JPH0244043B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、入力画像に含まれる水平方向の調
整可能な特定周期の空間的周期性を検出し、その
位置を示す画像を構成し表示する画像の空間周波
数検出装置あるいは特定の空間周波数を有するパ
ターンの検出装置に関するものである。この発明
の装置は、パターン認識における特徴抽出や欠陥
検査などを、被測定物の位置と関係づけて画像と
して表示できるものである。

（従来技術） 従来より、テレビカメラで画像を入力し、電気
光学的手法を用いた空間的実時間相関演算処理を
行つて、前記画像の水平走査方向相関画像を得、
これを受像器画面上に表示する画像相関装置があ
る。このような装置では、相関演算に使用する２
つの信号が共にテレビ画像映像信号等の被演算処
理信号であるため、相関出力画像を検出しても、
テレビ画像に含まれ空間周波数成分の検出は困難
である。すなわち、自己相関出力画像では、入力
画像の周期性が検出できるだけであり、相互相関
出力画像においても特定対象信号に対する類似度
（重なり具合）が測定できるのみである。

また、発明者らが先に発明した画像空間周波数
アナライザ（特願昭55−183810号）では、水平方
向に検出した空間周波数を示し、垂直方向にその
垂直方向における位置を示した空間周波数スペク
トル画像を表示することができる。

しかし、この装置では、検出した空間周波数成
分の水平方向における位置を表示しない。言い換
えれば、この装置では、出力画面の横軸が空間周
波数目盛で示され、検出した空間周波数成分が入
力画像のどの位置に存在したか、すなわち、特定
空間周波数成分の空間的位相情報については全く
情報が得られず、検出した空間周波数成分の２次
元的位置を確定することができない。

さらに、入力画像を１回水平走査して得られる
映像信号から出力画像の空間周波数スペクトルの
一部を表わす１輝点の位置と輝度が得られるのみ
であるので、画像入力用撮像装置の水平走査速度
に比べ出力画像の水平走査速度が著しく遅くなつ
てしまう。

この問題は、出力画像の分解能を上げるため画
像中の空間周波数を示す輝点数を多くするとさら
に顕著になり、結果として一出力画像を構成する
時間がより長くなる。つまり、分解能と処理速度
は相反し、その上限は画像入力用撮像装置の水平
走査速度でおさえられてしまう。従つて、高い分
解能を要求される用途や高速移動物体等の映像全
体を実時間で処理する用途に用いるには、水平走
査速度の非常に高い高価な画像入力用撮像装置を
必要とする。

さらにまた、入力画像中に含まれる或る特定周
期の空間的周期性のみに着目して、その周波数と
存在位置とを検出するパターン認識での特徴抽出
や、欠陥検査などの産業上の用途に用いるには、
水平方向に検出したすべての周波数を表示するだ
けの方式では、動作時間及び知りたい位置情報と
いう点からはかえつて分析しにくいという問題が
あり、ほとんど実用には適さなかつた。

（本発明の目的） 本発明は、以上に述べたような従来の画像相関
装置を改良し、相関演算を応用して入力画像中に
含まれる水平方向の調整可能な或る特定周期の空
間的周期性を検出し、その水平・垂直両方向の位
置を示す画像を構成し、さらに入力画像の水平走
査速度と同じ水平走査で出力画像を表示する空間
周波数を有するパターンの検出装置を提供するこ
とである。

（本発明の要旨） このため、本発明では、実時間で電気信号の相
関演算が可能な、超音波光変調器とフーリエ変換
光学系を用いた音響光学的相関器または同等の機
能を有する相関器とを使用し、相関器に入力する
２つの信号のうち一方を検出すべき空間周波数に
対応する外部より調整可能な特定の時間的周波数
を有する参照信号とし、他方を入力信号を一方向
水平走査して得られる映像信号とし、これら２信
号の相互相関演算を施して出力信号を得て、それ
を画像入力用撮像装置の水平・垂直掃引すること
により画面に表示して、もとの入力画像中に含ま
れる特定周期の水平方向空間周波数が検出された
もとの入力画像に対応した位置に表示するように
した。

（本発明の構成） 本発明の実施例を説明するにあたり、まず、超
音波光変調器とフーリエ変換光学系を用いた音響
光学的相関器の構成と動作について説明を加え
る。第１図は本発明の画像の空間周波数検出装置
の実施例における構成図である。同図において６
は音響光学的相関器または同等の機能を有する相
関器である。

