JPH0145663B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、海洋、河川、湖などに流出した油や
汚染物の拡がりを撮影した写真フイルムからの拡
散状況の解析、炉、燃焼室などにおける燃焼状況
の解析などを目的とし、実験室及び生産現場など
において使用する簡便かつ迅速な画像処理方法と
その装置に関するものである。

人間が情報を入手する手段としての画像は、情
報量、処理速度からみても音声、感覚よりも優れ
ている。最近のリモートセンシング技術、医療技
術、工業技術の発展により、画像処理の必要性は
一層高まり、画像処理装置の機能、性能は、多様
化、高度化され、大規模な画像処理システムが開
発されている。

画像処理方法は大別すると、写真、ビデオなど
のアナログ方式と電子計算機を主体としたデイジ
タル方式の二つに分類できる。アナログ方式は、
高速、高密度記録、大画面という特徴をもつが、
汎用性、精度、調整などの問題点がある。一方、
デイジタル方式は、電子計算機と結合して複雑な
処理ができ、精度よく繰返しが可能であるため、
画像処理の主体をなすようになつた。

デイジタル画像処理の従来の方法及びシステム
は次のようなものである。システムは、汎用電子
計算機を主体に構成され、これに画像特有の画像
入力機器、画像出力機器が接続される。画像入力
装置は、フイルム、VTRに記録された画像を電
子計算機で処理するためにデイジタル化するもの
であり、代表的な画像入力装置としては、フライ
ングスポツトスキヤナ、ドラムスキヤナ、レーザ
ビームスキヤナ、ビジコンなどが利用されてい
る。

電子計算機としては、高級言語処理、演算の高
速性の点で大型電子計算機、ミニコンピユータが
用いられている。オペレーテイングシステムの下
で標準的に扱えない画像用特殊機器との接続及び
大容量のデータを処理するため、磁気デイスク、
磁気テープを備える必要がある。また、主記憶装
置も1Mバイト以上、デイスクの容量も200〜
300Mバイトを必要とする。画像処理システムに
おけるソフトウエアは、画像入出力機器を操作す
るルーチン、２次元配列として与えられた画像デ
ータを処理する演算処理ルーチン、画像フアイル
の操作及び管理ルーチンから構成される。画像出
力装置としては、テレビ型デイスプレイがモニタ
用として利用されている。画像出力の記録は、ラ
インプリンタへの印字、自動製図機、Ｘ−Ｙプロ
ツタへの作画などの方法がある。

上記の方法、処理装置では、電子計算機の主記
憶装置で一度に処理することは困難であり、画像
データは、一度フアイルに蓄え、順次部分画像を
処理しなければならなく、フアイルのアクセスが
処理そのものよりも時間を要する。汎用電子計算
機は、逐次形の演算のため、画像のような２次元
配列のデータを処理するには、計算機プログラム
が著しく長くなり、処理に時間を要する。また、
ソフトウエアは、ハードウエアに附随して作成さ
れており、その構成もまちまちで互換性がなく、
実用性に欠けている。画像データの入力媒体とな
る磁気テープのフオーマツトも不統一であり、デ
ータ処理は煩雑である。

以上のように、従来の方法、処理装置は、大が
かりで価格も高価で、設置場所の温度、湿度の制
御も必要となるため、実験室及び生産現場などで
使用するには、経済性、簡便性においても有利な
方法、装置であるとは言えない。

本発明は、これらの欠点を除去するため、実験
室及び生産現場において、油や汚染物の解析、
炉、燃焼室における燃焼状況の解析などを簡便か
つ迅速に行うものである。

このため、本発明では、油や汚染物の拡散状
況、燃焼状況を遠隔カメラにより随時撮影すると
ともに、直接測定法により、濃淡画像中の特定点
の厚さ、濃度、長さなどの物理量の連続的測定を
行い、この撮影された濃淡画像を光電変換した
後、アナログデイジタル変換器により、濃度レベ
ルデータとして量子化し、１絵素ごとの濃度レベ
ルを記憶媒体に記憶させ、このデータを読み出
し、濃度分布図をＸ−Ｙプロツクで作画させ、画
像中の特定点近傍の濃度レベルを、直接測定法に
より測定された物理量と対応することにより、画
像濃度に対する物理量を求めるとともに、画像中
における物理量分布を簡易かつ迅速に測定するこ
とを特徴とする。

