JP6875836B2 - ワイヤロープ計測装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤロープ計測装置及び方法に関する。詳しくは、エレベータ巻上機付近のロープをラインセンサカメラで撮影した画像データを解析することで非接触にロープの径を計測する技術に関する。

特許文献１には、エリアカメラを用いることが開示され、特許文献２には、投光器を用いることが開示され、特許文献３には、ラインセンサを用いてロープ径を計測することが開示されている。

特許第５４４６８４９号公報 特許第４３７０４７１号公報 特許第５７６９８７５号公報

しかし、特許文献１は、エリアカメラを用いることが前提であるため、ラインセンサカメラと比較しロープ径の計測分解能が悪くなる。また、振動については考慮されていないため、ロープの振動等で計測開始時からカメラからロープの距離が変わった場合には計測が不可能となる。
特許文献２は、投光器がロープ１本に対して１台必要なため非常に高価なものとなる。
特許文献３は、画像処理結果から実寸への換算には、ピクセルあたりの換算係数を予め算出するため、ロープの振動等でカメラとロープの距離が変動した場合には換算係数の再設定を行う必要がある。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係るワイヤロープ計測装置は、１本又は２本以上のワイヤロープを異なる方向から撮影する２台のカメラと、前記２台のカメラで撮影された画像である画像データを解析する解析装置を備えるワイヤロープ計測装置において、前記解析装置は、前記画像データに対して、ステレオ方式による三角測量の原理を適用して、前記カメラに対する前記ワイヤロープの座標を求め、前記ワイヤロープの座標に基づき、前記ワイヤロープの直径を算出する際に、ボリューム歪像の補正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２に係るワイヤロープ計測装置は、請求項１において、前記ワイヤロープを照明する少なくとも１台の照明機器を備え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３に係るワイヤロープ計測装置は、請求項１又は２において、前記解析装置は、前記ワイヤロープの外径が前記カメラのイメージセンサ面に投影された二つの投影点を求め、前記ワイヤロープの外径に接する直線として、前記投影点と前記カメラの焦点を通る二つの直線を各々求め、前記直線に対して垂直で、前記ワイヤロープの中心を通る二つの垂線を求め、前記垂線の長さとして、前記直線が前記ワイヤロープの外径に接する点から前記ワイヤロープの中心までの距離を各々算出し、前記垂線の長さの和を以て、前記ワイヤロープの直径を算出することにより、前記ボリューム歪像の補正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４に係るワイヤロープ計測方法は、１本又は２本以上のワイヤロープを異なる方向から２台のカメラで撮影し、撮影された画像である画像データを解析することにより、ステレオ方式による三角測量の原理により、前記カメラに対する前記ワイヤロープの座標を求め、前記ワイヤロープの座標に基づき、前記ワイヤロープの直径を算出する際に、ボリューム歪像の補正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５に係るワイヤロープ計測方法は、請求項４において、前記ワイヤロープを少なくとも１台の照明機器により照明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６に係るワイヤロープ計測方法は、請求項４又は５において、前記ボリューム歪像の補正は、前記ワイヤロープの外径が前記カメラのイメージセンサ面に投影された二つの投影点を求め、前記ワイヤロープの外径に接する直線として、前記投影点と前記カメラの焦点を通る二つの直線を各々求め、前記直線に対して垂直で、前記ワイヤロープの中心を通る二つの垂線を求め、前記垂線の長さとして、前記直線が前記ワイヤロープの外径に接する点から前記ワイヤロープの中心までの距離を各々算出し、前記垂線の長さの和を以て、前記ワイヤロープの直径を算出することを特徴とする。

本発明は、２台のカメラ、いわゆる、ステレオカメラを用いて、１本又は２本以上のワイヤロープを異なる方向から撮影し、撮影された画像である画像データを解析することにより、ステレオ方式による三角測量の原理により、ステレオカメラに対するワイヤロープの座標（カメラとワイヤロープとの間の距離を含む）を求め、求めたワイヤロープの座標に基づいて、ワイヤロープの直径を算出する際に、ボリューム歪像補正を自動的に行うことができるという効果を奏する。

また、本発明は、画像から実寸への換算関数の算出する従来の発明に比較し、そのような換算関数を求めることなく、ワイヤロープの直径の計測が可能となった。この点は、従来計測が不可能であったワイヤロープが振動、位置変動する場合においても同様である。

更に、本発明は、ロープ１本に対して１つの投光器が必要な従来の発明に比較し、複数のワイヤロープに対して少なくとも１台の照明機器を用いることで、振動している複数のワイヤロープを計測する事が可能となった。

