JP2006250733A - 全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステム並びに記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】遠隔地点から非接触により対象物の表面温度を計測可能な熱画像収録装置及び熱画像収録方法とそのシステムならびに記録媒体を提供する。
【解決手段】地表面や建物表面等の３次元空間の全方向から放射される赤外線を全球熱画像収録装置で検出した放射温度分布画像を放射率及び大気補正を施すことで対象物の表面温度に変換して表示、記録可能な熱画像収録装置及び熱画像収録方法とそのシステム並びに記録媒体を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地表面や建物表面等の３次元的空間から放射される全球の赤外線を検出し、画像化する為の熱画像収録装置及び熱画像収録方法とそのシステム並びに記録媒体に関する。

従来から、樹木や建物等の対象物の全球を視野に納めた熱画像（以下、全球熱画像と記す）を３次元的な空間分布として捕らえることが出来る全球熱画像収録装置やシステムについては本発明者が特許文献１で開示している。

図９は特許文献１に開示された全球熱画像収録装置の系統図を示すものである。図９に於いて、全球熱画像を得るためには、赤外検出カメラ３を旋回雲台１９上で一次走査しながらパン及びチルトさせつつ対象物１の計測ポイントを中心に上下、左右に旋回させて全球に亘って撮像して熱画像を得ている。

上述の図９の構成を具体的に説明すると、樹木、建物等の対象物１から放射する赤外線２の強弱は赤外線検出カメラ３を介して赤外線検出カメラ３内の赤外線検出器３ａで検出される。

赤外線２はウィンド３ｂを介してガルバノミラー等の走査光学系３ｃ、フォーカス用の対物レンズ３ｄ、チョッパ３ｅ、リレーレンズ３ｆ並びに冷却剤（液体窒素やアルゴン等）や冷却素子で冷却されたＨｇＣｄＴｅ等の赤外線検出器３ａを有し、走査光学系３ｃはガルバノドライブ３ｇで、対物レンズ３ｄはフォーカスドライブ３ｈで、チョッパ３ｅはチョッパモータ３ｊで夫々駆動され、対象物１は通常ガルバノドライバ３ｇで走査光学系３ｃを介して２次元的に線順次走査され赤外線の温度分布画像信号の強弱を検出するが、図９の構成では１次元的に走査する様に成される。

赤外線検出カメラ３内の赤外線検出器３ａで検出した対象物１の温度分布画像信号はプリアンプ４に供給され、図示しないが放射率補正、リニアライズイング、レベル調整、センス調整、等の補正調整手段を介してアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）５で標本化及び符号化が行なわれて、デジタル−データに変換される。

ＡＤＣ５からのデジタル−データは画像メモリ６ａ及び６ｂに供給され、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の信号を発生させる疑似カラー発生回路７のカラーパレット（メモリ）７Ｒ，７Ｇ，７Ｂに供給されて、デジタル−データのレベル（温度）に応じて定められた色付けがなされる。

これらカラーパレット７Ｒ，７Ｇ，７Ｂからの各データはデジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ）８（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）でアナログの温度分布カラー画像信号に変換されて陰極線管（ＣＲＴ）や液晶表示装置（ＬＣＤ）等のモニタ用の表示装置９に供給されて画面上に対象物１の画像が色別された温度分布パターンとして表示される。

マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）１０はＡＤＣ５、画像メモリ６ａ及び６ｂ、疑似カラー発生器７、ＤＡＣ８を制御すると共にインタフェース１１を介して赤外線カメラ３のガルバノドライブ３ｇ等が検出カメラコントローラ１２を介して制御している。

ＲＯＭ１３及びＲＡＭ１４等はＣＰＵ１０が通常有しているワーク用のメモリであり操作部１５はキーボード等の入力部である。

上述の様に構成した全球を視野に収めることが可能な熱画像収録装置１６の赤外線検出カメラ３を屋外環境観測車に植立した電動伸縮ポール１８の旋回雲台１９上に載置する。又、三脚等に設置することも出来る。

