JP3732653B2 - 2次元画像比較による外観の測定方法および装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、地滑り・岩盤崩落・落石・転倒・岩滑りなどの危険斜面の変位や、風化による壁画の形状や色の変化などのように、平面形状の寸法や色の変化を計測するための方法および装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
我が国は国土の約7割が山岳地帯であるため、地滑り、岩盤崩落、落石、転倒、岩滑りなどの危険箇所は数万箇所という膨大な数に上る。このような危険個所の監視方法は、コスト的に安いパトロールによる目視確認や写真撮影が殆どである。
【0003】
一方、壁画の形状とか色の変化は、過去の写真と現在の写真を大雑把に比較して知る程度であり、特別な計測は実施されていないが、歴史的に貴重な壁画を保護するには特別な配慮が必要である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
地滑り、岩盤崩落、落石、転倒、岩滑りなどの危険斜面を通常のパトロール業務において監視する場合は、目視が主であるため、地盤のずれなどは定性評価(例えば小石の散乱を確認する程度)しかできない。また、パトロール要員が変われば、判断基準もまちまちになり、正確性を担保する上で問題がある。
【0005】
また、壁画の形状とか色の変化を監視する方法として過去の写真と現在の写真を比較する方法が採られているが、写真を比較して変化の程度や量を正確に測定することは現実に不可能である。この場合にも検査員が代われば判断も変わってしまい客観性のある判断ができない。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上述の問題を解決するため本発明の2次元画像比較による外観の測定方法は、外観を測定すべき領域内に相対位置関係が既知のコントロールポイントを4個以上設定し、これらのコントロールポイントを含む測定領域を撮像装置で撮像して得られる2次元画像データを基準画像として記憶し、ほぼ同じ位置からほぼ同じ条件で撮影して得られる2次元画像データを測定画像として蓄積した後、各測定画像を、その中の4個以上のコントロールポイントが、基準画像中の4個以上のコントロールポイントとほぼ一致するようにアングル補正して補正済み測定画像を作成し、この補正済み測定画像を基準画像と比較することによって、測定すべき領域の時間的な形状変化や色変化を計測することを特徴とするものである。
【0007】
本発明による2次元画像比較による外観の測定方法の好適な実施例においては、前記4個以上のコントロールポイントの他に少なくとも1個の計測ポイントを設定し、前記基準画像中の計測ポイントと補正済み測定画像中の計測ポイントとの位置のずれを計測するようにする。このような計測ポイントを使用することによって測定の精度をなお一層向上することができる。
【0008】
また、本発明においては前記測定領域を、CCD などの固体撮像素子を有するビデオカメラや電子スチールカメラなどの固体撮像装置で撮像するのが好適であるが銀塩写真カメラで撮像した後、現像したネガまたはポジをイメージスキャナで読み取ることもできる。
【0009】
さらに本発明による測定方法を実施するに当たっては、前記4個以上のコントロールポイントや計測ポイントを、例えば黒字に白丸を描いたターゲットを、外観を測定すべき領域内に設置することによって設定することができる。
或いはまた、前記4 個以上のコントロールポイントや計測ポイントの全部または一部を、外観を測定すべき領域を撮像して得られる画像中から選択することもできる。例えば恒久的な建造物が測定領域内に含まれている場合には、その特徴ある部分をコントロールポイントとして設定することができる。
【0010】
本発明においては、測定すべき領域を、毎回ほぼ同じ位置からほぼ同じ条件で撮像するが、その情報は種々の方法で記録したり伝達したりすることができる。例えば、基準画像の撮影位置や撮影方向、撮影倍率などの撮影データをメモしておくことができる。或いはまた、基準画像をハードコピーとして作成し、撮影者がこれを携帯して測定領域へ行き、このハードコピーの画像を見ながら撮影することもできる。さらには、測定領域現場に、撮影データを示す情報を記録しておくこともできる。
