JP2017175789A - パンタグラフの検査装置、検査方法、及び、検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】画像処理により、パンタグラフの摩耗変形等の異常検知を行うに当たり、複数のビデオカメラや専用の照明装置を特定の制約のもと配置する必要がない単純な構成のパンタグラフ検査装置を提供する。【解決手段】車両に設けられたパンタグラフの側面を撮影する撮影部２と、撮影部で撮影した画像のエッジ部分を検出し、検出されたエッジ部分に基づくエッジ画像を生成するエッジ検出部３１と、エッジ画像から線分を検出し、検出された線分からなる線分群を生成する線分検出部３２と、線分検出部からの情報に基づいて、パンタグラフを認識するパンタグラフ認識部３３と、パンタグラフ認識部からの情報に基づいて、パンタグラフを認識した場合に、線分群からパンタグラフが異常であるか否かを検出するパンタグラフ異常検出部３４と、を備えたものである。【選択図】図３

Description

本発明は、主に電車に用いられるパンタグラフの検査システムに関し、特に、画像処理を用いた検査システムに関する。

従来、電車に用いられるパンタグラフの形状異常の検査方法としては、目視が中心であり、熟練した検査員により、一台一台時間をかけて行われていた。

一方、近年の技術の発展により、産業機器向けＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ Ｃｈｉｐ）及び高精細かつ高機能なディジタルカメラが安価に入手しやすくなってきており、従来は高価なシステムでしか実行できなかった画像処理を用いた機器の形状異常検知が、安価なシステムで実現できるようになってきている。

また、画像処理技術の進歩により、処理量が少なくかつ安定して撮影画像から幾何学形状を検出可能になっており、従来、目視で行っていた機器の点検作業をディジタルカメラとＳｏＣを用いたシステムによって実現することも可能になっている。

パンタグラフの画像検出方法としては、走行する列車の車両に設けられたパンタグラフの画像のみを自動的に撮影し、該撮影画像からパンタグラフを監視する方法がある。（例えば、特許文献１参照。）

また、画像を用いたパンタグラフの検査装置としては、列車の進入路を挟み対向して設置された光センサと、同光センサの近傍に配設された照明装置と、上記光センサの設置位置の進入路方向前方に配設されパンタグラフを撮像する複数のビデオカメラと、同それぞれのカメラと一定間隔を保持して配設されそれぞれのカメラと対をなしそれぞれスリットレーザ光をパンタグラフに照射するスリットレーザ発振器と、上記光センサと照明装置とビデオカメラとスリットレーザ発振器が接続された画像処理装置と、同装置に接続された記録表示装置と制御装置を備え、上記画像処理装置が、パンタグラフに照射されたスリットレーザ光の高さからパンタグラフの摩耗量を測定する手段と、画像の陰影からパンタグラフの割損を検知する手段と、３次元座標を計算しフレームの変形量を測定する手段とにより形成されたシステムがある。（例えば、特許文献２参照。）

特開２０１０−１７８３９９号公報 特開平８−７９９０４号公報

しかしながら、上記特許文献１に係る発明は、走行する列車の車両に設けられたパンタグラフを自動的に認識し、その画像のみを自動的に撮影するものであり、画像からパンタグラフを監視するのは、あくまで人の手によるものと思われる。

また、上記特許文献２に係る発明は、画像処理により、パンタグラフの摩耗変形等の異常検知を行うに当たり、複数のビデオカメラと専用の照明装置を特定の制約のもと配置する必要があり、加えて光センサやスリットレーザ発信器を用いているなど、多くのハードウェアが必要な構成であるため、システムが複雑かつ高価となるという問題がある。

本発明のパンタグラフの検査装置は、車両に設けられたパンタグラフの側面を撮影する撮影部と、該撮影部で撮影した画像のエッジ部分を検出し、検出されたエッジ部分に基づくエッジ画像を生成するエッジ検出部と、前記エッジ画像から線分を検出し、検出された線分からなる線分群を生成する線分検出部と、該線分検出部からの情報に基づいて、前記パンタグラフを認識するパンタグラフ認識部と、該パンタグラフ認識部からの情報に基づいて、前記パンタグラフを認識した場合に、前記線分群から前記パンタグラフが異常であるか否かを検出するパンタグラフ異常検出部と、を備えたものである。

本発明におけるパンタグラフ検査装置では、単純な構成でパンタグラフの形状異常を早く確実に見つけることができる。

この発明の実施の形態１におけるパンタグラフ検査装置の構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態１におけるパンタグラフの側面の撮影画像を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるパンタグラフ検査装置の画像処理部を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１におけるパンタグラフ検査装置の画像領域を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるパンタグラフ検査装置のパンタグラフ認識部の処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１におけるパンタグラフ検査装置のパンタグラフ異常判定部の処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２におけるパンタグラフの側面の撮影画像を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるパンタグラフ検査装置の画像領域を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるパンタグラフ検査装置のパンタグラフ認識部の処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２におけるパンタグラフ検査装置のパンタグラフ異常判定部の処理を示すフローチャートである。

