JP6822919B2 - 管路施設内検査システム - Google Patents
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Description
特許文献1では、管路内を移動させる移動体に広角レンズを有する全方位カメラを搭載し、この移動体を管路内で移動させることによって全方位カメラで管路の内面を撮影し、全方位カメラで撮影された画像を画像処理手段で平面画像に変換し、これを地上の表示監視盤で表示する旨開示されている。そして、特許文献1では、全方位カメラを搭載する移動体の位置測定は、同軸ケーブル(電力供給及び画像信号の送信に供される)を巻き取るガイドローラの回転数を距離に変換することで行う旨記載されている。
そこで、本発明は、ケーブル或いは水平方向の移動距離センサを要することなく、長手方向に延在する管路施設内を検査のために撮像される画像データから移動体の移動距離を取得し得る管路施設内検査システムを提供する。
前記特定領域の視野角と前記内面から前記撮像装置までの距離に基づき、前記2地点の間の距離を求める移動距離算出部と、を有することを特徴とする。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
また、管路施設内を撮像する撮像装置を搭載し管路施設内を移動する移動体として、例えば、ドローン等の飛行体、車輪又はクローラを有する車型の移動体、又は船などが含まれ、これらのいずれかに限定されるものではない。
以下では一例として、管路施設として下水道管を対象とし、移動体としてドローン等の飛行体を用いる場合を想定し、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
図1は、本発明の一実施例に係る実施例1の管路施設内検査システムの全体概略構成図である。図1に示すように、管路施設内検査システム1は、撮像装置5を搭載する移動体2(ドローン等の飛行体)、移動体用コントローラー(制御端末)3、及び電子端末4から構成される。図1に示す状態では、移動体2が左側の開口部(マンホール)6を通り、長手方向に延在する構造物(管路施設)60内を右側の開口部(マンホール)6側へと飛行している状態を示している。
作業員は、移動体用コントローラー(制御端末)3を操作し、移動体2を、長手方向に延在する構造物(管路施設)60(以下、下水道管称する場合もある)内を下水52に接触することなく飛行させる。例えば、長手方向に延在する構造物(管路施設)60(下水道管)内を点検・調査(ひび割れや破損の点検)するために移動体2に搭載される撮像装置5からの画像データ(管内において長手方向に撮像した直視画像)を、移動体用コントローラー(制御端末)3の表示部にて、作業員が確認することで、移動体2を所望の移動経路にて移動させることができる。
図2は本実施例に係る画像処理装置の機能ブロック図であり、図3は本実施例に係る画像処理装置の主要部のブロック線図である。
図2に示すように、画像処理装置7は、移動体2から送信される撮像装置5による長手方向に延在する構造物(管路施設)60(下水道管)内の撮像された画像データを受信可能とする通信I/F31、受信された画像データ中の特定領域(詳細後述する)を抽出する領域抽出部14、探索部(マッチング部)20、位置差分算出部26、左右内面距離算出部32、視野角算出部36、移動距離算出部38、積算部40、記憶部33、及び表示制御部34を備え、これらは内部バス112にて相互に接続されている。また、画像処理装置7は、表示制御部34に接続される表示部42を有する。領域抽出部14、探索部(マッチング部)20、位置差分算出部26、左右内面距離算出部32、視野角算出部36、移動距離算出部38、積算部40、及び表示制御部34は、例えば、CPU等のプロセッサ、プログラムを格納するROM、ROMより読み出されたプログラムをプロセッサが実行する過程のデータ等を一時的に格納するRAM等の記憶装置にて実現される。
