CN102428341A - 受电弓位移测定装置以及滑触线硬点检测方法 - Google Patents

Abstract

通过处理由线传感器照相机(2)摄影标记所得到的图像而求出受电弓的加速度的图像处理部(5A)，具有：输入图像制作部(5a)，制作输入图像；模板设定部(5b)，设定模板；图像分割处理部(5c)，分割输入图像；模板放大/缩小处理部(5d)，进行模板的缩放；模式匹配处理部(5e)，检测输入图像上的标记的像素位置；受电弓位移计算部(5f)，将标记的像素位置转换为受电弓的实际的位移；滤波处理部(5g)，对受电弓的位移进行平滑化处理；以及加速度输出部(5h)，输出受电弓的加速度，因此模式匹配处理的精度得到提高。

Description

受电弓位移测定装置以及滑触线硬点检测方法

技术领域

本发明涉及一种受电弓位移测量装置以及滑触线硬点检测方法，特别是涉及使用由线传感器照相机摄影到的受电弓的图像并通过模式匹配处理来测量滑触线的硬点的受电弓位移测量装置以及滑触线硬点检测方法，该受电弓安装了硬点测量用的标记。

背景技术

在电气铁路设备中，作为检查项目之一可例举滑触线的硬点的测量。例如，滑触线为通过吊架悬挂于吊线的状态。设置有该吊架的位置、除此以外的滑触线的连接位置以及具有拉紧夹的部分等与其它部分相比，滑触线的重量局部地增加，被称作“滑触线的硬点”。

当设置于车辆的顶棚上的作为在滑触线上滑动的集电装置的受电弓通过该滑触线的硬点时，有时受电弓由于滑触线的重量而急剧地下降。在这种情况下，滑触线从受电弓脱线，产生被称作电弧的放电现象。此时在滑触线中由于电弧所产生的热量而产生局部磨损。因此，认为在滑触线的硬点处，与其它部分相比加快了磨损的发展。

由以上情况可知，检测滑触线的硬点在保养、运用/管理电气铁路设备方面成为重要的事项。

如上述那样地，在滑触线的硬点处在受电弓上在铅直方向上产生大的加速度。因此，为了检测滑触线的硬点，只要监视位移与滑触线等价的受电弓的铅直方向的加速度即可。受电弓的加速度能够通过测量受电弓的位移并对其进行二阶微分而求出。

以往，作为受电弓的位移测量方法公知有如下方式。

(1)激光传感器方式

该方式如下：通过反射镜等以激光来扫描受电弓，根据反射波的相位差、反射的激光形状的变形等来测量受电弓的位移。

(2)光切断传感器方式

该方式如下：向受电弓投射条纹状的光，接收对应于受电弓的形状而变为凹凸的条纹光，从而测量受电弓的位移。

(3)图像处理方式

该方式如下(例如，参照专利文献1、2)：通过设置在车辆的顶棚上的线传感器照相机摄影受电弓，在处理用计算机中对所摄影到的图像进行模型匹配、模式匹配等处理，从而测量受电弓的位移。

上述方式中的图像处理方式如下：从通过线传感器照相机所摄影到的受电弓的图像中提取与预先准备好的受电弓的模型匹配的图像上的像素位置，根据从线传感器照相机到受电弓的距离、摄影器具的透镜的焦点距离等，从图像上的像素位置计算出受电弓的实际高度。

该图像处理方式从所摄影到的受电弓的图像中检测与预先取得的受电弓的模型匹配的像素位置、或在设置于车辆的顶棚上的受电弓上安装白黑的条纹花纹的标记、并通过模式匹配从通过线传感器照相机所摄影到的图像中检测标记位置、即受电弓的位置。

而且，在检测了图像上的受电弓的位置之后，根据到受电弓的距离、透镜的焦点距离等的关系，将图像上的像素位置转换为实际的受电弓位移。通过对这样求出的受电弓的位移进行二阶微分而计算出加速度。另外，如专利文献2那样，通过使用线传感器照相机来提高空间分辨率，能够提高精度。与激光传感器方式、光切断方式相比，该方式的装置变得小型化，因此具有如下优点：不仅能够搭载在为测量专用而制造的检测车上，而且还能够搭载在营运车上。

专利文献1：日本特开2006-250774号公报

专利文献2：日本特开2008-104312号公报

发明内容

然而，在使用了线传感器照相机的方式中，如图13所示，为了摄影安装在受电弓1a上的标记4，线传感器照相机2设置在车辆1的顶棚上使得仰望斜上方。

这里，如图13所示，在从线传感器照相机2到受电弓1a的距离长的情况下，该线传感器照相机2的照相机仰角θ_A变小。另一方面，在从线传感器照相机2到受电弓1a的距离短的情况下，该线传感器照相机2的照相机仰角θ_B变大。下面，将在图13中以实线表示的线传感器照相机、以虚线表示的线传感器照相机2分别称作线传感器照相机2A、2B。

在图14(a)、图14(b)分别表示由线传感器照相机2A、线传感器照相机2B所摄影到的标记4的输入图像例。如图14(a)所示，在使用了线传感器照相机2A的情况下，照相机仰角θ_A小，因此在输入图像6A内标记的轨迹M为大致相同的宽度，几乎没有基于受电弓1a的高度的分辨率的差异。与此相对，如图14(b)所示，在使用了线传感器照相机2B的情况下，照相机仰角θ_B大，因此标记的轨迹M根据高度而不同，在输入图像6B内在基于受电弓1a的高度的分辨率上产生差异。

此外，在图14中，与时刻T_I的范围相对应的图像表示受电弓1a位于图13所示的I的位置的情况，与时刻T_II的范围相对应的图像表示受电弓1a位于图13所示的II的位置的情况，与时刻T_III的范围相对应的图像表示受电弓1a位于图13所示的III的位置的情况。

