(57)【要約】【課題】計測位置の自由度の高い回転速度計測装置を提供する。【解決手段】撮像領域１０を撮像する撮像部２１から撮像時期が互いに異なる複数の第１画像データを取得し、回転体１１の特徴点の周回軌道を楕円軌道として生成する軌道生成部２７と、楕円軌道を真円軌道へ変換する変換行列を演算する変換行列演算部２８と、撮像部２１による撮像時期が互いに異なる２つの第２画像データを取得し、その２つの第２画像データにおける特徴点の座標である観測座標の各々を上記変換行列を用いて計測座標へ変換する座標変換部３０と、計測座標に基づく回転体の回転角度と２つの第２画像データを取得する時間間隔とに基づいて回転体の回転速度を計測する計測部３１とを備える。【選択図】図１
2016217842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像領域を撮像する撮像部から撮像時期が互いに異なる複数の第１画像データを取得し、回転体の特徴点の周回軌道を楕円軌道として生成する軌道生成部と、
前記楕円軌道を真円軌道へ変換する変換行列を演算する変換行列演算部と、
前記撮像部による撮像時期が互いに異なる２つの第２画像データを取得し、前記２つの第２画像データにおける前記特徴点の座標である観測座標の各々を前記変換行列を用いて計測座標へ変換する座標変換部と、
前記計測座標に基づく前記回転体の回転角度と前記２つの第２画像データを取得する時間間隔とに基づいて前記回転体の回転速度を計測する計測部とを備える
回転速度計測装置。
【請求項２】
前記撮像領域における各座標を互いに直交するＸ軸とＹ軸とで構成されるＸＹ座標系の座標とするとき、
前記変換行列は、前記ＸＹ座標系の原点へ前記楕円軌道の中心を平行移動する第１変換行列と、前記第１変換行列による平行移動後に前記ＸＹ座標系の原点を中心として前記楕円軌道を回転させて前記楕円軌道の長軸を前記Ｘ軸若しくは前記Ｙ軸に一致させる第２変換行列と、前記第２変換行列による回転移動後に前記楕円軌道を前記真円軌道に変換する第３変換行列とを含む
請求項１に記載の回転速度計測装置。
【請求項３】
前記変換行列は、前記楕円軌道の長径を直径とする真円軌道に前記楕円軌道を変換する
請求項１または２に記載の回転速度計測装置。
【請求項４】
前記計測部は、前記計測座標と、前記真円軌道上の座標のうちで前記計測座標に最も近い座標とのずれを前記回転体の軸ずれとして計測する
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転速度計測装置。
【請求項５】
前記第２画像データにおける前記特徴点の到達領域を推定する推定部をさらに備え、
前記座標変換部は、前記特徴点の検出を前記到達領域から行い、前記到達領域にて前記特徴点が検出されると前記到達領域以外の前記撮像領域における前記特徴点の検出を行うことなく座標変換を行う
請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転速度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の回転速度を計測する回転速度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、回転体の回転速度を非接触式で計測する回転速度計測装置が知られている。例えば特許文献１には、非接触式の回転速度計測装置の一例として光学式の装置が開示されている。特許文献１に記載の回転速度計測装置は、回転体に取り付けられた高反射部が通過する位置に照射光を照射する照射部と高反射部で反射した照射光の反射光を受光する受光部とを備える。そして、回転体の回転中に照射部から照射光を照射し、高反射部が通過するたびに発生する照射光の反射光を受光部が受光する時間間隔に基づき回転体の回転速度を計測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１７４８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１の回転速度計測装置においては、照射光の反射光を受光できるように受光部を設置しなければならない。そのため、回転体の回転速度を計測する計測位置が制限されてしまう。
【０００５】
本発明は、計測位置の自由度の高い回転速度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する回転速度計測装置は、撮像領域を撮像する撮像部から撮像時期が互いに異なる複数の第１画像データを取得し、回転体の特徴点の周回軌道を楕円軌道として生成する軌道生成部と、前記楕円軌道を真円軌道へ変換する変換行列を演算する変換行列演算部と、前記撮像部による撮像時期が互いに異なる２つの第２画像データを取得し、前記２つの第２画像データにおける前記特徴点の座標である観測座標の各々を前記変換行列を用いて計測座標へ変換する座標変換部と、前記計測座標に基づく前記回転体の回転角度と前記２つの第２画像データを取得する時間間隔とに基づいて前記回転体の回転速度を計測する計測部とを備える。
【０００７】
