JP3837431B2 - 管内面形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、管内面形状測定装置に関し、さらに詳しくは、下水道管等の管内表面の形状をリアルタイムに三次元的に計測する管内面形状測定装置に関するものである。

従来の下水道管等の内部劣化の状態を検査する方法としては、テレビカメラを搭載した車輪付き走行装置を管内に走行させ、撮影した映像を人間が見て、劣化の具合を評価していた。ところが、人間による評価においては、定性的な判断に陥りやすく、劣化の状態を定量的に捉えることは特別な場合を除いてなされていなかった。
このような事情から、管内面形状測定を専用の測定装置により自動的に行う試みがなされており、例えば、特開平５−２８１１４６号公報には、移動するレーザ光を効率よく捉えて高精度かつ短時間で管内の劣化状況を検査するために、回転するレーザパターン発生部から管内面に照射したレーザ光の散乱光を視覚センサで捉え、信号処理装置を用いて検査を行う技術が開示されている。検査視野は数分割し、それぞれに一つの視覚センサを対応させる。回転位置は回転センサで検出し、その回転位置信号を基に視覚センサ同期回路の信号によって、常に該当する位置にある視覚センサを選択・切替を行い、捉えられた検査画像信号を漏れなく順次信号処理装置に取り込み、出力装置へ入力する。
特開平５−２８１１４６号公報

上記のように従来の管内の劣化状態を測定する方法は、人間が行っていたため、測定が定性的となり必ずしも客観的な評価ができなかった。また、定量的なデータによる測定は行われていないため、総合的に劣化状態を判断することが困難であった。
また特許文献１に開示されている従来技術は、回転するレーザパターン発生部から管内面に照射したレーザ光の散乱光を複数の視覚センサにより捉えてデータを収集していたので、管内の状態を全方位に捉えることができず、正確性に乏しかった。また、レーザスポットと視覚センサのタイミングを同期させなければならず、制御が複雑であった。更に、三次元的な管内形状を捉えることが不可能であった。
本発明は、かかる課題に鑑み、管内の形状を光により全方位に照射し、その撮像画像と管内の移動量に基づいて管内面の三次元形状を演算することにより、管内面の劣化状態を正確に且つ迅速に測定することが可能な管内面形状測定装置を提供することを目的とする。
また他の目的は、管軸に対して装置が傾いた場合でも、その傾き角を計算して管内面の劣化状態を正確に且つ迅速に測定することが可能な管内面形状測定装置を提供することである。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、管内面の表面形状を三次元的に計測する管内面形状測定装置であって、前記管内面に沿って周方向に複数の光スポットを移動させて前記管内面を照射する光照射手段と、該光照射手段により照射された管内面の複数の表面形状を撮像する撮像手段と、前記光照射手段および撮像手段を前記管内面の軸方向に移動する移動手段と、該移動手段により前記各手段を移動させた時の前記各手段の位置座標を検知する位置座標検知手段と、前記撮像手段により撮像した複数の二次元画像に基づいて前記移動手段と管軸との傾きを検出する傾き角検出手段と、前記撮像手段により撮像した二次元画像、前記位置座標検知手段により検知した位置座標及び前記傾き角検出手段により検出した傾き角に基づいて管内面の三次元表面形状を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
管内を移動する移動手段は必ずしも常に管軸と移動手段が平行であるとは限らない。例えば、移動手段が管軸に対して上下、左右に傾く場合もある。このような場合、撮像手段により撮像された二次元平面と管軸とは垂直にならず、管軸に対して傾いた断面を計測することになる。そこで本発明では、例えば光照射手段により位相が１８０度ずれ、且つ所定の距離はなれた２本のビームにより管内面を照射するようにして、その２次元画像から管軸に対して移動手段が平行でない場合の傾き角度を計算して、移動手段が管軸に対して上下、左右に傾いても正確に断面形状を計算するものである。

