自己発光型ターゲット及び変位計測システム
【課題】 屋外において昼夜に亘って連続的に変位計測が可能で計測誤差が少ない変位計測用の自己発光型ターゲット、及びそれを備えた変位計測システムを提供すること。
【解決手段】 撮像手段（カメラ３）で撮像した画像を解析手段（ＰＣ４）で解析することにより計測対象物（レール）の変位計測を行う変位計測システム１に用いられ、計測対象物（レール）に取り付けられて自ら発光する変位計測用の自己発光型ターゲット（計測用ターゲット２）を、ケース２０と、このケース２０の背面側内部に取り付けられて発光する発光手段２１と、ケース２０の前面側内部に取り付けられ、蓄光性蛍光体と光透過性物質とを含有して板状に成型された蓄光面材２２と、を備えた内照式の自己発光型ターゲットとする。
【解決手段】 撮像手段（カメラ３）で撮像した画像を解析手段（ＰＣ４）で解析することにより計測対象物（レール）の変位計測を行う変位計測システム１に用いられ、計測対象物（レール）に取り付けられて自ら発光する変位計測用の自己発光型ターゲット（計測用ターゲット２）を、ケース２０と、このケース２０の背面側内部に取り付けられて発光する発光手段２１と、ケース２０の前面側内部に取り付けられ、蓄光性蛍光体と光透過性物質とを含有して板状に成型された蓄光面材２２と、を備えた内照式の自己発光型ターゲットとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、撮像による変位計測に用いる自己発光型ターゲット、及びその自己発光型ターゲットを備えた変位計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
土木や建築などの工事では、施工区域に隣接する構造物に影響を与えてしまう可能性があり、安全上隣接する構造物の変位を計測することが行われている。例えば、軌道下にアンダーパスを構築する工事の場合、工事の影響で軌道が沈下したり軌道の通りに狂いが生じたりすると大災害に繋がるおそれがあるため、問題が発生した場合には速やかに対処することを目的として軌道の変位を２４時間監視していなければならないという要請が強い。
【０００３】
構造物の変位を屋外において計測する技術としては、従来、変位計測対象物に、計測用のターゲットとして、反射テープからなるターゲットや、赤色、緑色、青色のいずれか一色の正方形からなるターゲットなどの反射型のターゲットを設置して、そのターゲットをＣＣＤカメラやデジタルカメラなどの撮像手段で連続的・定期的に撮像（カメラによる静止画の撮影、ムービーによる動画の撮影いずれも含む、以下同じ）して記憶装置に記憶させ、記憶装置に記憶された前記カメラの各画像素子で光電変換された電子的画像データをコンピュータで解析することにより、画像の輝度やＲＧＢレベルの分布の変動からターゲットの変位を検出して計測対象物の変位を測定する反射型ターゲットを用いた変位計測システムが知られている（例えば、特許文献１、２）。
【０００４】
しかし、特許文献１及び特許文献２に記載のレール変位計測・警報システムや相対変位量計測システムは、ターゲットで反射した光を撮像手段の各画像素子で感知し、その周囲との相対的な輝度やＲＧＢレベルの差（コントラスト）からターゲットの画像上の図心位置を割り出してターゲットの位置を特定しているので、複数のターゲットが均一な照度とならない場合は、画像データからコンピュータにより解析して検出するターゲットの輪郭が不明確となり、そこから割り出す図心位置も不正確となり、計測精度が低下したりエラーとなったりするという問題があった。また、夜間や雨天時などの日射量が低下した場合には、発光装置を発光させてターゲットを照射するようにしているが、複数のターゲットを均一な照度とするには、照明など複数の発光装置を色々な角度からターゲットに向けて照射できるように設置しなければならず、設置コストが嵩むうえ、現場の状況によっては、そのように多数の発光装置を多方向に設置できない場合も多かった。
【０００５】
このような反射型のターゲットの照度の違いによる輪郭検出の誤差をなくすため、ターゲット自身に発光機能を持たせた自己発光型のターゲットを用いた変位計測システムも知られている。例えば、特許文献３には、変位計測用のターゲットとして、ＬＥＤと、該ＬＥＤが発する光の透過光の輝度を均一化する拡散板と、光路を円形に限定する押え板と、撮影方向以外の方向から入る光を遮光する遮光マスクと、からなるターゲットを使用し、このターゲットを変位計測対象物となる軌道の枕木に複数個設置して、これら複数のターゲットを同時に１台のデジタルカメラで撮影し、撮影画像を解析してターゲットと周囲との輝度の差（コントラスト）からターゲットの図心位置を割り出し、予め計測しておいた初期値と比較して軌道の変位を測定する軌道変位測定装置が開示されている。
【０００６】
しかし、このような自己発光型のターゲットであっても太陽の直射光が降り注ぐ屋外において昼夜に亘って２４時間連続的に変位測定を行う場合、（１）夜間撮影時にカメラの露光時間を長く取ると、露出オーバーとなり、ターゲット部分の輪郭がぼやけてしまい計測精度が低下する、（２）昼間撮影時に太陽光による遮光マスクの影がターゲットとなる円形部分に掛かりターゲットの輪郭が円形と把握されずに計測精度が低下するといった問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−３２５７０３号公報
【特許文献２】特開２００１−２７２２２８号公報
【特許文献３】特開２０１０−２５８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、この発明は、前記従来の技術の問題を解決し、屋外において昼夜に亘って連続的に変位計測が可能で計測誤差が少ない変位計測用の自己発光型ターゲット、及びそれを備えた変位計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、撮像手段で撮像した画像を解析手段で解析することにより計測対象物の変位計測を行う変位計測システムに用いられ、計測対象物に取り付けられて自ら発光する変位計測用の自己発光型ターゲットであって、ケースと、このケースの前記撮像手段から遠い背面側内部に取り付けられて発光する発光手段と、前記ケースの前記撮像手段から近い前面側内部に取り付けられ、蓄光性蛍光体と光透過性物質とを含有して板状に成型された蓄光面材と、を有し、前記発光手段が発する光を前記蓄光面材で蓄光して前記撮像手段側に蛍光を発することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記ケースは、前記撮像手段側に円形の穴が形成され、前記蓄光面材は、該穴の内側に取り付けられており、前記ケースで前記穴以外の部分を遮光することで前記蓄光面材から前記撮像手段側に円形状に蛍光を発することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記蓄光面材の光透過性物質は、光透過性の無機質粒子であり、前記蓄光面材は、前記発光手段が発する光を透過可能となっていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記発光手段は、紫外線を放射するＬＥＤであり、前記蓄光面材は、紫外線を吸収して可視光として放出する蓄光性蛍光体を含有していることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の変位計測システムの発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の自己発光型ターゲットと、この自己発光型ターゲットを撮像する撮像手段と、この撮像手段で撮像した画像を解析して自己発光型ターゲットの位置を割り出す解析手段と、を備えて前記自己発光型ターゲットの変位から計測対象物の変位を計測することを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の変位計測システムの発明は、請求項５に記載の変位計測システムにおいて、不動の構造物に取り付けられた６個以上の不動点ターゲットを有し、前記解析手段は、前記撮像した画像と測量により実測した前記不動点ターゲットの三次元座標とに基づいて、前記撮像手段の位置ズレを確認すると共に、その位置ズレ量を算出して得た位置ズレ量を基に計測した計測対象物の変位を補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明は、前記のようであって、請求項１に記載の発明によれば、撮像手段で撮像した画像を解析手段で解析することにより計測対象物の変位計測を行う変位計測システムに用いられ、計測対象物に取り付けられて自ら発光する変位計測用の自己発光型ターゲットであって、ケースと、このケースの前記撮像手段から遠い背面側内部に取り付けられて発光する発光手段と、前記ケースの前記撮像手段から近い前面側内部に取り付けられ、蓄光性蛍光体と光透過性物質とを含有して板状に成型された蓄光面材と、を有し、前記発光手段が発する光を前記蓄光面材で蓄光して前記撮像手段側に蛍光を発するので、蓄光面材の発する蛍光をターゲットとして撮像しているため、夜間の撮像でもターゲットの周囲との輝度の差（コントラスト）が大きくなりすぎず、露出制御を撮像手段による自動制御としても露出オーバーとならず計測精度を確保することができる。