(57)【要約】【課題】簡易な装置で、手間暇がかからず、時間的制約を受けずに、レールの接触抵抗の把握が可能な表面状態記録方法および接触抵抗推定方法を提供する。【解決手段】金属表面状態記録方法は、光源とカメラの位置関係を固定した上で、２種類以上の偏光角度を以って、カメラで金属表面を１つ以上の視点から撮影する工程と、撮影した画像を、金属表面上の特定の位置を原点とした俯瞰画像に変換する工程と、変換された俯瞰画像を偏光角度と視点の情報とともに記録する工程と、記録された俯瞰画像、偏光角度および視点を用いて、偏光角度が異なり、視点が同一または類似する２つの俯瞰画像の偏光画像を生成する工程と、生成された偏光画像を平均化することで平均偏光画像を生成する工程と、各俯瞰画像を平均化することで、環境条件への依存性が小さい、平均色画像を生成する工程と、平均偏光画像と平均色画像を記録または表示する工程とで構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源とカメラの位置関係を固定した上で、２種類以上の偏光角度を以って、カメラで金属表面を１つ以上の視点から撮影する第１工程と、
第１工程において撮影した画像を、金属表面上の特定の位置を原点とした俯瞰画像に変換する第２工程と、
第２工程において変換された俯瞰画像を偏光角度と視点（変換行列）の情報とともに記録する第３工程と、
第３工程において記録された俯瞰画像、偏光角度および視点を用いて、偏光角度が異なり、視点が同一または類似する２つの俯瞰画像の各画素値から求められる偏光主軸方向に相当する値からなる偏光画像を生成する第４工程と、
第４工程において生成された偏光画像を平均化することで平均偏光画像を生成する第５工程と、
第２工程において変換された各俯瞰画像を平均化することで平均色画像を生成する第６工程と、
そして、第５工程および第６工程において生成された平均偏光画像と平均色画像を記録する第７工程と、
からなる金属表面状態記録方法。
【請求項２】
２種類以上の偏光角度を以って、偏光主軸方向に相当する値からなる偏光画像および光の強度からなる色画像を撮影するカメラで金属表面を１つ以上の視点から撮影する第１工程と、
第１工程において生成された偏光画像および色画像を金属表面上の特定の位置を原点とした俯瞰画像に変換する第２工程と、
第２工程において変換された偏光画像の俯瞰画像を平均化することで平均偏光画像を生成する第３工程と、
第２工程において変換された色画像の俯瞰画像を平均化することで平均色画像を生成する第４工程と、
第３工程および第４工程において生成された平均偏光画像および平均色画像を記録する第５工程、
とからなる金属表面状態記録方法。
【請求項３】
請求項1記載の金属表面状態記録方法において生成され、記録された平均偏光画像と平均色画像の各画素値を入力して、予め作成しておいた接触抵抗テーブルを参照することにより、金属表面の各点での接触抵抗を推定することを特徴とする接触抵抗推定方法。
【請求項４】
請求項２記載の金属表面状態記録方法において生成され、記録された平均偏光画像と平均色画像の各画素値を入力して、予め作成しておいた接触抵抗テーブルを参照することにより、金属表面の各点での接触抵抗を推定することを特徴とする接触抵抗推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道用レール等の薄い酸化皮膜（さび）を持つ金属の表面状態を記録する方法およびその記録を用いて接触抵抗を推定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車輪・レール間の電気的接触抵抗の把握は、軌道回路の健全性を確認する上で重要である。
【０００３】
従来の車輪・レール間の電気的接触抵抗の測定方法は、以下の手順による。すなわち、まず、実際の現場において、レールやインピーダンスボンド等に電極を接続し、左右レール間の電圧（残留電圧）を監視する。次に、抵抗値を変化させながら左右レールを抵抗器で短絡し、短絡抵抗値と残留電圧の関係を記録する。そして、車両の通過時の残留電圧を測定し、記録した短絡抵抗値と残留電圧の関係から、対応する短絡抵抗値を算出する。最後に、短絡抵抗値を１輪軸あたりの抵抗値に換算し、車軸の導通抵抗分を除外して接触抵抗を得る。
【０００４】
短絡抵抗値と残留電圧の関係は、短絡するレール長手方向の位置によって変化する。したがって、任意のレール長手方向の複数の位置における車輪・レール間の接触抵抗を測定する場合、測定点は膨大な数になり、手間暇がかかるので、測定作業は危険な列車運行時間帯を避けた時間に制約されるという問題があった。そのため、簡易な装置で、手間暇がかからず、時間的制約を受けずに、車輪・レール間の接触抵抗の把握が可能な手段の出現が待たれている。
