JP2015004660A - モバイル式画像流速測定の方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モバイル式画像流速測定の方法及びその装置の提供。
【解決手段】本発明は一種のモバイル式画像流速測定の方法及びその装置であり、それはレーザー光のモジュールとスマートフォン、カメラ或いはタブレットＰＣ等のモバイル撮影装置を整合し、それは複数のレーザー光点を流動水体の表面に投射した後に、レーザー光点を含む水面画像を連続して撮影し、さらにモバイル撮影装置自身の画像認識のソフトウエアプログラムで演算、座標変換し、これにより、連続撮影により取得した複数枚の水面画像間の差異により水面の流速情報を取得する。
【選択図】図１

Description

本発明は一種のモバイル式画像流速測定の方法及びその装置に係り、特に、レーザー光点の投射と既存のモバイル撮影装置を結合させ、使用者が遠距離から水流に対して安全で正確な流速測定を行えるようにする方法及びその装置に関する。

粒子画像流速測定法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ，ＰＩＶ）は光学方法であり、流動場可視化及びデジタル画像処理の二種類の技術を結合し、非接触性の全場速度測定の特徴を有する。それは構造上、光学振動防止テーブル、シンクロナイザー、ＩＲレーザー、レーザー発振器、及び高速カメラで構成される。

早期には１９９０年代初頭に、実験室でＰＩＶを利用して各種の測定研究が行われた。最も早期には、ＰＩＶ測定技術の自然河川に応用する研究が、１９９０年代中期に日本で進められた。続いて、関係するＰＩＶ測定技術が水利工程の応用において勃興発展し、並びに次第にラージスケールの粒子画像流速測定法（ＬＳＰＩＶ）に向けて発展してきた。近年、ＬＳＰＩＶの主要な発展のうち、一種の形式は、時空画像流速測定法（ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅ ｉｍａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）であり、帯状画像連続測定を利用し、モニタリングエリアの測定速度を獲得する。もう一種は、ラージスケール調整ＰＩＶ法（Ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ＰＩＶ）であり、それはオリジナル画像上で直接流速ベクトルを分析し、さらにそれは正確なスケールに変換する。また、リアルタイム（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ）ＬＳＰＩＶシステム（ＲＴＬＳＰＩＶ）の形式を構築し、連続５カ月間、ＲＴＬＳＰＩＶを利用して河川流量をモニタリングし、並びにＵＳＧＳ流量ステーションの測定データと比較後、両者は相当な測定精度をえられることが分かり、その誤差は僅かに１０％程度であった。さらにもう一種は、モバイルＬＳＰＩＶ（ＭＬＳＰＩＶ）であり、それは、撮影設備、コンピュータと分析ソフトウエアを直接工程車上に架設し、これにより、機動的に河川傍らの実行部署でモニタリングを行える。

以上の記載から分かるよう、過去のＰＩＶ測定方式の多くは固定式に属し、主には、ＰＩＶ演算法は事前定位が必要で、それにより参考点座標を獲得して画像認識率の定パラメータとするために、操作の便利性が非常に低い。

応用場面について述べると、水流が急である少なからぬエリアはいずれも地勢が急峻な渓谷に位置するか、或いは、使用者が水流に接近できる平坦で広い経路がなく、これにより、測定装置を設置して水流のモニタリングを行うのに不適合である。このほか、水流測定の時間点は、天候不良の条件下で進めなければならない場合があり、このとき、もし河川等の水流の近くに接近して測定すると、測定者の安全に対して大きな脅威となる。

これにより、いかに測定者が遠距離から水流速度に対して測定観察を行えるようにするか、及び測定時の精度を確保して各方面の要求を満足させられるようにするかが、ずっと解決を待たれる技術課題であった。

本発明の主要な目的は、一種のモバイル式画像流速測定の方法を提供することにあり、それは、複数のレーザー光源を流動する水面に照射させ、その後、連続撮影及び画像分析処理を行うことで、使用者に安全で水面近くの強風危険エリアでの近距離測定或いはその部分に参考物品を設置する必要がなく、安全性と便利性を有しているものとする。

本発明の次の目的は、一種のモバイル式画像流速測定の方法を提供することにあり、それはレーザービーム自身の低発散性により測定距離を遠距離となし、すなわち、非常に離れても正確度に影響を与えないものとする。

