JP7101151B2 - レール遊間測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、レールの継目部分の遊間量を測定するレール遊間測定方法に関するものである。

従来、継目部分即ちレール遊間の遊間量を測定する方法として、レールにある間隙を検出する間隙検出手段からの信号に基づいて間隙の画像を撮像する方法、又は、発光素子からレールに向けて照射された光の反射光を検知する方法が用いられている。

特開平２－８５７０４号公報（特許文献１）には、被験物体にある間隙の幅を相対的に移動する物体から測定する間隙測定装置において、間隙を検出する間隙検出手段と、間隙検出手段からの信号に基づいて、間隙の画像を撮像する撮像手段と、撮像手段によって得られた画像から間隙の幅を算出する演算手段とを備えた技術が開示されている。上記特許文献１記載の技術では、間隙検出手段は、被験物体に光を照射する照射光学系と照射光の被験物体からの反射光を受光する受光光学系を備えている。

特開平８－１４５６３２号公報（特許文献２）には、レール遊間測定装置において、レール上を走行可能な台車に取り付けられ、発光素子からレールに向けて照射された光の反射光を検出する複数の受光素子をレール幅方向に並べて構成されたレール遊間センサと、各受光素子からの検出信号を、第１のしきい値レベルＥＨ、第２のしきい値レベルＥＬ（ＥＨ＞ＥＬ）と比較してそれぞれ２値化する各レール遊間センサに対応した複数の第１、第２の比較器と、を備えた技術が開示されている。上記特許文献２記載の技術では、レール遊間装置は、各第１の比較器出力、各第２の比較器出力が入力される第１、第２の論理回路と、第１、第２の論理回路出力の論理条件に応じてレール遊間か否かを判別する第３の論理回路とを備えている。

特開平２－８５７０４号公報 特開平８－１４５６３２号公報

このような従来の方法により継目部分即ちレール遊間の遊間量を測定するためには、例えば軌道検測車等の鉄道車両又は保守用車等に特殊な測定装置を搭載する必要があり、人の操作により継目部分の遊間量を測定するための特殊な測定装置を導入する必要がある。そのため、特殊な測定装置を導入又は運用するための労力又は費用を削減することができないおそれがあり、特殊な測定装置の運用の都合で測定自体が制約を受けるおそれがある。

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、軌道の長さ方向において互いに隣り合うレールの間の継目部分の遊間量を測定するレール遊間測定方法において、特殊な測定装置を用いずに通常のカメラで撮影した撮影画像から画像処理技術を用いて継目部分の遊間量を精度良く測定することができるレール遊間測定方法を提供することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明の一態様としてのレール遊間測定方法は、軌道の長さ方向において互いに隣り合う第１レールと第２レールとの間の継目部分の遊間量を測定するレール遊間測定方法である。当該レール遊間測定方法は、第１レール、第２レール及び継目部分を撮影し、第１レール、第２レール及び継目部分が撮影されたグレイスケールの第１画像を作成する（ａ）ステップと、第１画像に対して軌道の長さ方向の平滑化処理を行うことにより、継目部分がぼかされたグレイスケールの第２画像を作成する（ｂ）ステップと、を有する。また、当該レール遊間測定方法は、第１画像に対して第１二値化処理を行うことにより、第３画像を作成し、第２画像に対して第２二値化処理を行うことにより、第４画像を作成する（ｃ）ステップと、第４画像に対して第１ラベリング処理を行うことにより、第１レール、第２レール及び継目部分を一体的に示す第１領域が抽出された第５画像を作成し、作成された第５画像をマスクとして用いて第３画像に対してマスキング処理を行うことにより、第１レールを示す第２領域と、第２領域から離れた第３領域であって第２レールを示す第３領域と、が抽出された第６画像を作成する（ｄ）ステップと、を有する。また、当該レール遊間測定方法は、第５画像と第６画像との差分又は排他的論理和を算出し、継目部分を示す第４領域が抽出された第７画像を作成する（ｅ）ステップと、第７画像の第４領域の形状に基づいて、継目部分の遊間量を測定する（ｆ）ステップと、を有する。

また、他の一態様として、当該レール遊間測定方法は、軌道の長さ方向において互いに隣り合い且つ継目板により接続された第１レールと第２レールとの間の継目部分の遊間量を測定するものであってもよい。また、当該レール遊間測定方法は、更に、継目板の軌道の長さ方向における第１長さを示す第１情報を用意する（ｇ）ステップを有してもよい。（ａ）ステップでは、第１レール、第２レール、継目部分及び継目板を撮影し、第１レール、第２レール、継目部分及び継目板が撮影された第８画像を作成してもよい。（ｆ）ステップでは、第７画像の第４領域の軌道の長さ方向における第１レール側の第１端部と、第７画像の第４領域の軌道の長さ方向における第２レール側の第２端部と、の間の第１画素数を算出し、第８画像の継目板の軌道の長さ方向における第１レール側の第３端部と、第８画像の継目板の軌道の長さ方向における第２レール側の第４端部と、の間の第２画素数を算出し、第１画素数、第２画素数及び第１情報に基づいて、継目部分の遊間量を測定してもよい。

また、他の一態様として、（ｃ）ステップでは、第１画像に対して第１閾値を用いて第１二値化処理を行うことにより、第３画像を作成し、第２画像に対して第２閾値を用いて第２二値化処理を行うことにより、第４画像を作成してもよい。また、第１閾値及び第２閾値は、第５画像の第１領域が第１レール、第２レール及び継目部分を一体的に示し、且つ、第６画像の第３領域が第６画像の第２領域から離れるように、設定されていてもよい。