正面以外から回転体を撮像した場合、回転体における任意の点の軌道は楕円軌道となる。上記構成によれば、特徴点の軌道が楕円形状であることを前提として特徴点の軌道を演算し、その楕円軌道を真円軌道へと変換する変換行列が演算される。そして、第２画像データにおける特徴点の座標が変換行列によって計測座標へと変換される。すなわち、計測座標は、回転体を正面から撮像した場合の特徴点の座標である。これにより、計測座標に基づく回転体の回転角度と第２画像データの取得する時間間隔とに基づいて回転体の回転速度を計測することができる。つまり、回転体を正面からではなく、例えば斜めから撮像した場合であっても回転体の回転速度を計測することができる。その結果、回転計測装置の計測位置に関する自由度を向上させることができる。
【０００８】
上記回転速度計測装置において、前記撮像領域における各座標を互いに直交するＸ軸とＹ軸とで構成されるＸＹ座標系の座標とするとき、前記変換行列は、前記ＸＹ座標系の原点へ前記楕円軌道の中心を平行移動する第１変換行列と、前記第１変換行列による平行移動後に前記ＸＹ座標系の原点を中心として前記楕円軌道を回転させて前記楕円軌道の長軸を前記Ｘ軸若しくは前記Ｙ軸に一致させる第２変換行列と、前記第２変換行列による回転移動後に前記楕円軌道を前記真円軌道に変換する第３変換行列とを含むことが好ましい。
【０００９】
上記構成によれば、反復法を用いる必要がないことから、楕円軌道に対する平行移動や回転移動を行うことなく真円軌道を演算する場合に比べて、真円軌道を求める際の演算が簡素化される。その結果、回転速度計測装置の処理速度を安定的に向上させることができる。
【００１０】
上記回転速度計測装置において、前記変換行列は、前記楕円軌道の長径を直径とする真円軌道に前記楕円軌道を変換することが好ましい。
上記構成によれば、変換行列は、楕円軌道の長径を直径とする真円軌道に楕円軌道を変換する。これにより、楕円軌道は、回転体を正面から撮像した場合の特徴点の軌道を示す真円軌道へと変換される。
【００１１】
上記回転速度計測装置において、前記座標変換部は、前記第２画像データにおける前記特徴点の座標を取得し、前記楕円軌道上の座標のうちで前記特徴点の座標に最も近い座標を前記観測座標に設定することが好ましい。
【００１２】
上記構成によれば、第２画像データにおける特徴点の座標が楕円軌道からずれているときに、楕円軌道上の座標のうちで特徴点の座標に最も近い座標が観測座標に設定される。これにより、計測座標を真円軌道上の座標として回転体の回転速度を計測できる。
【００１３】
上記回転速度計測装置は、前記第２画像データにおける前記特徴点の到達領域を推定する推定部をさらに備え、前記座標変換部は、前記特徴点の検出を前記到達領域から行い、前記到達領域にて前記追跡点が検出されると前記到達領域以外の前記撮像領域における前記追跡点の検出を行うことなく、座標変換を行うことが好ましい。
【００１４】
上記構成によれば、第２画像データにおける特徴点の検出が到達領域から行われることから、第２画像データにおける特徴点の検出に要する時間を短縮することができる。その結果、回転速度計測装置の処理速度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
上記回転速度計測装置によれば、回転体の回転速度を計測する計測位置の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の回転速度計測装置の概略構成を示す概略構成図である。
【図２】計測処理の一例を示すフローチャートである。
【図３】領域抽出部が抽出した回転領域を模式的に示す図である。
【図４】追跡点と楕円軌道との関係の一例を模式的に示す図である。
【図５】（ａ）は第１変換行列による座標変換の一例を模式的に示すであり、（ｂ）は第２変換行列による座標変換の一例を模式的に示す図であり、（ｃ）は第３変換行列による座標変換の一例を模式的に示す図である。
【図６】座標変換部による座標変換の一例を示す図である。
【図７】表示部による回転速度の表示の一例を示す図である。
【図８】第２実施形態において、軸ずれベクトルの一例を模式的に示す図である。
【図９】第３実施形態の回転速度計測装置の概略構成を示す概略構成図である。
【図１０】第３実施形態における本計測処理の一例を示す図である。
【図１１】到達領域の一例を模式的に示す図である。
【図１２】（ａ）は第１推定行列および第２推定行列による座標変換の一例を模式的に示すであり、（ｂ）は第３推定行列による座標変換の一例を模式的に示す図であり、（ｃ）は第４推定行列による座標変換の一例を模式的に示す図である。
【図１３】第３実施形態の変形例において、（ａ）は変換座標の一例を模式的に示す図であり、（ｂ）はテーブルを用いた到達座標の演算過程を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
図１〜図７を参照して、回転速度計測装置の第１実施形態について説明する。回転速度計測装置は、計測対象である回転体を撮像した画像データに対する画像処理により、回転体の単位時間あたりの回転数である回転速度を計測する。
【００１８】
図１に示すように、回転速度計測装置２０は、撮像領域１０を撮像する撮像部２１と、各種処理を行う処理部２２と、ユーザによって操作される操作部２３と、各種情報を表示する表示部２４とを備える。
【００１９】
