(57)【要約】【課題】簡易に波等の動的な隆起の高さを測定する。【解決手段】測定対象の動的な隆起に正対した視野を有し、視野内の各部の距離情報を取得する３次元光測定手段と、前記３次元光測定手段により取得された距離情報から隆起部分を認識し、認識された隆起部分の３次元空間上の座標から隆起の高さを測定する隆起高測定手段とを備える。【選択図】図１
2015068748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の動的な隆起に正対した視野を有し、視野内の各部の距離情報を取得する３次元光測定手段と、
前記３次元光測定手段により取得された距離情報から隆起部分を認識し、認識された隆起部分の３次元空間上の座標から隆起の高さを測定する隆起高測定手段と
を備えたことを特徴とする動的隆起測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の動的隆起測定装置において、
前記隆起高測定手段は、前記３次元光測定手段により取得された距離情報を視野内で縦方向に微分して上側と下側の変曲点を抽出することで隆起部分の境界を検出し、隆起部分を認識する
ことを特徴とする動的隆起測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の動的隆起測定装置において、
前記隆起高測定手段は、前記変曲点に適合する上側と下側の関数を求め、２つの関数の差の最大値から隆起の高さを算出する
ことを特徴とする動的隆起測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の動的隆起測定装置において、
前記隆起高測定手段は、前記変曲点に適合する上側と下側の関数を求めた後に、前記隆起高測定手段と同方式で多数の隆起を測定した結果に基づく関数の係数と高精度の方式で同対象を測定した結果に基づく関数の係数とを対応付けたデータベースを参照して関数の係数を修正する
ことを特徴とする動的隆起測定装置。
【請求項５】
請求項３または４のいずれか一項に記載の動的隆起測定装置において、
上側の関数の係数または当該係数の時間的な変化から隆起の形状を併せて測定する隆起形状測定手段
を備えたことを特徴とする動的隆起測定装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の動的隆起測定装置において、
前記３次元光測定手段により取得された距離情報から、距離情報の差が所定の範囲内に入り、かつ距離情報の変化速度が所定の範囲内に入る複数の部分から一の部分を選択し、前記隆起高測定手段による測定の対象とする
ことを特徴とする動的隆起測定装置。
【請求項７】
測定対象の動的な隆起に正対した視野を有し、視野内の各部の距離情報を取得する３次元光測定工程と、
前記３次元光測定工程により取得された距離情報から隆起部分を認識し、認識された隆起部分の３次元空間上の座標から隆起の高さを測定する隆起高測定工程と
を備えたことを特徴とする動的隆起測定方法。
【請求項８】
動的隆起測定装置を構成するコンピュータを、
測定対象の動的な隆起に正対した視野を有し、視野内の各部の距離情報を取得する３次元光測定手段、
前記３次元光測定手段により取得された距離情報から隆起部分を認識し、認識された隆起部分の３次元空間上の座標から隆起の高さを測定する隆起高測定手段
として機能させる動的隆起測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波等の動的な隆起の高さを測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
マリンスポーツや海洋観測を目的とした波浪観測装置が提案されている（特許文献１、２等を参照。）。
【０００３】
これらの波浪観測装置は、マイクロ波によるレーダを用いており、大型かつ高価な装置構成を必要としていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来の波浪観測装置は大型かつ高価な装置構成を必要とするため、簡易に利用することが困難であった。
【０００５】
本発明は上記の従来の問題点に鑑み提案されたものであり、その目的とするところは、簡易に波等の動的な隆起の高さを測定することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明にあっては、測定対象の動的な隆起に正対した視野を有し、視野内の各部の距離情報を取得する３次元光測定手段と、前記３次元光測定手段により取得された距離情報から隆起部分を認識し、認識された隆起部分の３次元空間上の座標から隆起の高さを測定する隆起高測定手段とを備えるようにしている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明にあっては、簡易に波等の動的な隆起の高さを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる波測定装置の構成例を示す図である。
【図２】３次元光測定部の構成例を示す図である。
【図３】係数修正用データベースのデータ構造例を示す図である。
【図４】実施形態の処理例を示すフローチャートである。
【図５】座標系の例を示す図である。
【図６】距離画像の例を示す図である。
【図７】距離画像のｙ方向の微分の様子をより詳しく示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の好適な実施形態につき説明する。なお、動的な隆起として海や湖における波を対象とした場合について説明するが、容器内の液面に立つ波や、その他の雪崩や崖崩れ、地滑り等の動的な隆起にも適用できることは言うまでもない。
