JP5046285B2 - バブルカウントシステム - Google Patents

Description

本発明はバブルカウントシステムに関し、特に、広範囲に亘りガスが湧出する領域において当該ガスの湧出量を算出する場合に適用して有用なものである。

近年、地球温暖化を緩和するために様々な取り組みがなされている。例えば省エネルギー化や、二酸化炭素の排出を抑制することなどが行われている。このような取り組みの一つとして、工場や発電所等から排出されるＣＯ_２を地中に貯留してＣＯ_２の排出量を削減する技術がＣＯ_２削減の即効性ある方法として注目されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、例えば、地下に貯留したＣＯ_２が移行して地中の断層やクラックなどから地上に放出されることが考えられるので、実際にＣＯ_２地中貯留を実施するに先立ち、地下に貯留される大量のＣＯ_２が地下環境において及ぼす影響を事前に評価・検討する必要がある。具体的には、地層の浅部における二酸化炭素の移行に関する評価・検討の一環として、地上に湧出した二酸化炭素の量を計測する技術を確立する必要がある。

従来では、水田等のように水が張られた領域において、地下から地表に湧出する二酸化炭素が、気泡として水面に現れたときに当該気泡を目視でカウントすることで、湧出量を算出している。他にも、水面にシート等を配置し、シートを介して湧出した気体を直接的に収集し、その気体の成分を分析して二酸化炭素の湧出量を計測するという手法も採られている。

しかしながら、これらの人手による手法は、長期間に亘る計測には不適である。更に直接的に湧出する気体を収集できる量は、シート等の物理的な収集手段の大きさ・形状に依存することになり、一度に大量の気体が湧出するような場所では頻繁に収集・計測・再収集を繰り返す必要があり、煩雑な作業を要する。

特開２００４−２３７１６７号公報（請求項７等）

本発明は、かかる事情に鑑み、水面に現れた気泡から大気に放出される気体の体積を長期間に亘り連続的に計測することができるバブルカウントシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、水面の画像データを所定間隔で連続的に出力する撮像手段と、水面に現れた気泡の形状に基づく気泡パターンが設定される気泡パターン設定手段と、前記撮像手段からの前記画像データが入力され、当該画像データと前記気泡パターンとの照合を行い、その照合結果に基づいて前記画像データの気泡候補部を特定する気泡候補部特定手段と、前記気泡候補部から白色部を検出する白色部検出手段と、白色部が検出された気泡候補部について、第１時刻における画像データである第１画像データに占める第１気泡候補部の大きさが、前記第１時刻以降の第２時刻における画像データである第２画像データに占める第２気泡候補部の大きさと同一サイズであり、且つ前記第１画像データにおける第１気泡候補部の位置と前記第２画像データにおける第２気泡候補部の位置との差が一定範囲内であることを条件として、前記第１画像データの前記気泡候補部を気泡部として検出する気泡部検出手段とを具備することを特徴とするバブルカウントシステムにある。

かかる第１の態様では、気泡パターンを用いて、画像データ中の気泡と解される気泡候補部を特定する。そして、気泡候補部の白色部が所定の条件に適合するものを気泡部として検出する。また、気泡は白色に光って画像データに撮像されるという特徴を利用して白色部を検出しているので、確実に気泡部を検出することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載するバブルカウントシステムにおいて、前記気泡部検出手段は、前記第２時刻以降の各画像データにおいて、前記第１画像データにおける気泡部の位置に白色部が検出されなくなったときまでの画像データにおける前記気泡候補部を一つの気泡部として検出することを特徴とするバブルカウントシステムにある。

かかる第２の態様では、画像データ中の同一箇所に連続して現れる気泡を個別に検出することができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載するバブルカウントシステムにおいて、前記撮像手段は、既知の長さの被写体を撮像して画像データを出力し、前記被写体が当該画像データに占める画素数を算出し、当該被写体の長さを当該画素数で割った商である係数を算出する係数算出手段と、前記画像データにおける前記気泡部の画素数に前記係数を乗じて当該気泡の直径を算出し、この直径に基づいて当該気泡に含有される気体の体積を算出する体積算出手段とを具備することを特徴とするバブルカウントシステムにある。