また、他の一態様として、（ａ）ステップでは、第１レール及び第２レールが第１画像の縦方向に沿い、且つ、第１画像の横方向と交差するように、第１画像を作成してもよい。また、（ｄ）ステップでは、第４画像の横方向の第１幅に対する第１領域の横方向の第２幅の第１幅比が第３閾値以下であり、且つ、第４画像の縦方向の第２長さに対する第１領域の縦方向の第３長さの第１長さ比が第４閾値以上であるときに、第１領域が抽出された第５画像を作成してもよい。

また、他の一態様として、（ａ）ステップでは、第１レール及び第２レールが第１画像の縦方向に沿い、且つ、第１画像の横方向と交差するように、第１画像を作成してもよい。また、（ｂ）ステップでは、第１画像に対して、第１画像の縦方向に配列されたｎ個（ｎは３以上の奇数）の画素よりなるカーネルを有するｎ×１ガウシアンフィルタを用いて、軌道の長さ方向の平滑化処理を行うことにより、第２画像を作成してもよい。

また、他の一態様として、（ｅ）ステップは、第５画像と第６画像との差分又は排他的論理和を算出することにより、第９画像を作成する（ｅ１）ステップと、第９画像に対して第２ラベリング処理を行うことにより、継目部分を示す第４領域が抽出された第７画像を作成する（ｅ２）ステップと、を含んでもよい。

本発明の一態様を適用することで、軌道の長さ方向において互いに隣り合うレールの間の継目部分の遊間量を測定するレール遊間測定方法において、特殊な測定装置を用いずに通常のカメラで撮影した撮影画像から画像処理技術を用いて継目部分の遊間量を精度良く測定することができる。

実施の形態のレール遊間測定システムの構成を示す図である。 レールの継目部分を示す平面図である。 実施の形態のレール遊間測定方法の一部のステップを示すフロー図である。 実施の形態のレール遊間測定方法において撮影又は作成された画像の一例を示す図である。 実施の形態のレール遊間測定方法において撮影又は作成された画像の一例を示す図である。 実施の形態のレール遊間測定方法において撮影又は作成された画像の一例を示す図である。 実施の形態のレール遊間測定方法において撮影又は作成された画像の一例を示す図である。 実施の形態のレール遊間測定方法において撮影又は作成された画像の一例を示す図である。 実施の形態のレール遊間測定方法において撮影又は作成された画像の一例を示す図である。 実施の形態のレール遊間測定方法において撮影又は作成された画像の一例を示す図である。 実施の形態のレール遊間測定方法において撮影又は作成された画像の一例を示す図である。 実施の形態のレール遊間測定方法において撮影又は作成された画像の一例を示す図である。

以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実施の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

また本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

更に、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見やすくするためにハッチング（網掛け）を省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見やすくするためにハッチングを付す場合もある。

なお、以下の実施の形態においてＡ～Ｂとして範囲を示す場合には、特に明示した場合を除き、Ａ以上Ｂ以下を示すものとする。

（実施の形態）
＜レール遊間測定システム及びレール遊間測定方法＞
初めに、本発明の一実施形態である実施の形態のレール遊間測定システム及びレール遊間測定方法について説明する。本実施の形態のレール遊間測定システムは、軌道の長さ方向において互いに隣り合う第１レールと第２レールとの間の継目部分の遊間量を測定するレール遊間測定システムである。また、本実施の形態のレール遊間測定方法は、軌道の長さ方向において互いに隣り合う第１レールと第２レールとの間の継目部分の遊間量を測定するレール遊間測定方法であり、本実施の形態のレール遊間測定システムを用いたレール遊間測定方法である。

図１は、実施の形態のレール遊間測定システムの構成を示す図である。図１は、実施の形態のレール遊間測定システムの構成を、レールの継目部分の側面図と合わせて示す。図２は、レールの継目部分を示す平面図である。

図１及び図２に示すように、例えばバラストよりなる道床１の上面に、枕木２としての枕木２ａ及び枕木２ｂが配置されている。枕木２ａ及び枕木２ｂは、軌道の長さ方向に配列されている。枕木２ａ及び枕木２ｂには、レール３としてのレール３ａ及びレール３ｂが、レール締結装置４としてのレール締結装置４ａ及びレール締結装置４ｂにより締結されている。枕木２ａ及びレール締結装置４ａは、レール３ａとレール３ｂとの間の継目部分３ｃを固定するものである。枕木２ｂ及びレール締結装置４ｂは、レール３の継目部分３ｃ以外の部分を固定するものである。

レール締結装置４ａは、タイプレート５と、継目板６と、板ばね７と、を含む。タイプレート５は、枕木２ａとレール３との間に介在し、且つ、例えば犬釘（図示は省略）を用いて枕木２ａに固定されている。継目板６は、レール３の継目部分３ｃを挟んでレール３ａとレール３ｂとを接続している。板ばね７は、タイプレート５上に継目部分３ｃを跨ぐように配置され、レール３ａ及びレール３ｂの底部を、タイプレート５に固定する。一方、レール締結装置４ｂとして、例えば犬釘を用いることができる。

図１に示すように、本実施の形態のレール遊間測定システム１０は、第１画像作成部１１と、第２画像作成部１２と、第３画像作成部１３と、第４画像作成部１４と、第５画像作成部１５と、遊間測定部１６と、を有する。また、本実施の形態のレール遊間測定システム１０は、第１画像作成部１１、第２画像作成部１２、第３画像作成部１３、第４画像作成部１４、第５画像作成部１５及び遊間測定部１６の動作を制御する制御部１７を有してもよい。第１画像作成部１１、第２画像作成部１２、第３画像作成部１３、第４画像作成部１４、第５画像作成部１５、遊間測定部１６及び制御部１７として、例えば第１画像作成部１１、第２画像作成部１２、第３画像作成部１３、第４画像作成部１４、第５画像作成部１５、遊間測定部１６及び制御部１７に一定の動作をさせるためのプログラムを実行するコンピュータを用いることができる。なお、第１画像作成部１１、第２画像作成部１２、第３画像作成部１３、第４画像作成部１４、第５画像作成部１５、遊間測定部１６及び制御部１７は、図１に示すように、例えば軌道検測車等の鉄道車両１８に設置されてもよいが、地上側に設置されてもよい。

