JP4368008B2 - トンネル壁面の展開画像作成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道・道路トンネル等のトンネル壁面の覆工面の変状を追跡調査するのに適したトンネル壁面の展開画像作成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネルは、地山の土圧・凍上圧・有害水などの外因、設計・施工の不適切、経年による材質劣化などの内因によって、クラック、目地切れ、食い違い、コンクリートの剥離・剥落などの変状現象が生じる。
【０００３】
従来、これらの変状の追跡は、人間が列車の走る合間を縫って、目視を主体に実施し、進行の顕著なものは計器による測定（例えばひび割れ間隔の測定）ならびに覆工背面の調査などを行い、原因を明らかにして、補修・改良につなげている。また、変状の記録は、現地のスケッチをもとにトンネル展開図を作成し、クラックの幅・長さなどについて前回と今回の検査結果の比較を行い、健全性の判定を行っている。
【０００４】
一方、人間が手作業でこのようなトンネル変状の追跡を行う方法では、変状の見落としや位置の間違い・個人差による判定のバラツキなどがあり、信頼性に欠けることがある。
【０００５】
この点に鑑み、トンネル変状の追跡を行うための装置が開発されている。例えば、特開平６−４２３００号公報には、トンネル内を走行する車両上に設置されたトンネル壁面撮影用センサカメラを用い、カメラ前面に配置した曲面鏡を介してトンネル壁面に対して進行方向と直角方向のトンネル断面スキャンを行い、車上に設置されたデータ蓄積装置に順次そのデータを蓄積することにより、トンネル壁面の展開画像を得るトンネル検査装置が開示されている。このトンネル検査装置では、トンネル壁面を曲面鏡に映し、これを１台の１次元センサカメラで撮影して、トンネル周方向のラインデータとし、このラインデータを移動距離に応じて並べることにより、トンネル壁面の展開画像を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平６−４２３００号公報のトンネル検査装置では、トンネルの断面形状に合わせて、曲面鏡の形状設計及びカメラのレンズの光学設計を行わなければならないが、トンネルの断面形状は一定ではないため、この設計作業が非常に複雑になるという問題がある。
【０００７】
また、進行方向のある位置におけるトンネルの周方向のラインを曲面鏡に映し出し、これを一台のラインセンサで撮影するため、画像分解能が低くなり、幅の細いクラックなどを捉えることが難しく、また、トンネルの周方向のライン上の各点とラインセンサとの距離の最小、最大の差が大きくなり、画像のボケとなってあらわれるという問題がある。
【０００８】
そこで、このような問題点に鑑み、複数のラインセンサカメラを備えた車両をトンネル検査装置として採用することが考えられる。この装置では、各ラインセンサカメラは、トンネルの周方向に沿ったラインを複数に分割した分割ラインのそれぞれに対応づけられて設置されており、その対応づけられた分割ラインを撮影して分割ラインデータとして出力する。この装置によれば、特開平６−４２３００号公報のトンネル検査装置に比べて、光学系の構造が簡素化されるうえ、一台のラインセンサがライン全体を撮影するのではなく複数のラインセンサがそれぞれに対応する分割ラインを撮影するため画像分解能が高くなる。
【０００９】
一般に、ラインセンサカメラの結像面とトンネル壁面とが平行な場合は、ラインセンサの各画素には撮影対象のトンネル壁面が等間隔に投影される。ところがこれら両方の面が平行になっていることは殆どないため、ラインセンサの結像面上の間隔は一定であったとしても、ラインセンサカメラの結像面に投影された実際のトンネル壁面上の間隔は一定ではない。このためラインセンサカメラで撮影された画像をそのまま用いて、クラックの幅・長さ等を測定したとしても、実際のクラックの幅・長さ等を正確に計測したことにはならない。
【００１０】
また、線路のカーブ等のように路面にカントがある箇所では、カントがない箇所に対して、ラインセンサのアングルがトンネルの周方向にずれることになるので、やはり、撮影した画像を元にしてトンネル壁面のクラックの幅・長さ等を正確に算出することができなくなる。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、光学系の構造を簡素化でき、画像分解能を高めることができるうえ、トンネル壁面の展開画像からトンネル壁面の変状を正確に把握できるトンネル壁面の展開画像作成装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決するため、本発明のトンネル壁面の展開画像作成装置は、
トンネル内を移動可能な車両と、
前記車両に搭載され、前記トンネルの周方向に沿ったラインを複数に分割した分割ラインのそれぞれに対応づけられて設置され、その対応づけられた分割ラインを撮影して分割ラインデータとして出力する複数のラインセンサカメラと、
所定タイミングごとに前記複数のラインセンサカメラが出力した分割ラインデータを取り込むデータ取込手段と、
前記データ取込手段によって取り込まれた各分割ラインデータにつき、分割ラインデータを構成する各画素の位置をラインセンサカメラの結像面上からトンネル壁面上に変換し、該変換後の位置間隔を求め、その位置間隔に応じて分割ラインデータの画素間隔を補正する画素間隔補正手段と、
前記画素間隔補正手段による補正後の分割ラインデータに基づいて前記トンネル壁面の展開画像を作成する展開画像作成手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この展開画像作成装置は、曲面鏡を使用しないため、特開平６−４２３００号公報に開示された装置に比べて、曲面鏡の形状をトンネル形状に合わせて設計するという複雑な作業が不要となり、光学系の構造が簡素化される。また、一台のラインセンサカメラがライン全体を撮影するのではなく、複数のラインセンサカメラがそれぞれに対応する分割ラインを撮影するものであるため、前出の公報に開示された装置に比べて、画像分解能が高くなる。更に、ラインセンサカメラで撮影された分割ラインデータの各画素の位置をラインセンサカメラの結像面上からトンネル壁面上に変換し、変換後の位置間隔に応じて分割ラインデータの画素間隔を補正した後、展開画像を作成する。つまり、ラインセンサカメラの結像面に投影された実際のトンネル壁面上の間隔は一定でないため、結像面上での各画素の位置をトンネル壁面上に変換することによりトンネル壁面の形状を考慮した画素間隔とした上で、展開画像を作成する。この結果、展開画像に現れるクラックの幅・長さ等は、実際のクラックの幅・長さ等を測定したのと同等になり、トンネル壁面の展開画像からトンネル壁面の変状を正確に把握できる。なお、変換に当たっては、毎回演算を行ってもよいが、予め変換前と変換後との対応関係を記憶媒体に記憶しておき、この対応関係に基づいて変換してもよい。
【００１４】
本発明の展開画像作成装置は、車両のカントを検出可能なカント検出手段を備え、画素間隔補正手段は、カント検出手段により検出されたカントを加味した上で分割ラインデータを構成する各画素の位置をラインセンサカメラの結像面上からトンネル壁面上に変換するように構成してもよい。この場合、カメラ結像面上からトンネル壁面上への変換をより正確に行うことができるので、トンネル壁面の展開画像からトンネル壁面の変状をより正確に把握できる。
【００１５】
また、本発明の展開画像作成装置は、車両のカントを検出可能なカント検出手段と、このカント検出手段により検出されたカントに基づいて前記分割ラインデータを補正するカント補正手段とを備え、展開画像作成手段は、カント補正手段により補正された場合にはその補正後の分割ラインデータに基づいて前記トンネル壁面の展開画像を作成するように構成してもよい。この場合、カントによる展開画像の歪みを解消することができ、トンネル壁面の展開画像からトンネル壁面の変状をより正確に把握できる。なお、カント検出手段としては、例えば周知のジャイロや傾斜計を使用可能である。
【００１６】
ところで、ラインセンサカメラで撮影した画像を元にしてトンネル壁面のクラックの幅・長さ等を正確に算出するためには、車両の速度等にかかわらず所定距離進むごとに１ラインずつ画像データを取り込むことが望ましい。この点を考慮すれば、本発明の展開画像作成装置は、車両の車輪が所定量回転するごとに所定タイミングを発生させるタイミング発生手段を備え、データ取込手段は、このタイミング発生手段が発生する所定タイミングごとに複数のラインセンサカメラが出力した分割ラインデータを取り込むように構成することが好ましい。
【００１７】
