JP2015099118A - 画像処理によるトロリ線摩耗測定装置及びトロリ線摩耗測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トロリ線摩耗部の検出精度をより向上させ、画像上に現れる複数のトロリ線候補から本物のトロリ線を特定することのできるトロリ線摩耗測定装置を提供する。
【解決手段】画像処理によるトロリ線摩耗測定装置に、トロリ線の種類を予め設定することにより、ラインセンサ画像中のトロリ線の最大幅に相当する画素数以上を持つ白域の部分を黒域に変換する摩耗部以外のノイズ除去処理部４ｃと、ラインセンサ画像の輝度勾配特性を算出し、算出した輝度勾配特性に基づいて予め設定した範囲外の白域の部分を黒域に変換する輝度勾配によるノイズ除去処理部４ｄと、ラインセンサ画像上の予めユニット単位に登録したトロリ線摩耗部の位置からトロリ線摩耗部を特定する剛体パターン認識処理部４ｅと、トロリ線摩耗部以外を除去したラインセンサ画像に対して判別分析二値化処理を行う第二判別分析二値化処理部４ｆとを設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、電車の屋根上からトロリ線の下面の幅を撮影し、この画像を処理することでトロリ線の摩耗を測定する画像処理によるトロリ線摩耗測定装置及びトロリ線摩耗測定方法に関する。

電気鉄道車両へ電力を供給するトロリ線は車両が通過するたびに集電装置と接触が生じる。このため、電気鉄道車両を運用していく中でトロリ線は徐々に摩耗していき、交換をしない場合は最終的には破断して事故を招くことになる。そこでトロリ線には摩耗限界が設けられており、その摩耗限界を目安にトロリ線を交換し電気鉄道車両の安全性を確保している。

トロリ線の摩耗を測定する方法としては、トロリ線の厚みを直接測定する方法、トロリ線の摩耗部（以下、トロリ線摩耗部という）の幅を計算して摩耗幅からトロリ線の厚みを換算する方法の二つの方法に大きく分けられる。

トロリ線の厚みを直接測定する方法としては、まず、ノギスなどの定規を用いてトロリ線の厚みを測定する方法がある。これは作業者が測定したいトロリ線部分の厚みをノギス等の定規を用いて手作業にて測定する方法で、測定したいトロリ線の厚みを確実に求めることができる。その反面、測定には手間がかかり自動化できないため、長い距離の区間を測定することは困難である。

トロリ線の厚みを直接測定するもう一つの方法としては、光学センサを用いるものがある。これは回転ローラをトロリ線に押し付け、ローラ台にトロリ線を挟むように取り付けたレーザ照射装置と受光装置により、装置に挟まれたトロリ線部分での受光量を測定し、その受光量からトロリ線の厚みを換算するものである。この方式は連続的にトロリ線の厚みを測定することが可能であるが、トロリ線との接触を伴うため低速での運用を行う必要があり、トロリ線をセンサが挟む構造であるため、ポイント、エアーセクション、アンカーといったセンサと衝突するような構造物が存在する部分での使用が不可能であり、また、それら既存構造物の存在する場所では衝突しないよう測定位置から装置を離す必要がある。

一方、トロリ線摩耗部の幅を計測する方法としてナトリウムランプやレーザ光を照射してトロリ線摩耗部を測定する方法がある（例えば、特許文献１参照）。これはトロリ線下部が丸いひょうたん形状になっていて、摩耗によりトロリ線が平たく削れていくほど削れた部分の幅が広くなることを利用したもので、摩耗幅からその箇所のトロリ線の厚みを換算する。トロリ線摩耗部の測定方法としては、ナトリウムランプやレーザ光といった光源から照射した際のトロリ線摩耗部からの反射光を正反射で受光するように受光部のラインセンサとの位置を精密に調整し、正反射による強い光を撮像することでトロリ線摩耗部をホワイトアウト状態にし、その強い光を受けたホワイトアウト部分の幅からトロリ線摩耗部の幅を求めるものである。この方式は非接触であるため高速な運用が可能である。しかしながら、トロリ線を挟んでいるクランプや背景に映る構造物などのノイズの影響を受けやすく、何らかのノイズにより間違った計測結果を得た場合はそれを確認する方法がなく、トロリ線摩耗として問題があった部分については、結局は直接トロリ線の厚みを測定する方法を使用して確認する必要があった。また、光源と受光装置の位置を精密に調整して正反射光を受けるようにする必要があった。

これらに対して特許文献２には、ラインセンサ画像から画像処理によって摩耗幅を計測し、その摩耗幅の計測値からその箇所のトロリ線の厚みを換算するようにしたことにより、非接触に短時間で長い距離にわたってトロリ線の摩耗幅を測定することができる画像処理によるトロリ線摩耗装置が開示されている。

