KR101010345B1 - 화상처리에 의한 트롤리 선 마모 측정장치 - Google Patents

화상처리에 의한 트롤리 선 마모 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 라인 센서가 검사 차량의 지붕 상에 트롤리 선을 올려보도록 수직 윗 방향으로 구비되고, 트롤리 선을 조명하는 조명 수단이 검사 차량 상에서 검사 차량의 진행 방향에 대해서 수직 방향으로 복수의 점 광원을 직선으로 배열하여 형성되는, 화상 처리에 의한 트롤리 선 마모 측정 장치를 제공한다.
마모 측정 장치

Description

화상처리에 의한 트롤리 선 마모 측정장치{Device for measuring wear of trolley wire by image processing}
본 발명은 화상 처리에 의한 트롤리 선(trolley wire) 마모 측정 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 화상 처리에 의한 트롤리 선의 마모 측정에 관한 것으로, 특히 트롤리 선의 마모 부분의 너비(width)를 측정하는 장치에 관한 것이다.
전기 철도 차량에 전력을 공급하는 트롤리 선 상에, 차량이 통과할 때마다 팬터그래프(pantograph) 집전 장치와 접촉이 발생한다.
이 때문에, 전기 철도 차량의 운행 동안, 트롤리 선은 점차 마모되어, 교환이 이루어지지 않는다면, 최종적으로는 파열 또는 단선되어 사고를 유발하게 된다.
따라서, 트롤리 선에 마모 한계가 설정된다. 이러한 마모 한계를 트롤리 선 교환의 기준으로 사용하여, 트롤리 선을 교환하여, 전기 철도 차량의 안전성을 확보하고 있다.
트롤리 선의 마모를 측정하는 방법으로, 두 가지의 주된 방법이 있다. 하나는 트롤리 선의 두께를 직접 측정하는 방법이고, 다른 하나는 트롤리 선 마모 부분의 너비를 계산하고, 마모 너비로부터 트롤리 선의 두께를 환산하는 방법이다.
이러한 방법들 중에서, 트롤리 선 마모 부분의 너비를 측정하는 방법으로, 소듐 램프 또는 레이저 광을 조사하여 트롤리 선 마모 부분을 측정하는 방법이 있다(비특허 문헌 1 참조).
이는 하기 관계를 이용한다. 트롤리 선 하부가 둥근 바가지 형상이 되어 있는데, 마모에 의해 트롤리 선이 평평하게 깎아지므로, 깎아진 부분의 너비가 보다 넓어진다. 그러므로, 트롤리 선의 깎아진 부분의 두께가 마모 너비로부터 환산되게 된다.
트롤리 선 마모 부분의 측정 방법으로, 광원으로부터 소듐 램프나 레이저 광이 조사되면, 트롤리 선 마모 부분으로부터의 반사광이 정반사로 수광되도록, 광원의 위치와 수광부의 라인 센서의 위치를 정밀하게 조정하고, 정반사에 의한 강한 광을 촬상하는 방법으로 트롤리 선 마모부를 화이트 아웃 상태로 하면, 강한 광을 받은 화이트 아웃 부분의 너비로부터 트롤리 선 마모 부분의 너비를 측정한다. 이 방법은 비접촉 방법이기 때문에, 따라서 고속의 조작이 가능하다.
그러나, 이러한 방법은 트롤리 선을 집고 있는 클램프 및 배경으로 비치는 구조물과 같은 노이즈의 영향을 받기 쉽다. 또한, 약간의 노이즈에 의해 잘못된 측정 결과가 수득된 경우, 이를 확인할 방법이 없다. 그래서, 트롤리 선 마모와 같은 문제가 발생한 부분에 대해서, 결국은 트롤리 선의 두께를 직접 측정하는 방법으로 확인한다. 또한, 광원과 수광 장치의 위치를 정밀하게 조정하여 정반사광을 수득하는 것이 요구된다.