実施の形態１．
次に、図面を用いて、この発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

図１は、この発明の実施の形態１におけるパンタグラフ検査装置の構成を示す概略図である。図において、本実施の形態におけるパンタグラフ検査装置１は、列車の車両の屋根６に設けられ、架線から集電するパンタグラフ４の画像を側面（横方向、すなわち車両の進行方向に対して垂直な方向）から撮影する撮影部であるビデオカメラ２と、ビデオカメラ２が撮影した画像を処理する画像処理部３と、画像処理部３で処理された画像を表示する表示部５とを含み構成されている。

図２は、この発明の実施の形態１におけるパンタグラフ検査装置の表示部に映しだされた検査対象となるパンタグラフの側面の画像（横方向、すなわち車両の進行方向に対して垂直な方向から撮影した画像）を示す概略図である。図は、一般的な菱形パンタグラフを示しており、菱形パンタグラフは、主軸に取り付けられた下枠を構成する左下フレーム４２、右下フレーム４４、及び、上枠を構成する左上フレーム４１、右上フレーム４３に、架線に押しあてられるすり板を含んで構成される。

なお、パンタグラフの異常を的確に検知するためには、図に示す通り、パンタグラフ４の全体が切れることなく、かつ、表示部５内に収まるように写っている必要がある。ただし、パンタグラフ４の一部の画像が欠けていたとしても、異常検知に必要な情報さえ得られれば特に問題はない。

図３は、この発明の実施の形態１におけるパンタグラフ検査装置の画像処理部を示すブロック図である。図において、画像処理部３は、エッジ検出処理を行うエッジ検出部３１、線分検出処理を行う線分検出部３２、パンタグラフ４が写っているか否かを判断するパンタグラフ認識部３３、パンタグラフ４が異常であるか否かを判断するパンタグラフ異常判定部３４、及び、パンタグラフ異常判定部３４の結果を表示部５に送信する判定結果送信部３５を備える。

エッジ検出部３１は、ビデオカメラ２で撮影された画像に対してエッジ検出処理を行い、エッジ画像を生成する。エッジ検出処理には、キャニーフィルタ等の公知技術を用いることが出来る。この処理は、画像処理部３がＳｏＣや汎用計算機である場合には、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）で実行されるプログラムとして実装することが出来る。または、ＧＰＧＰＵ（Ｇｅｎｅｒａｌ―Ｐｕｒｐｏｓｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｏｎ ＧＰＵ）の仕組みを用いて実装することが出来る。あるいは、専用のＨ／Ｗを用いる方法でも構わない。

線分検出部３２は、エッジ検出部３１の処理結果から得られるエッジ画像に対して線分検出処理を行い、撮影画像に存在する線分群を生成する。線分検出処理は、例えば、公知技術であるＨｏｕｇｈ変換によってエッジ画像から直線を検出したうえで、検出された各直線ついて、それぞれの直線に属するエッジ点を画像上の座標の値でソートし、ソートされた点間の距離がある一定値以上に離れていることを検知したらその直線を分割する、という処理を行うことで実現できる。この処理は、画像処理部３がＳｏＣや汎用計算機である場合には、ＣＰＵで実行されるプログラムとして実装することが出来る。あるいは、専用のＨ／Ｗを用いる方法でも構わない。

パンタグラフ認識部３３は、線分検出部３２の検出結果に基づき、左上フレーム４１、左下フレーム４２、右上フレーム４３、又は、右下フレーム４４のフレームが撮影画像内で検出されたかどうかを判断し、いずれか一つのフレームでも検出されれば撮影画像内にパンタグラフ４が写っていると判断する。

パンタグラフ異常判定部３４は、線分検出部３２とパンタグラフ認識部３３の結果を元に、左上フレーム４１、左下フレーム４２、右上フレーム４３、及び、右下フレーム４４の全てが撮影画像内から検出されたかどうかを判断し、全てが検出されなかった場合（いずれかのフレームの検出結果が欠けている場合）にパンタグラフ４が異常であると判断する。判断を行う方法の詳細は後述する。

判定結果送信部３５は、パンタグラフ異常判定部３４の判定結果を、画像処理部３と接続された表示部５に対して送信する。

表示部５は、装置の使用者に対してパンタグラフ異常判定部３４の判定結果を提示する。図では、表示部５と画像処理部３との接続を有線で示しているが、必ずしも有線である必要はない。表示部５としては、例えば、画像処理部３に直接接続された、あるいは、画像処理部３と一体式のＣＲＴモニタやＬＣＤモニタであって良いし、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）やＷｉ−ｆｉ（登録商標）といったネットワークで接続されたネットワーク上の別のノードであり、使用者への結果表示手段を備えたノードであっても良い。

