JPH0558504B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は浄水場の原水中や下水処理場などの流
入水中に毒物混入の有無を判定する異常水質検出
装置に関する。

〔従来の技術〕

浄水場では原水中に毒物が混入したか否かを判
定するために、原水の一部を水槽に導きこの水槽
でフナ、コイ、ウグイ、タナゴ、ハヤ及びオイカ
ワなどの水棲動物を飼育している。すなわち、原
水中に毒物が混入した場合には、前記魚類が異常
に行動したり死んだりする現象を利用して原水中
の毒物流入を監視している。また、下水処理場で
は法律で禁止された毒物が流入下水中に流入した
か否かを知る必要があり、人手による間欠的に水
質分析に頼つている。同様に、浄水場や下水処理
場では処理水中の毒物の有無も監視する必要があ
る。

このように、水中の毒物監視は現状では人間の
目視や繁雑な手分析に依存している。このため連
続監視と早期検出が出来ない。

魚の監視方法として、制御コンピユータを具備
したビデオ装置を用いて予期される生物の運動パ
ターンの統計的分析に対応する予測パラメータを
得る方法（例えば、特開昭61−46294号公報）が
提案されている。しかし、水質異常判定手法につ
いて異常時の運動パラメータを用いて評価すると
だけ記載されているだけで具体的にどのように評
価するかについて何ら開示されていない。例え
ば、異常時に評価する運動パラメータとして、生
物の移動距離、その割合、角運動、移動速度、生
物の水に対する向き、タンク内の生物の位置が挙
げられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来知られている方法はどの様な時に生物が異
常行動を行つたと判定する点について、単に予期
される運動パターンと比較するとあるだけであ
る。このため、毒物が水中に混入した非常事態に
対し早急な対応が難しいという実用上解決しなけ
ればならない問題点を有している。

本発明の目的は被測定水に毒物が混入している
ことを魚の狂奔行動によつて速やかに検出できる
異常水質検出装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は魚の移動速度変化を検出することによ
り魚の狂奔行動を早期に検知するようにする。

〔作用〕

被測定水中に毒物が混入すると魚の加速度を増
大する。この加速度値を用いることによつて毒物
流入を早期かつ容易検出できる。

〔実施例〕

以下に図面を用いて実施例を説明する。

第１図を用いて実施例の構成を説明する。１０
は水槽で給水管１１と給水ポンプ１２によつて水
が供給される。水槽１０は上板を取外した直方体
形状であつて、側面のの材料はガラスや透明アク
リルのような透明物質である。水槽１０内に導か
れた水は排水管１３によつて排水される。水槽１
０内には金網や多孔板などの仕切板１８Ａ及び１
８Ｂによつて仕切られた部屋１９に魚１４を飼育
する。部屋１９の底には底部板１８Ｃを設置す
る。照明装置１５は水槽１０内の魚１４を照ら
す。照明装置１５と水槽１０との間にはスリガラ
スや紙などの半透明物質を材質とする半透明板１
６を設ける。照明装置１５からみて水槽１０の反
対側に工業用テレビカメラ（ITV）などの撮像
装置２０を配置する。撮像装置２０はＡで示す領
域の内側にある水と魚とを撮像する。撮像装置２
０の信号は画像処理装置３０に導かれて魚を画像
認識する。警報装置５０は画像処理装置３０で得
られた魚の画像から魚の行動を評価して異常の場
合には警報を発する。モニタテレビ６０は、撮像
画像や画像認識結果並びに魚の挙動状態の評価結
果を表示する。

