(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に取り付けられたマーカーと、
該マーカーを撮影するラインセンサと、
該ラインセンサで取得した画像を画像処理して前記被測定物の位置を算出する画像処理部とを備えた測定装置において、
前記マーカーは、色彩の異なる帯状の領域を隣接して複数配置してなる縞模様状であって、
前記領域間の境界となる直線が少なくとも相互に平行な平行直線と、
前記領域間の境界となる直線が前記平行直線に対して傾斜した少なくとも２本の傾斜直線とを含み、
前記画像処理部は、前記ラインセンサが前記マーカーの前記領域を横断するように走査した軌跡である撮影ラインと前記平行直線及び前記傾斜直線との複数の交点間の線分のうち少なくとも三つの長さの比を求め、該三つの長さの比に基づいて前記撮影ラインの前記マーカーに対する傾き又は前記交点のうちの少なくとも２つの座標を求めることを特徴とするラインセンサを利用した計測装置。
【請求項２】
前記画像処理部は、前記撮影ラインの傾き又は前記交点のうちの少なくとも２つの座標に基づいて、前記交点の間の実際の距離を求め、前記ラインセンサ上での前記交点間における画素数で前記距離を割って校正値を求めることを特徴とする請求項１記載のラインセンサを利用した計測装置。
【請求項３】
前記画像処理部は、前記測定物が変位した前後における前記撮影ラインの傾き又は前記交点の２つの座標を対比することにより、前記被測定物の相対的な変位を求めることを特徴とする請求項１記載のラインセンサを利用した計測装置。
【請求項４】
前記画像処理部は、前記測定物が回転を伴う変位した前後における前記撮影ラインの傾き又は前記交点の２つの座標を対比することにより、前記被測定物の相対的な回転を伴う変位を求めることを特徴とする請求項１記載のラインセンサを利用した計測装置。
【請求項５】
前記被測定物は、車両上にリンク構造の枠体を介して上下動自在に保持される舟板と、該舟板に対してバネを介して支持されトロリ線に接触する摺り板とからなるパンタグラフであり、前記マーカーは前記舟板と前記摺り板とに各々取り付けられることを特徴とする請求項１記載のラインセンサを利用した計測装置。
【請求項６】
前記画像処理部は、前記舟板及び前記摺り板に各々取り付けられた前記マーカーに対する前記撮影ラインの傾きを各々求めること特徴とする請求項５記載のラインセンサを利用した計測装置。
【請求項７】
前記画像処理部は、前記舟板及び前記摺り板に各々取り付けられた前記マーカーに対する前記交点の座標を各々求めること特徴とする請求項５記載のラインセンサを利用した計測装置。
【請求項８】
前記画像処理部は、前記舟板及び前記摺り板に各々取り付けられた前記マーカーに対する前記撮影ラインの傾き又は前記交点の座標に基づいて、前記舟板に対する前記摺り板の相対的位置を求め、該相対的位置から前記舟板と前記摺り板とに挟まれる前記バネの伸縮量を求めること特徴とする請求項６又は７記載のラインセンサを利用した計測装置。
【請求項９】
前記領域の何れか１つは一方の長手方向に行くに従って幅が両側へ一律に拡大する形状をなし、当該領域の両側に接する２つの前記領域は一方の前記長手方向に行くに従って幅が内側へのみ一律に縮小する形状をなすことにより、前記領域と前記２つの前記領域との境界となる２つ直線が逆向きに傾斜することを特徴とする請求項１記載のラインセンサを利用した計測装置。
【請求項１０】
前記領域の何れか一つは平行四辺形をなし、両側に接する他の前記領域との境界をなす前記傾斜直線が相互に平行であることを特徴とする請求項１記載のラインセンサを利用した計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラインセンサを利用した計測装置に関する。例えば、画像処理を用いてパンタグラフとトロリ線との間に発生する接触力を測定する分野において、特に接触力を求めるために必要な舟体と摺り板の相対変位を精度良く求める技術に適用可能なものである。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道の設備であるトロリ線とパンタグラフ間の接触性能を評価するものに接触力がある。パンタグラフとは、電気鉄道車両の屋根上に設置された集電装置の一つである。接触力は物理量であるため、集電性能評価を客観的に行なうことができる。
また、接触力はトロリ線摩耗に直接影響を与えるので、接触力測定による摩耗予測などの保全を行なうことができる。
【０００３】
接触力を測定する方法は以下のようなものがある。
１．パンタグラフに加速度計や歪ゲージなどのセンサを設置し、パンタグラフのある断面に生じる力（断面力）と慣性力を計測することで接触力を得る方法（非特許文献１）。
２．接触力変動に対するパンタグラフのインパルス応答関数をあらかじめ測定しておいて、走行中のパンタグラフの時系列応答とインパルス応答関数との畳み込み積分を行なうことによって接触力を得る方法（特許文献１）。
３．パンタグラフのバネの部分にＬＥＤなどの光源２個ずつ上下に設置し、画像処理により相対変位を求め、バネの伸縮量を求めることで接触力を得る方法（特許文献２）。
【０００４】
特許文献２に記載される方法は、画像処理によって接触力を測定する場合、相対変位を正確に求める必要があり、そのためにパンタグラフの傾きや回転などを考慮する必要がある。画像処理によってパンタグラフの変位を求める方法として、例えば、特願２００６−２８５９０２に記載される方法がある。
【０００５】
この方法は、図１１に示すように、パンタグラフ３にマーカー４を取り付け、車両１の屋根に設置したラインセンサ２でマーカー４を撮影し、マーカー位置をパターンマッチングによって検出することでパンタグラフ３の位置を測定する方法である。