また、表示部５の形状及び表示方法は、特に規定しない。例えば、ＣＲＴモニタやＬＣＤモニタに正常／異常の文字列を表示する形でも良いし、あるいは、異常の結果を受信した時のみ特定のＬＥＤインジケータを点滅させる、といった形のものでも構わない。

ここで、パンタグラフ認識部３３が、パンタグラフ４の識別を行う方法について、図４及び図５を用いて説明する。

まず、図４に示すように、パンタグラフ４をビデオカメラ２で撮影した側面の画像（横方向、すなわち車両の進行方向に対して垂直な方向から撮影した画像）について、左上角を含む矩形領域（以下、左上領域と記載する場合がある）、左下角を含む矩形領域（以下、左下領域と記載する場合がある）、右上角を含む矩形領域（以下、右上領域と記載する場合がある）、及び、右下角を含む矩形領域（以下、右下領域と記載する場合がある）についてそれぞれ判断する。

各矩形領域の幅及び高さとして適切な値は、ビデオカメラ２の性能及び設置環境、特にパンタグラフ４に対する位置及び角度、並びに、ズームの値を元に決定すべきであるが、前述の通りパンタグラフが、画像内の視野全体をカバーするように写っている前提であれば、概ね、撮影画像の幅及び高さの１／２より大きい値であれば良い。各領域の大きさは必ずしも等分である必要はなく、また、各領域同士が重なるように決定することが望ましい（各フレームが接合されていることから、検出されたフレームの端点は複数の領域内に収まることになるため）。

次に、図５より、左上領域、左下領域、右上領域、及び、右下領域と、線分検出部３２との結果を用いて、パンタグラフ４が存在するとの認識を行う方法を示す。パンタグラフ認識部３３は、最初に、線分検出部３２の結果に基づき、線分を検出する（ステップＳ１１）。

次に、線分検出部３２の結果として得られた線分群の中で、長さ及び傾きが一定の範囲から外れているものを除去する（ステップＳ１２）。これは、検出された線分の中に、左上フレーム４１、左下フレーム４２、右上フレーム４３、及び、右下フレーム４４のいずれにも相当しない線分を除外する処理である。例えば、架線、車両の屋根、建物の柱及びひさしなどのパンタグラフに該当しないものは除外されるとともに、パンタグラフを構成するフレームであっても、折れ曲がりや破断等が生じているものは、長さ及び傾きが一定の範囲から外れた線分として検出された場合には除外される。

長さ及び傾きの範囲が、一定の範囲内に収まっている線分が何かついては、撮影画像内で映っているパンタグラフの大きさ及び形状に対して適切に定める必要がある。長さが極端に長いもの及び短いもの、並びに、傾きが水平に近いもの及び垂直に近いものが除外出来れば十分であるため、前述の通り、パンタグラフが画像内の領域全体に写っている前提であれば、長さについては画像幅の１／２〜２／３程度、傾きについては絶対値が２０度〜７０度程度であり、どのような範囲に定めるかについては、設計上の要件として決めれば良い。以下、ステップＳ１２の結果得られた線分群を、有効線分群と記載する場合がある。

なお、以下では、線分及び直線の傾きの正負については、撮影画像に対して左上角を原点、右向きをＸ軸の正方向、下向きをＹ軸の正方向とする座標系を前提として記述する。すなわち、左上フレーム４１及び右下フレーム４４のように、パンタグラフ４のフレームが主に右肩上がりを示す直線及び線分の傾きは負であり、左下フレーム４２及び右上フレーム４３のように、パンタグラフ４のフレームが主に右肩下がりを示す直線及び線分の傾きは正である。

次に、ステップＳ１２で得られた有効線分群に属する全ての線分について、各線分の両端が左上領域内部に存在し、かつ、線分の傾きが負値であるかどうかを調べる（ステップＳ１３）。

有効線分群に属する全ての線分の内、一本でも存在すれば、左上フレーム４１が検出されたと判断し、パンタグラフ４の存在が認識されたと判断する（ステップＳ１７）。なお、左上フレーム４１が検出されなければ、ステップＳ１４に進む。

次に、有効線分群に属する全ての線分について、各線分の両端が左下領域内部に存在し、かつ、線分の傾きが正値であるかどうかを調べる（ステップＳ１４）。一本でも存在すれば、左下フレーム４２が検出されたと判断し、パンタグラフ４の存在が認識されたと判断する（ステップＳ１７）。なお、左下フレーム４２が検出されなければ、ステップＳ１５に進む。