特開平１０−１９４０１５号公報 特許第４８１６５６７号公報 特開２００６−２５０７７４号公報

ここで、トロリ線の架線柱等からの吊架方式には数種類あり、代表的なものとしてパンタグラフが接触する部分であるトロリ線と、トロリ線をハンガと呼ばれる金属棒で吊るして支える為の吊架線とで成り立っているカテナリ吊架式がある。その他には、主に地下鉄路線に使用される方式として、図１７に示すように、トンネル壁面９に架設される剛体部（剛体吊架線）１０に直接トロリ線７をつけた剛体架線式がある。剛体部１０は、トンネル壁面９に固定される剛体架台１０Ａと、トロリ線７を支持する剛体支持部（以下、トロリ線支持部と言う）１０Ｂとを結合したものである。

上述した特許文献２に記載された画像処理によるトロリ線の摩耗測定装置においては、図１７に示すような剛体架線式のトロリ線の撮像データを二値化処理によって加工すると、トロリ線７と並行して剛体部１０の反射面１０ａ，１０ｂ，１０ｃがあり、それらが光を反射する金属物質で構成されるときには、図６に示すようにトロリ線７の摩耗部分７ａが白域Ｗ_Aとなると共にそれに並行して剛体部１０の反射面１０ａ，１０ｂ，１０ｃも白域Ｗ_B，Ｗ_C，Ｗ_Dとなる場合があり、背景部分（トロリ線の摩耗していない部分を含む）が黒域となる。例えば、剛体部１０（反射面１０ｂ）、トロリ線摩耗部７ａ、剛体部１０（反射面１０ｂ）に対応する三本の連続する白域を剛体パターンとして登録している場合、トロリ線最大摩耗幅Ｗ_Tよりも太い白域Ｗ_Bは図７に示すようにノイズであるとして除去することができる。しかしながら、残った白域Ｗ_A，Ｗ_C，Ｗ_Dはトロリ線最大摩耗幅Ｗ_Tよりも細く、ノイズであってもトロリ線摩耗部７ａに対応する部分である可能性があるとして除去されないおそれがある。
以上のように、特許文献２に記載された発明において除去できない可能性がある白域ノイズは、剛体部１０の構造や照明の当たり方によって発生してしまう。

このように、特許文献２に記載された発明においては、例えば、予め剛体パターンとして登録されている白域が三本であるのに対し、剛体部１０を撮像した画像で、四本目、五本目…といった「トロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０」ではない複数の白域（ノイズ）が現れ、それらがトロリ線最大摩耗幅Ｗ_T以下の場合、トロリ線摩耗部７ａの検出が正しく行えないおそれがあった。

また、特許文献１の請求項３の方法にある、二値化のしきい値を変更する方法でも、ノイズである白域と「トロリ線摩耗部もしくは剛体部」の輝度値に大きな差がないためノイズを除去できないという問題があった。

このように、図６のような画像が撮像された場合、適切なトロリ線摩耗部の検出が行えないおそれがあった。

このようなことから本発明は、トロリ線摩耗部の検出精度をより向上させ、画像上に現れる複数のトロリ線候補から確実にトロリ線摩耗部を特定することができる画像処理によるトロリ線摩耗測定装置及びトロリ線摩耗測定方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る画像処理によるトロリ線摩耗測定装置は、ラインセンサを用いてラインセンサ画像を作成し入力画像として保存するラインセンサ画像作成手段と、前記ラインセンサ画像に対して判別分析二値化処理によるトロリ線摩耗部分を強調した二値化ラインセンサ画像を形成する第一の判別分析二値化処理手段と、トロリ線の最大幅を予め設定することにより、前記ラインセンサ画像中のトロリ線の最大幅に相当する画素数以上を持つ白域の部分を黒域に変換する第一のノイズ除去処理手段と、前記ラインセンサ画像の輝度勾配特性を算出し、算出した前記輝度勾配特性に基づいて判別したノイズに対応する白域の部分を黒域に変換する第二のノイズ除去処理手段と、前記ラインセンサ画像上において白域として抽出されるトロリ線摩耗部及び剛体部で構成されるパターンを１ユニットとして予め登録し、該ユニット単位に登録したトロリ線摩耗部の位置からトロリ線摩耗部を特定し、該トロリ線摩耗部以外に対応する白域を黒域に変換する剛体パターン認識処理手段と、前記剛体パターン認識処理によってトロリ線摩耗部のみを白域としたラインセンサ画像に対して判別分析二値化処理によるトロリ線摩耗部分を強調した二値化ラインセンサ画像を形成する第二の判別分析二値化処理手段と、前記二値化ラインセンサ画像から点状のノイズを除去する第三のノイズ除去手段と、ノイズを除去された前記二値化ラインセンサ画像からトロリ線摩耗部のエッジを検出するトロリ線摩耗部エッジ検出手段と、前記トロリ線摩耗部のエッジ点間距離をトロリ線摩耗部幅として計算するトロリ線摩耗部幅計算手段とを備えることを特徴とする。