このようにタイミング発生手段を備えた場合には、更に、データ取込手段によって取り込まれた分割ラインデータと所定タイミングに基づいて得られる距離データとを対応づけるデータ加工手段と、所定タイミングの発生する間隔が予め設定した所定距離と一致しているか否かを判断する判断手段と、所定タイミングの発生する実際の間隔が所定距離と一致していないと判断手段により判断された場合にはその実際の間隔に応じて距離データを補正する距離補正手段とを備えていることが好ましい。このような構成を採用することにより、トンネル壁面の展開画像からトンネルの奥行き方向の長さをより正確に求めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態のトンネル壁面撮影装置の概略斜視図、図２はラインセンサカメラの配置図である。本実施形態のトンネル壁面展開画像作成装置１０は、単線トンネル撮影用であり、移動車両１１と、ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４と、照明器具１４と、カントセンサ１５と、制御装置１７と、画像蓄積装置１８と、画像処理装置１９とを備えている。
【００１９】
移動車両１１は、トンネル５１内をレール５２に沿って走行可能であり、操縦部１１ａの後ろにコンテナボックス１１ｂを牽引したものである。スライドアングル１２、１３は、コンテナボックス１１ｂにおいて上段及び下段にそれぞれ設置されており、コンテナボックス１１ｂの内外をスライド可能なスライド部１２ａ、１３ａと、このスライド部１２ａ、１３ａの先端側にてマクラギと平行な回動軸１２ｂ、１３ｂ周りに回動可能なフレーム部１２ｃ、１３ｃとを備えている。
【００２０】
第１及び第４ラインセンサカメラＣ１、Ｃ４は、下段のスライドアングル１３のフレーム部１３ｃに取り付けられ、第２及び第３ラインセンサカメラＣ２、Ｃ３は、上段のスライドアングル１２のフレーム部１２ｃに取り付けられている。各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４は、露光量に応じて蓄積された一次元ＣＣＤ上の電荷が電圧として出力される周知のカメラで、オートフォーカス機能が付いたもので且つラインを撮影可能なものであり、レール方向に走査されることにより平面的な画像が得られるものである。
【００２１】
各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４は、図２に示すように、トンネル５１の周方向（縦断方向）に沿ったラインＬを概ね４つに分割した第１〜第４分割ラインＬ１〜Ｌ４のそれぞれに対応づけられて設置されている。但し、第１〜第４分割ラインＬ１〜Ｌ４は隣り合うもの同士が重複部分を有するように定められている。また、コンテナボックス１１ｂの右側に配置された第１及び第２ラインセンサカメラＣ１、Ｃ２がラインＬの左側半分に対応づけられ、コンテナボックス１１ｂの左側に配置された第３及び第４ラインセンサカメラＣ３、Ｃ４がラインＬの右側半分に対応づけられている。各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４は、スライドアングル１２、１３や他のカメラが視野に入らないように配置されている。
【００２２】
複数の照明器具１４、１４、…は、ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４によって撮影されるラインＬを同じ明るさになるように照射するために、図１に示すように、スライドアングル１２、１３のフレーム部１２ｃ、１３ｃに合計１０個前後取り付けられている。これにより、撮影に必要な照度がラインＬに濃淡なく照射される。
【００２３】
カントセンサ１５は、移動車両１１の左右傾斜角度つまりカントを検出するものであり、図１に示すように、移動車両１１のコンテナボックス１１ｂの内部に設けられている。本実施形態ではカントセンサ１５として、リアルタイムに精度よくカントデータを得るために周知のジャイロを用いている。
【００２４】
距離積算計１６は、車輪の車軸に取り付けたロータリエンコーダ２２がパルス信号を発生するごとに、図示しない内部カウンタのカウント値をカウントアップし、そのカウント数が所定数（例えば移動距離１ｍに相当するカウント数）に達した時点で距離積算値をカウントアップしていくものである。
【００２５】
制御装置１７は、図示しない周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成された装置であり、移動車両１１のコンテナボックス１１ｂの内部に設けられている。この制御装置１７は、カントセンサ１５、距離積算計１６、ロータリエンコーダ２２から信号を入力できるように電気的に接続され、また、画像蓄積装置１８に信号を出力できるように電気的に接続されている。この制御装置１７は、ロータリエンコーダ２２のパルス信号に基づいて移動車両１１が一定距離進んだことを検知すると、各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４から分割ラインデータ（画像データ）を取り込むと共にカントセンサ１５からカントデータ、距離積算計１６から距離データを取り込み、それらを一つのデータに統合し統合ラインデータとして画像蓄積装置１８に記憶させる。なお、統合ラインデータの構成を図３に示す。
【００２６】
画像処理装置１９は、図示しない周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成された装置であり、移動車両１１のコンテナボックス１１ｂに搭載されていてもよいが、移動車両１１とは別に設置されていてもよい。この画像処理装置１９は、ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４ごとの分割ラインデータを移動車両１１の移動距離に応じて並べることにより分割展開画像を作成し、更に、各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４ごとに作成した分割展開画像を繋ぎ合わせることによりトンネル５１の壁面の展開画像を作成するものである。そして、この展開画像をディスプレイ２０に表示したり、プリンタ２１を通じて用紙に印字したりするものである。
【００２７】
次に、本実施形態の展開画像作成装置１０の動作について説明する。まず、オペレータは、展開画像作成装置１０の移動車両１１のコンテナボックス１１ｂを開けて、スライドアングル１２、１３のスライド部１２ａ、１３ａを外へ引き出し、スライド部１２ａ、１３ａとほぼ重なっていたフレーム部１２ｃ、１３ｃを回動軸１２ｂ、１３ｂ周りに約９０°回動する。すると、トンネル壁面展開画像作成装置１０は図１に示す状態になる。続いて、オペレータは、すべての照明器具１４、１４、…、ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４及び制御装置１７のスイッチを入れ、移動車両１１の操縦部１１ａに乗り込み、単線トンネル５１のレール５２に沿って、トンネル入口に向けて走行を開始する。
【００２８】
制御装置１７は、図示しないスタートスイッチが入れられると、データ取込処理のプログラムを実行する。このプログラムが開始されると、制御装置１７は、図４のフローチャートに示すように、まず制御装置１７の図示しない内部カウンタのカウント値ｍをリセットする等の動作を含む初期設定を行い（Ｓ１０）、次いでロータリエンコーダ２２からパルス信号が入力されたか否かを判断し（Ｓ１１）、パルス信号が入力されていなければ（Ｓ１１でＮＯ）、そのまま待機する。一方、ロータリエンコーダ２２からパルス信号が入力されたならば（Ｓ１１でＹＥＳ）、カウント値ｍを一つ繰り上げ（Ｓ１２）、そのカウント値ｍが所定値Ｍと一致するか否かを判断し（Ｓ１３）、一致しなければ（Ｓ１３でＮＯ）、再びＳ１１に戻る。ここで所定値Ｍは次のようにして定められた値である。即ち、移動車両１１の移動距離と車輪の回転量との関係から、移動車両１１が一定の移動距離（ここでは１ｍｍ程度）を進むのに必要な車輪の回転量を正確に求め、その車輪の回転量に応じたパルス信号の発生回数を求め、これを所定値Ｍと設定したものである。さて、Ｓ１３において、カウント値ｍが所定値Ｍと一致したならば（Ｓ１３でＹＥＳ）、移動車両１１が一定の移動距離を進んだと判断し、各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４から分割ラインデータ、カントセンサ１５からカントデータ、距離積算計１６から距離データを取り込み、図３に示す統合ラインデータとして画像蓄積装置１８に蓄積する（Ｓ１４）。その後、カウント値ｍをリセットし（Ｓ１５）、次いでこのプログラムの終了を指示する入力がなされたか否かを判断し（Ｓ１６）、かかる入力がなされていなければ（Ｓ１６でＮＯ）、再びＳ１１に戻り、かかる入力がなされたならば（Ｓ１６でＹＥＳ）、このプログラムを終了する。
【００２９】
