JP2016114568A - 道床形状計測方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】軌道を走行する車両を用いて容易に実施することができる道床形状計測方法を提供する。【解決手段】ベースカメラ１１及び参照カメラ１２と、３軸加速度センサ１３と距離センサ１４とを備えた道床形状計測装置１００を車両に設置し、その車両を軌道のレール上を走行させながら軌道の道床を撮像し、二眼視ステレオ法による形状計測を行って、道床の断面形状を検出する道床形状計測方法において、仮想計測断面を設定することで、所望する断面形状のみを算出する２次元画像処理を行う。２次元画像処理は、ホモグラフィ行列により画像を射影変換する技術と、ベースカメラと参照カメラによる画像をマッチングする技術とを併用することで、計算量を大幅に削減して道床の断面形状を検出する。【選択図】図１
Description
本発明は、形状計測方法に係り、バラストを盛って形成した道床の形状を計測するのに適した道床形状計測方法に関する。
夏期の晴天時に温度が著しく上昇したレールがふく進することに伴い、レールが座屈してしまうことを防ぐために枕木を道床に埋設し、枕木が横方向に移動することを規制している。その道床にはバラストを隆起させた「余盛り」が設けられている。
そして、道床の「余盛り」が適正に隆起しているか確認する手法として、走行する軌道検測車からバラストを盛って形成した道床に向けてレーザスポットを投射して、そのレーザスポットを適当な時間間隔で撮像するとともに、レーザスポットを撮像した画像データと、距離マーク発生部による距離マークとをＶＴＲのテープに並列に収録し、その収録した画像データを解析することによってバラストの断面形状、特に道床の余盛高さと道床の肩幅（図１１参照）を計測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この技術では、計測したバラストの断面形状から算出した断面尺度が基準値より大きい箇所を不良箇所として判定し、バラストの崩壊部分を検出するようになっている。
そして、道床の「余盛り」が適正に隆起しているか確認する手法として、走行する軌道検測車からバラストを盛って形成した道床に向けてレーザスポットを投射して、そのレーザスポットを適当な時間間隔で撮像するとともに、レーザスポットを撮像した画像データと、距離マーク発生部による距離マークとをＶＴＲのテープに並列に収録し、その収録した画像データを解析することによってバラストの断面形状、特に道床の余盛高さと道床の肩幅（図１１参照）を計測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この技術では、計測したバラストの断面形状から算出した断面尺度が基準値より大きい箇所を不良箇所として判定し、バラストの崩壊部分を検出するようになっている。
しかしながら、上記特許文献１の技術の場合、太陽光の下で安定した計測を行うにはクラス３程度のレーザ光を出力するレーザ発生装置が必要となるので、安全確保のために装置の近くに作業者の立ち入りを制限する構造をとることで、計測装置が大掛かりになってしまう。
そのため、レーザ光を使用して計測を行うには軌道検測車を用いなければならず、営業車両を用いるなどして簡便に道床形状を計測することは難しかった。
そのため、レーザ光を使用して計測を行うには軌道検測車を用いなければならず、営業車両を用いるなどして簡便に道床形状を計測することは難しかった。
本発明の目的は、軌道を走行する車両を用いて容易に実施することができる道床形状計測方法を提供することである。
上記目的を達成するため、この発明は、
バラストが盛られている道床に敷設された軌道上を走行可能な車両に設置した、ベースカメラ及び参照カメラと、３軸加速度センサと、距離センサとを備えた計測装置によって、前記道床の断面形状を計測する道床形状計測方法であって、
停車中の車両から前記ベースカメラによって撮像される前記軌道のレール上の異なる２点に向けられた２つのベクトル（例えば、ベクトルＥｎ１とベクトルＥｎ２）と、前記３軸加速度センサによる前記ベースカメラの重力軸方向のベクトル（例えば、ベクトルＧｎ）とに基づき、軌道座標系に対する前記ベースカメラの姿勢に関する行列（例えば、行列Ｒ）を取得する工程と、
停車中の車両から前記ベースカメラによって撮像される前記軌道の基準点に向けられたベクトル（例えば、ベクトルＮ）と、前記距離センサによる前記ベースカメラから前記基準点までの距離と、前記行列（例えば、行列Ｒ）に基づき、軌道座標系に対する前記ベースカメラの位置情報を取得する工程と、
停車中の車両から前記ベースカメラによって撮像される前記軌道の基準点を含む仮想計測断面を軌道座標系にて設定する工程と、
前記軌道座標系の仮想計測断面を、カメラ座標系の仮想計測断面として前記ベースカメラ及び前記参照カメラの画像上に射影する工程と、
前記参照カメラの画像上に射影された仮想計測断面を、前記ベースカメラの画像上に射影された仮想計測断面に変換する第１のホモグラフィ行列（例えば、ホモグラフィ行列Ｈｒｂ）と、前記ベースカメラの画像上に射影された仮想計測断面を、軌道座標系の仮想計測断面に変換する第２のホモグラフィ行列（例えば、ホモグラフィ行列Ｈｂｖ）を取得する工程と、