撮像部２１は、撮像領域１０を所定のフレームレートで撮像するモノクロカメラである。撮像部２１は、撮像領域１０に回転体１１が含まれるように配置され、フレームレートに応じた時間間隔で撮像領域１０の画像（静止画）を撮像し、その撮像した画像の画像データを処理部２２に連続的に出力する。画像データは、撮像領域１０の各所に割り当てられた画素に対して画素情報として輝度情報が対応付けられたデータである。撮像領域１０における各画素は、撮像領域１０の横方向をＸ方向、撮像領域１０の縦方向をＹ方向として、１つの画素を原点とするＸＹ座標系の座標として示される。なお、図１中に示すＸ方向およびＹ方向は、撮像領域１０の各画素がＸＹ座標系で示されることを説明するために記載したものである。ＸＹ座標系の任意座標Ｐを便宜上（Ｐｘ  Ｐｙ  １）で示す。図１に例示されるように、撮像部２１は、複数のブレード１１ａを有して時計回り方向に回転する回転体１１を斜め上方から撮像している。
【００２０】
処理部２２は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されたマイクロコンピュータで構成されている。処理部２２は、撮像部２１の画像データから生成した表示データを連続的に表示部２４に出力することにより、撮像領域１０の一部の動画像を表示部２４に表示する。処理部２２は、ユーザによる操作部２３の操作により、回転体１１の回転速度の計測開始を示す信号が入力されると回転速度の計測処理を開始し、回転速度の計測終了を示す信号が入力されると回転速度の計測処理を終了する。処理部２２は、回転体１１の回転速度の計測結果を示す信号を表示部２４に出力することにより、表示部２４に回転体１１の回転速度を表示する。処理部２２は、例えばコンピュータにインストールされた計測座標に基づいて回転体１１の回転速度を計測する計測プログラムといったコンピュータプログラムを実行することにより各部の処理を行う。
【００２１】
処理部２２は、撮像領域１０における各種領域を抽出する領域抽出部２５と、回転体１１における特徴点の少なくとも１つを追跡点に設定する追跡点設定部２６と、追跡点の軌道を楕円軌道として生成する軌道生成部２７とを備える。処理部２２は、該楕円軌道を真円軌道に変換する変換行列を演算する変換行列演算部２８と、回転速度を計測する際の各種のパラメータを設定するパラメータ設定部２９とを備える。処理部２２は、変換行列を用いて追跡点の座標を計測座標へ変換する座標変換部３０と、計測座標に基づいて回転体１１の回転速度を計測する計測部３１とを備える。
【００２２】
図２に示すように、計測処理において、処理部２２は、画像データに対する画像処理により回転体１１の回転速度を計測するための各種の情報を取得する準備処理（ステップＳ１０）を実行する。また、処理部２２は、画像データに対する画像処理により回転体１１の回転速度を計測する本計測処理（ステップＳ２０）を実行する。なお、以下では、準備処理において撮像部２１が撮像した画像データを第１画像データ、本計測処理において撮像部２１が撮像した画像データを第２画像データという。
【００２３】
ステップＳ１０の準備処理は、領域の抽出（ステップＳ１１）、追跡点の設定（ステップＳ１２）、楕円軌道の生成（ステップＳ１３）、変換行列の演算（ステップＳ１４）、パラメータの設定（ステップＳ１５）で構成される。また、ステップＳ２０の本計測処理は、観測座標の変換（ステップＳ２１）とパラメータの調整（ステップＳ２２）とで構成され、これらのステップが繰り返し実行される。
【００２４】
ステップＳ１１である領域の抽出において、領域抽出部２５は、第１画像データに対して例えばラベリング処理やエッジ処理の画像処理を行うことにより撮像領域１０内に位置する物体の形状を示す形状情報を生成する。また領域抽出部２５は、撮像時期が第１時間幅Ｄ１だけ異なる第１画像データに対してオプティカルフロー処理を行う。オプティカルフロー処理は、複数の画素で構成される等間隔格子のブロックで撮像領域１０を分割し、画像データ間における各ブロックの変位を示す移動ベクトルを取得する処理である。領域抽出部２５は、各ブロックの変位を示す移動ベクトルを取得し、各ブロックの位置と移動ベクトルとを対応付けた領域抽出情報を生成する。なお、領域抽出部２５は、第１時間幅Ｄ１が変更可能に構成されている。これにより、様々な回転速度で回転する回転体の回転領域を抽出することが可能となる。
【００２５】
図３に示すように、領域抽出部２５は、領域抽出情報に基づく各ブロックの移動ベクトルの規則性と形状情報に基づく撮像領域１０内の物体の形状とを比較したうえで回転体１１が回転する領域である回転領域３４を抽出する。領域抽出部２５は、回転体１１を正面以外から撮像している場合には楕円形状の回転領域３４を抽出し、また、物体の移動が検出されない領域を背景３５に設定する。
【００２６】
図３に示すように、ステップＳ１２である追跡点の設定において、追跡点設定部２６は、第１画像データに対する画像処理により回転体１１における特徴点３６を検出する。特徴点３６は、回転体１１のうちで輝度の微分値が大きい部分、すなわちコントラストが大きい特徴点であって、例えば回転体１１のエッジ上にある点であってもよいし、回転体１１が有する傷や回転体１１に貼付けられた目印であってもよい。追跡点設定部２６は、特徴点３６のうちの１つを追跡点３８に設定する。なお、追跡点３８は、特徴点３６のうちで回転体１１の回転中も検出し続けることが可能な特徴点３６であることが好ましい。
