JP4309983B2 - レール断面測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レール上を走行する検測車等に搭載されてレール断面を測定するレール断面測定装置に関する。
すなわち、レールに対してスリット光を直交するように照射してその表面形状の映像を撮る光切断法に基づいてレール画像を得、それに対して所定の座標変換等の画像処理を施してレール断面像を求めるとともに、それまでの処理では除去しきれない変動分を除去するためにレールあご位置も求め、これを基準とした位置合わせ等を伴うような測定を行うレール断面測定装置に関する。
詳しくは、そのレールあご位置を求める技術に関するものである。
【０００２】
【背景の技術】
鉄道用レールは走行車両の車輪と擦れ合うことによりレールの踏面や頭部が摩耗する。その摩耗量が或るレベルを超えると脱線等を招く可能性があることから、それ以前に正常なレールと交換しなければならないので、レールの摩耗量を的確に把握するために、随時あるいは定期的にレール摩耗量を測定することが必要となる。
そして、レール摩耗量はレール断面像から求められるが、走行中にレールを切断することなく擬似的にレール断面像を求めるには、先ず、レールの表面形状を反映した生のレール画像をレールの外から撮る必要があり、それから、座標変換等の画像処理によって間接的にレール断面像を作り上げることとなる。
【０００３】
特開平６−１１３１５号公報に記載されたレール断面摩耗測定装置は、そのような要請に応えうるレール断面測定装置の典型例であり、光切断法という光学式測定方法を用いたものである。そこで、この装置は、測定対象物であるレールに対して直交するようにスリット光を照射して恰も切断したかのようにレール形状を浮き上がらせてその部分の表面映像を撮るとともに、こうして得た生のレール画像に対し座標系をカメラ基準の座標からレール基準の座標に切り換える所定の座標変換を施して正規化したレール断面像を疑似的に得、それから、このレール断面像を用いて摩耗量を算出するようになっている。
【０００４】
図６にその光学系を示したが、レール画像を得るために、キセノンフラッシュランプ等を内蔵したスリット光源１１と、その照射をレール１に直交したスリット光１３に絞り込むスリット部材１２と、スリット光１３がレール１に当たってできるスリット像１５を撮るＣＣＤカメラ１４とが設けられている。これらは、図示しない検測車の下面に取り付けられており、一本のレール１に対して２台のＣＣＤカメラ１４が設けられていて、そのレール１を両側の斜め上から挟み込むように撮影することで、底面を除きレールのほぼ全周についての映像が得られる。
【０００５】
こうしてレール画像が得られるが、レール１との接触やスリット光１３との干渉を避ける等のためにＣＣＤカメラ１４での撮像がレール１の斜め上から行われるので、生のレール画像は歪んでいる。その歪みは、ＣＣＤカメラ１４の取り付け位置や向きといった幾何学的な関係に基づいて定まり、所定の変換式による座標変換を施すことで概ね除去される。すなわち、カメラ基準座標系によるレール画像の任意位置を（Ｘ，Ｙ）と表し、レールの垂直な断面に対応したレール基準座標系によるレール断面像の該当位置を（ＸＸ，ＹＹ）と表すと、ＸＸ＝（Ａ０×Ｘ＋Ａ１×Ｙ＋Ａ２）／（Ａ６×Ｘ＋Ａ７×Ｙ＋１）、およびＹＹ＝（Ａ３×Ｘ＋Ａ４×Ｙ＋Ａ５）／（Ａ６×Ｘ＋Ａ７×Ｙ＋１）という座標変換の式が成立する。
【０００６】
そして、この変換式におけるパラメータＡ０〜Ａ７は、レール画像に反映されるレール１の特徴的形状を幾つか抽出して、歪みの無い理想的なレール断面像の特徴と対比させることで、定められる。しかも、ＣＣＤカメラ１４の設置後であれば、必要な幾何学的関係が確定し、それに基づいて予め決定しておくことが可能なので、演算量軽減等の観点から、固定値にして用いられる。もっとも、そのような座標変換だけでは、レールとカメラとの相対距離のように測定時に変化する動的な変動部分までは、吸収しきれない。
【０００７】
そこで、経年変化し難く環境等の影響も少ない基準点として、外側のレール頭部側面１ａの下端に位置するレールあご１ｂが選出される。そして、画像処理して得たレール断面像と摩耗の無い理想的な基準レール像とを重ね合わせたり同等の演算を行うようなときには、両者のレールあご位置が一致するような対応付けが行われ、それから、両者間の偏差を抽出する等の処理が行われて、レール摩耗量が算出される。こうして、レール断面像についてレールあご位置を基準とした測定が行われる。
【０００８】
【従来の技術】
従来、このようなレールあご位置は、スリット像１５のうちレール頭部側面１ａ上をレールあご１ｂに向かう直線部分が、スリット像１５のうちレール腹部側面１ｃ上をレールあご下１ｄに向かう連続線部分から、レールあご下１ｄのところで途切れることに基づき、レール画像から求められる。具体的には、二値化さらには細線化したレール画像を対象にして、上方の連続線を辿り、縦の直線部を下りきった端点の位置がレールあご位置とされていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
