JP3519296B2 - 熱画像の自動測定方法及び自動測定装置 - Google Patents

熱画像の自動測定方法及び自動測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体から放射され
た赤外線を検出して物体の温度分布を示す熱画像を表示
する赤外線カメラに係り、特に赤外線カメラの視野に収
まりきれない被観測物体を分割して撮像する熱画像の自
動測定方法及び自動測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、物体から放射された赤外線を検出
して物体の温度分布を示す熱画像を表示する赤外線カメ
ラが各種熱解析に利用されている。赤外線カメラを使っ
て物体の熱解析を行う場合、被観測物体の大きさによっ
ては赤外線カメラの視野に被観測物体が収まりきれない
ことがあり、このような場合には、カメラの向きを変え
ながら被観測物体を部分的に撮像することを複数回繰り
返す必要がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
赤外線カメラでは、カメラの視野に被観測物体が収まり
きれない場合、被観測物体を分割して撮像する必要があ
るので、測定作業が煩雑になるという問題点があった。
また、被観測物体を分割して撮像する際には、測定者が
表示装置に映し出された被観測物体の熱画像を確認しな
がら、赤外線カメラの向きを変えて撮像を行うことにな
る。しかし、この際に、被観測物体の一部が撮像されず
に抜けてしまう撮像漏れが発生するという問題点があっ
た。本発明は、上記課題を解決するためになされたもの
で、被観測物体を自動的に撮像することができ、撮像漏
れが発生することのない熱画像の自動測定方法及び自動
測定装置を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の熱画像の自動測
定方法は、請求項1に記載のように、赤外線カメラと被
観測物体との距離を測定し、赤外線カメラの向きを検出
し、前記測定した距離と赤外線カメラの位置と被観測物
体の幅及び高さと赤外線カメラの視野に基づいて各観測
領域が重なりを有するように被観測物体の水平方向の分
割数と鉛直方向の分割数を算出し、この分割数に基づい
て被観測物体の各観測領域の撮像に必要な赤外線カメラ
の向きを算出し、この算出結果と前記検出した赤外線カ
メラの向きに基づいて赤外線カメラの向きを変えなが
ら、赤外線カメラに各観測領域を撮像させるようにした
ものである。また、請求項2に記載のように、本発明の
熱画像の自動測定方法は、被観測物体に対して垂直な方
向を0度として赤外線カメラから被観測物体の端を見た
ときの角度を、前記測定した距離と赤外線カメラの位置
と被観測物体の幅及び高さに基づいて算出し、この算出
結果と赤外線カメラの視野角に基づいて前記分割数を算
出するものである。
【0005】また、本発明の熱画像の自動測定装置は、
請求項3に記載のように、被観測物体から放射された赤
外線を検出する赤外線カメラと、赤外線カメラと被観測
物体との距離を測定する測距手段と、赤外線カメラの向
きを検出する測角手段と、赤外線カメラの向きを変える
ための駆動手段と、前記測距手段によって測定された距
離と赤外線カメラの位置と被観測物体の幅及び高さと赤
外線カメラの視野に基づいて各観測領域が重なりを有す
るように被観測物体の水平方向の分割数と鉛直方向の分
割数を算出し、この分割数に基づいて被観測物体の各観
測領域の撮像に必要な赤外線カメラの向きを算出し、こ
の算出結果と前記測角手段によって検出された赤外線カ
メラの向きに基づいて駆動手段を制御して、赤外線カメ
ラの向きを変えながら赤外線カメラに各観測領域を撮像
させる制御手段とを有するものである。また、請求項4
に記載のように、上記制御手段は、被観測物体に対して
垂直な方向を0度として赤外線カメラから被観測物体の
端を見たときの角度を、前記測距手段によって測定され
た距離と赤外線カメラの位置と被観測物体の幅及び高さ
に基づいて算出し、この算出結果と赤外線カメラの視野
角に基づいて上記分割数を算出するものである。
【0006】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明の実施
の形態を示す赤外線カメラの斜視図、図2は赤外線カメ
ラのブロック図である。赤外線カメラ1は、光学レンズ
系2と、被観測物体から放射された赤外線を検出して被
観測物体の温度分布を示す熱画像信号を出力する赤外線
センサ3と、赤外線センサ3から出力された熱画像信号