【０００５】
接触抵抗に影響する要素として、酸化皮膜を構成する酸化物の種類や、レール表面の酸化皮膜の厚さが挙げられる。したがって、接触抵抗の把握をする前段として、これらの要素を計測・記録することが重要である。
【０００６】
酸化物の種類の違いは、多くの場合、色の違いによって観測できる。したがって、カメラで金属(レール)の表面状態を撮影し、記録することは、接触抵抗を推定するために有効な方法の一つである。
【０００７】
特許文献１では、複数の光源により光を照射し、試料の表面画像を複数取得し、合成画像を作成することで、試料の表面の特徴点を抽出する表面検査装置が示されている。また、特許文献２では、２つの偏光子を用い、正反射光（鏡面反射光）の透過の可否を制御することで、１回の読取動作で画像の色と光沢とを読み取る画像検査装置が示されている。
【０００８】
また、金属表面の酸化皮膜の厚さを測定する手段として、たとえば電磁誘導方式の膜厚計が存在する。薄膜の厚さを測定する別の技術として、入射光と反射光の偏光特性の変化を利用するエリプソメトリが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−１５２１２８号公報
【特許文献２】特開２０１４−１２０７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
薄い酸化皮膜の場合、表面は不完全ながら鏡面であるため、通常のカメラ撮影では写り込みが発生し、画像が環境条件や撮影条件に強く依存する。このため、表面状態を定量的に記録することができない。環境条件の影響を低減するために複数方向から光を当てると、コントラストが低下するという問題がある。
【００１１】
電磁誘導式の膜厚計を用いる場合は、薄い酸化皮膜に対しては、さびの転移や破壊等により膜厚の測定ができないか、十分な精度が得られない。また、電磁誘導式の膜厚計は点での測定となるため、表面を広域に測定する場合は、多数の点で測定を行う必要があり、労力を要する。また、酸化皮膜の膜厚は必ずしも均一ではないため、測定値のばらつきが計測誤差に起因するのか、または膜厚の不均一性に起因するのかを区別することが困難である。エリプソメトリを用いた薄膜計測においては、装置の屋外での使用が考慮されていない場合が多く、可搬性や据え付けに難がある。
【００１２】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、簡易な装置で、手間暇がかからず、時間的制約を受けずに、接触抵抗の把握が可能な金属表面状態記録方法およびその金属表面状態記録方法により得られた記録を用いて接触抵抗を推定する方法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】
【００１３】
本発明の表面状態記録方法は、次の７工程からなることを特徴とする。光源とカメラの位置関係を固定した上で、２種類以上の偏光角度を以って、カメラで金属表面を１つ以上の視点から撮影する第１工程。その撮影した画像を、金属表面上の特定の位置を原点とした俯瞰画像に変換する第２工程。その俯瞰画像を偏光角度と視点（変換行列）の情報とともに記録する第３工程。その記録された俯瞰画像、偏光角度および視点を用いて、偏光角度が異なり、視点が同一または類似する２つの俯瞰画像の各画素値から偏光主軸方向に相当する値からなる偏光画像を生成する第４工程。それら偏光画像を平均化することで平均偏光画像を生成する第５工程。各俯瞰画像を平均化することで、平均色画像を生成する第６工程。そして、平均偏光画像と平均色画像を記録する第７工程。
【００１４】
また、本発明の接触抵抗推定方法は、上記平均偏光画像と上記平均色画像の各画素値を入力して、予め作成しておいた接触抵抗テーブルを参照することで、金属表面の各点での接触抵抗を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の表面状態記録方法によれば、簡易な装置で手間暇がかからず、時間的制約を受けず、しかも非接触、非破壊で金属の表面状態を記録することができる。
【００１６】
また、本発明の接触抵抗推定方法によれば、非接触、非破壊で接触抵抗を推定することができる。
【００１７】
