JP2019128175A - トンネル壁面検査装置及びトンネル壁面検査プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】トンネルの壁面の変状箇所を容易に把握することができるトンネル壁面検査装置及びトンネル壁面検査プログラムを提供する。【解決手段】赤外線画像取得装置１０が、トンネルの長手方向に一定距離移動する毎に赤外線熱画像を取得し、レーザ点群取得装置１２が一定周期でレーザ点群を取得し、制御装置１６は、トンネルの天井に、その長手方向に沿って設定された基準線と、上記レーザ点群に基づいて赤外線熱画像の画素に設定された３次元座標とに基づき、トンネルの長手方向に直交する方向において基準線と赤外線熱画像の各画素とのトンネル壁面に沿った第１の距離、及びトンネル内に設定された座標原点と赤外線熱画像の各画素とのトンネルの長手方向における第２の距離を求め、これらに基づいて赤外線画像を２次元平面に展開する。【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル壁面検査装置及びトンネル壁面検査プログラムに関する。

従来、トンネルの壁面のひび割れ、剥落等の変状箇所の検査を容易に行うための技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、トンネルのコンクリート覆工面を洗浄し、前記洗浄された覆工面を熱乾燥して、前記熱乾燥された覆工面を赤外線カメラで撮影して、前記覆工面の損傷を検出することを特徴とするトンネル覆工面の損傷検出方法が開示されている。

特許文献１の技術では、赤外線画像と、これと同時に撮影したデジタル画像とを重ね合わせることにより、赤外線画像上のひび割れの画像部分とデジタル画像上のひび割れの画像部分とが重なり、画像上で覆工面上のひび割れの大きさ、形および位置を正確に特定し、検出することができるとされている。

特開２００２−２６７４３２号公報

しかし、上記従来の技術では、ひび割れ等の変状箇所を特定するための工程が煩雑であるという問題があった。

本発明は、トンネルの壁面の変状箇所を容易に把握することができるトンネル壁面検査装置及びトンネル壁面検査プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、トンネル壁面検査装置であって、トンネルの壁面の赤外線熱画像を、トンネルの長手方向に一定距離移動する毎に取得する赤外線画像取得手段と、前記トンネルの壁面の３次元座標を設定するためのレーザ点群を一定の周期で取得するレーザ点群取得手段と、前記赤外線画像取得手段とレーザ点群取得手段の前記トンネルの長手方向における移動距離を計測する距離計測手段と、前記距離計測手段が計測した距離が一定値に達する毎に前記赤外線画像取得手段に赤外線熱画像の取得を指示する第１の取得指示信号を発生し、前記レーザ点群取得手段に一定周期でレーザ点群の取得を指示する第２の取得指示信号を発生する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記トンネルの天井に、前記トンネルの長手方向に沿って基準線を設定し、前記レーザ点群に基づいて前記赤外線熱画像の画素に３次元座標を設定し、前記トンネルの長手方向に直交する方向において前記基準線と前記赤外線熱画像の各画素とのトンネル壁面に沿った第１の距離、及び前記トンネル内に設定された座標原点と前記赤外線熱画像の各画素との前記トンネルの長手方向における第２の距離に基づき、前記赤外線画像を２次元平面に展開する、ことを特徴とする。

上記制御手段は、前記赤外線画像取得手段が取得したトンネルの壁面の赤外線熱画像を受け付ける赤外線画像受付手段と、前記レーザ点群取得手段が一定の周期で取得したレーザ点群を受け付けるレーザ点群受付手段と、前記レーザ点群に基づいて前記赤外線熱画像の画素に３次元座標を設定する座標情報設定手段と、トンネルの天井に、前記トンネルの長手方向に沿って基準線を設定する基準線設定手段と、前記赤外線熱画像の画素に設定された３次元座標に基づき、前記トンネルの長手方向に直交する方向において前記基準線と前記赤外線熱画像の各画素とのトンネル壁面に沿った第１の距離、及び前記トンネル内に設定された座標原点と前記赤外線熱画像の各画素との前記トンネルの長手方向における第２の距離を演算する距離演算手段と、前記第１の距離及び第２の距離に基づき、前記赤外線熱画像を２次元平面に展開する画像展開手段と、を備えるのが好適である。

また、上記第２の距離は、トンネル内に設定された座標既知点と前記赤外線熱画像の各画素との前記トンネルの長手方向における距離であるのが好適である。

また、上記座標既知点は、トンネル内に設置された距離標であるのが好適である。

また、上記基準線は、トンネルに設けられたハンチと天井との交線から予め定めた距離の線であるのが好適である。

また、本発明の他の実施形態は、トンネル壁面検査プログラムであって、コンピュータを、赤外線画像取得手段が取得したトンネルの壁面の赤外線熱画像を受け付ける赤外線画像受付手段、レーザ点群取得手段が一定の周期で取得したレーザ点群を受け付けるレーザ点群受付手段、前記レーザ点群に基づいて前記赤外線熱画像の画素に３次元座標を設定する座標情報設定手段、トンネルの天井に、前記トンネルの長手方向に沿って基準線を設定する基準線設定手段、前記赤外線熱画像の画素に設定された３次元座標に基づき、前記トンネルの長手方向に直交する方向において前記基準線と前記赤外線熱画像の各画素とのトンネル壁面に沿った第１の距離、及び前記トンネル内に設定された座標原点と前記赤外線熱画像の各画素との前記トンネルの長手方向における第２の距離を演算する距離演算手段、前記第１の距離及び第２の距離に基づき、前記赤外線熱画像を２次元平面に展開する画像展開手段、として機能させることを特徴とする。

