(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川に設置されている量水板を含む所定範囲の水面を撮像した画像から量水板の水平方向の位置を検出する位置検出工程と、
撮像画像から量水板の傾きを検出して量水板の検出された傾きに基づき画像の傾きを補正し、かつ傾き補正された量水板の水平方向の補正された位置を求める位置補正工程と、
傾き補正された画像中から水面位置を検出する水面位置検出工程と、
傾き補正された画像中から検出された水面と傾き補正された量水板との境界を検出する境界検出工程と、
検出された境界における傾き補正された量水板の目盛り数字を読み取る読み取り工程とを備え、
読み取った量水板の目盛りから水位を計測することを特徴とする水位計測方法。
【請求項２】
請求項１記載の水位計測方法において、位置検出工程は、撮像画像水平方向全体にわたって画素値を鉛直方向に微分し、水平位置を一定にして該微分値の分散を計算し、計算した分散値を最小２乗誤差が最小となるパルス形関数で近似し、近似したパルス形関数のレベルが低から高に変化する位置および高から低に変化する位置を量水板の左端位置および右端位置とすることを特徴とする水位計測方法。
【請求項３】
請求項１記載の水位計測方法において、位置補正工程は、傾き補正された撮像画像水平方向全体にわたって画素値を鉛直方向に微分し、水平位置を一定にして該微分値の分散を計算し、計算した分散値を最小２乗誤差が最小となるパルス形関数で近似し、近似したパルス形関数のレベルが低から高に変化する位置および高から低に変化する位置を量水板の補正された左端位置および補正された右端位置とすることを特徴とする水位計測方法。
【請求項４】
請求項１記載の水位計測方法において、位置補正工程は、撮像画像の画素値を水平方向に微分して量水板の一方側の縁を強調し、該強調された縁の傾きから量水板の傾きを検出する傾き検出工程を含むことを特徴とする水位計測方法。
【請求項５】
請求項１記載の水位計測方法において、位置補正工程は、検出した量水板の傾き角度に基づき撮像画像を回動させることによって撮像画像の傾きを補正する補正工程を含むことを特徴とする水位計測方法。
【請求項６】
請求項１記載の水位計測方法において、水面位置検出工程は、補正された量水板の左端位置から右端位置までを含む所定範囲にわたって画素値を鉛直方向に微分し、水平位置を一定にして該微分値の分散を計算し、計算した分散値を最小２乗誤差が最小となるステップ関数で近似し、近似したステップ関数のレベルが高から低に変化する位置を水面位置とすることを特徴とする水位計測方法。
【請求項７】
河川に設置されている量水板を含む所定範囲の水面を撮像した画像から量水板の水平方向の位置を検出する位置検出手段と、
撮像画像から量水板の傾きを検出して量水板の検出された傾きに基づき画像の傾きを補正し、かつ傾き補正された量水板の水平方向の補正された位置を求める位置補正手段と、
傾き補正された画像中から水面位置を検出する水面位置検出手段と、
傾き補正された画像中から検出された水面と傾き補正された量水板との境界を検出する境界検出手段と、
検出された境界における傾き補正された量水板の目盛り数字を読み取る読み取り手段とを備え、
読み取った量水板の目盛りから水位を計測することを特徴とする水位計測装置。
【請求項８】
請求項７記載の水位計測装置において、位置検出手段は、撮像画像水平方向全体にわたって画素値を鉛直方向に微分し、水平位置を一定にして該微分値の分散を計算し、計算した分散値を最小２乗誤差が最小となるパルス形関数で近似し、近似したパルス形関数のレベルが低から高に変化する位置および高から低に変化する位置を量水板の左端位置および右端位置とすることを特徴とする水位計測装置。
【請求項９】
請求項７記載の水位計測装置において、位置補正手段は、傾き補正された撮像画像水平方向全体にわたって画素値を鉛直方向に微分し、水平位置を一定にして該微分値の分散を計算し、計算した分散値を最小２乗誤差が最小となるパルス形関数で近似し、近似したパルス形関数のレベルが低から高に変化する位置および高から低に変化する位置を量水板の補正された左端位置および補正された右端位置とすることを特徴とする水位計測装置。
【請求項１０】
請求項７記載の水位計測装置において、位置補正手段は、撮像画像の画素値を水平方向に微分して量水板の一方側の縁を強調し、該強調された縁の傾きから量水板の傾きを検出する傾き検出手段を含むことを特徴とする水位計測装置。
【請求項１１】
請求項７記載の水位計測装置において、位置補正手段は、検出した量水板の傾き角度に基づき撮像画像を回動させることによって撮像画像の傾きを補正する補正手段を含むことを特徴とする水位計測装置。
【請求項１２】
請求項７記載の水位計測装置において、水面位置検出手段は、補正された量水板の左端位置から右端位置までを含む所定範囲にわたって画素値を鉛直方向に微分し、水平位置を一定にして該微分値の分散を計算し、計算した分散値を最小２乗誤差が最小となるステップ関数で近似し、近似したステップ関数のレベルが高から低に変化する位置を水面位置とすることを特徴とする水位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は量水板を含む所定範囲の河川を撮像装置によって撮像した撮像情報から河川の水位を計測する水位計測方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水位計測方法には、フロート式、超音波式、圧力式といった計測方法が用いられている。
【０００３】
フロート式は、水面に浮かべたフロートにワイヤを取り付け、水位の変動によって発生するフロートの上下運動に基づきワイヤを介して滑車を回転させ、その回転角を計測することにより水位を計測する方法である。
【０００４】
超音波式は、水面の鉛直上方から水面に向かって超音波を出力し、水面で反射した超音波が折り返してくるまでの時間を計測することによって水位を計測している。
【０００５】
圧力式は、水深と水圧の関係を利用した方法であって、水面下に圧力計を固定し、該圧力計によって得られる水圧から大気圧を引き算した結果により水位を計測する方法である。