また、第２の発明に係る画像処理によるトロリ線摩耗測定装置は、前記第二のノイズ除去処理手段が、前記ラインセンサ画像に対して各Ｘ座標ごとに全ライン分の濃淡値を加算した値をライン数で割って正規化し、正規化した値の移動平均を取り、移動平均を取った値に対して微分を行うことにより前記輝度勾配特性を取得することを特徴とする。

また、第３の発明に係る画像処理によるトロリ線摩耗測定装置は、前記第二のノイズ除去処理手段が、前記輝度勾配特性のプラスピークの大きさとマイナスピークの大きさとの差が予め設定する所定範囲外である白域の部分を黒域に変換することを特徴とする。

また、第４の発明に係る画像処理によるトロリ線摩耗測定方法は、ラインセンサを用いてラインセンサ画像を作成し入力画像として保存し、前記ラインセンサ画像に対して判別分析二値化処理によるトロリ線摩耗部分を強調した二値化ラインセンサ画像を形成し、トロリ線の最大幅を予め設定することにより、前記ラインセンサ画像に対し、前記二値化ラインセンサ画像中のトロリ線の最大幅に相当する画素数以上を持つ白域の部分を黒域に変換し、前記二値化ラインセンサ画像中のトロリ線の最大幅に相当する画素数以上を持つ白域の部分を黒域に変換した前記ラインセンサ画像の輝度勾配特性を算出して、算出した前記輝度勾配特性に基づいて判別したノイズに対応する白域の部分を黒域に変換し、前記二値化ラインセンサ画像上において白域として抽出されるトロリ線摩耗部及び剛体部で構成されるパターンを１ユニットとして予め登録することにより、該ユニット単位に登録したトロリ線摩耗部の位置からトロリ線摩耗部を特定して、該トロリ線摩耗部以外に対応する白域を黒域に変換し、前記トロリ線摩耗部のみが白域となったラインセンサ画像に対してトロリ線摩耗部分を強調した二値化ラインセンサ画像を形成し前記二値化ラインセンサ画像から点状のノイズを除去し、ノイズを除去された前記二値化ラインセンサ画像からトロリ線摩耗部のエッジを検出し、前記トロリ線摩耗部のエッジ点間距離をトロリ線摩耗部幅として計算することを特徴とする。

また、第５の発明に係る画像処理によるトロリ線摩耗測定方法は、前記輝度勾配特性を、前記ラインセンサ画像に対して各Ｘ座標ごとに全ライン分の濃淡値を加算した値をライン数で割って正規化し、正規化した値の移動平均を取り、移動平均を取った値に対して微分を行うことにより取得することを特徴とする。

また、第６の発明に係る画像処理によるトロリ線摩耗測定方法は、前記輝度勾配特性に基づき、該輝度勾配特性のプラスピークの大きさとマイナスピークの大きさとの差が予め設定する所定範囲外である白域の部分を黒域に変換することを特徴とする。

本発明に係るトロリ線摩耗測定装置及びトロリ線摩耗測定方法によれば、トロリ線最大摩耗幅以下の幅を有するノイズを除去し、確実にトロリ線摩耗部を検出することが可能となる。

本発明の実施例に係るトロリ線摩耗測定装置を示す説明図である。 本発明の実施例に係るトロリ線摩耗測定装置の構成図である。 本発明の実施例に係るトロリ線摩耗測定装置の画像処理部による処理の流れを示すフローチャートである。 ラインセンサ画像の一例を示す説明図である。 図４に示すラインセンサ画像に対しブレ補正を行った例を示す説明図である。 図５に示すラインセンサ画像に対し判別分析二値化処理を行った例を示す説明図である。 図６に示すラインセンサ画像に対し摩耗部以外のノイズ除去処理を行った例を示す説明図である。 トロリ線摩耗部の輝度勾配特性の一例を示す説明図である。 剛体部のノイズとなる反射面の輝度勾配特性の一例を示す説明図である。 図５に示すラインセンサ画像に対し輝度勾配特性によるノイズ除去処理を行った例を示す説明図である。 図１０に示すラインセンサ画像の総和輝度値の分布を示す説明図である。 図１０に示すラインセンサ画像の輝度勾配特性を示す説明図である。 剛体パターン情報と一致する数のトロリ線摩耗部または剛体部の検出例を示す説明図である。 図１０に示す輝度勾配特性に対し剛体パターン認識処理を行った例を示す説明図である。 図１４に示すラインセンサ画像に対し判別分析二値化処理を行った例を示す説明図である。 図１５に示す二値化ラインセンサ画像に対しトロリ線摩耗部のエッジ検出処理を行った例を示す説明図である。 剛体架線式のトロリ線の一例を示す構造図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るトロリ線摩耗測定装置を詳細に説明する。