また、上記第２の距離は、トンネル内に設定された座標既知点と前記赤外線熱画像の各画素との前記トンネルの長手方向における距離であるのが好適である。

本発明によれば、トンネルの壁面の変状箇所を容易に把握することができる。

実施形態にかかるトンネル壁面検査装置の構成例を示す図である。 実施形態にかかる制御装置の構成例のブロック図である。 実施形態にかかる赤外線画像取得装置及びレーザ点群取得装置の位置関係を決定するためのキャリブレーション処理の説明図である。 実施形態にかかる座標情報設定部が赤外線熱画像の画素に３次元座標を設定する方法の説明図である。 実施形態にかかる基準線設定部による基準線の設定方法及び画像展開部による赤外線熱画像の２次元平面への展開方法の説明図である。 実施形態にかかる制御装置の動作例のフロー図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、実施形態にかかるトンネル壁面検査装置の構成例が示される。図１において、トンネル壁面検査装置は、赤外線画像取得装置１０、レーザ点群取得装置１２、距離計測手段１４、制御装置１６、及びこれらを予め決定された位置に固定する架台１８を含んで構成されている。なお、赤外線画像取得装置１０及びレーザ点群取得装置１２は、相互の位置関係が予めわかった状態（予め決定された位置）で架台１８に固定する必要があるが、制御装置１６は必ずしも架台１８に固定する必要はなく、架台１８上に設置されていればよい。また、架台１８には車輪２０が設置されており、トンネル壁面検査装置をトンネルの長手方向に移動できるように構成されている。なお、車輪２０は、検査対象のトンネルが鉄道用である場合には、線路上を走行できる形状とし、車道用の場合には、車道上を走行できる形状とする。

上記赤外線画像取得装置１０及びレーザ点群取得装置１２の位置関係については、これらを架台１８に固定した後にキャリブレーション処理を行い、精密な設置位置と姿勢（向き）を算出して位置関係を決定しておくのが好適である。キャリブレーション処理については後述する。

赤外線画像取得装置１０は、赤外線サーモグラフィカメラ等で構成され、トンネルの壁面の赤外線熱画像Ｉｐを撮影して取得する。赤外線熱画像Ｉｐの撮影は、トンネルの長手方向に一定距離移動する毎に制御装置１６が発生する、赤外線熱画像Ｉｐの取得を指示する第１の取得指示信号を受け付けて行われる。この結果、赤外線熱画像Ｉｐの撮影は、トンネルの長手方向に上記一定距離移動する毎に行われることになる。なお、上記取得された赤外線熱画像Ｉｐに対しては、使用された赤外線サーモグラフィカメラのレンズ由来の画像歪みを補正するのが好適である。

画像歪みの補正は、赤外線画像取得装置１０を構成する赤外線サーモグラフィカメラ（以後、カメラということがある）の内部標定要素（主点の位置ずれ、焦点距離、放射方向歪み、接線方向歪み等のパラメータ）を算出し、歪みのある赤外線熱画像が正しい撮像位置に投影されるよう補正することをいう。一般に、内部標定要素は、撮影前または撮影後にカメラキャリブレーション用のターゲット等を用いて画像の撮影を行い、セルフキャリブレーション付きバンドルブロック調整法等の公知の手法を用いて算出する。得られた内部標定要素（パラメータ）により画像中の各画素の位置を再配置する。

なお、図１の例では、赤外線熱画像をトンネル壁面にＩｐとして表示しているが、これは、赤外線画像取得装置１０が取得した赤外線熱画像自体を表し、壁面を表しているものではない。ただし、当該赤外線熱画像はＩｐで表される領域の画像となっている。

レーザ点群取得装置１２は、ラインレーザスキャナ等で構成され、トンネルの壁面の３次元座標を設定するためのレーザ点群を取得する。なお、レーザ点群を取得するトンネルの壁面には、トンネルの側壁及び天井を含む。図１の例では、レーザ点群がＲで示されている。ここで、レーザ点群取得装置１２がレーザ点群を取得するとは、レーザ点群を構成する各レーザ点について後述するレーザスキャナ座標系の原点からトンネルの壁面までの距離と角度の情報を取得し出力する処理をいう。

