JP5287177B2 - 画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置に関する。

電気鉄道車両へ電力を供給する設備であるトロリ線の保守管理を行う上で特に重要な項目のひとつとして、トロリ線の高さ、偏位、摩耗の測定が挙げられる。

従来、トロリ線の摩耗を測定する装置としては、トロリ線の摩耗面の幅を画像処理により算出し、その値を外部から入力されるトロリ線の高さデータやトロリ線のサイズなど各種パラメータを用いて実際の摩耗量に換算するようにしたものが公知となっている（例えば、特許文献１参照）。また、トロリ線の摩耗を測定する装置において、画像処理によって求めたトロリ線の全体の幅と、既知であるトロリ線のサイズとから、そのトロリ線の張られている高さを算出する手段を備えたものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−２７１４４５号公報 特開２００８−０８９５２３号公報

しかしながら、上述した特許文献１、特許文献２に記載のものは、トロリ線の摩耗量やトロリ線の高さを求めることはできるものの、トロリ線の偏位量を測定する手段を備えないため、トロリ線の摩耗量や高さを測定するのと同時にトロリ線の偏位量を測定するためには、トロリ線の偏位量を別の装置を用いて測定する必要があり、装置に掛かるコストが増加するといった問題や、測定にかかる作業が煩雑になるといった問題があった。

このようなことから本発明は、ひとつの装置でトロリ線の摩耗量及び偏位量を測定可能なトロリ線の摩耗測定装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置は、走査線方向を車両の進行方向に対して垂直且つ水平にしたラインセンサによって撮像された画像を時系列的に並べてなるラインセンサ画像を作成するラインセンサ画像作成手段と、前記ラインセンサ画像に対して二値化処理を行い、撮像されたトロリ線の摩耗部分を強調した二値化ラインセンサ画像を作成する二値化処理手段と、前記二値化ラインセンサ画像に対して、前記摩耗部分の両側のエッジを検出するエッジ検出手段と、前記摩耗部分の両側のエッジの位置から前記トロリ線の重心位置を検出するトロリ線重心位置検出手段と、前記トロリ線重心位置検出手段で検出された前記トロリ線の重心位置の前記ラインセンサのセンサ面上の座標ｄ［pixel］、前記ラインセンサのセンサ面のセンサ長ｓ［ｍｍ］、レールから前記ラインセンサのセンサ面までの距離ｈ _s ［ｍｍ］、レンズの焦点距離ｆ［ｍｍ］、前記ラインセンサのセンサ数ｐ［pixel］、前記レールから前記トロリ線までの実際の高さｈ［ｍｍ］としたときに、下記（１）式により前記トロリ線の実際の偏位量Ｄを検出するトロリ線偏位量計算手段と、少なくとも前記トロリ線偏位量計算手段による処理と並行して、前記高さｈ［ｍｍ］、前記焦点距離ｆ［ｍｍ］、前記センサ長ｓ［ｍｍ］及び前記センサ数ｐ［pixel］から計算される１画素（ピクセル）に対する実寸法［ｍｍ］の度合いである画像分解能［ｍｍ／ピクセル］に、前記エッジ検出手段により検出されるエッジ間の距離である前記トロリ線摩耗部分の画像上の幅ｗ［pixel］を乗算することにより前記トロリ線の摩耗量を検出可能に構成されたトロリ線摩耗量計算手段とからなることを特徴とする。
Ｄ＝（ｈ‐ｈ _s ‐ｆ）・ｓ・ｄ／ｐ・ｆ ‥‥（１）

第２の発明に係る画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置は、第１の発明に係る画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置において、前記二値化処理手段が、前記ラインセンサ画像の状態に応じて自動的にしきい値を決定する判別分析二値化処理により、前記ラインセンサ画像に対して二値化処理を行い、前記二値化ラインセンサ画像を作成することを特徴とする。

第３の発明に係る画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置は、第１又は第２の発明に係る画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置において、前記二値化ラインセンサ画像上のノイズを除去するノイズ除去手段を備えることを特徴とする。