図１に示すように、第１画像作成部１１は、レール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃを継目部分３ｃの上方から撮影する撮影部１１ａを含む。図１に示すように、撮影部１１ａは、鉄道車両１８の前端部又は後端部に、下方を向いた状態で、設置されてもよい。或いは、撮影部１１ａは、レール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃを継目部分３ｃの上方から撮影できればよいので、図示は省略するが、例えばドローン等の飛行物体に設置され、予め登録された継目部分３ｃの位置情報及び衛星測位システムに基づいて、自動的に継目部分３ｃを撮影するようにしてもよい。

次に、本実施の形態のレール遊間測定システムを用いたレール遊間測定方法について説明する。前述したように、本実施の形態のレール遊間測定方法は、軌道の長さ方向において互いに隣り合うレール３ａとレール３ｂとの間の継目部分３ｃの遊間量を測定するレール遊間測定方法である。

本実施の形態のレール遊間測定方法は、継目部分３ｃを撮影した撮影画像に対して画像処理技術を用いて画像処理することにより、継目部分３ｃの遊間量を測定する方法である。基本原理としては、継目部分即ちレール遊間がない画像を仮想的に再現し、レール遊間がある現実の画像との差分を算出することにより、レール遊間を抽出し、抽出されたレール遊間の画像中の寸法を測定することにより、継目部分３ｃ即ちレール遊間の遊間量を測定するものである。

また、撮影部１１ａにより撮影された画像からレール遊間を算出するアルゴリズムは、以下の通りである。基本的な考え方は、前述したように、レール遊間のない画像とレール遊間のある画像との差分を算出することにより、レール遊間の抽出及び遊間量の測定を行うものである。

図３は、実施の形態のレール遊間測定方法の一部のステップを示すフロー図である。図４乃至図１２は、実施の形態のレール遊間測定方法において撮影又は作成された画像の一例を示す図である。

本実施の形態のレール遊間測定方法では、第１画像作成部１１は、レール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃを継目部分３ｃの上方から撮影し、レール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃが撮影されたグレイスケールの画像２１（後述する図５参照）を作成する（図３のステップＳ１）。即ち、レール及び継目部分を撮影し、継目部分がある画像を作成する。

このステップＳ１では、第１画像作成部１１は、まず、レール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃを継目部分３ｃの上方から撮影し、レール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃが撮影されたカラー画像である画像２０（後述する図４参照）を作成する。画像２０は、前述したように、カラー画像であるので、１つの画素に対して、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のカラー情報即ちＲＧＢの値（それぞれＲ、Ｇ、Ｂを変数とする）を保持しており、１枚の画像２０当たり３つのレイヤーで構成されている。

しかしながら、以後の各ステップを行って継目部分３ｃの遊間量を測定するためには、画像２０のカラー情報は必要ではない。そのため、このステップＳ１では、第１画像作成部１１は、次に、継目部分３ｃの遊間量を容易に測定するために、例えば下記式（数１）により表されるＮＴＳＣ（National Television System Committee）加重平均法を用いたグレイスケール変換を行うことができる。
Ｙ＝０．２９８９１２Ｒ＋０．５８６６１１Ｇ＋０．１１４４７８Ｂ・・・（数１）

このグレイスケール変換により、画像２０がグレイスケール化され、レール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃが撮影されたグレイスケールの画像２１（後述する図５参照）を作成する。なお、ＮＴＳＣ加重平均法を用いたグレイスケール変換に代えて、例えば、緑（Ｇ）のレイヤーをグレイとみなして用いる、又は、Ｙ＝（１／３）Ｒ＋（１／３）Ｇ＋（１／３）Ｂで表されるように三等分する、等の各種のグレイスケール変換を行うことができる。

このようにしてグレイスケール変換を行う前後の画像を、図４及び図５に示す。図４は、グレイスケール変換前の継目部分３ｃの画像２０を示し、図５は、グレイスケール変換後の継目部分３ｃの画像２１を示す。言い換えれば、ステップＳ１では、第１画像作成部１１は、グレイスケール変換を行って、１つの画素に対するＲＧＢの値を１つにまとめて定義することにより、その後の画像処理のための画像データを作成することになる。

次に、第２画像作成部１２は、画像２１に対して軌道の長さ方向の平滑化処理を行うことにより、継目部分３ｃがぼかされたレール３ａ及びレール３ｂのグレイスケールの画像２２（後述する図６参照）を作成する（図３のステップＳ２）。即ち、平滑化処理を行うことにより、継目部分がない画像を作成する。

このステップＳ２では、第２画像作成部１２は、継目部分３ｃ即ちレール遊間が存在する画像２１（図５参照）に対して、継目部分即ちレール遊間が存在しない仮想の画像を作成するために、レール長手方向のみに平滑化処理を行う。即ち、画像２１に対して、レール長手方向のみに平滑化処理を行い、継目部分即ちレール遊間が存在しない状態を仮想的に再現する。

平滑化処理の一例として、ガウス分布によるガウシアンフィルタを設計し、近傍画素値に重みづけを行うことができる。ここで、レール長手方向（軌道の長さ方向）にのみ平滑化処理を施せばよい。そのため、カーネルのサイズを横方向（ｘ方向）の大きさ×縦方向（ｙ方向）の大きさとして表記する場合に、カーネルのサイズを１×４１とし、ｘ方向の標準偏差σをσ＝０とし、ｙ方向の標準偏差σをσ＝４１として、設計することができる。言い換えれば、カーネルのサイズを縦方向（ｙ方向）の大きさ×横方向（ｘ方向）の大きさとして表記する場合に、カーネルのサイズを４１×１として設計することができる。

