(57)【要約】      （修正有）【課題】外部環境条件の変化による影響を抑制し、パンタグラフの状態を監視員に見え易く表示し得る鉄道設備モニタリング装置及び鉄道設備モニタリングシステムを提供する。【解決手段】鉄道設備モニタリング装置１は、２つのカメラ１１から構成され、対象物体であるパンタグラフを撮像するステレオカメラ１１と、ステレオカメラ１１を回転可能に保持するカメラ回転保持部１２と、ステレオカメラ１１を所定の回転角度毎に変化させ、各回転角度にて得られる撮像画像からパンタグラフの距離画像を生成し、パンタグラフの距離画像に基づきカメラ回転保持部１２によるステレオカメラ１１の回転角度を決定する制御演算部１０と、を備える。【選択図】図１
2019039850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのカメラから構成され、対象物体であるパンタグラフを撮像するステレオカメラと、
前記ステレオカメラを回転可能に保持するカメラ回転保持部と、
前記ステレオカメラを所定の回転角度毎に変化させ、各回転角度にて得られる撮像画像からパンタグラフの距離画像を生成し、前記パンタグラフの距離画像に基づき前記カメラ回転保持部によるステレオカメラの回転角度を決定する制御演算部と、を備えることを特徴とする鉄道設備モニタリング装置。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道設備モニタリング装置において、
前記２つのカメラは光軸が平行であり、且つ、相互に水平に配され、
前記カメラ回転保持部は、前記２つのカメラの中心間を結ぶベースラインの略中心を回転軸として、前記所定の回転角度毎に前記ステレオカメラをロール回転角方向に回転させることを特徴とする鉄道設備モニタリング装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の鉄道設備モニタリング装置において、
画像表示部を備え、
前記制御演算部は、
前記各回転角度にて得られる撮像画像からパンタグラフの距離画像を生成するステレオ処理部と、
前記ステレオ処理部により生成されたパンタグラフの距離画像及び前記ステレオカメラにて撮像されたパンタグラフの原画像に基づき、前記対象物体であるパンタグラフを抽出し他と識別可能な画像を生成する対象物抽出部と、
前記決定されたステレオカメラの回転角度に応じて、前記対象物抽出部により生成されたパンタグラフを抽出し他と識別可能な画像を、逆回転補正処理を行う回転補正部と、を有し、前記回転補正部による逆回転補正処理後の前記対象物抽出部により生成されたパンタグラフを抽出し他と識別可能な画像を前記画像表示部に表示することを特徴とする鉄道設備モニタリング装置。
【請求項４】
請求項３に記載の鉄道設備モニタリング装置において、
前記対象物抽出部は、前記ステレオ処理部により生成されたパンタグラフの距離画像に対しパンタグラフの存在領域以外をマスク処理する距離フィルタを有することを特徴とする鉄道設備モニタリング装置。
【請求項５】
請求項４に記載の鉄道設備モニタリング装置において、
入力部と記憶部を備え、
前記入力部を介して設定される前記距離フィルタの適用範囲を前記記憶部に格納し、
前記対象物抽出部は、前記記憶部に格納される前記距離フィルタの適用範囲に基づき、マスク処理することを特徴とする鉄道設備モニタリング装置。
【請求項６】
請求項５に記載の鉄道設備モニタリング装置において、
前記入力部を介して設定される前記所定の回転角度を前記記憶部に格納し、
前記カメラ回転保持部は、前記記憶部に格納される所定の回転角度に基づき前記ステレオカメラを回転させることを特徴とする鉄道設備モニタリング装置。
【請求項７】
請求項６に記載の鉄道設備モニタリング装置において、
前記記憶部は、前記対象物抽出部により生成されたパンタグラフを抽出し他と識別可能な画像におけるパンタグラフに対応する画素数を集計し得られる測距可能画素数と、前記所定の回転角度とを対応付けて格納し、
前記カメラ回転保持部は、前記記憶部に格納される測距可能画素数のうち最大値に対応する前記所定の回転角度を前記カメラ回転保持部によるステレオカメラの回転角度として決定することを特徴とする鉄道設備モニタリング装置。
【請求項８】
請求項６に記載の鉄道設備モニタリング装置において、
前記カメラ回転保持部は、前記対象物抽出部により生成されたパンタグラフを抽出し他と識別可能な画像におけるパンタグラフに対応する画素の形状と前記ステレオカメラにより撮像されたパンタグラフの画像とを比較し、前記パンタグラフの画像に対する前記パンタグラフに対応する画素の形状の類似度が最大となる前記所定の回転角度を前記カメラ回転保持部によるステレオカメラの回転角度として決定することを特徴とする鉄道設備モニタリング装置。
【請求項９】
鉄道設備モニタリング装置と、運行管理センターを含む地上設備に設置される電子端末と、これらを相互に通信可能に接続する通信ネットワークを備え、
前記鉄道設備モニタリング装置は、
２つのカメラから構成され、対象物体であるパンタグラフを撮像するステレオカメラと、
前記ステレオカメラを回転可能に保持するカメラ回転保持部と、
前記ステレオカメラを所定の回転角度毎に変化させ、各回転角度にて得られる撮像画像からパンタグラフの距離画像を生成し、前記パンタグラフの距離画像に基づき前記カメラ回転保持部によるステレオカメラの回転角度を決定する制御演算部と、を備えることを特徴とする鉄道設備モニタリングシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載の鉄道設備モニタリングシステムにおいて、
前記２つのカメラは光軸が平行であり、且つ、相互に水平に配され、
前記カメラ回転保持部は、前記２つのカメラの中心間を結ぶベースラインの略中心を回転軸として、前記所定の回転角度毎に前記ステレオカメラをロール回転角方向に回転させることを特徴とする鉄道設備モニタリングシステム。
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０に記載の鉄道設備モニタリングシステムにおいて、
