JP5359038B2 - 画像処理によるラインセンサ仰角測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像処理によるラインセンサ仰角測定装置に関する。

図８にラインセンサを用いた被測定物の高さ計測装置の構成例を示す。図８に示すように、例えば、ラインセンサ１０２を利用して、車両上に設置されたパンタグラフなどラインセンサ１０２が設置される基準面に対して上方に位置する被測定物１０１の高さを計測する場合、一般的に、被測定物１０１を見上げるように且つ走査線がほぼ鉛直方向に向くようにラインセンサ１０２の姿勢を設定し、このラインセンサ１０２によって被測定物１０１の画像を取得し、得られた画像を画像処理して被測定物１０１の高さを測定している。

ここで、水平面に対するラインセンサ１０２の光軸の角度（以下、仰角という）をθ、ラインセンサ１０２のレンズの焦点距離をｆ、被測定物１０１とラインセンサ１０２との水平方向の距離をｄ、被測定物１０１とラインセンサ１０２との鉛直方向の距離をｈ、ラインセンサ１０２の光軸に対する被測定物１０１とラインセンサ１０２とを結ぶ直線の角度をω、ラインセンサ１０２の素子上に映る被測定物１０１の位置と素子中心との距離をｘとすると、これらの間には次式（１）、（２）の関係が成り立つ。

これら式（１）、（２）を整理すると次式（３）が得られ、これにより被測定物１０１の高さｈを求めることができる。

ラインセンサ画像上における被測定物１０１の位置ｘはラインセンサ１０２の出力信号を解析することにより得られる。そのため、上記（３）式から、距離ｄ、焦点距離ｆ、仰角θが既知であれば被測定物１０１の基準面からの高さｈを求めることができることがわかる。一般的にはラインセンサ１０２の設置時にこれらのパラメータを求める作業（キャリブレーション）を行っている。

そして、下記特許文献１には２点または３点の検査ポイントを有するターゲットをラインセンサの前で通過させ、取得した画像中の検査ポイントからラインセンサのロール角度とパン角度を補正するキャリブレーション方法が開示されている。

特開２００１−１２４７００号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている技術はラインセンサのロール角度やパン角を計算するものであり、ラインセンサの仰角や焦点距離を簡易には計算することができなかった。また、ラインセンサの仰角を求めるためにはステージなどの装置が必要であった。

そのため、一般的には、予め該焦点距離ｆの値が保証されているレンズを用い、巻尺や角度計を用いて距離ｄ及び仰角θを実測により求めているが、仰角θはその誤差がラインセンサを用いた被測定物の高さ計測に大きく影響するため、事前の調整で精密な計測を行う必要があった。

このようなことから本発明は、簡素な構成でラインセンサの仰角を高精度に計測することができる画像処理によるラインセンサ仰角測定装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置は、表面に複数の直線状の境界線を挟んで濃色部分と淡色部分とが交互に配され、前記表面が鉛直方向に平行になるように且つ複数の前記境界線が水平方向に平行であって基準面からそれぞれ所定の高さに位置するように設置されるターゲットと、焦点距離及び前記ターゲットとの水平方向の距離が既知であって、走査線方向が前記境界線に直交するように前記基準面に設置されて複数の前記境界線を撮像するラインセンサと、前記ラインセンサによって撮像した画像を処理して複数の前記境界線の画像上の位置を求めるとともに、得られた複数の前記境界線の画像上の位置と予め計測しておいた複数の前記境界線それぞれの前記基準面からの高さとに基づいて、前記ラインセンサの仰角の計算値をそれぞれ算出し、算出された複数の前記計算値の平均値、最頻値又は中央値を算出することで、前記ラインセンサの仰角を求める画像処理部とを有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置は、第１の発明において、前記焦点距離をｆ、前記水平方向の距離をｄ、前記境界線の画像上の位置をｘ、前記高さをｈ、前記計算値をθとし、下記数式を用いて前記計算値を算出することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置は、第１又は第２の発明において、前記画像処理部が前記ラインセンサによって得られた画像の輝度値に対する微分処理を行い、得られた微分値の大きさ及び該微分値の正負に基づいて前記境界線の位置を検出することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置は、第１乃至第３の発明のいずれか１つにおいて、前記画像処理部において隣接する前記境界線間の画像上の幅を算出し、算出された前記境界線間の画像上の幅と、予め測定しておいた境界線間の幅とを比較した結果に基づいて前記境界線の位置を検出することを特徴とする。