また、レールあご位置の確度を高めるために、細線化及び二値化の前で多値のままのレール画像に基づいて端点を求めることも試された（図７参照）。すなわち、レール頭部側面１ａにおける直線部の中心線を求め、その中心線に沿って各画素の輝度値を確認しながら下方に順次進んでいき、それから、所定の閾値よりも輝度値が小さくなった画素の座標をレールあご１ｂの位置とするのである。
この場合、演算量は増えるものの、それなりの効果が得られる。
【００１０】
しかしながら、測定状況によっては更なる精度向上が求められる。具体的には、図８に断面形状を示した６０ｋｇレールの場合、レールあご１ｂの曲率半径が一般レールのＲ１〜Ｒ２よりも大きいＲ５となっているが、この曲率半径が大きいと、レール表面の乾燥湿潤状態が精度に及ぼす影響も大きい。また、レール表面の乾湿状態が異なると、スリット光１３の反射率や散乱方向などもその影響を受け、スリット像１５の輝度が変化するが、濡れ具合に対応して一律に輝度が増減するので無く、曲率半径が大きいと激しく変化するということが判明した。
【００１１】
図９は、レール頭部側面１ａの直線部中心線に沿って上から下へ進んだときの位置を横軸に採るとともに、その経路における各画素の輝度を縦軸に採って、乾燥したレールの場合（グラフＤ）と、湿ったレールの場合（グラフＷ）とを示したものであるが、所定の閾値ｔにより決まるレールあご位置が乾燥時の値Ｘ１と湿潤時の値Ｘ２とで１ｍｍ近く異なってしまうこともある。
そして、レールあご位置に誤差があると、その位置を基準として行われる摩耗量等の測定値にも、その誤差が及ぶので、不都合である。
【００１２】
そこで、レールあごの曲率半径が小さい一般レールは元よりそれが大きいレールについても表面の乾湿状態に左右されることなく常に正確なレールあご位置が得られるようにすることが課題となる。
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、レールあご位置を正確に求めるレール断面測定装置を実現することを目的とする。
【００１３】
なお、光切断法によるレール画像からレールあご位置を求めるレール断面測定装置について、同じ目的で同一出願人により、レール画像における不動点とレール腹部側面上の連続線の端点とに基づいてレールあご位置を選定する手段を備えた発明が提示されているが（特願平１０−３１２７７３号）、それとの関係では、相補的に適用範囲を広げたり、共存や協動も可能にするのが望ましい。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために発明された第１乃至第５の解決手段について、その構成および作用効果を以下に説明する。
【００１５】
［第１の解決手段］
第１の解決手段のレール断面測定装置は（、出願当初の請求項１に記載の如く）、光切断法によるレール画像からレールあご位置を求めるレール断面測定装置において、前記レール画像におけるレール腹部側面上の第１連続線の第１端点と第２連続線の第２端点とに基づいてレールあご位置を選定する手段を備えたものである。
【００１６】
［第２の解決手段］
第２の解決手段のレール断面測定装置は（、出願当初の請求項２に記載の如く）、（測定対象物にスリット光を照射してその表面映像を撮る）光切断法による（加工前で生の）レール画像（に対し幾何学的関係に基づく所定の座標変換を施してカメラ基準座標系の画像）から（レール基準座標系の画像に正規化した）レール断面像を（疑似的に）得るとともに、そのレール断面像についてレールあご位置を基準とした（レール断面摩耗量の測定等の）測定を行うレール断面測定装置において、前記レール画像においてレール頭部側面上をレールあごに向かう第１直線を抽出する直線抽出手段と、前記レール画像においてレール腹部側面上をレールあご下に向かう第１，第２連続線について前記第１連続線の（上側）端点である第１端点および前記第２連続線の（上側）端点である第２端点を抽出する端点抽出手段と、前記レール画像において前記第１端点と前記第２端点とを結ぶ第２直線に対し前記第１直線またはその延長線が達する交点について前記レール画像における位置を求める交点位置算定手段とを備え、前記交点位置を前記レールあご位置として前記測定を行うものである。
【００１７】
このような第１，第２の解決手段のレール断面測定装置にあっては、光切断法および所定の座標変換に基づいて摩耗量等の測定に必要な所望のレール断面像が得られるとともに、その測定に際してレールあご位置が基準点とされるが、そのレールあご位置が、レール画像におけるレール腹部側面上の第１連続線の第１端点と第２連続線の第２端点とに基づいて得られる。すなわち、先ず、レール画像においてレール頭部側面上をレールあごに向かう第１直線が直線抽出手段によって抽出され、次に、レール画像においてレール腹部側面上をレールあご下に向かう第１，第２連続線の第１，第２端点が端点抽出手段によって抽出され、それから、レール画像において両端点を結ぶ仮想の直線を第２直線として、この第２直線と抽出済みの第１直線またはその延長線との交点位置が交点位置算定手段によって求められ、レール画像におけるその交点位置が基準のレールあご位置とされる。
【００１８】
ここで、レール腹部側面上の連続線の端点については、スリット光がレールあごで遮られてできる陰のところまで延びて来るが、その遮光位置は、レールの形状によって一意に定まり、レールあごの曲率が大きくその表面の乾湿状態でスリット光の反射状況も大きく変化するような場合でも安定しているので、そのような遮光位置に対応した陰と対をなす端点位置は、レール表面の乾湿状態に左右されることが無い。また、レール頭部側面上をレールあごに向かう第１直線も、レールあごに至る前の平坦面における部分は、レールあごの曲率等の影響を受けない。