例如，如在图14中以虚线包围而示出的那样，在将受电弓1a位于II(＝时刻T_II)所示的位置时所取得的标记4的图像作为模式匹配用的模板7取得的情况下，如图14(a)所示那样地对通过线传感器照相机2A所摄影到的图像6A进行模式匹配处理时模式匹配成功的可能性高，与此相对，如图14(b)所示那样地对通过线传感器照相机2B所摄影到的图像6B进行模式匹配处理时模板7的尺寸不合，存在可能模式匹配失败这样的问题。

由此，本发明的特征在于，提供一种能够提高模式匹配处理的精度的受电弓位移测量装置以及滑触线硬点检测方法。

用于解决上述课题的第1发明的受电弓位移测量装置，具备设置在列车的顶棚上而摄影受电弓的摄影单元、以及通过对由所述摄影单元所摄影到的输入图像进行图像处理来取得受电弓的位移的图像处理单元，该受电弓位移测量装置的特征在于，所述图像处理单元具有：输入图像制作单元，使用从所述摄影单元输入的图像信号制作输入图像；模板设定单元，设定模板；图像分割处理单元，根据由校准单元所取得的各像素的分辨率而将所述输入图像分割为规定数量的区间；模板放大/缩小处理单元，根据所述输入图像上的每个所述区间的分辨率进行所述模板的放大或者缩小；模式匹配处理单元，从所述模板和所述输入图像检测所述输入图像中的标记的像素位置；受电弓位移计算单元，根据所述标记的像素位置计算所述受电弓的实际位移；滤波处理单元，对所述受电弓的位移的数据进行平滑化处理；以及加速度输出单元，输出根据由所述平滑化处理单元进行平滑化后的所述受电弓的位移数据计算出的所述受电弓的加速度。

另外，这里所说的“校准单元”是指例如使用日本特愿2009-011648的校准方法求出各像素的分辨率的单元。

第2发明的受电弓位移测量装置，其特征在于，在第1发明的受电弓位移测量装置中，所述模式匹配处理单元根据对紧前的线进行的模式匹配处理的结果而只对所述输入图像的规定的范围进行模式匹配处理。

第3发明的受电弓位移测量装置，其特征在于，在第1发明的受电弓位移测量装置中，所述模式匹配处理单元根据从所述输入图像检测出的与所述模板的相关值设定所述模板的移动量。

第4发明的受电弓位移测量装置，其特征在于，在第1至第3中的任一项发明的受电弓位移测量装置中，所述模式匹配处理单元在所述标记的轨迹跨越邻接的二个所述区间的情况下，以在紧前的线中检测到的所述标记的位置为基准，自动地修正所述区间的位置使得所述标记的轨迹包含在一个所述区间中。

第5发明的受电弓位移测量装置，其特征在于，在第1至第4中的任一项发明的受电弓位移测量装置中，所述模式匹配处理单元粗略地检测所述标记的轨迹的中心位置，计算出从所述中心位置起的所述模板的宽度的一半的范围的平均亮度值，将该值作为阈值来提取所述标记的轨迹。

此外，这里所说的“粗略”是指如下程度：以在模式匹配处理中在匹配结果中不产生误差的范围来检测标记中心位置。

第6发明的滑触线硬点检测方法，使用受电弓位移测量装置来检测滑触线的硬点，该受电弓位移测量装置具备设置在列车的顶棚上而摄影受电弓的摄影单元、以及通过对由所述摄影单元摄影到的输入图像进行图像处理而取得受电弓的位移的图像处理单元，该滑触线硬点检测方法的特征在于，包括：第一工序，预先设定模板；第二工序，使用从所述摄影单元输入的图像信号制作输入图像；第三工序，根据由校准单元取得的各像素的分辨率而将所述输入图像分割为规定数量的区间；第四工序，根据所述输入图像上的每个所述区间的分辨率进行所述模板的放大或者缩小；第五工序，通过模式匹配处理而从所述模板和所述输入图像中检测所述输入图像中的标记的像素位置；第六工序，根据所述标记的像素位置计算出所述受电弓的实际的位移；第七工序，对所述受电弓的位移的数据进行平滑化处理；以及第八工序，输出根据由所述平滑化处理单元进行平滑化后的所述受电弓的位移数据而计算出的所述受电弓的加速度。

此外，这里所说的“校准单元”是指例如使用日本特愿2009-011648的校准方法求出各像素的分辨率的单元。

第7发明的滑触线硬点检测方法，其特征在于，在第6发明的滑触线硬点检测方法中，根据对紧前的线进行的模式匹配处理的结果，只对所述输入图像的规定的范围进行所述第五工序。

第8发明的滑触线硬点检测方法，其特征在于，在第6发明的滑触线硬点检测方法中，通过根据从所述输入图像检测出的与所述模板的每个像素位置的相关值来设定所述模板的移动量而进行所述第五工序。

第9发明的滑触线硬点检测方法，其特征在于，在第6至第8中的任一项滑触线硬点检测方法中，在所述标记的轨迹跨越邻接的二个所述区间的情况下，通过以在紧前的线中检测出的所述标记的位置为基准，自动地修正所述区间的位置使得所述标记的轨迹包含在一个所述区间中而进行所述第五工序。

第10发明的滑触线硬点检测方法，其特征在于，在第6至第9中的任一项滑触线硬点检测方法中，通过粗略地检测所述标记的轨迹的中心位置，并计算出从所述中心位置起的所述模板的宽度的一半的范围的平均亮度值，将该值作为阈值而进行所述第五工序。