続いて、本実施例の構成の詳細並びに動作を以
下に説明する。

給水ポンプ１２は被検水をサンプリングして給
水管１１によつて水槽１０に供給する。被検水は
浄水場では河川、沼及び浄水場内の水など（図示
せず）であり、下水処理場では流入下水や処理水
であり、また、河川の毒物を監視する場合では河
川水である。水槽１０内の水は排水管１３によつ
て排水される。水槽１０内は水を通過させるが魚
を通過させないような金網や多孔板などの仕切板
１８Ａ及び１８Ｂを設置する。仕切板１８Ａは、
給水管１１によつて供給する水が水槽１０内で泡
を形成するのでこれを画像認識しないようにする
ために設置する。また、仕切板１８Ｂは、同様に
排水口近くに泡ができたり、魚が小さい場合には
流出する恐れがあるので、これを防ぐために設置
する。部屋１９の底部にある底部板１８Ｃは撮像
装置２０の撮像角度により魚が底と重なつて認識
されるのを防ぐために設置する。このようにし
て、部屋１９の左右の側面を仕切板１８Ａ及び１
８Ｂによつて区切られ、一方、照明装置１５と撮
像装置２０とに面する側面は透明の板で区切られ
る。また、底面には底部板１８Ｃが設置され上部
が大気開放の構造である。魚１４は部屋１９内に
１匹飼育する。なお、魚１４が外へ飛び出しを防
ぐために網を設置することもある。魚１４は通常
給水される水に棲息する種類のものが飼育され
る。例えば、フナ、コイ、ウグイ、タナゴ及びオ
イカワなどである。また、場合によつてはヤマメ
やイワナ、マス、金魚及びメダカなどを飼育して
もよい。浄水場の水を検出する場合には塩素が魚
に及ぼす影響が無視できないので脱塩素剤などを
前もつて投与しておくのが望ましい。

照明装置１５と撮像装置２０とは水槽１０をは
さんで反対方向に配置する。照明装置１５と水槽
１０との間にはスリガラスや紙などの半透明物質
を材質とする半透明板１６を設ける。照明装置１
５の光は半透明板１６に照射されるので、半透明
板１６全体が明るく輝く。このため、照明装置１
５は１基でよい。勿論、複数の照明装置を設置し
て照明をさらに一様にして良いことは言うまでも
ない。また、一様な光を照射できる照明装置であ
れば、半透明板１６を省略してもよい。半透明板
１６全体から発する光は水槽１０を照射し、通過
した光を撮像装置２０で検出する。このため、水
の部分は光が透過して明るく検出され一方、魚１
４は光を透過させないので暗く検出される。すな
わち、魚１４は暗い部分として認識できる。工業
用テレビカメラ（ITV）などの撮像装置２０は
領域Ａ内の画像を横方向に順次走査していき、
各々の点での明るさをその程度に応じて逐次電気
信号に変換する。つまり、領域Ａの画像を縦横に
細かく分割し、この分割した各画素の明るさをそ
の程度に応じて出力電圧の異なる電気信号に変換
する。撮像装置２０から出た電気信号は電圧など
のアナログ信号である。撮像装置２０から出た電
気信号は画像処理装置３０に送信される。画像処
理装置３０は撮像装置２０で得た領域Ａの画像に
基づいて魚１４を画像認識すると共に、この認識
結果に基づき魚１４の行動が正常か否かを判定す
る。

