JP5318328B2 - 流速計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、河川などの流体を撮像し、その流体の画像を解析して流体の速度を演算する流速計測装置に関するものである。

従来の流速計測装置は、例えば、河川などの流体の速度を計測するに際して、目印となる浮きを河川に流し、その浮きを観測して、流体の速度を演算するようにしている（例えば、特許文献１を参照）。
したがって、従来の流速計測装置では、河川に浮きを流す装置や設備が必要になる。

上記の流速計測装置のほかに、カメラを用いて河川を撮像し、その河川の画像を解析して流体の速度を演算する流速計測装置が開発されている（例えば、特許文献２，３を参照）。
この流速計測装置では、カメラの撮像範囲内に、予め規定された幅と高さを有するブロックを一定間隔で複数個配置し、各ブロックにおける原画像（最新の河川の画像）と過去画像（一定時間前の河川の画像）の相関を演算する。そして、各ブロックの相関演算結果から流体の速度を演算するようにしている。
この流速計測装置では、河川に浮遊しているゴミや、河川の泡・波などの移動物に着目して、流体の速度を演算するようにしているので、河川に浮きを流す装置や設備を設置する必要がない。

特開平８−４３４１９号公報（段落番号［０００７］から［００１２］、図１） 特開平７−５１８８号公報（段落番号［０００６］から［００１２］、図１） 特開２００３−８４００６号公報（段落番号［００２６］から［００４５］、図３）

従来の流速計測装置は以上のように構成されているので、移動物が存在している可能性がある領域にブロックを配置することができれば、流体の速度を正確に演算することができる。しかし、移動物が存在している可能性がある領域を判別することなく、一定の間隔で複数のブロックを均等に配置するに過ぎないため、そのブロックの中に移動物が存在しているとは限らず、そのブロックの中に移動物が存在しない場合には、流体の速度を正確に演算することができないなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、目印となる浮きを河川等に流すことなく、流体の速度を正確に演算することができる流速計測装置を得ることを目的とする。

この発明に係る流速計測装置は、流体撮像手段により撮像された最新の流体画像と画像記憶手段に記憶されている過去の流体画像との差分値を算出する差分値算出手段と、その差分値算出手段により算出された差分値を判断基準にして、流体撮像手段の撮像範囲に設定された測定領域の範囲内で移動物が存在している可能性がある複数の有効ブロックを配置する有効領域選定手段と、その有効領域選定手段により配置された複数の有効ブロック毎に、当該有効ブロックにおける最新の流体画像と過去の流体画像との相関を演算する相関演算手段と、その相関演算手段の相関演算結果から各有効ブロック毎の移動方向を求め、求めた移動方向が予め設定された許容範囲内に収まっていない有効ブロックを、信頼性がない有効ブロックとして有効領域選定手段により配置された複数の有効ブロックの中から除外し、信頼性がある有効ブロックに係る相関演算結果から流体の速度を演算する流速演算手段とを備えたものである。

この発明によれば、目印となる浮きを河川等に流すことなく、流体の速度を正確に演算することができる効果がある。
また、流体の速度の演算精度を高めることができる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による流速計測装置を示す構成図であり、図２はこの発明の実施の形態１による流速計測装置における画像処理装置の内部を示す構成図である。
図において、カメラ１は例えば観測対象の河川の流域に設置され、設定時間毎に流体である河川を撮像して、流体の画像を示す映像信号（ビデオ信号）を画像処理装置２に送信する処理を実施する。なお、カメラ１は流体撮像手段を構成している。
画像処理装置２はカメラ１から送信された映像信号を解析して、流体の速度を演算する処理を実施する。

画像処理装置２の外部Ｉ／Ｆ部１１は流体の速度を演算する際に使用するデータ（例えば、測定領域Ｆ、閾値Ａ、許容角度θ、係数α，βなど）の設定を受け付けるとともに、例えば、演算された流体の速度が警戒値より速い場合などに警報を通知するなどの処理を実施する。
画像処理装置２の映像信号入力処理部１２はカメラ１から送信された映像信号を取り込み、その映像信号をデジタルの画像データに変換するなどの処理を実施する。
画像処理装置２の画像メモリ１３は映像信号入力処理部１２から出力された画像データを一定期間保存するメモリである。なお、画像メモリ１３は画像記憶手段を構成している。