前記鉄道設備モニタリング装置は、画像表示部を備え、
前記制御演算部は、
前記各回転角度にて得られる撮像画像からパンタグラフの距離画像を生成するステレオ処理部と、
前記ステレオ処理部により生成されたパンタグラフの距離画像及び前記ステレオカメラにて撮像されたパンタグラフの原画像に基づき、前記対象物体であるパンタグラフを抽出し他と識別可能な画像を生成する対象物抽出部と、
前記決定されたステレオカメラの回転角度に応じて、前記対象物抽出部により生成されたパンタグラフを抽出し他と識別可能な画像を、逆回転補正処理を行う回転補正部と、を有し、前記回転補正部による逆回転補正処理後の前記対象物抽出部により生成されたパンタグラフを抽出し他と識別可能な画像を前記画像表示部に表示することを特徴とする鉄道設備モニタリングシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の鉄道設備モニタリングシステムにおいて、
前記対象物抽出部は、前記ステレオ処理部により生成されたパンタグラフの距離画像に対しパンタグラフの存在領域以外をマスク処理する距離フィルタを有することを特徴とする鉄道設備モニタリングシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の鉄道設備モニタリングシステムにおいて、
前記鉄道設備モニタリング装置は、入力部と記憶部を備え、
前記入力部を介して設定される前記距離フィルタの適用範囲を前記記憶部に格納し、
前記対象物抽出部は、前記記憶部に格納される前記距離フィルタの適用範囲に基づき、マスク処理することを特徴とする鉄道設備モニタリングシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の鉄道設備モニタリングシステムにおいて、
前記入力部を介して設定される前記所定の回転角度を前記記憶部に格納し、
前記カメラ回転保持部は、前記記憶部に格納される所定の回転角度に基づき前記ステレオカメラを回転させることを特徴とする鉄道設備モニタリングシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の鉄道設備モニタリングシステムにおいて、
前記記憶部は、前記対象物抽出部により生成されたパンタグラフを抽出し他と識別可能な画像におけるパンタグラフに対応する画素数を集計し得られる測距可能画素数と、前記所定の回転角度とを対応付けて格納し、
前記カメラ回転保持部は、前記記憶部に格納される測距可能画素数のうち最大値に対応する前記所定の回転角度を前記カメラ回転保持部によるステレオカメラの回転角度として決定することを特徴とする鉄道設備モニタリングシステム。
【請求項１６】
請求項１４に記載の鉄道設備モニタリングシステムにおいて、
前記カメラ回転保持部は、前記対象物抽出部により生成されたパンタグラフを抽出し他と識別可能な画像におけるパンタグラフに対応する画素の形状と前記ステレオカメラにより撮像されたパンタグラフの画像とを比較し、前記パンタグラフの画像に対する前記パンタグラフに対応する画素の形状の類似度が最大となる前記所定の回転角度を前記カメラ回転保持部によるステレオカメラの回転角度として決定することを特徴とする鉄道設備モニタリングシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の鉄道設備モニタリングシステムにおいて、
前記鉄道設備モニタリング装置は、最大となる前記パンタグラフの画像に対する前記パンタグラフに対応する画素の形状の類似度が予め設定された類似度の閾値未満の場合、前記パンタグラフに破損又は欠損が生じていると判定し、前記通信ネットワークを介して前記電子端末に前記パンタグラフに破損又は欠損が生じている可能性を示す警告を送信することを特徴とする鉄道設備モニタリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両設備（以下、鉄道設備と称する）であるパンタグラフを監視する鉄道設備モニタリング装置に係り、特に、ステレオカメラとパンタグラフとの間の距離情報の取得度合いの向上を可能とし得る鉄道設備モニタリング装置及び鉄道設備モニタリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道事業者は、トンネル等の構造物や、架線および線路等の設備の保守に関し、主に監視員等による作業で対応しており、一定のコストを要している。コスト削減に向けた方策として、各種センサやＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）等を用いた低コスト化に向けた取り組みを進めている。取り組みの一例として、電車に設置されているパンタグラフの監視がある（非特許文献１）。非特許文献１では、パンタグラフ監視に関し、パンタグラフを撮像可能な２つのカメラの光軸を非平行とした状態で鉄道車両上部に設置し、パンタグラフを含めた画像の取得後、パターンマッチングを用いてパンタグラフを検出する。しかし、パンタグラフに加えて鉄道設備（架線）も監視対象であり、監視員に見易い「パンタグラフのみ抽出した画像」は提供されない。また、パターンマッチングの実行により、計算時間は一般的に増大する。  
パターンマッチングを用いない鉄道設備等の検出に関し、鉄道検測車の先頭車両上部に搭載の設置高が等しい２つのカメラの光軸を平行にした上で、三角測量に基づくステレオ法で鉄道設備等を測距する手法が提案されている（非特許文献２）。非特許文献２では、２つのカメラの中心間を結ぶ線（ベースライン）と平行な鉄道設備の測距が不十分であるため、不完全な３次元マップが生成される虞がある。  
