JPH09229745A - 液面レベル測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】撮像画像の特徴抽出を明確におこない液面レベ
ルを正確に測定するとともに、種々な透明度や色をもつ
液体に広く適用可能にする。 【解決手段】１は無色透明な管、２は液体で、その液面
レベルが測定対象である。３は帯状の背景板で、管１の
背面側外周面に貼着される。背景板３は、貼着したとき
管１の内径未満の弦長を幅とし、液面レベルの変動範囲
を含む長さである。４は撮像用の照明で、管１と液体２
と背景板３等の対象物を正面から照射する。５は撮像用
のテレビカメラで、モノクローム用とカラー用がある。
６は画像処理装置で、テレビカメラ５からの映像信号の
増幅・整形などのアナログ処理から始まり、ディジタル
変換や雑音除去や歪み補正、しきい値に基づく２値化な
どの前処理、液面レベルの特徴抽出をへて液面レベルの
測定に至る一連の画像処理をおこなう。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】この発明は、無色透明な直管
の内部で上下する液体、たとえば直管形油面ゲージにお
ける油を、液面（油面）を含んでモノクロームまたはカ
ラーで撮像し、その画像処理に基づいて液面（油面）レ
ベルを測定する装置であって、とくに直管の背面側に帯
状の背景板を貼着し、正面からの照明のもとに撮像する
ことによって、撮像画像から液面レベルの特徴抽出を明
確におこない、もって液面レベルを正確に測定するとと
もに、種々な透明度や色をもつ液体に広く適用可能な液
面レベル測定装置に関する。

【従来の技術】従来から、液面レベルの測定には、液
面に浮かべたフロートの変位を直線距離または回転角度
に変換して求める方式、上下に長い円筒状のディスプ
レーサを用い、液面レベルの変化によって生じる浮力変
化として求める方式、液体を貯蔵するタンクの底部に
おける圧力として求める方式、超音波センサを用い、
液面からの反射時間として求める方式、相対する上下
２個の電極板の間に液体を入れ、液面レベルに応じて変
化する静電容量として求める方式、などがある。しか
し、従来の各方式には、(1) 用具を液体に直接、接触さ
せるか浸すようになって取扱上、不便であり（
）、(2) 当初から装置を組み込む計画が必要で、後か
ら簡単に追加できない不便さがある（〜）。そこ
で、簡単な構造の液面ゲージ、つまり無色透明な直管の
内部で上下する液体の液面をテレビカメラで撮像し、そ
の画像処理に基づいて液面レベルを測定する方法が提案
された。

