコンクリート部分に含まれる直径が一定値以上の気泡の2. 画像処理による気泡の検出選定と気泡面積率を算出することである。本シス

2.1 現状の問題点とデジタルカメラを用いた気泡テムでは、以下の 3 つの機能により要件を実現す  検出方法ることとした。

コンクリート製品の表面の欠陥・傷の評価基準（1）直径が一定値以上の気泡の検出*1：制御システム事業部 コンピュータ制御部*2：研究開発センター センター長 工学博士 技術士（建設部門） P. E.（Civil Eng.） 芝浦工業大学大学院非常勤講師*3：株式会社 IHI 建材工業 土木・建築統括部 土木部 課長—43—

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（2）検出した各気泡の相対位置、面積の算出

本システムを構築する各機器と、気泡検出ソフ（3）気泡面積率の算出（以下に算定式を示す）

トウェアの構成を 2.3.1 項、2.3.2 項に、検出対象物を 2.3.3 項にそれぞれ示す。

気泡面積率（％）=（気泡面積の合計／対象物の面積）×100

2.3.1 機器
2.3 システム概要

本システムを構築する機器を表 1 に示す。デジ本システムは図 1 に示すとおり、デジタルカメ

タルカメラは、検出対象物の表面にある直径数 mm

ラ、無線 LAN 機能内蔵の SD カード、そしてノーの微細な気泡を検出するため、高解像度で撮影でト PC で構成される。検出対象物のコンクリートきるものを採用した。SD カードは、無線 LAN 機セグメントをデジタルカメラで撮影して SD カー

能を内蔵しており、アクセスポイントを介さずにドに記録し、ノート PC から無線通信で SD カード

ノート PC と直接無線通信できるものを採用した。

内の画像データにアクセスすることで、撮影したまたノート PC は、持ち歩きが容易で無線 LAN 機画像をリアルタイムに評価させる。

能を内蔵するものを採用した。それらを組み合わせることにより、製造物や組立治具などが多くある工場内でも容易にコンクリート製品の表面にある気泡を評価できる。
2.3.2 ソフトウェアの構成
本システムのソフトウェア構成図を図 2 に示す。
（2）

気泡検出ソフトウェアは、Microsoft .NET Framework（3）を土台に画像処理ライブラリである HALCON を使って構築した。HALCON は、MVTec Software 社（ドイツ）製の工業用画像処理ライブラリであり、高速で高精度な文字認識や計測法、パターンマッチングなどを提供している。構築時の .NET Framework と
図1

HALCON のバージョンはそれぞれ 4.5、10.0.4である。

システム構成表1

本システムを構築する機器

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図2

ソフトウェア構成図

2.3.3 検出対象物
検出対象物は厚さ約 300mm、長さ約 2,370mm の円弧形状コンクリートセグメントとする（図 3）。
コンクリートセグメントの長側面の左右に 1 つずつ継手穴がある。継手穴とは、コンクリートセグメント同士をボルト締結するために設けられている穴で、円形のくぼみの底にボルト穴が開いている。ボルト穴の寸法は既知であるため、本システ
ムでは寸法計測の基準値として用いる。以下、ボルト穴のことを継手穴内円と記載する。

図4
図3

検出手順のフローチャート

検出対象物（3）気泡検出処理の結果が確認できる画面が表

2.3.4 本システムの操作手順示される（図 5）。

本システムの操作手順は次のとおりである。図 4（4）検出対象物をデジタルカメラで撮影する。に検出手順のフローチャートを示す。

（5）検出対象物を撮影すると、自動的に気泡検出（1）気泡検出ソフトウェアを立ち上げて、デジタ処理が開始され、気泡面積率などが算出される。

ルカメラに挿入した SD カードとの無線通信を開（6）1 つの検出対象物に対して撮影を終えるま始させる。

で、（4）～（5）を繰り返す。

（2）検出対象物を識別するための番号を入力す（7）すべての検出対象物に対して撮影を終えるる。

まで、（2）～（6）を繰り返す。
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ルゴリズムによる画像処理の流れは以下のとおりとした。そのフローチャートを図 6 に示す。
2.4.1 直径が一定値以上の気泡の検出（1）検出対象物の継手穴内円をパターンマッチングで検出する。
（2）継手穴内円の実際の半径と、画像上の半径から像倍率を算出する。