このような課題を解決するものとして、例えば特許文献１に記載される技術が提案されている。特許文献１では、ロボットの両眼部分に光軸が平行なカメラを設置し、２つのカメラを用いてステレオ法で測距を行い、ステレオカメラが地面に対し水平状態にあり、カメラと平行な物体や領域に関して十分な測距が出来ない場合、ロボットの首を傾けさせる、すなわち、ステレオカメラをロール角方向に回転させることにより、地面に水平状態のステレオカメラと平行な物体や領域を測距可能とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２００３７７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】庭川ほか、“ステレオ解析手法を用いた九州新幹線のパンタグラフと架線の状態計測、”電気学会論文誌Ｄ、Ｖｏｌ.２７、Ｎｏ.２、ｐｐ.１１８−１２３、２００７
【非特許文献２】深井ほか、“画像処理を用いた建築限界自動測定方法、”鉄道と電気技術、Ｖｏｌ.２７、Ｎｏ.２、ｐｐ.４４−４８、２０１６年２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、ステレオカメラ回転の際、同一の角度（単一の角度）に回転させる。このとき、予め取り付けてあるストッパ位置まで一気に回転させることが適当と記載されている。この理由は、演算を容易にし、測距精度向上を図るためである。ストッパ位置の角度に回転させることで、ロボットの頭部傾斜角度が安定的に維持できることは容易に想到し得るが、単一の回転角度ではカメラ無回転状態にて測距不能であった左右のカメラで撮像された画像内の全ての特徴点を対応付けられない、すなわち、不十分な測距結果に至る可能性がある。  
特許文献１では、単一の回転角度にてステレオカメラにより撮像画像を得るものである。しかしながら、外部環境条件（天候、時間、日射量、昼／夜等）は変化するものであり、外部環境条件の変化により単一の回転角度では測距精度が低下する虞がある。換言すれば、特許文献１では外部環境条件の変化については何ら考慮されていない。
【０００６】
そこで、本発明は、外部環境条件の変化による影響を抑制し、パンタグラフの状態を監視員に見え易く表示し得る鉄道設備モニタリング装置及び鉄道設備モニタリングシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る鉄道設備モニタリング装置は、２つのカメラから構成され、対象物体であるパンタグラフを撮像するステレオカメラと、前記ステレオカメラを回転可能に保持するカメラ回転保持部と、前記ステレオカメラを所定の回転角度毎に変化させ、各回転角度にて得られる撮像画像からパンタグラフの距離画像を生成し、前記パンタグラフの距離画像に基づき前記カメラ回転保持部によるステレオカメラの回転角度を決定する制御演算部と、を備えることを特徴とする。  
また、本発明に係る鉄道設備モニタリングシステムは、鉄道設備モニタリング装置と、運行管理センターを含む地上設備に設置される電子端末と、これらを相互に通信可能に接続する通信ネットワークを備え、前記鉄道設備モニタリング装置は、２つのカメラから構成され、対象物体であるパンタグラフを撮像するステレオカメラと、前記ステレオカメラを回転可能に保持するカメラ回転保持部と、前記ステレオカメラを所定の回転角度毎に変化させ、各回転角度にて得られる撮像画像からパンタグラフの距離画像を生成し、前記パンタグラフの距離画像に基づき前記カメラ回転保持部によるステレオカメラの回転角度を決定する制御演算部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、外部環境条件の変化による影響を抑制し、パンタグラフの状態を監視員に見え易く表示し得る鉄道設備モニタリング装置及び鉄道設備モニタリングシステムを提供することが可能となる。  
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例に係る実施例１の鉄道設備モニタリングシステムの全体概略構成図である。
【図２】図１に示すステレオカメラとパンタグラフとの位置関係、及びパンタグラフ存在範囲を示す概略図である。
【図３】ステレオカメラで撮像されたパンタグラフの原画像の一例を示す図である。
【図４】図１に示すステレオカメラとステレオカメラを搭載するカメラ回転保持部の側面図である。
【図５】図１に示すステレオカメラとステレオカメラを搭載するカメラ回転保持部の正面図である。
【図６】図１に示すステレオ処理部により生成される、パンタグラフの距離データをグレースケールで表現した距離画像の一例を示す図である。
【図７】図１に示す対象物抽出部により生成される、パンタグラフの存在範囲外を距離フィルタでマスク処理したパンタグラフ距離画像の一例を示す図である。
【図８】図１に示す対象物抽出部により、距離フィルタでマスク処理したパンタグラフ距離画像へ２値化処理を施して得られるパンタグラフのシルエット画像の一例を示す図である。
【図９】図１に示す記憶部に格納される、カメラ回転角度と測距可能画素数とを対応付けるデータ構造の一例を示す図である。
【図１０】図１に示す対象物抽出部により、パンタグラフのみが抽出された画像を得る処理の概念図である。
【図１１】図１に示す鉄道設備モニタリング装置により実行される処理フローを示すフローチャートであって、電車起動直後にカメラ回転角度θを最適値に設定するフローチャートである。
【図１２】図１に示す鉄道設備モニタリング装置により実行される処理フローを示すフローチャートであって、走行中に照度が変化した場合にカメラ回転角度θを最適値に変更させるフローチャートである。
【図１３】本発明の他の実施例に係る実施例２の鉄道設備モニタリング装置を構成する記憶部に格納される、カメラ回転角度と、測距可能画素のパンタグラフに対する類似度とを対応付けるデータ構造の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書では、「光軸が平行」且つ「２つのカメラの位置が水平」なステレオカメラを用い、当該ステレオカメラにて撮像された画像からパンタグラフのみの画像の抽出を行う鉄道設備モニタリング装置及び鉄道設備モニタリングシステムを一例として説明するが、ステレオカメラ自体の構成についてはこれに限定されるものではない。  
また、本明細書において「カメラ回転角度の粒度」とは、ステレオカメラを所定の回転角度ずつ回転させ撮像する場合における当該所定の回転角度、換言すれば、回転角度刻みの一つの単位を粒度と称する。  