上記レーザ点群の取得は、制御装置１６が一定周期で発生する、レーザ点群の取得を指示する第２の取得指示信号を受け付けて行われる。この結果、レーザ点群の取得が一定の周期で行われる。なお、この場合の第２の取得指示信号は、トンネルの長手方向に一定距離移動する毎に制御装置１６が発生する上記第１の取得指示信号としてもよい。

距離計測手段１４は、適宜な距離計により構成されており、車輪２０の半径と回転数とから架台１８の移動距離を計測する。

制御装置１６は、適宜なコンピュータで構成されている。詳細は後述する。

図２には、制御装置１６の構成例のブロック図が示される。図２において、制御装置１６は、取得信号発生部２２、赤外線画像受付部２４、レーザ点群受付部２６、座標情報設定部２８、基準線設定部３０、距離演算部３２、画像展開部３４、通信部３６、記憶部３８及びＣＰＵ４０を含んで構成されている。なお、ＣＰＵ４０以外にＧＰＵを用いてもよい。この制御装置１６は、ＣＰＵ４０、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ、Ｉ／Ｏ、通信インターフェース等を備え、装置全体の制御及び各種演算を行うコンピュータとして構成されており、上記各機能は、例えばＣＰＵ４０とＣＰＵ４０の処理動作を制御するプログラムとにより実現される。

取得信号発生部２２は、赤外線画像取得装置１０による赤外線熱画像の取得を指示する第１の取得指示信号及びレーザ点群取得装置１２によるレーザ点群の取得を指示する第２の取得指示信号を発生する。ここで、上記第１の取得指示信号は、上記トンネルの長手方向に対する架台１８の移動距離の値が所定距離に達する毎に発生する。上記所定距離としては、特に限定されないが、例えば１０〜５０ｃｍ等とするのが好適である。ここで、架台１８の移動距離は、上述したように距離計測手段１４が車輪２０の半径と回転数とから計測した値であり、取得信号発生部２２が距離計測手段１４から通信部３６を介して取得する。なお、距離計測手段１４が計測した上記移動距離の値は、通信部３６を介して一旦記憶部３８に記憶させ、取得信号発生部２２がこれを読み出して使用する構成とすることもできる。

また、上記第２の取得指示信号は、取得信号発生部２２が、予め定めた一定の周期で発生する。なお、上述したように、第２の取得指示信号の代わりに、上記第１の取得指示信号を使用してもよい。

赤外線画像受付部２４は、赤外線画像取得装置１０が、上記第１の取得指示信号に基づいて取得したトンネルの壁面の赤外線熱画像を、通信部３６を介して受け付ける。ここで、「受け付ける」とは、トンネルの壁面の赤外線熱画像のデータを、通信部３６を介して取得して記憶部３８に記憶させることをいう。

レーザ点群受付部２６は、レーザ点群取得装置１２が、上記第２の取得指示信号に基づいて取得して出力したレーザ点群を、通信部３６を介して受け付け、後述する演算により、トンネルに設定されたワールド座標系における各レーザ点の座標値を求める。受け付けたレーザ点群は、上記座標値とともにレーザ点群データとして記憶部３８に記憶させる。

座標情報設定部２８は、上記赤外線画像受付部２４が受け付けたトンネルの壁面の赤外線熱画像と、上記レーザ点群データとを記憶部３８から読み出し、レーザ点群データに基づいて赤外線熱画像の画素に３次元座標を設定する。ここで、３次元座標とは、上記ワールド座標系における座標値をいい、設定とは、赤外線熱画像の画素が表すトンネル壁面の上記ワールド座標系における座標値（３次元座標）を当該画素に関連付けることをいう。座標情報設定部２８が設定した赤外線熱画像の画素の３次元座標は、記憶部３８に記憶させる。３次元座標の設定方法の詳細は後述する。

基準線設定部３０は、トンネルの天井に、トンネルの長手方向に沿って基準線を設定する。基準線としては、例えば天井の上記長手方向に直交する方向の中心点を結んだ中心線、トンネルにハンチが設けられている場合には、ハンチと天井との交線から、上記長手方向に直交する方向に予め定めた距離離れた線等とすることができるが、これらには限定されない。上記長手方向の線であれば、適宜基準線として使用することができる。基準線設定部３０が設定した基準線（のワールド座標系における方程式または座標値）は、記憶部３８に記憶させる。基準線の設定方法は後述する。

距離演算部３２は、上記赤外線熱画像の画素に設定された３次元座標に基づき、上記トンネルの長手方向に直交する方向において、上記基準線と上記赤外線熱画像の各画素とのトンネル壁面に沿った距離である第１の距離、及びトンネル内に設定されたワールド座標系の原点と上記赤外線熱画像の各画素との上記トンネルの長手方向における第２の距離を演算する。上記第２の距離は、ワールド座標系の原点から距離計測手段１４が計測した架台１８の移動距離である。ここで、上記第１の距離及び第２の距離を演算する場合、各画素の座標値は、座標情報設定部２８が各画素に関連付けたワールド座標系における座標値（３次元座標）であり、第１の距離及び第２の距離はワールド座標系における距離である。なお、上記第２の距離は、トンネル内に適宜設定された座標既知点から距離計測手段１４が計測した架台１８の移動距離とすることもできる。上記座標既知点には、ワールド座標系における座標値が関連付けられている。ここで、上記座標既知点の位置は、利用者が指定してもよいし、座標既知点の座標値を予め記憶部３８に記憶させておいて、距離演算部３２がこの座標値を読み出す構成としてもよい。また、上記座標既知点としては、トンネル内に設置された距離標等とすることができる。