図5気泡検出ソフトウェア画面

2.4 気泡検出の画像処理アルゴリズム
しきい

ここでは検出する気泡直径の判定閾 値を 3mmと設定した。検出対象物と正対して左右半分ずつを画像内におさまるよう撮影した場合に、分解能は 1 画素あたり 0.3mm となる。気泡を検出するためには、画像処理により気泡外形のエッジを検出する必要があるが、その際に生じる誤差は、理論上で ±0.5 画素となる。気泡の判定基準が直径であるため、気泡の両端のエッジの検出が必要で、それぞれの誤差を考慮すると、合計で ±1.0 画素の誤差が生じる。分解能が 0.3mm/ 画素であるため、誤差は ±0.3mm となり、直径 3mm の微細な気泡を計測するのに十分な精度が確保できると判断した。
以下に、本システムでの画像処理のアルゴリズムについて説明する。
検出対象物の長側面 1 面に対して左右半分ずつ撮影をして、気泡の評価を行い、その際に画像処理により撮影位置（撮影対象が検出対象物の左側か右側か）を判定する。直径 3mm 以上の気泡を検出するため、HALCON が提供する計測法とパターンマッチング、そして二値化処理を使って画像処
図6

理アルゴリズムを構築した。構築した画像処理ア—

46—

画像処理アルゴリズムのフローチャート

（3）検出対象物の下側の円弧をパターンマッチを構築する時に、対象物形状を識別して画像からングで検出する。

対象物のみを取り出す過程に問題があった。ま（4）検出した下側の円弧と継手穴内円の位置関た、像倍率の算出や撮影位置の認識について、当係から、撮影位置を取得する。

初の方法では問題があったために変更した。これ（5）検出した円弧から円弧形状の領域を生成し、らの問題と対策方法について説明する。

その領域以外の部分を背景とみなして除外する。
2.5.1 対象物形状の識別（6）画像の検出対象物の部分から、エッジフィル対象物の下側の円弧の検出では、撮影した画像タを用いてエッジを検出する。
（7）検出したエッジの最小外接円を生成し、外接をグレースケール変換して画像処理する。しかし、円の直径を計測する。

グレースケール画像では床などの背景と検出対象

図 7 に示すように、黄線は検出した気泡、水物の色が似ており、境界が明確でなかった。エッジ

色の円は検出した気泡の最小外接円。最小外接が強くないためにパターンマッチングで検出するこ円の直径が一定値以上（3mm）であれば気泡ととができず、円弧形状の領域を生成できないためにして検出する。

背景を除外できなかった。検討の結果、撮影時にフラッシュを使用するとエッジが強くなり、検出対象（8）直径 3mm 以上のエッジを気泡として検出する。

物の下側の円弧を検出できることがわかった。図 8に検討結果を示す。2 枚ともグレースケール変換した画像である。フラッシュを使用した図 8（a）の方がコンクリートセグメントと床などとの境界が比較的明確であるため、円弧を検出できるようになる。

図7

検出した気泡と最小外接円

2.4.2 検出した各気泡の相対位置、面積の算出
継手穴内円を座標の原点とし、検出した各気泡（a）フラッシュを使用して撮影の座標と外接円の面積、検出対象物表面の面積を算出する。
2.4.3 気泡面積率の算出
2.2 節の（3）の算定式により気泡面積率を算出する。
2.5 本システム構築時の問題と対策（b）フラッシュを使用せずに撮影

図8

気泡面積率算出のための画像処理アルゴリズム—

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検出対象物の下側の円弧の検出
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2.5.2 像倍率の算出と対象物に対する撮影位置の3.1.3 気泡検出処理