本発明のさらにもう一つの目的は、一種のモバイル式画像流速測定の装置を提供することにあり、それは、流動する水面に必要なレーザー光を投射し、本発明の方法に組み合わせて正確な流速を測定できるものとする。

本発明のさらにもう一つの目的は、一種のモバイル式画像流速測定の装置を提供することにあり、それは、既存のスマートフォン或いはデジタルカメラの撮影及び演算機能を直接利用できるものとする。

上述の目的を達成するため、本発明は一種のモバイル式画像流速測定の方法及びその装置を提示し、該方法は、
複数のレーザー光点を水面に投射し、
これらのレーザー光点を包含する複数の水面画像を連続撮影し、
これらの水面画像中の、これらのレーザー光点がそれぞれ有する参考座標を取得し、
これらレーザー光点がそれぞれ有する真実座標を計算し、
これらの水面画像を、複数の、直交画像に還元し、
これらの直交画像を分析することで、複数の流速ベクトルを取得し、並びにこれら参考座標を分析してこれらレーザー光点の間の参考長さを取得し、
これらの流速ベクトル及び該参考長さを結合して、該水面の流速を取得する。

本発明の方法及び対応する適当な装置を利用することにより、本発明は使用者に安全なエリアにいながら、流れが速いか地勢が危険な所の水流に対して、モニタリングと測定が行える。

本発明のステップのフローチャートである。 本発明の好ましい実施例の正面構造表示図である。 本発明の好ましい実施例の背面構造表示図である。 本発明の平行レーザービーム式を使用時の、その投射の座標表示図である。 本発明の橋梁での使用の撮影表示図である。 本発明の別の好ましい実施例の正面構造表示図である。 本発明中、非平行レーザー光源セットの投射表示図である。 本発明の流速測定の結果表示の写真である。

以下に本発明の技術内容、構造特徴、達成する目的及び作用効果について、以下に例を挙げ並びに図面を組み合わせて詳細に説明する。

まず、図１を参照されたい。それは本発明の方法に関するステップフローチャートである。図示されるように、それは以下のステップを包含する。
ステップＳ１：複数のレーザー光点を水面に投射する。
ステップＳ２：これらのレーザー光点を包含する複数の水面画像を連続撮影する。
ステップＳ３：これらの水面画像中の、これらのレーザー光点がそれぞれ有する参考座標を取得する。
ステップＳ４：これらレーザー光点がそれぞれ有する真実座標を計算する。
ステップＳ５：これらの水面画像を、複数の直交画像に還元する。
ステップＳ６：これらの直交画像を分析することで、複数の流速ベクトルを取得し、並びにこれら参考座標を分析してこれらレーザー光点の間の参考長さを取得する。
ステップＳ７：これらの流速ベクトル及び該参考長さを結合して、該水面の流速を取得する。

本発明中、遠距離から直接水面に対してレーザー光点の投射及び画像の連続撮影を行ない、その後、さらに、分析演算能力を有する装置により獲得した画像をリアルタイムで処理し、これにより水面流速の情報を獲得する。もし、具体的に上述の方法を実現するステップが必要であれば、関係するハードウエア設備による支援が必要である。

図２Ａと図２Ｂを併せて参照されたい。それは本発明が提示する方法を実現するための装置構造の正面図及び背面図である。それは、複数のレーザー光源１、フレーム２、収容空間２１、モバイル撮影装置３を包含する。そのうち、これらレーザー光源１は該フレーム２の上に設置され、該フレーム２の中央に該収容空間２１があり、この収容空間２１は、モバイル撮影装置３を収容するのに用いられ、それはモバイル撮影装置３をこの収容空間２１中に固定し、フレーム２にモバイル撮影装置３の周辺を包囲させる。

このほか、モバイル撮影装置３の一面は、一つのレンズ３１を具え、写真撮影或いはビデオ撮影に用いられ、該レンズ３１は、フレーム２の、これらレーザー光源１を載置する面と同一方向を向いている。その他の面は、画像表示を行える表示ユニット３２及び命令を下せる操作ユニット３３を具え、この操作ユニット３３は、表示ユニット３２がタッチコントロール式の設計であれば、表示ユニット３２と一体に設けられ得る。