また、本明細書においては、鉄道設備モニタリング装置が設置される車両を、「電車車両」或いは「列車」と称する場合もある。  
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の鉄道設備モニタリングシステムの全体概略構成図である。図１に示すように、鉄道設備モニタリングシステム１００は、鉄道設備モニタリング装置１、運行管理センター等の地上設備に設置される電子端末２或いはサーバ、及びこれらを相互に通信可能に接続する通信ネットワーク３より構成される。図１では説明の便宜上、一つの鉄道設備モニタリング装置１が通信ネットワーク３を介して電子端末２と通信可能に接続される例を示しているが、詳細後述する鉄道設備モニタリング装置１は１編成を構成する複数の電車車両の各車両に設置されるものであって、また、電子端末２或いはサーバが設置される運行管理センター等の地上設備は、通信ネットワーク３を介して複数編成と相互に通信可能に接続されるものである。なお、通信ネットワーク３は有線であるか無線であるかを問わない。
【００１２】
＜鉄道設備モニタリング装置１の構成＞  
図１に示すように、鉄道設備モニタリング装置１は、「２つのカメラの光軸が平行」且つ「２つのカメラの位置が水平」なステレオカメラ１１、ステレオカメラ１１を搭載し回転可能に保持するカメラ回転保持部１２、制御演算部１０、画像表示部１６、及び入力部１９を備える。また、鉄道設備モニタリング装置１には、外部環境条件（天候、日射量、昼／夜等）を測定するための照度計２０、及び、電車車両の位置情報を計測する位置情報通知モジュール３０が接続されている。ここで、位置情報通知モジュール３０として、例えば、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）が用いられる。  
制御演算部１０は、ステレオカメラ１１で撮像された原画像を入力とする三角測量に基づくステレオ法で測距を施して距離画像を生成するステレオ処理部１３、ステレオ処理部１３による距離画像とステレオカメラ１１で撮像された原画像に基づき対象物であるパンタグラフのみが抽出された画像を生成する対象物抽出部１４、対象物抽出部１４によるパンタグラフのみが抽出された画像を回転補正する回転補正部１５、記憶部１７、及び、通信ネットワーク３を介して電子端末２へ回転補正後のパンタグラフのみが抽出された画像を送信するための通信制御部１８を備える。ステレオ処理部１３、対象物抽出部１４、回転補正部１５、及び通信制御部１８は、例えば、ＣＰＵ等のプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ、ＲＯＭより読み出されたプログラムをプロセッサが実行する過程のデータ等を一時的に格納するＲＡＭ等の記憶装置にて実現される。
【００１３】
図２は、図１に示すステレオカメラ１１とパンタグラフとの位置関係、及びパンタグラフ存在範囲を示す概略図であり、図３は、ステレオカメラで撮像されたパンタグラフの原画像の一例を示す図である。鉄道設備モニタリング装置１は、図２に示すように、ステレオカメラ１１及びステレオカメラ１１を搭載し回転可能に保持するするカメラ回転保持部１２（図２では、図示せず）は、電車車両の上部である屋根構体に設置され、電車車両のパンタグラフ９がトロリ線（図２では、図示せず）に接触している状態を撮像可能にパンタグラフ９に対向し所定の距離だけ離間し設置されている。電車車両のパンタグラフ９がトロリ線に接触している状態では、ステレオカメラ１１は、図３に示すようにパンタグラフ９（図３においても、トロリ線を図示せず）の原画像を取得する。  
なお、鉄道設備モニタリング装置１を構成する、制御演算部１０、画像表示部１６、及び入力部１９は、電車車両の車内に設置されている。
【００１４】
以下、各部の詳細構成について説明する。
【００１５】
［カメラ回転保持部１２］  
図４は、図１に示すステレオカメラ１１とステレオカメラ１１を搭載するカメラ回転保持部１２の側面図である。図４に示すように、カメラ回転保持部１２は、ステレオカメラ１１を搭載可能とするマウント部材１２１、マウント部材１２１に設置されたステレオカメラ１１を後述するベースラインの中心を回転軸としてステレオカメラ１１を所定角度回転させた姿勢で保持する回転制御機構１２２、及び信号線Ｌ３１を介して回転制御機構１２２へ所定の回転角度指令である信号を出力する回転情報記録部１２３を有する。マウント部材１２１は、例えば、ステンレス鋼製であり、ステレオカメラ１１を構成する２つのカメラを水平且つ光軸が平行となるよう収容する図示しない筐体と、例えば、ボルト締結により固定される。回転制御機構１２２は、回転情報記録部１２３からの信号により指定されたロール角方向に、回転制御機構１２２を構成する例えば、図示しないサーボモータ等によりマウント部材１２１を所定の回転角度に回転させ、その姿勢を保持する。また、回転情報記録部１２３は、例えば、ＣＰＵ等のプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ、ＲＯＭより読み出されたプログラムをプロセッサが実行する過程のデータ等を一時的に格納するＲＡＭ等の記憶装置にて実現される。  
図５は、図１に示すステレオカメラ１１とステレオカメラ１１を搭載するカメラ回転保持部１２の正面図である。図５の上図は回転角度θが０°の状態を示している。図５の上図に示すように、右カメラ１１ａ及び左カメラ１１ｂの中心はベースライン（２つのカメラの中心間を結ぶ線）上に位置、すなわち、右カメラ１１ａ及び左カメラ１１ｂは水平に位置し、それぞれの光軸は相互に平行である。なお、パンタグラフ９がトロリ線に接触しているものとした場合、鉄道設備モニタリング装置１の起動直後では、図５の上図に示すように、カメラ回転角度θ＝０°となっている。  