図3に示すように、第2の画像データ10は、領域抽出部14に入力される。領域抽出部14は、特定領域として、第2の画像データ10から、第2の画像データ10の第1の領域16、第2の画像データ10の第2の領域18の2つの領域を抽出する。これら第2の画像データ10の第1の領域16及び第2の画像データ10の第2の領域18は、画像中心から対称で、相互にできるだけ離れた位置にあることが望ましい。例えば、撮像された画像データから抽出する第1の領域及び第2の領域の位置の一例を示す模式図である図5に示すように、第2の画像データ10の左端付近を第2の画像データの第1の領域16として、また、第2の画像データ10の右端付近を第2の画像データの第2の領域18として用いるのが望ましい。下水道管60のように下方に液体が流れており、その表面の特徴が短時間で変化してしまう場合には、画像データの下端付近を第1の領域及び第2の領域として用いないことが望ましい。これら第2の画像データ10の第1の領域16及び第2の画像データ10の第2の領域18は、いずれも第2の画像データ10の端付近に位置することが望ましいが、レンズの歪みが大きい場合や、ブレ或いはピントのずれがある場合には必ずしも端である必要はない。第2の画像データ10の第1の領域16及び第2の画像データ10の第2の領域18の領域の大きさについては限定されないが、以降の処理を高速化したい場合には小さく設定することが望ましい。
図3に示すように、探索部(マッチング部)20は、領域抽出部14により抽出された第1の領域16を有する第2の画像データ10を、内部バス112(図2)を介して入力する。探索部(マッチング部)20には、通信I/F31(図2)を介して受信された第1の画像データ12が内部バス112を介して転送される。ここで、第1の画像データ12は第2の画像データ10の撮像範囲よりも広範囲を撮像したものとする。すなわち、第1の画像データ12の撮像位置は、第2の画像データ10の撮像位置よりも後方に位置する。移動体2に搭載される撮像装置5により画像を撮像する場合には、移動体2の進行方向側の画像データを撮像することが一般的であることから、第1の画像データ12は、第2の画像データ10よりも過去の時点で撮像されることになる。第1の画像データ12及び第2の画像データ10の撮像位置の関係を図6に示す。図6は、長手方向に延在する構造物(管路施設)60(下水道管)の内面を異なる2地点から撮像する撮像装置の位置関係を示す模式図である。図6では便宜上2台の撮像装置56及び撮像装置58が描かれているが、実際上は、白抜き矢印にて示すように、1台の撮像装置が移動体2よって移動した前と後の位置関係を示している。第1の画像データ12を撮像する位置にある撮像装置56が、第2の画像データ10を撮像する位置にある撮像装置58よりも左側、すなわち後方に位置する(以下では、第1の画像データ12を撮像した位置56、第2の画像データを撮像した位置58と称する場合もある)。
なお仮に、検査対象である長手方向に延在する構造物(管路施設)60内の内面に上述のような、特徴量となり得る内面に付着する汚れ或いは文字などが存在しない場合には、探索部(マッチング部)20は、例えば、継ぎ目54の画像の第2の画像データ10と第1の画像データ12の面積比を求め、求めた面積比に基づき第1の画像データ12における第2の画像データ10内の第1の領域16に相当する座標(画素)を決定し、特定領域として抽出(探索)する構成としても良い。面積比に代えて、継ぎ目54の画像における周方向の長さの比を求め、求めた長さの比に基づき第1の画像データ12における第2の画像データ10内の第1の領域16に相当する座標(画素)を決定し、特定領域として抽出(探索)しても良い。
位置差分算出部26は、第2の画像データ10の第1の領域16が第1の画像データ12の中でどの程度ずれているかを計算する。このずれは、第2の画像データ10の第1の領域16と、第2の画像データ10の第2の領域18を結ぶ線と平行な方向(水平方向)に向かう偏差とする。このずれの情報は、第1の領域の位置の偏差28として、内部バス112を介して左右内面距離算出部32へ転送される。
同様に、位置差分算出部26は、第2の画像データ10の第2の領域18が第1の画像データ12の中でどの程度ずれているかを計算する。このずれは、第2の画像データ10の第2の領域16と、第2の画像データ10の第2の領域18を結ぶ線上方向に向かう偏差とする。このずれの情報は、第2の領域の位置の偏差30として、内部バス112を介して左右内面距離算出部32へ転送される。