【００１０】
＜構成＞
図１は本発明の一実施形態にかかる波測定装置１の構成例を示す図である。
【００１１】
図１において、波測定装置１は３次元光測定部１１と測定範囲決定部１２と波高測定部１３と係数修正用データベース１４と波形状測定部１５とを備えている。破線で示した測定範囲決定部１２、係数修正用データベース１４、波形状測定部１５は省略が可能である。
【００１２】
３次元光測定部１１は、測定対象の動的な波に正対した視野を有し、視野内の各部の距離情報を取得する機能を有している。３次元光測定部１１としては、後述するように、ビーム状のスキャン光とその反射光の時間差から視野内の各点における距離情報を取得する方式や、２つの撮像画像の視差から視野内の画像の各点における距離情報を取得する方式等を用いることができる。
【００１３】
測定範囲決定部１２は、３次元光測定部１１の視野内に複数の波が存在する場合に、３次元光測定部１１により取得された距離情報から、距離情報の差が所定の範囲内に入り、かつ距離情報の変化速度が所定の範囲内に入る複数の部分から一の部分を選択し、測定の対象を決定する機能を有している。波に正対した視野の場合、一つの波は横一列になり、ほぼ同じ速度で近づくまたは遠ざかることに対応している。なお、測定範囲決定部１２は、視野内に複数の波が存在しない状況が確保される場合には省略することができる。
【００１４】
波高測定部１３は、測定範囲決定部１２が存在する場合にはその決定された範囲内で、存在しない場合は全範囲内で、３次元光測定部１１により取得された距離情報から波部分を認識し、認識された波部分の３次元空間上の座標から波の高さを測定する機能を有している。波高の算出の手法としては、例えば、３次元光測定部１１により取得された距離情報を視野内で縦方向に微分（偏微分）して上側と下側の変曲点を抽出することで波部分の境界を検出し、波部分を認識する。そして、それらの変曲点に適合（フィット、フィッティング）する上側と下側の関数を求め、２つの関数の差の最大値から波の高さを算出する。変曲点を上側と下側の２つの関数に適合させることにより、測定誤差を丸めることができるとともに、データベースによる係数の修正・補正を容易にすることができる。また、関数の係数を用いて波形状の測定（判定）も行うことができる。
【００１５】
係数修正用データベース１４は、波高測定部１３において関数の修正・補正に用いるためのデータを保持するものである。係数修正用データベース１４は、波高測定部１３と同方式で多数の波を測定した結果に基づく関数の係数と、高精度の方式で同対象を測定した結果に基づく関数の係数とを対応付けたものである。関数の修正を行わない場合、係数修正用データベース１４は省略することができる。
【００１６】
波形状測定部１５は、波の形状（右から崩れる、左から崩れる等）を測定（判定）する機能を有している。波形状測定部１５は、上側の関数の係数または当該係数の時間的な変化から波の形状を測定する。形状の測定を行わない場合、波形状測定部１５は省略することができる。
【００１７】
図２は３次元光測定部１１の構成例を示す図であり、図２（ａ）はスキャン光とその反射光（散乱光を含む）の時間差から視野内の各点における距離情報を取得する方式に対応する構成である。３次元光測定部１１は、ビーム状のスキャン光を所定の視野範囲に照射するスキャン光照射部１１１と、スキャン光の対象物による反射光を受光する反射光受光部１１２と、スキャン光と反射光の時間差から所定の視野範囲の各点における距離情報を取得する距離情報取得部１１３とを備えている。
【００１８】
図２（ｂ）は、２つの撮像画像の視差から視野内の画像の各点における距離情報を取得する方式に対応する３次元光測定部１１の構成である。３次元光測定部１１は、所定の視野範囲を撮像し、所定の距離だけ離間して設けられた２つの撮像部１１４、１１５と、これらの撮像部１１４、１１５により得られた画像の視差から、画像の各点における距離情報を取得する距離情報取得部１１６とを備えている。視野内が撮像する波長帯において充分な明るさをもっている場合には照明部を設ける必要はないが、明るさが不足する可能性がある場合には照明部を設けてもよい。
【００１９】
なお、図２（ａ）（ｂ）の３次元光測定部１１の構成において、水による波を測定対象にする場合、水に反射されやすい性質を有する赤外光を用いることが望ましい。
【００２０】
図３は係数修正用データベース１４のデータ構造例を示す図であり、「修正前の係数群」「修正後の係数群」等の項目（フィールド）を有している。「修正前の係数群」は、波高測定部１３と同方式で多数の波を測定した結果に基づく関数の係数である。「修正後の係数群」は、高精度の方式で同対象を測定した結果に基づく関数の係数である。
【００２１】
＜動作＞
図４は上記の実施形態の処理例を示すフローチャートである。
【００２２】
図４において、先ず、３次元光測定部１１による３次元光測定によって距離画像（x, y, D）を取得する（ステップＳ１）。図５（ａ）はx、y、Dの座標系を示しており、横方向がx、縦方向がy、奥行き方向がDである。図６（ａ）は通常のカメラで撮影した波の画像であり、図６（ｂ）はその場合の距離画像を模式的に示したものである。すなわち、手前の領域Ａは距離が近い浜側の水面に相当する部分、領域Ｂは波の部分、領域Ｃは波の奥の水面および空に相当する部分である。
【００２３】
図４に戻り、測定範囲決定部１２が設けられる場合、測定範囲決定部１２は、距離画像（x, y, D）の差が所定の範囲に入り、かつ距離画像（x, y, D）の変化速度が所定の範囲内に入る複数の部分が存在する場合、そのうちの１つを選択して対象に決定する（ステップＳ２）。選択は、視野の中央部分から優先的に選択する、近いものから優先的に選択する、遠いものから優先的に選択する、ランダムに選択する、等の種々の基準に従って行うことができる。