請求項２は、前記光照射手段は、ビーム状に集束した光源と、ビームスプリッタと、ミラーと、前記ビームスプリッタ及びミラーを回転する回転手段と、を備え、前記光源から出射したビーム位相が１８０度ずれ、且つ当該ビーム平面が所定の距離離間するように前記ビームスプリッタ及びミラーを前記駆動手段に備えたことを特徴とする。
位相が１８０度ずれた複数のビームを出射する方法として、１つの光源から出射したビームをビームスプリッタにより９０度に反射させ、ビームスプリッタを通過したビームを所定の距離はなれたミラーにより逆方向に反射するように回転手段に設置する。そしてこのビームスプリッタとミラーを回転手段により一定方向に回転することにより、１８０度ずれ、且つ所定の距離離間した２つのビーム平面を形成することができる。
請求項３は、前記光照射手段は、ビーム状に集束した複数の光源と、複数のミラーと、前記複数のミラーを回転する回転手段と、を備え、前記各光源から出射したビーム位相が１８０度ずれ、且つ当該ビーム平面が所定の距離離間するように前記各ミラーを前記駆動手段に備えたことを特徴とする。
本発明は位相が１８０度ずれた複数のビームを出射する他の方法である。本発明では一方の光源から出射したビームを一方のミラーにより９０度に反射させ、他方の光源から出射したビームを他方のミラーにより反対方向に９０度に反射するように回転手段に設置する。そしてこの２つのミラーを回転手段により一定方向に回転することにより、１８０度ずれ、且つ所定の距離離間した２つのビーム平面を形成することができる。

請求項４は、前記光照射手段は、ビーム状に集束した複数のカラー光源を備えたことを特徴とする。
本発明は請求項４の２つのビームの色を変えて出射する方法である。そして色識別手段（例えばカラーフィルタ等）を用いて２つのビームを識別するものである。
請求項５は、前記傾き角検出手段は、前記撮像手段により撮像された複数の二次元画像の中心座標を求め、該求めた各中心座標から当該中心点のずれ量を算出し、前記ビーム平面の離間距離に基づいて前記移動手段と管軸との傾き角を求めることを特徴とする。
移動手段と管軸との傾き角θは、楕円軌跡上の点全てを予め実座標に直し、撮像された二次元画像の中心点のずれ量ｄをｄ＝［（ｘ₁−ｘ₂）²＋（ｙ₁−ｙ₂）²］^1/2から求め、２つのビーム平面の間隔をＬとすると、θ＝ｔａｎ^-1（ｄ／Ｌ）により求めることができる。
請求項６は、前記傾き角検出手段は、前記撮像手段の露光開始時における前記回転手段の回転位置を検出することにより、前記撮像手段により撮像された複数の二次元画像を区別することを特徴とする。
例えば、露光時間内に回転手段によりビームが半回転した場合、２組の半円軌道が管内に描かれる。即ち、撮像手段の露光開始時における回転手段の回転位置を検出することにより、撮像手段により撮像された複数の二次元画像を区別することができる。

請求項７は、前記光照射手段は光源からの光をビーム状に集束し、該ビームを前記管内面に沿って、周方向に所定の速度で移動させて照射することを特徴とする。
管内面を全方位的に撮影するためには、光をビーム状にして管内面をスポットの連続画像とする必要がある。即ち、ビームの先端が管内面に照射したときの二次元座標位置を捉え、そのときの移動手段の位置座標から演算して三次元位置を求める。従って、ビームを予め決められた移動速度で移動する必要がある。
請求項８は、前記位置座標検知手段は、前記光照射手段および撮像手段を搭載した移動体に備えたエンコーダにより前記移動手段の移動量を検出することを特徴とする。
管内の長手方向の移動量を計測する手段として、移動体が移動するときに回転する車輪の回転数をエンコーダにより検出する方法がある。この方法であれば、車輪の径が解れば移動量を一義的に計算することができる。
請求項９は、前記光源がレーザ光であることを特徴とする。
光源の種類は基本的にどのような光源でも構わない。しかし、光源をビーム状に集束した場合、その光スポットが拡散しないことが重要である。その点ではレーザ光が最適である。

請求項１によれば、光照射手段により位相が１８０度ずれ、且つ所定の距離はなれた２本のビームにより管内面を照射するようにして、その２次元画像から管軸に対して移動手段が平行でない場合の傾き角度を計算するので、移動手段が管軸に対して上下、左右に傾いても正確に断面形状を計算することができる。
また請求項２では、１つの光源から出射したビームをビームスプリッタにより９０度に反射させ、ビームスプリッタを通過したビームを所定の距離はなれたミラーにより逆方向に反射するように回転手段に設置するので、１つの光源により複数の位相の異なるビームを出射することができる。
また請求項３では、一方の光源から出射したビームを一方のミラーにより９０度に反射させ、他方の光源から出射したビームを他方のミラーにより反対方向に９０度に反射するように回転手段に設置するので、中空軸の回転手段を必要とせず、構成を簡略化することができる。
また請求項４では、２つのビームの色を変えて出射するので、ビームの識別を単純化することができる。

