JP4923942B2 - 画像処理によるパンタグラフ測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像処理によりパンタグラフを測定するパンタグラフ測定装置に関する。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関するものである。

電気鉄道の設備としてトロリ線があるが、トロリ線はレール面より規定高さの範囲に敷設されなければならない。従って、経年変化や車両の動的な因子に影響されず、トロリ線の高さが管理値内に収まっているか管理する必要がある。
このときトロリ線の高さはパンタグラフの高さと等価なので、パンタグラフの高さを代用して管理している。パンタグラフとは、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。また、運転中パンタグラフが大きな加速度で下方に振動すると、パンダとトロリ線が離線し、このアークでトロリ線が局所摩耗する。従って、パンタグラフの加速度が小さくなるように管理する必要がある。

パンタグラフの測定手段として、検測車や車両限界測定車等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、一定周期毎に運用されている。
これら測定車には、車体の傾きやレールの偏位等を測定するセンサが多数取り付けられており、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（非特許文献１）。
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）レーザセンサは、主にスキャン式が使用され、ミラーなどでレーザをパンタグラフに対して走査させ、この反射波の位置差や照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センサである。
２）光切断センサは、縞を測定対象に投光し、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センサである。
３）加速度センサは、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で、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センサである。
４）画像処理方式にはモデルマッチングやパターンマッチングでパンタグラフを検出する方式がある。

しかし、これら方式にも次のような問題がある。
（１）レーザセンサの走査周期は、ミラーを回転させるモータの回転数限界と、ミラーの共振防止のため、相対的に走査周期が遅い。これによりレーザセンサは、パンタグラフの位置（低周波数成分）は測定できるが、加速度（高周波数成分）の測定には向いていない問題がある。
（２）光切断センサは昼間測定できない。これにより熱膨張の激しい昼間に測定できない。
（３）加速度センサで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。

しかし、以下の対策が必要で、簡易な測定方法ではない。
（ア）パンタグラフにセンサを直接固定する必要がある。
（イ）センサ出力電圧を取り出すケーブルには、対ノイズ性を考慮する必要がある。
（ウ）センサ出力電圧を取り出すケーブルには、絶縁性を考慮する必要がある。

（４）画像処理方式は、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、計算処理が膨大になる問題がある。
これらに対して、上記課題を解決するために、特許文献１では、車両の屋根上に設置したラインセンサからパンタグラフ付近の映像を取得し、この映像から時空画像を生成し、この時空画像に対して平均化処理を繰り返して階層時空画像を求めて、該階層時空画像よりパンタグラフの位置と加速度を測定する。
しかし、この方式ではトンネル坑口や陸橋下など背景の急激な変化によりパンタグラフを一時的に見失ってしまいデータ抜けが発生する恐れがある。
特開２００２−２７９４０９「画像処理によるパンタグラフ測定方法及びこの方式による測定装置」 電気学会著「電車線路設備保全の近代化技術」

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、特許文献１のラインセンサを用いた画像処理による測定方法があり、次の問題がある。

（１）レーザセンサの走査周期は、ミラーを回転させるモータの回転数限界と、 ミラーの共振防止のため、相対的に走査周期が遅い。
これによりレーザセンサは、パンタグラフの位置（低周波数成分）は測定できるが、加速度（高周波数成分）の測定には向いていない問題がある。
（２）光切断センサは昼間測定できない。これにより熱膨張の激しい昼間に測定できない。
（３）加速度センサで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。