【発明が解決しようとする課題】液面を撮像し、その画
像処理によって測定する方法には、非接触で、しかも既
設の装置にあまり拘束されることなく簡単に追加できる
という長所がある反面、液体の種類（透明度や色）によ
っては、画像処理によって液面レベルを明確に抽出する
のが困難、つまりは測定精度が悪くなって、実用上の障
害になっている。そこで、市場ニーズとして、撮像に基
づく画像処理方式をとりながら、正確な液面レベルの測
定ができ、しかも液体の種類（透明度や色）に関する制
約が少なくて適用範囲が広いことが挙げられる。この発
明が解決しようとする課題は、従来の技術がもつ以上の
問題点を解消して、撮像画像から液面レベルの特徴抽出
を明確におこない、もって液面レベルを正確に測定する
とともに、種々な透明度や色をもつ液体に広く適用可能
な液面レベル測定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】この発明は、無色透明な
管の内部で上下する液体をその液面を含んで正面から
（モノクロームまたはカラーで）撮像し、その画像処理
に基づいて液面レベルを測定する装置であって、帯状
で、その長手方向を管の長さ方向と一致させ液面レベル
の変動範囲を含むように管の背面側外周面に密着して設
けられ、その外周面に沿って湾曲した横幅の撮像方向へ
の投影長が管の内径未満である背景板と；正面からの撮
像用照明と；を備える、という構成である。また、管が
垂直な円筒状であるのが好ましい。したがって、この発
明では、正面からの撮像用照明によって対象物の明暗
差、つまりコントラストが強くなって、対象画像が明確
になり画像処理にとって良い条件になる面と、強い光を
正面から受けることでハレーションを起こし画像が部分
的にぼけ、液面レベル位置を正確に抽出するという画像
処理にとって悪い条件になる面とがある。モノクローム
撮像では、ハレーション除去が技術的に困難であるか
ら、実際には液体や背景板の明るさの度合いを勘案しな
がら照明の強さが決められて、ハレーションを起こさな
い範囲でできるだけ画像の明確化を図るようにする。次
に、 (1) 液体の透明度が高いときは、管のレンズ効果によっ
て、液体部分に対応する背景板の幅が液体の無い部分に
対応する幅より拡大され、背景板の下側は幅が広く上側
は幅が狭い段差の付いた画像となる。 (2) 液体の透明度が低い（不透明度が高い）ときは、管
内径と同じ幅の液体部分と、管内径未満の幅をもつ背景
板の各画像が連接する形の段差の付いた画像となる。し
たがって、液体の透明度の高・低にかかわらず、その２
値化画像は、しきい値を設定の仕方によって、その水平
方向の幅寸法が液面レベルに対応する位置で明確な段差
を生じるか、液体の無い部分に対応する背景板の方形画
像または液体部分の方形画像になるから、水平方向の投
影値データが変化する位置を求めることによって、画像
上の液面レベルに対応する位置、ひいては液面レベルが
明確に検出できる。カラー撮像の場合には、後述のよう
にハレーション除去処理が比較的簡単にできるから、正
面からの撮像用照明によって、画像の明確化を図る長所
がそのまま生かされる。したがって、背景板を撮像した
画像（入力画像）をＨＶＣ変換し、色相画像と彩度画像
と明度画像を求める。色相画像に基づく背景板の色成分
抽出画像について、周知のハレーション除去と不鮮明部
分除去の各処理をして最終補正画像を得る。この最終補
正画像は、 (1) 液体の透明度が高いときは、管のレンズ効果によっ
て、液体部分に対応する幅が液の無い部分に対応する幅
より拡大され、背景板の下側は幅が広く上側は幅が狭い
段差の付いた２値化画像となる。 (2) 液体の透明度が低い（不透明度が高い）ときは、管
内径と同じ幅の液体部分と、管内径未満の幅をもつ背景
板部分の各画像が連接する形の段差の付いた２値化画
像、または管内径未満の幅をもつ背景板部分の方形の２
値化画像となる。したがって、液体の透明度の高・低に
かかわらず、背景板の色成分抽出画像の最終補正画像
は、その水平方向の幅寸法が液面レベルに対応する位置
で明確な段差を生じるか、液体の無い部分に対応する背
景板の方形画像になるから、水平方向の投影値データが
変化する位置を求めることによって、画像上の液面レベ
ルに対応する位置、ひいては液面レベルが明確に検出で
きる。

