JP7066205B2 - 画像・水位変換システム、画像・水位変換方法、画像・水位変換プログラム、及び、これらに用いられるリング状指標 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 ・２０１９年１月２３日及び２０１９年２月１２日、神戸市建設局 下水道部 管路課にて公開 ・２０１９年４月１日、池田市役所 上下水道部 下水道工務課にて公開 ・２０１９年７月１１日、カタログの作成、配布、カタログを用いた営業活動を開始 ・２０１９年７月２７日、インターネット公開開始 ・２０１９年８月６日、「水位計と光ファイバー温度分布計測システムにＡＩを組合せた雨天時浸入水調査技術の実用化に関する実証事業」の実施を開始

本発明は、管渠内の水位を計測する画像・水位変換システム、画像・水位変換方法、画像・水位変換プログラム、及び、これらに用いられるリング状指標に関するものである。

国内の汚水の下水道普及率は約８０％であるが様々な問題点を抱えている。具体的には、合流式下水道改善計画、浸水対策、雨天時侵入水対策などがあげられる。このような業務において、全国的に管渠の流量調査が必要である。

下水管管渠の流量計測を行う一般的な方法として、流量計を用いる方法（例えば、下記特許文献１）や水位計を用いる方法がある。しかし、流量計や水位計を用いる場合、これら計測機器自体の価格が高く、その結果、流量調査にかかる費用も高いものになっていた。

そこで、特に雨天時侵入水対策における安価な流量（水位）計測方法として、電気伝導度によるもの、水温の変化によるもの、音によるもの（例えば、下記特許文献２）など様々な計測方法が開発されてきている。

特開平７－１９８４３１号公報 特開２０１３－１３０４８６号公報

しかしながら、これらの計測方法は直接的に水位を計測するものではなく、安価ではあるが計測精度の面で問題があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、安価でありながらも計測精度を担保できる画像・水位変換システム、画像・水位変換方法、画像・水位変換プログラム、及び、これらに用いられるリング状指標を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る画像・水位変換システムは、
リング状指標と、リング状指標が設置された管渠内を撮影するカメラと、撮影された管渠内の画像データに基づいて管渠の水位を求める画像・水位変換プログラムと、からなる画像・水位変換システムであって、
前記画像・水位変換プログラムは、
入力された管渠内の画像データからリング状指標の位置を設定する処理と、
前記リング状指標の指標原形を設定する処理と、
前記画像データ内のリング状指標と前記指標原形とを重ね合わせた状態で、形状の異なる箇所を検出する処理と、
前記異なる箇所から水位を算出する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とするものである。

かかる構成による画像・水位変換システムの作用・効果を説明する。この構成によると、画像・水位変換のために用いる主要なハードウェアは、リング状指標とカメラである。指標は、特段にコストを要するものではなく、またカメラも汎用的な撮像手段であり、流量計や水位計のような専用のハードウェア（プログラム）を必要としない。さらに、カメラにより得られた画像データをコンピュータソフトウェアにより処理して水位を演算する構成であるから、全体的なコストを抑制することができる。また、原理としてはリング状指標が水面下にある部分と水面上にある部分とは屈折の影響により形状が異なって見えることを利用するものである。すなわち、原形と比較して形状の異なる箇所を検出することで水位を算出することができる。実際の管渠内の画像データに基づいて水位を算出するものであり、直接的に水位を監視するものであるから計測精度も担保することができる。その結果、安価でありながらも計測精度を担保できる画像・水位変換システムを提供することができる。

上記課題を解決するため本発明に係る画像・水位変換方法は、
リング状指標が設置された管渠内をカメラで撮影し、撮影された管渠内の画像データに基づいて管渠の水位を求める画像・水位変換方法であって、
入力された管渠内の画像データからリング状指標の位置を設定する工程と、
前記リング状指標の指標原形を設定する工程と、
前記画像データ内のリング状指標と前記指標原形とを重ね合わせた状態で、形状の異なる箇所を検出する工程と、
前記異なる箇所から水位を算出する工程と、を有することを特徴とするものである。