しかし、パンタグラフにセンサを直接固定する必要がある、センサ出力電圧を取り出すケーブルには、対ノイズ性を考慮する必要がある、センサ出力電圧を取り出すケーブルには、絶縁性を考慮する必要がある、などの対策が必要で、簡易な測定方法ではない。
（４）画像処理方式は、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、計算処理が膨大になる問題がある。
（５）特許文献１のラインセンサを用いた画像処理による測定方法の場合、トンネル坑口や陸橋下など背景の急激な変化によりパンタグラフを一時的に見失ってしまいデータ抜けが発生する問題がある。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係るパンタグラフ測定装置は、車両の屋根上に設置したラインセンサからパンタグラフ付近の映像を取得し、この映像を画像処理部により画像処理して時空画像を生成し、前記パンタグラフの位置と加速度を測定するパンタグラフ測定装置において、前記パンタグラフには、光の反射しやすい領域と光の反射しにくい領域とが縞模様となったマーカーを前記ラインセンサによる走査方向を横切るように設置したことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項２に係るパンタグラフ測定装置は、請求項１において、前記画像処理部は、前記時空画像において、前記縞模様に対応するマーカーパターンを単位時間毎に高さ方向に走査して一致又は一定以上に近似する箇所を探索することにより照合するパターンマッチングを行うことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項３に係るパンタグラフ測定装置は、請求項１又は２において、前記ラインセンサは、前記パンタグラフに対して斜めのラインで走査して映像を取得することを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項４に係るパンタグラフ測定装置は、請求項１又は２において、前記ラインセンサに代えてエリアカメラを使用し、該エリアカメラにより取得された横方向の平均値により時空画像を求めることを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
（i）非接触の方式であるため高速走行でも運用が可能である。
（ii）装置の構造上、ポイント、エアーセクション、アンカーといった既存構造物との衝突を考慮する必要が無い。
（iii）特別な照明を使用する必要が無い。

（iv）レーザ光を使用する方法に比べて人体への影響を考慮する必要が無く、取り扱いが簡単である。
（v）レーザ光を使用する方法に比べて光源と受光装置間で精密な位置あわせを行う煩わしさが無い。
（vi）パンタグラフに取り付けたマーカーは、光の反射しやすい領域と光の反射しにくい領域とが縞模様となっているので、昼間でも背景と明確に切り分けができ、また、トンネル坑口など、背景の輝度が急に変化する場合においても連続的にデータを取得することができる。

（vii）時空画像をパターンマッチングすることで、ノイズの影響を排除してマーカーの画像を確実に探索することができる。
（viii）また、パンタグラフに対して斜めのラインでラインセンサを走査させることにより、傾斜に応じて分解能を向上させることができる。
（ix）更に、ラインセンサに代えてエリアカメラを使用し、平面的な画像の横方向の平均を使用することにより、ノイズ除去のメリットがある。
（x）パンタグラフに取り付けるマーカーの形状を複雑化することで、特徴量が増え、探索性能が向上し、誤検出などを防止することができる。

以下に実施例として示す形態が、本発明を実施するために最良の形態である。

（１）実施例１（基本的な考え方）
本発明は、パンタグラフの高さと加速度を、画像処理によって簡便に測定することを目的とするものであり、本実施例はその基本的な考え方に基づくものである。
その構成は図１（ａ）に示すように、車両１の屋根上に、ラインセンサ２を設置し、パンタグラフ３の舟体に取り付けたマーカー４の画像を取得するようにするものである。

ここで、ラインセンサ２の走査方向は、パンタグラフ３とマーカー４を上下に垂直に切断する方向とする。これにより、パンタグラフ３がどの高さに変動したとしてもマーカー４を必ず撮像できるようになる。
マーカー４は、図１（ｂ）に示すように、光を反射しにくい色や材質のもの（以後、黒マーカーと言う）４ａで光を反射しやすい色や材質のもの（以後、白マーカーと言う）４ｂを挟み込むことにより、縞模様としたものである。また、照明５としては通常の照明を使用する。

さらに、ラインセンサ２により取得された画像は、画像処理部６で画像処理し、画像処理の結果、計測したパンタグラフの高さと加速度が結果記録部７に記録される。
画像処理部６における画像処理方式は、図２に示すフローチャートに従い、次のように処理される。

（１）時空画像生成
先ず、図２に示すように、ラインセンサ２により単位時間毎（フレームレート毎）にパンタグラフ３に取り付けたマーカー４の映像を取得し、図３に示す時空画像を生成する。
図３に示す時空画像は、縦軸を高さ位置とし、横軸を時間とするものであり、マーカー４の縞模様に対応し、光の反射が少ない黒色の帯Ａで、光の反射が大きい白色の帯Ｂをサンドイッチ状に挟み込んだ縞模様が連続したものである。
また、パンタグラフ付近を高速で横切る電車線設備などパンタグラフの背景がノイズＣとして現れている。