即ち、ラインセンサ２により取得された画像を、画像処理部６で画像処理し、画像処理した結果求められたパンタグラフ３の高さ・加速度が記録装置７に記録する方法である。
【０００６】
ここで、マーカー４は、光を反射しやすい帯状の反射領域４ａと、この反射領域４ａの上下に、光を反射しにくい帯状の非反射領域４ｂをそれぞれ配置することで、縞模様としたものである。マーカー４としては、図１２に示すように、白い帯状の反射領域４ａを２本以上にして、形状を複雑化することにより、パターンマッチングの際に用いる特徴量を増やし、誤検出等を防止することも可能である。
ラインセンサ２の走査方向（ラインセンサ撮像面）は、マーカー４の反射領域４ａ及び非反射領域４ｂを横断する方向、つまり、上下方向である。
【０００７】
図１３に画像処理によるパンタグラフ測定方法のフローチャートを示し、図１４にそのパンタグラフ測定装置の構成図を示す。
図１４に示す通り、画像処理部６は、時空画像作成部６０、メモリ６１，６２、パターンマッチング部６３、パンタグラフ位置補間部６４、終了処理判定部６５、高さ・加速度出力部６６から構成され、これらによる画像処理、即ち、パンタグラフ測定方法は図１３で示すように、以下の手順（ａ）〜（ｆ）で処理される。
【０００８】
（ａ）時空画像生成
ラインセンサ２により単位時間毎（フレームレート毎）にパンタグラフ３に取り付けたマーカー４の映像を取得し、時空画像作成部６０により、図１５に示す時空画像を生成する。時空画像は、横軸が時間で、縦軸が高さ（位置）である。マーカー４は白い帯状の反射領域４ａが１本のものとする。図１５に示す通り、マーカー４の形状に従って、光の反射が少ない黒色の帯Ａと光の反射が大きい白色の帯Ｂとで構成される縞模様が連続して撮影される。また、パンタグラフ３付近を高速で横切る電車線設備などパンタグラフ３の背景がノイズＣとして現れる。
【０００９】
（ｂ）パターンマッチング
マーカー４の大きさとカメラの向きを考慮に入れると、図１６で示すように画像上の位置方向によって写るマーカー４の大きさがほぼ確定する。そこで、マーカー４の模様と高さに応じたパターンを生成し、パターンマッチング部６３により、図１７で示すように単位時間毎に走査線を上方から下向きに走査させパターンと一致する箇所を探索する。一定以上近似したパターンであれば、走査線について最も近似した箇所から順位を付けて複数記録する。つまり、第１候補、第２候補のように複数記録する。また、近似した箇所が存在しない場合は保留する。
【００１０】
（ｃ）パンタグラフ位置補間
パターンマッチングにおいて、図１８に示すように保留された保留位置Ｄや連結していない非連結位置Ｅは、パンタグラフ位置補間部６４により、前後の点から間隙を埋めるように直線的に位置を補間する。
【００１１】
（ｄ）処理終了判定
全ての時空画像について、上述したパターンマッチング、位置補間の処理を繰り返し、終了処理判定部６５により終了したと判定したときは、パンタグラフ位置を記録する。
【００１２】
（ｅ）高さ出力
高さ・加速度出力部６６は、記録されたパンタグラフ位置を高さとして出力する。
（ｆ）加速度出力
高さ・加速度出力部６６は、記録されたパンタグラフ位置で下に凸の変極点の極値を求め、所定の値以上の極値を加速度として出力する。
【特許文献１】池田，臼田：「架線・パンタグラフ間の接触力測定手法の研究」，RTRI REPORT Vol.14,No.6,pp7-12,2000.6
【非特許文献１】特開平１１−１９４０５９号
【非特許文献２】特開２００−２３５３１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、パンタグラフ３にマーカー４を取り付け、ラインセンサ２で撮影したマーカー位置を検出することでパンタグラフ３の変位を測定する方法には、次のような問題（i）（ii）がある。
【００１４】
（i）ラインセンサ２でパンタグラフ３に取り付けられたマーカー４を撮影したときに、ラインセンサ２がマーカー４に対して傾いていると、正確な変位を測定することができない。これは、マーカー幅を校正値Ｘ［ｍｍ／ｐｉｘ］に用いた場合、ラインセンサ２が傾いていると正確な校正値を得られないためである。
【００１５】
例えば、図１９に示すように、ラインセンサ２の走査方向が上下ではなく、上下方向から傾いているときに、２ｂ［ｍｍ］のマーカー幅を持っているマーカー４から校正値を求める場合を考える。ここで、ラインセンサ２がマーカー４を横断するように走査する軌跡（以下、撮影ラインという）の角度φは、水平方向から測るものとする。
【００１６】
エッジ処理などをして、２ｂのマーカー４幅がｘp［ｐｉｘ］としてラインセンサ２により計測れた場合、つまり、画素数がｘpとして検出された場合、その校正値は２ｂ／ｘp［ｍｍ／ｐｉｘ］となる。
しかし、実際は撮影ラインは角度φで傾いているので、正しい校正値は２ｂ／ｘpsinφ［ｍｍ／ｐｉｘ］であり、その分誤差が生じてしまう。
【００１７】
（ii）２つ以上のマーカーを用いて相対変位を測定する場合、（１）の誤差よりも更に複雑となり、正確な変位を測定することが困難である。
例えば、パンタグラフの相対変位、即ち、舟体と摺り板体の相対変位を測定するために、舟体と摺り板体にそれぞれマーカーを取り付け、２つのマーカーの中心間距離をラインセンサ２により測定するものとする。
図２０（ａ）のように、一方のマーカーが他方のマーカーに対して回転運動を伴わず単に平行移動する場合、ラインセンサからの出力ｘpr［ｐｉｘ］に校正値２ｂ／ｘp［ｍｍ／ｐｉｘ］を掛けて、２ｂｘpr／ｘp［ｍｍ］と測定されるが、実際は撮影ラインは水平方向から角度φだけ傾いているので、正しい２ｂｘpr／ｘpsinφ［ｍｍ］である。この場合も、１／sinφが大きくなるほど誤差は増加する。