図１ないし図１７を用いて本発明に係るトロリ線摩耗測定装置の一実施例について説明する。

図１に示すように、本実施例において検査車両１の屋根上には画像の入力手段としてラインセンサカメラ２が設置され、照明装置として通常の照明器具３が設置されている。また、検査車両１の車内には計測用コンピュータ４及び記録装置５が設置されている。

ラインセンサカメラ２は検査車両１の鉛直上方を撮影するように、且つその走査線方向がレール６の枕木方向、換言すると検査車両１の進行方向に直交する方向となるようにその向きを設定されている。これにより、ラインセンサカメラ２の走査線がトロリ線７を横切るようになっている。
照明器具３はラインセンサカメラ２によって撮影するトロリ線７の摩耗部（検査車両１の屋根上に装備されたパンタグラフ８と接触する面）を照らすように設置されている。
即ち、パンタグラフ８に接触して摩耗するトロリ線７の近傍が照明器具３により照明されると共にトロリ線７の様子がラインセンサカメラ２により撮影される。

そして、ラインセンサカメラ２により撮影されたトロリ線７の画像信号は計測用コンピュータ４に入力され、計測用コンピュータ４は、ラインセンサカメラ２より得られる走査線の輝度信号を時系列に並べてラインセンサ画像（平面の画像）を作成し、入力画像として記録装置５へ保存する。

ここで、図２に示すように、計測用コンピュータ４は、ラインセンサ画像作成手段としてのラインセンサ画像作成部４ａと、第一の判別分析二値化処理手段としての第一判別分析二値化処理部４ｂと、第二のノイズ除去処理手段である摩耗部以外のノイズ除去処理部４ｃと、第三のノイズ除去処理手段である輝度勾配によるノイズ除去処理部４ｄと、剛体パターン認識処理手段としての剛体パターン認識処理部４ｅと、第二の判別分析二値化処理手段としての第二判別分析二値化処理部４ｆと、第一のノイズ除去処理手段としての点状ノイズ除去処理部４ｇと、トロリ線摩耗部エッジ検出手段としてのトロリ線摩耗部エッジ検出部４ｈと、トロリ線摩耗部幅計算手段としてのトロリ線摩耗部幅計算部４ｉと、記憶手段としてのメモリＭ１，Ｍ２とから構成されている。

計測用コンピュータ４は、図３に示すフローチャートに従い、入力したラインセンサ画像を画像処理してトロリ線摩耗部７ａ（図１７参照）の幅を、以下の手順により求める。

［ラインセンサ画像の取得］
先ず、ラインセンサ２により取得された画像信号は、ラインセンサ画像作成部４ａにて時系列に並べられラインセンサ画像としてメモリＭ１へ保存される（ステップＰ１）。以下、図１７に示し上述した剛体架線式のトロリ線７をラインセンサカメラ２によって撮像し、図４に示すようなトロリ線摩耗部７ａが白域Ｗ_A、剛体部１０の反射面１０ａ，１０ｂ，１０ｃがそれぞれ白域Ｗ_B，Ｗ_C，Ｗ_Dとして撮像されたラインセンサ画像が得られたとして説明する。なお、図中のＷ_Tはトロリ線の最大摩耗幅を示す。図４に示すラインセンサ画像は、前処理としてブレ補正を行う。ブレ補正を行ったラインセンサ画像を図５に示す。

［判別分析二値化処理によるトロリ線摩耗部分の強調］
次いで、ラインセンサ画像はメモリＭ２を経てパラメータと共に判別分析二値化処理部４ｂヘ送られ、判別分析二値化処理部４ｂにより二値化処理が行われる（ステップＰ２）
ここで、トロリ線７の摩耗部分７ａはトロリ線７がパンタグラフ８により削られた部分であるため、摩耗していない部分に比べて強い光沢がある。そのため、ラインセンサ画像上においてもトロリ線７の摩耗部分７ａは背景部分と比較して輝度値の異なる帯状の部分として撮影される。

判別分析二値化処理部４ｂは、トロリ線摩耗部分（パンタグラフ接触面）とそのほかの背景部分（既存構造物など）を切り分けるように閾値を設定し、その閾値を用いてラインセンサ画像に対して、二値化処理を行い、トロリ線摩耗部７ａを強調した二値化ラインセンサ画像を構成する。

