JP4690749B2 - 画像処理によるパンタグラフ動作測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、パンタグラフの動作測定に関するもので、特にパンタグラフの高さと加速度を測定するための画像処理によるパンタグラフ動作測定装置に関するものである。

電気鉄道車両の屋根上に設置された集電装置の一つであるパンタグラフの動作測定手段として、検測車や車両限界測定車などと呼ばれる専用の測定車があり、営業運転の合間を縫って、一定周期ごと運用されている。これらの測定車には、車体の傾きやレールの変位等を測定するセンサが多数取り付けられており（非特許文献１）、そのセンサの一つとしてパンタグラフの測定センサがある。
パンタグラフ測定方式には、レーザセンサ方式、光切断センサ方式、加速度センサ方式、画像処理方式があり、以下の特徴がある。

１）レーザセンサ方式
主にスキャン式が使用され、パンタグラフをミラー等によりレーザで走査し、この反射波の位相差や反射したレーザ形状の変形により、パンタグラフまでの距離を測定する方式である。

２）光切断センサ方式
パンタグラフに縞状の光を投光し、パンタグラフ形状に応じて凹凸になった縞を受光して、パンタグラフまでの距離を測定する方式である。

３）加速度センサ方式
ジャイロや圧電素子などによって加速度を出力するセンサをパンタグラフに直接取り付け、パンタグラフの加速度を測定する方式である。

４）画像処理方式
モデルマッチングやパタンマッチングでパンタグラフを検出する方式（特許文献１）、ラインセンサ画像を処理する方式（特許文献２）等がある。

特開２００２−１３９３０５号公報 特開２００２−２７９４０９号公報 電車線路設備保全の近代化に関する調査専門委員会編、「電車線路設備保全の近代化技術」、１９９５年、ｐ．１２−２４

１）レーザセンサ方式
ミラーを回転させるモータの回転数限界およびミラーの共振防止のため、レーザセンサの走査周期が相対的に遅く、レーザセンサ方式ではパンタグラフの位置（低周波成分）を測定できるが、加速度（高周波成分）の測定には向いていない。

２）光切断センサ方式
投光された縞状の光を受光して計測する方式のため、照明環境を整備する必要があり、照明条件の差が大きい昼間の測定に向かない。

３）加速度センサ方式
加速度センサによってパンタグラフの加速度を測定する方法は、現在主に用いられている方法であるが、以下の対策が必要で簡易な測定方法ではない。
（１）パンタグラフ自体にセンサを直接固定する必要がある。
（２）センサの出力電圧を取り出すケーブルに、耐ノイズ性を考慮する必要がある。
（３）センサの出力電圧を取り出すケーブルに、絶縁性を考慮する必要がある。

４）画像処理方式
ＣＣＤカメラで撮影した画像を用いる方式では、測定時間が長い場合や単位時間当たりのフレームレート数が多い場合は計算処理が膨大になる。また、従来のラインセンサ画像で撮影した画像を用いる方式では、パンタグラフ近傍にある構造物がラインセンサ画像に映り込むことによるノイズ対策を考慮する必要がある。

従って、本発明の目的は上記問題点を解決するパンタグラフ動作測定装置を提供することにある。

本発明の請求項１に係る画像処理によるパンタグラフ動作測定装置は、ラインセンサから得られる画像信号を用いてラインセンサ画像を取得する手段と、前記ラインセンサ画像に対して二値化処理を行い、パンタグラフ部分を強調して二値化ラインセンサ画像とする手段と、前記二値化ラインセンサ画像上の一ラインに対し、画素が黒から白に変わる部分の白点をアップエッジ点、白から黒に変わる部分の白点をダウンエッジ点とし、前記アップエッジ点から前記ダウンエッジ点までの距離が設定した範囲内である場合に、前記アップエッジ点あるいは前記ダウンエッジ点いずれかのみを白で残して前記パンタグラフの軌跡とする手段を有することを特徴とする。

本発明の請求項２に係る画像処理によるパンタグラフ動作測定装置は、請求項１において、前記軌跡から予め設定した長さより短い点列をノイズとして削除する手段と、前記ラインセンサの走査線方向に対し一ライン上に複数個の軌跡点が存在する場合に前記軌跡点の平均位置に最も近い前記軌跡点以外を除去することで、前記軌跡から予め設定した長さ以上の前記軌跡以外の長い点列をノイズとして削除する手段を有することを特徴とする。

