JP2019093977A - 鉄道車両の外観検査装置及びその設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両のうち撮影方向に奥行のある領域の画像を取得して鉄道車両の外観検査を行う装置において、奥行方向に位置の異なる複数の箇所に対して均一な鮮明さで画像を取得できるようにする。【解決手段】線状の撮影領域が鉄道車両の移動方向と交差する向きに配置されたラインスキャンカメラ（１０）と、鉄道車両の撮影対象領域を照らす投光器（２０）と、ラインスキャンカメラの連続的な撮影により得られた鉄道車両の外観画像を分析する画像分析部とを備えた鉄道車両の外観検査装置である。そして、撮影対象領域はラインスキャンカメラからの距離が異なる奥行方向の幅を有し、投光器は、最も光量が多くなる投光方向（Ｌ１）が、投光器から遠くなるほどラインスキャンカメラの入光部中央と線状の撮影領域とを結ぶ画素列取得平面（Ｓ１）に近くなり、かつ、撮影対象領域の奥行方向の全域（Ｄ１）にわたって画素列取得平面と交わらない方向を向いている。【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両の外観検査装置及びその設定方法に関する。

以前より、ラインスキャンカメラ（「ラインセンサカメラ」とも言う）を用いて製造物等の外観検査を行う装置がある。ラインスキャンカメラはエリアセンサに比べて高解像度の画像を取得しやすく、レンズの収差に起因する歪みの少ない画像、また、一方向に長い被写体に対して全域にわたって歪みの少ない画像を取得しやすいという利点がある。

特許文献１には、ラインセンサを用いて基板の検査を行う装置が示されている。この装置は、基板表面に対して照明ユニットから検査光を斜めに入射することで、所定の層に生じる特定の欠陥を検査可能としている。

特開２０１６−１５６８３０号公報

現在、本発明者らは、鉄道車両の外観検査を、ラインスキャンカメラを用いて高精度にかつ高効率に行うシステムの開発を行っている。そして、本発明者らは、鉄道車両の車体下部に設けられる各種の構造物を、車両の側方から撮影して検査することを想定している。しかしながら、鉄道車両の車体下部には、側方から奥方まで複数の箇所に構造物が配置されている。このため、これらを車両の側方から撮影した場合、照明が弱いと、奥方に配置された構造物の照度が低下して、この構造物の鮮明な画像が得られないという課題が生じた。一方、照明が強すぎると、例えば手前に配置された構造物、あるいは照明が強く当たった構造物の画像に白飛びが生じて、構造物の形状把握が困難になるという課題が生じた。すなわち、奥行方向に配置が異なる複数の構造物に対して、奥方の構造物から手前の構造物まで鮮明な画像が得られるように適正な照明を当てることは容易でなかった。

なお、このような課題は、鉄道車両の車体下部を側方から撮影する場合に限られるものでなく、撮影方向に奥行のある範囲の外観検査を行う場合に同様に生じると考えられる。

本発明は、鉄道車両のうち撮影方向に奥行のある領域の画像を取得して鉄道車両の外観検査を行う装置において、奥行方向に位置の異なる複数の箇所に対して均一な鮮明さで画像を取得できるようにすることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、
線状の撮影領域が鉄道車両の移動方向と交差する向きに配置されたラインスキャンカメラと、
鉄道車両の撮影対象領域を照らす投光器と、
前記ラインスキャンカメラの連続的な撮影により得られた鉄道車両の外観画像を分析する画像分析部と、
を備え、
前記撮影対象領域は前記ラインスキャンカメラからの距離が異なる奥行方向の幅を有し、
前記投光器は、最も光量が多くなる投光方向が、前記投光器から遠くなるほど前記ラインスキャンカメラの入光部中央と前記線状の撮影領域とを結ぶ画素列取得平面に近くなり、かつ、前記撮影対象領域の奥行方向の全域にわたって前記画素列取得平面と交わらない方向を向いていることを特徴とする鉄道車両の外観検査装置である。

このような構成によれば、投光器を上記の方向に向けて配置することで、鉄道車両の撮影対象領域の奥行方向の全域を均一に照らすことが容易となる。すなわち、撮影対象領域中に、照度が高すぎて画像に白飛びが生じるような箇所と、照度が足りずに画像が不鮮明となる箇所とが生じないように照明を設定することが容易となる。これにより、鉄道車両の撮影対象領域の奥行方向の全域にわたって均一な鮮明さを有する画像を得ることができ、鉄道車両の正確な外観検査が可能となる。

