(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水面上に形成される油膜を検知する油膜検知装置であって、
水面を撮像する撮像装置と、その画像信号を処理する画像処理装置とを備え、
前記画像処理装置は、撮像装置から入力された画像信号に含まれる周波数成分に基づきフーリエ信号を出力させるフーリエ変換手段と、フーリエ信号に含まれる水面上の波により生ずる輝度変化より高い周波数成分を通過させるハイパスフィルタと、ハイパスフィルタを通過したフーリエ信号に逆フーリエ変換を施して画像信号に戻す逆フーリエ変換手段と、逆フーリエ変換された画像信号を二値化処理して油膜部分を抽出する油膜抽出手段と、得られた二値化画像信号により表示される暗点又は明点の画素数に基づいて油膜形成の有無を判定する判定手段とを備えたことを特徴とする油膜検知装置。
【請求項２】
前記フーリエ変換手段は、画像信号がカラー画像である場合に、これをフーリエ変換する前にグレースケールの画像信号への減色処理を行う請求項１記載の油膜検知装置。
【請求項３】
前記油膜抽出手段は、逆フーリエ変換された画像信号にエッジ検出処理を施した後、二値化処理を施す請求項１記載の油膜検知装置。
【請求項４】
水面上に形成される油膜を検知する油膜検知方法であって、
水面を撮像した画像信号をフーリエ変換し、
得られたフーリエ信号をハイパスフィルタに通して水面上の波により生ずる輝度変化より高い周波数成分のみを出力させ、
ハイパスフィルタを通過したフーリエ信号に逆フーリエ変換を施して画像信号に戻し、
逆フーリエ変換された画像信号を二値化処理して油膜部分を抽出し、
得られた二値化画像信号により表示される暗点又は明点の画素数に基づいて油膜形成の有無を判定することを特徴とする油膜検知方法。
【請求項５】
前記画像信号がカラー画像である場合に、これをフーリエ変換する前にグレースケールの画像信号への減色処理を行う請求項４記載の油膜検知方法。
【請求項６】
逆フーリエ変換された画像信号にエッジ検出処理を施した後、二値化処理を施す請求項４記載の油膜検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水面上に形成される油膜の有無を検知する油膜検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、油や有害物質などが河川に流出する水質事故が多発している。特に、油の流出事故は、水道原水である河川の水質事故の８０％近くを占め、浄水場の取水停止や下流の生態系に重大な被害を引き起こす。
油は拡散し易く、拡散した油は油膜となり河川の下流数キロメートルにわたって広がることから水環境に大きな影響を及ぼす。
したがって、高感度で２４時間連続監視が可能な河川の油膜検知システムが望まれている。
【０００３】
このため従来より様々な油膜検知装置が提案されている。
例えば、水面に波長２００〜３００ｎｍの励起光を照射し、油膜による波長３００〜４００ｎｍの蛍光を選択的に受光し、その受光強度により油膜の有無を判定する蛍光分析法（特許文献１）、水に比較して油膜の反射率が高くなることを利用した反射率測定法、水面を画像で撮像しその輝度変化を油膜として検知する輝度変化検知法（特許文献２）、レーザ光源からの光ビームを二次元走査したり面状に拡散させて水面に照射し、その反射光の偏光解析を行うことにより油膜の有無を判別を行う偏光解析法（特許文献３）等が知られている。
【特許文献１】特開２００２−２１４１４０号公報
【特許文献２】特開平０８−２９２１８５号公報
【特許文献３】特開平１１−３２６１８８号公報
【０００４】
しかしながら、蛍光分析法は、励起光の他に太陽光や照明光などの外乱光が存在する明るい環境では検知が困難になるだけでなく、蛍光波長を選択的に受光する受光手段が必要になるため光学系が複雑になるという問題がある。
反射率測定法は、水より反射率が高ければ油以外のものも検知してしまうため誤作動のおそれがあり、油の流出面積・流出量を測定することが困難であるという問題があった。