本発明のワイヤロープ径計測装置を示す装置構成図である。 ボリューム歪像の説明図である。 ボリューム歪像補正の説明図である。 本発明の実施例１に係るワイヤロープ径計測方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係るワイヤロープ径計測方法に係る各工程の説明図である

本発明の装置構成を図１に例示する。
図１は、エレベータ巻上機付近に設置されたワイヤロープ径計測装置を示すものである。

本発明のワイヤロープ径計測装置は、一つの実施形態として、図１に示すように２台のラインセンサカメラ（以下、単にカメラという）１，２、背景照明（機器）３、前方照明（機器）４及び解析装置５を備える。
カメラ１，２は、エレベータロープ（以下、単にロープという）８を異なる方向から撮影し、背景照明３は背面から、前方照明４は前面からロープ８を照明する。

図中において、カメラ１でロープ８が撮影される撮影範囲８１を一点鎖線で示し、カメラ２でロープ８が撮影される撮影範囲８２を二点鎖線で示すように、これらは重複しており、ロープ８を横断面で切断する方向である。
図中では、一例として、１本のロープ８を示しているが、エレベータ巻上機においては、複数本のロープ８を各カメラ１，２で撮影することも可能である。カメラ１，２で撮影する範囲を照明できれば、背景照明３又は前方照明４の一方は省略可能である。特許文献２では、投光器がロープ１本に対して１台必要であったのに対し、本発明では、複数本のロープ８を照明するために、背景照明３又は前方照明４の何れか１台の照明とすることも可能である。

解析装置５は、カメラ１，２で撮影された画像である画像データを解析する装置であり、詳しくは、カメラ１，２で撮影された画像データａに対して、ステレオ方式による三角測量の原理を適用して、カメラ１，２に対するロープ８の座標を求め、求めたロープ８の座標に基づき、ロープ８の直径を算出すると共に、ボリューム歪像の補正を行う装置である。
解析装置５は、画像収録部５１、画像処理部５２及びロープ径算出部５３を備える。解析装置５としては一般的なパーソナルコンピュータが使用でき、画像収録部５１、画像処理部５２及びロープ径算出部５３はソフトウェアにより実現可能である。解析装置５には、記憶装置６が付随する。

カメラ１，２で撮影された画像は、画像データａとして解析装置５に入力され、画像収録部５１が記憶装置６に記憶する。記憶装置６は、画像処理部５２、ロープ径算出部５３による処理に必要な各種データをも保存している。
画像処理部５２は、カメラ１，２で撮影された画像である画像データａに対して、後述する通り、エッジ検出、ノイズ除去処理を行う。

ロープ径算出部５３は、後述する通り、エッジ検出、ノイズ除去処理のされた画像データａに対して、ボリューム歪像の補正を含む各種の処理を行いロープ径（直径）を算出する装置である。
解析装置５には、エレベータコントローラ７等の外部入力によってエレベータ（図示省略）の位置信号ｂが入力し、エレベータの位置とカメラ１，２の撮影ラインの同期を行う。カメラ１，２間では同期信号ｃが送受信される。

前述した通り、エレベータロープを非接触にて計測する方法はいくつかあるが、本発明はラインセンサカメラ１，２によるステレオカメラ方式の計測装置を提供するものである。
計測機器としてラインセンサカメラ１，２を用いることで、１台のカメラ１又は２で複数のエレベータロープ８を一度に計測することが可能であり、エリアカメラを用いる特許文献１に比較して、分解能、撮像周期の面においても優れているため、より精密な計測が可能である。

従来にもカメラを用いてエレベータロープの径を計測する手法は提案されている。特許文献３ではエリアカメラ、ラインセンサカメラを用いてロープの径計測を行っており、本発明とはカメラを使用する点で関連性がある。
しかし、該当特許文献３は画像処理を行った結果から実寸への換算するための換算係数を予めピクセル単位で算出しておく必要がある。

このように予め換算係数を算出する場合、エレベータロープ振動等によってカメラからロープ間の距離が変動するたび換算係数が変わり、計測が不可能になってしまう。
また、カメラ特性である図２のボリューム歪像によって画像端の計測対象が太く撮影されてしまうため、換算係数を一意に定めることは出来ないという問題もあった。

