JP7803487B2 - 棒状部材の施工支援方法、棒状部材の施工支援システム、及びプログラム - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 ２０２２年 ３月 １日ウェブサイト＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｃ－ｉａｉｐ．ｏｒｇ／ｄｉａ／２０２２／＞にて公開

本発明は、棒状部材の施工支援方法、棒状部材の施工支援システム、及びプログラムに関するものであり、具体的には、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能とする技術に関する。

地山の自然な支保機能を利用したＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）工法は、新たな補助工法を適宜採用するなどして、従来の山岳トンネル以外にも適用範囲を広げつつある。
こうしたＮＡＴＭ工法では、地山の掘削や発破等で露出した壁面に、一次覆工のコンクリートを吹き付け、ロックボルトの打設と、二次覆工の覆工コンクリート打設を実施する。こうした施工を行うことで、地山と吹き付けコンクリートとを一体化させ、地山の保持力によってトンネル強度を高めることになる。

こうしたロックボルト打設を含むトンネル工事の効率化を図る従来技術としては、例えば、切羽へのコンクリートの鏡吹きによって安全性を確保しつつ、工事作業者が鏡吹きされたコンクリート表面上でその地山状況を視認しながら施工作業を行うことが可能な切羽情報表示方法（特許文献１参照）などが提案されている。

この技術は、トンネル切羽の地山の露出面である第１の切羽面の全体を含む領域をデジタルカメラにて撮影する切羽撮影工程と、前記デジタルカメラにて撮影して得られた前記第１の切羽面の全体を含む領域の撮影画像データから前記第１の切羽面の画像部分のデータを切羽面画像データとして抽出し、当該切羽面画像データに基づき、少なくとも前記第１の切羽面の全体の実写画像である切羽面画像を含む切羽情報画像データを生成する切羽情報画像データ生成工程と、前記第１の切羽面にコンクリートを鏡吹きする鏡吹き工程と、前記鏡吹き後の前記コンクリート表面である第２の切羽面に、前記切羽情報画像データの示す画像である切羽情報画像のうち少なくとも前記切羽面画像を、前記第２の切羽面の形状およびサイズに一致させて前記第１の切羽面の実寸大で投影する切羽情報画像投影工程を含む方法にかかる。

特開２０２２－１７３２号公報

上述のロックボルトの打設は、吹き付けコンクリートを通して壁面に削孔した孔（モルタル充填済み）に対し、ロックボルトを挿入する作業となる。こうしたロックボルトの挿入は、凹凸のある壁面から孔を見つける作業、ロックボルト先端を孔位置に合わせる作業、及びロックボルト全体を孔に挿入する作業に分かれている。
現在これらの作業は、作業員が孔周辺まで赴いて人力で行っている。しかし、粘性の高いモルタルの詰まった細長い孔に、長尺で重いロックボルトを挿入する必要があり、作業性や作業効率が良好とは言えない状況にある。

一方では、ロックボルト打設の一連の流れである、壁面での削孔、当該孔へのモルタル注入、及びロックボルト打設を、同一のアームを用いて機械化する手法も様々研究されている。こうした手法によれば、例えば、複数の削孔用削岩機を用いて削孔を行うと同時にロックボルト打設を行う、といった施工を行うため、施工の効率化を図ることができる。

しかしながら、正しい孔の位置や挿入角度を壁面上で効率良く自動特定するには至っておらず、ロックボルト先端と孔との位置合わせの自動化は困難なままである。そのため、正しい孔位置や挿入角度とのずれが生じたまま、ロックボルト打設を行うことで、孔中でのロックボルトの変形や破損につながるケースもあった。

そこで本発明は、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能とする技術の提供を目的とする。

上記課題を解決する本発明の棒状部材の施工支援方法は、棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を取得する工程と、前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する工程と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する工程と、を含むことを特徴とする。
これによれば、導入コストが高くなりがちなビジュアルサーボ技術を用いた各種従来手法等と異なり、トンネル施工現場への導入が技術及びコストの両面で容易な単眼カメラを採用した手法にて、ロックボルト打設や装薬などの対象となる孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能となる。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。

なお、本発明における棒状部材の施工支援方法の、前記挿入孔である前記楕円領域を検出する工程において、前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する工程と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する工程を実行する、としてもよい。

