KR20120022943A

KR20120022943A - 팬터그래프 변위 측정 장치 및 트롤리선 경점 검출 방법

Info

Publication number: KR20120022943A
Application number: KR1020117027069A
Authority: KR
Inventors: 다카마사 후지사와; 유스케 와타베; 겐지 가토
Original assignee: 메이덴샤 코포레이션
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2012-03-12
Also published as: JP5321235B2; JP2010266341A; CN102428341B; EP2431706B1; EP2431706A1; WO2010131696A1; EP2431706A4; CN102428341A; KR101292897B1

Abstract

라인 센서 카메라 (2) 에 의해 마커를 촬영한 화상을 처리함으로써 팬터그래프의 가속도를 구하는 화상 처리부 (5A) 가, 입력 화상을 작성하는 입력 화상 작성부 (5a) 와, 템플릿을 설정하는 템플릿 설정부 (5b) 와, 입력 화상을 분할하는 화상 분할 처리부 (5c) 와, 템플릿의 확축을 실시하는 템플릿 확대?축소 처리부 (5d) 와, 입력 화상 상의 마커의 픽셀 위치를 검출하는 패턴 매칭 처리부 (5e) 와, 마커의 픽셀 위치를 팬터그래프의 실제의 변위로 변환하는 팬터그래프 변위 계산부 (5f) 와, 팬터그래프의 변위에 대해 평활화 처리를 실시하는 필터링 처리부 (5g) 와, 팬터그래프의 가속도를 출력하는 가속도 출력부 (5h) 를 갖기 때문에, 패턴 매칭 처리의 정밀도가 향상하였다.

Description

팬터그래프 변위 측정 장치 및 트롤리선 경점 검출 방법{DEVICE FOR MEASURING DISPLACEMENT OF PANTOGRAPH AND METHOD FOR DETECTING HARD SPOT OF TROLLEY WIRE}

본 발명은, 팬터그래프 변위 측정 장치 및 트롤리선 경점 (硬點) 검출 방법에 관한 것으로서, 특히 경점 계측용 마커를 장착한 팬터그래프를 라인 센서 카메라로 촬영한 화상을 사용하여 패턴 매칭 처리에 의해 트롤리선의 경점을 계측하는 팬터그래프 변위 측정 장치 및 트롤리선 경점 검출 방법에 관한 것이다.

전기 철도 설비에 있어서는, 검사 항목 중 하나로서 트롤리선의 경점의 계측을 들 수 있다. 예를 들어, 트롤리선은 조가선 (弔架線, messenger wire) 에 행거에 의해 매달린 상태로 되어 있다. 이 행거가 설치되어 있는 지점이나, 그 밖에, 트롤리선의 접속 지점이나 풀 오프 (pull off) 가 있는 부분 등은 다른 부분에 비하여 트롤리선의 중량이 부분적으로 증가되어 있고, 「트롤리선의 경점」으로 불린다.

이 트롤리선의 경점을, 차량의 지붕 상에 설치되어 트롤리선에 슬라이딩하는 집전 장치인 팬터그래프가 통과할 때, 트롤리선의 중량에 의해 팬터그래프가 급격하게 하강하는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 트롤리선이 팬터그래프로부터 이선하여, 아크로 불리는 방전 현상이 발생한다. 이 때 트롤리선에는 아크에 의해 발생하는 열에 의해 국소적인 마모가 발생한다. 그 때문에, 트롤리선의 경점에 있어서는, 다른 부분과 비교하여 마모의 진행이 빨라지는 것으로 생각된다.

이상으로부터 트롤리선의 경점을 검출하는 것은, 전기 철도 설비를 보수하고, 운용?관리하는데 있어서 중요한 사항이 되고 있다.

상기 서술한 바와 같이, 트롤리선의 경점에 있어서 팬터그래프에는 연직 방향으로 큰 가속도가 발생한다. 따라서, 트롤리선의 경점을 검출하기 위해서는 트롤리선과 변위가 등가인 팬터그래프의 연직 방향의 가속도를 감시하면 된다. 팬터그래프의 가속도는, 팬터그래프의 변위를 측정하고, 이것을 2 계 미분함으로써 구할 수 있다.

종래, 팬터그래프의 변위 측정 방법으로서 이하와 같은 것이 알려져 있다.

(가) 레이저 센서 방식

이 방식은, 팬터그래프를 미러 등에 의해 레이저로 주사하여, 반사파의 위상차나 반사된 레이저의 형상의 변형 등에 의해, 팬터그래프의 변위를 측정하는 방식이다.

(나) 광 절단 센서 방식

이 방식은, 팬터그래프에 줄무늬 형상의 광을 투광하고, 팬터그래프의 형상에 따라 요철이 된 줄무늬를 수광하여, 팬터그래프의 변위를 측정하는 방식이다.

(다) 화상 처리 방식

이 방식은, 차량의 지붕 상에 설치한 라인 센서 카메라로 팬터그래프를 촬영하고, 촬영한 화상에 대해 처리용 컴퓨터에 있어서 모델 매칭이나 패턴 매칭 등의 처리를 실시하여, 팬터그래프의 변위를 측정하는 방식이다 (예를 들어, 특허문헌 1, 2 참조).

상기의 방식 중, 화상 처리 방식은 라인 센서 카메라에 의해 촬영한 팬터그래프의 화상 중에서, 미리 준비해 둔 팬터그래프의 모델과 매칭하는 화상 상의 픽셀 위치를 추출하여, 라인 센서 카메라부터 팬터그래프까지의 거리나 촬영 기구의 렌즈의 초점 거리 등에 기초하여, 화상 상의 픽셀 위치로부터 팬터그래프의 실제의 높이를 산출하는 것이다.

이 화상 처리 방식은, 촬영한 팬터그래프의 화상 중에서, 미리 취득한 팬터그래프의 모델과 매칭하는 픽셀 위치를 검출하거나, 차량의 지붕 상에 설치된 팬터그래프에 흑백의 줄무늬 모양의 마커를 장착하고, 라인 센서 카메라에 의해 촬영한 화상으로부터 패턴 매칭에 의해 마커 위치, 즉 팬터그래프의 위치를 검출하거나 하고 있다.

그리고, 화상 상의 팬터그래프의 위치를 검출한 후, 팬터그래프까지의 거리나 렌즈의 초점 거리 등의 관계로부터, 화상 상의 픽셀 위치를 실제의 팬터그래프 변위로 변환한다. 이렇게 하여 구한 팬터그래프의 변위를 2 계 미분함으로써, 가속도를 산출하고 있다. 또, 특허문헌 2 와 같이, 라인 센서 카메라를 사용함으로써 공간 분해능을 높여 정밀도를 향상시킬 수 있다. 이 방식은, 레이저 센서 방식이나 광 절단 방식에 비하여 장치가 소형으로 되므로, 측정 전용으로 제조된 검측차 뿐만 아니라, 영업차에도 탑재할 수 있다는 이점이 있다.

일본 공개특허공보 2006-250774호 일본 공개특허공보 2008-104312호

그러나, 라인 센서 카메라를 사용한 방식에서는, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 팬터그래프 (1a) 에 장착된 마커 (4) 를 촬영하기 위해서, 라인 센서 카메라 (2) 는, 차량 (1) 의 지붕 상에 비스듬한 상방을 올려보도록 설치된다.

여기에서, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 라인 센서 카메라 (2) 로부터 팬터그래프 (1a) 까지의 거리가 긴 경우, 이 라인 센서 카메라 (2) 의 카메라 앙각 (θ_A) 은 작아진다. 한편, 라인 센서 카메라 (2) 부터 팬터그래프 (1a) 까지의 거리가 짧은 경우, 이 라인 센서 카메라 (2) 의 카메라 앙각 (θ_B) 은 커진다. 이하, 도 13 중 실선으로 나타내는 라인 센서 카메라, 파선으로 나타내는 라인 센서 카메라 (2) 를 각각 라인 센서 카메라 (2A, 2B) 로 호칭한다.

라인 센서 카메라 (2A), 라인 센서 카메라 (2B) 에 의해 촬영한 마커 (4) 의 입력 화상예를 각각 도 14(a), 도 14(b) 에 나타낸다. 라인 센서 카메라 (2A) 를 사용한 경우, 도 14(a) 에 나타내는 바와 같이, 카메라 앙각 (θ_A) 이 작기 때문에, 입력 화상 (6A) 내에 있어서 마커의 궤적 (M) 은 거의 동일 폭이고, 팬터그래프 (1a) 의 높이에 의한 분해능의 차이는 거의 없다. 이에 반해, 도 14(b) 에 나타내는 바와 같이 라인 센서 카메라 (2B) 를 사용한 경우, 카메라 앙각 (θ_B) 이 크기 때문에, 마커의 궤적 (M) 은 높이에 따라 상이하고, 입력 화상 (6B) 내에서 팬터그래프 (1a) 의 높이에 의한 분해능에 차이가 발생한다.