をディジタル化するA/D変換器4と、A/D変換器4
から出力されたディジタルデータを記憶するメモリ5
と、メモリ5から出力されたディジタルデータを熱画像
データに変換する画像処理部6と、画像処理部6から出
力された熱画像データをアナログ信号に変換するD/A
変換器7と、熱画像を表示するための表示装置8と、赤
外線カメラ1と被観測物体との距離を測定する測距手段
となる距離計9と、赤外線カメラ1の向きを検出する測
角手段となる角度計10と、赤外線カメラ1の向きを変
えるための駆動手段となる電動雲台11と、制御手段と
なるCPU12と、赤外線カメラ1を水平にセットする
ための水準器13とから構成されている。
【0007】被観測物体から放射された赤外線は、光学
レンズ系2を通って赤外線センサ3に入射する。光学レ
ンズ系2は、集光レンズ及び赤外線透過フィルタを含
み、入射光のうちの赤外線だけを赤外線センサ3に集光
すると共に、2次元の熱画像を得るための水平、垂直走
査を行う。こうして、被観測物体の温度を表す出力信号
(以下、熱画像信号と呼ぶ)が赤外線センサ3によって
生成される。なお、光学レンズ系2に機械的な水平、垂
直走査を行わせる代わりに、赤外線センサ3に2次元の
エリアセンサを用いてもよいことは言うまでもない。
【0008】続いて、A/D変換器4は、赤外線センサ
3から出力された熱画像信号をディジタルデータに変換
し、メモリ5は、A/D変換器4から出力されたディジ
タルデータを記憶する。画像処理部6は、メモリ5から
読み出したデータを熱画像として表示可能なデータ、す
なわち各温度レベルが色で表現される熱画像データに変
換する。
【0009】そして、D/A変換器7は、画像処理部6
から出力された熱画像データをアナログ信号に変換して
表示装置8へ出力する。こうして、被観測物体の温度分
布を示す熱画像が表示装置8の画面に表示される。本発
明では、以上のような赤外線カメラ1において、赤外線
カメラ1の視野に収まりきれない被観測物体を分割して
自動的に撮像する熱画像の自動測定を実現する。この自
動測定について以下に説明する。
【0010】ここで、赤外線カメラ1と被観測物体20
を収容する3次元空間に対し、地面に固定された図3の
ようなワールド座標系を定義する。このワールド座標系
では、XZ面を水平に、Y軸を鉛直に設定する。被観測
物体20は、その被観測面がX軸及びY軸と平行で、Z
軸に対して垂直であるとする。そして、X軸は、被観測
物体20に向かって右方向を正、Y軸は、被観測物体2
0に向かって上方向を正、Z軸は、被観測物体20に向
かう方向を正とする。
【0011】また、左右角(水平角)、すなわちY軸回
りの回転角については、図3に示すように左回転を正と
し、上下角(鉛直角)、すなわちX軸回りの回転角につ
いては、右回転を正とし、何れの角度もZ軸の正方向を
0度とする。
【0012】最初に、赤外線カメラ1の左右方向(水平
方向)の視野長及び上下方向(鉛直方向)の視野長から
左右方向の視野角と上下方向の視野角を求める。図4
(a)に示すように、赤外線カメラ1の位置を原点
(0,0,0)、赤外線カメラ1の視野21の左右方
向、上下方向の長さ(視野長)をそれぞれLx、Lyと
したとき、視野21の右上角の座標は、(Lx/2,L
y/2,Lz)となる。なお、Lzは測定距離である。
【0013】そして、原点(0,0,0)と、上記右上
角(Lx/2,Ly/2,Lz)と、座標が(0,Ly
/2,Lz)となる点の3点を結ぶ図4(b)のような
直角三角形により、赤外線カメラ1の左右方向の視野角
Avxは次式のように得られる。
【0014】
【数1】
【0015】同様に、原点(0,0,0)と、右上角
(Lx/2,Ly/2,Lz)と、座標が(Lx/2,
0,Lz)となる点の3点を結ぶ直角三角形により、赤
外線カメラ1の上下方向の視野角Avyは次式のように
得られる。
【0016】
【数2】
【0017】次に、赤外線カメラ1の位置から被観測物
体20の端を見たときの角度を求めるため、被観測物体
20の4角の座標を求める。ここで、被観測物体20
は、図5(a)のように、高さがH、幅がWで、下端の
Y座標が0、Z座標がLz(原点と被観測物体20との
距離がLz)の位置にあるものとする。また、赤外線カ
メラ1の位置座標を(Xc,Yc,0)とする。
【0018】これにより、被観測物体20の右下角の座
標は(W/2,0,Lz)、右上角の座標は(W/2,
H,Lz)、左下角の座標は(−W/2,0,Lz)、
左上角の座標は(−W/2,H,Lz)となる。
【0019】赤外線カメラ1から被観測物体20の右下
角を見たときの左右角Arbは、赤外線カメラ1の位置