【００１９】
そして、それらから求められる交点位置も、同じ特性を引き継ぐので、レールあごの曲率が大小いずれであっても形状が確定しさえすれば、レール表面の乾湿状態によって変動することが無い。
これにより、レールあごの曲率半径が小さい一般レールは元よりそれが大きいレールについても表面の乾湿状態に左右されることなく常に正確なレールあご位置が得られることとなる。
したがって、この発明によれば、レールあご位置を正確に求めるレール断面測定装置を実現することができる。
【００２０】
［第３の解決手段］
第３の解決手段のレール断面測定装置は（、出願当初の請求項３に記載の如く）、上記の第１，第２の解決手段のレール断面測定装置であって、前記第１直線の抽出が、（前記レール画像そのままの又はその全範囲もしくは一部の範囲に対応した画像であって二値化前で）多値のレール画像に基づいて行われることを特徴とする。
【００２１】
このような第３の解決手段のレール断面測定装置にあっては、多値のレール画像から第１直線が抽出されるので、二値化や細線化したレール画像を対象とする従来手法より正確な結果が得られる。それでいて、従来と異なりその端点検出は不要なので、第１直線のところを辿る処理が省けることから、回帰直線を求める演算等の比較的単純な演算で結果が得られるので、処理負担がさほど増えないで済む。
これにより、演算量の増加を抑えても、レールあご位置選出の基礎となる第１直線が正確に求まる。そこで、演算手段が簡素で安価なもので足りることとなる。
したがって、この発明によれば、レールあご位置を正確に求めるレール断面測定装置を簡素に実現することができる。
【００２２】
［第４の解決手段］
第４の解決手段のレール断面測定装置は（、出願当初の請求項４に記載の如く）、光切断法によるレール画像からレールあご位置を求めるレール断面測定装置において、前記レール画像における不動点とレール腹部側面上の第１連続線の第１端点および第２連続線の第２端点とに基づいてレールあご位置を選定する手段を備えたものである。
【００２３】
ここで、上記の「不動点」は、座標変換式同様に光学系の幾何学的な関係に基づいて定まり、撮像装置とレールとの相対距離を変化させてもレール画像内では移動しない点を意味する。
かかる不動点としては、十分遠方まで真っ直ぐに延びているとした仮想の直線レールの像が遠方で収束する点、言わば遠方収束点が用いられる。この遠方収束点は、カメラ座標系で見ると透視投影画法における透視中心に相当するものであり、光学系の幾何学的な関係が固定されればレール画像において一意に定まる。そして、撮像装置を搭載した検測車が走行中にレール上で上下等に揺れ動いたときでも、レール画像内のレール像は遠方収束点を中心に振れるだけで、遠方収束点から外れ去ることは無い。そこで、遠方収束点は、レール断面の測定に適した不動点に該当する。
【００２４】
また、この遠方収束点は、レール画像が一つでもあればレールの外形線等のうち２本以上を延長して収束点を定めるといった作図的手法を用いて簡便に求められるうえ、複数・多数のレール画像があれば、統計処理を併用して、確度を高めることも容易である。さらに、レール画像が無くても、光学系の特質や設置状態が把握されれば数値演算等による算出だけでも選出が可能である。しかも、レールあご位置の選出や所望の測定を行う度に求める必要が無く、予め確定しておくことが可能である。
【００２５】
そして、第４の解決手段のレール断面測定装置にあっては、上述した第１，第２端点に加えて、上記の不動点も、レールあご位置の選定に用いられるが、不動点は、光学系の幾何学的な関係で確定し、測定状態によらず移動しない点なので、それも、第１，第２端点と同様に、レールあごの曲率やレール表面の乾湿によって影響されることが無い。
これにより、表面の乾湿状態に左右されないで正確なレールあご位置を得るのに用いられる物理量が、最低限必要な個数より多く揃うので、適宜な選択や組み合わせも可能となる。
したがって、この発明によれば、レールあご位置を正確に求めるレール断面測定装置を多様な形態で実現することができる。
【００２６】
［第５の解決手段］
第５の解決手段のレール断面測定装置は（、出願当初の請求項５に記載の如く）、光切断法によるレール画像からレールあご位置を求めるレール断面測定装置において、（個別の光源または共通の光源からの）第１光切断線および第２光切断線を同一レールへ向けレール長手方向に離して（同時に又は逐次に）照射する手段を備えたものである。
【００２７】
このような第５の解決手段のレール断面測定装置にあっては、第１，第２光切断線を映した第１，第２連続線がレール画像内で明瞭に分離して現れることとなる。
これにより、レールあご位置の選出に用いられる第１，第２端点が容易かつ確実に得られる。そこで、上述した第１〜第４の解決手段における画像処理等を行うことが確実にできるようになる。しかも、光源や撮像装置の位置を多少ずらして調整したような場合でも、信号処理系は、第１，第２端点に関する限り、再調整や再設定などを行う必要が無い。
