WO2010131696A1 - パンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法 - Google Patents

パンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法 Download PDF

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WO2010131696A1
WO2010131696A1 PCT/JP2010/058083 JP2010058083W WO2010131696A1 WO 2010131696 A1 WO2010131696 A1 WO 2010131696A1 JP 2010058083 W JP2010058083 W JP 2010058083W WO 2010131696 A1 WO2010131696 A1 WO 2010131696A1
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WO
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pantograph
template
input image
marker
pattern matching
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PCT/JP2010/058083
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French (fr)
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貴雅 藤澤
勇介 渡部
加藤　健次
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株式会社 明電舎
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Publication date
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    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L5/00—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles
    • B60L5/18—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles using bow-type collectors in contact with trolley wire
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G06V10/24—Aligning, centring, orientation detection or correction of the image
    • G06V10/245—Aligning, centring, orientation detection or correction of the image by locating a pattern; Special marks for positioning

Definitions

  • the present invention relates to a pantograph displacement measuring device and a trolley wire hard spot detection method, and in particular, measures a trolley wire hard spot by pattern matching using an image obtained by photographing a pantograph with a marker for hard spot measurement with a line sensor camera.
  • the present invention relates to a pantograph displacement measuring device and a trolley wire hard spot detection method.
  • one of the inspection items is the measurement of hard points on trolley wires.
  • the trolley wire is in a state of being hung from a hanging wire with a hanger.
  • the trolley wire weight is partially increased compared to other parts where this hanger is installed, as well as other parts where the trolley wire is connected or where there is a curved line. Called.
  • the pantograph which is a current collector installed on the roof of the vehicle and slides on the trolley line, passes through the hard point of the trolley line, the pantograph may drop rapidly due to the weight of the trolley line.
  • the trolley wire is separated from the pantograph, and a discharge phenomenon called an arc occurs.
  • the trolley wire is locally worn by heat generated by the arc. Therefore, at the hard point of the trolley wire, it is conceivable that the progress of wear is accelerated as compared with other portions.
  • the vertical acceleration of the pantograph whose displacement is equivalent to that of the trolley line may be monitored.
  • the acceleration of the pantograph can be obtained by measuring the displacement of the pantograph and performing a second order differentiation thereof.
  • A) Laser sensor system This system is a system in which a pantograph is scanned with a laser using a mirror or the like, and the displacement of the pantograph is measured by the phase difference of reflected waves or the deformation of the shape of the reflected laser.
  • B) Optical cutting sensor system This system is a system in which striped light is projected onto the pantograph, the striped irregularities are received according to the shape of the pantograph, and the displacement of the pantograph is measured.
  • (C) Image processing method In this method, a pantograph is photographed with a line sensor camera installed on the roof of the vehicle, and processing such as model matching and pattern matching is performed on the photographed image on a processing computer, and the displacement of the pantograph is performed.
  • processing such as model matching and pattern matching is performed on the photographed image on a processing computer, and the displacement of the pantograph is performed.
  • the image processing method extracts the pixel position on the image that matches the pantograph model prepared in advance from the pantograph image taken by the line sensor camera, and then the pantograph from the line sensor camera.
  • the actual height of the pantograph is calculated from the pixel position on the image based on the distance to the lens and the focal length of the lens of the photographing instrument.
  • This image processing method detects a pixel position that matches a previously acquired pantograph model from a photographed pantograph image, or attaches a black and white striped marker to a pantograph installed on the roof of the vehicle,
  • the marker position that is, the position of the pantograph is detected from the image captured by the line sensor camera by pattern matching.
  • the pixel position on the image is converted into an actual pantograph displacement from the relationship such as the distance to the pantograph and the focal length of the lens.
  • the acceleration is calculated by second-order differentiation of the displacement of the pantograph thus obtained.
  • the use of a line sensor camera can increase the spatial resolution and improve the accuracy. This method has an advantage that it can be mounted not only on a test vehicle manufactured exclusively for measurement but also on a commercial vehicle because the device is smaller than the laser sensor method and the light cutting method.
  • the line sensor camera 2 looks up obliquely upward on the roof of the vehicle 1 in order to photograph the marker 4 attached to the pantograph 1 a. Installed.
  • the line sensor camera indicated by the solid line and the line sensor camera 2 indicated by the broken line in FIG. 13 are referred to as line sensor cameras 2A and 2B, respectively.
  • FIGS. 14 (a) and 14 (b) Examples of input images of the marker 4 taken by the line sensor camera 2A and the line sensor camera 2B are shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b), respectively.
  • the line sensor camera 2A since the camera elevation angle ⁇ A is small, the marker trajectory M has almost the same width in the input image 6A, and the resolution depends on the height of the pantograph 1a. There is almost no difference.
  • the line sensor camera 2B is used as shown in FIG. 14B, since the camera elevation angle ⁇ B is large, the marker trajectory M differs depending on the height, and the height of the pantograph 1a in the input image 6B. Difference in resolution due to
  • the pattern matching process is likely to succeed when the pattern matching process is performed on the image 6A captured by the line sensor camera 2A as shown in FIG.
  • pattern matching processing is performed on the image 6B photographed by the sensor camera 2B, there is a problem that the pattern matching may fail because the size of the template 7 does not match.
  • the present invention is characterized by providing a pantograph displacement measuring apparatus and a trolley wire hard point detecting method capable of improving the accuracy of pattern matching processing.
  • a pantograph displacement measuring apparatus for solving the above-described problems is obtained by performing image processing on an input image photographed by the photographing means, which is installed on a roof of a train, and photographs the pantograph.
  • a pantograph displacement measuring apparatus including an image processing unit that acquires a displacement of a pantograph, the image processing unit creates an input image using an image signal input from the photographing unit, and a template.
  • the image division processing means for dividing the input image into a predetermined number of sections based on the resolution of each pixel obtained by the calibration means, and the resolution for each section on the input image
  • a template enlargement / reduction processing means for enlarging or reducing the template, and the template.
  • Pattern matching processing means for detecting a pixel position of the marker in the input image from the input image and the input image, a pantograph displacement calculating means for calculating an actual displacement of the pantograph based on the pixel position of the marker, and the pantograph Filtering processing means for smoothing the displacement data, and acceleration output means for outputting acceleration of the pantograph calculated based on the displacement data of the pantograph smoothed by the smoothing processing means It is characterized by that.
  • calibration means here means means for obtaining the resolution of each pixel using the calibration method according to Japanese Patent Application No. 2009-011648, for example.
  • a pantograph displacement measuring device is the pantograph displacement measuring device according to the first invention, wherein the pattern matching processing means performs the input based on the result of the pattern matching processing performed on the immediately preceding line.
  • the pattern matching process is performed only for a predetermined range of the image.
  • a pantograph displacement measuring device is the pantograph displacement measuring device according to the first invention, wherein the pattern matching processing means moves the template according to a correlation value with the template detected from the input image. It is characterized by setting an amount.
  • the pantograph displacement measuring device is the pantograph displacement measuring device according to any one of the first to third aspects, wherein the pattern matching processing means straddles two adjacent sections where the locus of the marker is adjacent. In this case, the position of the section is automatically corrected so that the locus of the marker is included in one section with reference to the position of the marker detected in the immediately preceding line.
  • a pantograph displacement measuring device is the pantograph displacement measuring device according to any one of the first to fourth inventions, wherein the pattern matching processing means roughly detects the center position of the locus of the marker, An average luminance value in a range half the width of the template is calculated from the center position, and the locus of the marker is extracted using the value as a threshold value.
  • rough here refers to the extent to which the marker center position is detected within a range in which no error occurs in the matching result in the pattern matching process.
  • a trolley-line hard point detection method for obtaining a displacement of a pantograph by performing image processing on an input image photographed by the photographing means installed on a train roof and photographing the pantograph.
  • a trolley wire hard spot detection method for detecting a hard point of a trolley line using a pantograph displacement measuring device provided with an image processing means, a first step of setting a template in advance, and an image signal input from the photographing means
  • a second step of creating an input image using a third step a third step of dividing the input image into a predetermined number of sections based on the resolution of each pixel obtained by the calibration means, and a step on the input image
  • calibration means here means means for obtaining the resolution of each pixel using the calibration method according to Japanese Patent Application No. 2009-011648, for example.
  • a trolley wire hard spot detection method is the trolley wire hard spot detection method according to the sixth invention, wherein the fifth step is based on a result of a pattern matching process performed on the immediately preceding line. Then, it is performed only for a predetermined range of the input image.
  • a trolley wire hard spot detection method is the trolley wire hard spot detection method according to the sixth invention, wherein the fifth step is a correlation for each pixel position with the template detected from the input image.
  • the movement amount of the template is set based on the value.
  • a trolley wire hard spot detection method is the trolley wire hard spot detection method according to any one of the sixth to eighth trolley wire hard spot detection methods, wherein the fifth step is performed on two sections where the locus of the marker is adjacent.
  • the position of the section is automatically corrected so that the locus of the marker is included in one section. To do.
  • a trolley wire hard spot detection method is the trolley wire hard spot detection method according to any one of the sixth to ninth trolley wire hard spot detection methods, wherein the fifth step roughly detects the center position of the locus of the marker.
  • An average luminance value in a range half the width of the template is calculated from the center position, and the value is used as a threshold value.
  • rough here refers to the extent to which the marker center position is detected within a range in which no error occurs in the matching result in the pattern matching process.
  • the image processing means includes an input image creating means for creating an input image using an image signal inputted from the photographing means, a template setting means for setting a template, Image division processing means for dividing the input image into a predetermined number of sections based on the resolution of each pixel obtained by the calibration means, and template enlargement for enlarging or reducing the template based on the resolution for each section on the input image ⁇ Detection of pixel position of marker from reduction processing means, template and input image Pattern matching processing means, pantograph displacement calculating means for calculating actual displacement of the pantograph based on the pixel position of the marker, filtering processing means for performing smoothing processing on the displacement data of the pantograph, and smoothing
  • the pattern matching processing means performs patterning only on a predetermined range of the input image based on the result of the pattern matching processing performed on the immediately preceding line. Since the matching process is performed, the processing time can be shortened and the probability of detecting noise or the like can be reduced.
  • the pattern matching processing means sets the movement amount of the template according to the correlation value with the template detected from the input image, the correlation value is low. If the correlation value is high compared to the above, the pattern matching process can be performed efficiently by setting the template movement amount small.
  • the pattern matching processing means detects the marker detected in the immediately preceding line when the marker trajectory in the input image straddles two adjacent sections. Since the position of the section is automatically corrected so that the marker trajectory is included in one section on the basis of the position, the template switching process is performed within the processing range due to the presence of the separation position within the pattern matching processing range. Can be prevented, and the pattern matching process can be performed efficiently.
