2025-5457 線路空間の計測方法、及び、線路空間の計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025005457

(43)【公開日】2025-01-17

(54)【発明の名称】線路空間の計測方法、及び、線路空間の計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/245 20060101AFI20250109BHJP

【ＦＩ】

G01B11/245 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023105583

(22)【出願日】2023-06-28

(71)【出願人】

【識別番号】592145268

【氏名又は名称】ＪＲ東日本コンサルタンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(72)【発明者】

【氏名】小林 三昭

(72)【発明者】

【氏名】渋谷 研一

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA53

2F065BB12

2F065CC35

2F065FF01

2F065FF05

2F065FF42

2F065JJ03

2F065JJ05

2F065JJ08

2F065JJ26

2F065KK01

2F065MM07

2F065PP02

2F065QQ03

2F065QQ24

2F065QQ38

(57)【要約】

【課題】線路空間の計測方法及び計測装置において、鉄道車両が走行する線路空間の連続した３次元形状情報を高精度に取得することができるようにする。
【解決手段】線路空間の計測方法は、鉄道車両が走行する線路空間にある物体の形状をコンピュータにより計測する線路空間の計測方法であって、前記鉄道車両に設置された複数の撮像装置（左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３）により同一のタイミングで撮像された複数の画像を取得する工程と、前記同一のタイミングで撮像された前記複数の画像に基づいて、前記複数の撮像装置の画角に収まる前記線路空間（範囲ｓｒ）のうち、前記鉄道車両の進行方向における一部の空間（「距離ｒ」から「距離ｒ＋速度Ｖ×撮影間隔Ｓ」まで）の３次元形状情報を取得する工程と、前記複数の撮像装置の撮像タイミングごとの前記３次元形状情報を重ね合わせる工程とを含む。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄道車両が走行する線路空間にある物体の形状をコンピュータにより計測する線路空間の計測方法であって、
前記鉄道車両に設置された複数の撮像装置により同一のタイミングで撮像された複数の画像を取得する工程と、
前記同一のタイミングで撮像された前記複数の画像に基づいて、前記複数の撮像装置の画角に収まる前記線路空間のうち、前記鉄道車両の進行方向における一部の空間の３次元形状情報を取得する工程と、
前記複数の撮像装置の撮像タイミングごとの前記３次元形状情報を重ね合わせる工程と
を含むことを特徴とする線路空間の計測方法。

【請求項2】

前記一部の空間は、前記複数の撮像装置の画角に収まる前記線路空間のうち、前記複数の撮像装置側の空間端部から所定の距離で制限された空間である
ことを特徴とする請求項１記載の線路空間の計測方法。

【請求項3】

前記３次元形状情報を取得する工程では、前記３次元形状情報を前記鉄道車両の内部を基準とする第１座標系上の座標値で取得し、
前記３次元形状情報を重ね合わせる工程では、前記第１座標系の座標値を、測地系に対応した第２座標系の座標値に変換し、前記３次元形状情報を前記第２座標系の座標値に基づいて重ね合わせる
ことを特徴とする請求項１記載の線路空間の計測方法。

【請求項4】

鉄道車両が走行する線路空間にある物体の形状を計測する線路空間の計測装置であって、
前記鉄道車両に設置された複数の撮像装置により同一のタイミングで撮像された複数の画像を取得する画像取得部と、
前記同一のタイミングで撮像された前記複数の画像に基づいて、前記複数の撮像装置の画角に収まる前記線路空間のうち、前記鉄道車両の進行方向における一部の空間の３次元形状情報を取得する３次元形状情報取得部と、
前記複数の撮像装置の撮像タイミングごとの前記３次元形状情報を重ね合わせる重ね合わせ部と
を備えることを特徴とする線路空間の計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄道車両が走行する線路空間にある物体の形状を計測する、線路空間の計測方法及び計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道事業者にとって、線路周辺の地物による建築限界への進入（支障）は、列車の安全に関わる重要な問題である。建築限界へ進入する地物の多くは、線路周辺の植生等であり、現地確認を高頻度で行えれば、事前の対策ができる場合が多い。ただし、営業車両の走行している線路空間に徒歩で立ち入りし、現地確認を高頻度で行うことは困難である。そのため、走行中の鉄道車両から線路空間の確認が行われてきた。従来、鉄道車両からの線路空間の確認方法として次の方法がある。

【0003】

（１）目視による方法
目視による方法は、列車の前頭に作業員が乗り込み、目視で列車周辺の確認を行う方法である。この方法は、作業員の熟練度に依存したり、注視箇所以外の見落としが発生したりするほか、客観的な数値を記録することができない。

【0004】

（２）レーザによる方法
レーザによる方法は、車載写真レーザ測量システムと呼ばれる装置での計測を行う方法である。この装置は、対象物を計測するためにレーザスポット光をミラー等でスキャンし、対象物までの距離と同時に、測定時の位置・姿勢をＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）及びＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）で測定し、レーザスポット光での測定位置をｘ，ｙ，ｚの座標を持つ３次元点群として測定する。この車載写真レーザ測量システムでの測定は、線路空間を連続して計測することができるので長距離の営業線全体を計測するのに適しており、高精度・一定精度での計測が可能である。ただし、計測範囲が広く線路敷地外の計測精度の低い点群データもノイズとして取得してしまうため、データ量が膨大となってしまう。また、車載写真レーザ測量システムが大型となることや、レーザ光は窓ガラスを透過しないことから、搭載できる車両は試験車や計測車などの限定された車両となり、一般の営業車両への搭載はできない。