本発明の請求項３に係る画像処理によるパンタグラフ動作測定装置は、請求項１あるいは請求項２において、画像上の前記軌跡の高さから実際の高さを求める計算を行い、パンタグラフ高さデータとする手段を有することを特徴とする。

本発明の請求項４に係る画像処理によるパンタグラフ動作測定装置は、請求項３において、前記パンタグラフ高さデータのデータ欠落を補間する手段を加えたことを特徴とする。

本発明の請求項５に係る画像処理によるパンタグラフ動作測定装置は、請求項３あるいは請求項４において、前記パンタグラフ高さデータの平滑化を行う手段を加えたことを特徴とする。

本発明の請求項６に係る画像処理によるパンタグラフ動作測定装置は、請求項３乃至請求項５のいずれかにおいて、前記パンタグラフ高さデータから前記パンタグラフの加速度の計算を行う手段を有することを特徴とする。

本発明に係る画像処理によるパンタグラフ動作測定装置によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）レーザの方式に比べて機械的な走査部分が無いため、高速な動作を測定することができ、また、データのサンプル周期を小さくすることができるため加速度計算などの高周波成分の計測にも対応できる。
（２）光切断センサのように投光機の縞を受光するための特別な照明環境の整備を行う必要がなく、装置自体のコストを削減することができる。
（３）加速度センサを用いる方法と比べて、センサを直接パンタグラフに固定しない、非接触による測定が可能であるため、固定器具、配線などの特別な処理を行う必要がなく、簡単な構成で実施することができる。
（４）ＣＣＤカメラで撮影する方法と比べて、ラインセンサを用いることで、画像のサンプル間隔を小さくしても撮像するのは１ラインであるため計算処理の増大化や画像データ保存のための容量を減少させることができる。
（５）従来のラインセンサ処理と比較して、パンタグラフ上端部あるいは下端部いずれか一方のみの動作を検出することで、地上に設置され車両運行中はパンタグラフに対して高速に移動する構造物は勿論、トロリ線のようにパンタグラフ上に比較的低速に移動する構造物やパンタグラフ近傍に設置された車両上の構造物に起因する画像状のノイズについて検出が容易となり、これらのノイズを削除することができる。

また、パンタグラフ高さデータのデータ欠落を補間する手段を加えることにより、ラインセンサ画像取得の際のライン抜けによるデータ欠落やトロリ線や構造物がパンタグラフ上のラインセンサ測定部分と重なった場合に発生するパンタグラフ軌跡の欠落に起因するパンタグラフ高さデータの欠落を解消することができる。

また、パンタグラフ高さデータの平滑化処理を行う手段を加えることにより、ラインセンサ画像取得時に短周期的に発生する１ライン毎の細かいブレや、車両走行時の振動などの小刻みな揺れによるノイズ成分を吸収することができるため、緩やかな上下動によるパンタグラフ高さデータを得ること、また、加速度計算に対するノイズの影響を抑えることができる。

（基本的な考え方）
本形態によるパンタグラフ動作測定装置は、図１に示すようにパンタグラフ１に対して走査線が垂直になるよう設置されたラインセンサ２から得られる画像を入力画像として使用するもので、図２に示すように、ラインセンサ２と、ラインセンサ画像作成部２１と、メモリ２２と、メモリ２２にＬＡＮで接続されているメモリ３１と、二値化処理部３２と、パンタグラフ幅フィルタ処理部３３と、パンタグラフ軌跡トレースフィルタ処理部３４と、パンタグラフ単一点フィルタ処理部３５と、パンタグラフ実高さ計算部３６と、パンタグラフ加速度計算部３９により構成される。

以下に、本形態によるパンタグラフ動作測定装置によりパンタグラフ１の高さと加速度を求める流れを図３に従って説明する。

（１）ラインセンサ画像の取得（ステップＳ１）
ラインセンサ画像作成部２１において、ラインセンサ２から得た走査線の輝度信号を時系列的に並べることで、図４に示すようなラインセンサ画像（平面の画像）を取得し、メモリ２２に入力画像として保存する。また、ラインセンサ画像はＬＡＮを経由してメモリ３１に保存される。

