JP3119012U

JP3119012U - 孔内の前方視ビデオ動画をコンピュータソフトウェアを用いて画像処理することにより孔壁展開画像を作成するための専用ボアホールテレビカメラ

Info

Publication number: JP3119012U
Application number: JP2005007275U
Authority: JP
Inventors: 渡邊敬三; 山下智士
Original assignee: 株式会社復建技術コンサルタント
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2015-09-05

Abstract

【課題】孔壁展開画像作成用ボアホールカメラの光学機械及び電子機器構造の簡単化、低コスト化を図り、ボアホールカメラを利用しやすくする。
【解決手段】本考案は、ボーリング孔内の前方視デジタルビデオ動画を撮影し、その動画データを画像処理ソフトウェアによって孔壁展開画像を得るボアホールカメラで、方位決定とカメラの回転補正を画像処理上で行うボアホールカメラである。
撮影窓と光学系の構造を簡略化する手段は、ＣＣＤカメラ周辺の各ＬＥＤ照明２０を内側に傾け、光円錐をカメラヘッドから数ｃｍより先の孔壁に当てることで充分な照度を得、かつ被写界深度の深いレンズを用いて、画像の鮮明化をはかる。これによって、撮影窓・カメラヘッドのつくりを平面ガラスとして構造の簡単化１８を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、孔内径数十ｍｍ〜数百ｍｍの調査ボーリング孔内壁、アンカーや杭などの工事用ボーリング孔内及び井戸内等の観察を行うことができ、且つ画像処理によって孔壁展開画像を作成する吊下げ式調査テレビカメラ（ボアホールテレビカメラ）に関するものである。

本考案に関連する従来の技術として次の技術がある。
特許平１−２１０５９４号公報特開平９−３１２８３５号公報特開２００４−３３６２８７号公報

従来のボアホールテレビカメラの簡易なものは、ボアホールテレビ（ＢＨＴＶ）とよばれるもので、孔底方向を向いたカメラの下に平面鏡を斜めに置き、側面を見る逆潜望鏡型のボアホールテレビカメラであり、孔壁展開画像の作成は多くの単体画像の合成となり、合成に多大な時間を要し、且つスムーズな画像の作成は困難であった。このため、以下の装置は複雑で高価であるが、現場に搬入したボアホールテレビカメラと画像処理装置で、現場で孔壁展開画像を得る次のボアホールカメラが開発されている。

ボアホールイメージプロセッサー（ＢＩＰ）；上と同じようなカメラの下に円錐ミラーを置き、特定の範囲の全周画像を定方位撮影し、この画像を基に現場に持込だコンピュータで円周状スキャンラインの画素を並べ替えて、カメラの孔内移動に同期させて、テレビ画面に全周展開画像を表示するシステム。（特許文献１参照）

ボアホールスキャナー（ＢＳＳ）；孔壁に沿って高速に回転する光のビームを孔壁に当てる一方、カメラそのものを降下させ、反射光をカラー画像で検出する。この反射光を制御機内部で走査線に変換することによって連続した展開画像に合成するシステム。

ボアホールラインカメラ（ＢＬＣ）；ラインプリズムを使用して、任意位置の全周画像を１走査線分カラー画像で検出し、カメラの降下速度に同期した位置に画像変換することによって、連続した展開画像を合成するシステム。

また、シームレスで方位の定まった孔壁展開画像を作成するためには、カメラの光軸が孔中心からずれることやカメラが回転することを制御する必要性があり、従来、カメラ内のメカニカルコンパスや電磁式方位センサによってカメラの回転をカメラ内の小型精密モーターで回転させて制御する方法や、あるいはプローブ内の方向センサからのデータを用いて、展開画像の切り出し位置を調整する方法（たとえば特許文献２参照）が用いられてきた。

これらのカメラ制御機構の簡略化はカメラの小型化、低コスト化において重大な課題であり、このため、カメラの回転にかかわらず方向の揃った孔壁展開画像を容易に得ることが出来るようにし、かつ小型化、軽量化、低コスト化を可能にする目的で、カメラの前方中心軸上に方向指示器を設置して周囲孔壁と方向指示器とをひとつの画像として撮影し、その画像をもとに複数の同心円状のスキャンラインを設定して各スキャンラインに沿って画素を読み出す。そして方向指示器の方向指示マーカーの位置を画素の色情報から検出し、そのマーカー位置を基準として孔壁画像の画素メモリの並べ替え処理を行い、並べ替えた孔壁画素データをカメラの移動に同期させて蓄積することにより孔壁の全周展開画像を作成するボアホールテレビカメラが発明されている。（特許文献３参照）