此外，这里所说的“粗略”是指如下程度：以在模式匹配处理中在匹配结果中不产生误差的范围来检测标记中心位置。

根据上述的第1发明的受电弓位移测量装置，在具备设置在列车的顶棚上而摄影受电弓的摄影单元、以及通过对由摄影单元所摄影到的输入图像进行图像处理而取得受电弓的位移的图像处理单元的受电弓位移测量装置中，图像处理单元具有：输入图像制作单元，使用从摄影单元输入的图像信号制作输入图像；模板设定单元，设定模板；图像分割处理单元，根据由校准单元所取得的各像素的分辨率而将输入图像分割为规定数量的区间；模板放大/缩小处理单元，根据输入图像上的每个区间的分辨率进行模板的放大或者缩小；模式匹配处理单元，从模板和输入图像中检测标记的像素位置；受电弓位移计算单元，根据标记的像素位置计算出受电弓的实际位移；滤波处理单元，对受电弓的位移的数据进行平滑化处理；以及加速度输出单元，输出根据由平滑化处理单元进行平滑化后的受电弓的位移数据计算出的受电弓的加速度，因此能够自动地求出恰当的图像分割数，适当地进行模式匹配处理而高精度地检测标记的像素位置，求出滑触线的硬点。

另外，根据第2发明的受电弓位移测量装置，模式匹配处理单元根据对紧前的线进行的模式匹配处理的结果而只对输入图像的规定的范围进行模式匹配处理，因此能够缩短处理时间，并且能够降低检测到噪声等的概率。

另外，根据第3发明的受电弓位移测量装置，所述模式匹配处理单元根据从输入图像检测出的与模板的相关值来设定模板的移动量，因此能够通过与相关值低的情况相比，将在相关值高的情况下的模板的移动量设定得小，从而有效地进行模式匹配处理。

另外，根据第4发明的受电弓位移测量装置，模式匹配处理单元在标记的轨迹跨越邻接的二个区间的情况下，以在紧前的线中检测到的标记的位置为基准，自动地修正区间的位置使得标记的轨迹包含在一个区间中，因此能够防止由于在模式匹配的处理范围内存在划分位置而在处理范围内产生模板的切换处理，从而有效地进行模式匹配处理。

另外，根据第5发明的受电弓位移测量装置，模式匹配处理单元粗略地检测标记的轨迹的中心位置，并计算出从中心位置到模板的宽度的一半的范围的平均亮度值，将该值作为阈值来提取标记的轨迹，因此能够防止由于在图像的划分位置变更模板尺寸而导致模式匹配结果偏差几个像素的情况，能够消除划分位置的误差，并且相对于图像整体的亮度变化能够稳定地进行边缘提取。

另外，根据第6发明的滑触线硬点检测方法，使用受电弓位移测量装置来检测滑触线的硬点，该受电弓位移测量装置具备设置在列车的顶棚上并摄影受电弓的摄影单元、以及通过对由摄影单元进行摄影的输入图像进行图像处理而取得受电弓的位移的图像处理单元，该滑触线硬点检测方法包括：第一工序，预先设定模板；第二工序，使用从摄影单元输入的图像信号制作输入图像；第三工序，根据由校准单元所取得的各像素的分辨率而将输入图像分割为规定数量的区间；第四工序，根据输入图像上的每个区间的分辨率来进行模板的放大或者缩小；第五工序，通过模式匹配处理从模板和输入图像中检测标记的像素位置；第六工序，根据标记的像素位置计算出受电弓的实际的位移；第七工序，对受电弓的位移的数据进行平滑化处理；以及第八工序，输出根据由平滑化处理单元进行平滑化后的受电弓的位移数据而计算出的受电弓的加速度，因此能够自动地求出恰当的图像分割数，并适当地进行模式匹配处理而高精度地检测标记的像素位置，并求出滑触线的硬点。

另外，根据第7发明的滑触线硬点检测方法，根据对紧前的线进行的模式匹配处理的结果而只对输入图像的规定的范围进行第五工序，因此能够缩短处理时间，并且能够降低检测到噪声等的概率。

另外，根据第8发明的滑触线硬点检测方法，通过根据从输入图像检测出的与模板的每个像素位置的相关值来设定模板的移动量而进行第五工序，因此通过在相关值低的情况下将模板的移动量设定得大、在相关值高的情况下将模板的移动量设定得小，能够有效地进行模式匹配处理。

另外，根据第9发明的滑触线硬点检测方法，通过在输入图像中的标记的轨迹跨越邻接的二个区间的情况下，以在紧前的线中检测到的标记的位置为基准，自动地修正区间的位置使得标记的轨迹包含在一个区间中而进行第五工序，因此能够防止由于在模式匹配的处理范围内存在划分位置而在处理范围内产生模板的切换处理，从而有效地进行模式匹配处理。

另外，根据第10发明的滑触线硬点检测方法，通过粗略地检测标记的轨迹的中心位置，并计算出从中心位置到模板的宽度的一半的范围的平均亮度值，将该值作为阈值而进行第五工序，因此能够防止由于在图像的划分位置变更模板尺寸而导致模式匹配结果偏差几个像素，能够消除划分位置的误差，并且相对于图像整体的亮度的变化能够稳定地进行边缘提取。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1的受电弓位移测量装置的设置例的说明图。