雲台制御部及び熱画像収録装置１６の制御部を含む表示装置９等も観測車内に配設されている。更に通風筒付乾湿球白金温度計、プロペラ式微風向風速計、ネオ日射計等の気象観測装置が観測車の屋根に配設されている。

赤外線検出カメラ３の光学走査系は目的に応じて三種類の波長帯３〜５μｍ、５．５〜７．９μｍ、８〜１３μｍが用いられ、波長３〜５μｍ帯では赤外線検出器３ａはＩｎＳｂが用いられ、波長５．５〜７．９μｍ及び８〜１３μｍ帯ではＨｇＣｄＴｅが用いられる旨の記載がある。

上述の如き全球熱画像収録装置で観測される対象物１の赤外線検出器３ａで検出した対象物１の温度分布画像信号は対象物１周辺の空間の放射温度分布であり、対象物１の表面温度ではない。即ち、赤外検出カメラ３で低放射率のガラスの様な対象物１を観測すると、対象物１と対向する面からの放射が対象物１に反射して映り、対象物１の正確な表面温度は計測出来なくなる。更に、観測される放射エネルギは、大気の影響を受けて減衰しているので大気に対する補正を施さない限り対象物１の表面温度を計測出来ない。

上記した対象物１への対向面からの反射による映り込み及び大気の減衰による数°Ｃの対象物１の表面温度の観測誤差は、建物や広場等の熱環境の計測や評価に於ける環境観測で大きな問題となる。

又、全球熱画像収録装置に限らず、建物の壁面や地表面の温度等をグローブ温度計、或いは純放射を計測する放射収支計等を用いての温度計測でも限定された特殊な場合を除いては、非接触で対象物１の表面温度を観測することが困難であった。

更に、放射温度から、対象物１の表面温度を計測し把握するには対象物１の放射率等の除去による補正が必要となり、対象物１の表面温度を遠隔から非接触で計測することは出来ない問題があった。
特開平１０−１３６２６３号公報（図３）

本発明は上述の課題を解決するために成されたもので、本発明が解決しようとする課題は、全球熱画像収録装置によって計測した放射温度分布画像を対象物の表面温度分布画像に変換可能な熱画像収録装置及び熱画像収録方法とそのシステム並びに記録媒体を提供することにある。

第１の本発明の全球熱画像収録装置は、対象物から放射される赤外線を赤外線検出カメラにより検出し、画像化する様にした全球熱画像収録装置に於いて、赤外線検出カメラにより対象物の全球を視野に収めた空間の全放射の全球熱画像を検出する全球熱画像検出手段と、全球熱画像に空間の３次元幾何情報を付加して３次元熱画像を得る３次元幾何情報形成手段と、３次元熱画像の各計測面の放射率及び各計測面と対向する反射面の放射率を付加する放射率付加手段と、放射率付加手段で付加された３次元熱画像に光線追跡法でシミュレートを施し、各計測面に映り込んだ対向する反射面からの放射成分を除去する反射面成分除去手段と、を具備し、放射温度から対象物の各計測面の表面温度を演算するように成したものである。又、第２の本発明の全球熱画像収録装置は、第１の発明に於いて、前記全球熱画像の収録時に大気状態を計測する大気計測手段と、大気補正を施す大気補正手段とを具備してなるものである。

第３の本発明の全球熱画像収録方法は対象物から放射される赤外線を赤外線検出カメラにより検出し、画像化する様にした全球熱画像収録方法に於いて、赤外線検出カメラにより対象物の全球を視野に収めた空間の全放射の全球熱画像を検出する全球熱画像検出ステップと、全球熱画像に空間の３次元幾何情報を付加して３次元熱画像を得る３次元幾何情報形成ステップと、３次元熱画像の各計測面の放射率及び各計測面と対向する反射面の放射率を付加する放射率付加ステップと、放射率付加ステップで付加された３次元熱画像に光線追跡法でシミュレートを施し、各計測面に映り込んだ対向する反射面からの放射成分を除去する反射成分除去ステップと、を具備し、放射温度から対象物の各計測面の表面温度を演算するように成したものである。