【００２７】
図４に示すように、ステップＳ１３である楕円軌道の生成において、軌道生成部２７は、複数の第１画像データに対する画像処理により、追跡点３８の軌道を生成するための座標である軌道生成座標３９を取得する。軌道生成部２７は、それらの軌道生成座標３９に基づいて追跡点３８の周回軌道を楕円軌道４０として生成する。軌道生成部２７は、例えば最小二乗法を用いた楕円近似により楕円軌道４０を生成する。この楕円軌道４０は、中心座標Ｃ（Ｃｘ  Ｃｙ  １）、長軸の長さである長径２ａ、短軸の長さである短径２ｂ（ｂ＜ａ）、および、Ｘ方向に対する長軸の傾斜角度θｅで構成されている。なお、角度については、回転中心に対する反時計回り方向をプラス、時計回り方向をマイナスで示す。
【００２８】
ステップＳ１４である変換行列の演算において、変換行列演算部２８は、撮像領域１０における各座標を回転体１１の回転速度を計測するための座標である計測座標へと変換する変換行列Ａを演算する。変換行列Ａは、以下に示す第１変換行列Ａ１、第２変換行列Ａ２、および、第３変換行列Ａ３で構成される。
【００２９】
図５（ａ）に示すように、第１変換行列Ａ１は、楕円軌道４０の中心座標ＣをＸＹ座標系の原点へ平行移動させる行列であり、式（１）で示される。これにより、楕円軌道４０上の任意座標Ｐ（Ｐｘ  Ｐｙ  １）は、楕円軌道４１上の座標Ｐ１（Ｐ１ｘ  Ｐ１ｙ  １）に移動する。
【００３０】
【数１】
2016217842.tif 000003
【００３１】
図５（ｂ）に示すように、第２変換行列Ａ２は、ＸＹ座標系の原点を回転中心として楕円軌道４１を傾斜角度−θｅだけ回転移動させる行列、すなわち楕円軌道４１の長軸をＸＹ座標系のＸ軸に一致させる行列であり、式（２）で示される。これにより、楕円軌道４１上の座標Ｐ１は、楕円軌道４２上の座標Ｐ２（Ｐ２ｘ  Ｐ２ｙ  １）に移動する。
【００３２】
【数２】
2016217842.tif 000004
【００３３】
図５（ｃ）に示すように、第３変換行列Ａ３は、楕円軌道４２をＸＹ座標系の原点を中心とする真円軌道へ変換する行列である。第３変換行列Ａ３は、楕円軌道４２の長径２ａを直径とする真円軌道４５に変換する行列であり、式（３）で示される。これにより、楕円軌道４２上の座標Ｐ２は、ＸＹ座標系の原点を中心とする真円軌道４５上の座標Ｐ３（Ｐ３ｘ  Ｐ３ｙ  １）へと移動する。
【００３４】
【数３】
2016217842.tif 000005
【００３５】
これらの第１〜第３変換行列Ａ１〜Ａ３によって、楕円軌道４０は、回転体１１を正面から撮像し、かつ、該回転体１１の回転中心を原点として追跡点３８の軌道を近似した真円軌道４５へと変換される。こうして変換された座標が計測座標である。すなわち、計測座標Ｐｍは、例えばＰｍ＝ＰＡ＝Ｐ（Ａ１）（Ａ２）（Ａ３）で示される。楕円軌道４０上の任意座標Ｐ（Ｐｘ  Ｐｙ  １）については、真円軌道４５上の座標Ｐ３が計測座標Ｐｍ（Ｐｍｘ  Ｐｍｙ  １）である。
【００３６】
ステップＳ１５のパラメータの設定において、パラメータ設定部２９は、回転体１１の回転速度を計測するための各種の情報を設定する。パラメータ設定部２９は、本計測処理において回転体１１の回転速度を計測する際に画像処理を行う領域である処理領域を設定する。パラメータ設定部２９は、領域の抽出（ステップＳ１１）において抽出された回転領域３４を処理領域に設定する。パラメータ設定部２９は、回転領域３４の抽出時における領域抽出情報に基づいて回転体１１の回転方向を設定するとともに、回転体１１のおおよその回転速度を演算し、本計測処理において第２画像データを取得する時間間隔である第２時間幅Ｄ２を設定する。この際、パラメータ設定部２９は、形状情報からブレード１１ａのピッチ角を取得し、回転速度に基づく回転体１１の回転角度θが該ピッチ角未満となるように第２時間幅Ｄ２を設定することが好ましい。
【００３７】
次に、本計測処理（ステップＳ２０）について説明する。
図２に示したように、本計測処理（ステップＳ２０）では、回転速度の計測（ステップＳ２１）とパラメータの調整（ステップＳ２２）とが繰り返し実行される。
【００３８】
ステップＳ２１の回転速度の計測において、座標変換部３０は、パラメータ設定部２９が設定した第２時間幅Ｄ２で第２画像データを取得し、その取得した第２画像データの回転領域３４に対して画像処理を行う。
【００３９】
図６に示すように、座標変換部３０は、第２画像データに対する画像処理により、ＸＹ座標系における追跡点３８の座標である第１観測座標Ｐｂ１（Ｐｂ１ｘ  Ｐｂ１ｙ  １）を取得し、この第１観測座標Ｐｂ１を変換行列Ａを用いて第１計測座標Ｐｍ１（Ｐｍ１ｘ  Ｐｍ１ｙ  １）へと変換する。また、座標変換部３０は、次に取得する第２画像データに対する画像処理により、第２時間幅Ｄ２後のＸＹ座標系における追跡点３８の座標である第２観測座標Ｐｂ２（Ｐｂ２ｘ  Ｐｂ２ｙ  １）を取得し、この第２観測座標Ｐｂ２を変換行列Ａを用いて第２計測座標Ｐｍ２（Ｐｍ２ｘ  Ｐｍ２ｙ  １）へと変換する。
【００４０】