【０００６】
また、最近、実験運用がなされている、画像処理による水位計測方法（以下、画像処理方法とも記す）がある。この従来の画像処理方法は、量水板を含む所定範囲を撮像装置によって撮影し、撮影された量水板に対して画像処理を行って水位を計測する方法である。画像処理で文字を読み取る技術はその他の分野でも用いられていることから、量水板の文字を読み取ることは実現可能であるが、撮影された画像から水位を検出することは非常に困難であった。
【０００７】
そこで、従来の画像処理方法では、量水板の傍らに斜めに棒を設置し、水中における光の屈折、または、水面での光の反射を原因とする斜め棒の（見かけの）形状変化を利用して水面を検出したりしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したフロート式、超音波式の従来の計測方法では、水中にパイプを通すなど、センサの規模が大きく、工事が大掛かりなものとなるという問題点がある。
【０００９】
上記した従来の圧力式の従来の計測方法では、フロート式、超音波式に比べ工事が小規模であるが、水中にセンサを固定する工事が別途必要となるという問題点がある。
【００１０】
また、上記した従来の画像処理方法による水位計測方法でも、量水板の傍らに斜め棒を設置する必要があるという問題点がある。
【００１１】
上記のように従来の水位計測方法によるときは、いずれも、陸上の工事だけではなく、工事の範囲が水中までに及ぶという問題点がある。
【００１２】
本発明は、水中にまで工事の範囲が広がらずに、撮像装置による撮像信号を画像処理することによって、精度良く水位を計測することができる水位計測方法および装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の水位計測方法は、河川に設置されている量水板を含む所定範囲の水面を撮像した画像から量水板の水平方向の位置を検出する位置検出工程と、
撮像画像から量水板の傾きを検出して量水板の検出された傾きに基づき画像の傾きを補正し、かつ傾き補正された量水板の水平方向の補正された位置を求める位置補正工程と、
傾き補正された画像中から水面位置を検出する水面位置検出工程と、
傾き補正された画像中から検出された水面と傾き補正された量水板との境界を検出する境界検出工程と、
検出された境界における傾き補正された量水板の目盛り数字を読み取る読み取り工程とを備え、
読み取った量水板の目盛りから水位を計測することを特徴とする。
【００１４】
本発明の水位計測装置は、河川に設置されている量水板を含む所定範囲の水面を撮像した画像から量水板の水平方向の位置を検出する位置検出手段と、
撮像画像から量水板の傾きを検出して量水板の検出された傾きに基づき画像の傾きを補正し、かつ傾き補正された量水板の水平方向の補正された位置を求める位置補正手段と、
傾き補正された画像中から水面位置を検出する水面位置検出手段と、
傾き補正された画像中から検出された水面と傾き補正された量水板との境界を検出する境界検出手段と、
検出された境界における傾き補正された量水板の目盛り数字を読み取る読み取り手段とを備え、
読み取った量水板の目盛りから水位を計測することを特徴とする。
【００１５】
本発明の水位計測方法および装置によれば、河川に設置されている量水板を含む所定範囲の水面が撮像され、撮像された画像から量水板の水平方向の位置が検出され、撮像画像から量水板の傾きが検出されて量水板の検出された傾きに基づき画像の傾きが補正され、かつ傾き補正された量水板の水平方向の補正された位置を求められ、傾き補正された画像中から水面位置が検出され、傾き補正された画像中から検出された水面と傾き補正された量水板との境界が検出されて、検出された境界における傾き補正された量水板の目盛り数字が読み取られて量水板の目盛りから水位が計測される。
【００１６】
上記のように、本発明の水位計測方法および装置によれば、水位計測のための工事が簡単ですむ。また、計測した水位を遠隔位置に伝送することもできて、計測水位を遠隔監視システムに利用することもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態によって説明する。
【００１８】
図１は、本発明方法を実施するための水位計測装置の構成を示すブロック図であり、図２および図３は図１に示した水位計測装置の作用の説明に供するフローチャートである。
【００１９】
以下、本発明方法を実施する水位計測装置を、図１、図２および図３に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示す水位計測装置１は、画像入力部１１、フレームメモリ１２、メモリ１３、コンピュータからなる制御装置１４、画像圧縮部１５およびＩ／Ｏ制御部１６を備えている。図１において、矢印はデータ、または、信号の流れを表している。
【００２１】
河川や樋門に設置されている量水板を含む所定領域を撮像装置によって撮像し、撮像装置から出力されるコンポジットビデオ信号を画像入力部１１に供給して、画像入力部１１においてデジタル化し、デジタル化された画像情報をフレームメモリ１２に格納し、フレームメモリ１２に格納された画像情報は画像処理のための作業用の領域を含むメモリ１３に供給して後記の制御装置１４と協働して制御装置１４による制御の下に画像処理し、処理結果を格納する。
【００２２】
フレームメモリ１２およびメモリ１３に格納された画像情報は制御装置１４に供給されて、制御装置１４によって画像処理することにより水位計測を行う。
【００２３】
制御装置１４は、フレームメモリ１２およびメモリ１３に格納された画像情報に基づいて、水位計測を実行するために量水板の位置を探索する位置探索処理、量水板の傾き補正処理、水面検出処理、量水板の目盛り除去処理、量水板の目盛り下線除去処理、量水板の数字（以下、目盛り数字とも記す）読み取り処理、読み取り数字補正処理、水位判定処理等の演算処理を行う。
【００２４】
画像圧縮部１５は、画像データを外部、例えば外部に設けられている監視装置へ伝送するために画像データを圧縮する。
