JP2014013256A - Track displacement measurement apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a track displacement measurement apparatus capable of reliably detecting track anomaly with an inexpensive configuration.SOLUTION: A track displacement measurement apparatus includes: a plurality of photographing targets A1-A4, B1-B4 located on or proximate to a railroad track 32; a digital camera 11 which captures an image that includes all of the plurality of targets; and a control unit which controls the timing for the digital camera 11 to acquire images, stores acquired images, computes coordinates of each target using each of the acquired images, and stores computation results. The control unit has a function to compute coordinates of the targets from acquired images and measure displacement of the track from temporal change of the coordinates since start of the operation obtained from each result of the coordinate computation on every acquired image and, in addition, has a self diagnosis function to diagnose presence of target anomaly and lens anomaly of the camera.

Description

本発明は鉄道線路のような軌道の変位を測定する軌道変位測定装置に属する。   The present invention belongs to a track displacement measuring apparatus for measuring a track displacement such as a railroad track.

鉄道線路の軌道下で地下道工事を行う場合やシールド工事を行う場合には、これ等の工事に伴って軌道が変位すると列車の脱線などの事故につながることから、軌道の変位を常に監視する必要がある。これ等の工事を安全に進めるため地盤の沈下や隆起を測定することを目的として、変位センサや沈下計などの測定機器を軌道近くの地盤に設置して監視を行っている(例えば特許文献1)。そして、地盤の変位が安全限界を超えるような場合には列車を緊急停止させるなどの対策を取るようにしている。   When underpass construction or shield construction is underway on a railroad track, it is necessary to constantly monitor the displacement of the track, because if the track is displaced due to such construction, it will lead to accidents such as train derailment. There is. In order to measure these subsidences and uplifts in order to safely proceed with these constructions, monitoring devices such as displacement sensors and subsidometers are installed on the ground near the track for monitoring (for example, Patent Document 1). ). When the ground displacement exceeds the safety limit, measures such as emergency stop of the train are taken.

特開平11−247108号公報JP 11-247108 A

しかしながら、上記の沈下計を用いて軌道の変位を監視する方法では、軌道の変位を直接的に確認することが出来ないため、最初の警報が発生した場合には係員が現場に赴き直接軌道測定を行う必要がある。しかし、夜間などは要員確保が難しく、列車の安全管理や瞬時の対応などについても問題が残されている。   However, in the method of monitoring the displacement of the track using the above-mentioned squat meter, it is not possible to directly check the displacement of the track, so if the first alarm occurs, the staff will go to the site and directly measure the track. Need to do. However, it is difficult to secure personnel at night, and problems remain with respect to train safety management and instantaneous response.

これ等の問題を解決することを目的として軌道に平行に敷設したケブラー繊維を二点で固定し、その中間点でケブラー繊維と軌道との間の二次元方向の軌道変位を画像処理によって検出する方法や、鉄道軌道に反射型ターゲットを配置し、トータルステーションと呼ばれる計測機器により各ターゲットの位置測定を行った結果から、軌道変位を測定する方法が提案されている。   In order to solve these problems, the Kevlar fiber laid parallel to the track is fixed at two points, and the two-dimensional track displacement between the Kevlar fiber and the track is detected by image processing at the intermediate point. A method for measuring track displacement has been proposed based on a method and a result of measuring the position of each target with a measuring device called a total station by placing a reflective target on a railway track.

しかし、前者の方法の場合、ケブラー繊維が二次元に変位することで二方向から撮影を行う場合、撮影した画像から得られたデータには歪み成分が含まれており、この歪み成分を補正することが必要とされる。さらに1つの測点を計測するために、測点を中心とした、例えば10m区間にケブラー繊維を敷設する必要があるため、装置構成が複雑となるだけでなく、ケブラー繊維の保護が必要である。   However, in the case of the former method, when imaging is performed from two directions because the Kevlar fiber is displaced two-dimensionally, the data obtained from the captured image includes a distortion component, and this distortion component is corrected. Is needed. Further, in order to measure one measuring point, it is necessary to lay Kevlar fiber, for example, in a 10-m section centered on the measuring point, which not only complicates the apparatus configuration but also requires protection of Kevlar fiber. .

また後者の方法の場合、すべてのターゲットに対して同時に計測を行うことは不可能であるため、時間あるいは気象変化の影響がすべてのターゲットの測定結果において同一とは言えないという問題がある。   In the latter method, since it is impossible to measure all targets simultaneously, there is a problem that the influence of time or weather change cannot be said to be the same in the measurement results of all targets.

そこで、本発明の課題は、軌道異常を安価な構成で確実に検出することのできる軌道変位測定装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an orbit displacement measuring apparatus that can reliably detect an orbit abnormality with an inexpensive configuration.