これらの問題に対し、本発明は、２台のラインセンサカメラ１，２によってカメラ１，２に対するロープ８の座標（両者の間の二次元的距離を含む）を計測し、その計測値を用いてボリューム歪像の補正を自動的に行う事で、言い換えると、逐次的に画像処理結果から実寸への換算関数を自動的に算出するものである。
また、通常、ロープ径の管理はロープの山部分に対して行うため、画像からロープの山についても検出を行うことが望ましい。
まず、以下では理論式としてボリューム歪像の補正方法を述べる。

＜ボリューム歪像の補正方法＞
ボリューム歪像は、図２に示すように、カメラ１０を用いてロープ１１，１２などを撮影した場合に起こる現象であり、実空間Ａ上では同一直径の計測対象であるロープ１１，１２をカメラ空間（カメラ１０内の空間を言う）Ｂ内のイメージセンサ面１３に投影した場合には、画像端のロープ１２がカメラ中心ｄに位置するロープ１１に比べて太く計測される現象である。

即ち、実空間Ａ上では、カメラ中心ｄに位置するロープ１１と、画像端に位置するロープ１２とが同一直径の場合に、カメラ中心ｄに位置するロープ１１がカメラ空間Ｂ内のイメージセンサ面１３に投影された大きさｇに比較して、画像端に位置するロープ１２がカメラ空間Ｂ内のイメージセンサ面１３に投影された大きさｈが大きく（太く）計測される現象である。

以下、図３に示すように、実空間Ａに存在するロープ８に注目してボリューム歪像の補正方法を述べる。
以下の式（１）、（２）は、カメラ１０のイメージセンサ面１３のロープ投影点ｕ₁，ｕ₂から計測対象のロープ外径点Ｐ₁（ｘ₁，ｙ₁），Ｐ₂（ｘ₂，ｙ₂）への直線式である。

式（１）、（２）において、Ｆはカメラの焦点距離、ｕ₁，ｕ₂はカメラ中心ｄからの図中水平方向（ｘ軸方向）の距離であり、上記直線式は、何れも、焦点（０，０）を通る。
即ち、ロープ投影点ｕ₁，ｕ₂は、ロープ外径点Ｐ₁（ｘ₁，ｙ₁），Ｐ₂（ｘ₂，ｙ₂）がカメラ１０のイメージセンサ面１３に投影されたものであるから、ロープ投影点ｕ₁，ｕ₂とロープ外径点Ｐ₁（ｘ₁，ｙ₁），Ｐ₂（ｘ₂，ｙ₂）を通る直線式を求めることは、式（１）、（２）に示す通り、ロープ投影点ｕ₁，ｕ₂と焦点（０，０）を結ぶ直線式を求めたことと同一となる。

次に、上記の式（１）、（２）を用いて、ロープ外径点Ｐ₁，Ｐ₂を高さ（カメラ１０からロープ８までのｙ軸方向への奥行き）ｙ₀の位置に変換した点をＰ’₁（ｘ’₁，ｙ’₁），Ｐ’₂（ｘ’₂，ｙ’₂）とする。点Ｐ’₁，Ｐ’₂よりロープ中心座標Ｐ₀（ｘ₀，ｙ₀）は以下の式（３）を用いて算出することが出来る。ｙ’₁＝ｙ’₂＝ｙ₀であり、ロープ中心座標Ｐ₀は点Ｐ’₁，Ｐ’₂の中点に存在するとした。

この時、ロープ外径点Ｐ₁，Ｐ₂を通る式（１）、（２）の直線に対する垂線はそれぞれ以下の式（４），（５）で算出することができる。式（４），（５）は、何れもロープ中心座標Ｐ₀を通る。
即ち、式（１）、（２）で示す直線に対して垂直で、ロープ中心座標Ｐ₀を通る二つの垂線を求めるのである。

式（１）、（２）をそれぞれ式（４）、（５）に代入すると、以下の式（６），（７）ようにロープ外径点Ｐ₁（ｘ₁，ｙ₁），Ｐ₂（ｘ₂，ｙ₂）を算出することが出来る。

以下の式にてボリューム歪像を補正したロープ径Ｄは以下の式（８）で算出が可能となる。

即ち、式（８）の第２式、第３式に示すように、二つの垂線の長さｄ₁，ｄ₂として、式（１）、（２）で示す直線がロープ８に接する外径点Ｐ₁，Ｐ₂からロープ中心座標Ｐ₀までの距離を各々算出する。
そして、式（８）の第１式に示すように、垂線の長さｄ₁，ｄ₂の和を以て、ロープ８の直径Ｄを算出するのである。