또한, 도 14 중, 시각 (T_I) 의 범위에 대응하는 화상은 팬터그래프 (1a) 가 도 13 에 나타내는 I 의 위치에 있는 경우, 시각 (T_II) 의 범위에 대응하는 화상은 팬터그래프 (1a) 가 도 13 에 나타내는 II 의 위치에 있는 경우, 시각 (T_III) 의 범위에 대응하는 화상은 팬터그래프 (1a) 가 도 13 에 나타내는 III 의 위치에 있는 경우를 나타내고 있다.

예를 들어, 도 14 중에 파선으로 둘러싸 나타내는 바와 같이, 팬터그래프 (1a) 가 II (=시각 (T_II)) 에 나타내는 위치에 있을 때 취득한 마커 (4) 의 화상을 패턴 매칭용 템플릿 (7) 으로서 취득한 경우, 도 14(a) 에 나타내는 바와 같이 라인 센서 카메라 (2A) 에 의해 촬영한 화상 (6A) 에 대해 패턴 매칭 처리를 실시하는 경우에는 패턴 매칭이 성공할 가능성이 높은데 반하여, 도 14(b) 에 나타내는 바와 같이 라인 센서 카메라 (2B) 에 의해 촬영한 화상 (6B) 에 대해 패턴 매칭 처리를 실시하는 경우에는 템플릿 (7) 의 사이즈가 맞지 않아 패턴 매칭이 실패할 가능성이 있다는 문제가 있었다.

이러한 점에서 본 발명은, 패턴 매칭 처리의 정밀도를 향상시킬 수 있게 하는 팬터그래프 변위 측정 장치 및 트롤리선 경점 검출 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위한 제 1 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치는, 열차의 지붕 상에 설치되어 팬터그래프를 촬영하는 촬영 수단과, 상기 촬영 수단에 의해 촬영된 입력 화상을 화상 처리함으로써 팬터그래프의 변위를 취득하는 화상 처리 수단을 구비한 팬터그래프 변위 측정 장치에 있어서, 상기 화상 처리 수단이, 상기 촬영 수단으로부터 입력되는 화상 신호를 사용하여 입력 화상을 작성하는 입력 화상 작성 수단과, 템플릿을 설정하는 템플릿 설정 수단과, 캘리브레이션 수단에 의해 얻어진 각 화소의 분해능에 기초하여 상기 입력 화상을 소정 수의 구간으로 분할하는 화상 분할 처리 수단과, 상기 입력 화상 상의 상기 구간마다 분해능에 기초하여 상기 템플릿의 확대 또는 축소를 실시하는 템플릿 확대?축소 처리 수단과, 상기 템플릿과 상기 입력 화상으로부터 상기 입력 화상 중의 마커의 픽셀 위치를 검출하는 패턴 매칭 처리 수단과, 상기 마커의 픽셀 위치에 기초하여 상기 팬터그래프의 실제의 변위를 산출하는 팬터그래프 변위 계산 수단과, 상기 팬터그래프의 변위의 데이터에 대해 평활화 처리를 실시하는 필터링 처리 수단과, 상기 평활화 처리 수단에 의해 평활화된 상기 팬터그래프의 변위 데이터에 기초하여 산출한 상기 팬터그래프의 가속도를 출력하는 가속도 출력 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 여기에서 말하는 「캘리브레이션 수단」이란, 예를 들어 일본 특허출원 2009-011648호에 의한 캘리브레이션 방법을 사용하여 각 화소의 분해능을 구하는 수단을 말하는 것으로 한다.

제 2 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치는, 제 1 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 있어서, 상기 패턴 매칭 처리 수단이, 직전의 라인에 대해 실시한 패턴 매칭 처리의 결과에 기초하여, 상기 입력 화상의 소정의 범위에 대해서만 패턴 매칭 처리를 실시하는 것을 특징으로 한다.

제 3 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치는, 제 1 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 있어서, 상기 패턴 매칭 처리 수단이, 상기 입력 화상으로부터 검출한 상기 템플릿과의 상관값에 따라 상기 템플릿의 이동량을 설정하는 것을 특징으로 한다.

제 4 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치는, 제 1 내지 제 3 중 어느 하나의 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 있어서, 상기 패턴 매칭 처리 수단이, 상기 마커의 궤적이 인접하는 2 개의 상기 구간에 걸쳐 있는 경우에, 직전의 라인에 있어서 검출한 상기 마커의 위치를 기준으로 하여, 상기 마커의 궤적이 1 개의 상기 구간에 포함되도록 상기 구간의 위치를 자동으로 수정하는 것을 특징으로 한다.

제 5 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치는, 제 1 내지 제 4 중 어느 하나의 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 있어서, 상기 패턴 매칭 처리 수단이, 상기 마커의 궤적의 중심 위치를 대략적으로 검출하고, 상기 중심 위치로부터 상기 템플릿의 폭의 절반의 범위의 평균 휘도치를 산출하고, 그 값을 임계값으로 하여 상기 마커의 궤적을 추출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 여기서 말하는 「대략적」이란, 패턴 매칭 처리에 있어서 매칭 결과에 오차를 발생시키지 않는 범위에서 마커 중심 위치를 검출하는 정도를 말하는 것으로 한다.

제 6 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법은, 열차의 지붕 상에 설치되어 팬터그래프를 촬영하는 촬영 수단과, 상기 촬영 수단에 의해 촬영된 입력 화상을 화상 처리함으로써 팬터그래프의 변위를 취득하는 화상 처리 수단을 구비한 팬터그래프 변위 측정 장치를 사용하여 트롤리선의 경점을 검출하는 트롤리선 경점 검출 방법에 있어서, 미리 템플릿을 설정하는 제 1 공정과, 상기 촬영 수단으로부터 입력되는 화상 신호를 사용하여 입력 화상을 작성하는 제 2 공정과, 캘리브레이션 수단에 의해 얻어진 각 화소의 분해능에 기초하여 상기 입력 화상을 소정 수의 구간으로 분할하는 제 3 공정과, 상기 입력 화상 상의 상기 구간마다 분해능에 기초하여 상기 템플릿의 확대 또는 축소를 실시하는 제 4 공정과, 상기 템플릿과 상기 입력 화상으로부터 패턴 매칭 처리에 의해 상기 입력 화상 중의 마커의 픽셀 위치를 검출하는 제 5 공정과, 상기 마커의 픽셀 위치에 기초하여 상기 팬터그래프의 실제의 변위를 산출하는 제 6 공정과, 상기 팬터그래프의 변위의 데이터에 대하여 평활화 처리를 실시하는 제 7 공정과, 상기 평활화 처리 수단에 의해 평활화된 상기 팬터그래프의 변위 데이터에 기초하여 산출한 상기 팬터그래프의 가속도를 출력하는 제 8 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제 7 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법은, 제 6 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법에 있어서, 상기 제 5 공정을, 직전의 라인에 대해 실시한 패턴 매칭 처리의 결과에 기초하여, 상기 입력 화상의 소정의 범위에 대해서만 실시하는 것을 특징으로 한다.

제 8 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법은, 제 6 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법에 있어서, 상기 제 5 공정을, 상기 입력 화상으로부터 검출한 상기 템플릿과의 픽셀 위치마다의 상관값에 기초하여 상기 템플릿의 이동량을 설정하여 실시하는 것을 특징으로 한다.

제 9 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법은, 제 6 내지 제 8 중 어느 하나의 트롤리선 경점 검출 방법에 있어서, 상기 제 5 공정을, 상기 마커의 궤적이 인접하는 2 개의 상기 구간에 걸쳐 있을 경우에, 직전의 라인에 있어서 검출한 상기 마커의 위치를 기준으로 하여, 상기 마커의 궤적이 1 개의 상기 구간에 포함되도록 상기 구간의 위치를 자동으로 수정하여 실시하는 것을 특징으로 한다.

제 10 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법은, 제 6 내지 제 9 중 어느 하나의 트롤리선 경점 검출 방법에 있어서, 상기 제 5 공정을, 상기 마커의 궤적의 중심 위치를 대략적으로 검출하고, 상기 중심 위치로부터 상기 템플릿의 폭의 절반의 범위의 평균 휘도값을 산출하고, 그 값을 임계값으로 하여 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 서술한 제 1 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 의하면, 열차의 지붕 상에 설치되어 팬터그래프를 촬영하는 촬영 수단과, 촬영 수단에 의해 촬영된 입력 화상을 화상 처리함으로써 팬터그래프의 변위를 취득하는 화상 처리 수단을 구비한 팬터그래프 변위 측정 장치에 있어서, 화상 처리 수단이, 촬영 수단으로부터 입력되는 화상 신호를 사용하여 입력 화상을 작성하는 입력 화상 작성 수단과, 템플릿을 설정하는 템플릿 설정 수단과, 캘리브레이션 수단에 의해 얻어진 각 화소의 분해능에 기초하여 입력 화상을 소정 수의 구간으로 분할하는 화상 분할 처리 수단과, 입력 화상 상의 구간마다 분해능에 기초하여 템플릿의 확대 또는 축소를 실시하는 템플릿 확대?축소 처리 수단과, 템플릿과 입력 화상으로부터 마커의 픽셀 위치를 검출하는 패턴 매칭 처리 수단과, 마커의 픽셀 위치에 기초하여 팬터그래프의 실제의 변위를 산출하는 팬터그래프 변위 계산 수단과, 팬터그래프의 변위의 데이터에 대해 평활화 처리를 실시하는 필터링 처리 수단과, 평활화 처리 수단에 의해 평활화된 팬터그래프의 변위 데이터에 기초하여 산출한 팬터그래프의 가속도를 출력하는 가속도 출력 수단을 갖기 때문에, 적절한 화상 분할수를 자동적으로 구하고, 패턴 매칭 처리를 적절히 실시하여 마커의 픽셀 위치를 고정밀도로 검출하여, 트롤리선의 경점을 구할 수 있다.