また、ステップＳ２１の回転速度の計測において、計測部３１は、第１計測座標Ｐｍ１と第２計測座標Ｐｍ２とに基づいて第２時間幅Ｄ２における回転体１１の回転角度θを演算する。そして計測部３１は、この回転角度θと第２時間幅Ｄ２とに基づいて回転速度を計測し、その回転速度を示す信号を表示部２４に出力する。表示部２４は、例えば図７に示すように、回転領域３４と回転速度とを関連付けて表示する。
【００４１】
なお、２回目以降のステップＳ２１において計測部３１が画像処理を行う第２画像データは、当該ステップＳ２１にて取得する２つの第２画像データであってもよいし、前回のステップＳ２１にて取得した第２画像データと今回のステップＳ２１に取得した第２画像データとであってもよい。
【００４２】
ステップＳ２２のパラメータの調整において、パラメータ設定部２９は、ステップＳ２１での画像処理の結果に基づいて、必要に応じて各種パラメータを再設定する。例えば、パラメータ設定部２９は、回転角度θがピッチ角以上になった場合、あるいは、回転角度θがピッチ角以上になると推定される場合には、回転角度θがピッチ角未満となるように第２時間幅Ｄ２を再設定する。
【００４３】
処理部２２は、上述した回転速度の計測（ステップＳ２１）とパラメータの調整（ステップＳ２２）とを繰り返しながら回転体１１の回転速度を計測し、その計測結果を示す信号を表示部２４に連続的に出力する。なお、処理部２２は、回転体１１が１回転するのに十分な時間だけ追跡点３８が検出されない場合には本計測処理を終了する。
【００４４】
第１実施形態の回転速度計測装置２０によれば、以下に示す作用効果が得られる。
（１）軌道生成部２７は、回転体１１の追跡点３８の周回軌道を楕円軌道４０として生成し、変換行列演算部２８は、楕円軌道４０の長径２ａを直径とし、かつ、ＸＹ座標系の原点を中心とする真円軌道４５に楕円軌道４０を変換する変換行列Ａを演算する。座標変換部３０は、変換行列Ａを用い、第２画像データにおける追跡点３８の座標である第１観測座標Ｐｂ１を第１計測座標Ｐｍ１へ、また、次の第２画像データにおける追跡点３８の座標である第２観測座標Ｐｂ２を第２計測座標Ｐｍ２へと変換する。そして、計測部３１は、第１計測座標Ｐｍ１、第２計測座標Ｐｍ２、および、第２時間幅Ｄ２に基づいて回転体１１の回転速度を計測する。
【００４５】
こうした構成において、第１および第２計測座標Ｐｍ１，Ｐｍ２は、回転体１１を正面から撮像し、かつ、該回転体１１の回転中心を原点とする追跡点３８の座標である。そのため、図１に例示したように、回転体１１を斜め上方から撮像した場合であっても、第１および第２観測座標Ｐｂ１，Ｐｂ２に基づいて回転体１１の回転速度を計測することができる。その結果、回転速度計測装置２０の計測位置についての自由度を向上させることができる。
【００４６】
（２）変換行列Ａは、楕円軌道４０を平行移動させる第１変換行列Ａ１、平行移動後の楕円軌道４１を回転移動させる第２変換行列Ａ２、および、回転移動後の楕円軌道４２を真円軌道４５に変換する第３変換行列Ａ３で構成されている。
【００４７】
そのため、第１変換行列Ａ１による平行移動や第２変換行列Ａ２による回転移動を行うことなく真円軌道を演算する場合に比べて、真円軌道４５の演算が簡素化される。また、第１および第２計測座標Ｐｍ１，Ｐｍ２は、真円軌道４５の中心を原点とする座標系の座標であることから、回転体１１の回転速度、すなわち回転角度θを計測する際の演算が簡素化される。その結果、回転速度計測装置２０の処理速度を向上させることができる。
【００４８】
（３）変換行列Ａは、楕円軌道４０の長径２ａを直径とする真円軌道４５に楕円軌道４０を変換する。すなわち、真円軌道４５は、回転体１１を正面から撮像した場合の追跡点３８の軌道を近似した軌道である。これにより、回転体１１を正面から撮像した場合の座標へと第１および第２観測座標Ｐｂ１，Ｐｂ２を変換することができる。
【００４９】
（４）計測部３１は、領域抽出部２５が抽出した回転領域３４を処理領域として第２画像データに対する画像処理を行う。こうした構成によれば、回転速度を計測する際の画像処理の対象を撮像領域１０の一部とすることができる。その結果、回転速度の計測時における回転速度計測装置２０の処理速度を向上させることができる。
【００５０】
（５）処理部２２は、各画素に輝度情報が対応付けられた画像データを処理する。そのため、処理部２２が例えばカラー情報を含む画像データを処理する場合に比べて、処理部２２の処理速度が向上する。また、撮像部２１がモノクロカメラであることから、例えば、カラー情報を含む画像データを輝度情報の画像データに変換する必要もない。すなわち、回転速度計測装置２０の処理速度を効率よく向上させることができる。
【００５１】
なお、第１実施形態は、以下のように変更して実施することも可能である。
・第１実施形態において、第３変換行列Ａ３は、楕円軌道４０の短径２ｂを直径とする真円軌道に行列であってもよい。こうした構成によれば、第３変換行列Ａ３が楕円軌道４０の長径２ａを直径とする真円軌道に変換する行列である場合に比べて、第３変換行列Ａ３による変換後の真円軌道の中心座標、すなわちＸＹ座標系の原点に対して計測座標を近づけることができる。また、第２変換行列Ａ２は、楕円軌道４０の長軸をＹ軸に一致させる行列であってもよい。
【００５２】