かかる構成による作用・効果は前述の通りであり、安価でありながらも計測精度を担保できる画像・水位変換方法を提供することができる。

上記課題を解決するため本発明に係る画像・水位変換プログラムは、
入力された管渠内の画像データからリング状指標の位置を設定する処理と、
前記リング状指標の指標原形を設定する処理と、
前記画像データ内のリング状指標と前記指標原形とを重ね合わせた状態で、形状の異なる箇所を検出する処理と、
前記異なる箇所から水位を算出する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とするものである。

かかる構成による作用・効果は前述の通りであり、安価でありながらも計測精度を担保できる画像・水位変換プログラムを提供することができる。

本発明において、前記形状の異なる箇所は、水面の屈折により形状が異なり始める点であることが好ましい。かかる構成により、水位を精度よく検出することができる。

本発明において、前記画像データ内のリング状指標の画像は、内周側に第１リング領域、外周側に第２リング領域、第１リング領域と第２リング領域の間に位置する第３リング領域により形成され、第３リング領域は、第１リング領域及び第２リング領域と濃度が異なるように設定されていることが好ましい。

このような構成にすることで、水面とリング状指標の境界を検出しやすくすることができる。

本発明に係る画像・水位変換システム（画像・水位変換方法）で用いられるリング状指標は、
撮影された画像データで見た場合に、内周側に第１リング領域、外周側に第２リング領域、第１リング領域と第２リング領域の間に位置する第３リング領域により形成され、第３リング領域は、第１リング領域及び第２リング領域と濃度が異なるように設定されていることを特徴とする。

このような構成にすることで、水面とリング状指標の境界を検出しやすくすることができる。

本発明に係るリング状指標は、管渠の内壁面に当接可能であり所定の幅を有する円弧部と、この円弧部の両端に形成された折り曲げ部とを備え、前記幅方向に沿って、前記第１リング領域、前記第３リング領域、前記第２リング領域が形成されていることが好ましい。

かかる構成にすることで、管渠内にリング状指標を適切に設置することができる。

本発明に係るリング状指標の円弧部は弾性を有することが好ましい。これにより、リング状指標を管渠の内壁に確実に当接させることができる。

管渠を監視するカメラを設置する場合の模式的な斜視図 リング状指標が管渠内に設置された状態を示す図 リング状指標を示す正面図 リング状指標を示す外観斜視図 カメラから撮影される画像を示す図 水位変換を行う場合の作業フローチャート 画像データから水面検出までの手順を示すフローチャート 画像・水位変換プログラムの機能を示すブロック図 リング状指標の位置設定を説明する図 リング状指標と管ガイド（指標原形）を示す図 水面（屈折位置）を検出する手順を示す図 ２か所の屈折位置から水面を設定する図 水位を求める場合の寸法関係を説明する図

本発明に係る画像・水位変換システムの好適な実施形態をまず説明する。図１は、管渠を監視するカメラを設置する場合の模式的な斜視図を示し、図２は、リング状指標が管渠内に設置された状態を示す図である。

図１に示すように、マンホール１の内部に撮像手段としてのカメラ２が設置される。カメラ２は動画や静止画を撮影可能であり、マンホール１の内壁面に突っ張り棒２０により固定される。地下に管渠３が埋設されており、図１の場合、下水が矢印方向（左から右）へ流れているものとする。管渠３のマンホール１の内壁面に近い位置にリング状指標４が設置されている。図２は、水面が存在しない状態でのリング状指標４の設置状態を示している。図１に示すように、突っ張り棒２０は、水の流れに直交する方向に設置され、その中央にカメラ２が固定される。これにより、リング状指標４の全体画像が撮影できるようにしている。

カメラ２としては、タイムラプス撮影が可能であり、例えば、撮影間隔が１分間隔、連続撮影期間が１４日以上可能なものが好ましい。また、画素数としては３００万画素以上の品質があれば好ましい。画像形式としては、例えば、ＪＰＥＧであるものが使用される。

図３は、リング状指標を示す正面図、図４は、リング状指標を示す外観斜視図である。リング状指標４は、円弧部４０と、円弧部４０の両端部に形成された一対の折り曲げ部４１により構成される。リング状指標４は、好ましくは金属製（ステンレス等）の板材であり、弾性あるいは柔軟性を有している。なお、金属以外の樹脂等の素材を用いて製造してもよい。