画像処理装置２の差分処理部１４は映像信号入力処理部１２から出力された最新の画像データと画像メモリ１３に保存されている一定時間前の画像データとを用いて、カメラ１により今回撮像された最新の流体画像とカメラ１により前回撮像された過去の流体画像との輝度値の差分値を演算する処理を実施する。なお、差分処理部１４は差分値算出手段を構成している。
画像処理装置２のエッジ処理部１５は映像信号入力処理部１２から出力された最新の画像データを用いて、カメラ１により今回撮像された最新の流体画像のエッジ値を算出する処理を実施する。なお、エッジ処理部１５はエッジ値算出手段を構成している。

画像処理装置２のブロック配置部１６は差分処理部１４により算出された差分値とエッジ処理部１５により算出されたエッジ値を判断基準にして、外部Ｉ／Ｆ部１１により受け付けられた測定領域Ｆの範囲内で、移動物（例えば、泡、波、ゴミ）が存在している可能性がある有効領域に、有効ブロックを複数個配置する処理を実施する。なお、ブロック配置部１６は有効領域選定手段を構成している。
画像処理装置２の相関演算部１７はブロック配置部１６により配置された複数の有効ブロック毎に、当該有効ブロックにおける最新の流体画像と過去の流体画像との相関を演算する処理を実施する。なお、相関演算部１７は相関演算手段を構成している。

画像処理装置２の流速演算部１８は相関演算部１７の相関演算結果から流体の速度を演算する処理を実施する。なお、流速演算部１８は流速演算手段を構成している。
画像処理装置２のメモリ部１９は流速演算部１８により演算された流体の速度のほか、流速演算部１８により流体の速度が求められない場合、流体の速度が求められない理由などを記憶するメモリである。
図３はこの発明の実施の形態１による流速計測装置の処理内容を示すフローチャートである。

次に動作について説明する。
画像処理装置２が流体の速度を演算するに先立って、ユーザが外部Ｉ／Ｆ部１１を使用して、流体の速度を演算する際に使用するデータ（例えば、測定領域Ｆ、閾値Ａ、許容角度θ、係数α，βなど）を設定する（ステップＳＴ１）。
カメラ１は、例えば観測対象の河川の流域に設置されており、設定時間毎に流体である河川を撮像して、流体の画像を示す映像信号を画像処理装置２に送信する。
図４はカメラ１により撮像された河川の画像を示す一例であり、その画像内の□は流速を計測する測定領域Ｆである。

画像処理装置２の映像信号入力処理部１２は、カメラ１から送信された映像信号の取り込みを行う（ステップＳＴ２）。
なお、映像信号入力処理部１２は、その映像信号を後段の処理部や演算部が取り扱うことが可能なデータ形式（デジタルの画像データ）に変換し、デジタルの画像データを画像メモリ１３に格納する。

画像処理装置２の差分処理部１４は、映像信号入力処理部１２が画像データを画像メモリ１３に格納する処理を実施すると、映像信号入力処理部１２から出力された最新の画像データと画像メモリ１３に保存されている一定時間前の画像データとを用いて、カメラ１により今回撮像された最新の流体画像とカメラ１により前回撮像された過去の流体画像との輝度値の差分値を演算する。
即ち、差分処理部１４は、例えば、下記の式（１）を演算することにより、差分値Ｓ（ｘ，ｙ）を求める。
Ｓ（ｘ，ｙ）＝｜Ｇ（ｘ，ｙ）−Ｉ（ｘ，ｙ）｜ （１）
ただし、Ｇ（ｘ，ｙ）は最新の流体画像（ｘ，ｙ）における輝度値
Ｉ（ｘ，ｙ）は過去の流体画像（ｘ，ｙ）における輝度値
なお、起動時においては、過去の流体画像を示す画像データが画像メモリ１３に保存されていないので、映像信号が２回以上取り込まれた段階で差分値を演算する。