ここで、前記投光器は、一方向に長い配列で並べられた複数の発光ダイオードを有し、前記配列の長手方向が前記画素列取得平面と平行になるように設置されていてもよい。

このような構成によれば、ラインスキャンカメラの線状の撮影領域の長手方向においても撮影対象領域を均一な明るさで照らすことが容易となり、均一な鮮明さを有する鉄道車両の画像を得ることができる。

また、本発明に係る鉄道車両の外観検査装置は、
前記投光器と前記ラインスキャンカメラとの相対位置及び相対角度を保持するフレームを更に備えてもよい。

このような構成によれば、均一な照度が得られるようにラインスキャンカメラと投光器との相対位置及び相対角度が設定された後、この相対位置及び相対角度をフレームによって保持することができる。したがって、例えば工場内でラインスキャンカメラと投光器とを最適な相対位置及び相対角度に固定し、フレームごと現地に移送することで、最適な位置に配置されたラインスキャンカメラ及び投光器を容易に現地に設置することができる。

本発明に係る鉄道車両の外観検査装置の設定方法は、
線状の撮影領域が鉄道車両の移動方向と交差する向きに配置されるラインスキャンカメラと、鉄道車両の撮影対象領域を照らす投光器とを備えた鉄道車両の外観検査装置の設定方法であって、
前記投光器を作動させて、前記撮影対象領域の奥行方向に位置の異なる複数箇所で、前記ラインスキャンカメラの入光部中央と前記線状の撮影領域とを結ぶ画素列取得平面と重なる箇所の照度を計測し、計測された輝度が、前記投光器の最も光量が多くなる投光方向の輝度よりも一段階低い所定の範囲に収まるように、前記投光器の向きを決定することを特徴とする。

このような方法によれば、奥行のある鉄道車両の撮影対象領域に対して、奥行方向の全域を均一に照らすように投光器の向きを容易に決定することができる。これにより、撮影対象領域中に、照度が高すぎて画像に白飛びが生じるような箇所と、照度が足りずに画像が不鮮明となる箇所とが生じないように投光器の向きを設定できる。このような設定により、鉄道車両の撮影対象領域の奥行方向の全域にわたって均一な鮮明さを有する画像を得ることができ、鉄道車両の正確な外観検査が可能となる。

さらに、本発明に係る鉄道車両の外観検査装置の設定方法は、
工場において、前記複数箇所の照度を計測して前記投光器の向きを決定した後、前記投光器を決定された向きに調整し、かつ、前記ラインスキャンカメラと前記投光器とを共通のフレームに固定し、その後、前記フレームごと前記ラインスキャンカメラ及び前記投光器を現地へ搬送及び設置するようにしてもよい。

このような方法によれば、現地におけるラインスキャンカメラ及び投光器の配置の調整作業を低減でき、ラインスキャンカメラと投光器とを最適な相対位置及び相対角度に設定された状態で容易に現地に設置することができる。これにより、高い信頼性で鮮明な画像を取得できる鉄道車両の外観検査装置を提供できる。

本発明によれば、鉄道車両のうち撮影方向に奥行のある領域の画像を取得して鉄道車両の外観検査を行う装置において、奥行方向に位置の異なる複数の箇所に対して均一な鮮明さで画像を取得することができる。

本発明の実施形態の鉄道車両の外観検査装置を示す図である。 ラインスキャンカメラと投光器との配置関係を示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は正面図である。 図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は奥行方向に位置の異なる複数箇所で測定された投光器の配光の一例を示す図である。 ラインスキャンカメラからの距離と照度との関係を概念的に示したグラフである。 ラインスキャンカメラ及び投光器をフレームに固定した構成例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態の鉄道車両の外観検査装置を示す図である。図２は、ラインスキャンカメラと投光器との配置関係を示す図であり、図２（Ａ）はその側面図、図２（Ｂ）はその平面図、図２（Ｃ）はその正面図である。
本発明の実施形態の鉄道車両の外観検査装置１は、鉄道車両の外観を検査して異常の有無を判別する装置の一部である。外観検査装置１は、具体的には、鉄道車両の車体下部に設置された複数の構造物の側面を鉄道車両の側方から撮影し、撮影された鉄道車両の外観画像を分析して異常の有無を検査する。鉄道車両の撮影対象領域には奥行方向の幅がある。