リング状指標４の内面側には、第１リング領域４ａと、第２リング領域４ｂと、これら第１リング領域４ａと第２リング領域４ｂの間に位置する第３リング領域４ｃにより構成される。第１リング領域４ａと第２リング領域４ｂは白色であり、第３リング領域４ｃは黒色である。なお、白色と黒色の組み合わせはコントラストを大きくするためである。これにより、水位の検出を行いやすくなる。これ以外の色の組み合わせにより構成してもよい。各リング領域の幅の大きさについては、適宜設定することができる。

リング状指標４は、管渠３の内壁面（断面円形）に嵌合できるような外径寸法を有している。リング状指標４の内径Ｒの大きさは、一対の折り曲げ部４１の間隔を広げたり縮めたりすることで調整することができる。管渠３内にリング状指標４を設置するときは、折り曲げ部４１を手で持って内径Ｒが小さくなる方に縮め、設置位置において手を離すと弾性復元力により内径Ｒが広がり、管渠３の内壁面にリング状指標４を密着させることができる。密着させたのち、金具５により一対の折り曲げ部４１を連結してリング状指標４の形状を安定させることができる。

図１に示すように、水流の上流側から順に、第１リング領域４ａ、第３リング領域４ｃ、第２リング領域４ｂが配置されることになる。カメラ２の画角は、リング状指標が含まれる範囲が撮影されることになる。管渠に設置されるときは、折り曲げ部４１どうしを金具５により結合する。これにより、リング状指標４を管渠の内壁に密着させて、形状を安定させることができる。

図５は、カメラ２により撮影された画像データの一例を示す図である。図５から見ても分かるように、画像データ（画面）の上では、第１リング領域４ａ、第３リング領域４ｃ、第２リング領域４ｂは、同心円状に見える。カメラ２から見て一番奥にある第１リング領域４ａの内径が一番小さく、次いで、第３リング領域４ｃ、第２リング領域４ｂの順に大きく見える。

図５において、リング状指標４の水面下にある領域４ａ１，４ｂ１，４ｃ１は、屈折により形状が変形して見える。図５の右側は、屈折した箇所を拡大した図である。従って、その変化位置を検出することにより水面（水位）を検出することができる。屈折により形状が変形する位置は画像処理等により抽出することができる（後述）。

図６は、ある現場で画像・水位変換を行う場合の作業フローチャートである。計測を行うに際して、マンホール１および管渠３内にカメラ２、リング状指標４など測定器の設置を行う（Ｓ１）。次に、管渠３内の撮影を、例えば、１分間隔で行う（Ｓ２）。撮影される画像は図５に示す通りであり、得られた画像データはカメラ２にセットされた記憶媒体（フラッシュメモリ等）に記憶される。なお、撮影間隔については設置される環境等の事情に応じて適宜決めることができる。

次に、巡回点検日であるか否かを判断する（Ｓ３）。点検日でなければステップＳ２の撮影が継続される。巡回点検日は、例えば、１５日毎に設定される。点検日である場合は、画像データの回収を行う（Ｓ４）。具体的には、パソコン等のコンピュータを持ち込み、カメラ２に保存されている画像データをコンピュータに取り込む。図１は、マンホールの上の地上にいるオペレータがコンピュータに画像データを回収する様子が示されている。

取り込まれた画像データに基づいて、専用のソフトウェアにより画像・水位変換を行う（Ｓ５）。具体的な変換手順については図７のフローチャート等に基づいて後述する。変換を行った後、計測期間が満了したか否かを判断し（Ｓ６）、満了していなければステップＳ２に戻り、管渠３内の撮影を継続する。期間が満了した場合は、カメラ２やリング状指標４等の機材を撤去する（Ｓ７）。

取得された画像データから水位を検出するまでの手順は、図７のフローチャートに示される。また、図８は、画像・水位変換システムの機能を示すブロック図である。この画像・水位変換システムを構成するコンピュータソフトウェアは、画像データが取り込まれたコンピュータ内にインストールされている。画像データは、大容量の記憶媒体（ハードディスク等）１１に格納される。モニター１２には、撮影された画像データが表示される。

プログラム１０は、リング状指標位置設定手段、指標原形設定手段、水面検出手段（屈折位置検出手段）、画像・水位変換手段などの水位変換に必要な機能をコンピュータに実行させるものである。