かかる第３の態様では、画像データの気泡を検出し、当該気泡の体積を算出することで、大気に放出される気体の湧出量を算出することができる。

本発明によれば、水面に現れる気泡から大気に放出される気体の体積を、直接収集することなく測定できる。気体を直接収集する手段では、測定できる気体の体積に限りがあるが、本発明ではこのような限界は無く、ほぼ半永久的に気体の体積を測定することができる。特に、一度に大量の気体が放出されるような場所や、長期に亘って測定する必要がある場合などに本発明は有用である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

本実施形態では、二酸化炭素が地中から流出し、水田等の水中を通して大気中に放出される場合において、当該二酸化炭素の体積を求める場合において実施されるバブルカウントシステムについて説明する。

図１は、本実施形態に係るバブルカウントシステムの概略構成図である。図１（ａ）に示すように、撮像手段であるカメラ１０が水田１の周辺に配設されており、カメラ１０には画像処理装置２０が接続されている。水田１には、地中からの二酸化炭素が気泡２となり、水面で弾けて大気中に放出されている。

カメラ１０は、例えば１／３０秒間隔で水田１の所定のエリア３を撮像して画像データを作成し、画像処理装置２０に送信する。

画像処理装置２０は、ＣＰＵ、記憶装置（ＲＡＭ・ハードディスク等）、入力装置（キーボード・マウス等）、出力装置（ディスプレイ等）、通信手段等を備える一般的な情報処理装置である。画像処理装置２０は、入力された画像データから、水田１の水面に現れてから弾けるまでの気泡２を認識し、当該気泡２の体積を算出するものである。具体的には、画像処理装置２０が、画像データから気泡を認識するための画像処理、及び気泡の体積を算出するための計算処理を実行する。

図１（ｂ）に示すように、画像処理装置２０には、気泡パターン設定手段２１と、気泡候補部特定手段２２と、白色部検出手段２３と、気泡部検出手段２４と、係数算出手段２５と、体積算出手段２６とが備わっており、各手段２１〜２６は、画像処理装置２０で実行されるプログラムとして実装されている。

図２は、画像処理装置で実行される画像処理を説明する概念図である。図２を用いて、画像データから気泡を認識する画像処理について説明する。

気泡パターン設定手段２１は、画像処理装置２０の入力装置、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体、又は通信手段を介して気泡パターンが入力され、入力された気泡パターンを画像処理装置２０の記憶装置に記録する。ここで、気泡パターンとは、水田１（図１参照）の水面に現れた気泡の形状を表す画素の集合をいう。

図２（ａ）には、カメラ１０（図１参照）により入力された画像データ３０と、複数の気泡パターン４０とが例示されている。画像データ３０には、水田１の水面に現れた気泡２に対応して気泡候補部３１が撮像されている。気泡パターン４０は、この気泡候補部３１と照合され得るように、気泡２の形状に合わせた円形又は楕円形を表すように設定されている。なお、気泡候補部３１の楕円の扁平率は、カメラ１０の水田１の水面（図１参照）に対する俯角により決まるので、カメラ１０の俯角に対応した楕円形の気泡パターンを設定しておく。

気泡候補部特定手段２２は、画像データと気泡パターンとの照合を行い、その照合結果に基づいて画像データの気泡候補部を特定する。「画像データと気泡パターンとの照合」とは、画像データの所定位置に気泡パターンに該当する箇所を検出することを言う。この照合には、パターンマッチング方式、位相限定相関法、光相関手法、周波数解析方式等の既知の画像処理手段を好適に用いることができる。

図２（ａ）の例では、各気泡パターン４０を画像データ３０に照合させると、画像データ３０のうち、何れかの気泡パターン４０に一致した計２つの領域が特定され、これらの領域が気泡候補部３１とされる。

白色部検出手段２３は、気泡候補部から白色部を検出する。具体的には、ハフ変換や二次微分処理などの既知の特徴抽出手段を好適に用いることができる。気泡候補部から白色部を検出するのは、気泡に由来せず、単に円形や楕円形をした気泡候補部を排除するためである。なぜならば、水面に現れた気泡は光を反射するので、画像データの気泡が撮像されている領域には、白い点や白い輪郭が認められるからである。