輝度変化検知法は、輝度変化があればその原因が油以外でも検知してしまうため、やはり誤作動のおそれがある。
さらに、偏光解析法は、投光系及び受光系の光学系が複雑になるだけでなく、検知範囲がせいぜい１０ｃｍ×１０ｃｍと狭いという問題がある。
【０００５】
このため、本出願人は、水面に油膜が形成されたときに生ずる虹色の干渉パターンをカラー撮像し、その画像に含まれる色の分析を行うことにより、広範囲にわたり正確に油膜の形成の有無を検出することができ、さらに、河川に流れ込んだ油の流出面積も測定できる油膜検知装置を提案した。
【特許文献４】特開２００７−１４７４４８号公報
【０００６】
しかしながら、実際に油が流出している河川を撮像したり、屋外実験設備で廃油を流して実験した結果、水面に油膜ができていても、条件が整わなければ精度よく測定することができないことが判明した。
その原因としては、以下のことが考えられる。
（１）流出した油が時間経過に伴い油が気化または拡散し、虹色の干渉パターンを生じる膜厚よりも薄くなったり、水温によっては油膜の膜厚が厚くなって虹色にならない。
（２）油の種類、粘度によっては、虹色の干渉パターンを生じない。
（３）一般の監視カメラは画素数が３０万画素程度と少なく、実験で使用した１０００万画素のデジタルカメラに比べ、解像度が低いため、色情報の精度が低くなる。
（４）画像を取り込む際に、偏光フィルタで正反射光を除去しているが、実際に屋外で監視カメラなどを用いて油膜を検知しようとした場合、太陽光の入射角、撮影角度によっては、偏光フィルタを利用することで、干渉縞も消えてしまう場合が多い。偏光フィルタを使用しなかった場合、油膜に空や壁面の色が強く反映されて虹色の干渉縞の抽出が困難になる。
【０００７】
一方、水面に油膜が形成された場合、虹色干渉パターンの形成の有無にかかわらず、その油膜部分の輝度は水面よりも高い。
したがって、ノイズさえなければ輝度変化により油膜を特定することが可能であるが、実際の水面には波が生じ、その波面で反射される光がノイズとなって偏光フィルタでは除去できない程度の輝度変化が生じるため、油膜が形成された部分を画像信号から特定することは困難である。
そして、本発明者が鋭意研究を進めた結果、油膜の形成により生ずる輝度変化の方が、波の形成により生ずる輝度変化よりも、周波数が高いことが判明した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、このような発明者の知見に基づいてなされたもので、水面に油膜が形成された場合に、虹色の干渉パターンが形成されると否とにかかわらず、輝度変化の周波数の差に基づき、波による輝度変化を除去して、油膜による輝度変化のみを抽出して、油膜の形成の有無を検知することを技術的課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するために、本発明は、水面上に形成される油膜を検知する油膜検知装置であって、
水面を撮像する撮像装置と、その画像信号を処理する画像処理装置とを備え、
前記画像処理装置は、撮像装置から入力された画像信号に含まれる周波数成分に基づきフーリエ信号を出力させるフーリエ変換手段と、フーリエ信号に含まれる水面上の波により生ずる輝度変化より高い周波数成分を通過させるハイパスフィルタと、ハイパスフィルタを通過したフーリエ信号に逆フーリエ変換を施して画像信号に戻す逆フーリエ変換手段と、逆フーリエ変換された画像信号を二値化処理して油膜部分を抽出する油膜抽出手段と、得られた二値化画像信号により表示される暗点又は明点の画素数に基づいて油膜形成の有無を判定する判定手段とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水面を撮像装置で撮像すると、その画像信号が画像処理装置に入力される。
画像処理装置では、まず、画像信号がフーリエ変換され、画像信号に含まれる周波数成分が解析され、フーリエ信号として出力される。
そして、光源や日照など観察場所における条件に応じて、波により生ずる輝度変化を遮断し、油膜により生ずる輝度変化を透過し得るように遮断周波数が決定されたハイパスフィルタに通すことにより、フーリエ信号から波により生ずる輝度変化が除去される。
