(57)【要約】【課題】測定対象である管渠内壁面の形状を測定する装置を小型化し、形状測定装置の管渠内への搬入を容易にする。【解決手段】管渠内面形状測定装置５０は、光ビームスキャン手段としてレーザスキャナ９０を、映像蓄積型の撮像手段としてＣＣＤカメラ１００ａを採用して構成される。形状の計測は、距離測定装置の基準面Ｂから管渠１０の内壁面のレーザビームが管渠内壁面上をスキャンして得られる光跡上の点である所定位置Ａまでの距離Ｈａを測定するものである。また、撮像画像上の所定光跡画像座標から撮像系基準位置と壁面までの距離を算出する形状演算ユニット２００を備える。本発明は、ＣＣＤカメラ等の映像蓄積機能と光スキャンとを組み合わせて、連続光によるスリット光の投射と同一機能を実現している。【選択図】　　　図２
2004101190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管渠内面の断面形状を測定する管渠内面形状測定装置において、測定対象である管渠内面の所定断面位置に光ビームを周方向に所定の速度でスキャンする光ビームスキャン手段と、光ビームをスキャンして得られる光跡を蓄積して撮像する光跡撮像手段と、撮像画像上の光跡画像座標から撮像系基準位置と壁面との間の距離を算出する距離算出手段とを備えたことを特徴とする管渠内面形状測定装置。
【請求項２】
前記光跡撮像手段は、全方位ミラーと電荷蓄積型の撮像素子とにより構成されることを特徴とする請求項１記載の管渠内面形状測定装置。
【請求項３】
前記光ビームスキャン手段は、光源としてレーザ光を用いることを特徴とする請求項１または２記載の管渠内面形状測定装置。
【請求項４】
前記距離算出手段は、管渠内面中心軸に対する撮像系基準位置を最小二乗法を用いて推定する手段と、管渠内面中心軸から壁面までの距離を算出する手段とを備えることを特徴とする請求項１、２または３記載の管渠内面形状測定装置。
【請求項５】
管渠内面の断面形状を測定する管渠内面形状測定方法において、測定対象である管渠内面の所定断面位置に光ビームを周方向に所定の速度でスキャンし、光ビームを管渠内面に１周スキャンして得られる光跡を蓄積して撮像し、撮像画像上の光跡画像座標から撮像系基準位置と壁面との間の距離を算出して管渠内面の形状を測定することを特徴とする管渠内面形状測定方法。
【請求項６】
管渠内面の形状測定を、管渠内面周方向の複数点の撮像系基準位置と壁面までの距離データの内、指定した距離データを用いて管渠内面中心軸に対する撮像系基準位置を推定し、管渠内面中心軸に対する管渠内壁面までの距離を算出することを特徴とする請求項５記載の管渠内面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管渠内面形状測定装置及び測定方法に係り、特に、下水道管渠内面の断面形状の測定に用いて好適で、小型の装置で高速かつ高精度の測定を可能とした管渠内面形状測定装置及び測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、下水道管渠の検査は、監視用カメラ等による内壁面の映像監視・記録システムを使用して行われるのが主体であり、内面断面形状を測定して壁面の損傷状態を検査するシステムは未だ知られていない。また、下水道管渠以外の形状計測に光切断法を適用した技術は、種々報告されているが、何れもシート状の連続光をスリット光として測定対象に投射する方法を使用するものであり、装置として大型のものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