また、昼間の撮像でも天候による太陽光の光量の変動や影の有無に拘らずターゲットを認識することができる。よって、屋外において昼夜に亘って連続的に変位計測が可能であり、画像解析する際のターゲットの位置を誤認識するおそれが少なく計測誤差を少なくすることができる。さらに、雨天などの悪天候が連続した場合であっても、発光手段を発光させるだけで蓄光面材に蓄光できるため、天候に左右されずに連続的に変位を計測することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記ケースは、前記撮像手段側に円形の穴が形成され、前記蓄光面材は、該穴の内側に取り付けられており、前記ケースで前記穴以外の部分を遮光することで前記蓄光面材から前記撮像手段側に円形状に蛍光を発するので、前記作用効果に加え、ターゲットの発光部分が円形となるため、ターゲットの傾きや角度の相違に関係なく、撮像手段で撮像した画像におけるある水平線上で輝度が変化する点を結んだ線分を２等分する垂線と、ある鉛直線上で輝度が変化する点を結んだ線分を２等分する垂線と、の交点がターゲットの図心となるので、解析手段による画像からターゲットの位置を割り出す解析や計算が簡単でプログラム実行上も短時間で実行できると共に、計測誤差をさらに少なくすることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記蓄光面材の光透過性物質は、光透過性の無機質粒子であり、前記蓄光面材は、前記発光手段が発する光を透過可能となっているので、前記作用効果に加え、安価な無機質粒子で光透過性を担保しているため、コスト削減を図ることができると共に、何らかのアクシデントにより蓄光面材の発光輝度が不足する事態が生じた場合であっても、発光手段を点灯させることによりターゲットの発光輝度を上げて適正輝度とすることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記発光手段は、紫外線を放射するＬＥＤであり、前記蓄光面材は、紫外線を吸収して可視光として放出する蓄光性蛍光体を含有しているので、前記作用効果に加え、必要な時間だけ消費電力の少ないＬＥＤにより発光させているため、必要電力を省力化することができると共に、紫外線を吸収して可視光として放出する蓄光性蛍光体は、蓄光時間が他の蓄光性の蛍光材と比べて長いため、蓄光面材が一定輝度以上発光している時間を長くとることができる。よって、さらなる必要電力の省力化を図ることができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の自己発光型ターゲットと、この自己発光型ターゲットを撮像する撮像手段と、この撮像手段で撮像した画像を解析して自己発光型ターゲットの位置を割り出す解析手段と、を備えて前記自己発光型ターゲットの変位から計測対象物の変位を計測するので、変位計測システムにおいて、前記作用効果を発揮することができる。
【００２０】
請求項６に記載の変位計測システムによれば、請求項５に記載の変位計測システムにおいて、不動の構造物に取り付けられた６個以上の不動点ターゲットを有し、前記解析手段は、前記撮像した画像と測量により実測した前記不動点ターゲットの三次元座標とに基づいて、前記撮像手段の位置ズレを確認すると共に、その位置ズレ量を算出して得た位置ズレ量を基に計測した計測対象物の変位を補正するので、前記作用効果に加え、さらに精度よく計測対象物の変位を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る変位計測システムの概略構成を示す構成説明図である。
【図２】本発明の実施例に係る自己発光型ターゲットの概略構成を示す鉛直断面図である。
【図３】図２の自己発光型ターゲットの概略構成を示す透視斜視図である。
【図４】実施例に係る不動点ターゲットの正面図である。（ａ）は、実施例１に係る不動点ターゲット、（ｂ）は、実施例２に係る不動点ターゲットを示す。
【図５】変位計測システムにおいて計測条件を設定する際のフローチャートである。
【図６】変位計測システムにおいてカメラ条件を設定する際のフローチャートである。
【図７】変位計測システムで変位計測する際のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
この発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２３】
先ず、本発明の実施の形態に係る変位計測システム及び自己発光型ターゲットについて、図１〜図４を用い、計測対象物が軌道（レール）であり、この軌道の側面（レールのウェブ）に実施例に係るターゲットを複数個取り付けて、軌道の変位を計測する場合で説明する。
【００２４】
［変位計測システム］
本発明の実施の形態に係る変位計測システム１は、計測対象物である軌道の側面に取り付けられる複数の計測用ターゲット２と、計測対象物とは支持地盤が連続しないような工事による影響が少ない範囲に建てられた不動の構造物に取り付けられる複数の不動点ターゲット２’と、これらの計測用ターゲット２及び不動点ターゲット２’を同時に撮像する撮像手段であるカメラ３と、このカメラ３で撮像した画像を解析してターゲット２の位置を割り出す解析手段であるＰＣ（パーソナルコンピュータ）４と、カメラ３で撮像した画像を記憶する外部記憶手段である外付けハードディスク５など、から構成されている。
【実施例】
【００２５】
（計測用ターゲット）
先ず、図２、図３を用いて、本発明の実施例に係る自己発光型ターゲットである計測用ターゲットを説明する。図示するように、計測用ターゲット２は、ケース２０と、発光手段２１と、蓄光面材２２と、を有し、発光手段２１が発する光を蓄光面材２２で蓄光して図２で示す撮像手段側に円形状に蛍光（燐光）を発する内照式の自己発光型ターゲットである。この計測用ターゲット２は、レールを支持する枕木に取り付けるなど、レールに直接取り付けられていなくても構わない。要するに、支持地盤が沈下したりズレたりした場合にレールと一緒に移動するものに直接又は間接的に取り付けられていればよい。
【００２６】
ケース２０は、前面側である撮像手段側に円形状に開口した円形開口２０ａを有する概略箱形のケースであり、このケース２０の背面（撮像手段から遠い面）側内部に発光手段２１が取り付けられている。
【００２７】
この発光手段２１は、紫外線（波長が可視光線より短くＸ線より長い１０〜４００ｎｍ程度のものを指す。但し、後述の蓄光性蛍光体を効率よく発光させる観点からは、波長が３６０ｎｍをピークとする近紫外線が最適である。以下同じ）を放射する円弧状に配列された複数のＬＥＤ２１ａと、その基盤２１ｂと、から主に構成され、図示しない電源に電気的に接続されている。勿論、発光手段２１は、発光機能を有していればＬＥＤに限定されるものではなく、有機ＥＬ（Organic Electro−Luminescence）や蛍光灯、白熱球などの既知の発光手段を用いることができる。しかし、後述の蓄光面材に効率的に蓄光する観点からは、発光手段は、紫外線を照射するＬＥＤが好ましい。
【００２８】
また、ケース２０の前面（撮像手段から近い面）側であって円形開口２０ａの内側には、蓄光面材２２が取り付けられおり、ケース２０で蓄光面材２２の円形開口２０ａ以外の部分を遮光することで蓄光面材２２の発する蛍光の光路が円形状となるようになっている。この蓄光面材２２は、バインダー樹脂（マトリクス樹脂）を基体として、蓄光性蛍光体と光透過性物質とを含有して板状に成型されている。
【００２９】
バインダー樹脂としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のメタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂等の各種の光透過性の樹脂を使用することができる。
【００３０】