移動車両１１がトンネル出口から出た後、オペレータは移動車両１１を停止させ、すべての照明器具１４、１４、…、ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４、制御装置１７のスイッチを切る。制御装置１７のスイッチが切られると、図４のＳ１６にて肯定判定され、データ取込処理のプログラムが終了する。続いて、オペレータは、画像処理装置１９と画像蓄積装置１８とを接続し、画像処理装置１９のスイッチを入れる。すると、画像処理装置１９は、図５に示すように、画素間隔補正ルーチン（Ｓ２１）、カント補正ルーチン（Ｓ２２）、分割展開画像作成ルーチン（Ｓ２３）、トンネル壁面展開画像作成ルーチン（Ｓ２４）を順に実行する。以下、各ルーチンについて説明する。
【００３０】
図６に示す画素間隔補正ルーチンでは、画像処理装置１９は、まず、画像蓄積装置１８に蓄積されたすべての統合ラインデータから一つの統合ラインデータを読み出し（Ｓ３０）、その統合ラインデータに含まれるカントデータを読み出してカントがあるか否かを判断する（Ｓ３１）。なお、カントとは、水平方向に対する移動車両１１がなす角度をいい、△θで表す。Ｓ３１でカントなし即ち△θがゼロと判断されたならば（Ｓ３１でＮＯ）、画像処理装置１９の図示しない内部カウンタのカウント値ｋをリセットし（Ｓ３３）、次いでそのカウント値ｋを１つカウントアップし（Ｓ３４）、その統合ラインデータに含まれる分割ラインデータを構成する画素群の中からｋ番目の画素の情報を読み出す（Ｓ３５）。この画素の情報は、ラインセンサカメラの仮想結像面上の点をレンズ中心を原点とするカメラ座標系で表した点（ｆ，Ｖk）として得られる（図７参照）。なお、仮想結像面とは、説明の便宜上、レンズ中心を対象心として実結像面を点対称させた面であり、実質的に実結像面上の点と同一である。そして、この座標点（ｆ，Ｖk）をトンネル壁面上の点（Ｘk，Ｙk）に変換する（Ｓ３６）。
【００３１】
ここで変換操作につき、図７に基づいて説明する。各変数の定義は図７に記載したとおりである。さて、カメラ座標系においては下式▲１▼が成り立つ。また、トンネル座標系は、カメラ座標系を時計方向に角度θだけ回転し、さらにｘ方向にｘ0、ｙ方向にｙ0だけ平行移動したものであるため、カメラ座標系における点（Ｘk，Ｙk）は、下記式▲２▼によりトンネル座標系における点（ｘk，ｙk）に変換することができる。更に、点（ｘk，ｙk）は半径ｒの円弧上に存在することから下記式▲３▼が成り立つ。したがって、下記式▲２▼と下記式▲３▼とから下記式▲４▼が得られる。下記式▲１▼と下記式▲４▼につきＸk，Ｙk以外の値はすべて既知なので、下記式▲１▼と下記式▲４▼の連立方程式を解くことにより、Ｘk，Ｙkが得られる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
一方、Ｓ３１でカントありと判断されたならば（Ｓ３１でＹＥＳ）、既知の値を補正する（Ｓ３２）。このときの様子を図８に示す。すなわち、上記各式におけるθの代わりにθ＋△θとし、上記各式における点（ｘ0，ｙ0）の代わりに点（ｘ0'，ｙ0'）とする。なお、点（ｘ0'，ｙ0'）は点（ｘ0，ｙ0）及びカント△θに基づいて数学的に算出される。その後、既述したとおりのＳ３３〜Ｓ３６の処理を行う。このように、カント△θを考慮しているため、正確に仮想結像面上の点をトンネル壁面上の点に変換することができる。
【００３４】
Ｓ３６の処理が終了した後、カウント値ｋが１つの分割ラインデータの総画素数ｎと一致するか否かを判断し（Ｓ３７）、一致していなければ（Ｓ３７でＮＯ）、Ｓ３０で読み出した統括ラインデータに含まれる分割ラインデータを構成する画素群のうち未処理のものが残っているため、再びＳ３４〜Ｓ３６の処理を繰り返す。一方、カウント値が総画素数ｎと一致したならば（Ｓ３７でＹＥＳ）、仮想結像面上に観測されるすべての点（ｆ，Ｖk）に対して座標値（Ｘk，Ｙk）が得られたことになるため、Ｓ３８に進む。なお、ｋ＝１，２，…，ｎであり、本実施例ではｎ＝４０９６である。
【００３５】
Ｓ３８では、変換後の座標点に基づいて画素間隔を補正する。つまり、仮想結像面上における点（ｆ，Ｖ1）〜（ｆ，Ｖn）をみると各画素間隔はすべて等しいのであるが、点（ｆ，Ｖ1）〜（ｆ，Ｖn）に対応するトンネル壁面上の点（Ｘ1，Ｙ1）〜（Ｘn，Ｙn）をみると隣合う二点の間隔はそれぞれ異なっているため、この異なる二点間隔を仮想結像面上における点（ｆ，Ｖ1）〜（ｆ，Ｖn）の並びに反映させるのである。なお、トンネル壁面上の隣合う点つまり（Ｘk，Ｙk）と（Ｘk+1，Ｙk+1）との間隔は下記式▲５▼より求めることができる。
【００３６】
例えば、図９に示すように、仮想結像面上における各画素間隔をａとし、点（Ｘ1，Ｙ1）と点（Ｘ2，Ｙ2）との間隔が点（Ｘ2，Ｙ2）と点（Ｘ3，Ｙ3）との間隔や点（Ｘ3，Ｙ3）と点（Ｘ4，Ｙ4）との間隔の２倍だったとすると、画素間隔を補正した後の画素の並びは図９の右側のようになる。但し、仮想結像面上では画素間隔つまり一画素あたりの画像幅は正規化され整数値であるため、トンネル壁面上の点間隔が端数を含む場合には正規化処理を行う。
【００３７】
【数２】
【００３８】
そして、Ｓ３９において、画像蓄積装置１８に蓄積されたすべての統合ラインデータにつきＳ３０〜Ｓ３８の処理を行ったか否かを判断し、否定判定されたならば（Ｓ３９でＮＯ）、未処理の統合ラインデータにつき再びＳ３０以降の処理を実行する。一方、Ｓ３９で肯定判定されたならば（Ｓ３９でＹＥＳ）、この画素間隔補正ルーチンを終了する。この画素間隔補正ルーチンが終了すると、統合ラインデータ中の分割ラインデータはトンネル壁面の形状に即した画素間隔に補正されたことになる。
【００３９】
図１０に示すカント補正ルーチンでは、画像処理装置１９は、画素間隔補正ルーチンの終了した統合ラインデータの中から一つの統合ラインデータを読み出し（Ｓ４０）、その統合ラインデータに含まれるカントデータを読み出してカントがあるか否かを判断し（Ｓ４１）、カントがなければ（Ｓ４１でＮＯ）、Ｓ４３に進み、カントがあれば（Ｓ４１でＹＥＳ）、その統合ラインデータに含まれる分割ラインデータを構成する各画素のトンネル周方向の位置をカント△θに応じて補正し（Ｓ４２）、その後Ｓ４３に進む。Ｓ４２のカント補正は、例えば、ラインセンサカメラのレンズ中心からトンネル壁面までの距離を超音波センサ等の距離センサにより測定し、その距離にｓｉｎ△θを乗じた値を補正量とし、画素のトンネル周方向の位置をこの補正量で補正する。図１１はカント補正の説明図である。カント補正を行う前では、トンネル５１の所定高さを表す線は、移動距離に応じてカントが変化することにより本来直線状に表れるべきものが歪んだ曲線状に表れたのに対して、カント補正を行った後では、この線は直線状に表れる。そして、Ｓ４３では、画像蓄積装置１８に蓄積されたすべての統合ラインデータにつきＳ４０〜Ｓ４２の処理を行ったか否かを判断し、否定判定されたならば（Ｓ４３でＮＯ）、未処理の統合ラインデータにつき再びＳ４０以降の処理を実行する。一方、Ｓ４３で肯定判定されたならば（Ｓ４３でＹＥＳ）、このカント補正ルーチンを終了する。このカント補正ルーチンが終了すると、統合ラインデータ中の分割ラインデータを構成する各画素のトンネル周方向の位置が正されたことになる。
【００４０】
図１２に示す分割展開画像作成ルーチンでは、画像処理装置１９は、カウント値ｋをリセットし（Ｓ５０）、続いてこのカウント値ｋを一つカウントアップし（Ｓ５１）、カント補正ルーチンの終了した統合ラインデータの中から第ｋラインセンサカメラの統合ラインデータを読み出し、この統合ラインデータに含まれる距離データ即ち移動距離に応じて同じくその統合ラインデータに含まれる分割ラインデータを並べることにより、第ｋラインセンサカメラが撮影した画像即ち第ｋ分割展開画像を作成する（Ｓ５２）。その後、カウント値ｋがラインセンサカメラの総数（本実施例では４）と一致するか否かを判断し（Ｓ５３）、一致しなければ（Ｓ５３でＮＯ）、再びＳ５１以降の処理を実行し、一致したならば（Ｓ５３でＹＥＳ）、この分割展開画像作成ルーチンを終了する。この分割展開画像作成ルーチンが終了すると、図１４に示すような第１〜第４分割展開画像ＤＤＰ１〜ＤＤＰ４が得られる。
【００４１】
図１３に示すトンネル壁面展開画像作成ルーチンでは、画像処理装置１９は、第１〜第４分割展開画像ＤＤＰ１〜ＤＤＰ４を読み出し（Ｓ６０）、次いで図１４に示すように隣合う分割展開画像の重複部分をパターン認識により一致させて繋ぎ合わせることによりトンネル５１の壁面の展開画像ＤＰを作成する（Ｓ６１）。なお、重複部分につき、パターン認識を用いる代わりに例えばオペレータが画像処理装置１９の図示しない入力手段（キーボードあるいはマウス）を介して重複部分を指示してもよい。
【００４２】