【００２５】
Ｉ／Ｏ制御部１６は、水位データ、または圧縮された画像データを外部に設けられている監視装置へ伝送する出力を制御する。
【００２６】
上記した水位計測装置１に、撮像装置によって撮像された画像に基づくコンポジットビデオ信号が画像入力部１１に供給されてデジタル化され、デジタル化された画像情報がフレームメモリ１２に格納される（ステップＳ１）。ここで、Ｉは原画像を示している。
【００２７】
水位計測に用いるのは図４（ａ）に示すように、量水板２０と水面２１を撮影した画像である。この例では、説明のため量水板２０は鉛直面に対して、５度程度傾いた画像となっている。
【００２８】
次に、原画像Ｉから量水板２０の位置を探す位置探索処理を実行する。ステップＳ１に続いて、原画像Ｉから量水板の位置を探す位置探索処理（ステップＳ２、Ｓ３）を実行する。ここで、位置ｘ0およびｘ1は量水板２０の左端ｘ座標および右端ｘ座標を示している。
【００２９】
最初に、原画像Ｉから量水板２０の位置を探すために、水位計測装置１は原画像Ｉを鉛直方向に微分する。原画像Ｉの左上端を原点とし、右水平方向にｘ座標、下鉛直方向にｙ座標とする。原画像Ｉ中の座標値は、原点をＯとして数えた画像数で表現する。例えば、原点Ｏから右方向に７画素移動し、そこから下へ５ライン移動した場所にある画素の座標は（７、５）で示す。一般的に、座標Ｉ（ｘ、ｙ）と記述すると、鉛直方向の微分値Ｄ（ｘ、ｙ）は、
Ｄ（ｘ、ｙ）＝Ｉ（ｘ、ｙ＋１）−Ｉ（ｘ、ｙ）
で示される。画像の全領域にわたってこの微分値Ｄ（ｘ、ｙ）を計算し、メモリ１３に格納する。
【００３０】
次に、位置ｘを一定にした状態で、微分値Ｄ（ｘ、ｙ）の分散値を計算し、この分散値をＶ（ｘ）とする。具体的には、画像の幅をＷ、高さをＨラインとすると、分散値Ｖ（ｘ）は下記の（１）式によって求められる。
【００３１】
【数１】
0003701167.tif 000002
すなわち、この分散値Ｖ（ｘ）は微分値Ｄ（ｘ、ｙ）を２乗した値をすべての位置ｙにわたって平均した値と、微分値Ｄ（ｘ、ｙ）を全ての位置ｙにわたって平均した値を２乗した値との差である。ここで、画像のｙ座標の上限は（Ｈ−１）であるが、微分値Ｄ（ｘ、ｙ）のｙ座標の上限は、その定義から、（Ｈ−２）であり、和の上限は（Ｈ−２）になっている。同様に、画像に含まれるすべての位置ｘについて分散値Ｖ（ｘ）を計算し、メモリ１３に格納する。
【００３２】
さらに、分散値Ｖ（ｘ）を近似するべき関数として、最小２乗誤差が最小になるよう近似する。その結果が図１０であり、最小２乗誤差が最小になる近似を行った波形がパルス状のため、分散値Ｖ（ｘ）をパルス形関数で近似すると記している。図１０において折れ線は分散値Ｖ（ｘ）を示し、太線はパルス形関数を示している。
【００３３】
この近似をさらに説明する。ｘ＜ｘ0、ｘ＞ｘ1のとき（２）式に示す関数で近似し、一方、ｘ0＜ｘ＜ｘ1のとき（３）式に示す関数で近似する。
【００３４】
【数２】
0003701167.tif 000003
【００３５】
【数３】
0003701167.tif 000004
ここで、ｘ0、ｘ1、Ｖｆ、Ｖｃ（図１０参照）は、未知数である。最小２乗法でこれらの未知数を決定すれば、上記の近似ができる。これは、量水板２０の目盛りが高輝度（白）と低輝度（黒）の縞模様をなしていることを利用したものである。黒から白に変化する部分では画素値の微分が絶対値の大きな正の値となり、白から黒になる部分では画素値の微分が絶対値の大きな負の値となる。このように微分値が大きくばらつくため、分散値は大きな値となる。一方、背景となる水面２１、橋脚２３、または草などでは微分値がそれほどばらつくことがないので、分散は小さい。
【００３６】
したがって、この近似における位置ｘ0、ｘ1は、それぞれ、量水板２０の左端と右端のｘ座標となる。すなわち位置ｘ0、ｘ1は、量水板２０の水平方向位置を示している。ここで、量水板２０がはっきりと識別される場合はＶｃ≫Ｖｆの関係がある。しかし、Ｖｆ＜Ｖｃ＜２Ｖｆの場合は、ＶｃとＶｆとの差が小さいため量水板２０の存在を示す傾向が弱く、Ｖｃ＜Ｖｆの場合は、量水板２０の存在を示すものとしてはレベルの大小関係（図１０参照）が逆になる。Ｖｃ＜２Ｖｆの場合は量水板２０の位置検索に失敗したものとする。
【００３７】
このようにして求めた原画像Ｉの水面２１と量水板２０との分散値Ｖ（ｘ）、すなわち画素値の鉛直方向微分値の分散を求めた分散値の一例は図４（ｂ）に示す如くである。図４（ｂ）に示す分散値Ｖ（ｘ）をパルス形関数で近似し、パルスが立ち上がっている部分、すなわちレベルが高いと判定された部分に斜線を施してある。図４（ｂ）の斜線の外側部分に対し、パルスが立ち上がっている部分、すなわち斜線が施された部分の立ち上がり位置ｘ0、ｘ1は、量水板２０の左端、右端と判定された部分である。
【００３８】
次に、量水板２０の傾き補正処理（ステップＳ４）について説明する。量水板２０の位置探索処理が成功したときは、量水板２０の位置探索処理に続いて量水板２０の傾き補正処理が実行される。
【００３９】
画像の傾きを認識し、補正するのは、撮像装置設置時の条件、または、屋外運用における風や地震等により画像が傾くことが考えられるためである。これまでに実施した検証では、１度の傾きで認識結果に大きな影響が現れ、２度の傾きで認識不能であることが確認されている。この傾きに関する弱さは撮像装置設置の難しさを示唆している。このため、本発明の実施の一形態では傾き補正処理により、±１０度までの傾きに対して原画像Ｉを補正する。
【００４０】
傾きを検出するには、量水板２０の左端、または、右端の縁が画像の鉛直方向（ｙ軸方向）に対してどれだけ傾いているかを検出すればよい。そのために先ず、原画像を水平方向に微分し、その絶対値をとる。すなわち、微分値Ｅ（ｘ、ｙ）＝｜Ｉ（ｘ＋１、ｙ）−Ｉ（ｘ、ｙ）｜を計算する。このように水平方向について微分することで鉛直方向に延びる線分を強調することができる。
【００４１】