【００１８】
更に、図２０（ｂ）のように、一方のマーカーが他方のマーカーに対して角度ψ（パソコン出願ソフトの制約により、下付添字にする場合は、アルファベットの「psi」で代用する）の回転運動を伴って移動すると、測定誤差は、より更に複雑となる。このときの正確な中心間距離は、２ｂｘ’pr／ｘ’psinφ−ｌpsi tanψとなる。ｌpsiハ、移動後における２つのマーカー間の水平方向距離である。
【００１９】
本発明は、上述した従来技術に鑑みてなされたものであり、ラインセンサの撮影ラインがマーカーに対して傾いていた場合にも、特殊な形状のマーカーを用いることで、撮影ラインの傾きを補正し、マーカーの取り付けられた被測定物の変位を精度良く計算出来る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】
【００２０】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係るラインセンサを利用した計測装置は、被測定物に取り付けられたマーカーと、該マーカーを撮影するラインセンサと、該ラインセンサで取得した画像を画像処理して前記被測定物の位置を算出する画像処理部とを備えた測定装置において、前記マーカーは、色彩の異なる帯状の領域を隣接して複数配置してなる縞模様状であって、前記領域間の境界となる直線が少なくとも相互に平行な平行直線と、前記領域間の境界となる直線が前記平行直線に対して傾斜した少なくとも２本の傾斜直線とを含み、前記画像処理部は、前記ラインセンサが前記マーカーの前記領域を横断するように走査した軌跡である撮影ラインと前記平行直線及び前記傾斜直線との複数の交点間の線分のうち少なくとも三つの長さの比を求め、該三つの長さの比に基づいて前記撮影ラインの前記マーカーに対する傾き又は前記交点のうちの少なくとも２つの座標を求めることを特徴とする。
【００２４】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係るラインセンサを利用した計測装置は、請求項１において、前記画像処理部は、前記撮影ラインの傾き又は前記交点のうちの少なくとも２つの座標に基づいて、前記交点の間の実際の距離を求め、前記ラインセンサ上での前記交点間における画素数で前記距離を割って校正値を求めることを特徴とする。
【００２５】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係るラインセンサを利用した計測装置は、請求項１において、前記画像処理部は、前記測定物が変位した前後における前記撮影ラインの傾き又は前記交点の２つの座標を対比することにより、前記被測定物の相対的な変位を求めることを特徴とする。
【００２６】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係るラインセンサを利用した計測装置は、請求項１において、前記画像処理部は、前記測定物が回転を伴う変位した前後における前記撮影ラインの傾き又は前記交点の２つの座標を対比することにより、前記被測定物の相対的な回転を伴う変位を求めることを特徴とする。
【００２７】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係るラインセンサを利用した計測装置は、請求項１において、前記被測定物は、車両上にリンク構造の枠体を介して上下動自在に保持される舟板と、該舟板に対してバネを介して支持されトロリ線に接触する摺り板とからなるパンタグラフであり、前記マーカーは前記舟板と前記摺り板とに各々取り付けられることを特徴とする。
【００２８】
上記課題を解決する本発明の請求項６に係るラインセンサを利用した計測装置は、請求項５において、前記画像処理部は、前記舟板及び前記摺り板に各々取り付けられた前記マーカーに対する前記撮影ラインの傾きを各々求めること特徴とする。
【００２９】
上記課題を解決する本発明の請求項７に係るラインセンサを利用した計測装置は、請求項５において、前記画像処理部は、前記舟板及び前記摺り板に各々取り付けられた前記マーカーに対する前記交点の座標を各々求めること特徴とする。
【００３０】
上記課題を解決する本発明の請求項８に係るラインセンサを利用した計測装置は、請求項６又は請求項７において、前記画像処理部は、前記舟板及び前記摺り板に各々取り付けられた前記マーカーに対する前記撮影ラインの傾き又は前記交点の座標に基づいて、前記舟板に対する前記摺り板の相対的位置を求め、該相対的位置から前記舟板と前記摺り板とに挟まれる前記バネの伸縮量を求めること特徴とする。
【００３１】
上記課題を解決する本発明の請求項９に係るラインセンサを利用した計測装置は、請求項１において、前記領域の何れか１つは一方の長手方向に行くに従って幅が両側へ一律に拡大する形状をなし、当該領域の両側に接する２つの前記領域は一方の前記長手方向に行くに従って幅が内側へのみ一律に縮小する形状をなすことにより、前記領域と前記２つの前記領域との境界となる２つ直線が逆向きに傾斜することを特徴とする。
【００３２】
上記課題を解決する本発明の請求項１０に係るラインセンサを利用した計測装置は、請求項１において、前記領域の何れか一つは平行四辺形をなし、両側に接する他の前記領域との境界をなす前記傾斜直線が相互に平行であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、マーカーの形状を複雑化することにより、以下の効果を奏する。