自動認識

デジタルカメラで撮影した画像に対する気泡検

当初は黒丸のマーカと番号の入った識別シール

出処理では、撮影時に検出対象物に近づきすぎを検出対象物に貼り、検出した画像上の黒丸の半る、または離れすぎると、継手穴を検出できず気径で像倍率を、検出した識別シールの文字で撮影

泡検出処理に失敗することがあった。

位置を取得する方法を考えた。黒丸のマーカと識そのため撮影時には、検出対象物との適切な距別シールを気泡検出処理の邪魔にならないよう小離を把握する必要がある（今回の場合約 1m）。まさくしていた。しかし、検出対象物との撮影距離

た、フラッシュを使用せずに撮影すると、検出対に対して小さすぎたため画像処理での検出が困難

象物の下側の円弧を検出できず気泡検出処理に失になった。また、検出対象物ごとに貼るのは手間敗する場合があった。

がかかってしまう。そのため、検出対象物の継手
3.2 今後の課題

穴を検出し、検出した継手穴の半径から像倍率を、継手穴の位置から撮影位置を取得する方法と今後の課題は、次のとおりである。

した。

（1）像倍率と撮影位置の取得に継手穴を使っており、このような大きな穴が検出対象物にない場

3. 評価結果と今後の課題合、他の識別方法が必要となる。

3.1 本システムの評価（2）検出対象物表面の面積や単位気泡数（検出し製造工場で対象物を撮影した画像を用いて本シた気泡の個数を面積で割った値であり、単位は個 /m2）は、像倍率の誤差の影響を大きく受ける。

ステムの評価をした。

検出した継手穴の半径の誤差がわずか数画素で3.1.1 気泡の検出性あっても、表面の面積や単位気泡数の値は大きくほとんどの気泡は、検出できることを確認し変動してしまう。表面の面積や単位気泡数の誤差た。しかし 3mm 以上の気泡であっても、気泡の深を小さくするには、継手穴をほぼ誤差なく検出でさが浅いため影が薄くなり検出できない。あるいきるようにする必要がある。

は、気泡が角や溝のそばにあるため、それらの一（3）検出対象物の角や溝などを気泡として検出部とみなして検出しない場合があった。

することがあり、その誤検出が気泡面積率に影響を与えてしまう。

3.1.2 検出した気泡の輪郭の描画度

4. おわりに検出した気泡の輪郭が画像上の気泡に沿って描画されているかどうかについて、結果を描画した本システムは、今後セグメント製造工場で実際画像を確認した。大部分の気泡は画像上の気泡にに使用され、上述した問題点の解決など、順次改沿って描画されていることを確認した。しかし画良や、バージョンアップを進めていく予定であ像上の気泡の一部しか描画されていない、あるいる。また、工場は立地場所により測定条件が変わは、複数の気泡を 1 つの気泡として描画される場るので、各工場に応じたカスタマイズが必要にな合があった。

ると考えている。

—48

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参考文献
（1） 倉田幸宏、塩永亮介、木作友亮、黒澤隆、武藤香穂、伊藤祐二：コンクリート構造物における気泡消失理論の提案と実験的検証、IHI
技報、Vol.59、No.1、2019、pp.97-106（.NET Framework（2）マイクロソフト社ホームページのシステム要件）：https://docs.microsoft.com/
ja-jp/dotnet/framework/get-started/systemrequirements（3） MVTec Software 社ホームページ（HALCON）：
https://linx.jp/product/mvtec/halcon/

制御システム事業部
コンピュータ制御部

制御システム事業部
コンピュータ制御部

畑久山

信佳

岳

TEL. 042-523-8315
FAX. 042-523-8320

TEL. 042-523-8315
FAX. 042-523-8320

研究開発センター センター長
工学博士 技術士（建設部門）
P. E.（Civil Eng.）
芝浦工業大学大学院非常勤講師

株式会社 IHI 建材工業
土木・建築統括部 土木部課長

黒澤

西土 隆幸

隆

TEL. 03-6271-7374
FAX. 03-6271-7298

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—49—

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