次に、有効線分群に属する全ての線分について、各線分の両端が右上領域内部に存在し、かつ、線分の傾きが正値であるかどうかを調べる（ステップＳ１５）。一本でも存在すれば、右上フレーム４３が検出されたと判断し、パンタグラフ４の存在が認識されたと判断する（ステップＳ１７）。なお、右上フレーム４３が検出されなければ、ステップＳ１６に進む。

次に、有効線分群に属する全ての線分について、各線分の両端が右下領域内部に存在し、かつ、線分の傾きが負値であるかどうかを調べる（ステップＳ１６）。一本でも存在すれば、右下フレーム４４が検出されたと判断し、パンタグラフ４の存在が認識されたと判断する（ステップＳ１７）。なお、右下フレーム４４が検出されなければ、パンタグラフ４の存在が認識されなかった、すなわち、撮影画像内にパンタグラフ４が存在しないと判断する（ステップＳ１８）。

ステップＳ１３〜Ｓ１６の処理を行うことで、パンタグラフ認識部３３は、左上フレーム４１、左下フレーム４２、右上フレーム４３、及び、右下フレーム４４の内、いずれか１つ以上のフレームが認識された場合に、パンタグラフ４の存在が認識されたと判断し、いずれのフレームも認識されなかった場合に、パンタグラフ４の存在が認識されなかったと判断する。

以上、パンタグラフ認識部３３で行う処理について説明した。次に、パンタグラフ異常判定部３４が、パンタグラフ４の異常を検出する方法について、図６を用いて説明する。

パンタグラフ異常判定部３４の処理には、パンタグラフ認識部３３での結果が利用される。図において、まず、パンタグラフ認識部３３で、撮影画像中にパンタグラフ４が認識されなければ、処理を行わない（ステップＳ２２のＮｏ）。

パンタグラフ認識部３３にて撮影画像中にパンタグラフ４が認識された場合（ステップＳ２２のＹｅｓ）、まず、左上フレーム４１が検出されていれば（ステップＳ２３のＹｅｓ）、ステップＳ２４へ進む。左上フレーム４１が検出されていなければ（ステップＳ２３のＮｏ）、パンタグラフ４が異常であると判断する（ステップＳ２８）。

次に、左下フレーム４２が検出されていれば（ステップＳ２４のＹｅｓ）、ステップＳ２５へ進む。左下フレーム４２が検出されていなければ（ステップＳ２４のＮｏ）、パンタグラフ４が異常であると判断する（ステップＳ２８）。

次に、右上フレーム４３が検出されていれば（ステップＳ２５のＹｅｓ）、ステップＳ２６へ進む。右上フレーム４３が検出されていなければ（ステップＳ２５のＮｏ）、パンタグラフ４が異常であると判断する（ステップＳ２８）。

次に、右下フレーム４４が検出されていれば（ステップＳ２６のＹｅｓ）、パンタグラフ４が正常であると判断する（ステップＳ２７）。右上フレーム４４が検出されていなければ（ステップＳ２６のＮｏ）、パンタグラフ４が異常であると判断する（ステップＳ２８）。

以上、ステップＳ２３〜Ｓ２６の処理を行うことで、パンタグラフ異常判定部３４は、左上フレーム４１、左下フレーム４２、右上フレーム４３、及び、右下フレーム４４の全てのフレームが検出された場合のみ、パンタグラフ４が正常と判断し、左上フレーム４１、左下フレーム４２、右上フレーム４３、及び、右下フレーム４４の内、いずれか１つ以上のフレームが検出されなかった場合には、パンタグラフ４が異常であると判断する。

以上の説明が、パンタグラフ認識部３３及びパンタグラフ異常検知部２４を用いたパンタグラフの異常検知のための方法である。パンタグラフ異常判定部３４の判断結果は、前述の通り判定結果送信部３５が、その結果を表示部５に送信することで、使用者が判断結果を確認可能となる。

以上で説明した構成及び方法により、撮影部である１台の撮影装置及び１つの画像処理装置部のみの単純な構成でパンタグラフの異常を目視によらず検出することが可能である。

実施の形態１におけるパンタグラフ異常検知の方法は、菱形パンタグラフの形状の特性を、画像中の上下左右の各矩形領域において、所定の傾きを持った尤もらしい線分が存在するか否かで検査している。所定の線分がある矩形領域に含まれるか否かは、数回の数値比較処理で実現できるため、本発明におけるパンタグラフ異常検知の方法は、テンプレートマッチングといった公知技術による検出方法よりも処理負荷が小規模であり、回路数の少ないＳｏＣで実行可能である。

ビデオカメラ２に関して、撮影画像の縦横比（アスペクト比）とパンタグラフ４の形状との関係によっては、例えば、視野の高さ方向にパンタグラフ４が一杯に収まるように撮影すると、視野の幅方向にはパンタグラフが半分程度の大きさでしか収まらない、といった問題が生じ得る。