取り扱う画像データはデジタル画像であり、画素（点）の集合体である。この点情報を取り出すことで水面を検出する。本実施形態では、撮影画像の画素数を３００万画素以上に設定しており、３００万画素の場合、解像度は２０４８（横）×１５３６（縦）となる。撮影対象の管径が直径４００ｍｍ以下であり、リング状指標４が画像全体の１／９以上で撮影されていれば、理論上は、管径の１／５１２以上（縦方向）の精度で水面を検出することができる。

＜水位検出までの手順＞
次に、水位検出までの手順を図７のフローチャートにより説明する。まず、オペレータは、コンピュータ内の画像データが保存されているフォルダを指定する。次に、画像データをモニターに表示させて、管径の入力と画像内のリング状指標４の指定（位置設定）を行う（Ｓ１０）。なお、管径は計測対象が決まっていれば既知の数値である。

リング状指標の画像データ上での位置や大きさは、すべての測定点で同じであるとは限らない。最初の１枚目の画像データに関して、オペレータはリング状指標４の位置を画面上から指定することで、その後の画像解析（画像処理）の基本とする。ただし、連続して撮影される画像は、カメラ２が固定されている以上、距離や上下位置が変化することは考えられない。そこで、概ね数日に１枚程度位置補正する（再度位置を指定する）程度で十分である。

図９に示すように、オペレータによりリング状指標４の外側４００および内側４０１をトレースする。これがリング状指標４の指定（位置設定）になる。これは、リング状指標位置設定手段の機能に基づく。外側４００も内側４０１も円形である。図９の右下にリング状に切り抜かれた画像が示される。外側４００の円と内側４０１の円の表示は、例えば、コンピュータ画面上で円の中心と半径を指定したり、画面上で円を発生させて、マウスで位置や大きさを調整したり、円周位置の任意の点を３カ所指定することなどで、トレースすることができる。あるいは、画面上で該当する位置（ポイント）をマウスでなぞって設定してもよい。設定されたリング状指標のデータは、コンピュータに保存される。

次に、オペレータにより、リング状指標４の黒と白のリングの境界をトレースする。かかる境界は、第１リング領域４ａと第３リング領域４ｃの境界、第２リング領域４ｂと第３リング領域４ｃの境界の２か所あるが、手前側の第１リング領域４ａと第３リング領域４ｃの境界をトレースする。もちろん、奥側の第２リング領域４ｂと第３リング領域４ｃの境界をトレースしてもよい。トレースのやり方は、前述の外側４００と内側４０１と同様に種々の方法があり、特定の方法に限定されるものではない。

上記境界のトレースで作成された円は管ガイド（リング状指標の原形に相当）４０２である（Ｓ１１）。図１０は、リング状指標４と管ガイド４０２を示す図である。かかる管ガイド４０２を作成するのは、屈折による水面検出を行いやすくするためである。管ガイド４０２を作成する機能は、コンピュータ１の指標原形設定手段の機能に基づく。設定された管ガイドはコンピュータに保存される。

次に、図１１の右下に示すように、管ガイド４０２の形状に添う形で天井側から順にトレースしていく（矢印Ｅ参照）。すると、途中で管ガイド４０２とリング状指標４の異なる箇所を見出すことができる。この箇所は水面によりリング状指標４が屈折している箇所であり、その点を水面とみなすことができる。図１１のＰで示す点が水面の位置を示すことになる。例えば、管ガイド４０２を上方からトレースしたときに、画素の色が黒から白に変化するポイントが現れた時に、そのポイントが水面であると判断することができる。

図１２に示すように、屈折している箇所は左右に２カ所あるので、左右の点Ｐを結んだ直線Ｆを引く。これは、画像上の水面Ｗが必ずしも水平であるとは限らないからである。水面の傾きに合わせた直線を引くことで、正確な水位を求めることができる（Ｓ１３）。画面上の水面が水平にならない理由としては、カメラの設置に若干の傾きがあるなどが考えられる。

図１３に示すように、直線Ｆの中心Ｂから垂線Ｇを引き、管ガイド４０２と交わる点をＡ，Ｃとする。ＡＣ間の距離は、予め、オペレータにより管径を入力しているので求めることができる。ＢＣ間の距離のＡＣ間の距離に対する比率を計算すれば水位を求めることができる。これは、プログラム１０の水位算出手段の機能に基づく。