二値化ラインセンサ画像は、図６に示すように、トロリ線摩耗部分７ａ、剛体部１０の反射面１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対応する部分がそれぞれ白域Ｗ_A，Ｗ_B，Ｗ_C，Ｗ_Dとなり、背景部分が黒域となる。
更に、判別分析二値化処理部４ｂでは、トロリ線７の変位やトロリ線７からの反射光の強さの違いに対応するために、判別分析二値化法を用いる。なお、ここでいう「変位」とは、一般的な物理量で、元の位置からの移動量を示す。

「判別分析二値化法」とは、画像に応じて閾値を決定する方式であり、各画像におけるヒストグラムにおいて、ある程度の範囲の輝度値で集合する画素数の塊（以下クラスと呼ぶ）があり、二値化したとき背景とパターン領域に関するクラス内分散とクラス間分散の分散比が最大になるように、いかなる画像においても比較的良好な閾値を決定する。
そのため、閾値を固定値で決めた場合における、撮像時の環境によっては、トロリ線７の摩耗部分７ａ以外が強調、抽出、または摩耗部分７ａ自身が抽出されないといった問題が解消される。

［摩耗部以外のノイズ除去処理］
次いで、図２に示すように、摩耗部以外のノイズ除去処理部４ｃヘパラメータと共に二値化ラインセンサ画像がメモリＭ２を経て送られると、摩耗部以外のノイズ除去処理部４ｃは、図３に示すように摩耗部以外のノイズ除去処理を行う（ステップＰ３）。
ここで、「摩耗部以外のノイズ除去処理」とは、ライン中のトロリ線の最大幅Ｗ_Tに相当する画素数以上を持つ白域の部分を黒域に変換する処理のことを言う。

例えば、画像解析時にトロリ線種を装置に設定することにより画像を解析するライン単位に、トロリ線７の最大幅（すなわち、トロリ線摩耗部７ａの最大幅）Ｗ_Tとこの時のラインセンサカメラ２からトロリ線７までの高さ、レンズ焦点距離、センサ幅、センサ画素数から１画素［ｐｉｘ］に対する実寸法［ｍｍ］の度合いである画像分解能［ｍｍ／ｐｉｘ］を計算し、ライン中のトロリ線の最大幅Ｗ_Tに相当する画素数以上を持つ白域の部分を黒域に変換する。
従って、剛体架線式のトロリ線７を撮像した場合においても、図７に示すように、二値化ラインセンサ画像から剛体部１０の反射面１０ａに対応する白域Ｗ_Bを黒域に変換する。

［輝度勾配によるノイズ除去処理］
次いで、図２に示すように、輝度勾配によるノイズ除去処理部４ｄへパラメータと共にラインセンサ画像及び二値化ラインセンサ画像がメモリＭ２を経て送られると、輝度勾配によるノイズ除去処理部４ｄは、図３に示すように輝度勾配によるノイズ除去処理を行う（ステップＰ４）。
ここで、「輝度勾配によるノイズ除去処理」とは、白域の輝度勾配特性を利用して後述する剛体パターンとして登録されていない白域（すなわちノイズ）を除去する処理のことを言う。

例えば、トロリ線摩耗部７ａ及び剛体部１０の反射面１０ｂは、ラインセンサカメラ２に対して水平に光を反射することにより、エッジのはっきりとした図８のような輝度勾配特性がみられる。一方、トロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０の反射面１０ｂではない白域は、トンネル壁面９やトロリ線摩耗部７ａに似た箇所以外の剛体部１０からの反射であり、照明条件の関係上、エッジとしては図９のように片側が緩やかなエッジになる。

すなわち、トロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０の反射面１０ｂに対応する白域Ｗ_A，Ｗ_Cの輝度勾配は、三つとも図９のような特性をもつ。一方、トロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０の反射面１０ｂ以外に対応する白域Ｗ_Dは図１０のような特性を持つ。従って、本実施例に係る画像処理によるトロリ線摩耗測定装置では、この性質に着目しトロリ線摩耗部７ａの検出を行う。具体的には、

（１）まず、ステップＰ３においてノイズと判定された白域のピクセル情報を利用して、ノイズと判定された白域Ｗ_Bを黒く塗りつぶしたグレースケールラインセンサ画像を用いる。図１０にグレースケールラインセンサ画像の一例を示す。

（２）続いて、グレースケールラインセンサ画像に対し、各Ｘ座標（ピクセル座標）ごとに画像全ライン分の濃淡値を加算し、これをライン数で割って正規化する。これにより、図１１に示すような相和輝度値の分布を得る。

（３）続いてノイズを除去するため移動平均を取り、微分を行って図１２に示すような輝度勾配特性を得る。

（４）続いてあるしきい値以上の輝度勾配を持つ箇所からある範囲において、あるしきい値以上の輝度勾配がみられる箇所をまとめて図１２に示すような一つの塊（以下、探索領域という）Ａとする。

