JPH0614006B2

JPH0614006B2 - フロック画像認識装置

Info

Publication number: JPH0614006B2
Application number: JP60216156A
Authority: JP
Inventors: 裕隆佐藤; 章宮本; 幹雄依田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-10-01
Filing date: 1985-10-01
Publication date: 1994-02-23
Anticipated expiration: 2009-02-23
Also published as: JPS6279330A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、浄水場のフロック画像認識装置、特にフロッ
ク画像の２値化用閾値の自動決定を行うフロック画像認
識装置に関する。

〔発明の利用分野〕浄水場では、原水の濁質粒径が小さいので、これらを凝
集させて凝集塊（フロック）とし、このフロックを沈降
させるプロセスになっている。このため、フロック形成
池（混和池）におけるフロックの監視が必要不可欠であ
る。

従来、フロックの監視は浄水場の維持管理者が１日数
回、目視により監視していた。目視に依存するため、判
断基準が主観的かつ定性的であり、監視結果が運転操作
に反映されにくい欠点がある。さらに、監視頻度が不連
続的なため、凝集不良時の対策が後手になり、トラブル
が大きくなるという欠点もある。

これに対して、最近は、工業用テレビカメラ（ＩＴＶ）
を用いて、フロック形成池内のフロック群を監視する方
法が採用されている。しかし、この場合でも、監視は人
間の視覚に依存するため主観的かつ不連続的であるとい
うことに変りない。

このような欠点を改善するため、特開昭54-143296号に
記載されているように、光電変換装置を用いてフロック
の形状に応じた電気信号を取りだす方法も提案されてい
る。しかし、水質（濁度）の変化、周囲光の変化などが
ある場合、フロックの大きさを安定した取りだすことは
困難であり、これらの問題を解決しなければ、監視装置
だけによる無人監視の実用に供し得ない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、フロック形成池（混和池）のフロック
群の認識に際し、２値化用の閾値を適切に設定してフロ
ック画像の認識の精度を高めてなるフロック画像認識装
置を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明は、２値化用の閾値を、２値化画像でのフロック
の数及びフロックの平均面積に応じて自動決定せしめる
こととした。

以下、詳述する。

一般的に画像処理装置を用いて、画像処理を行う場合、
２値化を行う為の閾値の設定方法が問題となってくる。
水中カメラにより認識された濃淡画像と２値化して２値
画像をくらべながら閾値を設定する固定２値化が考えら
れるが、固定２値化の場合、閾値を設定した後で水中カ
メラの周囲光の変動や、濁度動の変動があった場合、２
値画像は、濃淡画像と比較するとうまく２値化されてい
ないことがあり、閾値の設定を変更してやらなければ正
しい画像処理演算を行なったことにならない。本発明
は、２値化を行なう為の閾値の設定を２値画像における
物体の数及び物体の平均面積を求めることによって自動
的に決定し、常に正しい画像処理演算を行なえるように
したものである。

〔発明の実施例〕

第２図は浄水場のフロック形成池の構成図を示す。フロ
ック形成池１０は３個のフロック形成池１０Ａ，１０
Ｂ，１０Ｃより成り、矢印の急速混和池から流入した微
小フロック群を含む流入水１０ａは、各フロック形成池
１０Ａ→１０Ｂ→１０Ｃを順次通り、流出水１０ｂとし
て流出する。

各フロック形成池１０Ａ〜１０Ｃでは、攪拌用パドル１
１Ａ〜１１Ｃを有し、流入するフロック群を攪拌し、フ
ロック相互の衝突によりフロックの凝集を行う。フロッ
ク形成池１０Ａと１０Ｂとの間には整流壁１３Ａ、フロ
ック形成池１０Ｂと１０Ｃとの間には整流壁１３Ｂを設
け、整流を行わせる。フロック１２は、各フロック形成
池１０Ａ→１０Ｂ→１０Ｃと通過する毎に、次第に粒径
が増加する。

フロックの監視には、フロック形成池１０のいずれかの
形成池１０Ａ〜１０Ｃの中にＴＶカメラを含むフロック
撮像装置を設置する。フロック形成池１０Ａ〜１０Ｃの
中のいずれに設置するかは、フロック認識の目的によっ
て決まる。フロック形成の最終的な度合いを監視する目
的であれば、最終フロック形成池１０Ｃ内（即ち沈殿池
前段）に設置、フロック形成の過程の監視の目的であれ
ばフロック形成池１０Ａ又は１０Ｂに設置する。