また請求項５では、撮像された二次元画像の中心点のずれ量をｄ、２つのビーム平面の間隔をＬとすると、移動手段と管軸との傾き角θは、楕円軌跡上の点全てを予め実座標に直し、撮像された二次元画像の中心点のずれ量ｄをｄ＝［（ｘ₁−ｘ₂）²＋（ｙ₁−ｙ₂）²］^1/2から求め、θ＝ｔａｎ^-1（ｄ／Ｌ）により求めることができるので、撮像された二次元画像の中心点のずれ量を求めるだけで、簡単に傾き角を計算することができる。
また請求項６では、撮像手段の露光開始時における回転手段の回転位置を検出することにより、撮像手段により撮像された複数の二次元画像を区別することができる。
また請求項７では、光照射手段は光源からの光をビーム状に集束し、このビームを管内面に沿って周方向に所定の速度で移動させるので、撮像手段により撮像された光スポット座標から二次元座標を容易に取得することができる。
また請求項８では、移動手段の移動量を移動体に備えたエンコーダにより検出するので、予め車輪の径がわかっていれば、容易にエンコーダの出力信号から移動手段の移動量を求めることができる。
また請求項９では、光源がレーザ光であるので、光スポットを容易に集束することができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の第１の実施形態に係る管内面形状測定装置が管内面を測定している状況を模式的に表した内部透視図である。本実施形態では、管軸５０に対して走行体２が平行に移動する場合、即ち、レーザ光の軌跡７と管軸５０が垂直になる場合について説明する。この管内面形状測定装置１００は、管５の内面６の周方向にレーザビーム８を移動させて管内面６を照射するレーザ光源（光照射手段）４と、このレーザ光源４により照射された管内面６の表面形状を撮像するＣＣＤカメラ（撮像手段）１と、レーザ光源４およびＣＣＤカメラ１を管内面６の矢印Ａ方向軸方向に移動する走行体（移動手段）２と、図示を省略するがＣＣＤカメラ１により撮像した二次元画像と走行体２による位置座標に基づいて管内面６の三次元表面形状を演算する制御部（ＰＣ）（演算手段）とを備えて構成される。尚、管内面形状測定装置１００は図示しない外部のＰＣとケーブルにより接続されている。また、走行体２に取り付けられた車輪３はレール９上を移動するように構成され、車輪３の回転数を検出するエンコーダ（位置座標検知手段）を備えている。
次に管内面形状測定装置１００の動作について説明する。走行体２には筒４ａの先端にレーザビーム８を発光するレーザ光源４があり、そのレーザビーム８の先端が光のスポット８ａとなり矢印Ｂの方向に回転走査される。その結果、管内面６にはレーザ光の軌跡７が照射される。また、走行体２の上部にはＣＣＤカメラ１が備えられており、管内面６のレーザ光の軌跡７が画像として撮像できるように設定されている。図２はこのときの撮像されたレーザ光の画像の例である。例えば、管内面６が滑らかであれば、図２（Ａ）のようにレーザ光の軌跡１０はきれいな楕円として撮像される。しかし、管内面６に凹凸があるとそれに応じてレーザ光の軌跡１１は凹凸の画像として撮像される。
このように本発明の最も大きな特徴は、レーザ光源４により照射された管内面６の表面形状を撮像するＣＣＤカメラ１を設け、撮像した平面上の二次元座標（Ｘ−Ｙ軸）と走行体２の移動量（Ｚ軸）をエンコーダにより求め、その値から三次元表面形状を演算する点である（演算の詳細は後述する）。即ち、ＣＣＤカメラ１により連続的に撮像された二次元画像から得られる平面方程式、ＣＣＤカメラ１のパラメータ（レンズの種類等）、及び走行体２の移動量を組み合わせて三次元表面形状を演算するものである。