（ａ）ラインセンサの撮影ラインの傾きに対する補正を行なうことができ、精度良く変位を計算することができる。
（ｂ）ラインセンサの撮影ラインがどれだけ傾いているかが分かるため、撮影ラインから原点がどの位置にあるか推測できる。
（ｃ）ラインセンサの撮影ラインが傾いている状態で、パンタグラフが水平方向に移動しても精度良く変位を計算することができる。
（ｄ）ラインセンサの撮影ラインが傾いている状態で、パンタグラフが回転を伴う移動をしても、精度良く変位を計算することができる。
（ｅ）パンタグラフの舟体と摺り板にマーカーを各々取り付け、ラインセンサの傾きに対する補正を行なうことで相対変位を正確に計算でき、パンタグラフのバネの伸縮量を精度良く求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図５を参照して説明する。なお、本発明におけるマーカーの色彩とは、白、灰、黒の系統に属する明度のみからなる無彩色と、赤、黄、緑などの色相、明度、彩度の三要素からなる有彩色とを含む。従って、本発明においては、ラインセンサとして、モノクロＣＣＤに限らず、カラーＣＣＤをも使用できる。以下の説明においては、マーカーの色彩として無彩色の場合、つまり、光の反射しやすい領域と光の反射し難い領域とを交互に配置してなる場合について一例として説明する。
【００３５】
（１）ラインセンサの傾き補正
図１は、本発明において、被計測対象に取り付けられる傾き補正用マーカー１４の一例である。マーカー４は水平、もしくは既知の角度をもって取り付けられているものとする。
この傾き補正用マーカー１４は、図１に示すように、光の反射しにくい３つの帯状の非反射領域１４ａ，１４ｄ，１４ｅの間に、光の反射しやすい２つの帯状の反射領域１４ｂ，１４ｃを配置した縞模様状のものであり、中央に配置される非反射領域１４ａの形状が台形状となっている。
【００３６】
即ち、中央の非反射領域１４ａは一方の長手方向（−ｘ軸方向）に行くに従って幅が両側（＋ｙ軸方向及び−ｙ軸方向）へ一律に拡大する形状をなし、ｘ＝−Ｌのときの幅２ｃは、ｘ＝Ｌのときの幅２ａに比べて大きい（ａ＜ｃ）。なお、図中において、ｘｙ座標系の原点を中央の非反射領域の中心に置き、ｘ軸を水平方向に取り、ｙ軸を上下方向に取った。
【００３７】
従って、中央の非反射領域１４ａと、その上側に接する反射領域１４ｂとの境界を規定する直線（以下、境界線という）の関数は、ｙ＝（ａ−ｃ）ｘ／２Ｌ＋（ａ+ｃ）／２で与えられることになる。
同様に、中央の非反射領域１４ａと、その下側に接する反射領域１４ｃとの境界を規定する境界線の関数はｙ＝（ｃ−ａ）ｘ／２Ｌ＋（ａ+ｃ）／２で与えられることになる。
【００３８】
更に、上側の反射領域１４ｂと、その上側に接する非反射領域１４ｄとの境界線と、下側の反射領域１４ｃと、その下側に接する非反射領域１４ｅとの境界線は、ｘ軸に平行で距離ｂだけ離れている。
従って、上側の反射領域１４ｂと、その上側に接する非反射領域１４ｄとの境界線を規定する関数は、ｙ＝ｂで与えられ、下側の反射領域１４ｃと、その下側に接する非反射領域１４ｅとの境界線を規定する関数は、ｙ＝−ｂで与えられる。
【００３９】
要するに、３つの帯状の非反射領域１４ａ，１４ｄ，１４ｅと、２つの帯状の反射領域１４ｂ，１４ｃとの境界線は上述した通り四つであり、ｙ＝ｂとｙ＝−ｂとが相互に平行な平行直線であり、また、これらの平行直線に対して、ｙ＝（ａ−ｃ）ｘ／２Ｌ＋（ａ+ｃ）／２とｙ＝（ｃ−ａ）ｘ／２Ｌ＋（ａ+ｃ）／２とが相互に逆向きに傾斜する傾斜直線である。上記Ｌ，ａ，ｂ，ｃの諸量は既知であるとする。
【００４０】
このような特殊な形状の傾き補正用マーカー１４に対して、図１（ａ）に示すように、非反射領域１４ａ，１４ｄ，１４ｅ及び反射領域１４ｂ，１４ｃを横断するようにラインセンサを走査させた際の軌跡である撮影ラインは、図中に示す通り、上下方向ではなく、上下方向から傾いているものとする。その傾斜角度φは、水平方向から測るものとする。
従って、傾斜ラインを規定する関数は、ｙ＝ｋｘ+ｄ＝ｘtanφ+ｄで与えられることになる。
ここで、ラインセンサ画像をエッジ抽出することにより、傾斜ラインを規定する関数と、上述した四つの境界線を規定する関数との交点間の長さが求められる。
【００４１】
例えば、中央の非反射領域１４ａを横断する長さｍと、上側の反射領域１４ｂを横断する長さｎと、下側の反射領域１４ｃを横断する長さｌと、最上側の非反射領域１４ｄを横断する長さｐと、最下側の非反射領域１４ｅを横断する長さｐが求められる。つまり、長さの比ｐ：ｌ：ｍ：ｎ：ｐのデータが得られる。
【００４２】
ここで、図１（ｃ）に示すように、長さの比ｐ：ｌ：ｍ：ｎとマーカー形状から、長さの比ｎ：（ｌ＋ｍ−ｎ）／２：（−ｌ＋ｍ＋ｎ）／２はラインセンサ２の傾きによらず一定である。（ｌ＋ｍ−ｎ）／２，（−ｌ＋ｍ＋ｎ）／２はｐ：ｌ：ｍ：ｎから算出した。これらの比ｐ：ｌ：ｍ：ｎ：ｐは長さｌO' ，ｌO"により変化し、［数１］により表すことが出来る。
【００４３】
【数１】
0005097596.tif 000002
【００４４】
つまり、長さの比ｐ：ｌ：ｍ：ｎとマーカー形状Ｌ，ａ，ｂ，ｃに基づいて、図１（ｂ）に示すように、交点Ｏ’，Ｏ”のｘ座標である長さｌO' ，ｌO"を認識できるのである。図１（ｂ）は、図１（ａ）中の破線で囲む部分の拡大図である。
更に、傾斜直線であるｙ＝（ａ−ｃ）ｘ／２Ｌ＋（ａ+ｃ）／２とｙ＝（ｃ−ａ）ｘ／２Ｌ＋（ａ+ｃ）／２に、交点Ｏ’，Ｏ”のｘ座標であるｌO' ，ｌO"を代入すると、ｙ座標が求められる。
従って、交点Ｏ’，Ｏ”のｘｙ座標は、［数２］に示す通りとなる。
【００４５】
【数２】
