JP2964872B2

JP2964872B2 - 画像処理を用いた液面位置計測方法

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Publication number: JP2964872B2
Application number: JP13159494A
Authority: JP
Inventors: 陽市高木; 高敏小平; 小林　　芳樹; 政雄高藤; 裕友堀田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-06-14
Filing date: 1994-06-14
Publication date: 1999-10-18
Anticipated expiration: 2014-10-18
Also published as: JPH07333039A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、タンク等容器の中の液
面の高さを画像処理により自動的に計測する装置に係
り、特に液面の画像による位置認識に関する。

【０００２】

【従来の技術】液面の高さ（液位）は、基準の水平面か
ら液体の表面までの距離を測定するもので、従来、この
液位を測定する方法としては、機械工学便覧（改定第６
版；日本機械学会１９７７；第６編計測法第７章
７.６液位の測定)に記述があるように、変位長さの測
定によるものとして、フックゲージやポイントゲージと
よばれるもので直接に液位を測定するもの、また、液面
にフロートを浮かべて、フロートの変位を機械的に測定
するものがあった。

【０００３】また、更に、圧力の測定によるものとして
は、タンクの底面，側面に取り付けたダイアフラムの圧
力による変形を、機械的，電気的に検出するものや、液
体内に細管を挿入して先端から圧縮空気を噴出させ、細
管の背圧を測定するものがあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の機械的な液
面の検知装置は機械的な故障を避けることができないの
で定期的に人が巡回を行い、計測器が正常であることを
確認する必要があった。そのため、液面を確認する場所
が危険な所や遠い場所ではこのような巡回をなるべく無
くしたいという要求が強く、従来の機械的な検知に代わ
って監視用のカメラからの画像を使って画像処理による
液面の自動計測の要求が強くなってきた。しかし、液面
の位置の計測を画像により行うには、液体の性質により
種々の困難を伴う。即ち、粘度の高い液体では、毛細管
現象により液面付近の壁面に液体が液面より高いところ
まで付着しており、液面の位置をカメラ画像で決定する
ことが困難である。また、透明度の高い液体では、壁面
での液面の境界が不明瞭であり、液面を画像で検知する
ことは困難である。

【０００５】本発明の目的は、このような画像による液
面の計測の問題点を解決し、モニタカメラからの画像を
処理することにより液面位置を計測し得る方法を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、カメラ
より取り込まれた液体表面付近の画像中の側壁上の状況
と液体表面の状況を画像解析し、前記側壁と前記液体上
面の境界位置を推定することにより画像上での液体の上
表面の位置を求め、この求めた画像上での液体表面位置
を画像座標系から実際の空間座標系に変換し液体表面の
実際の位置を求めるようにしたことにある。

【０００７】具体的には、予め壁面に斜めの直線を描画
しておき、カメラにより取り込まれた液体の上方での直
線の像と、直線の液体表面における反射像との画像上の
位置関係に基づいて側壁と液体上面の境界位置を求める
ようにしたものである。

【０００８】また、予め壁面に斜めの直線を描画してお
き、カメラにより取り込まれた液体の上方での直線の像
と、液体中、即ち、液面下での直線の屈折像との画像上
の位置関係に基づいて側壁と液体上面の境界位置を求め
るようにしたことにある。

【０００９】

【作用】本発明によれば、予め壁面に描画された斜めの
直線を用い、その直線の反射影と液面上方の直線の交点
の座標が画像上で求められ、この交点に基づいて液面の
位置が求められるので、仮りに、液体の透明度が低くと
も表面の反射率がある程度ある場合には、画像処理によ
り液面の位置を求めることが可能となる。