下水道管渠内の検査を行う場合、下水が流れている状態で検査する必要があるため、画像検査を行うことによる従来技術の検査システムは、検査装置を搭載した船体を下水の流れに沿って移動させながら検査を実施している。下水道管渠内面の形状を測定する場合も、前述と同様の手法で実現しなければならないことになる。そして、下水道管渠内の検査を実施するためには、測定装置を含む船体の管渠内への搬入が大きな課題となる。
【０００４】
一般に、下水道管渠は、道路の下部に埋設され、約２００ｍ間隔で直径６００ｍｍのマンホールが路面に設置されている。検査システムの搬入は、このマンホールを介してのみ可能である。このため、本発明が対象とする下水道管渠内面の形状測定装置は、測定装置を搭載する船体または移動体及び形状測定装置の小型化が第１の課題となる。
【０００５】
また、下水道管渠は、形状測定対象とする管渠の内面直径が約８００ｍｍ程度から３０００ｍｍにも及んでおり、管渠内面に投射されたスリット光をＣＣＤカメラ等の撮像系で画像を捉えるためには、レーザ光以外の光源を用いると仮定すれば、ｋＷオーダーの高出力の光源が必要となり、形状測定装置の大型化は避けられない。レーザ光源を用いた連続型のスリット光投影装置を構成するとすれば、通常の光源に比べて出力は小さな物を用いることができると想定されるが、下水道管渠内面全周に渡ってスリット光を投影するための光学系の構成が困難となる。さらに、下水道管渠の検査の場合、機器を搬入するマンホールは、通常、人や車の往来する道路上に設置されているため、検査を実施する際、路上の交通遮断が必要となる。このため、検査は主に夜間の交通量の少ない時間帯に実施することを想定した検査システムにする必要がある。また、検査装置を搭載した船体を下水の流れに沿って移動しながら管渠内面の断面形状を測定するとすれば、船体の揺れの速さに比べて充分速い速度で周方向の形状を測定することが要求される。このような観点から、管渠内面形状の測定は、短時間での測定を可能にすることが第２の課題となる。
【０００６】
一方、下水道管渠内へは、各家庭から排出される雑排水が流れ込んだり、管渠の種類によっては雨水が流入するため、下水の水位は季節や時間帯によって変動する。このため、形状測定装置は、管渠に使用されているヒューム管の中心軸からの断面形状を直接測定できるわけではなく、ヒューム管の中心軸から外れた位置から管渠内壁面までの距離を測定することになる。従って、管渠内面の所定断面での中心軸位置の推定とこの推定中心軸から壁面までの距離を精度良く算出する手段を得ることが次の課題となる。
【０００７】
本発明の目的は、前述した従来技術の課題を解決し、測定対象である管渠内壁面の形状測定装置を小型化し、形状測定装置の管渠内への搬入を容易に行うことができ、画像歪の少ない光跡画像を得ることができ、これにより、管渠の損傷程度を定量的に把握して、管渠の寿命予測を行うことを可能とした管渠内面形状測定装置及び測定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば前記目的は、管渠内面の断面形状を測定する管渠内面形状測定装置において、測定対象である管渠内面の所定断面位置に光ビームを周方向に所定の速度でスキャンする光ビームスキャン手段と、光ビームをスキャンして得られる光跡を蓄積して撮像する光跡撮像手段と、撮像画像上の光跡画像座標から撮像系基準位置と壁面との間の距離を算出する距離算出手段とを備えたことにより達成される。
【０００９】