（５）続いて探索領域Ａに対して、この探索領域Ａに存在する輝度勾配を持つ箇所が、トロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０の反射面１０ｂであるか否かを判定する。
ここで、トロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０の反射面１０ｂに対応する白域Ｗ_A，Ｗ_Cは、極端なプラスピークとマイナスピークをペアに持つ傾向があるため、プラスピークの発生個所からある範囲内で同じくらいの大きさのマイナスピークがあるかどうかを探す。このようなマイナスピークがない場合はトロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０の反射面１０ｂの候補ではないと判定する。
図１２に示す例では、プラスピークＰ_D(+)とマイナスピークＰ_D(-)のペアは、ピークの大きさ（絶対値）が一致しないため、トンネル壁面や摩耗部に似た箇所以外の剛体支持部からの反射であるとみなし、トロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０の反射面１０ｂではない（すなわちノイズである）と判定する。

（６）一方、図１２に示すプラスピークＰ_A(+)とマイナスピークＰ_A(-)のペア、プラスピークＰ_C(+)とマイナスピークＰ_C(-)ピークのペアは、いずれもピークの大きさ（絶対値）がほぼ一致するため、トロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０の反射面１０ｂであるとみなしてメモリＭ２に登録する。

（７）続いて、探索領域Ａ内にトロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０の反射面１０ｂとなる候補があると仮定し、上述した輝度勾配によるノイズ除去処理の（５）、（６）の処理を複数回繰り返す。

［剛体パターン認識処理］
次いで、図２に示すように、剛体パターン認識処理部４ｅへ剛体パターン情報と共にラインセンサ画像がメモリＭ２を経て送られると、剛体パターン認識処理部４ｅは、図３に示すように、剛体パターン認識処理を行う（ステップＰ５）。

ここで、「剛体パターン認識処理」とは、二値化ラインセンサ画像上におけるトロリ線摩耗部７ａ及び剛体部１０（本実施例では反射面１０ｂ）で構成されるパターンを１ユニットとして予め登録し、そのユニット単位に登録したトロリ線摩耗部７ａの位置からトロリ線摩耗部７ａを特定する処理を言う。具体的には、剛体パターン情報と一致する数のトロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０の反射面１０ｂの検出を行い、図１３に破線Ａ１，Ａ２，Ａ３で囲んで示すようにあらかじめ登録されたトロリ線摩耗部７ａ、剛体部１０で構成される剛体パターン情報と一致する数だけのトロリ線摩耗部７ａ及び剛体部１０が見つかったら、あらかじめ登録されたトロリ線摩耗部７ａ、剛体部１０で構成される剛体パターン情報を参照して、パターン登録に従い、上記の例では２番目の連続する白域のみをトロリ線摩耗部７ａとして特定し、剛体部１０は図１４のように元画像において周辺値（周辺色）で塗りつぶす。

即ち、「剛体パターン認識処理」では、剛体架線式のトロリ線７の場合、二値化ラインセンサ画像上の全域に渡りトロリ線摩耗部７ａと剛体部１０とが白域として検出されることを利用して、トロリ線摩耗部７ａ及び剛体部１０で構成されるパターンを予め登録する。
例えば、二値化ラインセンサ画像上において左から剛体部１０、トロリ線摩耗部７ａ、剛体部１０と撮像されるのであれば、１ユニット３本の連続する白域で構成されるパターンとして登録する。この場合、左から２番目の連続する白域をトロリ線摩耗部７ａとして登録する。

尚、説明の都合上、剛体架線式の画像処理で認識する連続する白域を左から剛体部１０、トロリ線摩耗部７ａ、剛体部１０としているが、剛体架線式で使用している剛体架台によってはトロリ線摩耗部７ａの位置、剛体部１０の数は異なってくる。

［判別分析二値化処理］
次いで、図２に示すようにパラメータと共に剛体パターン認識処理を終えた図１４に示すようなラインセンサ画像がメモリＭ２を経て送られると、第二判別分析二値化処理部４ｆは、図３に示すように判別分析二値化処理を行う（ステップＰ６）。
すなわち、上述した輝度勾配によるノイズ除去処理、剛体パターン認識処理をグレースケールラインセンサ画像を利用して行っていたため、ノイズ除去処理、剛体パターン認識処理を行って得られる図１４に示すようなグレースケールラインセンサ画像に対し、判別分析二値化処理法を用いて図１５に示すような二値化ラインセンサ画像を作成する。これにより、カテナリ式のトロリ線を撮像した二値化ラインセンサ画像と同じ画面構成（背景：黒域、トロリ線摩耗部７ａ：白域）とすることができる。