  • the pattern matching processing means roughly detects the center position of the marker trajectory, and calculates an average luminance value in a range half the width of the template from the center position. Since the marker trajectory is extracted using this value as a threshold value, it is possible to prevent the pattern matching result from being shifted by several pixels due to the template size being changed at the image separation position, and to eliminate the error at the separation position. In addition, the edge extraction can be stably performed with respect to a change in luminance of the entire image.
  • the photographing means installed on the roof of the train to photograph the pantograph, and the displacement of the pantograph by performing image processing on the input image photographed by the photographing means
  • a trolley line hard spot detection method for detecting a hard point of a trolley line using a pantograph displacement measuring device provided with an image processing means for acquiring image data, a first step of setting a template in advance and input from an imaging means A second step of creating an input image using the image signal, a third step of dividing the input image into a predetermined number of sections based on the resolution of each pixel obtained by the calibration means, and a step on the input image
  • the fourth step of enlarging or reducing the template based on the resolution for each section, and the pattern matching processing from the template and the input image A fifth step of detecting a pixel position, a sixth step of calculating an actual displacement of the pantograph based on the pixel position of the marker, and a seventh step of performing a
  • the fifth step is performed on the predetermined range of the input image based on the result of the pattern matching process performed on the immediately preceding line. Therefore, the processing time can be shortened and the probability of detecting noise or the like can be reduced.
  • the fifth step is performed by setting the amount of movement of the template based on the correlation value for each pixel position with the template detected from the input image. Therefore, the pattern matching process can be efficiently performed by setting the template movement amount large when the correlation value is low and setting the template movement amount small when the correlation value is high.
  • the fifth step is detected in the immediately preceding line when the locus of the marker in the input image straddles two adjacent sections. Since the position of the section is automatically corrected so that the marker trajectory is included in one section on the basis of the marker position, there is a delimiter position within the pattern matching processing range. Template switching processing can be prevented from occurring, and pattern matching processing can be performed efficiently.
  • the fifth step is to roughly detect the center position of the marker trajectory, and to obtain an average luminance value in a range that is half the width of the template from the center position. Since this value is used as a threshold value, it is possible to prevent the pattern matching result from being shifted by several pixels due to the template size being changed at the image break position, and to eliminate the error at the break position. At the same time, edge extraction can be stably performed with respect to a change in luminance of the entire image.
  • FIG. 14A is an explanatory diagram illustrating an example of an input image when the elevation angle of the line sensor camera is small
  • FIG. 14B is an explanatory diagram illustrating an example of an input image when the elevation angle of the line sensor camera is large.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing an installation example of a pantograph displacement measuring apparatus according to this embodiment
  • FIG. 2 is a front view of a marker used in this embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic configuration of the pantograph displacement measuring apparatus according to this embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of an input image
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of a template
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of dividing an input image
  • FIG. 7 is a pantograph measurement according to this embodiment. It is a flowchart which shows the flow of a process.
  • the pantograph height measuring device is installed inside the vehicle 1 with a line sensor camera 2, a lighting device 3, a marker 4 as photographing means fixed on the roof of the vehicle 1. And a processing computer 5 to be processed.
  • the line sensor camera 2 is installed on the roof of the vehicle 1 so as to photograph the pantograph 1a. That is, the direction of the line sensor camera 2 is set so that the optical axis thereof is obliquely upward and the scanning line direction is orthogonal to the longitudinal direction of the pantograph 1a.
  • the image signal acquired by the line sensor camera 2 is input to the processing computer 5.
  • the lighting device 3 has its direction and irradiation angle set so as to irradiate light to a portion photographed by the line sensor camera 2.
  • the marker 4 is formed of a material that reflects light and a material that does not reflect light, and is installed at an arbitrary position on the end surface of the pantograph 1 a on the line sensor camera 2 side within a range that can be photographed by the line sensor camera 2.
  • the marker 4 used in the present embodiment is configured by alternately arranging white portions 4w made of a material that reflects two lights and black portions 4b made of a material that does not reflect three lights. Has been.
  • the size of the marker 4 is arbitrarily determined.
  • the processing computer 5 analyzes an image input from the line sensor camera 2 to detect a vertical displacement of the pantograph 1a, and includes an arithmetic processing unit 5A and a monitor 5B as arithmetic processing means. Yes.
  • the arithmetic processing unit 5A includes an input image creation unit 5a, a template setting unit 5b, an image division processing unit 5c, a template enlargement / reduction processing unit 5d, a pattern matching processing unit 5e, a pantograph displacement calculation unit 5f, and filtering.
  • a processing unit 5g, an acceleration output unit 5h, and memories m1 and m2 are provided.
  • the input image creation unit 5a as an input image creation means creates an input image 6 as shown in FIG. 4 in which image signals input from the line sensor camera 2 are arranged in time series. As shown in FIG. 4, since the marker 4 reflects the light of the illumination device 3, the locus of the white portion of the marker 4 in the input image 6 is in a black region (portion shown with a dot in the figure) 6b. It is displayed as a strip-shaped white area 6a. The input image 6 is sent to the template setting unit 5b or the image division processing unit 5c as necessary through the memories m1 and m2.
  • the template setting unit 5b as the template setting means acquires in advance a marker pattern as shown in FIG. 5 as a matching template (hereinafter referred to as a reference template) 7A from the input image 6 as shown in FIG. Specifically, a marker pattern used for extracting the marker 4 in the input image 6 during the processing in the pattern matching processing unit 5e is acquired in advance as the reference template 7A, and is registered in the memory m2.
  • the reference template 7A is sent to the template enlargement / reduction processing unit 5d via the memory m2.
  • the reference template 7A is one-dimensional luminance value data including a white region 7a and a black region 7b obtained by extracting a marker portion from an image acquired in advance for creating the reference template 7A.
  • the black portions 4b on both sides of the white portion 4w are partially shown as shown in FIG. It is desirable to divide the image to include it. By doing in this way, the feature-value of the reference
  • the template setting unit 5b registers the offset width W OS and the template size W T (see FIG. 4) at the same time as the reference template 7A.
  • the image division processing unit 5c as the image division processing means provides a delimiter position 8 as shown in FIG. 6 for the input image 6 inputted from the input image creation unit 5a, and the input image 6 is divided into a predetermined number of sections A 1. , a 2, ⁇ ⁇ ⁇ , divided into a N (hereinafter, the arbitrary section of the section a i). Information on all the sections A i is sent to the template enlargement / reduction processing unit 5d via the memory m2. At this time, the number of sections N is automatically calculated based on the resolution of each pixel obtained in advance by the calibration method in Japanese Patent Application No. 2009-011648, and the section with the lowest resolution is Assume that the setting is made so as not to exceed 1.1 times the resolution of the section where the resolution is highest. By doing so, the resolution can be accurately calculated.
  • the most resolution was set to not less than 1.1 times the resolution of the section comprising the section is the highest resolution lower reason, verification experiments on template size W T Based on the results. That is, the size W T of the reference template 7A acquired from the image obtained by photographing the markers 4 is varied, the matching to those which were much enlarged or reduced when performing pattern matching with respect to the acquired image the reference template 7A success It is based on the result of examining what to do.
  • Template scaling processing section 5d as a template scaling processing means, based on the information of the section A i input from the reference template 7A and the image dividing unit 5c input from the template setting unit 5b, respectively It performs a process of changing the size W T to expand or shrink the reference template 7A for each section a i. Segment A i is resized W T for each template (hereinafter, referred to as scaled template) data 7B i are sent through the memory m2 to pattern matching unit 5e.
  • an enlargement / reduction ratio (hereinafter referred to as an enlargement / reduction ratio) with respect to the reference template 7A is calculated, and a reference is made using bilinear interpolation, which is a general technique for enlarging / reducing an image.
  • the template 7A is enlarged or reduced to create an enlarged / reduced template 7B i corresponding to each section A i .
  • the size W Ti of the enlargement / reduction template 7B i can be obtained by multiplying the size W T of the reference template 7A by the enlargement / reduction rate because the size W T is also registered when the reference template 7A is registered.
  • the expansion / contraction rate is obtained from the following formulas (1) to (3).
  • the approximate expression (4) for converting the pixel position of the image into the actual height is, for example, the one obtained by the calibration method of Japanese Patent Application No. 2009-011648.
  • p n [a (n + 1) 2 + b (n + 1) + c] ⁇ (an 2 + 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 ax 2 + bx + c (4)
  • p n is the resolution [mm at the pixel position n to be enlarged / reduced] / pix]
  • p ori is the resolution [mm / pix] at the pixel position ori of the reference template 7A
  • scale is the scaling ratio.
  • the resolution can be obtained as the height [mm] per pixel. That is, the height [mm] of the pixel position n and the height [mm] of the next pixel position n + 1 are obtained, and then the height at the pixel position n + 1 is subtracted from the height at the pixel position n + 1. By doing so, the resolution [mm / pix] can be obtained.
  • the enlargement / reduction ratio is set to 1 when the size W Ti of the enlargement / reduction template 7B i is the same as the size W T of the reference template 7A.
  • the pattern matching processing unit 5e as a pattern matching processing unit is based on the information on the section A i input from the image division processing unit 5c and the data of the expansion / contraction template 7B i input from the template expansion / reduction processing unit 5d. Pattern matching processing is performed for each section A i to detect the pixel position of the marker 4 on the input image 6. The pixel position of the marker 4 obtained by the pattern matching processing unit 5e is sent to the pantograph displacement calculation unit 5f via the memory m2.
  • the pantograph displacement calculation unit 5f as the pantograph displacement calculation means calculates the displacement of the marker 4 on the input image 6 based on the pixel position of the marker 4 on the input image 6 input from the pattern matching processing unit 5e. Convert to displacement.
  • a calculation formula for converting the displacement of the trajectory of the pantograph 1a on the input image 6 into the actual displacement of the pantograph 1a for example, an approximate expression obtained by Japanese Patent Application No. 2009-011648 is obtained in advance and used. Shall.
  • the actual displacement data of the pantograph 1a obtained by the pantograph displacement calculator 5f is sent to the filtering processor 5g via the memory m2.
  • the filtering processing unit 5g as a filtering processing unit performs a smoothing process on the displacement data input from the pantograph displacement calculation unit 5f.
  • the actual displacement of the pantograph 1a is in a state where an image quantization error is put. Therefore, a filtering process is performed on the actual displacement data to smooth the displacement data. Thereby, the quantization error included in the displacement data is reduced.
  • Smoothed displacement data (hereinafter referred to as smoothed displacement data) is sent to the acceleration output unit 5h via the memory m2.
  • the acceleration output unit 5h serving as an acceleration output unit performs second-order differentiation on the smoothed displacement data input from the filtering processing unit 5g, and calculates the acceleration in the vertical direction of the marker 4, that is, the pantograph 1a. Specifically, the acceleration is obtained by second-order differentiation of the displacement data smoothed by the filtering process, and this is output to the monitor 5B.
  • the monitor 5B For example, a position where the acceleration of the pantograph 1a is 20G or more is detected as a hard point.
  • the calculated acceleration data is output / displayed on the monitor 5B via the memory m2.