（２）二値化処理（ステップＳ２）
ラインセンサ画像上において、パンタグラフ部分は背景部分と比較して輝度値の異なる帯状の部分として撮影されている。二値化処理部３２では、メモリ３１から読み出したラインセンサ画像の帯状に撮影されたパンタグラフ部分とその他の背景部分を切り分けるような閾値を設定し、その閾値を用いてラインセンサ画像においてパンタグラフ部分が白、背景部分が黒となるような処理を行う。この時パンタグラフ部分が黒、背景部分が白となる場合は二値化反転処理を行い、常にパンタグラフ部分が白となるよう二値化ラインセンサ画像（以降、二値化処理（ステップＳ２）を行ったラインセンサ画像を「二値化ラインセンサ画像」と呼ぶ）を構成してメモリ３１に保存する。

（３）パンタグラフ幅フィルタ処理（ステップＳ３）
ラインセンサ２によりパンタグラフ１を撮影した場合、パンタグラフ１と同様に、パンタグラフ１近傍に存在するトロリ線、碍子、トロリ線吊り上げ用ワイヤ類がラインセンサ画像に撮像されている。このため、パンタグラフ１と他の物体とを二値化ラインセンサ画像から切り分け、パンタグラフ部分を抽出する処理を行う。

即ち、二値化ラインセンサ画像では、パンタグラフ部分がパンタグラフ１の厚みに対応したある一定の幅を持つ帯状のラインとして現れるが、この時、物体は白、背景は黒となっている。パンタグラフ幅フィルタ処理部３３では、ラインセンサ２の走査方向がパンタグラフ１の長手方向に対して垂直となるように設置されていることから、メモリ３１から読み出した二値化ラインセンサ画像上の１ラインに対し下方から上方に向かって検査を行い、画素が黒から白になる部分（アップエッジ）、画素が白から黒になる部分（ダウンエッジ）をそれぞれ検出し、この一組の隣り合うアップエッジとダウンエッジの間隔が設定した幅の範囲内である場合に、その部分をパンタグラフ部分と判断する。

さらに、その時のダウンエッジ点をパンタグラフ１上部位置として白で残し他の点は黒とする処理を行うことにより、パンタグラフ１上部位置の軌跡を表すパンタグラフ軌跡画像を作成しメモリ３１に保存する。

（４）パンタグラフ軌跡トレースフィルタ処理（ステップＳ４）
パンタグラフ幅フィルタ処理（ステップＳ３）によってパンタグラフ上部位置の軌跡を求めた場合、幾つかの部分でパンタグラフ上部位置でない部分が検出される場合があり、これはトロリ線、碍子、トロリ線吊り上げ用ワイヤ類といったパンタグラフ１以外の物体が二値化ラインセンサ画像上でパンタグラフ部分の幅に近い状態になった場合発生する。これらはパンタグラフ軌跡画像中でノイズとして残るため、パンタグラフ軌跡トレースフィルタ処理部３４において、このノイズ部分を削除する。

即ち、パンタグラフ部分は二値化パンタグラフ画像上に一定幅で継続して存在するため、メモリ３１から読み出したパンタグラフ軌跡画像上においてはパンタグラフ１上部位置を示す点が連続した曲線として存在することに注目し、パンタグラフ部分か否かを判断するために設定した長さより短い点列をノイズとみなし、黒に変換する処理を行い、メモリ３１に保存する。

（５）パンタグラフ単一点フィルタ処理（ステップＳ５）
パンタグラフ軌跡トレースフィルタ処理（ステップＳ４）によるノイズ削除によって、連続しない短い点列はノイズとして除去することができるが、パンタグラフ１上部位置の軌跡と判断するよう設定した長さの範囲内にあるノイズ部分を削除することができないため、ここではパンタグラフ軌跡トレースフィルタ処理（ステップＳ４）とは別に、長い点列を示すノイズを削除する。

即ち、パンタグラフ１はラインセンサ画像上で一つであるため、ラインセンサ２の走査線上においてパンタグラフ１上部位置を示す点は一点のみであり、また、パンタグラフ軌跡画像のパンタグラフ幅フィルタ処理（ステップＳ３）によって検出された軌跡点の大部分はパンタグラフ１上部位置を示す点であることから、パンタグラフ単一点フィルタ処理部３５では、まず、メモリ３１から読み出したパンタグラフ軌跡画像上の軌跡点についてラインセンサ走査線方向の平均位置を計算し、次にラインセンサ走査線方向の１ラインに関して軌跡点が複数個存在する場合は軌跡点の平均位置に最も近い点をパンタグラフ１上部位置の点として残し、その他の同ライン上の軌跡点をノイズとみなして黒に変換する処理を行いメモリ３１に保存する。