图2是本发明的实施例1的受电弓位移测量装置的标记的主视图。

图3是表示本发明的实施例1的受电弓位移测量装置的概要结构的框图。

图4是表示本发明的实施例1中的输入图像的一个例子的说明图。

图5是表示本发明的实施例1中的模板的例子的说明图。

图6是表示在本发明的实施例1中分割图像的例子的说明图。

图7是表示本发明的实施例1的受电弓测量处理的流程的流程图。

图8是表示在本发明的实施例3中输入图像中的与模板的相关值的高低的说明图。

图9是表示在本发明的实施例4中在模式匹配的处理范围内存在划分位置时的例子的说明图。

图10是表示重新设定了图9所示的划分位置的例子的说明图。

图11是表示在本发明的实施例5中针对每个区间设定的模板尺寸的例子的说明图。

图12是表示在本发明的实施例5中提取白色区域的边缘的例子的说明图，该白色区域是输入图像上的标记的白色部分的轨迹。

图13是表示受电弓位移测量装置的设置例的说明图。

图14(a)是表示线传感器照相机的仰角小时的输入图像的例子的说明图，图14(b)是表示线传感器照相机的仰角大时的输入图像的例子的说明图。

附图标记说明

1：车辆；2：线传感器照相机；3：照明装置；4：标记；4w：白色部分；4b：黑色部分；5：处理用计算机；5A：运算处理装置；5B：监视器；5a：输入图像制作部；5b：模板设定部；5c：图像分割处理部；5d：模板放大/缩小处理部；5e：模式匹配处理部；5f：受电弓位移计算部；5g：滤波处理部；5h：加速度输出部；6：输入图像；6a：白色区域；6b：黑色区域；7：模板；7a：白色区域；7b：黑色区域；8：划分位置；A₁、A₂、…、A_i、…A_N：区间；W_T：模板尺寸。

具体实施方式

下面，参照附图详细地说明使用了本发明的图像处理的滑触线的硬点测量中的模式匹配精度的提高方法。

实施例1

(使用了针对图像的每个区间进行放大/缩小的模板的模式匹配)

使用图1至图7来说明本发明的受电弓位移测量装置的第1实施例。图1是表示本实施例的受电弓位移测量装置的设置例的说明图，图2是在本实施例中使用的标记的主视图，图3是表示本实施例的受电弓位移测量装置的概要结构的框图，图4是表示输入图像的例子的说明图，图5是表示模板的例子的说明图，图6是表示分割输入图像的例子的说明图，图7是表示本实施例的受电弓测量处理的流程的流程图。

如图1所示，在本实施例中受电弓高度测量装置构成为具备：作为固定在车辆1的顶棚上的摄影单元的线传感器照相机2、照明装置3、标记4以及设置在车辆1的内部的处理用计算机5。

线传感器照相机2设置在车辆1的顶棚上以便摄影受电弓1a。即、线传感器照相机2的朝向设定为其光轴向斜上方、且其扫描线方向与受电弓1a的长方向正交。由该线传感器照相机2所取得的图像信号被输入到处理用计算机5。

照明装置3的朝向以及照射角度被设定为对由线传感器照相机2进行摄影的位置照射光。

标记4由反射光的原材料和不反射光的原材料形成，在受电弓1a的线传感器照相机2侧的端面中在能够由线传感器照相机2来摄影的范围内设置在任意的位置。在本实施例中使用的标记4是如图2所示那样地构成为交互配置两根由反射光的原材料构成的白色部分4w和三根由不反射光的原材料构成的黑色部分4b。该标记4的大小是任意地决定的。

处理用计算机5是通过分析从线传感器照相机2输入的图像来检测受电弓1a的铅直方向的位移的装置，具有作为运算处理单元的运算处理部5A和监视器5B。

如图3所示地，运算处理部5A具备：输入图像制作部5a、模板设定部5b、图像分割处理部5c、模板放大/缩小处理部5d、模式匹配处理部5e、受电弓位移计算部5f、滤波处理部5g、加速度输出部5h以及存储器m1、m2。

作为输入图像制作单元的输入图像制作部5a制作如图4所示那样的输入图像6，该输入图像6是将从线传感器照相机2输入的图像信号按时序排列而成的。如图4所示，因为标记4反射照明装置3的光，所以在输入图像6中标记4的白色部分的轨迹在黑色区域(图中加点来表示的部分)6b中表示为带状的白色区域6a。该输入图像6经由存储器m1、m2根据需要发送给模板设定部5b或者图像分割处理部5c。

作为模板设定单元的模板设定部5b，作为匹配用的模板(下面，称作基准模板)7A而预先从如图4所示那样的输入图像6中取得如图5所示那样的标记图案。详细地说，将在模式匹配处理部5e中的处理时为了提取输入图像6中的标记4所使用的标记图案预先取得为基准模板7A，并将其登记在存储器m2中。基准模板7A经由存储器m2而被发送给模板放大/缩小处理部5d。

如图5所示，基准模板7A是由从为了制作基准模板7A而预先取得的图像中提取标记部分所得到的白色区域7a和黑色区域7b构成的一维的亮度值数据。此时，作为基准模板7A，与在标记4的白色部分4w和其外侧的黑色部分4b的边界来划分图像相比，更希望是划分图像使得如图5所示那样地包含白色部分4w的两侧的黑色部分4b的一部分。由此，基准模板7A的特征量增加，能够降低误检测。此外，在模板设定部5b中，与基准模板7A一起同时地登记偏置宽度W_OS和模板尺寸W_T(参照图4)。

作为图像分割处理单元的图像分割处理部5c，对从输入图像制作部5a输入的输入图像6设置如图6所示那样的划分位置8，将输入图像6分割为规定数量的区间A₁、A₂、…、A_N(下面，将任意的区间称作区间A_i)。全部的区间A_i的信息经由存储器m2而被发送给模板放大/缩小处理部5d。此时，关于区间的数量N，例如根据通过日本特愿2009-011648中的校准方法预先求出的各像素的分辨率而自动地算出、且设定为分辨率变得最低的区间小于分辨率变得最高的区间的分辨率的1.1倍。由此，能够正确地计算出分辨率。

这里，在本实施例中作为区间的数量N，设定为分辨率变得最低的区间的分辨率小于分辨率变得最高的区间的分辨率的1.1倍的理由是基于与模板尺寸W_T有关的验证实验的结果。即基于如下结果：改变从摄影标记4得到的图像中取得出的基准模板7A的尺寸W_T，调查在对取得了基准模板7A的图像进行模式匹配时放大或者缩小到哪种程度时匹配成功。

