JP7020324B2 - 線路曲率推定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道分野における画像処理による線路曲率推定装置及び方法に関する。

従来、鉄道線路におけるカメラを用いたカーブの曲率の計測には、下記特許文献１のように、車両中心位置やカメラ位置などのパラメータを正確に測定し、これらのパラメータから計算により導出する方式がある。なお、下記特許文献１の目的は建築限界内の支障物の有無を測定するものであるが、下記特許文献１では、建築限界枠を計算するために必要な線路の曲率を画像処理にて求めており、またその方式が記述されている。

下記特許文献１には、線路を走行する車両に設置される、動画の撮影が可能なカメラと、上記カメラにより撮影される画像と上記車両の速度情報とを同期する画像同期装置とを有し、上記カメラが設置された上記車両を走行させながら上記カメラにより進行方向前方の線路空間を撮影し、上記線路上の互いに異なる位置であって、上記速度情報を用いて計算されるそれらの間の距離が選択された距離になる位置で撮影された、２枚の画像を比較することにより、上記線路空間における支障物の有無を検知する線路空間支障物検知システムが開示されている。

特開２０１６‐０００５９８号公報 特開２０１６‐０９１５０６号公報

上記特許文献１は、車両前方に取り付けられたカメラの画像、車両の回転中心、及び、カメラの高さ等のパラメータから、対象とするカーブの曲率を計算して求める方式となっており、それゆえ当該パラメータを精密に測定する必要がある。

しかしながら、上記パラメータを精密に測定するのは構造上非常に難しいうえ、上記パラメータの測定誤差が曲率の計算に与える影響は大きい。さらに、フレーム毎に計算を行う必要があり、処理コストがかかるといった課題がある。

上記技術的課題に鑑み、本発明は、各種パラメータを精密に測定せずとも、線路の曲率を簡便に求めることができる線路曲率推定装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の発明に係る線路曲率推定装置は、
車両に設置され、該車両の進行方向の線路上におけるカーブを撮像するカメラと、
前記カメラにて取得した画像に基づき、前記カーブの曲率半径を求める処理部とを備え、
前記処理部は、
前記カーブの前記画像上の位置を求める線路位置検出部と、
前記カーブ上の複数点における実際の位置及びその曲率半径の情報が予め入力され、前記カーブのうち、前記複数点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率半径との対応関係を求める係数計算部と、
前記カーブの前記画像上の位置及び前記対応関係に基づき、前記カーブの曲率半径を求める曲率半径推定部とを備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第２の発明に係る線路曲率推定装置は、
上記第１の発明に係る線路曲率推定装置において、
前記カーブの前記画像上の位置、及び、前記複数点における実際の位置は、ともに枕木方向における位置であり、
前記係数計算部は、前記画像上の枕木方向における位置及び曲率の値をそれぞれ座標軸とした平面座標において、前記カーブのうち、前記複数点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率半径の逆数の曲率を示す点をプロットし、プロットされた複数の前記点から前記対応関係を直線式として求める
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第３の発明に係る線路曲率推定装置は、
上記第２の発明に係る線路曲率推定装置において、
前記複数点が２点の場合、
前記係数計算部は、前記平面座標において、前記カーブのうち、前記２点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率を示す点をプロットし、プロットされた２つの前記点を通る直線の前記直線式を求める
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第４の発明に係る線路曲率推定装置は、
上記第２の発明に係る線路曲率推定装置において、
前記複数点が３点以上の場合、
前記係数計算部は、前記平面座標において、前記カーブのうち、前記３点以上の点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率を示す点をプロットし、プロットされた３つ以上の前記点の近似直線の前記直線式を求める
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第５の発明に係る線路曲率推定装置は、
上記第１から４のいずれか１つの発明に係る線路曲率推定装置において、
前記係数計算部に予め入力される前記複数点における実際の位置、及び、前記線路位置検出部が求める前記カーブの前記画像上の位置は、ともに軌道中心の位置である
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第６の発明に係る線路曲率推定装置は、
上記第１から４のいずれか１つの発明に係る線路曲率推定装置において、
前記係数計算部に予め入力される前記複数点における実際の位置、及び、前記線路位置検出部が求める前記カーブの前記画像上の位置は、ともに片側線路の位置である
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第７の発明に係る線路曲率推定方法は、
線路において測定対象となるカーブ上の複数点における実際の位置及びその曲率半径を取得する第１ステップと、
車両に設置されたカメラにより該車両の進行方向の線路上における前記カーブを撮像する第２ステップと、
前記カメラにて取得した画像から前記カーブの該画像上の位置を求める第３ステップと、
前記カーブのうち、前記複数点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率半径との対応関係を求める第４ステップと、
前記カーブの前記画像上の位置及び前記対応関係に基づき、前記カーブの曲率半径を求める第５ステップとを備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第８の発明に係る線路曲率推定方法は、
上記第７の発明に係る線路曲率推定方法において、
前記カーブの前記画像上の位置、及び、前記複数点における実際の位置は、ともに枕木方向における位置であり、
前記第４ステップでは、前記画像上の枕木方向における位置及び曲率の値をそれぞれ座標軸とした平面座標において、前記カーブのうち、前記複数点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率半径の逆数の曲率を示す点をプロットし、プロットされた複数の前記点から前記対応関係を直線式として求める
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第９の発明に係る線路曲率推定方法は、
上記第８の発明に係る線路曲率推定方法において、
前記複数点が２点の場合、
前記第４ステップは、前記平面座標において、前記カーブのうち、前記２点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率を示す点をプロットし、プロットされた２つの前記点を通る直線の前記直線式を求める
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第１０の発明に係る線路曲率推定方法は、
上記第８の発明に係る線路曲率推定方法において、
前記複数点が３点以上の場合、
前記第４ステップは、前記平面座標において、前記カーブのうち、前記３点以上の点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率を示す点をプロットし、プロットされた３つ以上の前記点の近似直線の前記直線式を求める
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第１１の発明に係る線路曲率推定方法は、
上記第７から１０のいずれか１つの発明に係る線路曲率推定方法において、
前記第１ステップにおいて取得する前記複数点における実際の位置、及び、前記第３ステップにおいて求める前記カーブの前記画像上の位置は、ともに軌道中心の位置である
ことを特徴とする。