鉛直方向の線分を強調した微分値Ｅ（ｘ、ｙ）をハフ（Ｈｏｕｇｈ）変換すると、その画像の中で最も強く直線的な傾向を示す線分の場所と傾きを得ることができる。ハフ変換は１９６２年に米国で考案された手法で、円や線分などの図形を探索するためにも使用される。しかし、この手法は計算量が大きいため、本発明の実施の一形態では探索範囲と探索する直線の傾きを制限している。
【００４２】
角度制限については、設置カメラが±１０度以上傾くことがないと想定して、鉛直方向に対して±１０度を探索の制限とした。また、既に、量水板２０が存在するｘ座標の範囲がわかっているので、探索範囲は容易に制限できる。実際には、たとえ量水板２０が１０度傾いていたとしても量水板２０の大部分（もしくは、すべて）が収まる程度の余裕を、図１０に基づき説明した最小２乗近似で求めた位置ｘ0、ｘ1に付加して探索領域とする。
【００４３】
画像の傾きを検出した結果を図５に示す。図５の原画像上に描かれた直線２２が、範囲を制限したハフ変換に基づいて検出された最も直線性の高いものである。この直線は量水板２０が鉛直方向に対する傾きを示している。これは、量水板２０の左縁と一致している。このことから、画像中の量水板２０がどれだけ傾いているかが判り、画像の傾きを知ることができる。
【００４４】
ハフ変換で検知した量水板の縁と鉛直方向の傾きを補正するために、画像回転をさせる。しかし、正確な画像回転をさせたのでは、非常に計算量が多くなるため、本発明の実施の一形態では、近似的な変換によって実質的な画像回転をさせて補正する。例えば、量水板２０の傾き角度が角度θラジアンで与えられたとき、ｓｉｎθ≒θ、ｃｏｓθ≒１としても、角度が±１０度の範囲内ならば、正弦関数は０．５％、余弦関数は１．５％未満の誤差に収まる。
【００４５】
したがって、鉛直方向に対して右回りにθラジアンの傾きをもつ画像に原画像Ｉ（ｘ、ｙ）←原画像Ｉ（ｘ−ｙθ、ｙ）を適用すれば、近似的な傾き補正がでる。この結果、先ほど最小２乗近似で計算したｘ0、ｘ1も併せて補正する必要がある。傾き補正した画像における量水板２０の左端と右端のｘ座標上の位置をＸL、ＸRと記す。
【００４６】
図６（ａ）は上記の近似の回転補正を施したものであり、違和感は感じられない。また、位置ｘ0、ｘ1から位置ＸL、ＸRへの変換は、原画像の傾きが大きい場合、位置ｘ0、ｘ1を計算するときに用いた分散値Ｖ（ｘ）のパルス状の立ち上がり、すなわち図４（ｂ）における位置ｘ0近傍、位置ｘ1近傍の立ち上がりが緩やかなので、改めて、傾き補正をした画像について分散値Ｖ（ｘ）を計算し、その関数をパルス形関数で近似することで、ＸL、ＸRを求めた方がよい。
【００４７】
このようにして画像回転させることによって傾き補正した画像は図６（ａ）に示す如くである。図６（ａ）からも明らかな如く、量水板２０が鉛直方向に補正されていることが判る。
【００４８】
これは、この傾き補正をすることにより、厳密な測量を必要とせず、撮像装置の設置が容易になることを示唆している。
【００４９】
次に、図６（ａ）に示す画像に基づいて、量水板２０の位置ＸL、ＸRを求めることについて説明する。
【００５０】
位置量水板２０の位置探索の場合と同様、画素値を鉛直方向について微分し、水平方向座標（ｘ座標）を一定に保ちながら、鉛直方向で微分値の分散から求めた分散値Ｖ（ｘ）を計算して示した図６（ｂ）からも明なように、傾き補正をすることで分散値Ｖ（ｘ）のＸL近傍、ＸR近傍の立ち上がりが急激になっていることがわかる。ここで、図６（ｂ）においても、図４（ｂ）の場合と同様に、斜線が施された部分が量水板の位置を表す。
【００５１】
図６（ｂ）の分散値Ｖ（ｘ）を、最小２乗法を用いてパルス形関数で近似し、そのパルス形関数が立ち上がっている場所、すなわちレベルが大の部分を塗り潰している。この領域は量水板２０の左端位置、右端位置ＸL、ＸRと一致している。
【００５２】
次に、水面検出処理について説明する。傾き補正処理に続き、原画像から水面を検出する水面検出処理（ステップＳ５、Ｓ６）が実行される。
【００５３】
水面検出処理は、従来、きわめて困難な処理であって、従来の画像処理方法では量水板の傍らに補助棒を設置して水面の検出が簡単になるようにしている。本発明の実施の一形態では、そのような補助的な設備を必要とせず、量水板を撮像した画像に対する純粋な数値処理にて、水面の検出を可能にする。
【００５４】
本発明の実施の一形態で用いるのは、量水板目盛りの白黒の縞模様は画素値の微分値のばらつきを大きくしている。しかし、これが水中に入ると、透過してきたもの、もしくは、水面で反射したものが撮像装置で撮像される。透過や反射したものは直接見えるものに比べコントラストが低くなっている。コントラストは画素値のばらつきを反映するものである。
【００５５】
次に、具体的な処理方法について説明する。ここでも微分値Ｄ（ｘ、ｙ）＝Ｉ（ｘ、ｙ＋１）−Ｉ（ｘ、ｙ）を用いる。ここでのＩ（ｘ、ｙ）は、傾き補正をした画像の画素値であるため、前に計算した微分値を使用するのではなく、新たに計算を行う必要がある。量水板が存在するｘ座標の範囲内（すなわち、ＸL≦ｘ≦ＸR、０≦ｙ≦Ｈ−２）で微分Ｄ（ｘ、ｙ）を計算し、メモリ１３に格納する。
【００５６】
次いで、ｙが一定のもとで、微分Ｄ（ｘ、ｙ）の分散を計算し、分散値をＶ（ｙ）とする。この分散値は下記の（４）式に示す通りである。
【００５７】
【数４】
0003701167.tif 000005
画像に含まれるすべてのｙ（＝０、１、……、Ｈ−２）ついて分散値Ｖ（ｙ）を計算し、メモリ１３に格納する。
【００５８】
ここでは、分散値Ｖ（ｙ）を次の（５）式なる図１１に例示するようなステップ関数で近似する。
【００５９】
【数５】
0003701167.tif 000006
ここでも、最小２乗法を利用して未知数ＶU、ＶD、ＹLを求めることで近似をする。すなわち、分散値Ｖ（ｙ）を近似されるべき関数として最小２乗誤差が最小となるように近似する。この手法は分散値Ｖ（ｘ）をパルス形関数に近似したのと同様であり、この近似で得られる位置ＹLは水面が存在する画像上のｙ座標を表す。
【００６０】
未知数ＶU、ＶDは、それぞれ、水面より上と下のコントラストを反映した量であるため、ＶU＜１．２ＶDとなってしまった場合には、上で述べたコントラストが示すべき傾向が弱い、または、矛盾するという理由から、水面検出が失敗したとみなす。