［二値化ラインセンサ画像の点状ノイズ除去］
図１５に示す二値化ラインセンサ画像は、そのままではトロリ線摩耗部７ａの傷や背景部分の状態により細かな点々状のノイズが含まれる場合がある。

そこで、図２に示すように二値化ラインセンサ画像がメモリＭ２を経てパラメータと共に点状ノイズ除去処理部４ｇへ送られると、点状ノイズ除去処理部４ｇは、図３に示すように二値化処理の膨張、収縮処理を行い、これらのノイズを除去する（ステップＰ７）。

［トロリ線摩耗部のエッジ検出］
引き続き、ノイズを除去した二値化ラインセンサ画像がパラメータと共にメモリＭ２を経てトロリ線摩耗部エッジ検出部４ｈへ送られると、トロリ線摩耗部エッジ検出部４ｈは図３に示すように二値化ラインセンサ画像上において白域Ｗ_Aで表されているトロリ線摩耗部の両側のエッジを検出する（ステップＰ８）。

これらのエッジ点は、あるラインについて左から探索した場合、背景の黒域から摩耗部分の白域Ｗ_Aへ変化する点が摩耗部分左側のエッジ点として、また摩耗部分の白域Ｗ_Aから背景の黒域へ変化する点を摩耗部分右側のエッジ点として検出することができる。

この処理を画像の上から下ヘライン毎に行うことで、図１６に示すように、１枚の二値化ラインセンサ画像に関するトロリ線摩耗部分７ａのエッジＥ_L，Ｅ_Rを検出する。

［トロリ線摩耗部幅の計算］
更に、図２に示すように二値化ラインセンサ画像から検出したトロリ線摩耗部分の両側のエッジデータは、メモリＭ２を経てパラメータ及びトロリ線高さデータと共にトロリ線摩耗部幅計算部４ｈへ送られ、トロリ線摩耗部幅計算部４ｈは図３に示すようにラインセンサ２の一つの走査ライン上にある両側のエッジ点間距離をトロリ線摩耗部分の画像上の幅として計算する（ステップＰ９）。

具体的には、この時のラインセンサ２からトロリ線４までの高さ、レンズ焦点距離、センサ幅、センサ画素数から、１画素［ｐｉｘ］に対する実寸法［ｍｍ］の度合いである画像分解能［ｍｍ／ｐｉｘ］を計算し、トロリ線摩耗部分の画像上の幅と画像分解能との乗算を行うことでトロリ線摩耗部分の幅を計算する。
計算に用いるラインセンサ２からトロリ線４までの高さについては、例えば、特許文献３等の別の手段によって得られるデータを用いて求めるものとする。

こうして求めたエッジデータ、トロリ線摩耗部、計算に用いたラインセンサ画像や対応するライン番号を指し示すデータ等を記録装置５に記録しておく。

上述した本実施例に係るトロリ線摩耗測定装置及びトロリ線摩耗測定方法によれば、複数の白域に対してそれらの輝度勾配特性を利用して対象の白域がトロリ線摩耗部７ａもしくは剛体部１０であるのか、又はノイズであるのかを判定することが可能となる。これにより、従来に比較して、トロリ線最大摩耗幅Ｗ_T以下の幅を有するノイズが存在したとしても、これをノイズと特定し、確実にトロリ線摩耗部７ａを検出することが可能となる。

本発明は、画像処理によるトロリ線摩耗測定装置及びトロリ線摩耗測定方法に適用して好適なものである。

１ 車両
２ ラインセンサカメラ
３ 照明器具
４ 計測用コンピュータ
４ａ ラインセンサ画像作成部
４ｂ 第一判別分析二値化処理部
４ｃ 摩耗部以外のノイズ除去処理部
４ｄ 輝度勾配によるノイズ除去処理部
４ｅ 剛体パターン認識処理部
４ｆ 第二判別分析二値化処理部
４ｇ 点状ノイズ除去処理部
４ｈ トロリ線摩耗部エッジ検出部
４ｉ トロリ線摩耗部幅計算部
５ 記録装置
６ レール
７ トロリ線
７ａ トロリ線摩耗部
８ パンタグラフ
９ トンネル壁面
１０ 剛体部
１０Ａ 剛体架台
１０Ｂ 剛体支持部
１０ａ，１０ｂ 剛体部の反射面
１０ｃ ノイズとなる反射面
Ａ 探索領域
ＥＬ，ＥＲ エッジ
Ｍ１，Ｍ２ メモリ
Ｐ_A(+)，Ｐ_C(+)，Ｐ_D(+) プラスピーク
Ｐ_A(-)，Ｐ_C(-)，Ｐ_D(-) マイナスピーク
Ｗ_A，Ｗ_B，Ｗ_C，Ｗ_D 白域
Ｗ_T トロリ線最大摩耗幅

Claims (6)