・第１実施形態において、計測部３１は、新たに取得した第２画像データにおいて追跡点３８が検出できないときには、次の第２画像データを取得してもよい。こうした構成であっても、最後に追跡点３８を検出した第２画像データと次に追跡点３８を検出した第２画像データとの時間幅、および、これらの追跡点３８の回転角度θに基づいて回転速度を計測することができる。
【００５３】
（第２実施形態）
図８を参照して、回転速度計測装置の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の回転速度計測装置は、第１実施形態の回転速度計測装置と主要な構成が同じである。そのため、第２実施形態においては、第１実施形態と異なる部分について詳細に説明し、第１実施形態と同様の部分については同様の符号を付すことによりその詳細な説明は省略する。
【００５４】
楕円軌道４０は、追跡点３８の周回軌道を楕円近似したものである。そのため、第２画像データから得られる追跡点３８の座標は、楕円軌道４０からずれていることが少なくない。こうしたずれは、回転体１１の回転軸のずれである軸ずれに起因している。第２実施形態において計測部３１は、回転体１１の回転速度に加えて回転体１１の軸ずれを計測する。なお、軸ずれは、下記に示す軸ずれ量と軸ずれ方向とによって構成される。
【００５５】
図８に示すように、計測部３１は、第２画像データを取得して第２観測座標Ｐｂ２を第２計測座標Ｐｍ２に変換すると、真円軌道４５のうちで第２計測座標Ｐｍ２に対して最も近い座標、すなわち第２計測座標Ｐｍ２に対する距離が最も短い座標を最短座標Ｐｓ（Ｐｓｘ  Ｐｓｙ  １）に設定する。例えば、計測部３１は、真円軌道４５と、ＸＹ座標系の原点および第２計測座標Ｐｍ２を通る直線５０との交点を最短座標Ｐｓに設定する。そして計測部３１は、最短座標Ｐｓに対する第２計測座標Ｐｍ２の相対位置ベクトルを軸ずれベクトル５１に設定する。計測部３１は、軸ずれベクトル５１の大きさを軸ずれ量として計測し、軸ずれベクトル５１の方向を軸ずれ方向として計測する。
【００５６】
第２実施形態の回転速度計測装置によれば、第１実施形態の（１）〜（５）に記載した作用効果に加えて、以下に示す作用効果が得られる。
（６）楕円軌道４０は、実際に回転している回転体１１を撮像した複数の第１画像データに基づいて、追跡点３８の周回軌道を楕円近似した軌道である。すなわち、楕円軌道４０は、回転体１１の軸ずれを含んだ追跡点３８の周回軌道を近似したものであるから、回転体１１に軸ずれが生じていない場合の追跡点３８の軌道に近い軌道である。上記構成によれば、真円軌道４５および計測座標Ｐｍに基づいて回転体１１の軸ずれを高い信頼度のもとで計測することができる。
【００５７】
なお、第２実施形態は、以下のように変更して実施することも可能である。
・回転体１１における複数の特徴点３６が軸ずれ計測用の追跡点に設定され、これら軸ずれ計測用の追跡点の各々の軸ずれベクトルに基づいて回転体１１の軸ずれが計測されてもよい。例えば、ｎ個（ｎは２以上の整数）の軸ずれ計測用の追跡点が設定された場合、計測部３１は、各軸ずれベクトルを合成した合成ベクトルを求め、この合成ベクトルの大きさをｎで除算した値を軸ずれ量として計測し、該合成ベクトルの方向を軸ずれ方向として計測することが好ましい。
【００５８】
（第３実施形態）
図９〜図１２を参照して、回転速度計測装置の第３実施形態について説明する。
なお、第３実施形態の回転速度計測装置は、第１実施形態の回転速度計測装置と主要な構成が同じである。そのため、第３実施形態においては、第１実施形態と異なる部分について詳細に説明し、第１実施形態と同様の部分については同様の符号を付すことによりその詳細な説明は省略する。
【００５９】
図９に示すように、回転速度計測装置６０において、処理部２２は、上述した各機能部に加えて、推定部６１を備えている。
図１０に示すように、回転速度計測装置６０において、本計測処理は、回転速度の計測（ステップＳ２１）、パラメータの調整（ステップＳ２２）の他、到達領域の推定（ステップＳ２３）で構成され、これらが繰り返し実行される。
【００６０】
図１１に示すように、到達領域の推定（ステップＳ２３）において、推定部６１は、次に取得する第２画像データにおける追跡点３８の到達領域６４を推定する。推定部６１は、パラメータ設定部２９が設定した回転体１１の回転方向および第２時間幅Ｄ２、直前の第２画像データに基づく追跡点３８の計測座標Ｐｍ、計測部３１の計測結果である回転速度に基づいて追跡点３８の到達座標を推定し、この到達座標の周辺領域を到達領域６４に設定する。推定部６１は、以下に示す第１推定行列Ｂ１、第２推定行列Ｂ２、第３推定行列Ｂ３、および、第４推定行列Ｂ４で構成される推定行列Ｂに基づいて到達座標を推定する。なお、推定部６１は、変換行列の演算（ステップＳ１４）において、変換行列Ａとともに推定行列Ｂを演算する。
【００６１】
図１２（ａ）に示すように、第１推定行列Ｂ１は、回転速度の計測に用いた回転角度θだけ第１計測座標Ｐｍ１（Ｐｍ１ｘ  Ｐｍ１ｙ  １）が変位するものとした座標Ｐ１１（Ｐ１１ｘ  Ｐ１１ｙ  １）を演算する行列であり、式（４）で示される。
【００６２】
【数４】
2016217842.tif 000006
【００６３】