また、前記目的は、管渠内面の断面形状を測定する管渠内面形状測定方法において、測定対象である管渠内面の所定断面位置に光ビームを周方向に所定の速度でスキャンし、光ビームを管渠内面に１周スキャンして得られる光跡を蓄積して撮像し、撮像画像上の光跡画像座標から撮像系基準位置と壁面との間の距離を算出して管渠内面の形状を測定することにより達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による管渠内面形状測定装置及び測定方法の実施形態を図面により詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態による管渠内面形状測定装置を下水道管渠の測定に適用した場合のシステム構成を示す図であり、図１（ａ）は下水道管渠を横から見た図、図１（ｂ）は下水道管渠の軸方向から見た図である。図１において、５ａ、５ｂはマンホール、１０は下水道管渠、１５はワイヤガイド機構、２０は計測船、３０はケーブル、３１はケーブル送り出し機構、３２はワイヤ巻き取り機構、３３は牽引用ワイヤ、４０はデータ処理装置、５０は管渠内面形状測定装置である。
【００１２】
図１に示す本発明の実施形態は、管渠内面形状測定装置５０を計測船２０に搭載して構成したシステムである。管渠内面形状測定装置５０とデータ処理装置４０とは、マンホール５ａ、ケーブル送出し機構３１を介してケーブル３０で接続されている。管渠内面形状測定装置５０で撮像された画像等のデータは、このケーブル３０を介してデータ処理装置４０に送られて処理される。また、計測船２０には、船体の移動速度を制御するための牽引用ワイヤ３３が接続され、その送出しの速度はケーブル送出し機構３１によって制御される。下流側のマンホール５ｂの外部には、ワイヤ巻取り機構３２が設置されており、この巻取り機構３２に接続された牽引用ワイヤ３３は、ケーブル送出し機構３１の送り出し長さに連動して巻き取られるよう構成されている。
【００１３】
図２は管渠内面形状測定装置５０の構成例を示す図であり、図２（ａ）はその側面図、図２（ｂ）はその平面図である。ここに示す管渠内面形状測定装置５０は、光ビームスキャン手段と映像蓄積型撮像手段とを組み合わせて構成した例である。図２において、９０はレーザスキャナ、９２はレーザビーム、１００ａはＣＣＤカメラ、２００は形状演算ユニットであり、他の符号は図１の場合と同一である。
【００１４】
図２に示す管渠内面形状測定装置５０は、光ビームスキャン手段としてレーザスキャナ９０を、映像蓄積型の撮像手段としてＣＣＤカメラ１００ａを採用して構成されている。この例において、ＣＣＤカメラの水平視野角はθｈ、垂直視野角はθｖ、ＣＣＤカメラの光軸１１０と距離測定装置の基準面Ｂとの成す角はゼロで、かつ、ＣＣＤカメラの光軸１１０はレーザビームスキャン面に直交し、ＣＣＤカメラの焦点位置Ｆとレーザ投射面との間隔をＤ、管渠内面の公称直径をＤｐとしている。本発明の実施形態による形状計測は、図２における距離測定装置の基準面Ｂから管渠内壁面の所定位置Ａまでの距離Ｈａを測定するものである。
【００１５】
前述の所定位置Ａは、レーザビームが管渠内壁面上をスキャンして得られる光跡上の点である。ＣＣＤカメラに採用されているＣＣＤ撮像素子は、各画素に入ってくる光を電荷に変換して蓄積する機能があり、スキャンによって移動する光跡を電荷の情報として蓄積することができる。本発明の実施形態は、このＣＣＤカメラ等の映像蓄積機能と光スキャンとを組み合わせて、連続光によるスリット光の投射と同一機能を実現している。
【００１６】
図３は図２に示すＣＣＤカメラの撮像対象面とカメラ撮像素子との関係を説明する図である。図３において、１０２は焦点位置、１０４は撮像素子、１０６はレンズ、１０８は撮像対象面であり、他の符号は図２の場合と同一である。
【００１７】