【００１０】更にまた、本発明によれば、予め壁面に描
画された斜めの直線を用い、その直線の液面下の像と液
面上方の直線の交点の座標が画像上で求められ、この交
点に基づいて液面の位置が求められるので、透明度の高
い液体の場合においても、画像処理により液面の位置を
求めることが可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１２】図１に、一実施例による液面位置計測装置
の全体構成と、計測の原理を模式的に示す。ここでは一
例としてタンク１１中の液面２３を監視する装置につい
て記載してあるが、液面を監視する目的であれば人工的
な液容器内，自然界に存在する液体の液面等その他のも
のについても同様にして適用されるものとする。カメラ
１は、監視しようとするタンク１１の側壁１５部分の画
像を取り込み、カメラ画像は、光ケーブル７を経由して
タンク内液面中央監視所１２に送信される。タンク内液
面中央監視所１２では、光電変換器６で画像を受信し電
気信号に変換して映像切替器８に転送される。映像切替
器８では、監視用モニタ３と画像処理装置２に該画像信
号を分配するようにしてある。監視用モニタ３は、従来
の人によるモニタのための表示装置であり、本発明の特
徴は、画像処理装置を追加したところにある。画像処理
装置２では、本発明特有の画像処理方法にて液面の位置
を自動的に計測を行い結果をデータ出力管理装置４に転
送する。このような構成であるので現地のタンク内の液
面の状況は、機械的計測器をなんら使用することなく、
画像処理装置２により自動的に計測してデータ出力管理
装置４にてデータベース９に記憶したり、プリンタ１０
によりハードコピーを出力したり、必要な部署に送信ま
たは提供できる。本発明の最も特徴とするころは画像に
よる液面位置の検知方法であり以下その詳細について説
明する。

【００１３】図２は、液面の表面の反射率が良好な場合
の画像処理対象付近の壁面撮像部１５の対象物１８と液
面上の反射影１９が、カメラ１のレンズ１６を介して撮
像板１７上にどのように取り込まれるかを示す。カメラ
側から見て、対象物１８の液面表面での反射影１９はカ
メラのレンズ１６との幾何学的な関係で、図２のように
作成される。反射影１９は、カメラ側からみると対象物
１８のちょうど反対側にできた像２０と等価に見える。
対象物１８と像２０は、大きさ形状が同じであり本発明
ではこの特徴を利用する。対象物１８の撮像板上の像は
２１、像２０の撮像板上の像は２２であり、像２１と像
２２は大きさの等しい像であることに注目するべきであ
る。液面監視の際、カメラ画像で液面と側壁の境界１３
を直接認識できればよいのであるが一般に困難である。
理由は、種々あるが最も大きな理由は、毛細管現象によ
るものと、液体の透明という特徴によるものである。毛
細管現象により、境界１３付近の側壁に沿って液体が上
昇し、液体が上った部分は光を吸収しやすく、黒色に変
色する。このため境界部全体が黒色になり液面の境界が
全く画像上認識できない。また、このような現象が発生
しにくい場合でも液体の透明性が強い場合には、側壁１
５と液面２３の境界１３は当然であるが、ほとんど画像
上認識できない。図３は、このような液体の表面の高さ
を画像処理で認識可能なように直線（線分）２４を壁面
に描画した例である。本例では、液体は透明性が高い場
合で、液面下の直線部分は屈折像２６としてカメラ画像
上にとらえることができ透明度が高いので画像処理でき
る良好な画像が得られる。液面上方に見える線分２４の
液面表面での反射影２５は画像上でとらえられる場合が
あるが、この場合には反射率が悪く画像処理で認識でき
るような良好な像は得られない例を示す。

【００１４】図４は、図３とは逆に透明度が悪くその代
りに表面の反射率が良好な場合の例である。この場合に
は液面下の屈折像２６は、画像として良好な像が得られ
ないが、液面上方の線分２４の液面表面での反射影２５
は、良好な像が得られる例である。図３，図４ともに、
液面２３と側壁１５の境界部１３は、毛細管現象等で直
接画像で認識できない例である。図３の場合には像２６
を、図４の場合には像２５をうまく使用して境界部の位
置を推定できる。図５は、壁面１５に傾斜直線２４を描
画しておき、屈折像２６及び液面２３での反射影２５を
使って液面の高さ位置を推定する一実施例を示す。２７
は、画像座標上の像の大きさを実際の空間座標系におけ
る大きさに変換するためのマーク（スケール上に付して
も良い）を壁面にあらかじめ描画したものである。ここ
では高さＹ１mmのマーク（上下に長い長方形）を取付け
ておくものとする。このマークの下端または上端の位置
をこの液面を計測する基準スケール２８上の特定のメモ
リと一致させておくものとする（本図では下端を８cmの
位置と一致させた）。このように仕組んでおくことによ
り、画像処理により基準との比較が容易にできるので境
界位置１３を検知するとすぐ、液面の位置を実際の空間
座標系で算出することができる。図６により画像座標系
と実際の空間座標系との変換係数を求める方法について
説明する。まず、標準長（Ｙ１mm）のマークを含む画像
を取り込む（ブロックＡ）。次に、標準長のマーク部分
の画像を処理して画像座標中でのその長さｙ２を計測す
る（ブロックＢ）。最後に変換係数Ｋを次式で計算する
（ブロックＣ）。

