JP5162412B2 - トンネル壁面撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両上に設置されたラインセンサカメラで撮影して得られたトンネル壁面画像を前記車両の進行方向の速度データによって補正し、適正なトンネル壁面画像を得るトンネル壁面撮影装置に関する。

特開平６−４２３００号公報（特許文献１）には、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両上に設置された１台のライン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るトンネル壁面撮影装置であって、曲面鏡に映されたトンネル壁面を前記１台のラインセンサカメラで撮影することを特徴とするトンネル壁面撮影装置が記載されている。

特開平１１−２８９８００号公報（特許文献２）には、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両上に設置され、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付けて設置され、その対応付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を備えたトンネル壁面撮影装置が記載されている。

特開２００１−４３３５３号公報（特許文献３）には、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両上に設置され、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付けて設置され、その対応付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、所定の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得手段と、前記データ取り込み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トンネル壁面撮影装置が記載されている。

ところで、上述のいずれのトンネル画像撮影装置においても、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両の移動速度が一定でなかった場合には、得られたトンネル壁面画像は実際のトンネル壁面を適正に表示したものではなくなってしまう。撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両上に設置されたラインセンサカメラで撮影してトンネル壁面画像を得るトンネル壁面撮影装置においては、車両の移動速度を一定に保つことは現実的には不可能である。線路のカーブ等のように路面にはカント（傾斜角度）があり、線路には勾配があり、更に運転士の不適切な操作も起こり得るからである。

一般的なラインセンサカメラは画像の取り込みタイミングが一定なので、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両の移動速度が一定でなかった場合、トンネル壁面撮影装置で得られたトンネル壁面画像は車両の移動速度に対応して伸び縮みし、適正な画像でなくなってしまう。そこで、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両上に設置されたラインセンサカメラで撮影して得られたトンネル壁面画像を前記車両の進行方向の速度データによって補正し、進行方向に対して歪のないトンネル壁面画像を得ることが求められる。
特開平６−４２３００号公報 特開平１１−２２９８００号公報 特開２００１−４３３５３号公報

本発明が解決しようとする第１の課題は、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両上に設置されたラインセンサカメラで撮影して得られたトンネル壁面画像を前記車両の進行方向の速度データによって補正し、歪のないトンネル壁面画像を得るトンネル壁面撮影装置を提供することである。
本発明が解決しようとする第２の課題は、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両上に設置されたラインセンサカメラで撮影して得られたトンネル壁面画像を前記車両の進行方向の速度データによって補正し、歪のないトンネル壁面画像を得るトンネル壁面撮影装置であって、前記速度データを非接触で取得することである。

上記課題を解決するために、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両に搭載されたラインセンサカメラで撮影して得られたトンネル壁面画像を前記車両の進行方向の速度データによって補正するトンネル壁面撮影装置において、前記車両の進行方向の速度データを、トンネル壁面に向けて前記車両に設置されたビデオカメラで前記ラインセンサカメラによるトンネル壁面撮影と同時に撮影したビデオ画像を信号処理装置で処理して得るようにした。

本発明により、撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両上に設置されたラインセンサカメラで撮影して得られたトンネル壁面画像を前記車両の進行方向の速度データによって補正し、歪のないトンネル壁面画像が得られるトンネル壁面撮影装置において、作業性に優れ、且つ価格も安いトンネル壁面撮影装置が提供された。
即ち、補正された画像はトンネルの進行方向に対する画素間の距離が正しく正規化されているので、画像から直接ひび割れなどの変状の位置、幅、長さを精密に計測でき、歪のないトンネル壁面画像が得られるようになった。
また、速度データを非接触で取得できるので、撮影の都度、トンネル壁面撮影装置を搭載する車両を改造する必要がなくなった。
更にまた、ビデオ画像を信号処理して速度データを非接触で取得するようにしたので、トンネル壁面撮影装置に新たに速度センサを取り付ける必要がなくなった。

本発明は、トンネル内の線路上を走行する車両に搭載されたラインセンサカメラで撮影して得られたトンネル壁面画像を前記車両の進行方向の速度データによって補正するトンネル壁面撮影装置であって、前記車両の進行方向の速度データをトンネル壁面に向けて前記車両に設置されたビデオカメラで前記ラインセンサカメラによるトンネル壁面撮影と同時に撮影したビデオ画像を信号処理装置で処理して得るようにしたことを特徴とするものである。