この問題の解決方法としては、パンタグラフの大きさの縦横比に合わせた画像の撮影ができる撮影部であるビデオカメラ２を選定する方法があるが、それ以外にも、使用者が設置時に目視で撮影画像を確認し、撮影画像の処理範囲をパンタグラフ全体が収まる最適な範囲に限定するよう画像処理部３を設定する方法がある。この方法を実現するため、画像処理部３は、ビデオカメラ２から渡された撮影画像に対して、エッジ検出部３１、線分検出部３２が処理対象とする範囲を設定する設定部を持つ構成としても良い。また、左上領域、左下領域、右上領域、及び、右下領域のそれぞれは、設定部によって設定された処理範囲内に設定する。設定部を持つことにより、パンタグラフの形状に合わせて特定の撮影部を選定する必要がなくなり、装置構成の自由度を向上することが可能になる。

また、ビデオカメラ２が撮影した画像の内、不要な範囲を削除またはマスキングして画像処理部３へ渡すように、使用者がビデオカメラ２を設定する方法がある。この方法を実現するため、使用者が、ビデオカメラ２の撮影した画像の特定領域のみを画像処理部３へ渡すように設定する設定部を持つ構成とすることで、同様の効果が得られる。

また、実施の形態１におけるパンタグラフ異常検知の方法は、ステップＳ１２で示した線分を除去する処理において、除去する線分の傾きの絶対値の範囲を大きくとることと、左上領域及び右上領域の高さを大きくとることで、パンタグラフ全体の上下方向の変形に対する許容度を大きくすることが可能である。言い換えると、各フレーム単位の破損や変形が発生していないにも関わらずパンタグラフが異常と判定されることを防止できる。

また、実施の形態１におけるパンタグラフ異常検知の方法は、図４に示した各領域において、左下領域、右下領域の幅を大きくとることで下枠交差型パンタグラフにも対応が可能である。例えば、前記説明では、各領域の幅は、撮影画像の１／２より大きければ良いと規定したが、左下領域及び右下領域の幅を３／４程度まで広げることで、下枠交差型パンタグラフにも確実に対応が可能となる。

また、本実施の形態では、ビデオカメラ２と画像処理部３とを有線で接続した構成で説明したが、必ずしもビデオカメラ２と画像処理部３とを有線の形態で接続する必要はない。例えば、ビデオカメラ２と画像処理部３とは、公知技術であるＷｉ−ｆｉやｂｌｕｅｔｏｏｔｈといった無線方式で接続する形でも良い。この構成をとることで、ビデオカメラ２の設置場所近くに画像処理部３を設置する必要がなくなり、設置の自由度を向上させることが可能になる。特に、ビデオカメラ２を駅舎または車庫に設置し、画像処理部３を車両内部に設置する、といった構成をとることが可能になる。

また、図５のステップＳ１３〜Ｓ１６の４つのステップは、フローチャート表現の制約上、逐次的に処理する形で記載しているが、実際の処理においては、必ずしも記載の順番で行う必要はなく、当該４つのステップは、順不同で実行して良い。また、画像処理部が複数のＣＰＵを持つ処理装置であれば、上記４つのステップを同時に実行し、後で４つのステップの結果の論理和をとる形でも良い。

同様に図６のステップＳ２３〜Ｓ２６の４つのステップは、フローチャート表現の制約上、逐次的に処理する形で記載しているが、実際の処理においては必ずしも記載の順番で行う必要はなく、当該４つのステップは、順不同で実行して良い。また、画像処理部が複数のＣＰＵを持つ処理装置であれば、上記４つのステップを同時に実行し、後で４つのステップの結果の論理積をとる形でも良い。

また、線分検出部で行う処理は、公知技術であるＨｏｕｇｈ変換を例として挙げているが、Ｈｏｕｇｈ変換に限定されない。例えば、Ｈｏｕｇｈ変換の改良である確率的Ｈｏｕｇｈ変換を用いることもできる。確率的Ｈｏｕｇｈ変換を用いることで、線分検出部の処理負荷がより少なくなるという効果がある。

さらに、他の例として、Ｌｉｎｅ Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｏｒアルゴリズムを使用することも可能である。Ｌｉｎｅ Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｏｒアルゴリズムを用いることで、検出をより高精度に行うことが可能であり、不要な線分を検出する可能性が低くなり、パンタグラフ認識部及びパンタグラフ異常検出部の処理負荷をより少なくすることができる。