上述した第１の発明に係る画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置によれば、ひとつの装置でトロリ線の摩耗測定とトロリ線の偏位量とを算出することができるため、装置に掛かるコストを維持しつつ、利便性を向上させることができる。

また、第２の発明に係る画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置によれば、二値化処理手段によりラインセンサ画像に対して二値化処理を行う際に必要となるしきい値を、トロリ線の変位やトロリ線からの反射光の強さの違いに応じて自動的に設定することができるため、トロリ線の摩耗部分の抽出処理の精度を向上させることができる。

また、第３の発明に係る画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置によれば、二値化ラインセンサ画像上のノイズを除去することにより、トロリ線の摩耗部分の抽出処理の精度をより向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る画像処理による摩耗および偏位測定装置の詳細を説明する。

図１乃至図８を用いて本発明に係る画像処理による摩耗および偏位測定装置の一実施例を説明する。図１は本実施例に係る画像処理による摩耗および偏位測定装置の設置例を示す説明図、図２は本実施例に係る画像処理による磨耗測定装置の構成を示すブロック図、図３は本実施例における摩耗測定の流れを示すフローチャート、図４はラインセンサ画像の一例を示す説明図、図５は二値化ラインセンサ画像の例を示す説明図、図６は二値化ラインセンサ画像からトロリ線の摩耗部分のエッジを抽出した例を示す説明図、図７は図６に示すエッジから重心位置を求める例を示す説明図、図８は実際のトロリ線の位置とラインセンサ画像上のトロリ線の位置との関係を示す説明図である。

図１に示すように、本実施例において画像処理による摩耗および偏位測定装置は、車両１の屋根の上に設置されるラインセンサ２及び照明装置３と、車両１の内部に設置される計測用コンピュータ４及び記録装置５とから構成される。

ラインセンサ２はその視野が鉛直上方を向くように、且つ、その走査線の方向が車両１の進行方向に対して垂直且つ水平となるように設置される。これにより、ラインセンサ２は、走査線がトロリ線６と交差した状態でトロリ線６を撮像するようになっている。このラインセンサ２の出力は計測用コンピュータ４に出力される。

照明装置３は例えば通常の白色照明等を使用するものとする。この照明装置３は、ラインセンサ２の近傍に設置されて少なくともトロリ線６のラインセンサ２によって撮像される部分を照明する。

計測用コンピュータ４は、ラインセンサ２から入力される画像信号（輝度信号）に基づいてトロリ線６の摩耗量および偏位量を求める。

より詳しくは、図２に示すように、本実施例において計測用コンピュータ４は、ラインセンサ画像作成手段としてのラインセンサ画像作成部４ａ、二値化処理手段としての判別分析二値化処理部４ｂ、ノイズ除去手段としてのノイズ除去処理部４ｃ、エッジ検出手段としてのトロリ線摩耗部分エッジ検出部４ｄ、トロリ線重心位置検出手段としてのトロリ線重心位置検出部４ｅ、トロリ線偏位量計算手段としてのトロリ線偏位実座標変換計算部４ｆ、およびトロリ線摩耗量計算手段としてのトロリ線摩耗部分幅計算部４ｇ等から構成されている。

ラインセンサ画像作成部４ａは、ラインセンサ２から入力される画像信号を時系列的に並べてなるラインセンサ画像（平面の画像）を作成する。判別分析二値化処理部４ｂは、ラインセンサ画像作成部４ａにおいて作成したラインセンサ画像に対して、後で詳述する判別分析二値化処理を行う。

ノイズ除去処理部４ｃは、判別分析二値化処理部４ｂにおいて作成した二値化ラインセンサ画像に対して、トロリ線の摩耗部分（以下、トロリ線摩耗部分という）の傷や背景部分の状態により含まれる細かな点状のノイズ等を除去する。トロリ線摩耗部分エッジ検出部４ｄは、ノイズ除去処理部４ｂによってノイズを除去された二値化ラインセンサ画像に対し、あるラインについて例えば左から探索した場合に、黒から白へ変化する点を左側のエッジ点として検出し、続いて白から黒へ変化する点を右側のエッジ点として検出する処理を行う。この処理を画像の上から下へライン毎に行う。