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態として、モ
ノクローム撮像に係る第１実施例と、カラー撮像に係る
第２実施例を以下に図を参照しながら説明する。図１は
各実施例の共通な斜視図である。１は無色透明な円筒状
のプラスチックの管、２は管１の内部で上下する液体
で、その液面レベルが測定対象である。３は帯状の背景
板で、管１の背面側外周面に密着して貼着される。背景
板３は、その幅が管１の内径未満の弦長をもち、その長
手方向が管１の長さ方向と一致し液面レベルの変動範囲
を含むように長さが決められる。また、背景板３の管１
の外周面と密着する側の色については後述することと
し、ここでは触れない（以下の図２，図３についても同
様）。４は撮像用照明で、管１と液体２と背景板３等の
対象物を正面から照射し、符号を付けてない照明本体と
反射板からなる。５は撮像用のテレビカメラで、モノク
ローム用（第１実施例）とカラー用（第２実施例）があ
る。６は画像処理装置で、テレビカメラ５からの映像信
号の増幅・整形などのアナログ処理から始まり、ディジ
タル変換や雑音除去、歪み補正、しきい値に基づく２値
化などの前処理、液面レベルの特徴抽出をへて液面レベ
ルの測定に至る一連の画像処理をおこなう。図２は背景
板が貼着された管に関し、(a) は平面図、(b) は正面図
である。図２(a) において、矢印方向から照明・撮像を
おこない、Ｄは管１の内径、Ｇは管１の背面側外周面に
密着して貼着したときの背景板３の弦長（Ｇ＜Ｄ）であ
る。図２(b) において、背景板３は無色透明な管１から
透けて見えるから、見やすくするため破線でなく実線で
表示した。図３は正面から見た撮像対象物で、(a) は液
体が透明なとき（斜線と粗いドット模様表示）の模式
図、(b) は液体が不透明なとき（ドット模様表示）の模
式図である。図３(a) において、背景板３の幅は、液体
２の無い部分についてはＧ、液体２の部分については、
円筒状の液体２を透してのレンズ効果によって見掛け
上、Ｇより大きいＧ1 になる。すなわち、円筒状液体２
が一種の凸レンズと見做されるから、その後方に接して
（正確に言えば、凸レンズと後方焦点の間に）置かれた
背景板３は、前方から目視または撮像したとき、実際よ
り大きい背景板３があるように見える。拡大鏡（虫メガ
ネ）の原理と同じである。したがって、目視または撮像
した画像は、背景板３の上側部分の幅がＧで、下側部分
の幅がそれより広いＧ1 の、段差の付いた画像となる。
ここで、Ｇ＜Ｇ1 ≦Ｄである。図３(b) において、液体
２の無い部分の背景板３の幅は前と同じくＧに見え、不
透明な液体２の部分については、背景板３が遮蔽されて
液体２の幅（管内径：Ｄ）に見えることになる。さて、
対象物をモノクローム撮像する第１実施例においては、
正面からの撮像用照明４（図１参照）によって対象物の
明暗差、つまりコントラストが強くなって、対象画像が
明確になり画像処理にとって良い条件になる面と、強い
光を正面から受けることでハレーションを起こし画像が
部分的にぼけ、液面レベル位置を正確に抽出するという
画像処理にとって悪い条件になる面とがある。モノクロ
ーム撮像では、ハレーション除去が技術的に困難である
から、実際には液体や背景板の明るさの度合いを勘案し
ながら照明の強さが決められて、ハレーションを起こさ
ない範囲でできるだけ画像の明確化を図るようにする。
第１実施例においては、モノクローム撮像であるから、
背景板３の（管１の外周面と密着する側の）色は画像的
に無関係で、明度だけが問題となる。言い換えれば、無
彩色でよい。図４は２値化画像と投影値データに関し、
(a) は液面レベルを境として上側部分と下側部分との明
度が近いときの模式図、(b) は異なるときの模式図であ
る。液体２が透明な場合（図３(a) 参照）について述べ
る。いま、背景板３の液面レベルから上側部分の明度
と、下側部分の液体２を透して見たときの明度とが近い
ときには、撮像画像（入力画像）の２値化画像は、いず
れの明度よりも低いしきい値を設定することによって、
図４(a) の左側のように、背景板３の下側は幅が広く上
側は幅が狭い段差の付いた画像となる。この２値化画像
を求めるまで段階が画像処理における前処理である。し
たがって、この２値化画像に係る水平方向の投影値デー
タ、つまり水平方向に走査したときの有効画素数は、図
４(a) の右側のようになり、投影値データが変化する位
置（段差箇所）を求めることによって、画像上の液面レ
ベルに対応する位置、ひいては液面レベルが明確に検出
できる。この投影値データを求める段階が画像処理にお
ける特徴抽出である。上側部分の明度と、下側部分の液
体２を透して見たときの明度とが異なるときには、各明
度の中間にしきい値を設定することによって、図４(b)
の左側のように、液面レベル箇所を境にしていずれか明
度の高い側だけの方形の２値化画像となる。したがっ
て、この２値化画像に係る水平方向の投影値データは、
図４(b) の右側のようになり、投影値データの下端また
は上端の上下方向位置を求めることにより、画像上の液
面レベルに対応する位置、ひいては液面レベルが明確に
検出できる。なお実際には、液面レベル検出に便利なよ
うに、液面レベル検出のための基準点に当たる基準マー
クを管１の下部に付設し、この基準マークを一緒に撮像
して画像に取り込んでおく。液体２が不透明な場合（図
３(b) 参照）について述べる。いま、背景板３の液面レ
ベルから上側部分の明度と、下側部分の液体２の明度が
近いときには、撮像画像（入力画像）の２値化画像は、
図４(a) の左側のように、背景板３の下側は幅が広く上
側は幅が狭い段差の付いた画像となり、２値化画像に係
る水平方向の投影値データは、図４(a) の右側のように
なる。また、上側部分と下側部分の各明度が異なるとき
には、図４(b) の左側のように、液面レベル箇所を境に
していずれか明度の高い側だけの方形の２値化画像とな
るとともに、この２値化画像に係る水平方向の投影値デ
ータは、図４(b) の右側のようになる。その結果、液体
２が透明な場合と同様に液面レベルを明確に検出でき
る。カラー撮像をする第２実施例について、入力画像に
基づきハレーション部分と不鮮明部分を除去し、液面レ
ベルを求めるのに適する画像（最終補正画像）を得る、
画像処理における前処理の工程を、図５を参照しながら
説明する。図５において、 (1) 入力画像をＨＶＣ（色相・彩度・明度）変換して、
Ｈ（色相）画像と、Ｖ（彩度）画像と、Ｃ（明度）
画像を得る。 (2) Ｈ画像に基づいて背景板の色成分を抽出した画像
（Ｈ1 画像）、Ｖ画像に基づいて所定彩度範囲を越
える彩度（不鮮明部分）の画像（Ｖ1 画像）、Ｃ画像
に基づいて所定明度を越える明度（ハレーション部
分）の画像（Ｃ1 画像）を得て、ハレーション部分を
除去するためのＭ（マスク）画像とする。 (3) Ｈ1 画像とＭ画像を合成(1) して、ハレーショ
ン部分を除去した補正画像を得る。 (4) 補正画像とＶ1 画像を合成(2) して、不鮮明部
分を除去した最終補正画像を得る。なお、画像〜
は、それぞれ濃度画像（濃淡画像）、画像〜は、そ
れぞれ２値化画像である。 最終補正画像は、ハレーション部分と不鮮明部分を除
去し、液面レベルを求めるのに適するベースとなる。こ
の最終補正画像は２値化画像で、これに基づいて液面
レベルを求める処理は、モノクローム撮像の第１実施例
に準じておこなわれるから、以下の概略説明に留める。
この最終補正画像は、 (1) 液体の透明度が高いときは、管のレンズ効果によっ
て、液体部分に対応する幅が液の無い部分に対応する幅
より拡大され、背景板の下側は幅が広く上側は幅が狭い
段差の付いた２値化画像となる（図４(a) の左側の図参
照）。 (2) 液体の透明度が低い（不透明度が高い）ときは、液
体と背景板の各色相の関係によって、管内径と同じ幅の
液体部分と、管内径未満の幅をもつ背景板部分の各画像
が連接する形の段差の付いた２値化画像（図４(a) の左
側の図参照）、または管内径未満の幅をもつ背景板部分
の方形の２値化画像（図４(b) の左上側の図参照）とな
る。 したがって、液体の透明度の高・低にかかわらず、背景
板の色成分抽出画像の最終補正画像の水平方向の投
影値データは、液面レベルに対応する位置で明確な段差
を生じるか（図４(a) の右側の図参照）、液体の無い部
分に対応する背景板の方形の２値化画像（図４(b) の左
上側の図参照）になり、水平方向の投影値データが変化
する位置を求めることによって、画像上の液面レベルに
対応する位置、ひいては液面レベルが明確に検出でき
る。