図５の下図は、マウント部材１２１がベースラインの中心を回転軸として時計回りにロール回転角θだけ回転し、保持された状態を示している。このように、マウント部材１２１は、回転制御機構１２２によりベースラインの中心を回転軸として任意のロール回転角方向に回転可能で、ステレオカメラ１１を所定の回転角度θだけ回転させた姿勢で保持される。なお、パンタグラフ９がトロリ線に接触しているものとした場合、鉄道設備モニタリング装置１が起動してから所定時間経過後においては、図５の下図に示すように、カメラ回転角度θ≠０°となる。  
なお、回転情報記録部１２３は、回転制御機構１２２へ信号線Ｌ３１を介して所定の回転角度指令である信号を出力することに加え、少なくともステレオカメラ１１の回転角度毎に詳細後述する測距可能な画素数を記録する機能を有し、当該カメラ回転角度毎に測距可能な画素数を、信号線Ｌ１０（図１）を介して制御演算部１０を構成する記憶部１７の所定の記憶領域に格納する。なお、記憶部１７は、少なくとも１つ以上の記憶媒体にて構成されている。  
また、カメラ回転保持部１２を構成するマウント部材１２１に搭載されるステレオカメラ１１は、所定の周期にて右カメラ１１ａ及び左カメラ１１ｂにて撮像し、撮像した２つの原画像を、図１及び図４に示すように、信号線Ｌ１を介してステレオ処理部１３へ、信号線Ｌ２を介して対象物抽出部１４へ、及び信号線Ｌ８を介してカメラ回転保持部１２を構成する回転情報記録部１２３へ出力する。
【００１６】
［ステレオ処理部１３］  
図１に示すように、制御演算部１０を構成するステレオ処理部１３は、所定の回転角度にて回転させた姿勢にてカメラ回転保持部１２により保持されるステレオカメラ１１により撮像された原画像（ステレオ原画像）を、信号線Ｌ１を介して入力する。そして、ステレオ処理部１３は、入力された原画像（ステレオ原画像）へ三角測量に基づくステレオ法で測距を施して距離画像を生成し、信号線Ｌ３を介して生成した距離画像を対象物抽出部１４へ出力する。ここで距離画像の一例について説明する。図６は、図１に示すステレオ処理部１３により生成される、パンタグラフの距離データをグレースケールで表現した距離画像の一例を示す図である。図６に示すように、距離画像（パンタグラフ距離画像）は、ステレオカメラ１１から近い部分は明るく（輝度が高い）、離れるにつれて暗く（輝度が低い）表示されるグレースケール画像として生成される。図３に示した原画像（パンタグラフ原画像）と比較すると分かるように、グレースケール画像として生成される距離画像（パンタグラフ距離画像）は、上述の図２に示したステレオカメラ１１とパンタグラフ９との間の距離を反映した画像となっている。
【００１７】
ステレオ処理部１３が生成する距離画像について、更に詳細に説明する。２つの水平且つ光軸が平行なステレオカメラ１１（右カメラ１１ａ及び左カメラ１１ｂ）より取得されるそれぞれの画像（ステレオ原画像）には、視差が生ずる。この視差によるずれ量（画像データにおける画素数）に基づき、ステレオカメラ１１と対象物体であるパンタグラフ９との距離が測定される。従って、距離画像（パンタグラフ距離画像）とは、測定された距離の情報を含む画像である。ステレオ処理部１３は、図１に示すように、ステレオカメラ１１より信号線Ｌ１を介して入力される、右カメラ１１ａにより撮像された原画像及び左カメラ１１ｂにより撮像された原画像から特徴点を抽出し、視差計算と称される特徴点の対応付けを行う。ステレオカメラ１１は「２つのカメラ（右カメラ１１ａ及び左カメラ１１ｂ）の位置が水平」かつ「２つのカメラ（右カメラ１１ａ及び左カメラ１１ｂ）の光軸が平行」であるため、特徴点の対応付けでは、右カメラ１１ａにより撮像された原画像及び左カメラ１１ｂにより撮像された原画像における各特徴点画素が存在する水平座標の差（視差）を算出することにより、視差画像が得られる。この視差画像内の各画素値（視差値）とステレオカメラ１１の仕様（ベースライン長、焦点距離）を用いる三角測量の原理に基づき、ステレオカメラ１１の前方に存在する対象物体までの距離を示す距離画像を取得できる。
【００１８】
なお、上述の距離画像（パンタグラフ距離画像）は、グレースケール画像に限られるものではない。例えば、ステレオカメラ１１から近い部分は「赤色」、遠くなるにつれて「青色」又は「黒色」等の色のグラデーションとして表されるカラーグラデーション画像として、距離画像（パンタグラフ距離画像）を生成する構成としても良い。
【００１９】
［対象物抽出部１４］  
図１に示すように、制御演算部１０を構成する対象物抽出部１４は、所望の値を設定可能な対象物体の存在範囲以外をマスクする距離フィルタを、ステレオ処理部１３で生成された距離画像（パンタグラフ距離画像）に適用して対象物体の距離情報が存在する画素の座標を抽出し、対象物体存在領域から構成される２値の対象物存在領域画像（白で存在領域を表現）と信号線Ｌ２を介してステレオカメラ１１より入力される原画像との乗算を実行して対象物体のみが抽出された画像を生成する。
【００２０】
更に詳細に説明すると、対象物抽出部１４は、図１に示すように、信号線Ｌ３を介してステレオ処理部１３から入力された距離画像に対し、図２に示すパンタグラフ９の存在領域以外をマスク処理する距離フィルタ（ｎｅａｒ〜ｆａｒ間の距離情報のみ有効）を適用する。すなわち、「距離フィルタ」とは、図２に示す［ｎｅａｒ］から［ｆａｒ］の奥行きの範囲内の画像データのみを抽出するフィルタである。なお、距離フィルタにおける［ｎｅａｒ］及び［ｆａｒ］の位置は、図１に示す入力部１９を介して適宜所望の値に設定可能であり、設定された距離フィルタにおける［ｎｅａｒ］及び［ｆａｒ］の位置に関する情報は信号線Ｌ１１を介して記憶部１７の所定の記憶領域に格納される。従って、対象物抽出部１４は、距離フィルタを適用する際、図示しない信号線を介して記憶部１７に格納される［ｎｅａｒ］及び［ｆａｒ］の位置に関する情報を読み出す。図７は、図１に示す対象物抽出部１４により生成される、パンタグラフの存在範囲外を距離フィルタでマスク処理したパンタグラフ距離画像の一例を示す図である。対象物抽出部１４が、上述のステレオ処理部１３から入力された距離画像に対し、図２に示すパンタグラフ９の存在領域以外をマスク処理する距離フィルタを適用することで、図７に示すような、ステレオカメラ１１からパンタグラフ９までの距離を示す画素から成る距離フィルタ適用済みの距離画像が得られる。