そして、可搬のカメラと視点変換技術を用いるため、装置据え付けが問題とならない。また、特殊な装置を必要としないため安価に実現できる。さらに、複数の偏光角度と視点で撮影された画像を用いるため、写り込みを含む、環境条件の影響を抑制することができる。加えて、エリプソメトリの原理により、膜厚の空間分布を偏光画像として把握することができる。特に、電磁誘導式の膜厚計が不得意とする、極めて薄い膜厚領域において、感度を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態における表面状態記録方法の工程を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における表面状態記録装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】偏光角度９０°で撮影した画像の一例を模式的に示す図面である。
【図４】偏光角度０°で撮影した画像の一例を模式的に示す図面である。
【図５】偏光画像の一例を模式的に示す図面である。
【図６】接触抵抗テーブルの一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における接触抵抗推定装置の構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
本発明の実施の形態における表面状態記録方法は、接触抵抗の推定を可能にするためのものであり、７工程からなる。その７工程とは、図１に示すように、（ａ）光源とカメラの位置関係を固定した上で、２種類以上の偏光角度を以って、カメラで金属表面を１つ以上の視点から撮影する第１工程、（ｂ）その撮影した画像を、金属表面上の特定の位置を原点とした俯瞰画像に変換する第２工程、（ｃ）その俯瞰画像を偏光角度と視点（変換行列）の情報とともに記録する第３工程、（ｄ）その記録された俯瞰画像、偏光角度および視点を用いて、偏光画像を生成する第４工程、（ｅ）それら偏光画像を平均化することで平均偏光画像を生成する第５工程、（ｆ）各俯瞰画像を平均化することで、平均色画像を生成する第６工程、（ｇ）生成された平均偏光画像と平均色画像を記録する第７工程である。
【００２１】
＜表面状態記録方法＞
以下、表面状態記録方法の各工程について順次説明し、併せて、表面状態記録装置について説明する。
【００２２】
［第１工程］
第１工程においては、光源とカメラの位置関係を固定した上で、２種類以上の偏光角度、たとえば０°と９０°を以って、カメラで金属表面を１つ以上の視点から撮影する。
【００２３】
一般的なエリプソメトリにおいては、鏡面反射光を観測するが、ここでは拡散反射光を観測する。鏡面反射光を観測する場合は、鏡面反射光は入射角の影響を強く受けるため、入射角を正確に設定・計測することで、表面状態を高精度に計測できる反面、光源とカメラの据え付け精度が要求される。これに対して、拡散反射光を観測する場合は、入射角の影響が相対的に小さいため、表面状態の計測精度・情報量は劣るが、撮像面と金属表面の成す角が多少変動しても結果にほとんど影響を与えない。これにより、簡易に測定が行える利点を持つ。ただし、本工程においても、撮像面と金属表面の成す角を、可能な限り一定とすることが望ましい。
【００２４】
偏光角度の基準（０°）は、一連の工程で共通とする。たとえば、光源から金属表面に降ろした垂線を撮像面に射影した線の方向を０°とする。偏光角度の変更は、カメラあるいは光源に装着した偏光子（たとえば偏光フィルタ）の角度の変更によって行う。偏光角度によるカメラ画像の違いを、より顕著にするために、カメラおよび光源の双方に偏光フィルタを装着してもよい。偏光角度の調整は、光源側で行ってもよいし、カメラのレンズ側で行ってもよい。また、後述の偏光カメラを用いてもよい。カメラは十分な解像度が得られれば、スチルカメラでもよいし、ビデオカメラでも良い。
【００２５】
図３は酸化皮膜の厚さが局所的に異なる一定の長さのレールを、通常の可視光カメラに偏光フィルタを偏光角度９０°となるよう装着して撮影した画像を模式的に示した図である。図４は同じ対象物を同じカメラを用いて偏光フィルタの角度を変更し、偏光角度０°で撮影した画像を模式的に示した図である。
【００２６】
複数視点と偏光を用いることで、環境光の影響を低減できるが、環境光の影響をより低減するために、暗幕等で環境光を遮断してもよい。
【００２７】
光源にはカメラのフラッシュを用いることもできる。１視点のみの撮影の場合は、金属表面の各点におけるフラッシュとの距離、およびフラッシュとカメラが成す角による影響が局所的に顕著となるが、複数の視点から撮影し、平均化することで、特定の箇所に影響が集中することを回避することができる。
【００２８】
［第２工程］
第２工程では、図２のＣＰＵで構成される演算制御装置３の中の画像処理部３Ａを構成する各種のプログラムのうち、変換プログラムにより構成される視点変換部３１において、第１工程において撮影した画像を、金属表面上の特定の位置を原点とした俯瞰画像に変換する。第１工程において撮影した画像は、それぞれ異なる視点から異なる角度で撮影されている。これらを全て共通の真上から見た画像にするために撮影画像を俯瞰画像に変換する。