第３図にフロック撮像装置を含むフロック画像認識装置
の実施例図を示す。第３図で、フロック形成池１０に
は、気密容器２０及び該容器２０内部に設けたＴＶカメ
ラ３０、及び照明装置４０を設置する。

気密容器２０の前面部には、観察用窓２１を設け、且つ
その窓２１の前方には、フロックの窓２１への附着を防
止するワイパ２２を設ける。このワイパ２２の駆動はモ
ータによってなすが、図ではその機構を省略した。バッ
クスクリーン２４は、気密容器２０に支持された支持部
材２４Ａ，２４Ｂに固定しており、このスクリーン２４
は黒色をなし、観察窓２１とスクリーン２４との間の空
間に存在するフロックを視界良くＴＶカメラ３０で撮像
するためのコントラスト向上の役割をなす。特に、フロ
ック１２の色は白色系であり、バックスクリーン２４を
黒色とすることによって、フロック１２のＴＶカメラ３
０からみたコントラストは非常に高いものとなる。

コントラストを高める補助的手段として照明装置４０、
及び遮光カバー４２を設けた。この理由は以下となる。
フロック形成池１０はフロックを常時監視する目的で大
気解放されている。このため、フロック形成池１０に入
射する光の量は時間の経過と共に変化し、また天候の撮
影を強く受ける。フロックを常時監視するために通常照
明装置４０が設置される。維持管理者の視覚に依存した
単なる監視を目的とする場合には、照明装置４０の設置
だけで充分であり、また照明装置４０の設置はフロック
形成池１０の上でよいことは言うまでもない。

しかし、たとえ照明装置４０を設置したとしても、周囲
の照度変化は、フロック群の画像認識精度に強く影響す
る。たとえば、照度が低ければフロックを小さく認識し
てしまい、逆に、照度が高ければフロックを大きく認識
してしまう。この影響を取り除くためには、自然現象と
しての照度変化に左右されないようにすることが必要で
ある。本実施例では、遮光カバー４２を設け、周囲を暗
くして、照明装置４０のみによる一定条件の照度とす
る。

気密容器２０内に固定されたＩＴＶ３０は接写レンズ３
１により、ガラスなどの透明材料で作られた観察窓２１
を通してフロック形成池１０内にあるフロック１２の画
像を拡大認識する。ワイパー２２は観察窓２１表面の汚
れを取るために定期的に動作する。

尚、じゃま板２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃはそれぞれ光の散
乱防止用に設置した。更に、バックスクリーン２４のＴ
Ｖカメラ３０よりの観察面上には、照明装置点検用の基
準白色部を設けておく。ＴＶカメラによってこの基準白
色部を観察している間は照明装置４０は正常と判断し、
観察不能であれば、異常と判定する。

第３図で、以上の撮像装置の外部に設けているのは、画
像取込み回路３２、照明制御回路４１、画像認識処理部
５０、画像認識制御装置６０である。照明制御装置４０
の照明を行う指示を制御回路４１が行い、ＴＶカメラ３
０による撮像画像の取込みはＴＶ制御回路３２が行う。
この回路３２の出力はビデオ信号となる。

第１図は画像認識処理部５０と画像認識制御装置６０と
の本発明により実施例を示す。

画像認識処理部５０は、ＴＶカメラ３０で得た画像情報
から浄水場の水質管理に役立つ情報を抽出するために、
フロック群の粒径や分布などの種種の処理を行う。制御
装置６０は、それらのタイミング制御を行う。