【００２１】
この後、対象物抽出部１４は、距離フィルタ適用済みの距離画像（図７）へ２値化処理を施すことにより、図８に示すような、パンタグラフ存在領域内の物体のシルエット画像を生成する。ここで２値化処理は、距離フィルタ適用済みの距離画像（距離画像データ）内において、有効な距離値が存在する画素に「１」（白）、有効な距離値が存在しない画素に「０」（黒）を割り当てる。なお、距離値に閾値を設けても良い。  
対象物抽出部１４は、図８に示す２値化処理を施して得られたパンタグラフ存在領域内の物体のシルエット画像を、図１及び図４に示すように信号線Ｌ４を介してカメラ回転保持部１２を構成する回転情報記録部１２３へ出力する。回転情報記録部１２３は、信号線Ｌ４を介して入力されたパンタグラフ存在領域内の物体のシルエット画像内に存在する有効画素（「１」（白）が有効画素で、「０」（黒）が無効画素）を集計し、集計値（測距可能画素数）と対応するカメラ回転角度の情報を、信号線Ｌ１０を介して制御演算部１０の記憶部１７の所定領域に格納される。図９は、図１に示す記憶部１７に格納される、カメラ回転角度と測距可能画素数とを対応付けるデータ構造の一例を示す図である。図９に示すように、記憶部１７は、カメラ回転角度θ［°］と測距可能画素数とを対応付けて（紐づけて）格納する。例えば、「カメラ回転角度θ［°］」が「０」のとき「測距可能画素数」は「６２５」であり、「カメラ回転角度θ［°］」が「１５」のとき「測距可能画素数」は「７７７」であり、「カメラ回転角度θ［°］」が「３０」のとき「測距可能画素数」は「９００」であり、「カメラ回転角度θ［°］」が「４５」のとき「測距可能画素数」は「６２５」である。また、「カメラ回転角度θ［°］」が「６０」のとき「測距可能画素数」は「８８８」であり、「カメラ回転角度θ［°］」が「７５」のとき「測距可能画素数」は「８００」であり、「カメラ回転角度θ［°］」が「９０」のとき「測距可能画素数」は「７００」である。このように、所定の回転角度１５°毎（粒度）にステレオカメラ１１の回転角度を順次変化させた場合の測距可能画素数が紐づけて格納される。なお、仮に外部環境条件に変化がない場合においては、一般的には４５°がステレオカメラ１１の最適なカメラ回転角度となる。しかしながら、実際には外部環境条件の変化に応じて、最適なステレオカメラ１１のカメラ回転角度は、４５°からずれる。そのため、粒度を１５°として、ステレオカメラ１１のカメラ回転角度を変化させ測距可能画素数を集計する構成としている。なお、粒度は１５°に限られるものではなく、例えば粒度を５°に設定しても良い。
【００２２】
図１０は、図１に示す対象物抽出部１４により、パンタグラフ９のみが抽出された画像を得る処理の概念図である。パンタグラフ存在領域内の物体のシルエット画像を生成した後、対象物抽出部１４は、信号線Ｌ２を介して入力されたステレオカメラ１１にて撮像されたパンタグラフ９の原画像（図３）とシルエット画像とを乗算することにより、図１０に示すようにパンタグラフ９のみが抽出された画像を生成する。これは上述のようにシルエット画像では、パンタグラフ９の領域に対応する画素には「１」（白）が割り当てられ、パンタグラフ９以外の領域に対応する画素には「０」（黒）が割り当てられていることから、シルエット画像と原画像とを乗算することによりパンタグラフ９以外の領域に対応する画素が「０」となることから、パンタグラフ９のみが抽出された画像が得られる。対象物抽出部１４は、図１０に示すパンタグラフ９のみが抽出された画像を、回転補正部１５へ信号線Ｌ５を介して出力する。
【００２３】
［回転補正部１５］  
図１に示すように、制御演算部１０を構成する回転補正部１５は、ステレオカメラ１１を所定の回転角度だけ回転させた姿勢で対象物体を撮像した場合、対象物体のみ抽出された画像に対して、撮像時におけるステレオカメラ１１の回転角度の逆回転補正処理を適用し、ステレオカメラ１１が無回転の状態で撮影した場合と同一姿勢の対象物体のみ抽出された逆回転補正後の画像を生成する。  
具体的には、回転補正部１５は、信号線Ｌ５を介して対象物抽出部１４にて生成されたパンタグラフ９のみが抽出された画像（パンタグラフ抽出画像）を入力すると共に、信号線Ｌ６を介してカメラ回転保持部１２を構成する回転情報記録部１２３よりステレオカメラ１１のカメラ回転角度θを入力する。回転補正部１５は、入力されたカメラ回転角度θがゼロではない場合、当該カメラ回転角度θだけパンタグラフ抽出画像に対し逆回転補正処理を施すことにより、監視員に見易い画像を生成する。ここで、逆回転補正処理として、例えば、アフィン変換等の処理が用いられる。なお、仮に、カメラ回転角度θ＝０の場合、回転補正部１５は、逆回転補正処理を実行しない。  
回転補正部１５は、逆回転補正処理後の画像（逆回転補正後画像）を、信号線Ｌ９を介して記憶部１７の所定の記憶領域に格納すると共に、信号線Ｌ７を介して画像表示部１６及び通信制御部１８へそれぞれ出力する。
【００２４】
［画像表示部１６］  
画像表示部１６は、信号線Ｌ７を介して回転補正部１５より入力された逆回転補正後画像を画面上に表示する。これにより、電車車両の乗務員は、容易にパンタグラフ９の状態を把握することが可能となる。
【００２５】
［通信制御部１８］  
図１に示すように、制御演算部１０を構成する通信制御部１８は、信号線Ｌ７を介して回転補正部１５より入力された逆回転補正後画像を、位置情報通知モジュール３０より得られる当該電車車両の位置情報と共に、通信ネットワーク３を介して、運行管理センター等の地上設備に設置される電子端末２或いはサーバへ送信する。これにより、運行管理センター等の地上設備内の監視員は、容易にパンタグラフ９の状態を把握することが可能となる。
＜鉄道設備モニタリング装置１の動作＞
以下に鉄道設備モニタリング装置１の動作を説明する。特に、環境条件の変化による影響を抑制し得るステレオカメラ１１のカメラ回転角度の最適値の探索処理を含め、鉄道設備モニタリング装置１による全体処理及び動作について説明する。図１１は、図１に示す鉄道設備モニタリング装置１により実行される処理フローを示すフローチャートであって、電車起動直後にカメラ回転角度θを最適値に設定するフローチャートである。  