距離計測手段１４が計測する距離は、積算しつつ記憶部３８に記憶しておき、距離演算部３２がこの積算値を読み出して使用する。距離演算部３２は、距離計測手段１４が計測した座標既知点の位置からの架台１８の移動距離の積算値を上記第２の距離とすることができる。距離演算部３２が演算した第１の距離及び第２の距離は、記憶部３８に記憶させる。

画像展開部３４は、上記距離演算部３２が演算した第１の距離、第２の距離及び画素に３次元座標が設定された赤外線熱画像を記憶部３８から読み出し、これらに基づいて、上記赤外線熱画像を２次元平面に展開する。展開した２次元平面上の赤外線熱画像は、記憶部３８に記憶させる。展開方法の詳細は後述する。

なお、記憶部３８に記憶させた２次元平面上の赤外線熱画像は、液晶表示装置その他の適宜な表示装置に表示する構成とするのが好適である。

通信部３６は、適宜なインターフェースにより構成され、赤外線画像取得装置１０、レーザ点群取得装置１２及び距離計測手段１４との間でＣＰＵ４０が情報をやり取りするために使用する。

記憶部３８は、ハードディスク装置、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）等の不揮発性メモリで構成され、上記各種情報等、及びＣＰＵ４０の動作プログラム等の、制御装置１６が行う各処理に必要な情報を記憶させる。なお、記憶部３８としては、デジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、光磁気ディスク（ＭＯ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、磁気テープ、電気的消去および書き換え可能な読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュ・メモリ等を使用してもよい。また、記憶部３８には、主としてＣＰＵ４０の作業領域として機能するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及びＢＩＯＳ等の制御プログラムその他のＣＰＵ４０が使用するデータが格納される読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含めるのが好適である。

図３には、上記赤外線画像取得装置１０及びレーザ点群取得装置１２の位置関係を決定するためのキャリブレーション処理の説明図が示される。

上記キャリブレーション処理は、架台１８上に設定された任意の原点および座標系に対する赤外線画像取得装置１０の取り付け位置と姿勢（各座標軸回りの回転角）に関するパラメータ（特定の座標間における変換行列の成分）、及びレーザ点群取得装置１２の取り付け位置と姿勢に関するパラメータを算出する処理である。

一般に、座標の変換行列Ｍ（４×４の行列）（ただし、下線は、ベクトル又は行列を表す。以後も同じである。）は、下記式（１）のように表される。ただし、Ｒは姿勢（各座標軸（例えばＸ，Ｙ，Ｚの各座標軸）で右回りを正とするような回転角ω，φ，κ）から生成される３×３の回転行列であり、Ｘ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は原点に対する位置（平行移動量）である。また、Ｒは下記式（２）で示される回転行列Ｒω，Ｒφ，Ｒκの積からなる行列であり、例えば元の座標をκ，φ，ωの順に回転させて変換後の座標が算出される場合には、Ｒ＝Ｒω・Ｒφ・Ｒκとなる。変換行列Ｍの構成要素であるＲ及びＸ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、上記パラメータに相当する。

（太字は、下線と同様にベクトル又は行列を表す。以後も同じである。）

図３に示されるように、トンネル１００には、ワールド座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が設定されている。このトンネル１００内に架台１８を設置し、架台１８上に架台座標系（ｘ_ｄ，ｙ_ｄ，ｚ_ｄ）を設定する。また、架台１８上に設置された赤外線画像取得装置１０の上にカメラ座標系（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ）を、レーザ点群取得装置１２の上にレーザスキャナ座標系（ｘ_L，ｙ_L，ｚ_L）をそれぞれ設定する。なお、ワールド座標系は、Ｙ軸がトンネル１００の長手方向に設定され、Ｘ軸がトンネル１００の長手方向と直交する水平方向に設定され、Ｚ軸がトンネル１００の長手方向と直交する鉛直方向に設定されるような右手座標系によって表されている。