また、蓄光性蛍光体としては、一般的な蓄光性蛍光体であれば適用可能であるが、例えば、フルオレセイン、ローダミン、エオシン、ピラミジン、ナフタルイミド、ペリレン等の有機蛍光染料に、アルミン酸ストロンチウム等に重金属やユーロピウム等の希土類酸化物等を活性化剤として添加したものを、蓄光体として加えたものを使用することができる。本実施例では、紫外線を吸収して可視光として後述の撮影計測に必要な所望の一定輝度以上の蛍光（燐光）を長時間（２４時間以上が好ましい）に亘り発光可能な蓄光性蛍光体が用いられている。
【００３１】
光透過性物質としては、光透過性の無機質粒子（例えば、石英系天然石の粉砕品やガラス粉、水酸化アルミニウム等の透明色の無機質粒子）が好ましく、その粒径が１８０μｍ〜９．５ｍｍの細粒成分と１８０μｍアンダーの微粒成分とによって構成されることが更に好ましい。勿論、この無機質粒子は、光を透過する透明色であれば、有彩色であっても構わない。
【００３２】
以上のような実施例に係る自己発光型ターゲットである計測用ターゲット２によれば、人工照明であるＬＥＤ２１ａを適宜点灯することでいつでも蓄光面材２２に蓄光可能となっているので、長期に亘って天候が悪い場合であっても、蓄光面材２２の発する光が一定輝度を下回ることがなく、発光量（輝度）のバラツキを少なくすることができる。また、蓄光面材２２は、ケース２０の前面側に取り付けられているので、太陽光線中の紫外線を吸収して蓄光することができ、晴天時にはＬＥＤ２１ａを発光させずとも昼間に蓄光面材２２で蓄光して夜間の発光が可能である。よって、曇天時や雨天時が続いた必要な時だけＬＥＤ２１ａを点灯させればよく、必要最小限の電力で計測用ターゲット２を発光させることができ、電力の省力化を図ることができる。
【００３３】
また、蓄光面材２２は、安価な光透過性の無機質粒子を含有しており、ＬＥＤ２１ａが発する光を透過可能となっているので、コストを削減できると共に、何らかのアクシデントにより蓄光面材２２の蓄光量が不足して発光輝度が不足する事態が生じた場合であっても、ＬＥＤ２１ａを点灯させることによりターゲットの発光輝度を上げて適正輝度とすることができる。
【００３４】
（不動点ターゲット）
次に、不動点ターゲットについて図４を用いて説明する。
本実施の形態に係る不動点ターゲット２’は、図示（ａ）（ｂ）に示すように、（ａ）実施例１：白黒の正方形を市松模様に組み合わせたり、（ｂ）実施例２：四角錐台を白黒に塗り分けたりした一般的な反射チェッカーからなる従来の反射型ターゲットであり、複数個設置されるが、特に、反射チェッカー面を照らす照明等は設けていない。この不動点ターゲット２’は、後述のように、設置した不動点ターゲット２’の中心点を測量し、この測量により実測した三次元座標と、不動点ターゲット２’を撮影して得られた基準画像から算出する不動点ターゲット２’の中心点の二次元座標と、に基づいて後述の撮像手段であるカメラ３の位置確認とその補正を行う目的で設置されているものであり、晴天時や曇天時の昼間に撮像（撮影）しておけばよく、夜間に撮像する必要性が乏しいからである。また、カメラ３の位置ズレを無視すれば、計測用ターゲット２の工事前（変位計測前）の中心点を測量しておき、その実測した三次元座標を利用することで不動点ターゲット２’を省略することも可能である。
【００３５】
しかし、現実問題として寒暖や直射日光による部材間の熱膨張の差などを勘案すると屋外に設置されるカメラ３の位置ズレは不可避であり、測定精度を向上させるためには、後述のように、撮影・計測毎にカメラ３の位置ズレを確認してそのズレから計測した変位の補正を行うことが望ましい。
なお、不動点ターゲット２’の設置個所は、６箇所以上あれば足り、計測精度を増すためには多く設置した方が好ましく、本実施の形態では９箇所設置されている。
また、この不動点ターゲット２’は、従来の反射型ターゲットではなく、前述の計測用ターゲット２と同様に、内照式の自己発光型ターゲットとしても構わない。
【００３６】
（撮像手段）
次に、撮像手段について説明する（図１参照）。
本実施の形態に係る撮像手段（図１参照）は、一般的なデジタルカメラであり、後述のＰＣ４とＵＳＢケーブルなどで接続されており、そのＰＣにインストールされたプログラムの指令により所定時間に撮影可能で、且つ、シャッタースピードや絞りなどの露出制御を自動で行うことができる、いわゆるオートモードの撮影が可能であれば使用することができる。また、ムービーなどの動画を撮影するカメラであっても構わない。
【００３７】
（解析手段）
次に、解析手段について説明する（図１参照）。
本実施の形態に係る解析手段であるＰＣ４は、一般的な市販のパーソナルコンピュータであり、インストールされた変位計測プログラムにより後述のように動作する解析手段としての機能を有している。
また、このＰＣ４は、前述のカメラ３と、後述の外部記憶手段である外付けハードディスク５とに、ＵＳＢケーブルなどの有線又は無線ＬＡＮで双方向通信可能に接続され、これらのカメラ３及び外付けハードディスク５の動作を制御する制御手段としての機能も有している。
【００３８】
（外部記憶手段）
次に、外部記憶手段について説明する（図１参照）。
本実施の形態に係る外部記憶手段である外付けハードディスク５は、一般的な市販の外付けハードディスクであり、前述のカメラ３で撮影した画像を逐次蓄積して記憶する機能を有している。なお、この外付けハードディスク５は、ＰＣ４内に備えられているＨＤＤ（ハードディスクドライブ）などの内部記憶手段で容量が足りる場合設けなくてもよい。
また、ＰＣ４にプリンタを接続してカメラ３で撮影した画像や計測結果を印刷可能としてもよい。
【００３９】
［変位計測システムの動作］
次に、前述の変位計測システム１の動作について、図１、図５〜図７を用いて説明する。
前述の変位計測システム１で変位を計測するには、事前準備として計測条件の設定と、カメラ条件の設定を行う必要がある。
【００４０】
（計測条件の設定）
計測条件の設定は、図５に示すフローチャートに沿って設定する。
（１）キャリブレーション設定
このキャリブレーション設定では、標準パターンを撮影した画像を基にカメラ３で撮影した画像の色調や輝度等を校正（キャリブレーション）する。
【００４１】
（２）標定処理
この標定処理では、前述の不動点ターゲット２’を撮影して得られた基準画像から算出する不動点ターゲット２’の中心点の二次元座標と、不動点ターゲット２’の中心点を実際に測量して得られた三次元座標と、を比較して標定を行う。
【００４２】
（３）相関窓設定
この相関窓設定では、立体を撮影した画像から３次元座標を求める際に使用する、基準画像と撮影した画像の両画像から取り出した小領域（相関窓）において画像相関法により一致を調べる範囲（サイズ）を設定する。相関窓サイズが１５×１５の場合、ＰＣ４のキーボードから１５と入力して設定する。
【００４３】
（４）計測範囲設定
この計測範囲設定では、計測用ターゲット２及び不動点ターゲット２’の変位計測を行う範囲を設定する。この計測範囲はカメラ３の画素単位であり、縦横２０画素の範囲を計測する場合はＰＣ４のキーボードから２０と入力して設定する。
【００４４】
（カメラ条件の設定）
カメラ条件の設定は、図６に示すフローチャートに沿って設定する。
（１）カメラの初期化
このカメラの初期化では、ＰＣ４を通じてカメラ３が撮影可能な状態となるように初期化される。
【００４５】
（２）撮影条件設定
この撮影条件設定では、オート撮影かマニュアル撮影かを選択する。オート撮影とは、カメラ３のシャッタースピード及び絞りをカメラ自身の自動制御で撮影するモードであり、マニュアル撮影とは、シャッタースピード及び絞りの数値を指定して撮影するモードである。ここでマニュアル撮影を選択した場合、更にシャッタースピード及び絞りの数値を入力して設定する必要がある。
【００４６】
（３）感度設定
この感度設定では、カメラ３の撮像素子のＩＳＯ感度を２００〜１０００の間で設定する。
【００４７】
（４）撮影間隔設定
この撮影間隔設定では、変位計測の計測開始時刻、計測終了時刻を設定し、その計測開始から計測終了までの間は、所定のインターバル（時間）を置いて繰り返し撮影するので、そのインターバル時間を（秒）単位で設定する。
【００４８】
（変位計測）
以上の計測条件の設定及びカメラ条件の設定に従ってターゲットの変位計測を行う。この変位計測は、図７のフローチャートに従って行われる。
（１）撮影
ステップ１では、ＰＣ４の撮影指示に従ってカメラ３で全ての計測用ターゲット２及び不動点ターゲット２’を含む画像を撮影する。
【００４９】
（２）画像送信
ステップ２では、撮影した画像がカメラ３からＰＣ４へ送信される。
【００５０】
（３）カメラの位置確認
ステップ３では、ＰＣ４へ送信された画像を解析手段であるＰＣ４で解析し、ＰＣ４において、撮影した画像から得られる９つの（少なくとも６つの）不動点ターゲット２’の中心位置が求められ、求められた二次元座標と、前述の測量により実測した不動点ターゲット２’及びカメラ３の三次元座標と、に基づいて、カメラ３の設置位置が当初とズレているか否かが判定されると共に、ズレている場合はその位置ズレ量が算出される。