画像処理装置２のエッジ処理部１５は、映像信号入力処理部１２が画像データを画像メモリ１３に格納する処理を実施すると、映像信号入力処理部１２から出力された最新の画像データを用いて、カメラ１により今回撮像された最新の流体画像のエッジ値を算出する。
即ち、エッジ処理部１５は、例えば、下記の式（２）を演算することにより、エッジ値Ｅ（ｘ，ｙ）を求める。
Ｅ（ｘ，ｙ）
＝ａｂｓ（Ｇ（ｘ−１，ｙ）＋Ｇ（ｘ＋１，ｙ）
＋Ｇ（ｘ，ｙ−１）＋Ｇ（ｘ，ｙ＋１）−Ｇ（ｘ，ｙ）×４） （２）

画像処理装置２のブロック配置部１６は、差分処理部１４が差分値Ｓ（ｘ，ｙ）を演算し、エッジ処理部１５がエッジ値Ｅ（ｘ，ｙ）を算出すると、その差分値Ｓ（ｘ，ｙ）とエッジ値Ｅ（ｘ，ｙ）を判断基準にして、外部Ｉ／Ｆ部１１により受け付けられた測定領域Ｆの範囲内で、移動物（例えば、泡、波、ゴミ）が存在している可能性がある複数の有効領域を選定する。
即ち、差分処理部１４により算出された差分値Ｓ（ｘ，ｙ）は、最新の流体画像と過去の流体画像の間で大きな輝度変化がある画素に大きな値が現れ、エッジ処理部１５により算出されたエッジ値Ｅ（ｘ，ｙ）は、隣接する画素の輝度差が大きい場合に大きな値が現れる。
このため、差分値Ｓ（ｘ，ｙ）とエッジ値Ｅ（ｘ，ｙ）が大きな位置には、移動物が存在している可能性が高いと考えられるので、ブロック配置部１６は、例えば、下記の式（３）に示すように、測定領域Ｆ内の各位置の判断基準値Ｊｕｄｇ（ｘ，ｙ）を算出する。
Ｊｕｄｇ（ｘ，ｙ）＝α×Ｓ（ｘ，ｙ）＋βＥ（ｘ，ｙ） （３）
ただし、α，βはユーザにより設定される重み係数である。０≦α≦１、０≦β≦１

ブロック配置部１６は、測定領域Ｆ内の各位置の判断基準値Ｊｕｄｇ（ｘ，ｙ）を算出すると、判断基準値Ｊｕｄｇ（ｘ，ｙ）が大きな位置から順番にｎ個選定し、ｎ個の位置に有効ブロックを配置する（ステップＳＴ３）。図５は測定領域Ｆ内に６個の有効ブロックを配置している例を示している。
なお、有効ブロックは、選定した位置が中心にくるように配置するが、隣の有効ブロックと重なる場合には、判断基準値Ｊｕｄｇ（ｘ，ｙ）が小さい方の位置の有効ブロックをずらすことにより、複数の有効ブロックが互いに重ならないように配置する。

画像処理装置２の相関演算部１７は、ブロック配置部１６がｎ個の有効ブロックを配置すると、各有効ブロック毎に、当該有効ブロックにおける最新の流体画像と過去の流体画像との相関を演算する（ステップＳＴ４）。
即ち、相関演算部１７は、ユーザが外部Ｉ／Ｆ部１１を使用して設定された相関演算方法（例えば、テンプレートマッチングを使用する方法、オプティカルフローを使用する方法）を使用して、有効ブロックにおける最新の流体画像と過去の流体画像との相関を演算することにより、その相関演算結果として、有効ブロックの移動量（Δｘ,Δｙ）（単位：ピクセル）とスコア（信頼度）を算出する。
相関演算方法として、例えば、テンプレートマッチングを使用する場合には、例えば、下記の式（４）を演算する。

式（４）における右辺は、有効ブロックのスコア（信頼度）を表しており、右辺のΣが最小になるときの値が有効ブロックの移動量を表している。
なお、有効ブロックのスコア（信頼度）が小さい程、相関演算結果の信頼性が高いと判断される。