以上の各座標系の間の変換行列は、上記式（１）、（２）に基づいて以下のように作成することができる。

１．架台座標系をワールド座標系に変換する変換行列Ｍ _ｄ

上記変換行列Ｍ _ｄは、架台１８上に設定した原点のワールド座標系における位置をトータルステーション等の機器を用いて計測し、架台１８が水平でない（ワールド座標系に対して傾いている）場合には、傾斜計等を用いて角度（姿勢）を計測し、これらの計測結果を用いて、上記式（１）、（２）と同じ形の式としたものである。ここで、変換行列Ｍ _ｄに含まれる成分Ｒ _ｄは、ワールド座標系に対する架台１８の傾き（姿勢）に相当する回転行列であり、また、Ｘ _ｄ＝（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）は、架台１８上に設定した原点の、ワールド座標系における位置（平行移動成分）である。変換行列Ｍ _ｄによって架台座標系における点の座標値をワールド座標系における座標値に変換することができる。

２．カメラ座標系をワールド座標系に変換する変換行列Ｍ _ｃ

上記変換行列Ｍ _ｃは、内部標定要素が算出済みのカメラ（赤外線サーモグラフィカメラ）を用いて上記ワールド座標上に３点以上設置した基準点が写るように撮影し、基準点のワールド座標及び画像上でのそれらの投影位置（カメラ座標系における位置）に基づいて単写真標定処理等を行い、ワールド座標系におけるカメラの位置・姿勢（外部標定要素）を算出して上記式（１）、（２）と同じ形の式としたものである。なお、上記基準点の座標値は、トータルステーション等を用いて計測する。

ここで、変換行列Ｍ _ｃに含まれる成分Ｒ _ｃは、ワールド座標系に対するカメラの傾き（姿勢）に相当する回転行列であり、また、Ｘ _ｃ＝（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）は、カメラ上に設定した原点（カメラの撮影中心位置）の、ワールド座標系における位置（平行移動成分）である。変換行列Ｍ _ｃによってカメラ座標系における点の座標値をワールド座標系における座標値に変換することができる。

３．カメラ座標系を架台座標系に変換する変換行列Ｍ _a
変換行列Ｍ _aは、カメラ座標系における点の座標値を架台座標系における座標値に変換する行列であり、以下のような関係がある。

上記式（５）から、

ただし、

ここで、Ｔは転置行列を表す。上記変換行列Ｍ _aに含まれる成分Ｒ _aは、架台座標系に対するカメラの傾き（姿勢）に相当する回転行列であり、また、Ｘ _a＝（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）は、カメラ上に設定した原点の、架台座標系における位置（平行移動成分）である。変換行列Ｍ _aによってカメラ座標系における点の座標値を架台座標系における座標値に変換することができる。

カメラと架台１８との位置関係は、一旦カメラを架台に取り付けた後は、カメラを取り外すまで不変である。従って、架台１８にカメラを取り付けた後、上記基準点の位置の測定を１回行って上記式（６）により変換行列Ｍ _aを決定しておけば、以後（カメラを架台１８から取り外すまで）、基準点の位置の測定をしなくても、式（５）から画像中の点のカメラ座標系における座標値をワールド座標系における座標値に変換することができる。

さらに、架台１８がワールド座標系に対して傾きがなく、架台１８の移動方向がワールド座標系のＹ軸方向（トンネル１００の長手方向）とすると、ワールド座標系における架台の起点を（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）、架台１８の上記Ｙ軸に沿った移動量をＬとして、移動後の架台の位置を（Ｘ_０，Ｙ_０＋Ｌ，Ｚ_０）と表すことができる。本実施形態では、図１に示されるように、架台１８に設置された距離計測手段１４により架台１８の移動量を計測しているので、この移動量により、架台１８の位置をワールド座標系で簡易に表すことができる。なお、図３の例では、ワールド座標系のＹ軸と架台座標系のｙ_ｄ軸とが平行になるように配置され、架台１８は、Ｙ軸及びｙ_ｄ軸に平行に移動することになる。

４．レーザスキャナ座標系を架台座標系に変換する変換行列Ｍ _Ｌ
レーザ点群取得装置１２がトンネル１００の壁面に形成したレーザ点群の各レーザ点の、レーザスキャナ座標系における座標（同次座標）をｐ _Ｌ＝（ｘ_ｂ，ｙ_ｂ，ｚ_ｂ，１）とすると、ワールド座標系におけるレーザ点の座標Ｐ _Ｇ＝（Ｘ_Ｇ，Ｙ_Ｇ，Ｚ_Ｇ，１）は次式のように定式化できる。

ここで、Ｍ _Ｌは、レーザスキャナ座標系における点の座標値を架台座標系における座標値に変換するための変換行列である。
上記式（８）を変形すると、

となる。

上記式（９）は、３次元座標を変換行列によって別の３次元座標に変換する式となっており、変換行列の算出は、空間相似変換のパラメータ（移動量３個、回転量３個、スケール１個）を算出する問題に帰着させることができる。これには様々な解法が存在するが、例えば以下の文献に記載されている手法等を用いることにより変換行列Ｍ _Ｌを求めることができる。
服部進，関章良，西川正直，相似変換のためのパラメータの近似値の自動計算法、福山大学工学部紀要 21，53-57，1997-12．