本発明に係るトンネル壁面撮影装置は、車両速度検出装置１とラインセンサカメラ画像データ補正装置２とで構成されている。車両速度検出装置１は、図１に示す如く、信号処理装置１０とビデオカメラ１５及び距離計１６で構成されている。信号処理装置１０は、プログラムに従って所定の演算を行う制御部１１、各種プログラムと各種データが記憶された記憶部１２、モニター１３及びプリンタ１４で構成されている。信号処理装置１０において、制御部１１は、ビデオカメラ１５で撮影されたトンネル壁面のビデオ画像データを記憶部１２に記憶する。また、制御部１１は、距離計１６から入力された距離データを記憶部１２に記憶する。前記距離データは、ビデオカメラ１２とトンネル壁面までの距離データである。

ラインセンサカメラ画像データ補正装置２は、図１に示す如く、信号処理装置２０とラインセンサカメラ２５で構成されている。信号処理装置２０は、プログラムに従って所定の演算を行う制御部２１、各種プログラムと各種データが記憶された記憶部２２、モニター２３及びプリンタ２４で構成されている。信号処理装置２０において、制御部２１は、ラインセンサカメラ２５で撮影されたトンネル壁面の画像データを記憶部２２に記憶する。

次に、本発明に係るトンネル壁面撮影装置の動作について説明する。トンネル壁面撮影装置が搭載された車両の速度（以下、車両速度と記載する。）を取得するためには、トンネルの壁面に向けてビデオカメラ１５を設置し、ラインセンサカメラ２５によるトンネル壁面撮影と同時に、ビデオカメラ１５でトンネル壁面を撮影する。ビデオカメラ１５の映像は一般的に３０分の１秒間隔の静止画と考えられるので、隣接するフレーム画像間の画像相関を取り画素移動量を算出する。

画像相関の取得に当たっては、図２に示す如く、或る時間ｔにおけるフレーム画像（Ａ）の中から、注目領域として例えば１００×１００ピクセルの矩形領域を切り出し、続いて、ｔ＋１秒後のフレーム画像（Ｂ）の中から前記注目領域と一致する領域がどこかを特定する探索を車両速度検出装置の信号処理装置１０で行う。フレーム画像（Ａ）とフレーム画像（Ｂ）は隣接するフレーム画像である。

（画像相関の求め方）
信号処理装置１０による前記探索は、輝度差の二乗和を求める数式１、又は差分絶対値総和ε(ｄ)を求める数式２を用いて、或いは、正規化相互相関ｒ(ｄ)を求める数式３を用いて行われる。但し、これらの数式において、Ｉは画像の輝度、ｘは画像中のピクセルの位置、ｄは画素移動量、εは残差、ｒは相関値を表す。

（画素移動量ｄの求め方）
数式１又は数式２を用いて、或る時間ｔにおけるフレーム画像と隣接する時間ｔ＋１におけるフレーム画像を比較したとき、上述の注目領域が一致したときには、輝度差の二乗和又は差分絶対値総和ε(ｄ)は最小になる。従って、輝度差の二乗和又は差分絶対値総和ε(ｄ)が最小になる距離ｄ、即ち画素移動量ｄを求めることができる。

車両速度検出装置の信号処理装置１０による前記処理は、例えば図４のフローチャートに従って行われる。即ち、ビデオカメラ１５によるトンネル壁面撮影画像が信号処理装置１０の記憶部１２に記憶される（１０１）と、制御部１１はプログラムに従って数式１の処理を行う。先ず、制御部１１は、ｉに１を代入する（１０２）。続いて、制御部１１はｉが全てのフレーム画像数になったか否かを判定する（１０３）。ステップ１０３の判定でＮｏならば、制御部１１はｄに１を代入する（１０４）。続いて、制御部１１はｄが横幅に達したか否か判定する（１０５）。ステップ１０５の判定でＮｏならば、制御部１は、ｉフレームとｉ＋１フレームに対してｄ画素ずらした画像相関ε(ｄ)を求める（１０６）。ステップ１０６の処理は、ｄが横幅に達するまで続く。ステップ１０５の判定結果がＹｅｓになると、制御部１１は、画像相関値ε(ｄ)が一番小さい値を出力した「ずらし画素量ｄ」を「画素移動量ｄ」として記憶部１２に保存する。ステップ１０４からステップ１０７の処理は、ｉが全フレーム画像数になるまで行われる。