本発明は図２Ａに示される実施例中、これらレーザー光源１は平行レーザー光源セットとされ、それは相互に平行なレーザービームを発射でき、４個のレーザー光源１を使用する場合を例にすると、各レーザー光源１は矩形の方式で配列され、レーザー光源１より水面に垂直投射し、最初の投射の後、投射角度を、水平角度αに水平移動させ、さらに垂直角度βに垂直移動させ、それを目標水面に調整し、それによりレーザー光源１を水面上に投射する時に、形成されるレーザー光点の相対座標を計算する。

上述の平行レーザー光源セットを使用した例は、図３を参照されたい。図中、第１図形Ｐ₁はレーザー光源１の発射する平行レーザービームの断面である。第２図形Ｐ₂は第１図形Ｐ₁に対して垂直角度βの修正を行ない、ＸＹ平面に対して垂直とした図形である。第３図形Ｐ₃は第２図形Ｐ₂に対して、水平角度αの修正を行ない、ＹＺ平面に対して平行とした図形である。第４図形Ｐ₄は、レーザー光源１が水面において形成する変形図形である。そのうち、レーザー光源１が投射する画像は、複数のレーザー光点とされ、この図に示されるＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₃及びＰ₄はいずれも複数のレーザー光点が接続されてなる仮想レーザー図形であり、並びに投射実体矩形図形ではない。

レーザー光源１を使用してレーザー光点を水面に投射した後、使用者はモバイル撮影装置３を利用して連続撮影を行う。このモバイル撮影装置３は既存のスマートフォン或いはデジタルカメラとされ、それは、応用時にフレーム２の収容空間２１に取り付けられ、並びに応用終了時に取り外される。本発明はこれらのスマートフォン、タブレットＰＣ或いはデジタルカメラのレンズ３１を利用して、レーザー光点と水面流場を連続して撮影する。図４の例では、本発明は橋梁６の上から下向きに水面７を撮影し、これらレーザー光点５１を包含する複数の水面画像５を取得し、並びにそれをモバイル撮影装置３に保存する。このステップでは、レーザー光源１の方向とモバイル撮影装置３のレンズ３１の方向は一致し、これにより、ただモバイル撮影装置３の拡大倍率を調整するだけで、測定が必要な水面７範囲を獲得できる。

続いて、本発明はモバイル撮影装置３自身の演算処理ユニットに、関係するマイクロタイプアプリケーションプログラム（Ａｐｐ）を結合させて、前述のように取得した水面画像に対して画像分析を行う。このステップ中、まず、水面画像５中のレーザー光点５１がそれぞれ有する参考座標を確認し、その根拠は回転の垂直角度βと水平角度αを、以下の式１から式４（４つのレーザー光源１を使用した場合を例としている）により、レーザー光点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの水面上での真実座標を計算する。

その後、さらに水面への非垂直投射により、変形した水面画像５中のレーザー光点位置（ｘ'，ｙ'）_A 〜（ｘ'，ｙ'）_D は、すなわちモバイル撮影装置３が撮影した水面画像５上で、赤点検出認識ソフトウエア等の画像処理技術で認識でき、変形前と変形後のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの四つの点の座標位置を以下の式５、式６に代入して連立方程式を解いて係数Ｃ₁〜Ｃ₈ を求める。

これにより、既知の係数Ｃ₁〜Ｃ₈ の下で、式５、式６は変形した水面画像を還元して直交画像とし、並びにレーザー光点５１の間の参考長さを獲得する。

続いて、本発明は相関性によりこれら水面画像を分析し、複数の流速ベクトルを取得する。このとき、粒子画像流速測定法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ，ＰＩＶ）の流速画像測定を行ない、連続する２枚の既知の時間間隔の直交画像に対する相関性分析を利用し、直交画像上の水面追跡源（水花、浮遊物、浮遊微粒子等）の移動方向と距離を計算し、その後、さらに時間間隔で除算し、直交画像上の流速ベクトルを獲得する。