図３に示すように、撮像面１０８とＣＣＤカメラ１００ａを構成するレンズ１０６、焦点位置１０２、撮像素子（ＣＣＤ）１０４の関係は、撮像面１０８とカメラの視野境界線と焦点位置１０２とにより構成される３角形と、焦点位置１０２と撮像素子１０４とにより構成される３角形とが相似の関係にある。図２に示すレーザスキャナ９０で管渠内面に投射された光跡は、ＣＣＤカメラ１００ａで映像化され、図５により後述するような光跡画像７０として図２に示す形状演算ユニット２００に取り込まれる。
【００１８】
図４は図２に示す形状演算ユニット２００の構成を示すブロック図、図５はＣＣＤカメラで撮像した光跡画像から光跡中心のｘ、ｙ座標を求める過程を説明する図である。図４において、２０５はデジタル信号入力インタフェース部、２１０はアナログ／デジタル変換部、２２０は画像データ記憶部、２３０は光跡座標抽出部、２４０は管渠内面形状演算部、２５０は管渠内面形状表示部である。
【００１９】
形状演算ユニット２００は、図２に示すＣＣＤカメラ１００ａから入力されるアナログ映像信号をデジタル画像に変換するアナログ／デジタル変換部２１０と、変換されたデジタル画像を保存する画像データ記憶部２２０と、保存された画像の各ｘ座標に対する光跡中心ｙ座標を抽出する光跡座標抽出部２３０と、光跡座標抽出部２３０で抽出された光跡座標データを用いて、管渠内面形状を演算する管渠内面形状演算部２４０とにより構成される。そして、演算された管渠内面形状を表示する管渠内面形状表示部２５０が管渠内面形状演算部２４０に接続されている。
【００２０】
なお、図４で示した各部の処理の内、アナログ／デジタル変換部２１０を除き、パーソナルコンピュータのデジタル処理機能を用いて一括して処理をすることが可能である。アナログ／デジタル変換部２１０についても、パーソナルコンピュータのバスに実装できる処理ボードを活用することが可能であり、形状演算ユニット２００全体をパーソナルコンピュータで実現することができる。また、図４のデジタル信号入力インタフェース２０５は、図２の蓄積型撮像系としてデジタルカメラを用いた場合を想定して設けた処理部である。さらに、前述において、形状演算ユニット２００は、計測船２０に搭載されるとして説明したが、この部分を図１のデータ処理装置４０に含めて構成することも可能である。
【００２１】
次に、図５を参照して、光跡画像７０から実際の管渠内壁面の所定位置Ａまでの距離を算出する手順について説明する。但し、ここでは、レンズ系による画像の歪は無いものと仮定する。
【００２２】
レーザ光をスキャンして得られ、画像データ記憶部２２０に保存された光跡画像７０は、レーザ光の光跡７２がデジタル化された濃淡画像として表現されている。一般に、表示される画像は、一般に左上隅を画像アドレス（０、０）とし、右方向にｘ座標、下方向にｙ座標をとって軌跡等の位置が特定される。ここで、画像のｘ座標方向及びｙ座標方向の全画素数を、それぞれ、Ｐｘ及びＰｙとし、図５におけるｘ座標アドレスＸに対応する光跡位置が、管渠内壁面の所定位置Ａに対応しているとものとする。図２（ｂ）に示す所定位置ＡとＣＣＤカメラ１００ａの光軸とが成す角δｘは、図５におけるｘ座標方向の全画素数Ｐｘと点Ａに対応する画素アドレスＸ及びＣＣＤカメラ１００ａの水平方向視野角θｈを用いて、式（１）により算出することができる。
【００２３】
δｘ＝（Ｘ−０．５×Ｐｘ）／Ｐｘ×θｈ　　　……（１）
【００２４】
基準面Ｂから点Ａまでの距離Ｈａは、図２（ｂ）に示すＡ−Ｆの線を含む基準面Ｂに垂直な面とレーザビームをスキャンする面とが交差してできる線上の点Ａまでの距離として、式（２）として示す２つの式により算出することができる。但し、式（２）において、Ｙは図５におけるｘ座標上のＸアドレスでの光跡画像が最大濃度を与えるｙ座標アドレス、Ｄはカメラ焦点位置とレーザビームをスキャンする面との距離である。