したがって、この発明によれば、レールあご位置を正確に求めるレール断面測定装置を確実に実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
このような解決手段で達成された本発明のレール断面測定装置について、これを実施するための形態を、第１〜第３実施例により、具体的に説明する。
第１実施例は、第１，第２，第３，第５の解決手段を具現化したものであり、第２実施例および第３実施例は、第１，第３，第４，第５の解決手段を具現化したものである。
【００２９】
【第１実施例】
本発明のレール断面測定装置の第１実施例としてのレール断面摩耗測定装置について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図１は、その全体構成を示すブロック図であり、図２は、その光学系を示す斜視図および側面図であり、図３は、レールに現れるスリット像等を示す斜視図であり、図４は、顎点すなわちレールあご位置を交点位置により求める手順を示すための画像例であり、図５は、レール断面の画像から摩耗量を求める手順を示す図である。
【００３０】
このレール断面摩耗測定装置は（図１参照）、光切断法によりレール画像を撮るための光学部１０と、レール１に付着したゴミ等を吹き飛ばすためのノズルやエア供給ユニット等からなる補助機構部２０と、撮ったレール画像に画像処理を施して所望の測定を行うための信号処理部３０とを具えている。
光学部１０及び補助機構部２０は、レール１を撮影するために、図示しない検測車の下面に取り付けられるが、左右２本のレール１を同時に測定するために、一対が左右に分けて搭載される。なお、光学部１０は、背景の技術の欄にて既述したように、スリット光源１１やＣＣＤカメラ１４からなるが（図６参照）、レール１一本当たり２台使用されるので、それぞれが４台ずつ設置される。
【００３１】
さらに、この装置では（図２参照）、スリット光源１１同様のスリット光源１１ａと、スリット部材１２同様にスリット光源１１ａの照射をレール１に直交したスリット光１３ａに絞り込むスリット部材１２ａも、追加して設けられ、これらは、基準点とされる外側のレールあごに対する照射を行うスリット光源１１等と同じく外側のレールあごに対する照射が行えるよう検測車の下面に取り付けられる。
【００３２】
しかも、その際、スリット光１３ａがレール１に当たってできる第２スリット像１６が第１スリット像１５に重なったり近づきすぎたりしないように、スリット部材１２ａ等とスリット部材１２等は、走行方向すなわちレール１の長手方向において、十分にずらして配置される（図２（ｂ）等参照）。もっとも、その距離は、第１スリット像１５及び第２スリット像１６が共にＣＣＤカメラ１４の撮影範囲から外れないところまでに、限定される。さらに、予定された範囲内の曲率で曲がっているレール１に対しその曲がりを無視して直線レールと仮定したときに生じる誤差が実用上十分に小さくなる距離についても、それ以下に納められる。これにより、個別の光源１１，１１ａからの第１光切断線１３および第２光切断線１３ａを同一レール１へ向けレール長手方向に離して同時に照射する手段が設けられたものとなっている。
【００３３】
信号処理部３０は（図１参照）、レールの撮像を走行状態等に応じて適切なタイミングで行う等のために、汎用のマイクロプロセッサシステム等からなるメインコントローラ３１を具備しており、これによって適宜のインターフェイス３２，３３，３４を介してＣＣＤカメラ１４や，スリット光源１１，１１ａ，補助機構部２０を制御するようになっている。
また、信号処理部３０には、それとは別個のプロセッサからなる断面信号処理装置４０も設けられていて、画像処理を効率良く行うようになっている。
【００３４】
断面信号処理装置４０は（図１参照）、インターフェイス３２を介して各ＣＣＤカメラ１４から取り込んだ４枚のレール半画像４１ａに加えて２枚のレール全画像４１ｂをも保持するフレームメモリ４１と、レール半画像４１ａに施す画像処理等の処理内容を規定したプログラムを保持するプログラムメモリ４２と、演算中に値の変更される方向データ４３ａや，第１陰点データ４３ｂａ及び第２陰点データ４３ｂｂ，顎点データ４３ｃなどを保持するＲＡＭ４３と、固定値の測定基準データ４４ｂを保持するＲＯＭ４４とを具えている。なお、特願平１０−３１２７７３号の実施例においてＲＯＭ４４に保持されていた遠方収束点データ４４ａは、ここでは、省かれている。
【００３５】
フレームメモリ４１において、レール半画像４１ａは、何れも、各画素ごとに数ビットのメモリが割り付けられて、多値のレール画像となっている。これに対し、レール全画像４１ｂは、何れも、各画素ごとに１ビットのメモリが割り付けられて、二値のレール断面像となっている。
また、ＲＡＭ４３及びＲＯＭ４４において、方向データ４３ａには、傾きと切片などの直線を規定するデータ領域が割り付けられ、陰点等の点データ４３ｂａ，４３ｂｂには、それぞれ、カメラ座標系で点位置を規定するデータ領域が割り付けられる。さらに、測定基準データ４４ｂには、摩耗量を計るべき箇所を示す幾本かの基準線（図５（ｃ）の矢印線を参照）と、少なくともこれらの基準線上においては摩耗の無い状態のレール断面像（図５（ｃ）の波線を参照）とを規定するデータ領域が、割り付けられている。
【００３６】