上記第１の発明に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置によれば、表面に複数の直線状の境界線を挟んで濃色部分と淡色部分とが交互に配され、前記表面が鉛直方向に平行になるように且つ複数の前記境界線が水平方向に平行であって基準面からそれぞれ所定の高さに位置するように設置されるターゲットと、焦点距離及び前記ターゲットとの水平方向の距離が既知であって、走査線方向が前記境界線に直交するように前記基準面に設置されて複数の前記境界線を撮像するラインセンサと、前記ラインセンサによって撮像した画像を処理して複数の前記境界線の画像上の位置を求めるとともに、得られた複数の前記境界線の画像上の位置と予め計測しておいた複数の前記境界線それぞれの前記基準面からの高さとに基づいて、前記ラインセンサの仰角の計算値をそれぞれ算出し、算出された複数の前記計算値の平均値、最頻値又は中央値を算出することで、前記ラインセンサの仰角を求める画像処理部とを有するようにしたので、境界線の誤検出を防止し、ラインセンサの仰角を高精度に測定することができる。

上記第２の発明に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置によれば、前記焦点距離をｆ、前記水平方向の距離をｄ、前記境界線の画像上の位置をｘ、前記高さをｈ、前記計算値をθとし、下記数式を用いて前記計算値を算出するようにしたので、第１の発明の効果に加えて、より高精度にラインセンサの仰角を測定することができる。

上記第３の発明に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置によれば、画像処理部がラインセンサによって得られた画像の輝度値に対する微分処理を行い、得られた微分値の大きさ及び該微分値の正負に基づいて境界線の位置を検出するようにしたので、第１又は第２の発明の効果に加えて、境界線の誤検出を防止し、より高精度にラインセンサの仰角を測定することができる。

上記第４の発明に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置によれば、画像処理部において隣接する境界線間の画像上の幅を算出し、算出された境界線間の画像上の幅と、予め測定しておいた境界線間の幅とを比較した結果に基づいて境界線の位置を検出するようにしたので、第１乃至第３の発明の効果に加えて、より高精度にラインセンサの仰角を測定することができる。

本発明の実施の形態を後述する実施例において詳細に説明する。

図１及び図３を用いて本発明の第１の実施例を詳細に説明する。図１は本実施例に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置の概略構成図、図２は本実施例の画像処理部における処理の流れを示すフローチャート、図３はラインセンサによって撮像される画像の一例を示す説明図である。

図１に示すように、本実施例において、画像処理によるラインセンサ仰角測定装置は、主に平板状に形成されたキャリブレーションターゲット１と、このキャリブレーションターゲット１を撮像する焦点距離ｆが既知であるラインセンサ２と、ラインセンサ２によって撮像した画像の解析を行う画像処理部３と、キャリブレーションターゲット１に可視光を照射する照明４とから構成される。なお、図中に示す一点差線はラインセンサ２の光軸を示している。

キャリブレーションターゲット１はラインセンサ２の仰角θを測定するための基準を提供する手段である。本実施例において、キャリブレーションターゲット１は正面視長方形状に形成され、その表面には幅方向に直線状に延びる境界線１１を挟んで一方に濃色としての黒色部分１２が、他方に淡色部分としての白色部分１３が配されている。そして、その長手方向が鉛直方向に平行に、且つ、上記境界線１１がラインセンサ２から水平距離ｄ、高さｈの位置に設けられるように、図示しない支持手段によって支持されている。即ち、キャリブレーションターゲット１の表面は鉛直方向に平行であり、境界線１１は水平方向に平行になっている。