このようにして平滑化処理を行った画像を、図６に示す。図６は、ガウシアンフィルタによる平滑化画像である画像２２を示す。図５と図６とを比較すると、図６において、レール長手方向にのみ平滑化処理が施されていることがわかる。

次に、第３画像作成部１３は、画像２１（図５参照）に対して二値化処理を行うことにより、画像２３（後述する図７参照）を作成し、画像２２（図６参照）に対して二値化処理を行うことにより、画像２４（後述する図８参照）を作成する（図３のステップＳ３）。即ち、継目部分がある画像、及び、継目部分がない画像に、二値化処理を行う。

このステップＳ３では、画像２１（図５参照）及び画像２２（図６参照）の各々からレール部分を抽出するための前処理として、二値化処理を行う。つまり、継目部分３ｃ即ちレール遊間が撮影されている画像と、継目部分３ｃ即ちレール遊間が撮影されていない仮想の画像と、に対して、一定の閾値により、黒と白の二値化処理を行う。

１つの画像中で輝度が大きく異なっている場合、普通に固定の閾値を用いて二値化すると、画像の明るい部分がホワイトアウトするか、又は、画像の暗い部分が逆にブラックアウトする場合がある。軌道画像即ち継目部分が撮影された画像のレールにおいても同様であり、このようなホワイトアウト又はブラックアウトする問題を防止するため、注目ピクセルの周囲の輝度値に応じて閾値を決定する適応型閾値（Adaptive Threshold）を利用することができる。閾値の計算方法としては、近傍領域のガウシアン分布による重みづけ平均値を閾値とする方法を用いることができる。また、近傍領域のサイズが例えば５１画素となるように設計することができる。

このようにして二値化処理を行った画像を、図７及び図８に示す。図７は、平滑化処理を行っていない画像２１（図５参照）に対して二値化処理を行うことにより作成された画像２３を示し、図８は、平滑化処理を行った画像２２（図５参照）に対して二値化処理を行うことにより作成された画像２４を示す。また、二値化処理を行うことにより作成された画像はノイズを多く含んでいるため、ノイズ除去を目的として、モルフォロジー変換のうち収縮（Erosion）を施している。

次に、第４画像作成部１４は、画像２４（図８参照）に対してラベリング処理を行うことにより、レール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃを一体的に示す領域ＲＧ１（後述する図９（ｂ）参照）が抽出された画像２５（後述する図９（ａ）参照）を作成する。また、第４画像作成部１４は、作成された画像２５をマスクとして用いて画像２３（図７参照）に対してマスキング処理を行うことにより、レール３ａを示す領域ＲＧ２（後述する図１０（ｂ）参照）と、領域ＲＧ２から離れた領域ＲＧ３であってレール３ｂを示す領域ＲＧ３（後述する図１０（ｂ）参照）と、が抽出された画像２６（後述する図１０（ａ）参照）を作成する（図３のステップＳ４）。即ち、継目部分がない画像にラベリング処理を行い、継目部分がある画像にマスキング処理を行う。

このステップＳ４では、第４画像作成部１４は、二値化処理を行うことにより作成された画像２４（図８参照）からレール部分のみを抽出するために、ラベリング処理及びフィルタリング処理を行う。言い換えれば、画像２４の領域を分割し、レール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃを一体的に示す領域ＲＧ１（後述する図９（ｂ）参照）が抽出された画像２５（後述する図９（ａ）参照）、更に言い換えれば、継目部分即ちレール遊間がない画像を作成する。

ラベリング処理とは、二値化処理を行うことにより作成された画像中で、値が零でない（白の）ピクセルが連続して配置されることにより形成された領域（Connected Component）を検出し、検出された領域にラベル付け（ラベリング）を行うものである。ラベリングされた領域は、ラベリング番号、面積、縦横のサイズ又は重心等を保持する。例えば、画像２４（図８参照）に対してラベリング処理を行うことにより、面積が３０，０００画素以上４００，０００，０００画素以下であり、且つ、画像全体に対して領域の幅が６０％以下、高さが９０％以上の領域を、レールを示す領域として抽出することができる。

また、ステップＳ４では、次に、第４画像作成部１４は、画像２４（図８参照）に対してラベリング処理を行うことによりレール部分のみが抽出された画像２５（後述する図９（ａ）参照）をマスクとして用いて、画像２３（図７参照）に対してマスキング処理を行う。このとき、画像２４からレール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃを一体的に示す領域として抽出された領域ＲＧ１（後述する図９（ｂ）参照）に相当する領域を画像２３から抽出する。これにより、画像２３のうち、領域ＲＧ１に相当する領域以外の領域をマスクする（マスキング処理する）ことになり、レール３ａを示す領域ＲＧ２（後述する図１０（ｂ）参照）と、領域ＲＧ２から離れた領域であってレール３ｂを示す領域である領域ＲＧ３（後述する図１０（ｂ）参照）と、が抽出された画像２６（後述する図１０（ａ）参照）、言い換えれば、継目部分３ｃ即ちレール遊間がある画像を作成する。