前記ベースカメラ及び前記参照カメラによって前記軌道の道床を撮像し、前記参照カメラによる画像を前記第１のホモグラフィ行列によって変換した処理画像と前記ベースカメラによる画像とのマッチングを行い、前記ベースカメラによる画像上の前記道床の断面形状を特定し、その特定した断面形状を第２のホモグラフィ行列によって軌道座標系の計測断面に変換することで、前記道床の断面形状を検出する工程と、
を有するようにした。
バラストが盛られている道床に敷設された軌道上を走行可能な車両に設置した、ベースカメラ及び参照カメラと、３軸加速度センサと、距離センサとを備えた計測装置によって、前記道床の断面形状を計測する道床形状計測方法であって、
停車中の車両から前記ベースカメラによって撮像される前記軌道のレール上の異なる２点に向けられた２つのベクトル（例えば、ベクトルＥｎ１とベクトルＥｎ２）と、前記３軸加速度センサによる前記ベースカメラの重力軸方向のベクトル（例えば、ベクトルＧｎ）とに基づき、軌道座標系に対する前記ベースカメラの姿勢に関する行列（例えば、行列Ｒ）を取得する工程と、
停車中の車両から前記ベースカメラによって撮像される前記軌道の基準点に向けられたベクトル（例えば、ベクトルＮ）と、前記距離センサによる前記ベースカメラから前記基準点までの距離と、前記行列（例えば、行列Ｒ）に基づき、軌道座標系に対する前記ベースカメラの位置情報を取得する工程と、
停車中の車両から前記ベースカメラによって撮像される前記軌道の基準点を含む仮想計測断面を軌道座標系にて設定する工程と、
前記軌道座標系の仮想計測断面を、カメラ座標系の仮想計測断面として前記ベースカメラ及び前記参照カメラの画像上に射影する工程と、
前記参照カメラの画像上に射影された仮想計測断面を、前記ベースカメラの画像上に射影された仮想計測断面に変換する第１のホモグラフィ行列（例えば、ホモグラフィ行列Ｈｒｂ）と、前記ベースカメラの画像上に射影された仮想計測断面を、軌道座標系の仮想計測断面に変換する第２のホモグラフィ行列（例えば、ホモグラフィ行列Ｈｂｖ）を取得する工程と、
前記ベースカメラ及び前記参照カメラによって前記軌道の道床を撮像し、前記参照カメラによる画像を前記第１のホモグラフィ行列によって変換した処理画像と前記ベースカメラによる画像とのマッチングを行い、前記ベースカメラによる画像上の前記道床の断面形状を特定し、その特定した断面形状を第２のホモグラフィ行列によって軌道座標系の計測断面に変換することで、前記道床の断面形状を検出する工程と、
を有するようにした。
かかる構成の道床形状計測方法によれば、ベースカメラ及び参照カメラと３軸加速度センサと距離センサとを備えた計測装置を用いて軌道の道床を撮像し、二眼視ステレオ法による形状計測を行って、道床の断面形状を検出することができる。
特に、この道床形状計測方法では仮想計測断面を設定して、所望する断面形状のみを算出する２次元画像処理を行うようにすることで、計算量を削減することを可能にした。
具体的には、ホモグラフィ行列により画像を射影変換する技術と、ベースカメラと参照カメラによる画像をマッチングする技術とを併用する２次元画像処理を行うことで、断面形状の算出に要する計算量を大幅に削減して、道床の断面形状、特に道床の余盛高さと道床の肩幅を検出することを可能にした。
特に、この道床形状計測方法では仮想計測断面を設定して、所望する断面形状のみを算出する２次元画像処理を行うようにすることで、計算量を削減することを可能にした。
具体的には、ホモグラフィ行列により画像を射影変換する技術と、ベースカメラと参照カメラによる画像をマッチングする技術とを併用する２次元画像処理を行うことで、断面形状の算出に要する計算量を大幅に削減して、道床の断面形状、特に道床の余盛高さと道床の肩幅を検出することを可能にした。
また、望ましくは、
前記軌道上を走行中の車両から前記ベースカメラ及び前記参照カメラによって前記軌道の道床を撮像し、前記参照カメラによる画像を前記第１のホモグラフィ行列によって変換した処理画像と前記ベースカメラによる画像とのマッチングを行い、前記ベースカメラによる画像上の前記道床の断面形状を特定し、その特定した断面形状を第２のホモグラフィ行列によって軌道座標系の計測断面に変換することで、前記道床の断面形状を検出する工程を有するようにする。
前記軌道上を走行中の車両から前記ベースカメラ及び前記参照カメラによって前記軌道の道床を撮像し、前記参照カメラによる画像を前記第１のホモグラフィ行列によって変換した処理画像と前記ベースカメラによる画像とのマッチングを行い、前記ベースカメラによる画像上の前記道床の断面形状を特定し、その特定した断面形状を第２のホモグラフィ行列によって軌道座標系の計測断面に変換することで、前記道床の断面形状を検出する工程を有するようにする。
かかる構成の道床形状計測方法によれば、ベースカメラ及び参照カメラと３軸加速度センサと距離センサとを備えた計測装置を設置した車両を軌道のレール上を走行させながら軌道の道床を撮像し、二眼視ステレオ法による形状計測を行って、道床の断面形状を検出することができる。つまり、計測装置を設置可能な営業車両によっても道床形状計測を容易に実施することができ、道床の断面形状を検出することができる。