これによれば、トンネルの周壁面の撮影画像中に数多の楕円領域が含まれるとしても、精度良好にロックボルト等の挿入孔を特定することができる。ひいては、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。なお、この撮影画像は、１つの挿入孔のみが撮影対象となる条件下での撮影で得られたものを基本的には想定するが、楕円領域が所定基準より暗いものは挿入孔と特定できるため、特定対象の挿入孔の数に関して限定しない。上述の条件とは、具体的には、トンネルの周壁面に対する撮影装置の配置やレンズ方向、焦点距離、画角といった撮影条件が予め調整された環境に対応したものとなる。

また、本発明における棒状部材の施工支援方法の、前記挿入孔の位置と角度を推定する工程において、前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径とに基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定する、としてもよい。

これによれば、撮影装置の座標系からみた画像中の形状（孔に対応する楕円領域）と実際のトンネルの周壁面上の形状（実際の孔のもの）との間での相似関係を、既知の孔径をキーに適宜に踏まえることで、精度良好に孔位置の推定を行える。また、楕円領域における輝度のグラデーションと孔の延伸方向との関係性に基づき、当該孔の（トンネルの周壁面から地山内に向けた）角度を効率良く特定できる。すなわち、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。

また、本発明における棒状部材の施工支援方法にて、前記挿入孔の位置及び角度の情報を前記棒状部材の施工装置にセットする工程をさらに含む、としてもよい。

このように、挿入孔の位置や角度の情報を、例えば、コンピュータジャンボなどの施工装置にセットすることで、人力によらず、孔へのロックボルト等の挿入が可能となる。このことは、トンネル上部などの高所や危険個所での人手の作業を不要とし、作業員の各種負担やリスクが軽減される。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。ひいては、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。

また、本発明の棒状部材の施工支援システムは、棒状部材の挿入対象となる壁面を撮影する撮影装置と、前記撮影装置による撮影で得た撮影画像を取得し、当該撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理を実行する情報処理装置と、を含むことを特徴とする。

これによれば、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能なシステムを提供できる。

なお、本発明の棒状部材の施工支援システムにおいて、前記情報処理装置は、前記挿入孔である前記楕円領域を検出する処理において、前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する処理と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する処理を実行するものである、としてもよい。

これによれば、トンネルの周壁面の撮影画像中に数多の楕円領域が含まれるとしても、精度良好にロックボルト等の挿入孔を特定するシステムの提供が可能となる。ひいては、当該システムにより、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。なお、この撮影画像は、１つの挿入孔のみが撮影対象となる条件下での撮影で得られたものを基本的には想定するが、楕円領域が所定基準より暗いものは挿入孔と特定できるため、特定対象の挿入孔の数に関して限定しない。上述の条件とは、具体的には、トンネルの周壁面に対する撮影装置の配置やレンズ方向、焦点距離、画角といった撮影条件が予め調整された環境に対応したものとなる。

なお、本発明の棒状部材の施工支援システムにおいて、前記情報処理装置は、前記挿入孔の位置と角度を推定する処理において、前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径とに基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定するものである、としてもよい。

これによれば、撮影装置の座標系からみた画像中の形状（孔に対応する楕円領域）と実際のトンネルの周壁面上の形状（実際の孔のもの）との間での相似関係を、既知の孔径をキーに適宜に踏まえることで、精度良好に孔位置の推定を行うシステムが提供できる。また、当該システムにより、楕円領域における輝度のグラデーションと孔の延伸方向との関係性に基づき、当該孔の（トンネルの周壁面から地山内に向けた）角度を効率良く特定できる。

なお、本発明の棒状部材の施工支援システムにおいて、前記情報処理装置は、前記挿入孔の位置及び角度の情報を、前記棒状部材の施工装置にセットする処理をさらに実行するものである、としてもよい。

このように、システムが、挿入孔の位置や角度の情報を、例えば、コンピュータジャンボなどの施工装置にセットすることで、人力によらず、孔へのロックボルト等の挿入が可能となる。このことは、トンネル上部などの高所や危険個所での人手の作業を不要とし、作業員の各種負担やリスクが軽減される。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。ひいては、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、より効率的かつ精度良く特定可能となる。

また、本発明のプログラムは、情報処理装置において、棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を撮影装置から取得する処理と、前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理と、を実行させるものである。