（距離Ｌの求め方）
一方、車両速度検出装置は、距離計１６を用いて、ビデオカメラ１５からトンネル壁面までの距離計測を行い（１０８）、距離データＬを記憶部１２に記憶する。距離計１６には、ステレオカメラを用いた距離計、レーザー距離計、超音波距離計が利用できる。また、距離データＬは、距離計１６を用いずに、既存のトンネル断面図面を用いて算出して取得し、予め記憶部１２に予め記憶しておいたものを利用することもできる。

（車両速度の算出）
全フレーム画像の画素移動量ｄが得られ、且つビデオカメラ１５からトンネル壁面までの距離計測が終了すると、車両速度検出装置は、実移動量を算出し、車両速度を算出する。即ち、制御部１１はｉが全フレーム画像数になったと判定したときには、記憶部１２に保存されている画素移動量ｄ、即ち得られた全フレーム画像の画素移動量ｄと、ビデオカメラ１５からトンネル壁面までの距離データＬに基づいて実移動量Ｄを算出し（１０９）、この実移動量から車両速度を算出する（１１０）。

即ち、実移動量から車両速度を算出する処理は、より詳細に説明すれば、算出された画素移動量ｄから、１画素当たりの実際の大きさである画像解像度を用いて、実際の移動量Ｄを取得し（１０９）、最後に、ビデオカメラ１５のビデオフレームレート、ここでは３０分の１秒を用いて、車両速度に換算する（１１０）処理である。

上記画像解像度の取得に当たっては、ビデオカメラ１５のＣＣＤの大きさ（横幅）ｗ、焦点距離ｆ、ビデオカメラ１５から対象物である壁面までの距離Ｌから、撮影される実際の長さ（横幅）Ｗを（＝ｗＬ/ｆ）から求める。ビデオカメラ１５のＣＣＤの横方向の画素数が６４０であれば、その画像解像度は、Ｗ／６４０（＝ｗＬ／６４０ｆ）となる。すると、３０分の１秒の間に車両が移動した実移動量Ｄは画素移動量ｄに画像解像度を乗じて、ｄｗＬ／６４０ｆとなる。従って、車両が１秒間に移動した距離は３０Ｄ（＝３０ｗＬ／６４０ｆ）、１時間に移動した距離[km]は３６００／１０００を乗じて、１０８Ｌ／６４０ｆとなる。即ち、車両速度Ｖ[km/h]は１０８Ｌ／６４０ｆ[km/h]となる。以上の処理により、ビデオカメラ１５を搭載した車両の実際の移動速度が求まる。

ところで、画像解像度は、本発明に係るトンネル壁面撮影装置が搭載された車両に、２点間の距離が既知の平行レーザーポインタを設置し、この平行レーザーポインタを撮影対象のトンネル壁面に照射して求める方法がある。即ち、この方法によれば、撮影対象の「トンネル壁面には距離が既知の２つのレーザーポイントが現れることになる。従って、ビデオカメラ１５が撮影したトンネル壁面のビデオ画像中の２つのレーザーポイント間の距離から、３０分の１秒の間に実際に移動した距離が算出でき、画像解像度を求めることも出来る。この解像度算出方法によれば、ビデオカメラ１５のＣＣＤの大きさ（横幅）ｗと焦点距離ｆを考慮する必要がなく、またビデオカメラ１５から対象物である壁面までの距離Ｌを求める距離計１６も不要になる。

（画像補正のしかた）
次に、ラインセンサカメラ２５が撮影したトンネル壁面影画像を車両速度で補正する方法の一例を説明する。車両速度によるラインセンサカメラ２５のトンネル壁面画像の補正処理は、図５の流れに従って行われる。ラインセンサカメラ２５は、上述のビデオカメラ１５と同時に撮影対象のトンネル壁面を撮影し、そのトンネル壁面画像データは記憶部２２に記憶されている（２０１）。

ラインセンサカメラ画像データ補正装置の信号処理装置２０において、制御部２１は、プログラムに従って記憶部２２からトンネル壁面画像データを読み出し（２０２）、次いで車両速度検出装置１から車両速度データを取得する（２０３）、そして、トンネル壁面画像データを車両速度データで補正する（２０４）。トンネル壁面画像データを車両速度データで補正する処理は、例えば、フレーム画像の間引きと内挿を行うことである。これによって、ラインセンサ画像を車両の進行方向に対して、車両速度で補正される。

