JP6855651B2 - 水底観測システム及び水底観測画像処理プログラム - Google Patents

Description

本発明は、水底観測システム及び水底観測画像処理プログラムに関し、特に、比較的浅い水域の海底や湖沼等の水底を観測する水底観測システム及び水底観測画像処理プログラムに関する。

湖沼や沿岸部の浅水域の水底を観測することにより、例えば、珊瑚礁の状態やプラスチックゴミ等の有無など環境の変化を認知することができる。

水底を観測する方法としては、水面を走行移動可能に支持した音響測深機による観測方法（例えば、特許文献１参照）や、水中移動可能に曳航支持したビデオカメラによる観測方法（例えば、特許文献２参照）、水底画像情報を取得して画像処理する観測方法（例えば、特許文献３参照）等がある。

特開２００３−４８４５号公報 特許第４１７３０２７号公報 特許第５９８９７１９号公報

ところで、水底の観測を行う場合、その観測対象となる水底は様々な場所に存在し、当然のことながら、離島や無人島の周辺の海域や山中の湖底なども含むこととなる。したがって、水底を観測するための観測システムは、運搬や組み立て等を容易に行うことができるものであることが望ましいことは明らかである。

そこで、本発明は、比較的簡易な構成で水底の観測を行うことのできる水底観測システム及び水底観測画像処理プログラムを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、請求項１の発明は、水上に浮遊する浮体部と支持部を介して接続され、該支持部により水中の所定の深度に固定されるとともに、前記浮体部の移動に伴って水中を移動して動画像を撮影する複数の撮影手段と、動力を有し、前記浮体部を曳航する曳航部と、全球測位衛星システムの衛星から受信した信号に基づいて前記複数の撮影手段の位置情報を記録する位置記録手段と、前記複数の撮影手段が撮影した動画像と前記位置記録手段が記録した位置情報とに基づいて立体の地形図を生成する画像処理手段とを具備し、前記支持部は、前記複数の撮影手段を水中に垂下して固定するものであって、かつ垂直方向に位置する部分の長さが可変であり、前記画像処理手段は、前記複数の撮影手段が撮影した動画像を時間軸に沿って連続する複数の静止画像に変換する静止画変換手段と、前記静止画変換手段が変換した静止画像のブレの度合いを定量化する画像ブレ定量化手段と、前記画像ブレ定量化手段が定量化したブレの度合いに基づいて前記静止画変換手段が変換した静止画像からブレの度合いが所定の値以下の低ブレ画像を選択する低ブレ画像選択手段と、前記低ブレ画像選択手段が選択した複数枚の低ブレ画像と前記位置記録手段が記録した位置情報と、に対してＳｆＭと称するアルゴリズムを用いて処理することにより立体の地形図を生成する地形図生成手段とを具備することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記撮影手段は、各々全球測位衛星システムの衛星から受信した信号に基づいて位置情報を特定する位置情報特定手段を具備し、該位置情報特定手段で動画像の撮影開始時の位置情報を特定し、該特定した位置情報を該動画像に付加し、前記画像処理手段は、前記動画像に付加された位置情報に基づいて立体の地形図を生成することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記撮影手段に撮影の開始を指示する同期信号を生成する同期信号生成手段をさらに具備することを特徴とする。

また、請求項５の発明は、水上に浮遊し、動力を有する曳航部に曳航される浮体部と、複数の撮影手段を水中に垂下して固定し、かつ垂直方向に位置する部分の長さが可変である支持部を介して接続され、該支持部により水中の所定の深度に固定される複数の撮影手段により撮影された複数の動画像の各々を時間軸に沿って連続する複数の静止画像に変換する静止画変換処理と、前記静止画変換処理で変換した静止画像のブレの度合いを定量化する画像ブレ定量化処理と、前記画像ブレ定量化処理で定量化したブレの度合いに基づいて前記静止画変換処理で変換した静止画像からブレの度合いが所定の値以下の低ブレ画像を選択する低ブレ画像選択処理と、前記低ブレ画像選択処理で選択した複数枚の低ブレ画像と、全球測位衛星システムの衛星から受信した信号に基づいて生成された前記複数の撮影手段の位置情報とに対し、ＳｆＭと称するアルゴリズムを用いて処理することにより立体の地形図を生成する地形図生成処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする。

本発明によれば、比較的簡易な構成で水底の観測を行うことが可能となるため、機材の搬入等が困難な地域においても、水底の観測を行うことができる。

水底観測システムの概略構成を示した図である。 画像データの生成方法を説明するための図である。 画像処理部８による画像処理を説明するための図である。 静止画像の画像ブレの度合いの定量化の例を説明するための図である。 実施例２における画像データの生成方法を説明するための図である。