上記課題を解決するための第１２の発明に係る線路曲率推定方法は、
上記第７から１０のいずれか１つの発明に係る線路曲率推定方法において、
前記第１ステップにおいて取得する前記複数点における実際の位置、及び、前記第３ステップにおいて求める前記カーブの前記画像上の位置は、ともに片側線路の位置である
ことを特徴とする。

本発明に係る線路曲率推定装置及び方法によれば、各種パラメータを精密に測定せずとも、線路の曲率を簡便に求めることができる。

車両に設置された本発明の実施例に係る線路曲率推定装置を示す概略図である。 本発明の実施例に係る線路曲率推定装置を説明するブロック図である。 本発明の実施例におけるエリアセンサカメラにより取得した画像を示す模式図である。 本発明の実施例における線路位置検出部により上記画像からカーブの位置を検出した一例を示す模式図である。 本発明の実施例における係数計算部にて求める曲率半径推定係数のグラフの一例である。 本発明の実施例における係数計算部にて求める曲率半径推定係数のグラフの他の例である。 本発明の実施例における線路位置検出部により上記画像からカーブの位置を検出した他の例を示す模式図である。 本発明の実施例における曲率半径を求める手順を説明するフローチャートである。

本発明に係る線路曲率推定装置及び方法は、走行車両の前方側に取り付けたエリアセンサカメラから得られた画像、及び、対応するカーブの曲率半径に基づき算出した係数から、画像上の線路位置の曲率半径を求める（推定）することで、計算で曲率を求める場合のような精密なカメラ設置条件を必要とせず、２点以上の曲率半径さえあれば換算係数を導出でき、未知のカーブにおいても曲率半径を求めることができるものである。