【００１５】Ｋ＝Ｙ１／ｙ２変換係数Ｋは常時計算する必要はなく、一度計算して記
憶しておけばよく、条件が変わったり、記憶したものが
無くなったときに再計算するものとする。従って、一時
的にマークが部分的または全部が水没するようなことが
あっても問題ないのである。

【００１６】次に図３，図７及び図９から透明度が良好
な液体の場合の実施例について説明する。この場合に
は、図３に示すように液面下の直線の屈折像２６は、明
瞭であるが、液表面の反射影２５は、明瞭でない特徴が
ある。そのため直線２４と屈折像２６を画像処理して液
表面高さを推定する。液上方の直線２４と液下の屈折像
２６は、図３のように液の屈折率により曲がった状態を
示す。この特徴を使う。液面位置１３を、図７により液
面上の直線２４と液面下の屈折直線２６の交点として求
める方式について説明する。まず、画像を取り込み（ブ
ロックＡ）、液面上方の直線（線分）２４を求める。求
めた直線を次式にて定義する(ブロックＢ)。

【００１７】ｙ＝Ａ１＊ｘ＋Ｂ１液面下方の屈折直線２６を求める。得た直線を次式にて
定義する(ブロックＣ)。

【００１８】ｙ＝Ａ２＊ｘ＋Ｂ２２直線の交点（ｘｐ，ｙｐ）は、次式から得られる（ブ
ロックＤ）。

【００１９】

【数１】

【００２０】更に、標準長のマークの位置（ｘｒ，ｙ
ｒ）を画像上で求める(ブロックＥ)。標準長のマークの
位置（ｘｒ，ｙｒ）と交点（ｘｐ，ｙｐ）とのＹ方向の
差を計算する（ブロックＦ）。

【００２１】Ｈ′＝ｙｒ−ｙｐ距離変換係数Ｋにより標準長のマークと交点間の実距離
Ｈを求める（ブロックＧ）。

【００２２】Ｈ＝Ｋ・Ｈ′ 標準長のマークの高さ（Ｈｏ）は、既知であるから液面
高さは、液面高さ＝Ｈｏ−Ｈとして計算される（ブロックＨ）。ここで、図９により
直線２４と直線２６の交点の画像処理による求め方につ
いて詳細に説明する。図３で、直線２４の上端をＰ３と
し、線分２６の下端をＰ１とする。２直線の交点をＰ２
とする。交点Ｐ２は、２つの直線が得られると容易に求
められる。線分２４は、画像処理で求める際は、２つの
ウインドウＷ３，Ｗ４を線分上に設けて、このウインド
ウの中でＹ軸投影累積ヒストグラムを計算し、ウインド
ウと直線の交点の位置を得る。２つのウインドウの中で
のヒストグラム計算で得た２点を直線で結ぶことにより
精度の良い直線２４を得ることができる。直線２６につ
いても同様で、直線上に２つのウインドウＷ１，Ｗ２を
作成しウインドウの中でＹ軸投影累積ヒストグラムを計
算し、ウインドウと直線との２つの交点を得、この２つ
の交点を直線で結ぶことにより直線２６を得る。直線２
６と交点Ｐ２が、液体の液面の変化により変化するため
４つのウインドウを作成するには、２本の線分の概略を
前もって知る必要がある。以下その処理手順について図
９にて説明する。まず、入力画像の全体に対してＹ軸投
影累積ヒストグラム３４を作成する（ボックスＡ）。上
記ヒストグラム３４は、直線２４及び直線２６の影響で
Ｐ１点とＰ３のＹ軸投影部分の変化が大きいのでＰ１，
Ｐ３点の概略のｙ座標Ｐ１ｙ，Ｐ３ｙが容易に得られる
（ボックスＢ）。次に、入力画像の全体に対してＸ軸投
影累積ヒストグラム３５を作成する（ボックスＣ）。上
記ヒストグラム３５は、直線２４及び直線２６の影響で
Ｐ１点とＰ３のＸ軸投影部の変化が大きいのでＰ１，Ｐ
３点の概略のｘ座標Ｐ１ｘ，Ｐ３ｘが得られる（ボック
スＤ）。点Ｐ１，点Ｐ３の概略値から点Ｐ２の概略値を
以下により得る。直線２４は、点Ｐ３（Ｐ３Ｘ，Ｐ３
ｙ）を通過し、Ｙ軸に対する角度がｉ１である。勾配Ｋ
２４で表示するとＫ２４＝tan（９０−ｉ１）である。ｉ１は、既知である。