【0011】
本発明による2次元画像比較による外観の測定装置は、
測定領域内に相対位置関係が既知の4個以上のコントロールポイントを含む外観を撮像する撮像手段と、
この撮像手段でほぼ同じ位置からほぼ同じ要領で撮像して得られる2次元画像データを受け、最初に撮像した画像を基準画像とし、それ以降に撮像した画像を測定画像として複数記憶することができるメモリ手段と、
このメモリ手段に記憶されている基準画像と測定画像データとを読み出し、測定画像を、その中の4個以上のコントロールポイントが、基準画像中の4個以上のコントロールポイントとほぼ一致するようにアングル補正して補正済み測定画像を作成し、この補正済み測定画像を基準画像と比較することによって、測定すべき領域の時間的な形状変化や色変化を計測する信号処理手段と、
を具えることを特徴とするものである。
【0012】
このような本発明による測定装置の好適な実施例においては、前記測定領域内に4個以上のコントロールポイントの他に少なくとも1個の計測ポイントを設定し、前記信号処理手段を、前記基準画像中の計測ポイントと補正済み測定画像中の計測ポイントとの位置のずれを計測するように構成する。
【0013】
さらに本発明による測定装置の好適な実施例においては、前記撮像手段に、固体撮像装置を設け、この固体撮像装置から出力される2次元画像データを前記メモリ手段および信号処理手段を含む中央監視センタへ通信によって伝送する通信システムを設ける。このように構成する場合には、固体撮像装置を測定領域に固定的に設置しておくことができるので、作業員の危険や労力を大幅に軽減することができる。
【0014】
上述のように本発明によれば、地滑り、岩盤崩落、落石、転倒、岩滑りなどの危険斜面のパトロールによる監視業務において、地盤の平面的なずれを数値的に計測できるようになる。また、システム全体がシンプルであるため、誰でも簡単に操作ができ、熟練や経験は必要ない。さらに、現場の画像データはワープロによるパトロール日誌の作成などにも利用することができる。加えて、システム価格も運用費も安価であるなどの特長がある。
【0015】
さらに壁画の形状とか色の変化の計測においては、基準画像と補正済み測定画像との比較によって正確に測定できるようになり、将来の維持管理のための有効なデータとして蓄積できるようになる。ここで色の変化を測定する場合には、画像中の所定の部分を3原色信号として蓄積し、各色成分の大きさを比較したり色成分の割合を比較することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、実施例は単に例示的に示したもので、本発明の技術思想はこのような実施例にのみ限定されるものではない。
【0017】
図1は本発明の2次元画像比較による外観測定装置の一実施例の構成を示す線図である。外観の変化を測定すべき測定領域1上に4個のコントロールポイントを設定するための4個のターゲット2を配置する。各ターゲット2は、1 辺の長さが300mmの黒地のプレートの中央に直径が100mmの白丸を描いたものである。この白丸の中心の座標を正確に計測することができるようにしている。このようなターゲット2を、例えば地盤の崩落を測定すべき急傾斜地に設置する場合には、ターゲット2を先端に取り付けたポールを準備し、このポールを地面に突き刺して固定しておけばよい。
【0018】
本例においては、測定領域1内に1個の計測ポイントを設定するターゲット3も設置する。この計測ポイントを指定するターゲット3も上述したコントロールポイント設定用ターゲット2とまったく同様に構成する。このような計測ポイントを指定するターゲット3は変化を測定したい部位に配置するのが好適あり、この場合図1に示すように4つのコントロールポイントによって囲まれた領域のほぼ中央とするのが特に好適である。
【0019】
