(57)【要約】【課題】ステレオカメラによる雲の画像から広範囲の雲底高度分布を短時間で計測し、時間差画像から雲の移動速度や風速を求める方法を提案する。【解決手段】ステレオカメラ用の２台のカメラの設置位置の標高、経度および緯度が明らかで、そのカメラの画像について、撮影時刻、天頂位置、方位角および天頂角が解読できる設定であって、（１）カメラで同時刻に撮影された共通の被写体の雲の各カメラによる各画像から該被写体の方位角および天頂角を読み出し、（２）被写体の雲の高度を仮定して、（３）撮影した画像について、各カメラの設置位置と方位角および天頂角から雲の経度および緯度を求め、（４）雲の経度および緯度が、各カメラ画像について許容範囲での一致が確認されるまで、新たに高度を仮定して上記（３）の処理を行う。ここで用いるカメラは、撮影した星の座標を基に校正した方位角および天頂角を出力する。【選択図】図２
2019060754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基線の両端に設けられた一対の広角カメラを天頂方向に向けたステレオカメラによる光学画像から、被写体の雲の位置や移動速度を計測する方法であって、
上記広角カメラの設置位置の標高、経度および緯度が明らかであり、
上記広角カメラから出力される画像について、撮影時刻、天頂位置、方位角および天頂角が解読できる設定がなされたものであり、
（１）上記ステレオカメラで同時刻に撮影された共通の被写体の各広角カメラによる各画像から該被写体の方位角および天頂角を読み出し、
（２）上記被写体の高度を仮定して、
（３）上記の各画像について、各広角カメラの上記設置位置と上記方位角および天頂角から上記被写体の経度および緯度を求め、
（４）上記被写体の経度および緯度が、各画像について所定の許容範囲での一致が確認されるまで、新たに高度を仮定して上記（３）の処理を行う、
ことを含むことを特徴とする、光学画像を用いた雲の高度の計測方法。
【請求項２】
上記（４）における所定範囲での一致は、上記（３）で求められた被写体の経度および緯度を含む位置にある所定のサイズの各広角カメラの画像についての相互相関係数のピークを与えるズレの値が上記所定範囲内のあるものであることを特徴とする請求項１に記載の、光学画像を用いた雲の高度の計測方法。
【請求項３】
上記各広角カメラは、撮影した星の座標を基に校正した方位角および天頂角を出力するものであることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の、光学画像を用いた雲の高度の計測方法。
【請求項４】
上記（４）において各画像について所定の許容範囲での一致を確認する方法は、
地心を中心とし上記（２）の高度までを半径とする球に、
各広角カメラの上記設置位置と上記方位角および天頂角、および上記（２）の高度から求めた上記被写体の経度および緯度位置を、投影し、
上記球面での上記被写体の経度および緯度位置が所定の誤差内で一致するまで上記高度を調整するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の、光学画像を用いた雲の高度の計測方法。
【請求項５】
請求項１から４に記載のいずれか１つの光学画像を用いた雲の高度の計測方法を適用して上記被写体の位置である高度、経度および緯度の計測を時間差で行い、上記被写体の位置の時間差から雲の移動速度を求め、この移動速度を風速とするものであることを特徴とする、光学画像を用いた風速の計測方法。
【請求項６】
上記画像を複数の小区域に区切り、それぞれの小区域ごとに、
（１）雲の高度を求めて、雲の高度の２次元分布を計測するか、または、
（２）雲の高度、経度および緯度の２次元分布の計測を時間差を設けて行い、上記雲の高度、経度および緯度の時間差から雲の移動速度を求め、この移動速度を風速とする計測を行うことで風速の２次元分布を計測する、
ことを特徴とする請求項１から４に記載のいずれか１つの、光学画像を用いた雲の高度の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一対の広角カメラを用いたステレオカメラによる光学画像を用いて、雲の地上高と雲の風速を計測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