【００２９】
俯瞰画像への変換には視点変換技術を利用する。視点変換処理により、特定の視点・視界で撮影した画像を、別の視点・視界で撮影したかのような画像に変換することが可能となる。
【００３０】
俯瞰画像への変換は、まず、カメラのレンズによる歪みを補正し、撮影対象の形状（エッジ）や模様に基づいて、撮影時の視点の推定を行う。ここで、視点は行列で表現可能であり、視点の推定は俯瞰画像への変換行列の要素を同定することと本質的に同義である。視点の推定精度の向上や推定処理の簡素化のために、第１工程において、撮影対象に画像マーカを置いてもよい。画像マーカは、たとえば、コントラストの高い格子模様を印刷した紙や板であり、ＡＲ（拡張現実）応用で広く利用されている。
【００３１】
［第３工程］
第３工程では、図２の演算制御装置３の中の記録プログラムにより構成される記録制御部３Ｂにより、第２工程において変換された俯瞰画像を偏光角度と視点（変換行列）の情報とともに、図２の記憶装置４の所定記憶領域に記録する。
【００３２】
［第４工程］
第４工程では、図２の演算制御装置３の中の画像処理部３Ａを構成する各種のプログラムのうち、偏光画像生成プログラムにより構成される偏光画像生成部３２により、第３工程で記録された俯瞰画像、偏光角度および視点を用いて、偏光画像を生成する。この場合、偏光角度が異なり、視点が同一または類似する２つの俯瞰画像の同一座標の画素値および偏光角度を用いて、偏光画像の画素を生成する。偏光画像の画素値は、偏光主軸方向に相当する値である。ここで、偏光主軸方向に相当する値は、２つの俯瞰画像の同一座標の画素値を大きさにとり、当該の２つの画像の偏光角度を角度にとる２つのベクトルから得られる合成ベクトルの角度である。２つの画像の偏光角度が直交する場合（たとえば０°と９０°）であれば、簡易的な手法として、偏光主軸方向に相当する値を２つの俯瞰画像の同一座標の画素値の差分としてもよい。
【００３３】
図５は、図３および図４を視点変換処理によりレール頭頂面についての俯瞰画像に変換した後、偏光画像生成処理により得られる偏光画像の模式図である。
【００３４】
偏光画像を撮影する、すなわち、偏光主軸方向を画像化するカメラ（偏光カメラ）が製品化されている。このようなカメラは、偏光主軸方向だけでなく、色（モノクロカメラの場合は光の強度）も同時に画像化できる。偏光画像を撮影するカメラを用いる場合は、上記第１工程と第４工程に相当する工程を一度に行うことができる。ただし、この場合、得られる偏光画像は、一般に俯瞰画像ではない。よって、撮影後に上記第２工程に相当する視点変換を行う必要がある。
【００３５】
［第５工程］
第５工程では、図２の演算制御装置３の中の画像処理部３Ａを構成する各種のプログラムのうち、平均偏光画像生成プログラムにより構成される平均偏光画像生成部３３により、それら偏光画像を平均化することにより、平均偏光画像を生成する。すなわち、視点の異なる複数の偏光画像を平均化して、特定の視点の偏光画像が不要に強調されることを回避している。
【００３６】
［第６工程］
第６工程では、図２の演算制御装置３の中の画像処理部３Ａを構成する各種のプログラムのうち、平均色画像生成プログラムにより構成される平均色画像生成部３４により、各俯瞰画像を平均化することで、環境条件への依存性が小さい、平均色画像を生成する。
【００３７】
［第７工程］
第７工程では、図２の演算制御装置３の中の記録制御部３Ｂにより、上記生成された平均偏光画像と平均色画像を記憶装置４の所定記憶領域に記録する。
【００３８】
本実施の形態による表面状態記録方法は、上記第７工程における平均偏光画像と平均色画像の記録で終了する。
【００３９】
＜接触抵抗推定方法＞
上記平均偏光画像は、金属表面の酸化被膜の厚みと相関を持つ。その厚みが厚い場合は接触抵抗が大きく、厚みが薄い場合は接触抵抗が小さいことは周知である。そこで、本発明の実施の形態においては、図２の表面状態記録装置Ａに出力装置、たとえばカラープリンタ５Ａおよび／または表示装置５Ｂを接続して、接触抵抗推定装置を構成している。そして、現場に持ち込んだカメラで撮影した画像を図２の表面状態記録装置（兼接触抵抗推定装置）に取込み、図２の指令入力部２の操作を介して、上記画像処理工程を経て作成され、記憶装置４に記録された平均偏光画像を、図２の演算制御装置３の中の出力制御部３Ｃによりカラープリンタ５Ａにプリントアウトさせ、または、表示装置５Ｂに表示させることができるようにした。そのプリントアウトされた、または表示された画像を観察すること、あるいは記憶装置４に記録された他の測定箇所の平均偏光画像をプリントアウトした、または表示したものと比較することで、経験側により接触抵抗を推定することが可能である。