第４の本発明の全球熱画像収録システムは、対象物から放射される赤外線を検出する赤外線検出カメラシステムと、この赤外線検出カメラシステムからの出力を画像化する様にした熱画像収録システムとより成り、赤外線検出カメラシステムにより対象物の全球を視野に収めた空間の全放射の全球熱画像を検出し、熱画像収録システムは全球熱画像に空間の３次元幾何情報を付加し、この３次元熱画像の各計測面の放射率及び各計測面と対向する反射面の放射率を付加し、この対向する反射面の放射率が付加された３次元熱画像に光線追跡法でシミュレートを施し、各計測面に映り込んだ対向する反射面からの放射成分を除去し、放射温度から対象物の各計測面の表面温度を演算するように成したものである。

第５の本発明の記録媒体は、赤外線検出カメラにより検出した対象物の全球を視野に収めた空間の全球熱画像の放射温度分布の放射率を補正し、対象物の表面温度に変換した擬似カラーに変換したデータを記録したものである。

本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステム並びに記録媒体によれば、放射温度から、表面温度を遠隔から非接触で計測することが可能となり、都市空間や建造物の表面温度分布やヒートアイランド現象の観測及び把握に役立つものが得られる効果を有する。

以下、本発明の１形態例を示す全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステム並びに記録媒体の構成を図１乃至図８によって説明する。図１は本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの１形態例の原理構成を示すフローチャート、図２は本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの１形態例を示す観測される放射温度説明用の線図、図３は本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムによって撮像された全球熱画像を示す全球熱画像図、図４は本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの３次元熱画像図、図５は本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの１実施例を示すフローチャート、図６は本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの撮像時の放射率付加方法を説明するための対象物とカメラの関係を示す説明図、図７は本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの対向する反射面からの放射を説明するための線図、図８は本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムで計測する部屋の間取りを示す平面図である。

図１のフローチャートは図９の従来技術で説明したと同様の赤外線検出カメラ３（ボロメータを用いたカメラでも良い）及び熱画像収録装置１６を用いて対象物１の表面温度の演算方法を示すもので、第１のステップＳ１では赤外線検出カメラ３によって対象物１の建物の壁面である対象面Ｔ１等からの空間の全放射を撮像することで全球熱画像を取得する、この全球熱画像は図３のサーモグラフに示す様に空間の全放射温度分布の観測が可能となり、図２に示す赤外線検出カメラ３から距離Ｌ１にある対象物１の対象面Ｔ１からの放射成分Ａと、隣接する対象物１との間に距離Ｌ２を有する対向する反射面Ｔ２からの放射の反射成分Ｂを含んでいる。従って、赤外線検出カメラ３の赤外検出器３ａの出力の放射成分はＡ＋Ｂとなる。尚、図３は後述するも建物内部の壁面を撮像したもので、５０部分は入口のドア、５１は室内の隣室との境にある入口扉、５２は天井の照明である。

次の第２ステップＳ２では全球熱画像から３次元幾何情報を付加して、図４及び第３ステップＳ３に示す様な３次元熱画像を作成する。

第４ステップＳ４では撮像した壁面毎の各面の指向放射率を与える。第６ステップＳ６では対象物１の対象面Ｔ１と対向する反射面Ｔ２からの放射成分Ｂを除去し、同時に第５ステップＳ５の様に室内の空気の温度や湿度などの環境状態を計測し、大気による放射の減衰の影響を考慮した第７ステップに示す大気補正を行なつた後に第８ステップＳ８に示す様に対象物１の各面の表面温度情報を得ている。

上述の図２に示す対象物１の対象面Ｔ１で観測される放射温度をＴ_Ｒとしたとき下記の数１の式１の関係が成り立つ。

１式でθ_ｎ、Ｌ_ｎ、τ（Ｌ_ｎ）_、Ｔ_ｎ、ε（θ_ｎ）はそれぞれ下記に示すものとする。図２で距離Ｌ_１、Ｌ_２＝Ｌ_ｎ、対象面温度及び対向する対象面温度Ｔ_１、Ｔ_２＝Ｔ_ｎの関係にある。