雲の底面の高さ（雲底高度）は、気象学的に重要なパラメータであるとともに、航空機の離発着においても必要な情報である。現在、雲底高度の標準的な観測手段としてはシーロメータという装置がある。シーロメータは、例えば特許文献１（特表２００７−５３８２４５号公報）に開示されたライダー（ＬＩＤＡＲ）の一種で、レーザー光などの強力な光を上空に射出し、雲底で散乱して戻って来るまでの時間等から高度を計測する。しかし、基本的に上空１点のみの雲底高度を計測するため、全天の同時測定には不向きであり、また装置は複雑で高価である。これに対して、本発明は、広い範囲の雲底高度の分布を、より安価な光学カメラで計測するものである。
【０００３】
一方、２台のカメラで撮られた画像を用いて、被写体の対象物までの距離を計測する技術としては、例えば特許文献２（特開平１０−２６７６１８号公報）に開示された距離計測装置がある。これはステレオカメラを用いたもので、一対のカメラの視差情報から対象物までの距離を計測するものである。この計測に当たっては、その一対のカメラによる画像のデジタル信号上の視差を検出するために一対の画像の相関をとり、その視差と上記カメラの位置関係から対象物までの距離を計測する。また、所定の間隔でその計測を行う事で、対象物の移動速度を算出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５３８２４５号公報
【特許文献２】特開平１０−２６７６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
２台の天頂に向けた広角カメラで撮像された雲の画像について、その視野にある雲の雲底高度分布を精度よく求めることで、広範囲の雲底高度分布を短時間で計測する。また風速の計測のために、その画像の時間差分から、対象となる雲の移動速度を求める。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光学画像を用いた雲の高度の計測方法は、
所定の基線の両端に設けられた一対の広角カメラを天頂方向に向けたステレオカメラによる光学画像から、被写体の雲の位置や移動速度を計測する方法であって、
上記広角カメラの設置位置の標高、経度および緯度が明らかであり、
上記広角カメラから出力される画像について、撮影時刻、天頂位置、方位角および天頂角が解読できる設定がなされたものであり、
（１）上記ステレオカメラで同時刻に撮影された共通の被写体の各広角カメラによる各画像から該被写体の方位角および天頂角を読み出し、
（２）上記被写体の高度を仮定して、
（３）上記の各画像について、各広角カメラの上記設置位置と上記方位角および天頂角から上記被写体の経度および緯度を求め、
（４）上記被写体の経度および緯度が、各画像について所定の許容範囲での一致が確認されるまで、新たに高度を仮定して上記（３）の処理を行う、
ことを含むことを特徴とする。
【０００７】
また、上記（４）における所定範囲での一致は、上記（３）で求められた被写体の経度および緯度を含む位置にある所定のサイズの各広角カメラの画像についての相互相関係数のピークを与えるズレの値が上記所定範囲内のあるものであることを特徴とする。
【０００８】
また、上記各広角カメラは、撮影した星の座標を基に校正した方位角および天頂角を出力するものであることを特徴とする。
【０００９】
また、上記（４）において各画像について所定の許容範囲での一致を確認する方法は、
地心を中心とし上記（２）の高度までを半径とする球に、
各広角カメラの上記設置位置と上記方位角および天頂角、および上記（２）の高度から求めた上記被写体の経度および緯度位置を、投影し、
上記球面での上記被写体の経度および緯度位置が所定の誤差内で一致するまで上記高度を調整するものであることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光学画像を用いた風速の計測方法は、上記被写体の位置である高度、経度および緯度の計測を時間差で行い、上記被写体の位置の時間差から雲の移動速度を求め、この移動速度を風速とするものであることを特徴とする。
【００１１】
また、上記画像を複数の小区域に区切り、それぞれの小区域ごとに、
（１）雲の高度を求めて、雲の高度の２次元分布を計測するか、または、
（２）雲の高度、経度および緯度の２次元分布の計測を時間差を設けて行い、上記雲の高度、経度および緯度の時間差から雲の移動速度を求め、この移動速度を風速とする計測を行うことで風速の２次元分布を計測する、
ことを特徴とする。
【００１２】