  • the processing computer 5 first performs a process of registering the reference template 7A (step P1) in the template setting unit 5b, and subsequently output from the line sensor camera 2 in the input image creation unit 5a.
  • the image division processing unit 5c converts the input image 6 into a desired number N of sections A 1 as shown in FIG. , A 2 ,..., A N (step P3).
  • the template enlargement / reduction processing unit 5d performs a process (step P4) for enlarging or reducing the reference template 7A registered in step P1 in accordance with each section A i , and then the pattern matching processing unit 5e.
  • enlarged or pattern matching processing for detecting a position (pixel position) of the reduced scaled template 7B i and the input image 6 and by comparing the input image 6 on the marker 4 was in each section a i of the input image 6 (step P5 ) Is performed, it is determined whether or not the pattern matching processing for one section A i has been completed (step P6). As a result of the determination, if the section A i has not ended (NO), the process proceeds to Step P7. On the other hand, when the section A i is completed (YES), the process returns to Step P4.
  • Step P7 it is determined whether or not the pattern matching process has been completed for all input image data. As a result of the determination, if the pattern matching process is completed for all input image data (YES), the process proceeds to step S8. On the other hand, if the pattern matching process has not been completed for all input image data (NO), the process returns to step P5.
  • step P8 the process of converting the pixel position of the marker 4 on the input image 6 into the actual displacement of the pantograph 1a is performed on all the input images 6 based on the marker position detected by the pantograph displacement calculator 5f.
  • filtering processing (step P9) is performed in the filtering processing unit 5g, and finally processing for outputting the pantograph acceleration (step P10) is performed in the acceleration output unit 5h.
  • a second embodiment of the pantograph displacement measuring apparatus (Efficient processing time by reducing the pattern matching processing range)
  • This embodiment is different from the first embodiment in the processing in the pattern matching processing unit 5e.
  • Other configurations are generally the same as those described in the first embodiment, and hereinafter, processing units having the same functions are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted, and different points will be mainly described.
  • Step P5 the following processing is performed as the processing of Step P5 shown in FIG.
  • pattern matching processing similar to that in the first embodiment is performed on the first line of the input image 6, and the detected marker position is stored in the memory m2.
  • the pattern is processed only for the range of ⁇ N P [pix] based on the pixel position of the marker obtained as a result of performing the pattern matching process on the immediately preceding line. Perform the matching process.
  • the pattern matching process is performed only for a predetermined range based on the pixel position on the next line.
  • the range ⁇ N P [pix] for performing the pattern matching process may be determined in consideration of the amount of movement of the marker per unit time (up-and-down displacement width of the pantograph) in photographing by the line sensor camera 2.
  • the trolley wire gradient must be 5/1000, otherwise 15/1000 or less. It is stipulated in Article 62 of the Ordinary railway Structure Rules. A gradient of 5/1000 means that the height changes 5m at a distance of 1000m.
  • the sampling frequency of the line sensor camera 2 is set to 1000 Hz (images taken at 1000 lines (1 ms interval) per second), for example, when the vehicle 1 travels at a speed of 50 km / h, The distance traveled is about 13.888m, and in 1ms it is about 0.013888m.
  • the gradient due to the vertical displacement of the pantograph 1a is 15/1000
  • the variation in the height of the pantograph per unit time (1 ms) is about 0.00021 mm.
  • the acceleration serving as a reference for detecting the hard point is set to 20G. This is the acceleration when changing 0.1 mm per unit time (1 ms). Considering the above-mentioned “Regular Railway Structure Rule Article 62”, it is sufficient to allow for a change of 10 mm per unit time. Therefore, the pixel position of the marker 4 detected in the immediately preceding line is used as a reference according to the image resolution. Then, the pixel width N P [pix] when changing by 10 mm in 1 ms is calculated, and the range may be set as the range for pattern matching.
  • this embodiment shows an example of expected changes in the 10mm per unit time as a condition for calculating the pixel width N P [pix], it is not limited to this as a condition for calculating the pixel width N P [pix], You may set arbitrarily as needed.
  • the amount of movement of the marker 4 is small because the vertical displacement width of the pantograph 1a per unit time of photographing is small.
  • the pattern matching process may be performed within the range ⁇ N P [pix] with reference to the position. Assuming that the width of the input image 6 photographed by the line sensor camera 2 is “WIDTH”, the time t required for the pattern matching process in the present embodiment is expressed by the following equation (5) using the time t 0 required for the pattern matching process in the first embodiment. ).
  • the pattern matching process is performed only for the range of ⁇ N P [pix] with reference to the pixel position of the marker 4 of the immediately preceding line detected by pattern matching.
  • the processing time can be shortened compared to the first embodiment.
  • the possibility of detecting noise or the like can be reduced by narrowing the range for performing the pattern matching process.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing the level of the correlation value with the template in the input image.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in the processing in the pattern matching processing unit 5e.
  • Other configurations are substantially the same as those described in the first embodiment.
  • processing units having the same functions as those shown in FIGS. Omitted and the description will focus on the differences.
  • a correlation value R that is an index as to whether or not it is similar to the registered reference template 7A is calculated, and the enlargement / reduction template 7B i is calculated.
  • the pattern matching process is performed while changing the amount of movement in accordance with the correlation value R.
  • step S5 shown in FIG. 7 the following processing is performed before performing the processing in step P5 described in the first embodiment.
  • a correlation value R with the reference template 7A is calculated for each pixel position i of the input image 6.
  • the correlation value R can be obtained by calculating the following equation (6). Since the line sensor camera 2 is a camera that takes a one-dimensional image, the calculation is for one dimension.
  • R represents the correlation value
  • L is the width of the template image (smaller than the width of the search image)
  • W i is the brightness value at the pixel position i of the search image
  • T i is the luminance value at the pixel position i of the template image is there.
  • the correlation value is 1 at the maximum and 0 at the minimum.
  • the correlation value R is considered to be about 0.8 when it is low and 0.99 when it is high. Therefore, each time the correlation value R increases by 0.05 according to the correlation value R, the movement amount increases by 1 [pix].
  • the correlation value R is 0.95 or more
  • the movement amount of the expansion / contraction template 7B i is 1 [pix]
  • the correlation value etc. R is a movement amount of the expansion template 7B i for 0.9 ⁇ 0.85 2 [pix], may be set to the amount of movement of the scaled template 7B i during the pattern matching process based on the correlation value R.
  • step P5 described in the first embodiment is performed.
  • a threshold value (0.05 in this embodiment) for changing the movement amount of the correlation value R is manually set.
  • the movement amount of the expansion / contraction template 7B i is not limited to the above, and may be arbitrarily set as necessary.
  • the movement amount is changed in accordance with the level of the correlation value R, as compared with the first embodiment in which the pattern matching process is performed every 1 [pix]. By doing so, the pattern matching process can be performed efficiently.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an example in the case where a delimiter position exists in the pattern matching processing range
  • FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example in which the delimiter position illustrated in FIG. 9 is reset.
  • the present embodiment is different from the first and second embodiments in the pattern matching processing method in step P5 shown in FIG.
  • Other configurations are substantially the same as those shown in the first and second embodiments.
  • the processing units having the same functions as those described in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals. Therefore, the description which overlaps is abbreviate
  • the processing efficiency is improved by limiting the range in which the pattern matching process is performed based on the pixel position of the marker 4 detected by the pattern matching process for the immediately preceding line.
  • the pattern matching processing range of the input image 6 ( ⁇ N P [pix] with reference to the pixel position of the marker 4 obtained by the pattern matching processing for the previous line)
  • the delimiter position 8 exists in the range (B)
  • the enlargement / reduction ratio of the enlargement / reduction template 7B i must be switched for each section (section A i , A i + 1 in this embodiment).
  • the break position 8 when the pattern matching process is performed, if the break position 8 is included in the pattern matching processing range B as shown in FIG. 9, the break position 8 is not included in the process range B. In this way, the delimiter position 8 is automatically reset, and the size of the enlargement / reduction template 7B i is reset so as to correspond to the newly set section A i .
  • Step P5 the following processing is performed as the processing of Step P5 shown in FIG.
  • pattern matching processing similar to that in the first embodiment is performed on the first line of the input image 6, and the detected pixel position of the marker 4 is stored in the memory m2.
  • the pattern matching processing range B is set to ⁇ N P [pix] with reference to the pixel position of the marker 4 detected by the pattern matching processing for the previous line.
  • the pixel position P [pix] of the marker 4 obtained from the immediately preceding line is checked for the presence or absence of a delimiter position 8 included in the processing range B of P ⁇ N P [pix]. If not, pattern matching is performed using the same expansion / contraction template 7B i as the previous line.
  • the reference template 7A is set manually, and the subsequent enlargement / reduction template 7B i is automatically set based on the resolution of each image position.
  • the pixel position of the marker 4 obtained from the immediately preceding line is used as a reference. Since the position of the enlargement / reduction template 7B i and the separation position 8 is automatically set so that the separation position 8 is not included in the pattern position, the pattern matching processing is made more efficient in addition to the effect of the second embodiment. It can be carried out.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of the template size set for each section
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing an example of extracting the edge of the white region 6a that is the locus of the white portion 4w of the marker 4 on the input image. .
  • the pattern matching process is performed on two marker segments A i and A i + 1 using two expansion / contraction templates 7B i and 7B i + 1 .
  • the pattern matching result may be shifted by several pixels at the break position 8. In calculating the acceleration, a shift of several pixels leads to a large error.
  • the edge of the marker trajectory M can be extracted using an arbitrary threshold value.
  • the threshold value is a constant, the input image 6 becomes dark or bright as a whole. Edges cannot be extracted accurately. Therefore, it is preferable to calculate an average value of luminance within the processing range and use this as a threshold value. In this way, edge extraction can be performed stably even when the luminance value of the image changes as a whole.
  • Step P5 the following processing is performed as the processing of Step P5 shown in FIG.
  • the marker center position P C is roughly detected by pattern matching processing using the expansion / contraction template 7B i .
  • an average luminance value B A is calculated in a range of half of the current template size W T from the marker center position P C.
  • the maximum pixel position (edge of the highest position) P E of the area having a higher luminance value than the average luminance value B A is obtained, and that position is extracted as the pixel position of the marker locus M.
  • the “rough” in the present embodiment is a range in which the marker center position is detected to the extent that no error occurs in the matching result in the pattern matching process.
  • Margin of error of template size W T will ⁇ 10% experimentally.
  • the marker position is roughly detected by pattern matching, and the edge of the marker 4 is extracted with reference to the pixel position of the detected marker 4. in delimiting position set in the input image 6, without template size is changed, eliminating the pattern matching result shift due to a change in template size W T in the break position of the image, it is possible to improve the accuracy. Further, by calculating an average luminance value in the range of half of the current template size W T from the marker center position detected by pattern matching and using the value as a threshold value for edge extraction, the luminance of the entire input image 6 is calculated. Edge extraction can be performed stably against changes.