図３は図１の内部透視図に基づいて本実施形態の管内面形状測定装置１００の全体構成を表すブロック図である。同じ構成要素には同じ参照番号を付して説明する。ここで、ＣＣＤカメラ１の信号はイメージプロセッサ１６に接続され、レーザ光源４はレーザ駆動回路１５により駆動される。また車輪３の回転数はエンコーダ１７により検出され、それぞれの信号はＰＣ１８に接続されている。またイメージプロセッサ１６の出力信号はＰＣ１８に入力され、ＰＣ１８はＲＯＭ（Read Only Memory）１８ａに格納されているプログラムにより制御される。またＰＣ１８からは処理された三次元画像を表示するモニタ１９が接続されている。尚、イメージプロセッサ１６はＣＣＤカメラ１により撮像された画像データをＰＣ１８が処理し易いように変換する機能があり、ＣＣＤカメラ１からの画像信号からレーザ輝線の座標をリアルタイムに演算するために回路をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成している。
ＰＣ１８はＲＯＭ１８ａに組み込まれたプログラムにより構成されている。従って、ＣＣＤカメラ１とエンコーダ１７からのデータを加工してＰＣ１８に入力すれば、リアルタイムに演算を行いその結果をモニタ１９上に表示することができる。また管内面６を全方位的に撮影するためには、光をビーム状にして管内面６をスポット８ａの連続画像とする必要がある。即ち、ビーム８の先端が管内面６に照射したときの軌跡の二次元座標位置を捉え、そのときの走行体２の位置座標から演算して三次元位置を求める。また管内の長手方向の移動量を計測する手段として、走行体２が移動するときに回転する車輪３の回転数をエンコーダ１７により検出する方法がある。この方法であれば、車輪３の径が解れば移動量を一義的に計算することができる。

次に、三次元表面形状の演算方法について図４を参照して説明する。図４は管内面６を所定の面で切断し、その面をレーザシート７ａと呼びその座標をＸ−Ｙ座標とする。またＣＣＤカメラ１の受像面を２０として表し、その座標をｖ−ｕ座標とする。レーザシート７ａ上の点Ｐ（ｘ、ｙ）と、その点がＣＣＤカメラ１によって撮影された時の受像面２０上での座標Ｐ’（ｕ、ｖ）をおく。ｘ、ｙとｕ、ｖの関係は、ＣＣＤカメラ１と受像面２０の相対的な回転および移動を考慮すると以下の（１）式で表される。レーザシート７ａは、ｘ、ｙ軸上にあるため、ｚ＝０とする。

・・・・（１）
これがレーザシート７ａ上の座標ｘ、ｙとカメラ座標ｕ、ｖの関係式となる。
次に（１）式の係数ｋ₁₁〜ｋ₃₂を次のキャリブレーションによって求める。
（１）式の係数を求めるために、あらかじめ座標がわかっている（ｘ、ｙ）と（ｕ、ｖ）の組み合わせを複数組（１）式に代入し、係数ｋ₁₁〜ｋ₃₂を算出することを行う。（１）式を展開して、

・・・・（２）を得、ｓを消去して、

・・・・（３）を得る。
これを変形して、
ｋ₁₁ｘ＋ｋ₁₂ｙ＋ｋ₁₃−ｋ₃₁ｕｘ−ｋ₃₂ｕｙ＝ｕ
ｋ₂₁ｘ＋ｋ₂₂ｙ＋ｋ₂₃−ｋ₃₁ｖｘ−ｋ₃₂ｖｙ＝ｖ
・・・・（４）となる。

具体的には図５のように、レーザシート７ａ面上にメモリの刻んである方眼紙２３を設置する。すると受像面２０上には方眼紙２３が撮像される。そして受像面２０上での座標（ｕ_i、ｖ_i）をマウスでクリックすることで読みとる。また、方眼紙面２３上の座標（ｘ_i、ｙ_i）も読みとる。これを繰り返し、４点以上の座標を読みとり（４）式に代入する。なるべく広い範囲でたくさんの点を指示してやる方が望ましい。これらのデータより、以下の行列を作成し連立方程式を解くことでｋ₁₁〜ｋ₃₂を計算する。

・・・・（５）
これを

・・・・（６）と表すと、最小自乗法より疑似逆行列Ｍ＊（Ｍが正方行列と限らないため、逆行列が求められない）を用いてｋ₁₃〜ｋ₃₂を算出する。

・・・・（７）ただし、

である。

次にｋ₁₁〜ｋ₃₂を求めたのち、（４）式を変形して、
（ｋ₃₁ｕ−ｋ₁₁）ｘ＋（ｋ₃₂ｕ−ｋ₁₂）ｙ＝ｋ₁₃−ｕ
（ｋ₃₁ｖ―ｋ₂₁）ｘ＋（ｋ₃₂ｖ―ｋ₂₂）ｙ＝ｋ₂₃―ｖ
行列で表すと