本発明によれば、鉄道軌道あるいは軌道近傍に配置した複数の撮影用のターゲットと、あらかじめ定められた位置に配置されて初期設定時に前記複数のターゲットが含まれる画像を撮影して初期画像を得ると共に、実際の測定時に前記複数のターゲットが含まれる画像を撮影して測定画像を得るためのカメラと、前記初期画像と前記測定画像とを共通の画像上の座標軸上で比較し、前記測定画像からターゲットを抽出してターゲット毎の特定部位の座標を演算し、撮影ごとの各ターゲットの特定部位の座標の演算結果をもとに運用開始からの特定部位の座標の経時変化から軌道の変位を測定する制御ユニットと、を備え、前記制御ユニットは、初期設定に際しては、前記初期画像内において設定された、ターゲットを含む基準画像をターゲット毎に記憶装置に記憶すると共に、各基準画像における各ターゲットの特定部位の座標を算出して前記記憶装置に記憶し、更に、ターゲット毎に基準画像を中心に置くように設定された探索範囲を前記記憶装置に記憶しており、前記制御ユニットは、実際の測定に際しては、前記初期画像と共通の座標軸で規定され前記複数のターゲットが含まれる前記測定画像内に、ターゲット毎に、前記探索範囲が設定された領域と同じ領域に測定用探索範囲を設定したうえで、前記測定用探索範囲内において対応するターゲットの前記基準画像を1画素ずつ移動させて当該基準画像との相関係数が最も高い領域を前記対応するターゲットを含む領域として得てその領域の特定部位の座標を算出し、前記制御ユニットの制御下で、前記ターゲットを、撮影時刻に合わせて自動的に光源を発光させる発光回路を具備し、各ターゲットは、複数のLEDをリング状に配置してその発光パターンをリング状としており、前記制御ユニットは、前記実際の測定に際して前記相関係数が低い場合には、前記複数のLEDを全点灯状態から個別に順に消灯させてその都度撮影を行い、得られた撮影画像から、前記相関係数の低い原因がターゲットの異常、カメラのレンズの異常のいずれであるかの自己診断を実施することを特徴とする軌道変位測定装置が提供される。   According to the present invention, an initial image is obtained by photographing a plurality of shooting targets arranged on or near a railway track and an image that is arranged at a predetermined position and includes the plurality of targets at the time of initial setting. And a camera for capturing an image including the plurality of targets at the time of actual measurement to obtain a measurement image, and comparing the initial image and the measurement image on coordinate axes on a common image, and the measurement image The target is extracted from the target, the coordinates of the specific part for each target are calculated, and the displacement of the trajectory is calculated from the time-dependent change of the coordinates of the specific part from the start of operation based on the calculation result of the coordinates of the specific part of each target for each imaging. A control unit for measuring, and at the time of initial setting, the control unit targets a reference image including a target set in the initial image. Each time, the coordinates of a specific part of each target in each reference image are calculated and stored in the storage device, and further, a search range set to center the reference image for each target. The control unit stores the search range for each target in the measurement image defined by the coordinate axes common to the initial image and including the plurality of targets in actual measurement. The measurement search range is set in the same region as the region where the reference value is set, and the reference image of the corresponding target is moved pixel by pixel within the measurement search range, so that the correlation coefficient with the reference image is the highest. A high area is obtained as an area including the corresponding target, the coordinates of a specific part of the area are calculated, and the target is photographed under the control of the control unit. Each target is equipped with a light emitting circuit that automatically emits a light source in time, each target has a plurality of LEDs arranged in a ring shape, and the light emission pattern is formed in a ring shape, and the control unit performs the actual measurement. When the correlation coefficient is low, the plurality of LEDs are individually turned off sequentially from all lighting states, and each time shooting is performed.From the obtained captured image, the cause of the low correlation coefficient is a target abnormality, A trajectory displacement measuring device is provided that performs self-diagnosis of any abnormality of a camera lens.

本発明による軌道変位測定装置は、複数のターゲットを1枚の画像に収まるようカメラで撮影し、瞬間的に得られた画像をもとに各ターゲットの座標演算を行うため、ターゲット間の相対的な挙動には時間的な要素が含まれることがない。   The trajectory displacement measuring apparatus according to the present invention captures a plurality of targets with a camera so as to fit into one image, and performs coordinate calculation of each target based on the instantaneously obtained image. The behavior does not include a temporal element.

また、ケブラー繊維を使用せずに画像データを利用することから、座標演算にアナログ的な誤差要因が介入することがなく、ケブラー繊維の保護を一切考慮する必要がなくなる。   Further, since image data is used without using Kevlar fibers, analog error factors do not intervene in coordinate calculation, and it is not necessary to consider protection of Kevlar fibers at all.

本発明によれば、安価な電子部品だけで構成されたターゲットとカメラ及びパソコンのような画像処理手段を用いることにより、軌道変位測定を瞬時に自動的に行わせることが可能となり、相対変化における環境に起因する誤差の影響がない。加えて、パソコンで保存、処理されるデータはデジタルデータであり、保存データがデジタル値であることから統計処理など数値演算への展開も容易に行なえる。   According to the present invention, by using an image processing means such as a target and a camera and a personal computer configured only with inexpensive electronic components, it is possible to automatically perform orbital displacement measurement instantaneously, and in relative change There is no influence of errors caused by the environment. In addition, the data stored and processed by the personal computer is digital data, and since the stored data is a digital value, it can be easily applied to numerical operations such as statistical processing.

本発明による軌道変位測定装置の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the structure of the orbital displacement measuring apparatus by this invention. 本発明による座標演算の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the coordinate calculation by this invention. 本発明による基準画像と探索範囲の設定例を示す図である。It is a figure which shows the example of a setting of the reference | standard image and search range by this invention. 本発明による測定画像の探索例を示す図である。It is a figure which shows the example of a search of the measurement image by this invention. 本発明による軌道変位を測定する状況を説明する図である。It is a figure explaining the condition which measures orbital displacement by the present invention. デジタルカメラの配置状況の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the arrangement | positioning condition of a digital camera. 本発明による実際の変位と見かけ上の変位の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the actual displacement by this invention, and an apparent displacement. 発光回路と光源を具備したターゲットの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the target which comprised the light emitting circuit and the light source. 図8の構成におけるターゲットの明暗の境界を示す図である。It is a figure which shows the boundary of the brightness of the target in the structure of FIG. 発光パターンを可変とするターゲットの制御回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the control circuit of the target which makes a light emission pattern variable. 本発明による発光パターンをリング状としたターゲットを示す図である。It is a figure which shows the target which made the light emission pattern by this invention ring shape.

次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明による軌道変位測定装置の構成を概略的に示す図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of an orbital displacement measuring apparatus according to the present invention.

制御ユニット10は、工業用ボードパソコンなどのようにディスプレイによる画像表示及びデータ保存が可能で、外部に接続された機器の制御が可能なプログラムを実装できる記憶装置を持つ電子回路で構成する。   The control unit 10 is configured by an electronic circuit having a storage device capable of mounting a program capable of displaying an image on a display and storing data and controlling an externally connected device, such as an industrial board personal computer.