이러한 문제들에 대해, "화상 처리에 의한 트롤리 선 마모 측정 장치(특허 문헌 1)"에서는, 소듐 램프 및 레이저 광과 같은 특수한 조명 광원을 준비할 필요 없이, 통상의 조명 광원을 사용할 수 있다. 또한, 광원의 위치를 정밀하게 조정할 필요 없이 측정이 수행될 수 있다. 그러나, 라인 센서에 입사하는 반사광의 불균일이 발생하여, 균일한 조명 조건을 창출하기가 어려운 문제가 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 공보 제2006-248411
비특허 문헌 1: 트롤리 선 마모, 높이 측정 장치, 소듐 램프식 트롤리 선 마모 측정 장치, 제114회 철도 종합연구소 월간 리포트 써머리＜홈페이지＞http://www.rtri.or.jp/infoce/getsurei/1998/Getsu09/g114_5.html
트롤리 선 마모 또는 마멸의 측정 방법으로는, 트롤리 선 마모 부분의 너비를 소듐 램프 또는 레이저 광을 조사하여 측정하고, 마모 부분 너비로부터 트롤리 선의 두께를 환산하는 방법, 그리고 특허 문헌 1과 같이 통상 조명을 조사하여 화상 처리에 의해 트롤리 선 마모를 측정하는 방법이 있으나, 다음의 문제들이 있다.
(1) 트롤리 선 마모 부분의 너비를 소듐 램프나 레이저 광을 조사하여 측정하고, 마모 너비로부터 트롤리 선의 두께를 환산하는 방법의 경우, 먼저, 소듐 램프 및 레이저 광과 같은 특수 조명을 준비할 필요가 있다. 특히, 레이저 광을 사용하는 경우, 인체에 대한 영향이 고려되어야 하므로, 신중한 취급이 필요하게 된다. 또한, 정반사광을 수광하기 위해, 광원과 수광 장치의 위치를 정밀하게 조정할 필요가 있다.
(2) 특허 문헌 1과 같이, 화상 처리에 의한 트롤리 선 마모 측정 방법의 경우, 일반적인 백색 조명을 이용하기 때문에, 위치 조정 등은 용이하게 달성된다. 그러나, 점 광원이므로, 광이 중심에서 가장 강하고, 광이 중심으로부터 멀어짐에 따라 약하게 된다. 이러한 이유로 인해, 트롤리 선으로부터의 반사광에 불균일이 발생하는 문제가 있어, 균일한 조명 조건을 창출하기가 어렵게 된다.
본 발명의 화상 처리에 의한 트롤리 선 마모 측정 장치는, 라인 센서를 이용해 라인 센서 화상을 생성하는 라인 센서 화상 생성 수단; 상기 라인 센서 화상에 대해서 2 진(binary) 조작을 수행하여 2 진 조작된 라인 센서 화상을 취득하는 2 진 조작 처리 수단; 상기 2 진 처리된 라인 센서 화상의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 처리 수단; 노이즈 제거된 상기 2 진 처리된 라인 센서 화상으로부터 트롤리 선 마모 부분의 엣지를 엣지 데이터로 검출하는 엣지 검출 처리 수단; 및 상기 엣지 데이터와 트롤리 선 높이 데이터에 기초하여 상기 트롤리 선 마모 부분의 너비를 계산하는 트롤리 선 마모 부분 너비 계산 처리 수단;을 포함하되, 상기 라인 센서는 검사 차량의 지붕 상에 트롤리 선을 올려보도록 수직 윗 방향으로 구비되고, 상기 트롤리 선을 조명하는 조명 수단은 상기 검사 차량 상에서 상기 검사 차량의 진행 방향에 대해서 수직 방향으로 복수의 점 광원을 직선으로 배열하여 형성된다.
이러한 장치로 전기한 문제들이 해결된다.
본 발명의 화상 처리에 의한 트롤리 선 마모 측정 장치에 의하면, 하기 효과들이 달성된다.
(i) 선 광원을 사용하는 방법에 비해, 강한 조명을 저가로 제공할 수 있으며, 반사광의 불균일 없이 균일한 조명 조건을 달성할 수 있다.
(ii) 특수 조명을 사용할 필요가 없다.
(iii) 레이저 광을 사용하는 방법에 비해, 인체에 대한 영향을 고려할 필요가 없어, 취급이 용이하다.