本発明によれば、軌道を走行する車両を用いて容易に実施することができる道床形状計測方法が得られる。
また、基準点をマクラ木上面端に設定することにより、道床断面形状から道床の管理基準である「道床余盛り高さ」、「道床肩幅」を容易に求めることができる。
以下、図面を参照して、本発明に係る道床形状計測方法の実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
図１は、本実施形態の道床形状計測装置を示す概略図である。この道床形状計測装置は、バラストが盛られている道床に敷設された軌道上を走行する車両に設置され、道床の断面形状の計測に用いられる。
軌道は、例えば図２に示すように、バラストが盛られた道床３に枕木２を埋設し、その枕木２上に載置したレール１を所定のレール支持部に締結するなどして敷設されている。
例えば、夏期の晴天時にレール１の温度が著しく上昇して、そのレール１がふく進する際にレール１が座屈してしまう虞があるので、道床３に枕木２を埋めることにより、枕木２の横方向の移動に対する抵抗力（道床横抵抗力）を持たせて、レール１が座屈することを防いでいる。特に、道床３の両側の肩部にバラストを隆起させた「余盛り」を設けることで、枕木２の道床横抵抗力を増強している。
この道床３の「余盛り」が適正に隆起しているか否かを確認し、バラストの崩壊部分があれば補修するために、定期的に道床形状計測装置を用いて道床３の断面形状を計測するようになっている。
例えば、夏期の晴天時にレール１の温度が著しく上昇して、そのレール１がふく進する際にレール１が座屈してしまう虞があるので、道床３に枕木２を埋めることにより、枕木２の横方向の移動に対する抵抗力（道床横抵抗力）を持たせて、レール１が座屈することを防いでいる。特に、道床３の両側の肩部にバラストを隆起させた「余盛り」を設けることで、枕木２の道床横抵抗力を増強している。
この道床３の「余盛り」が適正に隆起しているか否かを確認し、バラストの崩壊部分があれば補修するために、定期的に道床形状計測装置を用いて道床３の断面形状を計測するようになっている。
道床形状計測装置１００は、例えば図１に示すように、カメラヘッド部１０と、装置本体２０と、カメラヘッド部１０と装置本体２０とを接続するケーブル３０等を備えている。
カメラヘッド部１０は、ベースカメラ１１及び参照カメラ１２と、３軸加速度センサ１３と、距離センサ１４と、ＧＰＳ受信機１５と、それらを統合する制御回路部１６と、上記各部が所定位置に固定されているフレーム１７等を備えている。
フレーム１７には、カメラヘッド部１０を車両の窓に取り付けるための吸盤１８が配設されている。この吸盤１８は角度調整可能にフレーム１７に軸支されている。またフレーム１７には、カメラヘッド部１０を車両の窓に取り付ける際に、その窓に突き当てる脚部１７ａが設けられている。
また、制御回路部１６にケーブル３０が繋がれており、装置本体２０とカメラヘッド部１０の各部が接続されている。
フレーム１７には、カメラヘッド部１０を車両の窓に取り付けるための吸盤１８が配設されている。この吸盤１８は角度調整可能にフレーム１７に軸支されている。またフレーム１７には、カメラヘッド部１０を車両の窓に取り付ける際に、その窓に突き当てる脚部１７ａが設けられている。
また、制御回路部１６にケーブル３０が繋がれており、装置本体２０とカメラヘッド部１０の各部が接続されている。
ベースカメラ１１及び参照カメラ１２は、二眼視ステレオ用のビデオカメラであり、ステレオ法による形状計測が可能となるよう、所定の角度で所定距離を開けた配置でフレーム１７に固定されている。
３軸加速度センサ１３は、カメラヘッド部１０の３軸方向の加速度を測定し、例えばロール角やピッチ角に基づきカメラヘッド部１０の姿勢を検知するいわゆる姿勢センサである。
距離センサ１４は、カメラヘッド部１０と軌道との距離を測定可能に設けられている。特に距離センサ１４は、ベースカメラ１１の固定位置に対応付けて配設されており、ベースカメラ１１と、ベースカメラ１１が撮像する軌道との距離を測定することができる。
ＧＰＳ受信機１５は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信して、緯度経度情報（位置情報）を取得する。このＧＰＳ受信機１５が取得した位置情報は、道床形状計測装置１００の位置情報（道床形状計測装置１００を設置した車両の位置情報）として利用される。
距離センサ１４は、カメラヘッド部１０と軌道との距離を測定可能に設けられている。特に距離センサ１４は、ベースカメラ１１の固定位置に対応付けて配設されており、ベースカメラ１１と、ベースカメラ１１が撮像する軌道との距離を測定することができる。
ＧＰＳ受信機１５は、ＧＰＳ衛星からの電波を受信して、緯度経度情報（位置情報）を取得する。このＧＰＳ受信機１５が取得した位置情報は、道床形状計測装置１００の位置情報（道床形状計測装置１００を設置した車両の位置情報）として利用される。