以下、本発明に係る水底観測システム及び水底観測画像処理プログラムの一実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、水底観測システムの概略構成を示した図である。同図に示すように、水底観測システム１は、浮体部２と支持部３、整流部４、撮影部５、曳航部６を含んで構成される。また、図１では省略しているが、水底観測システムは、ＧＰＳ受信部と画像処理部も含んで構成される。

浮体部２は、水上に浮かぶもので支持部３を所定の位置に固定するとともに、曳航部６により曳航されて移動するものである。この浮体部２は、専用のものを用いることができるが、サーフボード等の汎用のものを用いることができ、例えば、観測場所の状態に合わせてサーフボードの形状やフィンの種類等を選択することで、観測時の撮影部５の動揺を低減することが可能となる。

支持部３は、浮体部２に接続され、観測時に撮影部５を水中に垂下して固定するもので、例えば、金属や樹脂、木材等で構成されるものである。また、支持部３は、浮体部２に接続された際に垂直方向に位置する部分の長さを可変にするか、異なる長さのものに交換することで、観測時に撮影部５が位置する水深を任意に変更することが可能である。

整流部４は、布状の繊維等であり、観測時に水流を整流するものであり、観測時の撮影部５の動揺を低減する。

撮影部５は、観測時に水底の動画を撮影して画像データを出力するものであり、例えば、デジタルカメラ等が用いられる。また、撮影部５は、全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からの信号を受信し、撮影場所の位置情報を動画に付加することができるものである。なお、撮影部５は、複数であれば数に制限は無く、複数の撮影部５が支持部３に固定されることで、複数の撮影部５は、観測時に同一方向に略同一深度で移動することとなる。

曳航部６は、支持部３が接続された浮体部２を曳航するもので、動力を有するボート等を利用することができる。

また、図示しないＧＰＳ受信部は、ＧＰＳ受信装置を含むパーソナルコンピュータやタブレット端末等の汎用のコンピュータを用いて構成される。

また、図示しない画像処理部は、パーソナルコンピュータ等の汎用のコンピュータを用いて構成されるもので、撮影部５が出力する画像データの処理を行う。画像処理部と撮影部５は、無線または有線による通信を行って画像データの授受を行うようにしてもよく、撮影部５が生成した画像データを記憶媒体等を介して画像処理部に受け渡すようにしてもよい。

次に、撮影部５の詳細と撮影部５による画像データの生成について説明する。図２は、画像データの生成方法を説明するための図である。

同図に示すように、撮影部５は、ＧＰＳ受信部５１を有しており、動画像を撮影するとともに、ＧＰＳ信号１０に基づいてＧＰＳ受信部５１が撮影場所を特定し、特定した場所の位置情報を時刻情報とともに撮影した動画像と関連付けてデータ化して、画像データ１１（図２においては、撮影部５の数が６であるものとし、同図中では画像データ１１−１と画像データ１１−６を示し、他を省略している）として出力または記録媒体へ記録する。なお、ＧＰＳ信号１０に基づく位置情報の特定は、動画の撮影開始時に行う。

また、撮影部５による撮影時には、別途、ＧＰＳ受信部７がＧＰＳ信号１０に基づいて撮影場所を特定し、特定した場所の位置情報を時刻情報とともに記録し、外部標定データ１２を生成する。なお、ＧＰＳ受信部７は、支持部３に固定してＧＰＳ信号を受信するようにしてもよく、曳航部６に載置してＧＰＳ信号を受信するようにしてもよい。

このようにして生成された画像データ１１−１等と外部標定データ１２は、画像処理部８に入力され、画像処理される。

次に、画像処理部８による画像処理について説明する。図３は、画像処理部８による画像処理を説明するための図である。

同図に示すように、画像処理部８は、連番静止画変換部８１と、画像ブレ定量化部８２、低ブレ画像選択部８３、３Ｄオブジェクト生成部８４を有する。このうち、連番静止画変換部８１と、画像ブレ定量化部８２、低ブレ画像選択部８３は、画像処理部８に入力される画像データ１１の数、つまり、撮影部５と同数となる複数を有する。なお、連番静止画変換部８１と、画像ブレ定量化部８２、低ブレ画像選択部８３を複数有するのは、複数の画像データ１１を並列処理する場合の例であり、複数の画像データ１１を順次処理する場合には、連番静止画変換部８１と、画像ブレ定量化部８２、低ブレ画像選択部８３は、複数である必要はない。