次いで、その信号を逆フーリエ変換して画像信号に戻すと、元の画像から波による輝度変化が除去された画像が得られる。
そして最後に、適当な閾値で二値化すれば、油膜が形成された部分は白く、油膜のない部分は黒く映し出されるので、白い部分があれば油膜が形成されたものと判断することができ、必要に応じて、白い部分の面積に基づき油の漏洩量を算出することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本例では、虹色の干渉パターンが形成されると否とにかかわらず、輝度変化の周波数の差に基づき、波による輝度変化を除去して、油膜による輝度変化のみを抽出して、油膜の形成の有無を検知するという目的を達成するために、水面上に形成される油膜を検知する油膜検知装置であって、水面を撮像する撮像装置と、その画像信号を処理する画像処理装置とを備え、前記画像処理装置は、撮像装置から入力された画像信号に含まれる周波数成分に基づきフーリエ信号を出力させるフーリエ変換手段と、フーリエ信号に含まれる水面上の波により生ずる輝度変化より高い周波数成分を通過させるハイパスフィルタと、ハイパスフィルタを通過したフーリエ信号に逆フーリエ変換を施して画像信号に戻す逆フーリエ変換手段と、逆フーリエ変換された画像信号を二値化処理して油膜部分を抽出する油膜抽出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係る油膜検知装置の一例を示す説明図、図２は水面の画像とこれを画像処理した過程を示す説明図、図３は本発明の処理手順を示すフローチャート、図４はその処理画像を示す説明図である。
【実施例１】
【００１３】
図１に示す油膜検知装置１は、用水路２に設定された監視領域Ｅの水面を撮像して、水面上に油膜Ｒが形成されているか否か検知することにより油分が流入したか否かを判定するものである
監視領域Ｅは、直射日光の影響を受けないように屋根などで覆われており、その水面に照明光を照射する照明装置３と、監視領域Ｅの水面をカラー撮像する撮像装置４と、その画像信号を処理する画像処理装置５とを備えている。なお、撮像装置４には、液面からの反射光をカットする偏光フィルタ（図示せず）が装着されている。
照明装置３は、可視光領域の少なくとも一部に連続スペクトル分布を有する照明光を照射するもので、本例では、複数本の蛍光灯を並列に配してその正面に乳白色のアクリル製散乱板を配したものを用いている。
【００１４】
この照明光は、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域においていくつかのピークは存在するものの概して連続したスペクトルを有しており、可視光の多くの波長成分を含んでいることから、水面に油膜Ｒが形成されたときに、油膜Ｒで反射した光と油膜面を通過し油膜Ｒと水面との境界面で反射した光とが干渉し、油膜Ｒの厚みによって異なる波長の光が強めあうことにより虹色の干渉パターンが観測され、油の種類によっては虹色パターンが形成されることなく水面と輝度の異なる油膜パターンが観測される。
【００１５】
画像処理装置５は、ディスプレイ装置６が接続されたコンピュータからなり、撮像装置４から入力された画像信号ＩＭＧ１に含まれる周波数成分に基づきフーリエ信号ＦＳ１を出力させるフーリエ変換手段Ｍ１と、フーリエ信号ＦＳ１に含まれる水面上の波により生ずる輝度変化より高い周波数成分を通過させるハイパスフィルタＭ２と、ハイパスフィルタＭ２を通過したフーリエ信号ＦＳ２に逆フーリエ変換を施して画像信号ＩＭＧ３に戻す逆フーリエ変換手段Ｍ３と、逆フーリエ変換された画像信号ＩＭＧ３を二値化処理して油膜部分を抽出した二値化画像信号ＩＭＧ５を出力させる油膜抽出手段Ｍ４と、二値化画像信号ＩＭＧ５に基づいて油膜Ｒの形成の有無を判定する判定手段Ｍ５とを備えている。
また、前記判定手段Ｍ５で油膜Ｒが形成されていると判定されたときに、油膜Ｒが形成された部分の形状に基づき油の流出面積を算出する流出面積算出手段Ｍ６を備えている。