デジタルカメラ11は制御ユニット10からの制御信号により撮影時刻、撮影枚数、シャッタースピードなどが制御され、撮影対象としての複数のターゲット12を同時に撮影する。デジタルカメラ11で撮影されたデジタル画像は制御ユニット10へ転送される。   The digital camera 11 controls the shooting time, the number of shots, the shutter speed, and the like according to a control signal from the control unit 10 and simultaneously shoots a plurality of targets 12 as shooting targets. A digital image taken by the digital camera 11 is transferred to the control unit 10.

なお、後で詳しく説明するが、本実施例におけるターゲット12は円形で発光機能を有し、発光タイミングは制御ユニット10で制御される。   As will be described in detail later, the target 12 in this embodiment is circular and has a light emission function, and the light emission timing is controlled by the control unit 10.

制御ユニット10は転送されてきた画像を記憶装置に保存すると共にこの画像からターゲット12の特定部位、例えば重心の2次元座標を演算し、演算結果を記憶装置に保存する。   The control unit 10 stores the transferred image in the storage device, calculates a specific part of the target 12, for example, a two-dimensional coordinate of the center of gravity, from the image, and stores the calculation result in the storage device.

図2は制御ユニット10で行なわれる座標演算の流れを示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing a flow of coordinate calculation performed by the control unit 10.

1.初期設定
装置設置時に複数のターゲットを同時撮影して得た画像を初期画像とし、初期画像からターゲットごとに画像を切り出して番号付けを行なったうえで「基準画像」として設定し、初期画像内での重心座標を算出して記憶装置に保存する(ステップS1)。
1. Initial setting The image obtained by simultaneously shooting multiple targets at the time of installation is set as the initial image, and the target image is cut out and numbered for each target from the initial image and set as the “reference image”. Is calculated and stored in the storage device (step S1).

また、デジタルカメラ11から各ターゲット12までの距離L1〜Ln(nはターゲット12の設置数)を実測し、演算用の初期値として記憶装置に保存する。   Further, the distances L1 to Ln (n is the number of targets 12 installed) from the digital camera 11 to each target 12 are actually measured and stored in the storage device as initial values for calculation.

図3を参照して、初期設定に際して得られた初期画像からターゲットごとに基準画像を切り出す手法について説明する。基準画像の切り出しは、ディスプレイ上に初期画像を表示させたうえで、オペレータによるキーボードでの操作により行なわれ、その際、基準画像を中心においた一定範囲の領域(以下、探索範囲と呼ぶ)が設定される。基準画像は通常、四角形とし、その大きさはターゲットごとに異なる。これは、後述するように、デジタルカメラから複数のターゲットまでの距離L1〜Lnがそれぞれ異なることによる。そして、探索範囲も四角形とし、その大きさも基準画像ごとに異なる。   With reference to FIG. 3, a method for cutting out a reference image for each target from an initial image obtained at the time of initial setting will be described. The reference image is cut out by displaying an initial image on the display and then operating by a keyboard operation by an operator. At this time, a certain range of regions centered on the reference image (hereinafter referred to as a search range) is obtained. Is set. The reference image is usually a quadrangle, and the size differs for each target. This is because the distances L1 to Ln from the digital camera to the plurality of targets are different as will be described later. The search range is also a quadrangle, and the size is different for each reference image.

図3は初期画像中の複数の基準画像(ターゲットの画像)と基準画像ごとの探索範囲の設定例を示す。オペレータは、デジタルカメラで撮影した初期画像をディスプレイ上に表示させ、各ターゲットが存在する領域を基準画像として順に切り出す。この切り出しは、例えばオペレータがタッチペン、カーソル等で四角形の基準画像の2組の対角のうちの一方(図3ではP1,P2)を指定すると、このP1、P2で規定される四角形の範囲内の画像が基準画像として抽出されることで行なわれる。オペレータはまた、後述する測定画像と基準画像のテンプレートマッチングを行う際の探索範囲として、基準画像を中心として基準画像の2倍以上の面積となる領域の対角座標を探索範囲として設定する。探索範囲の基準画像に対する面積比は、要求される測定範囲が広いほど大きくなる。この設定も、基準画像の切り出しと同様、四角形の探索範囲の2組の対角のうちの一方(図3ではP3,P4)を指定することで行なわれる。探索範囲は基準画像との比較を行なう領域をターゲットごとに限定する目的で設定されるものであり、初期画像内ですべてのターゲットの探索範囲が重ならないようにターゲットを配置することで、各ターゲットの位置を誤認することがない。   FIG. 3 shows an example of setting a plurality of reference images (target images) in the initial image and a search range for each reference image. The operator displays an initial image taken by the digital camera on the display, and sequentially cuts out an area where each target exists as a reference image. For example, when the operator designates one of the two diagonals of the square reference image (P1 and P2 in FIG. 3) with a touch pen, a cursor, or the like, it is within the square range defined by P1 and P2. This is performed by extracting the image of the above as a reference image. The operator also sets, as a search range, diagonal coordinates of a region having an area that is at least twice as large as the reference image with the reference image as the center as a search range when performing template matching between a measurement image and a reference image, which will be described later. The area ratio of the search range to the reference image becomes larger as the required measurement range is wider. This setting is also performed by designating one of the two diagonals of the quadrangular search range (P3 and P4 in FIG. 3), as in the case of cutting out the reference image. The search range is set for the purpose of limiting the area for comparison with the reference image for each target. By arranging the targets so that the search ranges of all targets do not overlap in the initial image, each target is set. The position of is never misidentified.

図3では、ターゲット数が6個であり、サイズの大きい順に番号1〜6が付けられている。以下では、最も大きい基準画像を基準画像1、その探索範囲を探索範囲1、というように呼ぶことがある。   In FIG. 3, the number of targets is 6, and numbers 1 to 6 are assigned in descending order of size. Hereinafter, the largest reference image may be referred to as reference image 1, and the search range may be referred to as search range 1.