ここで、

である。
上記した１式から明らかなように観測される対象面の放射温度Ｔ_Ｒは対象面Ｔ１の対象面温度Ｔ_ｎのθ_ｎ方向への放射率ε（θ_ｎ）と光線の対象面Ｔ_ｎへの入射角θ_ｎに大きく依存していることが解り対象面の表面温度Ｔ_ｎは１式から対象面からの放射を減算することで容易に求まる。

次に、図５に示すフローチャートによって、３及び図４で説明したサーモグラフの対象物である室内の壁面等の全球熱画像を取り込み各面の表面温度を演算してサーモグラフ化する方法を詳記する。

先ず、図４の室内の状態を説明するために、図８にサーモグラフ化した図４の俯瞰図の平面図を示す。図４で括弧内の数字は放射温度を示している。図８に於いて、赤外線検出カメラ３を室内の撮像地点５２に置いて全球方向に撮像した場合の（１）乃至（４）方向の構造物を（１）乃至（４）の四角の枠内に示す、５０は建物の入口ドア、５１は隣室との入口扉、５３は階段、５４はエレベータ、５５は（４）方向の壁面、５６は金属製の郵便受けを示し、床から１ｍの距離に置かれた赤外線検出カメラ３の撮像地点５２は階段の左コーナから８ｍの地点に置かれている。天井の高さは３ｍである。

上記した対象物である室内の壁面等の真の表面温度を取得するためのフローチャートを図５に示す。先ず、対象物１である各面の全球熱画像を撮像し、第１ステップＳＴ１に示す様に３次元熱画像を作成する。更に、後述するも対象物１への入射角や材質によって図６の材料１及び材料２に示す様に放射率が異なった値を示すので、第２ステップＳＴ２に示す様に各部の物性データを用意して置く。又、対象物１である壁面への入射角に応じた放射率を記録した例えば、図６の材料１、材料２・・・に示す様なデータベースを別途用意する。ここでは、以下このデータベースを物性ＤＢと記す。

図６は建物５７、５８を赤外線検出カメラ３によって撮像し、全球熱画像５９を取得する場合の一つの手順を示すもので、建物５８の壁面６０を含めた全周の走査はパン方向Ｐに３６０°、チルト方向Ｃに１８０°走査し、壁面６０を含めた全周の走査を完了し、全球熱画像を得る。

今、建物５８の単位ピクセル６１で示す位置を撮像している場合、赤外線検出カメラ３が観測する壁面６０からの放射は当然、大気の影響を受ける。又、建物５７のガラス窓６４に観測される放射は、対向する建物５８のガラス窓６３からの放射成分６５を含んでいる。また、建物５８の単位ピクセル６１にある窓に観測される放射には、対向する天空の雲６２からの放射成分が含まれる。

３次元幾何情報と全球熱画像を統合して作成される３次元熱画像の各面に、第３ステップＳＴ３に示す様に上述の用意した物性ＤＢ番号を割当てる。更に、第１６ステップＳＴ１６に示す様に空間の温度や湿度等の大気状態や多重反射の回数等も設定した初期データをメモリして置く。

３次元熱画像はＣＡＤ等によって描画された３次元幾何モデルに全球熱画像がテクスチャとして貼られたものである。

第４ステップＳＴ４では３次元熱画像の全表面をメッシュ分割し、各メッシュにメッシュ番号、放射温度、物性ＤＢ番号、メッシュの法線ベクトルを保存する。この際に分割生成されたメッシュの位置に貼られているテクスチャの輝度情報を読み取り、放射温度をメモリ等に保存される。又、第１６ステップＳＴ１６で設定された大気状態から第１７ステップＳＴ１７に示す様に大気の透過率を計算し、第１８ステップＳＴ１８の様にメモリ等に保存する。これらの計算はブーゲランベルトの式で行われる。