（２）パターンマッチング
マーカー４の大きさとラインセンサ２の向きを考慮に入れると、画像上の位置方向によって写るマーカー４の画像の大きさがほぼ確定する。
そこで、図４に示すように、マーカー４の縞模様と位置に応じたマーカーパターンを生成する。マーカーパターンは、図４に示す通り、マーカーの画像上の位置に応じた輝度の分布を有するものであり、図中に矢印で示す高さの位置に応じて変化する複数のものを用意する。
そして、図５に示すように、マーカーパターンを単位時間毎に走査線を上方から下向きに走査させ、マーカーパターンと一致する箇所を探索する。一致する箇所が発見できないときは、一定以上近似したパターンについて、走査線について最も近似した箇所から順位を付けて複数記録する。つまり、第１候補、第２候補のように複数記録する。
また、近似した箇所が存在しない場合は保留する。

（３）パンダ位置補間
引き続き、パターンマッチングにおいて、図６に示すように保留された位置Ｄや連結していない位置Ｅは、前後の点から位置を補完する。補間の方法は、単純には保留箇所における間隙を埋めるように直線的に補完する方法があるが、その他の方法により補完してもよい。

（４）処理終了判定
全ての時空画像について、上述したようにパターンマッチング、位置補間の処理を繰り返し、パンタグラフ位置を記録する。

（５）高さ出力
記録されたパンタグラフ位置を、高さとして出力する。

（６）加速度出力
記録されたパンタグラフ位置で、下に凸の変極点の極値を求め、所定の値以上の極値を加速度として出力する。

本実施例は、画像処理によりパンタグラフ高さと加速度を測定するものであり、非接触の方式であるため高速な運用が可能である。
また、車両１上のラインセンサ２で取得した映像を画像処理部６で画像処理すると言う装置の構造上、ポイント、エアーセクション、アンカーといった既存構造物から離れた位置にラインセンサ２を設置でき、そのため、既存構造物との衝突を考慮する必要がなく、基本的に全ての区間においてラインセンサ画像の撮像が可能である。

また、特別な照明としてレーザ光を使用する必要がなく、レーザ光を使用する場合に比較し、人体への影響を考慮するような取り扱いへの難しさがない。更に、光源と受光装置間での精密な位置合わせを行う煩わしさがない。
パンタグラフ３に取り付けたマーカー４の縞模様は、黒マーカー４ａが背景（空など）と白マーカー４ｂを切り分けるため、昼間でもそのパターンを探索することで測定が可能である。

また、図７のようにトンネル坑口など突然背景が変化したとしても、黒マーカー４Ａが背景と同一となるものの、白マーカー４Ｂが投光器（照明）の光を反射するため、データが欠落することなく連続的に測定が可能である。

（２）実施例２（斜めラインによる時空画像生成）
本実施例は、図８に示すように、ラインセンサ１２により、パンタグラフ３の舟体に対して斜めのラインで走査させるものである。
即ち、ラインセンサ１２のラインは、カメラ取り付け位置の制約や、レンズ倍率の制約により、測定するパンタグラフ３について最適な測定範囲にならないことがあり得る。

そこで、本実施例のラインセンサ１２は、パンタグラフ３に対して鉛直方向からθ度傾けたラインで走査することにより画像を取得する。これにより、パンタグラフ３の高さ方向の分解像度を１／ＣＯＳθ倍向上させるメリットがある。
なお、パンタグラフ３に設置されるマーカー１４としては、パンタグラフ３の上下動によっても、常にラインセンサ１２により撮像されるよう、実施例１に比較して長いものを使用している。
本実施例において、その他は前述した実施例１と同様であり、同様な作用効果を奏する。

（３）実施例３（マーカー形状の複雑化）
本実施例は、図９に示すように、パンタグラフ３に取り付けるマーカー２４を複雑な縞模様としたものである。即ち、白マーカー２４ｂを２本線以上、黒マーカー２４ａを３本線以上にしたものである。
これにより、パターンマッチングする際の特徴量が増え、より探索性能が向上し、誤検出などを防止することができる。
本実施例において、その他は前述した実施例１と同様であり、同様な作用効果を奏する。