【００２３】一方、直線２６は点Ｐ１（Ｐ１Ｘ，Ｐ１
ｙ）を通過し、Ｙ軸に対して角度ｉ２である。勾配Ｋ２
６で表示するとＫ２６＝tan（９０−ｉ２）である。ｉ２は、液体の屈折率ｎとｉ１から決定され
る。

【００２４】スネルの法則から液体の屈折率をｎとする
と次の関係がある。

【００２５】ｎ＝sin（ｉ２）／sin（ｉ１）従って、ｉ１とｎは既知であるから、ｉ２も既知であ
る。従って、２つの直線２４，２６の勾配は既知であ
る。

【００２６】従って、直線２４は次式で表示できる。

【００２７】ｙ−Ｐ３ｙ＝Ｋ２４（ｘ−Ｐ３ｘ）または、ｙ−Ｋ２４＊ｘ＝Ｐ３ｙ−Ｋ２４＊Ｐ３ｘ直線２６は、次式で表示できる。

【００２８】ｙ−Ｐ１ｙ＝Ｋ２６（ｘ−Ｐ１ｘ）または、ｙ−Ｋ２６＊ｘ＝Ｐ１ｙ−Ｋ２６＊Ｐ１ｘ２直線の交点は、Ｐ２点であり次式で示される。

【００２９】

【数２】

【００３０】上述のＰ２点の座標（Ｐ２ｘ，Ｐ２ｙ）は
あくまで概略値であり液面の正確な位置を与えるもので
はない。液面の正確な位置を計測するには、上記、Ｐ
１，Ｐ２，Ｐ３点の概略位置を使って、ウインドウＷ
１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を直線上に作成して、各２組のウ
インドウの中でヒストグラム処理を行いウインドウと直
線の交点を求め２個の交点を直線で結ぶことにより各直
線の表示式を得る。直線２４上にウインドウＷ３とＷ４
を作成する手順について説明する。線分２４の両端Ｐ
２，Ｐ３点の概略座標が判っているのでその線分の適当
な内分点を計算し、その点に２個のウインドウを作成す
れば良い。例えば、線分Ｐ２，Ｐ３を４等分して、内分
点を左から順にＰｎ１，Ｐｎ２，Ｐｎ３と名付けると、
Ｐｎ１点にウインドウＷ３を置き、Ｐｎ３点にウインド
ウＷ４を置くと良い。

【００３１】この場合のウインドウの座標は、次のよう
になる。

【００３２】ウインドウＷ３の座標（Ｗ３ｘ，Ｗ３ｙ）Ｗ３ｘ＝（３＊Ｐ２ｘ＋Ｐ３ｘ）／４Ｗ３ｙ＝（３＊Ｐ２ｙ＋Ｐ３ｙ）／４ウインドウＷ４の座標（Ｗ４ｘ，Ｗ４ｙ）Ｗ４ｘ＝（Ｐ２ｘ＋３＊Ｐ３ｘ）／４Ｗ４ｙ＝（Ｐ２ｙ＋３＊Ｐ３ｙ）／４同様に、直線２６上にもウインドウＷ１，Ｗ２を作成す
る必要がある。作成手順は、上述と同様である。この場
合のウインドウの座標は、次のようになる。

【００３３】ウインドウＷ１の座標（Ｗ１ｘ，Ｗ１ｙ）Ｗ１ｘ＝（３＊Ｐ１ｘ＋Ｐ２ｘ）／４Ｗ１ｙ＝（３＊Ｐ１ｙ＋Ｐ２ｙ）／４ウインドウＷ２の座標（Ｗ２ｘ，Ｗ２ｙ）Ｗ２ｘ＝（Ｐ１ｘ＋３＊Ｐ２ｘ）／４Ｗ２ｙ＝（Ｐ１ｙ＋３＊Ｐ２ｙ）／４このように、２本の直線上に各２個ずつのウインドウを
作成した。この各ウインドウの中でＹ軸投影累積ヒスト
グラムを作成すると、直線との交点ではヒストグラムの
変化が大きいのでウインドウと直線との交点の位置が得
られる。直線は、この場合太さがあるので、直線の上縁
部と下縁部の両方の位置が得られる。この場合には上縁
部の情報のみを使用し下縁部の情報は捨てる。ウインド
ウＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４と直線との交点のＹ座標をＷ
１ｙ，Ｗ２ｙ，Ｗ３ｙ，Ｗ４ｙとする。