また、第２推定行列Ｂ２は、座標Ｐ１１をＸＹ座標系の原点を中心とする楕円軌道４２上の座標Ｐ１２（Ｐ１２ｘ  Ｐ１２ｙ  １）に変換する行列であり、式（５）で示される。
【００６４】
【数５】
2016217842.tif 000007
【００６５】
図１２（ｂ）に示すように、第３推定行列Ｂ３は、座標Ｐ１２をＸＹ座標系の原点を回転中心として傾斜角度θｅだけ回転移動させた座標Ｐ１３（Ｐ１３ｘ  Ｐ１３ｙ  １）に変換する行列であり、式（６）で示される。
【００６６】
【数６】
2016217842.tif 000008
【００６７】
図１２（ｃ）に示すように、第４推定行列Ｂ４は、楕円軌道４１の中心座標を楕円軌道４０の中心座標Ｃへと平行移動させる行列であり、式（７）で示される。
【００６８】
【数７】
2016217842.tif 000009
【００６９】
これにより、座標Ｐ１３は、到達座標Ｐｒ（Ｐｒｘ  Ｐｒｙ  １）へと変換される。すなわち、到達座標Ｐｒは、例えばＰｒ＝Ｐｍ１（Ｂ）＝Ｐｍ１（Ｂ１）（Ｂ２）（Ｂ３）（Ｂ４）で示される。そして推定部６１は、到達座標Ｐｒを基準として楕円軌道４０に沿う周辺領域を到達領域６４に設定する。
【００７０】
ステップＳ２１の回転速度の計測において、座標変換部３０は、パラメータ設定部２９が設定した第２時間幅Ｄ２で第２画像データを取得し、その取得した第２画像データの回転領域３４に対して画像処理を行う。この際、座標変換部３０は、到達領域６４に対する画像処理を優先して行い、到達領域６４にて追跡点３８を検出すると回転領域３４に対する画像処理を終了する。計測部３１は、検出した追跡点３８の座標である第１および第２計測座標Ｐｍ１，Ｐｍ２に基づいて回転体１１の回転角度θを演算する。そして計測部３１は、回転角度θと第２時間幅Ｄ２とに基づいて回転体１１の回転速度を計測する。
【００７１】
第３実施形態の回転速度計測装置６０によれば、第１実施形態の（１）〜（５）に記載した作用効果に加えて、以下に示す作用効果が得られる。
（８）推定部６１は、次に取得する第２画像データにおける追跡点３８の到達領域６４を設定する。計測部３１は、到達領域６４に対する画像処理を優先して行い、該到達領域６４において追跡点３８が検出された場合には、回転領域３４に対する画像処理を終了する。こうした構成によれば、回転速度を計測するうえで、画像処理の対象をさらに限定することが可能である。その結果、回転速度計測装置６０の処理速度をさらに向上させることができる。
【００７２】
上記第３実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・第３実施形態における到達領域６４の推定（ステップＳ２３）において、推定部６１は、第１計測座標Ｐｍ１と推定行列Ｂとを用いた演算により到達座標Ｐｒを設定した。これに限らず、推定部６１は、真円軌道４５上の座標と楕円軌道４０上の座標とを対応付けたテーブルを用いて到達座標Ｐｒを設定してもよい。この場合、推定部６１は、準備処理（ステップＳ１０）の段階でテーブルを作成する。
【００７３】
図１３（ａ）に示すように、テーブルの作成において、推定部６１は、真円軌道４５上の座標のうち、Ｘ軸に対する角度である位置角度θｐが所定の位置角度差ｄθごとの座標である、変換座標Ｐｃｉ（Ｐｃｉx  Ｐｃｉｙ  １）に対し、推定行列Ｂで楕円軌道４０上の座標を演算することで、真円軌道４５上の各変換座標Ｐｃｉと楕円軌道４０上の座標を対応付けたテーブルを作成する。ここで、ｉは０以上の整数であり、位置角度差ｄθに応じて最大値が設定される。下記の表１は、長径２ａ＝１６０、短径２ｂ＝８０、中心座標Ｃ（１００  ２００  １）、傾斜角度θｅ＝６０°、位置角度差ｄθ＝５°の場合におけるテーブルの一部を例示している。なお、表１では、変換座標Ｐｃｉを位置角度θｐで示している。
【００７４】
【表１】
2016217842.tif 000010
【００７５】
推定部６１は、上記のようにして作成したテーブルを保持し、以下のようにして到達座標Ｐｒを設定する。
図１３（ｂ）に示すように、到達領域の推定（ステップＳ２３）において、推定部６１は、直近の第２画像データにおける追跡点３８の座標を第１計測座標Ｐｍ１に設定する。次に、推定部６１は、回転速度の計測に用いた回転角度θだけ第１計測座標Ｐｍ１が変位した仮想到達座標Ｐｖと仮想到達座標Ｐｖの位置角度θｐｖとを求める。そして推定部６１は、テーブルに規定されている位置角度θｐのうちで仮想到達座標Ｐｖの位置角度θｐｖに最も近い位置角度θｐを選択し、その選択した位置角度θｐに対応付けられている楕円軌道座標を到達座標Ｐｒに設定する。なお、図１３（ｂ）の場合においては、仮想到達座標Ｐｖの位置角度θｐｖに最も近い位置角度θｐとして、変換座標Ｐｃ２の位置角度θｐ２が選択される。
【００７６】
こうした構成によれば、到達領域の推定（ステップＳ２３）のたびに第１計測座標Ｐｍ１と推定行列Ｂとを用いて到達座標Ｐｒを演算する必要がなくなることから、到達領域６４の設定に要する時間を短縮することができる。結果として、回転速度計測装置の処理速度を向上させることができる。
【００７７】