連番静止画変換部８１は、画像データ１１−１等の動画像を連続する静止画像に変換する。連続とは、一定の時間間隔で、その時刻順に連続するという意味である。また、変換した最初の静止画像には、変換元の動画像に関連付けられていた位置情報を関連付け、以後変換した各静止画像には、動画像の開始時刻からの経過時刻を関連付ける。

画像ブレ定量化部８２は、連番静止画変換部８１が変換した静止画像の画像ブレの度合いを定量化する。静止画像の画像ブレは、撮影部５の動揺等により生じるものである。静止画像の画像ブレの度合いの定量化は、例えば、静止画像を空間領域から空間周波数領域へ変換し、この変換により得られた空間スペクトルに基づいて行う。

静止画像を空間領域から空間周波数領域へ変換した場合、例えば、図４（ａ）に示すようなブレのある画像を空間領域から空間周波数領域へ変換した場合には、その変換で得られる空間スペクトルは、図４（ｂ）に示すように、楕円状の模様として表わされるものとなる。

一方、図４（ｃ）に示すようなブレの無い画像を空間領域から空間周波数領域へ変換した場合には、その変換で得られる空間スペクトルは、図４（ｄ）に示すように、正円に近い円状の模様として表わされるものとなる。

したがって、静止画像を空間領域から空間周波数領域へ変換し、変換により得られた空間スペクトルにより表わされる円状の模様の離心率を求めることで静止画像の画像ブレの度合いを定量化することができる。

なお、静止画像の画像ブレの度合いの定量化は、別の方法によって行うようにしてもよい。

低ブレ画像選択部８３は、画像ブレ定量化部８２により定量化された画像ブレの度合いに基づいて、画像ブレが所定の度合い以下の静止画像を選択する。

３Ｄオブジェクト生成部８４は、低ブレ画像選択部８３が選択した画像ブレが所定の度合い以下の静止画像に基づいて３Ｄオブジェクト、つまり、立体の地形図を生成する。３Ｄオブジェクトの生成は、例えば、ＳＦＭ（structure from motion）と称するアルゴリズムを用いる。この３Ｄオブジェクトの生成にさいしては、静止画像に関連付けられている位置情報または経過時刻を用いるとともに、外部標定データ１２を用いる。

なお、画像ブレ定量化部８２による静止画像の画像ブレの度合いの定量化の方法や３Ｄオブジェクト生成部８４による３Ｄオブジェクトの生成の方法は一例であり、他の方法により行うことも可能である。

実施例１では、撮影部５がＧＰＳ受信部５１を有する場合の例を説明したが、実施例２では、撮影部がＧＰＳ受信部を有さない場合の例を説明する。図５は、実施例２における画像データの生成方法を説明するための図である。

同図に示すように、撮影部５’は、同期信号発生部９が発生する同期信号を受信し、この同期信号の受信に応じて撮影を開始する。これにより、各撮影部５’が撮影して生成した画像データ１３（図５においては、撮影部５’の数が６であるものとし、同図中では画像データ１３−１と画像データ１３−２、画像データ１３−６を示し、他を省略している）は、全て同時刻に撮影が開始されたものとなる。

同期信号発生部９が発生する同期信号は、有線や無線のいずれを用いて撮影部５’に入力するようにしてもよく、例えば、Ｗｉ−ＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）規格に準じた無線を用いることで、撮影部５’の構成を簡易にすることができる。

また、同期信号発生部９は、ＧＰＳ受信部９１を有し、ＧＰＳ受信部９１がＧＰＳ信号１０に基づいて撮影場所を特定し、特定した場所の位置情報を時刻情報とともに記録し、外部標定データ１３を生成する。記録する時刻情報には、同期信号を発生した時刻も含む。なお、同期信号発生部９は、支持部３に固定してＧＰＳ信号を受信するようにしてもよく、曳航部６に載置してＧＰＳ信号を受信するようにしてもよい。なお、同期信号発生部９は、ＧＰＳ受信装置を含むパーソナルコンピュータやタブレット端末等の汎用のコンピュータを用いて構成される。

このようにして生成された画像データ１３−１等と外部標定データ１２は、画像処理部８に入力され、画像処理される。

画像処理部８による画像処理は、実施例１の場合とほぼ同様であるが、連番静止画変換部８１は、画像データ１３−１等の動画像を連続する静止画像に変換する際に、変換した各静止画像には、動画像の開始時刻からの経過時刻を関連付け、３Ｄオブジェクト生成部８４は、静止画像に関連付けられている経過時刻を用いるとともに、外部標定データ１３を用いて処理を行う。