【００３４】直線２４は、（Ｗ３ｘ，Ｗ３ｙ）と（Ｗ４
ｘ，Ｗ４ｙ）を結ぶ直線として次式から得られる。

【００３５】ｙ＝（Ｗ４ｙ−Ｗ３ｙ）（ｘ−Ｗ３ｘ）／
（Ｗ４ｘ−Ｗ３ｘ）＋Ｗ３ｙ直線２６は、（Ｗ１ｘ，Ｗ１ｙ）と（Ｗ２ｘ，Ｗ２ｙ）
を結ぶ直線として次式から得られる。

【００３６】ｙ＝（Ｗ１ｙ−Ｗ２ｙ）（ｘ−Ｗ２ｘ）／
（Ｗ１ｘ−Ｗ２ｘ）＋Ｗ２ｙ次に図４，図８及び図１０から透明度が悪く表面の反射
率の比較的良い液体の場合について、液面上の直線２４
の反射影２５を使った実施例について説明する。この場
合には、図４に示すように液面下の直線の屈折像２６
は、明瞭でないが、液表面の反射影２５は、明瞭である
特徴がある。そのため反射像２５を画像処理して液表面
高さを推定する。液上方の直線２４と反射像２５は、図
４のように液面位置１３に対して対称図形である。この
特徴を使う。液面位置１３を、液面上の直線２４と液面
上の反射像の直線２５の交点として求める方法、また
は、Ｘ座標の等しい位置での両直線上でのＹ座標を計算
してその中央値をもって液面位置とする方法がある。い
ずれかの方法を処理の容易さ、精度の良さ等から選択す
れば良い。ここでは、２つの直線の交点を求める方式に
ついて図８にて詳細に記述する。まず、画像を取り込み
（ボックスＡ）、上側の直線２４を求める（ボックス
Ｂ）。次に下側の反射像の直線２５を求める（ボックス
Ｃ）。２直線の交点（ｘｐ，ｙｐ）を求める(ボックス
Ｄ)。更に標準長のマークの位置(ｘｒ，ｙｒ)を画像上
で求める（ボックスＥ）。交点（ｘｐ，ｙｐ）と標準長
のマークの位置（ｘｒ，ｙｒ）との高さの差を計算（ボ
ックスＦ）し、距離変換係数Ｋにて実距離Ｈを求める
（ボックスＧ）。標準長のマークの高さ（Ｈｏ）は、既
知であるから液面高さは、Ｈｏ−Ｈとして計算される
（ボックスＨ）。

【００３７】ここで、図１０により線分２４と線分２５
の交点の求め方について詳細に説明する。図４で、線分
２４の上端をＰ３′とし、線分２５の下端をＰ４′とす
る。２線分の交点をＰ２′とする。交点Ｐ２′は、２つ
の直線が得られると容易に求められる。線分２４を、画
像処理で求める際は、２つのウインドウＷ３′，W4′を
線分上に設けて、このウインドウの中でＹ軸投影累積ヒ
ストグラムを計算して得られる。２つのウインドウの中
でのヒストグラム計算で得た２つの点を結ぶことにより
精度の良い直線２４を得ることができる。線分２５につ
いても同様で、線分２５上に２つのウインドウＷ１′と
Ｗ２′を作成し同様にして得られる。交点Ｐ２′が、液
体の液面の変化により変化するため４つのウインドウを
作成するには、２本の直線の概略を前もって知る必要が
ある。以下その処理手順について図１０にて説明する。
まず、入力画像の全体に対してＹ軸投影累積ヒストグラ
ム３６を作成する（ボックスＡ）。上記ヒストグラム３
６は、線分２４及び線分２５の影響でＰ３′点とＰ４′
のＹ軸投影部の変化が大きいのでＰ３′，Ｐ４′点の概
略のｙ座標Ｐ３ｙ′，Ｐ４ｙ′が得られる（ボックス
Ｂ）。次に、入力画像の全体に対してＸ軸投影累積ヒス
トグラム３７を作成する（ボックスＣ）。上記ヒストグ
ラム３７は、線分２４及び線分２５の影響でＰ２′とＰ
３′のＸ軸投影部の変化が大きいのでＰ２′，Ｐ３′点
の概略のｘ座標Ｐ２ｘ′，Ｐ３ｘ′が得られる（ボック
スＤ）。Ｐ４ｘ′はＰ３ｘ′に等しい。点Ｐ２′のＹ座
標は、Ｐ３′，Ｐ４′点のＹ座標の中間値として得られ
る。