[左右内面距離算出部]
図9は、撮影画像データから抽出する第1の領域と第2の領域の位置が、第1の画像データ12と第2の画像データ10で異なる位置にあり、それぞれ異なる偏差を有することを示す模式図である。第1の領域の位置の偏差28が、第2の領域の位置の偏差30に比べて大きい例を示している。
左右内面距離算出部32は、第1の領域の位置の偏差28及び第2の領域の位置の偏差30の値に基づき、長手方向に延在する構造物(管路施設)60の内面から撮像装置までの距離を計算する。図10は、第1の画像データ12と第2の画像データ10における光学的幾何関係を示す模式図である。撮像装置5の焦点距離76により、第1の画像データ12が投影される等価画像平面66には第2の画像データ10の第1の領域16と第2の画像データ10の第2の領域18も映り込む。その映り込む位置は、第2の画像データ10が投影される等価画像平面68の上での第2の画像データ10の第1の領域16と第2の画像データ10の第2の領域18の投影位置とは、それぞれ第1の領域の位置の偏差28及び第2の領域の位置の偏差30だけずれることになる。これは、撮像装置5を搭載する移動体2が、長手方向に延在する構造物(管路施設)60内の水平方向中央部よりも左側に所定量ずれた状態で、長手方向に延在する構造物(管路施設)60内の長手方向に沿って直進することに因るものである。
dL:dR=a・m+R:a・m+L ・・・(1)
ここで、第1の画像データ12を撮像した位置56と第2の画像データ10を撮像した位置58との差分70が、左側内面との距離72及び右側内面との距離74に比べて十分に小さければ、視野角が90°のときでaはたかだか1.0(広角カメラの場合、視野角は一般的に90°であり式(1)における視野角に関する係数は1.0)であるため、式(1)の右辺の微小項となるa・mを無視することができ、
dL:dR=R:L ・・・(2)
式(2)が成り立つ。撮像装置5が動画データを撮像する装置の場合、1秒間に50フレームから60フレームの画像データを撮像できるのが普通であり、第1の画像データ12を撮像した位置56と第2の画像データ10を撮像した位置58との差分70を十分小さく設定できる。換言すれば、移動体2の移動速度を考慮しても、1秒間に50フレームから60フレームの画像データが取得されることからフレーム差分をとれば、第1の画像データ12を撮像した位置56と第2の画像データ10を撮像した位置58との差分70はかなり小さい値となる。すなわち、上記式(2)を用いることで、第1の領域の位置の偏差28及び第2の領域の位置の偏差30の値に基づき、長手方向に延在する構造物(管路施設)60の左右内面から撮像装置5までの距離の比率を算出することができる。
長手方向に延在する構造物(管路施設)60の横断面形状が円形の円管の場合、長手方向に延在する構造物(管路施設)60の内面の断面寸法50として直径Cが与えられるとすると、以下の式(3)及び式(4)により距離を計算できる。ここで、L:左側内面との距離72、R:右側内面との距離74、dL:第1の領域の位置の偏差28、dR:第2の領域の位置の偏差30である。
L=C×(dR÷(dL+dR)) ・・・(3)
R=C×(dL÷(dL+dR)) ・・・(4)
横断面形状が矩形の場合には、直径Cに代えて矩形の幅Wを乗じることで、左側内面との距離72、右側内面との距離74を、以下の式(5)及び式(6)により計算できる。
L=W×(dR÷(dL+dR)) ・・・(5)
R=W×(dL÷(dL+dR)) ・・・(6)
[視野角算出部]
視野角算出部36は、詳細後述する半視野角48を求める。視野角算出部36には、内部バス112を介して、図3に示すように、探索部(マッチング部)20より第1の領域の対応情報22及び第2の領域の対応情報24が転送されると共に、左右内面距離算出部32より左側内面との距離72及び右側内面との距離74が転送される。まず、第2の領域の対応情報24に含まれる右側の第2の画像データ10の第2の領域18について述べる。
