JPH0782006B2

JPH0782006B2 - 魚態監視による水質安全監視装置

Info

Publication number: JPH0782006B2
Application number: JP43587A
Authority: JP
Inventors: 幹雄依田; 直樹原; 俊二森; 研二馬場; 捷夫矢萩
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-01-07
Filing date: 1987-01-07
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPS63169559A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、浄水場や下水処理場に於いて、主に毒性物質
に対する水質安全性を確保する為の魚態監視による水質
安全監視装置に関する。

〔従来の技術〕

浄水場などでは原水中に毒物が混入したか否かを判定す
るために、原水の一部を水槽に導き、この水槽でフナ，
コイ，ウグイ，タナゴ，ハヤ、およびオイカワなどの水
棲動物を監視している。すなわち、原水中に毒物が混入
した場合には前記魚類が異常に行動したり、弱つたり、
死んだりする現象を利用して原水中の毒物流入を監視し
ている。また、浄水場や下水処理場の処理水や放流水に
ついても水中の毒物の有無が分析，監視されている。

このように、水中の毒物監視は現状では人間の目視や繁
雑な手分析に依存しており、手数がかかるばかりでなく
連続監視や早期検出ができない欠点があつた。

そこで、最近水槽中の魚を工業用テレビカメラ（ITV）
で検出、魚が水面上を腹を上にして漂う場合にその魚が
「ある大きさ以上の独立した明点」として認識，水面近
傍に存在する魚の高明度部および水面上の凸凹による光
の変化のみを抽出することにより、背景を整理し魚の行
動を求め、毒物流入時に示す魚の異常行動を連続的に監
視しようとする研究がなされている（文献：第36回全国
水道研究発表会，講演集P.464〜466）。

また、特開昭61−46294号公報に記載されているよう
に、毒物の監視方法として、ビデオ装置で観察した生物
の行動パターンを同一生物の予期される運動パターンの
統計的分布に対応する予測パラメータと比較，検出し、
毒物流入時に示す生物の異常行動を検出，連続的に監視
しようとすることが提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の技術では、まず、いずれも水槽内で自由に泳ぎ、
行動できる形で魚や生物を飼育、その行動を画像で認
識，解析し異常を検出しようとするものである。この場
合、魚はほとんど抵抗を受けることなく自由に水槽内を
泳ぎ廻る状態でエネルギーの消費が少ないため、毒物の
流入に対して過渡的には狂奔行動を示すがその後はあた
かも抵抗力のあるがごとき行動を示すことが観察され
る。すなわち、毒物流入に対して敏感でかつ確実な反応
を示さないという問題を有する。また、いずれも水槽内
での定常的な行動に対する異常な行動を検出をしようと
するもので、水面上での魚の腹部の検出や正常時の行動
パターンに対する比較，統計処理など、複雑な処理をし
て検出しようと試みるものでありどうしてもあいまいさ
が残り、確実さを欠く欠点があると同時に画像を取込ん
でから各種処理を行い結果を出すまでに時間がかかると
いう問題がある。

本発明の目的は魚態監視による毒物の流入検出を確実か
つ早期に行える魚態監視による水質安全監視装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、魚が本能的に水流に対して上流に向かつて行
動すること、また毒性物質の混入に対して、過渡的に狂
奔行動を示しつつ行動力が弱り水流に耐えられなくなり
流されること（水流負荷に対する魚の能動度のバランズ
がくずれる）を利用したもので、魚に対して常に一方向
の水流負荷を与え魚が上流にあるか下流にあるかの位置
画像を検出することにより毒物流入の有無を監視するも
のである。

〔作用〕

本発明によれば、魚は常に水流負荷を受けて激しい運動
をしているため、毒物の流入に対して過渡的に狂奔行動
を示しつつも行動力が弱り水流に耐えられなくなり流さ
れるという（水流負荷に対する魚の能動度のバランスが
くずれる）毒物流入に対して敏感でかつ確実な反応を起
こされることができる。また、正常か異常かは魚が水槽
の上流（水の入口部分）にいるか下流（水の出口部分）
にいるかの位置を画像処理装置によつて判別すればよい
ため、あいまいさがなく確実でしかも短い処理時間で行
うことができる。