또, 제 2 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 의하면, 패턴 매칭 처리 수단이, 직전의 라인에 대해 실시한 패턴 매칭 처리의 결과에 기초하여, 입력 화상의 소정의 범위에 대해서만 패턴 매칭 처리를 실시하므로, 처리 시간을 단축 할 수 있음과 함께, 노이즈 등의 검출의 확률을 저감시킬 수 있다.

또, 제 3 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 의하면, 상기 패턴 매칭 처리 수단이, 입력 화상으로부터 검출한 템플릿과의 상관값에 따라 템플릿의 이동량을 설정하므로, 상관값이 낮은 경우와 비교하여 상관값이 높은 경우에 템플릿의 이동량을 작게 설정함으로써, 패턴 매칭 처리를 효율적으로 실시할 수 있다.

또, 제 4 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 의하면, 패턴 매칭 처리 수단이, 입력 화상 중의 마커의 궤적이 인접하는 2 개의 구간에 걸쳐 있는 경우에, 직전의 라인에 있어서 검출한 마커의 위치를 기준으로 하여, 마커의 궤적이 1 개의 구간에 포함되도록 구간의 위치를 자동으로 수정하므로, 패턴 매칭의 처리 범위 내에 구획 위치가 존재함으로써 처리 범위 내에서 템플릿의 전환 처리가 발생하는 것을 방지하여, 패턴 매칭 처리를 효율적으로 실시할 수 있다.

또, 제 5 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 의하면, 패턴 매칭 처리 수단이, 마커의 궤적의 중심 위치를 대략적으로 검출하고, 중심 위치로부터 템플릿의 폭의 절반의 범위의 평균 휘도치를 산출하여, 그 값을 임계값으로 하여 마커의 궤적을 추출하므로, 화상의 구획 위치에 있어서 템플릿 사이즈가 변경됨으로써 패턴 매칭 결과가 수 픽셀 어긋나 버리는 것을 방지하여, 구획 위치에 있어서의 오차를 없앨 수 있음과 함께, 화상 전체의 휘도의 변화에 대해, 안정적으로 엣지 추출을 실시할 수 있다.

또, 제 6 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법에 의하면, 열차의 지붕 상에 설치되어 팬터그래프를 촬영하는 촬영 수단과, 촬영 수단에 의해 촬영된 입력 화상을 화상 처리함으로써 팬터그래프의 변위를 취득하는 화상 처리 수단을 구비한 팬터그래프 변위 측정 장치를 사용하여 트롤리선의 경점을 검출하는 트롤리선 경점 검출 방법에 있어서, 미리 템플릿을 설정하는 제 1 공정과, 촬영 수단으로부터 입력되는 화상 신호를 사용하여 입력 화상을 작성하는 제 2 공정과, 캘리브레이션 수단에 의해 얻어진 각 화소의 분해능에 기초하여 입력 화상을 소정 수의 구간으로 분할하는 제 3 공정과, 입력 화상 상의 구간마다 분해능에 기초하여 템플릿의 확대 또는 축소를 실시하는 제 4 공정과, 템플릿과 입력 화상으로부터 패턴 매칭 처리에 의해 마커의 픽셀 위치를 검출하는 제 5 공정과, 마커의 픽셀 위치에 기초하여 팬터그래프의 실제의 변위를 산출하는 제 6 공정과, 팬터그래프의 변위의 데이터에 대하여 평활화 처리를 실시하는 제 7 공정과, 평활화 처리 수단에 의해 평활화된 팬터그래프의 변위 데이터에 기초하여 산출한 팬터그래프의 가속도를 출력하는 제 8 공정으로 이루어지므로, 적절한 화상 분할수를 자동적으로 구하고, 패턴 매칭 처리를 적절히 실시하여 마커의 픽셀 위치를 고정밀도로 검출하여, 트롤리선의 경점을 구할 수 있다.

또, 제 7 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법에 의하면, 제 5 공정을, 직전의 라인에 대해 실시한 패턴 매칭 처리의 결과에 기초하여, 입력 화상의 소정의 범위에 대해서만 실시하므로, 처리 시간을 단축할 수 있음과 함께, 노이즈 등의 검출의 확률을 저감시킬 수 있다.

또, 제 8 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법에 의하면, 제 5 공정을, 입력 화상으로부터 검출한 템플릿과의 픽셀 위치마다의 상관값에 기초하여 템플릿의 이동량을 설정하여 실시하기 때문에, 상관값이 낮은 경우에는 템플릿의 이동량을 크게 설정하고, 상관값이 높은 경우에는 템플릿의 이동량을 작게 설정함으로써, 패턴 매칭 처리를 효율적으로 실시할 수 있다.

또, 제 9 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법에 의하면, 제 5 공정을, 입력 화상 중의 마커의 궤적이 인접하는 2 개의 구간에 걸쳐 있을 경우에, 직전의 라인에 있어서 검출한 마커의 위치를 기준으로 하여, 마커의 궤적이 1 개의 구간에 포함되도록 구간의 위치를 자동으로 수정해서 실시하기 때문에, 패턴 매칭의 처리 범위 내에 구획 위치가 존재함으로써 처리 범위 내에서 템플릿의 전환 처리가 발생하는 것을 방지하여, 패턴 매칭 처리를 효율적으로 할 수 있다.

또, 제 10 발명에 관련된 트롤리선 경점 검출 방법에 의하면, 제 5 공정을, 마커의 궤적의 중심 위치를 대략적으로 검출하고, 중심 위치로부터 템플릿의 폭의 절반의 범위의 평균 휘도값을 산출하고, 그 값을 임계값으로 하여 실시하기 때문에, 화상의 구획 위치에 있어서 템플릿 사이즈가 변경됨으로써 패턴 매칭 결과가 수 픽셀 어긋나 버리는 것을 방지하고, 구획 위치에 있어서의 오차를 없앨 수 있음과 함께, 화상 전체의 휘도의 변화에 대하여, 안정적으로 엣지 추출을 실시할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예 1 에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치의 설치예를 나타내는 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 실시예 1 에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치의 마커의 정면도이다.
도 3 은 본 발명의 실시예 1 에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4 는 본 발명의 실시예 1 에 있어서의 입력 화상의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 5 은 본 발명의 실시예 1 에 있어서의 템플릿의 예를 나타내는 설명도이다.
도 6 은 본 발명의 실시예 1 에 있어서 화상을 분할하는 예를 나타내는 설명도이다.
도 7 은 본 발명의 실시예 1 에 관련된 팬터그래프 측정 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 8 은 본 발명의 실시예 3 에 있어서 입력 화상 중의 템플릿과의 상관값의 고저를 나타내는 설명도이다.
도 9 는 본 발명의 실시예 4 에 있어서 패턴 매칭의 처리 범위에 구획 위치가 존재하는 경우의 예를 나타내는 설명도이다.
도 10 은 도 9 에 나타내는 구획 위치를 다시 설정한 예를 나타내는 설명도이다.
도 11 은 본 발명의 실시예 5 에 있어서 구간마다 설정되는 템플릿 사이즈의 예를 나타내는 설명도이다.
도 12 는 본 발명의 실시예 5 에 있어서 입력 화상 상의 마커의 백색 부분의 궤적인 백색 영역의 엣지를 추출하는 예를 나타내는 설명도이다.
도 13 은 팬터그래프 변위 측정 장치의 설치예를 나타내는 설명도이다.
도 14(a) 는 라인 센서 카메라의 앙각이 작은 경우의 입력 화상의 예를 나타내는 설명도이고, 도 14(b) 는 라인 센서 카메라의 앙각이 큰 경우의 입력 화상의 예를 나타내는 설명도이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명에 관련된 화상 처리를 사용한 트롤리선의 경점 측정에 있어서의 패턴 매칭 정밀도의 향상 방법의 상세한 것을 설명한다.