画像処理装置２の流速演算部１８は、相関演算部１７が各有効ブロックにおける最新の流体画像と過去の流体画像との相関を演算すると、各有効ブロックのスコア（信頼度）とユーザにより設定された閾値Ａを比較して、各有効ブロックが信頼性のあるブロックであるか否かを判定する。
流速演算部１８は、有効ブロックのスコア（信頼度）が閾値Ａより高い場合、信頼性がないブロックであると認定し、ブロック配置部１６により配置されたｎ個の有効ブロックの中から当該ブロックを除外する（ステップＳＴ５）。

また、流速演算部１８は、残った有効ブロックのベクトル方向（有効ブロックの移動量（Δｘ,Δｙ）に着目）し、そのベクトル方向がユーザにより設定された許容角度θの範囲内に収まっているか否かを判定する。
流速演算部１８は、有効ブロックのベクトル方向が許容角度θの範囲内に収まっていない場合、信頼性がないブロックであると認定し、残った有効ブロックの中から当該ブロックを除外する（ステップＳＴ６）。

次に、画像処理装置２の流速演算部１８は、残った有効ブロック（信頼性がある有効ブロック）の移動量（Δｘ,Δｙ）（単位：ピクセル）の単位変換を実施する（ステップＳＴ７）。
即ち、流速演算部１８は、有効ブロックの移動量（Δｘ,Δｙ）（単位：ピクセル）を、予め設定された有効ブロック毎の１ピクセル当りの長さ（単位：ｃｍ）に単位変換する。
例えば、図６に示すように、測定領域Ｆの横幅が１００ピクセルのとき、測定領域Ｆの上辺が２００ｃｍ、下辺が３００ｃｍと設定されていれば、上辺を２ｃｍ／ピクセル、下辺を３ｃｍ／ピクセルに変換する。因みに、測定領域Ｆの中央（Ｙ座標）に配置されている有効ブロックについては、２．５ｃｍ／ピクセルに変換する。
画像データ上では、一般的に手前側（画面下側）が大きく映るため、１ピクセル当りの実際の長さが画面奥側（画面上側）と比較して短くなるが、上記のように、有効ブロック毎にピクセル長を変換することにより、遠近補正が可能になる。

画像処理装置２の流速演算部１８は、有効ブロックの移動量（Δｘ,Δｙ）の単位変換を実施すると、単位変換後の有効ブロックの移動量（Δｘ,Δｙ）に重みを付けて、単位変換後の有効ブロックの移動量（Δｘ,Δｙ）から測定領域Ｆの移動量を演算する。
例えば、各有効ブロックを均等に扱う場合には、例えば、下記の式（５）に示すように、有効ブロックの移動量（Δｘ,Δｙ）の平均値を、測定領域Ｆの移動量として演算する。

なお、各有効ブロックを均等に扱うのではなく、信頼性が高い有効ブロックに大きな重みを付けるようにしてもよいし、また、最大、最小の有効ブロックを取り除いて平均値を求めるようにしてもよい。

画像処理装置２の流速演算部１８は、測定領域Ｆの移動量（単位：ｃｍ）を演算すると、相関演算に利用した最新の流体画像と過去の流体画像間の撮像時間差（Δｔ）で測定領域Ｆの移動量（単位：ｃｍ）を割り算することにより、１処理における表面流速（単位：ｃｍ／ｓ）を演算する（ステップＳＴ９）。以下、１処理における表面流速を「仮流速速度」と称する。

次に、画像処理装置２の流速演算部１８は、残っている有効ブロックの個数が予めユーザにより設定された個数より少ない場合、上記のようにして演算した仮流速速度の演算精度が低いと判断して、その仮流速速度の演算結果を破棄し、その旨をメモリ部１９に記録する（ステップＳＴ１０）。
また、流速演算部１８は、ブロック配置部１６により配置された有効ブロックの個数に対する残っている有効ブロックの個数の比率を求め、その比率が予めユーザにより設定された比率より小さい場合も、上記のようにして演算した仮流速速度の演算精度が低いと判断して、その仮流速速度の演算結果を破棄し、その旨をメモリ部１９に記録する（ステップＳＴ１０）。
さらに、流速演算部１８は、上記のようにして演算した仮流速速度が、予めユーザにより設定された上限速度を上回る場合、あるいは、予めユーザにより設定された下限速度を下回る場合も、上記のようにして演算した仮流速速度の演算精度が低いと判断して、その仮流速速度の演算結果を破棄し、その旨をメモリ部１９に記録する（ステップＳＴ１１）。