これによれば、ロックボルト打設や装薬などの対象となる孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定する機能を情報処理システムに実装可能となる。また、こうした機能を備えた情報処理システムをコンピュータジャンボ等の施工装置と連携させることで、孔へのロックボルト挿入を適宜な精度で効率良く自動化可能となる。このことは、孔へのロックボルト等の挿入に伴い生じていたロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果にもつながりうる。

本発明によれば、トンネル施工時における棒状部材の挿入孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能となる。

本実施形態における施工支援方法の適用環境例を示す図である。 本実施形態における施工支援システムの全体構成例を示す図である。 本実施形態における情報処理装置のハードウェア構成例を示す図である。 本実施形態における座標系及び各ベクトルの定義例を示す図である。 本実施形態における施工支援方法のフロー例を示す図である。 本実施形態の撮影画像中における挿入孔内のグラデーションを示す図である。 本実施形態における撮影位置を示す上面図である。 本実施形態における挿入孔の実例を示す図である。 本実施形態におけるチェッカーボード撮影の様子を示す図である。 本実施形態における挿入孔検出結果を示す図である。 本実施形態における楕円の短軸上の輝度状況（条件１）を示す図である。 本実施形態における楕円の短軸上の輝度状況（条件２）を示す図である。

＜概要＞
まず、本実施形態の棒状部材の施工支援方法を適用する環境や、技術の概要について説明する。図１で例示するように、棒状部材であるロックボルト１は、トンネル施工対象となる地山２において、トンネルの周壁面３に設けられた挿入孔５に打設される。この挿入孔５は、トンネルの周壁面３に施工された吹き付けコンクリート６を通して地山２に削孔されたものとなる。また、ロックボルト打設に先立ち、当該挿入孔５の内空には、モルタルが充填される。

こうしたロックボルト１の打設は、上述のように削孔された挿入孔５（モルタル充填済み）に対し、ロックボルト１を挿入する作業となる。この作業は、従来であれば人力によって実施されていたが、本実施形態の施工支援方法を適用した環境下では、コンピュータジャンボ６０などの施工装置によって、十分な精度で自動化可能である。

つまり、施工装置との適宜な連携を図ることで、ロックボルト１の挿入作業を構成する、凹凸のあるトンネルの周壁面３から挿入孔５を見つける作業、ロックボルト１の先端を挿入孔５の開口位置に合わせる作業、及びロックボルト全体を挿入孔５に挿入する作業を自動化しうることとなる。
＜システム構成＞
以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図２は、本実施形態における棒状部材１の施工支援システム１００（以下同様）の構成例を示す図である。

本実施形態における棒状部材１の施工支援システム１００は、トンネル施工時における、ロックボルト１など棒状部材の挿入孔５の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能とするシステムである。

こうした施工支援システム１００は、図２で例示するように、デジタルカメラ２０、情報処理装置５０、及びコンピュータジャンボ６０のうち、少なくともデジタルカメラ２０及び情報処理装置５０から構成されている。

このうちデジタルカメラ２０は、一般的に市販されている単眼カメラであって、デプスカメラ等の特殊カメラユニットを採用する必要はない。ただし、トンネルの周壁面３の付近は湧水やモルタルの影響もあって、（厳重な防塵、防水機能等を有しない）一般的なデジタルカメラ２０の取り付けには相応の配慮が必要となる。

そのため、トンネルの周壁面３から５～１０ｍ離間した遠方からの撮影を行う必要がある。そこで、デジタルカメラ２０に装着するレンズ２１としては、種々の撮影条件に対応可能とするため、焦点距離が可変（例えば７０～２００ｍｍ）の可変焦点レンズを採用すると好適である。

このデジタルカメラ２０は、撮影データを格納・保持する記憶媒体２２を有しており、この記憶媒体２２で保持する撮影データ２３を、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの近接無線通信手段２４によって外部装置に配信可能である。本実施形態において、この撮影データの配信先となる外部装置は、情報処理装置５０である。

勿論、デジタルカメラ２０における撮影データを情報処理装置５０に配信する手法としては、こうした無線／有線の通信手段に限定しない。

トンネル坑内の環境や導入できる各種リソース等の影響で、無線／有線のいずれの通信手段も採用困難な場合、例えば、作業員がデジタルカメラ２０の記憶媒体２２を取り出し、これをリーダー２５にセットすることで情報処理装置５０に撮影データを読み取らせるといった手法を採用してもよい。なお、リーダー２５は、情報処理装置５０に適宜なインターフェイスで接続され、記憶媒体２２との間でデータの読み書きが可能な装置である。