(Xc,Yc,0)と、被観測物体20の右下角(W/
2,0,Lz)と、座標が(Xc,0,Lz)となる点
の3点を結ぶ図5(b)のような直角三角形により、次
式のように得られる。
【0020】
【数3】
【0021】ただし、W/2−Xc<0が成立するとき
の左右角は、式(3)の左右角Arbに対して−Arb
となる。同様に、赤外線カメラ1から被観測物体20の
右上角を見たときの左右角Artは、赤外線カメラ1の
位置(Xc,Yc,0)と、被観測物体20の右上角
(W/2,H,Lz)と、座標が(Xc,H,Lz)と
なる点の3点を結ぶ図5(c)のような直角三角形によ
り、次式のように得られる。
【0022】
【数4】
【0023】ただし、W/2−Xc<0が成立するとき
の左右角は、式(4)の左右角Artに対して−Art
となる。一方、赤外線カメラ1から被観測物体20の左
下角を見たときの左右角Albは、赤外線カメラ1の位
置(Xc,Yc,0)と、被観測物体20の左下角(−
W/2,0,Lz)と、座標が(Xc,0,Lz)とな
る点の3点を結ぶ図5(b)のような直角三角形によ
り、次式のように得られる。
【0024】
【数5】
【0025】ただし、−W/2−Xc<0が成立すると
きの左右角は、式(5)の左右角Albに対して−Al
bとなる。同様に、赤外線カメラ1から被観測物体20
の左上角を見たときの左右角Altは、赤外線カメラ1
の位置(Xc,Yc,0)と、被観測物体20の左上角
(−W/2,H,Lz)と、座標が(Xc,H,Lz)
となる点の3点を結ぶ図5(c)のような直角三角形に
より、次式のように得られる。
【0026】
【数6】
【0027】ただし、−W/2−Xc<0が成立すると
きの左右角は、式(6)の左右角Altに対して−Al
tとなる。以上により、最大左右角Axmaxは、次式
のように得られる。 Axmax=max(Arb,Art) ・・・(7) つまり、最大左右角Axmaxは、赤外線カメラ1から
被観測物体20の右下角と右上角を見たときの左右角A
rb,Artのうち大きい方である。
【0028】また、最小左右角Axminは、次式のよ
うに得られる。 Axmin=min(Alb,Alt) ・・・(8) つまり、最小左右角Axminは、赤外線カメラ1から
被観測物体20の左下角と左上角を見たときの左右角A
lb,Altのうち小さい方である。
【0029】次に、赤外線カメラ1から被観測物体20
を見たときの最大上下角、最小上下角を求めるために、
赤外線カメラ1と被観測物体20間の距離が最も短くな
るときのX座標Xdを求める。このXdは、−W/2≦
Xc≦W/2のとき、Xd=Xcであり、Xc<−W/
2のとき、Xd=−W/2であり、Xc>W/2のと
き、Xd=W/2である。
【0030】最大上下角Aymaxは、赤外線カメラ1
の位置(Xc,Yc,0)と、座標が(Xd,Yc,L
z)となる点と、座標が(Xd,H,Lz)となる点の
3点を結ぶ図6のような直角三角形により、次式のよう
に得られる。
【0031】
【数7】
【0032】ただし、H−Yc<0が成立するときの最
大上下角は、式(9)のAymaxに対して−Ayma
xとなる。同様に、最小上下角Ayminは、赤外線カ
メラ1の位置(Xc,Yc,0)と、座標が(Xd,Y
c,Lz)となる点と、座標が(Xd,0,Lz)とな
る点の3点を結ぶ図6のような直角三角形により、次式
のように得られる。
【0033】
【数8】
【0034】ただし、−Yc<0が成立するときの最小
上下角は、式(10)のAyminに対して−Aymi
nとなる。次に、被観測物体20の被観測面を分割して
撮像する際の左右方向の分割数Nx、上下方向の分割数
Nyを求める。図7はこの分割測定の様子を示す説明図
であり、図8は図7の一部を拡大した拡大図である。
【0035】左右方向の分割数Nx、上下方向の分割数
Nyは、左右方向の視野角Avx、上下方向の視野角A
vy、最大左右角Axmax、最小左右角Axmin、
最大上下角Aymax及び最小上下角Ayminに基づ
いて、次式の不等式を満たす整数を求めることで得られ
る。 NxAvx−(Nx−1)A0≧Axmax−Axmin ・・(11) NyAvy−(Ny−1)A0≧Aymax−Aymin ・・(12)
【0036】なお、オーバラップ角A0は、図8に示す
ように、赤外線カメラ1から見たときの任意の視野21
とその隣の視野21との重なりの角度を示す。次に、1
視野毎の赤外線カメラ1の角度を次式のように算出す