次に、画像処理装置２の流速演算部１８は、上記のようにして演算した仮流速速度の演算精度が高いと判断すると、予め設定された個数分の有効な仮流速速度（例えば、ａ個の仮流速速度）が予め設定された時間内に求められているか否かを判定する（ステップＳＴ１２）。
流速演算部１８は、ａ個の有効な仮流速速度が予め設定された時間内に求められている場合、例えば、下記の式（６）に示すように、ａ個の有効な仮流速速度から流体の速度を最終的に算出する（ステップＳＴ１３）。

流速演算部１８は、ａ個の有効な仮流速速度が予め設定された時間内に求められていない場合、例えば、下記の式（７）に示すように、その時点までに求められたＭ個の有効な仮流速速度から流体の速度を暫定的に算出する（ステップＳＴ１４）。

なお、ａ個の有効な仮流速速度が予め設定された時間内に求められていない場合、前回最終的に算出された流体の速度を採用するようにしてもよい。

画像処理装置２の流速演算部１８は、流体の速度を最終的又は暫定的に算出すると、その流体の速度をメモリ部１９に記録する。
なお、流速演算部１８は、今回算出した流速の速度をそのままメモリ部１９に記録せずに、今回流体の速度を算出した際の信頼度と、前回流体の速度を算出した際の信頼度との比率に重みを付けて、その重み付け結果をメモリ部１９に記録するようにしてもよい。

また、流速演算部１８は、その流体の速度を予めユーザにより設定された警報値と比較し（ステップＳＴ１５）、その流体の速度が警報値より大きい場合、外部Ｉ／Ｆ部１１を介して、外部に警報を通知する（ステップＳＴ１６）。
警報は、例えば、ＬＥＤの点灯、音声やブザーの発信、メールの送信などにより通知される。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、カメラ１により撮像された最新の流体画像と画像メモリ１３に記憶されている過去の流体画像との差分値を算出する差分処理部１４と、カメラ１により撮像された最新の流体画像のエッジ値を算出するエッジ処理部１５と、その差分処理部１４により算出された差分値とエッジ処理部１５により算出されたエッジ値を判断基準にして、外部Ｉ／Ｆ部１１により受け付けられた測定領域Ｆの範囲内で、移動物が存在している可能性がある有効領域に、有効ブロックを複数個配置するブロック配置部１６とを設け、そのブロック配置部１６により配置された複数の有効ブロック毎に、当該有効ブロックにおける最新の流体画像と過去の流体画像との相関を演算し、その相関演算結果から流体の速度を演算するように構成したので、目印となる浮きを河川等に流すことなく、流体の速度を正確に演算することができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、相関演算部１７の相関演算結果を参照して、ブロック配置部１６により配置された複数の有効ブロックの中から信頼性がないブロックを除外し、信頼性がある有効ブロックに係る相関演算結果から流体の速度を演算するように構成したので、流体の速度の演算精度を高めることができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、流体の速度を時系列的に平滑化するように構成しているので、単発的に誤った演算結果の影響を軽減して、流体の速度の演算精度を高めることができる効果を奏する。
なお、一連の演算処理を流体の表面上の特徴（泡・波等）の形状が時間的に変化するよりも速く行うようにしているので、高精度かつ実時間の流速測定を行うことができる。

この発明の実施の形態１による流速計測装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による流速計測装置における画像処理装置の内部を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による流速計測装置の処理内容を示すフローチャートである。 カメラにより撮像された河川の画像の一例を示す説明図である。 測定領域Ｆ内に６個の有効ブロックを配置している例を示す説明図である。 有効ブロックの移動量の単位変換を説明する説明図である。