また、情報処理装置５０は、一般的なコンピュータ装置であって、図４で示すように、記憶装置５１、メモリ５３、演算装置５４、入力装置５５、出力装置５６、及び通信装置５７を有している。

このうち記憶装置５１は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）やＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）といった不揮発性の記憶素子から構成され、処理に必要なプログラム５２やデータ、或いは処理結果を格納するものとなる。

なお、記憶装置５１で保持するプログラム５２は、本実施形態の施工支援システム１００を構成する情報処理装置５０として必要な機能を実装する為のプログラムである。そのためプログラム５２は、後述する各式（式１～式１０など）を用いた各種解析やコンピュータジャンボ６０への設定処理等を行うアルゴリズムを実装したものとなる。

また、メモリ５３は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性記憶素子で構成される。

また、演算装置５４は、記憶装置５１に保持されるプログラム５２をメモリ５３に読み出すなどして実行し装置自体の統括制御を行なうとともに各種判定、演算及び制御処理を行なうＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。

また、入力装置５５は、ユーザからのキー入力や音声入力を受け付けるキーボード、マイク、マウスといった装置である。

また、出力装置５６は、演算装置５４での処理データを表示するディスプレイやスピーカーといった装置である。

また、通信装置５７は、デジタルカメラ２０の近距離無線通信手段２４や、適宜なネットワークを介したコンピュータジャンボ６０と接続して通信処理を担うインターフェイスカード等を想定する。

また、コンピュータジャンボ６０は、トンネルの周壁面３における挿入孔５の削孔、当該挿入孔５へのモルタル注入、及び当該挿入孔５へのロックボルト１の打設を、同一のアームを用いて機械化する施工装置である。

このコンピュータジャンボ６０は、複数のアームと、その先端に備わる削岩機やロックボルトの把持ユニットなどといった機構に加えて、当該機構を制御する制御ユニット６１と、外部装置との通信を担う通信ユニット６２を備える。

コンピュータジャンボ６０は、情報処理装置５０から、挿入孔５の位置や角度に関する情報設定を受け付けて、制御ユニット６１が、この情報設定の内容に応じてアームの移動や固定、削岩機の稼働／停止、ロックボルトの把持、挿入といった動作を自動実行する。
＜撮影画像における孔検出＞
以上から、本実施形態ではロックボルト１の打設専用機たるコンピュータジャンボ６０による、ロックボルト打設作業の機械化を前提として、トンネルの周壁面３にある削孔済みの挿入孔５の位置および角度を、トンネルの周壁面３から所定距離以上の遠方からの、デジタルカメラ２０による撮影により推定する技術について説明する。

本実施形態においてロックボルト打設は、デジタルカメラ２０のカメラ座標系内でロックボルト先端を、検出した挿入孔中心（以後、孔中心と称する）の画像座標（ｕｃ,ｖｃ）と一致させること、および、ロックボルト１の中心軸を挿入孔５の中心軸と一致させることにより実現できるものとする。よって、上述のカメラ座標系における孔中心の画像座標（ｕｃ,ｖｃ）および、挿入孔５の中心軸を計測することが求められる。

これらの前提のもと、デジタルカメラ２０によるトンネルの周壁面３の撮影画像から、挿入孔５の検出を行い、検出した孔径と既知の孔径（挿入孔５に関して規定の孔径）とを用いて挿入孔５の位置および角度を推定する手法を以下に述べる。

削孔した挿入孔５の直径は、削孔に用いるロッドの径に依存することから既知とし、削孔した挿入孔５はトンネルの周壁面３に対して垂直であって、トンネルの周壁面３上では真円に見えるとする。また本実施形態では、そうしたトンネルの周壁面３の撮影画像内には、挿入孔５が１つだけ含まれるよう、デジタルカメラ２０での撮影範囲を予め設定している前提とする。ただし、撮影画像に含まれうる挿入孔の数について限定するものではない。楕円領域が所定基準より暗いものは挿入孔と特定できるため、特定対象の挿入孔の数に条件を設ける必要はない。

ここで、撮影画像内の挿入孔５を特定する手順を、図５のフローに基づき以下に示す。なお、情報処理装置５０は、デジタルカメラ２０からトンネルの周壁面３の撮影画像のデータを取得し、これを処理対象として記憶装置５１またはメモリ５３で保持しているものとする。