さらに、画像処理部３の中にある各処理部は、必ずしも同一計算機内で実現されている必要はない。例えば、ビデオカメラにエッジ検出部、画像処理部に線分検出部、パンタグラフ認識部及びパンタグラフ異常検出部を備える構成、または、例えばビデオカメラにエッジ検出部と線分検出部、画像処理部にパンタグラフ認識部及びパンタグラフ異常検出部をそれぞれ一体化して備える構成を考えることもできる。特に、後者の構成では、ビデオカメラと画像処理部との間の通信手段が無線等低速なものに制約される場合に、通信手段の負荷を低減できる効果がある。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、特に、菱形パンタグラフに対する異常検知の方法を示した。一方、現時点で使用されているパンタグラフの形状には、菱形以外にシングルアーム形のものも存在する。本実施の形態では、シングルアーム型のパンタグラフに対応した異常検知の方法を示す。

図７は、この発明の実施の形態２におけるシングルアーム型のパンタグラフの側面の画像（横方向、すなわち車両の進行方向に対して垂直な方向から撮影した画像）の一例を示す。実施の形態１と同様、パンタグラフの異常を検出する方法を適用するためには、パンタグラフ４の全体が切れることなく、かつ、出来る限り画像の領域内に大きく撮影されていることが好ましい。

図において、パンタグラフ６を構成するフレームのうち、上に位置するものを上フレーム６１、下に位置するものを下フレーム６２と呼ぶことにする。また、下フレーム６２のさらに下に位置する部材を釣合棒６３と呼ぶことにする。なお、釣合棒６３もパンタグラフ６を構成するフレームの一つであるとする。

この発明の実施の形態２における画像処理部の上記実施の形態１で説明した処理の違いは、パンタグラフ認識部３３及びパンタグラフ異常判定部３４の内部で行う処理のみであるため、特にこれらの構成要素に対する新しい符号は設けないこととする。

本実施の形態におけるパンタグラフ認識部３３及びパンタグラフ異常判定部３４の処理の違いは、注目すべき矩形領域が上領域と下領域の２つになった点と、検出する直線に対応する対象が、上フレーム６１、下フレーム６２、及び、釣合棒６３の３つになったことである。

ここで、パンタグラフ認識部３３が、パンタグラフ６の識別を行う方法について、図８及び図９を用いて説明する。図８に示すように、ビデオカメラ２で撮影した画像について、上半分以上を含む矩形領域（以下、上領域と記載する場合がある）、下半分を含む矩形領域（以下、下領域と記載する場合がある）についてそれぞれ判断する。

図において、パンタグラフ６をビデオカメラ２で撮影した側面の画像（横方向、すなわち車両の進行方向に対して垂直な方向から撮影した画像）について、各矩形領域の幅及び高さとして適切な値は、パンタグラフ６が、画像内の領域全体に撮影されていればよく、幅については、概ね撮影画像と等しく、高さについては、概ね撮影画像の半分より大きければ良い。具体的には、ビデオカメラ２の仕様（ズーム倍率等）によって決定することが出来る。

次に、上領域及び下領域において、線分検出部３２の結果に基づいてパンタグラフ６の認識を行う方法について説明する。パンタグラフ認識部３３は、最初に、線分検出部３２の結果に基づき、線分を検出する（ステップＳ１１１）。

次に、線分検出部３２の結果として得られた線分群の中で、長さ及び傾きが一定の範囲から外れているものを除去する（ステップＳ１２１）。これは、検出された線分の中に、上フレーム６１、下フレーム６２、及び、釣合棒６３のいずれにも相当しない線分を除外する処理である。例えば、架線、車両の屋根、建物の柱及びひさしなどのパンタグラフに該当しないものは除外されるとともに、パンタグラフを構成するフレーム（釣合棒を含む）であっても、折れ曲がりや破断等が生じているものは、長さ及び傾きが一定の範囲から外れた線分として検出された場合には除外される。

長さ及び傾きの範囲が、一定の範囲内に収まっている線分が何かついては、撮影画像内で映っているパンタグラフの大きさ及び形状に対して適切に定める必要がある。長さが極端に長いもの及び短いもの、並びに、傾きが水平に近いもの及び垂直に近いものが除外出来れば十分であるという条件は実施の形態１と同様であるが、本実施の形態２では、画像に対して適切なフレームの長さや傾きを、上記実施の形態１とは異なったものにする必要がある。パンタグラフ６が画像内の領域全体に写っている前提であれば、長さについては画像幅の１／２〜上領域または下領域の対角線長程度、傾きについては絶対値が１０度〜４５度程度であり、あとは設計要件としてより範囲を狭めれば良い。以下、ステップＳ１２１の結果得られた線分群を、有効線分群と記載する場合がある。

なお、以下では、線分及び直線の傾きの正負については、撮影画像に対して左上角を原点、右向きをＸ軸の正方向、下向きをＹ軸の正方向とする座標系を前提として記述する。

次に、ステップＳ１２１で得られた有効線分群に属する全ての線分について、各線分の両端が上領域内部に存在し、かつ、線分の傾きが負値であるかどうかを調べる（ステップＳ１３１）。一本でも存在すれば、上フレーム６１が検出されたと判断し、パンタグラフ６の存在が認識されたと判断する（ステップＳ１７１）。上フレーム６１が検出されなければステップＳ１４１に進む。