  • the present invention can be applied to a pantograph displacement measuring device and a trolley wire hard spot detection method, and in particular, a trolley wire can be detected by pattern matching using an image obtained by photographing a pantograph with a marker for hard spot measurement with a line sensor camera.
  • the present invention is suitable for application to a pantograph displacement measuring device and a trolley wire hard spot detection method for measuring hard spots.

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Abstract

ラインセンサカメラ（２）によってマーカを撮影した画像を処理することによりパンタグラフの加速度を求める画像処理部（５Ａ）が、入力画像を作成する入力画像作成部（５ａ）と、テンプレートを設定するテンプレート設定部（５ｂ）と、入力画像を分割する画像分割処理部（５ｃ）と、テンプレートの拡縮を行うテンプレート拡大・縮小処理部（５ｄ）と、入力画像上のマーカのピクセル位置を検出するパタンマッチング処理部（５ｅ）と、マーカのピクセル位置をパンタグラフの実際の変位に変換するパンタグラフ変位計算部（５ｆ）と、パンタグラフの変位に対して平滑化処理を行うフィルタリング処理部（５ｇ）と、パンタグラフの加速度を出力する加速度出力部（５ｈ）とを有するので、パタンマッチング処理の精度が向上した。

Description

パンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法
　本発明は、パンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法に関し、特に硬点計測用のマーカを取り付けたパンタグラフをラインセンサカメラで撮影した画像を用いてパタンマッチング処理によりトロリ線の硬点を計測するパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法に関する。
　電気鉄道設備においては、検査項目の一つとしてトロリ線の硬点の計測が挙げられる。例えば、トロリ線はちょう架線にハンガで吊り下げられた状態になっている。このハンガが設置されている箇所や、その他、トロリ線の接続箇所や曲線引がある部分などは他の部分に比べトロリ線の重量が部分的に増加しており、「トロリ線の硬点」と呼ばれる。
　このトロリ線の硬点を、車両の屋根上に設置されトロリ線に摺動する集電装置であるパンタグラフが通過するとき、トロリ線の重量によりパンタグラフが急激に下降する場合がある。このような場合、トロリ線がパンタグラフから離線し、アークと呼ばれる放電現象が発生する。このときトロリ線にはアークによって生じる熱によって局所的な摩耗が生じる。そのため、トロリ線の硬点においては、他の部分に比較して摩耗の進行が早まることが考えられる。
　以上のことから、トロリ線の硬点を検出することは、電気鉄道設備を保守し、運用・管理する上で重要な事項となっている。
　上述したように、トロリ線の硬点においてパンタグラフには鉛直方向に大きな加速度が生じる。したがって、トロリ線の硬点を検出するためにはトロリ線と変位が等価であるパンタグラフの鉛直方向の加速度を監視すればよい。パンタグラフの加速度は、パンタグラフの変位を測定し、これを二階微分することによって求めることができる。
　従来、パンタグラフの変位測定方法として以下のようなものが知られている。
（イ）レーザセンサ方式
　この方式は、パンタグラフをミラー等によりレーザで走査し、反射波の位相差や反射したレーザの形状の変形などにより、パンタグラフの変位を測定する方式である。
（ロ）光切断センサ方式
　この方式は、パンタグラフに縞状の光を投光し、パンタグラフの形状に応じて凹凸になった縞を受光し、パンタグラフの変位を測定する方式である。
（ハ）画像処理方式
　この方式は、車両の屋根上に設置したラインセンサカメラでパンタグラフを撮影し、撮影した画像に対して処理用コンピュータにおいてモデルマッチングやパタンマッチング等の処理を行い、パンタグラフの変位を測定する方式である（例えば、特許文献１，２参照）。
　上記の方式のうち、画像処理方式は、ラインセンサカメラにより撮影したパンタグラフの画像の中から、予め用意しておいたパンタグラフのモデルとマッチングする画像上のピクセル位置を抽出し、ラインセンサカメラからパンタグラフまでの距離や撮影器具のレンズの焦点距離などに基づき、画像上のピクセル位置からパンタグラフの実際の高さを算出するものである。
　この画像処理方式は、撮影したパンタグラフの画像の中から、予め取得したパンタグラフのモデルとマッチングするピクセル位置を検出したり、車両の屋根上に設置されたパンタグラフに白黒の縞模様のマーカを取り付け、ラインセンサカメラによって撮影した画像からパタンマッチングによってマーカ位置、すなわちパンタグラフの位置を検出したりしている。
　そして、画像上のパンタグラフの位置を検出した後、パンタグラフまでの距離やレンズの焦点距離などの関係から、画像上のピクセル位置を実際のパンタグラフ変位へと変換する。こうして求めたパンタグラフの変位を二階微分することで、加速度を算出している。また、特許文献２のように、ラインセンサカメラを用いることで空間分解能を上げ、精度を向上させることができる。この方式は、レーザセンサ方式や光切断方式に比べて装置が小型になるので、測定専用に製造された検測車だけでなく、営業車にも搭載できるという利点がある。
特開２００６－２５０７７４号公報 特開２００８－１０４３１２号公報
　しかしながら、ラインセンサカメラを用いた方式では、図１３に示すように、パンタグラフ１ａに取り付けられたマーカ４を撮影するために、ラインセンサカメラ２は、車両１の屋根上に斜め上方を見上げるように設置される。
　ここで、図１３に示すように、ラインセンサカメラ２からパンタグラフ１ａまでの距離が長い場合、このラインセンサカメラ２のカメラ仰角θAは小さくなる。一方、ラインセンサカメラ２からパンタグラフ１ａまでの距離が短い場合、このラインセンサカメラ２のカメラ仰角θBは大きくなる。以下、図１３中実線で示すラインセンサカメラ、破線で示すラインセンサカメラ２をそれぞれラインセンサカメラ２Ａ、２Ｂと呼称する。
　ラインセンサカメラ２Ａ、ラインセンサカメラ２Ｂによって撮影したマーカ４の入力画像例をそれぞれ図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示す。ラインセンサカメラ２Ａを用いた場合、図１４（ａ）に示すように、カメラ仰角θAが小さいので、入力画像６Ａ内においてマーカの軌跡Ｍはほぼ同一幅であり、パンタグラフ１ａの高さによる分解能の違いはほとんどない。これに対し、図１４（ｂ）に示すようにラインセンサカメラ２Ｂを用いた場合、カメラ仰角θBが大きいので、マーカの軌跡Ｍは高さによって異なり、入力画像６Ｂ内でパンタグラフ１ａの高さによる分解能に差が生じる。
　なお、図１４中、時刻ＴIの範囲に対応する画像はパンタグラフ１ａが図１３に示すＩの位置にある場合、時刻ＴIIの範囲に対応する画像はパンタグラフ１ａが図１３に示すIIの位置にある場合、時刻ＴIIIの範囲に対応する画像はパンタグラフ１ａが図１３に示すIIIの位置にある場合を示している。
　例えば、図１４中に破線で囲んで示すように、パンタグラフ１ａがII（＝時刻ＴII）に示す位置にあるときに取得したマーカ４の画像をパタンマッチング用のテンプレート７として取得した場合、図１４（ａ）に示すようにラインセンサカメラ２Ａによって撮影した画像６Ａに対してパタンマッチング処理を行う場合ではパタンマッチングが成功する可能性が高いのに対し、図１４（ｂ）に示すようにラインセンサカメラ２Ｂによって撮影した画像６Ｂに対してパタンマッチング処理を行う場合ではテンプレート７のサイズが合わずにパタンマッチングが失敗する可能性があるという問題があった。
　このようなことから本発明は、パタンマッチング処理の精度を向上させることを可能とするパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法を提供することを特徴とする。
　上記の課題を解決するための第１の発明に係るパンタグラフ変位測定装置は、列車の屋根上に設置されパンタグラフを撮影する撮影手段と、前記撮影手段によって撮影された入力画像を画像処理することによりパンタグラフの変位を取得する画像処理手段とを備えたパンタグラフ変位測定装置において、前記画像処理手段が、前記撮影手段から入力される画像信号を用いて入力画像を作成する入力画像作成手段と、テンプレートを設定するテンプレート設定手段と、キャリブレーション手段によって得られた各画素の分解能に基づいて前記入力画像を所定数の区間に分割する画像分割処理手段と、前記入力画像上の前記区間ごとの分解能に基づいて前記テンプレートの拡大又は縮小を行うテンプレート拡大・縮小処理手段と、前記テンプレートと前記入力画像とから前記入力画像中のマーカのピクセル位置を検出するパタンマッチング処理手段と、前記マーカのピクセル位置に基づいて前記パンタグラフの実際の変位を算出するパンタグラフ変位計算手段と、前記パンタグラフの変位のデータに対して平滑化処理を行うフィルタリング処理手段と、前記平滑化処理手段によって平滑化された前記パンタグラフの変位データに基づいて算出した前記パンタグラフの加速度を出力する加速度出力手段とを有することを特徴とする。
　なお、ここでいう「キャリブレーション手段」とは、例えば特願２００９－０１１６４８によるキャリブレーション方法を用いて各画素の分解能を求める手段のことをいうものとする。
　第２の発明に係るパンタグラフ変位測定装置は、第１の発明に係るパンタグラフ変位測定装置において、前記パタンマッチング処理手段が、直前のラインに対して行ったパタンマッチング処理の結果に基づいて、前記入力画像の所定の範囲に対してのみパタンマッチング処理を行うことを特徴とする。
　第３の発明に係るパンタグラフ変位測定装置は、第１の発明に係るパンタグラフ変位測定装置において、前記パタンマッチング処理手段が、前記入力画像から検出した前記テンプレートとの相関値に応じて前記テンプレートの移動量を設定することを特徴とする。
　第４の発明に係るパンタグラフ変位測定装置は、第１乃至第３のいずれかの発明に係るパンタグラフ変位測定装置において、前記パタンマッチング処理手段が、前記マーカの軌跡が隣接する二つの前記区間に跨っている場合に、直前のラインにおいて検出した前記マーカの位置を基準にして、前記マーカの軌跡が一つの前記区間に含まれるように前記区間の位置を自動で修正することを特徴とする。