【００２５】
δｙ＝（０．５×Ｐｙ−Ｙ）／Ｐｙ×θｖ
Ｈａ＝ｔａｎδｙ×｛Ｄ２＋（ｔａｎδｘ×Ｄ）２｝１／２　　　……（２）
【００２６】
図６は図２に示すレーザスキャナ９０の構成を示す側面図である。図６において、９２はレーザビーム、９４はモータ、９６ａ、９６ｂはミラー、９８はレーザ光源である。
【００２７】
図６に示すように、レーザスキャナ９０は、レーザ光源９８、レーザの方向を変えるためのミラー９６ａ、レーザをスキャンするためのミラー９６ｂ及びミラー９６ｂを回転するためのモータ９４により構成される。このように構成されるレーザスキャナ９０において、レーザ光源９８から出たレーザビームは、角度４５°で設定されたミラー９６ａで直角に曲げられ、回転軸方向に対して４５°の角度で回転軸に固定されたミラー９６ｂの面に入射する。このミラー９６ｂは、モータ９４により回転させられ、これにより、レーザビームは、モータ９４の回転軸を中心とする周方向をスキャンすることができる。このレーザスキャナ９０に用いるレーザ光源９８としては、数１０ｍＷの出力の固体レーザ光源を用いることができるので、レーザスキャナ９０を非常に小型にすることが可能となる。
【００２８】
図２に示したようなシステム構成を持つ前述した本発明の実施形態による管渠内面形状測定装置は、管渠内の気相部壁面にスキャンされるレーザビームの光跡全体を１枚の画像で捉えるために、ＣＣＤカメラ１００ａの水平視野角及び垂直視野角を大きくする必要がある。しかし、カメラに使用する一般のレンズ系は、視野角を大きくすると、画像に歪が発生することが知られており、画像の歪補正が必要となるばかりでなく、形状計測精度も低下することになる。レンズ系による歪を少なくするためには、カメラ視野角を小さくすれば良いが、視野角を小さくするためには、１台のカメラを用いてカメラとレーザビームスキャン面との距離を大きく離すか、複数台のカメラを用いる必要がある。カメラとレーザビームスキャン面との距離を離すためには、計測船の長さを長くする必要が生じ、この結果、マンホールからの装置の搬入が不可能となってしまうということが起こり得る。上記のような点を解決できる装置の実施例を図７に示す。
【００２９】
図７は管渠内面形状測定装置５０の他の構成例を示す図であり、図７（ａ）はその側面図、図７（ｂ）はその平面図である。図７において、１００ｂはデジタルカメラ、１１２は全方位ミラー、１１４は焦点であり、他の符号は図２の場合と同一である。
【００３０】
図７に示す管渠内面形状測定装置５０は、図２により接続した例のシステム構成におけるＣＣＤカメラ１００ａの代わりに全方位ミラー１１２とデジタルカメラ１００ｂを一体化した撮像系を用いたもので、前述したような点を解決することができるようにした例である。この例において、全方位ミラー１１２としては双曲面ミラーを、カメラとしてはデジタルカメラ１００ｂを用いており、双曲面ミラーの突面側に映っている周方向の全映像をデジタルカメラ１００ｂの撮像面に導くことができるので、１枚の画像として処理することが容易となる。また、デジタルカメラ１００ｂを採用することにより、より高分解能の画像を処理することができるので、形状計測精度を高くすることができる。この構成の場合、デジタルカメラ１００ｂからの画像のデジタル信号は、図４に示した形状演算ユニット２００のデジタル信号入力インタフェース部２０５に入力することになる。
【００３１】