外観検査装置１は、鉄道車両１００が通過する線路の側方に設置されるラインスキャンカメラ１０と、鉄道車両の撮影対象領域を照らす投光器２０と、撮影された画像の分析を行う画像分析装置３０とを備える。画像分析装置３０は、本発明に係る画像分析部の一例に相当する。
ラインスキャンカメラ１０は、光を入射する入光部１１と、線状の撮像素子とを有し、線状の撮影領域に対して繰り返し撮影を実行可能な撮影装置である。ラインスキャンカメラ１０は、線状の撮影領域が撮影対象の移動方向と交差するように設置され、撮影対象の移動中に撮影画像を連続的に取り込むことで、撮影対象の二次元の撮影画像を取得できる。図２（Ａ）、（Ｂ）において、入光部１１の中央と線状の撮影領域とを結んだ画素列取得平面Ｓ１を一点鎖線により示す。なお、図２（Ａ）では、画素列取得平面Ｓ１を奥行方向の全域まで示していないが、実際には画素列取得平面Ｓ１は図２（Ｂ）の奥行範囲Ｄ１に渡って広がる面である。ラインスキャンカメラ１０は、撮影対象のうち画素列取得平面Ｓ１と重なった部位の画像を一回の撮影で取得する。

投光器２０は、複数の高輝度発光ダイオード２１が、一方向に長い矩形の枠内に、複数行複数列の配列で並べられた照明である。複数の高輝度発光ダイオード２１は、指向性が高く、互いに同方向を向いて配列されている。投光器２０の照射光は、少ない角度で広がり、また、照射範囲の中央の照度が最も照度が高く、中央から外れるに従って照度が低くなっていく配光を有する。図２（Ａ）、（Ｂ）において、投光器２０の最も光量が多くなる投光方向を表わす配光中央Ｌ１を一点鎖線で示す。

画像分析装置３０は、コンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１、ＲＡＭ（Random Access Memory）３２、表示部３３、マウス又はキーボード等の操作部３４、データ入力用のインタフェース３５、及び記憶装置３６を備える。記憶装置３６には、撮影画像と正常画像とを比較して異常が生じていないか外観検査を行う外観検査プログラム３６１が格納されている。また、記憶装置３６には、検査対象の鉄道車両の過去の正常画像が蓄積される正常画像データベース３６２と、ラインスキャンカメラ１０から通信ネットワークＮを介して送られてくる撮影画像を格納する撮影画像格納部３６３とが設けられる。

外観検査プログラム３６１は、ＣＰＵ３１が実行することで複数の機能モジュールを実現させる。複数の機能モジュールには、撮影画像生成モジュール、撮影画像補正モジュール、輝度調整モジュール、及び、比較検査モジュール等が含まれる。撮影画像生成モジュールは、ラインスキャンカメラ１０の撮影画像データから鉄道車両１００の撮影対象領域について連続する二次元画像データを生成する。撮影画像補正モジュールは、鉄道車両１００の速度バラツキ又は上下動に起因する二次元画像中の鉄道車両１００の歪みを補正する。輝度調整モジュールは、撮影画像の外的要因による輝度のバラツキが除去されるように撮影画像の輝度を調整する。比較検査モジュールは、正常画像データベース３６２に格納された同一車両の過去の正常画像と撮影画像とを比較して変化のある箇所を抽出し異常の有無を判別する。

外観検査プログラム３６１の各機能モジュールは、特に制限されるものではないが、鉄道車両１００の撮影対象領域の撮影画像データをグレースケールデータとして処理する。このように色の識別を行わない場合、適正な照度で撮影対象を照らして鮮明な撮影画像を取得することが重要となる。

＜ラインスキャンカメラと投光器との配置の設定方法＞
ラインスキャンカメラ１０は、図１に示すように、鉄道車両１００の下部から側方に離れた位置で、撮影方向が車体下部に向き、線状の撮影領域が鉄道車両１００の進行方向と交差（例えば直交）するように設置される。