この音響光学的相関器において、相関演算を行
うべき２つの電気信号は、一対の振幅変調可能な
正弦波発振器８，９に外部変調信号として加えら
れる。前記発振器の発振周波数は、一対の超音波
光変調器１２，１３内に配置されている超音波振
動子の共振周波数である。前記一対の発振器から
出力され正弦波は一対の増幅器１０，１１で適当
な電力増幅をうけ、前記超音波振動子に加えら
れ、前記一対の超音波光変調器内に２つの空間的
超音波信号を形成する。この２つの超音波信号は
超音波光変調器内を音速度で伝搬する。つぎに、
これら２つの超音波信号がフーリエ変換光学系１
４によつて実時間で相関演算される動作原理につ
いて述べる。変換光学系の光源はレーザー１５で
あり、ここより発射されたレーザー光線は、レン
ズによつてその光束幅が拡大され、前記一対の超
音波光変調器内での光束は前記２つの超音波信号
を直角に横切り位相変調をうける。この位相変調
をうけた光を再びレンズで収束させると、レンズ
焦点面に数個の回折光輝点を生ずる。これら回折
光輝点のうち、前記一対の超音波光変調器内の２
つの超音波信号を横切ることによつて２度回折し
た結果の輝点のみを空間的光強度フイルタ１６で
検出し、その光量を光電変換装置１７で光電変換
し増幅して電流値Ｉ（ｔ）を検出する。この場合、
前記一対の超音波光変調器内の２つの超音波信号
による空間的位相パターンの包絡線をU₁（ｘ），
U₂（−ｘ）とすれば、レイリーの定理により次式
の成立することが知られている。ただし、U₂（−
ｘ）の（−）符号は前記超音波振動子に加える超
音波信号の包絡線時間波形U₁（ｔ），U₂（ｔ）を前
記超音波光変調器内の空間波形に変換する際、前
記超音波振動子が互いに向い合う形で配置されて
いるため、同一の空間軸ｘを使用すると空間位置
が反対になることを表わしている。

∫｜U₁（ｘ）｜²｜U₂（−ｘ）｜₂dx＝∫｜Ｆ｛U₁（ｘ）
U₂（−ｘ）｝｜²dα………(1) ここで、Ｆ｛U₁（ｘ）U₂（−ｘ）｝は超音波信号
包絡線U₁（ｘ），U₂（−ｘ）のフーリエ変換を示
し、αはフーリエ変換面上で時間軸ｘと平行な空
間軸を表わす。(1)式の右辺はU₁（ｘ）とU₂（−ｘ）
との積をフーリエ変換した光学像の全光量すなわ
ち、前記空間光強度フイルタを通過した光量を示
すものであつて、前記光電変換器の出力電流Ｉ
（ｔ）に比例する。また、超音波信号包絡線U₁
（ｘ），U₂（−ｘ）は前記超音波光変調器内を互い
に逆方向に超音波速度ｖで移動していることを考
慮すれば、(1)式より次式が導びかれる。

(2)式においてｄは光束の幅を表わす。(2)式によ
つて、光電変換器出力電流Ｃ（ｔ）は超音波信号
包絡線U₁（ｔ），U₂（ｔ）のおのおのの自乗値重畳
積分の演算結果を示すことがわかる。ただし(2)式
で示される自乗値重畳積分は一般的な形式とは異
なり、U₁（ｔ），U₂（ｔ）がともに移動（遅延）す
る形式ある。なお、U₂（ｔ）が連続正弦波の様に
周期的で、かつ、対象性を有する場合には、 U₂（ｔ）＝U₂（−ｔ） ………(3) と考え、(2)式は となり、U₁（ｔ）とU₂（ｔ）の自乗値相互相関演
算を表わす。

つまり、光学系内での２信号の重ね合せが積演
算で表わされ、レンズによる収束作用は積分演算
で表わされて、超音波光変調器とフーリエ変換光
学系を用いた音響光学的相関器内で実時間の相互
相関演算が行われるので、その出力信号は(4)式に
示した相関出力となる。

ここで、U₂（ｔ）として連続正弦波や矩形波の
ように周期的で対称性を有する波形を用い、その
周波数を外部からの調整により適宜設定された特
定の値とし、U₁（ｔ）として被測定信号たる映
像信号を用いれば、出力信号Ｃ（ｔ）はU₁（ｔ）
に含まれる時間的周波数の成分の多少に応じた
振幅を有する相関出力となる。したがつて、相関
出力Ｃ（ｔ）の振幅により、映像信号中に含まれ
る特定の時間的周波数が出できる。