図８、図９は図７におけるデジタルカメラ１００ｂによる画像とこの画像を展開した画像との一例を示す図である。そして、図８（ａ）は、全方位ミラー１１２の焦点１１４とデジタルカメラ１００ｂの光軸とで構成される軸線が管渠内壁面の中心軸と一致し、かつ、管渠内壁面が完全な円形である場合の画像を示している。このような条件の場合、管渠内壁面に投射されたレーザ光の光跡７２は、画像の中心に対して同一距離の円を描く。また、図８（ｂ）は、前述の光跡画像７０を、この外側切り出し線７３及び内側切り出し線７４で切り出して展開した画像である。上記の配置条件の場合、展開画像におけるレーザ光跡は完全な直線となる。なお、前述の外側切り出し線７３及び内側切り出し線７４は、光跡画像７０を含む有効画像範囲を決めるために適宜設定されるものであり、また、図８（ａ）における扇状に変形を仕切る線は、水面を示している。
【００３２】
一般に、下水道の場合、前述したように、管渠内の水位は、季節や時間帯によって変化するので、前述のような条件で管渠内面形状を測定できることは殆ど無く、通常、全方位ミラーの焦点位置は、管渠内壁面の中心軸より低い位置となり、この位置で計測することが大半であると想定される。このような場合、図７のデジタルカメラ１００ｂで撮像される画像の一例を図９に示している。全方位ミラーの焦点１１４と管渠内壁面との距離が大きくなれば、レーザビームの光跡７２は、図９（ａ）に示すように、画像の中心に近づくことになる。このため、この画像を展開して得られる展開画像は、図９（ｂ）に示すように、レーザ光跡が下に凸の形となる。
【００３３】
次に、図７に示す構成による管渠内面形状の測定方法について説明する。図７（ａ）において、θ１は図７及び図９の外側切り出し線７３に対応する角度、θ２は同様に内側切り出し線７４に対応する角度である。デジタルカメラ１００ｂは、図７（ａ）に示す破線の範囲まで画像化されているが、ここでは、焦点１１４を中心に左右θ１及びθ２の範囲の画像を用いている。図９（ｂ）に示す展開画像において、ｘ座標アドレスＸｉにおけるレーザ光跡のｙ座標アドレスをＹｉとし、展開画像の画素数をＮｘ×Ｎｙとすると、デジタルカメラ１００ｂの光軸から画像アドレス（Ｘｉ、Ｙｉ）に対応する管渠内壁面上の位置までの距離Ｒｉは、式（３）として示す２つの式により算出することができる。式（３）において、Ｌは全方位ミラーの焦点位置とレーザビームスキャン面との間の距離である。
【００３４】
δｉ＝Ｙｉ／Ｎｙ×（θ１＋θ２）
Ｒｉ＝Ｌ／ｔａｎ（θ１−δｉ）　　　　　　　　……（３）
【００３５】
また、図９（ｂ）のｘ座標の画素アドレスＸｉと図９（ａ）におけるデジタルカメラの光軸廻りの角度θｉとの関係は、式（４）として表わすことができる。この場合、θｉの０°の位置は船体の床面に対して鉛直下方とする。
【００３６】
θｉ＝Ｘｉ／Ｎｘ×３６０　　　　　　……（４）
【００３７】
図１０は図７に示す構成による管渠内面形状計測装置で測定される管渠周方向の角度と距離及び最終的に得られる管渠内面中心軸から壁面までの距離データとの関係を説明する図である。
【００３８】
図１０（ａ）において、全方位ミラーで撮った画像から測定したデジタルカメラ光軸廻りの角度θｉに対する距離Ｒｉから、図１０（ｂ）に示す管渠中心軸廻りの角度αｉ（管渠内面の天井方向を０°基準とする）に対する距離ｒｉを求めるには、まず、全方位ミラー光軸の座標を（Ｙ、Ｚ）と仮定し、全方位ミラー光軸廻りの角度θｉ、距離Ｒｉでのｙ、ｚ座標系上の座標（Ｙｉ、Ｚｉ）を式（５）として示す２つの式から求める。但し、ここでは、管渠軸方向の計測船が進行する方向をｘ座標、管渠断面を計測船が進行する方向に向かって左側をｙ座標の＋側、上側をｚ座標の＋側と定義する。