ここで、本実施形態の構成と本発明の構成との関係について説明する。本実施形態の制御装置１７が、本発明のタイミング発生手段及びデータ取込手段に相当し、図４のＳ１１〜Ｓ１３がタイミング発生手段の処理に相当し、図４のＳ１４がデータ取込手段の処理に相当する。また、本実施形態の画像処理装置１９が、本発明の画素間隔補正手段、カント補正手段及び展開画像作成手段に相当し、図６のフローチャートが画素間隔手段の処理に相当し、図１０のフローチャートがカント補正手段の処理に相当し、図１２及び図１３のフローチャートが展開画像作成手段の処理に相当する。
【００４３】
上記本実施形態のトンネル壁面の展開画像作成装置１０によれば以下の効果が得られる。
▲１▼特開平６−４２３００号公報に記載されたトンネル検査装置に比べて、曲面鏡を使用しないため、曲面鏡の形状をトンネルの形状に合わせて設計するという複雑な作業が不要となり、光学系の構造が簡素化される。
▲２▼特開平６−４２３００号公報に記載されたトンネル検査装置に比べて、一台のラインセンサカメラがライン全体を撮影するのではなく、複数のラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４がそれぞれに対応する分割ラインＬ１〜Ｌ４を撮影するものであるため、画像分解能が高くなる。具体的には、幅１ｍｍ程度のクラックまで認識できる。
▲３▼ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４で撮影された分割ラインデータの各画素の位置を結像面上からトンネル壁面上に変換し、変換後の位置間隔に応じて分割ラインデータの画素間隔を補正した後、展開画像を作成するため、展開画像から測定される変状の幅・長さ等は、実際のトンネル壁面の変状の幅・長さ等を正確に反映したものであり、トンネル壁面の展開画像からトンネル壁面の変状を正確に把握できる。
▲４▼分割ラインデータの各画素の位置を結像面上からトンネル壁面上に変換する際にカント△θを加味したうえで変換しているため、展開画像に表れるクラックの幅・長さ等をより実際に近づけることができ、トンネル壁面の変状を一層正確に把握できる。
▲５▼カントによるトンネル壁面の展開画像の歪みを補正しているため、トンネル壁面の変状を一層正確に把握できる。
【００４４】
尚、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
【００４５】
例えば、上記実施形態のトンネル壁面展開画像作成装置１０は単線トンネル５１の壁面を撮影するものとして例示したが、図１５に示すような複線トンネル６１の壁面を撮影する場合には、移動車両１１に２台のラインセンサカメラＣ１、Ｃ２を搭載し、複線トンネル６１の左側半分を往路、右側半分を復路で撮影するようにしてもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では鉄道トンネルの壁面を撮影する装置について説明したが、移動車両１１に例えばタイヤを取り付けて自動車トンネル内を走行できるようにして、自動車トンネルの壁面を撮影したり、工事用のトンネルの壁面を撮影してもよい。
【００４７】
更に、上記実施形態では、カント補正を行う際、トンネル壁面までの距離にｓｉｎ△θを乗じた値を補正量としたが、カントセンサ１５から各地点ごとのカント量（図８参照）がわかるので、直接この量を補正量として用いてもよい。あるいは、カントを考慮した補正処理（つまりＳ３１で肯定判断された後のＳ３２〜Ｓ３６の処理）を行った後に、カントありの区間（つまり△θがゼロから徐々に増加して所定量に達し、その後徐々に減少してゼロになるまでの区間）でのラインの相関をとり、その区間におけるずれの推移から補正量を求めてもよい。
【００４８】
更にまた、上記実施形態では、ロータリエンコーダ２２から出力されるパルス信号に基づいて所定タイミングを発生させているため、車輪が空転したりスリップしたりすることにより所定タイミングが所定距離と一致しなくなることがあるが、この場合には、距離データを適宜補正をすることが好ましい。すなわち、このように所定タイミングを発生させている場合には、データ取込手段によって取り込まれた分割ラインデータと所定タイミングに基づいて得られる距離データとを対応づけるデータ加工手段と、所定タイミングの発生する間隔が予め設定した所定距離と一致しているか否かを判断する判断手段と、所定タイミングの発生する実際の間隔が所定距離と一致していないと判断手段により判断された場合にはその実際の間隔に応じて距離データを補正する距離補正手段とを備えていることが好ましい。例えば上記実施形態における制御装置１７をデータ加工手段とし、画像処理装置１９を判断手段及び距離補正手段とすることができる。具体的には、車輪が空転すると、空転した区間は画素間隔が狭くなり、例えば本来１０ｍ分が撮影されるべきところを９ｍ分しか撮影されなかったことになるため、全体が９ｍとなるように空転区間の距離データを補正する。また、車輪がスリップすると、スリップした区間は画素間隔が広くなり、例えば本来１０ｍ分が撮影されるべきところを１１ｍ分撮影されてしまうため、全体が１１ｍとなるようにスリップ区間の距離データを補正する。このような構成を採用することにより、トンネル壁面の展開画像からトンネルの奥行き方向の長さをより正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態のトンネル壁面撮影装置の概略斜視図である。
【図２】 本実施形態のラインセンサカメラの配置図である。
【図３】 統合ラインデータの構成を表す説明図である。
【図４】 制御装置のデータ取込処理を表すフローチャートである。
【図５】 画像処理装置の全体的な処理を表すフローチャートである。
【図６】 画像処理装置の画素間隔補正ルーチンを表すフローチャートである。
【図７】 カントなしの場合の画素間隔補正の説明図である。
【図８】 カントありの場合の画素間隔補正の説明図である。
【図９】 画素間隔補正処理の前後の分割ラインデータを表す説明図である。
【図１０】 画像処理装置のカント補正ルーチンを表すフローチャートである。
【図１１】 カント補正の説明図である。
【図１２】 画像処理装置の分割展開画像作成ルーチンのフローチャートである。
【図１３】 画像処理装置のトンネル壁面画像作成ルーチンのフローチャートである。
【図１４】 分割展開画像及びトンネル壁面展開画像の説明図である。
【図１５】 複線トンネルを撮影する際の説明図である。
【符号の説明】
１０・・・トンネル壁面展開画像作成装置、１１・・・移動車両、１１ｂ・・・コンテナボックス、１２、１３・・・スライドアングル、１４・・・照明器具、１５・・・カントセンサ、１６・・・距離積算計、１７・・・制御装置、１８・・・画像蓄積装置、１９・・・画像処理装置、５１・・・単線トンネル、５２・・・レール、Ｃ１〜Ｃ４・・・第１〜第４ラインセンサカメラ、ＤＤＰ１〜ＤＤＰ４・・・第１〜第４分割展開画像、ＤＰ・・・展開画像、Ｌ・・・ライン、Ｌ１〜Ｌ４・・・第１〜第４分割ライン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道・道路トンネル等のトンネル壁面の覆工面の変状を追跡調査するのに適したトンネル壁面の展開画像作成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネルは、地山の土圧・凍上圧・有害水などの外因、設計・施工の不適切、経年による材質劣化などの内因によって、クラック、目地切れ、食い違い、コンクリートの剥離・剥落などの変状現象が生じる。
【０００３】
従来、これらの変状の追跡は、人間が列車の走る合間を縫って、目視を主体に実施し、進行の顕著なものは計器による測定（例えばひび割れ間隔の測定）ならびに覆工背面の調査などを行い、原因を明らかにして、補修・改良につなげている。また、変状の記録は、現地のスケッチをもとにトンネル展開図を作成し、クラックの幅・長さなどについて前回と今回の検査結果の比較を行い、健全性の判定を行っている。
【０００４】
一方、人間が手作業でこのようなトンネル変状の追跡を行う方法では、変状の見落としや位置の間違い・個人差による判定のバラツキなどがあり、信頼性に欠けることがある。
【０００５】
この点に鑑み、トンネル変状の追跡を行うための装置が開発されている。例えば、特開平６−４２３００号公報には、トンネル内を走行する車両上に設置されたトンネル壁面撮影用センサカメラを用い、カメラ前面に配置した曲面鏡を介してトンネル壁面に対して進行方向と直角方向のトンネル断面スキャンを行い、車上に設置されたデータ蓄積装置に順次そのデータを蓄積することにより、トンネル壁面の展開画像を得るトンネル検査装置が開示されている。このトンネル検査装置では、トンネル壁面を曲面鏡に映し、これを１台の１次元センサカメラで撮影して、トンネル周方向のラインデータとし、このラインデータを移動距離に応じて並べることにより、トンネル壁面の展開画像を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平６−４２３００号公報のトンネル検査装置では、トンネルの断面形状に合わせて、曲面鏡の形状設計及びカメラのレンズの光学設計を行わなければならないが、トンネルの断面形状は一定ではないため、この設計作業が非常に複雑になるという問題がある。