図11は、第2の画像データ10に含まれる第2の領域18と画像中心78の位置関係を示す模式図である。先ず、視野角算出部36は、図11に示すように、第2の画像データ10の第2の領域18が第2の画像データ10の画像中心78からずれている画素の個数、すなわち画像中心78からの画素数80を計算する。これは、画像データから容易に求めることができる。
この場合の第2の画像データ10に含まれる第2の領域18に対する軸方向(光軸)からの角度の光学的幾何関係を示す模式図を図12に示す。第2の画像データ10を撮像する位置にある撮像装置58が長手方向に延在する構造物(管路施設)60の軸方向を向いている場合、第2の画像データ10の第2の領域18は軸方向(光軸)からの半視野角48に位置する。半視野角48(視野角のうち光軸に対し片側のみのなす角度)は、画像中心78からの画素数80に基づき以下の手順で求めることができる。
視野角算出部36は、求めた半視野角48を移動距離算出部38へ内部バス112を介して転送する。
移動距離算出部38は、内部バス112を介して、視野角算出部36により求められた半視野角48、及び、左右内面距離算出部32により求められた左側内面との距離72及び右側内面との距離74を入力し、第1の画像データ12及び第2の画像データ10を撮像した間に移動体2が移動した距離を以下のようにして計算する。図14は、第2の画像データ10に含まれる第2の領域16に対する軸方向からの角度の光学的幾何関係を示す模式図である。図14において、Xは右側内面との距離74、θBは軸方向からの角度(半視野角)、dbは撮像装置と第2の画像データ10の第2の領域18までの軸方向の距離84である。このうちXとθBは上述したように求めることができる。dbは幾何学的関係によって次式(7)により計算できる。
db=X・tan(90°−θB) ・・・(7)
同様にして、抽出した第2の領域18が第1の画像データ12中で対応する領域64についても、撮像装置と第2の画像データ10の第2の領域18までの軸方向の距離84を求めることができる。これをdb2とすると、第1の画像データ12を撮像した位置と第2の画像データ10を撮像した位置の差分70はdb2−dbとなる。
以上のように、移動距離算出部38は、左側内面との距離72、右側内面との距離74、及び半視野角48を用いて第1の画像データ12を撮像した位置と第2の画像データ10を撮影した位置の差分70を求める。移動距離算出部38により求められた第1の画像データ12を撮像した位置と第2の画像データ10を撮影した位置の差分70は、内部バス112を介して積算部40へ転送される。
積算部40は、内部バス112を介して移動距離算出部38より転送される、第1の画像データ12を撮像した位置と第2の画像データ10を撮影した位置の差分70の値を所定の周期にて積算し、移動距離積算値46を求める。すなわち、積算部40は、移動体2に搭載される撮像装置5により撮像される画像データが連続的に存在する場合、上述の移動距離算出部38により所定の周期にて求められる2地点間の距離(第1の画像データ12を撮像した位置と第2の画像データ10を撮影した位置の差分70の値)を積算し、移動距離積算値46を求める。
積算部40は、所定の周期にて求めた移動距離積算値46を、表示制御部34へ内部バス112を介して転送する。
図15は、表示部42の画面表示例の一例である。図15に示すように表示部42の表示画面90は、第1表示領域91及び第2表示領域92から構成される。図15に示す例では、第1表示領域91に検査対象画像である管路内(下水道管60内)の直視画像が表示され、第2表示領域92に管路網図と移動体2の移動軌跡を示す黒塗り矢印及び移動距離積算値46が数値34mとして表示される場合を示している。
なお、図15に示す例では、第2表示領域92に地下に埋設された管路網図と移動体2の移動軌跡を示す黒塗り矢印及び移動距離積算値46の数値34mを重畳して表示させる一例を示しているが、これに限られるものではない。例えば、管路網図に加え地上の構造物(道路、建物など)を重畳表示する構成としても良い。また、第2表示領域92に移動距離積算値46の数値のみを表示する構成としても良い。
また、表示部42を有する(画像処理装置7が実装された)電子端末4としては、例えば、一般的なモニタを有する計算機、モバイルパソコン、ノートパソコン、タブレット、スマートフォン、或は携帯電話などいずれでもよく、特に限定されるものではない。