【0005】

（３）画像による方法
画像による方法は、例えば前頭車の運転席の左右に２台のカメラを搭載し、ステレオ画像を取得し、ステレオマッチングにより視差を取得し、カメラからの距離計算を行う方法である（例えば、特許文献１参照）。また、車両走行中の２台のカメラを用いる方法として、道床バラストの隆起部を測定する方法（例えば、特許文献２参照）や、鉄道車両の建築限界の支障を検知する方法（例えば、非特許文献１参照）などが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１６－１９２１０８号公報

【特許文献2】特開２０１３－２５７２５８号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】林 政裕、有山 幸孝、中島 昇、川崎 恭平、清水 惇、三和 雅史、「画像解析を活用して鉄道の沿線検査業務を支援する「列車巡視支援システム」」、ＮＥＣ技報、Vol.74、No.1、2021年8月、p.81-85

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ここで、車両走行中のステレオカメラを用いて３次元復元を行う参考技術について説明する。この参考技術の方法は、図２２に示すように、車両前頭に設置されたステレオカメラｃｌ，ｃｒで多視点の画像を用いる方法であり、多視点として時刻ｔ０，ｔ１時のステレオカメラ位置の計４視点の画像ｃｌ（ｔ０），ｃｒ（ｔ０），ｃｌ（ｔ１），ｃｒ（ｔ１）を用いて３次元を復元する。

【0009】

このように撮像時間が異なる画像を用いて３次元復元を行う場合、車両前頭に設置されたステレオカメラｃｌ，ｃｒの時刻ｔ０における撮像対象Ａまでの距離と時刻ｔ１における撮像対象Ａまでの距離との違い（ｔ０時距離＞ｔ１時間距離）が考慮されない。そのため、この距離が長いほど大きくなる誤差が反映されないなど、撮像対象Ａを高精度に検出することができない。

【0010】

本発明の目的は、鉄道車両が走行する線路空間の連続した３次元形状情報を高精度に取得することができる、線路空間の計測方法及び計測装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

１つの態様では、線路空間の計測方法は、鉄道車両が走行する線路空間にある物体の形状をコンピュータにより計測する線路空間の計測方法であって、前記鉄道車両に設置された複数の撮像装置により同一のタイミングで撮像された複数の画像を取得する工程と、前記同一のタイミングで撮像された前記複数の画像に基づいて、前記複数の撮像装置の画角に収まる前記線路空間のうち、前記鉄道車両の進行方向における一部の空間の３次元形状情報を取得する工程と、前記複数の撮像装置の撮像タイミングごとの前記３次元形状情報を重ね合わせる工程とを含む。

【0012】

他の１つの態様では、線路空間の計測装置は、鉄道車両が走行する線路空間にある物体の形状を計測する線路空間の計測装置であって、前記鉄道車両に設置された複数の撮像装置により同一のタイミングで撮像された複数の画像を取得する画像取得部と、前記同一のタイミングで撮像された前記複数の画像に基づいて、前記複数の撮像装置の画角に収まる前記線路空間のうち、前記鉄道車両の進行方向における一部の空間の３次元形状情報を取得する３次元形状情報取得部と、前記複数の撮像装置の撮像タイミングごとの前記３次元形状情報を重ね合わせる重ね合わせ部とを備える。

【発明の効果】

【0013】

前記態様によれば、鉄道車両が走行する線路空間の連続した３次元形状情報を高精度に取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】一実施の形態に係る線路空間の計測装置を説明するための機能ブロック図である。

【図2】一実施の形態に係る線路空間の計測装置のハードウェア構成例を示す図である。

【図3】一実施の形態における１つの撮像素子の撮像範囲の大きさを説明するための説明図である。

【図4】一実施の形態における１つの撮像素子に対応する位置精度を説明するための説明図である。

【図5】一実施の形態における中カメラによって撮像されるシミュレーション画像を示す図である。

【図6】一実施の形態における各カメラの画角の算出方法を説明するための説明図である。

【図7】一実施の形態における３つのカメラから画角に収まる最近傍までの距離の算出方法を説明するための説明図である。

【図8】一実施の形態における３次元復元に必要な範囲までの距離の算出方法を説明するための説明図である。

【図9】一実施の形態における距離制限後の３次元復元対象領域を説明するための説明図（その１）である。

【図10】一実施の形態における距離制限後の３次元復元対象領域を説明するための説明図（その２）である。

【図11】一実施の形態における座標変換を説明するための説明図である。

【図12】一実施の形態における線路空間の一例を説明するための説明図である。

【図13】一実施の形態に係る線路空間の計測方法を説明するためのフローチャートである。

【図14】一実施の形態の第１変形例における車両搭載装置及び線路空間の計測装置を示す図である。

【図15】一実施の形態の第１変形例における線路空間の計測方法を説明するためのフローチャートである。

【図16】一実施の形態の第２変形例における線路空間の計測方法を説明するためのフローチャートである。

【図17】一実施の形態の第２変形例における速度計算を説明するための説明図である。

【図18】一実施の形態における線路空間の計測結果を説明するための説明図（その１）である。

【図19】一実施の形態における線路空間の計測結果を説明するための説明図（その２）である。

【図20】一実施の形態における線路空間の計測結果を説明するための説明図（その３）である。

【図21】一実施の形態における線路空間の計測結果を説明するための説明図（その４）である。

【図22】参考技術における３次元復元を説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の一実施の形態に係る、線路空間の計測方法及び計測装置について、図面を参照しながら説明する。