以下、本発明に係る線路曲率推定装置及び方法について、実施例にて図面を用いて説明する。

まず、本実施例に係る線路曲率推定装置の構成について説明する。図１は、車両１に設置された本実施例に係る線路曲率推定装置を示す概略図である。図２は、本実施例に係る線路曲率推定装置を説明するブロック図である。

図１に示すように、車両１に設置された本実施例に係る線路曲率推定装置は、主に、エリアセンサカメラ１１、記憶部１２、及び、処理部１３を備えている。

エリアセンサカメラ１１は、線路２を走行する車両１の屋根上１ａの前方に配置され、車両１の進行方向の線路２を撮像するものである。また、エリアセンサカメラ１１にて取得した画像は、記憶部１２に記憶される。

処理部１３は、エリアセンサカメラ１１にて取得し記憶部１２に記憶された画像に基づき、線路２における測定対象のカーブの曲率半径を求める（推定する）。図２に示すように、処理部１３は、線路位置検出部２１、係数計算部２２、及び、曲率半径推定部２３を備えている。

線路位置検出部２１は、エリアセンサカメラ１１にて取得した画像から測定対象のカーブを検出（検出方法については例えば上記特許文献２参照）し、当該カーブの画像上の位置を求める。

この処理について、図３Ａ，３Ｂを用いて具体的に説明する。図３Ａは、エリアセンサカメラ１１により取得した画像Ａを示す模式図であり、図３Ｂは、線路位置検出部２１により画像Ａからカーブの位置を検出した状態を示す模式図である。

線路位置検出部２１は、図３Ａに示すような、エリアセンサカメラ１１により取得した画像Ａから、図３Ｂに示すように、（画像Ａ上の）線路Ｂを検出する（図３Ｂ中にある複数の小円Ｃは、線路位置検出部２１により線路Ｂを検出した様子を示すものである）。

また、図３Ｂ中に破線で示すように、画像Ａにおいて、枕木方向に延伸する仮想線と交わる線路Ｂの軌道中心Ｄをｘ座標［ｐｉｘ］として表す。これが、測定対象のカーブの画像上の位置を表すものとなる。以下では、この画像上の位置Ｄを「画像上線路位置Ｄ」と呼称する。

係数計算部２２は、線路位置検出部２１で求めた画像上線路位置Ｄとは別に、事前に取得した、測定対象のカーブ上の複数点における実際の位置ｄ及びその曲率半径Ｒの情報が予め入力されている。なお、ここでの「予め取得した」とは、エリアセンサカメラ１１を用いるのではなく、実測により取得したということである。また、上記複数点における実際の位置ｄは線路２の枕木方向の位置、かつ線路２の軌道中心の位置を指し、以下ではこれを「実線路位置ｄ」と呼称する。

そして係数計算部２２は、上記複数点における実線路位置ｄに対応する画像上線路位置Ｄとその曲率半径Ｒとの対応関係を「曲率半径推定係数」として求める。

図４は、係数計算部２２で行う計算をグラフの一例である。
まず、図４に示すように、横軸を上記座標ｘ、縦軸を曲率（曲率半径の逆数１／Ｒ）とした平面座標を用意する。

そして、測定対象のカーブのうち、上記複数点における実線路位置ｄに対応する画像上線路位置Ｄとその曲率（曲率半径の逆数１／Ｒ）を示す点（複数）をプロットする。

プロットされた複数の点は、大まかには直線的に分布される。そこで、これらの値を用いて近似直線（ｙ＝ａｘ＋ｂ）を求める。これが、測定対象のカーブの曲率半径を推定する係数、すなわち曲率半径推定係数となる。ただし、これらの説明は上記複数点が３点以上の場合を想定したものである。

上記複数点が２点のみの場合は、図５に示すように、上記平面座標において、測定対象のカーブのうち、この２点における実線路位置ｄに対応する画像上線路位置Ｄとその曲率（１／Ｒ）を示す点をプロットし、プロットされた２つの点を通る直線の直線式を求めればよい（上述のごとく、仮により多くの点をプロットした場合には直線的に分布されることが分かっているため、２点を通る線を「直線」と想定して問題ない）。ただし、３点以上を用いて近似直線を求めた方が、推定誤差を低減することができる。

