カラー画像による斜面監視システムの精度向上に関する研究

１．はじめに我が国では、全国各地で岩盤崩壊や土砂崩れ

建設設計工学研究室

田村曜

指導教官

鳥井邦夫

３．概要
3-1

代替ターゲット

等の斜面崩壊による事故が相次いでいる。これ

本年度は、昨年度に引き続いて自然石を代替を打開するため、崩壊の前兆現象を捉える手段ターゲットとして連続抽出処理を行った。代替として様々な方法が研究・開発されている。こターゲットを図-1 に示す。のような中、現行の斜面監視方法と比較して、安価で、機動性のある、遠隔地での無人自動監視を可能とすることを目的として、CCD カメラを用いた斜面監視システムが開発された。しかし、このシステムは監視対象である斜面にタAーゲットを設置する必要があり、設置や撤去にCB多大な負担と危険を伴い、あまり機動性の高い
図-１

システムとは言えなかった。そこで、一昨年度までの研究により、情報量の多いカラー画像(カラーCCD カメラやデジタルカメラ)を用いる事で、斜面上の自然物を従来のターゲットの3-2

代替ターゲット

本年度の処理方法本年度のシステムフローを図-2 に示す。
画像取得代わり(代替ターゲット)に用いることを可能にした。また、昨年度の研究により、代替ターゲットを用いる際に問題となっていた日照の影響を抑えたターゲット抽出法が提案された。

代替ターゲットの指定

昨年度 判別分析処理＋画像処理

本年度 主成分分析処理
重心座標値の計算

２．目的
斜面監視システムでは、崩壊の前兆現象であ重心座標の移動量計測る斜面の微小な変化を捉えなければならない。

図-2 処理フロー

昨年度までの方法では、これを捉えるには計測

本研究では、代替ターゲット領域と背景領域精度が不十分である。そこで、本研究では代替の色差を拡大し、計測精度を向上させる事を考ターゲットを抽出する計測精度を向上させる

え、主成分分析処理を用いて座標変換を行ったことを目的とする。また、システムの適用範囲後、昨年度と同様に判別分析処理を閾値決定法の拡大やシステムの自動化を図る事も目的ととして用い、代替ターゲット抽出を行った。

する。

４．主成分分析処理
4-1

標を算出する。

主成分分析による効果

また、昨年度の代替ターゲットの全体を抜き本年度の処理方法に導入した主成分分析処

出す手動的な考え方に対して、本年度は代替タ

理は、多変量解析である主成分分析を用いて計ーゲットの一部を抜き出すだけで抽出可能と測精度を向上させるものである。主成分分析処なるように自動化も行う。

理とは、一般的には多数の変量を一つ、又は小4-3数個の総合的指標により代表させる方法であ

画像処理フロー

本研究での画像処理フローを図-6 に示す。

るが、本研究では主に座標変換により色差を拡RGB成分の取得大する方法として用いる。この様子を図-3 に示す。

主成分分析処理…座標変換法（本年度）

判別分析処理…閾値決定法（昨年度）

雑音除去…形状特徴量（面積）によりターゲットを選定

ラベリング

図-6 画像処理フロー
主成分分析処理を用いて座標変換した結果
図-3 主成分分析による座標変換

より判別分析処理を行って閾値を決定し、二値座標変換により算出された新たな座標に画化を行う。この二値画像からラベリングを行っ像全体を写像することにより、RGB 成分の分て形状特徴量(面積)により雑音を除去し、代替布の偏りを明確化でき、計測精度の向上を図る

ターゲットを抽出し、重心座標値を取得する。

事ができるものと考える。

4-4

4-2

主成分の算出方法

抽出結果

主成分分析処理の後に判別分析処理を行う

主成分分析処理の具体的な算出方法を図-5に示す。

場合と判別分析処理のみの場合について代替ターゲットを抽出し、比較・検討を行った。

背景
RGB成分取得

AターゲットBC

元画像

分離
代替ターゲット
RGB成分取得

元画像（一枚目）

判別分析処理のみ

ＲＧＢ成分の分布の偏り明確化

主成分分析

新たな座標を設定

図-5 主成分の算出方法

主成分分析処理↓
判別分析処理一枚目の画像において手作業で代替ターゲ

図-7 抽出結果

ット領域と背景領域に分離し、代替ターゲット

主成分分析を用いた場合、判別分析処理のみ領域を主成分分析処理する事により新たな座の場合よりも面積が多少大きく抽出された。

より詳しく比較・検討を行うために、日照変

一枚目の画像取得

画像取得

化への対応について代替ターゲット C を例に主成分分析

主成分計算挙げる。これを図-7 に示す。

判別分析

判別計算

ターゲット抽出ターゲット抽出

重心座標の算出

重心座標の算出

明るい場合

ターゲットC

暗い場合

元画像

抽出範囲の移動日照による影響

前の画像より求めた分析結果を使用

主成分分析（更新）

判別分析処理のみ抽出される形状が異なる

主成分分析処理↓
判別分析処理抽出される形状はほぼ同じ

判別分析（更新）

図-9 連続計測時の画像処理フロー
5-332

図-7 日照変化への対応
のみの場合、日照が明るい時は抽出できても暗いと抽出できなくなってしまい、抽出される形

1
移 動 距 離 (pixel)