【0016】

図１は、本実施の形態に係る線路空間の計測装置１を説明するための機能ブロック図である。

【0017】

図１に示す線路空間の計測装置１は、画像取得部２と、３次元形状情報取得部３と、重ね合わせ部４と、位置姿勢情報取得部５とを備える。線路空間の計測装置１は、鉄道車両に設置されてもよいが、鉄道車両とは独立して設置される。また、図１に示す車両搭載装置１０は、左カメラ１１と、中カメラ１２と、右カメラ１３と、ＧＮＳＳ受信機１４と、ＩＭＵ１５と、同期装置１６とを備え、鉄道車両の例えば前頭に設置される。これらの線路空間の計測装置１と車両搭載装置１０とを備えるシステムを、線路空間の計測システムと呼ぶことができる。

【0018】

線路空間の計測装置１の画像取得部２は、車両搭載装置１０の左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３により同一のタイミングで撮像された複数の画像を取得する。この画像は、静止画として撮像されたものの全部又は一部であってもよいし、動画として撮像されたものから抽出された画像であってもよい。

【0019】

左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３は、鉄道車両に設置された複数の撮像装置の一例である。左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３は、鉄道車両の進行方向における位置が同一であるとよく、例えば、鉛直方向の高さが同じ高さの位置に等間隔で配置されている。

【0020】

ところで、エピポーラ幾何より、２つの画像のうちの片方の画像内の１点は必ずもう一方の画像内のエピポーラ直線上に存在する。ステレオマッチングは、画像内の１点の周囲の特徴を基に、エピポーラ直線上の点を推定する手法であるが、２つの撮像装置では位置算出時の誤差が大きくなる。そこで、位置算出時の誤差を小さくする観点から、撮像装置を３つ以上とすることが望ましい。

【0021】

なお、複数の撮像装置は、鉛直方向の高さが同じ高さである必要はなく、例えば、複数の撮像装置が鉛直方向に並べられていてもよいし、３つの撮像装置が三角形状をなすように配置されていてもよいし、制限されない。また、撮像装置は、鉄道車両の進行方向における前頭部において撮像を行うことが望ましいが、進行方向における後頭部において撮像を行ってもよい。

【0022】

３次元形状情報取得部３は、左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３によって同一のタイミングで撮像された３つの画像に基づいて、後述する一部の空間（左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３の画角に収まる線路空間のうち、鉄道車両の進行方向における距離制限された一部の空間）の３次元形状情報を取得する。例えば、３次元形状情報取得部３は、左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３によって同一のタイミングで撮像された３つの画像から、ＳｆＭ（Structure from Motion）－ＭＶＳ（Multi-View Stereo）技術を用いた多視点カメラ手法（多眼視カメラ手法）の任意の３次元復元用ソフトウェアを用いて、点群データとして取得可能な領域全体の点群データ（全体３次元形状情報の一例）を取得する。そして、３次元形状情報取得部３は、この全体の点群データから上記一部の空間の点群データ（３次元形状情報の一例）を抽出する。なお、点群データは、３次元座標を持った点データの集合と呼ぶことができる。

【0023】

重ね合わせ部４は、左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３の撮像タイミングごとに取得された上記一部の空間の点群データを重ね合わせる。この重ね合わせ部４の処理については後述する。

【0024】

位置姿勢情報取得部５は、測位衛星システムのＧＮＳＳ受信機１４から走行中の鉄道車両の計測位置情報を取得する。また、位置姿勢情報取得部５は、例えば、ＩＭＵ１５のジャイロセンサから、鉄道車両の姿勢情報を取得する。なお、ＧＮＳＳ受信機１４は、撮像装置（鉄道車両）の位置情報を取得する位置情報取得装置の一例であり、ＩＭＵ１５は、撮像装置（鉄道車両）の姿勢情報を取得する姿勢情報取得装置の一例である。各カメラ１１，１２，１３（鉄道車両）の位置情報及び姿勢情報の取得は、任意の装置で行われればよい。

【0025】

車両搭載装置１０の同期装置１６は、各カメラ１１，１２，１３、ＧＮＳＳ受信機１４、及びＩＭＵ１５に同期信号を送る。例えば、同期装置１６は、所定のタイミングで各カメラ１１，１２，１３に撮像指示を出し、その撮像タイミングでＧＮＳＳ受信機１４の位置情報受信やＩＭＵ１５の姿勢情報取得を行わせるか、或いは撮像タイミング（同期信号）に紐づけた位置情報及び姿勢情報を位置姿勢情報取得部５に取得させる。

【0026】

図２は、線路空間の計測装置１のハードウェア構成例を示す図である。

【0027】

図２に示すコンピュータ２０は、プロセッサ２１と、メモリ２２と、補助記憶装置２３と、入力装置２４と、出力装置２５と、可搬記録媒体２８を駆動する可搬記録媒体駆動装置２６と、バス２７と、通信装置２９とを備える。補助記憶装置２３及び可搬記録媒体２８は、それぞれプログラムを記録した非一過性のコンピュータ読取可能記録媒体の一例である。

【0028】

プロセッサ２１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む１つ以上の任意の処理回路である。プロセッサ２１は、補助記憶装置２３又は可搬記録媒体２８に格納されているプログラムをメモリ２２に展開して実行することで、図１に示す線路空間の計測装置１の機能的構成要素（例えば、画像取得部２、３次元形状情報取得部３、及び重ね合わせ部４）の一部又は全部として機能してもよい。