　第５の発明に係るパンタグラフ変位測定装置は、第１乃至第４のいずれかの発明に係るパンタグラフ変位測定装置において、前記パタンマッチング処理手段が、前記マーカの軌跡の中心位置を大まかに検出し、前記中心位置から前記テンプレートの幅の半分の範囲の平均輝度値を算出し、その値をしきい値として前記マーカの軌跡を抽出することを特徴とする。
　なお、ここでいう「大まか」とは、パタンマッチング処理においてマッチング結果に誤差を生じない範囲でマーカ中心位置を検出する程度をいうものとする。
　第６の発明に係るトロリ線硬点検出方法は、列車の屋根上に設置されパンタグラフを撮影する撮影手段と、前記撮影手段によって撮影された入力画像を画像処理することによりパンタグラフの変位を取得する画像処理手段とを備えたパンタグラフ変位測定装置を用いてトロリ線の硬点を検出するトロリ線硬点検出方法において、予めテンプレートを設定する第一の工程と、前記撮影手段から入力される画像信号を用いて入力画像を作成する第二の工程と、キャリブレーション手段によって得られた各画素の分解能に基づいて前記入力画像を所定数の区間に分割する第三の工程と、前記入力画像上の前記区間ごとの分解能に基づいて前記テンプレートの拡大又は縮小を行う第四の工程と、前記テンプレートと前記入力画像とからパタンマッチング処理により前記入力画像中のマーカのピクセル位置を検出する第五の工程と、前記マーカのピクセル位置に基づいて前記パンタグラフの実際の変位を算出する第六の工程と、前記パンタグラフの変位のデータに対して平滑化処理を行う第七の工程と、前記平滑化処理手段によって平滑化された前記パンタグラフの変位データに基づいて算出した前記パンタグラフの加速度を出力する第八の工程とからなることを特徴とする。
　なお、ここでいう「キャリブレーション手段」とは、例えば特願２００９－０１１６４８によるキャリブレーション方法を用いて各画素の分解能を求める手段のことをいうものとする。
　第７の発明に係るトロリ線硬点検出方法は、第６の発明に係るトロリ線硬点検出方法において、前記第五の工程を、直前のラインに対して行ったパタンマッチング処理の結果に基づいて、前記入力画像の所定の範囲に対してのみ行うことを特徴とする。
　第８の発明に係るトロリ線硬点検出方法は、第６の発明に係るトロリ線硬点検出方法において、前記第五の工程を、前記入力画像から検出した前記テンプレートとのピクセル位置ごとの相関値に基づいて前記テンプレートの移動量を設定して行うことを特徴とする。
　第９の発明に係るトロリ線硬点検出方法は、第６乃至第８のいずれかのトロリ線硬点検出方法において、前記第五の工程を、前記マーカの軌跡が隣接する二つの前記区間に跨っている場合に、直前のラインにおいて検出した前記マーカの位置を基準にして、前記マーカの軌跡が一つの前記区間に含まれるように前記区間の位置を自動で修正して行うことを特徴とする。
　第１０の発明に係るトロリ線硬点検出方法は、第６乃至第９のいずれかのトロリ線硬点検出方法において、前記第五の工程を、前記マーカの軌跡の中心位置を大まかに検出し、前記中心位置から前記テンプレートの幅の半分の範囲の平均輝度値を算出し、その値をしきい値として行うことを特徴とする。
　なお、ここでいう「大まか」とは、パタンマッチング処理においてマッチング結果に誤差を生じない範囲でマーカ中心位置を検出する程度をいうものとする。
　上述した第１の発明に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、列車の屋根上に設置されパンタグラフを撮影する撮影手段と、撮影手段によって撮影された入力画像を画像処理することによりパンタグラフの変位を取得する画像処理手段とを備えたパンタグラフ変位測定装置において、画像処理手段が、撮影手段から入力される画像信号を用いて入力画像を作成する入力画像作成手段と、テンプレートを設定するテンプレート設定手段と、キャリブレーション手段によって得られた各画素の分解能に基づいて入力画像を所定数の区間に分割する画像分割処理手段と、入力画像上の区間ごとの分解能に基づいてテンプレートの拡大又は縮小を行うテンプレート拡大・縮小処理手段と、テンプレートと入力画像とからマーカのピクセル位置を検出するパタンマッチング処理手段と、マーカのピクセル位置に基づいてパンタグラフの実際の変位を算出するパンタグラフ変位計算手段と、パンタグラフの変位のデータに対して平滑化処理を行うフィルタリング処理手段と、平滑化処理手段によって平滑化されたパンタグラフの変位データに基づいて算出したパンタグラフの加速度を出力する加速度出力手段とを有するので、適切な画像分割数を自動的に求め、パタンマッチング処理を適切に行ってマーカのピクセル位置を高精度に検出し、トロリ線の硬点を求めることができる。
　また、第２の発明に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、パタンマッチング処理手段が、直前のラインに対して行ったパタンマッチング処理の結果に基づいて、入力画像の所定の範囲に対してのみパタンマッチング処理を行うので、処理時間を短縮することができるとともに、ノイズ等の検出の確率を低減することができる。
　また、第３の発明に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、前記パタンマッチング処理手段が、入力画像から検出したテンプレートとの相関値に応じてテンプレートの移動量を設定するので、相関値が低い場合に比較して相関値が高い場合にテンプレートの移動量を小さく設定することで、パタンマッチング処理を効率的に行うことができる。
　また、第４の発明に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、パタンマッチング処理手段が、入力画像中のマーカの軌跡が隣接する二つの区間に跨っている場合に、直前のラインにおいて検出したマーカの位置を基準にして、マーカの軌跡が一つの区間に含まれるように区間の位置を自動で修正するので、パタンマッチングの処理範囲内に区切り位置が存在することにより処理範囲内でテンプレートの切り替え処理が発生することを防止し、パタンマッチング処理を効率的に行うことができる。
　また、第５の発明に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、パタンマッチング処理手段が、マーカの軌跡の中心位置を大まかに検出し、中心位置からテンプレートの幅の半分の範囲の平均輝度値を算出し、その値をしきい値としてマーカの軌跡を抽出するので、画像の区切り位置においてテンプレートサイズが変更されることによりパタンマッチング結果が数ピクセルずれてしまうことを防止し、区切り位置における誤差をなくすことができるとともに、画像全体の輝度の変化に対して、安定してエッジ抽出を行うことができる。
　また、第６の発明に係るトロリ線硬点検出方法によれば、列車の屋根上に設置されパンタグラフを撮影する撮影手段と、撮影手段によって撮影された入力画像を画像処理することによりパンタグラフの変位を取得する画像処理手段とを備えたパンタグラフ変位測定装置を用いてトロリ線の硬点を検出するトロリ線硬点検出方法において、予めテンプレートを設定する第一の工程と、撮影手段から入力される画像信号を用いて入力画像を作成する第二の工程と、キャリブレーション手段によって得られた各画素の分解能に基づいて入力画像を所定数の区間に分割する第三の工程と、入力画像上の区間ごとの分解能に基づいてテンプレートの拡大又は縮小を行う第四の工程と、テンプレートと入力画像とからパタンマッチング処理によりマーカのピクセル位置を検出する第五の工程と、マーカのピクセル位置に基づいてパンタグラフの実際の変位を算出する第六の工程と、パンタグラフの変位のデータに対して平滑化処理を行う第七の工程と、平滑化処理手段によって平滑化されたパンタグラフの変位データに基づいて算出したパンタグラフの加速度を出力する第八の工程とからなるので、適切な画像分割数を自動的に求め、パタンマッチング処理を適切に行ってマーカのピクセル位置を高精度に検出し、トロリ線の硬点を求めることができる。
　また、第７の発明に係るトロリ線硬点検出方法によれば、第五の工程を、直前のラインに対して行ったパタンマッチング処理の結果に基づいて、入力画像の所定の範囲に対してのみ行うので、処理時間を短縮することができるとともに、ノイズ等の検出の確率を低減することができる。
　また、第８の発明に係るトロリ線硬点検出方法によれば、第五の工程を、入力画像から検出したテンプレートとのピクセル位置ごとの相関値に基づいてテンプレートの移動量を設定して行うので、相関値が低い場合はテンプレートの移動量を大きく設定し、相関値が高い場合はテンプレートの移動量を小さく設定することで、パタンマッチング処理を効率的に行うことができる。
　また、第９の発明に係るトロリ線硬点検出方法によれば、第五の工程を、入力画像中のマーカの軌跡が隣接する二つの区間に跨っている場合に、直前のラインにおいて検出したマーカの位置を基準にして、マーカの軌跡が一つの区間に含まれるように区間の位置を自動で修正して行うので、パタンマッチングの処理範囲内に区切り位置が存在することにより処理範囲内でテンプレートの切り替え処理が発生することを防止し、パタンマッチング処理を効率的に行うことができる。
　また、第１０の発明に係るトロリ線硬点検出方法によれば、第五の工程を、マーカの軌跡の中心位置を大まかに検出し、中心位置からテンプレートの幅の半分の範囲の平均輝度値を算出し、その値をしきい値として行うので、画像の区切り位置においてテンプレートサイズが変更されることによりパタンマッチング結果が数ピクセルずれてしまうことを防止し、区切り位置における誤差をなくすことができるとともに、画像全体の輝度の変化に対して、安定してエッジ抽出を行うことができる。
本発明の実施例１に係るパンタグラフ変位測定装置の設置例を示す説明図である。 本発明の実施例１に係るパンタグラフ変位測定装置のマーカの正面図である。 本発明の実施例１に係るパンタグラフ変位測定装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１における入力画像の一例を示す説明図である。 本発明の実施例１におけるテンプレートの例を示す説明図である。 本発明の実施例１において画像を分割する例を示す説明図である。 本発明の実施例１に係るパンタグラフ測定処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例３において入力画像中のテンプレートとの相関値の高低を示す説明図である。 本発明の実施例４においてパタンマッチングの処理範囲に区切り位置が存在する場合の例を示す説明図である。 図９に示す区切り位置を設定し直した例を示す説明図である。 本発明の実施例５において区間毎に設定されるテンプレートサイズの例を示す説明図である。 本発明の実施例５において入力画像上のマーカの白色部分の軌跡である白色領域のエッジを抽出する例を示す説明図である。 パンタグラフ変位測定装置の設置例を示す説明図である。 図１４（ａ）はラインセンサカメラの仰角が小さい場合の入力画像の例を示す説明図、図１４（ｂ）はラインセンサカメラの仰角が大きい場合の入力画像の例を示す説明図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明に係る画像処理を用いたトロリ線の硬点測定におけるパタンマッチング精度の向上方法の詳細を説明する。