トロリ線重心位置検出部４ｅは、トロリ線摩耗部分エッジ検出部４ｄによって検出した左右のエッジ点に対し、ライン毎に左右のエッジ点の中心の位置をトロリ線６の重心位置として検出する。トロリ線偏位実座標変換計算部４ｆは、トロリ線重心位置検出部４ｅにおいて検出したトロリ線６の重心位置に対し、その変化を実際のトロリ線の偏位量に換算する。

トロリ線摩耗部分幅計算部４ｇは、トロリ線摩耗部分エッジ検出部４ｄにおいて検出した左右のエッジ点から、ラインセンサ画像上における該左右のエッジ点間の幅を算出し、これを実際のトロリ線６の摩耗量に換算する。

以下、図３乃至図６を用いて本実施例の計測用コンピュータ４における処理について説明する。

図３に示すように、本実施例において計測用コンピュータ４は、まず、ラインセンサ画像作成部４ａにおいて、ラインセンサ２から入力される画像信号を時系列的に並べることにより図４に示すようなラインセンサ画像８を作成する処理を行う（ステップＰ１）。

図４に示すように、ラインセンサ画像８には、トロリ線６（摩耗部分６ａおよび摩耗していない部分６ｂ，６ｃ）とともに、背景部分Ａ（例えば、空等）が含まれている。このラインセンサ画像８は、メモリ７ａを経て記録装置５に保存されるほか、パラメータと共にメモリ７ｂを経て判別分析二値化処理部４ｂへ送られる。

ステップＰ１の処理に続いては、判別分析二値化処理部４ｂにおいて、ラインセンサ画像８に対して判別分析二値化処理を行い、図５に示すような二値化ラインセンサ画像９を作成する（ステップＰ２）。即ち、トロリ線摩耗部分６ａはトロリ線６がパンタグラフ１ａ（図１参照）と接触して削られた部分であり、トロリ線６の摩耗していない部分６ｂ，６ｃに比べて強い光沢がある。そこで、ラインセンサ画像８に対して判別分析二値化処理法を用い、トロリ線摩耗部分６ａと、トロリ線６の磨耗していない部分６ｂ，６ｃおよび背景部分Ａとを分ける処理を行う。

ここで、判別分析二値化処理法とは、二値化処理を行う際に、画像の状態に応じて自動的にしきい値を設定する方法である。具体的には、各ラインセンサ画像８におけるヒストグラムにおいて「ある程度の範囲の輝度値で集合する画素数の塊（以下、クラスと呼称する）」に対し、これを二値化したときに、背景とパターン領域に関するクラス内分散とクラス間分散の分散比が最大となるようにしきい値を設定する方法である。このような処理を行うことにより、いかなる画像においても比較的良好なしきい値を設定することができる。判別分析二値化処理部４ｂにおいては、このようにして設定したしきい値に基づき、トロリ線摩耗部分６ａを白、背景部分Ｂを黒とした二値化ラインセンサ画像９を作成する。

上記判別分析二値化処理法を用いることにより、トロリ線６の変位やトロリ線６からの反射光の強さの違いに対応することができる。これにより、しきい値を固定値として設定した場合に比較して、撮像時の環境によってトロリ線摩耗部分６ａ以外が強調・抽出、または摩耗部分６ａ自身が抽出されないといった問題が発生することを防止することができる。

判別分析二値化処理部４ｂによって作成した二値化ラインセンサ画像９は、メモリ７ｂを経てノイズ除去処理部４ｃへ送られる。

ステップＰ２の処理に続いては、ノイズ除去処理部４ｃにおいて、二値化ラインセンサ画像９上のノイズを除去する処理を行う（ステップＰ３）。即ち、ラインセンサ画像８から二値化処理により二値化ラインセンサ画像９を作成した場合、そのままではトロリ線摩耗部分６ａの傷や、背景部分Ａの状態により細かな点状のノイズが二値化ラインセンサ画像９の背景部分Ｂに含まれる場合がある。そこで、二値化処理の膨張、収縮処理を行い、上述したようなノイズの除去を行う。