【0029】

メモリ２２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの任意の半導体メモリである。メモリ２２は、プログラムの実行の際に、補助記憶装置２３又は可搬記録媒体２８に格納されているプログラムまたはデータを記憶するワークメモリとして機能する。補助記憶装置２３は、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリである。補助記憶装置２３は、主に各種データ及びプログラムの格納に用いられる。

【0030】

可搬記録媒体駆動装置２６は、可搬記録媒体２８を収容する。可搬記録媒体駆動装置２６は、メモリ２２又は補助記憶装置２３に記憶されているデータを可搬記録媒体２８に出力することができ、また、可搬記録媒体２８からプログラム及びデータ等を読み出すことができる。可搬記録媒体２８は、持ち運びが可能な任意の記録媒体である。可搬記録媒体２８には、例えば、ＳＤカード、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）フラッシュメモリ、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ(Digital Versatile Disc)などが含まれる。

【0031】

入力装置２４は、キーボード、マウスなどである。出力装置２５は、表示装置、プリンタなどである。

【0032】

通信装置２９は、図１に示す車両搭載装置１０の一部又は全部と通信する無線又は有線の通信モジュールである。なお、通信装置２９は、図１に示す線路空間の計測装置１の機能的構成要素（例えば、画像取得部２、３次元形状情報取得部３、及び重ね合わせ部４）の一部又は全部として機能してもよい。

【0033】

バス２７は、プロセッサ２１、メモリ２２、補助記憶装置２３等を、相互にデータの授受可能に接続する。

【0034】

なお、図２に示すコンピュータ２０の構成は、図１に示す線路空間の計測装置１のハードウェア構成の一例である。線路空間の計測装置１は、この構成に限定されるものではない。線路空間の計測装置１は、汎用装置であっても専用装置であってもよい。線路空間の計測装置１は、例えば、専用設計の電気回路、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などを備えてもよい。また、線路空間の計測装置１は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）を用いて構成されてもよい。

【0035】

図３に示すように左カメラ１１（中カメラ１２及び右カメラ１３も同様）がＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの格子状の撮像素子を有する場合、左カメラ１１の撮像領域における１つの撮像素子の撮像範囲の大きさは、左カメラ１１から撮像対象までの距離が近い方が、撮像範囲が狭くなる。そのため、撮像対象までの距離が近い方が、画像から算出される位置誤差が小さくなり、位置精度が高くなる。

【0036】

図４に示すように、１つの撮像素子の大きさ（幅）をｉｓとし、レンズの焦点距離をｆｌとすると、撮像対象までの距離ｒでの位置精度ｐａ（ｒ）は、「pa(r)=r/fl×is」で表すことができる。この位置精度pa(r)は、距離ｒが短いほど誤差が小さくなるといえる。なお、本実施の形態においては、主に水平面の寸法を例に説明するが、水平面と同様に鉛直面においても同様のことがいえる。

【0037】

図５に示す、中カメラ１２によって撮像されるシミュレーション画像のように、中カメラ１２の画角（画郭）には、鉄道車両の近傍（最近傍）から、消失点を含む遠方までが含まれる。

【0038】

図６に示すように、カメラ（例えば、左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３）の画角２αは、１つの撮像素子の大きさ（幅）ｉｓ、撮像素子の数ｃ、及び焦点距離ｆｌから、「α＝tan^-1((is×c)/(2×fl))」で算出することができる。

【0039】

図７に示す左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３の３つを用いて３次元復元を行うことができる領域は、３つのカメラ１１，１２，１３の画角（２α）に収まる領域（図７で塗りつぶした領域）となる。この領域までの３つのカメラ１１，１２，１３からの距離ｒ０は、３つのカメラ１１，１２，１３の設置距離（両端のカメラ間の距離，設置幅）ｂｌ、及び画角２αのαを用いて「r0＝bl/(2×tan(α))」で算出することができる。

【0040】

図８に示すように、３つのカメラ１１，１２，１３の画角（２α）に収まる領域で、且つ、３次元復元に必要な範囲ｓｒ（計測対象範囲である後述する線路空間）を含む領域（図８で塗りつぶした領域）までのカメラ１１，１２，１３からの距離ｒは、３つのカメラ１１，１２，１３の設置距離ｂｌ、必要な範囲ｓｒ、及び画角２αのαを用いて「r＝(bl+sr)/(2×tan(α))」で算出することができる。

【0041】

図９に示すように、撮影間隔（撮像間隔）Ｓで同期して撮影できる３つのカメラ１１，１２，１３が前頭に設置された車両が軌道上を速度Ｖで移動している場合に、時刻ｔ１、時刻ｔ２（＝ｔ１＋Ｓ）、・・・と連続的に撮影が行われる場合について考える。この場合、一定の精度で多視点画像による３次元復元を行うには、例えば時刻ｔ１時に撮像された３つの画像を用いる場合、距離ｒ（ｔ１）と距離ｒ（ｔ２）＝ｒ（ｔ１）＋Ｖ×Ｓとで囲まれた領域（図９で塗りつぶした領域）について、多視点画像による３次元復元を行う必要がある。この領域は、カメラ１１，１２，１３の画角に収まる線路空間のうち、鉄道車両の進行方向におけるカメラ１１，１２，１３側の空間端部から所定の距離で制限された空間といえる。