（画像の区間毎に拡大・縮小させたテンプレートを用いたパタンマッチング）
　図１乃至図７を用いて本発明に係るパンタグラフ変位測定装置の第１の実施例について説明する。図１は本実施例に係るパンタグラフ変位測定装置の設置例を示す説明図、図２は本実施例で用いるマーカの正面図、図３は本実施例に係るパンタグラフ変位測定装置の概略構成を示すブロック図、図４は入力画像の例を示す説明図、図５はテンプレートの例を示す説明図、図６は入力画像を分割する例を示す説明図、図７は本実施例に係るパンタグラフ測定処理の流れを示すフローチャートである。
　図１に示すように、本実施例においてパンタグラフ高さ測定装置は、車両１の屋根上に固定される撮影手段としてのラインセンサカメラ２、照明装置３、マーカ４と、車両１の内部に設置される処理用コンピュータ５とを備えて構成されている。
　ラインセンサカメラ２は、車両１の屋根上にパンタグラフ１ａを撮影するように設置されている。即ち、ラインセンサカメラ２は、その光軸が斜め上方に向くように、且つその走査線方向がパンタグラフ１ａの長手方向と直交するようにその向きを設定されている。このラインセンサカメラ２によって取得した画像信号は処理用コンピュータ５に入力される。
　照明装置３は、ラインセンサカメラ２によって撮影する箇所に対して光を照射するようにその向き及び照射角度を設定されている。
　マーカ４は、光を反射する素材と光を反射しない素材とで形成され、パンタグラフ１ａのラインセンサカメラ２側の端面にラインセンサカメラ２によって撮影可能な範囲で任意の位置に設置される。本実施例において用いるマーカ４は、図２に示すように二本の光を反射する素材からなる白色部分４ｗと三本の光を反射しない素材からなる黒色部分４ｂとを交互に配して構成されている。このマーカ４の大きさは任意に決定する。
　処理用コンピュータ５は、ラインセンサカメラ２から入力された画像を解析してパンタグラフ１ａの鉛直方向の変位を検出するものであり、演算処理手段としての演算処理部５Ａとモニタ５Ｂとを有している。
　演算処理部５Ａは、図３に示すように入力画像作成部５ａ、テンプレート設定部５ｂ、画像分割処理部５ｃ、テンプレート拡大・縮小処理部５ｄ、パタンマッチング処理部５ｅ、パンタグラフ変位計算部５ｆ、フィルタリング処理部５ｇ、加速度出力部５ｈ、及びメモリｍ１，ｍ２を備えている。
　入力画像作成手段としての入力画像作成部５ａは、ラインセンサカメラ２から入力される画像信号を時系列的に並べてなる図４に示すような入力画像６を作成する。図４に示すように、マーカ４は照明装置３の光を反射するため、入力画像６においてマーカ４の白色部分の軌跡は黒色領域（図中、ドットを付して示す部分）６ｂの中に帯状の白色領域６ａとして表示される。この入力画像６は、メモリｍ１，ｍ２を経て、必要に応じてテンプレート設定部５ｂ又は画像分割処理部５ｃへ送られる。
　テンプレート設定手段としてのテンプレート設定部５ｂは、図４に示すような入力画像６から図５に示すようなマーカパタンをマッチング用のテンプレート（以下、基準テンプレートという）７Ａとして予め取得する。詳しくは、パタンマッチング処理部５ｅにおける処理の際に入力画像６中のマーカ４を抽出するために用いるマーカパタンを基準テンプレート７Ａとして予め取得し、これをメモリｍ２に登録する。基準テンプレート７Ａはメモリｍ２を経てテンプレート拡大・縮小処理部５ｄへ送られる。
　図５に示すように、基準テンプレート７Ａは基準テンプレート７Ａ作成用に予め取得した画像からマーカ部分を抽出して得られる白色領域７ａと黒色領域７ｂとからなる一次元の輝度値データである。このとき、基準テンプレート７Ａとしては、マーカ４の白色部分４ｗとその外側の黒色部分４ｂとの境界で画像を区切るよりも、図５に示すように白色部分４ｗの両側の黒色部分４ｂを一部含むように画像を区切ることが望ましい。このようにすることで、基準テンプレート７Ａの特徴量が増え、誤検出を低減することができる。なお、テンプレート設定部５ｂでは、基準テンプレート７Ａとともに、オフセット幅ＷOSとテンプレートサイズＷT（図４参照）を同時に登録しておく。
　画像分割処理手段としての画像分割処理部５ｃは、入力画像作成部５ａから入力された入力画像６に対して図６に示すような区切り位置８を設け、入力画像６を所定数の区間Ａ1，Ａ2，・・・，ＡNに分割する（以下、任意の区間を区間Ａiという）。全ての区間Ａiの情報はメモリｍ２を経てテンプレート拡大・縮小処理部５ｄへ送られる。このとき、区間の数Ｎについては、例えば、特願２００９－０１１６４８におけるキャリブレーション方法により予め求めた各画素の分解能に基づいて自動的に算出するものとし、且つ、最も分解能が低くなる区間が、最も分解能が高くなる区間の分解能の１．１倍以上にならないように設定するものとする。このようにすることにより、正確に分解能を算出することができる。
　ここで、本実施例において区間の数Ｎとして、最も分解能が低くなる区間が最も分解能が高くなる区間の分解能の１．１倍以上にならないように設定した理由は、テンプレートサイズＷTに関する検証実験の結果に基づく。すなわち、マーカ４を撮影した画像から取得した基準テンプレート７ＡのサイズＷTを変化させ、基準テンプレート７Ａを取得した画像に対してパタンマッチングを行った場合にどの程度拡大又は縮小したものまでマッチングが成功するかを調べた結果に基づいている。
　テンプレート拡大・縮小処理手段としてのテンプレート拡大・縮小処理部５ｄは、テンプレート設定部５ｂから入力された基準テンプレート７Ａと画像分割処理部５ｃから入力された区間Ａiの情報とに基づいて、それぞれの区間Ａi毎に基準テンプレート７Ａを拡大又は縮小してそのサイズＷTを変更する処理を行う。区間Ａi毎にサイズＷTを変更されたテンプレート（以下、拡縮テンプレートという）７Ｂiのデータはメモリｍ２を経てパタンマッチング処理部５ｅへ送られる。
　詳しくは、それぞれの区間Ａi毎に、基準テンプレート７Ａに対する拡大・縮小率（以下、拡縮率という）を計算し、画像を拡大・縮小するのに一般的な手法であるバイリニア補間を用いて基準テンプレート７Ａを拡大又は縮小し、それぞれの区間Ａiに応じた拡縮テンプレート７Ｂiを作成する。拡縮テンプレート７ＢiのサイズＷTiについては、基準テンプレート７Ａの登録時にそのサイズＷTも登録しているので、基準テンプレート７ＡのサイズＷTに拡縮率を乗算することで求めることができる。
　ここで、拡縮率については下記の式（１）～（３）から求める。なお、画像のピクセル位置から実際の高さに変換するための近似式（４）は、例えば、特願２００９－０１１６４８のキャリブレーション方法によって得られたものを用いる。
pn＝[a(n+1)2＋b(n+1)＋c]－(an2＋bn＋c)　・・・（１）
pori＝[a(ori+1)2＋b(ori+1)＋c]－[a(ori)2＋b(ori)＋c]　・・・（２）
scale＝pori／pn　・・・（３）
y=ax2+bx+c  ・・・（４）
　ここで、「a」，「b」，「c」はピクセル位置から実際の変位を求めるための近似式（４）の係数、「pn」は拡大・縮小したいピクセル位置nでの分解能[mm/pix]、「pori」は基準テンプレート７Ａのピクセル位置oriでの分解能[mm/pix]、「scale」は拡縮率である。
　本実施例において分解能は１ピクセル当たりの高さ[mm]として求めることができる。すなわち、ピクセル位置nの高さ[mm]と一つ隣のピクセル位置n+1の高さ[mm]をそれぞれ求め、その後、ピクセル位置n+1における高さからピクセル位置nにおける高さを減算することで、分解能[mm/pix]を求めることができる。
　なお、拡縮テンプレート７ＢiのサイズＷTiが基準テンプレート７ＡのサイズＷTと同一の場合は拡縮率を１とすることはいうまでもない。
　パタンマッチング処理手段としてのパタンマッチング処理部５ｅは、画像分割処理部５ｃから入力された区間Ａiの情報と、テンプレート拡大・縮小処理部５ｄから入力された拡縮テンプレート７Ｂiのデータとに基づいて各区間Ａi毎にパタンマッチング処理を行い、入力画像６上のマーカ４のピクセル位置を検出する。パタンマッチング処理部５ｅによって得られたマーカ４のピクセル位置はメモリｍ２を経てパンタグラフ変位計算部５ｆへ送られる。
　パンタグラフ変位計算手段としてのパンタグラフ変位計算部５ｆは、パタンマッチング処理部５ｅから入力された入力画像６上のマーカ４のピクセル位置に基づいて、入力画像６上のマーカ４の変位を実際のパンタグラフ１ａの変位に変換する。なお、入力画像６上のパンタグラフ１ａの軌跡の変位を実際のパンタグラフ１ａの変位に変換するための計算式は、例えば、特願２００９－０１１６４８等によって得られる近似式を予め求め、これを使用するものとする。パンタグラフ変位計算部５ｆによって得られた実際のパンタグラフ１ａの変位データはメモリｍ２を経てフィルタリング処理部５ｇへ送られる。
　フィルタリング処理手段としてのフィルタリング処理部５ｇは、パンタグラフ変位計算部５ｆから入力された変位データに対して平滑化処理を行う。パンタグラフ１ａの実際の変位には、画像の量子化誤差が乗った状態となっている。そこで、実際の変位のデータにフィルタリング処理を施し、変位データの平滑化を行う。これにより、変位データに含まれる量子化誤差を低減する。平滑化された変位データ（以下、平滑化変位データという）はメモリｍ２を介して加速度出力部５ｈへ送られる。
　加速度出力手段としての加速度出力部５ｈは、フィルタリング処理部５ｇから入力された平滑化変位データに対して二階微分を行い、マーカ４、すなわち、パンタグラフ１ａの鉛直方向の加速度を算出する。詳しくは、フィルタリング処理で平滑化された変位データを二階微分することで加速度を求め、これをモニタ５Ｂに出力する。ここで、本実施例では、例えばパンタグラフ１ａの加速度が２０Ｇ以上となる位置を硬点として検出する。算出された加速度のデータはメモリｍ２を介してモニタ５Ｂに出力・表示される。
　以下、図７に基づいて本実施例の処理用コンピュータ５におけるトロリ線硬点検出処理の流れを簡単に説明する。
　図７に示すように、まず、処理用コンピュータ５では、テンプレート設定部５ｂにおいて基準テンプレート７Ａを登録する処理（ステップＰ１）を行い、続いて、入力画像作成部５ａにおいてラインセンサカメラ２から出力される画像信号を時系列的に並べてなる入力画像６を作成する処理（ステップＰ２）を行った後、画像分割処理部５ｃにおいて図６に示すように入力画像６を所望の数Ｎの区間Ａ1，Ａ2，・・・，ＡNに分割する処理（ステップＰ３）を行う。
　続いて、テンプレート拡大・縮小処理部５ｄにおいてステップＰ１で登録した基準テンプレート７Ａに対しそれぞれの区間Ａiに応じて拡大又は縮小する処理（ステップＰ４）を行い、続いて、パタンマッチング処理部５ｅにおいて入力画像６の各区間Ａi毎に拡大又は縮小させた拡縮テンプレート７Ｂiと入力画像６とを比較して入力画像６上のマーカ４の位置（ピクセル位置）を検出するパタンマッチング処理（ステップＰ５）を行った後、一つの区間Ａiに対するパタンマッチング処理が終了したか否かの判定（ステップＰ６）を行う。判定の結果、区間Ａiが終了していない場合（ＮＯ）はステップＰ７に移行する。一方、区間Ａiが終了した場合（ＹＥＳ）はステップＰ４に戻る。