本発明の実施例として、水槽内に流出した油の
拡がりを解析する場合について詳述する。

第１図は、油実験水槽を示す。水槽の大きさは
15ｍ×15ｍ×0.4ｍであり、水槽底面は白色であ
る。実験に使用した油はＡ重油で、水槽の一辺の
中央部２に幅30cm、奥行50cmの湾を作り、タンク
から毎秒136c.c.の重油を連続放出させた。水槽上
方約14ｍの高さに設置したモータドライブカメラ
３でカラーリバーサルフイルムを使用して写真撮
影をする。写真フイルム上の油の濃淡と油の厚さ
を対応させるため、湾口と湾口から２ｍの２点に
±0.1mmの精度で油の厚さが測定できる油の厚さ
測定器４を設置して油の厚さを測定する。

第２図は、撮影した写真フイルム画像の濃淡か
ら油の拡散状況を解析するための画像処理装置の
ブロツク図である。光源５によつて照射された写
真フイルム６は、画像入力装置としての固体撮像
型テレビカメラ７で撮影される。テレビカメラと
しては、従来のビジコンに比較して幾何学的歪、
シエーデイングの少い固体撮像型カメラを用い
る。

第３図は固体撮像型テレビカメラ７から出力さ
れる映像信号であり、映像部が0.7V_P-P、同期信
号が0.3V_P-Pから成る1V_P-Pの信号である。この映
像信号をアプログデイジタル変換部８に送り、デ
イジタル信号に変換する。デイジタル変換するに
当り、映像信号の下限値、上限値を可変ダイヤル
により任意に設定し、高速度でこの間を４ビツト
のデイジタル信号に変換する。１画面を１／60秒
で撮り込むので、静止画像はもとより動画の処理
もできる。

画像メモリ９は、１画面が256×256の絵素に分
解され、各絵素ごとに４ビツトにデイジタル変換
された画像データを記憶するものであり、32Kバ
イトのメモリ容量をもち、インターフエース１０
を介して、画像演算処理装置１１と結合されてい
る。画像演算処理装置１１は、マイクロプロセツ
サで構成されているが、32Kバイトのメモリ容量
では処理しきれないため、入出力インターフエー
ス１２を介して256Kバイトの容量をもつRAMメ
モリ１３を接続し、高速撮り込みにおいては最大
８枚までの画面が記憶できる。フイルムなどの処
理においては、280Kバイトのフロツピーデイス
ク１４により多量のデータのフアイルを行う。

画像メモリ９に記憶された画像データは、垂
直、水平のテレビ同期信号に同期して読み出さ
れ、カラーコード化部１５でカラー化されて、カ
ラーモニタ１６に15色のカラーパターン図が表示
される。一方、16段階の濃淡データに量子化され
た画像データは、デイジタルアナログ変換部１７
でアナログ化され、第４図に示すような白黒の映
像信号として、白黒モニタ１８に表示される。画
像データは、モニタテレビに表示される他、資料
として手元に残すため、画像出力装置として、プ
リンタ１９とＸ−Ｙプロツタ２０を用いる。

第５図は、画像メモリ９から読み出された４ビ
ツトの画像データを15色のカラーデータで表示す
るためのカラーコード化部１５の回路図である。
画像メモリ９から読み出された各絵素ごとの４ビ
ツトの画像データは、レジスタ２１に送られる。
レジスタ２１は４ビツトで構成されており、最上
位のデータからそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ、Ｃとする。
Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｃは、バツフア回路a₁に送られ、
Ｒ、Ｇ、ＢはＣとゲート回路b₁，b₂を構成する。
Ｃが論理１のときは、ゲート回路b₁が開かれ、
Ｒ、Ｇ、Ｂは、アナログスイツチd₁，d₂，d₃を駆
動する。Ｒ、Ｇ、Ｂが論理１のときは、アナログ
スイツチd₁，d₂，d₃が導通し、5Vの基準電圧が
バツフア回路c₁を介して、カラーブラウン管駆動
回路e₁，e₂，e₃に印加され、赤、緑、青の３原色
の組合わせがカラーモニタ１６に表示される。

