(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に取り付けた複数台のカメラでパンタグラフ付近を撮影し、撮影された複数の画像に基づいてパンタグラフに接触する架線の位置を計測する装置であって、撮影された複数の画像をエッジ検出し、エッジから所定範囲の領域にある直線をトロリー線候補として抽出すると共に水平エッジをパンタグラフとして求め、抽出されたトロリー線候補と検出されたパンタグラフとの交点を、パンタグラフ中心を原点としたパンタグラフ座標系で各画像上に求め、各交点のパンタグラフ中心に対する偏差が閾値以下のものに関するトロリー線候補を前記パンタグラフに接触するトロリー線であると判定することを特徴とするトロリー線の位置計測装置。
【請求項２】
車両に取り付けた複数台のカメラでパンタグラフ付近を撮影し、撮影された複数の画像に基づいてパンタグラフに接触する架線の位置を計測する装置であって、撮影された複数の画像をエッジ検出し、エッジから所定範囲の領域にある直線をトロリー線候補として抽出すると共に水平エッジをパンタグラフとして求め、抽出されたトロリー線候補と検出されたパンタグラフとの交点を各画像上に求め、各交点のパンタグラフ中心に対する偏差が閾値以下のものに関するトロリー線候補を前記パンタグラフに接触するトロリー線であると判定するトロリー線の位置計測装置において、前記パンタグラフに接触するトロリー線が複数ある場合には、それらの離隔計測を行うことを特徴とするトロリー線の位置計測装置。
【請求項３】
前記カメラは３台以上とし、少なくとも１台のカメラからの画像が画像処理できない場合でも画像処理によりトロリー線候補を求めることを特徴とする請求項１又は２記載のトロリー線の位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トロリー線の位置計測装置に関する。詳しくは、画像処理により電車線のトロリー線の位置を計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トロリー線は電気車へ電力を供給する設備線で、検測車や車両限界計測車などと呼ばれる専用の計測車が、一定周期毎走行してトロリー線の位置を計測している。
計測された位置は、トロリー線の高さやパンタグラフ上の偏位に変換され、これら値が管理値内かどうか診断されている。
トロリー線の位置を計測する方式としてレーザ計測方式や画像処理方式があり、主にレーザ計測方式が現場で使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以下のような問題点がある。
▲１▼レーザ計測方式は計測値の異常値が判るが、その異常値になった原因や、現象の解析が難しい。
▲２▼画像処理方式によりトロリー線を検出する際、ちょう架線・補助ちょう架線・構造物・支持物（最新電気鉄道工学コロナ社、社］電気学会２０００年９月）などが、トロリー線と似たように見えるため、これらをトロリー線として誤検出しやすい問題がある。
【０００４】
▲３▼画像処理方式によりトロリー線を検出する際、レンズの汚れや太陽光の写り込みによって、画像処理が難しいカメラ画像になることがある。これによりトロリー線を検出できないことがある。
▲４▼画像処理方式の領域相関によるステレオ計測では、カメラの輻輳角が大きいと画像の差異が大きく、ステレオ計測できないことがある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係るトロリー線の位置計測装置は、車両に取り付けた複数台のカメラでパンタグラフ付近を撮影し、撮影された複数の画像に基づいてパンタグラフに接触する架線の位置を計測する装置であって、撮影された複数の画像をエッジ検出し、エッジから所定範囲の領域にある直線をトロリー線候補として抽出すると共に水平エッジをパンタグラフとして求め、抽出されたトロリー線候補と検出されたパンタグラフとの交点を、パンタグラフ中心を原点としたパンタグラフ座標系で各画像上に求め、各交点のパンタグラフ中心に対する偏差が閾値以下のものに関するトロリー線候補を前記パンタグラフに接触するトロリー線であると判定することを特徴とする。