【００５１】
（４）変位算出
ステップ４では、ＰＣ４へ送信された画像から計測用ターゲット２の中心位置が求められ、そこから三次元座標が算出されて、基準画像又は前回の撮影画像から求めた計測用ターゲットの座標との差から計測用ターゲット２の変位が算出される。
【００５２】
具体的には、前述の計測範囲設定で定めた計測範囲をテンプレートマッチングにより１画素ずつ基準画像と撮影画像との相関係数を求めていき、両画像の相関が最も高い領域を求めて、その図心（中心）を算出することで計測用ターゲット２の三次元座標を算出している。
【００５３】
ここで、相関係数とは、基準画像と撮影画像との二次元的な輝度分布の類似性を示す統計学的指標であり、相関係数が１となった場合は、両画像の輝度分布が完全に一致したことを示すものである。また、ステップ３でカメラ３の位置ズレ量が算出された場合には、その位置ズレ量に基づいて算出された計測用ターゲット２の変位を補正する。
【００５４】
（５）計測結果の検証
ステップ５では、ステップ４で算出した相関係数が全ての計測個所で０．８以上となった場合、「計測成功」と判断し、相関係数が１つの計測個所でも０．８未満となった場合には、「計測失敗」と判断する。「計測成功」の場合は、次のステップ６に進み、「計測失敗」の場合は、ステップ８、９を経由して計測結果の表示・保存を行ったうえ、前述の撮影間隔設定で設定したインターバル時間を無視して１分後にステップ１に戻って再撮影・再計測を行う。
【００５５】
（６）計測結果の表示
ステップ６では、ＰＣ４で解析・算出した計測結果のデータを、撮影年月日、撮影時刻、時間のズレ量（カメラ時刻−パソコン時刻、単位は秒）、データ件数、１つ目の計測用ターゲットの縦変位、その横変位、その相関係数、２つ目の計測用ターゲットの縦変位、その横変位、その相関係数、・・・の順に撮影画像と共に、ＰＣ４のモニター（表示装置）に出力、及び／又はプリンタでプリントアウトする。
【００５６】
（７）撮影画像及び計測結果の保存
ステップ７では、撮影画像及び計測結果を外付けハードディスク５に記憶させて保存し、蓄積し、一旦計測を終了する。そして、前述の撮影間隔設定で設定したインターバル時間が経過すると、ステップ１から撮影・計測を再開する。
【００５７】
ステップ８では、ステップ６と同様にＰＣ４で解析・算出した計測結果を表示するが、「計測失敗」が一目でそれが分かるように数値の前に「＃」などのマークを表示するようにする。ステップ９では、ステップ７と同様に撮影画像及び計測結果を外付けハードディスク５に保存する。
【００５８】
なお、計測結果が２回連続して「計測失敗」と判断された場合には、登録しておいたメールアドレスに撮影画像と計測結果と共に警報を送信するようにすると好ましい。このとき、同時にＰＣ４が設置されている場所や工事事務所等でパトランプを回したり警報音を発するようにしたりしてもよい。また、計測結果のいずれかの変位が許容値を超えた場合に警報を発するようにしてもよい。
【００５９】
さらに、ステップ６やステップ８において計測結果のデータや撮影画像をＰＣ４のモニターに表示する際に、インターネットや有線又は無線ＬＡＮを介してＰＣ４が設置されている場所から離れた工事事務所などに設置されたＰＣにおいて常時閲覧できるようにしてもよい。このとき、常時閲覧できる計測結果は、最新のものとし、指定すれば過去の計測結果のデータも閲覧できるようにすることが好ましい。
【００６０】
以上説明した本発明の実施の形態に係る変位計測システム１よれば、蓄光面材２２の発する蛍光をターゲットとして撮影しているため、夜間の撮影でもターゲットの周囲との輝度の差（コントラスト）が大きくなりすぎず、シャッタースピードや絞りなどの露出関連の設定をデジタルカメラ３による「オート撮影」モードとして撮影しても露出オーバーとならず計測精度を確保することができ、シャッタースピードや絞りを設定したり、変更したりする手間が省ける。また、昼間の撮影でも天候による太陽光の光量の変動や影の有無に拘らずターゲットを認識することができる。よって、屋外において昼夜に亘って連続的に変位計測が可能であり、画像解析する際のターゲットの位置を誤認識するおそれが少なく計測誤差を少なくすることができる。さらに、雨天などの悪天候が連続した場合であっても、発光手段であるＬＥＤ２１ａを発光させるだけで蓄光面材２２に蓄光できるため、天候に左右されずに連続的に変位を計測することができる。
【００６１】
そのうえ、計測用ターゲット２の発光部分である蓄光面材２２が、ケース２０の円形開口２０ａの周りで遮光されて、その光路が円形となるため、計測用ターゲット２の個々の設置の際に生じる傾きや角度の相違に関係なく、撮影した画像における前述の基準画像との相関が最も高い領域と、ある水平線との２つの交点を結んだ線分を２等分する垂線と、前記領域とある鉛直線との２つの交点を結んだ線分を２等分する垂線と、の交点がターゲットの図心となるので、解析手段であるＰＣ４によるターゲットの座標位置を割り出す解析や計算が簡単でプログラム実行上も短時間で実行できると共に、計測誤差をさらに少なくすることができる。
【００６２】
以上のように、本発明の一実施の形態に係る変位計測システムを、計測対象物が軌道（レール）であり、この軌道の側面に実施例に係るターゲットを複数個取り付けて、軌道の変位を計測する場合で説明したが、勿論、計測対象物は軌道に限られず、他の構造物にも適用可能であることは云うまでもない。
【００６３】
また、実施の形態として説明した撮像手段、解析手段、外部記憶手段等も既知の他の手段と適宜変更可能である。特に、解析手段として基準画像と撮影画像との二次元的な輝度分布の類似性示す相関係数から撮影画像におけるターゲットの中心点を割り出すプログラムを実行するＰＣを例に挙げて説明したが、このようなプログラムを実行するＰＣに限られず、撮影したターゲットの画像からターゲットの位置変動を計測できるようプログラムされたコンピュータであれば適用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１ 変位計測システム
２ 計測用ターゲット（自己発光型ターゲット）
２’ 不動点ターゲット
２０ ケース
２１ 発光手段
２１ａ ＬＥＤ
２２ 蓄光面材
３ デジタルカメラ（撮像手段）
４ ＰＣ（解析手段）
５ 外付けハードディスク（外部記憶手段）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、撮像による変位計測に用いる自己発光型ターゲット、及びその自己発光型ターゲットを備えた変位計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
土木や建築などの工事では、施工区域に隣接する構造物に影響を与えてしまう可能性があり、安全上隣接する構造物の変位を計測することが行われている。例えば、軌道下にアンダーパスを構築する工事の場合、工事の影響で軌道が沈下したり軌道の通りに狂いが生じたりすると大災害に繋がるおそれがあるため、問題が発生した場合には速やかに対処することを目的として軌道の変位を２４時間監視していなければならないという要請が強い。
【０００３】
構造物の変位を屋外において計測する技術としては、従来、変位計測対象物に、計測用のターゲットとして、反射テープからなるターゲットや、赤色、緑色、青色のいずれか一色の正方形からなるターゲットなどの反射型のターゲットを設置して、そのターゲットをＣＣＤカメラやデジタルカメラなどの撮像手段で連続的・定期的に撮像（カメラによる静止画の撮影、ムービーによる動画の撮影いずれも含む、以下同じ）して記憶装置に記憶させ、記憶装置に記憶された前記カメラの各画像素子で光電変換された電子的画像データをコンピュータで解析することにより、画像の輝度やＲＧＢレベルの分布の変動からターゲットの変位を検出して計測対象物の変位を測定する反射型ターゲットを用いた変位計測システムが知られている（例えば、特許文献１、２）。
【０００４】
しかし、特許文献１及び特許文献２に記載のレール変位計測・警報システムや相対変位量計測システムは、ターゲットで反射した光を撮像手段の各画像素子で感知し、その周囲との相対的な輝度やＲＧＢレベルの差（コントラスト）からターゲットの画像上の図心位置を割り出してターゲットの位置を特定しているので、複数のターゲットが均一な照度とならない場合は、画像データからコンピュータにより解析して検出するターゲットの輪郭が不明確となり、そこから割り出す図心位置も不正確となり、計測精度が低下したりエラーとなったりするという問題があった。また、夜間や雨天時などの日射量が低下した場合には、発光装置を発光させてターゲットを照射するようにしているが、複数のターゲットを均一な照度とするには、照明など複数の発光装置を色々な角度からターゲットに向けて照射できるように設置しなければならず、設置コストが嵩むうえ、現場の状況によっては、そのように多数の発光装置を多方向に設置できない場合も多かった。