断面信号処理装置４０のプログラムメモリ４２には（図１参照）、レール半画像４１ａ（レール画像）における基準の顎点４３ｃ（レールあご位置）を選出するために、基準点選定ルーチン４２ａがインストールされ、レール半画像４１ａ（レール画像）からレール全画像４１ｂ（レール断面像）を得るために、正規化ルーチン４２ｂがインストールされ、レール全画像４１ｂ（レール断面像）についての顎点４３ｃ（レールあご位置）基準の測定としてレール摩耗量の測定をおこなうために、摩耗量算出ルーチン４２ｃがインストールされている。さらに、そのうちの基準点選定ルーチン４２ａは、４枚のレール半画像４１ａが新たに入力される度に順次実行される顎方向抽出サブルーチン４２ａａと顎陰点抽出サブルーチン４２ａｂと顎点算出サブルーチン４２ａｃとを具えている。
【００３７】
そのうち、顎方向抽出サブルーチン４２ａａは（図４参照）、ＣＣＤカメラ１４から取り込んだままのレール半画像４１ａを対象として、スリット像１５のうちレール頭部側面１ａ上をレールあご１ｂに向かう直線部分を含む部分画像４１ａａを切り出し、その直線部分の中心線に対する最適な近似直線を最小自乗法等により決定し、それを方向データ４３ａとする。なお、部分画像４１ａａの切り出しは、上方の曲部や下方の端部を含みさえしなければ、ラフで良い。
これにより、このサブルーチン４２ａａは、多値のままのレール画像４１ａにおいてレール頭部側面上をレールあごに向かう第１直線４３ａを抽出する直線抽出手段となっている。
【００３８】
また、顎陰点抽出サブルーチン４２ａｂは（図４参照）、先ず、スリット像１５のうちレール腹部側面１ｃに当たっている部分で探しやすいところ４１ａｂを見つけ、それから、その中で最も輝度値の大きな画素を選出する。そうすると、この画素はスリット像１５の中心線上に位置するので、その後は、その周りの各画素の輝度値を比較しながら輝度値の大きな画素を順に辿ることで、その中心線に沿って上方に進んで行く。そして、進行方向にある画素の輝度値が総て閾値ｔよりも小さくなったところで、そのときの画素位置を第１陰点データ４３ｂａとする。
【００３９】
次に、顎陰点抽出サブルーチン４２ａｂは、スリット像１６のうちレール腹部側面１ｃに当たっている部分で探しやすいところ４１ａｃを見つけ、さらに、その中で最も輝度値の大きな画素を選出する。それから、第１スリット像１５に対するのと同様にして、第２スリット像１６を上方に進み、連続線の上端に達したときの画素位置を第２陰点データ４３ｂｂとする。
これにより、このサブルーチン４２ａｂは、レール画像４１ａにおいてレール腹部側面上をレールあご下に向かう第１連続線１５の端点４３ｂａ及び第２連続線１６の端点４３ｂｂを抽出する端点抽出手段となっている。
【００４０】
顎点算出サブルーチン４２ａｃは（図４参照）、所定の連立方程式を解く演算を行って、第１陰点データ４３ｂａと第２陰点データ４３ｂｂとから両点を通る直線４３ｂｃのパラメータ即ち直線式の係数値を算出するとともに、この直線パラメータと方向データ４３ａとから両直線が交わる点についてカメラ座標系での座標値を算出し、これを顎点データ４３ｃとする。
これにより、このサブルーチン４２ａｃは、レール画像における第１端点４３ｂａと第２端点４３ｂｂとを結ぶ第２直線４３ｂｃに対し第１直線４３ａの延長線が達する交点位置４３ｃを求める交点位置算定手段となっている。
【００４１】
正規化ルーチン４２ｂは（図１参照）、各レール半画像４１ａに対し誤差増大の抑制等のために所定の平滑化および二値化さらに細線化の処理を行ったうえで（図５（ａ）参照）、各レール半画像４１ａに対し既述の座標変換式に基づく変形処理を適用するとともに、左右のレール半画像４１ａを２枚ずつ繋ぎ合わせて、４枚のレール半画像４１ａから２枚のレール全画像４１ｂを生成する（図５（ｂ）参照）。その際、不要な第２スリット像１６は無視されるとともに、レール半画像４１ａにおける顎点データ４３ｃの位置が、レール全画像４１ｂにおいてレールあご位置に対して予め定められた固定位置に来る。このルーチン４２ｂは、そのようになっている。
【００４２】
摩耗量算出ルーチン４２ｃは（図１及び図５（ｃ）参照）、レール全画像４１ｂを対象にして、測定基準データ４４ｂによって現される各基準線に沿って（図５（ｃ）の矢印線を参照）、レール全画像４１ｂのレール像（図５（ｃ）の実線部分を参照）と、摩耗の無い状態のレール断面像（図５（ｃ）の波線を参照）との差を算出する。そして、レールが摩耗して減る方向が正になるように符号を調整して、その差を摩耗量Ｍとするようになっている。
【００４３】
この第１実施例のレール断面測定装置について、その使用態様及び動作を説明する。
【００４４】
先ず、検測車の下面等に光学部１０及び補助機構部２０を装着させ、その状態でレール１をＣＣＤカメラ１４にて撮影し、そのモニタ画像等に基づいてパラメータＡ０〜Ａ７の値を確定する。そして、それらの値や、レール１の種類に基づき予め判明している測定基準データ４４ｂの値などをＲＯＭ４４に書き込み、そのＲＯＭ４４を信号処理部３０に装着する。それから、その信号処理部３０を該当する検測車に搭載するとともに、光学部１０等と信号処理部３０とを適宜のケーブル等で信号送受可能に接続する。
こうして、測定の準備が調う。
【００４５】