また、広角カメラの組み合わせを変えて２組のステレオカメラを構成可能な３台の広角カメラを含み、１つの組のステレオカメラの基線は、他の組のその基線よりも短いことを特徴とするものであってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、２台の天頂に向けた広角カメラで撮像された雲の画像について、その視野にある雲の雲底高度分布を精度よく求めるものであり、広範囲の雲底高度分布を短時間で計測することができる。また、その画像の時間差分から、対象となる雲の速度を求めることから、広範囲の風の速度の計測も短時間で行うことができる。また、本発明は、広い範囲の雲底高度の分布を、受動的に方法で計測するものであるため、他に及ぼす悪影響がない計測方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適応する装置例を示す図である。基本的に、２台の広角カメラシステムを用いたステレオカメラで雲底の計測を行う。
【図２】超広角カメラを真上に向けた撮影で得られる画像を示す図で、その中心が天頂にほぼ一致し、画像上の位置が画像の中心（≒天頂）から離れるにしたがって天頂角が大きくなるが、広角カメラの場合、中心からの距離と天頂角とは比例関係からずれている。
【図３】レンズの歪みを星の経緯度から補正する際に用いる変数を示す図である。
【図４】レンズの歪み例を示す図で、天頂角に対する中心からの距離が線形関係からずれていることを示す。
【図５】（ａ）は、対象となる雲について、観測点からの距離Ｃ（これに対応する地球中心角γ）を三角関数の正弦定理を用いて計算するための、雲と観測点と地球の中心とを結ぶ三角形を示す図であり、（ｂ）は、対象となる雲の緯度ξＣ、経度ζＣを球面三角法の余弦定理と正弦定理を用いて計算するための、北極点と雲と投影観測点とを結ぶ球面上の三角形を示す図である。
【図６】本発明の方法で雲底高度を導出した結果（黒丸）と、シーロメータによるレーザー光の散乱高度の計測結果（濃淡帯）と、の比較を示す図である。この際、上記の様に雲底高度の仮定を少しずつ変えながら緯度経度座標上にマッピングして雲の画像の相互相関を最大にする雲底高度を求めるという手法を用いた。観測装置は、情報通信研究機構（東京都小金井市貫井北町４−２−１）６号館屋上とそこから約２５０ｍ離れた棟の屋上に設置した。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
先ず、本発明を適用する装置について以下に説明する。
本発明は、一対の広角カメラを天頂に向けたステレオカメラによる光学画像から、雲底部の地上高の計測を行い、時間差を置いた上記と同様の光学画像から雲底での風速を計測する方法に関するものであり、本発明を適応する装置例を図１に示す。この例においては、広角カメラ１をコントローラ２で制御した広角カメラシステムの３台（４ａ、４ｂ、４ｃ）をネットワーク３に接続した構成としている。基本的には、２台の広角カメラシステムを用いたステレオカメラで雲底の計測を行うが、２台の広角カメラ間の基線の長さが異なる設定、つまり広角カメラシステム４ａ−４ｃ間の基線長をＬ１、４ａ−４ｂ間のそれをＬ２（Ｌ１＞Ｌ２）とする場合のための３台のカメラを用いる例を示す。また、各カメラシステム４ａ、４ｂ、４ｃは、直線状に整列させる必要は無く、折れ線状であってもよい。
【００１６】
広角カメラとしては、画角が６０度以上の物でよいが、画角が８０度以上の超広角カメラや、１６０度以上の画角で天球が収まるものは、さらに望ましい。また、上記基線長としては、通常の雲底高度の場合は、例えば２００から３００ｍであり、低い雲底の場合は、例えば５０から１００ｍにすることができる。
【００１７】
また、上記ネットワーク３を介して撮像データを回収し、コンピュータによって下記の手順を適用して雲底高度を求める。また、撮像画像の時間的差分を求めることで、雲底の移動距離と変化高度を得て、雲底の速度を導出する。
【００１８】
本発明を実際に用いる際に、解決が必要となる技術的課題は、以下のものである。
（１）ステレオカメラとして広角カメラを用いる場合、そのカメラレンズの歪みが無視できない。
（２）雲の輪郭は一般に曖昧であり、一面に広がった雲は、特定箇所の同定が困難である。
（３）広範囲の雲底の高度分布を同時に計測できるようにする。従来の方法では、この様に広範囲の雲底の高度分布を同時に計測することは困難である。
【実施例１】
【００１９】
以下に、上記の技術的課題（１）から（４）を解決する方法を、順に（イ）から（ニ）に示す。