このようにしてラベリング処理及びマスキング処理を行ってレールを示す領域を抽出した結果を、図９及び図１０に示す。図９（ａ）は、レール遊間がない画像、即ち継目部分３ｃがぼかされたレール二値画像である画像２４（図８参照）に対してラベリング処理を行うことにより作成された画像２５を示し、図９（ｂ）は、画像２５のうち、領域ＲＧ１、及び、領域ＲＧ１以外の領域ＲＧ１１、を含む領域ＲＧ１２を、模式的に拡大して示す。図１０（ａ）は、レール遊間がある、即ち継目部分３ｃがぼかされていないレール二値画像である画像２３（図７参照）に対して画像２５をマスクとしてマスキング処理を行うことにより作成された画像２６を示し、図１０（ｂ）は、画像２６のうち、領域ＲＧ２及び領域ＲＧ３、並びに、領域ＲＧ２以外で且つ領域ＲＧ３以外の領域ＲＧ２１、を含む領域ＲＧ２２を、模式的に拡大して示す。また、レールを示す領域が抽出されたレール二値画像である画像２５及び画像２６については、二値化処理を行った時に発生した穴などの欠損が存在するため、モルフォロジー変換におけるオープニング処理を施すことにより、穴埋めを行っている。

次に、第５画像作成部１５は、画像２５（図９（ａ）参照）と画像２６（図１０（ａ）参照）との差分又は排他的論理和を算出し、継目部分３ｃを示す領域ＲＧ４（後述する図１１（ｂ）参照）が抽出された画像２７（後述する図１１（ａ）参照）を作成する（図３のステップＳ５）。即ち、継目部分がある画像と継目部分がない画像との差分を算出し、継目部分を抽出する。

このステップＳ５では、レール遊間のないレール二値画像である画像２５（図９（ａ）参照）とレール遊間のあるレール二値画像である画像２６（図１０（ａ）参照）の差分を算出することにより、継目部分３ｃのみ即ちレール遊間のみの画像２７（後述する図１１（ａ）参照）を作成する。ここで、画像２５及び画像２６の各々は二値化画像であるので、それぞれの画素値に対して排他的論理和を演算することにより、差分を算出する。排他的論理和を演算することにより差分を算出した画像については、細かなノイズが多く発生する。そのため、モルフォロジー変換のクロージング処理を行うことにより、ノイズ除去を行いつつ、レール遊間のサイズの変化を防止することができる。

このようにして差分を算出することにより継目部分３ｃ即ちレール遊間が抽出された画像２７を、図１１に示す。図１１（ａ）は、画像２７を示し、図１１（ｂ）は、画像２７のうち、領域ＲＧ４、及び、領域ＲＧ４以外の領域ＲＧ４１、を含む領域ＲＧ４２を、模式的に拡大して示す。図１１（ａ）では、画像２７のうちほとんどの領域で何も写されておらず黒く表示されているのに対し、領域ＲＧ４では継目部分３ｃ即ちレール遊間が白く表示されている。

次に、遊間測定部１６は、画像２７（図１１（ａ）参照）の領域ＲＧ４（図１１（ｂ）参照）の形状に基づいて、継目部分３ｃの遊間量を測定する（図３のステップＳ６）。即ち、抽出された継目部分の形状に基づいて、遊間量を測定する。

このステップＳ６では、ステップＳ４と同様に、継目部分３ｃ即ちレール遊間のみを抽出するために、ラベリング処理を行う。ラベリング処理を行うことにより抽出される領域ＲＧ４について、例えば当該領域ＲＧ４の面積が１５画素以上であり、当該領域ＲＧ４の縦方向の長さに対する横方向の幅の比である縦横比が１．４以上であり、且つ、領域ＲＧ４の外接矩形の面積に対する領域ＲＧ４の面積の比が７０％以上であるときに、領域ＲＧ４が継目部分３ｃである、と定義して、継目部分３ｃを抽出することができる。また、抽出された継目部分３ｃの外接矩形の高さを、継目部分３ｃの遊間量として出力する。

このようにして抽出された継目部分３ｃを、図４に示した画像２０と重ねて示す画像２８を、図１２に示す。図１２では、矩形形状を有する枠で囲まれた領域ＲＧ５によりレールを示し、直線で表される領域ＲＧ６により継目部分３ｃを示し、「６」の文字で継目部分３ｃの遊間量を示している。

前述したように、従来、継目部分３ｃ即ちレール遊間の遊間量を測定する方法として、上記特許文献１に記載された技術である、レールにある間隙を検出する間隙検出手段からの信号に基づいて間隙の画像を撮像する方法が用いられている。或いは、上記特許文献２に記載された技術である、発光素子からレールに向けて照射された反射光を検知する方法が用いられている。

このような従来の方法により継目部分即ちレール遊間の遊間量を測定するためには、例えば軌道検測車等の鉄道車両又は保守用車等に特殊な測定装置を搭載する必要があり、人の操作により継目部分の遊間量を測定するための特殊な測定装置を導入する必要がある。そのため、特殊な測定装置を導入又は運用するための労力又は費用を削減することができないおそれがあり、特殊な測定装置の運用の都合で測定自体が制約を受けるおそれがある。

このような特殊な測定装置を用いずに通常のカメラで撮影した撮影画像から画像処理技術を用いて継目部分の遊間量を精度良く測定することができれば、特殊な測定装置を導入又は運用するための労力又は費用を削減することが可能になると考えられる。しかしながら、このような特殊な測定装置を用いずに通常のカメラで撮影した撮影画像から画像処理技術を用いて継目部分の遊間量を精度良く測定する方法は、提案されていない。

また、画像処理技術が、静止画のみならず動画として撮影された撮影画像にも対応できれば、例えば軌道検測車又はドローンにより連続して撮影された動画を用いて、継目部分の遊間量を容易に算出して測定することが可能になると考えられ、連続撮影測定により遊間量測定に要する人員を削減可能になると考えられる。しかしながら、画像処理技術がこのような動画として撮影された撮影画像に対応可能な方法は、提案されていない。

