(57)【要約】【課題】背景となる保持体の表面性状と粉粒体の表面性状との相違を利用して、粉粒体の充填状態を自動で判断する粉粒体の検出方法を提供することにある。【解決手段】保持体上の粉粒体の充填状況をカメラにて撮像し、得られた画像に対して2次元フーリエ変換を施し、それによって得られた周波数空間のパワースペクトル分布の内、所定の低周波域および高周波域のパワースペクトルの平均値の比を、所定の閾値と比較することにより粉粒体の充填状態を判断する。【選択図】図１
2005189178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
保持体上の粉粒体の充填状況をカメラにて撮像し、得られた画像に対して2次元フーリエ変換を施し、周波数空間のパワースペクトル分布の内、所定の低周波域および高周波域のパワースペクトルの平均値より粉粒体の充填状態を判断することを特徴とする粉粒体の検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の粉粒体の検出方法において、
前記低周波域および高周波域のパワースペクトルの平均値の比を、所定の閾値と比較することにより粉粒体の充填状態を判断することを特徴とする粉粒体の検出方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の粉粒体の検出方法において、
前記粉粒体は、石炭粒子であることを特徴とする粉粒体の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保持体上の粉粒体の充填状態を自動で検出する粉粒体の検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
保持体上の粉粒体の充填状況を自動で判断・検出するニーズは、産業界などで広い分野で求められている。例えば、ベルトコンベアなどの搬送体上の工業原料・製品の充填状況を自動検出するニーズは、製品管理上非常に高い。
【０００３】
画像処理を粉粒体に用いた技術として、特開２００２−２２１４８１号公報（特許文献１）の開示がある。ベルトコンベア等の搬送体に載せられて移動中の石炭を撮像して、画像処理により粒度を測定する装置であり、撮像装置と被写体との距離変動をなくすために整流板をつける工夫がなされている。
【０００４】
また、この粒度分布測定用の画像処理方法に工夫を加えたものとして、特開２００３−８３８６８号公報（特許文献２）の開示がある。これは、撮像された元画像から、当該元画像に「ぼかし処理」を行った「ぼかし画像」を得て、当該「ぼかし画像」を２値化処理することにより、所定粒径以上の測定対象物の分布を測定すると共に、前記撮像された元画像と「ぼかし画像」の差分により形成された「差分画像」を２値化処理することにより、前記所定粒径未満の測定対象物の粒径分布を測定し、これら2種類の粒径測定分布の測定結果に基づいて、全体の粒径分布を測定する粒度分布測定方法である。
【０００５】
さらに、対象は異なるが類似の技術として、特開平５−１２６７４９号公報（特許文献３）の開示がある。これは、箱詰めメロンにおいて箱単位でメロンの網目の張り具合の類似性を評価するために、各メロン画像からそのパワースペクトル画像を求め、その各パワースペクトルの輝度分布の共通性を調べるようにしている。
【特許文献１】特開２００２−２２１４８１号公報
【特許文献２】特開２００３−８３８６８号公報
【特許文献３】特開平５−１２６７４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１および特許文献２で示される方法では、粒子の像を求めるために前処理として、規格化処理の後、所定の閾値で２値化処理を行っている。規格化処理は、低周波のゆるやかな輝度のうねりを除去するためのものであり、シェーディング補正処理、フーリエ変換によるフィルタリング、ウェーブレット変換によるフィルタリングなど種々の手法がある。
【０００７】
図６は、前処理過程の一例を示す図であり、ベルトコンベアにて搬送される石炭粒子を撮像した画像に対してウェーブレット変換によるフィルタリングを適用した例を示す。図は、上から（１）元画像、（２）規格化画像、（３）２値化画像をそれぞれ表わしており、（３）２値化画像のようにベルトコンベア表面が露出した領域を抽出することができる。所定の閾値より大きい面積をもつ孤立領域が存在した場合は、石炭粒子が充填されていないと判断する。すなわち、ベルトコンベア表面の露出が比較的に大きい場合は、「所定の閾値より大きい粉粒体粒子は存在しえない」という仮定を置くことより、石炭粒子の充填を検出することができる。