【００３９】
Ｙｉ＝Ｙ＋Ｒｉ×ｓｉｎθｉ
Ｚｉ＝Ｚ−Ｒｉ×ｃｏｓθｉ　　　　　……（５）
【００４０】
次に、式（５）で求めた各測定点の座標が公称直径Ｄｐの管渠内面の円に最もフィットするように、デジタルカメラの光軸座標（Ｙ、Ｚ）を求める。ここでは、最小化する評価関数ｆ（Ｙ、Ｚ）を式（６）のように定義し、この関数を最小化するＹ、Ｚを求めることにより、デジタルカメラの光軸座標（Ｙ、Ｚ）を求める。
【００４１】
ｆ（Ｙ、Ｚ）＝Σｉ｛Ｙｉ２＋Ｚｉ２−（Ｄｐ／２）２｝２　　……（６）
【００４２】
式（６）において、通常、｛　｝内の式が一次式の場合、Ｙ、Ｚは、前述の評価関数ｆ（Ｙ、Ｚ）をＹとＺに関して偏微分したものを“０”と置き、解析的に求めることができるが、２次式の場合には解析的に求めることができない。このような場合、非線形の最小二乗法を適用せざるを得なく、ここでは一般的によく使用される最急降下法を適用する例により説明する。最急降下法では、式（７）として示す２つの漸化式により収束計算を実施し、最適なＹ及びＺを求める。
【００４３】
Ｙｋ＋１＝Ｙｋ−αｙ×▽ｆ（Ｙｋ）
Ｚｋ＋１＝Ｚｋ−αｚ×▽ｆ（Ｚｋ）　　　　　　……（７）
【００４４】
なお、式（７）において、▽ｆ（Ｙｋ）及び▽ｆ（Ｚｋ）は、式（６）に示す評価関数ｆ（Ｙ、Ｚ）のＹ及びＺに関して偏微分し、Ｙ及びＺにＹｋ及びＺｋを代入した値であることを示しており、式（８）として示す２つの式により表すことができる。また、式（７）において、αｙ及びαｚは、収束計算におけるゲインである。
【００４５】
図１１は前述した評価関数ｆ（Ｙ、Ｚ）のＹ及びＺに関する収束計算の原理を模式的に表現して説明する図である。式（６）で表される関数は、Ｙ及びＺに関して下に凸の単調関数となる性質があり、収束計算により、最小二乗の意味でＹ及びＺの最適な値を求めることができる。
【００４６】
▽ｆ（Ｙｋ）＝ΣＹｉ３＋ΣＹｉ×Ｚｋｉ２−（Ｄｐ／２）２×ΣＹｉ
▽ｆ（Ｚｋ）＝ΣＺｉ３＋ΣＺｉ×Ｙｉ２−（Ｄｐ／２）２×ΣＺｉ　　……（８）
【００４７】
前述で説明による収束計算で求まったＹ及びＺを用いて、式（９）として示す３つの式を用いて管渠内面中心に対する管壁までの距離ｒｉとその時の角度αｉを演算する。
【００４８】
ｒｉ＝（Ｙｉ２＋Ｚｉ２）１／２
ｉｆ（Ｙｉ＜０）　　αｉ＝９０＋ａｒｃｔａｎ（Ｚｉ／Ｙｉ）
ｉｆ（Ｙｉ≧０）　　αｉ＝−９０＋ａｒｃｔａｎ（Ｚｉ／Ｙｉ）……（９）
【００４９】
前述したように本発明の実施形態によれば、前述の式（９）により、管渠内面中心軸に対する壁面までの距離を算出することができるので、管渠として用いられているヒューム管等の公称直径と算出した距離との差からヒューム管等の損傷量を定量的に求めることができる。
【００５０】
前述で説明した管渠内面の形状測定は、管渠内面周方向の複数点の撮像系基準位置と壁面までの距離データの内、窪みが少なく正常な状態の壁面に対するものと推定することができる指定した距離データのみを用いて管渠内面中心軸に対する撮像系基準位置を推定し、管渠内面中心軸に対する管渠内壁面までの距離を算出することにより行われる。
【００５１】
図１２は管渠中心軸からの距離に換算した管渠内面形状データを管渠内面形状表示部２５０に表示した画面例を示す図である。この図から判るように、設置時のの形状と共に、測定された管渠内面形状を表示することにより、管渠損傷の状態を視覚的に見せることができる。
【００５２】
前述した本発明の実施形態によれば、ＣＣＤカメラ等の映像の蓄積機能を有する撮像系と光ビームスキャン手段とを用いることにより、あたかも連続スリット光を投射して得られる画像と同等の画像を光跡画像として得ることができる。そして、光投射機構の小型化が可能となり、管渠マンホールからの装置の搬入を容易に行うことが可能となる。
