特許 6062217 堆積粒状材の粒径計測方法及びシステム並びにプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6062217

(24)【登録日】2016年12月22日

(45)【発行日】2017年1月18日

(54)【発明の名称】堆積粒状材の粒径計測方法及びシステム並びにプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 15/02 20060101AFI20170106BHJP

   G01N 33/24 20060101ALN20170106BHJP

   G06T 7/00 20170101ALN20170106BHJP

【ＦＩ】

   G01N15/02 C

   !G01N33/24

   !G06T7/00 C

   !G06T7/00 200Z

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-247964(P2012-247964)

(22)【出願日】2012年11月11日

(65)【公開番号】特開2014-95644(P2014-95644A)

(43)【公開日】2014年5月22日

【審査請求日】2015年5月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504454060

【氏名又は名称】株式会社アプライド・ビジョン・システムズ

(74)【代理人】

【識別番号】100110711

【弁理士】

【氏名又は名称】市東 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100078798

【弁理士】

【氏名又は名称】市東 禮次郎

(72)【発明者】

【氏名】横田 泰宏

(72)【発明者】

【氏名】阿子島 学

(72)【発明者】

【氏名】伊達 健介

(72)【発明者】

【氏名】高橋 裕信

(72)【発明者】

【氏名】水口 祐司

【審査官】 土岐 和雅

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２４９５５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０９９９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０３６５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３０４５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２７６０７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１０１０３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０４７６１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０３５５２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ１５／００〜１５／１４、３３／００〜３３／４６、Ｇ０６Ｔ７／００、７／２０〜７／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

異なる粒径の粒状材が積み重なった堆積物の一対のステレオ画像を撮影し，前記両画像から堆積物表面全体に分散した複数の離散対応点を選出し且つ各離散対応点の二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルを作成し，前記両画像から各粒状材の輪郭を抽出し，前記両画像から各輪郭上の複数の対応点を検出し且つ前記三次元曲面モデルにより各対応点の二次元座標を三次元座標に変換し，変換した前記各輪郭上の複数の三次元座標を球状又は楕円状で近似することにより各粒状材の粒径を計測してなる堆積粒状材の粒径計測方法。

【請求項2】

異なる粒径の粒状材が積み重なった堆積物の一対のステレオ画像を撮影し，前記両画像から堆積物表面全体に分散した複数の離散対応点を選出し且つ各離散対応点の二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルを作成し，前記両画像から各粒状材の輪郭を抽出し，前記両画像から各輪郭内の代表対応点及び内接径を検出し且つ前記三次元曲面モデルにより各代表対応点の二次元座標を三次元座標に変換すると共に各代表対応点と撮影位置との被写体距離を算出し，算出した前記各代表対応点の被写体距離と各輪郭の内接径と前記ステレオ画像の焦点距離とから各粒状材の粒径を計測してなる堆積粒状材の粒径計測方法。

【請求項3】

請求項１又は２の方法において，前記堆積物中の各粒状材の粒計から粒径ヒストグラムを作成して粒度分布を求めてなる堆積粒状材の粒径計測方法。

【請求項4】

異なる粒径の粒状材が積み重なった堆積物の一対のステレオ画像を撮影する撮像機，前記両画像から堆積物表面全体に分散した複数の離散対応点を選出し且つ各離散対応点の二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルを作成する曲面作成手段，前記両画像から各粒状材の輪郭を抽出する輪郭抽出手段，前記両画像から各輪郭上の複数の対応点を検出し且つ前記三次元曲面モデルにより各対応点の二次元座標を三次元座標に変換する座標算出手段，及び前記各輪郭上の複数の三次元座標を球状又は楕円状で近似することにより各粒状材の粒径を計測する粒径計測手段を備えてなる堆積粒状材の粒径計測システム。

【請求項5】

異なる粒径の粒状材が積み重なった堆積物の一対のステレオ画像を撮影する撮像機，前記両画像から堆積物表面全体に分散した複数の離散対応点を選出し且つ各離散対応点の二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルを作成する曲面作成手段，前記両画像から各粒状材の輪郭を抽出する輪郭抽出手段，前記両画像から各輪郭内の代表対応点及び内接径を検出し且つ前記三次元曲面モデルにより各代表対応点の二次元座標を三次元座標に変換すると共に各代表対応点と撮影位置との被写体距離を算出する座標算出手段，及び前記各代表対応点の被写体距離と各輪郭の内接径と前記撮像機の焦点距離とから各粒状材の粒径を計測する粒径計測手段を備えてなる堆積粒状材の粒径計測システム。

【請求項6】

請求項４又は５のシステムにおいて，前記堆積物中の各粒状材の粒計から粒径ヒストグラムを作成して粒度分布を求める粒度分布算出手段を設けてなる堆積粒状材の粒径計測システム。

【請求項7】

異なる粒径の粒状材が積み重なった堆積物中の各粒状材の粒径を計測するためコンピュータを，前記堆積物の一対のステレオ画像を入力する入力手段，前記両画像から堆積物表面全体に分散した複数の離散対応点を選出し且つ各離散対応点の二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルを作成する曲面作成手段，前記両画像から各粒状材の輪郭を抽出する輪郭抽出手段，前記両画像から各輪郭上の複数の対応点を検出し且つ前記三次元曲面モデルにより各対応点の二次元座標を三次元座標に変換する座標算出手段，及び前記各輪郭上の複数の三次元座標を球状又は楕円状で近似することにより各粒状材の粒径を計測する粒径計測手段として機能させてなる堆積粒状材の粒径計測プログラム。