실시예 1

(화상의 구간마다 확대?축소시킨 템플릿을 사용한 패턴 매칭)

도 1 내지 도 7 을 사용하여 본 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치의 제 1 실시예에 대해 설명한다. 도 1 은 본 실시예에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치의 설치예를 나타내는 설명도, 도 2 는 본 실시예에서 사용하는 마커의 정면도, 도 3 은 본 실시예에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도, 도 4 는 입력 화상의 예를 나타내는 설명도, 도 5 는 템플릿의 예를 나타내는 설명도, 도 6 은 입력 화상을 분할하는 예를 나타내는 설명도, 도 7 은 본 실시예에 관련된 팬터그래프 측정 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 있어서 팬터그래프 높이 측정 장치는, 차량 (1) 의 지붕 상에 고정되는 촬영 수단으로서의 라인 센서 카메라 (2), 조명 장치 (3), 마커 (4) 와, 차량 (1) 의 내부에 설치되는 처리용 컴퓨터 (5) 를 구비하여 구성되어 있다.

라인 센서 카메라 (2) 는, 차량 (1) 의 지붕 상에 팬터그래프 (1a) 를 촬영하도록 설치되어 있다. 즉, 라인 센서 카메라 (2) 는, 그 광축이 비스듬한 상방을 향하도록, 또한 그 주사선 방향이 팬터그래프 (1a) 의 길이 방향과 직교하도록 그 방향이 설정되어 있다. 이 라인 센서 카메라 (2) 에 의해 취득한 화상 신호는 처리용 컴퓨터 (5) 에 입력된다.

조명 장치 (3) 는, 라인 센서 카메라 (2) 에 의해 촬영하는 지점에 대해 광을 조사하도록 그 방향 및 조사 각도가 설정되어 있다.

마커 (4) 는, 광을 반사하는 소재와 광을 반사하지 않는 소재로 형성되고, 팬터그래프 (1a) 의 라인 센서 카메라 (2) 측의 단면에 라인 센서 카메라 (2) 에 의해 촬영 가능한 범위에서 임의의 위치에 설치된다. 본 실시예에 있어서 사용하는 마커 (4) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이 2 개의 광을 반사하는 소재로 이루어지는 백색 부분 (4w) 과, 3 개의 광을 반사하지 않는 소재로 이루어지는 흑색 부분 (4b) 을 교대로 배치하여 구성되어 있다. 이 마커 (4) 의 크기는 임의로 결정한다.

처리용 컴퓨터 (5) 는, 라인 센서 카메라 (2) 로부터 입력된 화상을 해석하여 팬터그래프 (1a) 의 연직 방향의 변위를 검출하는 것으로서, 연산 처리 수단으로서의 연산 처리부 (5A) 와 모니터 (5B) 를 갖고 있다.

연산 처리부 (5A) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이 입력 화상 작성부 (5a), 템플릿 설정부 (5b), 화상 분할 처리부 (5c), 템플릿 확대?축소 처리부 (5d), 패턴 매칭 처리부 (5e), 팬터그래프 변위 계산부 (5f), 필터링 처리부 (5g), 가속도 출력부 (5h), 및 메모리 (m1, m2) 를 구비하고 있다.

입력 화상 작성 수단으로서의 입력 화상 작성부 (5a) 는, 라인 센서 카메라 (2) 로부터 입력되는 화상 신호를 시계열적으로 나열하여 이루어지는 도 4 에 나타내는 바와 같은 입력 화상 (6) 을 작성한다. 도 4 에 나타내는 바와 같이, 마커 (4) 는 조명 장치 (3) 의 광을 반사하기 때문에, 입력 화상 (6) 에 있어서 마커 (4) 의 백색 부분의 궤적은 흑색 영역 (도면 중, 도트를 붙여 나타내는 부분) (6b) 중에 띠 형상의 백색 영역 (6a) 으로 하여 표시된다. 이 입력 화상 (6) 은, 메모리 (m1, m2) 를 거쳐, 필요에 따라 템플릿 설정부 (5b) 또는 화상 분할 처리부 (5c) 에 보내진다.

템플릿 설정 수단으로서의 템플릿 설정부 (5b) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같은 입력 화상 (6) 으로부터 도 5 에 나타내는 바와 같은 마커 패턴을 매칭용 템플릿 (이하, 기준 템플릿이라고 한다) (7A) 으로서 미리 취득한다. 상세한 것은, 패턴 매칭 처리부 (5e) 에 있어서의 처리시에 입력 화상 (6) 중의 마커 (4) 를 추출하기 위해서 사용하는 마커 패턴을 기준 템플릿 (7A) 으로서 미리 취득하고, 이것을 메모리 (m2) 에 등록한다. 기준 템플릿 (7A) 은 메모리 (m2) 를 거쳐 템플릿 확대?축소 처리부 (5d) 에 보내진다.

도 5 에 나타내는 바와 같이, 기준 템플릿 (7A) 은 기준 템플릿 (7A) 작성용으로 미리 취득한 화상으로부터 마커 부분을 추출하여 얻어지는 백색 영역 (7a) 과 흑색 영역 (7b) 으로 이루어지는 1 차원의 휘도치 데이터이다. 이 때, 기준 템플릿 (7A) 으로는, 마커 (4) 의 백색 부분 (4w) 과 그 외측의 흑색 부분 (4b) 의 경계로 화상을 구획하는 것보다, 도 5 에 나타내는 바와 같이 백색 부분 (4w) 의 양측의 흑색 부분 (4b) 을 일부 포함하도록 화상을 구획하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 기준 템플릿 (7A) 의 특징량이 증가되어, 오검출을 저감시킬 수 있다. 또한, 템플릿 설정부 (5b) 에서는, 기준 템플릿 (7A) 과 함께, 오프셋 폭 (W_OS) 과 템플릿 사이즈 (W_T) (도 4 참조) 를 동시에 등록해 둔다.

화상 분할 처리 수단으로서의 화상 분할 처리부 (5c) 는, 입력 화상 작성부 (5a) 로부터 입력된 입력 화상 (6) 에 대해 도 6 에 나타내는 바와 같은 구획 위치 (8) 를 형성하고, 입력 화상 (6) 을 소정 수의 구간 (A₁, A₂, …, A_N) 으로 분할한다 (이하, 임의의 구간을 구간 (A_i) 이라고 한다). 모든 구간 (A_i) 의 정보는 메모리 (m2) 를 거쳐 템플릿 확대?축소 처리부 (5d) 에 보내진다. 이 때, 구간의 수 (N) 에 대해서는, 예를 들어, 일본 특허출원 2009-011648호에 있어서의 캘리브레이션 방법에 의해 미리 구한 각 화소의 분해능에 기초하여 자동적으로 산출하는 것으로 하고, 또한, 가장 분해능이 낮아지는 구간이, 가장 분해능이 높아지는 구간의 분해능의 1.1 배 이상이 되지 않도록 설정하는 것으로 한다. 이와 같이 함으로써, 정확하게 분해능을 산출할 수 있다.

여기에서, 본 실시예에 있어서 구간의 수 (N) 로서 가장 분해능이 낮아지는 구간이 가장 분해능이 높아지는 구간의 분해능의 1.1 배 이상이 되지 않도록 설정한 이유는, 템플릿 사이즈 (W_T) 에 관한 검증 실험의 결과에 기초한다. 즉, 마커 (4) 를 촬영한 화상으로부터 취득한 기준 템플릿 (7A) 의 사이즈 (W_T) 를 변화시켜, 기준 템플릿 (7A) 을 취득한 화상에 대해 패턴 매칭을 실시한 경우에 어느 정도 확대 또는 축소한 것까지 매칭이 성공하는지를 조사한 결과에 기초하고 있다.

템플릿 확대?축소 처리 수단으로서의 템플릿 확대?축소 처리부 (5d) 는, 템플릿 설정부 (5b) 로부터 입력된 기준 템플릿 (7A) 과 화상 분할 처리부 (5c) 로부터 입력된 구간 (A_i) 의 정보에 기초하여, 각각의 구간 (A_i) 마다 기준 템플릿 (7A) 을 확대 또는 축소하여 그 사이즈 (W_T) 를 변경하는 처리를 실시한다. 구간 (A_i) 마다 사이즈 (W_T) 가 변경된 템플릿 (이하, 확축 (擴縮) 템플릿이라고 한다) (7B_i) 의 데이터는 메모리 (m2) 를 거쳐 패턴 매칭 처리부 (5e) 에 보내진다.

상세하게는, 각각의 구간 (A_i) 마다, 기준 템플릿 (7A) 에 대한 확대?축소율 (이하, 확축율이라고 한다) 을 계산하여, 화상을 확대?축소하는데 일반적인 수법인 바이리니어 보간을 사용하여 기준 템플릿 (7A) 을 확대 또는 축소하고, 각각의 구간 (A_i) 에 따른 확축 템플릿 (7B_i) 을 작성한다. 확축 템플릿 (7B_i) 의 사이즈 (W_Ti) 에 대해서는, 기준 템플릿 (7A) 의 등록시에 그 사이즈 (W_T) 도 등록하고 있기 때문에, 기준 템플릿 (7A) 의 사이즈 (W_T) 에 확축율을 곱함으로써 구할 수 있다.