【０００６】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係るトロリー線の位置計測装置は、車両に取り付けた複数台のカメラでパンタグラフ付近を撮影し、撮影された複数の画像に基づいてパンタグラフに接触する架線の位置を計測する装置であって、撮影された複数の画像をエッジ検出し、エッジから所定範囲の領域にある直線をトロリー線候補として抽出すると共に水平エッジをパンタグラフとして求め、抽出されたトロリー線候補と検出されたパンタグラフとの交点を各画像上に求め、各交点のパンタグラフ中心に対する偏差が閾値以下のものに関するトロリー線候補を前記パンタグラフに接触するトロリー線であると判定するトロリー線の位置計測装置において、前記パンタグラフに接触するトロリー線が複数ある場合には、それらの離隔計測を行うことを特徴とする。
【０００７】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係るトロリー線の位置計測装置は、請求項１又は２において、前記カメラは３台以上とし、少なくとも１台のカメラからの画像が画像処理できない場合でも画像処理によりトロリー線候補を求めることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕トロリー線計測方式
本発明の第１の実施例に係るトロリー線の位置計測装置を図１〜図４に示す。本実施例は、車両に設置した２台のＩＴＶカメラ２１，２２でパンタグラフ１０の付近を撮影し、画像処理によってパンタグラフ１０に接触するトロリー線の位置（パンタグラフ１０上の偏位やトロリー線の垂直高さなど）を計測するものである。
【０００９】
即ち、図２に示すように、車両上にはパンタグラフ１０に対して平行な位置に２台のＩＴＶカメラ２１，２２が設置され、図１（ａ）（ｂ）に示す左右画像が撮影される。
ここで、「平行な位置」とはパンタグラフ１０のすり板に沿った点線ａと２台のＩＴＶカメラ２１，２２の焦点を結んだ点線ｂが、平行な位置関係のことである。
【００１０】
ＩＴＶカメラ２１，２２で撮影された各画像は、画像処理部４０へ送られ、画像処理部４０ではトロリー線の位置を計測し、その計測された値及び各画像は記録部５０で保存される。
画像処理部４０は、パンタグラフ１０とトロリー線候補ＬL1，ＬL2，ＬL3，ＬR1，ＬR2，ＬR3を求めると共にこれらの交点ＰL1，ＰL2，ＰL3，ＰR1，ＰR2，ＰR3を求め、この交点ＰL1，ＰL2，ＰL3，ＰR1，ＰR2，ＰR3を図３のようにパンタグラフ中心とした座標ヘプロットし、左右画像間で位置が接近しているか否か判定するものである。つまり、交点が接近していれば接触する架線と判別し、接近していなければ接触しない架線と判別するものである。
【００１１】
画像処理部４０としては、パーソナルコンピュータに画像処理プログラムを読み込ませて構成することもできる。
本実施例の処理手順を図４に示す。
先ず、２台のＩＴＶカメラ２１，２２でパンタグラフ１０の付近を撮影し、左右のカメラ画像を取得する（ステップＳ１）。
【００１２】
次に、左右のカメラ画像について、エッジ検出しエッジから直線を検出し、所定の範囲の垂直な直線をトロリー線候補ＬL1，ＬL2，ＬL3，ＬR1，ＬR2，ＬR3として検出する（ステップＳ２）。
トロリー線候補ＬL1，ＬL2，ＬL3は、図１（ａ）に示す左画像で検出されるものであり、トロリー線候補ＬR1，ＬR2，ＬR3は、図１（ｂ）に示す右画像で検出されるものである。
尚、エッジ検出としては特に限定するものではなく公知の方法を使用することができる。例えば、特願平６−１４９２４６号に示される方法を使用しても良いし、画像を水平微分する方法を使用しても良い。