上述したように4つのコントロールポイントを指定するターゲット2と1つの計測ポイントを指定するターゲット3とを配置した測定領域を撮像するためのビデオカメラや電子スチールカメラまたはデジタルカメラよりなる固体撮像装置4を設ける。この固体撮像装置4によって撮像した測定領域1の画像データを取り込んで処理する信号処理回路5と、画像データを記憶するメモリ6、信号処理回路5から出力される画像信号を表示するモニタ7を設ける。
【0020】
本例においては、固体撮像装置4を測定領域1が存在する場所に固定的に配置するのではなく、監視員が携帯して測定領域を撮像するものである。この場合、毎回同じ位置から同じ条件で撮像するのが望ましいが、実際には同じ位置から同じ条件で撮像することは不可能である。そこで本発明においては、ほぼ同じ位置から同じ条件で撮像するようにする。このための撮像データはあらかじめ監視員が持っていてもよいし、現場に残しておくこともできる。また、初回に撮像した画像のハードコピーを作成しておき,これを見ながらほぼ同じ画像を撮像することもできる。
【0021】
図2は急崖斜面に図1で示したターゲット2および3を設置した測定領域1を固体撮像装置4で時間をおいて撮像して得られる複数の2次元画像と、これら画像の内の最初画像である基準画像と、各測定画像を、その中の4個以上のコントロールポイントが、基準画像中の4個以上のコントロールポイントとほぼ一致するようにアングル補正して得られる補正済み測定画像とを比較し、この補正済み測定画像中の計測ポイントの位置と基準画像中の計測ポイントの位置とずれを測定することによって、測定すべき領域1の時間的な形状変化を計測する本発明による2次元画像比較による外観の測定方法のプロセスを示す線図である。
【0022】
図2においてI0 は最初に撮影した基準画像を示すものである。この場合、コントロールポイントと計測ポイントのカメラ座標は、各ターゲット2および3の白丸の円パターンの輪郭線から重心計算によって求めた。I1 〜In は一群の測定画像であり、画像中央付近の計測ポイントの位置を故意にずらしてある。これらの測定画像では、コントロールポイントのみのカメラ座標を同様に重心計算で求めた。図2のIC は測定画像中の4個のコントロールポイントが基準画像I0 中の対応する4個コントロールポイントと一致するようにアングル補正画像変換(射影変換と濃度補正)して得られる補正済み測定画像を示すものである。このアングル補正処理については後に詳細に説明する。
【0023】
また、図2に示すIR は基準画像I0 と補正済み測定画像IC との和を透過率50%で比較した結果を表す画像である。これによると、画像中央付近の計測ポイントのずれが明らかに分かる。この場合のずれ量は計測ポイントの中心座標の相対差を調べると、1/2画素以下の精度(2.5mmの計測誤差:この場合1画素が5mmの分解能に相当)で計測できることが確認できた。
【0024】
なお、本発明による測定方法を実施するに際しては、コントロールポイント自身がずれる場合も考えられる。図3はそのような例を示すものであり、測定画像の画面に向かって左下のコントロールポイントにずれを与え、その場合の計測用原画像を撮影して、上記と同じ処理を行って画像比較した結果である。これによると、位置がずれたコントロールポイント付近の画像が著しく乱れた。本発明では、こうした画像の乱れをピクセル単位で計測し、コントロールポイントのずれを計測することも可能である。
【0025】
本発明においては上述したように測定画像を基準画像に基づいてアングル補正するが、図4はこのアングル補正の原理を説明するための線図である。図において、測定面1の計測大座標値(Xi ,Yi )と、基準画像を撮影する位置での固体撮像装置4の受像面11におけるカメラ座標値(xi ,yi )との間には、特許第2515932号明細書に記載されているように射影変換により、次式(1)の関係が成立する。なお、図4では固体撮像装置4の撮影レンズを符号Lで示す。
【数1】
Xi =(a0 +A0 xi +B0 yi )/(1+u0 xi +v0 yi )
Yi =(b0 +C0 xi +D0 yi )/(1+u0 xi +v0 yi )
ただし、(i=1〜n) ---(1)
(Xi ,Yi ):計測大座標値