【００２０】
（イ）雲底高度計測に特化した超広角カメラレンズのゆがみ補正
本発明においては、上記の様に超広角カメラを真上に向けて設置して撮影する。この撮影で得られる画像の中心が天頂にほぼ一致し、概略では画像上の位置が画像の中心（≒天頂）から離れるにしたがって天頂角が大きくなるということになる（図２）。
【００２１】
一般に、ステレオ画像から正確な距離を導くには、歪（ゆがみ）の無い画像が必要であることが知られている。雲底高度導出の際にも、歪みの無い画像が必要であり、そのためにはレンズのゆがみ補正が必要である。
また、撮影した画像における天頂の正確な位置、画像の方位（北からの回転角）φ、並びに画像上の天頂からの距離ｒと天頂角θの関係式を求める必要がある。
本発明においては、これらの値を夜間の晴天時に画像中に写る星を使って、以下の方法により導出する。
【００２２】
ここで知りたい未知数は、以下の４つで、図３を参照して説明する。
（ａ）画像中の天頂の位置（ｘｚ，ｙｚ）：天頂は画像中心にほぼ一致する、とはいえ、僅かにずれた位置にある。画像中心の位置を（ｘｍ，ｙｍ）とすると、ｘｚ＝ｘｍ＋δｘ、ｙｚ＝ｙｍ＋δｙ（δは微小量）と表すこともできる。
（ｂ）画像の方位（北からの回転角）φ。
（ｃ）画像上の天頂からの距離ｒと天頂角θの関係式：第一次近似として、ｒ＝ａθと表すことができ、この場合、未知数は比例係数のａである。
【００２３】
これらの未知数の求め方を以下に示す。
撮影された星Ａの画像中の位置（ｘＡ，ｙＡ）は画像から読み取ることができる。また、画像の撮影時刻、撮影場所における星Ａの天頂角θＡ、方位角φＡは天文学上の計算で得られ、既知である。同様に別の星Ｂについても、位置（ｘＢ，ｙＢ）は画像から読み取ることができ、天頂角θＢ、方位角φＢは既知である。この時、これらの値の間には、余弦定理により以下の関係が成り立つ（図３参照）。
【００２４】
【数１】
2019060754.tif 000003
【００２５】
この関係によりａは以下のように求まる。
【００２６】
【数２】
2019060754.tif 000004
【００２７】
また、上記の余弦定理の他に、幾何学的な関係から以下の式も得られる。
【００２８】
【数３】
2019060754.tif 000005
【００２９】
これらの関係式より、２つの星の撮影画像の位置から、４つの未知数（ａ、ｘｚ、ｙｚ、φ）を求めることができる。また、多数の星のペアからこれら４つの未知数を求め、平均を取ることにより、より正確に天頂の位置や画像の方位等を導出することもできる。
【００３０】
次に、天頂角の異なる多数の星の位置（ｘｎ，ｙｎ）を読み取り、天頂の位置（ｘｚ，ｙｚ）からの距離ｒｎを計算し、それぞれの星の天頂角θｎとの関係をプロットし、これに関数（例えば高次多項式）をフィッティングすると、画像上の天頂からの距離ｒと天頂角θの関係式を求めることができる。この際、レンズのゆがみ補正式を用いることにより、画像中の各点について観測点からの方位φと天頂角θを正確に求めることができる。上記では近似的にｒ＝ａθとおいたが、実際は図４に示すように比例関係からのずれがあり、経験上３次式の多項式を用いると、充分に上記距離ｒと天頂角θの関係を表すことができる。また、さらに高次の多項式を用いることも容易にできる。
【００３１】
（ロ）境界の曖昧な雲までの距離の計測
上記（イ）の方法で導出した画像の方位やレンズのゆがみ補正式を用いることにより、画像中の各点について観測点から見た方位φと天頂角θを充分正確に求めることができる。充分正確な上記天頂角が分かると、画像に雲の映像があるとき、その雲底高度ｈを仮定すれば、その雲について観測点からの距離Ｃ（これに対応する地球中心角γ）が、雲と観測点と地球の中心とを結ぶ三角形で、三角関数の正弦定理を用いて以下の式で計算できる（図５（ａ）参照）。この式においてｈｏは観測点の標高である。
【００３２】
【数４】
2019060754.tif 000006
【００３３】
すると、北極点と雲と投影観測点とを結ぶ球面上の三角形について、球面三角法の余弦定理と正弦定理を用いて、その雲の緯度ξＣ、経度ζＣが以下の式から計算できる（図５（ｂ）参照）。ここで投影観測点は、観測点の高さを雲の高さに投影した点である。この様に、雲底高度を仮定すれば、その雲を緯度経度座標にマッピングすることができる。
【００３４】
【数５】
2019060754.tif 000007
【００３５】