装置本体２０は、モニタ２１と、電源部２２と、計測装置１００の各部を統括制御する制御ユニット２３等を備えている。また、装置本体２０にはマウスやキーボードなど図示しない操作・入力手段が設けられている。
モニタ２１は、例えば、液晶表示パネルであり、ベースカメラ１１及び参照カメラ１２が撮像した軌道の画像や、後述する道床形状計測方法によって検出した道床の断面形状を表示する。
このモニタ２１を、液晶表示パネルにタッチパネルを搭載した構成にすれば、モニタ２１を計測装置１００の操作入力部として機能させることが可能になる。
このモニタ２１を、液晶表示パネルにタッチパネルを搭載した構成にすれば、モニタ２１を計測装置１００の操作入力部として機能させることが可能になる。
電源部２２は、例えば、コンセント（アウトレット）に接続可能な電源ケーブルや、充電式電池を有しており、計測装置１００を作動させる電源として機能する。
制御ユニット２３は、例えば、各種の演算処理等を行うＣＰＵと、ＣＰＵにより実行される各種制御プログラム及びデータ等が格納されるＲＯＭ等を備えて構成されている。
この制御ユニット２３は、後述する道床形状計測方法に応じた演算処理を行って、ベースカメラ１１及び参照カメラ１２が撮像した軌道の画像に基づき、道床の断面形状を検出する道床形状検出部としての機能を有する。
この制御ユニット２３は、後述する道床形状計測方法に応じた演算処理を行って、ベースカメラ１１及び参照カメラ１２が撮像した軌道の画像に基づき、道床の断面形状を検出する道床形状検出部としての機能を有する。
次に、本実施形態の道床形状計測装置１００を用いた道床形状計測方法について説明する。
まず、図２に示すように、軌道のレール１上を走行する車両５（例えば営業車両）であって、レール１上で停車中の車両５の運転席前方の窓ガラスの内面に、道床形状計測装置１００のカメラヘッド部１０を吸盤１８にて固定する。装置本体２０は運転席の床面に設置する。
カメラヘッド部１０を窓に固定する際、計測対象となる軌道の道床３の余盛り部分がレール１や枕木２とともにベースカメラ１１及び参照カメラ１２の視野に適正に入るように、カメラヘッド部１０の向きをパン、チルトさせるように調整する。なお、ベースカメラ１１及び参照カメラ１２が撮像した軌道の画像は、モニタ２１によって確認することができる。
カメラヘッド部１０を窓に固定する際、計測対象となる軌道の道床３の余盛り部分がレール１や枕木２とともにベースカメラ１１及び参照カメラ１２の視野に適正に入るように、カメラヘッド部１０の向きをパン、チルトさせるように調整する。なお、ベースカメラ１１及び参照カメラ１２が撮像した軌道の画像は、モニタ２１によって確認することができる。
そして、図３に示すように、軌道における位置や姿勢を規定する軌道座標系は、レール１の延在方向をｙ軸方向、レール１と直交する枕木２の長手方向をｘ軸方向、重力方向をｚ軸方向として設定することができる。
このとき、３軸加速度センサ１３によりカメラヘッド部１０側での位置や姿勢を規定するカメラ座標系において、停車中の車両５に働いている加速度は重力加速度のみである。
ここで、ベースカメラ１１の傾きは３軸加速度センサ１３により重力加速度が分解された形で計測される。
例えば、ベースカメラ１１の俯角θとロール角ωは、
θ＝tan−１（（ｙ／ｚ）−π）
ω＝tan−１（ｘ／（ｙ＋ｚ））
として求められる。
但し、重力加速度軸周りの自由度が残ってしまうので、車両５の進行方向となるレール１の延在方向に基づき、カメラ座標系を決定する。
このとき、３軸加速度センサ１３によりカメラヘッド部１０側での位置や姿勢を規定するカメラ座標系において、停車中の車両５に働いている加速度は重力加速度のみである。
ここで、ベースカメラ１１の傾きは３軸加速度センサ１３により重力加速度が分解された形で計測される。
例えば、ベースカメラ１１の俯角θとロール角ωは、
θ＝tan−１（（ｙ／ｚ）−π）
ω＝tan−１（ｘ／（ｙ＋ｚ））
として求められる。
但し、重力加速度軸周りの自由度が残ってしまうので、車両５の進行方向となるレール１の延在方向に基づき、カメラ座標系を決定する。
カメラ座標系を決定する手順に関し、軌道座標系に対するベースカメラ１１の姿勢を求める手順について、図４に基づき説明する。
まず、３軸加速度センサ１３によってカメラ座標系の重力軸方向上向きのベクトルＧｎを生成する。
次いで、停車中の車両５から撮像したベースカメラ１１による画像Ｍｂ上のレール１の一端の座標に向かうベクトルＥｎ１と、その画像Ｍｂ上のレール１の他端の座標に向かうベクトルＥｎ２との外積から、画像Ｍｂ上のレール直線のベクトルＲｎを生成する。
次いで、ベクトルＧｎとベクトルＲｎの外積から、レール１の消失点に向かうベクトルＶｎを生成する。このベクトルＶｎは、カメラ座標系のレール１の延在方向を示している。
このベクトルＧｎと、ベクトルＶｎと、ベクトルＧｎとベクトルＶｎの外積で得られるベクトルＰｎとによって、カメラ座標系表現での軌道座標系の座標軸ベクトルを表すことができる（Ｇｎ/ｚ：Ｖｎ/ｙ：Ｐｎ/ｘ）。