【0042】

時刻ｔ０～ｔｎの連続した収録時に、上述の図４に示す位置精度ｐａ（ｒ）の差を小さくするためにカメラ１１，１２，１３からなるべく近い領域の３次元復元を行うには、距離rから距離ｒ＋Ｖ×Ｓまでの距離を小さくする必要がある。なお、鉄道車両の速度Ｖが一定とはならないため、Ｖ×Ｓも一定とはならない。このＶ×Ｓを一定とするために、撮影間隔Ｓを速度Ｖに合わせて変動させてもよい。また、図９では、時刻ｔ１における３次元復元領域の水平断面を台形で表すが、３次元復元領域は、鉄道車両の進行方向に直交する幅が範囲ｓｒに収まるように、水平断面が直方体形状であってもよい。なお、本明細書において、撮影は、撮像と同一の意味、すなわち、画像を撮る意味で使用される。

【0043】

図１０にも示すように、鉄道車両の走行する線路空間（範囲ｓｒ）について、車両前方に設置した３つのカメラ１１，１２，１３を用いた多視点カメラ手法による３次元復元計算を用いて点群計測（３次元形状情報の取得）を行うには、撮影時にカメラからの距離ｒによる位置精度ｐａ（ｒ）の差が小さくなるように、３つのカメラ１１，１２，１３の設置距離ｂｌ、運行速度Ｖ、撮影間隔Ｓ、カメラの画角２α、及び撮像素子サイズｉｓを決定する必要がある。

【0044】

また、鉄道車両の走行する線路空間（範囲ｓｒ）について点群計測を行うには、図１１に示すように、車両前方に設置した３つのカメラ１１，１２，１３のうち１つのカメラ（例えば中カメラ１２）を基準としたカメラ座標ｃｘ，ｃｙ，ｃｚ（鉄道車両の内部を基準をとする第１座標系上の座標値の一例）で得られた点群を、軌道の線形を表すことができる世界測地系のワールド座標ｘ，ｙ，ｚ（測地系に対応した第２座標系の座標値の一例）に変換する座標変換を含む点群計測を繰り返し行い、得られた点群をワールド座標の座標値で重ね合わせる必要がある。カメラ座標からワールド座標への変換は、ＧＮＳＳ受信機１４及びＩＭＵ１５から得られる鉄道車両の位置・姿勢情報に基づいて行うことができる。なお、測地系に対応した第２座標系の座標値としては、日本測地系の座標値などの、鉄道車両の移動によって変動しない基準を有する他の座標値であってもよい。

【0045】

ここで、図１２に示すように、建築限界を含む線路空間の形状を計測する線路空間の計測方法について説明する。なお、本実施の形態においては、建築限界と余裕分とを含む規定の線路空間の全体（鉄道車両の進行方向に直交する面の全体）の計測を行うが、例えば、線路空間内の下部、左部、右部、上部、中央部（建築限界）などの１つのみの計測を行ってもよい。すなわち、上述の３次元復元に必要な範囲ｓｒは、線路空間の全体に限らず、例えば、線路空間の下部、左右、上部、及び中央部のうちの１つの範囲であってもよい。

【0046】

図１３に示すように、まず、図１に示す車両搭載装置１０の同期装置１６が各カメラ１１，１２，１３、ＧＮＳＳ受信機１４、及びＩＭＵ１５に上述の撮影間隔Ｓで同期信号を送る（ステップＳ１１）。

【0047】

各カメラ１１，１２，１３は、同期信号に基づいて同一のタイミングで同期撮影を行う（ステップＳ１２）。画像取得部２は、各カメラ１１，１２，１３によって撮影された画像（左カメラ画像、中カメラ画像、及び右カメラ画像）を取得する。

【0048】

また、ＧＮＳＳ受信機１４が同期信号に基づいて鉄道車両（カメラ）の位置情報を受信することにより計測し、ＩＭＵ１５が同期信号に基づいて鉄道車両（カメラ）の姿勢情報を計測する（ステップＳ１３）。そして、位置姿勢情報取得部５は、カメラの位置・姿勢情報を取得する。

【0049】

３次元形状情報取得部３は、同一のタイミングで撮影された左カメラ画像、中カメラ画像、及び右カメラ画像を用いて、多視点画像での３次元復元を行い（ステップＳ１４）、上述の図１１に示すカメラ座標での点群データとして取得可能な領域全体の点群データ（全体３次元形状情報の一例）を取得する。

【0050】

次に、３次元形状情報取得部３は、距離制限として、基準となるカメラ１１，１２，１３からの距離が上述の図８～図１０に示す３次元復元に必要な範囲ｓｒ（線路空間）を含む領域までの距離ｒから、距離ｒ＋Ｖ×Ｓまでの領域の３次元点群データを抽出する（ステップＳ１５）。これにより、距離制限後のカメラ座標での３次元点群（一部の空間の３次元形状情報の一例）が抽出される。なお、上述のように取得可能な領域全体の点群データを取得してから（ステップＳ１４）、距離制限対象の領域の点群データを抽出する（ステップＳ１５）のに代えて、予め距離制限対象の領域のみの点群データを取得してもよい。

【0051】

次に、重ね合わせ部４は、抽出された距離制限後のカメラ座標での３次元点群を、撮影と同期した上述の位置・姿勢計測（ステップＳ１３）により得られた基準となるカメラの「カメラ位置・姿勢」を用いて、線路線形を表現可能なワールド座標に座標変換を行う（ステップＳ１６）。