　ステップＰ７では、全ての入力画像のデータに対してパタンマッチング処理が終了したか否かの判定を行う。判定の結果、全ての入力画像のデータに対してパタンマッチング処理が終了した場合（ＹＥＳ）はステップＳ８に移行する。一方、全ての入力画像のデータに対してパタンマッチング処理が終了していない場合（ＮＯ）はステップＰ５に戻る。
　ステップＰ８では、パンタグラフ変位計算部５ｆにおいて検出したマーカ位置に基づいて全ての入力画像６に対して、入力画像６上のマーカ４のピクセル位置を実際のパンタグラフ１ａの変位に変換する処理を行う。
　続いて、フィルタリング処理部５ｇにおいてフィルタリング処理（ステップＰ９）を行い、最後に、加速度出力部５ｈにおいてパンタグラフの加速度を出力する処理（ステップＰ１０）を行う。
　このように構成される本実施例に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、図１３（ｂ）のように、カメラ仰角θBが大きい状態で撮影した入力画像６に対し、この入力画像６を図６に示すように所定数Ｎの区間Ａ1，Ａ2，・・・，ＡNに分割し、それぞれの区間Ａiの分解能を基準にして基準テンプレート７Ａを拡大・縮小させてなる拡縮テンプレート７Ｂiを用いてパタンマッチング処理を行うようにしたので、高精度にパタンマッチング処理を行うことが可能になる。また、キャリブレーション結果を利用することで、キャリブレーションを行った部分の分解能を画素毎に正確に計算することができる。
（パタンマッチング処理範囲の削減による処理時間の効率化）
　本発明に係るパンタグラフ変位測定装置の第２の実施例について説明する。本実施例は、実施例１とはパタンマッチング処理部５ｅにおける処理が異なるものである。その他の構成は実施例１において説明したものと概ね同様であり、以下、同様の作用を奏する処理部には同一の符合を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。
　本実施例では、図７に示したステップＰ５の処理として、以下の処理を行う。
　まず、入力画像６の１ライン目に対しては実施例１と同様のパタンマッチング処理を行い、検出したマーカ位置をメモリｍ２に保存する。その後、２ライン目以降のラインに対してはその直前のラインに対してパタンマッチング処理を行った結果得られたマーカのピクセル位置を基準とする±ＮP[pix]の範囲に対してのみパタンマッチング処理を行う。
　要するに、一度入力画像６上にマーカ４の軌跡を検出したら、次のラインではそのピクセル位置を基準とする所定の範囲に対してのみパタンマッチング処理を行う。このときパタンマッチング処理を行う範囲±ＮP[pix]は、ラインセンサカメラ２による撮影における単位時間当たりのマーカの移動量（パンタグラフの上下変位幅）を考慮して決定すればよい。
　即ち、列車が５０km/hを超える速度で走行する区間にカテナリちょう架式又は剛体ちょう架式によりちょう架する場合は、トロリ線の勾配は5/1000、その他の場合は15/1000以下としなければならないと「普通鉄道構造規則第62条」に定められている。勾配が5/1000とは、1000mの距離で5m高さが変化するということを表す。
　ラインセンサカメラ２のサンプリング周波数を1000Hz（１秒間に1000ライン（１ms間隔）の画像を撮影）と設定しているとして説明すると、例えば、車両１が時速50km/hで走行する場合、１秒間に進む距離は約13.888mであり、１msでは約0.013888mとなる。パンタグラフ１ａの上下変位による勾配が15/1000である場合を考えると、単位時間（１ms）当たりのパンタグラフの高さの変動は約0.00021mmとなる。
　これに対し、本実施例では硬点を検出する基準となる加速度を20Gとしている。これは単位時間（１ms）当たり0.1mm変化した場合の加速度である。上述した「普通鉄道構造規則第62条」を考慮すると、単位時間当たり10mmの変化を見込めば十分であるので、直前のラインで検出されたマーカ４のピクセル位置を基準として、画像の分解能に応じて1msで10mm変化した場合のピクセル幅ＮP[pix]を計算し、その範囲をパタンマッチングを行う範囲とすればよい。なお、本実施例ではピクセル幅ＮP[pix]を算出する条件として単位時間当たり10mmの変化を見込む例を示したが、ピクセル幅ＮP[pix]を算出する条件としてはこれに限らず、必要に応じて任意に設定してよい。
　ラインセンサカメラ２でパンタグラフ１ａを撮影した場合、撮影の単位時間当たりにおけるパンタグラフ１ａの上下変位幅が小さいのでマーカ４の移動量も小さくなる。このように、一度パタンマッチング処理によりマーカ４のピクセル位置を検出したら、その位置を基準にして範囲±ＮP[pix]内でパタンマッチング処理を行えばよい。ラインセンサカメラ２で撮影した入力画像６の幅を「WIDTH」とすると、本実施例においてパタンマッチング処理に掛かる時間ｔは実施例１においてパタンマッチング処理に掛かる時間ｔ0を用いて下式（５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　このように、本実施例に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、パタンマッチングで検出した直前のラインのマーカ４のピクセル位置を基準として、±ＮP[pix]の範囲に対してのみパタンマッチング処理を行うことで、実施例１に比較して処理時間を短縮することができる。さらに、パタンマッチング処理を行う範囲を狭くすることで、ノイズなどを検出する可能性を低減することができる。
（相関値を基準にしたテンプレートの移動量の変化による処理時間の効率化）
　図８を用いて本発明に係るパンタグラフ変位測定装置の第３の実施例について説明する。図８は入力画像におけるテンプレートとの相関値の高低を示す説明図である。
　本実施例は、実施例１とはパタンマッチング処理部５ｅにおける処理が異なるものである。その他の構成は実施例１において説明したものと概ね同様であり、以下、図１乃至図７に示し上述した構成と同様の作用を奏する処理部については同一の符合を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。
　図８に示すように、入力画像６と拡縮テンプレート７Ｂiとの相関値Ｒは入力画像６中に撮影されているマーカの軌跡の部分において最も高く（Ｒ＝ＲH）、その他の箇所では低く（Ｒ＝ＲL）なる。また、実際の入力画像６に対し、マーカ４が撮影されている部分は一部である。
　したがって、本実施例では、図８に示す入力画像６に対してパタンマッチングを行うときに、まず登録した基準テンプレート７Ａと似ているかどうかの指標である相関値Ｒを計算し、拡縮テンプレート７Ｂiの移動量を相関値Ｒに応じて変更しつつ、パタンマッチング処理を行うようにする。
　すなわち、本実施例では、図７に示したステップＳ５の処理として、実施例１において説明したステップＰ５の処理を行う前に以下の処理を行う。
　まず、入力画像６の各ピクセル位置ｉに対して基準テンプレート７Ａとの相関値Ｒを計算する。相関値Ｒは下記の式（６）を計算することで求めることができる。なお、ラインセンサカメラ２は一次元の画像を撮影するカメラのため、計算は一次元用になっている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、Ｒは相関値、Ｌはテンプレート画像の幅（探索画像の幅より小さくする）、Wiは探索画像のピクセル位置ｉにおける輝度値、Tiはテンプレート画像のピクセル位置ｉにおける輝度値である。
　次に、相関値Ｒに応じてパタンマッチング処理の際に拡縮テンプレート７Ｂiを移動させる量を設定する。詳しくは、相関値Ｒが低い範囲に対するパタンマッチング処理に比較して、相関値Ｒが高い範囲に対するパタンマッチング処理の際に拡縮テンプレート７Ｂiの移動量が小さくなるように、拡縮テンプレート７Ｂiの移動量を設定する。
　相関値は最大で１、最低で０になる。本実施例においてパタンマッチング処理を行った場合、相関値Ｒは低いところで0.8程度、高いところで0.99などの値となると考えられる。そこで、相関値Ｒに応じて相関値Ｒが0.05増えるごとに移動量を１[pix]ずつ増し、相関値Ｒが0.95以上の場合は拡縮テンプレート７Ｂiの移動量を１[pix]、相関値Ｒが0.9～0.85の場合は拡縮テンプレート７Ｂiの移動量を２[pix]とするなど、相関値Ｒに基づいてパタンマッチング処理の際の拡縮テンプレート７Ｂiの移動量を設定すればよい。
　本実施例では、上述したように拡縮テンプレート７Ｂiの移動量を設定した後、実施例１において説明したステップＰ５の処理を行う。
　なお、この相関値Ｒの移動量を変更するためのしきい値（本実施例では0.05）は手動で設定する。また、拡縮テンプレート７Ｂiの移動量は上述に限定されるものではなく、必要に応じて任意で設定してよい。
　このように構成される本実施例に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、１[pix]毎にパタンマッチング処理を行う実施例１に比較して、相関値Ｒの高低に応じて移動量を変更することによって、パタンマッチング処理を効率的に行うことができる。
（画像の区切り位置における処理の効率化）
　図９及び図１０を用いて本発明に係るパンタグラフ変位測定装置の第４の実施例について説明する。図９はパタンマッチングの処理範囲に区切り位置が存在する場合の例を示す説明図、図１０は図９に示す区切り位置を設定し直した例を示す説明図である。
　本実施例は、実施例１、実施例２に比較して図７に示すステップＰ５におけるパタンマッチング処理の方法が異なるものである。その他の構成は実施例１、実施例２に示したものと概ね同様であり、以下、実施例１、実施例２において説明した構成と同様の作用を奏する処理部については同様の符合を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。
　上述した実施例２では、直前のラインに対するパタンマッチング処理によって検出したマーカ４のピクセル位置を基準にして、パタンマッチング処理を行う範囲を限定することで、処理の効率化を図った。しかし、実施例２においては、図９に示すように入力画像６のパタンマッチングの処理範囲（前のラインに対するパタンマッチング処理によって得られたマーカ４のピクセル位置を基準として±ＮP[pix]の範囲）Ｂ内に区切り位置８が存在する場合、区間（本実施例では区間Ａi，Ａi+1）毎に拡縮テンプレート７Ｂiの拡縮率を切り換えなければならない。
　そこで、本実施例では、パタンマッチング処理を行う際、図９に示すようにパタンマッチングの処理範囲Ｂ内に区切り位置８が含まれる場合には、処理範囲Ｂ内に区切り位置８が含まれないように自動的に区切り位置８を設定し直すとともに、新たに設定した区間Ａiに対応するように拡縮テンプレート７Ｂiのサイズを設定し直す処理を行う。