一例として、実際の車両の速度を
Ｖ [km/h]、欲しい解像度を Ａ [mm/pixel]、実際のカメラのラインレートをＮ [Hz]とすると、速度Ｖの時に解像度Ａで撮影するための目標ラインレートM [Hz]は数式３の如くとなる。

ここで、実際のラインセンサカメラ２５のラインレートをN [Hz]とすると、Ｍ／Ｎだけ間引き若しくは内挿を行うことにより、車両速度によるトンネル壁面画像データの補正が行える。なお、ラインレートとはラインセンサが1秒間に取得する映像ラインの数のことである。

具体的には、速度３６km／hで、欲しい解像度１mm／pixelとすると、目標ラインレートＭは、M= (１０００×３６)／ （３．６×１）
＝ １００００ [Hz]となる。ここで、実際のカメラのラインレートを５０００[Hz]だとすると、M／N
= １００００／５０００ =
２となり、２倍のライン数になるように内挿すればよいこととなる。即ち、1ラインごとに1ライン挿入すれば画像の補正ができる。

この例の場合で、速度が１８km／hの時はM = ５０００[Hz]となり、M／N = 1であるため、間引き若しくは内挿は行わなくてもよい。速度が９km/hの場合にはM = ２５００[Hz]となり、Ｍ／Ｎ = １／２であるためにライン数を半分に間引く必要がある。

本発明の実施例１のトンネル壁面撮影装置のブロック構成図の一例である。 本発明の実施例１のトンネル壁面撮影装置におけるビデオカメラのトンネル壁面画像の隣り合うフレーム画像の一例を模式的に示した図である。 本発明の実施例１のトンネル壁面撮影装置における画像解像度の求め方の一例を説明するための図である。 本発明の実施例１のトンネル壁面撮影装置におけるビデオカメラのトンネル壁面画像を利用した車両速度の算出処理の流れを示すフローチャートの一例である。 本発明の実施例１のトンネル壁面撮影装置におけるラインセンサカメラのトンネル壁面画像を、車両速度で補正する処理の流れを示すフローチャートの一例である。

符号の説明

１ 車両速度検出装置
２ ラインセンサカメラ画像データ補正装置
１０ 信号処理部
１１ 制御部
１２ 記憶部
１３ モニター
１４ プリンタ
１５ ビデオカメラ
１６ 距離計
２０ 信号処理部
２１ 制御部
２２ 記憶部
２３ モニター
２４ プリンタ
２５ ラインセンサカメラ

Claims (7)

1. 撮影対象のトンネル内の線路上を走行する車両に搭載されたラインセンサカメラで撮影して得られたトンネル壁面画像を前記車両の進行方向の速度データによって補正するトンネル壁面撮影装置において、
   前記車両の進行方向の速度データは、トンネル壁面に向けて前記車両に設置されたビデオカメラで前記ラインセンサカメラによるトンネル壁面撮影と同時に撮影したビデオ画像を信号処理装置で処理して得られたものであること、及び、
   前記信号処理装置の処理は、前記ビデオ画像の各フレーム画像間で画像相関を取って画素移動量を算出するステップ、算出された画素移動量から画像解像度を用いて実際の移動量を取得するステップ、及びビデオフレームレートを用いて車両速度に変換して速度データを取得するステップからなることを特徴とするトンネル壁面撮影装置。
2. 前記画像解像度は、前記ビデオカメラのＣＣＤの大きさ並びに焦点距離、及び前記ビデオカメラからトンネル壁面までの距離から求められるものであることを特徴とする請求項１に記載のトンネル壁面撮影装置。
3. 前記距離は、ステレオカメラを用いて取得されたものであることを特徴とする請求項２に記載のトンネル壁面撮影装置。
4. 前記距離は、レーザー距離計を用いて取得されたものであることを特徴とする請求項２に記載のトンネル壁面撮影装置。
5. 前記距離は、超音波距離計を用いて取得されたものであることを特徴とする請求項２に記載のトンネル壁面撮影装置。
6. 前記距離は、トンネル断面図面を用いて取得されたものであることを特徴とする請求項２に記載のトンネル壁面撮影装置。
7. 前記画像解像度は、前記車両に設置された２点間の距離が既知の平行レーザーポインタをトンネル壁面に照射し、前記ビデオカメラのビデオ画像中の２つのレーザーポイント間の距離から算出して求められるものであることを特徴とする請求項１に記載のトンネル壁面撮影装置。

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