【００３８】Ｐ２ｙ′＝（Ｐ３ｙ′＋Ｐ４ｙ′）／２上記により、Ｐ２′(Ｐ２ｘ′，Ｐ２ｙ′），Ｐ３′(Ｐ
３ｘ′，Ｐ３ｙ′），Ｐ４′（Ｐ４ｘ′，Ｐ４ｙ′）の
座標概略値の全てを得た。

【００３９】線分２４，２５をより正確に求めるため
に、線分２４には、２個のウインドウＷ３′，Ｗ４′作
成する。線分２４の両端Ｐ２′，Ｐ３′が既知であるの
でこれを使って線分２４上にウインドウは容易に作成で
きる。線分２４を４等分して等分点の一つに、上記ウイ
ンドウを作成するものとすると、この場合のウインドウ
の座標は、次のようになる。

【００４０】ウインドウＷ３′の座標（Ｗ３ｘ′，Ｗ３
ｙ′）Ｗ３ｘ′＝（３＊Ｐ２ｘ′＋Ｐ３ｘ′）／４Ｗ３ｙ′＝（３＊Ｐ２ｙ′＋Ｐ３ｙ′）／４ウインドウＷ４′の座標（Ｗ４ｘ′，Ｗ４ｙ′）Ｗ４ｘ′＝（Ｐ２ｘ′＋３＊Ｐ３ｘ′）／４Ｗ４ｙ′＝（Ｐ２ｙ′＋３＊Ｐ３ｙ′）／４同様に、線分２５上にもウインドウＷ１′，Ｗ２′を作
成する必要がある。作成手順は、上述と同様である。こ
の場合のウインドウの座標は、次のようになる。

【００４１】ウインドウＷ１′の座標（Ｗ１ｘ′，Ｗ１
ｙ′）Ｗ１ｘ′＝（３＊Ｐ２ｘ′＋Ｐ４ｘ′）／４Ｗ１ｙ′＝（３＊Ｐ２ｙ′＋Ｐ４ｙ′）／４ウインドウＷ２′の座標（Ｗ２ｘ′，Ｗ２ｙ′）Ｗ２ｘ′＝（Ｐ２ｘ′＋３＊Ｐ４ｘ′）／４Ｗ２ｙ′＝（Ｐ２ｙ′＋３＊Ｐ４ｙ′）／４このように、２本の線分上に各２個ずつのウインドウを
作成した。この各ウインドウの中でＹ軸投影累積ヒスト
グラムを作成すると、線分と交差する部分はヒストグラ
ムの変化が大きいので線分上の位置が得られる。線分
は、この場合太さがあるので、線分の上縁部と下縁部の
位置が得られる。ウインドウＷ３′，W4′の場合には上
縁部の情報のみを使用し、ウインドウＷ１′，Ｗ２′の
場合には下縁部の情報のみを使用するとよい。ウインド
ウＷ１′，Ｗ２′，Ｗ３′，Ｗ４′と線分との交点のＹ
座標をＷ１ｙ′，Ｗ２ｙ′，Ｗ３ｙ′，Ｗ４ｙ′とす
る。

【００４２】線分２４は、（Ｗ２ｘ′，Ｗ２ｙ′）と
（Ｗ３ｘ′，Ｗ３ｙ′）を結ぶ直線として次式から得ら
れる。

【００４３】ｙ＝(Ｗ３ｙ′−Ｗ２ｙ′)(ｘ−Ｗ２ｘ′)
／(Ｗ３ｘ′−Ｗ２ｘ′)＋Ｗ２ｙ′ 線分２６は、（Ｗ１ｘ′，Ｗ１ｙ′）と（Ｗ２ｘ′，Ｗ
２ｙ′）を結ぶ直線として次式から得られる。