0005097596.tif 000003
【００４６】
更に、傾斜ラインのtanφは、交点Ｏ’，Ｏ”のｙ座標の差を交点Ｏ’，Ｏ”のｘ座標の差で割ったものであるから、［数３］に示される通りとなる。
同様に、傾斜ラインがｘ軸と交差するｙ座標（ｘ軸切片）は、交点Ｏ’，Ｏ”を通る直線において、ｘ＝０としたものであるから、［数３］に示される通りとなる。
【００４７】
【数３】
0005097596.tif 000004
【００４８】
交点Ｏ’，Ｏ”の２点間距離は、中央の非反射領域１４ａをラインセンサが横断する長さであり、ｍの実際の値である。交点Ｏ’，Ｏ”の２点間距離は、例えば、［数２］［数３］に基づいて、交点Ｏ’，Ｏ”のｘ座標の差をcosφで割って求めるか、或いは、交点Ｏ’，Ｏ”のｙ座標の差をsinφで割って求めるか、交点Ｏ’，Ｏ”のｘ座標の差の二乗とｙ座標の差の二乗を足して平方根とすることにより求められる。この値をＬm［ｍｍ］とすれば、中央の非反射領域１４ａをラインセンサが横断する長さをラインセンサで計測した値をｘp［ｐｉｘ］とすれば、校正値としてＬm／ｘp［ｍｍ／ｐｉｘ］を求めることができる。
【００４９】
また、ラインセンサ２の撮影位置がわかるため、撮影位置から原点がどの位置にあるか推測できる。
このように、撮影ラインに対する傾き補正用マーカー１４の相対的な位置及び方向が求められ、そのため、傾き補正用マーカー１４の取り付けられた被測定対象の位置及び方向が求められることになる。
【００５０】
尚、上述した説明では、３つの帯状の非反射領域１４ａ，１４ｄ，１４ｅの間に、２つの帯状の反射領域１４ｂ，１４ｃを挿入した傾き補正用マーカー１４を例にしたが、これに限るものではなく、図１０（ａ）〜（ｄ）に示すものが考えられる。
即ち、図１０（ａ）は、上述した説明で使用した図１に示す形状と同様な形状のマーカー、つまり、中央の非反射領域の形状が台形状をなすものである。
【００５１】
また、図１０（ｂ）は、中央の非反射領域が図中右方向に行くに従って幅が上下側から一律に縮小して０となるもの、つまり、中央の非反射領域が二等辺三角形となったものである。
更に、図１０（ｃ）は、中央の非反射領域の形状が台形状であり、その上下の反射領域が直角三角形となったものである。
図１０（ｄ）は、中央の非反射領域と、その上下の反射領域との境界線が相互に平衡となったもの、つまり、中央の非反射領域が平行四辺形となったものである。
【００５２】
（１．１）具体的な数値に基づくライシセンサの傾き補正
マーカーの形状は図１と同じものを使用する。具体的な値を以下の図２に示す。ａ＝１ｃｍ，ｂ＝４ｃｍ，ｃ＝３ｃｍ，ｄ＝４ｃｍ，Ｌ＝１０ｃｍである。図２の長さの単位は全て［ｃｍ］とする。なお、これ以降の説明に使用されるマーカーのＬ，ａ，ｂ，ｃの値は図２の値のまま変更しないこととする。
【００５３】
まず、図２のラインセンサの撮影ラインを直線の式で表す。傾きがφ＝６０°、（ｘ，ｙ）＝（２，０）を通る直線なので以下のように表すことができる。
ｙ＝ｘtan６０°−２tan６０°＝２ｘ−４
次に、中央の非反射領域と、その上側及び下側に接する反射領域との境界を規定する境界線の関数（傾斜直線）は、以下の式で与えられる。
ｙ＝（ａ−ｃ）ｘ／２Ｌ＋（ａ+ｃ）／２＝−（ｘ／１０）＋２
ｙ＝（ｃ−ａ）ｘ／２Ｌ＋（ａ+ｃ）／２＝（ｘ／１０）−２
【００５４】
上記のラインセンサの撮影ラインを規定する関数と２つの傾斜直線の式をそれぞれ連立方程式を解くことで交点Ｏ’，Ｏ”を求めることができる。交点の座標は以下のようになる。
（ｘO'，ｙO'）＝（2.9825…，1.7017…）
（ｘO"，ｙO"）＝（0.8970…，-1.9102…）
ｌ：ｍ：ｎを求めるには、交点ｄ，ｅの座標が必要になってくる。交点ｄ，ｅの座標はラインセンサの式とｙ＝−４、ｙ＝４との連立方程式をそれぞれ解くことで求められる。
（ｘd，ｙd）＝（0.3094…，-4）
（ｘe，ｙe）＝（4.3094…，4）
【００５５】
上記の４つの座標よりｌ：ｍ：ｎの長さを求める。
ｌ＝2.4129…
ｍ＝4.1708…
ｎ＝2.6537…
ｌ：ｍ：ｎの長さをそれぞれ比として用いて、以下の式に代入した。Ｌ，ａ，ｂ，ｃの値は図２に示した値を用いた。
【００５６】
上記［数２］によれば、計算結果は以下のようになる。
（ｘO'，ｙO'）＝（2.9825…，1.7017…）
（ｘO"，ｙO"）＝（0.8970…，-1.9102…）
このとき、ラインセンサの傾きφとｘ軸切片は［数３］の変数に具体的な数値を当てはめると以下の結果が得られる。
φ＝６０°
ｘ＝２
【００５７】
（２）パンタグラフの水平方向移動に対する変位補正
図３に示す通り、パンタグラフが水平方向に＋８（右側に）に移動した場合を想定する。パンタグラフが水平方向に移動する前は、ラインセンサの撮影ラインは、傾きがφ＝６０°、（ｘ，ｙ）＝（３，０）を通る直線とする。
水平移動前の比は（１．１）の計算式と同様にして求める。
【００５８】
計算結果は以下の通りである。
ｌ＝2.5355…
ｍ＝3.9391…
ｎ＝2.7629…
【００５９】
上記（１．１）の計算方法と同様に、ラインセンサの傾きφとｘは以下のようになる。
φ＝６０°
ｘ＝３
その後、パンタグラフが水平方向に＋８移動したとする。
水平移動後の比をｌ’：ｍ’：ｎ’とすると、
ｌ’＝1.5551…
ｍ’＝5.7928…
ｎ’＝1.8896…
となり、
【００６０】
水平移動後のラインセンサの傾きφ’とｘ’は以下のようになる。
φ’＝６０°
ｘ’＝−５
（水平方向の移動量）＝（移動前のｘ）−（移動後のｘ’）であるので、水平方向の移動量は以下のようになる。
水平方向の移動量＝３−（−５）＝８
【００６１】