一方、本実施の形態のレール遊間測定方法によれば、継目部分即ちレール遊間を撮影した撮影画像に対して画像処理技術を用いて画像処理することにより、継目部分３ｃ即ちレール遊間の遊間量を測定する。基本原理としては、継目部分即ちレール遊間がない画像を仮想的に再現し、継目部分即ちレール遊間がある現実の画像との差分を算出することにより、レール遊間を抽出し、抽出された画像中のレール遊間の寸法を測定することにより、継目部分即ちレール遊間の遊間量を測定するものである。

このような場合、継目部分即ちレール遊間の遊間量を測定するために、例えば軌道検測車等の鉄道車両又は保守用車等に特殊な測定装置を搭載する必要がなく、人の操作により継目部分の遊間量を測定するための特殊な測定装置を導入する必要がない。即ち、特殊な測定装置を導入せずに、通常のカメラで撮影した撮影画像から、画像処理技術を用いて、継目部分の遊間量を算出して測定することができる。そのため、特殊な測定装置を導入又は運用するための労力又は費用を削減することができ、特殊な測定装置の運用の都合で測定自体が制約を受けることを防止又は抑制することができる。

また、本実施の形態のレール遊間測定方法によれば、画像処理技術として、静止画のみならず動画として撮影された撮影画像にも対応できるので、例えば軌道検測車又はドローンにより連続して撮影された動画を用いて容易に継目部分の遊間量を算出して測定することができ、連続撮影測定により遊間量測定に要する人員を削減することができる。

好適には、ステップＳ６において、継目部分３ｃの遊間量を測定する際に、長さが既知である継目板６の長さを基準とすることができる。即ち、好適には、本実施の形態のレール遊間測定方法は、軌道の長さ方向において互いに隣り合い且つ継目板６により接続されたレール３ａとレール３ｂとの間の継目部分３ｃの遊間量を測定するものである。このような場合、少なくともステップＳ６の前に、継目板６の軌道の長さ方向における長さＬＮ１（図２参照）を示す情報ＩＮ１（図２参照）を用意する（図３のステップＳ７）。即ち、継目板の長さを示す情報を用意する。

このような場合、ステップＳ１では、レール３ａ、レール３ｂ、継目部分３ｃ及び継目板６を撮影し、レール３ａ、レール３ｂ、継目部分３ｃ及び継目板６が撮影された画像２０（図４参照）又は画像２０とは異なる画像を作成することになる。また、ステップＳ６では、画像２７（図１１（ａ）参照）の領域ＲＧ４（図１１（ｂ）参照）の軌道の長さ方向におけるレール３ａ側の端部ＥＰ１（図１１（ｂ）参照）を示す画素と、画像２７の領域ＲＧ４の軌道の長さ方向におけるレール３ｂ側の端部ＥＰ２（図１１（ｂ）参照）を示す画素と、の間の軌道の長さ方向における画素数ＮＰ１（図１１（ｂ）参照）を算出する。また、ステップＳ６では、画像２０又は画像２０とは異なる画像の継目板６の軌道の長さ方向におけるレール３ａ側の端部ＥＰ３（図２参照）を示す画素と、画像２０又は画像２０とは異なる画像の継目板６の軌道の長さ方向におけるレール３ｂ側の端部ＥＰ４（図２参照）を示す画素と、の間の軌道の長さ方向における画素数ＮＰ２（図２参照）を算出する。そして、ステップＳ６では、画素数ＮＰ１、画素数ＮＰ２及び情報ＩＮ１（図２参照）に基づいて、継目部分３ｃの遊間量ＪＧ１（図１１（ｂ）参照）を測定することになる。

このような場合、ステップＳ６において、継目部分３ｃの遊間量を測定する際に、長さが既知であり遊間量を算出して測定する際の基準となる構造物として、継目部分３ｃに設置されている継目板６を用いることができる。そのため、本実施の形態のレール遊間測定方法により継目部分３ｃの遊間量を簡便に且つ精度良く算出して測定することができる。

好適には、ステップＳ３では、画像２１（図５参照）に対して閾値ＴＨ１（図示は省略）を用いて二値化処理を行うことにより、画像２３（図７参照）を作成し、画像２２（図６参照）に対して閾値ＴＨ２（図示は省略）を用いて二値化処理を行うことにより、画像２４（図８参照）を作成する。また、閾値ＴＨ１及び閾値ＴＨ２は、画像２５（図９（ａ）参照）の領域ＲＧ１（図９（ｂ）参照）がレール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃを一体的に示し、且つ、画像２６（図１０（ａ）参照）の領域ＲＧ３（図１０（ｂ）参照）が画像２６の領域ＲＧ２（図１０（ｂ）参照）から離れるように、設定されている。前述したように、閾値ＴＨ１及び閾値ＴＨ２の各々として、注目ピクセルの周囲の輝度値に応じて閾値を決定する適応型閾値を用いることができる。

閾値ＴＨ１及び閾値ＴＨ２によっては、画像２１（図５参照）に対する二値化処理を適切に行うことができず、画像２２（図６参照）に対する二値化処理を適切に行うことができないおそれがある。一方、例えばある日にある基準地点で本実施の形態のレール遊間測定方法を予備的に行って、継目部分即ちレール遊間がない画像２５（図９（ａ）参照）が確実に作成され、継目部分３ｃ即ちレール遊間がある画像２６（図１０（ａ）参照）が確実に作成されるように、閾値ＴＨ１及び閾値ＴＨ２を調整して設定し、設定された閾値ＴＨ１及び閾値ＴＨ２をその日の他の測定地点での測定に際して用いる場合を考える。このような場合、画像２１に対する二値化処理を適切に行うことができ、画像２２に対する二値化処理を適切に行うことができ、継目部分３ｃの遊間量を精度良く算出して測定することができる。