여기에서, 확축율에 대해서는 하기의 식 (1) ? (3) 으로부터 구한다. 또한, 화상의 픽셀 위치로부터 실제의 높이로 변환하기 위한 근사식 (4) 은, 예를 들어, 일본 특허출원 2009-011648호의 캘리브레이션 방법에 의해 얻어진 것을 사용한다.

P_n=[a(n+1)²＋b(n+1)＋c]-(an²＋bn＋c)…(1)

P_ori=[a(ori+1)²＋b(ori+1)＋c]-[a(ori)²＋b(ori)＋c]…(2)

scale=p_ori/p_n …(3)

y=ax²+bx+c …(4)

여기에서, 「a」, 「b」, 「c」는 픽셀 위치로부터 실제의 변위를 구하기 위한 근사식 (4) 의 계수, 「p_n」은 확대?축소하고자 하는 픽셀 위치 (n) 에서의 분해능 [㎜/pix], 「p_ori」는 기준 템플릿 (7A) 의 픽셀 위치 (ori) 에서의 분해능 [㎜/pix], 「scale」은 확축율이다.

본 실시예에 있어서 분해능은 1 픽셀당의 높이 [㎜] 로 하여 구할 수 있다. 즉, 픽셀 위치 (n) 의 높이 [㎜] 와, 1 개 옆의 픽셀 위치 (n+1) 의 높이 [㎜] 를 각각 구하고, 그 후, 픽셀 위치 (n+1) 에 있어서의 높이로부터 픽셀 위치 (n) 에 있어서의 높이를 감산함으로써, 분해능 [㎜/pix] 을 구할 수 있다.

또한, 확축 템플릿 (7B_i) 의 사이즈 (W_Ti) 가 기준 템플릿 (7A) 의 사이즈 (W_T) 와 동일한 경우에는 확축율을 1 로 하는 것은 말할 필요도 없다.

패턴 매칭 처리 수단으로서의 패턴 매칭 처리부 (5e) 는, 화상 분할 처리부 (5c) 로부터 입력된 구간 (A_i) 의 정보와, 템플릿 확대?축소 처리부 (5d) 로부터 입력된 확축 템플릿 (7B_i) 의 데이터에 기초하여 각 구간 (A_i) 마다 패턴 매칭 처리를 실시하여, 입력 화상 (6) 상의 마커 (4) 의 픽셀 위치를 검출한다. 패턴 매칭 처리부 (5e) 에 의해 얻어진 마커 (4) 의 픽셀 위치는 메모리 (m2) 를 거쳐 팬터그래프 변위 계산부 (5f) 에 보내진다.

팬터그래프 변위 계산 수단으로서의 팬터그래프 변위 계산부 (5f) 는, 패턴 매칭 처리부 (5e) 로부터 입력된 입력 화상 (6) 상의 마커 (4) 의 픽셀 위치에 기초하여, 입력 화상 (6) 상의 마커 (4) 의 변위를 실제의 팬터그래프 (1a) 의 변위로 변환한다. 또한, 입력 화상 (6) 상의 팬터그래프 (1a) 의 궤적의 변위를 실제의 팬터그래프 (1a) 의 변위로 변환하기 위한 계산식은, 예를 들어, 일본 특허출원 2009-011648호 등에 의해 얻어지는 근사식을 미리 구하여 이것을 사용하는 것으로 한다. 팬터그래프 변위 계산부 (5f) 에 의해 얻어진 실제의 팬터그래프 (1a) 의 변위 데이터는 메모리 (m2) 를 거쳐 필터링 처리부 (5g) 에 보내진다.

필터링 처리 수단으로서의 필터링 처리부 (5g) 는, 팬터그래프 변위 계산부 (5f) 로부터 입력된 변위 데이터에 대해 평활화 처리를 실시한다. 팬터그래프 (1a) 의 실제의 변위에는, 화상의 양자화 오차가 포함된 상태로 되어 있다. 그래서, 실제의 변위의 데이터에 필터링 처리를 실시하여, 변위 데이터의 평활화를 실시한다. 이로써, 변위 데이터에 포함되는 양자화 오차를 저감시킨다. 평활화된 변위 데이터 (이하, 평활화 변위 데이터라고 한다) 는 메모리 (m2) 를 통하여 가속도 출력부 (5h) 에 보내진다.

가속도 출력 수단으로서의 가속도 출력부 (5h) 는, 필터링 처리부 (5g) 로부터 입력된 평활화 변위 데이터에 대해 2 계 미분을 실시하여, 마커 (4), 즉, 팬터그래프 (1a) 의 연직 방향의 가속도를 산출한다. 상세한 것은, 필터링 처리에 의해 평활화된 변위 데이터를 2 계 미분함으로써 가속도를 구하고, 이것을 모니터 (5B) 에 출력한다. 여기에서, 본 실시예에서는, 예를 들어 팬터그래프 (1a) 의 가속도가 20 G 이상이 되는 위치를 경점으로 하여 검출한다. 산출된 가속도의 데이터는 메모리 (m2) 를 통하여 모니터 (5B) 에 출력?표시된다.

이하, 도 7 에 기초하여 본 실시예의 처리용 컴퓨터 (5) 에 있어서의 트롤리선 경점 검출 처리의 흐름을 간단하게 설명한다.

도 7 에 나타내는 바와 같이, 먼저, 처리용 컴퓨터 (5) 에서는, 템플릿 설정부 (5b) 에 있어서 기준 템플릿 (7A) 을 등록하는 처리 (단계 P1) 를 실시하고, 계속해서, 입력 화상 작성부 (5a) 에 있어서 라인 센서 카메라 (2) 로부터 출력되는 화상 신호를 시계열적으로 나열하여 이루어지는 입력 화상 (6) 을 작성하는 처리 (단계 P2) 를 실시한 후, 화상 분할 처리부 (5c) 에 있어서 도 6 에 나타내는 바와 같이 입력 화상 (6) 을 원하는 수 (N) 의 구간 (A₁, A₂, …, A_N) 으로 분할하는 처리 (단계 P3) 를 실시한다.

계속해서, 템플릿 확대?축소 처리부 (5d) 에 있어서 단계 P1 에서 등록한 기준 템플릿 (7A) 에 대해 각각의 구간 (A_i) 에 따라 확대 또는 축소하는 처리 (단계 P4) 를 실시하고, 계속해서, 패턴 매칭 처리부 (5e) 에 있어서 입력 화상 (6) 의 각 구간 (A_i) 마다 확대 또는 축소시킨 확축 템플릿 (7B_i) 과 입력 화상 (6) 을 비교하여 입력 화상 (6) 상의 마커 (4) 의 위치 (픽셀 위치) 를 검출하는 패턴 매칭 처리 (단계 P5) 를 실시한 후, 하나의 구간 (A_i) 에 대한 패턴 매칭 처리가 종료되었는지 여부의 판정 (단계 P6) 을 실시한다. 판정의 결과, 구간 (A_i) 이 종료되지 않은 경우 (아니오) 에는 단계 P7 로 이행한다. 한편, 구간 (A_i) 이 종료된 경우 (예) 에는 단계 P4 로 돌아온다.

단계 P7 에서는, 모든 입력 화상의 데이터에 대해 패턴 매칭 처리가 종료되었는지 여부의 판정을 실시한다. 판정의 결과, 모든 입력 화상의 데이터에 대해 패턴 매칭 처리가 종료된 경우 (예) 에는 단계 S8 로 이행한다. 한편, 모든 입력 화상의 데이터에 대해 패턴 매칭 처리가 종료되지 않은 경우 (아니오) 에는 단계 P5 로 돌아온다.

단계 P8 에서는, 팬터그래프 변위 계산부 (5f) 에 있어서 검출한 마커 위치에 기초하여 모든 입력 화상 (6) 에 대해, 입력 화상 (6) 상의 마커 (4) 의 픽셀 위치를 실제의 팬터그래프 (1a) 의 변위로 변환하는 처리를 실시한다.

계속해서, 필터링 처리부 (5g) 에 있어서 필터링 처리 (단계 P9) 를 실시하고, 마지막으로, 가속도 출력부 (5h) 에 있어서 팬터그래프의 가속도를 출력하는 처리 (단계 P10) 를 실시한다.

이와 같이 구성되는 본 실시예에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 의하면, 도 13(b) 와 같이, 카메라 앙각 (θ_B) 이 큰 상태에서 촬영한 입력 화상 (6) 에 대해, 이 입력 화상 (6) 을 도 6 에 나타내는 바와 같이 소정 수 (N) 의 구간 (A₁, A₂, …, A_N) 으로 분할하고, 각각의 구간 (A_i) 의 분해능을 기준으로 하여 기준 템플릿 (7A) 을 확대?축소시켜 이루어지는 확축 템플릿 (7B_i) 을 사용하여 패턴 매칭 처리를 실시하도록 했으므로, 고정밀도로 패턴 매칭 처리를 실시할 수 있게 된다. 또, 캘리브레이션 결과를 이용함으로써, 캘리브레이션을 실시한 부분의 분해능을 화소마다 정확하게 계산할 수 있다.