【０００５】
このような反射型のターゲットの照度の違いによる輪郭検出の誤差をなくすため、ターゲット自身に発光機能を持たせた自己発光型のターゲットを用いた変位計測システムも知られている。例えば、特許文献３には、変位計測用のターゲットとして、ＬＥＤと、該ＬＥＤが発する光の透過光の輝度を均一化する拡散板と、光路を円形に限定する押え板と、撮影方向以外の方向から入る光を遮光する遮光マスクと、からなるターゲットを使用し、このターゲットを変位計測対象物となる軌道の枕木に複数個設置して、これら複数のターゲットを同時に１台のデジタルカメラで撮影し、撮影画像を解析してターゲットと周囲との輝度の差（コントラスト）からターゲットの図心位置を割り出し、予め計測しておいた初期値と比較して軌道の変位を測定する軌道変位測定装置が開示されている。
【０００６】
しかし、このような自己発光型のターゲットであっても太陽の直射光が降り注ぐ屋外において昼夜に亘って２４時間連続的に変位測定を行う場合、（１）夜間撮影時にカメラの露光時間を長く取ると、露出オーバーとなり、ターゲット部分の輪郭がぼやけてしまい計測精度が低下する、（２）昼間撮影時に太陽光による遮光マスクの影がターゲットとなる円形部分に掛かりターゲットの輪郭が円形と把握されずに計測精度が低下するといった問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−３２５７０３号公報
【特許文献２】特開２００１−２７２２２８号公報
【特許文献３】特開２０１０−２５８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、この発明は、前記従来の技術の問題を解決し、屋外において昼夜に亘って連続的に変位計測が可能で計測誤差が少ない変位計測用の自己発光型ターゲット、及びそれを備えた変位計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、撮像手段で撮像した画像を解析手段で解析することにより計測対象物の変位計測を行う変位計測システムに用いられ、計測対象物に取り付けられて自ら発光する変位計測用の自己発光型ターゲットであって、ケースと、このケースの前記撮像手段から遠い背面側内部に取り付けられて発光する発光手段と、前記ケースの前記撮像手段から近い前面側内部に取り付けられ、蓄光性蛍光体と光透過性物質とを含有して板状に成型された蓄光面材と、を有し、前記発光手段が発する光を前記蓄光面材で蓄光して前記撮像手段側に蛍光を発することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記ケースは、前記撮像手段側に円形の穴が形成され、前記蓄光面材は、該穴の内側に取り付けられており、前記ケースで前記穴以外の部分を遮光することで前記蓄光面材から前記撮像手段側に円形状に蛍光を発することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記蓄光面材の光透過性物質は、光透過性の無機質粒子であり、前記蓄光面材は、前記発光手段が発する光を透過可能となっていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記発光手段は、紫外線を放射するＬＥＤであり、前記蓄光面材は、紫外線を吸収して可視光として放出する蓄光性蛍光体を含有していることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の変位計測システムの発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の自己発光型ターゲットと、この自己発光型ターゲットを撮像する撮像手段と、この撮像手段で撮像した画像を解析して自己発光型ターゲットの位置を割り出す解析手段と、を備えて前記自己発光型ターゲットの変位から計測対象物の変位を計測することを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の変位計測システムの発明は、請求項５に記載の変位計測システムにおいて、不動の構造物に取り付けられた６個以上の不動点ターゲットを有し、前記解析手段は、前記撮像した画像と測量により実測した前記不動点ターゲットの三次元座標とに基づいて、前記撮像手段の位置ズレを確認すると共に、その位置ズレ量を算出して得た位置ズレ量を基に計測した計測対象物の変位を補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明は、前記のようであって、請求項１に記載の発明によれば、撮像手段で撮像した画像を解析手段で解析することにより計測対象物の変位計測を行う変位計測システムに用いられ、計測対象物に取り付けられて自ら発光する変位計測用の自己発光型ターゲットであって、ケースと、このケースの前記撮像手段から遠い背面側内部に取り付けられて発光する発光手段と、前記ケースの前記撮像手段から近い前面側内部に取り付けられ、蓄光性蛍光体と光透過性物質とを含有して板状に成型された蓄光面材と、を有し、前記発光手段が発する光を前記蓄光面材で蓄光して前記撮像手段側に蛍光を発するので、蓄光面材の発する蛍光をターゲットとして撮像しているため、夜間の撮像でもターゲットの周囲との輝度の差（コントラスト）が大きくなりすぎず、露出制御を撮像手段による自動制御としても露出オーバーとならず計測精度を確保することができる。また、昼間の撮像でも天候による太陽光の光量の変動や影の有無に拘らずターゲットを認識することができる。よって、屋外において昼夜に亘って連続的に変位計測が可能であり、画像解析する際のターゲットの位置を誤認識するおそれが少なく計測誤差を少なくすることができる。さらに、雨天などの悪天候が連続した場合であっても、発光手段を発光させるだけで蓄光面材に蓄光できるため、天候に左右されずに連続的に変位を計測することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記ケースは、前記撮像手段側に円形の穴が形成され、前記蓄光面材は、該穴の内側に取り付けられており、前記ケースで前記穴以外の部分を遮光することで前記蓄光面材から前記撮像手段側に円形状に蛍光を発するので、前記作用効果に加え、ターゲットの発光部分が円形となるため、ターゲットの傾きや角度の相違に関係なく、撮像手段で撮像した画像におけるある水平線上で輝度が変化する点を結んだ線分を２等分する垂線と、ある鉛直線上で輝度が変化する点を結んだ線分を２等分する垂線と、の交点がターゲットの図心となるので、解析手段による画像からターゲットの位置を割り出す解析や計算が簡単でプログラム実行上も短時間で実行できると共に、計測誤差をさらに少なくすることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記蓄光面材の光透過性物質は、光透過性の無機質粒子であり、前記蓄光面材は、前記発光手段が発する光を透過可能となっているので、前記作用効果に加え、安価な無機質粒子で光透過性を担保しているため、コスト削減を図ることができると共に、何らかのアクシデントにより蓄光面材の発光輝度が不足する事態が生じた場合であっても、発光手段を点灯させることによりターゲットの発光輝度を上げて適正輝度とすることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の自己発光型ターゲットにおいて、前記発光手段は、紫外線を放射するＬＥＤであり、前記蓄光面材は、紫外線を吸収して可視光として放出する蓄光性蛍光体を含有しているので、前記作用効果に加え、必要な時間だけ消費電力の少ないＬＥＤにより発光させているため、必要電力を省力化することができると共に、紫外線を吸収して可視光として放出する蓄光性蛍光体は、蓄光時間が他の蓄光性の蛍光材と比べて長いため、蓄光面材が一定輝度以上発光している時間を長くとることができる。よって、さらなる必要電力の省力化を図ることができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の自己発光型ターゲットと、この自己発光型ターゲットを撮像する撮像手段と、この撮像手段で撮像した画像を解析して自己発光型ターゲットの位置を割り出す解析手段と、を備えて前記自己発光型ターゲットの変位から計測対象物の変位を計測するので、変位計測システムにおいて、前記作用効果を発揮することができる。