しかし、従来の孔壁展開画像作成用ボアホールテレビカメラ装置は、凸面鏡や円錐プリズム等の複雑な光学系及びカメラの回転制御やその場での展開画像作成のための画像処理を行う専用電子精密機械であり、調整が難しく現場での修理調整がしばしば困難であった。また、装置が高価であり、したがって撮影及び展開画像の作成が高コストであり、ボーリングコア掘削単価（値段/掘削長さ）に類似するあるいは近い単価（値段/展開画像の深度長さ）となっており、大規模工事や特殊な目的の地質調査を除いた多くの一般的地質調査やボーリングを用いた工事の施工管理にはあまり活用されず、充分な普及がなされていない。このため、孔壁展開画像作成用ボアホールカメラの光学系及び機械構造の簡単化、低コスト化を図り、利用しやすくすることが課題である。

ボアホールカメラ装置を下向き前方映像撮影に特化し、例えばφ６６ｍｍの内径の場合（日本国内の土木地質調査ボーリングの標準内径）、カメラ下約５〜１０ｃｍに位置する帯状のリング部に良く照明があたり、かつカメラの被写界深度が深く焦点が合う構造とする。展開画像は、この前方映像デジタル動画データをパーソナルコンピュータにＡＶＩファイル化して保存した後、インストールしたソフトウェアを用いた画像処理によって作成する。（以下の関連特許文献１及び２参照）
（関連特許文献１）特開２００３−００９１４４号公報
「ビデオ画像をデジタル化されたパノラマ画像に変換し、それをデータベース化するシステム及びそのコンピュータ処理プログラム」
（関連特許文献２）特開２００３−０３２６７４号公報
「管状物内壁のビデオ画像から連続した展開静止画像を自動生成するシステム」

本考案はＣＣＤカメラ、ＬＥＤ照明、方位センサを内蔵する防錆金属製のボアホールカメラ本体、本体と接続し一体のプローブをつくりカメラをボーリング孔の中心に置くようにする３〜４枚の板バネをもつ金属あるいは樹脂製円筒（センタライザという）（図１）、ボアホールカメラと入出力演算装置（インターフェース）をつなぐ多芯ケーブルをボーリング孔に挿入することを援助する三脚と滑車、深度カウンタ（ロータリーエンコーダ）、スリップリング付きケーブルドラムから構成されるシステムで、入出力装置に市販家電のデジタルビデオカメラとテレビモニターを接続する。このためシステムが簡単で、装置が低コスト化することが可能となるボアホールカメラシステム。

孔壁展開図作成に利用する先端画像処理技術は「パイプ投影」（ＰｉｐｅＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）と「Ｍｏｆｉｘ」（Ｍｏｖｉｅｆｉｘｅｄ）とよばれる画像処理の２段階処理である（図３にその概念を表す）。パイプ投影は、ボアホールカメラ３２による管内３３の前方動画映像の幅狭いリング３４，４７を座標変換して細い帯状画像３５にする。Ｍｏｆｉｘはこの帯状画像をモザイキングし、切れ目の無い連続静止画３６を自動生成する技術である（毎秒約３０枚の静止画をつなぎ合わせてゆくもので連続した高解像度・静止画像を作成するソフトウェア）。この技術は下水管等の小孔径管路や管状物の前方撮影ビデオから、数１０〜数１００ｍの長い孔壁面の展開画像を短時間に作成できる。（関連特許文献２参照）

ＣＣＤカメラ周辺の各ＬＥＤ照明２０を、角度をばらつかせて内側に傾け（ボアホール軸方向とＬＥＤ光軸の挟む角度が約５〜３０゜の範囲）、国内の土木地質調査ボーリングの代表的内径φ６６ｍｍにおいて、光円錐をカメラヘッドから数ｃｍ〜１０数ｃｍ先の孔壁に当てることで十分な照度で得、且つ被写界深度の深いレンズを用いて、画像の鮮明化をはかる。これによって、従来型カメラの特殊な凸面反射鏡あるいは円錐プリズム等及びその外側の撮影窓にあたる円筒状透明管が不要になり、撮影窓・ヘッドのつくりを平面ガラスと防水パッキンをもったねじ込みキャップとして構造の簡単化１７，１８を図ったボアホールカメラ。

小型磁気方位センサ２１を内蔵し、方位をビデオカメラ画面に角度数字５１とドット５０で表示させ、撮影したデジタル動画を取り込んだパーソナルコンピュータにおいてシームレスな展開画像作成を行うボアホールカメラ。ビデオ動画の画像処理に使用する幅の狭いリング付近に方位センサのドット５０を表示させ、このドットが展開画像にトレースされるようにし５５、作成した展開画像上で方位線５６を決定し、描画するボアホールカメラ。

