JP2008083267A - ラインセンサカメラの焦点合わせ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ラインセンサカメラの焦点合わせを、経験や勘に依存しないで、且つ高価な装置を用いないで行えるようにすること。
【課題手段】 制御部１１は、ラインセンサカメラから１次元データを取得し、データ記憶部１２に記憶する。制御部１１はデータ記憶部１２から設定されたデータ範囲の１次元データを読み出し、１次元データの１次微分値を算出し、続いて前記１次微分値の絶対値を算出し、これを１次微分データとして出力する。制御部１１は前記１次微分データのヒストグラムを算出する。焦点が合っている場合と焦点が合っていない場合では、１次微分データのヒストグラムに顕著な違いが見られる。作業員は、表示部１５に表示された１次微分データのヒストグラムを目視しながら、合焦点を表す顕著なヒストグラムが表示部１５に現れるまで、手動操作部７を操作して焦点位置を変更する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ラインセンサカメラの焦点合わせ装置、特に鉄道トンネルの壁面を撮影するラインセンサカメラの焦点合わせ装置に関する。

鉄道トンネルの保守点検作業は、トンネル壁面を保守作業員が目視で行うだけでなく、ラインセンサカメラで撮影した壁面の映像を解析して行われている。このため、トンネル壁面の撮影映像は鮮明な映像でなければならないので、撮影の際にはラインセンサカメラの焦点が合っていることが必須条件である。

従来、ラインセンサカメラのフォーカスを合わせにおいては、２次元の撮影映像が見られないため、１次元の信号をグラフ化しそのグラフを測定者が見ながらエッジのたち具合などをもとに合焦か否かを判断していた。しかしながら、この従来の焦点合わせ方法は、測定者の経験や勘に大きく依存せざるを得ないという問題がある。

特開平８−１５２５５０号公報（特許文献１）には、ラインセンサからの画像信号の微分絶対値の積算量を求めて合焦点信号とする顕微鏡の自動焦点装置が開示されている。この自動焦点装置は、合焦点位置及び合焦点位置の前後に配置した３つのラインセンサからの画像信号の合焦度値をもとに算出した補正値で焦点検出信号のゲインを一定に補正した信号をフィードバック信号としてフォーカスサーボにかけるため、観察するパターンに影響されずに制御性のよい自動焦点合わせができるものである。しかしながら、３つのラインセンサを必要とするので、装置が高価になるという問題がある。

特開平１０−１１１２１５号公報（特許文献２）には、結像レンズによって受光素子上に結像させる光学系において、前記受光素子の出力を微分し、微分値のピーク値が最大になる位置を結像位置として視度を測定する表示マーク付きアフォーカル光学系の測定方法及び装置が開示されている。しかしながら、受光素子の出力の微分値のピーク値を的確に判断するのは困難で、熟練した測定者しか実行することはできないという問題がある。

ところで、鉄道トンネルには、壁面から数１０センチメートル離間して架線が張ってある。このため、架線が張ってある領域の壁面を撮影すると、ラインセンサカメラの焦点が前記架線に合ってしまい、前記架線の数１０センチメートル後の壁面、即ち保守点検のための撮影対象である壁面の映像がぼやけてしまうと言う問題があった。
特開平８−１５２５５０号公報 特開平１０−１１１２１５号公報

本発明が解決しようとする第１の課題は、ラインセンサカメラの焦点合わせを、経験や勘に依存しないで、且つ高価な装置を用いないで行えるようにすることである。
本発明が解決しようとする第２の課題は、架線の存在の影響を受けないで、鉄道トンネルの壁面を撮影するラインセンサカメラの焦点合わせを行えるようにすることである。