【００２０】
請求項６に記載の変位計測システムによれば、請求項５に記載の変位計測システムにおいて、不動の構造物に取り付けられた６個以上の不動点ターゲットを有し、前記解析手段は、前記撮像した画像と測量により実測した前記不動点ターゲットの三次元座標とに基づいて、前記撮像手段の位置ズレを確認すると共に、その位置ズレ量を算出して得た位置ズレ量を基に計測した計測対象物の変位を補正するので、前記作用効果に加え、さらに精度よく計測対象物の変位を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る変位計測システムの概略構成を示す構成説明図である。
【図２】本発明の実施例に係る自己発光型ターゲットの概略構成を示す鉛直断面図である。
【図３】図２の自己発光型ターゲットの概略構成を示す透視斜視図である。
【図４】実施例に係る不動点ターゲットの正面図である。（ａ）は、実施例１に係る不動点ターゲット、（ｂ）は、実施例２に係る不動点ターゲットを示す。
【図５】変位計測システムにおいて計測条件を設定する際のフローチャートである。
【図６】変位計測システムにおいてカメラ条件を設定する際のフローチャートである。
【図７】変位計測システムで変位計測する際のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
この発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２３】
先ず、本発明の実施の形態に係る変位計測システム及び自己発光型ターゲットについて、図１〜図４を用い、計測対象物が軌道（レール）であり、この軌道の側面（レールのウェブ）に実施例に係るターゲットを複数個取り付けて、軌道の変位を計測する場合で説明する。
【００２４】
［変位計測システム］
本発明の実施の形態に係る変位計測システム１は、計測対象物である軌道の側面に取り付けられる複数の計測用ターゲット２と、計測対象物とは支持地盤が連続しないような工事による影響が少ない範囲に建てられた不動の構造物に取り付けられる複数の不動点ターゲット２’と、これらの計測用ターゲット２及び不動点ターゲット２’を同時に撮像する撮像手段であるカメラ３と、このカメラ３で撮像した画像を解析してターゲット２の位置を割り出す解析手段であるＰＣ（パーソナルコンピュータ）４と、カメラ３で撮像した画像を記憶する外部記憶手段である外付けハードディスク５など、から構成されている。
【実施例】
【００２５】
（計測用ターゲット）
先ず、図２、図３を用いて、本発明の実施例に係る自己発光型ターゲットである計測用ターゲットを説明する。図示するように、計測用ターゲット２は、ケース２０と、発光手段２１と、蓄光面材２２と、を有し、発光手段２１が発する光を蓄光面材２２で蓄光して図２で示す撮像手段側に円形状に蛍光（燐光）を発する内照式の自己発光型ターゲットである。この計測用ターゲット２は、レールを支持する枕木に取り付けるなど、レールに直接取り付けられていなくても構わない。要するに、支持地盤が沈下したりズレたりした場合にレールと一緒に移動するものに直接又は間接的に取り付けられていればよい。
【００２６】
ケース２０は、前面側である撮像手段側に円形状に開口した円形開口２０ａを有する概略箱形のケースであり、このケース２０の背面（撮像手段から遠い面）側内部に発光手段２１が取り付けられている。
【００２７】
この発光手段２１は、紫外線（波長が可視光線より短くＸ線より長い１０〜４００ｎｍ程度のものを指す。但し、後述の蓄光性蛍光体を効率よく発光させる観点からは、波長が３６０ｎｍをピークとする近紫外線が最適である。以下同じ）を放射する円弧状に配列された複数のＬＥＤ２１ａと、その基盤２１ｂと、から主に構成され、図示しない電源に電気的に接続されている。勿論、発光手段２１は、発光機能を有していればＬＥＤに限定されるものではなく、有機ＥＬ（Organic Electro−Luminescence）や蛍光灯、白熱球などの既知の発光手段を用いることができる。しかし、後述の蓄光面材に効率的に蓄光する観点からは、発光手段は、紫外線を照射するＬＥＤが好ましい。
【００２８】
また、ケース２０の前面（撮像手段から近い面）側であって円形開口２０ａの内側には、蓄光面材２２が取り付けられおり、ケース２０で蓄光面材２２の円形開口２０ａ以外の部分を遮光することで蓄光面材２２の発する蛍光の光路が円形状となるようになっている。この蓄光面材２２は、バインダー樹脂（マトリクス樹脂）を基体として、蓄光性蛍光体と光透過性物質とを含有して板状に成型されている。
【００２９】
バインダー樹脂としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のメタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂等の各種の光透過性の樹脂を使用することができる。
【００３０】
また、蓄光性蛍光体としては、一般的な蓄光性蛍光体であれば適用可能であるが、例えば、フルオレセイン、ローダミン、エオシン、ピラミジン、ナフタルイミド、ペリレン等の有機蛍光染料に、アルミン酸ストロンチウム等に重金属やユーロピウム等の希土類酸化物等を活性化剤として添加したものを、蓄光体として加えたものを使用することができる。本実施例では、紫外線を吸収して可視光として後述の撮影計測に必要な所望の一定輝度以上の蛍光（燐光）を長時間（２４時間以上が好ましい）に亘り発光可能な蓄光性蛍光体が用いられている。
【００３１】
光透過性物質としては、光透過性の無機質粒子（例えば、石英系天然石の粉砕品やガラス粉、水酸化アルミニウム等の透明色の無機質粒子）が好ましく、その粒径が１８０μｍ〜９．５ｍｍの細粒成分と１８０μｍアンダーの微粒成分とによって構成されることが更に好ましい。勿論、この無機質粒子は、光を透過する透明色であれば、有彩色であっても構わない。
【００３２】
以上のような実施例に係る自己発光型ターゲットである計測用ターゲット２によれば、人工照明であるＬＥＤ２１ａを適宜点灯することでいつでも蓄光面材２２に蓄光可能となっているので、長期に亘って天候が悪い場合であっても、蓄光面材２２の発する光が一定輝度を下回ることがなく、発光量（輝度）のバラツキを少なくすることができる。また、蓄光面材２２は、ケース２０の前面側に取り付けられているので、太陽光線中の紫外線を吸収して蓄光することができ、晴天時にはＬＥＤ２１ａを発光させずとも昼間に蓄光面材２２で蓄光して夜間の発光が可能である。よって、曇天時や雨天時が続いた必要な時だけＬＥＤ２１ａを点灯させればよく、必要最小限の電力で計測用ターゲット２を発光させることができ、電力の省力化を図ることができる。
【００３３】
また、蓄光面材２２は、安価な光透過性の無機質粒子を含有しており、ＬＥＤ２１ａが発する光を透過可能となっているので、コストを削減できると共に、何らかのアクシデントにより蓄光面材２２の蓄光量が不足して発光輝度が不足する事態が生じた場合であっても、ＬＥＤ２１ａを点灯させることによりターゲットの発光輝度を上げて適正輝度とすることができる。
【００３４】
（不動点ターゲット）
次に、不動点ターゲットについて図４を用いて説明する。
本実施の形態に係る不動点ターゲット２’は、図示（ａ）（ｂ）に示すように、（ａ）実施例１：白黒の正方形を市松模様に組み合わせたり、（ｂ）実施例２：四角錐台を白黒に塗り分けたりした一般的な反射チェッカーからなる従来の反射型ターゲットであり、複数個設置されるが、特に、反射チェッカー面を照らす照明等は設けていない。この不動点ターゲット２’は、後述のように、設置した不動点ターゲット２’の中心点を測量し、この測量により実測した三次元座標と、不動点ターゲット２’を撮影して得られた基準画像から算出する不動点ターゲット２’の中心点の二次元座標と、に基づいて後述の撮像手段であるカメラ３の位置確認とその補正を行う目的で設置されているものであり、晴天時や曇天時の昼間に撮像（撮影）しておけばよく、夜間に撮像する必要性が乏しいからである。また、カメラ３の位置ズレを無視すれば、計測用ターゲット２の工事前（変位計測前）の中心点を測量しておき、その実測した三次元座標を利用することで不動点ターゲット２’を省略することも可能である。
【００３５】
しかし、現実問題として寒暖や直射日光による部材間の熱膨張の差などを勘案すると屋外に設置されるカメラ３の位置ズレは不可避であり、測定精度を向上させるためには、後述のように、撮影・計測毎にカメラ３の位置ズレを確認してそのズレから計測した変位の補正を行うことが望ましい。
なお、不動点ターゲット２’の設置個所は、６箇所以上あれば足り、計測精度を増すためには多く設置した方が好ましく、本実施の形態では９箇所設置されている。