その検測車が目的地に至って測定対象のレール１上を一定速度で走行しながら測定を開始すると、メインコントローラ３１の制御の下、所定の周期でスリット光源１１及びスリット光源１１ａからレール１に向けてスリット光１３及びスリット光１３ａが照射されるとともに、それに同期してレール１上の第１スリット像１５及び第２スリット像１６がＣＣＤカメラ１４によって撮影される。そして、その度に、画像データが断面信号処理装置４０に取り込まれる。こうして、ほぼ一定の間隔を走行する度に新たなレール半画像４１ａが４枚ずつ得られる。
【００４６】
そして、その度に、断面信号処理装置４０では、基準点選定ルーチン４２ａと正規化ルーチン４２ｂと摩耗量算出ルーチン４２ｃとがその順に実行される。
しかも、基準点選定ルーチン４２ａの実行に際しては、顎方向抽出サブルーチン４２ａａと顎陰点抽出サブルーチン４２ａｂと顎点算出サブルーチン４２ａｃとがその順に実行される。
【００４７】
そこで、レール半画像４１ａが得られる度に（図４参照）、順に、顎方向抽出サブルーチン４２ａａによってレール半画像４１ａから方向データ４３ａが求められ、顎陰点抽出サブルーチン４２ａｂによってレール半画像４１ａから第１陰点データ４３ｂａ及び第２陰点データ４３ｂｂが求められ、顎点算出サブルーチン４２ａｃによって両陰点データ４３ｂａ，４３ｂｂと方向データ４３ａとから顎点データ４３ｃが求められる。こうして、レール半画像４１ａにおける複数の動点情報４３ｂａ，４３ｂｂに基づいてレールあご位置（４３ｃ）の選出が行われる。
【００４８】
さらに、正規化ルーチン４２ｂによって、平滑化と二値化と細線化の処理が施されてから（図５（ａ）参照）、所定の変換式に基づく座標変換処理が行われるとともに画像の繋ぎ合わせも行われて、４枚のレール半画像４１ａから２枚のレール全画像４１ｂが生成されるが、その際に、顎点データ４３ｃに基づいて画像位置がレールあご位置基準の適正位置になるよう調整される（図５（ａ）及び（ｂ）参照）。
【００４９】
それから、摩耗量算出ルーチン４２ｃによって、測定基準データ４４ｂに基づきレール全画像４１ｂから摩耗量Ｍが算出される。
こうして、顎点データ４３ｃの示す交点位置をレールあご位置として摩耗量Ｍの測定が行われ、より正確な測定値が得られる。
【００５０】
このようにして、検測車の走行に伴い所定間隔ごとに、レール１の踏面や頭部側面の摩耗量Ｍが、次々に測定される。
そして、測定された摩耗量Ｍは、適宜の信号変調処理や通信電文等への変換処理も施されてから、図示しない表示装置や記録装置に送られて、目視による良否判別や機械処理による自動判別等に供される。
【００５１】
【第２実施例】
本発明のレール断面測定装置の第２実施例としてのレール断面摩耗測定装置について、その構成を説明する。図示は割愛したが、この第２実施例のものが上記第１実施例のものと相違するのは、不動点を示す遠方収束点データ４４ａがＲＯＭ４４に保持される点と、顎点算出サブルーチン４２ａｃが、上述した動点だけでの顎点算出に加えて、不動点も利用した顎点算出も、選択的に行うようになった点である。
【００５２】
遠方収束点データ４４ａは（図３参照）、光学部１０を検測車に装着した後、ＣＣＤカメラ１４の出力ラインにモニタ等を一時的に接続してその撮影画像を観察し、モニタ画面上でレール１の外形線１ｅ，１ｆを定規等を用いて延長し、その交点位置を測ることで、求められる。あるいは、既述した座標変換の式におけるパラメータＡ０〜Ａ７が光学部１０の幾何学的関係だけで確定するのと同様に遠方収束点データ４４ａも光学部１０の幾何学的関係だけで確定することから、両者には一定の関係が存在するので、パラメータＡ０〜Ａ７が求まっていれば、それに基づく演算だけで遠方収束点データ４４ａが算出される。いずれにしても、得られた遠方収束点データ４４ａは、固定値となり、ＲＯＭライタ等の治具を用いてＲＯＭ４４に書き込まれる。
ＲＯＭ４４には、特願平１０−３１２７７３号の実施例と同様、固定値の遠方収束点データ４４ａのために、カメラ座標系で点位置を規定するデータ領域が割り付けられている。
【００５３】
顎点算出サブルーチン４２ａｃは（図４参照）、設定された動作モードに応じて処理内容が切り替わるようになっており、不動点不使用モードが指定されているときには、上述のようにして第１陰点データ４３ｂａと第２陰点データ４３ｂｂとから顎点データ４３ｃを算出する一方、不動点利用モードが指定されているときには、第２陰点データ４３ｂｂに代えて遠方収束点データ４４ａを用い、遠方収束点データ４４ａと第１陰点データ４３ｂａとから両点を通る第２直線のパラメータを算出するとともに、この直線パラメータと方向データ４３ａとから両直線が交わる点についてカメラ座標系での座標値を算出し、これを顎点データ４３ｃとする。
これにより、このサブルーチン４２ａｃは、レール画像における不動点４４ａとレール腹部側面上の第１連続線の第１端点４３ｂａおよび第２連続線の第２端点４３ｂｂとに基づいてレールあご位置４３ｃを選定するものとなっている。
【００５４】
このようなレール断面摩耗測定装置を用いて測定を行う場合、準備段階では、レール１をＣＣＤカメラ１４で撮影したモニタ画像等に基づいてパラメータＡ０〜Ａ７を確定する際等に、遠方収束点データ４４ａの値も確定する。そして、その値もＲＯＭ４４に書き込んでおく。
【００５５】