ノイズ除去処理部４ｃによってノイズを除去された二値化ラインセンサ画像９は、メモリ７ｂを経てパラメータと共にトロリ線摩耗部分エッジ検出部４ｄへ送られる。

ステップＰ３の処理に続いては、トロリ線摩耗部分エッジ検出部４ｄにおいて、トロリ線６の摩耗部６ａのエッジを検出する処理を行う（ステップＰ４）。即ち、ノイズや既存構造物を除去した二値化ラインセンサ画像９上において白で表されているトロリ線摩耗部分６ａの両側端を、図６に示すようにエッジ部６ｄ，６ｅとして検出する。

より詳しくは、二値化ラインセンサ画像９の横方向のラインについて例えば左から右へ探索した場合に、背景部分Ｂの黒から摩耗部分６ａの白へ変化する点を、摩耗部分６ａの左側のエッジ部６ｄを構成するエッジ点とする。また、摩耗部分６ａの白から背景部分Ｂの黒へ変化する点を、摩耗部分６ａの右側のエッジ部６ｅを構成するエッジ点とする。この処理を、二値化ラインセンサ画像９の上から下へライン毎に行う。これにより、一枚の二値化ラインセンサ画像９における摩耗部分６ａのエッジ部６ｄ，６ｅが検出される。

トロリ線摩耗部分エッジ検出部４ｄによって検出されたエッジ部６ｄ，６ｅのデータはエッジデータとしてメモリ７ｂを経てトロリ線重心位置検出部４ｅへ送られる一方、パラメータおよびトロリ線高さデータとともにトロリ線摩耗部分幅計算部４ｇへ送られる。なお、トロリ線高さデータは、例えば特許文献１に開示されているように外部から入力する、または、特許文献２に開示された方法を用いて求めるなど、既知の手法により取得すればよい。

ステップＰ４に続いては、トロリ線重心位置検出部４ｅにおいて、トロリ線６の重心位置を算出する処理を行う（ステップＰ５）。即ち、トロリ線６の摩耗面は車両１の屋根上に対して水平に摩り減っていること、またトロリ線６の摩耗面は断面が円形状のものに対し、その表面を一方向から平らに削った状態とみなすことができ、トロリ線６の軸線とその摩耗面の幅方向の中心とは水平方向の位置が一致することを利用し、ステップＰ４において、ライン毎に検出したトロリ線摩耗部分６ａの両側のエッジ部６ｄ，６ｅの中心６ｆの位置を二値化ラインセンサ画像９上のトロリ線６の重心の座標として検出する。

トロリ線重心位置検出部４ｅによって検出された画像上の重心座標データはメモリ７ｂを経てパラメータと共にトロリ線偏位実座標変換計算部４ｆに送られる。

ステップＰ５に続いては、トロリ線偏位実座標変換計算部４ｆにおいて、トロリ線重心位置検出部４ｅによって求めたエッジ部６ｄ，６ｅの中心６ｆの位置についてその変位を算出し、これを実座標に変換するための計算を行う（ステップＰ６）。即ち、ステップＰ５で検出された座標データは二値化ラインセンサ画像９上の位置であり、その単位はピクセル（pixel）で表される。これを実際のトロリ線６の偏位量Ｄ［ｍｍ］に換算する。

実座標に変換された実際のトロリ線６の偏位量Ｄ［ｍｍ］は、図８に示すように、ステップＰ５で検出されたエッジ部６ｄ，６ｅの中心６ｆのセンサ面１１上の座標をｄ［pixel］、センサ面１１の長さ（センサ長）をｓ［ｍｍ］、レール１３（図１参照）からラインセンサ２のセンサ面１１までの距離をｈ_s［ｍｍ］、レンズの焦点距離をｆ［ｍｍ］、ラインセンサ２のセンサ数をｐ［pixel］、レール１３からトロリ線６までの実際の高さをｈ［ｍｍ］とすると、下記（１）式により求めることができる。