次に、本発明の構成全体について説明する。

第１図に示した本発明の画像空間周波数検出装
置の実施例における構成図について、その構成を
説明する。

第１図において、６は超音波光変調器とフーリ
エ変換光学系を用いた音響光学的相関器または同
等の機能を有する相関器であり、前述の動作原理
により入力２信号の自乗相互相関演算を実時間で
実行する。撮像装置２によつて得られた入力画像
１の映像信号は、水平・垂直同期パルスを取り去
る同期パルス分離回路３を経て、信号振幅の自乗
圧縮を行う自乗圧縮回路４に送られ、その出力が
一方の入力信号として相関器６に加えられる。す
なわち、同期パルス除去後の映像信号をｈ（ｘ）
とすれば、前記自乗圧縮回路４の出力信号は√
（ｘ）となる。図中５の参照信号発生装置は、外
部からの調整により適宜設定された特定の周波数
を有する連続正弦波または矩形波などの周期的
で対称性を有する波形の参照信号を発生し、他方
の入力信号として相関器６に入力する。相関器６
の出力信号Ｃ（ｔ）は、前述の通り、映像信号ｈ
（ｔ）に含まれる時間的周波数の成分の多少を
表わす振幅を有しており、前記撮像装置から出力
される水平・垂直掃引信号とともに、出力画像表
示器７に入力されて、周波数の成分が検出され
た位置を示す画像を構成し、表示する。

（本発明の動作原理） 次に本発明の動作原理を、図を用いて説明す
る。第２図は、本発明の実施例の動作を示す代表
的な入力画像と出力画像の図であり、実施例の動
作実験の結果にもとづいて作図したものである。
図中ａは或る入力画像を示し、その上部および右
下部には水平方向空間周波数Ａを有する映像があ
り、中央左部にはより小さい方向空間周波数
A′を有する映像がある。図中ｂは、入力画像中
に含まれる水平方向空間周波数Ａを検出し、その
位置を示した出力画像である。入力画像中の空間
周波数Ａを有する部分を撮像装置が走査する時の
映像信号の時間的周波数は、撮像装置の走査速
度をＳとすると、(5)式のように表わされる。

＝Ｓ／Ａ ………(5) 従つて参照信号発生装置の周波数をに設定す
る事により、相関出力Ｃ（ｔ）は映像信号中の時
間的周波数を検出する。これは、すなわち入力
画像中の空間周波数Ａを検出した事である。この
相関出力Ｃ（ｔ）を、入力画像ａと同じ水平・垂
直掃引信号で掃引する事により出力画像ｂが得ら
れる。画像中上部および右下部を掃引する時、Ｃ
（ｔ）は空間周波数Ａを検出して大きな振幅を有
するので、出力画像に縞状の映像が生じている。
しかし、画像の他の部分では、空間周波数Ａが検
出されず、映像が生じていない。図中ｃは、水平
方向空間周波数A′を検出した時の出力画像を示
している。この時の参照信号発生器の設定周波数
は、(5)式と同様の計算によりＳ／A′である。ｂと同 様に、所定の空間周波数の検出された中央左部の
みに縞状の映像が生じている。

つぎに本願発明と、同一出願人がした先願（特
開昭57−91086号及び特開昭57−91087号公報記載
のもの）との関係について触れておく。

特開昭57−91086号公報記載の「テレビ画像ア
ナログ相関装置」は、特開昭57−91087号公報記
載の「画像空間周波数アナライザ」及び本願の
「空間周波数を有するパターンの検出装置（画像
の空間周波数検出装置）」の構成と、光学系及び
画像相関器が類似してはいるが、これら三つの発
明は相互に電気信号の処理系が大いに相異する。

テレビ画像アナログ相関器では、自己相関画像
を得て、その自己相関画像を受像器画面の左右い
ずれかの半面上に表示されるために、同期信号を
遅延させるための遅延回路を必須の構成要件とし
ている。

画像空間周波数アナライザと本願の空間周波数
を有するパターンの検出装置とは、次の諸点が相
違する。

(1) “アナライザ”は周波数分析を行うために、
一定の繰返し周期で線形FM信号を発生させる
線形FM信号繰返し発生装置を必須構成要件と
し、この線形FM信号を相互相関信号を方向す
る相関器の一方の入力としているのに対して、
“検出装置”は位相検出を行うために、外部よ
り調整可能の特定の周波数の参照信号を発生す
る参照信号発生装置を必須構成要件とし、この
特定の周波数（パターンの空間周波数に対応す
る）の参照信号を相互相関信号を出力する相関
器の一方の入力としている点に構成上の著差が
ある。

(2) “アナライザ”はTV入力画像の空間周波数
スペクトルを画像の形でTV画面に表示させる
ことを目的としたアナライザであり、 一方、本願の“検出装置”はTV入力画像の
画面のどの位置に特定の繰返しパターン（格子
縞）が存在するかを検出することを目的とした
特定パターン検出装置である。この目的の相違
の故に、両者の装置構成は相関光学系は類似し
ているものの、電気系及び動作内容は全く異な
る。