【００４４】ｙ＝(Ｗ１ｙ′−Ｗ２ｙ′)(ｘ−Ｗ２ｘ′)
／(Ｗ１ｘ′−Ｗ２ｘ′)＋Ｗ２ｙ′ 上記、２直線の交点として液面高さが得られることは、
先に記述した。

【００４５】このようにして本発明では、液体特有の性
質である毛細管現象や透明性等による液面の不明確な点
を克服するため側壁に傾斜した直線を付加することによ
りカメラ画像の解析により液体の表面高さを自動的に計
測することを可能とした。

【００４６】図１１は、液の透明度が良くない場合の液
面を計測する一例を示す。壁面にスケール（メモリと数
字）を置いてあるが、このスケールを画像処理で読める
ところまで読んでその点を液面とする方式である。

【００４７】図１２は、側壁が毛細管現象で変色し、液
面の境界部分が画像として認識できない場合の発明の一
実施例である。Ａ点が、液面２３と側壁１５の境界１３
にあり、Ａ点からＡ′点まで毛細管現象で変色している
場合、ＡＡ′部分が液表面で反射され反射像ＡＡ″を有
するような場合の液面計測である。図１３にてこの場合
の画像処理の一例を説明する。まず、画像を取り込み、
点Ａ′，点Ａ″の位置を画像の中で計測する。点Ａ′と
点Ａ″の中点を計算して、Ａ点であり液面である位置を
求める。

【００４８】図１４は、液中に突起物３３が、存在する
場合の一実施例を示す。液は、透明度が良くなく表面の
反射率が良いことが条件である。突起物の液上部３３ａ
部は、液の表面で反射され３３ｂのような像を画像中に
あり、液中の３３ｃの部分の像は、透明度が良くないの
でよく見えない。このような場合の画像処理例を図１５
に示す。まず、画像を取り込み３３ａと３３ｂの部分の
高さｙを画像中で計測する。ｙを実寸法に変換してＹ＝Ｋ＊ｙ突起物の頂上の位置Ｈ０が既知とすると液面の位置は、
次式により得られる。

【００４９】Ｈ＝Ｈ０−Ｙ／２

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、壁面と液面の境界が毛
細管現象や液体の透明な性質等により不明瞭な場合にで
も、画像処理により液面の高さの決定ができ、取扱の容
易な画像処理による液面の自動計測が可能となる。これ
により現場には監視カメラを設置するだけで自動計測が
可能となり定期的な人の巡視も不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるシステムの全体構成図
である。