ここで、回転行列の３つの列ベクトルは、各座標系ベクトルがその回転行列により変換された結果を表す。よって、上記のように求めた３つのベクトル（Ｇｎ，Ｖｎ，Ｐｎ）を転置した列ベクトルを用いて作られる行列［Ｐｎ，Ｒｎ，Ｇｎ］は、カメラの３つの座標軸を軌道座標系座標軸の姿勢に回転する行列である。
つまり、カメラ姿勢は、この行列［Ｐｎ，Ｒｎ，Ｇｎ］の逆行列Ｒとなる。
こうして軌道座標系に対するベースカメラ１１の姿勢に関する行列Ｒを取得する。
まず、３軸加速度センサ１３によってカメラ座標系の重力軸方向上向きのベクトルＧｎを生成する。
次いで、停車中の車両５から撮像したベースカメラ１１による画像Ｍｂ上のレール１の一端の座標に向かうベクトルＥｎ１と、その画像Ｍｂ上のレール１の他端の座標に向かうベクトルＥｎ２との外積から、画像Ｍｂ上のレール直線のベクトルＲｎを生成する。
次いで、ベクトルＧｎとベクトルＲｎの外積から、レール１の消失点に向かうベクトルＶｎを生成する。このベクトルＶｎは、カメラ座標系のレール１の延在方向を示している。
このベクトルＧｎと、ベクトルＶｎと、ベクトルＧｎとベクトルＶｎの外積で得られるベクトルＰｎとによって、カメラ座標系表現での軌道座標系の座標軸ベクトルを表すことができる（Ｇｎ/ｚ：Ｖｎ/ｙ：Ｐｎ/ｘ）。
ここで、回転行列の３つの列ベクトルは、各座標系ベクトルがその回転行列により変換された結果を表す。よって、上記のように求めた３つのベクトル（Ｇｎ，Ｖｎ，Ｐｎ）を転置した列ベクトルを用いて作られる行列［Ｐｎ，Ｒｎ，Ｇｎ］は、カメラの３つの座標軸を軌道座標系座標軸の姿勢に回転する行列である。
つまり、カメラ姿勢は、この行列［Ｐｎ，Ｒｎ，Ｇｎ］の逆行列Ｒとなる。
こうして軌道座標系に対するベースカメラ１１の姿勢に関する行列Ｒを取得する。
次いで、カメラ座標系を決定する手順に関し、軌道座標系に対するベースカメラ１１の位置を求める手順について、図５に基づき説明する。
まず、停車中の車両５から撮像したベースカメラ１１による画像Ｍｂ上の軌道の基準点（例えば、枕木の端部、或いはレールのエッヂ）の座標に向かうベクトルＮを求める。
また、距離センサ１４によってベースカメラ１１から基準点Ｏまでの距離ｄを取得する。
そして、ベクトルＮを距離倍し、ベクトルＮの大きさを距離ｄとした距離ベクトルを得て、その距離ベクトルをカメラ姿勢に関する行列Ｒ（回転ベクトルＲ）で変換したものがカメラ位置となる。
こうして軌道座標系に対するベースカメラ１１の位置情報を取得する。
まず、停車中の車両５から撮像したベースカメラ１１による画像Ｍｂ上の軌道の基準点（例えば、枕木の端部、或いはレールのエッヂ）の座標に向かうベクトルＮを求める。
また、距離センサ１４によってベースカメラ１１から基準点Ｏまでの距離ｄを取得する。
そして、ベクトルＮを距離倍し、ベクトルＮの大きさを距離ｄとした距離ベクトルを得て、その距離ベクトルをカメラ姿勢に関する行列Ｒ（回転ベクトルＲ）で変換したものがカメラ位置となる。
こうして軌道座標系に対するベースカメラ１１の位置情報を取得する。
このように軌道座標系に対するベースカメラ１１の姿勢に関する行列Ｒと、ベースカメラ１１の位置情報を得たことで、カメラ座標系情報を実際の物理量（軌道座標系情報）に変換することが可能になる。
次いで、図６に示すように、停車中の車両５から撮像したベースカメラ１１による画像Ｍｂ上で、軌道の基準点Ｏを含む仮想計測断面Ｓを軌道座標系にて設定する。
例えば、ベースカメラ１１による画像Ｍｂ上における枕木の端部に相当する基準点Ｏをマウス等で指定し、仮想計測断面Ｓの高さ及び幅を数値入力することで、仮想計測断面Ｓの設定を行うことができる。
例えば、ベースカメラ１１による画像Ｍｂ上における枕木の端部に相当する基準点Ｏをマウス等で指定し、仮想計測断面Ｓの高さ及び幅を数値入力することで、仮想計測断面Ｓの設定を行うことができる。
次いで、図７に示すように、軌道座標系の仮想計測断面Ｓを、ベースカメラ１１及び参照カメラ１２の画像Ｍｂ，Ｍｒ上にカメラ座標系の仮想断面Ｓｒ１、Ｓｒ２としてそれぞれ射影する。
ここで、軌道座標系に対するベースカメラ１１の姿勢および位置を表す行列は行列Ｒであり、そのベクトルがベクトルｔである。
また、ベースカメラ１１に対する参照カメラ１２の姿勢および位置を表す行列とベクトルは、それぞれＲｂｒ、ｔｂｒとする。なお、このＲｂｒ、ｔｂｒは、カメラ外部パラメータと呼ばれ、別途較正プログラムによって予め求められており、制御ユニット２３のＲＯＭに格納されている。
そして、軌道座標系の仮想計測断面Ｓを行列Ｒとベクトルｔで変換することで、ベースカメラ１１の画像Ｍｂ上に射影仮想計測断面Ｓｒ１が合成される。
更に、ベースカメラ１１の画像Ｍｂ上の射影仮想計測断面Ｓｒ１を行列Ｒｂｒとベクトルｔｂｒで変換することで、参照カメラ１２の画像Ｍｒ上に射影仮想計測断面Ｓｒ２が合成される。
なお、ベースカメラ１１の画像Ｍｂ上の射影仮想計測断面Ｓｒ１の内側と、参照カメラ１２の画像Ｍｒ上の射影仮想計測断面Ｓｒ２の内側がマスク有効領域となり、道床３の断面形状を検出する処理の対象となる。射影仮想計測断面Ｓｒ１と射影仮想計測断面Ｓｒ２の外側を無効領域とすることで、道床３の断面形状を検出する処理の計算量を削減し、処理時間の短縮を図ることが可能になる。