【０００７】
また、進行方向のある位置におけるトンネルの周方向のラインを曲面鏡に映し出し、これを一台のラインセンサで撮影するため、画像分解能が低くなり、幅の細いクラックなどを捉えることが難しく、また、トンネルの周方向のライン上の各点とラインセンサとの距離の最小、最大の差が大きくなり、画像のボケとなってあらわれるという問題がある。
【０００８】
そこで、このような問題点に鑑み、複数のラインセンサカメラを備えた車両をトンネル検査装置として採用することが考えられる。この装置では、各ラインセンサカメラは、トンネルの周方向に沿ったラインを複数に分割した分割ラインのそれぞれに対応づけられて設置されており、その対応づけられた分割ラインを撮影して分割ラインデータとして出力する。この装置によれば、特開平６−４２３００号公報のトンネル検査装置に比べて、光学系の構造が簡素化されるうえ、一台のラインセンサがライン全体を撮影するのではなく複数のラインセンサがそれぞれに対応する分割ラインを撮影するため画像分解能が高くなる。
【０００９】
一般に、ラインセンサカメラの結像面とトンネル壁面とが平行な場合は、ラインセンサの各画素には撮影対象のトンネル壁面が等間隔に投影される。ところがこれら両方の面が平行になっていることは殆どないため、ラインセンサの結像面上の間隔は一定であったとしても、ラインセンサカメラの結像面に投影された実際のトンネル壁面上の間隔は一定ではない。このためラインセンサカメラで撮影された画像をそのまま用いて、クラックの幅・長さ等を測定したとしても、実際のクラックの幅・長さ等を正確に計測したことにはならない。
【００１０】
また、線路のカーブ等のように路面にカントがある箇所では、カントがない箇所に対して、ラインセンサのアングルがトンネルの周方向にずれることになるので、やはり、撮影した画像を元にしてトンネル壁面のクラックの幅・長さ等を正確に算出することができなくなる。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、光学系の構造を簡素化でき、画像分解能を高めることができるうえ、トンネル壁面の展開画像からトンネル壁面の変状を正確に把握できるトンネル壁面の展開画像作成装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決するため、本発明のトンネル壁面の展開画像作成装置は、
トンネル内を移動可能な車両と、
前記車両に搭載され、前記トンネルの周方向に沿ったラインを複数に分割した分割ラインのそれぞれに対応づけられて設置され、その対応づけられた分割ラインを撮影して分割ラインデータとして出力する複数のラインセンサカメラと、
所定タイミングごとに前記複数のラインセンサカメラが出力した分割ラインデータを取り込むデータ取込手段と、
前記データ取込手段によって取り込まれた各分割ラインデータにつき、分割ラインデータを構成する各画素の位置をラインセンサカメラの結像面上からトンネル壁面上に変換し、該変換後の位置間隔を求め、その位置間隔に応じて分割ラインデータの画素間隔を補正する画素間隔補正手段と、
前記画素間隔補正手段による補正後の分割ラインデータに基づいて前記トンネル壁面の展開画像を作成する展開画像作成手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この展開画像作成装置は、曲面鏡を使用しないため、特開平６−４２３００号公報に開示された装置に比べて、曲面鏡の形状をトンネル形状に合わせて設計するという複雑な作業が不要となり、光学系の構造が簡素化される。また、一台のラインセンサカメラがライン全体を撮影するのではなく、複数のラインセンサカメラがそれぞれに対応する分割ラインを撮影するものであるため、前出の公報に開示された装置に比べて、画像分解能が高くなる。更に、ラインセンサカメラで撮影された分割ラインデータの各画素の位置をラインセンサカメラの結像面上からトンネル壁面上に変換し、変換後の位置間隔に応じて分割ラインデータの画素間隔を補正した後、展開画像を作成する。つまり、ラインセンサカメラの結像面に投影された実際のトンネル壁面上の間隔は一定でないため、結像面上での各画素の位置をトンネル壁面上に変換することによりトンネル壁面の形状を考慮した画素間隔とした上で、展開画像を作成する。この結果、展開画像に現れるクラックの幅・長さ等は、実際のクラックの幅・長さ等を測定したのと同等になり、トンネル壁面の展開画像からトンネル壁面の変状を正確に把握できる。なお、変換に当たっては、毎回演算を行ってもよいが、予め変換前と変換後との対応関係を記憶媒体に記憶しておき、この対応関係に基づいて変換してもよい。
【００１４】
本発明の展開画像作成装置は、車両のカントを検出可能なカント検出手段を備え、画素間隔補正手段は、カント検出手段により検出されたカントを加味した上で分割ラインデータを構成する各画素の位置をラインセンサカメラの結像面上からトンネル壁面上に変換するように構成してもよい。この場合、カメラ結像面上からトンネル壁面上への変換をより正確に行うことができるので、トンネル壁面の展開画像からトンネル壁面の変状をより正確に把握できる。
【００１５】
また、本発明の展開画像作成装置は、車両のカントを検出可能なカント検出手段と、このカント検出手段により検出されたカントに基づいて前記分割ラインデータを補正するカント補正手段とを備え、展開画像作成手段は、カント補正手段により補正された場合にはその補正後の分割ラインデータに基づいて前記トンネル壁面の展開画像を作成するように構成してもよい。この場合、カントによる展開画像の歪みを解消することができ、トンネル壁面の展開画像からトンネル壁面の変状をより正確に把握できる。なお、カント検出手段としては、例えば周知のジャイロや傾斜計を使用可能である。
【００１６】
ところで、ラインセンサカメラで撮影した画像を元にしてトンネル壁面のクラックの幅・長さ等を正確に算出するためには、車両の速度等にかかわらず所定距離進むごとに１ラインずつ画像データを取り込むことが望ましい。この点を考慮すれば、本発明の展開画像作成装置は、車両の車輪が所定量回転するごとに所定タイミングを発生させるタイミング発生手段を備え、データ取込手段は、このタイミング発生手段が発生する所定タイミングごとに複数のラインセンサカメラが出力した分割ラインデータを取り込むように構成することが好ましい。
【００１７】
このようにタイミング発生手段を備えた場合には、更に、データ取込手段によって取り込まれた分割ラインデータと所定タイミングに基づいて得られる距離データとを対応づけるデータ加工手段と、所定タイミングの発生する間隔が予め設定した所定距離と一致しているか否かを判断する判断手段と、所定タイミングの発生する実際の間隔が所定距離と一致していないと判断手段により判断された場合にはその実際の間隔に応じて距離データを補正する距離補正手段とを備えていることが好ましい。このような構成を採用することにより、トンネル壁面の展開画像からトンネルの奥行き方向の長さをより正確に求めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態のトンネル壁面撮影装置の概略斜視図、図２はラインセンサカメラの配置図である。本実施形態のトンネル壁面展開画像作成装置１０は、単線トンネル撮影用であり、移動車両１１と、ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４と、照明器具１４と、カントセンサ１５と、制御装置１７と、画像蓄積装置１８と、画像処理装置１９とを備えている。
【００１９】
移動車両１１は、トンネル５１内をレール５２に沿って走行可能であり、操縦部１１ａの後ろにコンテナボックス１１ｂを牽引したものである。スライドアングル１２、１３は、コンテナボックス１１ｂにおいて上段及び下段にそれぞれ設置されており、コンテナボックス１１ｂの内外をスライド可能なスライド部１２ａ、１３ａと、このスライド部１２ａ、１３ａの先端側にてマクラギと平行な回動軸１２ｂ、１３ｂ周りに回動可能なフレーム部１２ｃ、１３ｃとを備えている。
【００２０】
第１及び第４ラインセンサカメラＣ１、Ｃ４は、下段のスライドアングル１３のフレーム部１３ｃに取り付けられ、第２及び第３ラインセンサカメラＣ２、Ｃ３は、上段のスライドアングル１２のフレーム部１２ｃに取り付けられている。各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４は、露光量に応じて蓄積された一次元ＣＣＤ上の電荷が電圧として出力される周知のカメラで、オートフォーカス機能が付いたもので且つラインを撮影可能なものであり、レール方向に走査されることにより平面的な画像が得られるものである。