そこで情報処理装置５０は、既存のしきい値選定法（例えば、N. Otsu, "A threshold selection method from gray-level histograms, "IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, vol.9, no.1, pp.62-66,1979）を上述の撮影画像に適用して、２値化画像を作成する（ｓ１）。
次に、情報処理装置５０は、ｓ１で得た２値化画像に対し、輪郭検出の処理（例えば、S. Suzuki and K. Abe, "Topological structural analysis of digitized binary images by border following," Computer Vision, Graphics, and Image Processing, vol.30, no.1, pp.32-46, 1985）を実行する（ｓ２）。

また、情報処理装置５０は、ｓ２で検出したすべての輪郭に対して楕円フィッティングを行い、そこで得た楕円の中から１つを挿入孔５として決定する（ｓ３）。

上述の楕円フィッティングは、次の手順で行うものとする。楕円の式の係数をａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５と置くとき、最小２乗法より、式（１）のようにａ－[ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５]_Ｔについて最小化する。
[式１]
ここで、Ｎ_ｊはｊ番目の輪郭を構成する点の総数とする。

よって、求める楕円の中心点（ｕｃ,ｖｃ）は、式（２）、式（３）、長軸のｕ軸からの角度θは式（４）と表される。
[式２]
[式３]
[式４]
また、複数の楕円の中からの挿入孔５の決定は、挿入孔５の内側つまり楕円領域が画像で暗く見えることを利用して行う。そのため情報処理装置５０は、検出したすべての楕円について、それぞれの楕円内の輝度の平均値を算出する。次に情報処理装置５０は、算出した輝度の平均値が最も低い楕円領域を挿入孔５だとして採用する。
＜既知の孔径を使用した位置推定＞
ここで、本実施形態で想定する座標系および各ベクトルの定義を図４に示す。想定する座標系としては、図４で示すように、画像座標系（ｕ,ｖ）、カメラ座標系（ｘ,ｙ,ｚ）とする。また、上述のｓ３で決定した楕円の長軸の端点で、Ｚ＝Ｓ平面上にある点をｘ１、ｘ２、Ｚ＝１平面上にある点をｒ１、ｒ２とし、楕円の中心点をそれぞれ、Ｘｃ（Ｚ＝Ｓ平面上）、ｒｃ（Ｚ＝１平面上）とおく。

このうち、楕円の中心点Ｘｃを孔位置ベクトルとし、挿入孔５の中心軸と同軸で、挿入孔５の奥行方向のベクトルａを挿入孔５の方向ベクトルとする。

ここで、挿入孔５の直径は既知であるため、情報処理装置５０は、画像内の挿入孔５の直径と実際の挿入孔５の直径との関係から、挿入孔５の孔位置ベクトルＸｃを求める（ｓ４）。ここで、図４のように２つの平面上で対応する各楕円同士は相似関係であるから、式（５）、式（６）、式（７）の関係が成り立つ。
[式５]
[式６]
[式７]
また、上述の相似関係より、Ｚｒ＝Ｓは式（８）で求められる。
[式８]
よって、情報処理装置５０は、式（７）に式（８）を代入することで、孔位置べクトルＸｃを算出できる。
＜孔の角度推定＞
既に述べたように、トンネルの周壁面３に削孔した挿入孔５がトンネルの周壁面３に垂直であると、当該トンネルの周壁面３上で真円である。その場合、挿入孔５の形状はデジタルカメラ２０による撮影角度によって異なる楕円形状になる。そこで情報処理装置５０は、こうした条件を踏まえて、挿入孔５が地山２で延びる角度を推定する（ｓ５）。なお、上述の挿入孔５が地山２で延びる角度とは、カメラ座標系内における挿入孔５の孔口の位置と孔軸の角度を意味する。

楕円（ｓ３で挿入孔５として撮影画像中から特定しているもの）の長軸たるｕ軸からの角度θ(０ｄｅｇ≦θ≦１８０ｄｅｇ)、当該長軸を軸として楕円を回転させたとき、上述の撮影角度による形状変化により円になる（＝円に見えるようになる）角度をφ(－９０ｄｅｇ≦φ≦９０ｄｅｇ)とすると、情報処理装置５０は、挿入孔５の方向ベクトルａを、式（９）に基づき求める。
[式９]
ここで、Ｒはロドリゲスの公式を用いて法線と角度から算出した回転行列である。また、角度φは、上述の楕円の長軸の長さａ、短軸の長さｂを用いて式（１０）のように求められる。
[式１０]
ここで、角度φは回転方向によって正負の２通り考えられるため、角度推定のために一意に定める必要がある。トンネルの周壁面３に開いた挿入孔５を斜めから見た様子を図６に示す。