（３）パンタグラフの回転を伴う移動に対する変位補正
図４に示す通り、パンタグラフが半時計回りに角度ψ（＝１０°）の回転を伴い、垂直方向に＋１２（上方へ）だけ移動した場合を想定する。ψは、パソコン出願ソフトの制約により、下付添字にする場合は、アルファベットの「psi」で代用するものとする。移動前の座標系ｘ−ｙ、座標中心Ｏに対して、移動後の座標系ｘ’−ｙ’、座標中心Ｏpsiとする。
【００６２】
ラインセンサの撮影ラインは、移動前の座標系ｘ-ｙにおいて、傾きがφ＝８０°、点Ｉ＝（１，０）を通る直線とする。従って、ラインセンサの撮影ラインは、移動後の座標系ｘ’-ｙ’において、φ’＝８０°−１０°＝７０°となり、点Ｉ’でｘ’軸と交わるものとする。
Ｉ〜Ｉ’の長さはラインセンサの画像からPixel数を調べ、pixel数に校正値を掛けることで求めることができる。机上計算でＩ〜Ｉ’ の長さを求めるには、Ｉの座標は分かっているので、残りのＩ’の座標を求めなければならない。ｘｙ軸上において、ｘ’軸の直線の式が分かれば求めることができる。
【００６３】
ここで、回転移動前後の中心間距離をＯ〜Ｏpsi、回転角度をψ＝１０°と設定しているので、ｘ’軸の直線の式は以下のように定義できる。
ｙ＝ｘtan１０°＋１２
また、ラインセンサの撮影ラインの直線の式は以下で表される。
ｙ＝ｘtan８０°−tan８０°
上記の式を連立方程式で解くとＩ’のｘｙ座標を求めることができる。
（ｘI'，ｙI'）＝（3.2159…，12.5670…）
よって、Ｉ〜Ｉ’の長さは以下のようになる。
Ｉ〜Ｉ’＝12.7609…
【００６４】
また、回転移動前の比は（１．１）の計算式と同様にして求める。計算結果は以下の通りである。
ｌ＝2.0977…
ｍ＝3.8598…
ｎ＝2.1658…
これから移動前のラインセンサの傾きφとｘ軸切片を求める。
φ＝８０°
ｘ＝１
【００６５】
回転移動後の比をｌ’：ｍ’：ｎ’とすると、ｌ’：ｍ’：ｎ’も（１．１）の計算式と同様にして求めることができる。
ｌ’＝2.4085…
ｍ’＝3.5664…
ｎ’＝2.5384…
移動前の座標系ｘ-ｙにおいて、ラインセンサの傾きφ’とｘ’軸切片は以下のようになる。
φ’＝７０°
ｘ’＝3.2655…
【００６６】
相対角度ψは、
ψ＝８０°−７０°＝１０°
これより、座標中心Ｏpsiと点Ｉ’とのｙ座標の差ｙOpsi-I'は
ｙOpsi-I'＝（Ｏpsi〜Ｉ’）3.2655sin１０°
＝0.5670…
また、点Ｉ’のｙ座標ｙI'は
ｙI'＝(Ｉ〜Ｉ’) sinφ
＝12.7609sin８０°
＝12.5670…
【００６７】
よって、中心間距離Ｏ〜Ｏpsiは、以下のようになる。
Ｏ〜Ｏpsi＝ｙI'− ｙOpsi-I'＝
＝12.5670−0.5670＝１２
【００６８】
（４）２個のマーカーの相対変位の計算
図５に示す通り、２個のマーカーがパンタグラフに装着されている場合を想定する。即ち、一方のマーカーに対して他方のマーカーが半時計回りに角度ψ（＝１０°）変位しており、垂直方向へ＋１２（上方に）変位すると共に水平方向に＋２（右方向に）変位している場合を想定する。ψは、パソコン出願ソフトの制約により、下付添字にする場合は、アルファベットの「psi」で代用するものとする。
【００６９】
一方のマーカーの座標系ｘ−ｙ、座標中心Ｏに対して、他方のマーカーの座標系ｘ’−ｙ’、座標中心Ｏpsiとする。
ラインセンサの撮影ラインは、一方のマーカーの座標系ｘ−ｙにおいて、傾きがφ＝８０°、点Ｉ＝（１，０）を通る直線とする。従って、ラインセンサの撮影ラインは、他方のマーカーの座標系ｘ’−ｙ’において、φ’＝８０°−１０°＝７０°となり、点Ｉ’でｘ’軸と交わるものとする。
【００７０】
相対変位間の中心点のｘｙ座標はそれぞれ以下の通りである。
（ｘO，ｙO）＝（０，０）
（ｘOpsi，ｙOpsi）＝（２，１２）
つまり、中心間距離Ｏ〜Ｏpsiは以下の通りである。
Ｏ〜Ｏpsi＝（２2＋１２2）1/2
＝12.1655…
また、Ｏpsiから下向きに垂線を引き、ｘ軸との交点をＨ、Ｏpsiから水平方向に直線を引き、その直線とラインセンサ撮影ラインとの交点から下に垂線を引き、その垂線とｘ軸との交点をＨ’とする。
【００７１】
Ｉ〜Ｉ’の長さはラインセンサの画像からPixel数を調べ、pixel数に校正値を掛けることで求めることができる。机上計算でＩ〜Ｉ’ の長さを求めるには、Ｉの座標は分かっているので、残りのＩ’の座標を求めなければならない。ｘｙ軸上において、ｘ’軸の直線の式が分かれば求めることができる。ここで、相対変位間の中心点の座標は（ｘOpsi，ｙOpsi）＝（２，１２）、回転角度をψ＝１０°と設定しているので、ｘ’軸の直線の式は以下のように定義できる。
ｙ＝ｘtan１０°＋（１２−２tan１０°）
【００７２】
また、ラインセンサの撮影ラインの直線の式は以下で表される。
ｙ＝ｘtan８０°−tan１０°
上記の式を連立方程式で解くとＩ’の座標を求めることができる。
よって、Ｉ〜Ｉ’の長さは以下のようになる。
Ｉ〜Ｉ’ ＝12.3913…
また、下マーカーの形状の比は（１．１）の計算式と同様にして求める。
計算結果は以下の通りである。
ｌ＝2.0977…
ｍ＝3.8598…
ｎ＝2.1658…
【００７３】
これから一方のマーカーに対するラインセンサの傾きφとｘ軸切片を求める。
φ＝８０°
ｘ＝１
マーカーの形状の比をｌ’：ｍ’：ｎ’とすると、ｌ’：ｍ’：ｎ’も（１．１）の計算式と同様にして求めることができる。
ｌ’＝2.1771…
ｍ’＝4.0131…
ｎ’＝2.3231…
【００７４】
他方のマーカーに対するラインセンサの傾きφ’とｘ’軸切片は以下のようになる。
φ’＝７０°
ｘ’＝1.1695．