【００１３】
また、直線検出としては特に限定するものではなく公知の方法を使用することができる。例えば、特願平６−１４９２４６号に示される特徴抽出方法を使用しても良いし、ハフ変換を使用しても良い。
更に、「所定の範囲」とは、図２に示す構成では、２台のカメラ２１，２２を設置した際にトロリー線が図１のように斜めに見える角度と位置範囲のことである。例えば、垂直から±３０°で、画像上半分の位置など、実験的に角度と位置範囲を決めることができる。
【００１４】
引き続き、２台のＩＴＶカメラ２１，２２からのカメラ画像について、図１に示すように、パンタグラフ１０のすり板部分とパンタグラフの中心ＣL，ＣRを検出する（ステップＳ３）。
パンタグラフ１０はバネで支えられ上下動するため、位置は一定ではない。
この検出方法としては特に限定するものではなく公知の方法を使用することができる。例えば、特願２０００−３３２８４１号に示されるパターンマッチ方式や特願平６−５７９２４号に示されるモデルベースマッチ方式を採用することができる。
具体的には、予めパンタグラフの濃淡値又は特徴をモデルとして登録し、同時にパンタグラフの中心とすり板の直線位置も登録しておく。そして、このモデルを取得画像へ画像取得毎に対応させ、一致する位置からパンタグラフの中心とすり板部分を検出することにより行う。
【００１５】
その後、トロリー線候補ＬL1，ＬL2，ＬL3，ＬR1，ＬR2，ＬR3とパンタグラフ１０のすり板との交点ＰL1，ＰL2，ＰL3，ＰR1，ＰR2，ＰR3を求める（ステップＳ４）。
尚、交点座標はカメラ座標系のピクセル単位であるため、投影変換しパンタグラフ座標系のメートル単位に変換する。
ここで、カメラ座標系とはそれぞれのカメラ焦点を中心とした直交座標系で、パンタグラフ座標系とはパンタグラフ中心を原点とした直交座標系である。
【００１６】
更に、トロリー線候補ＬL1，ＬL2，ＬL3，ＬR1，ＬR2，ＬR3から次のようにしてパンタグラフ１０と接触するトロリー線を検出する（ステップＳ５）。
即ち、ステップＳ４で求めた交点ＰL1，ＰL2，ＰL3，ＰR1，ＰR2，ＰR3を図３に示すように左右画像別にプロットし、左画像の交点ＰL1，ＰL2，ＰL3と右画像の交点ＰR1，ＰR2，ＰR3との距離を組み合わせの数だけ計算し、この距離のうち実験的に決めた閾値以下である組み合わせを抽出する。
図３は、具体的に交点ＰL1と交点ＰR1の距離ｄｘが閾値以下とした場合を示すものであり、この場合には、交点ＰL1と交点ＰR1に関するトロリー線候補ＬL1をパンタグラフ１０に接触するトロリー線であると判定することとなる。
【００１７】
そして、ステップＳ５で求めたパンタグラフ１０と接触するトロリー線の交点から、パンタグラフ上の偏位、トロリー線の垂直高さなどに変換する（ステップＳ６）。
尚、変換された垂直高さはカメラ取り付け位置からトロリー線までの相対距離であるため、レールレベルからカメラ取り付け位置までの距離を加えてレールレベルからの垂直距離に変換してもよい。
また、ステップＳ５において、パンタグラフ１０と接触するトロリー線が複数検出された場合には、それぞれについて位置計測を繰り返す。
【００１８】
本実施例は、車両に設置した２台のカメラ画像から、パンタグラフに接触するトロリー線の位置（パンタグラフ中心からのトロリー線の偏位、トロリー線の垂直高さなど）を計測するものであり、以下の利点がある。
▲１▼レーザ計測方式は計測値が記録されるだけだが、画像処理方式は入力画像を録画できる。これによりトロリー線の異常位置の録画画像を見ることで、パンタグラフ通過時のトロリーの異常状態が視認できる。
▲２▼２台のカメラ画像の交点を比較することにより、パンタグラフと接触しない架線を排除し、接触するトロリー線だけ検出できる。
【００１９】
〔実施例２〕トロリー線計測式