【００６１】
図６（ｃ）が分散値Ｖ（ｙ）を示している。ステップ関数への近似の結果、水面下と判定された部分は図６（ａ）において斜線で示してある。水面下の量水板２０がかすかに透過し、水面に量水板２０が反射しているのが確認できるが、本発明の実施の一形態では、透過、反射に惑わされず、水面が正しく検出できていることがわかる。
【００６２】
量水板２０に付されている左右の目盛りを除去する左右目盛り除去処理（ステップＳ７）について説明する。水面検出処理（ステップＳ５、Ｓ６）に続いて左右目盛り除去処理について説明する。
【００６３】
ここまでに求められた量水板２０の位置と水面の位置より、量水板２０の目盛り数字を読むべき位置が特定できる。具体的には、ＸL≦ｘ≦ＸR、かつ０≦ｙ≦ＹLを満たす領域が量水板２０の存在する領域である。量水板２０の目盛り数字を読むためには、まず、量水板２０の目盛りを除去する。量水板２０の目盛り数字と目盛りとが高輝度（白）、地が低輝度（黒）であることを利用し、ｘを一定に保ちながら、量水板２０内のすべての位置ｙについて原画像の画素値の総和をとり、それを総和Ｂ（ｘ）とする。当然、位置ｘも量水板の存在範囲内に限定する。これまでに用いた記号を使って記述すると、総和Ｂ（ｘ）は下記の（６）式に示す如くになる。
【００６４】
【数６】
0003701167.tif 000007
通常、総和Ｂ（ｘ）は量水板２０の左右目盛りの位置で大きな値となり、目盛り数字が書かれている部分でもそれと同じ程度の大きな値となり、一方、目盛り数字と目盛りの隙間では、小さな値となる。したがって、量水板２０の左と右の半分ずつを取り出し、総和Ｂ（ｘ）を下記の（７）式で示すパルス形関数（この場合、図１０においてＶｆ＞Ｖｃのパルス波形）で近似する。
【００６５】
【数７】
0003701167.tif 000008
すなわち、ＸL≦ｘ＜（ＸL＋ＸR）／２に対して総和Ｂ（ｘ）を下記の（８）式で近似し、一方、（ＸL＋ＸR）／２≦ｘ≦ＸRに対して、総和Ｂ（ｘ）を下記の（９）式で近似する。
【００６６】
【数８】
0003701167.tif 000009
【００６７】
【数９】
0003701167.tif 000010
量水板２０の位置探索処理の場合と同様に、未知数Ｂｆ±、Ｂｃ±、ｘ0±、ｘ1±は最小２乗法で算出される。
【００６８】
ただし、Ｂｆ±＜１．１Ｂｃ±（複号同順）となった場合、すなわち、ｘ軸方向における輝度分布において、輝度の極小値と近傍の輝度とを比較してその差が僅かなとき、または輝度の極小値が存在するべき位置に極大値が現れるようなとき、この判定は失敗したものとみなす。判定が成功すれば、（１０）式、（１１）式に示す位置を、それぞれ、目盛り数字部分の左端、右端と判定する。
【００６９】
【数１０】
0003701167.tif 000011
【００７０】
【数１１】
0003701167.tif 000012
薄暮の時間帯では、コントラストが弱まり、上で述べたような顕著な特徴が総和Ｂ（ｘ）に現れないことがある。そのような場合、左右の目盛りと目盛り数字部分の間の谷が低く、また、目盛り数字部分の総和Ｂ（ｘ）が目盛り部分よりも低い傾向がある。
【００７１】
したがって、上に述べた方法での判定に失敗した場合、総和Ｂ（ｘ）を（１２）式のパルス形関数
【００７２】
【数１２】
0003701167.tif 000013
なる（１３）式のパルス形関数で近似する。なお上の判定が成功している場合には、この処理の必要はない。
【００７３】
【数１３】
0003701167.tif 000014
ここでも、未知数Ｂｆ、Ｂｃ、ｘ0、ｘ1を最小２乗法で算出する。それでも、なおかつ、Ｂｆ＜１．１Ｂｃとなった場合、左右の目盛りの除去は失敗ということになる。この判定に成功した場合、Ｘ―＝ｘ0、Ｘ+＝ｘ1が目盛り数字部分の左右端のｘ座標となる。
【００７４】
量水板２０の位置と水面位置で挟み込まれた領域、すなわち水面より上に存在する量水板２０を切出したのが図７（ａ）に示す画像である。図７（ａ）に対応してその下に描かれている図７（ａ′）は、鉛直方向での画素値の総和である。
【００７５】
図７（ａ′）について説明すれば、水平方向座標（ｘ座標）を一定に保ちながら、鉛直方向に画像値を加算した総和の左半分と右半分をパルス形（井戸型）関数で近似し、両者の谷の中央に挟まれる領域を、クロス斜線２５を施して示したものであって、左右目盛りと目盛り数字部分の境界で総和Ｂ（ｘ）は谷になっていることがわかる。クロス斜線２５が施された部分は、量水板の数字部分と一致し、量水板２０の目盛り数字部分と判定された部分である。
【００７６】
次いで、量水板２０の目盛り数字部分のみ（Ｘ-≦ｘ≦Ｘ+、０≦ｙ≦ＹL）を原画像から切り出し、その範囲内で画像を２値化する。ここでいう画像の２値化は、画像値が、濃淡画像を対象領域と背景とに分離する２値化に利用される判別分析法とも称される大津の方法によるしきい値未満であれば、その画素を黒画素に変換し、しきい値以上であれば白画素に変換することである。２値化することにより、量水板２０の目盛り数字と下線とが白、量水板２０の地が黒に変換される。
【００７７】
画像が傾いていると、前に示した目盛りと目盛り数字の境界の判定が難しくなるのも確かであるし、また、たとえ境界が判定されても、数字部分を切り出すときに、数字の端が欠けてしまう。または、目盛りの一部が一緒に切り出されるということが起こる。しかし、本発明の実施の一形態では、原画像を予め傾きを補正しているので、そのような事態は発生することはない。
【００７８】
次に、量水板の画像から左右目盛りを除去し、２値化する。この２値化された図は、図７（ｂ）に示す如くになる。
【００７９】
次に、目盛り数字の下線除去処理について説明する。左右目盛り除去処理が終了すると、下線除去処理（ステップＳ９）が実行される。
【００８０】