作为模板放大/缩小处理单元的模板放大/缩小处理部5d进行如下处理：根据从模板设定部5b输入的基准模板7A和从图像分割处理部5c输入的区间A_i的信息，针对各个区间A_i的每一个放大或者缩小基准模板7A并变更其尺寸W_T。针对每个区间A_i变更了尺寸W_T的模板(下面，称作缩放模板)7B_i的数据经由存储器m2被发送给模式匹配处理部5e。

详细地说，针对各个区间A_i的每一个计算对于基准模板7A的放大/缩小率(下面，称作缩放率)，使用作为用于放大/缩小图像的一般方法的双线性内插来放大或者缩小基准模板7A，制作与各个区间A_i相对应的缩放模板7B_i。关于缩放模板7B_i的尺寸W_Ti，在登记基准模板7A时也登记其尺寸W_T，因此能够通过对基准模板7A的尺寸W_T乘以缩放率来求出。

这里，从下述的式(1)～(3)求出缩放率。此外，用于从图像的像素位置转换为实际高度的近似式(4)是例如使用通过日本特愿2009-011648的校准方法所得到的公式。

p_n＝[a(n+1)²+b(n+1)+c]-(an²+bn+c)…(1)

p_ori＝[a(ori+1)²+b(ori+1)+c]-[a(ori)²+b(ori)+c]…(2)

scale＝p_ori/p_n    …(3)

y＝ax²+bx+c  …(4)

这里，“a”，“b”，“c”是用于从像素位置求出实际位移的近似式(4)的系数，“p_n”是要放大/缩小的像素位置n处的分辨率[mm/pix]，“p_ori”是基准模板7A的像素位置ori处的分辨率[mm/pix]，“scale”是缩放率。

在本实施例中，分辨率能够作为与1像素相当的高度[mm]而求出。即分别求出像素位置n的高度[mm]和一个相邻的像素位置n+1的高度[mm]，之后能够通过从像素位置n+1的高度减去像素位置n的高度而求出分辨率[mm/pix]。

此外，在缩放模板7Bi的尺寸W_Ti与基准模板7A的尺寸W_T相同的情况下，将缩放率设为1这就不用说了。

作为模式匹配处理单元的模式匹配处理部5e根据从图像分割处理部5c输入的区间A_i的信息、和从模板放大/缩小处理部5d输入的缩放模板7B_i的数据而针对各区间A_i的每一个进行模式匹配处理，检测输入图像6上的标记4的像素位置。通过模式匹配处理部5e所取得的标记4的像素位置经由存储器m2而被发送给受电弓位移计算部5f。

作为受电弓位移计算单元的受电弓位移计算部5f根据从模式匹配处理部5e输入的输入图像6上的标记4的像素位置，将输入图像6上的标记4的位移转换为实际的受电弓1a的位移。此外，用于将输入图像6上的受电弓1a的轨迹的位移转换为实际的受电弓1a的位移的计算式是例如预先求出通过日本特愿2009-011648等所得到的近似式并使用该近似式。通过受电弓位移计算部5f所得到的实际的受电弓1a的位移数据经由存储器m2被发送给滤波处理部5g。

作为滤波处理单元的滤波处理部5g对从受电弓位移计算部5f输入的位移数据进行平滑化处理。在受电弓1a的实际的位移中，成为带有图像的量化误差的状态。因此，对实际的位移数据实施滤波处理而进行位移数据的平滑化。由此，降低包含在位移数据中的量化误差。平滑化后的位移数据(下面，称作平滑化位移数据)经由存储器m2被发送给加速度输出部5h。

作为加速度输出单元的加速度输出部5h对从滤波处理部5g输入的平滑化位移数据进行二阶微分，计算出标记4、即受电弓1a的铅直方向的加速度。详细地说，通过对由滤波处理进行平滑化后的位移数据进行二阶微分而求出加速度，并将其输出给监视器5B。这里，在本实施例中，将例如受电弓1a的加速度成为20G以上的位置检测为硬点。计算出的加速度的数据经由存储器m2而被输出/显示在监视器5B上。

下面，根据图7简单地说明本实施例的处理用计算机5中的滑触线硬点检测处理的流程。

如图7所示，首先在处理用计算机5中，在模板设定部5b中进行登记基准模板7A的处理(步骤P1)，接着，在输入图像制作部5a中进行制作输入图像6的处理(步骤P2)，该输入图像6是将从线传感器照相机2输出的图像信号按时序排列而成的，之后，在图像分割处理部5c中如图6所示那样地进行将输入图像6分割为期望数量N的区间A₁、A₂、…、A_N的处理(步骤P3)。

接着，在模板放大/缩小处理部5d中针对在步骤P1中登记的基准模板7A与各个区间A_i对应地进行放大或者缩小的处理(步骤P4)，接着，在模式匹配处理部5e中进行对针对输入图像6的各区间A_i的每一个进行放大或者缩小后的缩放模板7B_i与输入图像6进行比较而检测输入图像6上的标记4的位置(像素位置)的模式匹配处理(步骤P5)之后，进行对于一个区间A_i的模式匹配处理是否结束的判定(步骤P6)。当判定的结果为区间A_i未结束的情况下(否)跳转到步骤P7。另一方面，在区间A_i结束了的情况下(是)返回到步骤P4。

在步骤P7中，进行是否对全部的输入图像的数据结束了模式匹配处理的判定。当判定的结果是对全部的输入图像的数据结束了模式匹配处理的情况下(是)跳转到步骤S8。另一方面，在针对全部的输入图像的数据模式匹配处理未结束的情况下(否)返回到步骤P5。

在步骤P8中，根据在受电弓位移计算部5f中检测出的标记位置对全部的输入图像6进行将输入图像6上的标记4的像素位置转换为实际的受电弓1a的位移的处理。

接着，在滤波处理部5g中进行滤波处理(步骤P9)，最后，在加速度输出部5h中进行输出受电弓的加速度的处理(步骤P10)。

根据这样构成的本实施例的受电弓位移测量装置，对如图13(b)那样地以照相机仰角θ_B大的状态进行摄影的输入图像6，如图6所示那样地将该输入图像6分割为规定数量N的区间A₁、A₂、…、A_N，使用以各个区间A_i的分辨率为基准而放大/缩小基准模板7A所得到的缩放模板7B_i进行模式匹配处理，因此能够高精度地进行模式匹配处理。另外，通过利用校准结果，能够针对每个像素正确地计算进行了校准的部分的分辨率。