図中の丸の部分に注目すると、判別分析処理

0-1-2状が異なることが分かった。しかし、主成分分-3

析処理を用いる事で改善された。

-4

主成分分析処理(一部)
主成分分析処理(全体)
判別分析処理

-5
12:00
12:06
12:12
12:18
12:24
12:30
12:36
12:42
12:48
12:54
13:00
13:06
13:12
13:18
13:24
13:3013:36
13:42
13:48
13:54
14:00
14:06
14:12
14:18

５．連続計測5-1

連続計測結果連続計測の概要

経過時間

本研究で考案した主成分分析処理を用いる

図-10 重心移動量の時間変化か否かで計測精度がどの程度変わるのか比

図-10 は、代替ターゲット A の重心移動量の較・検討を行った。その概要を図-8 に示す。

時間変化を示している。判別分析処理のみの場
合は、重心が激しく変動しているのに対し、主成分分析処理を用いると安定する事が分かる。

デジカメまでの高さ

約120cm

判別分析処理が変動しているのは日照の影響によるものだと考えられる。

代替ターゲットまでの距離 約 250cm

計測時間：ＰＭ12:00〜14:30
計測間隔：１分毎

重心移動量のヒストグラム

XY

10090・主成分分析処理→判別分析処理

図-85-2

主成分分析処理(自動）主成分分析処理(手動）
判別分析処理標準正規分布80・判別分析処理のみ

70A
連続計測概要BC

連続計測時の処理フロー

連続計測時の画像処理フローを図-9 に示す。

605040302010

画像毎に主成分分析と判別分析を繰り返しな0-4がら連続計測を行い、日照変化や移動などに対応していく。

-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.5

00.5

11.5

22.5

3

重心移動量（Pixel）

図-11 重心移動量のヒストグラム

3.54図-11 は図-10 に示した重心移動量の時間変動をまとめてヒストグラムの方法で示したも７．今後の課題
本研究で提案した画像処理システムにより、のであり、その標準偏差を示したものが表-1

代替ターゲットの計測精度が向上したが、今後である。の課題に以下のようなものが存在する。
表１

標準偏差

・主成分分析処理は、代替ターゲットの抽出が画像処理方法標準偏差失敗してしまった場合に、代替ターゲットを見主成分分析（自動）

0.59
0.24
1.62

失って追跡が不可能になってしまう事が考え

主成分分析（手動）判別分析

表 1 の「主成分分析(自動)」とは代替ターゲられるので、この不安定な要素を取り除く必要がある。
・自然石以外の代替ターゲット(木の幹、岩肌ット領域の一部を抜き出した計測結果であり、など)でも計測を行ってみる必要がある。

「主成分分析(手動)」とは代替ターゲット領域・実際に現場へ適用して本システムの安定性、全体を抜き出した計測結果である。主成分分析

精度を検証する必要がある。

処理を用いることで標準偏差が明らかに小さくなった。また、本研究では標準偏差 0.5pixelを目標としているので、主成分分析処理(自動)参考文献
1) 五月女：カラーCCD カメラを用いた新で行ってもほぼ十分な計測精度であった。また、

斜面監視システムの開発

他の代替ターゲットについても同様の結果が長岡技術科学大学大学院工学研究科修得られた。

士論文、平成 12 年
2) 八木：カラー画像を用いた代替ターゲッ

６．結論
主成分分析処理を導入した本研究の画像処理システムにより、以下の事が分かった。

トの自動抽出に関する研究
長岡技術科学大学大学院工学研究科修士論文、平成 13 年①計測精度の向上を図ることができ、斜面崩壊

3) 佐藤：カラー画像を用いた斜面監視シスの前兆現象を捉えられる精度にまで誤差をテムのターゲットレス化に関する研究少なくできた。

長岡技術科学大学大学院工学研究科修②適用範囲の拡大により、どのような代替ターゲットを用いてもほぼ抽出可能となった。
③代替ターゲットの一部を選択するだけで代士論文、平成 14 年
4) 清水：カラー画像を用いた斜面監視シス
テムの開発に関する研究

替ターゲットが抽出可能となり、システムの長岡技術科学大学大学院工学研究科修自動化が図れた。

士論文、平成 15 年

④日照変化への対応が昨年度より改善された。

5) 洪：お話･カラー画像処理、CQ 出版株式会社、平成 12 年
6) FEST Project 編集委員会：新実践画像処理、新日本印刷株式会社、平成 13 年