以上のようにして、図3の場合、初期設定では、ターゲット番号1について言えば、基準画像1に加えて、P3及びP4の座標(初期画像内での探索範囲1の座標)、基準画像1に含まれるターゲットの重心座標、デジタルカメラからの距離が記憶される。そして、このようなデータが6個のターゲット分について記憶される。なお、ターゲットの重心座標は、後述するテンプレートマッチングの手法で算出することができるが、P3とP4を結ぶ線分の中間点を重心座標として算出しても良い。これは、基準画像ではその中心とターゲットの重心が必ず一致しており、しかも探索範囲の中心とも一致しているからである。このようにしてターゲットの重心座標を求めることで1ピクセル以下の精度でターゲットの重心座標を求めることができる。   As described above, in the case of FIG. 3, in the initial setting, with respect to the target number 1, in addition to the reference image 1, the coordinates of P3 and P4 (the coordinates of the search range 1 in the initial image), the reference image 1 The barycentric coordinates of the target and the distance from the digital camera are stored. Such data is stored for six targets. The center-of-gravity coordinates of the target can be calculated by a template matching method to be described later, but the midpoint of the line segment connecting P3 and P4 may be calculated as the center-of-gravity coordinates. This is because in the reference image, the center of the reference image and the center of gravity of the target always coincide with each other, and also coincide with the center of the search range. In this way, the center of gravity coordinates of the target can be obtained with an accuracy of 1 pixel or less by obtaining the center of gravity coordinates of the target.

2.測定(撮影)時刻判定
制御ユニット10は、オペレータにより設定された測定時刻まで待機する(ステップS2)。
2. Measurement (imaging) time determination The control unit 10 stands by until the measurement time set by the operator (step S2).

3.撮影
制御ユニット10は、測定時刻になると複数のターゲット12を発光させ、これをデジタルカメラ11で撮影する(ステップS3)。勿論、この撮影は初期画像の撮影と同じ状態で行なわれる。
3. The photographing control unit 10 causes the plurality of targets 12 to emit light at the measurement time, and photographs them with the digital camera 11 (step S3). Of course, this shooting is performed in the same state as the shooting of the initial image.

4.画像保存
制御ユニット10は、撮影した画像を撮影画像として制御ユニット10内の記憶装置に保存する(ステップS4)。
4). Image Storage The control unit 10 stores the captured image as a captured image in a storage device in the control unit 10 (step S4).

5.ターゲット抽出
図4は本発明による測定画像の探索例を示す図であり、図3に対応させて示している。図3の初期画像と図4の撮影画像は、同じ状態で撮影された画像であるので、共通の座標軸で表されることは言うまでも無い。制御ユニット10はまず、図4の左側に示すように、測定時の撮影画像に対し、図3の初期画像において番号1のターゲットに設定された探索範囲1を規定しているP3及びP4と同じ座標に探索範囲を設定する。図4では、設定された探索範囲1内の右斜め下に、ターゲットがずれていることを示している。続いて、制御ユニット10は、図4の右側に示すように、この探索範囲1内において対角の一方から他方へ、基準画像1を1ピクセルずつ移動して、テンプレートマッチングにより基準画像1と相関が最も高い領域を得る。この領域においてターゲットの重心座標を求めることで1ピクセル以下の精度で番号1のターゲットの重心座標を求めることができる。このような処理が、図3で設定された探索範囲2〜6についても行なわれる。
5. Target Extraction FIG. 4 is a diagram showing a search example of a measurement image according to the present invention, and corresponds to FIG. Since the initial image of FIG. 3 and the captured image of FIG. 4 are images captured in the same state, it goes without saying that they are represented by a common coordinate axis. First, as shown on the left side of FIG. 4, the control unit 10 is the same as P3 and P4 that define the search range 1 set as the target of number 1 in the initial image of FIG. Set the search range to the coordinates. FIG. 4 shows that the target is shifted diagonally to the lower right in the set search range 1. Subsequently, as shown on the right side of FIG. 4, the control unit 10 moves the reference image 1 pixel by pixel from one diagonal to the other within the search range 1 and correlates with the reference image 1 by template matching. Get the highest region. By obtaining the center-of-gravity coordinates of the target in this region, the center-of-gravity coordinates of the target number 1 can be obtained with an accuracy of 1 pixel or less. Such processing is also performed for the search ranges 2 to 6 set in FIG.

テンプレートマッチングは、画像処理分野において基本操作として使用されている。本実施例では、ステップS3で得た撮影画像における探索範囲1から番号1のターゲットを含む測定画像の位置(座標)を抽出するために、制御ユニット10で測定画像に対する基準画像1の相関係数Rを求めながら基準画像1を1画素ずつずらしていき、相関係数Rが最も高い座標を求める。この処理手法によって1画素単位で撮影画像内での測定画像の座標、言い換えればターゲットの領域を示す座標を得ることができる(ステップS5)。なお、ここでは測定画像の座標をその対角の座標(図3で言えば、P1、P2の座標)で表すようにしている。   Template matching is used as a basic operation in the field of image processing. In this embodiment, in order to extract the position (coordinates) of the measurement image including the number 1 target from the search range 1 in the captured image obtained in step S3, the control unit 10 uses the correlation coefficient of the reference image 1 with respect to the measurement image. While obtaining R, the reference image 1 is shifted by one pixel at a time, and the coordinate having the highest correlation coefficient R is obtained. By this processing method, the coordinates of the measurement image in the captured image, that is, the coordinates indicating the target area can be obtained in units of one pixel (step S5). Here, the coordinates of the measurement image are represented by the diagonal coordinates (in FIG. 3, the coordinates of P1 and P2).

相関係数は基準画像と測定画像の二次元的な輝度分布の類似性を表す値であり、分布が完全に一致すると1となる。基準画像の縦と横のサイズがx、yの場合の相関係数Rは以下の数1で求められる。   The correlation coefficient is a value representing the similarity between the two-dimensional luminance distributions of the reference image and the measurement image, and becomes 1 when the distributions completely match. The correlation coefficient R when the vertical and horizontal sizes of the reference image are x and y is obtained by the following equation (1).