　具体的には、本実施例では図７に示し上述したステップＰ５の処理として、以下の処理を行う。まず、入力画像６の１ライン目に対しては実施例１と同様のパタンマッチング処理を行い、検出したマーカ４のピクセル位置をメモリｍ２に保存する。続いて、２ライン目以降に対しては直前のラインに対するパタンマッチング処理によって検出したマーカ４のピクセル位置を基準にして、パタンマッチングの処理範囲Ｂを±ＮP[pix]に設定する。
　その後、直前のラインから得られたマーカ４のピクセル位置Ｐ[pix]に対し、Ｐ±ＮP[pix]の処理範囲Ｂに含まれる区切り位置８の有無を調べ、ここに区切り位置８が含まれていなければ直前のラインと同じ拡縮テンプレート７Ｂiを使用してパタンマッチングを行う。
　一方、Ｐ±ＮP[pix]の範囲に区切り位置８が含まれている場合は、直前のラインから得られたマーカ４のピクセル位置を基準にして区間Ａiを設定し、その区間Ａiに合わせて拡縮テンプレート７Ｂiの拡縮率を計算し、新たな拡縮テンプレート７Ｂiを設定する。このような処理を行った後、実施例１において説明したパタンマッチング処理を行う。なお、拡縮テンプレート７Ｂiの拡縮率と区切り位置８の位置の計算は実施例１において説明した方法により算出する。
　なお、本実施例においては、基準テンプレート７Ａの設定は手動で、その後の拡縮テンプレート７Ｂiの設定は各画像位置の分解能を基準にして自動で行う。
　上述した本実施例に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、パタンマッチングの処理範囲内に区切り位置が存在する場合には、直前のラインから得られたマーカ４のピクセル位置を基準として、処理範囲内に区切り位置８が含まれないように、新たに拡縮テンプレート７Ｂiと区切り位置８の位置を自動で設定するようにしたので、実施例２の効果に加えて、パタンマッチング処理をより高効率に行うことができる。
（テンプレートサイズ変更による区切り位置の精度向上）
　図１１乃至図１２を用いて本発明に係るパンタグラフ変位測定装置の第５の実施例について説明する。図１１は区間毎に設定されるテンプレートサイズの例を示す説明図、図１２は入力画像上のマーカ４の白色部分４ｗの軌跡である白色領域６ａのエッジを抽出する例を示す説明図である。
　実施例１から実施例４の方法でパタンマッチングを行った場合、図１１に示すように、マーカ４の軌跡（以下、マーカ軌跡という）Ｍと区間Ａi，Ａi+1間の区切り位置８とが交差すると、一つのマーカ軌跡Ｍに対して二つの区間Ａi，Ａi+1で二通りの拡縮テンプレート７Ｂi，７Ｂi+1を用いてパタンマッチング処理を行うこととなる。その結果、区切り位置８でパタンマッチングの結果が数ピクセルずれるおそれがある。加速度を計算する上で、数ピクセルのずれは大幅な誤差に繋がる。
　そこで、本実施例では、マーカ軌跡Ｍと区間Ａi，Ａi+1間の区切り位置８とが交差するような場合においては、拡縮テンプレート７Ｂiを用いて予めパタンマッチング処理を行い、マーカ軌跡Ｍのピクセル位置を大まかに検出して、その後、検出されたマーカ軌跡Ｍのピクセル位置を基準にしてマーカ軌跡Ｍのエッジを抽出する。これにより、マーカ軌跡Ｍと区間Ａi，Ａi+1間の区切り位置８とが交差することによる誤差の発生を防止する。
　なお、マーカ軌跡Ｍのエッジの抽出は、任意のしきい値を用いて行うことが可能であるが、しきい値を定数とすると入力画像６が全体的に暗くなったり明るくなったりした場合に正確にエッジを抽出することができなくなる。そこで、処理範囲内の輝度の平均値を計算し、これをしきい値とすると好適である。このようにすることにより、画像の輝度値が全体的に変化しても安定してエッジ抽出を行うことができる。
　すなわち、本実施例では図７に示すステップＰ５の処理として、以下の処理を行う。
　まず、マーカ軌跡Ｍと区間Ａi，Ａi+1間の区切り位置８とが交差するような場合、拡縮テンプレート７Ｂiを用いたパタンマッチング処理によりマーカ中心位置ＰCを大まかに検出する。続いて、図１２に示すように、マーカ中心位置ＰCから現在のテンプレートサイズＷTの半分の範囲で輝度の平均値ＢAを算出する。その後、輝度の平均値ＢAよりも輝度値が高い領域の最大のピクセル位置（最も高い位置のエッジ）ＰEを求め、その位置をマーカ軌跡Ｍのピクセル位置として抽出する。
　なお、本実施例でいう「大まか」とは、パタンマッチング処理においてマッチング結果に誤差を生じない程度にマーカ中心位置を検出する範囲のこととする。テンプレートサイズＷTの誤差の許容範囲は、実験的に±10％程度になる。
　このように構成される本実施例に係るパンタグラフ変位測定装置によれば、パタンマッチングによってマーカ位置を大まかに検出し、検出したマーカ４のピクセル位置を基準としてマーカ４のエッジを抽出することにより、入力画像６に設定される区切り位置において、テンプレートサイズが変更されることがなく、画像の区切り位置におけるテンプレートサイズＷTの変化によるパタンマッチング結果のずれをなくし、精度を向上させることができる。また、パタンマッチングで検出したマーカ中心位置から現在のテンプレートサイズＷTの半分の範囲の平均輝度値を計算し、その値をエッジ抽出のしきい値として用いることにより、入力画像６全体の輝度の変化に対して安定してエッジ抽出を行うことができる。
　本発明は、パンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法に適用可能であり、特に硬点計測用のマーカを取り付けたパンタグラフをラインセンサカメラで撮影した画像を用いてパタンマッチング処理によりトロリ線の硬点を計測するパンタグラフ変位測定装置及びトロリ線硬点検出方法に適用して好適なものである。
　１　車両、２　ラインセンサカメラ、３　照明装置、４　マーカ、４ｗ　白色部分、４ｂ　黒色部分、５　処理用コンピュータ、５Ａ　演算処理装置、５Ｂ　モニタ、５ａ　入力画像作成部、５ｂ　テンプレート設定部、５ｃ　画像分割処理部、５ｄ　テンプレート拡大・縮小処理部、５ｅ　パタンマッチング処理部、５ｆ　パンタグラフ変位計算部、５ｇ　フィルタリング処理部、５ｈ　加速度出力部、６　入力画像、６ａ　白色領域、６ｂ　黒色領域、７　テンプレート、７ａ　白色領域、７ｂ　黒色領域、８　区切り位置、　Ａ1，Ａ2，…，Ａi，…ＡN　区間、ＷT　テンプレートサイズ

Claims (10)

  1. 　列車の屋根上に設置されパンタグラフを撮影する撮影手段と、前記撮影手段によって撮影された入力画像を画像処理することによりパンタグラフの変位を取得する画像処理手段とを備えたパンタグラフ変位測定装置において、前記画像処理手段が、前記撮影手段から入力される画像信号を用いて入力画像を作成する入力画像作成手段と、テンプレートを設定するテンプレート設定手段と、キャリブレーション手段によって得られた各画素の分解能に基づいて前記入力画像を所定数の区間に分割する画像分割処理手段と、前記入力画像上の前記区間ごとの分解能に基づいて前記テンプレートの拡大又は縮小を行うテンプレート拡大・縮小処理手段と、前記テンプレートと前記入力画像とから前記入力画像中のマーカのピクセル位置を検出するパタンマッチング処理手段と、前記マーカのピクセル位置に基づいて前記パンタグラフの実際の変位を算出するパンタグラフ変位計算手段と、前記パンタグラフの変位のデータに対して平滑化処理を行うフィルタリング処理手段と、前記平滑化処理手段によって平滑化された前記パンタグラフの変位データに基づいて算出した前記パンタグラフの加速度を出力する加速度出力手段とを有することを特徴とするパンタグラフ変位測定装置。
  2. 　前記パタンマッチング処理手段が、直前のラインに対して行ったパタンマッチング処理の結果に基づいて、前記入力画像の所定の範囲に対してのみパタンマッチング処理を行うことを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ変位測定装置。
  3. 　前記パタンマッチング処理手段が、前記入力画像から検出した前記テンプレートとの相関値に応じて前記テンプレートの移動量を設定することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ変位測定装置。
  4. 　前記パタンマッチング処理手段が、前記マーカの軌跡が隣接する二つの前記区間に跨っている場合に、直前のラインにおいて検出した前記マーカの位置を基準にして、前記マーカの軌跡が一つの前記区間に含まれるように前記区間の位置を自動で修正することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ変位測定装置。
  5. 　前記パタンマッチング処理手段が、前記マーカの軌跡の中心位置を大まかに検出し、前記中心位置から前記テンプレートの幅の半分の範囲の平均輝度値を算出し、その値をしきい値として前記マーカの軌跡を抽出することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ変位測定装置。
  6. 　列車の屋根上に設置されパンタグラフを撮影する撮影手段と、前記撮影手段によって撮影された入力画像を画像処理することによりパンタグラフの変位を取得する画像処理手段とを備えたパンタグラフ変位測定装置を用いてトロリ線の硬点を検出するトロリ線硬点検出方法において、予めテンプレートを設定する第一の工程と、前記撮影手段から入力される画像信号を用いて入力画像を作成する第二の工程と、キャリブレーション手段によって得られた各画素の分解能に基づいて前記入力画像を所定数の区間に分割する第三の工程と、前記入力画像上の前記区間ごとの分解能に基づいて前記テンプレートの拡大又は縮小を行う第四の工程と、前記テンプレートと前記入力画像とからパタンマッチング処理により前記入力画像中のマーカのピクセル位置を検出する第五の工程と、前記マーカのピクセル位置に基づいて前記パンタグラフの実際の変位を算出する第六の工程と、前記パンタグラフの変位のデータに対して平滑化処理を行う第七の工程と、前記平滑化処理手段によって平滑化された前記パンタグラフの変位データに基づいて算出した前記パンタグラフの加速度を出力する第八の工程とからなることを特徴とするトロリ線硬点検出方法。
  7. 　前記第五の工程を、直前のラインに対して行ったパタンマッチング処理の結果に基づいて、前記入力画像の所定の範囲に対してのみ行うことを特徴とする請求項６記載のトロリ線硬点検出方法。
  8. 　前記第五の工程を、前記入力画像から検出した前記テンプレートとのピクセル位置ごとの相関値に基づいて前記テンプレートの移動量を設定して行うことを特徴とする請求項６記載のトロリ線硬点検出方法。
  9. 　前記第五の工程を、前記マーカの軌跡が隣接する二つの前記区間に跨っている場合に、直前のラインにおいて検出した前記マーカの位置を基準にして、前記マーカの軌跡が一つの前記区間に含まれるように前記区間の位置を自動で修正して行うことを特徴とする請求項６記載のトロリ線硬点検出方法。
  10. 　前記第五の工程を、前記マーカの軌跡の中心位置を大まかに検出し、前記中心位置から前記テンプレートの幅の半分の範囲の平均輝度値を算出し、その値をしきい値として行うことを特徴とする請求項６記載のトロリ線硬点検出方法。
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