図４（ａ）、（ｂ）には、座標情報設定部２８が赤外線熱画像の画素に３次元座標を設定する方法の説明図が示される。図４（ａ）において、トンネル１００の壁面には、上記レーザ点群取得装置１２が取得したレーザ点群Ｒが設定されている。レーザ点群取得装置１２は、ラインレーザスキャナにより、一定周期でレーザ点群を設定するので、１周期の間に架台１８が移動した距離、すなわちレーザ点群取得装置１２が移動した距離は、距離計測手段１４が計測している。

また、レーザ点群取得装置１２は、レーザ点群取得装置１２に設定されたレーザスキャナ座標系の原点からトンネル１００の壁面までの距離と角度の情報を出力するので、レーザ点群Ｒの各レーザ点のレーザスキャナ座標系における座標値を得ることができる。レーザスキャナ座標系における座標値は、上記式（８）によりレーザ点群受付部２６がワールド座標系における座標値（３次元座標）に変換する。従って、レーザ点群データは、各レーザ点のワールド座標系における座標値を保持したデータとして記憶部３８に記憶させることができる。なお、ワールド座標系により各レーザ点の座標値を表す場合、トンネル１００の長手方向のＹ座標としては、上記座標既知点からの距離としてもよい。この場合、トンネル１００内に複数設置された座標既知点毎にトンネル１００の長手方向のＹ座標が新たに設定されることになる。また、トンネル１００の長手方向と直交する水平方向（Ｘ軸）、鉛直方向（Ｚ軸）の座標の原点は、上記座標既知点に基づき適宜再設定することができる。

上記レーザ点群データに含まれる各レーザ点の座標値により、トンネル１００の壁面の各点のワールド座標系における座標値（３次元座標）を決定することができる。例えば、レーザ点によりＴＩＮ（Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄ Ｉｒｒｅｇｕｌａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ；不整三角形網）を形成し、このＴＩＮによってトンネル１００の壁面の各点の座標値を各レーザ点の座標値から演算することができる。また、隣接する４つのレーザ点を用いて平面近似を行った平面などを用いてトンネル１００の壁面の各点の座標値を各レーザ点の座標値から演算することもできる。ただし、トンネル１００の壁面の各点の座標値の演算は、これらに限定されるものではない。

上記ＴＩＮはドロネー三角形分割により、また、４点を用いた平面は最小二乗法による近似面として、それぞれ生成することができる。

図４（ｂ）には、ＴＩＮにより赤外線熱画像Ｉｐの画素に３次元座標を設定する方法の例が示される。図４（ｂ）の例では、レーザ点群Ｒの各レーザ点によりＴＩＮが形成されている。

図４（ｂ）において、座標情報設定部２８は、赤外線熱画像Ｉｐ上の画素Ｐの位置Ｐｃ（カメラ座標系での座標値であり、一般にＰｃ＝（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）＝（Ｘｃ，Ｙｃ，−ｆ）と表される。ただし、ｆはカメラの焦点距離である）に対し、上記変換行列Ｍ _ｃ（式（５））を用いて、以下の式（１０）によりワールド座標系での座標値Ｐｗに変換する。

また、カメラ座標系の原点も変換行列Ｍ _ｃ（式（５））を用いてワールド座標系の座標値Ｘｃとして表すことができる。次に、ワールド座標系で表されたカメラの原点Ｘｃと画素Ｐｗとを結ぶ直線を延長し、この直線と交差する壁面の点（交点）を内部に含むＴＩＮにおける三角形を特定する。特定したＴＩＮにおける三角形に基づき、上記交点位置のワールド座標系での座標値Ｐｔを算出する。座標情報設定部２８は、上記画素Ｐに対して、トンネル壁面における上記交点位置のワールド座標系での座標値Ｐｔを３次元座標として設定する。座標情報設定部２８は、以上の処理を画像内の全ての画素に対して行い、各画素に当該画素が表すトンネル壁面のワールド座標系における座標値（３次元座標）を関連付けて記憶部３８に記憶させる。

なお、レーザ点群データに含まれるレーザ点によりＴＩＮを構成する場合、図面等により予めトンネル１００の形状が分かっている場合には、その形状の変化点付近のレーザ点のみを残して、あるいは変化点付近以外のレーザ点の数を減らしてレーザ点群を構成してもよい。

図５（ａ）、（ｂ）には、基準線設定部３０による基準線の設定方法及び画像展開部３４による赤外線熱画像の２次元平面への展開方法の説明図が示される。

図５（ａ）の例では、基準線設定部３０が、トンネル１００の天井Ｔの長手方向の中心線を基準線Ｓに設定している。ただし、上述した通り、基準線Ｓは、天井Ｔの中心線に限定されず、例えばハンチ（天井Ｔと側壁Ｗとの間に斜めに形成された壁）Ｈと天井Ｔとの交線Ｌから、上記長手方向に直交する方向に予め定めた距離Ｄ離れた線とすることもできる。このような基準線Ｓは、ワールド座標系で設定しておく。