实施例2

(基于模式匹配处理范围的削减的处理时间的高效化)

说明本发明的受电弓位移测量装置的第2实施例。本实施例与实施例1的不同之处在于模式匹配处理部5e中的处理。其它结构与在实施例1中说明的结构大致相同，下面对起到相同作用的处理部附加同一符号而省略重复的说明，以不同点为中心进行说明。

在本实施例中，作为图7所示的步骤P5的处理，进行下面的处理。

首先，对输入图像6的第1线进行与实施例1相同的模式匹配处理，将检测到的标记位置保存在存储器m2中。之后，对第2线以后的线只针对以对其紧前的线进行模式匹配处理所取得的标记的像素位置为基准的±N_P[pix]的范围进行模式匹配处理。

总之，如果在输入图像6上检测出了一次标记4的轨迹，则在接下来的线中只对以该像素位置为基准的规定的范围进行模式匹配处理。此时进行模式匹配处理的范围±N_P[pix]只要考虑线传感器照相机2的摄影中的每单位时间的标记的移动量(受电弓的上下位移量)来决定即可。

即“普通铁路结构规则第62条”中规定：在列车以超过50km/h的速度行驶的区间通过悬链吊架式或者刚体吊架式来悬挂的情况下，滑触线的倾斜度为5/1000、其它情况下必须小于等于15/1000。倾斜度为5/1000表示在1000m的距离中变化5m高度。

当将线传感器照相机2的采样频率设定为1000Hz(1秒钟内摄影1000线(1ms间隔)的图像)进行说明时，例如，在车辆1以时速50km/h行驶的情况下，1秒钟前进的距离为约13.888m，1ms为约0.013888m。当考虑受电弓1a的上下位移导致的倾斜度为15/1000的情况时，每单位时间(1ms)的受电弓的高度的变动为约0.00021mm。

与此相对，在本实施例中将成为检测硬点的基准的加速度设为20G。这是在单位时间(1ms)内变化了0.1mm时的加速度。当考虑上述的“普通铁路结构规则第62条”时，只要估计每单位时间内10mm的变化就足够了，因此以在紧前的线中检测到的标记4的像素位置为基准，根据图像的分辨率计算在1ms内变化了10mm时的像素宽度N_P[pix]，只要将该范围设为进行模式匹配的范围即可。此外，在本实施例中作为计算出像素宽度N_P[pix]的条件示出了估计每单位时间内10mm的变化的例子，但是作为计算像素宽度N_P[pix]的条件不限于此，也可以根据需要而任意地设定。

在利用线传感器照相机2摄影了受电弓1a的情况下，摄影的每单位时间的受电弓1a的上下位移量小，因此标记4的移动量也变小。这样，如果通过模式匹配处理检测出了一次标记4的像素位置，则只要以该位置为基准在范围±N_P[pix]内进行模式匹配处理即可。当将利用线传感器照相机2摄影到的输入图像6的宽度设为“WIDTH”时，使用在实施例1中模式匹配处理所需的时间t₀由下式(5)表示在本实施例中模式匹配处理所需的时间t。

[数式1]

$t=\frac{2M}{\mathrm{WIDTH}}\·t_0\·\·\·\left(5\right)$

这样，根据本实施例的受电弓位移测量装置，通过以利用模式匹配检测到的紧前的线的标记4的像素位置为基准而只对±N_P[pix]的范围进行模式匹配处理，与实施例1相比能够缩短处理时间。并且，通过缩小进行模式匹配处理的范围，能够降低检测噪声等的可能性。

实施例3

(基于以相关值为基准的模板的移动量的变化的处理时间的高效化)

使用图8说明本发明的受电弓位移测量装置的第3实施例。图8是表示输入图像中的与模板之间的相关值的高低的说明图。

本实施例与实施例1的不同在于模式匹配处理部5e中的处理。其它结构与在实施例1中说明的结构大体相同，下面，对于与图1至图7所示的上述结构起到相同作用的处理部标记同一符号并省略重复的说明，以不同点为中心进行说明。

如图8所示，输入图像6与缩放模板7B_i之间的相关值R在摄影到输入图像6中的标记的轨迹部分最高(R＝R_H)，在其它位置变低(R＝R_L)。另外，相对于实际的输入图像6，摄影有标记4的部分为一部分。

因此，在本实施例中，当对图8所示的输入图像6进行模式匹配时，首先计算作为是否与所登记的基准模板7A相似的指标的相关值R，根据相关值R来变更缩放模板7B_i的移动量，同时进行模式匹配处理。

即，在本实施例中，作为图7所示的步骤S5的处理，在进行实施例1中所说明的步骤P5的处理之前进行下面的处理。

首先，对输入图像6的各像素位置i计算与基准模板7A的相关值R。相关值R能够通过计算下述的式(6)来求出。此外，线传感器照相机2是摄影一维图像的照相机，因此计算成为一维用。

[数式2]

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(W_i\×T_i)}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left(W_i\right)}^2}\·\sqrt{\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left(T_i\right)}^2}}\·\·\·\left(6\right)$

这里，R是相关值，L是模板图像的宽度(使其比搜索图像的宽度小)，W_i是搜索图像的像素位置i的亮度值，T_i是模板图像的像素位置i的亮度值。

接着，根据相关值R来设定模式匹配处理时使缩放模板7B_i移动的量。详细地说，设定缩放模板7B_i的移动量使得：与针对相关值R低的范围的模式匹配处理相比，在针对相关值R高的范围的模式匹配处理时减小缩放模板7B_i的移动量。