上記課題を解決する第１のラインセンサカメラの焦点合わせ装置は、データの処理範囲を指定するデータ処理範囲指定手段、前記指定されたデータの処理範囲のラインセンサカメラの１次元データの１次微分値を求める１次微分演算手段、前記１次微分演算手段の１次微分値の絶対値を算出して１次微分データを求める１次微分値の絶対値演算手段、前記１次微分データのヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段、前記ヒストグラムを表示させる表示部、及び、前記表示部に表示されたヒストグラムを目視しながら前記ラインセンサカメラの焦点位置を手動で調節する焦点調整機構とで構成されたものである。

上記課題を解決する第２のラインセンサカメラの焦点合わせ装置は、ラインセンサカメラの焦点位置を複数回変更し、それぞれの焦点位置で合焦評価値を求め、最大の合焦評価値が得られた焦点位置を合焦位置とするラインセンサカメラの焦点合わせ装置であって、データの処理範囲を指定するデータ処理範囲指定手段、前記指定されたデータの処理範囲のラインセンサカメラの１次元データの１次微分値を求める１次微分演算手段、前記１次微分演算手段の１次微分値の絶対値を算出して１次微分データを求める１次微分値の絶対値演算手段、前記１次微分データのヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段、データ区間を設定するデータ区間設定手段、及び、前記ヒストグラムの頻度とデータ区間の値とを掛け合わせて前記合焦評価値を求める合焦評価値算出手段とから構成されたことを特徴とするものである。

上記課題を解決する第３のラインセンサカメラの焦点合わせ装置は、データの処理範囲を指定するデータ処理範囲指定手段、前記指定されたデータの処理範囲のラインセンサカメラの１次元データの１次微分値を求める１次微分演算手段、前記１次微分演算手段の１次微分値の絶対値を算出して１次微分データを求める１次微分値の絶対値演算手段、前記１次微分データのヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段、データ区間を設定するデータ区間設定手段、前記ヒストグラムの頻度と前記データ区間の値とを掛け合わせて合焦評価値を求める手段、及び、前記合焦評価値が閾値に一致するように前記ラインセンサカメラの焦点位置調整機構を制御する焦点位置調整手段とから構成されたものである。

本発明により、経験や勘に依存しないで、且つ高価な装置を用いないで行えるラインセンサカメラが提供された。また、本発明により、架線の存在の影響を受けないで、鉄道トンネルの壁面を鮮明に撮影できるラインセンサカメラが提供された。

本発明を実施する最良の形態は、データの処理範囲を指定するデータ処理範囲指定手段、前記指定されたデータの処理範囲のラインセンサカメラの１次元データの１次微分値を求める１次微分演算手段、前記１次微分演算手段の１次微分値の絶対値を算出して１次微分データを求める１次微分値の絶対値演算手段、及び、前記１次微分データのヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段を少なくとも含んで焦点合わせを行うように構成されたラインセンサカメラの焦点合わせ装置である。

本発明の実施例１のラインセンサカメラの焦点合わせ装置は、ラインセンサカメラと信号処理装置１０とで構成されている。前記ラインセンサカメラは、図１に示す如く、被写体１の映像がレンズ２を介して結像するＣＣＤ撮像素子３、カメラ制御部４、モニタ５、焦点調整機構６、手動操作部７を含む。ＣＣＤ撮像素子部３は、３２０１個のＣＣＤ撮像素子が横一列に配置されて構成されている。信号処理装置１０は、ＣＰＵの如き制御部１１、データ記憶部１２、プログラム記憶部１３、設定部１４、表示部１５とで構成されている。信号処理装置１０は、ラインセンサカメラの１次元データを取得するために、その制御部１１を入力線１６を介してラインセンサカメラのカメラ制御部４に接続している。

本発明の実施例１のラインセンサカメラの焦点合わせ装置は、図３のフローチャートに示す流れに従って焦点合わせを行う。処理に先立って、作業員は設定部１４によってデータの処理範囲とデータ区間データを設定する。設定されたデータの処理範囲とデータ区間データは、データ記憶部１３に記憶されている。