【００１６】
フーリエ変換手段Ｍ１は、撮像装置４から出力される画像信号ＩＭＧ１がカラー信号である場合、その画像信号ＩＭＧ１を２５６階調のグレースケール画像信号ＩＭＧ２に減色する減色処理を行った後にフーリエ変換処理を行い、撮像装置４から出力される画像信号ＩＭＧ１がモノクロ信号（２５６階調のグレースケール画像信号）である場合、減色処理を行うことなくそのままフーリエ変換を行うように設定されている。
【００１７】
図２は、（ａ）波も油膜もない場合、（ｂ）波があり油膜がない場合、（ｃ）波も油膜もある場合の画像処理過程を比較して示す。
図２（ａ−１）（ｂ−１）（ｃ−１）はグレースケールの画像信号ＩＭＧ２による画像を示し、図２（ａ−２）（ｂ−２）（ｃ−２）はフーリエ信号ＦＳ１により生成される画像である。
フーリエ信号ＦＳ１の画像は、横軸が水平周波数成分、縦軸が垂直周波数成分であり、濃度が振幅の大きさを示す。
これによれば、図２（ａ−２）の波も油膜もない場合は全体的に明るく、図２（ｂ−２）の波があり油膜がない場合は低周波成分を現す原点付近に暗点が存在し、図２（ｃ−２）の波も油膜もある場合は暗点が原点から離れた位置まで観察され、油膜に起因する高周波成分の輝度変化が現れていることがわかる。
【００１８】
ハイパスフィルタＭ２は、波により生ずる輝度変化の周波数成分と、油膜Ｒにより生ずる輝度変化の周波数成分を分離する。
油膜Ｒにより生ずる輝度変化の周波数は、波により生ずる輝度変化の周波数よりも一般に高い。
したがって、ハイパスフィルタＭ２の遮断周波数を波により生ずる輝度変化の周波数よりも高め（本例では遮断周波数＝５０Ｈｚ）に設定しておけば、フーリエ変換手段Ｍ１から出力されたフーリエ信号ＦＳ１から波により生ずる輝度変化などの周波数の低い成分がカットされ、油膜Ｒにより生ずる輝度変化などの周波数の高い成分のみが透過されたフーリエ信号ＦＳ２が出力される。
【００１９】
逆フーリエ変換手段Ｍ３は、周波数の低い成分がカットされたフーリエ信号ＦＳ２を画像信号ＩＭＧ３に戻す処理を行う。
フーリエ信号ＦＳ２は、波により生じた輝度変化の周波数成分が除去されているので、これを画像信号ＩＭＧ３に戻すと、その画像は、波の輝度変化が除去されて油膜Ｒによる輝度変化のみが輝度変化として残された画像となる。
【００２０】
フーリエ信号ＦＳ２による画像は、いずれも低周波成分がカットされているため、その画像は図２（ａ−３）〜（ｃ−３）に示すように原点付近が白く抜けており、図２（ａ−３）及び（ｂ−３）に示すフーリエ画像は略等しく、図２（ｃ−３）に示すフーリエ画像のみ高周波成分の暗点が残る。
したがって、逆フーリエ変換すると、図２（ａ-４）及び（ｂ−４）の画像信号ＩＭＧ３による画像は波により生ずる輝度変化がほとんど除かれ、図２（ｃ−４）のよる画像信号ＩＭＧ３による画像のみ油膜による輝度変化が再現されることとなる。
【００２１】
油膜抽出手段Ｍ４は、画像信号ＩＭＧ３を適当な閾値で二値化することにより、例えば油膜Ｒが形成されている部分を黒く、油膜Ｒの形成されていない部分を白く表示させる。
この場合において、フーリエ変換された画像信号ＩＭＧ３に対して、必要に応じて、例えば、Sobel(ゾーベル)フィルタやPrewitt(プレヴィット)フィルタなどの一次微分（差分）フィルタによりエッジ検出処理を施して、エッジ化画像信号ＩＭＧ４を出力させ、これを二値化処理すれば、油膜が形成されている部分とそうでない部分の境界がより明瞭になるので、二値化により生ずる誤差が少ない。
そして、二値化処理が終了した時点で、油膜部分を抽出した二値化画像信号ＩＭＧ５を出力する。
これにより、黒く表された部分は油膜Ｒが形成され、白く表された部分は油膜Ｒが形成されていないと判断できる。
【００２２】
判定手段Ｍ５は、二値化画像信号ＩＭＧ５に基づいて油膜Ｒの形成の有無を判定するものである。
そして、黒い部分の画素数が予め設定された数以上検出されたときに、初めてこれを油膜と判断することにより、何らかの警告信号を出力し、あるいは、図示しない警報装置を作動させることにより油が流出していることを知らせる。