第１図で画像認識処理部５０は以下の構成より成る。

自動閾値決定装置９０…閾値の自動的な決定を行う装置
であり、そのための情報は、メモリ１０８より受けと
る。

異常検出装置９１…照明装置４０の異常（消灯）の判定
のデータを得る。

警報出力判定部９２…異常検出装置９１で得たデータよ
り警報出力の有無の判定を行う。

異常警報部９３…異常判定時に警報を行う。

ワイパ駆動部９４…ワイパ駆動を行う。異常検出時に
は、ワイパの駆動回数を増やし、異常か否かの再認識を
行う。

認識タイミング制御部１００…制御回路３２からのビデ
オ信号の取込みを行う。

ＡＤ変換器１０１…ビデオ信号のＡＤ変換を行う。

閾値入力回路１０２…自動閾値決定回路９０で決定した
閾値を取込み出力する。

２値化回路１０３…ＡＤ変換器１０１の多値出力を閾値
入力回路１０２の出力閾値を基準にして２値化する。

ラベリング回路１０４…１画面内のフロックのラベリン
グ（番号付け）を行う。

粒径計測回路１０６…各フロック毎に粒径計測を行う。

粒径演算モード指定回路１０５…粒径演算モードの指定
を行う。

粒径比較回路１０７…各フロック毎に粒径の大きさ毎に
分類する。

メモリ１０８…メモリ要素１０８Ａ〜１０８Ｚを持ち、
粒径の大きさ対応に、各大きさ対応のメモリ要素１０８
Ａ〜１０８Ｚに分配し、記憶される。記憶データは個数
である。

認識回数記憶部１０９…画像認識を複数回にわたり行う
ものである。その際、各回毎に認識対象となるフロック
画像は、一定の時間帯の中でそれぞれ時分割で撮像した
フロック画像である。

粒径分布演算表示部１００…フロックの粒径分布を演算
し、表示する。

第１図において認識タイミング制御回路１００は、第３
図に示すＩＴＶ３０とＩＴＶコントローラ３２を介して
得られたフロック画像の画像情報を取り込む時間間隔
（周波数）を制御する。次に、Ａ／Ｄ変換回路１０１
は、得られた輝度情報のアナログ信号、例えば第４図の
画像信号を受けて、該信号を遂一デジタル信号に変換す
る。

第４図はＩＴＶ３０により認識されたフロック群の画像
面を示す。フロック群は濃淡画像であるので、実際には
フロック１２の水との境界は明確ではないが、簡単のた
め、フロック群の輪部のみ図示した。フロック群の輝度
レベルは高く白色で、一方、背景にバックスクリーン２
４が配置されているので、水の輝度レベルは低く黒色で
ある。

変換されたデジタル信号は、閾値入力回路102で指定さ
れる閾値に基づいて、２値化回路１０３において２値化
される。

例えば第４図の画面において、ＡＡ′線で走査して輝度
レベルの分布を表示した場合を第５図に示す。ここで輝
度レベルは８ビット（２５６段階）で表示されており、
縦軸の上方向が輝度が低く一方、下方向が輝度が高い。
フロック一２は白系なので、輝度は高くなる。すなわ
ち、下方に谷となる部分がフロックを表す。

この輝度分布において、閾値入力回路１０２で指定され
る閾値、例えば、ＢＢ′線で指定される輝度に基づい
て、各画素が２値化回路１０３で２値化処理される。閾
値入力回路１０２で指定する閾値は、一定照度下では一
定に維持するが、オペレータも操作可能である。

２値化回路１０３では、閾値よりも高い輝度レベルにあ
る画素を“１”とし、一方、所定値以上の輝度レベルに
ある画素を“０”とする。すると第６図に示すように、
フロツクに対応する部分が“１”となり、水に対応する
部分が“０”となる。

このようにして、フロックの認識を実施した結果の例を
第７図に示す。

フロックが認識されたら、次にフロックの代表粒径を演
算するが、その前に各フロックにナンバーを付ける。す
なわち、ラベリング回路１０４ではフロックを一つずつ
独立に認識し、各フロックにナンバーを付ける。そし
て、そのナンバー順に各フロックを粒径計測回路１０６
において代表粒径を計算する。

代表粒径としては、定方向径Ｄ_ｃ、最大Ｄ_max、最小径
Ｄ_min、面積円等価径Ｄ_cir及び等価周辺長径Ｄ_c1などが
ある。粒径演算モード指定回路１０５では、これらの代
表粒径の中から採用する代表粒径を指定する。このよう
にして指定された代表粒径の基準に沿って、各々のフロ
ック毎にその粒径を演算する。