本実施例は実施例１と目的が同じであるが、レンズの汚れや太陽光の写り込みなどの問題を解決するため、図５のようにパンタグラフ１０と平行な位置に３台以上ＩＴＶカメラ２１，２２，…２ｎを設置するものである。
尚、「平行な位置」とは、図５に示すようにパンタグラフ１０のすり板に沿った点線ａとｎ台のＩＴＶカメラ２１，２２，…２ｎの焦点を結んだ点線ｂが、平行な位置関係のことである。
本実施例における処理手順は図４と同様である。
先ず、ｎ台のＩＴＶカメラ２１，２２，…２ｎでパンタグラフ１０の付近を撮影し、第１、第２、…、第ｎカメラ画像を取得する（ステップＳ１）。
【００２０】
次に、第１、第２、…、第ｎカメラ画像について、エッジ検出しエッジから直線を検出し、所定の範囲の垂直な直線をトロリー線候補Ｌ11，Ｌ12，Ｌ13，Ｌ21，Ｌ22，Ｌ23…Ｌn1，Ｌn2，Ｌn3として検出する（ステップＳ２）。
トロリー線候補ＬL1，Ｌ12，Ｌ13は、図６（ａ）に示す第１画像で検出されるものであり、トロリー線候補Ｌn1，Ｌn2，Ｌn3は、図６（ｂ）に示す第ｎ画像で検出されるものである。
尚、エッジ検出としては特に限定するものではなく公知の方法を使用することができる。例えば、特願平６−１４９２４６号に示される方法を使用しても良いし、画像を水平微分する方法を使用しても良い。
【００２１】
また、直線検出としては特に限定するものではなく公知の方法を使用することができる。例えば、特願平６−１４９２４６号に示される特徴抽出方法を使用しても良いし、ハフ変換を使用しても良い。
更に、「所定の範囲」とは、図５に示す構成では、ｎ台のカメラ２１，２２，…２ｎを設置した際にトロリー線が図１のように斜めに見える角度と位置範囲のことである。例えば、垂直から±３０°で、画像上半分の位置など、実験的に角度と位置範囲を決めることができる。
【００２２】
引き続き、ｎ台のＩＴＶカメラ２１，２２，…２ｎからのカメラ画像について、図５に示すように、パンタグラフ１０のすり板部分とパンタグラフの中心Ｃ1，Ｃ2…Ｃnを検出する（ステップＳ３）。
パンタグラフ１０はバネで支えられ上下動するため、位置は一定ではない。
この検出方法としては特に限定するものではなく公知の方法を使用することができる。例えば、特願２０００−３３２８４１号に示されるパターンマッチ方式や特願平６−５７９２４号に示されるモデルベースマッチ方式を採用することができる。
具体的には、予めパンタグラフの濃淡値又は特徴をモデルとして登録し、同時にパンタグラフの中心とすり板の直線位置も登録しておく。そして、このモデルを取得画像へ画像取得毎に対応させ、一致する位置からパンタグラフの中心とすり板部分を検出することにより行う。
【００２３】
その後、トロリー線候補ＬL1，Ｌ12，Ｌ13，Ｌ21，Ｌ22，Ｌ23…Ｌn1，Ｌn2，Ｌn3とパンタグラフ１０のすり板との交点Ｐ11，Ｐ12，Ｐ13，Ｐ21，Ｐ22，Ｐ23…Ｐn1，Ｐn2，Ｐn3を求める（ステップＳ４）。
尚、交点座標はカメラ座標系のピクセル単位であるため、投影変換しパンタグラフ座標系のメートル単位に変換する。
ここで、カメラ座標系とはそれぞれのカメラ焦点を中心とした直交座標系で、パンタグラフ座標系とはパンタグラフ中心を原点とした直交座標系である。
【００２４】
更に、トロリー線候補ＬL1，Ｌ12，Ｌ13，Ｌ21，Ｌ22，Ｌ23…Ｌn1，Ｌn2，Ｌn3から次のようにしてパンタグラフ１０と接触するトロリー線を検出する（ステップＳ５）。
即ち、ステップＳ４で求めた交点ＬL1，Ｌ12，Ｌ13，Ｌ21，Ｌ22，Ｌ23…Ｌn1，Ｌn2，Ｌn3を図７に示すように第１、第２、…第ｎ画像別にプロットし、第１各画像の交点Ｐ11，Ｐ12，Ｐ13、第２画像の交点Ｐ21，Ｐ22，Ｐ23と、…、第ｎ画像の交点Ｐn1，Ｐn2，Ｐn3との距離を組み合わせの数だけ計算し、この距離のうち実験的に決めた閾値以下である組み合わせを抽出する。