先ず、制御部１１は、プログラム記憶部１３に格納されているプログラムに従って入力部４を制御して、ラインセンサカメラから１次元データを取得し、データ記憶部１２に記憶する（１０１）。

続いて、制御部１１はプログラムに従って、データ記憶部１２から設定されたデータ範囲の１次元データｆ(ｘ)を読み出し、１次微分演算処理を行って１次元データの１次微分値ｆ′(x)を算出する（１０２）。続いて、制御部１１は、プログラム記憶部１３に格納されているプログラムに従って、前記１次微分値ｆ′(ｘ)の絶対値を算出する演算処理、即ち数式１の演算を行い、これを１次微分データとして出力する（１０３）。

焦点が合っている場合には、図６に示す如く、隣接するＣＣＤ撮像素子の間で輝度値の変化が急激に生じる。その結果、焦点が合っている場合の１次微分データは太線で描いたような不規則な鋸歯状波形を示している。これに対して、焦点が合っていない場合には、図７に示す如く、隣接するＣＣＤ撮像素子の間で輝度値の変化が緩やかに生じる。その結果、焦点が合っていない場合の１次微分データは細線で描いたような不規則な鋸歯状波形を示している。これらの波形は、表示部１５に表示させることもできる。

続いて、制御部１１はプログラムに従って、前記１次微分データのヒストグラムを算出する（１０４）。前記１次微分データのヒストグラムの算出は、データ記憶部１２に記憶されているデータ区間毎の１次微分データの出現頻度を算出する処理である。データ区間のデータは、１次微分データのヒストグラムを作成するために設定した一種の階調であり、ここでは０から３０のデータ区間を設けてある。ステップ１０４に続いて、制御部１１は前記１次微分データのヒストグラムを表示部１５に表示させる。

焦点が合っている場合の図６に示す１次微分データのヒストグラムは、図８に示す如くである。即ち、焦点が合っている場合には、ヒストグラムはデータ区間０からデータ区間３０の全てに現れ、ヒストグラムの頻度はデータ区間１の３５２が最大で、その後はデータ区間１からデータ区間３０に向かって徐々に値が低下している。これに対して、焦点が合っていない場合の図７に示す１次微分データのヒストグラムは、図９に示す如くである。即ち、焦点が合っていない場合には、ヒストグラムはデータ区間０からデータ区間１３までに現れ、ヒストグラムの頻度はデータ区間１の１１００が最大で、その後はデータ区間１からデータ区間１４に向かって急激に低下している。

図８と図９を比較すると、焦点が合っている場合と焦点が合っていない場合では、１次微分データのヒストグラムに顕著な違いが見られる。このような顕著な違いは、ラインセンサカメラのモニター５に表示される被写体の二次元映像からは得られないものである。

作業員は、表示部１５に表示された１次微分データのヒストグラムを目視しながら、当該ヒストグラムが合焦点を表すものか否かを判定する（１０６）。即ち、図８に示すような特徴あるグラフであるか否かを判定する。ステップ１０６の判定がＹＥＳならば、焦点合わせを終了する。

ステップ１０６の判定がＮＯならば、作業員は手動操作部７を操作して焦点位置を変更する（１０７）。すると、処理の流れは最初のステップ１０１に戻る。以下、ステップ１０６の判定がＹＥＳになるまで、上述の流れに沿った処理がなされる。

ところで、データの処理範囲の設定は、図６の輝度値（単位なし）に閾値を設けることによって行う方法と、ラインセンサカメラのＣＣＤ撮像素子の配置範囲を指定する方法によって行うことができる。前者は、例えば鉄道トンネルの壁面を被写体とした場合に、架線は照明光が鏡面反射して周囲に比べて輝度が極端に高くなるという特徴を利用するものであり、これによって当該架線の影響を排除できるという特長を有する。また、後者は、トンネル壁面よりも前方に配置されている断面方向の架線位置を予め入力することによって、架線が映し出される位置に配置されているＣＣＤ撮像素子を特定できるという特徴を利用するものであり、これによって架線の反射輝度に左右されずに当該架線の影響を排除できるという特長を有する。前記架線位置の入力は、設定部１４を操作して行われる。