【００２１】
各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４は、図２に示すように、トンネル５１の周方向（縦断方向）に沿ったラインＬを概ね４つに分割した第１〜第４分割ラインＬ１〜Ｌ４のそれぞれに対応づけられて設置されている。但し、第１〜第４分割ラインＬ１〜Ｌ４は隣り合うもの同士が重複部分を有するように定められている。また、コンテナボックス１１ｂの右側に配置された第１及び第２ラインセンサカメラＣ１、Ｃ２がラインＬの左側半分に対応づけられ、コンテナボックス１１ｂの左側に配置された第３及び第４ラインセンサカメラＣ３、Ｃ４がラインＬの右側半分に対応づけられている。各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４は、スライドアングル１２、１３や他のカメラが視野に入らないように配置されている。
【００２２】
複数の照明器具１４、１４、…は、ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４によって撮影されるラインＬを同じ明るさになるように照射するために、図１に示すように、スライドアングル１２、１３のフレーム部１２ｃ、１３ｃに合計１０個前後取り付けられている。これにより、撮影に必要な照度がラインＬに濃淡なく照射される。
【００２３】
カントセンサ１５は、移動車両１１の左右傾斜角度つまりカントを検出するものであり、図１に示すように、移動車両１１のコンテナボックス１１ｂの内部に設けられている。本実施形態ではカントセンサ１５として、リアルタイムに精度よくカントデータを得るために周知のジャイロを用いている。
【００２４】
距離積算計１６は、車輪の車軸に取り付けたロータリエンコーダ２２がパルス信号を発生するごとに、図示しない内部カウンタのカウント値をカウントアップし、そのカウント数が所定数（例えば移動距離１ｍに相当するカウント数）に達した時点で距離積算値をカウントアップしていくものである。
【００２５】
制御装置１７は、図示しない周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成された装置であり、移動車両１１のコンテナボックス１１ｂの内部に設けられている。この制御装置１７は、カントセンサ１５、距離積算計１６、ロータリエンコーダ２２から信号を入力できるように電気的に接続され、また、画像蓄積装置１８に信号を出力できるように電気的に接続されている。この制御装置１７は、ロータリエンコーダ２２のパルス信号に基づいて移動車両１１が一定距離進んだことを検知すると、各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４から分割ラインデータ（画像データ）を取り込むと共にカントセンサ１５からカントデータ、距離積算計１６から距離データを取り込み、それらを一つのデータに統合し統合ラインデータとして画像蓄積装置１８に記憶させる。なお、統合ラインデータの構成を図３に示す。
【００２６】
画像処理装置１９は、図示しない周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成された装置であり、移動車両１１のコンテナボックス１１ｂに搭載されていてもよいが、移動車両１１とは別に設置されていてもよい。この画像処理装置１９は、ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４ごとの分割ラインデータを移動車両１１の移動距離に応じて並べることにより分割展開画像を作成し、更に、各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４ごとに作成した分割展開画像を繋ぎ合わせることによりトンネル５１の壁面の展開画像を作成するものである。そして、この展開画像をディスプレイ２０に表示したり、プリンタ２１を通じて用紙に印字したりするものである。
【００２７】
次に、本実施形態の展開画像作成装置１０の動作について説明する。まず、オペレータは、展開画像作成装置１０の移動車両１１のコンテナボックス１１ｂを開けて、スライドアングル１２、１３のスライド部１２ａ、１３ａを外へ引き出し、スライド部１２ａ、１３ａとほぼ重なっていたフレーム部１２ｃ、１３ｃを回動軸１２ｂ、１３ｂ周りに約９０°回動する。すると、トンネル壁面展開画像作成装置１０は図１に示す状態になる。続いて、オペレータは、すべての照明器具１４、１４、…、ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４及び制御装置１７のスイッチを入れ、移動車両１１の操縦部１１ａに乗り込み、単線トンネル５１のレール５２に沿って、トンネル入口に向けて走行を開始する。
【００２８】
制御装置１７は、図示しないスタートスイッチが入れられると、データ取込処理のプログラムを実行する。このプログラムが開始されると、制御装置１７は、図４のフローチャートに示すように、まず制御装置１７の図示しない内部カウンタのカウント値ｍをリセットする等の動作を含む初期設定を行い（Ｓ１０）、次いでロータリエンコーダ２２からパルス信号が入力されたか否かを判断し（Ｓ１１）、パルス信号が入力されていなければ（Ｓ１１でＮＯ）、そのまま待機する。一方、ロータリエンコーダ２２からパルス信号が入力されたならば（Ｓ１１でＹＥＳ）、カウント値ｍを一つ繰り上げ（Ｓ１２）、そのカウント値ｍが所定値Ｍと一致するか否かを判断し（Ｓ１３）、一致しなければ（Ｓ１３でＮＯ）、再びＳ１１に戻る。ここで所定値Ｍは次のようにして定められた値である。即ち、移動車両１１の移動距離と車輪の回転量との関係から、移動車両１１が一定の移動距離（ここでは１ｍｍ程度）を進むのに必要な車輪の回転量を正確に求め、その車輪の回転量に応じたパルス信号の発生回数を求め、これを所定値Ｍと設定したものである。さて、Ｓ１３において、カウント値ｍが所定値Ｍと一致したならば（Ｓ１３でＹＥＳ）、移動車両１１が一定の移動距離を進んだと判断し、各ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４から分割ラインデータ、カントセンサ１５からカントデータ、距離積算計１６から距離データを取り込み、図３に示す統合ラインデータとして画像蓄積装置１８に蓄積する（Ｓ１４）。その後、カウント値ｍをリセットし（Ｓ１５）、次いでこのプログラムの終了を指示する入力がなされたか否かを判断し（Ｓ１６）、かかる入力がなされていなければ（Ｓ１６でＮＯ）、再びＳ１１に戻り、かかる入力がなされたならば（Ｓ１６でＹＥＳ）、このプログラムを終了する。
【００２９】
移動車両１１がトンネル出口から出た後、オペレータは移動車両１１を停止させ、すべての照明器具１４、１４、…、ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４、制御装置１７のスイッチを切る。制御装置１７のスイッチが切られると、図４のＳ１６にて肯定判定され、データ取込処理のプログラムが終了する。続いて、オペレータは、画像処理装置１９と画像蓄積装置１８とを接続し、画像処理装置１９のスイッチを入れる。すると、画像処理装置１９は、図５に示すように、画素間隔補正ルーチン（Ｓ２１）、カント補正ルーチン（Ｓ２２）、分割展開画像作成ルーチン（Ｓ２３）、トンネル壁面展開画像作成ルーチン（Ｓ２４）を順に実行する。以下、各ルーチンについて説明する。
【００３０】
図６に示す画素間隔補正ルーチンでは、画像処理装置１９は、まず、画像蓄積装置１８に蓄積されたすべての統合ラインデータから一つの統合ラインデータを読み出し（Ｓ３０）、その統合ラインデータに含まれるカントデータを読み出してカントがあるか否かを判断する（Ｓ３１）。なお、カントとは、水平方向に対する移動車両１１がなす角度をいい、△θで表す。Ｓ３１でカントなし即ち△θがゼロと判断されたならば（Ｓ３１でＮＯ）、画像処理装置１９の図示しない内部カウンタのカウント値ｋをリセットし（Ｓ３３）、次いでそのカウント値ｋを１つカウントアップし（Ｓ３４）、その統合ラインデータに含まれる分割ラインデータを構成する画素群の中からｋ番目の画素の情報を読み出す（Ｓ３５）。この画素の情報は、ラインセンサカメラの仮想結像面上の点をレンズ中心を原点とするカメラ座標系で表した点（ｆ，Ｖk）として得られる（図７参照）。なお、仮想結像面とは、説明の便宜上、レンズ中心を対象心として実結像面を点対称させた面であり、実質的に実結像面上の点と同一である。そして、この座標点（ｆ，Ｖk）をトンネル壁面上の点（Ｘk，Ｙk）に変換する（Ｓ３６）。
【００３１】