【請求項8】

異なる粒径の粒状材が積み重なった堆積物中の各粒状材の粒径を計測するためコンピュータを，前記堆積物の一対のステレオ画像を入力する入力手段，前記両画像から堆積物表面全体に分散した複数の離散対応点を選出し且つ各離散対応点の二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルを作成する曲面作成手段，前記両画像から各粒状材の輪郭を抽出する輪郭抽出手段，前記両画像から各輪郭内の代表対応点及び内接径を検出し且つ前記三次元曲面モデルにより各代表対応点の二次元座標を三次元座標に変換すると共に各代表対応点と撮影位置との被写体距離を算出する座標算出手段，及び前記各代表対応点の被写体距離と各輪郭の内接径と前記ステレオ画像の焦点距離とから各粒状材の粒径を計測する粒径計測手段を備えてなる堆積粒状材の粒径計測プログラム。

【請求項9】

請求項７又は８のプログラムにおいて，前記コンピュータを更に，前記堆積物中の各粒状材の粒計から粒径ヒストグラムを作成して粒度分布を求める粒度分布算出手段として機能させてなる堆積粒状材の粒径計測プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は堆積粒状材の粒径計測方法及びシステム並びにプログラムに関し，とくに異なる粒径の粒状材が積み重なった堆積物の画像から各粒状材の粒径を計測する方法及びシステム並びにプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

土木・建築分野では，例えば原石を破砕して砕石・砕砂を製造する場合や，地盤の地滑り性や崩落発生の危険性を予測する場合，コンクリート骨材の品質を管理する場合等において，異なる粒径が混在した粒状材（例えば砕石・砕砂，地盤材，骨材等）の粒度分布を計測することが求められる。比較的小さい粒状材については沈降法，レーザー回折散乱法等の多様な粒度分布の計測法が開発されているが，土木・建築分野で用いる比較的サイズの大きい粒状材（例えば砕石材，地盤材料等）の粒度計測には，異なる網目大きさで繰り返し篩い分けして粒度分布を直接的に計測する方法（篩い分け法）を用いることが多い。ただし，サイズの大きい粒状材は人力で簡単に動かせない場合もあり，従来の篩い分け法による粒度分布計測は多大な労力と時間を要する問題点がある。

【0003】

他方，比較的大きい粒状材の粒度分布を画像処理によって計測する方法が提案されている（特許文献１〜３参照）。例えば図１０（Ａ）に示すような粒状材のデジタル画像Ｇをコンピュータに入力し，陰影等に基づいて画像Ｇを二値化処理し，必要に応じて図１０（Ｂ）に示すようなラベリング・パターンマッチング等の手法を用いることにより，図１０（Ｃ）に示すように個々の粒状材の輪郭（エッジ）を抽出する。次いで，各粒状材の輪郭から粒径ｄを検出し，粒径ｄ別のヒストグラムを作成することにより粒度分布を求める。必要に応じてキャリブレーションに基づく補正（例えば岩石の種類に応じた補正）を施すことにより，画像処理による粒度分布（ヒストグラム）を上述した篩い分けによる粒度分布に近付けることも可能である。ただし，従来の画像処理による一般的な粒度分布の計測方法は，図１０（Ａ）のように計測対象の粒状材を平面状（二次元的）に撒き出し，各粒状材に対する撮影距離（被写体距離）を一定に揃えたうえで画像Ｇを撮影する必要がある。

【0004】

これに対し，例えば山岳トンネル等を掘削する発破工法（発破掘削）等において，図９に示すように発破によって切羽３の周辺に飛散した砕石２（発破ズリ）の粒度分布を求める要望がある（特許文献４参照）。例えば発破ズリ２をコンクリート骨材等として二次利用する場合に，粒度を二次的に調整する後処理（二次的粉砕）の手間をできるだけ削減し，利用目的に応じた粒度近くに粉砕されるように発破を制御するため，発破ズリ２の粒度分布の計測が必要とされる。また，後処理で発破ズリ２の粒度を二次的に処理する場合にも，その二次的な処理量算出の定量的な証拠とするため，発破ズリ２の粒度分布の管理が有用である。ただし，発破ズリ２は工事進捗の観点からできるだけ迅速に切羽から坑外へ運び出す（ズリ出しする）必要があり，図１０（Ａ）のように粒度分布を計測するために平面状に撒き出す時間的・空間的余裕はないので，図９のように相互に積み重なった堆積物１の状態のまま粒度分布を計測できることが望ましい。

【0005】

図９のような堆積物１の状態から粒状材２（発破ズリ）の粒度分布を求める従来方法として，同図に示すように，堆積物１上に複数（少なくとも２つ）の所定大きさのスケール５ａ，５ｂを奥行き方向に離して載置し，そのスケール５ａ，５ｂを含む画像から堆積物１中の各粒状材２の粒径ｄを求める手法が開発されている（非特許文献１参照）。奥行き方向に複数のスケール５ａ，５ｂを載置しておけば，スケール５ａ，５ｂの周辺に存在する粒状材２についてはスケール５ａ，５ｂと画素数（ピクセル）を比較して粒径ｄを求め，スケール５ａ，５ｂに挟まれた領域の粒状材２については両スケール５ａ，５ｂの画素数（ピクセル）を奥行き方向に内挿して粒径ｄを求めることができる。スケール５を用いて堆積物１中の各粒状材２の粒径ｄが求まれば，上述した図１０の場合と同様に粒径ｄ別のヒストグラムを作成して粒度分布を求めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００３−０１０７２６号公報