ラインセンサ２は、走査線方向が境界線１１に直交するように且つキャリブレーションターゲット１を見上げるように基準面上に設置され、少なくともキャリブレーションターゲット１の境界線を撮像するように設定されている。

また、画像処理部３は、ラインセンサ２によって撮像された画像を処理してラインセンサ２の仰角を求める部分である。該画像処理部３においては、図２に示すように、ラインセンサ２によって撮像された画像を所定の一定時間間隔で入力し（ステップＳ１）、取り込んだ画像を時系列的に並べて図３に示すようなラインセンサ画像を作成し(ステップＳ２)、このラインセンサ画像を二値化処理して該ラインセンサ画像上の境界線１１の位置ｘを検出する（ステップＳ３）。そして、ラインセンサ画像上の境界線１１の位置ｘを検出したら、検出された境界線１１のラインセンサ画像上の位置ｘと予め計測しておいた境界線１１の基準面からの高さｈ、キャリブレーションターゲット１とラインセンサ２との水平方向の距離ｄ、ラインセンサ２の焦点距離ｆの値を用いて次式（４）の演算を行い、ラインセンサ２の仰角を求める（ステップＳ４）。

上述した構成とすることにより、本実施例に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置によれば、ラインセンサ２の姿勢を決定する際、ラインセンサ画像にキャリブレーションターゲット１が撮像されているか否かによりラインセンサ２の図１中α方向及びβ方向の向きを調整することができ、さらに、ラインセンサ画像中の境界線１１の位置に基づいて仰角θの値を得ることができる。

即ち、ラインセンサ２によって黒色及び白色の二色に配色されたキャリブレーションターゲット１を撮像する構成であるため、ラインセンサ２の向きの調整が容易になるという利点がある。より詳しくは、背景が複雑な屋外環境では、ラインセンサ画像に各種物体や照明、太陽光、窓等が映り込んだ場合、ラインセンサの向きを調整し難くなるおそれがあるが、本実施例に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置によれば、境界線１１を挟んで一方が白色、他方が黒色となるように配色されたキャリブレーションターゲット１を撮像することにより、目標が明確となり、ラインセンサ２のβ方向の向きの調整が容易になる。

さらに、キャリブレーションターゲット１の黒色部分１２と白色部分１３の境界線１１がラインセンサ２によって撮像されているか否かを視覚的に判断して、ラインセンサ２の向きを調整することができるため、ラインセンサ２のα方向の向きの調整が容易になる。

さらに、キャリブレーションターゲット１の黒色部分１２と白色部分１３の境界線１１がラインセンサ２の画像中のどこにあるかを視覚的に判断して、ラインセンサ２の仰角を求めることができるため、ラインセンサ２の仰角の調整が容易になる。さらに加えて、キャリブレーションターゲット１を平板としたため、安価且つ容易に製作することができる。

例えば、ラインセンサ２を用いて車両に設置されたパンタグラフの高さを測定する場合には、キャリブレーションターゲット１の黒色部分１２と白色部分１３の境界線１１がパンタグラフの高さ近傍に位置するように該キャリブレーションターゲット１を設置してラインセンサ２の向き、パン角、仰角を調整した後、測定を行うようにすれば好適である。

図４を用いて本発明の第２の実施例を詳細に説明する。図４は本実施例に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置の概略構成図である。本実施例は、実施例１において図１に示し上述した一つの境界線１１を有するキャリブレーションターゲット１に代えて、図４に示す複数の境界線５１を有するキャリブレーションターゲット５を用いる例である。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、同一の作用を奏する部分には同一の符号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４に示すように、本実施例においてキャリブレーションターゲット５は正面視長方形状に形成された平板状の部材であり、その表面に幅方向に直線状に延びる複数の境界線５１を挟んで濃色部分としての黒色部分５２と淡色部分としての白色部分５３とが交互に配されている。そして、その長手方向が鉛直方向に平行するように、且つ、上記複数の境界線５１がラインセンサ２から水平距離ｄ、高さｈ₁，ｈ₂，…，ｈ_nの位置に設けられるように、図示しない支持部材によって支持されている。

