肉眼では、建物や橋は風雨のような力に動かされることなく、その場に固定されているように見える。しかし実際には、こうした大規模構造物も、人には知覚できないほど小さな振動を経験しており、その周波数によっては不安定さや構造損傷を示している可能性がある。
MITの研究者らは、高速動画とコンピュータービジョン技術を組み合わせ、通常なら肉眼では見えない振動を「見る」手法を開発した。
通常、高速動画では建物に生じるこうした微細な振動を捉えることはできない。これを実現するため、研究者らは「モーション・マグニフィケーション」と呼ばれるコンピュータービジョン技術を用い、高速映像のフレームを特定の周波数に分解し、サブピクセル単位の微小な動きを実質的に誇張した。
実験室での実験では、研究者らは鋼製梁とPVCパイプの微小な振動を検知できた。この手法で測定した振動は、インフラ監視で一般的に使われる高精度ながら高価な加速度計やレーザー振動計で捉えた振動と一致した。
MITの土木・環境工学教授、Oral Buyukozturkは、モーション・マグニフィケーションは既存の監視技術に代わる、より迅速で安価かつ非侵襲的な方法になると述べる。
「これは、経済的かつ迅速な用途に使える非接触型センサー技術になり得ます」とBuyukozturkは言う。「目的によっては、スクリーニングに携帯電話のカメラを使い、何かを検知したら高性能カメラで詳しく調べることもできるでしょう。検査には段階があり、常に最高品質のカメラから始める必要はありません。」
Buyukozturkは、筆頭著者で大学院生のJustin Chenと共に論文を共同執筆した。同論文は、 Journal of Sound and Vibration に掲載される。その他の共著者は、大学院生のNeal WadhwaとポスドクのYoung-Jin Cha、ならびにコンピューター科学・工学の教授であるFredo DurandとWilliam Freemanである。
MITの研究者らが高速動画とコンピュータービジョン技術を組み合わせ、通常なら肉眼では見えない振動を「見る」方法を紹介する。
動画制作・編集：Melanie Gonick/MIT（追加映像は研究者提供）
振動を拡大する
今日、技術者は通常、複数の加速度計を使ってインフラを監視している。加速度計は加速度を測るセンサーで、その値から速度、そして最終的には運動を算出できる。加速度計は非常に高精度だが、1台1,000ドルを超える高価な機器であり、1台で構造物上の1点しか測定できない。センサーを複数並べても、加速度計では「空間的に高密度な測定を実現できない」とBuyukozturkは指摘する。さらに、加速度計は監視対象の構造物に取り付けるため、特に構造物が比較的軽い場合、全体の動きに影響を及ぼす可能性がある。
これに対し、レーザー振動計測は非接触型の手法で、構造物にレーザー光と音波を当て、それぞれの速度から構造物の変位、すなわち動きを算出する。この方法も非常に高精度だが、加速度計と同様に、レーザー振動計測は時間がかかり、一度に1点しか測定できない。
そこで研究者らは、高速カメラなら物理的に接触することなく、構造物全体にわたる振動を迅速かつ容易に追跡できるのではないかと考えた。
仮説を検証するため、Buyukozturkは、モーション・マグニフィケーションのアルゴリズムを最初に開発したDurandとFreemanと協力した。2012年、2人は、 ソフトウェアを発表し 、動画フレームの特定の周波数を効果的に増幅して、人の脈拍や振動するバイオリンの弦のような微小な動きを「見る」ことを可能にした。
DurandとFreemanはBuyukozturk、Chen、Wadhwa、Chaと協力し、インフラ監視に使えるようコードを調整した。このコードは動画画像を振幅信号と位相信号に分け、再び組み合わせることで、特定の周波数における特定の物体の見かけ上の動きが拡大された動画画像を再構成する。
固有振動数を見つける
チームはPhantom v10高速カメラを使って実験を行った。標準的な加速度計およびレーザー振動計との比較実験を設定し、各手法で片持ち梁とPVCパイプをハンマーでたたいた後の振動を測定した。
モーション・マグニフィケーションによる測定値は、他のセンサーによる測定値とよく一致した。アルゴリズムを適用しない場合、高速動画では梁もパイプも見かけ上動かないままだった。しかし、動画データにアルゴリズムを適用すると、振動に伴って各構造物にさまざまな形状変化が見られた。たとえば梁は前後に揺れ、パイプの断面は円から楕円へ、そして再び円へと変化する。
Buyukozturkによると、この手法は建物や橋の遠隔監視に役立つ可能性があり、特にパイプラインの調査に有用かもしれない。パイプの断面は本来対称であるため、片側に欠陥があれば、完全な状態の場合と同じようには振動しない可能性がある。その振動の違いが、潜在的な損傷を示す信号になり得る。
研究グループは、MITのグリーン・ビルディング（Building 54）に加え、ボストンのJohn Hancock Tower、Prudential Tower、Zakim Bridgeで動画監視実験を行う計画だ。Buyukozturkは、建物や橋の振動を検知しても、必ずしも問題があることを意味しないと指摘する。どの構造物にも振動する「固有振動数」がある。その周波数を知ることで、風や、さらには地震のような力に構造物がどう反応するか、技術者が把握する手がかりになるという。
「人々は過去30～40年にわたって構造物の監視に取り組んできましたが、たとえば橋や配管システムの構造監視にすぐ使える統合システムは、まだありません」とBuyukozturkは言う。「新たな革新的手法によって、その実現に向けていくつかの段階を前進させることが私たちの目標です。」
この研究は、Royal Dutch ShellおよびMIT Energy Initiativeの一部支援を受けた。
本記事は MIT News との協力により掲載されている。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではない。
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著者：Jennifer ChuはMIT Newsの寄稿ライター。
建築家Oscar Niemeyerが設計したPlanalto Palaceの外観。REUTERS/Ueslei Marcelino。