ここで変換操作につき、図７に基づいて説明する。各変数の定義は図７に記載したとおりである。さて、カメラ座標系においては下式▲１▼が成り立つ。また、トンネル座標系は、カメラ座標系を時計方向に角度θだけ回転し、さらにｘ方向にｘ0、ｙ方向にｙ0だけ平行移動したものであるため、カメラ座標系における点（Ｘk，Ｙk）は、下記式▲２▼によりトンネル座標系における点（ｘk，ｙk）に変換することができる。更に、点（ｘk，ｙk）は半径ｒの円弧上に存在することから下記式▲３▼が成り立つ。したがって、下記式▲２▼と下記式▲３▼とから下記式▲４▼が得られる。下記式▲１▼と下記式▲４▼につきＸk，Ｙk以外の値はすべて既知なので、下記式▲１▼と下記式▲４▼の連立方程式を解くことにより、Ｘk，Ｙkが得られる。
【００３２】
【数１】
一方、Ｓ３１でカントありと判断されたならば（Ｓ３１でＹＥＳ）、既知の値を補正する（Ｓ３２）。このときの様子を図８に示す。すなわち、上記各式におけるθの代わりにθ＋△θとし、上記各式における点（ｘ0，ｙ0）の代わりに点（ｘ0'，ｙ0'）とする。なお、点（ｘ0'，ｙ0'）は点（ｘ0，ｙ0）及びカント△θに基づいて数学的に算出される。その後、既述したとおりのＳ３３〜Ｓ３６の処理を行う。このように、カント△θを考慮しているため、正確に仮想結像面上の点をトンネル壁面上の点に変換することができる。
【００３４】
Ｓ３６の処理が終了した後、カウント値ｋが１つの分割ラインデータの総画素数ｎと一致するか否かを判断し（Ｓ３７）、一致していなければ（Ｓ３７でＮＯ）、Ｓ３０で読み出した統括ラインデータに含まれる分割ラインデータを構成する画素群のうち未処理のものが残っているため、再びＳ３４〜Ｓ３６の処理を繰り返す。一方、カウント値が総画素数ｎと一致したならば（Ｓ３７でＹＥＳ）、仮想結像面上に観測されるすべての点（ｆ，Ｖk）に対して座標値（Ｘk，Ｙk）が得られたことになるため、Ｓ３８に進む。なお、ｋ＝１，２，…，ｎであり、本実施例ではｎ＝４０９６である。
【００３５】
Ｓ３８では、変換後の座標点に基づいて画素間隔を補正する。つまり、仮想結像面上における点（ｆ，Ｖ1）〜（ｆ，Ｖn）をみると各画素間隔はすべて等しいのであるが、点（ｆ，Ｖ1）〜（ｆ，Ｖn）に対応するトンネル壁面上の点（Ｘ1，Ｙ1）〜（Ｘn，Ｙn）をみると隣合う二点の間隔はそれぞれ異なっているため、この異なる二点間隔を仮想結像面上における点（ｆ，Ｖ1）〜（ｆ，Ｖn）の並びに反映させるのである。なお、トンネル壁面上の隣合う点つまり（Ｘk，Ｙk）と（Ｘk+1，Ｙk+1）との間隔は下記式▲５▼より求めることができる。
【００３６】
例えば、図９に示すように、仮想結像面上における各画素間隔をａとし、点（Ｘ1，Ｙ1）と点（Ｘ2，Ｙ2）との間隔が点（Ｘ2，Ｙ2）と点（Ｘ3，Ｙ3）との間隔や点（Ｘ3，Ｙ3）と点（Ｘ4，Ｙ4）との間隔の２倍だったとすると、画素間隔を補正した後の画素の並びは図９の右側のようになる。但し、仮想結像面上では画素間隔つまり一画素あたりの画像幅は正規化され整数値であるため、トンネル壁面上の点間隔が端数を含む場合には正規化処理を行う。
【００３７】
【数２】
そして、Ｓ３９において、画像蓄積装置１８に蓄積されたすべての統合ラインデータにつきＳ３０〜Ｓ３８の処理を行ったか否かを判断し、否定判定されたならば（Ｓ３９でＮＯ）、未処理の統合ラインデータにつき再びＳ３０以降の処理を実行する。一方、Ｓ３９で肯定判定されたならば（Ｓ３９でＹＥＳ）、この画素間隔補正ルーチンを終了する。この画素間隔補正ルーチンが終了すると、統合ラインデータ中の分割ラインデータはトンネル壁面の形状に即した画素間隔に補正されたことになる。
【００３９】
図１０に示すカント補正ルーチンでは、画像処理装置１９は、画素間隔補正ルーチンの終了した統合ラインデータの中から一つの統合ラインデータを読み出し（Ｓ４０）、その統合ラインデータに含まれるカントデータを読み出してカントがあるか否かを判断し（Ｓ４１）、カントがなければ（Ｓ４１でＮＯ）、Ｓ４３に進み、カントがあれば（Ｓ４１でＹＥＳ）、その統合ラインデータに含まれる分割ラインデータを構成する各画素のトンネル周方向の位置をカント△θに応じて補正し（Ｓ４２）、その後Ｓ４３に進む。Ｓ４２のカント補正は、例えば、ラインセンサカメラのレンズ中心からトンネル壁面までの距離を超音波センサ等の距離センサにより測定し、その距離にｓｉｎ△θを乗じた値を補正量とし、画素のトンネル周方向の位置をこの補正量で補正する。図１１はカント補正の説明図である。カント補正を行う前では、トンネル５１の所定高さを表す線は、移動距離に応じてカントが変化することにより本来直線状に表れるべきものが歪んだ曲線状に表れたのに対して、カント補正を行った後では、この線は直線状に表れる。そして、Ｓ４３では、画像蓄積装置１８に蓄積されたすべての統合ラインデータにつきＳ４０〜Ｓ４２の処理を行ったか否かを判断し、否定判定されたならば（Ｓ４３でＮＯ）、未処理の統合ラインデータにつき再びＳ４０以降の処理を実行する。一方、Ｓ４３で肯定判定されたならば（Ｓ４３でＹＥＳ）、このカント補正ルーチンを終了する。このカント補正ルーチンが終了すると、統合ラインデータ中の分割ラインデータを構成する各画素のトンネル周方向の位置が正されたことになる。
【００４０】
図１２に示す分割展開画像作成ルーチンでは、画像処理装置１９は、カウント値ｋをリセットし（Ｓ５０）、続いてこのカウント値ｋを一つカウントアップし（Ｓ５１）、カント補正ルーチンの終了した統合ラインデータの中から第ｋラインセンサカメラの統合ラインデータを読み出し、この統合ラインデータに含まれる距離データ即ち移動距離に応じて同じくその統合ラインデータに含まれる分割ラインデータを並べることにより、第ｋラインセンサカメラが撮影した画像即ち第ｋ分割展開画像を作成する（Ｓ５２）。その後、カウント値ｋがラインセンサカメラの総数（本実施例では４）と一致するか否かを判断し（Ｓ５３）、一致しなければ（Ｓ５３でＮＯ）、再びＳ５１以降の処理を実行し、一致したならば（Ｓ５３でＹＥＳ）、この分割展開画像作成ルーチンを終了する。この分割展開画像作成ルーチンが終了すると、図１４に示すような第１〜第４分割展開画像ＤＤＰ１〜ＤＤＰ４が得られる。
【００４１】
図１３に示すトンネル壁面展開画像作成ルーチンでは、画像処理装置１９は、第１〜第４分割展開画像ＤＤＰ１〜ＤＤＰ４を読み出し（Ｓ６０）、次いで図１４に示すように隣合う分割展開画像の重複部分をパターン認識により一致させて繋ぎ合わせることによりトンネル５１の壁面の展開画像ＤＰを作成する（Ｓ６１）。なお、重複部分につき、パターン認識を用いる代わりに例えばオペレータが画像処理装置１９の図示しない入力手段（キーボードあるいはマウス）を介して重複部分を指示してもよい。
【００４２】
ここで、本実施形態の構成と本発明の構成との関係について説明する。本実施形態の制御装置１７が、本発明のタイミング発生手段及びデータ取込手段に相当し、図４のＳ１１〜Ｓ１３がタイミング発生手段の処理に相当し、図４のＳ１４がデータ取込手段の処理に相当する。また、本実施形態の画像処理装置１９が、本発明の画素間隔補正手段、カント補正手段及び展開画像作成手段に相当し、図６のフローチャートが画素間隔手段の処理に相当し、図１０のフローチャートがカント補正手段の処理に相当し、図１２及び図１３のフローチャートが展開画像作成手段の処理に相当する。
【００４３】
上記本実施形態のトンネル壁面の展開画像作成装置１０によれば以下の効果が得られる。
▲１▼特開平６−４２３００号公報に記載されたトンネル検査装置に比べて、曲面鏡を使用しないため、曲面鏡の形状をトンネルの形状に合わせて設計するという複雑な作業が不要となり、光学系の構造が簡素化される。
▲２▼特開平６−４２３００号公報に記載されたトンネル検査装置に比べて、一台のラインセンサカメラがライン全体を撮影するのではなく、複数のラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４がそれぞれに対応する分割ラインＬ１〜Ｌ４を撮影するものであるため、画像分解能が高くなる。具体的には、幅１ｍｍ程度のクラックまで認識できる。
▲３▼ラインセンサカメラＣ１〜Ｃ４で撮影された分割ラインデータの各画素の位置を結像面上からトンネル壁面上に変換し、変換後の位置間隔に応じて分割ラインデータの画素間隔を補正した後、展開画像を作成するため、展開画像から測定される変状の幅・長さ等は、実際のトンネル壁面の変状の幅・長さ等を正確に反映したものであり、トンネル壁面の展開画像からトンネル壁面の変状を正確に把握できる。
▲４▼分割ラインデータの各画素の位置を結像面上からトンネル壁面上に変換する際にカント△θを加味したうえで変換しているため、展開画像に表れるクラックの幅・長さ等をより実際に近づけることができ、トンネル壁面の変状を一層正確に把握できる。
▲５▼カントによるトンネル壁面の展開画像の歪みを補正しているため、トンネル壁面の変状を一層正確に把握できる。
【００４４】
尚、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
【００４５】