上記によって得られた図７（ｂ）に示す２値化画像についてラベリングする。２値化画像をラベリングすることで、その２値画像内に存在する白画素の塊に付番され、塊の位置、面積、重心、外接矩形が計測される。ここで、面積が１０平方画素以下の塊を無視（除去）すれば、孤立点状のノイズを除去できるが、ノイズが目盛り数字と下線の間にあり、目盛り数字と下線が融合して１つの塊となった場合には、さらに処理が必要である。ラベリングは例えば、本発明の特許出願人が特願２０００−８７８３号にて既に提案している、ラインに沿って１画素ずつの上下左右の連結性に基づいて行うことができる。
【００８１】
すなわち、ラベリングにより図７（ｂ）の画像内に矢印で示したように、白画素の塊が１２個抽出され、そのうち、目盛り数字６と５は下線が融合されてしまっている。この画像に統合処理を施すことで、図７（ｃ）の画像内に矢印を付したように、白画素の塊の数は８個にすることができる。目盛り数字とその直下の下線が、必ず、融合されて１つの塊として抽出される。量水板２０の目盛り数字は若干縦長であるため、横長の（高さよりも幅が大きい）塊を除去する。これにより、塊１と塊２は横長であるので除去され、さらに、図７（ｂ）および図７（ｃ）に存在するような下線のみの塊、水面で断ち切られた中途半端な数字が除去されることになる。残りの塊については、下部２０％を削ることで下線除去ができる。
【００８２】
実際に画像を撮影した結果では、目盛り数字と下線が別の塊として正確に認知されているものと、これらが融合しているものとが混ざっている。下線の高さが０．５ｃｍ、下線と目盛り数字の間の距離が１．０ｃｍ、目盛り数字の高さが４．０ｃｍ（目盛り数字から、上の目盛り数字に対応する下線までの距離が４．５ｃｍ）であることを利用し、目盛り数字の高さの５０％以下しか隔てていない塊同士を統合処理することにより１つの塊とみなし、すべての目盛り数字と下線を融合することができる。ここでは、ラベリングされた塊の高さのうち最も大きいものを「目盛り数字の高さ」とした。
【００８３】
次に目盛り数字読み取り処理について説明する。下線除去処理に続いて、目盛り数字読み取り処理（ステップＳ１０〜Ｓ１１）が実行される。
【００８４】
ステップＳ９までの処理で、２値画像中には数字以外のものは残っていない。実際にここまでの処理で除去されずに残った塊を示したのが図８である。これらを予め用意した量水板２０の目盛り数字のテンプレートと比較して目盛り数字を読み取る。すなわち、白画素の塊一つ一つについて、テンプレートマッチングにより、目盛り数字を判定する。この場合、テンプレートとは、量水板の数字画像のビットパターンで構成される５０×５０の２値画像である。白画素の塊の大きさをテンプレートと同じ大きさに拡大、もしくは、縮小した後に正規化相関を計算する。
【００８５】
１つの塊につき、数字１〜９に対するテンプレート（量水板の数字に通常、０はない）との正規化相関を計算し、最も相関係数が大きく、かつ、その値が０．７以上（正規化相関は０以上１以下の値で、画像の類似性を表す。）であるものをその読み取り結果とみなす。例えば、ある塊りと数字６との間で、正規化関数が０．７２となり、他のテンプレートとの正規化相関係数より大きいならば、「その塊は数字６である」と確定される。もし、最も大きな正規化関係数が０．７未満であれば、その塊は未確定とし、記録上、数字０と書き込んでおく。
【００８６】
すべての塊に対して以上の読み取りをしていく。その結果、確定した目盛り数字（０以外の数字）が３つ未満であれば、読み取りは失敗したものとみなす。
【００８７】
ここで注意すべきことは、量水板２０の目盛り数字には０が含まれないことである。的確にいうならば、目盛り数字２の下にあるのは目盛り数字１であるが、その下あるものは「空白」である。さらに、その直下に量水板が設置されていれば空白の下は目盛り数字９である。画像の中に空白が映っていた場合、その存在を見抜かなければ、以降の処理が正常に動作しない場合がある。したがって、連番を利用した読み取り補正をする以上、この空白の判定は重要である。
【００８８】
上記のことから、空白の存在を検知する方法について説明する。
【００８９】
いま、読み取られた目盛り数字の数をＮとする。上からｉ＋１番目の目盛り数字高さと下端ｙ座標をそれぞれ、ｈｉ、ｙｉ（ｉ＝０．１……Ｎ−１）とする。このとき、各目盛り数字に対するメンバーシップ関数Ｍｉ（ｙ）を次の（１４）式のように定義する。
【００９０】
【数１４】
0003701167.tif 000015
この関数は０以上１以下の値となる。さらに下記の（１５）式に示す全メンバーシップ関数の和を計算する。
【００９１】
【数１５】
0003701167.tif 000016
本発明の実施の一形態では、ｙn-1＜ｙ＜ｙnにおいて、メンバーシップ関数の和Ｍ（ｙ）＜０．３なるｙが存在するとき、上からｎ番目とｎ＋１番目の目盛り数字の間に空白が存在すると判定する。メンバーシップ関数による判定を図示すると図１２のようになる。
【００９２】
図１２はメンバシップ関数を用いた量水板２０の空白判定の説明図であり、空白を含む３つの目盛り数字が読み取られた場合を例示している。
【００９３】
各数字の下端ｙ座標における位置ｙ0を中心として両側に位置ｙ0における高さｈ0の２倍の幅を有する３角形のメンバシップ関数Ｍ0（ｙ）（細線）を配置し、下端ｙ座標における位置ｙ1を中心として両側に位置ｙ1における高さｈ1の２倍の幅を有する３角形のメンバシップ関数Ｍ1（ｙ）（細線）を配置し、下端ｙ座標における位置ｙ2を中心として両側に位置ｙ2における高さｈ2の２倍の幅を有する３角形のメンバシップ関数Ｍ2（ｙ）（細線）を配置し、すべてのメンバシップ関数の和（太線）を求める。その和がある既定値であるしきい値より小さくなる箇所があれば、そこが空白である。図１２では、メンバーシップ関数Ｍ2（ｙ）の一部の上にメンバーシップＭ1（ｙ）の一部が重なっていて、しきい値以上であり、メンバーシップ関数Ｍ1（ｙ）とＭ2（ｙ）との間がしきい値未満であって、ここが空白である。
【００９４】
量水板２０の目盛り数字１の下は空白、さらにその下に量水板がもう１枚配置されていれば、その下は目盛り数字９である。
【００９５】
上記の結果、上から２番目の目盛り数字と３番目の目盛り数字の間に空白が存在することがわかる。実用的な見地として、ｙｉは等間隔とは限らない。また、上から見下ろす位置に撮像装置を設置していれば、下にいくほど目盛り数字の高さｈは小さな値となり、ｙ１の間隔が狭くなる。メンバーシップ関数による判定は、このような場合にも柔軟に空白の存在を発見することができる。