相关值最高为1、最低为0。在本实施例中认为：在进行了模式匹配处理的情况下，相关值R在低的位置为0.8左右、高的位置为0.99等的值。因此，根据相关值R，每当相关值R增加0.05时将移动量增加1[pix]，在相关值R大于等于0.95时将缩放模板7B_i的移动量设为1[pix]、在相关值R为0.9～0.85时将缩放模板7B_i的移动量设为2[pix]等，只要根据相关值R来设定模式匹配处理时的缩放模板7B_i的移动量即可。

在本实施例中，在如上述那样地设定了缩放模板7B_i的移动量之后，进行在实施例1中说明的步骤P5的处理。

此外，以手动设定用于变更该相关值R的移动量的阈值(在本实施例中为0.05)。另外，缩放模板7B_i的移动量不限于上述值，可以根据需要而任意设定。

根据这样构成的本实施例的受电弓位移测量装置，与针对每1[pix]进行模式匹配处理的实施例1相比，根据相关值R的高低变更移动量，从而能够有效地进行模式匹配处理。

实施例4

(图像的划分位置的处理的高效化)

使用图9以及图10说明本发明的受电弓位移测量装置的第4实施例。图9是表示在模式匹配的处理范围内存在划分位置时的例子的说明图，图10是表示重新设定了图9所示的划分位置的例子的说明图。

本实施例与实施例1、实施例2相比，不同在于图7所示的步骤P5中的模式匹配处理的方法。其它结构与实施例1、实施例2所示的结构大体相同，下面对与在实施例1、实施例2中说明的结构起到相同作用的处理部附加同一符号并省略重复的说明，以不同点为中心进行说明。

在上述的实施例2中，通过以对紧前的线的模式匹配处理所检测到的标记4的像素位置为基准，限定进行模式匹配处理的范围来实现处理的高效化。但是，在实施例2中，如图9所示那样地在输入图像6的模式匹配的处理范围(以通过对前面的线的模式匹配处理所取得的标记4的像素位置为基准的±N_P[pix]的范围)B内存在划分位置8的情况下，必须针对每个区间(在本实施例中为区间A_i、A_i+1)切换缩放模板7B_i的缩放率。

因此，在本实施例中，在进行模式匹配处理时，在如图9所示那样地在模式匹配的处理范围B内包含划分位置8的情况下，进行如下处理：自动地重新设定划分位置8使得处理范围B内不包含划分位置8，并且重新设定缩放模板7B_i的尺寸使得与新设定的区间A_i相对应。

具体地说，在本实施例中作为图7所示的上述的步骤P5的处理，进行下面的处理。首先，对输入图像6的第1线进行与实施例1相同的模式匹配处理，将检测到的标记4的像素位置保存在存储器m2中。接着，对于第2线以后，以通过对紧前的线的模式匹配处理所检测到的标记4的像素位置为基准，将模式匹配的处理范围B设定为±N_P[pix]。

之后，对从紧前的线得到的标记4的像素位置P[pix]调查有没有包含在P±N_P[pix]的处理范围B内的划分位置8，如果此处未包含划分位置8则使用与紧前的线相同的缩放模板7B_i进行模式匹配。

另一方面，在P±N_P[pix]的范围内包含有划分位置8的情况下，以从紧前的线所得到的标记4的像素位置为基准来设定区间A_i，结合该区间A_i计算缩放模板7B_i的缩放率，设定新的缩放模板7B_i。进行了这种处理之后，进行在实施例1中说明过的模式匹配处理。此外，缩放模板7B_i的缩放率和划分位置8的位置的计算是通过在实施例1中说明的方法而计算出的。

此外，本实施例中，基准模板7A的设定是手动的，之后的缩放模板7B_i的设定是以各图像位置的分辨率为基准而自动地进行的。

根据上述的本实施例的受电弓位移测量装置，在模式匹配的处理范围内存在划分位置的情况下，以从紧前的线得到的标记4的像素位置为基准，自动地新设定缩放模板7B_i和划分位置8的位置使得在处理范围内不包含划分位置8，因此除了实施例2的效果之外，能够更高效地进行模式匹配处理。

实施例5

(基于模板尺寸变更的划分位置的精度提高)

使用图11至图12说明本发明的受电弓位移测量装置的第5实施例。图11是表示针对每个区间设定的模板尺寸的例子的说明图，图12是表示提取白色区域6a的边缘的例子的说明图，白色区域6a是输入图像上的标记4的白色部分4w的轨迹。

在以实施例1～实施例4的方法进行了模式匹配的情况下，如图11所示，当标记4的轨迹(下面，称作标记轨迹)M和区间A_i、A_i+1间的划分位置8交叉时，变为对一个标记轨迹M在二个区间A_i、A_i+1中使用两种缩放模板7B_i、7B_i+1进行模式匹配处理。其结果是有可能在划分位置8模式匹配的结果偏差几个像素。在计算加速度的方面，几个像素的偏差将导致大的误差。

因此，在本实施例中，在如标记轨迹M与区间A_i、A_i+1间的划分位置8交叉那样的情况下，使用缩放模板7B_i预先进行模式匹配处理，粗略地检测标记轨迹M的像素位置，之后以检测出的标记轨迹M的像素位置为基准提取标记轨迹M的边缘。由此，防止由于标记轨迹M与区间A_i、A_i+1间的划分位置8交叉而产生误差。

此外，标记轨迹M的边缘的提取能够使用任意的阈值进行，但在将阈值设为常数时输入图像6整体变暗或变亮的情况下将变得无法正确地提取边缘。因此，计算处理范围内的亮度的平均值并将其设为阈值是优选的。由此，即使图像的亮度值整体地变化也能稳定地进行边缘提取。