画像処理装置３０の構成を第５図に示す。

第５図において、Ａ／Ｄ変換器３１は撮像装置
２０の信号を受けてデジタルに変換れた濃淡画像
信号を濃淡画像メモリ３１Ｍに入力する。濃淡画
像メモリ３１Ｍに格納された濃淡画像はタイマ３
０Ｔから指令されたタイミングに基づいて２値化
回路３２に送られる。タイマ３０Ｔにはフラグ設
定回路Ｆからフラグの値が設定される。また、タ
イマ３０Ｔでは画像処理の繰に返しのタイミング
や計測時間を制御する。２値化回路３２では濃淡
画像メモリ３１Ｍの信号を受けて２値化しフラグ
の値を判定して２値化した画像の重心の位置を２
値化メモリ３３Ｍ１に、または２値化メモリ３３
Ｍ１と３３Ｍ２に格納する。速度算出回路３４は
２値化メモリ３３Ｍ１と３３Ｍ２の魚１４におけ
る重心の位置から重心の移動距離を計算し、１回
の画像処理時間内の魚１４が移動した移動速度を
計算する。速度フラグ判定回路３５でフラグの値
を判定して計算した魚１４の移動速度を速度メモ
リ３５Ｍ１に、または速度メモリ３５Ｍ１と３５
Ｍ２に格納する。加速度算出回路３６は速度メモ
リ３５Ｍ１と３５Ｍ２から１回の画像処理時間に
おける魚１４の示した移動速度の差によつて魚１
４の加速度を算する。計算した加速度の値を加速
度メモリ３６Ｍに格納する。２値化メモリ変更回
路３７は２値化メモリ３３Ｍ２の値をメモリ３３
Ｍ１に移送し、また速度メモリ変更回路３８は速
度メモリ３５Ｍ２の値をメモリ３５Ｍ１に移送す
る。フラグ設定回路３９はフラグの値を再度設定
してタイマ３０Ｔに戻る。タイマ３０Ｔは画像処
理の積算時間Ｔが１回の計測時間Taを越えるま
で、前述した動作を繰り返す。積算時間Ｔが１回
の計測時間Taを越えたら、タイマ３０Ｔは加速
度メモリ３６Ｍの値を加速度判定回路４０へ送信
する。加速度判定回路４０は加速度メモリ３６Ｍ
の値と加速度上限値設定器４０Ａの値によつて魚
１４のの示した加速度が異常であるか判定する。
この判定信号は警報装置５０に送信される。

次に、画像処理装置３０の動作をを詳細に説明
する。

Ａ／Ｄ変換器３１は撮像装置２０の信号を受け
て濃淡画像信号をアナログ値からデジタル値に変
換し、デジタルの濃淡画像信号を濃淡画像メモリ
３１Ｍに入力する。撮像装置２０では濃淡画像を
細かい升目の画素に分割して撮像されており、各
画素の明るさが信号となつて出力されている。本
実施例では縦を256分割、横を256分割する。Ａ／
Ｄ変換器３１は各画素の明るさのアナログ信号を
デジタル値に順次変換して、デジタル値を濃淡画
像メモリ３１Ｍに格納する。濃淡画像メモリ３１
Ｍには縦が256個、横が256個の記憶場所があり、
各々の記憶場所に対応する画素の輝度信号がデジ
タル値で格納される。駒の記憶場所のｉ行ｊ列
（ｉ＝１〜256，ｊ＝１〜256）目の信号すなわち
輝度をＧ（ｉ，ｊ）と表すものとする。Ａ／Ｄ変
換器３１がアナログ値を７ビツトのデジタル値に
変換するものであればＧ（ｉ，ｊ）は128レベルの
デジタル値をもつている。

濃淡画像メモリ３１Ｍに格納された濃淡画像の
輝度Ｇ（ｉ，ｊ）はタイマ３０Ｔから指令された
タイミングに基づいて２値化回路３２に送信され
る。なお、タイマ３０Ｔにはフラグ設定回路３９
からフラグの値として０が設定される。なお、後
で説明する一連の画像処理を実行するタイミング
はタイマ３０Ｔにより与えられる。画像処理を実
行する時間間隔をｈとすると、このｈは１秒ない
し２秒間に１回程度であり、この時間間隔で以下
の画像処理を実行する。また、タイマ３０Ｔでは
積算時間Ｔ（１回の画像処理時間がｈであるから
ｎ回の画像処理ではＴ＝nhとなる）を計算する
と共に、積算時間Ｔが１回の計測時間Taを越え
るまで次に説明する画像処理動作を繰に返す。１
回の計測時間Taは10分ないし１時間程度である。

２値化回路３２cm²濃淡画像メモリ３１Ｍの輝度
Ｇ（ｉ，ｊ）を受けて閙値Ｌよりも明るい画素を
全て“０”レベルとし、逆に閾値Ｌよりも暗い画
素を全て“１”レベルとして、この信号を２値化
メモリ３２Ｍに格納する。この２値化された信号
の集合をＢ（ｉ，ｊ）とすると、２値化の計算は
次式で表わされる。