曲率半径推定部２３は、（線路位置検出部２１にて求めた）画像Ａにおける測定対象のカーブ全体の画像上線路位置Ｄ、及び、（係数計算部２２にて求めた）曲率半径推定係数に基づき、画像Ａにおける測定対象のカーブ（すなわちフレーム毎の線路）の曲率を求め（推定し）、さらに、その逆数を取ることで曲率半径を求める。

なお、線路位置検出部２１は、曲率半径推定係数が既に求められているか否かによって、検出結果の出力先を変更する。つまり、曲率半径推定係数が未だ求められていなければ、画像上線路位置Ｄを係数計算部２２に送信する。また、曲率半径推定係数が既に求められているのであれば、画像上線路位置Ｄを曲率半径推定部２３に送信する。

すなわち、本実施例に係る線路曲率推定装置では、曲率半径推定係数を導出するのは一度でよく、それ以降は、求められた曲率半径推定係数に基づき曲率半径を求めることが可能となる。

また、本実施例では、画像Ａ上の線路Ｂの軌道中心を画像上線路位置Ｄ、実際の線路２の軌道中心実線路位置ｄとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、画像Ａ上の線路Ｂの片側線路の位置を画像上線路位置Ｄ、実際の線路２の片側線路の位置を実線路位置ｄとしてもよい。

これは、軌道幅は事業者ごとに同一のため、軌道中心を求めなくとも、本実施例で説明した計算が成立するからである。そして、このように片側線路の位置を画像上線路位置Ｄとすることで、処理コストを低減させることができる。

次に、図７のフローチャートを用いて本実施例に係る線路曲率推定装置を用いて曲率半径を求める手順を説明する。

ステップＳ１では、予め、測定対象のカーブにおける複数点の、実線路位置ｄ及びその曲率半径Ｒを、実測により取得しておく。

ステップＳ２では、車両１に設置されたエリアセンサカメラ１１により、車両１の進行方向の線路２上における測定対象のカーブを撮像し、これを記憶部１２に記憶させる。

ステップＳ３では、処理部１３の線路位置検出部２１により、画像Ａから測定対象のカーブの画像上線路位置Ｄを求める。

ステップＳ４では、処理部１３の係数計算部２２により、上記複数点の、実線路位置ｄに対応する画像上線路位置Ｄ及び曲率半径Ｒに基づき、曲率半径推定係数を求める。なお、曲率半径推定係数は、係数計算部または曲率半径推定部において記憶されるものとする。

ステップＳ５では、処理部１３の曲率半径推定部２３により、曲率半径推定係数及び測定対象のカーブの画像上線路位置Ｄに基づき、上記複数点以外の点も含めた測定対象のカーブの曲率半径Ｒを求める。

従来技術では、設置された車両中心やカメラ高さ等のパラメータを精密に測定しなければならず、さらに、フレーム毎の計算処理を行わなければならなかったのに対し、本実施例に係る線路曲率推定装置は、設置時に２点以上の線路位置及びその曲率半径を入力することにより、各座標における曲率半径を導出する係数を求めておくだけで、以降は、線路位置座標から簡単に曲率半径を計算することができるうえ、設置時の詳細なパラメータ測定を行う必要がなくなり、処理コストを低減することができる。

本発明は、鉄道分野における画像処理による線路曲率推定装置及び方法として好適である。

１ 車両
１ａ （車両１の）屋根上
２ 線路
１１ エリアセンサカメラ
１２ 記憶部
１３ 処理部
２１ 線路位置検出部
２２ 係数計算部
２３ 曲率半径推定部
Ａ （エリアセンサカメラ１１で取得した）画像
Ｂ （画像Ａ上の）線路
Ｃ （画像Ａ上の）小円
Ｄ （画像Ａ上の）線路位置（軌道中心）

Claims (12)