好適には、ステップＳ１では、レール３ａ及びレール３ｂが画像２１（図５参照）の縦方向に沿い、且つ、画像２１の横方向と交差するように、画像２１を作成する。また、ステップＳ４では、画像２４の横方向の幅ＷＤ１（図８参照）に対する領域ＲＧ１の横方向の幅ＷＤ２（図９（ｂ）参照）の幅比が閾値ＴＨ３（図示は省略）以下であり、且つ、画像２４の縦方向の長さＬＮ２（図８参照）に対する領域ＲＧ１の縦方向の長さＬＮ３（図９（ｂ）参照）の長さ比が閾値ＴＨ４（図示は省略）以上であるときに、領域ＲＧ１が抽出された画像２５（図９（ａ）参照）を作成する。なお、閾値ＴＨ３が１０％であり、閾値ＴＨ４が９０％である場合については、ステップＳ４の説明において、前述している。

このような場合、継目部分３ｃが撮影された画像２０のうち、レール３の頭頂面を示す領域の輝度が、レール３の頭頂面を示す領域以外の領域の輝度よりも高いという特徴を活かして、レール３ａ、レール３ｂ及び継目部分３ｃを一体的に示す領域ＲＧ１を、ラベリング処理により精度良く抽出することができる。そのため、継目部分３ｃの遊間量を精度良く算出して測定することができる。

好適には、ステップＳ１では、レール３ａ及びレール３ｂが画像２１（図５参照）の縦方向に沿い、且つ、画像２１の横方向と交差するように、画像２１を作成する。また、ステップＳ２では、画像２１に対して、画像２１の縦方向に配列されたｎ個（ｎは３以上の奇数）の画素よりなるカーネルを有するｎ×１ガウシアンフィルタを用いて、軌道の長さ方向の平滑化処理を行うことにより、画像２２（図６参照）を作成する。なお、カーネルのサイズが４１×１である場合、即ちｎ＝４１である場合については、ステップＳ２の説明において、前述している。

このような場合、ステップＳ２では、画像２１（図５参照）に対して、レール３の長さ方向には平滑化処理が行われるが、レール３の幅方向には平滑化処理が行われない。そのため、レール３ａ及びレール３ｂのいずれも、レール３の幅方向にはあまりぼかされないが、レール３の長さ方向にはぼかされる。これにより、継目部分３ｃがぼかされることになるので、継目部分即ちレール遊間がない画像を容易に仮想的に再現することができる。

好適には、ステップＳ５は、画像２５（図９（ａ）参照）と画像２６（図１０（ａ）参照）との差分又は排他的論理和を算出することにより、画像を作成するステップ（図３のステップＳ５１）と、作成された画像に対してラベリング処理を行うことにより、継目部分３ｃを示す領域ＲＧ４が抽出された画像２７（図１１（ａ）参照）を作成するステップ（図３のステップＳ５２）と、を含む。

前述したように、排他的論理和を演算することにより差分を算出した画像については、細かなノイズが多く発生する。そのため、差分又は排他的論理和を算出した後、再度ラベリング処理を行うことにより、細かなノイズを容易に除去することができるので、継目部分３ｃ即ちレール遊間を更に確実に抽出することができる。

＜遊間量の算出値の精度＞
次に、本実施の形態による遊間量の算出値の精度について説明する。軌道の長さ方向に沿って互いに異なる１６の測定地点において、本実施の形態のレール遊間測定方法により画像処理技術を用いて継目部分の遊間量を算出した。また、当該１６の測定地点において、ゲージを用いた手検測を行って、継目部分の遊間量を実測した。当該１６の測定地点において手検測により実測された遊間量の実測値（手検測値）と、当該１６の測定地点において本実施の形態のレール遊間測定方法により算出された遊間量の算出値とを、表１に示す。

表１には、軌道の幅方向における左右両側のレールのうち、一方のみについての結果を示す。また、本実施の形態による遊間量の算出に際し、前述したように、継目板の長さを基準とした。表１では、手検測による遊間量の実測を「手検測」と表記し、手検測による遊間量の実測値を「遊間量の実測値」と表記している。また、表１では、本実施の形態による遊間量の算出を「画像処理」と表記し、レール遊間の画素数を「遊間の画素数」と表記し、本実施の形態による遊間量の算出値を「遊間量の算出値」と表記し、「遊間量の実測値」に対する「遊間量の算出値」の誤差を「誤差」と表記し、継目板の長さ方向の画素数を「継目板の画素数」と表記し、継目板から算出された分解能即ち１画素当たりの長さを「１画素当たりの長さ」と表記している。また、軌道の長さ方向における継目板の長さは、５６０ｍｍであった。

表１に示すように、１６の項目（測定地点）において、遊間量の実測値が２．５～１６．５ｍｍの範囲内である場合に、本実施の形態のレール遊間測定方法により画像処理を用いて算出された遊間量の算出値が４．５～１６．４ｍｍの範囲内であり、当該１６の項目（測定地点）の全てにおいて、誤差がプラスマイナス３ｍｍの範囲内にあることが確認された。また、遊間量の実測値に対する遊間量の算出値の誤差については、当該１６の項目（測定地点）において、プラスマイナス１ｍｍの範囲内にあるものが５６％であり、プラスマイナス２ｍｍの範囲内にあるものが９４％であり、プラスマイナス３ｍｍの範囲内にあるものが１００％であった。よって、本実施の形態による継目部分の遊間量の算出値が精度良く算出されることが明らかになった。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