る。 Ax=Axmin−Ax1+(Avx−A0)i+Avx/2 Ax1={Ax2−(Axmax−Axmin)}/2 Ax2=NxAvx−(Nx−1)A0 ・・・(13) Ay=Aymax+Ay1−(Avy−A0)j−Avy/2 Ay1={Ay2−(Aymax−Aymin)}/2 Ay2=NyAvy−(Ny−1)A0 ・・・(14)
【0037】式(13)、式(14)において、i=
0,1,2,・・・,Nx−1、j=0,1,2,・・
・,Ny−1である。Axは、左右方向にNx個並んだ
視野のうちi番目の視野を見たときの赤外線カメラ1の
左右角であり、Ayは、上下方向にNy個並んだ視野の
うちj番目の視野を見たときの赤外線カメラ1の上下角
である。
【0038】以上の計算により、赤外線カメラ1の視野
21に応じて被観測物体20を左右方向にNx個、上下
方向にNy個に分割して撮像することが可能となる。実
際の測定において、赤外線カメラ1を操作する測定者
は、水準器13を用いて赤外線カメラ1を水平にセット
し、赤外線カメラ1のX座標Xc、Y座標Yc、被観測
物体20の幅W、高さHを赤外線カメラ1に入力する。
【0039】赤外線カメラ1の距離計9は、被観測物体
20との距離(水平距離)Lzを測定し、角度計10
は、赤外線カメラ1の向き(水平角、鉛直角)を測定す
る。CPU12は、距離計9によって得られた測定距離
Lzと、外部から入力された赤外線カメラ1のX座標X
c、Y座標Yc、被観測物体20の幅W、高さHに基づ
いて、上述の式(1)〜式(14)により、1視野毎の
赤外線カメラ1の角度を求める。
【0040】なお、CPU12は、赤外線カメラ1の視
野長Lx、Lyを測定距離Lz毎に記憶しており、距離
計9によって得られた測定距離Lzに応じて視野長L
x、Lyを記憶データの中から適宜選択する。
【0041】続いて、CPU12は、算出した角度と角
度計10によって得られた角度に基づいて電動雲台11
を制御する。電動雲台11は、赤外線カメラ1をX軸回
り及びY軸回りに回転させることにより、赤外線カメラ
1の向きを変えることができる。こうして、赤外線カメ
ラ1の向きを変えて視野21を移動させることを複数回
繰り返すことにより、被観測物体20の走査を行うこと
が可能となる。
【0042】例えば、視野21−0の観測領域(図7、
図8の斜線部)を撮像した後で、視野21−0とオーバ
ラップ角A0の重なりを有する視野21−1の観測領域
を撮像する。以下同様に繰り返して視野21−(Nx−
1)の観測領域まで撮像した後、視野21−0とオーバ
ラップ角A0の重なりを有する視野21−Nxの観測領
域を撮像する。このような動作を繰り返すことで、最後
の視野21−(Nx−1Ny−1)の観測領域まで撮像
を行い、被観測物体20の走査を終える。
【0043】なお、被観測物体20の各観測領域を撮像
する際、CPU12は、電動雲台11を制御して赤外線
カメラ1を撮像対象の観測領域に向けた後、赤外線セン
サ3、A/D変換器4、メモリ5を制御して、熱画像の
取り込みを行わせる。
【0044】本実施の形態では、被観測物体20の幅
W、高さHを測定者が設定するようにしているが、CP
U12に予め登録されている既知の値を使用するように
してもよいし、実際の被観測物体20を測定して幅W、
高さHを求めるようにしてもよい。
【0045】幅W、高さHを求めるには、視野の中央
(表示装置8の画面の中央)に被観測物体20の角が写
るようにして、赤外線カメラ1から被観測物体20の角
までの距離を距離計9によって測定する。このようにし
て、被観測物体20の4角までの距離をそれぞれ測定す
れば、CPU12は、この距離と、赤外線カメラ1の位
置座標(Xc,Yc,0)と、距離Lzとに基づいて被
観測物体20の幅W、高さHを計算することができる。
【0046】
【発明の効果】本発明によれば、赤外線カメラと被観測
物体との距離を測定し、測定した距離と赤外線カメラの
視野に応じて被観測物体の水平方向の分割数と鉛直方向
の分割数を算出し、この分割数に基づいて被観測物体の
各観測領域の撮像に必要な赤外線カメラの向きを算出
し、この算出結果と検出した赤外線カメラの向きに基づ
いて赤外線カメラの向きを変えながら、赤外線カメラに
各観測領域を撮像させることにより、被観測物体を分割
して自動的に撮像することができ、測定者の作業負担を
軽減することができる。また、各観測領域の重なり(オ
ーバラップ)を考慮して、被観測物体の水平方向の分割
数と鉛直方向の分割数を算出することができるので、撮
像漏れの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態を示す赤外線カメラの斜
視図である。