실시예 2

(패턴 매칭 처리 범위의 삭감에 의한 처리 시간의 효율화)

본 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치의 제 2 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예는, 실시예 1 과는 패턴 매칭 처리부 (5e) 에 있어서의 처리가 상이한 것이다. 그 밖의 구성은 실시예 1 에 있어서 설명한 것과 대체로 동일하고, 이하, 동일한 작용을 나타내는 처리부에는 동일한 부호를 붙여 중복되는 설명은 생략하고, 상이한 점을 중심으로 설명한다.

본 실시예에서는, 도 7 에 나타낸 단계 P5 의 처리로서 이하의 처리를 실시한다.

먼저, 입력 화상 (6) 의 1 라인째에 대해서는 실시예 1 과 동일한 패턴 매칭 처리를 실시하여, 검출한 마커 위치를 메모리 (m2) 에 보존한다. 그 후, 2 라인째 이후의 라인에 대해서는 그 직전의 라인에 대해 패턴 매칭 처리를 실시한 결과 얻어진 마커의 픽셀 위치를 기준으로 하는 ±N_P [pix] 의 범위에 대해서만 패턴 매칭 처리를 실시한다.

요컨데, 한 번 입력 화상 (6) 상에 마커 (4) 의 궤적을 검출하면, 다음의 라인에서는 그 픽셀 위치를 기준으로 하는 소정의 범위에 대해서만 패턴 매칭 처리를 실시한다. 이 때 패턴 매칭 처리를 실시하는 범위 ±N_P [pix] 는, 라인 센서 카메라 (2) 에 의한 촬영에 있어서의 단위 시간당 마커의 이동량 (팬터그래프의 상하 변위폭) 을 고려하여 결정하면 된다.

즉, 열차가 50 ㎞/h 를 초과하는 속도로 주행하는 구간에 커터너리 조가식 또는 강체 조가식에 의해 조가하는 경우에는, 트롤리선의 구배는 5/1000, 그 밖의 경우에는 15/1000 이하로 해야 한다고 「보통 철도 구조 규칙 제62조」에 정해져 있다. 구배가 5/1000 란, 1000 m 의 거리에서 5 m 높이가 변화하는 것을 나타낸다.

라인 센서 카메라 (2) 의 샘플링 주파수를 1000 ㎐ (1 초에 1000 라인 (1 ㎳ 간격) 의 화상을 촬영) 로 설정하고 있는 것으로 하여 설명하면, 예를 들어, 차량 (1) 이 시속 50 ㎞/h 로 주행하는 경우, 1 초에 진행되는 거리는 약 13.888 m 이고, 1 ㎳ 에서는 약 0.013888 m 가 된다. 팬터그래프 (1a) 의 상하 변위에 의한 구배가 15/1000 인 경우를 생각하면, 단위 시간 (1 ㎳) 당 팬터그래프의 높이의 변동은 약 0.00021 ㎜ 로 된다.

이것에 대해, 본 실시예에서는 경점을 검출하는 기준이 되는 가속도를 20 G 로 하고 있다. 이것은 단위 시간 (1 ㎳) 당 0.1 ㎜ 변화한 경우의 가속도이다. 상기 서술한 「보통 철도 구조 규칙 제62조」를 고려하면, 단위 시간당 10 ㎜ 의 변화를 예상하면 충분하므로, 직전의 라인에서 검출된 마커 (4) 의 픽셀 위치를 기준으로 하여 화상의 분해능에 따라 1 ㎳ 에서 10 ㎜ 변화한 경우의 픽셀폭 N_P[pix] 를 계산하고, 그 범위를 패턴 매칭을 실시하는 범위로 하면 된다. 또한, 본 실시예에서는 픽셀폭 N_P[pix] 를 산출하는 조건으로서 단위 시간당 10 ㎜ 의 변화를 전망하는 예를 나타냈지만, 픽셀폭 N_P[pix] 를 산출하는 조건으로서는 이것에 한정되지 않고, 필요에 따라 임의로 설정해도 된다.

라인 센서 카메라 (2) 로 팬터그래프 (1a) 를 촬영한 경우, 촬영의 단위 시간당에 있어서의 팬터그래프 (1a) 의 상하 변위폭이 작기 때문에 마커 (4) 의 이동량도 작아진다. 이와 같이, 한 번 패턴 매칭 처리에 의해 마커 (4) 의 픽셀 위치를 검출하면, 그 위치를 기준으로 하여 범위 ±N_P [pix] 내에서 패턴 매칭 처리를 실시하면 된다. 라인 센서 카메라 (2) 로 촬영한 입력 화상 (6) 의 폭을 「WIDTH」로 하면, 본 실시예에 있어서 패턴 매칭 처리에 걸리는 시간 (t) 은 실시예 1 에 있어서 패턴 매칭 처리에 걸리는 시간 (t₀) 을 사용하여 하기 식 (5) 로 나타내어진다.

[수학식 1]

이와 같이, 본 실시예에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 의하면, 패턴 매칭으로 검출한 직전의 라인의 마커 (4) 의 픽셀 위치를 기준으로 하여 ±N_P [pix] 의 범위에 대해서만 패턴 매칭 처리를 실시함으로써, 실시예 1 과 비교하여 처리 시간을 단축시킬 수 있다. 또한 패턴 매칭 처리를 실시하는 범위를 좁게 함으로써, 노이즈 등을 검출할 가능성을 저감시킬 수 있다.

실시예 3

(상관값를 기준으로 한 템플릿의 이동량의 변화에 의한 처리 시간의 효율화)

도 8 을 사용하여 본 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치의 제 3 실시예에 대해 설명한다. 도 8 은 입력 화상에 있어서의 템플릿과의 상관값의 고저를 나타내는 설명도이다.

본 실시예는, 실시예 1 과는 패턴 매칭 처리부 (5e) 에 있어서의 처리가 상이한 것이다. 그 밖의 구성은 실시예 1 에 있어서 설명한 것과 대체로 동일하고, 이하, 도 1 내지 도 7 에 나타내는 상기 서술한 구성과 동일한 작용을 나타내는 처리부에 대해서는 동일한 부호를 붙여 중복하는 설명은 생략하고, 상이한 점을 중심으로 설명한다.

도 8 에 나타내는 바와 같이, 입력 화상 (6) 과 확축 템플릿 (7B_i) 의 상관값 (R) 은 입력 화상 (6) 중에 촬영되고 있는 마커의 궤적의 부분에 있어서 가장 높고 (R=R_H), 그 밖의 지점에서는 낮아 (R=R_L) 진다. 또, 실제의 입력 화상 (6) 에 대해 마커 (4) 가 촬영되고 있는 부분은 일부이다.

따라서, 본 실시예에서는, 도 8 에 나타내는 입력 화상 (6) 에 대해 패턴 매칭을 실시할 때, 먼저 등록한 기준 템플릿 (7A) 과 유사한지 여부의 지표인 상관값 (R) 을 계산하여, 확축 템플릿 (7B_i) 의 이동량을 상관값 (R) 에 따라 변경하면서, 패턴 매칭 처리를 실시하도록 한다.

즉, 본 실시예에서는, 도 7 에 나타낸 단계 S5 의 처리로서, 실시예 1 에 있어서 설명한 단계 P5 의 처리를 실시하기 전에 이하의 처리를 실시한다.

먼저, 입력 화상 (6) 의 각 픽셀 위치 (i) 에 대해 기준 템플릿 (7A) 과의 상관값 (R) 을 계산한다. 상관값 (R) 은 하기의 식 (6) 을 계산함으로써 구할 수 있다. 또한, 라인 센서 카메라 (2) 는 1 차원의 화상을 촬영하는 카메라이기 때문에, 계산은 1 차원용으로 되어 있다.

[수학식 2]

여기에서, R 은 상관값, L 은 템플릿 화상의 폭 (탐색 화상의 폭보다 작게 한다), W_i 는 탐색 화상의 픽셀 위치 (i) 에 있어서의 휘도치, T_i 는 템플릿 화상의 픽셀 위치 (i) 에 있어서의 휘도치이다.

다음으로, 상관값 (R) 에 따라 패턴 매칭 처리시에 확축 템플릿 (7B_i) 을 이동시키는 양을 설정한다. 상세하게는, 상관값 (R) 이 낮은 범위에 대한 패턴 매칭 처리와 비교하여, 상관값 (R) 이 높은 범위에 대한 패턴 매칭 처리시에 확축 템플릿 (7B_i) 의 이동량이 작아지도록, 확축 템플릿 (7B_i) 의 이동량을 설정한다.