(xi ,yi ):基準画像を撮影する位置での撮像装置の受像面11の座標値
(a0 ,b0 ,A0 ,B0 ,C0 ,D0 ,u0 ,v0 ):定数
【0026】
また、計測大座標値と、測定画像を撮影する位置での撮像装置4の受像面12のカメラ座標値(ξi ,ηi )との間にも上述した(1)式と同じ形式の次式(2)で表される関係が成立する。
【数2】
Xi =(a1 +A1 ξi +B1 ηi )/(1+u1 ξi +v1 ηi )
Yi =(b1 +C1 ξi +D1 ηi )/(1+u1 ξi +v1 ηi )
ただし、(i=1〜n) --- (2)
(Xi ,Yi ):計測大座標値
(ξi ,ηi ):測定画像を撮影する位置での撮像装置の受像面12の座標値
(a1 ,b1 ,A1 ,B1 ,C1 ,D1 ,u1 ,v1 ):定数
【0027】
上述した(1)式と(2) 式における測定領域1の計測大座標値(Xi ,Yi )は共に同じなので、これらの式が等価であるとして整理すると、(1)式または(2)式と同様に次式(3)の射影変換式で表すことができる。
【数3】
xi =(a2 +A2 ξi +B2 ηi )/(1+u2 ξi +v2 ηi )
yi =(b2 +C2 ξi +D2 ηi )/(1+u2 ξi +v2 ηi )
ただし、(i=1〜n) --- (3)
(xi ,yi ):基準画像を撮影する位置での受像面11のカメラ座標値
(ξi ,ηi ):測定画像を撮影する位置での受像面12のカメラ座標値
(a2 ,b2 ,A2 ,B2 ,C2 ,D2 ,u2 ,v2 ):定数
【0028】
次に、(3)式の定数(a2 ,b2 ,A2 ,B2 ,C2 ,D2 ,u2 ,v2 )をキャリブレーションによって決定する方法について述べる。この場合は、8個の定数を決定するために、図5のように測定領域1に4個または4個以上のコントロールポイントPを配置する。そして(3)式において、左辺−右辺=0の条件式の残差を、次式(4)
【数4】
φxi =f(a2 ,A2 ,B2 ,u2 ,v2 )
φyi =f(b2 ,C2 ,D2 ,u2 ,v2 )
ここで、(i=1〜n≧4) ---(4)
のように置き、これらの2乗和である(5)式
【数5】
の目的関数が最小になるような定数(a2 ,b2 ,A2 ,B2 ,C2 ,D2 ,u2 ,v2 )を決める。
【0029】
上述したようにして定数が決まると、今度は(3) 式によって測定画像を基準画像のアングルに射影変換できる。しかし、射影変換した格子点は、図6に示すように基準画像の格子点に対応しないことが多い。したがって、ここでは図6のように、基準画像の格子点Goに対応する濃度値f(i,j)を、その4近傍の測定画像を基準画像のアングルに射影変換した格子点G1〜G4の濃度値(f(m, n), f(m+1, n), f(m, n+1), f(m+1, n+1) )を用いて直線補間する。
【0030】
このようにすれば、測定画像は基準画像のアングルに画像変換でき、両者の比較が可能となる。その際に、比較パラメーターは、幾何寸法差と濃度差(カラーの場合は色差)である。なお、幾何寸法差は、図5のコントロールポイントPの大きさ、またはコントロールポイント相互の間隔を既知量として与えておき、これらを基準画像のカメラ座標値に換算して実寸法で表すことができる。
【0031】
本発明による測定方法を実施するに当たっては、理想的な平面の計測は少なく、凸凹の面を計測する場合が多いものと推測される。その場合に固体撮像装置4の撮影位置が著しく異なった場合には、計測精度が低下する。図7はその影響を簡単に調べるためのもので、基準画像と測定画像の撮影位置の許容範囲を知るための概略図である。この図によると、測定領域1からdの距離だけ外れた測点Cを計測する場合、撮影位置の許容範囲Wは、次式(6)で与えられる。
【数6】
【0032】