粒径比較回路１０７では、各々のフロックの粒径を比較
して、各粒径を持つフロックの個数を該当する記憶場
所、すなわち、個数記憶回路108A，１０８Ｂ，１０８
Ｃ，…１０８Ｚにそれらの個数を記憶する。フロックの
画像は２値化されているので、粒径を計測する最小単位
はＣＲＴで事前に決まっている１画素である。したがっ
て、各粒径に対応するフロックの個数をＮ_ｉとすると、
例えば、個数記憶回路１０８Ａは粒径が画素１個に相当
するフロックの個数Ｎ_１が記憶され、個数記憶回路１０
８Ｂは粒径が画素２個に相当するフロックの個数Ｎ_２が
記憶される。粒径の最小単位を１画素としたが、最小単
位を２画素とするとかはあくまでフロック監視の目的や
フロック形成池の状態やＴＶカメラの撮像内容によって
決まる。

ところで、フロックの粒径分布を精度良く求めるには、
複数回画面を取り込んで、多くの情報から粒径分布を求
めた方が良い。認識回数制御回路１０９には、フロック
画像を認識する回数が指定されており、この回数未満の
場合には、認識タイミング制御回路１００に戻る。認識
タイミング制御回路では、指定されたタイミングで画像
を取り込みこれまで説明した動作を繰返して、フロック
の粒径を計算し、各々のフロックの個数を個数記憶回路
１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ，…１０８Ｚに記憶す
る。

一方、認識回数制御回路１０９で、指定された回数にな
ったら、粒径分布演算表示回路１１０では個数記憶回路
１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ，…１０８Ｚの値に基づ
いて、各々の粒径に対する個数濃度分布を演算し結果を
出力する。

次に本発明の特徴となる自動閾値決定について説明す
る。

自動閾値決定は、上記した画像認識処理部５０を自動閾
値決定モードで動作させることによって行う。自動閾値
の決定のためには、ＴＶカメラ３０で撮像した基準画像
に対して、次々に閾値を変更させ、各閾値毎のフロック
粒径と個数との関係を求める。次いで、この関係を閾値
毎にサーチし、閾値決定処理を行い最適閾値を決定す
る。

この自動決定動作の中で、閾値の変更は、自動閾値決定
回路９０が行い、これを入力回路１０２を介して２値，
回路１０３に送る。各閾値毎のフロック粒径と個数との
関係はメモリ１０８に格納する。メモリ１０８の内容の
サーチ、及び最適閾値決定処理は、自動閾値決定回路９
０が行う。

更に具体的に閾値決定法を説明する。

説明を簡単にする為に、第８図に示す濃淡画像を２値化
した場合を考える。フロックは、ほぼ球形をしており、
その為フロックの中心が一番輝度レベルが高くなり、輝
度分布は、等高線の様に、中心から広がり外部ほど輝度
レベルは低くなる。説明を簡単にする為に、８つの等レ
ベル線２０１〜２０８を考え、等レベル線２０１をレベ
ル４、等レベル線２０２をレベル５、等レベル線２０３
をレベル６、等レベル線２０４をレベル７、等レベル線
２０５をレベル８、等レベル線２０６をレベル９、等レ
ベル線２０７をレベル１０、等レベル線２０８をレベル
２とする。Ｃ及びＤはフロックで重なっている。次に２
値化の閾値を１とし、輝度レベルが１以上のものをフロ
ックと考えた場合は、第８図の濃淡画像２００は、第９
図の２値画像２１０の様に２値化される。斜線の部分が
２値化した時白と判断される部分である。次に２値化の
閾値を２に選んだ場合も第８図の濃淡画像２００は、第
９図の２値画像２１０の様に２値化される。２値化の閾
値を３に選んだ場合は、第８図の濃淡画像２００は、第
１０図の２値画像211の様に２値化され、バックボード
（水）とフロックの区別があらわれる。次に２値化の閾
値を４に選んだ場合も第８図の濃淡画像２００は、第１
０図の２値画像２１１の様に２値化される。次に２値化
の閾値を５に選んだ場合、第８図の濃淡画像２００は、
第１１図の２値画像２１２の様に２値化される。次に２
値化の閾値を６に選んだ場合、第８図の濃淡画像２００
は、第１２図の２値画像２１３の様に２値化される。次
に２値化の閾値を７に選んだ場合、第８図の濃淡画像２
００は、第１３図の２値画像２１４の様に２値化され、
物体の個数は、２個となる。次に２値化の閾値を８に選
んだ場合、第８図の濃淡画像２００は、第１４図の２値
画像２１５の様に２値化される。次に２値化の閾値を９
に選んだ場合、第８図の濃淡画像２００は、第１５図の
２値画像２１６の様に２値化される。次に２値化の閾値
を１０に選んだ場合、第８図の濃淡画像２００は、第１
６図の２値画像２１７の様に２値化され、フロックの個
数は、１個に減少する。次に２値化の閾値を１１以上に
選んだ場合、第８図の濃淡画像２００は、第１７図の２
値画像２１８の様に２値化され、フロックの個数は０と
なる。以上説明した様に２値化の閾値を変化させると、
物体（フロック）の個数及び物体の平均面積は変化す
る。まず物体の個数に注目してみると、物体の個数は、
閾値を高くすると増加するが、ある閾値を超えると減少
し、物体の個数が最大となる閾値の範囲が存在する。ま
た物体の平均面積に注目してみると、平均面積は、閾値
を高くしていくと減少していく。また第９図〜第１７図
の２値画像２１０〜２１８において、一番フロックが存
在する情報として正確である２値画像を考えた場合は、
フロックの数が２個であり、フロックの数が２個となる
２値画面の中で平均面積が最大となる第１３図の２値画
像２１４が正確であると考える。