図６で示すように挿入孔５を斜めから見た場合、挿入孔５は長軸の長さが孔直径である楕円となる。このとき、短軸の片側は孔内の壁が孔外の壁と連続していることから、明るく見えるのに対し、反対側は孔内に光が届かず暗く見えるため、グラデーションが生じる。

よって、楕円の短軸上のグラデーションのうち、暗い方に挿入孔５の方向ベクトルａが向いていると考えることにより、以下のように角度φを一意に定めることができる。

まず情報処理装置５０は、ｓ３で特定している楕円の短軸上の画素の輝度情報（撮影画像のデータに付随している）を取得し、最小二乗法により１次の近似式を得る。ここで近似した近似式が示す、直線の傾きが正である場合、φは正であり、一方、当該直線の傾きが負である場合、φは負である。

情報処理装置５０は、こうして得た、トンネルの周壁面３における挿入孔５の位置と角度の情報を、通信装置５７を介してコンピュータジャンボ６０に送信し、当該コンピュータジャンボ６０に設定する（ｓ６）。コンピュータジャンボ６０は、こうした情報を通信ユニット６２によって受信し、これを制御ユニット６１に受け渡す。制御ユニット６１は、これをアームや削岩機等の機構の制御情報としてセットし、トンネルの周壁面３における挿入孔５への孔口にロックボルト１の先端を導き、そのまま適宜な角度にて孔内への挿入を実行することとなる。
＜実験条件＞
本実施形態の施工支援方法の有効性を検証するため、施工中のトンネルにて実験を行った。各条件時のデジタルカメラ２０と挿入孔５の位置関係を図７に、また、計測した挿入孔５を図８に示す。なお、図７で示すように、トンネルの周壁面３における直径４７ｍｍの挿入孔５に対し、４５ｄｅｇ、９０ｄｅｇの位置からデジタルカメラ２０による撮影を行った。

また、既に述べた前提に基づき、ロックボルト１の挿入孔５は、必ずデジタルカメラ２０の画角内に１つのみ収まる条件で実験を行った。

なお、実験結果の真値を得るため、各条件において図９のように、挿入孔５の中心にチェッカーボード７０の原点を合わせて複数回撮影を行っている。撮影結果からチェッカーボード７０の位置と方向を推定し、それぞれの撮影画像から算出した孔位置ベクトルおよび挿入孔５の方向ベクトルを平均して真値とした。
＜実験結果＞
本実施形態における手法を用いて挿入孔５の検出を行った様子を図１０に示す。取得した撮影画像に対して輪郭検出を行い、楕円フィッティングを行ったうえで、楕円領域の輝度の平均が最も暗いものを挿入孔５として検出した。その結果、すべての条件において、正しい挿入孔５を検出できることが確認できた。

条件１において検出した楕円の短軸上の輝度、およびその１次近似を図１１に、条件２において検出した楕円の短軸上の輝度、およびその１次近似を図１２に示す。

図１１及び図１２より、挿入孔５として検出した楕円の短軸上において、輝度のグラデーションが生じていることがわかる。また、輝度に対して最小二乗法を用いて１次近似した直線の傾きから、図１１に示した条件１の角度φが正であり、図１２に示した条件２の角度φが負であると推定できた。

こうした挿入孔５の検出結果を用いて推定した距離とチェッカーボード画像から算出した距離の値の誤差を表１に示す。
[表１]
ここから、挿入孔５の検出結果を用いて推定した孔位置ベクトルのうち、ロックボルト１の打設に重要と考えられるｘ成分の誤差は±２０ｍｍに収まっている。一方、ｙ成分の誤差は目標より大きくなってしまったことがわかる。これは、挿入孔５の検出を行った際に、孔口の加工形状が理想的でなかったことから輪郭が大きく検出されてしまったことに起因すると考えられる。