本発明の実施例２のラインセンサカメラの焦点合わせ装置の構成は、実施例１と同じである。

本発明の実施例２のラインセンサカメラの焦点合わせ装置は、図４のフローチャートに示す流れに従って焦点合わせを行う。処理に先立って、作業員は設定部１４によってデータの処理範囲とデータ区間データを設定する。設定されたデータの処理範囲とデータ区間データは、データ記憶部１３に記憶されている。

先ず、制御部１１は、プログラム記憶部１３に格納されているプログラムに従って入力部４を制御して、ラインセンサカメラから１次元データを取得し、データ記憶部１２に記憶する（２０１）。

続いて、制御部１１はプログラムに従って、データ記憶部１２から設定されたデータ範囲の１次元データｆ(ｘ)を読み出し、１次微分演算処理を行って１次元データの１次微分値ｆ′(ｘ)を算出する（２０２）。続いて、制御部１１は、プログラム記憶部１３に格納されているプログラムに従って、前記１次微分値ｆ′(ｘ)の絶対値を算出する演算処理、即ち数式１の演算を行い、これを１次微分データとして出力する（２０３）。

続いて、制御部１１はプログラムに従って、前記１次微分データのヒストグラムを算出する（２０４）。前記１次微分データのヒストグラムの算出は、データ記憶部１２に記憶されているデータ区間毎の１次微分データの出現頻度を算出する処理である。

続いて、制御部１１は、１次微分データのヒストグラムとデータ区間値とを掛け合わせて合焦評価値Ｐを算出し、データ記憶部１２に記憶させる（２０５）。合焦評価値Ｐの算出は、プログラムに従って制御部１１が数式２を演算処理することによって行われる。
なお、１次微分データのヒストグラムは、数式２におけるｈであり、１次微分値ｆ′(ｘ)の絶対値の出現頻度を表す。また、データ区間値は、数式２において、１次微分値ｆ′(ｘ)の絶対値で表される。αは重み係数で、通常は自然数が設定される。αは大きい方が、合焦評価値Ｐの感度がよい。

因みに、焦点が合っている場合の１次微分データのヒストグラムを表示した図８においては、合焦評価値Ｐは２０１４１であった。これに対して、焦点が合っていない場合の１次微分データのヒストグラムを表示した図９においては、合焦評価値Ｐは６９９０であった。これらの数値から分かる通り、焦点が合っている場合と焦点が合っていない場合とでは、合焦評価値Ｐは歴然とした差異が見られる。

続いて、制御部１１は、設定された全ての焦点位置の合焦評価値Ｐが取得されたか否かを判定する（２０６）。ＮＯならば、処理の流れは最初のステップ２０１に戻り、ステップ２０６の判定がＹＥＳになるまで、上述の流れに沿った処理がなされる。焦点位置の変更及び設定は、作業員がラインセンサカメラの手動操作部７を介して焦点調整機構６を操作して行われる。

ステップ２０６の判定がＹＥＳになると、制御部１１は、データ記憶部１２から全ての焦点位置の合焦評価値Ｐを読み出して、最大の合焦評価値Ｐを出した焦点位置を選定する（２０７）。この選定された焦点位置が合焦点位置であるから、作業員はラインセンサカメラの手動操作部７を介して焦点調整機構６を操作して前記選定された焦点位置に合わせ、処理を終了する。なお、データの処理範囲の設定は、実施例１と同じようにして行われる。