異なる場所に設置された２台のカメラ（ステレオカメラ）で同時に撮影された２つの画像に同じ雲が写っていた場合、２台のカメラの設置場所（緯度、経度、標高）が既知であり、また、正しい雲底高度を仮定すれば、その雲は緯度経度座標上では所定の誤差内の位置、つまり同じ位置、にマッピングされるはずである。この性質を逆に利用すれば、ステレオカメラの画像を用いて雲底高度を導出することができる。この場合、ステレオカメラの基線は水平である必要がない。
【００３６】
具体的には、少なくとも雲の一部が共通に写っている２つの画像を、雲底高度の仮定を少しずつ変えながら緯度経度座標上にマッピングし、２つのマッピングデータの相互相関をとる。この相互相関の出力が最大になる高度が求めるべき雲底高度である。
この際、上記の様に同じ位置にマッピングすることは、任意の球面上に投影した像で行うことができることは明らかである。球面としては、例えば単位半径を持った球の表面である。
【実施例２】
【００３７】
図６に、本発明の方法で雲底高度を導出した結果（黒丸）と、シーロメータによるレーザー光の散乱高度の計測結果（濃淡帯）と、の比較を示す。この際、上記の様に雲底高度の仮定を少しずつ変えながら緯度経度座標上にマッピングして雲のステレオ画像の相互相関を最大にする雲底高度を求めるという手法を用いた。観測装置は、情報通信研究機構（東京都小金井市貫井北町４−２−１）６号館屋上とそこから約２５０ｍ離れた１３８棟屋上に設置した。この比較から、上記のステレオカメラに本発明を適用して得られた雲底高度と、シーロメータの散乱が最大になる高度とがよく一致していることが分かる。
【実施例３】
【００３８】
（ハ）広範囲で雲底高度の分布を同時に計測すること
天頂に向けて設置した超広角カメラで撮影した曇天の画像には、図２のように画面全面に雲が写り込んでいる場合が多い。この時、画像を複数の小区域に区切って、それぞれの小区域ごとに上記（ロ）に記載の手法でそれぞれの雲底高度を導出する。これによって雲底高度の２次元分布を得ることができる。
【実施例４】
【００３９】
（ニ）得られた高度の情報と、前後の画像データから得られる雲の移動ベクトルから風速を導出すること。
高山に懸かる笠雲などを除き、一般に、短時間であれば雲は局所的に形を保ったまま風に流されていくことが知られている。
この雲と風の関係を用いて、上記（ロ）や（ハ）に記載の方法で雲底高度が得られた後、雲底高度測定時に前後して撮影された画像から雲の移動ベクトルを得れば、これから雲の移動速度、すなわち雲底高度における風速・風向（つまり雲の風速・風向）を導出することができる。また、雲底高度についても時間差分を取ることによって、高さ方向への移動速度を得ることが出来る。
【００４０】
上記の説明においては、北半球の場合を念頭において説明したが、北極を南極と読み替えることで、南半球でも同様に本発明を適用できることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
気象観測拠点や空港等において、雲底高度をモニタする装置として利用することなどが可能である。
また、広範囲の雲底の高度分布や風速・風向の分布は、積乱雲などの激しい雨をもたらす雲の発達にも関係する気象要素であり、そのデータを積乱雲の発達予想にも用いることができる。
本発明は、受動的な計測であるが、通常は夜間でも雲は市街光や月明りで照らされているため、市販のカメラで十分観測が可能である。また、雲を何らかの方法で照明することで、測定箇所を指定することができ、その照明部分の計測が容易になる。この照明は、サーチライトやレーザー光でもよい。夜間の照明には、フラッシュランプやパルスレーザーからの光を用いることができる。
【００４２】
また、太陽光がステレオカメラの撮像装置に直接入射することを防止するための装置として、コンピュータ制御の太陽光遮蔽装置が知られている。これは、遮蔽板で太陽光を遮るものである。上記の説明においては、説明を簡単にするために、この遮蔽版は省略しているが、これを考慮に入れることは容易である。
【符号の説明】
【００４３】
１  広角カメラ
２  コントローラ
３  ネットワーク
４ａ、４ｂ、４ｃ  広角カメラシステム
【図１】
2019060754.tif 000008
【図２】
2019060754.tif 000009
【図３】
2019060754.tif 000010
【図４】
2019060754.tif 000011
【図５】
2019060754.tif 000012
【図６】
2019060754.tif 000013