【発明の効果】この発明によれば、次のような優れた効
果が期待できる。 (1) 種々な透明度や色をもつ液体に広く適用可能であ
る、つまり液体の種類に関する制約が少ないとともに、
液体部分に係る画像の特徴抽出が明確にでき、もって液
面レベルを正確に測定することができる。 (2) ハレーションを起こし難い照明条件が設定できると
きには、技術的・コスト的に有利なモノクローム撮像方
式をとり、ハレーションに対する照明条件の最適設定が
困難なときには、コスト的には多少不利になるが技術的
にハレーション対策が講じうるカラー撮像方式をとると
いう選択肢があり、実際的である。 (3) 撮像とその画像処理の方式を採用することによっ
て、液体と非接触で、しかも既設の装置にあまり拘束さ
れることなく簡単に追加できるから、全体的にみて実施
の容易化と低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る各実施例の共通な斜視図

【図２】背景板が貼着された管に関し、(a) は平面図、
(b) は正面図

【図３】正面から見た撮像対象物に関し、(a) は液体が
透明なときの模式図、(b) は液体が不透明なときの模式
図

【図４】第１実施例（モノクローム撮像）における２値
化画像と投影値データに関し、(a) は液面レベルを境と
して上側部分と下側部分との明度が近いときの模式図、
(b) は異なるときの模式図

【図５】第２実施例（カラー撮像）における撮像した画
像の前処理工程図

【符号の説明】

１ 管 ２ 液体 ３ 背景板 ４ 照明 ５ テレビカメラ（モノクローム・カラー共通表示） ６ 画像処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新岡 彰 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】無色透明な管の内部で上下する液体をその
   液面を含んで正面から撮像し、その画像処理に基づいて
   液面レベルを測定する装置であって、帯状で、その長手
   方向を管の長さ方向と一致させ液面レベルの変動範囲を
   含むように管の背面側外周面に密着して設けられ、その
   外周面に沿って湾曲した横幅の撮像方向への投影長が管
   の内径未満である背景板と；正面からの撮像用照明と；
   を備えることを特徴とする液面レベル測定装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の測定装置において、撮像
   は、モノクロームであることを特徴とする液面レベル測
   定装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の測定装置において、撮像
   は、カラーであることを特徴とする液面レベル測定装
   置。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかの項に記載の
   測定装置において、管は、垂直な円筒状であることを特
   徴とする液面レベル測定装置。