Figure 2014013256
Figure 2014013256

但し、f(i,j)は基準画像における座標位置(i,j)の輝度、s(i,j)は測定画像中で基準画像と重なる領域における座標位置(i,j)の輝度、符号fの上、符号sの上にバーのついた記号はそれぞれ基準画像、測定画像中の基準画像と重なる部分の輝度の平均値である。   Where f (i, j) is the luminance of the coordinate position (i, j) in the reference image, s (i, j) is the luminance and sign of the coordinate position (i, j) in the region overlapping the reference image in the measurement image Symbols with a bar above f and a symbol s are the average values of the luminances of the portions of the reference image and the measurement image that overlap the reference image.

6.座標演算
ステップS5の処理で得られる座標は1画素単位であるが、円形のターゲットの重心計算を行うことで1画素以下の単位でターゲットの重心座標を演算することが可能となる。
6). Coordinate calculation The coordinates obtained in the process of step S5 are in units of one pixel. However, by calculating the center of gravity of a circular target, it is possible to calculate the center of gravity coordinates of the target in units of one pixel or less.

制御ユニット10はまず、ステップS5で得られた座標で規定される測定画像に対して二値化処理を行うことで、明るい画素を白に、暗い画素を黒に変換する。その後、白い画素のX座標、Y座標の加重平均を行い撮影画像内での円形領域の重心の座標を求める(ステップS6)。   First, the control unit 10 performs binarization processing on the measurement image defined by the coordinates obtained in step S5, thereby converting bright pixels to white and dark pixels to black. Thereafter, the weighted average of the X and Y coordinates of the white pixels is performed to obtain the coordinates of the center of gravity of the circular area in the photographed image (step S6).

7.変位へ変換
制御ユニット10は、ステップS6の処理で得られた重心座標と初期値で示される重心座標の差分を求めて、この差分に距離Lに応じた比例係数を乗じることで、初期値で示される重心座標からの相対変位を求める(ステップS7)。距離Lに応じた比例係数というのは、画像上での重心座標の変位はあくまでも画像内での変位量であるので、実際の変位量にするために距離L1〜Lnに応じて設定される値である。
7). Conversion to displacement The control unit 10 obtains a difference between the center of gravity coordinates obtained by the process of step S6 and the center of gravity coordinates indicated by the initial value, and multiplies the difference by a proportional coefficient corresponding to the distance L, thereby obtaining an initial value. Relative displacement from the barycentric coordinates shown is obtained (step S7). The proportionality coefficient according to the distance L is a value set according to the distances L1 to Ln in order to obtain an actual displacement amount because the displacement of the center of gravity coordinates on the image is only the displacement amount within the image. It is.

8.データ保存
ステップS6、S7の処理で得られた各測点の重心座標と初期値で示される重心座標からの相対変位量(実際の変位量)を保存する(ステップS8)。
8). Data storage The relative displacement amount (actual displacement amount) from the center-of-gravity coordinates and the center-of-gravity coordinates indicated by the initial values obtained at steps S6 and S7 is stored (step S8).

図5は本発明による軌道変位を測定する状況を示す図である。路盤上の道床に間隔をおいて埋め込まれた枕木31上に軌道(レール)32が設置されている。軌道32の両側にそれぞれ約5m間隔で枕木31に固定治具を用いて複数のターゲット12(A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、)を固定する。   FIG. 5 is a diagram showing a situation in which orbital displacement is measured according to the present invention. A track (rail) 32 is installed on a sleeper 31 embedded in the road bed on the roadbed with a space. A plurality of targets 12 (A 1, A 2, A 3, A 4, B 1, B 2, B 3, B 4) are fixed to the sleepers 31 on both sides of the track 32 using a fixing jig.

図6は本発明によるデジタルカメラ11の配置状況を示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing an arrangement state of the digital camera 11 according to the present invention.

複数のターゲット12(ここでは片側のターゲットA1〜A4)のすべてを画角内に収めるために、ターゲット設置区間から離れた位置にデジタルカメラ11を配置する。   In order to accommodate all of the plurality of targets 12 (here, the targets A1 to A4 on one side) within the angle of view, the digital camera 11 is arranged at a position away from the target installation section.

ところで、鉄道各社は、以下に示す軌道計測4項目を軌道管理に用いている。
軌間ひずみ:左右レールの間隔の狂いで、軌間の基本寸法に対する増減量を表す。
水準ひずみ:左右レールの頭面の高低差を表す。
通りひずみ:レール側面の長さ方向の凹凸を表し、一般には、レール側面に10mの糸を張り、中央部におけるレールと糸との水平距離で表す。
高低ひずみ:レール頭面の長さ方向の凹凸を表し、一般には、レール頭面に10mの糸を張り、中央部におけるレールと糸との垂直距離で表す。
By the way, each railway company uses the following four track measurement items for track management.
Gauge strain: The distance between the left and right rails is deviated, and represents the amount of increase or decrease relative to the basic gauge.
Level strain: Expresses the difference in height between the left and right rail heads.
Street strain: Represents unevenness in the length direction of the rail side surface. Generally, it is expressed as a horizontal distance between the rail and the yarn in the center portion by stretching a 10 m yarn on the rail side surface.
High and low strain: Represents unevenness in the length direction of the rail head surface. Generally, it is expressed by a vertical distance between the rail and the thread at the center portion by applying a 10 m thread on the rail head surface.

上記の各項目は軌道と直交方向の変位を測定することで得られるため、軌道あるいはその近傍にデジタルカメラを配置する。   Since each of the above items can be obtained by measuring the displacement in the direction orthogonal to the trajectory, a digital camera is placed on or near the trajectory.

対象とするターゲットの前後5mにそれぞれ配置した3個のターゲットの座標をもとに直線(10m弦)を計算し、対象とするターゲットから前記直線までの水平、垂直距離を求めることで、上記4項目のうち通りひずみ、高低ひずみが得られる。   By calculating a straight line (10 m chord) based on the coordinates of three targets respectively placed 5 m before and after the target to be obtained, and obtaining the horizontal and vertical distances from the target to the straight line, the above 4 Strain and high / low strain can be obtained.

図7はターゲットの実際の変位と撮影された画像から求まる見かけ上の変位の関係を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the actual displacement of the target and the apparent displacement obtained from the captured image.