【０００８】
しかしながら、実際には想定される粉粒体のサイズより小さいベルトコンベア表面の露出をも検出しなければならない場合が多い。図６（３）にて２値化の後に残存した領域よりも大きい粒子の存在は充分に考えられるし、また逆に（３）にて２値化の後に残存した領域と同等のベルトコンベアの露出を自動で検出しなければ、粒度分布測定にて大きな誤差を生じることとなる。つまりベルトコンベアの露出を、画像よりもっぱらその面積のみで評価するのは充分ではないという問題がある。
【０００９】
また特許文献３は、メロンの網目の張り具合の類似性を評価することを目的に、特定のメロンの画像とその他のメロンの画像との比較、いわゆる他の画像とのパターンマッチングすることを特徴としている。すなわち、特許文献３では複数の画像を集めることが必須であり、本発明が目的としている特定の画像のみからその充填状態を調べるというニーズには対応できないという問題点がある。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、背景となる保持体の表面性状と粉粒体との表面性状の相違を利用して、粉粒体の充填状態を判断する粉粒体の検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、保持体上の粉粒体の充填状況をカメラにて撮像し、得られた画像に対して2次元フーリエ変換を施し、周波数空間のパワースペクトル分布の内、所定の低周波域および高周波域のパワースペクトルの平均値より粉粒体の充填状態を判断することを特徴とする粉粒体の検出方法である。
【００１２】
また本発明は、請求項１に記載の粉粒体の検出方法において、前記低周波域および高周波域のパワースペクトルの平均値の比を、所定の閾値と比較することにより粉粒体の充填状態を判断することを特徴とする粉粒体の検出方法である。
【００１３】
さらに本発明は、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の粉粒体の検出方法において、前記粉粒体は、石炭粒子であることを特徴とする粉粒体の検出方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、得られた画像に対して2次元フーリエ変換を施し、周波数空間のパワースペクトル分布の内、所定の低周波域および高周波域のパワースペクトルの平均値の比を、所定の閾値と比較するようにしたので、保持体上の粉粒体の充填状態を自動で検出することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、背景となる保持体の表面性状と粉粒体の表面性状との相違を利用して、粉粒体の充填状態を検出しようとするものである。以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。図２は、本発明を実施するための装置構成の一例を示す図であり、保持体としてベルトコンベアを、粉粒体として石炭粒子を対象とした一例である。図中、１は石炭粒子、２はベルトコンベア、３はエリアセンサカメラ、４はカメラコントローラ、５は記憶装置、６は演算装置、および７は表示装置をそれぞれ示している。まず、カメラコントローラ４によって制御されたエリアセンサカメラ３によって、ベルトコンベア２にて搬送される散在した石炭粒子１の状態を撮像する。
【００１６】
エリアセンサカメラ３には、2次元CCDカメラなどを用い、ベルトコンベア２と石炭粒子１が充分確認できる位置に設置する。画像採取条件は、ベルトコンベア２の速度とエリアセンサカメラ３の視野範囲から適合する値を選定し、石炭粒子１の充填状況をよく代表する場所を選択するのが理想的である。
【００１７】
得られた画像は、直ちに記録用に記憶装置５に蓄積されるとともに、演算装置６において充填状態を求める演算処理して、表示装置７にて充填状態の検出結果として表示するという流れを取る。演算装置６における演算処理は、本発明の核となるので以下に詳説する。
【００１８】