例えば、図２（ｂ）に示すように、白色部検出手段２３により、気泡候補部３１に白色部３２が検出される。

気泡部検出手段２４は、連続する２つの画像データにおける白色部３２に基づいて気泡部を検出する。図２（ｃ）を用いて説明する。同図には、或る時刻Ｔ_１（第１時刻）における第１画像データ３０−１と、時刻Ｔ_１後の時刻Ｔ_２（第２時刻）における第２画像データ３０−２とが例示されている。第１画像データ３０−１では第１気泡候補部３１−１が特定され、第２画像データ３０−２では第２気泡候補部３１−２が特定されている。また、第１気泡候補部３１−１では第１白色部３２−１が検出され、第２気泡候補部３１−２では第２白色部３２−２が検出されている。

気泡部検出手段２４は、第１気泡候補部３１−１及び第２気泡候補部３１−２の大きさの差を算出する。例えば、第１気泡候補部３１−１及び第２気泡候補部３１−２の上下方向の直径差δ、左右方向の直径差εを算出する。

また、第１気泡候補部３１−１が第１画像データ３０−１に占める位置と、第２気泡候補部３１−２が第２画像データ３０−２に占める位置との差を算出する。例えば、第１気泡候補部３１−１の中心座標をＰ１（Ｘ１，Ｙ１）とし、第２気泡候補部３１−２の中心座標をＰ２（Ｘ２，Ｙ２）とし、中心座標Ｐ１とＰ２との距離Ｒを算出する。

そして、直径差δ及び直径差εが所定の範囲内であり、且つ距離Ｒが所定の範囲内であるならば、第１画像データ３０−１の第１気泡候補部３１−１を気泡部として検出する。

このようにして検出された気泡部は、例えば表１に示すような情報として記憶装置に記録される。

表１には、１つの気泡部に関する情報が例示されている。すなわち、画像データのうち（Ｘ１、Ｙ１）を中心座標とし、上下方向の直径が「２０」画素分であり、左右方向の直径が「２５」画素分であり、気泡ＩＤが「１０００」である気泡部が時刻「Ｔ_１」に出現したことが示されている。上記気泡部に関する情報には、「消滅フラグ」も含まれている。消滅フラグは、気泡部が消滅したか否かを表すフラグである。表１の例では、気泡部を検出した直後であるので、消滅フラグには消滅していないことを表す「FALSE」が記録されている。

気泡部検出手段２４は、上述のように気泡部を検出した後、当該気泡部が消滅するか否かを監視する。詳言すると、気泡部を検出した以降に順次入力される画像データに対して気泡候補部特定手段２２を適用した結果、当該気泡部の位置に、気泡候補部が特定されなくなったときに、当該気泡部は消滅したとする。表２は、表１に示した気泡部が消滅したときの気泡部に関する情報の例示である。

表２には、気泡ＩＤ「１０００」の気泡部の消滅フラグには消滅したことを表す「TRUE」が記録されている。

バブルカウントシステムでは、上述のように画像データから気泡部を検出したことで、現実の水田１の水面に現れた気泡を認識したことになる。

表１及び表２のように、気泡部の出現・消滅を記録することで、複数の画像データに亘り同一座標に、同一の大きさの気泡候補部が特定されても、同一の気泡であるか、別の気泡であるかを認識し得るようになっている。

図３は、気泡部を検出する処理に係る概念図である。図示するように、時刻Ｔ_１０において、気泡候補部３１−Ａが特定された結果、気泡ＩＤ「２０００」の気泡部が認識され、時刻Ｔ_１３において気泡候補部３１−Ａが特定されなくなっている。時刻Ｔ_１３での気泡部に関する情報を表３に例示する。