なお、水流の強さは魚の種類，大きさなどにより能動度
により設定される必要があるがこれは水流制御手段によ
つて達成される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図において、１は直方体形状で上方が開口された水
槽でガラス，金属あるいはプラスチツクなどで構成され
ている。またこの水槽内面は飼育される魚とのコントラ
ストの大きい色彩を有している（例えば黒い魚に対して
は白色系）。２は水槽内の水、５は水槽内に飼育されて
いる魚で、例えば、フナ，コイ，ウグイ，タナゴなどで
ある。また、場合によつてはヤマメ，イワナ，マス，ハ
ヤ，金魚およびメダカなどでも良い。11は給水管で給水
ポンプ（図示せず）からの水を水槽１に供給している。
12は、水槽１内の水流制御手段で具体的には調整弁から
なり給水管11の一部に取付けられている。本実施例では
調整弁で行つているが給水ポンプの回転数を変えるなど
の方法を用いても目的は達成される。13は給水管11から
の水を水槽１内に均等に供給するための分流手段で本実
施例では９個に分流している。14は分流手段13からの水
を水槽２に供給するための配管である。15は水槽１の水
を排水するための配管で、水槽１内の水を均等に排出で
きるように複数個からなつている（本実施例では９
個）。16は合流手段で配管15の水を１本の排水管17に合
流している。18は排水制御手段で、具体的には調整弁か
らなり排水管17の一部に取付けられている。本実施例で
は調整弁で行つているが排水ポンプを設けこの回転数を
変えるなどの方法を用いても目的は達成される。19は水
槽１内の水位を一定に保つための補助排水管で排水管17
に接続されている。これは水流制御手段12による流入水
量を排水制御手段18による流出水量より幾分多めにして
おき水位を一定に保つためのものである。21は照明装置
で水槽１内の魚５を照らすもので昼夜を問わず監視する
ためのものである。20は工業用テレビカメラ（ITV）な
どの撮像装置で水槽１内の魚を撮像する撮像装置20の信
号は画像処理装置30に導かれて画像認識する。50は警報
装置で画像処理装置30で得られた魚の画像から魚の行動
を評価して異常の場合は警報を発する。60はモニタテレ
ビで撮像画像や画像認識結果などを表示する。

本発明は以上の構成となつているが、次にその一連の動
作について説明する。

浄水場の原水などの被検水は給水ポンプなど（図示せ
ず）によりサンプリングされ給水管11に導かれている。
被検水としては浄水場の原水，処理過程の水，処理後の
水、また下水処理場では流入下水，処理過程の水，処理
後の放流水などである。また、河川の場合は河川水であ
る。給水管11に導かれた水は水流制御手段12によつて水
槽１内の水流が調整される。この水流の調整は本発明に
おいて重要な意味をもつている。水槽１内の魚５が水質
正常時には流されることのなく、しかも水質異常（毒物
流入）で魚５が弱つた時に流されるように調整されてい
る。この水流の強さは魚の種類により、また同じ魚でも
その大きさなどにより異なるため、その魚に合うように
調整されている。水流制御手段12からの水は分流手段13
により分流され配管14を経て水槽１内に均等な水流が作
られるように供給される。ここで均等な水流が形成され
ないと水量１内によどみ（流れのない部分）が発生して
しまい毒物流入時に魚５がこのよどみに逃げこみ、あた
かも水が正常のような行動を示し、早く確実な検出がで
きない。水槽１からの水は複数個の配管15によつて水槽
１内が均等な水流になるように排出される。これも水槽
１内によどみを作らないためのものである。配管15から
の水は合流手段16によつて合流され排水制御手段18を経
て排水管17に送られる。水流制御手段12による流入水量
は排水制御手段18による排出水量より幾分多め調整して
あるため余分の水は補助排水管19によつて排出されるた
め、水槽１内の水は常に一定に保たれる。このように魚
５はいつもは水槽１内の上流すなわち給水側に位置し水
流に対抗して泳いでいるが毒物流入により（過渡的に狂
奔行動を示しつつも）弱り、水流に耐えられず下流すな
わち排水側に流される。工業用テレビカメラ（ITV）な
どの撮像装置20では水槽１の上面から魚を含む画像を横
方向に順次走査してゆき、各々の点で明るさをその程度
に応じて順次電気信号に変換する。つまり、画像を縦横
に細かく分割し、この分割した各画素の明るさをその程
度に応じて出力電圧の異なる電気信号に変換する。撮像
装置20から出た電気信号は電圧などのアナログ信号であ
る。撮像装置20から出た電気信号は画像処理装置30に送
信される。画像処理装置30は撮像装置20で得た画像に基
づいて魚５を画像認識（位置認識）するとともに、この
認識結果（魚５の位置）により魚５の行動が正常か異常
か（安全な水か毒物混入による危険な水か）を判定す
る。