【特許文献2】特開２００６−０７８２３４号公報

【特許文献3】特開２００９−０３６５３３号公報

【特許文献4】特開２０１２−０４７６１３号公報

【特許文献5】特開平８−１０１０３５号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】”Ｓｐｌｉｔ−Ｄｅｓｋｔｏｐ ｒｏｃｋ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ”，Ｓｐｌｉｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＬＬＣ，２０１２年５月，インターネット（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｐｌｉｔｅｎｇ．ｃｏｍ／ｓｐｌｉｔ−ｄｅｓｋｔｏｐ／）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし，図９のようにスケール５を用いて堆積物１中の粒状材２の粒径を計測する方法は，スケール５の周辺やスケール５に挟まれた内側領域の粒状材２の粒径を内挿法によって計測することになるが，スケール設置による単眼手法では内挿入について直線的又は平面的な挿入しかできないため，計測結果の安定性がよくない問題点がある。また，スケールの外側領域（外挿部）において粒状材２の粒径の計測精度が低下する問題点がある。すなわち，図９の方法においてスケール５ａの上側，スケール５ｂの下側，両スケール５ａ，５ｂの左右の外側領域の粒状材２は，何れかのスケールの画素数（ピクセル）から奥行き方向又は水平方向に外挿して粒径ｄを予測することになるが，堆積物１の表面は平面的ではなく三次元的な曲面となっているので，外挿の予測方法が難しく粒径ｄの誤差が大きくなりがちである。

【0009】

図９において，例えば堆積物１上に載置するスケール５の数を増やすことにより，上述した粒径の計測精度の低下する範囲を小さく抑えることが期待できる。しかし，例えば発破直後の切羽付近の岩盤は不安定となっている可能性があり，発破ズリの堆積物１も不安定な状態で積み重なっているので，堆積物１上に多数のスケール５を載置する作業には危険を伴う。図９のように不安定に積み重なった堆積物１の状態のまま各粒状材（発破ズリ）２の粒度分布を精度よく且つ安全に計測するためには，スケール５を用いずに堆積物１中の各粒状材２の粒径ｄを計測できる技術の開発が必要である。

【0010】

そこで本発明の目的は，堆積物中の各粒状材の粒径をスケールなしで計測できる方法及びシステムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

図２の流れ図及び図７の実施例を参照するに，一側面において本発明は，異なる粒径の粒状材２が積み重なった堆積物１（図３参照）の一対のステレオ画像ＧＲ，ＧＬを撮影し，両画像ＧＲ，ＧＬから堆積物１の表面全体に分散した複数の離散対応点Ｓ（図６（Ｂ）参照）を選出し且つ各離散対応点Ｓの二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルＦ（図６（Ｃ）参照）を作成し，両画像ＧＲ，ＧＬから各粒状材２の輪郭２ｐを抽出し（図２のステップＳ１０３，図６（Ａ）及び図７（Ａ）参照），両画像ＧＲ，ＧＬから各輪郭２ｐ上の複数の対応点Ｔを検出し且つ三次元曲面モデルＦにより各対応点Ｔの二次元座標を三次元座標に変換し（図２のステップＳ１０４〜Ｓ１０５，図７（Ａ）〜（Ｂ）参照），変換した各輪郭２ｐ上の複数の三次元座標を球状又は楕円状で近似することにより各粒状材２の粒径ｄを計測してなる堆積粒状材の粒径計測方法を提供する（図２のステップＳ１０６，図７（Ｃ）〜（Ｄ）参照）。

【0012】

また，図１のブロック図及び図７の実施例を参照するに，他の側面においては，異なる粒径の粒状材２が積み重なった堆積物１（図３参照）の一対のステレオ画像ＧＲ，ＧＬを撮影する撮像機３０，両画像ＧＲ，ＧＬから堆積物１の表面全体に分散した複数の離散対応点Ｓ（図６（Ｂ）参照）を選出し且つ各離散対応点Ｓの二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルＦ（図６（Ｃ）参照）を作成する曲面作成手段２１，両画像ＧＲ，ＧＬから各粒状材２の輪郭２ｐを抽出する輪郭抽出手段２２（図６（Ａ）及び図７（Ａ）参照），両画像ＧＲ，ＧＬから各輪郭２ｐ上の複数の対応点Ｔを検出し且つ三次元曲面モデルＦにより各対応点Ｔの二次元座標を三次元座標に変換する座標算出手段２３（図７（Ａ）〜（Ｂ）参照），及び各輪郭２ｐ上の複数の三次元座標を球状又は楕円状で近似することにより各粒状材２の粒径ｄを計測する粒径計測手段２６（図７（Ｃ）〜（Ｄ）参照）を備えてなる堆積粒状材の粒径計測システムを提供する。

【0013】

また，更に他の側面において本発明は，図４の流れ図及び図８の実施例に示すように，異なる粒径の粒状材２が積み重なった堆積物１（図３参照）の一対のステレオ画像ＧＲ，ＧＬを撮影し，両画像ＧＲ，ＧＬから堆積物１の表面全体に分散した複数の離散対応点Ｓ（図６（Ｂ）参照）を選出し且つ各離散対応点Ｓの二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルＦ（図６（Ｃ）参照）を作成し，両画像ＧＲ，ＧＬから各粒状材２の輪郭２ｐを抽出し（図２のステップＳ１０３，図６（Ａ）及び図７（Ａ）参照），両画像ＧＲ，ＧＬから各輪郭２ｐ内の代表対応点Ｃ及び内接径Ｒｐを検出し且つ三次元曲面モデルＦにより各代表対応点Ｃの二次元座標を三次元座標に変換すると共に各代表対応点Ｃと撮影位置との被写体距離Ｌを算出し（図４のステップＳ２０４〜Ｓ２０５，図８（Ａ）〜（Ｂ）参照），算出した各代表対応点Ｃの被写体距離Ｌと各輪郭２ｐの内接径Ｒｐとステレオ画像ＧＲ，ＧＬの焦点距離ｆとから各粒状材２の粒径ｄを計測してなる堆積粒状材の粒径計測方法を提供する（図４のステップＳ２０６，図８（Ｃ）参照）。