図１は、演算装置６における画像処理による充填状態の検出処理の流れを説明する図である。初め（S100）で処理をスタートして、まずエリアセンサカメラ３で撮像した画像を、画像採取する（S101）。
【００１９】
次に、この画像に対して2次元フーリエ変換（S102）を施して、スペクトル解析を行う。2次元フーリエ変換によるスペクトル解析は、まずある方向で1次元フーリエ変換を行い、その結果について更に直交する方向で1次元フーリエ変換を行うことで容易に実施することができる。1次元フーリエ変換としては、例えばよく知られているCooleyとTurkeyによるFFT(Fast Fourier Transform)を使用すればよい。
【００２０】
図３は、石炭粒子の充填状態が異なる元画像（左側）とそれぞれの2次元フーリエ変換後のスペクトル分布図（右側）を示している。2次元スペクトル分布図は、垂直方向（ｆv）および水平方向（ｆh）の両軸についてナイキスト周波数までスペクトル解析をおこない、その結果のうち特に低周波域部分を拡大したものであり、元画像が正方形でないことに起因して、垂直方向および水平方向でスケールが異なっている。
【００２１】
この2次元スペクトル分布図は、対応する周波数のパワースペクトルの大〜小を、図の濃さすなわち淡〜濃で表している。元画像は、図３（A）の上から（E）の下に行くにしたがって石炭粒子が密から疎、すなわち充填率が大から小へ変化しており、下に行くほどベルトコンベア表面の露出割合が大きくなっている。これに対する2次元スペクトル分布図を見てみると、下に行くほど図の外側部分と中心部分との濃淡の差がはっきりしていることが分かる。
【００２２】
図４は、石炭粒子の充填状態によるパワースペクトルの変化を1次元で模式的に書いた図である。石炭粒子が密に充填されている状態（ベルトコンベア表面が出ていない状態：図４の一番上）では、石炭粒子の表面性状のみに起因する高周波域にも拡がった平べったいパワースペクトルが現われている。そして、図の上から下へと石炭粒子の充填が密から疎へ、すなわちベルトコンベア表面の性状が露出するにつれて、低周波域に強いパワーを持ったスペクトル分布をもつ別の成分が現われてくる。この別の成分は、ベルトコンベア表面の性状に起因するものであり、図４の一番下のように完全にコンベア表面が露出すると、低周波域から高周波帯域に広く拡がった成分は消失する。図４の中間段階では、上述の2つのスペクトル成分の重ね合わせで表現されることになる。
【００２３】
図３の2次元スペクトル分布図は、以上の１次元での場合を拡張することにより容易に説明できる。すなわち、図３（E）のようにほぼ完全にコンベア表面が露出すると、ベルトコンベア表面の性状に起因する2次元スペクトル分布の中心部分（低周波域）のパワーが大きく（図では最も淡）なり、外側部分のパワーがほとんどない（図では最も濃）状態になる。これと反対に、図３（A）のように石炭粒子にほぼ覆われてしまうと、石炭粒子の表面性状のみに起因する中心部分（低周波域）から外側部分（高周波帯域）に広く拡がった平べったいパワースペクトル（図では中心部分と外側部分の濃淡の差が少ない）が現われる。なお、図３の2次元スペクトル分布は、上述した石炭粒子とベルトコンベアとの２つの成分と、更に直流成分と最低周波帯域にあって明るさのオフセットと照明系に起因するゆるやかな輝度のうねりを生成するものとで構成される。
【００２４】
以上の2次元フーリエ変換（S102）によるスペクトル解析を終了すれば、次に、スペクトル偏在度の算出（S103）ステップに移る。ここでは、ベルトコンベアの表面性状の露出に従う画像のパワースペクトルの変化を周波数空間にて特徴づける指標、スペクトル偏在度を導入している。
【００２５】
図５は、水平方向と垂直方向の周波数空間でのスペクトル分布と領域設定を示す図であり、上述のように図での濃淡はパワーの弱強を、中心部が低周波域で周辺部が高周波域を、それぞれ表している。このステップでは、先ず図５の上部に右上がりの斜線で示す高周波域Bと、右下がりの斜線で示す低周波域Aとの二つの領域を定義する。
【００２６】
ここで領域Aには、直流成分とその最近傍の領域は含めないようにする。この領域Aの内部に白抜きで示した領域のスペクトルには、明るさのオフセットと照明系に起因するゆるやかな輝度のうねりに関するものがある場合が多く、背景となるコンベア表面に起因するスペクトルと異なる要因による可能性があるためである。また、領域Bについても、領域Aから連続的に領域Bを定義するのではなく、間に白抜きの部分である緩衝領域を設けた方が、後述するスペクトル偏在度による粉粒体の検出能が高まる。