第２図に画像処理装置30の構成を示す。第２図におい
て、31はA/D変換器で撮像装置20からのアナログ信号を
受けてデジタル信号に変換する。デジタル化された濃淡
画像（以下濃淡画像という）信号は濃淡画像メモリ31M
に格納，記憶される。この濃淡画像はタイマ30Tから指
令されたタイミングにもとづいて二値化回路32に送信さ
れる。タイマ30Tはフラグ設定回路30Fからフラグが設定
される。また、タイマ30Tでは画像処理の繰返しのタイ
ミングや計測時間を制御する。二値化回路32では濃淡画
像メモリ31Mの信号を二値化し、これを二値化メモリ32M
に格納する。重心位置座標計算回路33では二値化メモリ
32Mに格納した二値化処理画像における魚５に相当する
部分の重心の位置座標を計算し、その結果を位置判定回
路34へ送信する。この位置判定回路34は魚５の位置座標
が水槽１内の上流側（給水側）か下流側（排水側）かを
判定するためのもので、上流側（給水側）位置座標の値
を上流側（給水側）位置設定器34Aより得て魚５の位置
座標値と比較，判定する。判定の結果、上流側（給水
側）位置座標であれば正常、それ以外（下流側（排水
側）位置座標）であれば異常と判定する。正常の場合、
すなわち、上流側（給水側）位置座標の場合はタイマ30
Tに戻り画像処理の繰り返しのタイミングに応じて濃淡
画像信号を濃淡画像メモリ31Mに入力、以下前記の動作
を繰りかえす。また、異常の場合、すなわち下流側（排
水側）位置座標の場合は異常判定回路35に送信される。
異常判定回路35には異常位置回数設定器35Aより下流側
（排水側）位置座標に何回あれば異常と判断するかの回
数が送信される。異常の回数がこの設定回数を越えた場
合は警報装置50へ信号が送信され、それ以外はタイマ30
Tに戻り、画像処理の積算時間Ｔが一回の計測時間Taを
越えるまで前記の動作を繰りかえす。

次に、画像処理装置30の動作を説明する。

A/D変換器31は撮像装置20の信号を受けて濃淡画像信号
をアナログ値からデジタル値に変換し、デジタルの濃淡
画像信号を濃淡画像メモリ31Mに入力する。撮像装置20
では濃淡画像を細かい升目の画素に分割して撮像されて
おり、各画素の明るさが信号となつて出力されている。
本実施例では256分割する。A/D変換器31は各画素の明る
さのアナログ信号をデジタル値に順次変換して、デジタ
ル値を濃淡画像モリ31Mに格納する。濃淡画像メモリ31M
には縦が256個，横が256個の記憶場所があり、各々の記
憶場所に対応する画素の輝度信号がデジタル値で格納さ
れる。この記憶場所のｉ行ｊ列（ｉ＝１〜256,j＝１〜2
56）目の信号、すなわち、輝度をＧ（i,j）と表すもの
とする。A/D変換器31がアナログ値を７ビツトのデジタ
ル値に変換するものであればＧ（i,j）は128レベルのデ
ジタル値を持つことになる。個淡画像メモリ31Mに格納
された個淡画像の輝度Ｇ（i,j）はタイマ30Tから指令さ
れたタイミングに基づいて二値化回路32に送信される。
なお、タイマ30Tにはフラグ設定回路30Fからフラグの値
として０が設定される。後述する一連の画像処理を実行
するタイミングはタイマ30Tにより与えられる。画像処
理を実行する時間間隔をｈとすると、このｈは１〜２秒
に１回程度であり、この時間間隔で以下の画像処理を実
行する。また、タイマ30Tでは積算時間（一回の画像処
理時間がｈであるからｎ回の画像処理ではＴ＝nhとな
る）を計算すると共に、積算時間Ｔが１回の計測時間Ta
を越えるまで次に説明する画像処理動作を繰り返す。一
回の計測時間Taは10分ないし１時間程度である。二値化
回路32では濃淡画像メモリ31Mの輝度Ｇ（i,j）を受けて
しきい値Ｌよりも明るい画素をすべて“0"レベルとし、
逆にしきい値Ｌよりも暗い画素をすべて“1"レベルとし
てこの信号を二値化メモリ32Mに格納する。この二値化
された信号の集合をＢ（i,j）とすると、二値化の計算
は次式で表わされる。