また、撮影部がＧＰＳ受信部を有さない場合の例としては、同期信号発生部９の使用に変えて、使用する全ての撮影部５’の録画開始スイッチを機械的に同時に押すように操作するようにしても良い。このような操作を行うことでも、同様の動画像を得ることができる。なお、同期信号発生部９を用いない場合には、実施例１で説明したＧＰＳ受信部７を用いることとなる。

１ 水底観測システム
２ 浮体部
３ 支持部
４ 整流部
５ 撮影部
５’ 撮影部
６ 曳航部
７ ＧＰＳ受信部
８ 画像処理部
９ 同期信号発生部
１０ ＧＰＳ信号
１１−１〜１１−６ 画像データ
１２ 外部標定データ
１３−１〜１３−６ 画像データ
５１ ＧＰＳ受信部
８１ 連番静止画変換部
８２ 画像ブレ定量化部
８３ 低ブレ画像選択部
８４ ３Ｄオブジェクト生成部
９１ ＧＰＳ受信部

Claims (5)

1. 水上に浮遊する浮体部と支持部を介して接続され、該支持部により水中の所定の深度に固定されるとともに、前記浮体部の移動に伴って水中を移動して動画像を撮影する複数の撮影手段と、
   動力を有し、前記浮体部を曳航する曳航部と、
   全球測位衛星システムの衛星から受信した信号に基づいて前記複数の撮影手段の位置情報を記録する位置記録手段と、
   前記複数の撮影手段が撮影した動画像と前記位置記録手段が記録した位置情報とに基づいて立体の地形図を生成する画像処理手段と
   を具備し、
   前記支持部は、前記複数の撮影手段を水中に垂下して固定するものであって、かつ垂直方向に位置する部分の長さが可変であり、
   前記画像処理手段は、
   前記複数の撮影手段が撮影した動画像を時間軸に沿って連続する複数の静止画像に変換する静止画変換手段と、
   前記静止画変換手段が変換した静止画像のブレの度合いを定量化する画像ブレ定量化手段と、
   前記画像ブレ定量化手段が定量化したブレの度合いに基づいて前記静止画変換手段が変換した静止画像からブレの度合いが所定の値以下の低ブレ画像を選択する低ブレ画像選択手段と、
   前記低ブレ画像選択手段が選択した複数枚の低ブレ画像と前記位置記録手段が記録した位置情報と、に対してＳｆＭと称するアルゴリズムを用いて処理することにより立体の地形図を生成する地形図生成手段と
   を具備することを特徴とする水底観測システム。
2. 前記支持部は、前記複数の撮影手段が水中で同一方向に同一深度で移動できるように垂下して固定されるものである請求項１に記載の水底観測システム。
3. 前記撮影手段は、各々全球測位衛星システムの衛星から受信した信号に基づいて位置情
   報を特定する位置情報特定手段を具備し、該位置情報特定手段で動画像の撮影開始時の位
   置情報を特定し、該特定した位置情報を該動画像に付加し、
   前記画像処理手段は、前記動画像に付加された位置情報に基づいて立体の地形図を生成
   する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水底観測システム。
4. 前記複数の撮影手段に撮影の開始を指示する同期信号を生成する同期信号生成手段をさらに具
   備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の水底観測システム。
5. 水上に浮遊し、動力を有する曳航部に曳航される浮体部と、複数の撮影手段を水中に垂下して固定し、かつ垂直方向に位置する部分の長さが可変である支持部を介して接続され、該支持部により水中の所定の深度に固定される複数の撮影手段により撮影された複数の動画像の各々を時間軸に沿って連続する複数の静止画像に変換する静止画変換処理と、
   前記静止画変換処理で変換した静止画像のブレの度合いを定量化する画像ブレ定量化処理と、
   前記画像ブレ定量化処理で定量化したブレの度合いに基づいて前記静止画変換処理で変換した静止画像からブレの度合いが所定の値以下の低ブレ画像を選択する低ブレ画像選択処理と、
   前記低ブレ画像選択処理で選択した複数枚の低ブレ画像と、全球測位衛星システムの衛星から受信した信号に基づいて生成された前記複数の撮影手段の位置情報と、に対し、ＳｆＭと称するアルゴリズムを用いて処理することにより立体の地形図を生成する地形図生成処理と
   をコンピュータに実行させることを特徴とする水底観測画像処理プログラム。

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