ハイパスフィルタＭ２によっても波による輝度変化を完全に除去することは困難であるので、これによって、警報装置のご作動を回避させることができる。
【００２３】
そして、流出面積算出手段Ｍ６では、判定手段Ｍ５で油膜が形成されていると判定されたときに、解像度に応じたピッチ（例えば２ｍｍ〜１０ｍｍ）で水面上に形成された仮想グリッドに基づき、油膜Ｒが形成された黒いグリッド数をカウントすることにより油の流出面積を算出する。
【００２４】
以上が本発明の一構成例であって、次にその作用について、図４及び図５を伴って説明する。
図４は画像処理装置５の処理手順を示すフローチャートである。
油膜検知を行う場合は、照明装置３を点灯した状態で撮像装置４をオンして、画像処理プログラムを実行させると、ステップＳＴＰ１で撮像装置４から所定時間間隔（例えば１０秒）おきにカラー画像信号ＩＭＧ１が取り込まれ、ステップＳＴＰ２で２５６階調のグレースケール画像信号ＩＭＧ２に減色された後、ステップＳＴＰ３でフーリエ変換処理が行われ、フーリエ信号ＦＳ１が出力される。
図５（ａ）はグレースケールの画像信号ＩＭＧ２による画像であり、図５（ｂ）はフーリエ変換された画像である。
【００２５】
次いで、ステップＳＴＰ４で、ハイパスフィルタＭ２を透過させ、波により生ずる輝度変化をカットしたフーリエ信号ＦＳ２を出力する。
【００２６】
そして、ステップＳＴＰ５で逆フーリエ変換処理を施し、フーリエ信号ＦＳ２を画像信号ＩＭＧ３に戻すと、その画像信号ＩＭＧ３の画像から波による輝度変化がカットされることとなる。
図５（ｃ）がその画像信号ＩＭＧ３による画像である。
【００２７】
次いで、ステップＳＴＰ６でエッジ検出処理が施され、出力されたエッジ化画像信号ＩＭＧ４をステップＳＴＰ７で二値化し、二値化画像信号ＩＭＧ５が出力される。
図５（ｄ）がその二値化画像信号ＩＭＧ５による画像である。
【００２８】
そして、ステップＳＴＰ８で得られた画像中に表示された暗点の画素数を計数し、この数が予め設定された数より少ないときは、油膜が形成されていないと判断して、警報信号を出力することなくステップＳＴＰ１に戻り、暗点の画素数が予め設定された数より多いときは、油膜Ｒが形成されたものと判断してステップＳＴＰ９に移行し、所定の警報信号を出力する。
次いで、ステップＳＴＰ１０に移行して油の流出膜面積を算出し、ステップＳＴＰ１に戻る。
【００２９】
なお、上述の処理手順において、ステップＳＴＰ２及び３がフーリエ変換処理手段Ｍ１で実行される処理、ステップＳＴＰ４がハイパスフィルタＭ２により実行される処理、ステップＳＴＰ５が逆フーリエ変換手段Ｍ３で実行される処理、ステップＳＴＰ６及び７が油膜抽出手段Ｍ４で実行される処理、ステップＳＴＰ８及び９が判定手段Ｍ５で実行される処理、ステップＳＴＰ１０が流出面積算定手段Ｍ６で実行される処理である。
【００３０】
なお、上述の説明では、油膜Ｒが形成された部分を黒く、油膜Ｒのない部分を白く表示したがその逆であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上述べたように、本発明は、河川等の水面に油が流出したときに形成される油膜の有無を検知する用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る油膜検知装置の一例を示す説明図。
【図２】水面の画像とこれを画像処理した過程を示す説明図。
【図３】本発明の処理手順を示すフローチャート。
【図４】その処理画像を示す説明図。
【００３３】
１  油膜検知装置
２  用水路
Ｅ  監視領域
Ｒ  油膜
３  照明装置
４  撮像装置
５  画像処理装置
６  ディスプレイ装置
Ｍ１  フーリエ変換手段
Ｍ２  ハイパスフィルタ
Ｍ３  逆フーリエ変換手段
Ｍ４  油膜抽出手段
Ｍ５  判定手段
【図１】
0004816600.tif 000002
【図３】
0004816600.tif 000003
【図２】
0004816600.tif 000004
【図４】
0004816600.tif 000005