図７は、具体的には、交点Ｐ11と交点Ｐn1の距離ｄｘが閾値以下とした場合を示すものであり、この場合には、交点Ｐ11と交点Ｐn1に関するトロリー線候補ＬL1をパンタグラフ１０に接触するトロリー線であると判定することとなる。
その他の交点Ｐ12…Ｐn2、Ｐ13…Ｐn3に関する直線はちょう架線・補助ちょう架線と判断されることになる。
【００２５】
そして、ステップＳ５で求めたパンタグラフ１０と接触するトロリー線の交点から、パンタグラフ上の偏位、トロリー線の垂直高さなどに変換する（ステップＳ６）。
尚、変換された垂直高さはカメラ取り付け位置からトロリー線までの相対距離であるため、レールレベルからカメラ取り付け位置までの距離を加えてレールレベルからの垂直距離に変換してもよい。
また、ステップＳ５において、パンタグラフ１０と接触するトロリー線が複数検出された場合には、それぞれについて位置計測を繰り返す。
【００２６】
このように説明したように本実施例では、ｎ台以上（ｎ≧３）のカメラ画像を処理することにより、１台のカメラ画像が太陽光の写り込みによって画像処理できない場合でも、残りのカメラ画像から接触するトロリー線を検出できるので、カメラ多重化により検出の信頼性が向上する特徴がある。
【００２７】
〔実施例３〕わたり線の離隔距離計測方式
本実施例の処理手順を図１０に示す。接触か非接触の判断は、実施例１の図３のように、左右のカメラ画像で交点が一致するものを接触する架線、一致しないものを接触しない架線と判断する。実施例１のステップＳ１〜Ｓ４は同じであるが、それ以降が異なる。
先ず、２台のＩＴＶカメラ２１，２２でパンタグラフ１０の付近を撮影し、左右のカメラ画像を取得する（ステップＴ１）。
【００２８】
次に、左右のカメラ画像について、エッジ検出しエッジから直線を検出し、所定の範囲の垂直な直線をトロリー線候補ＬL1，ＬL2，ＬR1，ＬR2として検出する（ステップＴ２）。
トロリー線候補ＬL1，ＬL2は、図８（ａ）及び図９（ａ）に示す左画像で検出されるものであり、トロリー線候補ＬR1，ＬR2，ＬR3は、図８（ｂ）及び図９（ｂ）に示す右画像で検出されるものである。
尚、エッジ検出としては特に限定するものではなく公知の方法を使用することができる。例えば、特願平６−１４９２４６号に示される方法を使用しても良いし、画像を水平微分する方法を使用しても良い。
【００２９】
また、直線検出としては特に限定するものではなく公知の方法を使用することができる。例えば、特願平６−１４９２４６号に示される特徴抽出方法を使用しても良いし、ハフ変換を使用しても良い。
更に、「所定の範囲」とは、図２に示す構成では、２台のカメラ２１，２２を設置した際にトロリー線が図１のように斜めに見える角度と位置範囲のことである。例えば、垂直から±３０°で、画像上半分の位置など、実験的に角度と位置範囲を決めることができる。
【００３０】
引き続き、２台のＩＴＶカメラ２１，２２からのカメラ画像について、図１に示すように、パンタグラフ１０のすり板部分とパンタグラフの中心ＣL，ＣRを検出する（ステップＴ３）。
パンタグラフ１０はバネで支えられ上下動するため、位置は一定ではない。
この検出方法としては特に限定するものではなく公知の方法を使用することができる。例えば、特願２０００−３３２８４１号に示されるパターンマッチ方式や特願平６−５７９２４号に示されるモデルベースマッチ方式を採用することができる。
具体的には、予めパンタグラフの濃淡値又は特徴をモデルとして登録し、同時にパンタグラフの中心とすり板の直線位置も登録しておく。そして、このモデルを取得画像へ画像取得毎に対応させ、一致する位置からパンタグラフの中心とすり板部分を検出することにより行う。
【００３１】
その後、トロリー線候補ＬL1，ＬL2，ＬR1，ＬR2とパンタグラフ１０のすり板との交点ＰL1，ＰL2，ＰR1，ＰR2を求める（ステップＴ４）。
尚、交点座標はカメラ座標系のピクセル単位であるため、投影変換しパンタグラフ座標系のメートル単位に変換する。