撮像装置5を搭載する移動体2の移動速度が過度に速過ぎると、撮像される画像データにブレが生じ得る。下水道管60内をモニタするための画像データにブレがあることは望ましくないため、移動体2の移動速度は一定レベル以下とする必要がある。実際に使用する際に、移動体2の速度の情報を知り得ると撮像に有効である。しかし、作業員が移動体2の操縦のため表示画面90を見ておれない場合や、屋外で周辺が明るすぎるため表示画面90が良く見えない場合がある。このような場合にも、移動速度を音或いは音声などの音声情報としてスピーカから出力する機能を備えることが好ましい。
また、本実施例では、第2の画像データ10中の第1の領域16及び第2の領域18を基準とする場合を一例として説明したが必ずしもこれに限られるものではなく、第1の画像データ12における2つの特定領域を基準として、上述の処理を実行する構成としても良い。
また、本実施例によれば移動体の軽量化が可能となり、電池(バッテテリー)により駆動される移動体の移動時間の減少を防止しつつ移動体に搭載される撮像装置による撮像位置を把握することができる。
さらに、本実施例によれば、移動体の移動速度の情報に基づいてブレの少ない高品質の画像データの撮像が可能となる。
図17に示すように、本実施例の画像処理装置7aは、上述の実施例1における左右内面距離算出部32に代えて内面距離算出部32aを有する点に特徴がある。
図18は、撮像装置2により撮像される直視画像の模式図である。上述の実施例1における図4と比較すると明らかなように、図18に示される直視画像における長手方向に延在する構造物(管路施設)の継ぎ目54は、直視画像の水平方向略中央に位置している。
図19は、撮像された画像データから抽出する第1の領域の位置の一例を示す模式図である。図19に示すように本実施例では、領域抽出部14は、特定領域として、第2の画像データ10から、第2の画像データ10の第1の領域16のみを抽出する。すなわち、本実施例では、第2の画像データ10から抽出される特定領域は1つの領域のみである。
図21は、撮影画像データから抽出する第1の領域16の位置が、第1の画像データ12と第2の画像データ10で異なる位置にあり、それらの偏差を有することを示す模式図である。内面距離算出部32aは、図21に示す第1の領域の位置の偏差28の値に基づき、長手方向に延在する構造物(管路施設)60の内面から撮像装置までの距離を計算する。図22は、第1の画像データ12と第2の画像データ20における光学的幾何関係を示す模式図である。図22に示すように、撮像装置5を搭載する移動体2は、長手方向に延在する構造物(管路施設)60内の水平方向略中央部を移動することが、第1の画像データを撮像する位置にある撮像装置56及び第2の画像データを撮像する位置にある撮像装置58より分かる。点線で示すように、仮想的に第2の領域18が抽出された場合を想定すると、第1の領域の位置の偏差28と第2の領域の位置の偏差30とは等しくなる。従って図22に示すように、左側内面との距離72と右側内面との距離74も当然等しい値となることから、本実施例の内面距離算出部32aは、左側内面との距離72のみを求めることで足りることが分かる。
移動距離算出部38及び積算部40並びに表示部42につても実施例1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
2…移動体
3…移動体用コントローラー(制御端末)
4…電子端末
5…撮像装置
6…開口部(マンホール)
7,7a…画像処理装置
10…第2の画像データ
12…第1の画像データ
14…領域抽出部
16…第2の画像データの第1の領域
18…第2の画像データの第2の領域
20…探索部(マッチング部)
22…第1の領域の対応情報
24…第2の領域の対応情報
26…位置差分算出部
28…第1の領域の位置の偏差
30…第2の領域の位置の偏差
31…通信I/F
32…左右内面距離算出部
32a…内面距離算出部
33…記憶部
34…表示制御部
36…視野角算出部
38…移動距離算出部
40…積算部
42…表示部
46…移動距離積算値
