3D Point Cloud from Close-Range Photogrammetry for Defect Characterisation of Rubberised Concrete

建設資材の世界において、エンジニアはコンクリートをより柔軟で持続可能なものにする方法を絶えず模索しています。一つの有望なアプローチは、古いタイヤのリサイクルゴムをコンクリートに混合することです。これにより、従来のコンクリートよりも容易に折れることなく曲がったり伸びたりできる複合材料が作られ、廃棄物を再利用しながら構造物の安全性を向上させる方法を提供します。しかし、この柔軟性には特有の課題が伴います。これらのゴム入りコンクリートの梁に負荷がかかると、亀裂は単純な直線状には発生しません。代わりに、亀裂は材料の中をねじれ、曲がり、複雑で入り組んだ経路を辿り、粗く不規則な表面を作り出します。これらの微細でねじれた破断がどのように形成され、成長するのかを正確に理解することは、より優れた混合物の設計に不可欠ですが、研究室で働く科学者にとって、これらを見視認し測定することは長い間困難な課題でした。

数十年にわたり、研究者たちは構造物の表面をマッピングするために、ハイテクなレーザースキャナーに頼ってきました。「地上型レーザースキャナー」として知られるこれらの装置は、物体に光のビームを照射し、反射して戻ってくるまでの時間を測定することで機能します。これらの機械は大きな建物や橋をマッピングすることには優れていますが、実験室の設定で見られるような極めて微細な詳細については苦戦します。レーザビーム自体が、マイクロクラック（微細な亀裂）の最も狭い隙間に収まるには幅が広すぎるのです。ビームが粗い表面の小さな空隙に当たると、光は単にその隙間を飛び越えてしまい、欠落している詳細を埋めてしまうため、亀裂が実際よりも小さく、あるいは滑らかに見えてしまいます。それは、亀裂よりも太い定規を使って、細い髪の毛のような亀裂の深さを測ろうとするようなものです。道具が物理的に底まで到達できないため、損傷の真の形状は隠されたままになってしまいます。

この問題を解決するために、ニューサウスウェールズ大学の研究チームは、異なる種類のテクノロジーである「近接フォトグラメトリ（写真測量）」に目を向けました。レーザーを使用する代わりに、この手法は標準的なデジタルカメラを使用して、物体をさまざまな角度から何百枚もの重複した写真で撮影します。各写真における物体の見え方のわずかな変化を分析することで、高度なソフトウェアが表面の詳細な三次元モデルを再構築します。研究者たちはこの技術を、破壊に至るまでテストされたゴム入りコンクートの梁に適用しました。彼らは高性能なプロ用カメラと最新のスマートフォンを用いて画像をキャプチャし、それらの写真をソフトウェアに投入して、数百万の点からなる高密度なポイントクラウド（点群）へと繋ぎ合わせ、亀裂した表面の「デジタルツイン」を作成しました。

結果として、このカメラベースのアプローチは、レーザースキャナーが見逃していた詳細を捉えられることが示されました。大型センサーを搭載したプロ用カメラは、1ミリメートル未満の特徴をも識別できるほどの解像度を持つモデルを生成しました。研究者がデジタルモデル内の特定の亀裂を測定したところ、その幅は約2.3ミリメートルとなり、ノギスによる物理的な測定値とほぼ完全に一致しました。対照的に、スマートフォンカメラは依然として有用ではあるものの、ノイズが多く精度もやや低く、カメラのセンサー品質が微細な詳細を捉える上で極めて重要であることを示しました。この研究により、ゴム入りコンクリートに典型的なサブミリメートル単位の亀裂に対しては、高解像度カメラの方が標準的なレーザースキャナーよりもはるかに効果的なツールであることが確認されました。

単に亀裂を見るだけでなく、チームは亀裂を周囲の表面から分離する方法も開発しました。亀裂は周囲のコンクリートよりも色が暗いことが多いため、ソフトウェアは色彩情報を用いて損傷領域を強調することができました。3Dデータを、これらの色調の違いを強調する形式に変換することで、実際の破断箇所を背景ノローイズから分離することに成功しました。これにより、従来の二次元画像では捉えきれない複雑でうねるような幾何学的形状を明らかにする、クリーンで構造化された亀裂のマップを作成することができました。このレベルの詳細さは、亀裂の形状がストレス下で材料がどのように振る舞っているかをエンジニアに伝えるため、混合物の設計を改善する上で極めて重要です。

また、研究者らはこの手法を用いて、テスト中にコンクリートがどれだけ動いたかを測定しました。テスト前の梁の3Dモデルと、破壊後のモデルを比較することで、表面全体の正確な変位量を算出することができました。データによると、主要な亀裂周辺の領域は平均2.2ミリメートル移動しており、一部では最大2.9ミリメートルまで移動していました。単一の点だけでなく、表面全体の動きを追跡できるこの能力は、材料がどのように変形するかについて、より豊かな全体像を提供します。これは、フォトグラメトリのワークフローが、微細な欠陥を発見できるだけでなく、高い精度で損傷を定量化できることを証明しています。

この研究は、近接フォトグラメトリが、実験室でのテストにおいて、高価なレーザーシステムに代わる柔軟でアクセシブルな選択肢となることを示しています。これにより、研究者はレーザービームの物理的な制限を受けることなく、ゴム入りコンクリートの亀裂の真の、入り組んだ性質を捉えることができます。高解像度の3Dモデルを生成するための信頼できる方法を確立したことで、本研究は、材料の性能をより深く分析するための将来の自動化システムの基礎を築きました。研究者らは今後、すべての亀裂の長さ、幅、深さを自動的に測定する完全自動化ツールを開発し、ビデオ技術を用いてこれらの亀裂が時間の経過とともにどのように成長するかを探求することで、この研究を拡大する計画です。現時点では、適切なカメラと体系的なアプローチがあれば、科学者は持続可能な建築材料がどのように壊れるかという隠された複雑さをようやく目にすることができ、それが将来のより安全で耐久性の高い構造物へとつながることを、この研究は裏付けています。