水位を求めるべき画像が終了したかどうかを判断し（Ｓ１４）、画像データがフォルダに残っていれば、次の画像の準備をして同様の処理を繰り返す（Ｓ１５）。

＜別実施形態＞
本実施形態のマーカー４は、中心が黒のリングで、その両側が白のリングで構成されているが、これに限定されるものではない。中心を白にしてその両側を黒にしてもよい。また、色の選択も白と黒の組み合わせではなく、他の色の組み合わせにしてもよい。かかる構成を実現するため、専用ＡＩを構築することが好ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。

本実施形態において、リング状指標の画像を切り出す方法として、２つのリングを画面上に発生させてリング状指標を画面上で指定する方法を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、画像認識技術を用いて、自動的にリング状指標を含む画像を切り出す処理を行ってもよい。

水面検出処理や水位変換処理に関しても、本実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、屈折位置（水面）を検出する方法としてＡＩ技術を用いてもよい。一例として、過去の画像（リング状指標を撮影した画像）から水面位置（屈折位置）を学習させることで、水面を検出するようにしてもよい。

１ マンホール
２ カメラ
３ 管渠
４ リング状指標
４ａ 第１リング領域
４ｂ 第２リング領域
４ｃ 第３リング領域
４０ 円弧部
４１ 折り曲げ部
４００ 外側
４０１ 内側
４０２ 管ガイド
５ 金具
１０ 流量変換プログラム（ソフトウェア）

Claims (6)

1. リング状指標と、リング状指標が設置された管渠内を撮影するカメラと、撮影された管渠内の画像データに基づいて管渠の水位を求める画像・水位変換プログラムと、からなる画像・水位変換システムであって、
   前記画像・水位変換プログラムは、
   入力された管渠内の画像データからリング状指標の位置を設定する処理と、
   前記リング状指標の指標原形を設定する処理と、
   前記画像データ内のリング状指標と前記指標原形とを重ね合わせた状態で、形状の異なる箇所を検出する処理と、
   前記異なる箇所から水位を算出する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする画像・水位変換システム。
2. リング状指標が設置された管渠内をカメラで撮影し、撮影された管渠内の画像データに基づいて管渠の水位を求める画像・水位変換方法であって、
   入力された管渠内の画像データからリング状指標の位置を設定する工程と、
   前記リング状指標の指標原形を設定する工程と、
   前記画像データ内のリング状指標と前記指標原形とを重ね合わせた状態で、形状の異なる箇所を検出する工程と、
   前記異なる箇所から水位を算出する工程と、を有することを特徴とする画像・水位変換方法。
3. 請求項１に記載の画像・水位変換システムで用いられる画像・水位変換プログラムであって、
   入力された管渠内の画像データからリング状指標の位置を設定する処理と、
   前記リング状指標の指標原形を設定する処理と、
   前記画像データ内のリング状指標と前記指標原形とを重ね合わせた状態で、形状の異なる箇所を検出する処理と、
   前記異なる箇所から水位を算出する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする画像・水位変換プログラム。
4. 前記形状の異なる箇所は、水面の屈折により形状が異なり始める点であることを特徴とする請求項３に記載の画像・水位変換プログラム。
5. 前記画像データ内のリング状指標の画像は、内周側に第１リング領域、外周側に第２リング領域、第１リング領域と第２リング領域の間に位置する第３リング領域により形成され、第３リング領域は、第１リング領域及び第２リング領域と濃度が異なるように設定されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の画像・水位変換プログラム。
6. 請求項１に記載の画像・水位変換システムで用いられるリング状指標であって、
   撮影された画像データで見た場合に、内周側に第１リング領域、外周側に第２リング領域、第１リング領域と第２リング領域の間に位置する第３リング領域により形成され、第３リング領域は、第１リング領域及び第２リング領域と濃度が異なるように設定されており、
   管渠の内壁面に当接可能であり所定の幅を有する円弧部と、この円弧部の両端に形成された折り曲げ部とを備え、前記幅方向に沿って、前記第１リング領域、前記第３リング領域、前記第２リング領域が形成されており、
   前記円弧部は弾性を有することを特徴とするリング状指標。

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