即，在本实施例中作为图7所示的步骤P5的处理，进行下面的处理。

首先，在如标记轨迹M与区间A_i、A_i+1间的划分位置8交差那样的情况下，通过使用了缩放模板7B_i的模式匹配处理来粗略地检测标记中心位置P_C。接着，如图12所示，在从标记中心位置P_C到当前的模板尺寸W_T的一半的范围内计算出亮度的平均值B_A。之后，求出亮度值比亮度的平均值B_A还高的区域的最大的像素位置(最高的位置的边缘)P_E，将该位置提取为标记轨迹M的像素位置。

此外，在本实施例中所说的“粗略”设为在模式匹配处理中以在匹配结果中不产生误差的程度来检测标记中心位置的范围。经过实验，模板尺寸W_T的误差的允许范围为±10％左右。

根据这样构成的本实施例的受电弓位移测量装置，通过模式匹配来粗略地检测标记位置，通过以检测出的标记4的像素位置为基准来提取标记4的边缘，在设定于输入图像6的划分位置，不变更模板尺寸就消除了基于图像的划分位置的模板尺寸W_T的变化导致的模式匹配结果的偏差，能够提高精度。另外，通过计算通过模式匹配检测出的标记中心位置到当前的模板尺寸W_T的一半的范围的平均亮度值、将该值用作为边缘提取的阈值，能够相对于输入图像6整体的亮度的变化稳定地进行边缘提取。

产业上的可利用性

本发明能够应用于受电弓位移测量装置以及滑触线硬点检测方法，特别是适合应用于使用以线传感器照相机摄影受电弓的图像并通过模式匹配处理来测量滑触线的硬点的受电弓位移测量装置以及滑触线硬点检测方法，该受电弓安装了硬点测量用的标记。

Claims (10)

1.一种受电弓位移测量装置，具备设置在列车的顶棚上而摄影受电弓的摄影单元、以及通过对由所述摄影单元摄影到的输入图像进行图像处理来取得受电弓的位移的图像处理单元，该受电弓位移测量装置的特征在于，

所述图像处理单元具有：

输入图像制作单元，使用从所述摄影单元输入的图像信号制作输入图像；

模板设定单元，设定模板；

图像分割处理单元，根据由校准单元得到的各像素的分辨率而将所述输入图像分割为规定数量的区间；

模板放大/缩小处理单元，根据所述输入图像上的每个所述区间的分辨率进行所述模板的放大或者缩小；

模式匹配处理单元，从所述模板和所述输入图像检测所述输入图像中的标记的像素位置；

受电弓位移计算单元，根据所述标记的像素位置计算所述受电弓的实际位移；

滤波处理单元，对所述受电弓的位移的数据进行平滑化处理；以及

加速度输出单元，输出根据由所述平滑化处理单元进行平滑化后的所述受电弓的位移数据而计算出的所述受电弓的加速度。

2.根据权利要求1所述的受电弓位移测量装置，其特征在于，

所述模式匹配处理单元根据对紧前的线进行的模式匹配处理的结果只对所述输入图像的规定的范围进行模式匹配处理。

3.根据权利要求1所述的受电弓位移测量装置，其特征在于，

所述模式匹配处理单元根据从所述输入图像检测出的与所述模板的相关值设定所述模板的移动量。

4.根据权利要求1所述的受电弓位移测量装置，其特征在于，

所述模式匹配处理单元在所述标记的轨迹跨越邻接的二个所述区间的情况下，以在紧前的线中检测出的所述标记的位置为基准，自动地修正所述区间的位置使得所述标记的轨迹包含在一个所述区间中。

5.根据权利要求1所述的受电弓位移测量装置，其特征在于，

所述模式匹配处理单元粗略地检测所述标记的轨迹的中心位置，计算出从所述中心位置起的所述模板的宽度的一半的范围的平均亮度值，将该值作为阈值来提取所述标记的轨迹。

6.一种滑触线硬点检测方法，使用受电弓位移测量装置来检测滑触线的硬点，该受电弓位移测量装置具备设置在列车的顶棚上而摄影受电弓的摄影单元、以及通过对由所述摄影单元摄影到的输入图像进行图像处理而取得受电弓的位移的图像处理单元，该滑触线硬点检测方法的特征在于，包括：

第一工序，预先设定模板；

第二工序，使用从所述摄影单元输入的图像信号制作输入图像；

第三工序，根据由校准单元所得到的各像素的分辨率而将所述输入图像分割为规定数量的区间；

第四工序，根据所述输入图像上的每个所述区间的分辨率进行所述模板的放大或者缩小；

第五工序，通过模式匹配处理从所述模板和所述输入图像检测所述输入图像中的标记的像素位置；

第六工序，根据所述标记的像素位置计算所述受电弓的实际的位移；

第七工序，对所述受电弓的位移的数据进行平滑化处理；以及

第八工序，输出根据由所述平滑化处理单元进行平滑化后的所述受电弓的位移数据而计算出的所述受电弓的加速度。

7.根据权利要求6所述的滑触线硬点检测方法，其特征在于，

根据对紧前的线进行的模式匹配处理的结果，只对所述输入图像的规定的范围进行所述第五工序。

8.根据权利要求6所述的滑触线硬点检测方法，其特征在于，

通过根据从所述输入图像检测出的与所述模板的每个像素位置的相关值来设定所述模板的移动量而进行所述第五工序。

9.根据权利要求6所述的滑触线硬点检测方法，其特征在于，

在所述标记的轨迹跨越邻接的二个所述区间的情况下，以在紧前的线中检测到的所述标记的位置为基准，自动地修正所述区间的位置使得所述标记的轨迹包含在一个所述区间中而进行所述第五工序。

10.根据权利要求6所述的滑触线硬点检测方法，其特征在于，

粗略地检测所述标记的轨迹的中心位置，并计算出从所述中心位置到所述模板的宽度的一半的范围的平均亮度值，将该值作为阈值而进行所述第五工序。

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