次に、データＣが論理０のときは、ゲート回路
b₂が開かれ、Ｒ、Ｇ、Ｂはアナログスイツチd₄，
d₅，d₆を駆動する。抵抗R₁，R₂によつて5Vから
2.5Vに低下された基準電圧はバツフア回路c₂，
c₃，c₄を介しＲ、Ｇ、Ｂが論理１のときに、アナ
ログスイツチd₄，d₅，d₆を介してブラウン管駆動
回路e₁，e₂，e₃を駆動する。基準電圧を2.5Vに半
減させることにより、赤、緑、青の中間色をカラ
ーモニタ１６に表示することができる。

Ｒ、Ｇ、Ｂが論理０のときは、バツフア回路b₃
を介して、アナログスイツチd₇，d₈，d₉が駆動さ
れ、ブラウン管駆動回路e₁，e₂，e₃の入力は接地
され論理０となる。また、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つとも
が論理０のときは、ブラウン管駆動回路e₁，e₂，
e₃の入力はいずれもが論理０となるため、Ｃは論
理には無関係となる。以上のようにして、Ｒ、
Ｇ、Ｂ、Ｃの４ビツトの画像データから15色のカ
ラーがカラーモニタ１６に表示できる。

第６図は、画像撮り込みプログラムのフローチ
ヤートである。第２図におけるアナログデイジタ
ル変換部８に画像撮に込みスタートパルスが送ら
れると、４ビツトにデイジタル変換された画像デ
ータの読み出しが開始される。動画のような高速
撮り込みが必要な場合は、画像データは、入出力
インターフエース１２を介してRAMメモリ１３
に転送される。また、写真フイルムのような静止
画の場合は、フロツピーデイスク１４に転送され
る。画像メモリの読み出し、RAM領域内のプロ
グラムの制御及びフロツピーデイスクの制御プロ
グラム等は、機械語で作成されたサブルーチンに
より構成されている。

このようにして画像メモリに記憶された画像デ
ータは、処理プログラムにより処理される。その
フローチヤートを第７図に示す。

第７図においては、まず、２次元画像データを
見易くするため、ｘ、ｙ軸の目盛りの入力を行
う。次に、処理エリアの指定と枠をパラメータと
して入力する。油の拡散は連続的であるから、写
真撮影時あるいはデータ処理時に生じた特異点を
除くためにスムージング及びデータ修正の処理を
行う。本発明の場合は、画像の濃淡は15段階に段
階分けしているため、データの平均化処理をする
必要性は少いから、データの修正処理のみを行え
ばよい。データ修正処理は次のようにする。油の
拡散領域から離れた点で１絵素のデータだけが周
辺の９絵素のデータより段階が３以上離れている
場合は、その絵素のデータを周辺絵素のデータと
置換する。

このようにして処理されたデータは、フロツピ
ーデイスク１４に送られて保管される。次に、各
段階ごとのデータ処理として、度数分布、面積の
計算処理を行う。画像メモリからのデータの読み
出し、あるいは書き込みなどのルーチン化された
処理は、機械語で作成されたサブルーチンを使用
する。

第８図は、処理結果をＸ−Ｙプロツタで作画す
るためのプログラムである。まず、Ｘ−Ｙプロツ
タのイニシヤライズを行い、続いて作画エリアを
指定する。次に、画面の大きさを決めるため、１
絵素当りの大きさをパラメータとして入力するこ
とにより、画面の縮少、拡大が指定される。作画
ペンの選択を行うことにより、パターンの部分と
目盛、文字の部分の色分けをした後、作画命令に
より作画を行う。作画の１例を第９図に示す。