【0014】

更に他の側面において本発明は，図４の流れ図及び図８の実施例を参照するに，異なる粒径の粒状材２が積み重なった堆積物１（図３参照）の一対のステレオ画像ＧＲ，ＧＬを撮影する撮像機３０，両画像ＧＲ，ＧＬから堆積物１の表面全体に分散した複数の離散対応点Ｓ（図６（Ｂ）参照）を選出し且つ各離散対応点Ｓの二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルＦ（図６（Ｃ）参照）を作成する曲面作成手段２１，両画像ＧＲ，ＧＬから各輪郭２ｐ内の代表対応点Ｃ及び内接径Ｒｐを検出し且つ三次元曲面モデルＦにより各代表対応点Ｃの二次元座標を三次元座標に変換すると共に各代表対応点Ｃと撮影位置との被写体距離Ｌを算出する座標算出手段２３（図８（Ａ）〜（Ｂ）参照），及び各代表対応点Ｃの被写体距離Ｌと各輪郭２ｐの内接径Ｒｐとステレオ画像ＧＲ，ＧＬの焦点距離ｆとから各粒状材２の粒径ｄを計測する粒径計測手段２６を備えてなる堆積粒状材の粒径計測システムを提供する。

【発明の効果】

【0015】

本発明による堆積粒状材の粒径計測方法及びシステムは，堆積物１の一対のステレオ画像ＧＲ，ＧＬからその堆積物１中の各粒状材２の輪郭２ｐを抽出し，両画像ＧＲ，ＧＬから堆積物１の表面全体に分散した複数の離散対応点Ｓを選出し且つ各離散対応点Ｓの二次元座標から三次元座標をステレオ画像法により算出して堆積物表面の三次元曲面モデルＦを作成し，画像ＧＲ，ＧＬから各輪郭２ｐ上の複数の対応点Ｔ又は各輪郭２ｐ内の代表対応点Ｃを検出し且つその対応点Ｔ又はＣの二次元座標を三次元曲面モデルＦにより三次元座標に変換すると共に各代表対応点Ｃと撮影位置との被写体距離Ｌを算出し，各輪郭２ｐ上の複数の三次元座標又は各代表対応点Ｃの被写体距離Ｌから各粒状材２の粒径ｄを計測するので，次の有利な効果を奏する。

【0016】

（イ）ステレオ画像ＧＲ，ＧＬを用いて堆積物１中の各粒状材２の輪郭上又は輪郭内の三次元座標を算出し，その三次元座標から各粒状材２の粒径ｄを計測するので，各粒状材２の粒径ｄと対比するためのスケールを必要としない。
（ロ）スケールと対比する従来方法のように堆積物１の奥行き方向又は水平方向にスケールを外挿して粒径ｄを予測する必要がなく，ステレオ画像ＧＲ，ＧＬに写り込んだ全ての粒状材２の粒径ｄを精度よく計測できる。
（ハ）スケールを載置する手間が省けるので，堆積物１のスレテオ画像ＧＲ，ＧＬを撮影家するだけで各粒状材２の粒径ｄを短時間で計測することができ，例えば時間的制約があって撮影時間が限られているような堆積物１中の粒状材２の粒径計測に適している。
（ニ）また，堆積物１中の粒状材２が不安定な状態で積み重なっている場合でも，スケールを載置する危険作業を必要としないので，各粒状材２の粒径ｄを安全に計測できる。
（ホ）堆積物１の表面全体の三次元曲面モデルＦを作成しておけば，何れかの一方の画像ＧＲ又はＧＬから検出した二次元座標を曲面モデルＦ上へ割り付けることにより三次元座標に変換することができ，一方の画像に写っている粒状材が他方の画像に写らない隠蔽（オクルージョン）が生じた部分の三次元座標も求めることが可能となり，ひいては粒状材の粒径計測精度を高めることが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

以下，添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。

【図1】本発明による粒径計測システムの一実施例のブロック図である。

【図2】本発明による粒径計測方法の処理を示す流れ図の一例である。

【図3】ステレオ画像ＧＲ，ＧＬを撮影する撮像機の一例の説明図である。

【図4】本発明による粒径計測方法の処理を示す流れ図の他の一例である。

【図5】本発明により求めた粒状材の粒径の粒度分布を示すグラフの一例である。

【図6】粒状材の堆積物表面の三次元曲面モデルＦの一例の説明図である。

【図7】各粒状材の輪郭上の対応点Ｔから粒径ｄを計測する原理の説明図である。

【図8】各粒状材の輪郭内の代表対応点Ｃから粒径ｄを計測する原理の説明図である。

【図9】スケールを用いて堆積物中の各粒状材の粒径を計測する従来技術の説明図である。

【図10】粒状体の輪郭から画像処理により粒径を計測する他の従来技術の説明図である。

【図11】従来のステレオ画像法の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１は，発破工法によるトンネル掘削工事で発生する発破ズリ（粒状材）２の粒径計測に適用した本発明の粒径計測システムの実施例を示す。上述したように発破工法では，発破により粉砕された岩石が切羽３の前方に堆積して発破ズリ２となるが（図９参照），発破直後の切羽付近にはガスや粉塵が充満しているので，通常は発破ズリ２の坑外への運び出し（ズリ出し）をガスや粉塵が消えるまで待ち合わせる。図１のシステムによれば，この発破直後からズリ出しまでの待ち合わせ時間を利用して，堆積物１中の各発破ズリ２の粒径ｄを短時間のうちに計測することが可能であり，工事の進捗を妨害することなく発破ズリの粒度分布を求めることができる。ただし，本発明は発破ズリ２への適用に限定されるものではなく，堆積物１となって積み重なった粒状材２の粒径を計測する場合に広く適用可能であり，とくに堆積物１上にスケールを載置することが安全上その他の理由で難しい場合，堆積物１の撮影に時間的制約があって時間が遅れると撮影できなくなってしまう場合等に有効である。