従って、２値化の閾値を入力回路１０２を介して次々に
変更し、各閾値毎にフロックの個数を求め、且つ各フロ
ックの面積を求め、それらの結果をメモリ１０８に格納
させ、自動閾値決定回路９０がそのメモリ１０８の内容
をサーチし、フロックの数が最大で且つフロック平均面
積最大となる場合での閾値を選び出し、これを正式な閾
値として決定する。

第１８図（イ）〜（ハ）でその決定メカニズムを説明す
る。第１８図（イ）は、横軸と縦軸の両者を閾値Ｖ_thで
表示した図であり、第１８図（ロ）は横軸に閾値Ｖ_th縦
軸にフロックの個数Ｍを示し、第１８図（ハ）は横軸に
閾値Ｖ_th、縦軸にフロック平均面積Ｓを示す。閾値Ｖ_th
は０〜１２７の値をとる。第１８図（ロ）で、区間Ａが
フロックの個数が最大となる区間であり、この区間Ａに
あっては、閾値Ｖ_１≦Ｖ_th≦Ｖ_２をとり、且つ同一最大
数が連続して発生する区間である。一方、第１８図
（ハ）にあっては、各閾値Ｖ_th別のフロックの平均面積
Ｓを産出して表示する。この面積曲線Ｓと、Ｖ_１，Ｖ_２
との交点をＳ_１，Ｓ_２とすると、Ｓ_１＞Ｓ_２であり、Ｓ
_１が区間Ａでの最大平均面積となる。

従って、求めるべき最適閾値Ｖ_thはＶ_th＝Ｖ_１（＝
Ｐ_１）となる。最適閾値決定後は、自動閾値決定モード
からフロックの認識モードに切換え、前述した第１図の
処理に従って、フロック認識を行う。

自動閾値決定モードは、事前に動作させてもよいが、フ
ロックの形成過程の途中で適宜に動作させてもよい。

尚、自動閾値決定回路９０は、それ自体で回路１００〜
１０８を持っていてもよい。その場合には、独自に閾値
の自動決定を実行できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、適切な閾値決定を行ったことにより水
中カメラの周囲光の変動や濁度の変動などによる２値化
の閾値設定のずれを防ぐことができ、信頼性の高い画像
処理が行なえ無人での連続的な処理を可能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例図、第２図は本発明の対象とす
るフロック形成池の構成図、第３図はフロック形成池に
対する本発明の全体構成図、第４図はフロック画像を示
す図、第５図，第６図は２値化の説明図、第７図は２値
画像例図、第８図はフロックと等高線レベルとの関係
図、第９図〜第１７図は閾値変更による２値画像例図、
第１８図は最適閾値決定の説明図である。５０……画像認識処理部、６０……画像認識制御装置、９０……自動閾値決定回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フロック形成池内に設けられフロック群を
撮像する撮像手段と、撮像画像を最適閾値により２値化
し２値化画像からフロック認識を行う画像処理手段とを
備えるフロック画像認識装置において、２値化する閾値
を変化させ２値化画像中のフロックの個数が最大となり
且つフロックの平均面積が最大となる閾値を求め該閾値
を前記最適閾値とする閾値決定手段を設けたことを特徴
とするフロック画像認識装置。