【0052】

また、重ね合わせ部４は、「ワールド座標での３次元点群」を、前回までに算出された３次元点群に追加して重ね合わせる（ステップＳ１７）。なお、上述のＶ×Ｓの誤差の発生などにより計測領域が欠落しないように、距離制限後の３次元復元領域を距離ｒから距離ｒ＋Ｖ×Ｓまでの領域よりも鉄道車両の進行方向に大きくし、３次元点群の重ね合わせ時にオーバーラップ部分を除去する処理が行われてもよい。

【0053】

そして、上述の同期信号の送信（ステップＳ１１）から重ね合わせ（ステップＳ１７）までの手順を、計測範囲の線路空間で鉄道車両の移動と共に繰り返すことで、ワールド座標での線路空間の点群が計算される。この後、得られた点群と規定の点群（例えば、地物が含まれない点群）との差分に基づいて、或いは、点群が存在することに基づいて、地物（物体）の形状が含まれていると判別された場合などには、地物の進入のユーザへの報知が地物の位置情報（座標など）とともに行われるとよい。なお、地物の進入要因としては、例えば、電柱、信号機、乗降場限界、軌道、路盤などの変状や、線路周辺の植生の成長が挙げられる。

【0054】

なお、上述の説明では、画像及び位置・姿勢情報の取得の処理（ステップＳ１１～１３）と、その後の３次元復元、距離制限、座標変換、及び重ね合わせの処理（ステップＳ１４～Ｓ１７）とが連続的に行われるが、画像及び位置・姿勢情報の取得が鉄道車両の走行範囲で行われてから、３次元復元、距離制限、座標変換、及び重ね合わせの処理が行われてもよい。以下、この例を第１変形例として図１４及び図１５を参照しながら説明する。

【0055】

＜第１変形例＞
図１４は、本実施の形態の第１変形例における車両搭載装置３０及び線路空間の計測装置１を示す図である。

【0056】

図１５は、本第１変形例における線路空間の計測方法を説明するためのフローチャートである。

【0057】

図１４に示す線路空間の計測装置１は、図１に示す上述の線路空間の計測装置１と同様にすることができる。図１４に示す車両搭載装置３０は、図１に示す車両搭載装置１０の構成要素（左カメラ１１、中カメラ１２、右カメラ１３、ＧＮＳＳ受信機１４、ＩＭＵ１５、及び同期装置１６）に加えて、一時記憶装置３１を備える。

【0058】

一時記憶装置３１は、左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３が撮像した画像と、ＧＮＳＳ受信機１４が受信した鉄道車両（カメラ）の位置情報と、ＩＭＵ１５が取得した鉄道車両（カメラ）の姿勢情報とを記憶する。これらの画像、位置情報、及び姿勢情報は、同期装置１６により送信される同期信号（例えば送信時間）と紐づけることによって、同一タイミングのものを識別可能に記憶される。

【0059】

また、一時記憶装置３１は、鉄道車両の画像撮影や位置・姿勢情報の取得を走行中に繰り返し行った後、線路空間の計測装置１からの要求に応じて或いは任意のタイミングで、画像及び位置・姿勢情報を線路空間の計測装置１の画像取得部２及び位置姿勢情報取得部５に送信する。

【0060】

一時記憶装置３１は、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＡＭ等の半導体メモリ、通信モジュールなどによって構成されるとよい。

【0061】

線路空間の計測を行う場合、図１５に示すように、まず図１４に示す車両搭載装置３０の同期装置１６が各カメラ１１，１２，１３、ＧＮＳＳ受信機１４、及びＩＭＵ１５に上述の撮影間隔Ｓで同期信号を送る（ステップＳ２１）。

【0062】

各カメラ１１，１２，１３は、同期信号に基づいて同一のタイミングで同期撮影を行う（ステップＳ２２）。

【0063】

また、同期信号に基づいて、ＧＮＳＳ受信機１４が鉄道車両（カメラ）の位置情報を受信することにより計測し、ＩＭＵ１５が鉄道車両（カメラ）の姿勢情報を計測する（ステップＳ２３）。

【0064】

そして、一時記憶装置３１は、計測範囲の線路空間で鉄道車両の移動と共に、同期信号に紐づけて各画像及び位置姿勢情報の記憶を繰り返す（ステップＳ２４）。

【0065】

鉄道車両の走行後、画像取得部２は、一時記憶装置３１から各カメラ１１，１２，１３によって撮像され同期信号に紐づけられた画像を取得し、位置姿勢情報取得部５は、一時記憶装置３１から同期信号に紐づけられたカメラの位置・姿勢情報を取得する（ステップＳ２５）。

【0066】

その後の多視点画像での３次元復元処理（ステップＳ２６）から重ね合わせ処理（ステップＳ２９）までの処理は、図１３に示すステップＳ１４～Ｓ１７までの処理と同様にすることができる。

【0067】

＜第２変形例＞
本第２変形例では、カメラ座標からワールド座標への座標変換時に必要なカメラ位置・姿勢情報が、ＧＮＳＳ受信機１４及びＩＭＵ１５から取得できない場合の例について説明する。なお、位置情報や姿勢情報が取得できない場合としては、例えば、鉄道車両がトンネル内を走行中にＧＮＳＳ受信機１４が位置情報を受信できない場合や、位置姿勢情報取得部５のＧＮＳＳ受信機１４及びＩＭＵ１５からの情報取得エラーが生じた場合が挙げられる。