【0019】

図示例の粒径計測システムは，粒状材（発破ズリ）２の堆積物１のステレオ画像ＧＲ，ＧＬを撮影する撮像機３０と，そのステレオ画像ＧＲ，ＧＬを入力して粒状材２の粒径を計測するコンピュータ１０とを有する。図示例の撮像機３０は，例えば図３に示すように一対のデジタルカメラ３１Ｒ，３１Ｌ（以下，ステレオカメラということがある）を所定間隔・所定向きで固定し，三脚３３等により堆積物１と対向させて支持したものである。望ましくは，両カメラ３１Ｒ，３１Ｌを焦点距離その他の内部構造が一定のものとし，後述するステレオ画像法において内部構造の相違による未知数の増加を防ぐ。また，撮像機３０を赤外線カメラ又は近赤外線カメラによって構成することも有効である。赤外線又は近赤外線を用いたステレオカメラにより，例えばガスや粉塵が充満している切羽周辺等の環境下でも，各粒状材２の輪郭が識別できるステレオ画像ＧＲ，ＧＬを撮影できる。

【0020】

図示例のコンピュータ１０は，ステレオ画像ＧＲ，ＧＬからステレオ画像法を利用して粒状材２の輪郭上又は輪郭内の三次元座標を算出する。ステレオ画像法は，図１１に示すように，地上座標系（例えば図３の撮影位置Ｏを原点とする座標系）の対象点Ｐと，撮像機３０のカメラ中心Ｇａ，Ｇｂと，画像ＧＲ，ＧＬ中の像点Ｐａ，Ｐｂとが同一直線上に存在する幾何学的原理に基づくものである。この幾何学的原理は，図１１のように対象点Ｐの三次元座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とし，画像ＧＲ，ＧＬ上の像点Ｐａ，Ｐｂの二次元座標を（Ｘａ，Ｙａ），（Ｘｂ，Ｙｂ）とすると，式（１）及び式（２）のような対象点Ｐと像点Ｐａ，Ｐｂとの関係式として表わすことができる（特許文献５参照）。ここで（Ｘ，Ｙ，Ｚ，１）^Ｔ，（Ｘａ，Ｙａ，１）^Ｔ，及び（Ｘｂ，Ｙｂ，１）^Ｔは，それぞれ対象点Ｐ，像点Ｐａ，及び像点Ｐｂの同次座標系表現による座標である。

【0021】

【0022】

ステレオ画像ＧＲ，ＧＬから対応する像点Ｐａ，Ｐｂの二次元座標（Ｘａ，Ｙａ），（Ｘｂ，Ｙｂ）を求めて式（１）及び式（２）に代入し，式（３）及び式（４）で表わされるＨａ，Ｈｂを用いて式（１）及び式（２）を展開すると，式（５）及び式（６）で定義される行列Ｑ，Ｅを用いて式（７）のような関係式（Ｅ＝ＱＰ）が得られる。また，逆行列Ｑ^−１の存在を条件として，（撮影位置Ｏを原点とする座標系における）対象点Ｐの三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を式（８）により算出することができる。すなわち，図１１に示すスレテオ画像法によれば，式（８）の画像処理パラメタ（Ｑ^−１Ｅ）を用いることにより，両画像ＧＲ，ＧＬ中の対応点Ｐａ，Ｐｂの二次元座標（Ｘａ，Ｙａ），（Ｘｂ，Ｙｂ）から，その対応点Ｐの三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出することができる。

【0023】

式（８）の画像処理パラメタ（Ｑ^−１Ｅ）は，撮像機３０のカメラ３１Ｒ，３１Ｌの相対的向き，焦点距離その他の内部構造に応じて変化するが，例えば焦点距離が一定のカメラ３１Ｒ，３１Ｌを用い，図３のように一対のカメラ３１Ｒ，３１Ｌの向きを固定することにより，計測前に撮像機３０の画像処理パラメタ（Ｑ^−１Ｅ）をキャリブレーション（同定）してコンピュータ１０に記憶しておくことができる（図１の画像処理パラメタ４１参照）。なお，撮像機３０に３台以上のカメラ３１を含めてステレオ画像法を実現することも可能であり，その場合はカメラ台数に応じて行列Ｑ，Ｅの行数が増える。