1. ラインセンサを用いてラインセンサ画像を作成し入力画像として保存するラインセンサ画像作成手段と、
   前記ラインセンサ画像に対して判別分析二値化処理によるトロリ線摩耗部分を強調した二値化ラインセンサ画像を形成する第一の判別分析二値化処理手段と、
   トロリ線の最大幅を予め設定することにより、前記ラインセンサ画像中のトロリ線の最大幅に相当する画素数以上を持つ白域の部分を黒域に変換する第一のノイズ除去処理手段と、
   前記ラインセンサ画像の輝度勾配特性を算出し、算出した前記輝度勾配特性に基づいて判別したノイズに対応する白域の部分を黒域に変換する第二のノイズ除去処理手段と、
   前記ラインセンサ画像上において白域として抽出されるトロリ線摩耗部及び剛体部で構成されるパターンを１ユニットとして予め登録し、該ユニット単位に登録したトロリ線摩耗部の位置からトロリ線摩耗部を特定し、該トロリ線摩耗部以外に対応する白域を黒域に変換する剛体パターン認識処理手段と、
   前記剛体パターン認識処理によってトロリ線摩耗部のみを白域としたラインセンサ画像に対して判別分析二値化処理によるトロリ線摩耗部分を強調した二値化ラインセンサ画像を形成する第二の判別分析二値化処理手段と、
   前記二値化ラインセンサ画像から点状のノイズを除去する第三のノイズ除去手段と、
   ノイズを除去された前記二値化ラインセンサ画像からトロリ線摩耗部のエッジを検出するトロリ線摩耗部エッジ検出手段と、
   前記トロリ線摩耗部のエッジ点間距離をトロリ線摩耗部幅として計算するトロリ線摩耗部幅計算手段と
   を備えたことを特徴とする画像処理によるトロリ線摩耗測定装置。
2. 前記第二のノイズ除去処理手段が、前記ラインセンサ画像に対して各Ｘ座標ごとに全ライン分の濃淡値を加算した値をライン数で割って正規化し、正規化した値の移動平均を取り、移動平均を取った値に対して微分を行うことにより前記輝度勾配特性を取得する
   ことを特徴とする請求項１記載の画像処理によるトロリ線摩耗測定装置。
3. 前記第二のノイズ除去処理手段が、前記輝度勾配特性のプラスピークの大きさとマイナスピークの大きさとの差が予め設定する所定範囲外である白域の部分を黒域に変換する
   ことを特徴とする請求項２記載の画像処理によるトロリ線摩耗測定装置。
4. ラインセンサを用いてラインセンサ画像を作成し入力画像として保存し、
   前記ラインセンサ画像に対して判別分析二値化処理によるトロリ線摩耗部分を強調した二値化ラインセンサ画像を形成し、
   トロリ線の最大幅を予め設定することにより、前記ラインセンサ画像に対し、前記二値化ラインセンサ画像中のトロリ線の最大幅に相当する画素数以上を持つ白域の部分を黒域に変換し、
   前記二値化ラインセンサ画像中のトロリ線の最大幅に相当する画素数以上を持つ白域の部分を黒域に変換した前記ラインセンサ画像の輝度勾配特性を算出して、算出した前記輝度勾配特性に基づいて判別したノイズに対応する白域の部分を黒域に変換し、
   前記二値化ラインセンサ画像上において白域として抽出されるトロリ線摩耗部及び剛体部で構成されるパターンを１ユニットとして予め登録することにより、該ユニット単位に登録したトロリ線摩耗部の位置からトロリ線摩耗部を特定して、該トロリ線摩耗部以外に対応する白域を黒域に変換し、
   前記トロリ線摩耗部のみが白域となったラインセンサ画像に対してトロリ線摩耗部分を強調した二値化ラインセンサ画像を形成し
   前記二値化ラインセンサ画像から点状のノイズを除去し、
   ノイズを除去された前記二値化ラインセンサ画像からトロリ線摩耗部のエッジを検出し、
   前記トロリ線摩耗部のエッジ点間距離をトロリ線摩耗部幅として計算する
   ことを特徴とする画像処理によるトロリ線摩耗測定方法。
5. 前記輝度勾配特性を、前記ラインセンサ画像に対して各Ｘ座標ごとに全ライン分の濃淡値を加算した値をライン数で割って正規化し、正規化した値の移動平均を取り、移動平均を取った値に対して微分を行うことにより取得する
   ことを特徴とする請求項４記載の画像処理によるトロリ線摩耗測定方法。
6. 前記輝度勾配特性に基づき、該輝度勾配特性のプラスピークの大きさとマイナスピークの大きさとの差が予め設定する所定範囲外である白域の部分を黒域に変換する
   ことを特徴とする請求項５記載の画像処理によるトロリ線摩耗測定方法。