また、到達座標Ｐｒについて、推定部６１は、仮想到達座標Ｐｖに対して最も近い第１計測座標Ｐｍ１側の変換座標Ｐｃｉを選択し、その選択した変換座標Ｐｃｉの位置角度θｐに対応付けられている楕円軌道座標を到達座標Ｐｒに設定してもよい。すなわち、推定部６１は、例えば、図１３（ｂ）において仮想到達座標Ｐｖが変換座標Ｐｃ２よりも変換座標Ｐｃ１に近いとしても、変換座標Ｐｃ２に対応する位置角度θｐを選択するように構成されてもよい。こうした構成によれば、変換座標Ｐｃ１に基づいて到達領域６４が設定される場合に比べて、回転体１１の回転方向の上流側に到達領域６４が設定される。これにより、追跡点３８の検出を回転体１１の回転方向における上流側から順に行うことができる。その結果、到達領域６４に追跡点３８が存在しなかったとしても、その後の追跡点３８の検出に関する処理を簡素化することができる。
【００７８】
また、仮想到達座標Ｐｖについて、推定部６１は、２つの第２画像データにおける追跡点３８の座標に基づく線形補間に限らず、３つ以上の第２画像データにおける追跡点３８の座標に基づく高次多項式を用いて仮想到達座標Ｐｖを設定してもよい。すなわち、推定部６１は、例えば回転体１１の加速度等を考慮する高次多項式を用いて仮想到達座標Ｐｖを算出してもよい。
【００７９】
なお、上記第１〜第３実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・撮像部２１は、モノクロカメラに限らず、例えば画像データの各画素について画素情報として複数の色情報を含むカラーカメラであってもよい。この場合、処理部２２は、色情報を含む画像データを輝度情報からなる画像データに変換する変換部を備えることが好ましい。こうした構成によれば、色情報を含む画像データを処理対象とする場合に比べて処理速度が向上する。
【００８０】
・領域抽出部２５は、回転体と連動する物体によって回転体が移動する場合、領域抽出部２５は、回転体の軌跡上のすべての領域を回転領域として抽出してもよい。また、領域抽出部２５が回転体の回転している領域のみを回転領域として抽出する場合、推定部６１は、次の第２画像データにおける回転領域そのものの位置を推定してもよい。
【００８１】
・撮像領域１０に複数の回転体が存在する場合、領域抽出部２５は各回転体について回転領域を設定し、追跡点設定部２６は各回転体について追跡点を設定する。また、軌道生成部２７は各回転体について楕円軌道を生成し、変換行列演算部２８は各回転体についての変換行列Ａを演算する。そして、パラメータ設定部２９は各回転領域を処理領域として設定し、座標変換部３０は各回転体の追跡点について座標変換を行い、計測部３１は各回転体について計測座標に基づいて回転速度を計測する。こうした構成によれば、撮像領域１０に複数の回転体が存在していても各回転体の回転速度を計測することができる。
【００８２】
・パラメーターの調整（ステップＳ２２）において、軌道生成部２７は、第２画像データから取得した観測座標に基づいて、楕円軌道の生成（ステップＳ１３）にて生成した楕円軌道を修正してもよい。この場合、変換行列演算部２８は、新たに生成された楕円軌道に基づいて変換行列Ａを再演算する。こうした構成によれば、例えば撮像領域１０における回転体の位置がずれたときにも再び準備処理を行うことなく対応することができる。
【００８３】
・回転速度計測装置は、処理部２２による回転速度の計測が行われる構成であればよく、撮像部を備えていなくともよい。すなわち、回転速度計測装置は、例えばユーザが用意した撮像部が接続ケーブルを介して接続される構成であってもよい。
【００８４】
・処理部２２は、例えば上述した工程を経て回転体１１の回転速度を計測する計測プログラムといったコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体を用いて該コンピュータプログラムがインストールされたコンピュータによって構成されてもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１０…撮像領域、１１…回転体、１１ａ…ブレード、２０…回転速度計測装置、２１…撮像部、２２…処理部、２３…操作部、２４…表示部、２５…領域抽出部、２６…追跡点設定部、２７…軌道生成部、２８…変換行列演算部、２９…パラメータ設定部、３０…座標変換部、３１…計測部、３４…回転領域、３５…背景、３６…特徴点、３８…追跡点、３９…軌道生成座標、４０，４１，４２…楕円軌道、４５…真円軌道、５０…直線、５１…軸ずれベクトル、６０…回転速度計測装置、６１…推定部、６４…到達領域。
【図１】
2016217842.tif 000011
【図２】
2016217842.tif 000012
【図４】
2016217842.tif 000013
【図５】
2016217842.tif 000014
【図６】
2016217842.tif 000015
【図７】
2016217842.tif 000016
【図８】
2016217842.tif 000017
【図９】
2016217842.tif 000018
【図１０】
2016217842.tif 000019
【図１１】
2016217842.tif 000020
【図３】
2016217842.tif 000021
【図１２】
2016217842.tif 000022
【図１３】
2016217842.tif 000023