【0024】

図示例のコンピュータ１０は，上述したステレオ画像法の画像処理パラメタ４１等を記憶する記憶手段１１と，キーボード等の入力装置１３と，ディスプレイ等の出力装置１５とを有する。また，撮像機３０や入力装置１３から堆積物１のステレオ画像ＧＲ，ＧＬその他のデータを入力する入力手段１２と，その両画像ＧＲ，ＧＬから堆積物１中の各粒状材２の輪郭（エッジ）２ｐを抽出する輪郭抽出手段２２と，各粒状材２の輪郭上又は輪郭内の三次元座標をステレオ画像法により算出する座標算出手段２３と，各粒状材２の三次元座標から粒径ｄを計測する粒径計測手段２６と，計測した各粒状材２の粒径ｄその他を出力装置１５へ出力する出力手段１４とを有している。輪郭抽出手段２２，座標算出手段２３，粒径計測手段２６の一例は内蔵プログラムであるが，ハードウェアとすることも可能である。図示例のコンピュータ１０は，計測した各粒状材２の粒径ｄから粒径ヒストグラムを作成して粒度分布を求める粒度分布算出手段２７を有しているが，粒度分布の計測は本発明に必須のものではない。また，両画像ＧＲ，ＧＬから堆積物１の表面の三次元曲面モデルＦを作成する曲面作成手段２１を有しているが，三次元曲面モデルＦの作成も本発明に必須のものではない。

【0025】

図２は，図１のシステムを用いて堆積物１中の各粒状材２の粒径ｄを計測する本発明の計測方法の流れ図の一例を示す。以下，図２の流れ図を参照して図１のシステムを説明する。図２のステップＳ１０１は，上述した撮像機３０により堆積物１のステレオ画像ＧＲ，ＧＬを撮影してコンピュータ１０に入力する処理を表わす。ステップＳ１０２については後述する。ステップＳ１０３において，ステレオ画像ＧＲ，ＧＬをコンピュータ１０の輪郭抽出手段２２へ入力し，上述した図１０の場合と同様に各画像ＧＲ，ＧＬを陰影等に基づいて二値化処理し，必要に応じてラプラシアン等のエッジ抽出手法，ラベリング等の領域分割手法を用いることにより，図６（Ａ）に示すように各画像ＧＲ，ＧＬ中の各粒状材２の輪郭２ｐを抽出した二値化輪郭画像を作成する。

【0026】

図２のステップＳ１０４において，輪郭抽出手段２２で抽出した各粒状材２の輪郭２ｐ（図６（Ａ）の輪郭画像）を，ステレオ画像ＧＲ，ＧＬと共に座標算出手段２３へ入力し，図７（Ａ）に示すように，座標算出手段２３の輪郭座標算出手段２４において，両ステレオ画像ＧＲ，ＧＬから各輪郭２ｐ上の複数の対応点Ｔを検出する。例えば，何れか一方の画像ＧＲ（又はＧＬ）から特定の画素位置の像点Ｔを選択し，その像点Ｔの周囲の輝度パターン（例えば画素数ｎ×ｎの輝度パターン）を他方の画像ＧＬ（又はＧＲ）上で移動させながら輝度相関（例えば画素数ｎ×ｎの輝度差）が最も小さい点をピンポイントで検索することにより，他方の画像ＧＬ（又はＧＲ）に対応する像点Ｔを検出する（輝度相関法）。また，一方の画像ＧＲ上の画素位置に対応する他方の画像ＧＬ上の画素位置は，画像ＧＲ上の画素位置から作成される画像ＧＬ上のエピポーラ線上に存在するというエピポーラ幾何の原理を利用して，画像ＧＬ上のエピポーラ線上（近傍）を探索範囲として輝度相関をとることにより，両画像ＧＲ，ＧＬの対応点Ｔの検出精度を高めることができる。更に，ステレオ画像法のパラメータ（例えば最大／最小距離）を利用して探索範囲を絞り込むことも可能である。この方法により，図７（Ｂ）に示すように，両画像ＧＲ，ＧＬ中に存在する各輪郭２ｐ上にそれぞれ複数（好ましくは３以上）の対応点Ｔを精度よく検出することができる。

【0027】

図２のステップＳ１０５において，ステップＳ１０４において両画像ＧＲ，ＧＬから検出した各対応点Ｔの二次元座標をスレテオ画像法の画像処理パラメタ４１（例えば式（８）のＱ^−１Ｅ）へ代入することにより，その対応点Ｔの（撮影位置Ｏを原点とする座標系における）三次元座標を算出する。次いでステップＳ１０６において，座標算出手段２３の輪郭座標算出手段２４において算出した両画像ＧＲ，ＧＬ中の各輪郭２ｐ上の複数の三次元座標を粒径計測手段２６へ入力し，粒径計測手段２６において各輪郭２ｐ上の複数の三次元座標からその輪郭２ｐに対応する粒状材２の粒径ｄを計測する。例えば図７（Ｃ）に示すように粒状材２を球体で近似する場合は，その球状表面（輪郭）上の３以上の三次元座標から粒径ｄを求めることができる。また図７（ｄ）に示すように粒状材２を楕円体で近似する場合は，その曲面状表面（輪郭）上の４以上の三次元座標から粒径ｄ（又は短径ｄ１・長径ｄ２）を求めることができる。

【0028】

図２のステップＳ１０３〜Ｓ１０６により，両画像ＧＲ，ＧＬに共通に写り込んだ粒状材２の粒径ｄを精度よく計測できるが，何れか一方の画像ＧＲ（又はＧＬ）に写っている粒状材２が他方の画像ＧＬ（又はＧＲ）に写らない隠蔽（オクルージョン）が生じた部分については粒径ｄを求めることができない。また，ステップＳ１０３〜Ｓ１０６の処理は計算量が非常の多いため，両画像ＧＲ，ＧＬ中に多数の粒状材２が写り込んでいる場合に，各粒状材２の粒径ｄを計測する演算処理に時間がかかる。隠蔽（オクルージョン）が生じた部分の粒径ｄをも考慮する必要がある場合や，各粒状材２の粒径ｄを迅速に確認する必要がある場合は，以下に説明する堆積物１の表面の三次元曲面モデルＦを利用することにより，ステップＳ１０３〜Ｓ１０６において一方の画像ＧＲ又はＧＬから粒状材２の表面（輪郭）の三次元座標を算出して粒径ｄを計測することも可能である。