（４）実施例４（エリアカメラ）
本実施例は、図１０に示すように、ラインセンサ２の代わりにエリアカメラを使用するものである。
本実施例の時空画像の生成方法は次のとおりである。
（i）先ず、図１０に示すように、エリアカメラでパンタグラフ付近の映像を単位時間毎に取得し、取得したエリアカメラ撮像範囲Ｆ内でパンタグラフ３を含む矩形領域Ｇを切り取る。矩形領域Ｇは、鉛直方向に長く、横方向に短い領域である。矩形領域Ｇは、左右２箇所である。
（ii）次に、矩形領域Ｇにおいて、輝度を横方向に平均して平均値を求め、その平均値を上下における一本のライン（走査線）にする。
（iii）引き続き、取得したラインを図３の様に時空画像に生成する。

図１０では、矩形領域Ｇを２箇所設定しているが、それ以上に複数の領域を設定し、これら複数の領域において全ての横方向の平均値で時空画像を生成するとよい。
本実施例は、平面的な矩形領域Ｇの平均から時空画像を生成するため、パンタグラフ付近を高速で横切る電車線設備などパンタグラフ以外のものが消えるため、ノイズ除去に効果がある。
本実施例において、その他は前述した実施例１と同様であり、同様な作用効果を奏する。

本発明は、画像処理によりパンタグラフを測定するパンタグラフ測定装置に適用可能なものである。

図１（ａ）は、本発明の基本的な考え方（実施例１）に係るパンタグラフ測定装置の概略図、図１（ｂ）は、図１（ａ）中の一点鎖線部分の拡大図である。 本発明の基本的な考え方（実施例１）に係るパンタグラフ測定方法を示すフローチャートである。 時空画像例を示すグラフである。 探索パターン生成例を示すグラフである。 時空画像に対するパターンマッチングを示すグラフである。 パンタグラフ位置の補間を示すグラフである。 トンネル坑口における撮像例を示すグラフである。 本発明の実施例２に係るパンタグラフ測定装置の概略図である。 図９（ａ）は、本発明の実施例３に係る複雑化したマーカーを設置したパンタグラフの斜視図、図９（ｂ）は、図９（ａ）中の一点鎖線部分の拡大図である。 本発明の実施例４に係るエリアカメラより撮像されるパンタグラフ付近を示す概略図である。

符号の説明

１ 車両
２，１２ ラインセンサ
３ パンタグラフ
４，１４，２４ マーカー
４ａ，２４ａ 黒マーカー
４ｂ，２４ｂ 白マーカー
５ 照明
６ 画像処理部
７ 記録装置
Ａ 黒色の帯
Ｂ 白色の帯
Ｃ ノイズ
Ｄ 保留部分
Ｅ 連結していない位置
Ｆ エリアカメラ撮像範囲
Ｇ 矩形領域

Claims (4)

1. 車両の屋根上に設置したラインセンサからパンタグラフ付近の映像を取得し、この映像を画像処理部により画像処理して時空画像を生成し、前記パンタグラフの位置と加速度を測定するパンタグラフ測定装置において、前記パンタグラフには、光の反射しやすい領域と光の反射しにくい領域とが縞模様となったマーカーを前記ラインセンサによる走査方向を横切るように設置したことを特徴とするパンタグラフ測定装置。
2. 前記画像処理部は、前記時空画像において、前記縞模様に対応するマーカーパターンを単位時間毎に高さ方向に走査して一致又は一定以上に近似する箇所を探索することにより照合するパターンマッチングを行うことを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ測定装置。
3. 前記ラインセンサは、前記パンタグラフに対して斜めのラインで走査して映像を取得することを特徴とする請求項１又は２記載のパンタグラフ測定装置。
4. 前記ラインセンサに代えてエリアカメラを使用し、該エリアカメラにより取得された横方向の平均値により時空画像を求めることを特徴とする請求項１又は２記載のパンタグラフ測定装置。