【００９６】
判定の結果、上からｎ番目とｎ＋１番目の目盛り数字の間に空白の存在が認められた場合、以下に示す（１６）式のような調整をしなければならないことは言うまでもない。
【００９７】
【数１６】
0003701167.tif 000017
この処理によって、ｎ番目とｎ＋１番目の数字の間に数字０を挿入する操作をしている。
【００９８】
次に、目盛り数字読み取り補正処理について説明する。目盛り数字読み取り処理に続いて、目盛り数字読み取り補正処理（ステップＳ１２、Ｓ１３）が実行される。
【００９９】
屋外に設置された量水板２０を画像処理しているとノイズによる影響が多い。その１つが目盛り数字と下線の融合であり、また、目盛り数字読み取りがノイズによって正確にできないことも少なくない。例えば、目盛り数字６と目盛り数字８を間違って読み取る等である。そこで、本発明の実施の一形態では、読み取った結果を以下の手法により、目盛り数字読み取り補正処理を行う。
【０１００】
量水板２０の目盛り数字は上から、９、８、７…という連番になっている。つまり、注目している塊が目盛り数字５ならば、その２つの上の魂は目盛り数字７、一方、３つ下の塊は目盛り数字２という具合に読み取りを推測できる。このように、白画素の塊一つ一つの立場から、その他の塊がどの目盛り数字であるかを予測する。
【０１０１】
１つの予測につき２点、その塊の読み取り結果自身に３点を与え、最も得点の高いものを補正された読み取り結果とする。最も得点の高いものが２つ以上存在した場合、目盛り数字読み取り補正は失敗である。また、補正した結果が、連番でない場合も補正は失敗である。たとえ半分以上の読み取りが誤りであっても、この手法を用いればかなりの高確率で目盛り数字読み取り補正が成功する。これは、所定数の連番の整数列中から任意に数字を選び、該数字をランダムに異なる数字に置き換え、上記の読み取り補正を実行して、元の整数列に戻るかの復元率を求めるコンピュータシミュレーションの結果から確認することができた。
【０１０２】
下記の表１に目盛り数字読み取り補正の例を示す。この例では６個の目盛り数字が読み取られ、そのうちの２つが誤っている。具体的には、目盛り数字６を目盛り数字８と読み、目盛り数字５を目盛り数字６と読んでしまっている。このような誤りはしばしば起こる。
【０１０３】
【表１】
0003701167.tif 000018
上方推定とは、注目した目盛り数字の読み取り結果から、それよりも上にある目盛り数字を推定したものである。表１に上方推定の最も左の列は１つ下の目盛り数字の読み取り結果から推定した結果を示し、２番目の列は２つ下の目盛り数字の読み取り結果から推定した結果である。
【０１０４】
下方推定とは、注目した目盛り数字の読み取り結果から、それよりも下にある目盛り数字を推定したものである。表１に下方推定の最も左の列は１つ上の目盛り数字の読み取り結果から推定した結果を示し、２番目の列は２つ上の目盛り数字の読み取り結果から推定した結果である。
【０１０５】
得られた推定結果に対して、上に述べた要領で得点をつけ最も得点の高い推定値を補正値とした。これにより、表１の読み取り結果にあった２個所の誤りが完全に修正されている。
【０１０６】
次に、水位判定処理について説明する。目盛り数字読み取り補正処理に続いて水位判定処理（ステップＳ１４）が実行される。
【０１０７】
ここまでの結果を用いて水位を判定する。ここで、量水板２０の目盛り数字を表す白画素の塊のうち、下から２番目の塊の下端ｙ座標と読み取り補正結果（０〜９の整数）をそれぞれ、ｙN-2、ＲN-2とする。下から３番目の塊についても、その下端ｙ座標と読み取り補正結果を、それぞれｙN-3、ＲN-3とする。ここでいう塊とは、下線融合した後、下部２０％を除去した魂のことである。すなわち、下端ｙ座標は、その目盛り数字自体の下端ｙ座標である。量水板２０の目盛り数字が１０ｃｍ間隔で配置され、数字Ｒ（１〜９の整数）の下端は水位１０Ｒ＋１（ｃｍ）であることから水位は、（１７）式によって求められる。
【０１０８】
【数１７】
0003701167.tif 000019
水面が最も下の塊上に存在することが考えられるため、水位計算に最も下に存在する塊を用いていない。計測された水位は、図１に示す画像伝送処理装置のＩ／Ｏ制御部１６を通して出力される。
【０１０９】
上記した本発明の実施の一形態による水位測装置１による水位計測結果の一例は図９に示す如くであって、水面が正しくとらえられ、正確な水位が判定されている。
【０１１０】
また、水中における量水板２０の一部が水中で透過している場合の水位計測結果の一例は図１３（ａ）に示す如くである。この場合は、背景となる壁２３に外乱の要素が少ないため、量水板２０の位置は問題なく検出されている。水面検出において、画素値の鉛直方向についての微分値、その分散値が透過により多少緩やかになっているので、どこと比べたらよいか判断しづらいが、水位を数値化すると実際の水位との違いは１〜２ｃｍであった。なお、図１３（ｂ）および（ｃ）は、図１３（ａ）の場合における分散値Ｖ（ｘ）およびＶ（ｙ）を示している。
【０１１１】
外乱に対する評価のため図１４（ａ）に示すように、草むらに量水板２０を配置して水位計測結果を評価してみた。生い茂る草が画素値の微分値を高めるが、分散を取ってみると、量水板２０の位置では群を抜いて分散値が高い。このような条件においても、量水板２０の位置探索は成功している。この画像も、水中の透過があり、水面検出に用いる分散値の立ち下がりが緩やかになっている。水位を数値化してみると、実際の水位との違いは２ｃｍ程度であった。なお、図１４（ｂ）および（ｃ）は、図１４（ａ）における分散値Ｖ（ｘ）およびＶ（ｙ）を示している。
【０１１２】
夜間撮像による画像を処理した場合の例を図１５（ａ）に示す。この場合は、周辺には外灯の薄明かりがさしており、赤外線撮像装置によりこの画像を撮影した。このような状況でも、量水板２０の位置と水面の位置が正しく検出されている。水位を数値化すると実際の数値と完全に一致していた。なお、図１５（ｂ）および（ｃ）は、図１５（ａ）における分散値Ｖ（ｘ）およびＶ（ｙ）を示している。