その後、時刻Ｔ_２０において、気泡ＩＤ「２０００」と同一位置に同一の大きさの気泡候補部３１−Ｂが特定されているが、このとき、表３の消滅フラグに「TRUE」とあるように、当該位置にあった気泡ＩＤ「２０００」は既に消滅しているから、気泡候補部３１−Ｂは、新たなＩＤ「２００１」の気泡部として認識される。その結果、時刻Ｔ_２０〜Ｔ_２５における気泡部に関する情報は表４のようになっている。

表４の消滅フラグに「FALSE」とあるように、気泡ＩＤ「２００１」の気泡部はまだ消滅していないことが示されている。

そして、時刻Ｔ_２５のとき、画像データ３０から気泡候補部３１−Ｂを特定したとすると、その位置と大きさは、気泡ＩＤ「２００１」の位置・大きさと同一になるが、当該気泡ＩＤ「２００１」の気泡部は未だ消滅していないので、時刻Ｔ_２５における気泡候補部３１−Ｂは、気泡ＩＤ「２００１」の気泡部として認識されるべきものとされる。

更に、時刻Ｔ_２６では、気泡候補部３１−Ｂが特定されなくなったので、気泡ＩＤ「２００１」の気泡部は、消滅したと記録される。結局、時刻Ｔ_２６での気泡部に関する情報は表５のようになる。

このように、一度気泡部が消滅した後に、同一位置に同一の大きさで現れた気泡部は別物として扱われるので、ほぼ同一箇所に連続的に現れる気泡でも個別にカウントすることができる。

係数算出手段２５は、気泡部を構成する画素数から、当該気泡部の現実の直径を算出するための係数を算出する。具体的には、長さが既知である被写体を撮像し、当該被写体の画像データに占める画素の数を算出する。そして、当該被写体の長さを画素数で割った商を係数とする。

図４は、係数の算出を説明する概念図である。

図４（ａ）には、正方形の枠体４が水田１の水面に浮かべてある。枠体４の各頂点をＰ’_１、Ｐ’_２、Ｐ’_３、Ｐ’_４とすると、カメラ１０は、頂点Ｐ’_３とＰ’_４との間の辺がカメラ１０の視野の幅一杯に収まるように枠体４を撮像している。図４（ｂ）には、カメラ１０により撮像された画像データ５０と、画像データ５０に映し出された枠体４である枠体画像５１が示されている。枠体４の頂点Ｐ’_３とＰ’_４が、画像データ５０の枠体画像５１の頂点Ｐ_３とＰ_４とに対応している。また、前記したようにカメラ１０は枠体４の一辺をカメラ１０の視野の幅一杯に撮像したので、枠体画像５１の頂点Ｐ_３と頂点Ｐ_４との間の下辺は画像データ５０の幅と一致している。ここで、枠体４の一辺の長さが既知の長さ、例えば１０００（ｍｍ）であるとすると、画像データ５０の幅方向の画素数が６４０であるとするならば、一画素あたりの長さは、１．５６２５（ｍｍ）と算出できる。すなわち、係数は１．５６２５（ｍｍ／画素）となる。

体積算出手段２６は、気泡の大きさを算出し、係数算出手段２５により算出された係数を乗じて気泡の体積を算出する。

図５は、画像データの気泡部を示す図である。

カメラ１０は水田１の水面に対して所定の俯角で枠体４を撮像しているので（図４（ａ）参照）、図５に示すように、画像データ５０に撮像された気泡は楕円形状の気泡候補部として特定され、気泡部検出手段２４により当該気泡候補部が気泡部５３として検出される。

一方、図４（ｂ）に示すように、枠体画像５１も歪んで台形となっているが、枠体４は正方形であるので、画像データ５０に撮像された枠体画像５１がどの程度歪んでいるかを測定することができる。この正方形の枠体画像５１の歪みに基づいて、気泡部５３の扁平率を算出する。この結果、図５に示すように、画像データ５０の楕円形の気泡部５３を、円形の気泡部５２に補正することができる。

このようにして求めた気泡部５２の直径の画素をカウントする。この画素数に、前記係数算出手段２５により求めた係数を乗じることにより、気泡部５２に対応する実際の気泡の直径Ｌが算出できる。この直径Ｌを元に、気泡の体積Ｖは式１の通りとなる。