상관값은 최대로 1, 최저로 0 이 된다. 본 실시예에 있어서 패턴 매칭 처리를 실시한 경우, 상관값 (R) 은 낮은 곳에서 0.8 정도, 높은 곳에서 0.99 등의 값이 되는 것으로 생각된다. 그래서, 상관값 (R) 에 따라 상관값 (R) 이 0.05 증가할 때마다 이동량을 1 [pix] 씩 증가시키고, 상관값 (R) 이 0.95 이상인 경우에는 확축 템플릿 (7B_i) 의 이동량을 1 [pix], 상관값 (R) 이 0.9 ? 0.85 인 경우에는 확축 템플릿 (7B_i) 의 이동량을 2 [pix] 로 하는 등, 상관값 (R) 에 기초하여 패턴 매칭 처리시의 확축 템플릿 (7B_i) 의 이동량을 설정하면 된다.

본 실시예에서는, 상기 서술한 바와 같이 확축 템플릿 (7B_i) 의 이동량을 설정한 후, 실시예 1 에 있어서 설명한 단계 P5 의 처리를 실시한다.

또한, 이 상관값 (R) 의 이동량을 변경하기 위한 임계값 (본 실시예에서는 0.05) 은 수동으로 설정한다. 또, 확축 템플릿 (7B_i) 의 이동량은 상기 서술에 한정되지 않고, 필요에 따라 임의로 설정해도 된다.

이와 같이 구성되는 본 실시예에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 의하면, 1 [pix] 마다 패턴 매칭 처리를 실시하는 실시예 1 과 비교하여, 상관값 (R) 의 고저에 따라 이동량을 변경함으로써, 패턴 매칭 처리를 효율적으로 실시할 수 있다.

실시예 4

(화상의 구획 위치에 있어서의 처리의 효율화)

도 9 및 도 10 을 사용하여 본 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치의 제 4 실시예에 대해 설명한다. 도 9 는 패턴 매칭의 처리 범위에 구획 위치가 존재하는 경우의 예를 나타내는 설명도, 도 10 은 도 9 에 나타내는 구획 위치를 다시 설정한 예를 나타내는 설명도이다.

본 실시예는, 실시예 1, 실시예 2 와 비교하여 도 7 에 나타내는 단계 P5 에 있어서의 패턴 매칭 처리의 방법이 상이한 것이다. 그 밖의 구성은 실시예 1, 실시예 2 에 나타낸 것과 대체로 동일하고, 이하, 실시예 1, 실시예 2 에 있어서 설명한 구성과 동일한 작용을 나타내는 처리부에 대해서는 동일한 부호을 붙여 중복하는 설명은 생략하고, 상이한 점을 중심으로 설명한다.

상기 서술한 실시예 2 에서는, 직전의 라인에 대한 패턴 매칭 처리에 의해 검출한 마커 (4) 의 픽셀 위치를 기준으로 하여, 패턴 매칭 처리를 실시하는 범위를 한정함으로써, 처리의 효율화를 도모하였다. 그러나, 실시예 2 에 있어서는, 도 9 에 나타내는 바와 같이 입력 화상 (6) 의 패턴 매칭의 처리 범위 (앞의 라인에 대한 패턴 매칭 처리에 의해 얻어진 마커 (4) 의 픽셀 위치를 기준으로 하여 ±N_P [pix] 의 범위) (B) 내에 구획 위치 (8) 가 존재하는 경우, 구간 (본 실시예에서는 구간 (A_i, A_i ₊₁)) 마다 확축 템플릿 (7B_i) 의 확축율을 전환해야 한다.

그래서, 본 실시예에서는, 패턴 매칭 처리를 실시할 때, 도 9 에 나타내는 바와 같이 패턴 매칭의 처리 범위 (B) 내에 구획 위치 (8) 가 포함되는 경우에는, 처리 범위 (B) 내에 구획 위치 (8) 가 포함되지 않도록 자동적으로 구획 위치 (8) 를 다시 설정하는 것과 함께, 새롭게 설정한 구간 (A_i) 에 대응하도록 확축 템플릿 (7B_i) 의 사이즈를 다시 설정하는 처리를 실시한다.

구체적으로는, 본 실시예에서는 도 7 에 나타내는 상기 서술한 단계 P5 의 처리로서 이하의 처리를 실시한다. 먼저, 입력 화상 (6) 의 1 라인째에 대해서는 실시예 1 과 동일한 패턴 매칭 처리를 실시하여, 검출한 마커 (4) 의 픽셀 위치를 메모리 (m2) 에 보존한다. 계속해서, 2 라인째 이후에 대해서는 직전의 라인에 대한 패턴 매칭 처리에 의해 검출한 마커 (4) 의 픽셀 위치를 기준으로 하여, 패턴 매칭의 처리 범위 (B) 를 ±N_P [pix] 로 설정한다.

그 후, 직전의 라인으로부터 얻어진 마커 (4) 의 픽셀 위치 P [pix] 에 대해, P±N_P [pix] 의 처리 범위 (B) 에 포함되는 구획 위치 (8) 의 유무를 조사하여 여기에 구획 위치 (8) 가 포함되지 않으면 직전의 라인과 동일한 확축 템플릿 (7B_i) 을 사용하여 패턴 매칭을 실시한다.

한편, P±N_P [pix] 의 범위에 구획 위치 (8) 가 포함되어 있는 경우에는, 직전의 라인으로부터 얻어진 마커 (4) 의 픽셀 위치를 기준으로 하여 구간 (A_i) 을 설정하고, 그 구간 (A_i) 에 맞추어 확축 템플릿 (7B_i) 의 확축율을 계산하여, 새로운 확축 템플릿 (7B_i) 을 설정한다. 이와 같은 처리를 실시한 후, 실시예 1 에 있어서 설명한 패턴 매칭 처리를 실시한다. 또한, 확축 템플릿 (7B_i) 의 확축율과 구획 위치 (8) 의 위치의 계산은 실시예 1 에 있어서 설명한 방법에 의해 산출한다.

또한, 본 실시예에 있어서는, 기준 템플릿 (7A) 의 설정은 수동으로, 그 후의 확축 템플릿 (7B_i) 의 설정은 각 화상 위치의 분해능을 기준으로 하여 자동으로 실시한다.

상기 서술한 본 실시예에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 의하면, 패턴 매칭의 처리 범위 내에 구획 위치가 존재하는 경우에는, 직전의 라인으로부터 얻어진 마커 (4) 의 픽셀 위치를 기준으로 하여 처리 범위 내에 구획 위치 (8) 가 포함되지 않도록, 새롭게 확축 템플릿 (7B_i) 과 구획 위치 (8) 의 위치를 자동으로 설정하도록 했으므로, 실시예 2 의 효과에 더하여, 패턴 매칭 처리를 보다 고효율로 실시할 수 있다.

실시예 5

(템플릿 사이즈 변경에 의한 구획 위치의 정밀도 향상)

도 11 내지 도 12 를 사용하여 본 발명에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치의 제 5 실시예에 대해 설명한다. 도 11 은 구간마다 설정되는 템플릿 사이즈의 예를 나타내는 설명도, 도 12 는 입력 화상 상의 마커 (4) 의 백색 부분 (4w) 의 궤적인 백색 영역 (6a) 의 엣지를 추출하는 예를 나타내는 설명도이다.

실시예 1 내지 실시예 4 의 방법으로 패턴 매칭을 실시한 경우, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 마커 (4) 의 궤적 (이하, 마커 궤적이라고 한다) (M) 과, 구간 (A_i, A_i ₊₁) 간의 구획 위치 (8) 가 교차되면, 1 개의 마커 궤적 (M) 에 대해 2 개의 구간 (A_i, A_i ₊₁) 에서 2 가지의 확축 템플릿 (7B_i, 7B_i ₊₁) 을 사용하여 패턴 매칭 처리를 실시하게 된다. 그 결과, 구획 위치 (8) 에서 패턴 매칭의 결과가 수 픽셀 어긋날 우려가 있다. 가속도를 계산하는데 있어서, 수 픽셀의 어긋남은 대폭적인 오차로 연결된다.

그래서, 본 실시예에서는, 마커 궤적 (M) 과 구간 (A_i, A_i ₊₁) 간의 구획 위치 (8) 가 교차하는 경우에 있어서는, 확축 템플릿 (7B_i) 을 사용하여 미리 패턴 매칭 처리를 실시하여, 마커 궤적 (M) 의 픽셀 위치를 대략적으로 검출하고, 그 후, 검출된 마커 궤적 (M) 의 픽셀 위치를 기준으로 하여 마커 궤적 (M) 의 엣지를 추출한다. 이로써, 마커 궤적 (M) 과 구간 (A_i, A_i ₊₁) 간의 구획 위치 (8) 가 교차하는 것에 의한 오차의 발생을 방지한다.

또한, 마커 궤적 (M) 의 엣지의 추출은, 임의의 임계값을 사용하여 실시할 수 있지만, 임계값을 상수로 하면 입력 화상 (6) 이 전체적으로 어두워지거나 밝아지거나 한 경우에 정확하게 엣지를 추출할 수 없어진다. 그래서, 처리 범위 내의 휘도의 평균치를 계산하여, 이것을 임계값으로 하면 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 화상의 휘도치가 전체적으로 변화해도 안정적으로 엣지 추출을 실시할 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 도 7 에 나타내는 단계 P5 의 처리로서 이하의 처리를 실시한다.