例えば、前述の各実施の形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

本発明は、レールの継目部分の遊間量を測定するレール遊間測定方法に適用して有効である。

１ 道床
２、２ａ、２ｂ 枕木
３、３ａ、３ｂ レール
３ｃ 継目部分
４、４ａ、４ｂ レール締結装置
５ タイプレート
６ 継目板
７ 板ばね
１０ レール遊間測定システム
１１ 第１画像作成部
１１ａ 撮影部
１２ 第２画像作成部
１３ 第３画像作成部
１４ 第４画像作成部
１５ 第５画像作成部
１６ 遊間測定部
１７ 制御部
１８ 鉄道車両
２０～２８ 画像
ＥＰ１～ＥＰ４ 端部
ＩＮ１ 情報
ＪＧ１ 遊間量
ＮＰ１、ＮＰ２ 画素数
ＲＧ１、ＲＧ１１、ＲＧ１２、ＲＧ２、ＲＧ２１、ＲＧ２２ 領域
ＲＧ３、ＲＧ４、ＲＧ４１、ＲＧ４２、ＲＧ５、ＲＧ６ 領域
ＷＤ１、ＷＤ２ 幅

Claims (6)

1. 軌道の長さ方向において互いに隣り合う第１レールと第２レールとの間の継目部分の遊間量を測定するレール遊間測定方法において、
   （ａ）前記第１レール、前記第２レール及び前記継目部分を撮影し、前記第１レール、前記第２レール及び前記継目部分が撮影されたグレイスケールの第１画像を作成するステップ、
   （ｂ）前記第１画像に対して前記軌道の長さ方向の平滑化処理を行うことにより、前記継目部分がぼかされたグレイスケールの第２画像を作成するステップ、
   （ｃ）前記第１画像に対して第１二値化処理を行うことにより、第３画像を作成し、前記第２画像に対して第２二値化処理を行うことにより、第４画像を作成するステップ、
   （ｄ）前記第４画像に対して第１ラベリング処理を行うことにより、前記第１レール、前記第２レール及び前記継目部分を一体的に示す第１領域が抽出された第５画像を作成し、作成された前記第５画像をマスクとして用いて前記第３画像に対してマスキング処理を行うことにより、前記第１レールを示す第２領域と、前記第２領域から離れた第３領域であって前記第２レールを示す前記第３領域と、が抽出された第６画像を作成するステップ、
   （ｅ）前記第５画像と前記第６画像との差分又は排他的論理和を算出し、前記継目部分を示す第４領域が抽出された第７画像を作成するステップ、
   （ｆ）前記第７画像の前記第４領域の形状に基づいて、前記継目部分の遊間量を測定するステップ、
   を有する、レール遊間測定方法。
2. 請求項１に記載のレール遊間測定方法において、
   前記レール遊間測定方法は、前記軌道の長さ方向において互いに隣り合い且つ継目板により接続された前記第１レールと前記第２レールとの間の前記継目部分の遊間量を測定するものであり、
   前記レール遊間測定方法は、更に、
   （ｇ）前記継目板の前記軌道の長さ方向における第１長さを示す第１情報を用意するステップ、
   を有し、
   前記（ａ）ステップでは、前記第１レール、前記第２レール、前記継目部分及び前記継目板を撮影し、前記第１レール、前記第２レール、前記継目部分及び前記継目板が撮影された第８画像を作成し、
   前記（ｆ）ステップでは、前記第７画像の前記第４領域の前記軌道の長さ方向における前記第１レール側の第１端部と、前記第７画像の前記第４領域の前記軌道の長さ方向における前記第２レール側の第２端部と、の間の第１画素数を算出し、前記第８画像の前記継目板の前記軌道の長さ方向における前記第１レール側の第３端部と、前記第８画像の前記継目板の前記軌道の長さ方向における前記第２レール側の第４端部と、の間の第２画素数を算出し、前記第１画素数、前記第２画素数及び前記第１情報に基づいて、前記継目部分の遊間量を測定する、レール遊間測定方法。
3. 請求項１又は２に記載のレール遊間測定方法において、
   前記（ｃ）ステップでは、前記第１画像に対して第１閾値を用いて前記第１二値化処理を行うことにより、前記第３画像を作成し、前記第２画像に対して第２閾値を用いて前記第２二値化処理を行うことにより、前記第４画像を作成し、
   前記第１閾値及び前記第２閾値は、前記第５画像の前記第１領域が前記第１レール、前記第２レール及び前記継目部分を一体的に示し、且つ、前記第６画像の前記第３領域が前記第６画像の前記第２領域から離れるように、設定されている、レール遊間測定方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレール遊間測定方法において、
   前記（ａ）ステップでは、前記第１レール及び前記第２レールが前記第１画像の縦方向に沿い、且つ、前記第１画像の横方向と交差するように、前記第１画像を作成し、
   前記（ｄ）ステップでは、前記第４画像の横方向の第１幅に対する前記第１領域の横方向の第２幅の第１幅比が第３閾値以下であり、且つ、前記第４画像の縦方向の第２長さに対する前記第１領域の縦方向の第３長さの第１長さ比が第４閾値以上であるときに、前記第１領域が抽出された前記第５画像を作成する、レール遊間測定方法。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレール遊間測定方法において、
   前記（ａ）ステップでは、前記第１レール及び前記第２レールが前記第１画像の縦方向に沿い、且つ、前記第１画像の横方向と交差するように、前記第１画像を作成し、
   前記（ｂ）ステップでは、前記第１画像に対して、前記第１画像の縦方向に配列されたｎ個（ｎは３以上の奇数）の画素よりなるカーネルを有するｎ×１ガウシアンフィルタを用いて、前記軌道の長さ方向の平滑化処理を行うことにより、前記第２画像を作成する、レール遊間測定方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレール遊間測定方法において、
   前記（ｅ）ステップは、
   （ｅ１）前記第５画像と前記第６画像との差分又は排他的論理和を算出することにより、第９画像を作成するステップ、
   （ｅ２）前記第９画像に対して第２ラベリング処理を行うことにより、前記継目部分を示す前記第４領域が抽出された前記第７画像を作成するステップ、
   を含む、レール遊間測定方法。
   
   

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