軌道内にデジタルカメラを配置することができないため、すべてのターゲットを同一画像内に収めるためには軌道方向に対してデジタルカメラの光軸を、上下方向、水平方向に関して傾けなければならない。つまり、デジタルカメラ11の位置を軌道32から離れる方向にずらすと共に、軌道32よりも高い位置にあるようにする。   Since the digital camera cannot be placed in the trajectory, the optical axis of the digital camera must be tilted with respect to the trajectory direction with respect to the vertical direction and the horizontal direction in order to fit all targets in the same image. That is, the position of the digital camera 11 is shifted in a direction away from the track 32 and is positioned higher than the track 32.

デジタルカメラ11の設置位置を原点とした空間座標を考えて、軌道32に対して直交する水平方向をX軸、軌道32と平行方向をY軸、高さ方向をZ軸とする。デジタルカメラ11の光軸は水平面上でY軸に対して角度θxをなすものとし、垂直面上でX軸に対して角度θzをなすものとする。この場合、デジタルカメラ11の撮影画像から求まるあるターゲット12の見かけ上の変位ΔvX、ΔvZと実際の変位ΔX(X軸方向の変位)、ΔZ(Z軸方向の変位)の間には、上記あるターゲット12の空間座標を(X0,Y0,Z0)とした場合、以下の関係が成り立つ。   Considering the spatial coordinates with the installation position of the digital camera 11 as the origin, the horizontal direction orthogonal to the track 32 is the X axis, the direction parallel to the track 32 is the Y axis, and the height direction is the Z axis. It is assumed that the optical axis of the digital camera 11 forms an angle θx with respect to the Y axis on a horizontal plane, and forms an angle θz with respect to the X axis on a vertical plane. In this case, the apparent displacement ΔvX, ΔvZ of a target 12 obtained from the captured image of the digital camera 11 and the actual displacement ΔX (displacement in the X-axis direction), ΔZ (displacement in the Z-axis direction) are as described above. When the spatial coordinates of the target 12 are (X0, Y0, Z0), the following relationship is established.

ΔX=ΔvX×(1/cosθx)
=ΔvX×√(X02+Y02)/Y0 (ΔX<<X0のため、近似)
ΔZ=ΔvZ×(1/cosθz)
=ΔvZ×√(Y02+Z02)/Y0 (ΔZ<<Z0のため、近似)
デジタルカメラの設置位置をターゲットから十分離れた場所にとった場合、Y0>>X0、Y0>>Z0が成り立つことから、
ΔX=ΔvX
ΔZ=ΔvZ
が成り立つ。
ΔX = ΔvX × (1 / cosθx)
= ΔvX × √ (X0 2 + Y0 2 ) / Y0 (approximate because ΔX << X0)
ΔZ = ΔvZ × (1 / cosθz)
= ΔvZ × √ (Y0 2 + Z0 2 ) / Y0 (approximate because ΔZ << Z0)
If the installation position of the digital camera is located far away from the target, Y0 >> X0, Y0 >> Z0 holds,
ΔX = ΔvX
ΔZ = ΔvZ
Holds.

言い換えると、各ターゲットの座標を補正することなく演算を行うことで、実変位と同等の変位測定結果を得ることが可能となる。   In other words, it is possible to obtain a displacement measurement result equivalent to the actual displacement by performing the calculation without correcting the coordinates of each target.

以上のような変位測定は、ターゲットB1〜B4に対しても行なわれる。制御ユニット10は、すべてのターゲットについて初期値からの変位量があらかじめ設定した範囲内にあるかどうかを判別し、設定した範囲を超えるような変位量を持つターゲットがある場合にはその旨を報知する。   The displacement measurement as described above is also performed on the targets B1 to B4. The control unit 10 determines whether or not the displacement amount from the initial value is within a preset range for all targets, and if there is a target having a displacement amount exceeding the set range, notifies that fact. To do.

図8は本発明による発光回路と光源を具備したターゲットの構成を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a target including a light emitting circuit and a light source according to the present invention.

画像処理による座標演算において、ターゲットの輝度とその周囲の輝度とのコントラストが高いほど明暗の境界が明確となり二値化時の誤差が小さくなるため、座標の特定精度が高くなる。   In the coordinate calculation by image processing, the higher the contrast between the luminance of the target and the surrounding luminance, the clearer the boundary between light and dark and the smaller the error in binarization, so that the accuracy of specifying the coordinates is increased.

本例ではターゲットを見かけ上円形に発光させるようにしており、このために、消費電力が小さく寿命の長いLED12−1を複数個リング状に配置し、発光した光が拡散板12−2を透過する構成として透過光の輝度が均一となるようにしている。   In this example, the target is made to emit light in a circular shape. For this reason, a plurality of LEDs 12-1 having low power consumption and long life are arranged in a ring shape, and the emitted light is transmitted through the diffusion plate 12-2. In this configuration, the brightness of transmitted light is made uniform.

拡散板12−2透過後の光は、押え板12−3の中央を円形にくり抜くことで光路を円形に限定し、更に枠状の遮光マスク12−4を設置することで明暗の境界円を明確にしているため、デジタルカメラから見てターゲットの発光部は円形で均一の輝度となり、その周囲との輝度のコントラストが高くなる。   The light that has passed through the diffuser 12-2 is limited to a circular optical path by hollowing out the center of the presser plate 12-3, and a bordered circle of light and darkness is formed by installing a frame-shaped shading mask 12-4. For clarity, the light emitting part of the target is circular and has uniform brightness as seen from the digital camera, and the brightness contrast with the surroundings is high.

ターゲット自体を発光させる方法に代えて、ターゲットに反射コーティングを施し、カメラのフラッシュを利用して反射光を受光するようにしてターゲットとその周囲のコントラストを高める方法もあるが、反射光を受光して撮影するためにフラッシュには大きな光量が必要となる。また撮影範囲全体にフラッシュ光を当てる必要があるため、近隣住民の生活環境を乱すことになる。   Instead of emitting light from the target itself, there is also a method to increase the contrast between the target and its surroundings by applying a reflective coating to the target and receiving the reflected light using a camera flash. In order to take pictures, the flash needs a large amount of light. In addition, since it is necessary to shoot the flash light over the entire shooting range, the living environment of neighboring residents is disturbed.