例えば、上記実施形態のトンネル壁面展開画像作成装置１０は単線トンネル５１の壁面を撮影するものとして例示したが、図１５に示すような複線トンネル６１の壁面を撮影する場合には、移動車両１１に２台のラインセンサカメラＣ１、Ｃ２を搭載し、複線トンネル６１の左側半分を往路、右側半分を復路で撮影するようにしてもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では鉄道トンネルの壁面を撮影する装置について説明したが、移動車両１１に例えばタイヤを取り付けて自動車トンネル内を走行できるようにして、自動車トンネルの壁面を撮影したり、工事用のトンネルの壁面を撮影してもよい。
【００４７】
更に、上記実施形態では、カント補正を行う際、トンネル壁面までの距離にｓｉｎ△θを乗じた値を補正量としたが、カントセンサ１５から各地点ごとのカント量（図８参照）がわかるので、直接この量を補正量として用いてもよい。あるいは、カントを考慮した補正処理（つまりＳ３１で肯定判断された後のＳ３２〜Ｓ３６の処理）を行った後に、カントありの区間（つまり△θがゼロから徐々に増加して所定量に達し、その後徐々に減少してゼロになるまでの区間）でのラインの相関をとり、その区間におけるずれの推移から補正量を求めてもよい。
【００４８】
更にまた、上記実施形態では、ロータリエンコーダ２２から出力されるパルス信号に基づいて所定タイミングを発生させているため、車輪が空転したりスリップしたりすることにより所定タイミングが所定距離と一致しなくなることがあるが、この場合には、距離データを適宜補正をすることが好ましい。すなわち、このように所定タイミングを発生させている場合には、データ取込手段によって取り込まれた分割ラインデータと所定タイミングに基づいて得られる距離データとを対応づけるデータ加工手段と、所定タイミングの発生する間隔が予め設定した所定距離と一致しているか否かを判断する判断手段と、所定タイミングの発生する実際の間隔が所定距離と一致していないと判断手段により判断された場合にはその実際の間隔に応じて距離データを補正する距離補正手段とを備えていることが好ましい。例えば上記実施形態における制御装置１７をデータ加工手段とし、画像処理装置１９を判断手段及び距離補正手段とすることができる。具体的には、車輪が空転すると、空転した区間は画素間隔が狭くなり、例えば本来１０ｍ分が撮影されるべきところを９ｍ分しか撮影されなかったことになるため、全体が９ｍとなるように空転区間の距離データを補正する。また、車輪がスリップすると、スリップした区間は画素間隔が広くなり、例えば本来１０ｍ分が撮影されるべきところを１１ｍ分撮影されてしまうため、全体が１１ｍとなるようにスリップ区間の距離データを補正する。このような構成を採用することにより、トンネル壁面の展開画像からトンネルの奥行き方向の長さをより正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態のトンネル壁面撮影装置の概略斜視図である。
【図２】 本実施形態のラインセンサカメラの配置図である。
【図３】 統合ラインデータの構成を表す説明図である。
【図４】 制御装置のデータ取込処理を表すフローチャートである。
【図５】 画像処理装置の全体的な処理を表すフローチャートである。
【図６】 画像処理装置の画素間隔補正ルーチンを表すフローチャートである。
【図７】 カントなしの場合の画素間隔補正の説明図である。
【図８】 カントありの場合の画素間隔補正の説明図である。
【図９】 画素間隔補正処理の前後の分割ラインデータを表す説明図である。
【図１０】 画像処理装置のカント補正ルーチンを表すフローチャートである。
【図１１】 カント補正の説明図である。
【図１２】 画像処理装置の分割展開画像作成ルーチンのフローチャートである。
【図１３】 画像処理装置のトンネル壁面画像作成ルーチンのフローチャートである。
【図１４】 分割展開画像及びトンネル壁面展開画像の説明図である。
【図１５】 複線トンネルを撮影する際の説明図である。
【符号の説明】
１０・・・トンネル壁面展開画像作成装置、１１・・・移動車両、１１ｂ・・・コンテナボックス、１２、１３・・・スライドアングル、１４・・・照明器具、１５・・・カントセンサ、１６・・・距離積算計、１７・・・制御装置、１８・・・画像蓄積装置、１９・・・画像処理装置、５１・・・単線トンネル、５２・・・レール、Ｃ１〜Ｃ４・・・第１〜第４ラインセンサカメラ、ＤＤＰ１〜ＤＤＰ４・・・第１〜第４分割展開画像、ＤＰ・・・展開画像、Ｌ・・・ライン、Ｌ１〜Ｌ４・・・第１〜第４分割ライン。
Claims (3)
- トンネル内を移動可能な車両と、
前記車両に搭載され、前記トンネルの周方向に沿ったラインを複数に分割した分割ラインのそれぞれに対応づけられて設置され、その対応づけられた分割ラインを撮影して分割ラインデータとして出力する複数のラインセンサカメラと、
所定タイミングごとに前記複数のラインセンサカメラが出力した分割ラインデータを取り込むデータ取込手段と、
前記データ取込手段によって取り込まれた各分割ラインデータにつき、分割ラインデータを構成する各画素の位置をラインセンサカメラの結像面上からトンネル壁面上に変換し、該変換後の位置間隔を求め、その位置間隔に応じて分割ラインデータの画素間隔を補正する画素間隔補正手段と、
前記画素間隔補正手段による補正後の分割ラインデータに基づいて前記トンネル壁面の展開画像を作成する展開画像作成手段と
を備え、
さらに、
前記車両のカントを検出可能なカント検出手段を備え、
前記画素間隔補正手段は、前記カント検出手段により検出されたカントを加味した上で前記分割ラインデータを構成する各画素の位置をラインセンサカメラの結像面上からトンネル壁面上に変換すること
を特徴とするトンネル壁面の展開画像作成装置。 - トンネル内を移動可能な車両と、
前記車両に搭載され、前記トンネルの周方向に沿ったラインを複数に分割した分割ラインのそれぞれに対応づけられて設置され、その対応づけられた分割ラインを撮影して分割ラインデータとして出力する複数のラインセンサカメラと、
所定タイミングごとに前記複数のラインセンサカメラが出力した分割ラインデータを取り込むデータ取込手段と、
前記データ取込手段によって取り込まれた各分割ラインデータにつき、分割ラインデータを構成する各画素の位置をラインセンサカメラの結像面上からトンネル壁面上に変換し、該変換後の位置間隔を求め、その位置間隔に応じて分割ラインデータの画素間隔を補正する画素間隔補正手段と、
前記画素間隔補正手段による補正後の分割ラインデータに基づいて前記トンネル壁面の展開画像を作成する展開画像作成手段と
を備え、
さらに、
前記車両のカントを検出可能なカント検出手段と、
前記カント検出手段により検出されたカントに基づいて前記分割ラインデータの各画素のトンネル周方向の位置を補正するカント補正手段と、を備え、
前記展開画像作成手段は、前記カント補正手段により補正された場合にはその補正後の分割ラインデータに基づいて前記トンネル壁面の展開画像を作成すること
を特徴とするトンネル壁面の展開画像作成装置。 - トンネル内を移動可能な車両と、
前記車両に搭載され、前記トンネルの周方向に沿ったラインを複数に分割した分割ラインのそれぞれに対応づけられて設置され、その対応づけられた分割ラインを撮影して分割ラインデータとして出力する複数のラインセンサカメラと、
所定タイミングごとに前記複数のラインセンサカメラが出力した分割ラインデータを取り込むデータ取込手段と、
前記データ取込手段によって取り込まれた各分割ラインデータにつき、分割ラインデータを構成する各画素の位置をラインセンサカメラの結像面上からトンネル壁面上に変換し、該変換後の位置間隔を求め、その位置間隔に応じて分割ラインデータの画素間隔を補正する画素間隔補正手段と、
前記画素間隔補正手段による補正後の分割ラインデータに基づいて前記トンネル壁面の展開画像を作成する展開画像作成手段と
を備え、
さらに、
車両の車輪が所定量回転するごとに所定タイミングを発生させるタイミング発生手段を備え、
前記データ取込手段は、このタイミング発生手段が発生する所定タイミングごとに複数のラインセンサカメラが出力した分割ラインデータを取り込み、
さらに、
前記データ取込手段によって取り込まれた分割ラインデータと前記タイミング発生手段の発生する所定タイミングに基づいて得られる距離データとを対応づけるデータ加工手段と、
前記所定タイミングの発生する間隔が予め設定した所定距離と一致しているか否かを判断する判断手段と、
前記所定タイミングの発生する実際の間隔が前記所定距離と一致していないと前記判断手段により判断された場合には、その実際の間隔に応じて前記距離データを補正する距離補正手段と
を備えたこと
を特徴とするトンネル壁面の展開画像作成装置。
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