・・・・（８）
よって（ｘ、ｙ）は

・・・・（９）となり、（９）式がｕ、ｖからｘ、ｙへの変換式である。以上で、計測までの準備が完了したことになる。また、撮影されたレーザによる曲線の点群（ｕ_i、ｖ_i）を読みとり、（９）式によって（ｘ_i、ｙ_i）を計算する。またｚ座標について、ＣＣＤカメラ１が備え付けられている走行体２の走行距離より算出できる。

図６はＣＣＤカメラが広角レンズを使用した場合の、受像面２０の中心からの距離ｒと実際の距離ｒ’の関係を示す図である。ＣＣＤカメラ１は管のサイズによっては、広角レンズを用いる場合が想定される。広角レンズの場合、受像面２０の中心から放射方向に離れるにつれ、ひずみが大きくなるといった問題がある。そのため、あらかじめレーザシート７ａ面の位置近傍で受像面２０の中心からの距離と歪みの関係を求めておき修正をおこなう。即ち、図５のキャリブレーションの時と同じように、ＣＣＤカメラ１の受像面２０に対し、平行に目盛りを記入した平板を設置することで歪み量を検定する。図６はＣＣＤカメラ１の画像面２０の中心からの距離ｒと実際の距離ｒ’の関係を示し、符号３０は歪みがない場合の特性であり、直線的に変化することがわかる。それに対して、符号３１は受像面２０の中心からの画像上での距離が離れるのにつれて、歪みが生じ比例的に変化しなくなる。そしてこの関係をあらかじめ求めておき、以下の（１０）式によって撮影された計測点の位置を補正する。

・・・・（１０）
即ち、広角レンズであるために歪みが大きい場合は、（１０）式を用い座標（ｕ、ｖ）に補正を加え、（ｕ、ｖ）の代わりに（ｕ’、ｖ’）を用いて計測をおこなう。
このように管のサイズによっては、広角レンズを用いる場合が想定される。広角レンズの場合、受像面の中心から放射方向に離れるにつれ、ひずみが大きくなる問題がある。そのため、予めレーザ光源４により照射されたスポットの位置における受像面２０中心からの距離とひずみの関係を求めておき補正をおこなう。

図７は二次元化したカメラ焦点と受像面及び計測点の関係を示す図であり、図８はカメラ座標とレシーバ座標の関係を示す図である。カメラの焦点４０から受像面４１までの距離を焦点距離ｆと置くと、カメラ座標（受像面上の座標）４１は、ＣＣＤカメラ１の焦点４０を原点とした座標系において、

・・・・（１１）となる。
ここでｚ＝λとおいて線形化すると、この関係は以下の行列で表される。

・・・・（１２）

一般的には、カメラ座標では無くカメラの焦点以外の場所に、原点を置いたワールド座標系を用いる。そこでワールド座標系ｗ＝［ｘ、ｙ、ｚ］で表すためにワールド座標に対し回転と平行移動を行う。
つまり、
ｙ軸中心にθ_y回転

ｘ軸中心にθ_x回転

ｚ軸中心にθ_z回転

これに、ワールド座標原点からカメラ座標原点へのベクトルａ＝（ｘ_t、ｙ_t、ｚ_t）の平行移動を加え、まとめると、

これを計算すると以下のような４×４の変換行列になる。

・・・・（１３）
図４のようにレーザシート７ａを測定対象に照射し、物体表面上に現れる曲線を計測する場合、レーザシート７ａ面上に座標軸を置けばｚ＝０より（１３）式は