ここで、カメラ１０の焦点距離Ｆ、カメラ１０からロープ８までの奥行きである高さｙ₀は既知であり、ロープ中心座標Ｐ₀はステレオ方式による三角測量の原理を適用して求められる。また、カメラ１０のイメージセンサ面１３のロープ投影点ｕ₁，ｕ₂はカメラ１０により測定される。更に、式（６）（７）により、ａ₁，ａ₂，ｘ₁，ｙ₁，ｘ₂，ｙ₂も計算により求められる。

以下、本発明の実施例について、図４に示すフローチャートを参照して説明する。
本実施例は、図１に示す装置構成よりなるロープ径計測装置において、ロープ径の算出を行うものである。

本発明の手順は、図４に基づき以下のように行う。
先ず、カメラ１，２で撮影した画像を画像データとして解析装置５に入力する（ステップＳ１）。
次いで、入力された画像データに対して、解析装置５の画像処理部５２により、エッジ検出、ノイズ除去処理を行う（ステップＳ２）。

引き続き、エッジ検出及びノイズ除去処理の行われた画像データに対して、解析装置５のロープ径算出部５３により、ロープ距離計測（ステップＳ３）、ロープ径算出（ステップＳ４）、ロープ山部分算出（ステップＳ５）を行う。
その後、解析装置５により、撮像が終了したか否か判断し（ステップＳ６）、撮像が終了していなければ、新しく撮影した画像の入力を行い（ステップＳ７）、ステップＳ２〜ステップＳ５を繰り返す一方、撮像が終了して入れば、終了する（ステップＳ８）。
それぞれの手順については、以下の通りである。

＜ステップＳ１：画像入力＞
図５（ａ）に示すように、カメラ１，２で撮影した画像を画像データとして解析装置５に入力する。図５（ａ）では、黒色で塗りつぶしたロープ８の内側と、白色で塗りつぶしたロープ８の外側との境界がロープ８の外径Ｉである。
ここで、エレベータコントローラ７から取得した位置情報を用いてカメラ撮像周期を変動させることで、ロープ８の撮影ピッチを一定に撮影することが可能となる。
このピッチを一定に撮影した２台分のカメラ１，２の画像を入力する。

＜ステップＳ２：エッジ検出、ノイズ除去処理＞
図５（ｂ）に示すように、入力した画像からロープ８の外径（エッジ）を検出する。図５（ｂ）では、ロープ８の内側とロープ８の外側との境界がロープ８のエッジＪとして検出される。
ここで、ロープ８のエッジ検出手法としてパラボラフィッティングを用いたサブピクセル精度でのエッジ検出を行うことで、通常のエッジ検出より高精度にロープの外径が検出できる。
この時、算出したエッジに対して移動平均法を用いることでエッジに含まれる撮像ノイズの除去も行う。

＜ステップＳ３：ロープ距離計測＞
左右のカメラ１，２の画像のロープ外径検出結果から計測対象ロープ８の中心座標を算出し、事前にキャリブレーションで求められているカメラ内部、外部パラメータを用いた三角測量の原理でカメラから対象のロープ中心までの距離を計測する。

＜ステップＳ４：ロープ径算出＞
ステップＳ２において検出したロープ８の外径と、ステップＳ３にて計測したロープまでの距離情報を用いてロープ８の直径の計測を行う。この点については、既に図３に基づいて説明した通り、その際に、ボリューム歪像の補正を行う。簡単に繰り返すと以下の通りである。

先ず、ロープ８の外径点Ｐ₁，Ｐ₂がカメラ１０のイメージセンサ面１３に投影された二つのロープ投影点ｕ₁，ｕ₂を求める。
次いで、ロープ投影点ｕ₁，ｕ₂を通り、ロープの外径点Ｐ₁，Ｐ₂に接する直線として、式（１）、（２）で示すように、ロープ投影点ｕ₁，ｕ₂と焦点（０，０）を結ぶ直線式を求める。

引き続き、式（１）、（２）で示す直線に対して垂直で、ロープ中心座標Ｐ₀を通る二つの垂線を求める。
そして、式（８）の第２式、第３式に示すように、二つの垂線の長さｄ₁，ｄ₂として、式（１）、（２）で示す直線がロープ８に接する外径点Ｐ₁，Ｐ₂からロープ中心座標Ｐ₀までの距離を各々算出し、式（８）の第１式に示すように、垂線の長さｄ₁，ｄ₂の和を以て、ロープ８の直径Ｄを算出する。