このほか、もし、光線不良或いは夜間に測定する状況では、水面画像５の明晰度をアップするため、本発明はまた、その他の光源と組み合わせて使用してもよく、レーザー光の高い集光性は補助光源の影響を受けない。且つ、本発明の提示する装置は、直接流速画像測定結果を、表示ユニット３２に即刻表示でき、関係する流速情報、水面画像、ＧＰＳ座標などもまた、モバイル撮影装置３の３Ｇ無線伝送技術、ブルートゥース或いはＷｉＦｉ技術を利用してクラウドサーバーにアップロードでき、これにより遠方でのリアルタイムの防災モニタリングの使用に供する。

平行レーザー光源セット以外に、本発明は非平行レーザー光源セットを使用して測定を行うことができる。図５に示される装置構造表示図と図６の投射表示図を参照されたい。この時、その構造はまた、複数のレーザー光源１を有するが、これらのレーザー光源１の発射するレーザービームは相互に平行ではなく、水平方向上、夾角α_Dを有し、垂直方向上、夾角β_Dを有し、距離の遠近によりα_Dとβ_Dの角度は変化し、これにより、投射されるレーザー光点の形成する四角形は、大きさの変化を有し得る。それは構造上、別にレーザー距離測定モジュール４を有し、本発明の装置と水面の距離Ｚ_dがどのようであるかを測定でき、これにより、レーザー光点の形成する四角形の、拡大後のサイズを、幾何計算により獲得でき、その後、さらに本発明と水面法線の夾角に基づき、レーザー光点の水面上の相対座標を計算する。

非平行レーザー光源セットを使用する時、その操作フローは平行レーザー光源セットを使用する場合と同じであるが、ただし、この時、四つのレーザー光源１の発射するレーザービームと相互に平行なレーザービームとの間の夾角を計算に加えなければならない。並びに、レーザー光点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの水面上での真実座標を推導する時には、以下の式７に改めて計算を行う。

以下は本発明の、非平行レーザー光源セットを使用して流速測定を行う操作実施例であり、そのフローは、順に以下のとおりである。
１．レーザー光源、レーザー距離測定モジュール、及びモバイル撮影装置とされるカメラ及びそれに保存されたアプリケーションプログラムを起動し、それを橋梁或いは岸辺の両側に架設し、並びに水面に照準し、上から下に撮影する。それと水面の傾斜角はできるだけ９０°を呈するようにまっすぐに撮影し、得られる情報を十分なものとする。
２．連続撮影により隣り合う２枚の水面画像を取得し、取得間隔は１／３０ｆｐｓとし、レーザー距離測定モジュールのデータは４．０７９メートルとする。
３．装置の赤点検出測定ソフトウエアを使用し、画像上のレーザー光点の参考座標を取得する。
４．事前にレーザー光源の４点偏向角を校正する。
α_A＝０．２４０４；β_A＝−０．０９３２
α_B＝０．７３３４；β_B＝−０．１２９３
α_C＝０．８１４６；β_c＝０．４２０４
α_D＝０．３０９１；β_D＝０．２９８５
Ｘ_D＝４０７．９は、レーザー距離測定モジュールにより獲得し、非平行レーザービーム式（或いは平行レーザービーム式）の公式を組み合わせ、公式により４点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの実際空間上の真実座標を取得し、単位はセンチメートルとする。
Ａ＝（０、０）
Ｂ＝（１３．５１００，−０．２５７１）
Ｃ＝（１４．０８８２，８．６５６８）
Ｄ＝（０．４８９１，７．７８８６）
５．画像上の参考座標と実際空間の真実座標を取得し、直交変換により隣り合う２枚のオリジナル画像を正面向き処理し、オリジナルの撮影が９０°に近い正面向き撮影であれば、変換後の画像情報は比較的遺失しにくい。
６．ＰＩＶ画像測定技術を使用して画像上の流速ベクトル図を獲得し、このベクトル図の単位はピクセルとされ、座標変換後の画像点の実際空間はいずれも既知であり、ゆえに点の間の距離或いは座標上で横軸と縦軸の距離を補てんすれば、図７の流速測定の結果が得られる。