Ｇ（ｉ，ｊ）≧Ｌならば、Ｂ（ｉ，ｊ）＝０ …(1) Ｇ（ｉ，ｊ）＜Ｌならば、Ｂ（ｉ，ｊ）＝１ …(2) (1)，(2)式を各画素について全て計算することに
より、背景を“０”レベル、魚１４を“１”レベ
ルとすることができる。この結果、“１”レベル
の部分が魚を表し、“０”レベルの部分が背景を
表す。フラグ判定回路３３は計測が１回目か否か
を判定し、フラグの値が“０”レベルであれば２
値化した画像中の物体（魚１４）の重心位置を２
値化メモリ３３Ｍ１と３３Ｍ２に同じ物体の重心
位置を格納する。最初の画像処理ではフラグの設
定回路３０Ｆでフラグの値はあらかじめ“０”レ
ベルと設定されているので、物体の重心位置の値
は２値化メモリ３３Ｍ１と３３Ｍ２に格納され
る。後で詳述するが、２値化メモリ３３Ｍ２に格
納した値は後で２値化メモリ３３Ｍ１に移送され
るので、２回目の画像処理以降は物体の重心位置
を常に２値化メモリ３３Ｍ２にのみ格納する。第
６図に示すように、速度算出回路３４は魚１４の
２値化メモリ３３Ｍ１（１４Ａ）、３３Ｍ２（１
４Ｂ）に格納された物体の重心位置（33M1＝
（x₁，y₁）、33M2＝（x₂，y₂）画像処理を実行する
時間間隔ｈとを用いて、物体（魚１４）の時間ｈ
における移動速度ｖを計算する。この計算式は、
次式で定義する。

ｖ＝√｛（₁−₂）²＋（₁−₂）²｝／ｈ …(3) (3)式中のｘ，ｙは物体の重心座標を示し、ｘは
水槽１０の水平方向、ｙは水槽１０の鉛直方向を
示す。速度算出回路３４で速度を算出した後、速
度フラグ判定回路３５で速度ｖが１回目と２回目
の画像計測で得たものか否かを判定し、フラグの
値が“０”レベルであれば、計算した速度ｖを速
度メモリ３５Ｍ１と３５Ｍ２に同じ速度を格納す
る。最初に速度ｖを求めた時には、フラグ設定回
路３０Ｆでフラグの値はあらかじめ“０”レベル
と設定されているので、速度ｖの値は速度メモリ
３５Ｍ１と３５Ｍ２に格納される。物体の重心位
置を格熱した２値化メモリ３３Ｍ１，３３Ｍ２と
同様に、速度メモリ３５Ｍ２に格納した値は後で
速度メモリ３５Ｍ１に移送されるので、３回目の
画像処理以降は、物体の移動速度を常に速度メモ
リ３５Ｍ２のみに格納する。加速度算出回路３６
は速度メモリ３５Ｍ１（v₁）と３５Ｍ２（v₂）と
画像処理を実行する時間間隔ｈとを用いて、物体
の時間ｈにおける移動加速度ａを計算する。この
計算式は次式で定義する。

ａ＝｜（v₁−v₂）｜／ｈ …(4) (4)式で求める加速度ａは正の加速度だけでな
く、負の加速度、つまり急激な魚１４の移動だけ
でなく、急激な減速をも評価するために絶対値を
用いる。加速度算出回路３６で求めた加速度ａ
は、加速度メモリ３６Ｍに格納される。加速度ａ
を求めた後に、２値化メモリ変更回路３７で２値
化メモリ３３Ｍ２に格納した物体の重心位置を２
値化メモリ３３Ｍ１に移す。次に速度メモリ変更
回路３８で速度メモリ３５Ｍ２に格納した物体の
移動速度を速度メモリ３５Ｍ１に移す。