【００５３】
また、本発明の実施形態によれば、全方位ミラーと電荷蓄積型の撮像素子とで管渠内面形状計測装置を構成することにより、画像歪の少ない光跡画像を得ることができ、管渠内面形状計測装置の小型化が可能となる。
【００５４】
また、本発明の実施形態によれば、光ビームスキャン用光源にレーザ光源を用いることにより、管渠内面形状計測装置のより小型化が可能となる。
【００５５】
また、本発明の実施形態によれば、距離算出手段が、管渠内面中心軸に対する撮像系基準位置を最小二乗の観点で推定し、この結果から管渠内面中心軸からの距離を算出することができるので、管渠に用いたヒューム管の損傷程度を定量的に把握でき、管渠の寿命予測を行うことが可能となる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、測定対象である管渠内壁面の形状を測定する装置を小型化し、形状測定装置の管渠内への搬入を容易に行うことができ、画像歪の少ない光跡画像を得ることができ、これにより、管渠の損傷程度を定量的に把握して、管渠の寿命予測を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による管渠内面形状測定装置を下水道管渠の測定に適用した場合のシステム構成を示す図である。
【図２】管渠内面形状測定装置の構成例を示す図である。
【図３】図２に示すＣＣＤカメラの撮像対象面とカメラ撮像素子との関係を説明する図である。
【図４】図２に示す形状演算ユニットの構成を示すブロック図である。
【図５】ＣＣＤカメラで撮像した光跡画像から光跡中心のｘ、ｙ座標を求める過程を説明する図である。
【図６】図２に示すレーザスキャナの構成を示す側面図である。
【図７】管渠内面形状測定装置の他の構成例を示す図である。
【図８】図７におけるデジタルカメラによる画像とこの画像を展開した画像との一例を示す図（その１）である。
【図９】図７におけるデジタルカメラによる画像とこの画像を展開した画像との一例を示す図（その２）である。
【図１０】図７に示す構成による管渠内面形状計測装置で測定される管渠周方向の角度と距離及び最終的に得られる管渠内面中心軸から壁面までの距離データとの関係を説明する図である。
【図１１】評価関数ｆ（Ｙ、Ｚ）のＹ及びＺに関する収束計算の原理を模式的に表現して説明する図である。
【図１２】管渠中心軸からの距離に換算した管渠内面形状データを管渠内面形状表示部に表示した画面例を示す図である。
【符号の説明】
５ａ、５ｂ　マンホール
１０　下水道管渠
１５　ワイヤガイド機構
２０　計測船
３０　ケーブル
３１　ケーブル送り出し機構
３２　ワイヤ巻き取り機構
３３　牽引用ワイヤ
４０　データ処理装置
５０　管渠内面形状測定装置
９０　レーザスキャナ
９２　レーザビーム
９４　モータ
９６ａ、９６ｂ　ミラー
９８　レーザ光源
１００ａ　ＣＣＤカメラ
１００ｂ　デジタルカメラ
１０２　焦点位置
１０４　撮像素子
１０６　レンズ
１０８　撮像対象面
１１２　全方位ミラー
１１４　焦点
２００　形状演算ユニット
２０５　デジタル信号入力インタフェース部
２１０　アナログ／デジタル変換部
２２０　画像データ記憶部
２３０　光跡座標抽出部
２４０　管渠内面形状演算部
２５０　管渠内面形状表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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