なお、図５（ｃ）に示すように、検出されたロープ８の直径値Ｋは、画像撮像ラインに応じて一定振幅で変動する。
なお、特許文献３では、ピクセルあたりの換算係数を予め算出するため、ロープの振動等でカメラとロープの距離が変動した場合には換算係数の再設定を行う必要があったが、本発明では、ステレオ方式による三角測量の原理を適用しているため、そのような換算係数の再設定は不要となる。

＜ステップＳ５：ロープ山部分算出＞
図５（ｄ）に示すように、計測したロープの直径値からロープ山部分の検出を行う。即ち、検出されたロープ８の直径値Ｋは、画像撮像ラインに応じて一定振幅で変動することから、ロープ直径値Ｋの計測結果値の極大値を算出することによりロープ山部分Ｌを求める。

本発明のワイヤロープ計測装置及び方法は、非接触にロープの径を計測する技術に関し、ボリューム歪像の補正を行うため、広く産業上利用可能である。

１，２，１０ ラインセンサカメラ（カメラ）
３，４ 照明
５ 解析装置
６ 記憶装置
７ エレベータコントローラ
８，１１，１２ ワイヤロープ（ロープ）
１３ カメライメージセンサ面
５１ 画像収録部
５２ 画像処理部
５３ ロープ径算出部
８１，８２ 撮影範囲
Ａ 実空間
Ｂ カメラ空間
ａ 画像データ
ｂ 位置信号
ｃ 同期信号
ｄ カメラ中心
Ｆ カメラの焦点距離
ｇ，ｈ 投影された大きさ
Ｉ ロープの外径
Ｊ ロープのエッジ
Ｋ ロープの直径値
Ｌ ロープ山部分
Ｐ₀ ロープ中心座標
Ｐ₁，Ｐ₂ ロープ外径点
ｕ₁，ｕ₂ ロープ投影点

Claims (6)

1. １本又は２本以上のワイヤロープを異なる方向から撮影する２台のカメラと、
   前記２台のカメラで撮影された画像である画像データを解析する解析装置を備えるワイヤロープ計測装置において、
   前記解析装置は、前記画像データに対して、ステレオ方式による三角測量の原理を適用して、前記カメラに対する前記ワイヤロープの中心座標を求め、
   前記ワイヤロープの中心座標に基づき、前記ワイヤロープの直径を算出する際に、ボリューム歪像の補正を行うことを特徴とするワイヤロープ計測装置。
2. 請求項１において、前記ワイヤロープを照明する少なくとも１台の照明機器を備えることを特徴とするワイヤロープ計測装置。
3. 請求項１又は２において、前記解析装置は、
   前記ワイヤロープの外径が前記カメラのイメージセンサ面に投影された二つの投影点を求め、
   前記ワイヤロープの外径に接する直線として、前記投影点と前記カメラの焦点を通る二つの直線を各々求め、
   前記直線に対して垂直で、前記ワイヤロープの中心を通る二つの垂線を求め、
   前記垂線の長さとして、前記直線が前記ワイヤロープの外径に接する点から前記ワイヤロープの中心までの距離を各々算出し、
   前記垂線の長さの和を以て、前記ワイヤロープの直径を算出することにより、前記ボリューム歪像の補正を行うことを特徴とするワイヤロープ計測装置。
4. １本又は２本以上のワイヤロープを異なる方向から２台のカメラで撮影し、
   撮影された画像である画像データを解析することにより、ステレオ方式による三角測量の原理により、前記カメラに対する前記ワイヤロープの中心座標を求め、
   前記ワイヤロープの中心座標に基づき、前記ワイヤロープの直径を算出する際に、ボリューム歪像の補正を行うことを特徴とするワイヤロープ計測方法。
5. 請求項４において、
   前記ワイヤロープを少なくとも１台の照明機器により照明することを特徴とするワイヤロープ計測方法。
6. 請求項４又は５において、
   前記ボリューム歪像の補正は、
   前記ワイヤロープの外径が前記カメラのイメージセンサ面に投影された二つの投影点を求め、
   前記ワイヤロープの外径に接する直線として、前記投影点と前記カメラの焦点を通る二つの直線を各々求め、
   前記直線に対して垂直で、前記ワイヤロープの中心を通る二つの垂線を求め、
   前記垂線の長さとして、前記直線が前記ワイヤロープの外径に接する点から前記ワイヤロープの中心までの距離を各々算出し、
   前記垂線の長さの和を以て、前記ワイヤロープの直径を算出することを特徴とするワイヤロープ計測方法。

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