ここで、カメラ座標系とはそれぞれのカメラ焦点を中心とした直交座標系で、パンタグラフ座標系とはパンタグラフ中心を原点とした直交座標系である。
引き続き、ステップＴ４で求めた交点ＰL1，ＰL2，ＰR1，ＰR2のうち、左右画像で交点が一致するものに関する直線を接触する架線とし、交点が一致しないものに関する直線を接触しない架線とする（ステップＴ５）。
【００３２】
更に、ステップＴ５で１画像について２ヵ所以上接触すると判定された場合には、その離隔距離を計測する（ステップＴ６）。図１１では、２ヵ所接触と判定されたときに、垂直離隔Ｖ及び水平離隔Ｈを求めている。
本実施例は、図８に示すようにトロリー線とパンタグラフとが接触し、わたり線がパンタグラフに接触しな場合や、トロリー線とわたり線の両方がパンタグラフに接触する場合にも適用されるものである。
更に、本実施例では、２台以上のカメラを使用しパンタグラフと接触するわたり線とトロリー線の離隔距離を計測することができ、走行しながら取得した画像から離隔距離を計測するため、動的な状態の計測ができる利点がある。
また、本実施例では左右のカメラ画像と説明しているが、実施例２の様に、３台以上カメラ画像を使用しても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明によれば、以下の利点がある。
（１）レーザ計測方式は計測結果の値が得られるだけだが、画像処理方式は入力画像を録画できるため、異常なトロリー線の位置の録画画像を見ることで、異常値の原因究明が可能である。
（２）２台のカメラ画像の交点を比較することにより、パンタグラフと接触しない架線を排除し、接触する架線を抽出することができる。
（３）３台以上のカメラの交点を比較することにより、パンタグラフと接触しない架線を排除し、接触する架線を抽出することができる。
（４）わたり線は動的な状態で検出されることが望まれている。本発明は、走行しながら取得した画像を使用する為、動的な離隔距離が計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る左右画像を示す説明図である。
【図２】本発明の実施例１に係る位置計測装置の構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係るパンタグラフ中心に対する交点位置を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例１に係るフローチャートである。
【図５】本発明の実施例２に係るカメラ設置位置を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例１に係る第１、第ｎ画像を示す説明図である。
【図７】本発明の実施例２に係るパンタグラフ中心に対する交点位置を示す説明図である。
【図８】本発明の実施例３に係る左右画像を示す説明図である。
【図９】本発明の実施例３に係る左右画像を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施例３に係るフローチャートである。
【図１１】わたり線とトロリー線との離隔を示す説明図である。
【符号の説明】
１０  パンタグラフ
２１，２２，…２ｎ  カメラ
４０  画像処理部
５０  記録部
【図１】
0003882683.tif 000002
【図２】
0003882683.tif 000003
【図３】
0003882683.tif 000004
【図４】
0003882683.tif 000005
【図５】
0003882683.tif 000006
【図６】
0003882683.tif 000007
【図７】
0003882683.tif 000008
【図８】
0003882683.tif 000009
【図９】
0003882683.tif 000010
【図１０】
0003882683.tif 000011
【図１１】
0003882683.tif 000012