図8は本発明による2次元画像比較による外観測定装置の第2の実施例を示すものであり、図1に示したものと同じものには同じ符号を付けて示した。上述した実施例では、監視員が携帯した固体撮像装置4によって測定領域1を撮像し、撮像した画像データは中央監視センタに設置されている信号処理回路5を介して読み出してメモリ6に記憶するようにしたが、本例では測定領域1を撮像できる位置に固体撮像装置4を固定的に配置し、予め設定したタイミングで撮像を自動的に行い、得られる画像データを通信システムを介して中央監視センタへ伝送するようにしたものである。
【0033】
このために、測定領域1を含む現場には、固体撮像装置4の動作を制御するととともに通信を制御するためのコントローラ21と、撮像して得られる画像データを伝送するための送信機22と、監視員が動作チェックを行うときのためのモニタ23とを設ける。
また、中央監視センタ31には、上述した信号処理回路5、メモリ6およびモニタ7の他に、送信機22から送られてくる画像データを受信する受信機32を設ける。画像データの伝送は、無線でも有線でもよい。
さらに、中央監視センタ31にはカメラコントローラ33を設け、その出力信号を送信機34を経て現場の受信機24へ伝送し、測定現場にある固体撮像装4を遠隔制御できるようにする。この場合には、通常の検査で異常が検出されたときに、測定領域1を詳細に観察することができるので、一層正確で有用な情報を迅速に得ることができる。
【0034】
本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例えば上述した実施例においては、撮像装置としてCCD のような固体撮像素子を有する撮像装置を用いたが、その形態はビデオカメラや電子スチールカメラとすることができる。このような固体撮像装置を使用する場合には、装置にセットした記録媒体に画像データを一時的に記憶しておいたり、携帯型のパソコンのメモリに一時的に記憶しておくこともできる。
また、このような固体撮像装置の代わりに銀塩フィルムを用いる通常のカメラを用いることもできる。この場合には、撮影したフィルムを現像した後、そのネガまたはポジを画像スキャナで読み取ることによって画像データを得ることができる。
【0035】
また、上述した実施例においては、黒字に白丸を描いたターゲットをコントロールポイントや計測ポイントを設定するために用いたが、他の形式のターゲットを使用することもできる。さらに、このようなターゲットを使用することなくコントロールポイントや計測ポイントを設定することもできる。例えば、トンネルの出入り口の急斜面の変化を測定する場合に、トンネルの構造物、例えば銘盤をターゲットとして使用することができる。
【0036】
さらに、上述した図8に示す実施例において、固体撮像装置21 からの画像信号を中央監視センタへ伝送する伝送路と、中央監視センタからの指令を測定現場へ伝送する伝送路とを別個に設けたが、これらの伝送路を共通の伝送路とすることもできる。
【0037】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、地滑り・岩盤崩落・落石・転倒・岩滑りなどの危険斜面のパトロールによる監視業務において、地盤の平面的なずれを数値的に計測できるようになる。また、システムがシンプルであるため、誰でも簡単に操作ができる。さらに、現場の画像データはワープロによるパトロール日誌の作成などにも利用することができる。加えて、システム価格も運用費も安価である。したがって、従来のパトロール業務が精度良く行えるので、安全管理が徹底するという効果がある。
【0038】
壁画の形状とか色の変化の計測においては、そのデータにより、壁画の僅かな変化をも測定することができ、したがって管理のための有効なデータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の2次元画像比較による外観の測定装置の一実施例の構成を示す線図である。
【図2】同じくその動作を説明するための線図である。
【図3】コントロールポイント自身がずれた場合の測定例を示す線図である。
【図4】本発明の2次元画像比較による外観の測定方法における画像の座標変換の原理を説明する線図である。
【図5】測定面上に配置した4個のコントロールポイントを示す線図である。
【図6】射影変換した測定画像の格子点の濃度値を基準画像の格子点の濃度値に補正する動作を説明する線図である。