【0068】

図１６に示すように、まず、同期装置１６が各カメラ１１，１２，１３に上述の撮影間隔Ｓで同期信号を送る（ステップＳ３１）。

【0069】

各カメラ１１，１２，１３は、同期信号に基づいて同一のタイミングで同期撮影を行う（ステップＳ３２）。画像取得部２は、各カメラ１１，１２，１３によって撮像された画像（左カメラ画像、中カメラ画像、及び右カメラ画像）を取得する。

【0070】

３次元形状情報取得部３は、同一のタイミングで撮像された左カメラ画像、中カメラ画像、及び右カメラ画像を用いて、多視点画像での３次元復元を行い（ステップＳ３３）、上述の図１１に示すカメラ座標での点群データとして取得可能な領域全体の点群データ（全体３次元形状情報の一例）を取得する。

【0071】

次に、３次元形状情報取得部３は、距離制限として、基準となるカメラ１１，１２，１３からの距離が上述の図８～図１０に示す３次元復元に必要な範囲ｓｒ（線路空間）を含む領域までの距離ｒから距離ｒ＋Ｖ×Ｓまでの領域の３次元点群データを抽出する（ステップＳ３４）。これにより、距離制限後のカメラ座標での３次元点群（一部の空間の３次元形状情報の一例）が抽出される。

【0072】

また、本第２変形例では、ＧＮＳＳ受信機１４及びＩＭＵ１５から位置・姿勢情報が取得できないため、重ね合わせ部４が鉄道車両の速度計算を行う（ステップＳ３５）。この速度計算は、図１７に示すように、時刻ｔ１の複数のカメラ画像と、１つ前に撮像された時刻ｔ０の複数のカメラ画像とのそれぞれから３次元復元を行い、得られる３次元点群から時刻ｔ１の基準となるカメラの座標を基に、時刻ｔ０での基準となるカメラ位置(xt0,yt0,zt0)を求めることで、時刻ｔ１と時刻ｔ０とのカメラ位置差を算出し、算出した位置差を撮影時間の間隔（ｔ１－ｔ０）で除することで、時刻ｔ１での速度Ｖを求めることができる。

【0073】

また、重ね合わせ部４は、算出された速度と、線路線形によるワールド座標での位置、カントや勾配等による撮影姿勢とに基づき、位置・姿勢情報を取得する。ここで、線路の線形は、鉄道に関する技術上の基準を定める省令に基づき、延べ距離（キロ程）、直線、緩和曲線、円曲線などからなる線形で設計・施工されている。そのため、線路線形情報を位置姿勢情報取得部５が取得することで、前回位置情報が取得できたときからの位置・姿勢の変化によって位置・姿勢情報を取得することができる。

【0074】

次に、重ね合わせ部４は、抽出された距離制限後のカメラ座標での３次元点群を、上述の位置・姿勢情報を用いてワールド座標に座標変換を行う（ステップＳ３７）。

【0075】

また、重ね合わせ部４は、「ワールド座標での３次元点群」を、前回までに算出された３次元点群に追加して重ね合わせる（ステップＳ３８）。

【0076】

また、重ね合わせ部４は、撮像された画像を、次の撮像タイミングの速度計算に用いるために保存する（ステップＳ３９）。

【0077】

そして、上述の同期信号の送信処理（ステップＳ３１）から画像保存処理（ステップＳ３９）までの手順を、計測範囲の線路空間で鉄道車両の移動と共に繰り返すことで、ワールド座標での線路空間の点群が計算される。

【0078】

なお、図１６に示すフローチャートでは、すべての撮像タイミングにおける位置・姿勢情報を速度及び線路線形により取得しているが、ＧＮＳＳ受信機１４及びＩＭＵ１５から位置・姿勢情報を取得できる撮像タイミングに関しては、速度及び線路線形による取得は省略可能である。

【0079】

また、本第２変形例においても、上述の第１変形例と同様に、画像の取得が鉄道車両の走行範囲で行われてから（不連続で）、位置・姿勢情報の取得、３次元復元、距離制限、座標変換、重ね合わせ、画像保存の処理が行われてもよい。

【0080】

＜線路空間の計測結果＞
以下、図１８～図２１を参照しながら、本実施の形態における線路空間の計測結果について説明する。

【0081】

在来線での運用を想定し、図１８に示すように、連続撮影時の撮影間隔を１／１２０秒、鉄道車両の速度Ｖを１３０ｋｍ／ｈとした場合、上述のＶ×Ｓは、０．３ｍとなる。

【0082】

同様に、在来線での運用を想定し、図１０に示す必要な点群取得の範囲ｓｒを鉄道の建築限界３．８ｍ＋左右１ｍ範囲のｓｒ＝５．８ｍとし、車両前方に設置した３台のカメラの設置距離ｂｌ＝１ｍ（０．５×２）、使用するカメラの１画素のサイズを0.0015mm、画角２αを５５°とした場合、必要な撮影範囲である範囲ｓｒを取得する近傍側距離rは6.55mとなる。さらに、前述した撮影間隔Ｖ×Ｓ＝０．３ｍを考慮した距離制限後の３次元復元領域（ｒからｒ＋Ｖ×Ｓまで）は6.55m～6.85ｍとなり、３次元復元範囲での位置精度ｐａ（ｒ）は、3.14mm～3.63mmとなる。