本例のようにターゲット自体が発光する場合は、デジタルカメラ方向以外をマスクすることで近隣環境への光の漏れを最小限に抑えることが可能であり、反射光による場合の光の散乱を考慮する必要がないため電力的にも効率がよい。   When the target itself emits light as in this example, it is possible to minimize light leakage to the neighboring environment by masking the direction other than the direction of the digital camera, and consider scattering of light due to reflected light. Since it is not necessary to do so, it is efficient in terms of power.

図9は図8の構成によるターゲットの明暗の境界を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing a light / dark boundary of the target having the configuration of FIG.

1つのターゲットの水平あるいは垂直方向の断面を見た場合、明暗の境界は2箇所あり、発光部が円形であることからこれら2つの境界を結んだ線分の中点が水平あるいは垂直方向のターゲット重心の座標になる。   When the horizontal or vertical cross section of one target is viewed, there are two bright and dark boundaries, and the light emitting part is circular, so the midpoint of the line segment connecting these two boundaries is the horizontal or vertical target. It becomes the coordinates of the center of gravity.

図10はターゲットの発光パターンを可変とするための複数のLEDの制御回路を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing a control circuit for a plurality of LEDs for making the light emission pattern of the target variable.

ここでは10個のLED1〜LED10に直流電源30から電源を供給し、直流電源30と各LED1〜LED10との間にはスイッチング素子としてのFET41と抵抗42を接続して、制御ユニット10からの制御信号でFET41のオン、オフを制御することで測定時のみの発光を可能としている。   Here, power is supplied to the ten LEDs 1 to LED 10 from the DC power source 30, and a FET 41 and a resistor 42 are connected as a switching element between the DC power source 30 and each LED 1 to LED 10, and control from the control unit 10 is performed. By controlling on / off of the FET 41 with a signal, light emission only at the time of measurement is possible.

また前記ステップS5の相関係数が低い場合に、FET41を個別に制御してLED1〜LED10を順に消灯させて撮影する自己診断を実施する。例えば、カメラレンズに汚れが付着した場合、焦点距離は遠方であることから画像上ではボケて広範囲に影響を及ぼすが、LEDの個別不良であった場合は不良を生じたLEDが暗く撮影されることから、ターゲットの異常によるものか、カメラレンズの異常によるものかの識別が可能となる。   When the correlation coefficient in step S5 is low, self-diagnosis is performed in which the FET 41 is individually controlled to turn off the LEDs 1 to 10 in order and take an image. For example, if dirt is attached to the camera lens, the focal length is far away, so it blurs and affects a wide range on the image, but if the LED is defective individually, the defective LED is photographed darkly. Therefore, it is possible to identify whether it is due to a target abnormality or a camera lens abnormality.

さらにLEDを順に消灯させることで、ターゲットの異常であった場合、ターゲット表面の汚れであれば点灯時と消灯時で撮影画像の輝度に差が出るが、LEDの故障であれば点灯時と消灯時で撮影画像の輝度に差が出ないことから、詳細な故障箇所の特定が可能となり、ターゲットそのものを修理するか、ターゲット表面の清掃で対応可能なのかが判断可能となる。   Furthermore, by turning off the LEDs in order, if the target is abnormal, if the surface of the target is dirty, the brightness of the captured image will differ between when it is turned on and when it is turned off. Since there is no difference in the brightness of the captured image, it is possible to specify a detailed failure location and determine whether the target itself can be repaired or the target surface can be cleaned.

ターゲットの修理・交換には軌道への立入りが必要となるため、事前に鉄道会社へ申請し、鉄道運行がない時間に鉄道会社要員の立会いの下、作業を実施する必要があるが、ターゲットの交換か清掃かを事前に把握することで、軌道への立入り作業内容が明確となる。またカメラレンズの異常であれば、カメラを管理敷地外に設置しておけば、任意の時間に補修が可能であり、迅速な復旧が可能となるため、異常要因を識別できる効果は大きい。   Since it is necessary to enter the track to repair and replace the target, it is necessary to apply to the railway company in advance and perform the work in the presence of railway company personnel when there is no railway operation. By grasping in advance whether it is replacement or cleaning, the contents of entry work into the track become clear. If the camera lens is abnormal, if the camera is installed outside the management site, it can be repaired at an arbitrary time and can be quickly recovered.

図11は本発明による発光パターンをリング状としたターゲットの例を示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing an example of a target having a light emission pattern according to the present invention in a ring shape.

本例によるターゲットは、図8で説明したターゲットの押え板12−3に代えて、押え板12−3と同様の押え板の中央に円形の板を遮光マスク12−6として貼り付けた押え板12−5を用いている。   The target according to this example is a presser plate in which a circular plate is attached as a light shielding mask 12-6 at the center of a presser plate similar to the presser plate 12-3 instead of the presser plate 12-3 of the target described in FIG. 12-5 is used.

このような押え板12−5により、リング状の発光パターンとすることでターゲットの座標演算時に外周円(光透過部の外周縁)の断面と内周円(光透過部の内周縁)の断面とに形成される計4箇所の明暗境界を利用することが可能となる。外周円の断面で形成される2箇所の明暗境界から求まる重心座標と、内周円の断面によって形成される2箇所の明暗境界から求まる重心座標を演算し、両者の平均を求めることで、座標特定精度が向上する。   By using such a holding plate 12-5 to form a ring-shaped light emission pattern, the cross section of the outer circumference circle (the outer peripheral edge of the light transmission portion) and the cross section of the inner circumference circle (the inner periphery of the light transmission portion) when calculating the coordinates of the target It is possible to use a total of four light / dark boundaries formed in the above. By calculating the center-of-gravity coordinates obtained from the two light / dark boundaries formed by the cross-section of the outer circle and the center-of-gravity coordinates determined from the two light / dark boundaries formed by the cross-section of the inner circle, Specific accuracy is improved.