そして、実用に供給されているような通常状態のレールを対象に測定を行うときには、動作モードは不動点不使用モード及び不動点利用モードの何れになっていても良い。この場合、どちらでも、十分な精度で測定が行われる。
一方、通常の予想を超えて急に曲がるような特殊レールを対象にして測定を行うとき等には、動作モードを不動点利用モードに設定しておくと良い。
【００５６】
これに対し、レールと光学系との位置関係が予想を超えて大きく変動するような特殊環境下で測定を行うとき等には、動作モードを不動点不使用モードに設定しておくと良い。
こうして、両手法が相補的に用いられる。
【００５７】
【第３実施例】
本発明のレール断面測定装置の第３実施例としてのレール断面摩耗測定装置について、その構成を説明する。ここでも図示は割愛したが、この第３実施例のものが上記第２実施例のものと相違するのは、顎点算出サブルーチン４２ａｃが、動点だけでの顎点算出と不動点利用の顎点算出とを切り換えて選択的に行うので無く、それら双方を常に演算するようになった点である。
【００５８】
そして、座標変換の基準となるレールあご位置としては、例えば、それら２種類の顎点データ４３ｃの示す２点の中央点を用いたり、それら２点に適宜の重み付けを付与しておいてそれらの適宜な中間点を選出して用いたり、あるいは検測車に掛かる横加重等の異質な物理量を検出しておきこれに基づいて両点の何れかを自動選択して用いるようにする。
これにより、この場合も、不動点４４ａと第１連続線の第１端点４３ｂａと第２連続線の第２端点４３ｂｂとに基づいてレールあご位置４３ｃが選定されることとなる。
【００５９】
また、本来の測定値である摩耗量Ｍに加えて、その確度情報として、２種類の顎点データ４３ｃの示す２点間の距離や、２種類の直線４３ｂｃにおける傾きや位置の差なども、算出されて、判断に供される。
こうして、共存する異種の顎点算出が協動することで、測定結果の信頼性が格段に向上する。
【００６０】
【変形例】
なお、上記実施例では、正規化ルーチン４２ｂにより平滑化・二値化・細線化の処理の後に座標変換処理を行うようにしたが、これに限らず、座標変換の処理を先に済ませた後に平滑化・二値化・細線化の処理を行うようにしても良い。
また、上記実施例では、レール断面摩耗を測定する場合を説明したが、測定する物理量は、摩耗量に限らず、レール断面像から得られるものであれば、どのようなものでも良い。
さらに、摩耗量の正負も、実施例の場合に限られず、レールが摩耗して減る方向が負になるようにしても良い。
【００６１】
上記実施例では、スリット光１３及びスリット光１３ａを個別の光源１１，１１ａから発するようにしたが、複数のスリット光の形成は、これに限らず、同じ光源から発した光を、分光したり、あるいは時分割的に切り換えたりして、光源を共通化・共用化しても良い。
また、スリット光源の種類も、キセノンフラッシュランプに限られず、水銀ランプ等でも良いし、外乱光の影響を排除するために光度を適宜な周波数で変調するようにしても良い。
【００６２】
さらに、上記実施例では、複数のスリット光１３，１３ａの照射を同時に行うようにしたが、複数のスリット光の照射は、これに限らず、例えば実用上無視できる時間間隔で逐次に照射するようにしても良く、その場合、第１スリット像１５と第２スリット像１６とを一枚のレール半画像４１ａに合成する処理を、ＣＣＤカメラ１４に委ねても良く、あるいは、信号処理部３０に委ねて、画像データを重ね合わせるようにしても良い。
また、第２スリット像１６は、第１スリット像１５と同じ形に限られるもので無く、幅等の異なるものであっても良く、複数でも良い。
さらに、カメラの種類や台数も、ＣＣＤや４台又は６台に限られず、画像の枚数も４枚や２枚に限られず、コストやスループット等に応じて、適宜のものを採用することができる。
【００６３】
補助機構２０は、設置する方が好ましいが、必須では無いので、測定環境やコスト等を勘案して、省略しても良い。
また、ＲＯＭ４４に代えて、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリを用いることも可能であり、あるいはバッテリバックアップ付きのＲＡＭを採用しても良い。
さらに、レール半画像４１ａはメインコントローラ３１を介して入力するようにしても良く、メインコントローラ３１と断面信号処理装置４０とが一つのプロセッサで構成されていても良く、逆に断面信号処理装置４０が協動する複数の並列プロセッサやワイヤードロジック等で構成されていても良い。
【００６４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１，第２の解決手段のレール断面測定装置にあっては、レールあご位置がレール画像におけるレール腹部側面上の一対の連続線の端点に基づいて得られるようにしたことにより、レール形状が定まればレールあごの曲率や乾湿による変動は無くなるので、レールあご位置を正確に求めるレール断面測定装置を実現することができたという有利な効果が有る。
【００６５】
また、本発明の第３の解決手段のレール断面測定装置にあっては、端点検出の不要な直線抽出の処理を多値で行うようにしたことにより、多値のままでも演算量の増加が抑制される一方で精度が向上し、その結果、レールあご位置を正確に求めるレール断面測定装置を簡素に実現することができたという有利な効果を奏する。