ここで、軌道座標系に対するベースカメラ１１の姿勢および位置を表す行列は行列Ｒであり、そのベクトルがベクトルｔである。
また、ベースカメラ１１に対する参照カメラ１２の姿勢および位置を表す行列とベクトルは、それぞれＲｂｒ、ｔｂｒとする。なお、このＲｂｒ、ｔｂｒは、カメラ外部パラメータと呼ばれ、別途較正プログラムによって予め求められており、制御ユニット２３のＲＯＭに格納されている。
そして、軌道座標系の仮想計測断面Ｓを行列Ｒとベクトルｔで変換することで、ベースカメラ１１の画像Ｍｂ上に射影仮想計測断面Ｓｒ１が合成される。
更に、ベースカメラ１１の画像Ｍｂ上の射影仮想計測断面Ｓｒ１を行列Ｒｂｒとベクトルｔｂｒで変換することで、参照カメラ１２の画像Ｍｒ上に射影仮想計測断面Ｓｒ２が合成される。
なお、ベースカメラ１１の画像Ｍｂ上の射影仮想計測断面Ｓｒ１の内側と、参照カメラ１２の画像Ｍｒ上の射影仮想計測断面Ｓｒ２の内側がマスク有効領域となり、道床３の断面形状を検出する処理の対象となる。射影仮想計測断面Ｓｒ１と射影仮想計測断面Ｓｒ２の外側を無効領域とすることで、道床３の断面形状を検出する処理の計算量を削減し、処理時間の短縮を図ることが可能になる。
次いで、図８に示すように、参照カメラ１２の画像Ｍｒ上に射影された射影仮想計測断面Ｓｒ２を、ベースカメラ１１の画像Ｍｂ上に射影された射影仮想計測断面Ｓｒ１に変換する第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂを算出して取得する。
また、ベースカメラ１１の画像Ｍｂ上に射影された射影仮想計測断面Ｓｒ１を、軌道座標系の仮想計測断面Ｓに変換する第２のホモグラフィ行列Ｈｂｖを算出して取得する。
また、ベースカメラ１１の画像Ｍｂ上に射影された射影仮想計測断面Ｓｒ１を、軌道座標系の仮想計測断面Ｓに変換する第２のホモグラフィ行列Ｈｂｖを算出して取得する。
こうして取得した第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂと第２のホモグラフィ行列Ｈｂｖは、制御ユニット２３のＲＯＭに格納する。この第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂと第２のホモグラフィ行列Ｈｂｖは、車両５の窓に固定したカメラヘッド部１０の位置や姿勢が変わるまで不変である。
このように、カメラヘッド部１０を窓に取り付けた後、第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂと第２のホモグラフィ行列Ｈｂｖを取得するまでが、車両５の停車中に行う道床形状計測装置１００のキャリブレーションである。
このように、カメラヘッド部１０を窓に取り付けた後、第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂと第２のホモグラフィ行列Ｈｂｖを取得するまでが、車両５の停車中に行う道床形状計測装置１００のキャリブレーションである。
次いで、取得した第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂと第２のホモグラフィ行列Ｈｂｖを用いて、実際に軌道の道床３の断面形状を検出する処理について、図９に基づき説明する。
まず、車両５を軌道に沿って走行させ、走行中の車両５からベースカメラ１１及び参照カメラ１２によって軌道の道床３を撮像する。
次いで、参照カメラ１２による画像Ｍｒを第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂによって変換した処理画像とベースカメラ１１による画像Ｍｂとのマッチングを行う。
例えば、参照カメラ１２による画像Ｍｒを第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂによって変換した処理画像のうち、仮想計測断面Ｓに相当する平面上の画像部分がベースカメラ１１による画像Ｍｂと一致し、仮想計測断面Ｓに相当する平面上ではない画像部分がベースカメラ１１による画像Ｍｂと不一致となるので、その一致した画像部分を抽出する処理を行うことで道床３の断面形状を検出することができる。
具体的には、参照カメラ１２による画像Ｍｒを第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂによって変換した処理画像とベースカメラ１１による画像ＭｂとのＳＡＤ画像を計算し、そのＳＡＤ画像を解析する処理を行うことで道床３の断面形状を検出する。
ここでは、ＳＡＤ画像を縦にサーチ（スキャン）し、相違度が最小（あるいは類似度が最大）となる位置を求め、その求めた位置を断面位置として確定し、道床３の断面形状を特定する。この特定した道床３の断面形状を第２のホモグラフィ行列Ｈｂｖによって軌道座標系の仮想計測断面Ｓに変換することで、道床３の断面形状を検出することができる。
まず、車両５を軌道に沿って走行させ、走行中の車両５からベースカメラ１１及び参照カメラ１２によって軌道の道床３を撮像する。
次いで、参照カメラ１２による画像Ｍｒを第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂによって変換した処理画像とベースカメラ１１による画像Ｍｂとのマッチングを行う。