【０１１３】
次に、本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置を水位遠隔制御システムに応用することができる。
【０１１４】
図１６は本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置を水位遠隔監視システムに応用したときの構成を示すブロック図である。
【０１１５】
図１６において水位監視現場３１〜３４に量水板が設置されて水位を監視するものとし、量水板を含む水面を撮像する撮像装置を設けて、撮像装置により量水板を含む水面を撮像した撮像出力を、無線通信、または有線通信によって遠隔位置にある水位監視装置３０に伝送し、水位監視装置３０において時分割で各水位監視現場３１〜３４から伝送されてきた撮像出力を処理して、各監視現場３１〜３４における水位を画像処理によって求め、求めた水位を監視することができる。
【０１１６】
また、上記した遠隔監視システムにおいて、例えば、通常１０分に一度量水板を含む水面を撮像して撮像出力を水位監視装置３０に送るのであれば、撮像装置に空き時間が発生する。その空き時間を利用して、撮像装置を他の目的に利用することもできる。他の目的に利用したときにおいて、水位計測時期になったときは、毎回、量水板の位置探索から処理が開始されるため、撮像装置制御を繰り返した結果、量水板を撮像したとき、前回の計測時の撮像始点と今回撮像始点がずれていても問題にはならない。
【０１１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる水位計測方法および装置によれば、水位計測のための工事が簡単ですむという効果が得られる。計測した水位を遠隔位置に伝送することもできて、計測水位を水位遠隔監視システムに利用することもできる。また、空き時間等を利用して、計測に用いてた撮像装置を画像監視に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置の作用の説明に供するフローチャートである。
【図３】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置の作用の説明に供するフローチャートである。
【図４】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置における原画像と量水板位置を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置における画像の傾き補正処理の説明図である。
【図６】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置における傾き補正後の量水板の位置を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置における量水板の目盛り除去処理の説明図である。
【図８】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置における量水板から抽出した目盛り数字の一例を示す説明図である。
【図９】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置による水位計測結果を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置における分散値のパルス形関数への近似の説明図である。
【図１１】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置における分散値のステップ関数への近似の説明図である。
【図１２】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置におけるメンバーシップ関数による量水板空白部判定の説明図である。
【図１３】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置による水位計測時に量水板が水中で透過しているときの説明図である。
【図１４】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置による水位計測時において周囲状況が悪い場合の説明図である。
【図１５】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置による水位計測のために画像を夜間に撮像した場合の説明図である。
【図１６】本発明の実施の一形態にかかる水位計測装置による計測結果を遠隔監視する場合のシステム構成図である。
【符号の説明】
１…水位計測装置                      １１…画像入力部
１２…フレームメモリ                  １３…メモリ
１４…制御装置                        １５…画像圧縮部
１６…Ｉ／Ｏ制御部
【図１】
0003701167.tif 000020
【図２】
0003701167.tif 000021
【図３】
0003701167.tif 000022
【図４】
0003701167.tif 000023
【図５】
0003701167.tif 000024
【図６】
0003701167.tif 000025
【図７】
0003701167.tif 000026
【図８】
0003701167.tif 000027
【図９】
0003701167.tif 000028
【図１０】
0003701167.tif 000029
【図１１】
0003701167.tif 000030
【図１２】
0003701167.tif 000031
【図１３】
0003701167.tif 000032
【図１４】
0003701167.tif 000033
【図１５】
0003701167.tif 000034
【図１６】
0003701167.tif 000035