符号の説明

１ カメラ（流体撮像手段）、２ 画像処理装置、１１ 外部Ｉ／Ｆ部、１２ 映像信号入力処理部、１３ 画像メモリ（画像記憶手段）、１４ 差分処理部（差分値算出手段）、１５ エッジ処理部（エッジ値算出手段）、１６ ブロック配置部（有効領域選定手段）、１７ 相関演算部（相関演算手段）、１８ 流速演算部（流速演算手段）、１９ メモリ部。

Claims (4)

1. 設定時間毎に流体を撮像する流体撮像手段と、
   上記流体撮像手段により撮像された流体の画像を記憶する画像記憶手段と、
   上記流体撮像手段により撮像された最新の流体画像と上記画像記憶手段に記憶されている過去の流体画像との差分値を算出する差分値算出手段と、
   上記差分値算出手段により算出された差分値を判断基準にして、上記流体撮像手段の撮像範囲に設定された測定領域の範囲内で移動物が存在している可能性がある複数の有効ブロックを配置する有効領域選定手段と、
   上記有効領域選定手段により配置された複数の有効ブロック毎に、当該有効ブロックにおける上記最新の流体画像と上記過去の流体画像との相関を演算する相関演算手段と、
   上記相関演算手段の相関演算結果から各有効ブロック毎の移動方向を求め、求めた移動方向が予め設定された許容範囲内に収まっていない有効ブロックを、信頼性がない有効ブロックとして上記有効領域選定手段により配置された複数の有効ブロックの中から除外し、信頼性がある有効ブロックに係る相関演算結果から流体の速度を演算する流速演算手段とを備えた流速計測装置。
2. 設定時間毎に流体を撮像する流体撮像手段と、
   上記流体撮像手段により撮像された流体の画像を記憶する画像記憶手段と、
   上記流体撮像手段により撮像された最新の流体画像のエッジ値を算出するエッジ値算出手段と、
   上記エッジ値算出手段により算出されたエッジ値を判断基準にして、上記流体撮像手段の撮像範囲に設定された測定領域の範囲内で移動物が存在している可能性がある複数の有効ブロックを配置する有効領域選定手段と、
   上記有効領域選定手段により配置された複数の有効ブロック毎に、当該有効ブロックにおける上記最新の流体画像と上記画像記憶手段に記憶されている過去の流体画像との相関を演算する相関演算手段と、
   上記相関演算手段の相関演算結果から各有効ブロック毎の移動方向を求め、求めた移動方向が予め設定された許容範囲内に収まっていない有効ブロックを、信頼性がない有効ブロックとして上記有効領域選定手段により配置された複数の有効ブロックの中から除外し、信頼性がある有効ブロックに係る相関演算結果から流体の速度を演算する流速演算手段とを備えた流速計測装置。
3. 設定時間毎に流体を撮像する流体撮像手段と、
   上記流体撮像手段により撮像された流体の画像を記憶する画像記憶手段と、
   上記流体撮像手段により撮像された最新の流体画像と上記画像記憶手段に記憶されている過去の流体画像との差分値を算出する差分値算出手段と、
   上記流体撮像手段により撮像された最新の流体画像のエッジ値を算出するエッジ値算出手段と、
   上記差分値算出手段により算出された差分値と上記エッジ値算出手段により算出されたエッジ値を判断基準にして、上記流体撮像手段の撮像範囲に設定された測定領域の範囲内で移動物が存在している可能性がある複数の有効ブロックを配置する有効領域選定手段と、
   上記有効領域選定手段により配置された複数の有効ブロック毎に、当該有効ブロックにおける上記最新の流体画像と上記過去の流体画像との相関を演算する相関演算手段と、
   上記相関演算手段の相関演算結果から各有効ブロック毎の移動方向を求め、求めた移動方向が予め設定された許容範囲内に収まっていない有効ブロックを、信頼性がない有効ブロックとして上記有効領域選定手段により配置された複数の有効ブロックの中から除外し、信頼性がある有効ブロックに係る相関演算結果から流体の速度を演算する流速演算手段とを備えた流速計測装置。
4. 流速演算手段は、流体の速度を時系列的に平滑化することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の流速計測装置。

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