【0083】

上記条件での撮像画像は、図１９（ａ）～（ｃ）に示す前方カメラの撮影シミュレーション画像である。図２０には、この撮影シミュレーション画像による多視点画像での３次元復元時にカメラから撮影対象までの距離を限定して得られた点群を示す。また、図２１には、この点群をワールド座標で重ね合わせた点群を示す。

【0084】

以上説明した本実施の形態では、線路空間の計測方法は、鉄道車両が走行する線路空間にある物体の形状をコンピュータ（例えば、コンピュータ２０）により計測する線路空間の計測方法であって、鉄道車両に設置された複数の撮像装置（例えば、左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３）により同一のタイミングで撮像された複数の画像を取得する工程（図１１ではステップＳ１２により得られる画像の取得）と、同一のタイミングで撮像された複数の画像に基づいて、複数の撮像装置の画角に収まる線路空間（例えば、範囲ｓｒ）のうち、鉄道車両の進行方向における一部の空間（例えば、距離ｒから距離ｒ＋Ｖ×Ｓまでの領域）の３次元形状情報（例えば、点群データ）を取得する工程（ステップ１５）と、複数の撮像装置の撮像タイミングごとの３次元形状情報を重ね合わせる工程（ステップＳ１７）とを含む。

【0085】

他の観点では、線路空間の計測装置１は、鉄道車両が走行する線路空間にある物体の形状を計測する線路空間の計測装置１であって、鉄道車両に設置された複数の撮像装置（例えば、左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３）により同一のタイミングで撮像された複数の画像を取得する画像取得部２と、同一のタイミングで撮像された複数の画像に基づいて、複数の撮像装置の画角に収まる線路空間（例えば、範囲ｓｒ）のうち、鉄道車両の進行方向における一部の空間（例えば、距離ｒから距離ｒ＋Ｖ×Ｓまでの領域）の３次元形状情報（例えば、点群データ）を取得する３次元形状情報取得部３と、複数の撮像装置の撮像タイミングごとの３次元形状情報を重ね合わせる重ね合わせ部４とを備える。

【0086】

他の観点では、プログラムは、鉄道車両が走行する線路空間にある物体の形状を計測するためのプログラムであって、鉄道車両に設置された複数の撮像装置（例えば、左カメラ１１、中カメラ１２、及び右カメラ１３）により同一のタイミングで撮像された複数の画像を取得する機能と、同一のタイミングで撮像された複数の画像に基づいて、複数の撮像装置の画角に収まる線路空間（例えば、範囲ｓｒ）のうち、鉄道車両の進行方向における一部の空間（例えば、距離ｒから距離ｒ＋Ｖ×Ｓまでの領域）の３次元形状情報（例えば、点群データ）を取得する機能と、複数の撮像装置の撮像タイミングごとの３次元形状情報を重ね合わせる機能とをコンピュータ（例えば、コンピュータ２０）に実現させる。

【0087】

これらの線路空間の計測方法、線路空間の計測装置１、及びプログラムでは、同一のタイミングで撮像された複数の画像を用いて一部の空間の３次元復元を行うため、この一部の空間を撮像装置からの距離が一定の領域に制限し、得られた３次元形状情報を重ね合わせることで、距離が異なる画像を用いて３次元復元を行う場合と比較して、高精度に、線路空間の連続した３次元形状情報を取得することができる。また、目視やレーザではなく撮像画像を用いて計測を行うことができるため、作業員の目視により行う場合や設置が困難な車載写真レーザ測量システムを用いる場合などと比較して、線路空間の確認を点群等の3次元形状情報で簡単に行うことができる。よって、本実施の形態によれば、鉄道車両が走行する線路空間への地物の進入を容易に予見することができる。

【0088】

また、本実施の形態では、３次元形状情報が取得される重ね合わせ前の上記一部の空間は、複数の撮像装置の画角に収まる線路空間のうち、進行方向における複数の撮像装置側の空間端部から所定の距離で制限された空間である。

【0089】

これにより、撮像装置から近く誤差が少ない領域の３次元形状情報を取得し、取得した複数の点群等の３次元形状情報を重ね合わせることができる。そのため、より高精度に、線路空間への地物の進入を予見することができる。

【0090】

また、本実施の形態では、一部の空間の３次元形状情報を取得する工程（３次元形状情報取得部３）では、３次元形状情報を鉄道車両の内部を基準とする第１座標系上の座標値（例えば、カメラ座標の座標値）で取得し、３次元形状情報を重ね合わせる工程（重ね合わせ部４）では、第１座標系の座標値を、測地系に対応した第２座標系の座標値（例えば、世界測地系の座標値であるワールド座標での座標値）に変換し、上記一部の空間の３次元形状情報を第２座標系の座標値に基づいて重ね合わせる。

【0091】

これにより、上記一部の空間の３次元形状情報を測地系に対応した座標系の座標値で正確に重ね合わせることができる。そのため、測地系に対応した座標系で線路空間の地物を連続して表示することができるほか、現地での地物の位置を正確に把握することができる。

【符号の説明】

【0092】

１ 線路空間の計測装置
２ 画像取得部
３ ３次元形状情報取得部
４ 重ね合わせ部
５ 位置姿勢情報取得部
１０ 車両搭載装置
１１ 左カメラ
１２ 中カメラ
１３ 右カメラ
１４ ＧＮＳＳ受信機
１５ ＩＭＵ
１６ 同期装置
２０ コンピュータ
３０ 車両搭載装置
３１ 一時記憶装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】