また、この不動点ターゲット２’は、従来の反射型ターゲットではなく、前述の計測用ターゲット２と同様に、内照式の自己発光型ターゲットとしても構わない。
【００３６】
（撮像手段）
次に、撮像手段について説明する（図１参照）。
本実施の形態に係る撮像手段（図１参照）は、一般的なデジタルカメラであり、後述のＰＣ４とＵＳＢケーブルなどで接続されており、そのＰＣにインストールされたプログラムの指令により所定時間に撮影可能で、且つ、シャッタースピードや絞りなどの露出制御を自動で行うことができる、いわゆるオートモードの撮影が可能であれば使用することができる。また、ムービーなどの動画を撮影するカメラであっても構わない。
【００３７】
（解析手段）
次に、解析手段について説明する（図１参照）。
本実施の形態に係る解析手段であるＰＣ４は、一般的な市販のパーソナルコンピュータであり、インストールされた変位計測プログラムにより後述のように動作する解析手段としての機能を有している。
また、このＰＣ４は、前述のカメラ３と、後述の外部記憶手段である外付けハードディスク５とに、ＵＳＢケーブルなどの有線又は無線ＬＡＮで双方向通信可能に接続され、これらのカメラ３及び外付けハードディスク５の動作を制御する制御手段としての機能も有している。
【００３８】
（外部記憶手段）
次に、外部記憶手段について説明する（図１参照）。
本実施の形態に係る外部記憶手段である外付けハードディスク５は、一般的な市販の外付けハードディスクであり、前述のカメラ３で撮影した画像を逐次蓄積して記憶する機能を有している。なお、この外付けハードディスク５は、ＰＣ４内に備えられているＨＤＤ（ハードディスクドライブ）などの内部記憶手段で容量が足りる場合設けなくてもよい。
また、ＰＣ４にプリンタを接続してカメラ３で撮影した画像や計測結果を印刷可能としてもよい。
【００３９】
［変位計測システムの動作］
次に、前述の変位計測システム１の動作について、図１、図５〜図７を用いて説明する。
前述の変位計測システム１で変位を計測するには、事前準備として計測条件の設定と、カメラ条件の設定を行う必要がある。
【００４０】
（計測条件の設定）
計測条件の設定は、図５に示すフローチャートに沿って設定する。
（１）キャリブレーション設定
このキャリブレーション設定では、標準パターンを撮影した画像を基にカメラ３で撮影した画像の色調や輝度等を校正（キャリブレーション）する。
【００４１】
（２）標定処理
この標定処理では、前述の不動点ターゲット２’を撮影して得られた基準画像から算出する不動点ターゲット２’の中心点の二次元座標と、不動点ターゲット２’の中心点を実際に測量して得られた三次元座標と、を比較して標定を行う。
【００４２】
（３）相関窓設定
この相関窓設定では、立体を撮影した画像から３次元座標を求める際に使用する、基準画像と撮影した画像の両画像から取り出した小領域（相関窓）において画像相関法により一致を調べる範囲（サイズ）を設定する。相関窓サイズが１５×１５の場合、ＰＣ４のキーボードから１５と入力して設定する。
【００４３】
（４）計測範囲設定
この計測範囲設定では、計測用ターゲット２及び不動点ターゲット２’の変位計測を行う範囲を設定する。この計測範囲はカメラ３の画素単位であり、縦横２０画素の範囲を計測する場合はＰＣ４のキーボードから２０と入力して設定する。
【００４４】
（カメラ条件の設定）
カメラ条件の設定は、図６に示すフローチャートに沿って設定する。
（１）カメラの初期化
このカメラの初期化では、ＰＣ４を通じてカメラ３が撮影可能な状態となるように初期化される。
【００４５】
（２）撮影条件設定
この撮影条件設定では、オート撮影かマニュアル撮影かを選択する。オート撮影とは、カメラ３のシャッタースピード及び絞りをカメラ自身の自動制御で撮影するモードであり、マニュアル撮影とは、シャッタースピード及び絞りの数値を指定して撮影するモードである。ここでマニュアル撮影を選択した場合、更にシャッタースピード及び絞りの数値を入力して設定する必要がある。
【００４６】
（３）感度設定
この感度設定では、カメラ３の撮像素子のＩＳＯ感度を２００〜１０００の間で設定する。
【００４７】
（４）撮影間隔設定
この撮影間隔設定では、変位計測の計測開始時刻、計測終了時刻を設定し、その計測開始から計測終了までの間は、所定のインターバル（時間）を置いて繰り返し撮影するので、そのインターバル時間を（秒）単位で設定する。
【００４８】
（変位計測）
以上の計測条件の設定及びカメラ条件の設定に従ってターゲットの変位計測を行う。この変位計測は、図７のフローチャートに従って行われる。
（１）撮影
ステップ１では、ＰＣ４の撮影指示に従ってカメラ３で全ての計測用ターゲット２及び不動点ターゲット２’を含む画像を撮影する。
【００４９】
（２）画像送信
ステップ２では、撮影した画像がカメラ３からＰＣ４へ送信される。
【００５０】
（３）カメラの位置確認
ステップ３では、ＰＣ４へ送信された画像を解析手段であるＰＣ４で解析し、ＰＣ４において、撮影した画像から得られる９つの（少なくとも６つの）不動点ターゲット２’の中心位置が求められ、求められた二次元座標と、前述の測量により実測した不動点ターゲット２’及びカメラ３の三次元座標と、に基づいて、カメラ３の設置位置が当初とズレているか否かが判定されると共に、ズレている場合はその位置ズレ量が算出される。
【００５１】
（４）変位算出
ステップ４では、ＰＣ４へ送信された画像から計測用ターゲット２の中心位置が求められ、そこから三次元座標が算出されて、基準画像又は前回の撮影画像から求めた計測用ターゲットの座標との差から計測用ターゲット２の変位が算出される。
【００５２】
具体的には、前述の計測範囲設定で定めた計測範囲をテンプレートマッチングにより１画素ずつ基準画像と撮影画像との相関係数を求めていき、両画像の相関が最も高い領域を求めて、その図心（中心）を算出することで計測用ターゲット２の三次元座標を算出している。
【００５３】
ここで、相関係数とは、基準画像と撮影画像との二次元的な輝度分布の類似性を示す統計学的指標であり、相関係数が１となった場合は、両画像の輝度分布が完全に一致したことを示すものである。また、ステップ３でカメラ３の位置ズレ量が算出された場合には、その位置ズレ量に基づいて算出された計測用ターゲット２の変位を補正する。
【００５４】
（５）計測結果の検証
ステップ５では、ステップ４で算出した相関係数が全ての計測個所で０．８以上となった場合、「計測成功」と判断し、相関係数が１つの計測個所でも０．８未満となった場合には、「計測失敗」と判断する。「計測成功」の場合は、次のステップ６に進み、「計測失敗」の場合は、ステップ８、９を経由して計測結果の表示・保存を行ったうえ、前述の撮影間隔設定で設定したインターバル時間を無視して１分後にステップ１に戻って再撮影・再計測を行う。
【００５５】
（６）計測結果の表示
ステップ６では、ＰＣ４で解析・算出した計測結果のデータを、撮影年月日、撮影時刻、時間のズレ量（カメラ時刻−パソコン時刻、単位は秒）、データ件数、１つ目の計測用ターゲットの縦変位、その横変位、その相関係数、２つ目の計測用ターゲットの縦変位、その横変位、その相関係数、・・・の順に撮影画像と共に、ＰＣ４のモニター（表示装置）に出力、及び／又はプリンタでプリントアウトする。
【００５６】
（７）撮影画像及び計測結果の保存
ステップ７では、撮影画像及び計測結果を外付けハードディスク５に記憶させて保存し、蓄積し、一旦計測を終了する。そして、前述の撮影間隔設定で設定したインターバル時間が経過すると、ステップ１から撮影・計測を再開する。
【００５７】
ステップ８では、ステップ６と同様にＰＣ４で解析・算出した計測結果を表示するが、「計測失敗」が一目でそれが分かるように数値の前に「＃」などのマークを表示するようにする。ステップ９では、ステップ７と同様に撮影画像及び計測結果を外付けハードディスク５に保存する。
【００５８】
なお、計測結果が２回連続して「計測失敗」と判断された場合には、登録しておいたメールアドレスに撮影画像と計測結果と共に警報を送信するようにすると好ましい。このとき、同時にＰＣ４が設置されている場所や工事事務所等でパトランプを回したり警報音を発するようにしたりしてもよい。また、計測結果のいずれかの変位が許容値を超えた場合に警報を発するようにしてもよい。
【００５９】
さらに、ステップ６やステップ８において計測結果のデータや撮影画像をＰＣ４のモニターに表示する際に、インターネットや有線又は無線ＬＡＮを介してＰＣ４が設置されている場所から離れた工事事務所などに設置されたＰＣにおいて常時閲覧できるようにしてもよい。このとき、常時閲覧できる計測結果は、最新のものとし、指定すれば過去の計測結果のデータも閲覧できるようにすることが好ましい。
【００６０】