マイクロプロセツサを利用して画像の演算処理
を行う場合、演算処理装置の速度が遅いため、一
般には処理時間が長くなる。処理プログラムに使
用する言語として、BASIC言語は初心者にも理
解しやすいが、インタープリンタ方式のため、処
理速度が遅く、一画面のデータの読み込みに約１
時間を要する。処理速度の点では機械語が優れて
いるが、機械語命令を習得しなければならず、ま
たプログラムの変更も容易でない。ところが、本
発明では、BASIC言語と機械語を併用し、外部
機器及び周辺機器との転送を機械語で行い、その
他の処理は、BASIC言語で行い、BASICプログ
ラムは整数型コンパイラにより、機械語に変換す
るようにしたところ、処理時間は、BASIC言語
を使用した場合よりも約30倍短縮できることがわ
かつた。このコンパイラ方式により、データ出力
処理は、プリンタ、Ｘ−Ｙプロツタの最大速度で
行うことができる。

次に、実験水槽を用いて行つた油流出実験にお
ける油の拡散状況の解析方法について説明する。

第１０図は、油の厚さ測定器を用いて測定した
油の厚さの時間的変化を示す。湾口では流出後約
50秒で一定厚さとなる。湾口から２ｍ離れた地点
では、油の拡散に伴つて徐々に油の厚さが増し、
流出後約300秒でほゞ一定の厚さとなる。

油の拡散状況の解析に際しては、まず実験で得
られた写真フイルムの濃淡を測定するため、第２
図における固体撮像型テレビカメラ７を用いて、
写真フイルム６の透過光を測定する。白黒モニタ
テレビ１８を見ながら、油の拡散状況が表示され
るように、アナログデイジタル変換部８における
アナログデイジタル変換設定用ボリユウムによ
り、映像レベルの上、下限値を調整する。このよ
うにして測定された油の濃淡パターンは、15色の
カラーで色づけされてカラーモニタ１６に表示さ
れる。

第１１図は、写真フイルム上の油の濃度と実測
した油の厚さの関係を示す。湾口から２ｍの位置
での油の厚さｄと、その近傍の写真フイルムの濃
度レベルＫとの関係は、 ｄ＝0.144K＋0.16(mm) ……(1) なる実験式で近似できる。図中の矢印は、２つの
濃度レベルに平均的に分布していることを示す。
(1)式をもとに流出油の量を計算することができ
る。

第１２図は、流出後の各時刻における油の拡が
りについて、各濃度レベルごとの度数分布を示す
ものである。濃度レベル０は、油の厚さが0.16mm
であり、濃度レベル数が増加するにつれて油の厚
さも増加し、濃度レベル１４で油の厚さは2.2mm
となる。油はほぼ半円状に拡がるため、油の薄い
部分が魚速に拡がることがわかる。

第１３図は、実際に流出した油量Qthと解析に
より求められた油量Qcalを比較したものである。
流出油量の計算は、油の厚さと１絵素の画積の積
により求めた。実験の際に流出源の流出油量を測
定しているので、この値と画像処理により求めら
れた値とを比較した。画像処理により求められる
油量Qcalは、 Qcal＝₁₅ 〓ⁱ⁼¹ di・Si＋q₁＋q₂ ……(2) で与えられる。ここでdiは油の厚さであり、Siは Si＝ΔS×Ni で与えられる。△Ｓは１絵素当りの面積で、Ni
は濃度レベルｉの個数である。q₁は湾内の油量、
q₂は油の厚さ測定器支持棒下の油量である。q₁，
q₂については、第１０図に示されるように、各時
刻における油の厚さ測定器の出力値と面積とから
計算により求めた。実際に流出した油量Qthと、
画像処理に求められた油量即ち(1)(2)式で求めた算
出油量Qcalは、流出後200秒まではほぼ一致する
が、その後はQcalが小さくなる。この原因は、
画像処理では、約0.2mmより薄い油の厚さは無視
されるが、この薄い層の面積は、時間が経過する
につれて急速に拡がるから、この部分の油量が誤
差を生じるためである。