(3) 両者の動作を比較すれば、 “アナライザ”は画像計測装置としてTV画
像全般を対象としたスペクトルアナライザの機
能をもつが、 一方、本願の“検出装置”は欠陥検出やパタ
ーン認識用の特徴検出に使用される空間フイル
タの一種であると見ることができる。“検出装
置”という空間フイルタはプロセツサという機
能をもつと考えられるものであるのに対して、
“アナライザ”はこのようなプロセツサ機能を
有しない。

(4) 両者の動作でさらに異なる点は動作時間で、
“アナライザ”の場合は、各走査線はほぼリア
ルタイムで出力されるが、スペクトル画面全体
を平均的な密度で構成するには数秒を要する。

一方、本願の“検出装置”では、走査線１本
分の走査時間（63ms）の遅れで全画面がほぼ
リアルタイムで出力される。このため、“アナ
ライザ”では少なくとも数秒間は静止している
画像でなければ十分な結果は得られないが“検
出装置”ではTVカメラで追随可能な対象物で
あれば、全て処理することができる。

（本発明の効果） 本発明は、以上のような構成であるから、これ
を使用すれば、入力画像中に含まれる任意の周期
の水平方向空間周波数を実時間で検出し、その２
次元的位置を表示することができる。なお、入力
画像の水平・垂直掃引と同じ速度で、出力画像も
掃引しているので、移動物体の映像を処理したり
また一定時間に多数の静止画像を処理するのに適
している。前述した従来の画像空間周波数アナラ
イザのように高速掃引の撮像装置を要しない。

本発明では、検出すべき空間周波数を固定して
用いる事もできるし、出力画像を観察しながらダ
イヤルなどで検出すべき空間周波数を適宜調整し
ながら用いる事もでき、さらに検出すべき空間周
波数を時間的に掃引する事により時間軸に周波数
を対応させた３次元スペクトルアナライザとも呼
べる方式の表示に応用する事もでき、非常に広範
囲の用途に用いることができる。

撮像装置を固定して使用すれば、入力画像中に
含まれる空間周波数の絶対測定も可能であり、こ
の場合撮像装置のレンズ系による画像の拡大、縮
小効果を利用すれば、より精度の高い測定も可能
である。さらに入力すべき映像信号は撮像装置に
より直接に得られた信号に限らず、ビデオテープ
等の収録映像信号も使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す図、第２図は入
力画像と出力画像を示す図である。 １は入力画像、２は撮像装置、３は同期パルス
分離回路、４は自乗圧縮回路、５は参照信号発生
装置、６は相関器、７は出力画像表示器、８，９
は正弦波発振器、１０，１１は広帯域増幅器、１
２，１３は超音波光変調器、１４はフーリエ変換
光学系、１５はレーザー、１６は光検出フイル
タ、１７は光電変換装置を表す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力画像１中の特定の水平方向空間周波数を
   有するパターンの有無とその存在位置とを検出し
   て表示するための画像空間周波数検出装置であつ
   て、 前記入力画像を一方向水平走査して得られる複
   合映像信号を出力する撮像装置２と：該複合映像
   信号より水平・垂直同期パルスを取り去る同期パ
   ルス分離回路３と：該分離回路の出力信号を自乗
   圧縮する自乗圧縮回路４と：外部より調整可能の
   特定の周波数の参照信号を発生する参照信号発生
   装置５と：該自乗圧縮回路の出力信号と該参照信
   号とを受領して相互相関信号を出力する相関器６
   と：該撮像装置より出力される水平・垂直掃引信
   号および該相関器より出力される相互相関信号を
   受領して、参照信号の周波数を有する入力画像中
   のパターンの存在位置を入力画像に対応させた出
   力画像として表示する出力画像表示器７とを備え
   たことを特徴とする空間周波数を有するパターン
   の検出装置。 ２ 前記相関器６が、 一対の振幅変調可能な正弦波発振器８，９と：
   該正弦波発振器の出力信号を入力信号とする広帯
   域増幅器１０，１１と：該増幅器の出力信号を入
   力信号とし、超音波伝搬方向が互いに逆向きであ
   る一対の超音波光変調器１２，１３を有するフー
   リエ変換光学系１４と：該光学系の光源であるレ
   ーザー１５と：該光学系の出力光を検出する光検
   出フイルタ１６と：該出力光を光電変換し、増幅
   する光電変換装置１７で構成される音響光学的相
   関器であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の空間周波数を有するパターンの検出装
   置。