【0029】

図２のステップＳ１０２は，コンピュータ１０の曲面作成手段２１にステレオ画像ＧＲ，ＧＬを入力し，図６（Ｂ）に示すように堆積物１の表面全体に分散した複数の離散対応点Ｓの二次元座標を選出し，ステレオ画像法によって各離散対応点Ｓの三次元座標を求めることにより，図６（Ｃ）に示すような堆積物表面の三次元曲面モデルＦを作成する処理を示す。複数の離散対応点Ｓは例えば一方の画像ＧＲ（又はＧＬ）を出力装置１５に表示しながら入力装置１３経由で適宜にｎ点を選び出し，上述した輝度相関法によって他方の画像ＧＬ（又はＧＲ）から画像ＧＲ中の離散対応点Ｓと対応する点Ｓを検出し，両画像ＧＲ，ＧＬ中の対応点Ｓの二次元座標から画像処理パラメタ４１により各離散対応点Ｓの三次元座標を算出することができる。算出した各離散対応点Ｓの三次元座標を相互連結する（例えば三次元座標から二次曲面の方程式を求める）ことにより，図６（Ｃ）のように堆積物表面に沿った三次元形状を表わした曲面モデルＦを作成する。例えば図６（Ｄ）のようなメッシュ状の離散対応点パターン４０をコンピュータ１の記憶手段１１に記録しておき，その離散対応点パターン４０を一方の画像ＧＲ（又はＧＬ）と重畳することにより像点Ｓを選出する方法も考えられる。

【0030】

ステップＳ１０２において堆積物表面の三次元曲面モデルＦを作成しておけば，ステップＳ１０４〜Ｓ１０５において，上述した両画像ＧＲ，ＧＬの輪郭２ｐ上の対応点Ｔの三次元座標をステレオ画像法によって求める処理に代えて又は加えて，図６（Ｅ）に示すように，座標算出手段２３の輪郭座標算出手段２４によって，何れか一方の画像ＧＲ（又はＧＬ）から輪郭２ｐ上の像点Ｔを選択し，その像点Ｔの二次元座標を三次元曲面モデルＦ上へ割り付けることにより三次元座標に変換することができる。例えば，図６（Ｅ）における輪郭２ｐ上の像点Ｔ１は，離散対応点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６で囲まれた区画内に存在するから，各離散対応点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６の三次元座標を内挿して像点Ｔ１を三次元曲面モデルＦ上へ割り付けることにより，像点Ｔ１の三次元座標が求まる。同様に，図６（Ｅ）における輪郭２ｐ上の像点Ｔ２は，離散対応点Ｓ３，Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８で囲まれた区画内に存在しているから，それらの三次元座標を内挿することにより像点Ｔ１を三次元曲面モデルＦ上へ割り付けて三次元座標を求めることができる。輪郭２ｐ上の像点Ｔ１の三次元座標が求まれば，上述したステップＳ１０６において，粒径計測手段２６により輪郭２ｐに対応する粒状材２の粒径ｄを計測することができる。

【0031】

図２のステップＳ１０７は，必要に応じて粒径計測手段２６で計測した各粒状材２の粒径ｄを粒度分布算出手段２７へ入力し，各粒状材２の粒径ヒストグラムを作成して粒状材２の粒度分布を求める処理を示す。例えば図５に示すように，発破による堆積物１中の各発破ズリ２の粒径ｄ毎に，その粒径ｄ以下の発破ズリ２の累積数を計算して粒径ヒストグラム（累積ヒストグラム）を作成する。図５は，同じ発破による堆積物１中の各発破ズリ２から従来の篩い分け法により求めた粒度分布（粒径加積曲線）を併せて示しており，図２の流れ図によって従来の篩い分け法とほぼ同程度の精度の粒度分布が求まることを表わしている。更に必要な場合は，図２の流れ図に沿って求めた粒度分布（粒径ヒストグラム）に対して適当な補正を施すことにより，篩い分けによる粒度分布（粒径加積曲線）に更に近付けることも可能である。

【0032】

図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０７により粒状材（発破ズリ）２の粒径ｄ及び粒度分布を求めたのち，ステップＳ１０８において粒径ｄの計測を終了するか否かを判断する。計測を継続する場合はステップＳ１０１に戻り，例えば次回の発破により生じた発破ズリ２の堆積物１のステレオ画像ＧＲ，ＧＬを入力し，ステップＳ１０２〜１０７を繰り返すことにより次回の発破ズリ２の粒径ｄ及び粒度分布を求める。図２の流れ図によれば，ステレオ画像ＧＲ，ＧＬから堆積物１中の各粒状材２の粒径ｄを計測できるので，各粒状材２の粒径ｄと対比するためのスケールを必要としない。従って，従来のスケールと対比する計測方法のようにスケールを外挿して粒状材２の粒径ｄを予測する必要がなく，堆積物１中の全て粒状材２の粒径ｄを精度よく計測できる。また，堆積物１中の粒状材２が不安定な状態で積み重なっている場合でも，スケールを載置する危険作業を必要としないので，各粒状材２の粒径ｄを安全に計測できる。