投光器２０は、ラインスキャンカメラ１０の横方向（線路に沿った方向）にずれた位置で、かつ、ラインスキャンカメラ１０よりも前方（鉄道車両１００に近い方）にずれた位置に設置される。さらに、投光器２０は、長手方向（発光ダイオードの配列の長手方向）がラインスキャンカメラ１０の画素列取得平面Ｓ１と平行になるように、かつ、照明の投光方向が鉄道車両１００の車体下部へ向くように設置される。本明細書において平行とは、厳密な意味での平行だけでなく、ラインスキャンカメラ１０の線状の撮影領域の長手方向をほぼ均一に照らすことができるという作用が得られる範囲で、僅かな誤差を有するものも含むものとする。

加えて、投光器２０は、配光中央Ｌ１が、撮影対象領域の奥行方向の全域にわたって、ラインスキャンカメラ１０の画素列取得平面Ｓ１と交わらず、かつ、投光器２０から遠くなるほど画素列取得平面Ｓ１に近づく方向を向くように設置される。本実施形態において撮影対象領域は、鉄道車両１００の車体下部の中央より手前側の奥行範囲Ｄ１（図１を参照）を有する。

さらに、投光器２０の詳細な設置角度の決定は、上記のように投光器２０を設置した後、投光器２０を作動させて照度の測定を行いながら、詳細な角度調整を経て実現される。例えば、設置角度の決定作業において、図２（Ｂ）に示すように、撮影対象領域の奥行方向に位置の異なる４つの箇所Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄで、投光器２０の照度が計測される。

図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は奥行方向に位置の異なる複数箇所で測定された投光器の配光の一例を示す図である。図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、図２（Ｂ）の４箇所Ｐａ〜Ｐｄの配光に相当する。

投光器２０は、最も照度の高い範囲Ｅ１が適正な照度値よりも高くなり、照度が一段階低い範囲Ｅ２が適正な照度値となるように、照明強度が設定される。上記の照度が一段階低い範囲Ｅ２が、配光中で適正な照度が得られる所定範囲となる。さらに、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に示すように、投光器２０の配光は、最も照度の高い範囲Ｅ１が中央を占め、中央から離れるほど照度が低くなる。また、投光器２０から離れる箇所ほど最も照度の高い範囲Ｅ１が小さくなる。また、照度が一段階低い範囲Ｅ２は、投光器２０から離れるに従って配光の中央に近づいてくる。このため、投光器２０の向きが上記のように設定されていることで、照度が一段階低い範囲Ｅ２がラインスキャンカメラ１０の画素列取得平面Ｓ１に重なるか近づいた状況となる。ここで、作業員は、４箇所Ｐａ〜Ｐｄの配光の計測結果に基づいて、投光器２０の詳細な角度合わせを行うことで、４箇所Ｐａ〜Ｐｄにおいて照度が一段階低い範囲Ｅ２がラインスキャンカメラ１０の画素列取得平面Ｓ１に重なるように調整する。すなわち、４箇所Ｐａ〜Ｐｄにおいて画素列取得平面Ｓ１の照度が範囲Ｅ２に収まるように調整される。このようにして投光器２０とラインスキャンカメラ１０の相対角度が決定される。

なお、このような投光器２０の詳細な相対角度の調整は、装置単位で行う必要はない。例えば投光器２０の製品ごとの配光バラツキが非常に小さい場合には、１台の投光器２０を用いて詳細な相対角度を決定したら、別の装置では投光器２０の詳細な相対角度の調整を行わず、決定された相対角度で投光器２０を固定するのみとしてもよい。このように投光器２０を配置しても、上述の調整を行った場合と同様の配光の設定を実現できる。

図４は、ラインスキャンカメラからの距離と照度との関係を概念的に示したグラフである。図４において、縦軸はラインスキャンカメラ１０の画素列取得平面Ｓ１と重なる箇所の照度、横軸は、ラインスキャンカメラ１０からの距離を示す。
先にも述べたが、照度には、画像に白飛びが生じるような高すぎる範囲（図４に「白とび」と記す）と、画像の鮮明さが低下する低すぎる範囲（図４に「光量不足」と記す）と、鮮明な画像が得られる適正な範囲（図４に「適正」と記す）とがある。しかし、上記のように投光器２０の向きを設定することで、図４に示すように、撮影対象領域の奥行方向の全域にわたって、ラインスキャンカメラ１０の画素列取得平面Ｓ１と重なる箇所の照度を適正にすることが可能となる。