【図２】液面上面の反射による液面下方に現れる画像出
現の原理説明図である。

【図３】傾斜直線を利用する方式（液体の透明度が良好
な場合）の説明図である。

【図４】傾斜直線を利用する方式（液体の透明度が悪く
表面の反射率が良好な場合）の説明図である。

【図５】傾斜直線の表面の反射影を利用する方式の説明
図である。

【図６】実物の長さと画像中の長さとの変換係数を求め
るフロー図である。

【図７】液面下の直線の屈折像を利用した液面高さを計
測するフロー図である。

【図８】液面上の直線の反射影を利用した液面の高さを
計測するフロー図である。

【図９】直線及びその交点を求める処理フロー図であ
る。

【図１０】直線及びその交点を求める処理フロー図であ
る。

【図１１】目盛と文字を読み取り液面の高さを計測する
フロー図である。

【図１２】液面と側壁境界部の毛細管現象で濡れて変色
した部分の反射影を利用した液面高さを計測するフロー
図である。

【図１３】液濡れ変色面を利用した液面高さの計測フロ
ー図である。

【図１４】液表面が鏡面で液中に突起物が存在する場合
の他の実施例の説明図である。

【図１５】液表面が鏡面で液中に突起物が存在する場合
の画像処理のフロー図である。

【符号の説明】

１…カメラ、２…画像処理装置、３…監視用モニタＴ
Ｖ、４…データ出力管理装置、５…電光変換器、６…光
電変換器、７…光ケーブル、８…映像切替器、９…デー
タベース、１０…プリンタ、１１…タンク、１２…タン
ク内液面中央監視所、１３…壁面と液面の境界、１５…
側壁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高藤政雄茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者堀田裕友東京都千代田区三崎町二丁目９番18号株式会社日立システムテクノロジー内 (56)参考文献特開平３−170029（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−87061（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−146925（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 23/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】液体表面付近の画像を取り込むカメラから
の映像を処理する画像処理装置における液面位置計測方
法であって、前記カメラより取り込まれた画像中の側壁
の状況と液体表面の状況を画像解析し、前記側壁と前記
液体上面の境界位置を推定して求めた画像上での液体表
面位置を、画像座標系から実際の空間座標系に変換して
液体表面の実際の位置を求める液面位置計測方法におい
て、予め前記側壁に斜めの直線を描画し、または物体を貼り
付け画像の中で斜めの直線を得るようにし、液体の上方
での直線の像と液体中の像との画像上の位置関係に基づ
いて前記側壁と液体上面の境界位置を推定することを特
徴とする画像処理を用いた液面位置計測方法。
【請求項２】液体表面付近の画像を取り込むカメラから
の映像を処理する画像処理装置における液面位置計測方
法であって、前記カメラより取り込まれた画像中の側壁
の状況と液体表面の状況を画像解析し、前記側壁と前記
液体上面の境界位置を推定して求めた画像上での液体表
面位置を、画像座標系から実際の空間座標系に変換して
液体表面の実際の位置を求める液面位置計測方法におい
て、予め前記側壁に斜めの直線を描画し、または物体を貼り
付け画像の中で斜めの直線を得るようにし、前記液体の
上方での直線の像と、前記液体の上方での直線の液体表
面における反射像との画像上の位置関係に基づいて前記
側壁と液体上面の境界位置を推定することを特徴とする
画像処理を用いた液面位置計測方法。
【請求項３】請求項１または２において、予め前記側壁
上に標準長のマークを取り付け、当該マークの画像上で
の長さを画像座標系から実際の空間座標系に変換するこ
とにより、液体表面の実際の位置を求めることを特徴と
する画像処理を用いた液面位置計測方法。
【請求項４】液体表面付近の画像を取り込むカメラから
の映像を処理する画像処理装置における液面位置計測方
法であって、前記カメラより取り込まれた画像中の側壁
の状況と液体表面の状況を画像解析し、前記側壁と前記
液体上面の境界位置を推定して求めた画像上での液体表
面位置を、画像座標系から実際の空間座標系に変換して
液体表面の実際の位置を求める液面位置計測方法におい
て、予め前記側壁にスケール目盛および数字を付しておき、
前記カメラより取り込んだ画像より前記スケール目盛の
値を画像解析することにより読み取り、前記スケール目
盛の値を読み取れなくなった場合に、当該目盛部分が液
面下になったと判断し、最終のスケール目盛の読み取り
位置を液体表面の実際の位置とする画像処理を用いた液
面位置計測方法。
【請求項５】液体表面付近の画像を取り込むカメラから
の映像を処理する画像処理装置における液面位置計測方
法であって、前記カメラより取り込まれた画像中の側壁
の状況と液体表面の状況を画像解析し、前記側壁と前記
液体上面の境界位置を推定して求めた画像上での液体表
面位置を、画像座標系から実際の空間座標系に変換して
液体表面の実際の位置を求める液面位置計測方法におい
て、前記側壁と液体上面の境界位置を画像処理により求める
際、当該境界部の毛細管現象による変色部とこの変色部
の液面上での反射像を画像解析し、その変色部の上界線
と下限界線を求め、当該求めた上界線と下限界線との中
間位置を液面位置とする画像処理を用いた液面位置計測
方法。
【請求項６】液体表面付近の画像を取り込むカメラから
の映像を処理する画像処理装置における液面位置計測方
法であって、前記カメラより取り込まれた画像中の側壁
の状況と液体表面の状況を画像解析し、前記側壁と前記
液体上面の境界位置を推定して求めた画像上での液体表
面位置を、画像座標系から実際の空間座標系に変換して
液体表面の実際の位置を求める液面位置計測方法におい
て、液体中に突起物が存在する場合、前記カメラより取り込
まれた画像中の前記突起物の液体上方の像と突起物の液
体上方の液体表面における反射像との画像上の位置関係
に基づいて前記側壁と液体上面の境界位置を推定するこ
とを特徴とする画像処理を用いた液面位置計測方法。