また、図５（ａ）では、トンネル１００の一方の側壁Ｗをカメラ（赤外線画像取得装置１０）で撮影した例が示されている。

図５（ａ）に示されるように、側壁Ｗの赤外線熱画像中に注目対象となる図形（以後、注目図形Ｏという）を設定する。注目図形Ｏは、例えば赤外線熱画像から判読された側壁Ｗの変状箇所の図形とすることができる。注目図形Ｏの設定は、適宜な表示装置に表示された赤外線熱画像から利用者が変状箇所を判読し、キーボード、マウス等の適宜な入力手段から変状箇所の指示情報を入力して行うことができる。変状箇所の指示情報は、例えば、変状箇所を囲む領域の情報とすることができる。

距離演算部３２は、上記基準線Ｓと注目図形Ｏの各画素とのワールド座標系における第１の距離（上記トンネル１００の長手方向に直交する方向においてトンネル壁面に沿った距離）、及び上記トンネル１００の長手方向におけるワールド座標系の原点と上記赤外線熱画像の各画素との第２の距離を演算する。なお、第２の距離は、トンネル１００内に設定された座標既知点と上記赤外線熱画像の各画素との上記トンネル１００の長手方向における距離としてもよい。上記第１の距離及び第２の距離を演算する際の各画素の座標値は、座標情報設定部２８が各画素に関連付けた、当該画素が表すトンネル壁面のワールド座標系における座標値（３次元座標）を記憶部３８から読み出して使用する。

ここで、上記第１の距離は、基準線Ｓと直交する方向における基準線Ｓと交線Ｌとの距離ｄ１、当該方向におけるハンチＨ上の距離ｄ２及び当該方向における側壁Ｗ上の距離ｄ３の合計として演算する。この演算は、天井Ｔを含むトンネル壁面の形状を近似した上記ＴＩＮのモデルや、既存の図面等に基づいて行うことができる。

また、上記第２の距離を座標既知点からの距離とする場合は、例えばトンネル内に設定された座標既知点のうち、注目図形Ｏに最も近い座標値を有する座標既知点Ｐとの距離ｄｐとすることができる。距離ｄｐは、上記座標既知点Ｐから距離計測手段１４が計測した架台１８の移動距離である。なお、「注目図形Ｏに最も近い」とは、例えば上記トンネル１００の長手方向において、架台１８の移動方向の距離が最も小さいことを意味する。

画像展開部３４は、図５（ｂ）に示されるように、上記第１の距離（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）及び第２の距離（ｄｐ）を使用して、上記注目図形Ｏを２次元平面Ｆに展開する。ここで、２次元平面Ｆは、トンネルの底面と側壁Ｗとの交線を、基準線Ｓに沿って切り開いた平面であり、上記第１の距離をｙ座標、第２の距離をｘ座標とする座標軸が設定されている。なお、図５（ｂ）の例では、トンネルの底面は省略されている。以上の通りであるので、距離演算部３２が演算した注目図形Ｏの各画素についての第１の距離及び第２の距離を上記座標軸（ｘ、ｙ）に基づいて、画像展開部３４が注目図形Ｏの各画素を２次元平面Ｆ上に展開することができる。図５（ｂ）では、このようにして展開された注目図形Ｏが描かれている。

図６には、制御装置１６の動作例のフローが示される。図６において、取得信号発生部２２が、赤外線画像取得装置１０による赤外線熱画像の取得を指示する第１の取得指示信号及びレーザ点群取得装置１２によるレーザ点群の取得を指示する第２の取得指示信号を発生すると（Ｓ１）、赤外線画像取得装置１０がトンネルの長手方向に上記一定距離移動する毎に赤外線熱画像を取得し、レーザ点群取得装置１２が一定の周期でレーザ点群を取得する。

次に、上記取得されたトンネルの壁面の赤外線熱画像を、赤外線画像受付部２４が受け付けて記憶部３８に記憶させる（Ｓ２）。また、上記取得されたレーザ点群を、レーザ点群受付部２６が受け付け、ワールド座標系における各レーザ点の座標値とともにレーザ点群データとして記憶部３８に記憶させる（Ｓ３）。

座標情報設定部２８は、上記トンネルの壁面の赤外線熱画像と、上記レーザ点群データとを記憶部３８から読み出し、レーザ点群データに基づいて赤外線熱画像の画素にワールド座標系における３次元座標を設定する（Ｓ４）。

また、基準線設定部３０は、トンネルの天井に、トンネルの長手方向に沿って基準線を設定する（Ｓ５）。

距離演算部３２は、上記赤外線熱画像の画素に設定された３次元座標に基づき、上記トンネルの長手方向に直交する方向において、上記基準線と上記赤外線熱画像の各画素とのトンネル壁面に沿った距離である第１の距離、及びトンネル内に設定されたワールド座標系の原点または上記座標既知点と上記赤外線熱画像の各画素との上記トンネルの長手方向における第２の距離を演算する（Ｓ６）。上述した通り、上記第１の距離及び第２の距離はワールド座標系における距離である。