［式１］
式１中、１／２を乗じているのは、気泡は水面に現れた半球だからである。

上記構成のバブルカウントシステムによれば、水田１の水面に現れた気泡はカメラ１０に撮像されて画像データとして画像処理装置２０により処理される。この処理においては、画像データから気泡が表された部位である気泡部が検出される。気泡部が検出されるとその大きさが算出されるので、気泡の体積を算出することができる。したがって、水田１の水面に連続的に現れる多数の気泡を所定期間撮像し続けることで、その所定期間内に気泡から大気に放出される二酸化炭素やメタンガス等の気体の湧出量を求めることができる。

例えば、水面にシート等を被せて物理的に気体を収集し、体積を測定する従来の手法では、一度に収集できる気体の量は、シート等の物理的な収集手段の大きさ・形状に制限されるが、本発明のバブルカウントシステムでは、画像データを介して間接的に気体の湧出量を求めるので、前記したような制限はなく、半永久的に気体の体積を算出し得る。このことは、一度に大量の気体が放出されるような場所や、長期に亘って測定する必要がある場合などに本発明のバブルカウントシステムは特に有用である。

なお、本実施形態では、カメラ１０からの画像データが連続的に画像処理装置２０にリアルタイムで送られるようにしたが、このような形態に限られない。例えば、所定期間、カメラ１０で撮像した複数の画像データを記憶媒体に記録し、画像処理装置２０が記憶媒体から順次画像データを読み込んで気泡の体積を算出するようにしてもよい。

本実施形態に係るバブルカウントシステムの概略構成図である。 画像処理装置で実行される画像処理を説明する概念図である。 気泡部を検出する処理に係る概念図である。 係数の算出を説明する概念図である。 画像データの気泡部を示す図である。

符号の説明

１ 水田
２ 気泡
３ エリア
４ 枠体
１０ カメラ
２０ 画像処理装置
２１ 気泡パターン設定手段
２２ 気泡候補部特定手段
２３ 白色部検出手段
２４ 気泡部検出手段
２５ 係数算出手段
２６ 体積算出手段
３０ 画像データ
３１ 気泡候補部
３２ 白色部
４０ 気泡パターン
５０ 画像データ
５１ 枠体画像
５２、５３ 気泡部

Claims (3)

1. 水面の画像データを所定間隔で連続的に出力する撮像手段と、
   水面に現れた気泡の形状に基づく気泡パターンが設定される気泡パターン設定手段と、
   前記撮像手段からの前記画像データが入力され、当該画像データと前記気泡パターンとの照合を行い、その照合結果に基づいて前記画像データの気泡候補部を特定する気泡候補部特定手段と、
   前記気泡候補部から白色部を検出する白色部検出手段と、
   白色部が検出された気泡候補部について、第１時刻における画像データである第１画像データに占める第１気泡候補部の大きさが、前記第１時刻以降の第２時刻における画像データである第２画像データに占める第２気泡候補部の大きさと同一サイズであり、且つ前記第１画像データにおける第１気泡候補部の位置と前記第２画像データにおける第２気泡候補部の位置との差が一定範囲内であることを条件として、前記第１画像データの前記気泡候補部を気泡部として検出する気泡部検出手段とを具備することを特徴とするバブルカウントシステム。
2. 請求項１に記載するバブルカウントシステムにおいて、
   前記気泡部検出手段は、前記第２時刻以降の各画像データにおいて、前記第１画像データにおける気泡部の位置に白色部が検出されなくなったときまでの画像データにおける前記気泡候補部を一つの気泡部として検出することを特徴とするバブルカウントシステム。
3. 請求項２に記載するバブルカウントシステムにおいて、
   前記撮像手段は、既知の長さの被写体を撮像して画像データを出力し、
   前記被写体が当該画像データに占める画素数を算出し、当該被写体の長さを当該画素数で割った商である係数を算出する係数算出手段と、
   前記画像データにおける前記気泡部の画素数に前記係数を乗じて当該気泡の直径を算出し、この直径に基づいて当該気泡に含有される気体の体積を算出する体積算出手段とを具備することを特徴とするバブルカウントシステム。