【0033】

こうして本発明の目的である「堆積物中の各粒状材の粒径をスケールなしで計測できる方法及びシステム」を提供することができる。

【実施例1】

【0034】

図４は，図１のシステムを用いて堆積物１中の各粒状材２の粒径ｄを計測する本発明の他の計測方法の流れ図を示す。図４のステップＳ２０１〜Ｓ２０３は，上述した図２の流れ図のステップＳ１０１〜Ｓ１０３と同様の処理である。ステップＳ２０４において，座標算出手段２３により，図７（Ａ）のように両画像ＧＲ，ＧＬから各輪郭２ｐ上の対応点Ｔを検出する処理（輪郭座標算出手段２４）に代えて，図８（Ａ）のように両画像ＧＲ，ＧＬから各輪郭２ｐ内の代表対応点Ｃ及び内接径Ｒｐを検出する処理（代表座標算出手段２５）を行う。またステップＳ２０５において，各代表対応点Ｃの二次元座標をスレテオ画像法の画像処理パラメタ４１へ代入することにより，その代表対応点Ｃの（撮影位置Ｏを原点とする座標系における）三次元座標を算出すると共に，その代表対応点Ｃと撮影位置Ｏとの間の被写体距離（又は撮影距離）Ｌを算出する。

【0035】

例えば図４のステップＳ２０４〜Ｓ２０５において，図８（Ｂ）に示すように，何れか一方の画像ＧＲ（又はＧＬ）から特定の輪郭２ｐから抽出岩石の重心位置（岩石を構成する領域の重心位置）及び内接円の直径を代表像点Ｃ及び内接径Ｒｐとして選択し，上述した窓相関法によって他方の画像ＧＬ（又はＧＲ）から中心像点Ｃと対応する像点Ｃを検出し，両画像ＧＲ，ＧＬの像点Ｃの二次元座標と画像処理パラメタ４１とから代表対応点Ｃの三次元座標及び被写体距離Ｌを算出することができる。抽出岩石の代表像点Ｃを内接円の中心ではなく全体のバランス中心である重心位置とすることにより，例えばひょうたん型や細長い形状など異形な岩石であっても，岩石の粒径を精度よく求めることが期待できる。ただし，岩石の異形性を問題としない場合は，抽出岩石の輪郭２ｐから内接円の中心を代表像点Ｃとして選択することも可能である。

【0036】

次いで，図４のステップＳ２０６において，座標算出手段２３の代表座標算出手段２５において算出した各輪郭２ｐ内の代表点Ｃの被写体距離Ｌを粒径計測手段２６へ入力し，粒径計測手段２６において図８（Ｃ）に示すように，各輪郭２ｐ内の代表点Ｃの被写体距離Ｌと各輪郭２ｐの内接径Ｒｐと撮像機３０の焦点距離ｆとから各粒状材２の粒径ｄ（＝Ｒｐ×Ｌ／Ｆ）を算出する。撮像機３０の焦点距離ｆは，上述した画像処理パラメタ４１と共に予め同定してコンピュータ１０の記憶手段１１に記憶しておくことができる。

【0037】

図４のステップＳ２０３〜Ｓ２０６においても，両画像ＧＲ，ＧＬに共通に写り込んだ粒状材２の粒径ｄを精度よく計測できるが，隠蔽（オクルージョン）が生じた部分の粒径ｄを求めることができない。そのためステップＳ２０２において，上述した図４のステップＳ１０２と同様に堆積物表面の三次元曲面モデルＦを作成しておき，ステップＳ２０４〜Ｓ２０５において上述した輪郭２ｐ内の代表対応点Ｃの三次元座標をステレオ画像法によって求める処理に代えて又は加えて，図６（Ｆ）に示すように，座標算出手段２３の代表座標算出手段２５によって，何れか一方の画像ＧＲ（又はＧＬ）から輪郭２ｐ内の代表像点Ｃを選択し，その像点Ｃの二次元座標を三次元曲面モデルＦ上へ割り付けることにより三次元座標に変換することができる。例えば，図６（Ｆ）における輪郭２ｐ内の代表像点Ｃは，離散対応点Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７で囲まれた区画内に存在するから，その離散対応点Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７の三次元座標を内挿して像点Ｃを三次元曲面モデルＦ上へ割り付けることにより，像点Ｃの三次元座標が求まる。輪郭２ｐ内の代表像点Ｃの三次元座標が求まれば，上述したように代表対応点Ｃと撮影位置Ｏとの間の被写体距離（又は撮影距離）Ｌを算出し，ステップＳ２０６において粒径計測手段２６により各粒状材２の粒径ｄ（＝Ｒｐ×Ｌ／Ｆ）を計測することができる。

【符号の説明】

【0038】

１…堆積物 ２…粒状材
２ｐ…輪郭 ３…切羽
５ａ，５ｂ…スケール
１０…コンピュータ １１…記憶手段
１２…入力手段 １３…入力装置
１４…出力手段 １５…出力装置
２１…曲面作成手段 ２２…輪郭抽出手段
２３…座標算出手段 ２４…輪郭座標算出手段
２５…代表座標算出手段 ２６…粒径計測手段
２７…粒度分布算出手段
３０…撮像機 ３１Ｒ，３１Ｌ…カメラ
３３…三脚
４０…離散対応点パターン ４１…画像処理パラメタ
Ｃ…代表対応点 ｄ…粒径
Ｆ…三次元曲面モデル Ｇ…カメラ中心
ｆ…焦点距離 Ｌ…被写体距離
Ｏ…撮影位置 Ｐ…対象点（対応点）
Ｒｐ…輪郭２ｐの内接径 Ｓ…離散対応点
Ｔ…輪郭上対応点
Ｇ…デジタル画像 ＧＲ，ＧＬ…ステレオ画像

【図1】

【図2】

【図4】

【図6】

【図7】

【図8】

【図11】

【図3】

【図5】

【図9】

【図10】