以上説明した軌道変位測定装置によれば、安価な電子部品だけで構成されたターゲットとデジタルカメラを用いることにより、軌道変位測定を瞬時に自動的に行わせることが可能となり、相対変化における環境に起因する誤差の影響がないだけでなく、保存データがデジタル値であることから統計処理など数値演算への展開も容易におこなえる。   According to the orbital displacement measuring apparatus described above, it is possible to automatically perform orbital displacement measurement instantaneously by using a target composed of only inexpensive electronic components and a digital camera. Not only is there no influence of the error caused by it, but since the stored data is a digital value, it can be easily applied to numerical operations such as statistical processing.

また、装置の自己診断機能により、装置異常を検出できるなど得られる効果は大である。   In addition, the self-diagnosis function of the apparatus has a great effect that it can detect an apparatus abnormality.

なお、本発明における撮像手段は、デジタルカメラのみならず、画像信号を得られるカメラであれば良い。画像信号がアナログ信号の場合には、制御ユニット10の前にアナログ−デジタル変換器が設けられる。   Note that the imaging means in the present invention is not limited to a digital camera but may be any camera that can obtain an image signal. When the image signal is an analog signal, an analog-digital converter is provided in front of the control unit 10.

10 制御ユニット
11 デジタルカメラ
12 ターゲット
31 枕木
32 軌道
10 control unit 11 digital camera 12 target 31 sleeper 32 orbit

Claims (2)

鉄道軌道あるいは軌道近傍に配置した複数の撮影用のターゲットと、
あらかじめ定められた位置に配置されて初期設定時に前記複数のターゲットが含まれる画像を撮影して初期画像を得ると共に、実際の測定時に前記複数のターゲットが含まれる画像を撮影して測定画像を得るためのカメラと、
前記初期画像と前記測定画像とを共通の画像上の座標軸上で比較し、前記測定画像からターゲットを抽出してターゲット毎の特定部位の座標を演算し、撮影ごとの各ターゲットの特定部位の座標の演算結果をもとに運用開始からの特定部位の座標の経時変化から軌道の変位を測定する制御ユニットと、を備え、
前記制御ユニットは、初期設定に際しては、前記初期画像内において設定された、ターゲットを含む基準画像をターゲット毎に記憶装置に記憶すると共に、各基準画像における各ターゲットの特定部位の座標を算出して前記記憶装置に記憶し、更に、ターゲット毎に基準画像を中心に置くように設定された探索範囲を前記記憶装置に記憶しており、
前記制御ユニットは、実際の測定に際しては、前記初期画像と共通の座標軸で規定され前記複数のターゲットが含まれる前記測定画像内に、ターゲット毎に、前記探索範囲が設定された領域と同じ領域に測定用探索範囲を設定したうえで、前記測定用探索範囲内において対応するターゲットの前記基準画像を1画素ずつ移動させて当該基準画像との相関係数が最も高い領域を前記対応するターゲットを含む領域として得てその領域の特定部位の座標を算出し、
前記制御ユニットの制御下で、前記ターゲットを、撮影時刻に合わせて自動的に光源を発光させる発光回路を具備し、
各ターゲットは、複数のLEDをリング状に配置してその発光パターンをリング状としており、
前記制御ユニットは、前記実際の測定に際して前記相関係数が低い場合には、前記複数のLEDを全点灯状態から個別に順に消灯させてその都度撮影を行い、得られた撮影画像から、前記相関係数の低い原因がターゲットの異常、カメラのレンズの異常のいずれであるかの自己診断を実施することを特徴とする軌道変位測定装置。
A plurality of shooting targets arranged on or near the railway track; and
An initial image is obtained by capturing an image including the plurality of targets arranged at a predetermined position at the time of initial setting, and a measurement image is obtained by capturing an image including the plurality of targets at the time of actual measurement. Camera for
The initial image and the measurement image are compared on the coordinate axes on the common image, the target is extracted from the measurement image, the coordinates of the specific part for each target are calculated, and the coordinates of the specific part of each target for each imaging A control unit that measures the displacement of the trajectory from the time-dependent change of the coordinates of the specific part from the start of operation based on the calculation result of
In the initial setting, the control unit stores a reference image including the target set in the initial image in a storage device for each target, and calculates coordinates of a specific part of each target in each reference image. Storing in the storage device, further storing in the storage device a search range set to center the reference image for each target,
In the actual measurement, the control unit is provided in the same area as the area where the search range is set for each target in the measurement image defined by the coordinate axes common to the initial image and including the plurality of targets. After setting the measurement search range, the reference image of the corresponding target is moved pixel by pixel within the measurement search range, and the region having the highest correlation coefficient with the reference image includes the corresponding target. Obtain as a region and calculate the coordinates of a specific part of that region,
Under the control of the control unit, the target comprises a light emitting circuit that automatically emits a light source in accordance with the photographing time,
Each target has a plurality of LEDs arranged in a ring shape and its light emission pattern is in a ring shape.
When the correlation coefficient is low during the actual measurement, the control unit turns off the plurality of LEDs individually in order from the fully lit state, and takes a picture each time. An orbital displacement measuring apparatus that performs self-diagnosis to determine whether the cause of a low relationship number is a target abnormality or a camera lens abnormality.
請求項1に記載の軌道変位測定装置において、前記複数のターゲットは、前記鉄道軌道に沿って等間隔で配置された所定数のターゲットを含み、前記制御ユニットは、これら所定数のターゲットのうち、対象ターゲットとこれに隣接する2つのターゲットを選択して合計3個のターゲットの特定部位の座標を算出すると共に、前記2つのターゲットの特定部位の座標をもとに直線を算出し、更に、前記対象ターゲットから前記算出した直線までの水平距離、垂直距離を測定することを特徴とする軌道変位測定装置。   The track displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the plurality of targets include a predetermined number of targets arranged at equal intervals along the railroad track, and the control unit includes: Select a target target and two targets adjacent to it, calculate the coordinates of specific parts of a total of three targets, calculate a straight line based on the coordinates of the specific parts of the two targets, An orbital displacement measuring apparatus for measuring a horizontal distance and a vertical distance from a target target to the calculated straight line.
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