48…半視野角
50…長手方向に延在する構造物(管路施設)の内面の断面寸法
52…下水
54…長手方向に延在する構造物(管路施設)の継ぎ目
56…第1の画像データを撮像する位置にある撮像装置
58…第2の画像データを撮像する位置にある撮像装置
60…長手方向に延在する構造物(管路施設)
62…抽出した第1の領域が第1の画像データ中で対応する領域
64…抽出した第2の領域が第1の画像データ中で対応する領域
66…第1の画像データが投影される等価画像平面
68…第2の画像データが投影される等価画像平面
70…1の画像データを撮像した位置と第2の画像データを撮像した位置の差分
72…左側内面との距離
74…右側内面との距離
76…焦点距離
78…画像中心
80…画像中心からの画素数
84…撮像装置と第2の画像データの第2の領域までの軸方向の距離
90…表示画面
91…第1表示領域
92…第2表示領域
112…内部バス
Claims (8)
- 撮像装置を搭載し、長手方向に延在する管路施設内を移動する移動体と、
前記移動体の移動を制御する制御端末と、
前記撮像装置により撮像される画像データを処理する画像処理装置と、を備え、
前記画像処理装置は、
前記管路施設内において長手方向に異なる2地点にて前記撮像装置にて撮像された第1の画像データ及び第2の画像データを取得し、前記第1の画像データ又は第2の画像データの右側に第1の領域を特定領域として抽出し、左側に第2の領域を特定領域として抽出する領域抽出部と、
抽出された特定領域が、他方の画像データ内で対応する領域を探索する探索部と、
前記第1の画像データ及び第2の画像データにおける前記第1の領域間の位置の偏差と、前記第2の領域間の位置の偏差を求める位置差分抽出部と、
抽出された前記第1の領域間の位置の偏差と、前記第2の領域間の位置の偏差に基づき前記管路施設の内面から前記撮像装置までの距離を求める内面距離算出部と、
前記特定領域の視野角と前記内面から前記撮像装置までの距離に基づき、前記2地点の間の距離を求める移動距離算出部とを有することを特徴とする管路施設内検査システム。 - 請求項1に記載の管路施設内検査システムにおいて、
前記画像処理装置は、
所定の周期にて、前記移動距離算出部により求められる2地点の間の距離を積算し、積算移動距離を求める積算部を有することを特徴とする管路施設内検査システム。 - 請求項2に記載の管路施設内検査システムにおいて、
前記画像処理装置は、
前記積算部により求められた積算移動距離を表示情報及び/又は音声情報として出力する出力装置を備えることを特徴とする管路施設内検査システム。 - 請求項1に記載の管路施設内検査システムにおいて、
前記画像処理装置は、前記移動距離算出部により求められる2地点の間の距離を、前記第1の画像データ及び第2の画像データの撮像時刻の差で除算することにより、撮像装置を搭載する前記移動体の移動速度を求める移動速度算出部を備えることを特徴とする管路施設内検査システム。 - 請求項4に記載の管路施設内検査システムにおいて、
前記画像処理装置は、
前記移動速度算出部により求めた前記移動体の移動速度が、所定の値を越えた場合には、警報を表示情報又は音声情報として出力する出力装置を備えることを特徴とする管路施設内検査システム。 - 請求項2記載の管路施設内検査システムにおいて、
前記撮像装置を搭載する移動体が前記管路施設内を後退する場合には、前記積算部は2地点の間の移動距離を積算移動距離から減算することを特徴とする管路施設内検査システム。 - 請求項5に記載の管路施設内検査システムにおいて、
前記出力装置は表示部を有し、
前記表示部の表示画面は、前記撮像装置により撮像される前記管路施設内における直視画像を表示する第1表示領域と、少なくとも前記積算部により求められた積算移動距離を表示情報として表示する第2表示領域と、を有することを特徴とする管路施設内検査システム。 - 請求項7に記載の管路施設内検査システムにおいて、
前記第2表示領域に、前記積算部により求められた積算移動距離と予め記憶された管路網図を重畳表示することを特徴とする管路施設内検査システム。
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