（６）パンタグラフ実高さ計算（ステップＳ６）
パンタグラフ実高さ計算部３６において、メモリ３１から読み出したパンタグラフ軌跡画像を変換することにより、パンタグラフ１上部の実際の三次元高さを求め、パンタグラフ高さデータとしてメモリ３１に保存する。この変換にはラインセンサ２の設置位置姿勢データから得られる射影変換を用い、射影変換としては、既に広く一般的に知られているものを使用する。

（７）パンタグラフ加速度計算（ステップＳ９）
パンタグラフ加速度計算部３９において、メモリ３１から読み出したパンタグラフ高さデータを二階差分することにより、加速度データを求め、パンタグラフ加速度としてメモリ３１に保存する。

本形態に係る画像処理によるパンタグラフ動作測定装置によれば、ラインセンサ２により撮影した画像を処理する方式のため、レーザの方式に比べて機械的な走査部分が無く高速な動作を測定することができ、また、データのサンプル周期を小さくすることができるため加速度計算などの高周波成分の計測にも対応でき、また、光切断センサのように投光機の縞の受光のための特別な照明環境の整備を行う必要が無く、構成を簡単にすることができる。また、ラインセンサ２を用い、画像のサンプル間隔を小さくしても撮像するのは１ラインであるため、ＣＣＤカメラを用いる方法と比べて計算処理の増大化や画像データ保存のための容量を減少させることができる。

また、従来のラインセンサ処理方式と比較して、パンタグラフ幅フィルタ処理（ステップＳ３）によりパンタグラフ１上端部のみの動作を検出し、測定する方式のため、地上に設置され、車両運行中はパンタグラフに対して高速に移動する構造物は勿論、トロリ線のようにパンタグラフ１上に比較的低速に移動する構造物やパンタグラフ１近傍に設置された車両上の構造物に起因する画像上のノイズについても容易に検出し削除することができる。

なお、本形態ではダウンエッジ点をパンタグラフ１上部位置として白で残し他の点は黒とする処理を行ってパンタグラフ軌跡画像を作成したが、これに限らない。例えば、アップエッジ点をパンタグラフ１下部位置として白で残し他の点は黒とする処理を行ってパンタグラフ軌跡画像を作成してもよく、アップエッジ点にパンタグラフ幅を加えることでパンタグラフ１上部位置としてパンタグラフ軌跡画像を作成してもよい。

（パンタグラフ高さデータの補間処理を追加）
図５および図６に示すように、本実施例は、上述した「基本的な考え方」によるパンタグラフ動作測定装置において、パンタグラフ実高さ計算部３６によるパンタグラフ実高さ計算（ステップＳ６）を行った後に、補間処理部３７によるパンタグラフ高さデータ補間処理（ステップＳ７）を加えたものであり、上述した「基本的な考え方」と重複する部分については、説明を省略する。

パンタグラフ高さデータ補間処理（ステップＳ７）は、パンタグラフ実高さ計算（ステップＳ６）後、補間処理部３７において、メモリ３１から読み出したパンタグラフ高さデータに設定幅に入る幅のデータ欠落があった場合、データ欠落部の両端のデータを用いてそのデータ欠落部を補間し、欠落の少ないパンタグラフ高さデータを構成しメモリ３１に保存する処理である。ここで、補間の方法は、例えばデータ欠落部の両端を直線的に補間する方法があるが、その他の方法により補間してもよい。

本実施例に係る画像処理によるパンタグラフ動作測定装置によれば、補間処理部３７によりラインセンサ画像取得の際のライン抜けによるデータ欠落やトロリ線や構造物がパンタグラフ上のラインセンサ測定部分と重なった場合に発生するパンタグラフ軌跡の欠落を防ぐことができるため、パンタグラフ高さデータの欠落を解消することができる。

（パンタグラフ高さデータの平滑化処理を追加）
図７および図８に示すように、本実施例は、上述した「実施例１」によるパンタグラフ動作測定装置において、補間処理部３７によるパンタグラフ高さデータ補間処理（ステップＳ７）を行った後に、平滑化処理部３８によるパンタグラフ高さデータ平滑化処理（ステップＳ８）を加えたものであり、上述した「実施例１」と重複する部分については、説明を省略する。