・・・・（１４）
と簡単化できる。（ここで、＝λ／ｈ₃₄）これがレーザシート上の座標ｘ、ｙとカメラ座標ｕ、ｖの関係式となる。

図９は管に曲がりがある場合の模式図である。管５はまっすぐとは限らない場合がある。例えば図９のように管５が進行方向に対して右側に曲がっている場合、走行体２が管軸５０に対してレーザ光の軌跡５３の中心点Ｐに対してずれてしまい、図示しないＣＣＤカメラ１により撮像されたレーザ光の軌跡５３と管軸５０とは垂直にならず、管軸５０に対して傾いた断面を計測することになる。
図１０は管軸に対して走行体２が傾いている場合の模式図である。この場合も第１の実施形態による管内面形状測定装置１００では、図示しないＣＣＤカメラ１により撮像されたレーザ光の軌跡５３と管軸５０とは垂直にならず、管軸５０に対して傾いた断面を計測することになる。そのため、管軸５０に対する計測断面の傾きを知る必要がある。
図１１は図１の内部透視図に基づいて本実施形態の管内面形状測定装置の全体構成を表すブロック図である。図１１が図１と異なる点は、レーザビーム出射器２００が２本のレーザ光の軌跡５３ａ、５３ｂを出射する点と、ＰＣ１８が備えるＲＯＭ１８ａに格納するプログラムの内容が異なる点である。同じ構成要素には同じ参照番号を付している。
図１２は本発明の第２の実施形態に係る管内面形状測定装置が管内面を測定している状況を模式的に表した内部透視図である。図１２のように管内面形状測定装置１１０の前方に平行な２平面５３ａ、５３ｂのレーザを照射することで、管軸５０を正確に検出し、曲がった管についても、管軸５０に垂直な断面形状を計測できるシステムを提供することができる。

図１３は本発明のレーザビーム出射器の一例を示す図である。このレーザビーム出射器２００は、ビーム状に集束したレーザ光源（光源）５５と、ビームスプリッタ５６と、ミラー５８と、ビームスプリッタ５６及びミラー５８を回転する中空軸モータ（回転手段）５７とを備えて構成される。そしてレーザ光源５５から出射したビームはビームスプリッタ５６により反射してビーム５９となり、一方ビームスプリッタ５６を透過したビームはミラー５８により反対方向（位相が１８０異なる方向）に反射してビーム６０となる。このように、本実施形態では２本のビームの位相が１８０度ずれ、且つ当該ビーム平面が所定の距離離間するようにビームスプリッタ５６及びミラー５８を中空軸モータ５７に備えた。
図１４は本発明のレーザビーム出射器の他の一例を示す図である。このレーザビーム出射器２１０は、ビーム状に集束したレーザ光源（光源）６１と、レーザ光源（光源）６５と、ミラー６２と、ミラー６４と、ミラー６２及びミラー６４を回転するモータ（回転手段）６３とを備えて構成される。そしてレーザ光源６１から出射したビームはミラー６２により反射してビーム６６となり、一方レーザ光源６５から出射したビームはミラー６４により反対方向（位相が１８０異なる方向）に反射してビーム６７となる。このように、本実施形態では２本のビームの位相が１８０度ずれ、且つ当該ビーム平面が所定の距離離間するようにミラー６２及びミラー６４を中空軸モータ５７に備えた。
図１５はレーザビーム出射器を用いた場合の２本の円軌跡を区別する方法を説明する図である。この例ではレーザビーム出射器２００を使用しているが、レーザビーム出射器２１０でも構わない。例えば、中空軸モータ５７の回転速度を１５回転／秒、ＣＣＤカメラ１の露光時間を１／３０秒とした場合、露光時間内に中空軸モータ５７は半周し、図１５のような二組の半円軌跡７０、７１が描かれる。そしてＣＣＤカメラ１の露光開始時の中空軸モータ５７の回転位置を検出することで、位相が１８０度ずれた２つの円軌跡７０、７１を区別することができる。またＴ時刻の画像とＴ＋１／３０秒時刻の画像を合成することで、閉じた円軌跡が構成される。また図示は省略するが、例えば赤と緑のレーザを用意し、カラーカメラで撮像することで色識別する方法もある。