また、ロックボルト１の打設では使用しないｚ成分の誤差は、輪郭検出結果に大きく依存することから大きくなったと考えられる。

また、挿入孔５の検出結果を用いて推定した挿入孔５の方向ベクトルの値とチェッカーボード画像から算出した挿入孔５の方向ベクトルの誤差を表２に示す。
[表２]
このように、挿入孔５の方向ベクトルの推定値と真値にも誤差が生じた。原因として、計測した挿入孔５はトンネルの周壁面３に対して垂直ではなく、切羽面５上の挿入孔５の形状が真円ではなかったことが挙げられる。

上の結果のように、孔位置ベクトルの各成分および挿入孔５の方向ベクトルに誤差は生じたものの、挿入孔５の方向を特定することに成功した。

以上、本実施形態によれば、トンネル施工時における、ロックボルトや装薬など棒状部材の挿入対象となる孔の位置及び角度を、効率的かつ精度良く特定可能となる。また、こうした孔の位置や角度の情報を、例えば、コンピュータジャンボなどの施工装置にセットすることで、人力によらず、孔へのロックボルト等の挿入が可能となる。このことは、トンネル上部などの高所や危険個所での人手の作業を不要とし、作業員の各種負担やリスクが軽減される。また、孔への挿入に伴うロックボルト等の破損や変形の可能性を低減する効果も期待出来る。

本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１ ロックボルト（棒状部材）
２ 地山
３ トンネルの周壁面（壁面）
５ （ロックボルトの）挿入孔
２０ デジタルカメラ（撮影装置）
２１ レンズ
２２ 記憶媒体
２３ 撮影データ
２４ 近距離無線通信手段
２５ リーダー
５０ 情報処理装置
５１ 記憶装置
５２ プログラム
５３ メモリ
５４ 演算装置
５５ 入力装置
５６ 出力装置
５７ 通信装置
６０ コンピュータジャンボ（棒状部材の施工装置）
６１ 制御ユニット
６２ 通信ユニット
１００ 施工支援システム

Claims (9)

1. 棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を取得する工程と、
   前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する工程と、
   前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する工程と、
   を含むことを特徴とする棒状部材の施工支援方法。
2. 前記挿入孔である前記楕円領域を検出する工程において、
   前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する工程と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する工程を実行する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の棒状部材の施工支援方法。
3. 前記挿入孔の位置と角度を推定する工程において、
   前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径に基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の棒状部材の施工支援方法。
4. 前記挿入孔の位置及び角度の情報を前記棒状部材の施工装置にセットする工程をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の棒状部材の施工支援方法。
5. 棒状部材の挿入対象となる壁面を撮影する撮影装置と、
   前記撮影装置による撮影で得た撮影画像を取得し、当該撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理を実行する情報処理装置と、
   を含むことを特徴とする棒状部材の施工支援システム。
6. 前記情報処理装置は、
   前記挿入孔である前記楕円領域を検出する処理において、
   前記撮影画像における各領域の輪郭を検出し、前記検出した前記輪郭を楕円形状に近似して、前記各領域を楕円領域に変換する処理と、前記楕円領域それぞれの輝度情報に基づき、前記楕円領域のうち、他の楕円領域又は所定基準よりも暗いものを前記挿入孔と特定する処理を実行するものである、
   ことを特徴とする請求項５に記載の棒状部材の施工支援システム。
7. 前記情報処理装置は、
   前記挿入孔の位置と角度を推定する処理において、
   前記楕円領域の径および前記棒状部材の既知の径に基づき、前記挿入孔の位置を特定し、前記楕円領域の短軸方向における輝度の変遷に基づき、当該挿入孔は前記輝度が暗くなる角度に延びていると特定するものである、
   ことを特徴とする請求項５に記載の棒状部材の施工支援システム。
8. 前記情報処理装置は、
   前記挿入孔の位置及び角度の情報を、前記棒状部材の施工装置にセットする処理をさらに実行するものである、
   ことを特徴とする請求項５に記載の棒状部材の施工支援システム。
9. 情報処理装置において、
   棒状部材の挿入対象となる壁面の撮影画像を撮影装置から取得する処理と、
   前記撮影画像が示す輝度情報に基づき、前記壁面に形成済みの挿入孔を楕円領域として検出する処理と、
   前記楕円領域に対応する前記撮影画像が示す、当該楕円領域の径及び輝度情報に基づき、前記壁面における前記挿入孔の位置と角度を推定する処理と、
   を実行させるプログラム。