パンタグラフ高さデータ平滑化処理（ステップＳ８）は、パンタグラフ高さデータ補間処理（ステップＳ７）後、平滑化処理部３８において、メモリ３１から読み出した補間されたパンタグラフ高さデータにおける短周期的な細かい変動に対し、一定区間毎にパンタグラフ高さの平均を取るなどして、ノイズを除去し、滑らかな変化を持つパンタグラフ高さデータを構成しメモリ３１に保存する処理である。

なお、本実施例において補間処理を行った後に平滑化処理を行う例を示したが、これに限らない。例えば、補間処理を行う前に平滑化処理を実施してもよい。

本実施例に係る画像処理によるパンタグラフ動作測定装置によれば、平滑化処理部３８により、ラインセンサ画像取得時に発生する１ライン毎の細かいブレや、車両走行時の振動などの小刻みな揺れによる短周期的なノイズ成分を吸収することができるため、緩やかな上下動によるパンタグラフ高さデータを得ることができ、また、加速度計算に対するノイズの影響を抑えることができる。

本発明は、パンタグラフの動作測定に関するもので、特にパンタグラフの高さと加速度を測定するための画像処理によるパンタグラフ動作測定装置に利用可能である。

パンタグラフを計測するためのラインセンサの設置例を示す説明図である。 本発明を実施するための最良の形態によるパンタグラフ動作測定装置の構成例を示すブロック図である。 本発明を実施するための最良の形態によるパンタグラフ動作測定計算のフローチャートである。 パンタグラフ部分の時系列画像を示す図である。 実施例１によるパンタグラフ動作測定装置の構成例を示すブロック図である。 実施例１によるパンタグラフ動作測定計算のフローチャートである。 実施例２によるパンタグラフ動作測定装置の構成例を示すブロック図である。 実施例２によるパンタグラフ動作測定計算のフローチャートである。

符号の説明

１ パンタグラフ
２ ラインセンサ
２１ ラインセンサ画像作成部
２２，３１ メモリ
３２ 二値化処理部
３３ パンタグラフ幅フィルタ処理部
３４ パンタグラフ軌跡トレースフィルタ処理部
３５ パンタグラフ単一点フィルタ処理部
３６ パンタグラフ実高さ計算部
３７ 補間処理部
３８ 平滑化処理部
３９ パンタグラフ加速度計算部

Claims (6)

1. ラインセンサから得られる画像信号を用いてラインセンサ画像を取得する手段と、前記ラインセンサ画像に対して二値化処理を行い、パンタグラフ部分を強調して二値化ラインセンサ画像とする手段と、前記二値化ラインセンサ画像上の一ラインに対し、画素が黒から白に変わる部分の白点をアップエッジ点、白から黒に変わる部分の白点をダウンエッジ点とし、前記アップエッジ点から前記ダウンエッジ点までの距離が設定した範囲内である場合に、前記アップエッジ点あるいは前記ダウンエッジ点いずれかのみを白で残して前記パンタグラフの軌跡とする手段を有する
   ことを特徴とする画像処理によるパンタグラフ動作測定装置。
2. 請求項１において、前記軌跡から予め設定した長さより短い点列をノイズとして削除する手段と、前記ラインセンサの走査線方向に対し一ライン上に複数個の軌跡点が存在する場合に前記軌跡点の平均位置に最も近い前記軌跡点以外を除去することで、前記軌跡から予め設定した長さ以上の前記軌跡以外の長い点列をノイズとして削除する手段を有する
   ことを特徴とする画像処理によるパンタグラフ動作測定装置。
3. 請求項１あるいは請求項２において、画像上の前記軌跡の高さから実際の高さを求める計算を行い、パンタグラフ高さデータとする手段を有する
   ことを特徴とする画像処理によるパンタグラフ動作測定装置。
4. 請求項３において、前記パンタグラフ高さデータのデータ欠落を補間する手段を加えた
   ことを特徴とする画像処理によるパンタグラフ動作測定装置。
5. 請求項３あるいは請求項４において、前記パンタグラフ高さデータの平滑化を行う手段を加えた
   ことを特徴とする画像処理によるパンタグラフ動作測定装置。
6. 請求項３乃至請求項５のいずれかにおいて、前記パンタグラフ高さデータから前記パンタグラフの加速度の計算を行う手段を有する
   ことを特徴とする画像処理によるパンタグラフ動作測定装置。

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