図１１に示すように、ステップＳ１１では、車庫にて鉄道設備モニタリング装置１を搭載する電車を起動する。  
ステップＳ１２では、鉄道設備モニタリング装置１の起動の際、ステレオカメラ１１のカメラ回転角度θは０°となっている。この状態において、カメラ回転保持部１２を構成する回転情報記録部１２３は、上述のシルエット画像内に存在する有効画素を集計し、集計値を測距可能画素数の最適値の初期値として記録する。
【００２６】
ステップＳ１３では、カメラ回転保持部１２を構成する回転情報記録部１２３は、所定のカメラ回転角度（ここでは、＋１５°）だけロール角方向にマウント部材１２１を回転させるための信号を、信号線Ｌ３１を介してカメラ回転保持部１２を構成する回転制御機構１２２へ出力する。そして、回転情報記録部１２３は、上述のシルエット画像内に存在する有効画素を集計し、集計値を測距可能画素数としてカメラ回転角度θと対応付けて記録すると共に、信号線Ｌ１０を介して制御演算部１０の記憶部１７の所定の記憶領域に格納する。また、回転情報記録部１２３は、信号線Ｌ６を介して回転補正部１５へカメラ回転角度θを出力する。
【００２７】
ステップＳ１４では、カメラ回転角度θが９０°に達したか否かを判定し、９０°に達していない場合にはステップＳ１３に戻り更に所定のカメラ回転角度（１５°）を加算し同様の処理を繰り返す。一方、カメラ回転角度θが９０°に達した場合ステップＳ１５に進む。  
ステップＳ１５では、回転情報記録部１２３は、集計値である測距可能画素数が最大となるカメラ回転角度θを決定する。そして、回転情報記録部１２３は、最適値（測距可能画素数が最大）に基づくステレオカメラ１１のカメラ回転角度θを決定した後、集計値（測距可能画素数）が最大となるカメラ回転角度θにマウント部材１２１を保持させるための信号を、回転制御機構１２２へ信号線Ｌ３１を介して出力する。
【００２８】
ステップＳ１６では、回転制御機構１２２は、信号線Ｌ３１を介して回転情報記録部１２３より入力されるステップＳ１５にて決定されたカメラ回転角度θとなるようロール角方向にマウント部材１２１を回転させステレオカメラ１１の姿勢を保持する。このとき、図１に示す照度計２０による計測値を走行照度値として記憶部１７に格納する。
【００２９】
ステップＳ１８では、車庫を出発した電車は始発駅に移動し後述するステップＳ２１へ進む。  
図１２は、図１に示す鉄道設備モニタリング装置１により実行される処理フローを示すフローチャートであって、走行中に照度が変化した場合にカメラ回転角度θを最適値に変更させるフローチャートである。以下では、図１１の処理フローにより、駅を出発した電車のカメラ回転角度θの変更について説明する。  
図１２に示すように、ステップＳ２１では、車庫を出発し始発駅に到着した電車は走行を開始する。
【００３０】
ステップＳ２２では、図１に示す照度計２０による計測値である走行照度値が、一定時間以上の間、所定値以上乖離するか否かを判定する。判定の結果、乖離しない場合にはステップＳ２５へ進み走行を継続する。一方、判定の結果、走行照度値が所定値以上乖離する場合はステップＳ２３へ進む。
【００３１】
ステップＳ２３では、図１に示す位置情報通知モジュール３０が示す位置情報に基づいてトンネルや地下、跨線橋を走行しているか否かを判定する。判定の結果、トンネルや地下、跨線橋を走行している場合には、ステップＳ２４へ進み、電車のステレオカメラ１１のカメラ回転角度θを変更することなくステップＳ２５へ進み走行を継続する。ここで、ステレオカメラ１１のカメラ回転角度θを変更しない理由は、電車がトンネルや地下を走行中にパンタグラフ９がトロリ線から離間した場合、アーク（火花の発生）が撮像可能であり、アークの記録によりトロリ線を保守すべき区間であることを判定できるためである。一方、トンネルや地下、跨線橋を走行していない場合にはステップＳ２６へ進む。
【００３２】
ステップＳ２６では、電車走行を継続しながら、図１１に示した上述のステップＳ１２〜ステップＳ１６を実行する。  
ステップＳ２７では、制御演算部１０を構成する記憶部１７に格納された走行照度値を更新し、ステップＳ２２へと戻り、同様の処理を繰り返し実行する。  
鉄道設備モニタリング装置１が、上述の図１１及び図１２の処理フローを実行することにより、外部環境条件（天候、時間、日射量、昼／夜等）の変化に応じて、最適なステレオカメラ１１のカメラ回転角度θを決定することが可能となり、外部環境条件の変化による影響を抑制し、パンタグラフ９の状態を監視員に見え易く表示することが可能となる。
【００３３】
以上のとおり本実施例によれば、外部環境条件の変化による影響を抑制し、パンタグラフの状態を監視員に見え易く表示し得る鉄道設備モニタリング装置及び鉄道設備モニタリングシステムを提供することが可能となる。
【実施例２】
【００３４】
図１３は、本発明の他の実施例に係る実施例２の鉄道設備モニタリング装置を構成する記憶部に格納される、カメラ回転角度と、測距可能画素のパンタグラフに対する類似度とを対応付けるデータ構造の一例を示す図である。鉄道設備モニタリングシステム１００及び鉄道設備モニタリング装置１の構成自体は上述の実施例１と同様であるが、制御演算部１０を構成する記憶部１７に格納されるデータ構造、及びカメラ回転保持部１２を構成する回転情報記録部１２３の処理内容が実施例１と異なる。以下では実施例１と異なる点について説明する。
【００３５】
本実施例におけるカメラ回転保持部１２を構成する回転情報記録部１２３（図４）は、号線Ｌ４を介して入力された制御演算部１０を構成する対象物抽出部１４により生成されたパンタグラフ存在領域内の物体のシルエット画像内に存在する有効画素の集計を行うことに代えて以下の処理を実行する。  