1. 車両に設置され、該車両の進行方向の線路上におけるカーブを撮像するカメラと、
   前記カメラにて取得した画像に基づき、前記カーブの曲率半径を求める処理部とを備え、
   前記処理部は、
   前記カーブの前記画像上の位置を求める線路位置検出部と、
   前記カーブ上の複数点における実際の位置及びその曲率半径の情報が予め入力され、前記カーブのうち、前記複数点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率半径との対応関係を求める係数計算部と、
   前記カーブの前記画像上の位置及び前記対応関係に基づき、前記カーブの曲率半径を求める曲率半径推定部とを備える
   ことを特徴とする線路曲率推定装置。
2. 前記カーブの前記画像上の位置、及び、前記複数点における実際の位置は、ともに枕木方向における位置であり、
   前記係数計算部は、前記画像上の枕木方向における位置及び曲率の値をそれぞれ座標軸とした平面座標において、前記カーブのうち、前記複数点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率半径の逆数の曲率を示す点をプロットし、プロットされた複数の前記点から前記対応関係を直線式として求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の線路曲率推定装置。
3. 前記複数点が２点の場合、
   前記係数計算部は、前記平面座標において、前記カーブのうち、前記２点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率を示す点をプロットし、プロットされた２つの前記点を通る直線の前記直線式を求める
   ことを特徴とする請求項２に記載の線路曲率推定装置。
4. 前記複数点が３点以上の場合、
   前記係数計算部は、前記平面座標において、前記カーブのうち、前記３点以上の点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率を示す点をプロットし、プロットされた３つ以上の前記点の近似直線の前記直線式を求める
   ことを特徴とする請求項２に記載の線路曲率推定装置。
5. 前記係数計算部に予め入力される前記複数点における実際の位置、及び、前記線路位置検出部が求める前記カーブの前記画像上の位置は、ともに軌道中心の位置である
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の線路曲率推定装置。
6. 前記係数計算部に予め入力される前記複数点における実際の位置、及び、前記線路位置検出部が求める前記カーブの前記画像上の位置は、ともに片側線路の位置である
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の線路曲率推定装置。
7. 線路において測定対象となるカーブ上の複数点における実際の位置及びその曲率半径を取得する第１ステップと、
   車両に設置されたカメラにより該車両の進行方向の線路上における前記カーブを撮像する第２ステップと、
   前記カメラにて取得した画像から前記カーブの該画像上の位置を求める第３ステップと、
   前記カーブのうち、前記複数点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率半径との対応関係を求める第４ステップと、
   前記カーブの前記画像上の位置及び前記対応関係に基づき、前記カーブの曲率半径を求める第５ステップとを備える
   ことを特徴とする線路曲率推定方法。
8. 前記カーブの前記画像上の位置、及び、前記複数点における実際の位置は、ともに枕木方向における位置であり、
   前記第４ステップでは、前記画像上の枕木方向における位置及び曲率の値をそれぞれ座標軸とした平面座標において、前記カーブのうち、前記複数点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率半径の逆数の曲率を示す点をプロットし、プロットされた複数の前記点から前記対応関係を直線式として求める
   ことを特徴とする請求項７に記載の線路曲率推定方法。
9. 前記複数点が２点の場合、
   前記第４ステップは、前記平面座標において、前記カーブのうち、前記２点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率を示す点をプロットし、プロットされた２つの前記点を通る直線の前記直線式を求める
   ことを特徴とする請求項８に記載の線路曲率推定方法。
10. 前記複数点が３点以上の場合、
    前記第４ステップは、前記平面座標において、前記カーブのうち、前記３点以上の点における実際の位置に対応する前記画像上の位置とその曲率を示す点をプロットし、プロットされた３つ以上の前記点の近似直線の前記直線式を求める
    ことを特徴とする請求項８に記載の線路曲率推定方法。
11. 前記第１ステップにおいて取得する前記複数点における実際の位置、及び、前記第３ステップにおいて求める前記カーブの前記画像上の位置は、ともに軌道中心の位置である
    ことを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の線路曲率推定方法。
12. 前記第１ステップにおいて取得する前記複数点における実際の位置、及び、前記第３ステップにおいて求める前記カーブの前記画像上の位置は、ともに片側線路の位置である
    ことを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の線路曲率推定方法。

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