【図7】基準画像と測定画像の撮影位置のずれの許容範囲を示す線図である。
【図8】本発明の2次元画像比較による外観の測定装置の第2の実施例の構成を示す線図である。
【符号の説明】
1 測定領域
2 コントロールポイント用ターゲット
3 計測ポイント用ターゲット
4 固体撮影装置
5 信号処理回路
6 メモリ
7 モニタ
11,12 受光面
I0 基準画像
I1 〜In 測定画像
IC 補正済み測定画像
IR 比較結果画像
21 コントローラ
22 送信機
23 モニタ
24 受信機
31 中央監視センタ
32 受信機
33 カメラコントローラ
34 送信機
Claims (9)
- 外観を測定すべき領域内に相対位置関係が既知のコントロールポイントを4個以上設定し、これらのコントロールポイントを含む測定領域を撮像装置で撮像して得られる2次元画像データを基準画像として記憶し、ほぼ同じ位置からほぼ同じ要領で撮影して得られる2次元画像データを測定画像として蓄積した後、各測定画像を、その中の4個以上のコントロールポイントが、前記基準画像中の4個以上のコントロールポイントとほぼ一致するようにアングル補正して補正済み測定画像を作成し、この補正済み測定画像を基準画像と比較することによって、測定すべき領域の時間的な形状変化や色変化を計測することを特徴とする2次元画像比較による外観の測定方法。
- 前記4個以上のコントロールポイントの他に少なくとも1個の計測ポイントを設定し、前記基準画像中の計測ポイントと補正済み測定画像中の計測ポイントとの位置のずれを計測することを特徴とする請求項1に記載の2次元画像比較による外観の測定方法。
- 前記測定領域を固体撮像装置で撮像することを特徴とする請求項1または2の何れかに記載の2次元画像比較による外観の測定方法。
- 外観を測定すべき領域内に4個以上のターゲットを設置して前記4個以上のコントロールポイントを設定することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の2次元画像比較による外観の測定方法。
- 前記コントロールポイントを設定するターゲットを、黒字に白丸を描いたパターンとすることを特徴とする請求項4に記載の2次元画像比較による外観の測定方法。
- 前記4個以上のコントロールポイントを、外観を測定すべき領域を撮像して得られる画像中から選択することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の2次元画像比較による外観の測定方法。
- 測定領域内に相対位置関係が既知の4個以上のコントロールポイントを含む外観を撮像する撮像手段と、
この撮像手段でほぼ同じ位置からほぼ同じ要領で撮像して得られる2次元画像データを受け、最初に撮像した画像を基準画像とし、それ以降に撮像した画像を測定画像として複数記憶することができるメモリ手段と、
このメモリ手段に記憶されている基準画像と測定画像データとを読み出し、測定画像を、その中の4個以上のコントロールポイントが、基準画像中の4個以上のコントロールポイントとほぼ一致するようにアングル補正して補正済み測定画像を作成し、この補正済み測定画像を基準画像と比較することによって、測定すべき領域の時間的な形状変化や色変化を計測する信号処理手段と、
を具えることを特徴とする2次元画像比較による外観の測定装置。 - 前記測定領域内に4個以上のコントロールポイントの他に少なくとも1個の計測ポイントを設定し、前記信号処理手段を、前記基準画像中の計測ポイントと補正済み測定画像中の計測ポイントとの位置のずれを計測するように構成したことを特徴とする請求項7に記載の2次元画像比較による外観の測定装置。
- 前記撮像手段に、固体撮像装置を設け、この固体撮像装置から出力される2次元画像データを前記メモリ手段および信号処理手段を含む中央監視センタへ通信によって伝送する通信システムを設けたことを特徴とする請求項7または8の何れかに記載の2次元画像比較による外観の測定装置。
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