本実施例では、画像処理部３において、図５に示すようなラインセンサ画像を取得し、このラインセンサ画像に対して二値化処理を施して該ラインセンサ画像上の複数の境界線５１の位置ｘ₁，ｘ₂，…，ｘ_nをそれぞれ検出する。さらに、検出された複数の境界線５１の画像上の位置ｘ₁，ｘ₂，…，ｘ_nと予め計測しておいたそれぞれの境界線５１の基準面からの高さｈ₁，ｈ₂，…，ｈ_nと、キャリブレーションターゲット５とラインセンサ２との水平方向の距離ｄ、ラインセンサ２の焦点距離ｆとを用いて上述した（４）式の演算を行い、複数の境界線５１それぞれに対応するラインセンサ２の仰角θ₁，θ₂，…，θ_nを求め、さらにこれら複数の仰角θ₁，θ₂，…，θ_nの平均値を算出して、算出した平均値をラインセンサ２の仰角θとして決定する。

本実施例に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置によれば、複数の予測値をもとにラインセンサ２の仰角θを求める構成としたので、上述した実施例１に係る発明の効果に加えて、境界線の誤検出を防止し、ラインセンサ２の仰角θを高精度に測定することができる。

なお、本実施例においては、複数の境界線５１をもとに算出した複数の仰角θ₁，θ₂，…，θ_nの平均値を求める例を示したが、例えば算出された仰角θ₁，θ₂，…，θ_nの最頻値または中央値を使用するようにしても良く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

図６を用いて本発明の第３の実施例を詳細に説明する。図６（ａ）はラインセンサによって撮像される画像の輝度値を表す図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示す輝度値を微分した結果を示す図である。本実施例は、実施例１又は実施例２とは画像処理部３における境界線の検出方法が異なるものである。その他の構成は上述した実施例１又は実施例２の構成と概ね同様であり、以下、同様の作用を奏する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略し、異なる構成を中心に説明する。

図６（ａ）に示すように、本実施例においてラインセンサ２によって撮像される画像には輝度値が低い部分と輝度値が高い部分とが現れ、これを微分すると、図６（ｂ）に示すような微分値が得られる。そこで、本実施例では画像処理部３において図６（ｂ）に示す微分値に基づいて境界線１１（又は５１）の位置を検出する。

詳述すると、図６（ｂ）に示す微分値の絶対値が予め設定する所定値より大きい場合、その位置を境界線の位置として一旦検出する一方、この微分値の正負がキャリブレーションターゲット１（又は５）の配色に一致するかを確認し、一致する場合は境界線１１（又は５１）であるとみなし、不一致の場合は誤検出とみなすものとする。

本実施例に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置によれば、ラインセンサ２によって撮像される画像の輝度値を微分して得られる微分値の符号を確認して基準とする境界線１１（又は５１）を検出するようにしたので、上述した実施例１又は実施例２の効果に加えて、境界線の誤検出を防止し、より高精度にラインセンサ２の仰角を測定することが可能となる。

図７を用いて本発明の第４の実施例を詳細に説明する。図７（ａ）は入力画像の輝度値を表す図、図７（ｂ）は図７（ａ）に示す輝度値を微分した結果を示す図である。本実施例は、実施例２又は実施例３と画像処理部３における処理が異なるものである。その他の構成は上述した実施例２又は実施例３の構成と概ね同様であり、以下、同様の効果を奏する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略し、異なる構成を中心に説明する。

本実施例において、画像処理部３は、ラインセンサ画像上の境界線５１の位置ｘ₁，ｘ₂，…，ｘ_nを算出した後、隣り合う境界線５１間の幅ｗ₁（＝ｘ₂−ｘ₁），ｗ₂（＝ｘ₃−ｘ₂），…，ｗ_n-1（＝ｘ_n−ｘ_n-1）を算出し、算出された幅ｗ₁，ｗ₂，…，ｗ_n-1が図７に示すように予め取得したキャリブレーションターゲットの黒色部分５２の幅ｗ_b又は白色部分５３の幅ｗ_wに該当するか否かを確認する。