図１６はレーザのずれによる管軸傾きの検出を説明する図である。例えば図１６（ａ）のように管５が下向きに曲がっている場合は、管内には２つの楕円５３ａ、５３ｂが上下にずれて撮像される。即ち、前記式（９）により、画像上での楕円軌跡上の点ｕ、ｖを実座標（ｘ、ｙ）に変換する。式（９）のパラメータは、２つのレーザそれぞれについて予め算出しておく。このときの実座標は、走行体２に固定された座標系となる。（ｚは走行体２の走行距離より求める）次に２つの楕円の中心（図１６（ｂ）のＰ、Ｑ）を求め（詳細は後述する）、２つの楕円のずれを式（１５）により算出する。
ｄ＝［（ｘ₁−ｘ₂）²＋（ｙ₁−ｙ₂）²］^1/2・・・・（１５）
ここでレーザの間隔を図１７のようにＬ、撮像された円軌跡中心のずれ量をｄ（図１６（ｂ）のＰ、Ｑの距離）とすると、走行体２に対する管軸の傾きθは以下の式（１６）により求まる。
θ＝ｔａｎ^-1（ｄ／Ｌ）・・・・（１６）
また図１８のように斜めに傾いている場合は、傾きの方向は２つの中心Ｐ、Ｑのずれの方向（ｘ₁−ｘ₂、ｙ₁−ｙ₂）から検出できる。
図１９は線分の傾きを検出する方法を説明する図である。図１９のように楕円７５の一部Ａを抽出し、かの部分を最小二乗法などにより直線近似して傾きを検出する。同様な手続を楕円周上全ての点について行なう。

図２０は楕円中心を算出する方法を説明する図である。図２０のように、近似された直線７６ａ〜７６ｄの傾きが同じとなる点ａ、ｂ、ｃ、ｄの組み合わせを探し、これらの点ａ、ｂ、ｃ、ｄを結ぶ。これらの直線７７、７８は楕円７５の中心Ｑを通ることになる。
以上の通り、本発明によれば、管内の光スポット位置の三次元座標を連続的に演算し、管内面の三次元形状を求めることができる。
また、レーザ光源４により位相が１８０度ずれ、且つ所定の距離はなれた２本のビームにより管内面を照射するようにして、その２次元画像から管軸５０に対して走行体２が平行でない場合の傾き角度を計算するので、走行体２が管軸５０に対して上下、左右に傾いても正確に断面形状を計算することができる。
また、１つの光源から出射したビームをビームスプリッタ５６により９０度に反射させ、ビームスプリッタ５６を通過したビームを所定の距離はなれたミラー５８により逆方向に反射するように中空軸モータ５７に設置するので、１つの光源により複数の位相の異なるビームを出射することができる。
また、一方の光源６１から出射したビームを一方のミラー６２により９０度に反射させ、他方の光源６５から出射したビームを他方のミラー６４により反対方向に９０度に反射するようにモータ６３に設置するので、中空軸のモータを必要とせず、構成を簡略化することができる。
また、２つのビームの色を変えて出射するので、ビームの識別を単純化することができる。

また、撮像された二次元画像の中心点Ｐ、Ｑのずれ量をｄ、２つのビーム平面の間隔をＬとすると、走行体２と管軸５０との傾き角θは、楕円軌跡上の点全てを予め実座標に直し、撮像された二次元画像の中心点のずれ量をｄをｄ＝［（ｘ₁−ｘ₂）²＋（ｙ₁−ｙ₂）²］^1/2から求め、θ＝ｔａｎ^-1（ｄ／Ｌ）により求めることができるので、撮像された二次元画像の中心点のずれ量を求めるだけで、簡単に傾き角を計算することができる。
また、ＣＣＤカメラ１の露光開始時におけるモータの回転位置を検出することにより、ＣＣＤカメラ１により撮像された複数の二次元画像を区別することができる。
またＰＣ１８は二次元画像から求まる平面方程式と管の軸方向の移動量から管内面の三次元表面形状をリアルタイムに演算するので、管内面の三次元画像を走行体２の速度に応じて定量的に求めることができる。
また、レーザ光源４は光源からの光をビーム状に集束し、このビームを管内面に沿って周方向に所定の速度で移動させるので、ＣＣＤカメラ１により撮像された光スポット座標から二次元座標を容易に取得することができる。
また、走行体２の移動量をエンコーダ１７により検出するので、予め車輪３の径がわかっていれば、容易にエンコーダ１７の出力信号から走行体２の移動量を求めることができる。
また、ＣＣＤカメラ１に広角レンズを使用する場合、演算手段が、撮像したスポット位置の画像上までの距離と実際の距離との誤差を求めておき距離の補正を行うので、広角レンズによる画像の歪みを補正して正確な三次元形状を演算することができる。
また、光源がレーザ光であるので、光スポットを容易に集束することができる。