例えば、参照カメラ１２による画像Ｍｒを第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂによって変換した処理画像のうち、仮想計測断面Ｓに相当する平面上の画像部分がベースカメラ１１による画像Ｍｂと一致し、仮想計測断面Ｓに相当する平面上ではない画像部分がベースカメラ１１による画像Ｍｂと不一致となるので、その一致した画像部分を抽出する処理を行うことで道床３の断面形状を検出することができる。
具体的には、参照カメラ１２による画像Ｍｒを第１のホモグラフィ行列Ｈｒｂによって変換した処理画像とベースカメラ１１による画像ＭｂとのＳＡＤ画像を計算し、そのＳＡＤ画像を解析する処理を行うことで道床３の断面形状を検出する。
ここでは、ＳＡＤ画像を縦にサーチ（スキャン）し、相違度が最小（あるいは類似度が最大）となる位置を求め、その求めた位置を断面位置として確定し、道床３の断面形状を特定する。この特定した道床３の断面形状を第２のホモグラフィ行列Ｈｂｖによって軌道座標系の仮想計測断面Ｓに変換することで、道床３の断面形状を検出することができる。
そして、検出した道床３の断面形状に関するデータは、ＧＰＳ受信機１５による位置情報と対応付けて制御ユニット２３のＲＯＭに格納されるとともに、モニタ２１に表示される。図１０に、道床形状計測装置１００を用いて行った道床形状計測の処理画面の一例を示す。
図１０に示すように、道床形状計測装置１００のモニタ２１に表示される処理画面２１ａには、ベースカメラ１１により撮像された軌道の画像Ｍｂと、参照カメラ１２により撮像された軌道の画像Ｍｒと、その撮像地点で検出された道床３の断面形状Ｓ３が表示される計測地点図Ｓｍと、ＧＰＳ受信機１５による撮像地点に関する位置情報（緯度経度情報；Ｌａｔ Ｌｏｎ）などが含まれている。
作業者は、このような処理画面２１ａによって道床３の断面形状Ｓ３を実際に撮像された軌道の画像（Ｍｂ、Ｍｒ）とともに確認することができる。また、検出された道床３の断面形状に関するデータには、ＧＰＳ受信機１５による位置情報が対応付けられているので、作業者が処理画面２１ａに基づいてバラストの崩壊部分があることを認識した場合にはその地点を的確に把握することができ、その地点の補修を速やかに行うことが可能となる。
図１０に示すように、道床形状計測装置１００のモニタ２１に表示される処理画面２１ａには、ベースカメラ１１により撮像された軌道の画像Ｍｂと、参照カメラ１２により撮像された軌道の画像Ｍｒと、その撮像地点で検出された道床３の断面形状Ｓ３が表示される計測地点図Ｓｍと、ＧＰＳ受信機１５による撮像地点に関する位置情報（緯度経度情報；Ｌａｔ Ｌｏｎ）などが含まれている。
作業者は、このような処理画面２１ａによって道床３の断面形状Ｓ３を実際に撮像された軌道の画像（Ｍｂ、Ｍｒ）とともに確認することができる。また、検出された道床３の断面形状に関するデータには、ＧＰＳ受信機１５による位置情報が対応付けられているので、作業者が処理画面２１ａに基づいてバラストの崩壊部分があることを認識した場合にはその地点を的確に把握することができ、その地点の補修を速やかに行うことが可能となる。
以上のように、ベースカメラ１１と参照カメラ１２を備えた道床形状計測装置１００を車両５に設置して、その車両５を軌道のレール１上を走行させながら軌道の道床３を撮像することによって二眼視ステレオ法による形状計測を行って、道床３の断面形状を検出することができるので、従来技術のようにレーザを使用する大掛かりな装置を用いることなく、比較的簡便に道床３の断面形状を計測することができる。
つまり、本実施形態の道床形状計測方法は、道床形状計測装置１００を設置可能な車両５であれば、車両５を軌道のレール１上を走行させながら軌道の道床３を撮像することによって道床３の断面形状を検出することができるので、営業車両でも容易に実施することができる優れた手法であるといえる。
つまり、本実施形態の道床形状計測方法は、道床形状計測装置１００を設置可能な車両５であれば、車両５を軌道のレール１上を走行させながら軌道の道床３を撮像することによって道床３の断面形状を検出することができるので、営業車両でも容易に実施することができる優れた手法であるといえる。
ところで、二眼視ステレオ法による形状計測の手法として、ベースカメラによる画像と参照カメラによる画像の対応点を３次元画像処理によって抽出して断面形状を算出する技術も知られているが、３次元画像処理には膨大な計算処理を要するため、短時間で断面形状を検出するには不向きな手法であった。
これに対し、本発明に係る道床形状計測方法では仮想計測断面を設定して、所望する断面形状のみを算出する２次元画像処理を行うようにすることで、計算量を大幅に削減することを可能にした。
それにより、ビデオフレームレート１／３０秒間に所望する断面を算出する計算処理を終えることができるので、ビデオ撮影時にリアルタイムに断面形状を検出することが可能になる。リアルタイムに断面形状を検出することができれば、車両５を走行させながら撮像した画像データを記録しておき、後にその記録した画像データの画像処理を行って断面形状を算出する手間を省くことができる。また画像データは記録しておく必要がないため、データ容量も大幅に削減することができる。