本考案は、ボーリング孔内の前方視デジタルビデオ動画を撮影し、その動画データを画像処理ソフトウェアによって孔壁展開画像を得るボアホールカメラで、撮影窓と光学系の構造を簡略化し、方位決定とカメラの回転補正を画像処理ソフトウェアで行うボアホールカメラである。
従来、孔壁展開画像作成ができるボアホールカメラは、機械そのもの及び使用料がボーリングコア掘削単価に類似するあるいは近い価格で、高額であるため、主に大規模事業の地質調査で実施され、一般的なボーリング調査ではあまり活用されてこなかった。
しかし、本考案のボアホールカメラは低コストな展開画像作成システムなため、掘削深度数ｍ〜１００ｍ程度の一般的な土木・資源地質調査における岩盤の節理・亀裂や地すべり面（いわゆる不連続面）、鉱脈等の方向性をもった地質構造の方向性や開口幅のデータ取得を容易に行うことができる。
さらに、本考案のボアホールカメラは構造が単純なため、丈夫で故障が少ない機械であり、アンカー工事や杭基礎工事の定着層や支持層確認に使用する等、ボーリング掘削を用いる工事の施工管理に活用することが出来る。

ボアホールカメラは、例えば、地上部からの光量調整機構をもつ被写界深度の深いあるいはマニュアル焦点機構をもつＣＣＤカメラ１９及び防水機構１７,１８を兼ね備えたカメラを製作する。ボーリング孔に挿入する円柱状装置（プローブ）はステンレス製カメラ本体１１とカメラをボーリング孔の中心に設置するためのバネを三方にもつ樹脂製あるいは金属製センタライザ１６，２５からなり、国内の地盤調査での標準孔径φ６６ｍｍに対しては、外径約４０〜５５ｍｍ、全長０．５ｍ〜１ｍ程度とする。

撮影システムは、ボアホールカメラ２７、深度カウンタ（ロータリーエンコーダ式）３３、入出力演算装置（インターフェース）２９、記録用デジタルビデオカメラ３０、映像確認用のカラーテレビモニター３１から構成される。システム全体の費用を抑えるために、ビデオカメラ及びテレビモニターは市販されている家庭用電化製品を使用する。入出力演算装置２９では、方位や距離情報を液晶画面に数値表示させると共に、孔内前方視画像と合成し図示する４６役割をもたせる。

孔壁展開画像には方位計測による方位の記入が不可欠であり、カメラ本体の姿勢を検出するため磁気方位センサ２１を組み込む。方位センサは地磁気を基準とした絶対方位を検出するもので、測定時に出力されるＸ軸とＹ軸の２軸値を演算することで方位を求める。方位センサは従来から利用されてきたが、本発明では携帯電話用ＧＰＳに組込むため開発された数ｍｍ大の小型のものを用いる。

展開画像には深度計測による深度すなわち孔口地盤面からの位置情報が不可欠である。カメラ深度は、ボアホールカメラに接続し、プローブ本体を吊り下げている画像・信号伝送用網組遮蔽付高張力ケーブル２６，６３（多芯画像用及び制御信号ケーブル）をボーリング孔口に置いた幅広の回転盤ではさみ、回転盤の軸に連結したロータリーエンコーダ２８，４０，６５で回転移動距離を計測することによる。

焦点合せ機構は、例えば、被写界深度の深いレンズあるいはマニュアル焦点機構による。φ６６ｍｍ孔では、カメラ前端から距離約５０ｍｍ以深の孔壁面に焦点が合うような機構とする。

方位及び深度の表示機構は、地上の入出力装置（インターフェース部）４４に組込んだ中央演算処理装置４１、画像合成回路４３、液晶数値表示４２、ビデオカメラ画像表示機能から構成される。

図５に、前方視ビデオ画像画面の画郭４６の例を示す。孔内の動画像の上に、磁北方位の角度（単位は度）５１、深度（単位はｍ）５２の数値を合成する（インポーズ）。また、ビデオ動画の画像処理に使用する幅の狭いリング４７付近に方位センサのドット５０を表示させる。

孔内の動画像、方位角度の数字５１及び画像上のドット表示５０、深度の数字（ｍ）５２を緊密に関連させて、展開画像を作成する。ビデオ動画の画像処理に使用する幅の狭いリング付近にある方位センサのドット５０が展開画像にトレース５５されるようにし、作成した展開画像上で方位線５６を決定し、描画する。