第１４図は、油流出経過時間と油拡がり面積の
関係を示す。油の流出実験では、油の拡がり面積
の時間的変化が重要なパラメータとなる。そこ
で、画像データから油のある部分を抽出して拡が
り面積を求めた。図から経過時間と、拡がり面積
の関係を示す実験式を求めると、 Soct^1.14 となる。ここで、Ｓは拡がり面積、ｔは経過時間
である。面積Ｓは、長さＬの２乗の次元であるか
ら、 Loct^0.57 となる。このことは、油の流出実験における理論
解析の拡がり法則、Ｌ∝t^7/12（７／12＝0.58）とよ
く、一致することが明らかになつた。

以上説明した如く本発明によれば、油の拡散状
況を撮影した写真画像の濃度分布を15段階の濃度
レベルに量子化するとともに、画像中の特定点の
油の厚さを連続測定し、この特定点近傍の濃度レ
ベルと直接測定された油の厚さとを対応させるこ
とにより、従来の解析方式等よりも解析の迅速
化、簡便化が図れ、広範囲におよぶ油の拡がりを
高精度かつ高信頼で解析することができ、また必
要最小限の機能により、実験室及び生産現場での
使用が可能であり、従来の方式ならびに装置に比
べ、作業効率の向上及び省力化に極めて有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した油拡散実験の構成を
示す立体図、第２図は本発明を実施する装置全体
のブロツク図、第３図は固体撮像型テレビカメラ
の映像出力信号、第４図はデイジタルアナログ変
換された映像信号、第５図はカラーコード化の回
路図、第６図は画像撮り込みのフローチヤート、
第７図は画像処理プログラムのフローチヤート、
第８図は作画プログラムのフローチヤート、第９
図は作画の１例、第１０図は油の厚さ測定器の測
定結果、第１１図は油の厚さと濃度レベルの関
係、第１２図は各濃度レベルの度数分布、第１３
図は実際に流出した油量と解析により求めた油量
の関係、第１４図は油拡散後の経過時間と拡がり
面積の関係を示す図である。 １：油拡散実験水槽、３：撮影カメラ、４：油
の厚さ測定器、７：固体撮像型テレビカメラ、
８：アナログデイジタル変換部、９：画像メモ
リ、１５：カラーコード化部、１６：カラーモニ
タ、２０：Ｘ−Ｙプロツタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 海洋、河川、湖などに流出した油や汚染物の
   拡がり及び炉、燃焼室における燃焼領域をカメラ
   により随時撮影するとともに、一方直接測定法に
   より濃淡画像中の特定点の厚さ、濃度、長さなど
   の物理量の連続的測定を行い、前記カメラにより
   撮影された濃淡画像を光電変換した後、アナログ
   デイジタル変換器により濃度レベルデータとして
   量子化し、１絵素ごとの濃度レベルを記憶媒体に
   記憶させ、濃度分布図をＸ−Ｙプロツタで作画さ
   せ、画像中の前記特定点の近傍の濃度レベルを前
   記直接測定法により測定された物理量と対応する
   ことにより画像濃度に対する物理量を求めるとと
   もに、画像中における物理量分布を測定すること
   を特徴とするデイジタル画像処理方法。 ２ 汚染領域、燃焼領域などを撮影するカメラ
   と、この撮影した撮影画像を電気信号に変換する
   光電変換部と、この光電変換部の出力を濃度レベ
   ルデータとして量子化するアナログデイジタル変
   換器と、その出力データを記憶する記憶媒体と、
   撮影画像中の特定点の濃度、厚さなどの物理量を
   直接測定する測定器と、この測定器の出力値と前
   記光電変換部の前記特定点の近傍の出力データと
   を比較する比較検出部と、濃度パターンを記憶す
   るためのＸ−Ｙプロツタとを具備したことを特徴
   とするデイジタル画像処理装置。