画像展開部３４は、上記第１の距離、第２の距離に基づいて赤外線熱画像を２次元平面に展開する（Ｓ７）。

上述した、図６の各ステップを実行するためのプログラムは、記録媒体に格納することも可能であり、また、そのプログラムを通信手段によって提供しても良い。その場合、例えば、上記説明したプログラムについて、「プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体」の発明または「データ信号」の発明として捉えても良い。

１０ 赤外線画像取得装置、１２ レーザ点群取得装置、１４ 距離計測手段、１６ 制御装置、１８ 架台、２０ 車輪、２２ 取得信号発生部、２４ 赤外線画像受付部、２６ レーザ点群受付部、２８ 座標情報設定部、３０ 基準線設定部、３２ 距離演算部、３４ 画像展開部、３６ 通信部、３８ 記憶部、４０ ＣＰＵ、１００ トンネル。

Claims (7)

1. トンネルの壁面の赤外線熱画像を、トンネルの長手方向に一定距離移動する毎に取得する赤外線画像取得手段と、
   前記トンネルの壁面の３次元座標を設定するためのレーザ点群を一定の周期で取得するレーザ点群取得手段と、
   前記赤外線画像取得手段とレーザ点群取得手段の前記トンネルの長手方向における移動距離を計測する距離計測手段と、
   前記距離計測手段が計測した距離が一定値に達する毎に前記赤外線画像取得手段に赤外線熱画像の取得を指示する第１の取得指示信号を発生し、前記レーザ点群取得手段に一定周期でレーザ点群の取得を指示する第２の取得指示信号を発生する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記トンネルの天井に、前記トンネルの長手方向に沿って基準線を設定し、前記レーザ点群に基づいて前記赤外線熱画像の画素に３次元座標を設定し、前記トンネルの長手方向に直交する方向において前記基準線と前記赤外線熱画像の各画素とのトンネル壁面に沿った第１の距離、及び前記トンネル内に設定された座標原点と前記赤外線熱画像の各画素との前記トンネルの長手方向における第２の距離に基づき、前記赤外線画像を２次元平面に展開する、ことを特徴とするトンネル壁面検査装置。
2. 前記制御手段は、
   前記赤外線画像取得手段が取得したトンネルの壁面の赤外線熱画像を受け付ける赤外線画像受付手段と、
   前記レーザ点群取得手段が一定の周期で取得したレーザ点群を受け付けるレーザ点群受付手段と、
   前記レーザ点群に基づいて前記赤外線熱画像の画素に３次元座標を設定する座標情報設定手段と、
   トンネルの天井に、前記トンネルの長手方向に沿って基準線を設定する基準線設定手段と、
   前記赤外線熱画像の画素に設定された３次元座標に基づき、前記トンネルの長手方向に直交する方向において前記基準線と前記赤外線熱画像の各画素とのトンネル壁面に沿った第１の距離、及び前記トンネル内に設定された座標原点と前記赤外線熱画像の各画素との前記トンネルの長手方向における第２の距離を演算する距離演算手段と、
   前記第１の距離及び第２の距離に基づき、前記赤外線熱画像を２次元平面に展開する画像展開手段と、
   を備える、請求項１に記載のトンネル壁面検査装置。
3. 前記第２の距離が、トンネル内に設定された座標既知点と前記赤外線熱画像の各画素との前記トンネルの長手方向における距離である、請求項１または請求項２に記載のトンネル壁面検査装置。
4. 前記座標既知点が、トンネル内に設置された距離標である、請求項３に記載のトンネル壁面検査装置。
5. 前記基準線が、トンネルに設けられたハンチと天井との交線から予め定めた距離の線である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のトンネル壁面検査装置。
6. コンピュータを、
   赤外線画像取得手段が取得したトンネルの壁面の赤外線熱画像を受け付ける赤外線画像受付手段、
   レーザ点群取得手段が一定の周期で取得したレーザ点群を受け付けるレーザ点群受付手段、
   前記レーザ点群に基づいて前記赤外線熱画像の画素に３次元座標を設定する座標情報設定手段、
   トンネルの天井に、前記トンネルの長手方向に沿って基準線を設定する基準線設定手段、
   前記赤外線熱画像の画素に設定された３次元座標に基づき、前記トンネルの長手方向に直交する方向において前記基準線と前記赤外線熱画像の各画素とのトンネル壁面に沿った第１の距離、及び前記トンネル内に設定された座標原点と前記赤外線熱画像の各画素との前記トンネルの長手方向における第２の距離を演算する距離演算手段、
   前記第１の距離及び第２の距離に基づき、前記赤外線熱画像を２次元平面に展開する画像展開手段、
   として機能させるトンネル壁面検査プログラム。
7. 前記第２の距離が、トンネル内に設定された座標既知点と前記赤外線熱画像の各画素との前記トンネルの長手方向における距離である、請求項６に記載のトンネル壁面検査プログラム。
   

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