トロリ線偏位実座標変換計算部４ｆにおいて算出されたトロリ線の実際の偏位量は、トロリ線実座標偏位データとしてメモリ７ｂを経て記憶装置５に送られる。なお、図８中、符合１０はラインセンサ２の視野とトロリ線６の摩耗面に同一な平面とが交差した部分である実座標面、Ｗはトロリ線摩耗部分６ａの実際の幅、ｗは二値化ラインセンサ画像９上に現れるトロリ線摩耗部分６ａの幅を示している。

また、本実施例においては、ステップＰ５、ステップＰ６の処理と並行して、ステップＰ４の処理に続き、トロリ線摩耗部分幅計算部４ｇにおいて、トロリ線摩耗部分６ａの実際の幅Ｗ［ｍｍ］を求める処理を行う（ステップＰ７）。

即ち、トロリ線摩耗部分幅計算部４ｇでは、まず、二値化ラインセンサ画像９から検出したトロリ線摩耗部分６ａの両側のエッジデータを用いて、ラインセンサ２のひとつの走査線上にあるエッジ部６ｄ，６ｅ間の距離をトロリ線摩耗部分６ａの画像上の幅ｗ［pixel］として求める。続いて、メモリ７ｂを経て入力されたレール１３からトロリ線６までの実際の高さｈ［ｍｍ］、ラインセンサ２のレンズの焦点距離ｆ［ｍｍ］、ラインセンサ２のセンサ長ｓ［ｍｍ］、センサ画素数から１画素（ピクセル）に対する実寸法［ｍｍ］の度合いである画像分解能［ｍｍ／ピクセル］を計算し、トロリ線摩耗部分６ａの二値化ラインセンサ画像９上の幅と画像分解能の乗算を行ってトロリ線摩耗部分６ａの実際の幅Ｗ［ｍｍ］を求める。

トロリ線摩耗部分幅計算部４ｇにおいて算出されたトロリ線摩耗部分６ａの実際の幅Ｗは、トロリ線摩耗部分幅データとしてメモリ７ｂを経て記憶装置５に送られる。

このような処理を行うことにより、本実施例において計測用コンピュータ４は、トロリ線６の偏位量Ｄ［ｍｍ］と、トロリ線６の摩耗幅Ｗ［ｍｍ］とを並行して測定することができる。

記録装置５は、計測用コンピュータ４から入力されたラインセンサ画像８を入力画像として保存するほか、二値化ラインセンサ画像９、各種パラメータ、トロリ線摩耗部分エッジ検出部４ｄにおいて検出されたエッジデータ、トロリ線重心位置検出部４ｅにおいて検出された画像上のトロリ線６の重心座標データ、トロリ線偏位実座標変換計算部４ｆにおいて算出されたトロリ線実座標偏位データ、トロリ線摩耗部分幅計算部４ｇにおいて算出されたトロリ線摩耗部分幅データ等を保存する。

上述した本実施例に係る画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置によれば、ひとつの計測用コンピュータ４でトロリ線６の偏位量Ｄ［ｍｍ］とトロリ線６の摩耗幅Ｗ［ｍｍ］とを検出することができるため、測定に掛かるコストを維持しつつ、利便性を向上させることができる。

なお、本発明に係る画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述した実施例ではトロリ線６の偏位量Ｄ［ｍｍ］と摩耗幅Ｗ［ｍｍ］とを同時に算出する例を示したが、本発明に係るトロリ線の摩耗及び偏位測定装置はこのような用途に限らず、目的に応じてトロリ線６の偏位量Ｄ［ｍｍ］のみ、あるいはトロリ線６の摩耗幅Ｗ［ｍｍ］のみを算出することが可能であることはいうまでもない。