そして、確認の結果、幅ｗ₁，ｗ₂，…，ｗ_n-1が予め取得したキャリブレーションターゲットの黒色部分５２の幅ｗ_b又は白色部分５３の幅ｗ_wに該当する場合は得られた位置が境界線の位置であるとみなし、該当しない場合は誤検出とみなす。

本実施例に係る画像処理によるラインセンサ仰角測定装置によれば、ラインセンサ２によって撮像された画像から取得した境界線５１の位置に基づいて算出した境界線５１間の幅が予め取得した黒色部分５２の幅ｗ_b又は白色部分５３の幅ｗ_wに該当するか否かを判定するようにしたため、上述した実施例２又は実施例３の効果に加えて、境界線の誤検出を防止し、より高精度にラインセンサの仰角を測定することができる。

本発明は、画像処理によるラインセンサ仰角測定装置に適用可能である。

本発明の実施例１の画像処理によるラインセンサ仰角測定装置の概略構成図である。 本発明の実施例１の画像処理部における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１において得られるラインセンサ画像の例を示す説明図である。 本発明の実施例２の画像処理によるラインセンサ仰角測定装置の概略構成図である。 本発明の実施例２において得られるラインセンサ画像の例を示す説明図である。 図６（ａ）は本発明の実施例３において得られるラインセンサ画像の輝度値の例を示す説明図、図６（ｂ）は図６（ａ）の輝度値を微分して得られる微分値の例を示す説明図である。 図７（ａ）は本発明の実施例４において得られるラインセンサ画像の輝度値の例を示す説明図、図７（ｂ）は図７（ａ）の輝度値を微分して得られる微分値の例を示す説明図である。 ラインセンサを用いた被測定物計測装置の一例を示す説明図である。

１，５ キャリブレーションターゲット
２ ラインセンサ
３ 画像処理部
４ 照明

Claims (4)

1. 表面に複数の直線状の境界線を挟んで濃色部分と淡色部分とが交互に配され、前記表面が鉛直方向に平行になるように且つ複数の前記境界線が水平方向に平行であって基準面からそれぞれ所定の高さに位置するように設置されるターゲットと、
   焦点距離及び前記ターゲットとの水平方向の距離が既知であって、走査線方向が前記境界線に直交するように前記基準面に設置されて複数の前記境界線を撮像するラインセンサと、
   前記ラインセンサによって撮像した画像を処理して複数の前記境界線の画像上の位置を求めるとともに、得られた複数の前記境界線の画像上の位置と予め計測しておいた複数の前記境界線それぞれの前記基準面からの高さとに基づいて、前記ラインセンサの仰角の計算値をそれぞれ算出し、算出された複数の前記計算値の平均値、最頻値又は中央値を算出することで、前記ラインセンサの仰角を求める画像処理部と
   を有することを特徴とする画像処理によるラインセンサ仰角測定装置。
2. 前記焦点距離をｆ、前記水平方向の距離をｄ、前記境界線の画像上の位置をｘ、前記高さをｈ、前記計算値をθとし、下記数式を用いて前記計算値を算出することを特徴とする請求項１に記載の画像処理によるラインセンサ仰角測定装置。
   

   
3. 前記画像処理部が前記ラインセンサによって得られた画像の輝度値に対する微分処理を行い、得られた微分値の大きさ及び該微分値の正負に基づいて前記境界線の位置を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の画像処理によるラインセンサ仰角測定装置。
4. 前記画像処理部において隣接する前記境界線間の画像上の幅を算出し、算出された前記境界線間の画像上の幅と、予め測定しておいた境界線間の幅とを比較した結果に基づいて前記境界線の位置を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の画像処理によるラインセンサ仰角測定装置。

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