第５ステップＳＴ５ではメッシュ化された３次元画像が得られる。第６ステップＳＴ６ではレイトレース（光線追跡法）等で、計算対象メッシュの選択がなされる。第７ステップＳＴ７では赤外線検出カメラ３の撮像地点５２を原点とし、壁面上の対象のメッシュに視線を延長する。

次の、第８ステップＳＴ８及び第９ステップＳＴ９では図７のＡ及び図７のＢに示す様に視線の入射角計算と対象のメッシュまでの距離計算がなれる。第１０ステップＳＴ１０では対象のメッシュに対応した物性ＤＢや放射温度等のそのメッシュの情報を取得する。次の第１１ステップＳＴ１１では図７のＣの様に物性ＤＢから入射角を内挿して指向放射率を読み取り、第１２ステップＳＴ１２ではキルヒホッフの法則から放射率を与えることで反射率を算出する。

第１３ステップＳＴ１３では設定した回数だけ反射を追ったか否かの判断がなされＮＯの場合は図７のＤの様に第１４ステップＳＴ１４に進む第１４ステップＳＴ１４では対象対向メッシュの探索が成され、第１５ステップＳＴ１５では対象対向メッシュへの視線延長がなされ、第１５ステップＳＴ１５終了後は第８ステップＳＴ８及び第９ステップＳＴ９の頭に戻される。ここで、図７のＥ及び図７のＦに示す対象対向メッシュの面間距離Ｌ_ｎ＋１や入射角θ_ｎ＋１の計算がなされ、対象対向メッシュの数だけ繰り返して計算が成される。第１３ステップＳＴ１３がＹＥＳの場合は第１９ステップＳＴ１９に進み、１式に基づく放射温度補正が行われる。

第１９ステップＳＴ１９の終了後は第２０ステップＳＴ２０より対象メッシュの表面温度が求められる。第２１ステップＳＴ２１では全てのメッシュに関して表面温度の計算が終了したか否かの判断がなされ、ＹＥＳであれば第２２ステップＳＴ２２に進みＬＣＤ等の表示装置やカラープリンタ、メモリ等の記録媒体に３次元表面温度分布画像を表示或いは印画、記憶する。第２１ステップＳＴ２１がＮＯの場合は第６ステップＳＴ６の頭に戻される。

図７は１式に基づく表面温度計算までの対象メッシュと対象対向メッシュの計算手順を図式化したもので、Ａ、Ｂ・・・Ｈの順序で計算、検索が行われる。即ち、Ａでは赤外線検出カメラ３の原点から対象メッシュまでの距離を計算し、Ｂでは入射角を計算するなどである。図７での図５との対応部分にはステップ番号を付してあるので同一動作の説明は省略する。

本発明の熱画像収録装置及び熱画像収録方法とそのシステム並びに記録媒体によれば、放射温度から、表面温度を遠隔から非接触で計測することが可能となり、都市空間や建造物の表面温度分布やヒートアイランド現象の観測及び把握に役立つものが得られる効果を有する。

従って、本発明によれば、建造物の構造診断やヒートアイランド現象の現状把握などに利用可能となる。これらを列挙すると
（１）構造物の構造診断や剥離診断
（２）断熱診断
（３）熱収支の検討ヒートアイランド形成の影響要因の把握
（４）生活空間の熱環境の問題把握
等の場面での使用が想定されるが特に、（２）乃至（４）では放射温度でなく表面温度が必要となる。

本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの１形態例の原理構成を示すフローチャートである。 本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの１形態例を示す観測される放射温度説明用の線図である。 本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムによって撮像された全球熱画像を示す全球熱画像図である。 本発明に用いるセンサの全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの３次元熱画像図である。 本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの１実施例を示すフローチャートである。 本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの撮像時の放射率付加方法を説明するための対象物とカメラの関係を示す説明図である。 本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムの対向する反射面からの放射を説明するための線図である。 本発明の全球熱画像収録装置及び全球熱画像収録方法とそのシステムで計測する部屋の間取りを示す平面図である。 従来の全球熱画像収録装置の系統図である。