相対角度ψは、
ψ＝８０°−７０°＝１０°
これより、
ｙOpsi-I'＝（Ｏpsi〜Ｉ’）sinψ
＝ｘ’sinψ
＝1.1695 sinψ
＝0.2030…
【００７５】
また、ｙI'＝（Ｉ〜Ｉ’）sinφより、
ｙI'＝12.3913 sin１０°
＝12.2030…
よって、Ｏ〜Ｈは以下のようになる。
Ｏ〜Ｈ＝ｙI' −ｙOpsi-I'＝12.203００７０30＝12
中心問距離Ｏ〜Ｏpsiを求めるには、三角形ＯＯpsiＨを考える。
底辺がＯＨ、高さがＯpsi〜Ｈの直角三角形なので、中心間距離Ｏ〜Ｏpsiは三角形ＯＯpsiＨの斜辺となる。
Ｏ〜Ｉ＝ｘ＝１と設定しているので、Ｉ〜Ｈの長さを求めれば良い。
【００７６】
図５より、Ｉ〜Ｈ＝Ｉ〜Ｈ’＋Ｈ〜Ｈということが分かる。まず、Ｉ〜Ｈ’を求める。Ｉ〜Ｈ’は以下の式で求めることができる。
Ｉ〜Ｈ’＝（Ｏpsi〜Ｈ）／tanφ
＝１２／tan８０°
＝2.1159
【００７７】
次に、Ｈ〜Ｈ’を求める。Ｈ〜Ｈ’は以下の式で求めることができる。
Ｈ〜Ｈ’＝（Ｏpsi〜Ｉ’）cosψ−ｙOpsi-I'／tanψ
＝1.11695cos１０°−0.2030／tan１０°
＝1.1159
よって、Ｉ〜Ｈの長さは以下のようになる。
Ｉ〜Ｈ＝Ｉ〜Ｈ’＋Ｈ〜Ｈ’
＝2.1159−1.5559
＝1
以上より、中心間距離Ｏ〜Ｏpsiは、以下のようになる。
Ｏ〜Ｏpsi＝[（１＋１）2＋１２2]1/2
＝12.1655…
【００７８】
ここまでで、初期状態の中心間距離Ｏ〜Ｏpsiを計算することができた。
初期状態よりマーカーが移動したとして、上記と同じ方法で移動後の中心間距離を求めることができる（計算は同じであるため、移動後の中心間距離の計算は省略）。
初期状態の中心間距離から移動後の中心間距離の差を求めることで相対変位を計算することができる。
また、相対変位はバネの伸縮量と同値なので、この値にばね定数を掛けることにより、接触力測定を行なうことができる。
【実施例１】
【００７９】
以下、本発明の具体的な実施例について、図６〜図９を参照して説明する。
本実施例は、画像処理を用いてパンタグラフとトロリ線との間に発生する接触力を測定する分野において、特に接触力を求めるために必要な舟体と摺り板の相対変位の測定誤差を補正する方法及び装置に関する。
【００８０】
図６はマーカーの取り付けられた舟体と摺り板を示す説明図、図７はパンタグラフの構造を示す斜視図、図８は画像処理を示すフローチャート、図９は画像処理装置の構成図である。
図６及び図７に示すように、パンタグラフ３は、車両上にリンク構造の枠体９を介して上下動自在に保持される舟板３ａと、この舟板３ａに対してバネ８を介して支持され摺り板３ｂとから構成され、摺り板３ｂはトロリー線（図示省略）と接触する。
【００８１】
舟板３ａ及び摺り板３ｂにはそれぞれ二箇所にマーカー１４が装着されている。マーカー１４は、上述したとおり、３つの帯状の非反射領域の間に、２つの帯状の反射領域を配置した縞模様状のものであり、中央に配置される非反射領域の形状が台形状となったものである。
【００８２】
本実施例においては、初期状態より、図６に示すように、舟板３ａに対して摺り板３ｂが回転・並進運動し、その結果、各マーカー１４が相対的に移動し、これにより、マーカー間の中心間距離がＬkからＬkrに相対変位した場合にも、移動後の中心間距離Ｌkrを同様にして求めることができる。
そして、初期状態の中心間距離から移動後の中心間距離の差を求めることで相対変位を計算することができる。また、相対変位はバネの伸縮量と同値なので、この値にばね定数を掛けることにより、接触力測定を行なうことができる。
【００８３】
パンタグラフ３に取り付けられる各マーカー１４はラインセンサ２（図９参照）によりそれぞれ撮影され、ラインセンサ２は各マーカー１４の反射領域及び非反射領域を横断するように走査する。
ラインセンサ２により取得された画像は、図９に示す画像処理部で画像処理される。画像処理部は、画像入力部７０、メモリ７１，７２、マーカーパターン抽出部７３、パターンマッチング７４、傾きを考慮した校正値算出部７５、水平・回転移動に対する補正部７６及び相対変位出力部７７とから構成される。
【００８４】
図９に示す画像処理部による画像処理は図８に示すフローチャートの通りであり、以下の手順（ア）〜（オ）で処理される。
（ア）画像入力部７０は、舟板３ａ及び摺り板３ｂに取り付けられた傾き補正用マーカー１４をラインセンサ２で撮影したものを入力画像とする。
（イ）マーカーパターン抽出部７３は、パンタグラフ３がまったく動いてない部分を撮影しておき、その中から傾き補正用マーカー１４のパターンを抽出する。
【００８５】
（ウ）パターンマッチング部７５は、入力画像の中で、傾き補正用マーカー１４のパターンと一致する箇所をパターンマッチングで検出する。
（エ）校正値算出部７５は、上述した「（１）ラインセンサの傾き補正」の欄で説明した通り、マーカーパターンからパンタグラフ３の傾きを考慮した校正値［ｍｍ／ｐｉｘ］を算出する。
（オ）補正部７６は、パターンマッチングで得たパンタグラフ３の位置情報に対して、上述した「（３）パンタグラフの回転を伴う移動に対する変位補正」の欄で説明した通り、ラインセンサ２の傾きに対する補正を行ない、パンタグラフ３の正確な移動量と回転量を算出する。
【００８６】
（カ）相対変位出力部７７は、（エ）の校正値［ｍｍ／ｐｉｘ］と（オ）の移動量と回転量を基に正確な相対変位を出力する。
相対変位出力部７７は、更に、ばね８の伸縮量を正確に求めることができる。即ち、水平方向の移動が発生するとばねは斜めに伸びるので、斜めに延びた分の伸縮量も計算することができる。また、摺り板３ｂの角度を求められるので、摺り板３ｂの慣性モーメントを考慮した接触力測定を行うことができる。