Ｇ（i,j）≧Ｌならば、Ｂ（i,j）＝０ …（１）Ｇ（i,j）≦Ｌならば、Ｂ（i,j）＝１ …（２）（１），（２）式を各画素についてすべて計算すること
により、背景を“0"レベル、魚５を“1"レベルとするこ
とができる。この結果、“1"レベルの集合が魚５を表
し、“0"レベルの集合が背景を表すことになる。重心位
置座標計算回路33は二値化メモリ32Mの信号を受けて魚
５の撮像画像の重心の位置座標を計算する。二値化メモ
リ32Mにおいて、“1"レベルの画素各々について座標
（x,y）のｘ方向成分とｙ方向成分のそれぞれの総和の
平均値により魚５の撮像画像の重心の位置座標は計算さ
れる。例えば、二値化メモリ32Mの画像中の魚５の部分
を表す“1"レベルの画素数がＮ個あつた場合、計算され
る魚５の重心座標（Xa,Ya）は次式で表される。

ここで計算された魚５の図心座標は位置判定回路34に送
信される。位置判定回路34には上流側（給水側）位置設
定器34AよりＸ方向の位置座標（ｘ）と、どこまでを上
流側（給水側）位置と判定するかその範囲が同時に送信
され、前記範囲内に入つている場合は正常と判断し、タ
イマ30Tに戻り画像処理の繰り返しのタイミングに応じ
て濃淡画像信号を濃淡画像メモリ31Mに入力、以下前述
の動作を繰りかえす。また、前記範囲内から外れている
場合は異常と判断し、異常判定回路35に送信される。異
常判定回路35には異常位置回数設定器35Aより、前記範
囲内から何回外れたら異常と判断するかの回数が送信さ
れており、計測時間Ta内で魚５がこの許容回数Ｎを越え
た時間Ta″に警報装置50へ信号が送信される。例えば、
異常状態がONで示されるとする警報装置50はブザーを鳴
らしたり、監視者に水質調査を促すためのメツセージを
音声で出力したりする。一方、計測時間Ta内に前記魚５
がこの許容回数Ｎを越えなかつた場合はタイマ30Tに戻
る。なお、上流側（給水側）位置設定器34A、異常位置
回数設定器35Aで設定する値は魚の種類，大きさ，水流
の強さなどに応じて変更できる。また、モニターテレビ
60は撮像装置20の画像を表したり、第３図に示すような
魚が異常行動を行つた頻度を表すグラフなどを表示す
る。

以上、水槽1a内の魚5aについて説明したが、水槽および
魚は一つでも良いし複数使用しても良い。本実施例では
三つの水槽および各々の水槽に１尾の魚を使用してい
る。そして、三尾中二尾が異常を示した場合、何等かの
毒物が流入したとして警報を出している。もちろん、安
全サイドに考え三尾中一尾が異常を示した場合、毒物が
流入したとして警報を出してもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、魚の毒物流入に対する反応を敏感でか
つ確実に起こさせる事ができる。また、正常か異常かは
魚が水槽の上流側（給水側）にいるか下流側（排水側）
にいるかの位置を判別すればよいため、あいまいさがな
く確実でしかも短い処理時間で簡単に検出でき水質の安
全確保に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は第１
図における画像処理装置の詳細構成図、第３図は魚の異
常動作を検出する過程を示す図である。１……水槽、５……魚、11……給水管、12……水流制御
手段、13……分流手段、16……合流手段、17……排水
管、18……排水制御手段、20……撮像装置、30……画像
処理装置、50……警報装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者馬場研二茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者矢萩捷夫茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開昭61−19765（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−59260（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定水を導入して魚類を飼育する水槽
と、この水槽内の水流を調整するための水流制御手段
と、この水流制御手段からの水を水槽内に均等に供給す
るための分流手段と、前記水槽からの水を均等に排出す
るための合流手段と、前記水槽への給水量に応じて排水
量を調整する排水制御手段と、該水槽内の魚類を撮像し
その画像情報を電気信号に変換する撮像装置と、該撮像
装置から得られる画像情報により前記魚類を画像認識す
る画像認識手段と、画像認識された前記魚類を２値化し
て抽出する２値化手段と、前記魚類の２値化処理画像に
基づいて前記魚類の位置を計算する位置計算手段と、前
記魚類の位置から毒物の流入を判定する水質異常判定手
段とを具備したことを特徴とする魚態監視による水質安
全監視装置。