本発明は、画像処理によるトロリ線摩耗測定装置に適用して好適なものである。

本発明の実施例に係る画像処理によるトロリ線摩耗測定装置の設置例を示す説明図である。 本発明の実施例の計測用コンピュータの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例の摩耗測定の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例におけるラインセンサ画像の一例を示す説明図である。 図４に示すラインセンサ画像を二値化処理してなる二値化ラインセンサ画像の一例を示す説明図である。 図５に示す二値化ラインセンサ画像においてトロリ線のエッジ部を抽出した例を示す説明図である。 図６に示すエッジ部から求めた重心の例を示す説明図である。 実際のトロリ線の位置とラインセンサ画像上のトロリ線の位置との関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 車両
２ ラインセンサ
３ 照明装置
４ 計測用コンピュータ
４ａ ラインセンサ画像作成部
４ｂ 判別分析二値化処理部
４ｃ ノイズ除去処理部
４ｄ トロリ線摩耗部分エッジ検出部
４ｅ トロリ線重心位置検出部
４ｆ トロリ線偏位実座標変換計算部
４ｇ トロリ線摩耗部分幅計算部
５ 記録装置
６ トロリ線
６ａ 摩耗部分
７ａ，７ｂ メモリ
８ ラインセンサ画像
９ 二値化ラインセンサ画像
１０ 実座標面
１１ センサ面
１２ ラインセンサの焦点
１３ レール

Claims (3)

1. 走査線方向を車両の進行方向に対して垂直且つ水平にしたラインセンサによって撮像された画像を時系列的に並べてなるラインセンサ画像を作成するラインセンサ画像作成手段と、
   前記ラインセンサ画像に対して二値化処理を行い、撮像されたトロリ線の摩耗部分を強調した二値化ラインセンサ画像を作成する二値化処理手段と、
   前記二値化ラインセンサ画像に対して、前記摩耗部分の両側のエッジを検出するエッジ検出手段と、
   前記摩耗部分の両側のエッジの位置から前記トロリ線の重心位置を検出するトロリ線重心位置検出手段と、
   前記トロリ線重心位置検出手段で検出された前記トロリ線の重心位置の前記ラインセンサのセンサ面上の座標ｄ［pixel］、前記ラインセンサのセンサ面のセンサ長ｓ［ｍｍ］、レールから前記ラインセンサのセンサ面までの距離ｈ _s ［ｍｍ］、レンズの焦点距離ｆ［ｍｍ］、前記ラインセンサのセンサ数ｐ［pixel］、前記レールから前記トロリ線までの実際の高さｈ［ｍｍ］としたときに、下記（１）式により前記トロリ線の実際の偏位量Ｄを検出するトロリ線偏位量計算手段と、
   少なくとも前記トロリ線偏位量計算手段による処理と並行して、前記高さｈ［ｍｍ］、前記焦点距離ｆ［ｍｍ］、前記センサ長ｓ［ｍｍ］及び前記センサ数ｐ［pixel］から計算される１画素（ピクセル）に対する実寸法［ｍｍ］の度合いである画像分解能［ｍｍ／ピクセル］に、前記エッジ検出手段により検出されるエッジ間の距離である前記トロリ線摩耗部分の画像上の幅ｗ［pixel］を乗算することにより前記トロリ線の摩耗量を検出可能に構成されたトロリ線摩耗量計算手段と
   からなることを特徴とする画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置。
   Ｄ＝（ｈ‐ｈ _s ‐ｆ）・ｓ・ｄ／ｐ・ｆ ‥‥（１）
2. 前記二値化処理手段が、前記ラインセンサ画像の状態に応じて自動的にしきい値を決定する判別分析二値化処理により、前記ラインセンサ画像に対して二値化処理を行い、前記二値化ラインセンサ画像を作成する
   ことを特徴とする請求項１記載の画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置。
3. 前記二値化ラインセンサ画像上のノイズを除去するノイズ除去手段を備える
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の画像処理によるトロリ線の摩耗および偏位測定装置。