次にフラグ設定回路３９が動作して、フラグの
値を“１”レベルに設定してタイマ３０Ｔに戻
る。タイマ３０Ｔでは積算時間Ｔが１回の計測時
間Taを越えるまで前述した画像処理動作を繰り
返す。積算時間Ｔが１回の計測時間Taを越える
とタイマ３０Ｔは加速度メモリ３６Ｍの加速度値
ａを加速度判定回路４０へ送信する。加速度判定
回路４０には加速度上限値設定器４０Ａから加速
度の上限値Ｈと上限頻度数Ｎが入力される。加速
度判定回路４０は第３図に示す斜線部分（加速度
上限値設定器４０Ａで設定した範囲を超えた部分
であり、魚が毒物流入による異常行動を示したこ
とを表わしている。）を認識した時点で、魚の動
きが異常であると判断する。

また、第４図に示すように、毒物混入の有無に
よる加速度頻度分布グラフは、毒混入のない場合
点線で示すような形をとり、一見して正常分布か
異常分布か知ることができ、加速度上限値Ｈ以上
を示した頻度数の累計（斜線部分）により、異常
な加速度を示した回数も明確に知ることができ
る。

魚の動きが異常であると判断すると、警報装置
５０に信号が送信して警報を出力させ、また正常
であると判断したらタイマ３０Ｔに戻り次の計測
を開始させる。警報装置５０に例えば信号オンで
異常状態が示されるとすると、警報装置５０は警
報を鳴らしたり監視者に水質調査を促すためのメ
ツセージを音声で出力したりする。

なお、加速度上限値設定器４０Ａから設定する
加速度上限値Ｈと上限頻度数Ｎは、魚の種類、大
きさなど魚の形状に応じて変更でき。

また、モニターテレビ６０は撮像装置２０の画
像を表示したり、２値化メモリ３２Ｍの画像や第
２〜４図に示すような速度メモリ３５Ｍ、加速度
メモリ３６Ｍのグラフなどを表示する。

以上のようにして水質監視を行うのであるが、
魚の移動加速度を検出している。移動速度の変化
で異常行動を検出する場合毒物に対して毒物流入
早期に魚が示す典型的な例に狂奔行動と呼ばれる
急激な移動があるが、その頻度検出については、
その移動速度の検出でこの行動をある程度とらえ
ることもできる。この例が第２図である。第２図
は移動速度を横軸に、その頻度を縦軸にとつてい
る。第２図は毒物が水中に混入したために速く泳
いでいることを表すが、毒物の混入とは関係なし
に速く泳ぐ場合も全くないわけではない。このよ
うに、速度パラメータだけでは誤動作の可能性が
のこる。そこで本発明は移動加速度を考慮してい
るので誤動作することなく毒物の混入を検出でき
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、毒物混入によつて魚が示す最
も顕著な動作である狂奔行動を簡単に検出可能で
ある。このため、浄水場施設などの原水に異常が
生じた場合、魚の異常行動の検出により容易に、
また、毒物流入の早期にその事態を把握でき、水
質の安全の確保に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２
〜４図は画像処理結果を評価する特性を示す特性
図、第５図は第１図における画像処理装置の一例
を示す詳細構成図、第６図は魚の移動によつて画
像処理装置が魚を認識する過程を表す図である。 １０…水槽、１４…魚、１５…照明装置、１６
…半透明板、１８Ａ，Ｂ…仕切板、１８Ｃ…底部
板、２０…撮像装置、３０…画像処理装置、５０
…警報装置、６０…モニターテレビ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定水を導入して水棲動物を飼育する水槽
   と、前記水棲動物を撮像してその画像情報を電気
   信号に変換する撮像装置と、該撮像装置から得ら
   れる画像情報による前記水棲動物の画像認識を行
   う画像認識手段と、該画像認識手段で認識した画
   像に基づき前記水棲動物の移動速度を求め解析す
   る速度解析手段と、前記水棲動物の移動速度から
   移動加速度を求め解析する加速度解析手段と、前
   記水棲動物の異常行動を前記速度解析手段と前記
   加速度解析手段で解析した解析情報により前記水
   棲動物の異常行動を判定する異常行動判定手段と
   を具備し、前記異常行動判定手段が前記水棲動物
   の異常行動を検出したときに前記被測定水の水質
   異常があることを検知するようにしたことを特徴
   とした異常水質検出装置。