(iv) 광원과 수광 장치의 정밀한 위치 조정의 번거로움이 없다.
(v) 트롤리 선의 급격한 이탈 또는 이동에 대응하여 균일한 반사광을 수득할 수 있다.
(1) 기본 발명
본 발명의 목적은 화상 처리에 의해 트롤리 선의 마모를 측정하는 측정 장치를 제공하는 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 화상 입력 수단으로, 예를 들어 트롤리 선 3을 올려보도록 검사 차량 4의 지붕 상에 수직 윗방향으로 설치된 라인 센서 1을 이용한다.
라인 센서 1은 그 주사선이 검사 차량 4의 진행 방향과 수직 및 수평이 되며, 그 주사선이 트롤리 선 3을 횡단하도록 설치된다.
검사 차량 4의 지붕 상에, 라인 센서 1의 좌측 및 우측의 양측에, 조명 수단으로, 점 광원인 복수 개의 소형 투광 램프 또는 투광기 2가 설치된다.
투광기 2들은 라인 센서 1를 사이에 두고 트롤리 선의 이동 또는 이탈 방향으로 일직선으로 배치된다. 투광기 2에 의해 트롤리 선 3이 필요 충분하게 조명되기 위해, 투광기 2의 배치 너비가 트롤리 선의 이탈 너비의 실질적으로 2배인 것이 바람직하다.
여기서, 트롤리 선 3의 마모 부분은 트롤리 선이 팬터그래프에 의해 깎아진 부분이기 때문에, 마모되지 않은 부분에 비해 강한 광택이 있다.
그러므로, 트롤리 선 3을 조명하는 것으로, 라인 센서 화상 상에서도 슬라이딩 또는 마찰 표면으로부터의 반사광에 의해 트롤리 선의 마모 부분에서 배경 부분 및 기타 배경 부분이 분리될 수 있다.
그러나, 점 광원의 경우에서, 마모 부분으로부터의 반사광에 불균일이 존재하면, 2 진 조작했을 때, 상기 분리가 수행될 수 없는 가능성이 있다.
예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 반사광이 불균일하고, 2진 조작이 수행되었을 때, 트롤리 선의 마모 부분의 일부가 배경과 동화된다.
또한, 선 광원인 형광등의 경우에서, 광이 너무 약해 라인 센서에 반사광이 반사되지 않는다.
따라서, 본 발명에서, 복수 개의 점 광원을 직선 형태로 배치하여, 선 광원으로 간주되는 강한 조명이 저가로 제공될 수 있다. 이러한 배치로, 반사광의 불균일이 없는 균일한 조명 조건을 창출하는 것이 가능하다.
예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반사광이 균일하기 때문에, 2 진 처리를 수행하였을 때, 배경과 마모 표면 사이의 분리가 매우 잘 수행될 수 있다.
라인 센서 1에 의해 수득될 수 있는 주사선의 휘도 또는 밝기 신호는, 검사 차량 4의 내부에 설치한 측정 퍼스널 컴퓨터 5(처리용 퍼스널 컴퓨터)에 출력된다.
측정용 퍼스널 컴퓨터 5는 이러한 휘도 신호를 시 계열로 배치하여, 라인 센서 화상(평면 화상)을 생성하고, 기록 장치 6에 입력 화상으로서 저장한다.
측정용 퍼스널 컴퓨터 5는 입력 라인 센서 화상의 화상 처리로 트롤리 선의 마모 부분의 너비를 측정한다. 화상 취득으로부터의 처리 및 결과 출력을 위해, 예를 들어, 특허 문헌 1에 개시된 구성과 동일한 구성을 이용할 수가 있다.
본 발명은 비접촉의 방식이기 때문에, 고속 조작이 가능하고, 짧은 기간 내에 긴 거리 구간이 측정될 수 있다.
또한, 본 발명은 특수 조명을 사용할 필요가 없고, 레이저 광을 사용하여 인체에의 영향을 고려하는 것과 같은 취급의 어려움이 없다. 게다가, 레이저 광 또는 소듐 램프의 경우와 달리, 광원과 수광 장치의 위치를 정밀하게 조정하는 번거로움이 없다.