次に、有効線分群に属する全ての線分について、各線分の両端が下領域内部に存在し、かつ、線分の傾きが正値であるかどうかを調べる（ステップＳ１４１）。一本でも存在すれば、下フレーム６２または釣合棒６３のいずれかがが検出されたと判断し、パンタグラフ４の存在が認識されたと判断する（ステップＳ１７１）。なお、下フレーム６２または釣合棒６３が検出されなければ、パンタグラフ６の存在が認識されなかった、すなわち、撮影画像内にパンタグラフ６が存在しないと判断する（ステップＳ１８１）。

ステップＳ１３１及びステップＳ１４１の処理を行うことで、パンタグラフ認識部３３は、上フレーム６１、下フレーム６２、及び、釣合棒６３の内、いずれか１つ以上のフレームが認識された場合に、パンタグラフ６の存在が認識されたと判断し、いずれのフレームも認識されなかった場合に、パンタグラフ６の存在が認識されなかったと判断する。

以上、本実施の形態２におけるパンタグラフ認識部３３で行う処理について説明した。次に、パンタグラフ異常判定部３４が、パンタグラフ６の異常を検出する方法について、図１０を用いて説明する。

パンタグラフ異常判定部３４の処理には、パンタグラフ認識部３３での結果が利用される。図において、まず、パンタグラフ認識部３３で、撮影画像中にパンタグラフ６が認識されなければ、処理を行わない（ステップＳ２２１のＮｏ）。

パンタグラフ認識部３３にて撮影画像中にパンタグラフ６が認識された場合（ステップＳ２２１のＹｅｓ）、まず、上フレーム６１が検出されていれば（ステップＳ２３１のＹｅｓ）、ステップＳ２４１へ進む。上フレーム６１が検出されていなければ（ステップＳ２３１のＮｏ）、パンタグラフ６が異常であると判断する（ステップＳ２８１）。

次に、下フレーム６２または釣合棒６３のいずれかが検出されていれば（ステップＳ２４１のＹｅｓ）、図９のステップＳ１２１で残った線分について、下領域内部に収まる線分の数を数え、２本以上の線分が下領域に存在すれば（ステップＳ２４１のＹｅｓ）、下フレーム６２と釣合棒６３の両方が検出されたと判断し、パンタグラフ６が正常であると判断する（ステップＳ２７１）。

２本以上の線分が下領域に存在しなければ（ステップＳ２４１のＮｏ）、パンタグラフ６が異常であると判断する（ステップＳ２８１）。

以上、ステップＳ２３１及びステップＳ２４１の処理を行うことで、パンタグラフ異常判定部３４は、上フレーム６１、下フレーム６２、及び、釣合棒６３の全てのフレームが検出された場合のみ、パンタグラフ６が正常と判断し、上フレーム６１、下フレーム６２、及び、釣合棒６３の内、いずれか１つ以上のフレームが検出されなかった場合には、パンタグラフ６が異常であると判断する。

以上の説明が、パンタグラフ認識部３３及びパンタグラフ異常検知部２４を用いたパンタグラフの異常検知のための方法である。パンタグラフ異常判定部３４の判断結果は、前述の通り判定結果送信部３５が、その結果を表示部５に送信することで、使用者が判断結果を確認可能となる。

なお、送信部及び表示部に関しては、上記実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

以上説明したように、本発明におけるパンタグラフ異常検知方法をシングルアーム型パンタグラフに対しても適用することが可能である。また、上記実施の形態１と同様、本実施の形態におけるパンタグラフ異常検知の方法は、テンプレートマッチングといった公知技術による検出方法よりも処理負荷が小規模であり、回路数の少ないＳｏＣで実行可能である。

なお、上では図１０のステップＳ２４１では再度線分群に対して下領域内部に各線分が収まるかどうかの判断を行って、収まる線分の数を数えているが、この処理はあらかじめ図９のステップＳ１４１において予め下領域内部に収まる線分の数を数えておき、その結果を利用する形でも構わない。

１ パンタグラフ検査装置
２ ビデオカメラ
３ 画像処理部
３１ エッジ検出部
３２ 線分検出部
３３ パンタグラフ認識部
３４ パンタグラフ異常判定部
３５ 判定結果送信部
４ パンタグラフ
４１ 左上フレーム
４２ 左下フレーム
４３ 右上フレーム
４４ 右下フレーム
５ 表示部
６ パンタグラフ
６１ 上フレーム
６２ 下フレーム
６３ 釣合棒

Claims (10)