【００２７】
次に、領域Aおよび領域Bについて、それぞれパワーの平均EAおよびEBを計算する。さらに、計算されたEA（低周波帯域Aでのパワーの平均）およびEB（高周波帯域Bでのパワーの平均）を用いて、以下の（１）式でスペクトル偏在度RFを算出する。
RF =  EA／EB   ……………（１）
スペクトル偏在度RFが大きいほどスペクトルは低周波域に偏っており、スペクトル偏在度RFが小さいほどスペクトルは周波数空間全域に広がっていることとなる。すなわち、スペクトル偏在度RFが大きいほどベルトコンベア表面の露出の程度が大きく、スペクトル偏在度RFが小さいほど粉粒体の充填の程度が大きい密な充填である。なお、図5に示した帯域の領域設定は、コークス製造に使用される石炭について適用される一例であり、実際には背景となる保持体と粉粒体の表面性状の違いに応じて、適宜設定を変えるべきものである。
【００２８】
スペクトル偏在度が求まれば、次ステップのスペクトル偏在度 < 閾値（S104）にて、予め設定した閾値と比較する。スペクトル偏在度が閾値より小さければ、粉粒体が充填している（S105）と判断し、逆の場合であれば、粉粒体が充填していない（S106）と判断する。この場合の判断基準も、上述の帯域の領域設定で述べたように、保持体と粉粒体の表面性状の違いに応じて、適宜変えるべきものである。
【００２９】
そして、結果表示へ（S107）にて、上記判断結果およびスペクトル偏在度などを、表示装置に表示してオペレータに検出結果を知らせる。しかる後、終わり（S108）にて一連の処理を終わる。
【実施例】
【００３０】
図７は、本発明をコークス製造に使用される石炭粒子の充填状態の検出に適用した結果の一例を示すものである。図中、横軸は0から5までの数字で石炭の充填の程度を表し、縦軸にそれぞれに対応したスペクトル偏在度をプロットしたものである。横軸の数字が大きくなるにつれて石炭の充填の程度が小さく、すなわちベルトコンベア表面の露出の程度が大きくなることを表している。しかしながら、目視にて６段階に充填度がほぼ同じと判断したものを定性的にグルーピングしたものであり、厳密な意味での充填度の同一性を保証するものではないことをことわっておく。
【００３１】
以上の理由で、それぞれのグループでスペクトル偏在度のバラツキはあるものの、図の左側にいくすなわち石炭の充填度が大きくなるに従って、スペクトル偏在度の値が小さくなる傾向ははっきり確認できる。また、この例では閾値を１．５３にとれば、石炭の充填がよい場合とそうでない場合とを自動判定できることも分かる。以上のように、撮像画像の画像処理によりベルトコンベア上の石炭の充填を確認することができ、得られた画像が粒度分布測定の処理に適したものであるか自動で判断することができる。
【００３２】
なお、検出対象はこれまで説明した石炭とは別に、鉱石、石灰石、コークス、プラスチック粉、トナーなどの工業原料・製品や農産物・薬などの各種粉粒体にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】画像処理による粉粒体の充填状態の検出処理の流れを説明する図である。
【図２】本発明を実施するための装置構成の一例を示す図である。
【図３】石炭粒子の充填状態が異なる元画像とそれぞれの2次元フーリエ変換後のスペクトルを示す図である。
【図４】石炭粒子の充填状態によるパワースペクトルの変化を1次元で模式的に書いた図である。
【図５】周波数空間でのスペクトル分布と領域設定を示す図である。
【図６】従来の画像処理における前処理過程の一例を示す図である。
【図７】石炭粒子の充填状態の検出に適用した結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    石炭粒子
２    ベルトコンベア
３    エリアセンサカメラ
４    カメラコントローラ
５    記憶装置
６    演算装置
７    表示装置
【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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