本発明の実施例３のラインセンサカメラの焦点合わせ装置は、ラインセンサカメラと信号処理装置１０とで構成されている。前記ラインセンサカメラは、図２に示す如く、被写体１の映像がレンズ２を介して結像するＣＣＤ撮像素子３、カメラ制御部４、モニタ５、焦点調整機構６、手動操作部７を含む。ＣＣＤ撮像素子部３は、３２０１個のＣＣＤ撮像素子が横一列に配置されて構成されている。信号処理装置１０は、ＣＰＵの如き制御部１１、データ記憶部１２、プログラム記憶部１３、設定部１４、表示部１５とで構成されている。信号処理装置１０は、ラインセンサカメラの１次元データを取得するために、その制御部１１を入力線１６を介してラインセンサカメラのカメラ制御部４に接続している。また、信号処理装置１０は、処理結果によってラインセンサカメラの焦点位置を調節するために、その制御部１１を出力線１７を介してラインセンサカメラの焦点調整機構６に接続している。

本発明の実施例３のラインセンサカメラの焦点合わせ装置は、図５のフローチャートに示す流れに従って焦点合わせを行う。処理に先立って、作業員は設定部１４によってデータの処理範囲とデータ区間データを設定する。設定されたデータの処理範囲とデータ区間データは、データ記憶部１３に記憶されている。

先ず、制御部１１は、プログラム記憶部１３に格納されているプログラムに従って入力部４を制御して、ラインセンサカメラから１次元データを取得し、データ記憶部１２に記憶する（３０１）。

続いて、制御部１１はプログラムに従って、データ記憶部１２から設定されたデータ範囲の１次元データｆ(ｘ)を読み出し、１次微分演算処理を行って１次元データの１次微分値ｆ′(ｘ)を算出する（３０２）。続いて、制御部１１は、プログラム記憶部１３に格納されているプログラムに従って、前記１次微分値ｆ′(ｘ)の絶対値を算出する演算処理、即ち数式１の演算を行い、これを１次微分データとして出力する（３０３）。

続いて、制御部１１はプログラムに従って、前記１次微分データのヒストグラムを算出する（３０４）。前記１次微分データのヒストグラムの算出は、データ記憶部１２に記憶されているデータ区間毎の１次微分データの出現頻度を算出する処理である。

続いて、制御部１１は、１次微分データのヒストグラムとデータ区間値とを掛け合わせて合焦評価値Ｐを算出し、データ記憶部１２に記憶させる（３０５）。合焦評価値Ｐの算出は、プログラムに従って制御部１１が数式２を演算処理することによって行われる。

続いて、制御部１１は、合焦評価値Ｐが閾値を超えたか否かを判定する（３０６）。ステップ３０６の判定結果がＮＯならば、合焦評価値Ｐと閾値の差の大きさ及び符号に対応した操作信号を生成し、この操作信号を出力線１７を介してラインセンサカメラの焦点調整機構６に与える。すると、焦点調整機構６は操作信号に従って焦点位置を変更する（３０７）。そして、処理の流れは最初のステップ３０１に戻り、ステップ３０６の判定がＹＥＳになるまで、上述の流れに沿った処理がなされる。

ステップ３０６の判定がＹＥＳになると、制御部１１は、その時点における焦点位置を合焦位置と判定し、処理を終了する。要するに、ラインセンサカメラの焦点合わせ装置は、焦点位置の測定値である合焦評価値Ｐを、目標値である閾値に一致させるようにフィードバック制御して焦点合わせを行わせる装置である。なお、目標値である閾値は作業員が設定部１４を操作して設定するもので、図８のようなヒストグラムが得られる被写体を対象とする場合、例えば２００００と設定される。また、データの処理範囲の設定は、実施例１と同じようにして行われる。

本発明の実施例１又は実施例２の構成を示すブロック回路図である。 本発明の実施例３の構成を示すブロック回路図である。 本発明の実施例１の処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例２の処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例３の処理の流れを示すフローチャートである。 焦点が合ったときの輝度値（単位なし）のグラフである。但し、横軸はＣＣＤ撮像素子の配置番号を表す。 焦点が合っていないときの輝度値（単位なし）のグラフである。但し、横軸はＣＣＤ撮像素子の配置番号を表す。 焦点が合ったときの１次微分データのヒストグラムのグラフである。但し、横軸はデータ区間を表す。 焦点が合っていないときの１次微分データのヒストグラムのグラフである。但し、横軸はデータ区間を表す。