1. 車両に設けられたパンタグラフの側面を撮影する撮影部と、
   該撮影部で撮影した画像のエッジ部分を検出し、検出されたエッジ部分に基づくエッジ画像を生成するエッジ検出部と、
   前記エッジ画像から線分を検出し、検出された線分からなる線分群を生成する線分検出部と、
   該線分検出部からの情報に基づいて、前記パンタグラフを認識するパンタグラフ認識部と、
   該パンタグラフ認識部からの情報に基づいて、前記パンタグラフを認識した場合に、前記線分群から前記パンタグラフが異常であるか否かを検出するパンタグラフ異常検出部と、
   を備えたことを特徴とするパンタグラフの検査装置。
2. 前記パンタグラフ認識部が、前記撮影部で撮影した画像の上下に位置する２つの領域の少なくとも一つの領域に対し、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフを認識し、
   前記パンタグラフ異常検出部が、前記撮影部で撮影した画像の上下に位置する２つの領域の全ての領域で、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する全ての線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフの異常を検出すること、
   を特徴とする請求項１記載のパンタグラフの検査装置。
3. 前記パンタグラフ認識部が、前記撮影部で撮影した画像の上下左右に位置する４つの領域の少なくとも一つの領域に対し、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフを認識し、
   前記パンタグラフ異常検出部が、前記撮影部で撮影した画像の上下左右に位置する４つの領域の全ての領域で、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する全ての線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフの異常を検出すること、
   を特徴とする請求項１記載のパンタグラフの検査装置。
4. 車両に設けられたパンタグラフの側面を撮影する撮影部と、
   該撮影部で撮影した画像のエッジ部分を検出し、検出されたエッジ部分に基づくエッジ画像を生成するエッジ検出部と、
   前記エッジ画像から線分を検出し、検出された線分からなる線分群を生成する線分検出部と、
   該線分検出部からの情報に基づいて、前記パンタグラフを認識するパンタグラフ認識部と、
   該パンタグラフ認識部からの情報に基づいて、前記パンタグラフを認識した場合に、前記線分群から前記パンタグラフが異常であるか否かを検出するパンタグラフ異常検出部と、
   前記パンタグラフ異常検出部の検出結果に関する情報を送信する送信部と、
   前記送信された情報に基づいて、前記検出結果を表示する表示部を備え、
   前記送信部と前記表示部とが有線または無線で通信することを特徴とするパンタグラフの検査システム。
5. 前記送信部及び前記表示部が、ネットワークを介して通信することを特徴とする請求項４記載のパンタグラフの検査システム。
6. 前記パンタグラフ認識部が、前記撮影部で撮影した画像の上下に位置する２つの領域の少なくとも一つの領域に対し、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフを認識し、
   前記パンタグラフ異常検出部が、前記撮影部で撮影した画像の上下に位置する２つの領域の全ての領域で、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する全ての線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフの異常を検出すること、
   を特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載のパンタグラフの検査システム。
7. 前記パンタグラフ認識部が、前記撮影部で撮影した画像の上下左右に位置する４つの領域の少なくとも一つの領域に対し、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフを認識し、
   前記パンタグラフ異常検出部が、前記撮影部で撮影した画像の上下左右に位置する４つの領域の全ての領域で、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する全ての線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフの異常を検出すること、
   を特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載のパンタグラフの検査システム。
8. 撮影部が車両に設けられたパンタグラフの側面を撮影し、
   エッジ検出部が該撮影部で撮影した画像のエッジ部分を検出し、検出されたエッジ部分に基づくエッジ画像を生成し、
   線分検出部が前記エッジ画像から線分を検出し、検出された線分からなる線分群を生成し、
   パンタグラフ認識部が前記線分検出部からの情報に基づいて、前記パンタグラフを認識し、
   パンタグラフ異常検出部が前記パンタグラフ認識部からの情報に基づいて、前記パンタグラフを認識した場合に、前記線分群から前記パンタグラフが異常であるか否かを検出すること、
   を特徴とするパンタグラフの検査方法。
9. 前記パンタグラフ認識部が、前記撮影部で撮影した画像の上下に位置する２つの領域の少なくとも一つの領域に対し、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフを認識し、
   前記パンタグラフ異常検出部が、前記撮影部で撮影した画像の上下に位置する２つの領域の全ての領域で、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する全ての線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフの異常を検出すること、
   を特徴とする請求項８記載のパンタグラフの検査方法。
10. 前記パンタグラフ認識部が、前記撮影部で撮影した画像の上下左右に位置する４つの領域の少なくとも一つの領域に対し、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフを認識し、
    前記パンタグラフ異常検出部が、前記撮影部で撮影した画像の上下左右に位置する４つの領域の全ての領域で、前記パンタグラフを構成する所定のフレームに対応する全ての線分が前記線分群の中に存在するか否かに基づいて前記パンタグラフの異常を検出すること、
    を特徴とする請求項８記載のパンタグラフの検査方法。

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