또한, 트롤리 선이 상하 좌우로 격렬하게 이동하더라도, 균일한 조명이 조사될 수 있다.
(2) 반 거울(half mirror)의 추가
기본 발명의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 라인 센서 1의 좌우 양측에 조명 수단인 복수 개의 투광기 2를 배치하기 때문에, 라인 센서 1 바로 위 영역은 다른 영역과 비교해서 휘도가 낮아질 가능성이 있다.
이를 해소하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 트롤리 선 3 및 라인 센서 1의 사이에 반 거울 7이 배치된다. 조명 수단 20으로부터 조사되는 광이 반 거울 7을 통해 윗 방향으로 반사되어 트롤리 선 3을 조명하는 동시에, 트롤리 선 3을 포함하는 화상이 반사광으로서 라인 센서 1에 의해 촬상된다. 조명 수단 20은 라인 센서의 정면 또는 배면 측에 제공된다. 도 3에서는, 도면을 간단히 하기 위해, 라인 센서 1의 좌우 양측에 배치된 복수개의 투광기 2가 생략되었다. 조명 수단 20은 도 1에 개시된 투광기 2와 동일한 형태의 광원 또는 다른 형태의 광원일 수 있다.
이러한 구성으로, 라인 센서 1과 동축에 위치한 영역에 또한 충분한 조명이 조사되므로, 반사광이 균일하게 될 수 있는 이점이 있다. 트롤리 선이 카메라와 동축으로 이동하는 경우, 반사광이 직접 수득될 수 있기 때문에, 좀더 균일한 조명 조건을 창출하는 효과가 달성될 수 있다.
여기서, 트롤리 선은 상, 하, 좌, 우 방향으로 흔들릴 수 있다. 이러한 이유로 인해, 본 발명의 목적은 높이 각도가 고정된 방향의 광에 의해서는 달성되지 않는다. 본 발명에서는, 카메라의 광축에 평행한 방향으로 광이 조사되는 것이 바람직하다.
도 1은 트롤리 선 마모 측정용 라인 센서와 조명 수단의 위치를 나타내는 사시도이다.
도 2a는 반사광이 균일한 경우의 2진 조작의 예를 나타내는 설명도이다.
도 2b는 반사광이 불균일한 경우의 2진 조작의 예를 나타내는 설명도이다.
도 3은 라인 센서와 트롤리 선과의 사이에 반 거울을 설치한 예를 나타내는 측면도이다.
도 4는 기본 발명에 따른 트롤리 선의 마모의 측정을 위한 순서도이다.
도 5는 기본 발명에 따른 트롤리 선 마모 측정 장치의 블럭도이다.
<도면 부호에 대한 간단한 설명>
1: 라인 센서, 2: 투광기
3: 트롤리 선, 4: 검사 차량
5: 처리용 퍼스널 컴퓨터, 6: 기록 장치
7: 반 거울, 20: 조명 수단
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 화상 처리에 의한 트롤리 선 마모 측정 장치를 나타낸다. 본 실시예는 기본 발명에서 설명한 측정 퍼스널 컴퓨터 5의 구체적인 구성에 관한 것이다.
즉, 측정 퍼스널 컴퓨터 5는 도 5에 도시된 바와 같이, 라인 센서 화상 생성부 또는 수단 50, 2 진 조작 처리부 또는 수단 53, 노이즈 제거 처리부 또는 수단 54, 트롤리 선 마모 부분 엣지 검출부 또는 수단 55, 및 트롤리 선 마모 부분 너비 계산부 또는 수단 56 등으로 구성된다. 이러한 측정 퍼스널 컴퓨터 5는 라인 센서 화상을 화상 처리하여 트롤리 선의 마모 부분의 너비를 도 4에 도시된 순서도에 따라 측정한다.
먼저, 라인 센서 화상 생성부 50은 라인 센서 11에 의해 수득되는 주사선의 휘도 신호를 시 계열로 배열하여, 라인 센서 화상을 취득한다(단계 S11). 취득된 라인 센서 화상은 메모리 51을 통해 기록 장치 6에 저장되고, 메모리 52를 통해 2진 조작 처리부 53에 전달된다.