符号の説明

１‥‥対象物、３‥‥赤外線検出カメラ、１０‥‥ＣＰＵ、１６‥‥熱画像収録装置、５２‥‥撮像地点、５７，５８‥‥建物、５９‥‥全球熱画像、６０‥‥壁面、６１‥‥単位ピクセル（メッシュ）、６３，６４‥‥ガラス窓

Claims (8)

1. 対象物から放射される赤外線を赤外線検出カメラにより検出し、画像化する様にした全球熱画像収録装置に於いて、
   前記赤外線検出カメラにより前記対象物の全球を視野に収めた空間の全放射の全球熱画像を検出する全球熱画像検出手段と、
   前記全球熱画像に空間の３次元幾何情報を付加して３次元熱画像を得る３次元幾何情報形成手段と、
   前記３次元熱画像の各計測面の放射率及び該各計測面と対向する反射面の放射率を付加する放射率付加手段と、
   前記放射率付加手段で付加された前記３次元熱画像に光線追跡法でシミュレートを施し、前記各計測面に映り込んだ対向する前記反射面からの放射の反射成分を除去する反射成分除去手段と、
   を具備し、
   前記放射温度から前記対象物の各計測面の表面温度を演算することを特徴とする全球熱画像収録装置。
2. 前記全球熱画像の収録時に大気状態を計測する大気計測手段と、大気補正を施す大気補正手段とを具備してなることを特徴とする請求項１記載の全球熱画像収録装置。
3. 対象物から放射される赤外線を赤外線検出カメラにより検出し、画像化する様にした全球熱画像収録方法に於いて、
   前記赤外線検出カメラにより前記対象物の全球を視野に収めた空間の全放射の全球熱画像を検出する全球熱画像検出ステップと、
   前記全球熱画像に空間の３次元幾何情報を付加して３次元熱画像を得る３次元幾何情報形成ステップと、
   前記３次元熱画像の各計測面の放射率及び該各計測面と対向する反射面の放射率を付加する放射率付加ステップと、
   前記放射率付加ステップで付加された前記３次元熱画像に光線追跡法でシミュレートを施し、前記各計測面に映り込んだ対向する前記反射面からの放射の反射成分を除去する反射成分除去ステップと、
   を具備し、
   前記放射温度から前記対象物の各計測面の表面温度を演算することを特徴とする全球熱画像収録方法。
4. 前記全球熱画像の収録時に大気状態を計測しておくことで、大気補正を施して大気減衰の影響を除去したことを特徴とする請求項３記載の全球熱画像収録方法。
5. 対象物から放射される赤外線を検出する赤外線検出カメラシステムと、該赤外線検出カメラシステムからの出力を画像化する様にした全球熱画像収録システムであって、
   前記赤外線検出カメラシステムにより前記対象物の全球を視野に収めた空間の全放射の全球熱画像を検出し、
   前記熱画像収録システムは前記全球熱画像に空間の３次元幾何情報を付加し、該３次元熱画像の各計測面の放射率及び各計測面と対向する反射面の放射率を付加し、該対向する反射面の放射率が付加された該３次元熱画像に光線追跡法でシミュレートを施し、該各計測面に映り込んだ対向する反射面からの放射を除去し、放射温度から前記対象物の該各計測面の表面温度を演算するように成したことを特徴とする全球熱画像収録システム。
6. 前記全球熱画像の収録時に大気状態を計測しておくことで、大気補正を施して大気減衰の影響を除去したことを特徴とする請求項５記載の全球熱画像収録システム。
7. 赤外線検出カメラにより検出した対象物の全球を視野に収めた空間の全球熱画像の放射温度分布の放射率を補正し、該対象物の表面温度に変換した擬似カラーに変換したデータを記録したことを特徴とする記録媒体。
8. 前記全球熱画像の放射温度分布に更に、大気補正を施して、前記対象物の表面温度に変換した擬似カラーに変換したデータを記録したことを特徴とする請求項７記載の記録媒体。
   

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