【００４０】
また、上記平均色画像は、金属表面の酸化物の種類と相関を持つ。たとえば、黒色の酸化鉄や四酸化三鉄からなる黒さびは接触抵抗が比較的小さく、赤色のオキシ水酸化鉄（赤さび）は接触抵抗が比較的大きいことが知られている。そこで、本実施の形態においては、現場にてカメラで撮影した画像を図２の表面状態記録装置（兼接触抵抗推定装置）により、上記の処理工程を経て作成され、記録された平均色画像をカラープリンタ５Ａにプリントアウトさせ、または、表示装置５Ｂに表示させるようにした。そのプリントアウトされた、または表示された画像を観察すること、あるいは記憶装置４に記録された他の測定箇所の平均色画像をプリントアウトした、または表示したものと比較することで、経験側により接触抵抗を推定することが可能である。
【００４１】
そして、上記平均偏光画像と上記平均色画像の各画素値を入力して、予め作成しておいた接触抵抗テーブルを参照することで、金属表面の各点での接触抵抗を推定することができる。図６は、上記平均偏光画像と平均色画像から得られる平均偏光と平均色の組み合わせ（マトリックス）から、該当色（画素値と最も近い色）の部分の接触抵抗を推定するための接触抵抗テーブルの一例を示す。縦軸が平均偏光、水平軸が平均色であり、縦軸の色と、水平軸の色の交点の数字は、接触抵抗値を示す。ただし、図６は模式的なものであり、図６に示す接触抵抗値は実際の平均偏光および平均色との関係を示したものではない。また、簡単のため、図６ではインデックスとして色名を用いているが、色の特徴を表す指標（たとえば色相）をインデックスに用いてもよい。
【００４２】
上記接触抵抗テーブルは、半導体検査装置用プローブのようなもので点接触させた時の接触抵抗を測定することで作成することができる。そして、上記接触抵抗テーブルは、記憶装置４の所定領域に保存されている。
【００４３】
接触抵抗を測定した位置における平均偏光画像と平均色画像の画素値と、接触抵抗の値を対応させる。接触抵抗テーブル内の空欄（未測定部分）は、測定済みの類似条件からの補間により作成する。
【００４４】
接触抵抗テーブルの作成作業には多少手間を要するが、実施するのは一度だけでよい。また、鉄道線路沿線のような現場で行う必要はなく、屋内の安定した場所で、測定対象と同じ材質の試験片を用いて行えばよい。また、点接触でなく、面接触の結果から回帰分析により各点の抵抗を推定し、接触抵抗テーブルを作成してもよい。
【００４５】
上記平均偏光画像、上記平均色画像、および上記接触抵抗テーブルを用いることで、記録された金属表面上の任意の画素（微小面積）の接触抵抗を推定することができる。このため、金属表面の接触抵抗をコンター図としてプリントアウトさせ、または、表示させることができる。また、複数の画素の接触抵抗を並列抵抗とみなすことで、金属表面の任意の領域の接触抵抗を推定することができる。
【００４６】
＜他の実施の形態＞
図２に示された実施の形態においては、カメラ１から画像信号を直接に演算制御装置３に入力しているが、カメラ１に装着された可搬メモリに画像信号を保存し、その可搬メモリを演算制御装置３に装着して画像信号を演算制御装置３に入力するようにしてもよい。
【００４７】
また、図２に示された実施の形態においては、表面状態記録装置Ａに出力装置を接続して、接触抵抗推定装置を構成している。しかし、図７に例示するように、ＣＰＵで構成される演算制御装置６に画像再生部６１のみを備えるとともに、演算制御装置６に記憶装置４および出力装置、たとえばカラープリンタ５Ａおよび/または表示装置５Ｂを接続して接触抵抗推定装置Ｂを構成してもよい。そして、表面状態記録装置Ａにおいて平均偏光画像と平均色画像が記録された記録媒体４Ａを演算制御装置６に装填して、入力部２から接触抵抗を測定した位置における平均偏光画像または平均色画像を表示装置５Ｂに表示させるとともに、平均偏光画像または平均色画像の画素値を入力して、記憶装置４から呼び出された接触抵抗テーブルを参照することにより、各点での接触抵抗を推定することができる。
【００４８】
本発明は、記録対象物に対する撮影方向が任意であること、偏光を利用することにおいて、特許文献１の発明とは異なる。また、記録対象物に対する撮影方向が任意であること、鏡面反射光を積極的には用いない点で、特許文献２の発明とは異なる。
【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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