＜装置の設置方法＞
次に、ラインスキャンカメラ１０及び投光器２０の現地への設置手順の一例について説明する。図５は、ラインスキャンカメラ及び投光器をフレームに固定した構成例を示す斜視図である。
ラインスキャンカメラ１０及び投光器２０は、工場において、上述した相対位置及び相対角度の調整が行われる。調整の後、さらに工場において、ラインスキャンカメラ１０及び投光器２０が共通のフレーム４０に固定され、その相対位置及び相対角度が保持される。
続いて、ラインスキャンカメラ１０及び投光器２０はフレーム４０に固定したまま、現地へ搬送され、鉄道車両１００が通過するレールの側方に設置される。
このような設置方法により、現地におけるラインスキャンカメラ１０及び投光器２０の配置の調整作業を低減することができ、高い信頼性で鮮明な画像を取得できる鉄道車両の外観検査装置１を提供できる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、１組の投光器２０がラインスキャンカメラ１０の片側に配置された構成を一例にとって説明したが、２組の投光器がラインスキャンカメラの両側に配置される構成を適用してもよい。また、上記実施形態では、鉄道車両１００の車体下部の構造物を、鉄道車両１００の側方からラインスキャンカメラが撮影する構成を一例にとって説明したが、これに限られない。例えば、車体下部の構造物を車体の下方から撮影する構成、又は、車体上部を鉄道車両１００の側方から撮影する構成など、撮影対象領域に奥行が生じる場合に、本発明は効果的に適用できる。その他、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 鉄道車両の外観検査装置
１０ ラインスキャンカメラ
１１ 入光部
２０ 投光器
３０ 画像分析装置
Ｄ１ 撮影対象領域の奥行範囲
Ｅ１ 最も照度の高い範囲
Ｅ２ 照度が一段階低い範囲

Claims (5)

1. 線状の撮影領域が鉄道車両の移動方向と交差する向きに配置されたラインスキャンカメラと、
   鉄道車両の撮影対象領域を照らす投光器と、
   前記ラインスキャンカメラの連続的な撮影により得られた鉄道車両の外観画像を分析する画像分析部と、
   を備え、
   前記撮影対象領域は前記ラインスキャンカメラからの距離が異なる奥行方向の幅を有し、
   前記投光器は、最も光量が多くなる投光方向が、前記投光器から遠くなるほど前記ラインスキャンカメラの入光部中央と前記線状の撮影領域とを結ぶ画素列取得平面に近くなり、かつ、前記撮影対象領域の奥行方向の全域にわたって前記画素列取得平面と交わらない方向を向いていることを特徴とする鉄道車両の外観検査装置。
2. 前記投光器は、一方向に長い配列で並べられた複数の発光ダイオードを有し、前記配列の長手方向が前記画素列取得平面と平行になるように設置されていることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両の外観検査装置。
3. 前記投光器と前記ラインスキャンカメラとの相対位置及び相対角度を保持するフレームを更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の鉄道車両の外観検査装置。
4. 線状の撮影領域が鉄道車両の移動方向と交差する向きに配置されるラインスキャンカメラと、鉄道車両の撮影対象領域を照らす投光器とを備えた鉄道車両の外観検査装置の設定方法であって、
   前記投光器を作動させて、前記撮影対象領域の奥行方向に位置の異なる複数箇所で、前記ラインスキャンカメラの入光部中央と前記線状の撮影領域とを結ぶ画素列取得平面と重なる箇所の照度を計測し、計測された輝度が、前記投光器の最も光量が多くなる投光方向の輝度よりも一段階低い所定の範囲に収まるように、前記投光器の向きを決定することを特徴とする鉄道車両の外観検査装置の設定方法。
5. 工場において、前記複数箇所の照度を計測して前記投光器の向きを決定した後、前記投光器を決定された向きに調整し、かつ、前記ラインスキャンカメラと前記投光器とを共通のフレームに固定し、その後、前記フレームごと前記ラインスキャンカメラ及び前記投光器を現地へ搬送及び設置することを特徴とする請求項４記載の鉄道車両の外観検査装置の設定方法。

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