上述の方法と対応するハードウエアの動作により、本発明の提示するモバイル式画像流速測定の方法及び装置は、使用者に流動する水から相当遠くに離れた場所から、レーザー光点を投射し写真を撮影させる方式で、流速を計算するのに十分な情報を獲得させ、完全に水に接近する必要がなく、或いは余分に参考物品を探す或いは放置する必要がなく、安全性と便利性を有している。また、直接に相当に普及しているスマートフォン或いはデジタルカメラ等の既存製品を運用し、並びに直接携帯して移動でき、エリア或いは場面の制限を受けず、運用上、相当に機動性があり、且つ推奨しやすい。ゆえに、本発明は各種の長所を有し、経済的で実用価値を有するモバイル式画像流速測定の方法及びその装置を提供している。

以上は本発明の好ましい実施例の説明に過ぎず、並びに本発明を限定するものではなく、本発明に提示の精神より逸脱せずに完成されるその他の同等の効果の修飾或いは置換は、いずれも本発明の権利請求範囲内に属する。

１ レーザー光源
２ フレーム
２１ 収容空間
３ モバイル撮影装置
３１ レンズ
３２ 表示ユニット
３３ 操作ユニット
４ レーザー距離測定モジュール
５ 水面画像
５１ レーザー光点
６ 橋梁
７ 水面
α 水平角度
β 垂直角度
α_D 夾角
β_D 夾角
Ｐ₁ 第１図形
Ｐ₂ 第２図形
Ｐ₃ 第３図形
Ｐ₄ 第４図形
Ｗ 水流方向
Ｚ_d 距離
Ｓ１〜Ｓ７ ステップ

Claims (8)

1. モバイル式画像流速測定の方法において、
   複数のレーザー光点を水面に投射し、
   これらのレーザー光点を包含する複数の水面画像を連続撮影し、
   これらの水面画像中の、これらのレーザー光点がそれぞれ有する参考座標を取得し、
   これらレーザー光点がそれぞれ有する真実座標を計算し、
   これらの水面画像を、複数の直交画像に還元し、
   これらの直交画像を分析することで、複数の流速ベクトルを取得し、並びにこれら参考座標を分析してこれらレーザー光点の間の参考長さを取得し、
   これらの流速ベクトル及び該参考長さを結合して、該水面の流速を取得し、
   以上のステップを含むことを特徴とする、モバイル式画像流速測定の方法。
2. 請求項１記載のモバイル式画像流速測定の方法において、複数のレーザー光点を水面に投射するステップでは、まず複数のレーザー光源をある水平角度及びある垂直角度移動させてから、これらレーザー光源を使用してこれらレーザー光点を該水面に投射することを特徴とする、モバイル式画像流速測定の方法。
3. 請求項２記載のモバイル式画像流速測定の方法において、これらレーザー光源は少なくとも４個が設けられることを特徴とする、モバイル式画像流速測定の方法。
4. 請求項１記載のモバイル式画像流速測定の方法において、これらの水面画像を、複数の直交画像に還元するステップでは、これら参考座標及びこれら真実座標を還元パラメータとすることを特徴とする、モバイル式画像流速測定の方法。
5. モバイル式画像流速測定の装置において、
   複数のレーザー光源と、
   フレームであって、これらレーザー光源を載置し、且つ中央に収容空間を具えている、上記フレームと、
   モバイル撮影装置であって、該収容空間に固定され、且つレンズを具え、該レンズはこれらレーザー光源と同一方向を向いている、上記モバイル撮影装置と、
   を包含することを特徴とする、モバイル式画像流速測定の装置。
6. 請求項５記載のモバイル式画像流速測定の装置において、該モバイル撮影装置はデジタルカメラ、スマートフォン或いはタブレットＰＣとされることを特徴とする、モバイル式画像流速測定の装置。
7. 請求項５記載のモバイル式画像流速測定の装置において、該モバイル撮影装置は表示ユニットと操作ユニットを具え、該表示ユニット及び該操作ユニットは、該レーザー光源と反対の方向に向けられたことを特徴とする、モバイル式画像流速測定の装置。
8. 請求項５記載のモバイル式画像流速測定の装置において、レーザー距離測定モジュールをさらに包含し、該レーザー距離測定モジュールは該フレームに設置され、且つこれらレーザー光源と同じ方向に向けられたことを特徴とする、モバイル式画像流速測定の装置。

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