먼저, 마커 궤적 (M) 과 구간 (A_i, A_i ₊₁) 간의 구획 위치 (8) 가 교차하는 경우, 확축 템플릿 (7B_i) 을 사용한 패턴 매칭 처리에 의해 마커 중심 위치 (P_C) 를 대략적으로 검출한다. 계속해서, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 마커 중심 위치 (P_C) 로부터 현재의 템플릿 사이즈 (W_T) 의 절반의 범위에서 휘도의 평균치 (B_A) 를 산출한다. 그 후, 휘도의 평균치 (B_A) 보다 휘도치가 높은 영역의 최대의 픽셀 위치 (가장 높은 위치의 엣지) (P_E) 를 구하고, 그 위치를 마커 궤적 (M) 의 픽셀 위치로서 추출한다.

또한, 본 실시예에서 말하는 「대략적」이란, 패턴 매칭 처리에 있어서 매칭 결과에 오차를 발생시키지 않을 정도로 마커 중심 위치를 검출하는 범위로 한다. 템플릿 사이즈 (W_T) 의 오차의 허용 범위는, 실험적으로 ±10 % 정도가 된다.

이와 같이 구성되는 본 실시예에 관련된 팬터그래프 변위 측정 장치에 의하면, 패턴 매칭에 의해 마커 위치를 대략적으로 검출하고, 검출한 마커 (4) 의 픽셀 위치를 기준으로 하여 마커 (4) 의 엣지를 추출함으로써, 입력 화상 (6) 에 설정되는 구획 위치에 있어서, 템플릿 사이즈가 변경되는 경우가 없고, 화상의 구획 위치에 있어서의 템플릿 사이즈 (W_T) 의 변화에 의한 패턴 매칭 결과의 차이를 없애, 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또, 패턴 매칭에 의해 검출한 마커 중심 위치로부터 현재의 템플릿 사이즈 (W_T) 의 절반의 범위의 평균 휘도치를 계산하여, 그 값을 엣지 추출의 임계값으로서 사용함으로써, 입력 화상 (6) 전체의 휘도의 변화에 대해 안정적으로 엣지 추출을 실시할 수 있다.

산업상 이용가능성

본 발명은, 팬터그래프 변위 측정 장치 및 트롤리선 경점 검출 방법에 적용할 수 있고, 특히 경점 계측용 마커를 장착한 팬터그래프를 라인 센서 카메라로 촬영한 화상을 사용하여 패턴 매칭 처리에 의해 트롤리선의 경점을 계측하는 팬터그래프 변위 측정 장치 및 트롤리선 경점 검출 방법에 적용하기 바람직한 것이다.

1 차량,
2 라인 센서 카메라,
3 조명 장치,
4 마커,
4w 백색 부분,
4b 흑색 부분,
5 처리용 컴퓨터,
5A 연산 처리부,
5B 모니터,
5a 입력 화상 작성부,
5b 템플릿 설정부,
5c 화상 분할 처리부,
5d 템플릿 확대?축소 처리부,
5e 패턴 매칭 처리부,
5f 팬터그래프 변위 계산부,
5g 필터링 처리부,
5h 가속도 출력부,
6 입력 화상,
6a 백색 영역,
6b 흑색 영역,
7 템플릿,
7a 백색 영역,
7b 흑색 영역,
8 구획 위치,
A₁, A₂,…, A_i, …A_N 구간,
W_T 템플릿 사이즈

Claims

열차의 지붕 상에 설치되어 팬터그래프를 촬영하는 촬영 수단과, 상기 촬영 수단에 의해 촬영된 입력 화상을 화상 처리함으로써 팬터그래프의 변위를 취득하는 화상 처리 수단을 구비한 팬터그래프 변위 측정 장치로서,
상기 화상 처리 수단이, 상기 촬영 수단으로부터 입력되는 화상 신호를 사용하여 입력 화상을 작성하는 입력 화상 작성 수단과, 템플릿을 설정하는 템플릿 설정 수단과, 캘리브레이션 수단에 의해 얻어진 각 화소의 분해능에 기초하여 상기 입력 화상을 소정 수의 구간으로 분할하는 화상 분할 처리 수단과, 상기 입력 화상 상의 상기 구간마다 분해능에 기초하여 상기 템플릿의 확대 또는 축소를 실시하는 템플릿 확대?축소 처리 수단과, 상기 템플릿과 상기 입력 화상으로부터 상기 입력 화상 중의 마커의 픽셀 위치를 검출하는 패턴 매칭 처리 수단과, 상기 마커의 픽셀 위치에 기초하여 상기 팬터그래프의 실제의 변위를 산출하는 팬터그래프 변위 계산 수단과, 상기 팬터그래프의 변위의 데이터에 대해 평활화 처리를 실시하는 필터링 처리 수단과, 상기 평활화 처리 수단에 의해 평활화된 상기 팬터그래프의 변위 데이터에 기초하여 산출한 상기 팬터그래프의 가속도를 출력하는 가속도 출력 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 변위 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 패턴 매칭 처리 수단이, 직전의 라인에 대해 실시한 패턴 매칭 처리의 결과에 기초하여, 상기 입력 화상의 소정의 범위에 대해서만 패턴 매칭 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 변위 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 패턴 매칭 처리 수단이, 상기 입력 화상으로부터 검출한 상기 템플릿과의 상관값에 따라 상기 템플릿의 이동량을 설정하는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 변위 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 패턴 매칭 처리 수단이, 상기 마커의 궤적이 인접하는 2 개의 상기 구간에 걸쳐 있는 경우에, 직전의 라인에 있어서 검출한 상기 마커의 위치를 기준으로 하여, 상기 마커의 궤적이 1 개의 상기 구간에 포함되도록 상기 구간의 위치를 자동으로 수정하는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 변위 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 패턴 매칭 처리 수단이, 상기 마커의 궤적의 중심 위치를 대략적으로 검출하고, 상기 중심 위치로부터 상기 템플릿의 폭의 절반의 범위의 평균 휘도치를 산출하고, 그 값을 임계값으로 하여 상기 마커의 궤적을 추출하는 것을 특징으로 하는 팬터그래프 변위 측정 장치.
열차의 지붕 상에 설치되어 팬터그래프를 촬영하는 촬영 수단과, 상기 촬영 수단에 의해 촬영된 입력 화상을 화상 처리함으로써 팬터그래프의 변위를 취득하는 화상 처리 수단을 구비한 팬터그래프 변위 측정 장치를 사용하여 트롤리선의 경점을 검출하는 트롤리선 경점 검출 방법으로서,
미리 템플릿을 설정하는 제 1 공정과, 상기 촬영 수단으로부터 입력되는 화상 신호를 사용하여 입력 화상을 작성하는 제 2 공정과, 캘리브레이션 수단에 의해 얻어진 각 화소의 분해능에 기초하여 상기 입력 화상을 소정 수의 구간으로 분할하는 제 3 공정과, 상기 입력 화상 상의 상기 구간마다 분해능에 기초하여 상기 템플릿의 확대 또는 축소를 실시하는 제 4 공정과, 상기 템플릿과 상기 입력 화상으로부터 패턴 매칭 처리에 의해 상기 입력 화상 중의 마커의 픽셀 위치를 검출하는 제 5 공정과, 상기 마커의 픽셀 위치에 기초하여 상기 팬터그래프의 실제의 변위를 산출하는 제 6 공정과, 상기 팬터그래프의 변위의 데이터에 대하여 평활화 처리를 실시하는 제 7 공정과, 상기 평활화 처리 수단에 의해 평활화된 상기 팬터그래프의 변위 데이터에 기초하여 산출한 상기 팬터그래프의 가속도를 출력하는 제 8 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 트롤리선 경점 검출 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제 5 공정을, 직전의 라인에 대해 실시한 패턴 매칭 처리의 결과에 기초하여, 상기 입력 화상의 소정의 범위에 대해서만 실시하는 것을 특징으로 하는 트롤리선 경점 검출 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제 5 공정을, 상기 입력 화상으로부터 검출한 상기 템플릿과의 픽셀 위치마다의 상관값에 기초하여 상기 템플릿의 이동량을 설정하여 실시하는 것을 특징으로 하는 트롤리선 경점 검출 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제 5 공정을, 상기 마커의 궤적이 인접하는 2 개의 상기 구간에 걸쳐 있을 경우에, 직전의 라인에 있어서 검출한 상기 마커의 위치를 기준으로 하여, 상기 마커의 궤적이 1 개의 상기 구간에 포함되도록 상기 구간의 위치를 자동으로 수정하여 실시하는 것을 특징으로 하는 트롤리선 경점 검출 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제 5 공정을, 상기 마커의 궤적의 중심 위치를 대략적으로 검출하고, 상기 중심 위치로부터 상기 템플릿의 폭의 절반의 범위의 평균 휘도값을 산출하고, 그 값을 임계값으로 하여 실시하는 것을 특징으로 하는 트롤리선 경점 검출 방법.