【図2】 図1の赤外線カメラのブロック図である。
【図3】 赤外線カメラ及び被観測物体とワールド座標
系との関係を示す図である。
【図4】 赤外線カメラの視野及び視野角を示す図であ
る。
【図5】 赤外線カメラから被観測物体を見たときの左
右角の求め方を示す説明図である。
【図6】 赤外線カメラから被観測物体を見たときの上
下角の求め方を示す説明図である。
【図7】 分割測定の様子を示す説明図である。
【図8】 図7の一部を拡大した拡大図である。
【符号の説明】
1…赤外線カメラ、2…光学レンズ系、3…赤外線セン
サ、4…A/D変換器、5…メモリ、6…画像処理部、
7…D/A変換器、8…表示装置、9…距離計、10…
角度計、11…電動雲台、12…CPU、13…水準
器、20…被観測物体、21、21−0、21−1、2
1−(Nx−1)、21−Nx、21−2(Nx−
1)、21−(Nx−1Ny−1)…視野。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01J 5/00 - 5/62 G08B 13/18 - 13/196 H04N 5/33 G03B 15/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 赤外線カメラの視野に応じて被観測物体
    を複数の観測領域に分割し、赤外線カメラの向きを変え
    ながら各観測領域を撮像することにより、被観測物体の
    熱画像を得る熱画像の自動測定方法であって、 赤外線カメラと被観測物体との距離を測定し、赤外線カメラの向きを検出し、 前記測定した距離と赤外線カメラの位置と被観測物体の
    幅及び高さと赤外線カメラの視野に基づいて各観測領域
    が重なりを有するように 被観測物体の水平方向の分割数
    と鉛直方向の分割数を算出し、 この分割数に基づいて被観測物体の各観測領域の撮像に
    必要な赤外線カメラの向きを算出し、 この算出結果と前記検出した赤外線カメラの向きに基づ
    いて赤外線カメラの向きを変えながら、赤外線カメラに
    各観測領域を撮像させることを特徴とする熱画像の自動
    測定方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の熱画像の自動測定方法に
    おいて、被観測物体に対して垂直な方向を0度として赤外線カメ
    ラから被観測物体の端を見たときの角度を、前記測定し
    た距離と赤外線カメラの位置と被観測物体の幅及び高さ
    に基づいて算出し、この算出結果と赤外線カメラの視野
    角に基づいて前記分割数を算出する ことを特徴とする熱
    画像の自動測定方法。
  3. 【請求項3】 赤外線カメラの視野に応じて被観測物体
    を複数の観測領域に分割し、赤外線カメラの向きを変え
    ながら各観測領域を撮像することにより、被観測物体の
    熱画像を得る熱画像の自動測定装置であって、 被観測物体から放射された赤外線を検出する赤外線カメ
    ラと、 赤外線カメラと被観測物体との距離を測定する測距手段
    と、 赤外線カメラの向きを検出する測角手段と、 赤外線カメラの向きを変えるための駆動手段と、前記測距手段によって測定された距離と赤外線カメラの
    位置と被観測物体の幅及び高さと赤外線カメラの視野に
    基づいて各観測領域が重なりを有するように 被観測物体
    の水平方向の分割数と鉛直方向の分割数を算出し、この
    分割数に基づいて被観測物体の各観測領域の撮像に必要
    な赤外線カメラの向きを算出し、この算出結果と前記
    角手段によって検出された赤外線カメラの向きに基づい
    て駆動手段を制御して、赤外線カメラの向きを変えなが
    ら赤外線カメラに各観測領域を撮像させる制御手段とを
    有することを特徴とする熱画像の自動測定装置。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の熱画像の自動測定装置に
    おいて、 前記制御手段は、被観測物体に対して垂直な方向を0度
    として赤外線カメラから被観測物体の端を見たときの角
    度を、前記測距手段によって測定された距離と赤外線カ
    メラの位置と被観測物体の幅及び高さに基づいて算出
    し、この算出結果と赤外線カメラの視野角に基づいて前
    記分割数を算出するものであることを特徴とする熱画像
    の自動測定装置。
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