これに対し、本発明に係る道床形状計測方法では仮想計測断面を設定して、所望する断面形状のみを算出する２次元画像処理を行うようにすることで、計算量を大幅に削減することを可能にした。
それにより、ビデオフレームレート１／３０秒間に所望する断面を算出する計算処理を終えることができるので、ビデオ撮影時にリアルタイムに断面形状を検出することが可能になる。リアルタイムに断面形状を検出することができれば、車両５を走行させながら撮像した画像データを記録しておき、後にその記録した画像データの画像処理を行って断面形状を算出する手間を省くことができる。また画像データは記録しておく必要がないため、データ容量も大幅に削減することができる。
なお、以上の実施の形態においては、ベースカメラ１１と参照カメラ１２を一対備えた道床形状計測装置１００を車両５に設置して、一方のレール１側の道床３の余盛りの断面形状を検出するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ベースカメラ１１と参照カメラ１２を二対備えた道床形状計測装置を車両５に設置して、左右のレール１のそれぞれの道床３の余盛りの断面形状を検出するようにしてもよい。
また、２台の道床形状計測装置１００を用いて、左右のレール１のそれぞれの道床３の余盛りの断面形状を検出するようにしてもよい。
また、２台の道床形状計測装置１００を用いて、左右のレール１のそれぞれの道床３の余盛りの断面形状を検出するようにしてもよい。
また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
１ レール
２ 枕木
３ 道床
５ 車両
１０ カメラヘッド部
１１ ベースカメラ
１２ 参照カメラ
１３ ３軸加速度センサ
１４ 距離センサ
１５ ＧＰＳ受信機
１６ 制御回路部
１７ フレーム
１８ 吸盤
２０ 装置本体
２１ モニタ
２２ 電源部
２３ 制御ユニット
３０ ケーブル
１００ 道床形状計測装置
２ 枕木
３ 道床
５ 車両
１０ カメラヘッド部
１１ ベースカメラ
１２ 参照カメラ
１３ ３軸加速度センサ
１４ 距離センサ
１５ ＧＰＳ受信機
１６ 制御回路部
１７ フレーム
１８ 吸盤
２０ 装置本体
２１ モニタ
２２ 電源部
２３ 制御ユニット
３０ ケーブル
１００ 道床形状計測装置
Claims (2)
- バラストが盛られている道床に敷設された軌道上を走行可能な車両に設置した、ベースカメラ及び参照カメラと、３軸加速度センサと、距離センサとを備えた計測装置によって、前記道床の断面形状を計測する道床形状計測方法であって、
停車中の車両から前記ベースカメラによって撮像される前記軌道のレール上の異なる２点に向けられた２つのベクトルと、前記３軸加速度センサによる前記ベースカメラの重力軸方向のベクトルとに基づき、軌道座標系に対する前記ベースカメラの姿勢に関する行列を取得する工程と、
停車中の車両から前記ベースカメラによって撮像される前記軌道の基準点に向けられたベクトルと、前記距離センサによる前記ベースカメラから前記基準点までの距離と、前記行列に基づき、軌道座標系に対する前記ベースカメラの位置情報を取得する工程と、
停車中の車両から前記ベースカメラによって撮像される前記軌道の基準点を含む仮想計測断面を軌道座標系にて設定する工程と、
前記軌道座標系の仮想計測断面を、カメラ座標系の仮想計測断面として前記ベースカメラ及び前記参照カメラの画像上に射影する工程と、
前記参照カメラの画像上に射影された仮想計測断面を、前記ベースカメラの画像上に射影された仮想計測断面に変換する第１のホモグラフィ行列と、前記ベースカメラの画像上に射影された仮想計測断面を、軌道座標系の仮想計測断面に変換する第２のホモグラフィ行列を取得する工程と、
前記ベースカメラ及び前記参照カメラによって前記軌道の道床を撮像し、前記参照カメラによる画像を前記第１のホモグラフィ行列によって変換した処理画像と前記ベースカメラによる画像とのマッチングを行い、前記ベースカメラによる画像上の前記道床の断面形状を特定し、その特定した断面形状を第２のホモグラフィ行列によって軌道座標系の計測断面に変換することで、前記道床の断面形状を検出する工程と、
を有することを特徴とする道床形状計測方法。 - 前記軌道上を走行中の車両から前記ベースカメラ及び前記参照カメラによって前記軌道の道床を撮像し、前記参照カメラによる画像を前記第１のホモグラフィ行列によって変換した処理画像と前記ベースカメラによる画像とのマッチングを行い、前記ベースカメラによる画像上の前記道床の断面形状を特定し、その特定した断面形状を第２のホモグラフィ行列によって軌道座標系の計測断面に変換することで、前記道床の断面形状を検出する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の道床形状計測方法。
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