本考案のボアホールテレビカメラのプローブ全体構造図である。本考案における前方視撮影に特化したボアホールテレビカメラの撮影システムの概要図である。本考案で用いる孔壁展開画像処理技術（特開２００３−０３２６７４号）の解説図である。本考案で用いるボアホールテレビカメラの信号の処理を解説するブロック図である。本考案におけるボアホールテレビカメラの前方視ビデオ画面の方位及び深度の表示例を示す。本考案のボアホールテレビカメラによる孔壁面展開画像上で方位を決定する方法を示す解説図である。本考案におけるボアホールテレビカメラによる撮影と孔壁面展開画像作成の実施例に関する流れ図である。

符号の説明

１０ボアホールカメラプローブ（全体）
１１ボアホールカメラ本体
１２センタライザ（ボアホールカメラを孔中心に置くバネ付き円筒）
１７防水カメラヘッド
１８平面透明ガラス
１９ＣＣＤカメラ
２０照明用白色ＬＥＤ
２１小型磁気方位センサ
２３防水コネクタ
２６画像及び信号伝送用多芯ケーブル
２７ボアホールカメラ
２８深度カウンタ（ロータリーエンコーダ）
２９入出力演算装置（方位信号中央演算装置、画像合成回路含む）
３０デジタルビデオカメラ（家庭用電化製品タイプ）
３１モニターカラーテレビ（家庭用電化製品タイプ）
３３管状物あるいはボアホール（ボーリング孔）
３４，３５，３６展開画像の合成
４６前方視ビデオ画像画面の画郭
５０方位センサドット
５３孔壁面展開画像
５５方位センサドットの軌跡
５６展開画像上に決定した磁北方位
５８ボーリング孔（ボアホール）
５９孔内水位
６１三脚
６２専用滑車
６４ケーブルドラム
６９バッテリー（直流電源１２Ｖ）
７１画像処理ソフトウェア内臓パーソナルコンピュータ

Claims

ボーリング孔内の前方視動画を撮影することに特化したボアホールカメラで、気中及び水中のボーリング孔内の前方視画像をデジタルビデオ動画像として、一般市場に流通する家庭用汎用デジタルビデオカメラに撮影し、同時にカメラ内の磁気方位センサによって方位データを、また、ボーリング孔元のロータリーエンコーダ式深度カウンタによって挿入中のカメラ深度位置（ｍ）を画像に重合表示させ、このデジタルビデオ動画像データをパーソナルコンピュータにおいてＡＶＩファイルに変換した後保存し、画像処理ソフトウェア（特開２００３―０３２６７４号「管状物内壁のビデオ画像から連続した展開静止画を自動生成するシステム」）によって孔壁展開画像を作成することで、従来開発されたボアホールカメラ撮影及び展開画像作成の機器と作業を簡素化、低価格化するボアホールカメラ。
ＣＣＤカメラ周辺の各ＬＥＤ照明を内側に傾け、各ＬＥＤ照明の角度をばらつかせて内側に傾け（ボアホール深さ方向とＬＥＤ光軸の挟む角度が約５〜３０゜の範囲）、国内の土木地質調査ボーリングの代表的孔径φ６６ｍｍにおいて、光円錐をカメラヘッドから数ｃｍ〜数十ｃｍ先の孔壁に当てることで充分な照度を得、かつ被写界深度の深いレンズを用いてカメラヘッドから数ｃｍ以深の孔壁にピントが良好に合うようにし、デジタルビデオ動画像の鮮明化を図る。これによって、従来型ボアホールカメラの特殊な凸面反射鏡あるいは円錐プリズム等及びその外側の撮影窓にあたる円筒状透明管が不要になり、撮影窓・ヘッドのつくりを防水平面ガラスとして構造の簡単化を図ったボアホールカメラ。
小型磁気方位センサを内蔵し、方位をビデオカメラ画面に角度数字とドットで表示させ、撮影したデジタルビデオ動画からパーソナルコンピュータの画像処理ソフトウェアによって、カメラの回転を修正した方位の定まったシームレスな展開画像の作成を行うボアホールカメラ。ビデオ動画の画像処理に使用する幅の狭いリング付近に方位センサのドットを表示させ、このドットが展開画像にトレースされるようにし、作成した展開画像上で方位線を決定、描画するボアホールカメラ。このように画像処理技術を利用して、従来カメラ内のメカニカルコンパスや電磁式方位センサによってカメラの回転をカメラ内の小型精密モーターを回転させて制御していた構造に比較して、カメラ構造が簡単化、低コスト化することを実現するボアホールカメラ。