다음, 2 진 조작 처리부 53은 라인 센서 화상 전체에 대해 2 진 조작을 수행 하여 2 진 조작된 라인 센서 화상을 취득한다(단계 S12).
2 진 조작된 라인 센서 화상은, 메모리 52를 통해 노이즈 제거 처리부 54로 전달된다.
노이즈 제거 처리부 54는 트롤리 선 마모 부분의 스크래치 또는 배경 부분 상태 때문에 2 진 조작된 라인 센서 화상에 존재하는 점 노이즈(spotted noise)들을 2진 조작의 팽창, 수축 처리에 의해 제거한다(단계 S13).
노이즈 제거된 2 진 조작된 라인 센서 화상은 메모리 52를 통해 트롤리 선 마모 부분 엣지 검출부 55에 전달된다.
트롤리 선 마모 부분 엣지 검출부 55는, 특정 라인의 좌측으로부터 탐색이 수행되는 경우, 배경의 검정색으로부터 마모 부분의 흰색으로 변화하는 점을 마모 부분의 좌측 엣지점으로 간주하고, 마모 부분의 흰색으로부터 배경의 검정색으로 변화하는 점을 마모 부분의 우측 엣지점으로서 간주하는 검출 조작을, 화상의 윗 부분에서 아래 부분으로 각 라인에 대하여 실시하여, 2 진 조작된 라인 센서 화상의 트롤리 선 마모 부분의 엣지를 검출한다(단계 S14).
검출된 트롤리 선 마모 부분의 양측의 엣지는, 엣지 데이터로서 메모리 52를 통해 트롤리 선 높이 데이터와 함께 트롤리 선 마모 부분 너비 계산부 56로 전송된다.
트롤리 선 마모 부분 너비 계산부 56은 라인 센서 1로부터 트롤리 선 3까지의 높이와 함께, 2진 조작된 라인 센서 화상으로부터 검출된, 트롤리 선 마모 부분의 양측의 엣지 데이터를 이용해서, 라인 센서의 하나의 주사 라인 상에 양측의 엣 지의 점대점 거리를 트롤리 선 마모 부분의 화상 상 너비로 계산한다(단계 S15).
본 발명은, 화상 처리에 의한 트롤리 선의 마모 측정, 특히 트롤리 선의 마모 부분의 너비를 측정하는 분야에 이용되는 것이다.

Claims (2)

  1. 라인 센서를 이용해 라인 센서 화상을 생성하는 라인 센서 화상 생성 수단;
    상기 라인 센서 화상에 대해서 2 진 조작을 수행하여 2 진 조작된 라인 센서 화상을 취득하는 2 진 조작 처리 수단;
    상기 2 진 처리된 라인 센서 화상의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 처리 수단;
    노이즈 제거된 상기 2 진 처리된 라인 센서 화상으로부터 트롤리 선 마모 부분의 엣지를 엣지 데이터로 검출하는 엣지 검출 처리 수단; 및
    상기 엣지 데이터와 트롤리 선 높이 데이터에 기초하여 상기 트롤리 선 마모 부분의 너비를 계산하는 트롤리 선 마모 부분 너비 계산 처리 수단;
    을 포함하되,
    상기 라인 센서는 검사 차량의 지붕으로부터 떨어진 트롤리 선을 올려보도록 상기 검사 차량 상에서 상기 검사 차량의 진행 방향에 대해서 수직 방향으로 형성되고,
    상기 트롤리 선을 조명하는 조명 수단은 상기 검사 차량 상에서 상기 검사 차량의 진행 방향에 대해서 수직 방향으로 복수의 점 광원을 직선으로 배열하여 상기 라인 센서의 양측에 형성되는 것을 특징으로 하는 트롤리 선 마모 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라인 센서 및 트롤리 선 사이에 구비된 반 거울을 더 포함하되,
    상기 조명 수단으로부터 조사되는 광이 상기 반 거울을 통해 윗 방향으로 반사되어 상기 트롤리 선을 조명하는 동안, 상기 트롤리 선을 포함하는 화상이 반사광으로 상기 라인 센서에 의해 촬상되는 것을 특징으로 하는 상기 트롤리 선 마모 측정 장치.
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