符号の説明

１ 被写体
２ レンズ
３ ＣＣＤ撮像素子部
４ カメラ制御部
５ モニター
６ 焦点調整機構
７ 手動操作部
１０ 信号処理装置
１１ 制御部
１２ データ記憶部
１３ プログラム記憶部
１４ 設定部
１５ 表示部
１６ 入力線
１７ 出力線

Claims (7)

1. データの処理範囲を指定するデータ処理範囲指定手段、
   前記指定されたデータの処理範囲のラインセンサカメラの１次元データの１次微分値を求める１次微分演算手段、
   前記１次微分演算手段の１次微分値の絶対値を算出して１次微分データを求める１次微分値の絶対値演算手段、
   データ区間を設定するデータ区間設定手段、
   前記データ区間を横軸とした前記１次微分データのヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段、
   前記ヒストグラムを表示させる表示部、及び、
   前記表示部に表示されたヒストグラムを目視しながら前記ラインセンサカメラの焦点位置を手動で調節する焦点調整機構
   とから構成されたラインセンサカメラの焦点合わせ装置。
2. ラインセンサカメラの焦点位置を複数回変更し、それぞれの焦点位置で合焦評価値を求め、最大の合焦評価値が得られた焦点位置を合焦位置とする鉄道トンネルの壁面撮影用ラインセンサカメラであって、
   データの処理範囲を指定するデータ処理範囲指定手段、
   前記指定されたデータの処理範囲のラインセンサカメラの１次元データの１次微分値を求める１次微分演算手段、
   前記１次微分演算手段の１次微分値の絶対値を算出して１次微分データを求める１次微分値の絶対値演算手段、
   データ区間を設定するデータ区間設定手段、
   前記データ区間を横軸とした前記１次微分データのヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段、及び、
   前記ヒストグラムの頻度とデータ区間の値とを掛け合わせて前記合焦評価値を求める合焦評価値算出手段
   とから構成されたことを特徴とするラインセンサカメラの焦点合わせ装置。
3. 前記データ処理範囲指定手段は、前記ラインセンサカメラの撮影映像の輝度値に閾値を設けて行うものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のラインセンサカメラの焦点合わせ装置。
4. 前記データ処理範囲指定手段は、前記ラインセンサカメラのＣＣＤ撮像素子の配置範囲を指定するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のラインセンサカメラの焦点合わせ装置。
5. データの処理範囲を指定するデータ処理範囲指定手段、
   前記指定されたデータの処理範囲のラインセンサカメラの１次元データの１次微分値を求める１次微分演算手段、
   前記１次微分演算手段の１次微分値の絶対値を算出して１次微分データを求める１次微分値の絶対値演算手段、
   前記１次微分データのヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段、
   データ区間を設定するデータ区間設定手段、
   前記ヒストグラムの頻度と前記データ区間の値とを掛け合わせて合焦評価値を求める手段、及び、
   前記合焦評価値が閾値に一致するように前記ラインセンサカメラの焦点位置調整機構を制御する焦点位置調整手段
   とから構成されたラインセンサカメラの焦点合わせ装置。
6. 前記データの処理範囲を指定する手段は、前記ラインセンサカメラの撮影映像の輝度値に閾値を設けて行う手段であることを特徴とする請求項５に記載のラインセンサカメラの焦点合わせ装置。
7. 前記データの処理範囲を指定する手段は、前記ラインセンサカメラのＣＣＤ撮像素子の配置範囲を指定する手段であることを特徴とする請求項５に記載のラインセンサカメラの焦点合わせ装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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