以上説明した本発明の実施の形態に係る変位計測システム１よれば、蓄光面材２２の発する蛍光をターゲットとして撮影しているため、夜間の撮影でもターゲットの周囲との輝度の差（コントラスト）が大きくなりすぎず、シャッタースピードや絞りなどの露出関連の設定をデジタルカメラ３による「オート撮影」モードとして撮影しても露出オーバーとならず計測精度を確保することができ、シャッタースピードや絞りを設定したり、変更したりする手間が省ける。また、昼間の撮影でも天候による太陽光の光量の変動や影の有無に拘らずターゲットを認識することができる。よって、屋外において昼夜に亘って連続的に変位計測が可能であり、画像解析する際のターゲットの位置を誤認識するおそれが少なく計測誤差を少なくすることができる。さらに、雨天などの悪天候が連続した場合であっても、発光手段であるＬＥＤ２１ａを発光させるだけで蓄光面材２２に蓄光できるため、天候に左右されずに連続的に変位を計測することができる。
【００６１】
そのうえ、計測用ターゲット２の発光部分である蓄光面材２２が、ケース２０の円形開口２０ａの周りで遮光されて、その光路が円形となるため、計測用ターゲット２の個々の設置の際に生じる傾きや角度の相違に関係なく、撮影した画像における前述の基準画像との相関が最も高い領域と、ある水平線との２つの交点を結んだ線分を２等分する垂線と、前記領域とある鉛直線との２つの交点を結んだ線分を２等分する垂線と、の交点がターゲットの図心となるので、解析手段であるＰＣ４によるターゲットの座標位置を割り出す解析や計算が簡単でプログラム実行上も短時間で実行できると共に、計測誤差をさらに少なくすることができる。
【００６２】
以上のように、本発明の一実施の形態に係る変位計測システムを、計測対象物が軌道（レール）であり、この軌道の側面に実施例に係るターゲットを複数個取り付けて、軌道の変位を計測する場合で説明したが、勿論、計測対象物は軌道に限られず、他の構造物にも適用可能であることは云うまでもない。
【００６３】
また、実施の形態として説明した撮像手段、解析手段、外部記憶手段等も既知の他の手段と適宜変更可能である。特に、解析手段として基準画像と撮影画像との二次元的な輝度分布の類似性示す相関係数から撮影画像におけるターゲットの中心点を割り出すプログラムを実行するＰＣを例に挙げて説明したが、このようなプログラムを実行するＰＣに限られず、撮影したターゲットの画像からターゲットの位置変動を計測できるようプログラムされたコンピュータであれば適用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１ 変位計測システム
２ 計測用ターゲット（自己発光型ターゲット）
２’ 不動点ターゲット
２０ ケース
２１ 発光手段
２１ａ ＬＥＤ
２２ 蓄光面材
３ デジタルカメラ（撮像手段）
４ ＰＣ（解析手段）
５ 外付けハードディスク（外部記憶手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像手段で撮像した画像を解析手段で解析することにより計測対象物の変位計測を行う変位計測システムに用いられ、計測対象物に取り付けられて自ら発光する変位計測用の自己発光型ターゲットであって、
ケースと、このケースの前記撮像手段から遠い背面側内部に取り付けられて発光する発光手段と、前記ケースの前記撮像手段から近い前面側内部に取り付けられ、蓄光性蛍光体と光透過性物質とを含有して板状に成型された蓄光面材と、を有し、前記発光手段が発する光を前記蓄光面材で蓄光して前記撮像手段側に蛍光を発することを特徴とする自己発光型ターゲット。
【請求項２】
前記ケースは、前記撮像手段側に円形の穴が形成され、前記蓄光面材は、該穴の内側に取り付けられており、前記ケースで前記穴以外の部分を遮光することで前記蓄光面材から前記撮像手段側に円形状に蛍光を発することを特徴とする請求項１に記載の自己発光型ターゲット。
【請求項３】
前記蓄光面材の光透過性物質は、光透過性の無機質粒子であり、前記蓄光面材は、前記発光手段が発する光を透過可能となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自己発光型ターゲット。
【請求項４】
前記発光手段は、紫外線を放射するＬＥＤであり、前記蓄光面材は、紫外線を吸収して可視光として放出する蓄光性蛍光体を含有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の自己発光型ターゲット。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の自己発光型ターゲットと、この自己発光型ターゲットを撮像する撮像手段と、この撮像手段で撮像した画像を解析して自己発光型ターゲットの位置を割り出す解析手段と、を備えて前記自己発光型ターゲットの変位から計測対象物の変位を計測することを特徴とする変位計測システム。
【請求項６】
不動の構造物に取り付けられた６個以上の不動点ターゲットを有し、
前記解析手段は、前記撮像した画像と測量により実測した前記不動点ターゲットの三次元座標とに基づいて、前記撮像手段の位置ズレを確認すると共に、その位置ズレ量を算出して得た位置ズレ量を基に計測した計測対象物の変位を補正することを特徴とする請求項５に記載の変位計測システム。
【請求項１】
撮像手段で撮像した画像を解析手段で解析することにより計測対象物の変位計測を行う変位計測システムに用いられ、計測対象物に取り付けられて自ら発光する変位計測用の自己発光型ターゲットであって、
ケースと、このケースの前記撮像手段から遠い背面側内部に取り付けられて発光する発光手段と、前記ケースの前記撮像手段から近い前面側内部に取り付けられ、蓄光性蛍光体と光透過性物質とを含有して板状に成型された蓄光面材と、を有し、前記発光手段が発する光を前記蓄光面材で蓄光して前記撮像手段側に蛍光を発することを特徴とする自己発光型ターゲット。
【請求項２】
前記ケースは、前記撮像手段側に円形の穴が形成され、前記蓄光面材は、該穴の内側に取り付けられており、前記ケースで前記穴以外の部分を遮光することで前記蓄光面材から前記撮像手段側に円形状に蛍光を発することを特徴とする請求項１に記載の自己発光型ターゲット。
【請求項３】
前記蓄光面材の光透過性物質は、光透過性の無機質粒子であり、前記蓄光面材は、前記発光手段が発する光を透過可能となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自己発光型ターゲット。
【請求項４】
前記発光手段は、紫外線を放射するＬＥＤであり、前記蓄光面材は、紫外線を吸収して可視光として放出する蓄光性蛍光体を含有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の自己発光型ターゲット。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の自己発光型ターゲットと、この自己発光型ターゲットを撮像する撮像手段と、この撮像手段で撮像した画像を解析して自己発光型ターゲットの位置を割り出す解析手段と、を備えて前記自己発光型ターゲットの変位から計測対象物の変位を計測することを特徴とする変位計測システム。
【請求項６】
不動の構造物に取り付けられた６個以上の不動点ターゲットを有し、
前記解析手段は、前記撮像した画像と測量により実測した前記不動点ターゲットの三次元座標とに基づいて、前記撮像手段の位置ズレを確認すると共に、その位置ズレ量を算出して得た位置ズレ量を基に計測した計測対象物の変位を補正することを特徴とする請求項５に記載の変位計測システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１７３０２７（Ｐ２０１２−１７３０２７Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３２８８４（Ｐ２０１１−３２８８４）
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【出願人】（０００２２１６１６）東日本旅客鉄道株式会社 (833)
【出願人】（０００２１６０２５）鉄建建設株式会社 (109)
【出願人】（５９４１４４９８０）株式会社東京計測 (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【出願人】（０００２２１６１６）東日本旅客鉄道株式会社 (833)
【出願人】（０００２１６０２５）鉄建建設株式会社 (109)
【出願人】（５９４１４４９８０）株式会社東京計測 (12)
【Ｆターム（参考）】
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