本実施例の回転情報記録部１２３は、信号線Ｌ４を介して入力された制御演算部１０を構成する対象物抽出部１４により生成されたパンタグラフ存在領域内の物体のシルエット画像内に存在する有効画素の形状、すなわち、シルエット画像内のパンタグラフ９の形状と、図１及び図４に示す信号線Ｌ８を介してステレオカメラ１１より入力される図３に示すパンタグラフ９の原画像（カメラ回転角度θ＝０で撮像された原画像）の形状とを比較する。比較の結果、パンタグラフ９の原画像に対するシルエット画像内に存在する有効画素の形状の類似度が最大となるカメラ回転角度θを、ステレオカメラ１１の最適なカメラ回転角度θとして決定する。換言すれば、回転情報記録部１２３は、カメラ回転角度θが０°のときのステレオカメラ１１にて撮像されたパンタグラフ９の原画像をテンプレートとし、各カメラ回転角度にて得られるシルエット画像内のパンタグラフ９の形状に対しパターンマッチング処理を実行し、パンタグラフに対する類似度をカメラ回転角度毎に求める。求めたカメラ回転角度毎のパンタグラフに対する類似度は、図１に示す信号線Ｌ１０を介して記憶部１７の所定の記憶領域に格納される。
【００３６】
図１３に示すように、記憶部１７は、カメラ回転角度θ［°］とパンタグラフに対する類似度とを対応付けて（紐づけて）格納する。例えば、「カメラ回転角度θ［°］」が「０」のとき「パンタグラフに対する類似度」は「０．６２５」であり、「カメラ回転角度θ［°］」が「１５」のとき「パンタグラフに対する類似度」は「０．７７７」であり、「カメラ回転角度θ［°］」が「３０」のとき「パンタグラフに対する類似度」は「０．９」であり、「カメラ回転角度θ［°］」が「４５」のとき「パンタグラフに対する類似度」は「０．９２」である。また、「カメラ回転角度θ［°］」が「６０」のとき「パンタグラフに対する類似度」は「０．８５」であり、「カメラ回転角度θ［°］」が「７５」のとき「パンタグラフに対する類似度」は「０．８」であり、「カメラ回転角度θ［°］」が「９０」のとき「パンタグラフに対する類似度」は「０．７」である。このように、所定の回転角度１５°毎（粒度）にステレオカメラ１１の回転角度を順次変化させた場合のパンタグラフに対する類似度が紐づけて格納される。
【００３７】
なお、本実施例の鉄道設備モニタリング装置１の動作は、上述の実施例１にて説明した図１１における処理ステップにおいて、「測距可能画素数」を「パンタグラフに対する類似度」に置き換えて同様に実行される。また、上述の実施例１にて説明した図１２についても同様である。
【００３８】
なお、予め類似度の閾値を設定し、上述の回転情報記録部１２３によるパターンマッチング処理の結果、得られた最大の「パンタグラフに対する類似度」が閾値未満であった場合、対象物体であるパンタグラフ９に破損或いは欠損が生じていると判定し、鉄道設備モニタリング装置１を構成する制御演算部１０内の通信制御部１８は、信号線Ｌ７を介して回転補正部１５より入力された逆回転補正後画像を、位置情報通知モジュール３０より得られる当該電車車両の位置情報と共に、通信ネットワーク３を介して、運行管理センター等の地上設備に設置される電子端末２或いはサーバへ送信すると共に、パンタグラフ９に破損或いは、欠損が生じている可能性がある旨の警告（メッセージ又はアラート）を地上運行管理センター等の地上設備に設置される電子端末２へ送信する。監視員は、当該警告により、電子端末１２の画面上に表示されるパンタグラフ９の逆回転補正後画像を目視により確認することで、部品交換の必要性の判断、或いは、交換部品の準備とメンテナンス作業を行う作業員の手配等、迅速に対応することが可能となる。  
なお、本実施例では、カメラ回転角度θが０°のときのステレオカメラ１１にて撮像されたパンタグラフ９の原画像をテンプレートとしたがこれに限られるものではない。例えば、予め電車車両の屋根構体に設置される新品のパンタグラフ９を、所定のカメラ回転角度θ（例えば、１５°）間隔にて順次ステレオカメラ１１のカメラ回転角度を変化させ、ステレオカメラ１１により撮像されたパンタグラフ９の原画像を、所定のカメラ回転角度θ毎のテンプレートとして用いても良い。この場合、所定のカメラ回転角度θ毎にテンプレートを対応付けて予め記憶部１７に格納しておくことで、車両が運行中におけるステレオカメラ１１のカメラ回転角度θに対応するテンプレートを記憶部１７より読み出すことで、パターンマッチング処理が実行される。
【００３９】
以上の通り本実施例によれば、実施例１の効果に加え、対象物体であるパンタグラフ９の破損或いは欠損の有無を、運行管理センター等の地上設備にて迅速に把握することが可能となり、前もって部品交換の手配或いはメンテナンススケジュール（作業員のアサイン等）の作成が可能となる。また、これまでは、所定の数か月ごとのメンテナンス作業（部品交換等）であったものが、対象物体であるパンタグラフ９の破損或いは欠損が生じた場合にのみ、メンテナンス作業（部品交換）を行う形態とすることが可能となり、保守におけるコストの低減が可能となる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１…鉄道設備モニタリング装置
２…電子端末
３…通信ネットワーク
９…パンタグラフ
１０…制御演算部
１１…ステレオカメラ
１１ａ…右カメラ
１１ｂ…左カメラ
１２…カメラ回転保持部
１３…ステレオ処理部
１４…対象物抽出部
１５…回転補正部
１６…画像表示部
１７…記憶部
１８…通信制御部
１９…入力部
２０…照度計
３０…位置情報通知モジュール
１００…鉄道設備モニタリングシステム
１２１…マウント部材
１２２…回転制御機構
１２３…回転情報記録部
【図１】
2019039850.tif 000003
【図２】
2019039850.tif 000004
【図３】
2019039850.tif 000005
【図４】
2019039850.tif 000006
【図５】
2019039850.tif 000007
【図６】
2019039850.tif 000008
【図７】
2019039850.tif 000009
【図８】
2019039850.tif 000010
【図９】
2019039850.tif 000011
【図１０】
2019039850.tif 000012
【図１１】
2019039850.tif 000013
【図１２】
2019039850.tif 000014
【図１３】
2019039850.tif 000015