【００６６】
さらに、本発明の第４の解決手段のレール断面測定装置にあっては、レールあご位置の選定に際し第１，第２端点に加えて不動点も用いるようにしたことにより、レール表面の乾湿状態に左右されない物理量についてその個数に余裕が生じるので、レールあご位置を正確に求めるレール断面測定装置を多様な形態で実現することができるようになったという有利な効果が有る。
【００６７】
また、本発明の第５の解決手段のレール断面測定装置にあっては、第１，第２連続線がレール画像内で明瞭に分離して現れるようにしたことにより、レールあご位置を正確に求めるレール断面測定装置を確実に実現することができるようになったという有利な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のレール断面測定装置の第１実施例としてのレール断面摩耗測定装置について、その構造を示すブロック図である。
【図２】 その光学系を示す斜視図および側面図である。
【図３】 レールに現れるスリット像等を示す斜視図である。
【図４】 顎点を求める手順を示すための画像例である。
【図５】 レール断面の画像から摩耗量を求める手順を示す図である。
【図６】 従来のレール断面摩耗測定装置の光学系である。
【図７】 顎点抽出手順の改良案を示す画像例である。
【図８】 ６０ｋｇレールの断面形状である。
【図９】 そのレール表面の乾湿による輝度変化および顎点位置の変動を示すグラフである。
【符号の説明】
１ レール
１ａ レール頭部側面
１ｂ レールあご（顎）
１ｃ レール腹部側面
１ｄ レールあご下
１ｅ 外形線
１ｆ 外形線
１０ 光学部（レール断面摩耗測定装置、レール断面測定装置）
１１ スリット光源（第１光切断線の照射手段）
１１ａ スリット光源（第２光切断線の照射手段）
１２ スリット部材（第１光切断線の照射手段）
１２ａ スリット部材（第２光切断線の照射手段）
１３ スリット光（第１光切断線）
１３ａ スリット光（第２光切断線）
１４ ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１５ 第１スリット像（レール表面における第１光切断線の映像）
１６ 第２スリット像（レール表面における第２光切断線の映像）
２０ 補助機構部
３０ 信号処理部（レール断面摩耗測定装置、レール断面測定装置）
３１ メインコントローラ（主制御装置）
３２，３３，３４ インターフェイス（Ｉ／Ｆ、サブコントローラ）
４０ 断面信号処理装置
４１ フレームメモリ（画像データ記憶手段）
４１ａ レール半画像（座標変換前の画像、レール画像）
４１ａａ 部分画像（第１直線を含む局部画像）
４１ａｂ 部分画像（第１連続線を含む局部画像）
４１ａｃ 部分画像（第２連続線を含む局部画像）
４１ｂ レール全画像（座標変換後の画像、レール断面像）
４２ プログラムメモリ
４２ａ 基準点選定ルーチン（座標変換前処理）
４２ａａ 顎方向抽出サブルーチン（直線抽出手段）
４２ａｂ 顎陰点抽出サブルーチン（端点抽出手段）
４２ａｃ 顎点算出サブルーチン（交点位置算定手段）
４２ｂ 正規化ルーチン（座標変換処理）
４２ｃ 摩耗量算出ルーチン（座標変換後処理）
４３ ＲＡＭ（書換データ保持手段）
４３ａ 方向データ（顎方向情報、動点情報、第１直線）
４３ｂａ 第１陰点データ（顎陰点情報、動点情報、第１端点）
４３ｂｂ 第２陰点データ（顎陰点情報、動点情報、第２端点）
４３ｂｃ 直線（両顎陰点を結ぶ直線、動点情報、第２直線）
４３ｃ 顎点データ（顎点情報、動点情報、レールあご位置）
４４ ＲＯＭ（固定データ保持手段）
４４ａ 遠方収束点データ（不動点情報）
４４ｂ 測定基準データ（基準画像に基づく測定情報）

Claims (4)

1. 光切断法によるレール画像からレールあご位置を求めるレール断面測定装置において、前記レール画像におけるレール腹部側面上の第１連続線の第１端点と第２連続線の第２端点とに基づいてレールあご位置を選定する手段を備えたことを特徴とするレール断面測定装置。
2. 光切断法によるレール画像からレール断面像を得るとともにそのレール断面像についてレールあご位置を基準とした測定を行うレール断面測定装置において、前記レール画像においてレール頭部側面上をレールあごに向かう第１直線を抽出する手段と、前記レール画像においてレール腹部側面上をレールあご下に向かう第１連続線の第１端点および第２連続線の第２端点を抽出する手段と、前記レール画像において前記第１端点と前記第２端点とを結ぶ第２直線に対し前記第１直線またはその延長線が達する交点位置を求める手段とを備え、前記交点位置を前記レールあご位置として前記測定を行うことを特徴とするレール断面測定装置。
3. 前記第１直線の抽出が、多値のレール画像に基づいて行われることを特徴とする請求項２に記載されたレール断面測定装置。
4. 光切断法によるレール画像からレールあご位置を求めるレール断面測定装置において、前記レール画像における直線レールの像が遠方で収束する点である不動点とレール腹部側面上の第１連続線の第１端点および第２連続線の第２端点とに基づいてレールあご位置を選定する手段を備えたことを特徴とするレール断面測定装置。

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