【００２４】
次いで、波高測定部１３は、距離画像（x, y, D）に対し、xを所定の刻みで変化させつつ、yに対するDの変化である偏微分を計算し、各xについて２つの変曲点を取得する（ステップＳ３）。図６（ｃ）はx=x1においてy方向に偏微分を行うことを概念的に示しており、領域Ｃと領域Ｂの境界と、領域Ｂと領域Ａの境界とで、変曲点が得られる。上側の変曲点は波の上端に対応し、下側の変曲点は波の下端に対応する。
【００２５】
図７は距離画像のｙ方向の微分の様子をより詳しく示す図である。すなわち、あるxにおいて、yの変化により下側から距離がD1、D2、D3、D4と変化するものとすると、距離D2の部分に下側の変曲点が検出され、波の下側の境界であると認識される。また、距離D4の部分に上側の変曲点が検出され（波の背後は無限遠に飽和）、波の上側の境界であると認識される。
【００２６】
図４に戻り、波高測定部１３は、上側の各変曲点の座標（x, y, D）を３次元座標（X, Y, Z）に変換し、３次元上のZ方向に対し上に凸の関数（ｎ（２、４、・・）次の偶数次関数）にフィッティングする（ステップＳ４）。図５（ｂ）はX、Y、Zの座標系を示しており、横方向がX、奥行き方向がY、高さ方向がZである。座標（x, y, D）から座標（X, Y, Z）への変換は、３次元光測定部１１の視野の配置から決まる。
【００２７】
また、フィッティングとは、例えば、２次関数を用いる場合、
Z = aX2 + bX + cY2 + dY + e
を各変曲点でおおむね満たすような係数a、b、c、d、eを求めることである。
【００２８】
次いで、波高測定部１３は、下側の各変曲点の座標（x, y, D）を３次元座標（X, Y, Z）に変換し、３次元上のZ方向に対し下に凸の関数にフィッティングする（ステップＳ５）。
【００２９】
次いで、係数修正用データベース１４が設けられる場合、波高測定部１３は、フィッティングした上側と下側の２つの関数の係数をキーに、係数修正用データベース１４を検索してより適切な係数を取得して置換する（ステップＳ６）。キーとなる係数と正確に同じエントリがない場合、近い値の係数を取得し、線形補間等により修正後の係数を得る。
【００３０】
次いで、波高測定部１３は、上側の変曲点にフィッティングした関数と下側の変曲点にフィッティングした関数の差の最大値を計算し、波の高さに設定する（ステップＳ７）。続けて測定を行う場合、３次元光測定による距離画像（x, y, D）の取得（ステップＳ１）に戻る。
【００３１】
次いで、波の周期が短い場合、その周期を超える期間にわたる測定結果の中から波の高さを決定する（ステップＳ８）。すなわち、複数の測定結果の中から誤検出となるものを除いて、最も大きな値を波高とする。
【００３２】
次いで、波形状測定部１５が設けられる場合、波形状測定部１５は、上側の関数の係数または当該係数の時間的な変化から波の形状を併せて測定（判定）する（ステップＳ９）。上側の関数の係数から形状を求める場合、曲線がなだらかになる側（右側、左側）から波が崩れると判断することができる。また、上側の関数の係数の時間的な変化から、変化の大きい側（右側、左側）から波が崩れると判断することができる。
【００３３】
＜総括＞
以上説明したように、本実施形態によれば、次のような利点がある。
（１）光学式の測定を基本にしているため、簡易に波等の動的な隆起の高さを測定することができる。
（２）距離情報により隆起を正確に認識することができる。
（３）関数へのフィッティングを行うことにより、測定誤差を丸め、誤差の影響を低減することができる。
（４）データベースにより関数の係数を修正することで、測定精度をより高めることができる。
（５）隆起の高さだけでなく、隆起の形状についても併せて測定することができる。
（６）複数の隆起が存在する場合に、その中から一の隆起を混同せずに測定することができる。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の広範な趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更を加えることができることは明らかである。すなわち、具体例の詳細および添付の図面により本発明が限定されるものと解釈してはならない。
【符号の説明】
【００３５】
１                  波測定装置
１１                ３次元光測定部
１１１              スキャン光照射部
１１２              反射光受光部
１１３              距離情報取得部
１１４、１１５      撮像部
１１６              距離情報取得部
１２                測定範囲決定部
１３                波高測定部
１４                係数修正用データベース
１５                波形状測定部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】特開２００５−００３６１１号公報
【特許文献２】特開２００５−１５６１９２号公報
【図１】
2015068748.tif 000003
【図２】
2015068748.tif 000004
【図３】
2015068748.tif 000005
【図４】
2015068748.tif 000006
【図５】
2015068748.tif 000007
【図６】
2015068748.tif 000008
【図７】
2015068748.tif 000009