【００８７】
本実施例は、マーカー１４を用いてラインセンサ２の撮影ラインの傾きに対する補正を行なうことで、変位の測定誤差を減らすことができ、補正を行なう過程でラインセンサ２の傾斜角（撮影面）が分かるため、傾斜角から原点がどの位置にあるか推測できる。
また、ラインセンサ２の撮影面が傾いている状態で、パンタグラフ３が水平方向や回転を伴う移動をしても、精度良く変位を計算できる。
【００８８】
更に、パンタグラフ３の舟体３ａと摺り板３ｂのにマーカー１４を上下２個ずつ取り付け、ラインセンサ２の傾きに対する補正を行なうことで、相対変位を正確に計算でき、パンタグラフ３のバネ８の伸縮量を精度良く求めることができる。
【００８９】
上述した実施例においては、「パンタグラフの接触力測定における測定誤差低減手法」について説明したが、本発明は、これに限るものではなく、ＣＣＤ等のラインセンサによる１次元画像を用いたすべての測定に対して適用可能なものである。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、特殊なマーカー形状により、１次元計測でも回転・並進運動を把握することができるものであり、例えば、ビルや構造物の地震動に対する揺れを計測する試験で画像処理にも適用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】図１（ａ）は本発明で使用される傾き補正用マーカーの説明図、図１（ｂ）は傾き補正用マーカー上での交点ｌO' ，ｌO"を示す説明図、図１（ｃ）は傾き補正用マーカー上での長さの比ｎ：（ｌ＋ｍ−ｎ）／２：（−ｌ＋ｍ＋ｎ）／２に関する説明図である。
【図２】具体的な形状の特定された傾き補正用マーカーの説明図である。
【図３】パンタグラフの水平方向移動に対する変位補正に関する説明図である。
【図４】パンタグラフの回転を伴う移動に対する変位補正に関する説明図である。
【図５】２個のマーカーの相対変位の計算に関する説明図である。
【図６】本発明の一実施例に係る傾き補正用マーカーの取り付けられた舟体及び摺り板を示す概念図である。
【図７】本発明の一実施例に係る傾き補正用マーカーの取り付けられたパンタグラフを示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施例に係る画像処理を示すフローチャートである。
【図９】本発明の一実施例に係る画像処理部を示す構成図である。
【図１０】傾き補正用マーカーの変形例を示す説明図である。
【図１１】図１１（ａ）は、特願２００６−２８５９０２に係るパンタグラフ測定装置の概略図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）中の一点鎖線部分の拡大図である。
【図１２】複雑化した形状のマーカーを示す説明図である。
【図１３】特願２００６−２８５９０２に係るパンタグラフ測定方法を示すフローチャートである。
【図１４】特願２００６−２８５９０２に係るパンタグラフ測定装置を示すブロック図である。
【図１５】時空画像例を示すグラフである。
【図１６】探索パターン生成例を示すグラフである。
【図１７】時空画像に対するパターンマッチングを示すグラフである。
【図１８】パンタグラフ位置の補間を示すグラフである。
【図１９】マーカーを走査するラインセンサの軌跡（撮影ライン）の説明図である。
【図２０】図２０（ａ）は２つのマーカーの平行移動を示す説明図、図２０（ｂ）は２つのマーカーの回転を伴う変位の説明図、図２０（ｃ）はマーカーの回転を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９２】
１  車両
２  ラインセンサ
３  パンタグラフ
３ａ  舟体
３ｂ  摺り板
４  縞模様状マーカー
４ａ  非反射領域
４ｂ  反射領域
５  照明
６  画像処理部
７  記録装置
１４  傾き補正用マーカー
１４ａ，１４ｄ，１４ｅ  非反射領域
１４ｂ，１４ｃ  反射領域
７０  画像入力部
７１，７２  メモリ
７３  マーカーパターン抽出部
７４  パターンマッチング部
７５  傾きを考慮した校正値算出部
７６  水平・回転移動に対する補正部
７７  相対変位出力部
Ａ  黒色の帯
Ｂ  白色の帯
Ｃ  ノイズ
Ｄ  保留部分
Ｅ  非連結部分
【図１】
0005097596.tif 000005
【図２】
0005097596.tif 000006
【図３】
0005097596.tif 000007
【図４】
0005097596.tif 000008
【図５】
0005097596.tif 000009
【図６】
0005097596.tif 000010
【図７】
0005097596.tif 000011
【図８】
0005097596.tif 000012
【図９】
0005097596.tif 000013
【図１０】
0005097596.tif 000014
【図１１】
0005097596.tif 000015
【図１２】
0005097596.tif 000016
【図１３】
0005097596.tif 000017
【図１４】
0005097596.tif 000018
【図１５】
0005097596.tif 000019
【図１６】
0005097596.tif 000020
【図１７】
0005097596.tif 000021
【図１８】
0005097596.tif 000022
【図１９】
0005097596.tif 000023
【図２０】
0005097596.tif 000024