本発明の管内面形状測定装置が管内面を測定している状況を模式的に表した内部透視図である。 撮像されたレーザ光の画像の例を示す図である。 図１の内部透視図に基づいて本実施形態の管内面形状測定装置１００の全体構成を表すブロック図である。 本発明の三次元表面形状の演算方法について説明する図である。 キャリブレーションの方法を説明する図である。 ＣＣＤカメラが広角レンズを使用した場合の、受像面２０の中心からの距離ｒと実際の距離ｒ’の関係を示す図である。 二次元化したカメラ焦点と受像面及び計測点の関係を示す図である。 カメラ座標とレシーバ座標の関係を示す図である。 管に曲がりがある場合の模式図である。 管軸に対して走行体２が傾いている場合の模式図である。 図１の内部透視図に基づいて本実施形態の管内面形状測定装置の全体構成を表すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る管内面形状測定装置が管内面を測定している状況を模式的に表した内部透視図である。 本発明のレーザビーム出射器の一例を示す図である。 本発明のレーザビーム出射器の他の一例を示す図である。 レーザビーム出射器を用いた場合の２本の円軌跡を区別する方法を説明する図である。 レーザのずれによる管軸傾きの検出を説明する図である。 レーザの間隔を示す図である。 レーザが傾いている場合のレーザのずれによる管軸傾きの検出を説明する図である。 線分の傾きを検出する方法を説明する図である。 楕円中心を算出する方法を説明する図である。

符号の説明

１ ＣＣＤカメラ、２ 走行体、３ 車輪、４ レーザ光源、５ 管、６ 管内面、８ レーザビーム、９ レール、１７ エンコーダ、１８ 制御部（ＰＣ）、１００ 管内面形状測定装置

Claims (9)

1. 管内面の表面形状を三次元的に計測する管内面形状測定装置であって、
   前記管内面に沿って周方向に複数の光スポットを移動させて前記管内面を照射する光照射手段と、該光照射手段により照射された管内面の複数の表面形状を撮像する撮像手段と、前記光照射手段および撮像手段を前記管内面の軸方向に移動する移動手段と、該移動手段により前記各手段を移動させた時の前記各手段の位置座標を検知する位置座標検知手段と、前記撮像手段により撮像した複数の二次元画像に基づいて前記移動手段と管軸との傾きを検出する傾き角検出手段と、前記撮像手段により撮像した二次元画像、前記位置座標検知手段により検知した位置座標及び前記傾き角検出手段により検出した傾き角に基づいて管内面の三次元表面形状を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする管内面形状測定装置。
2. 前記光照射手段は、ビーム状に集束した光源と、ビームスプリッタと、ミラーと、前記ビームスプリッタ及びミラーを回転する回転手段と、を備え、前記光源から出射したビーム位相が１８０度ずれ、且つ当該ビーム平面が所定の距離離間するように前記ビームスプリッタ及びミラーを前記駆動手段に備えたことを特徴とする請求項１に記載の管内面形状測定装置。
3. 前記光照射手段は、ビーム状に集束した複数の光源と、複数のミラーと、前記複数のミラーを回転する回転手段と、を備え、前記各光源から出射したビーム位相が１８０度ずれ、且つ当該ビーム平面が所定の距離離間するように前記各ミラーを前記駆動手段に備えたことを特徴とする請求項１に記載の管内面形状測定装置。
4. 前記光照射手段は、ビーム状に集束した複数のカラー光源を備えたことを特徴とする請求項３に記載の管内面形状測定装置。
5. 前記傾き角検出手段は、前記撮像手段により撮像された複数の二次元画像の中心座標を求め、該求めた各中心座標から当該中心点のずれ量を算出し、前記ビーム平面の離間距離に基づいて前記移動手段と管軸との傾き角を求めることを特徴とする請求項１に記載の管内面形状測定装置。
6. 前記傾き角検出手段は、前記撮像手段の露光開始時における前記回転手段の回転位置を検出することにより、前記撮像手段により撮像された複数の二次元画像を区別することを特徴とする請求項１に記載の管内面形状測定装置。
7. 前記光照射手段は光源からの光をビーム状に集束し、該ビームを前記管内面に沿って、周方向に所定の速度で移動させて照射することを特徴とする請求項１に記載の管内面形状測定装置。
8. 前記位置座標検知手段は、前記光照射手段および撮像手段を搭載した移動体に備えたエンコーダにより前記移動手段の移動量を検出することを特徴とする請求項１に記載の管内面形状測定装置。
9. 前記光源がレーザ光であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の管内面形状測定装置。

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