JPS6033356B2 - 画像相関装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明はテレビ画像における水平走査方向コンボリュ
ーション画像を実時間で得るようにした画像相関装置に
関する。 従来、テレビカメラで画像を入力して相関演算処理を行
なう画像相関装置には、超音波光変調器とフーリエ変換
光学系を用いて光学的相関演算を行ない、テレビ受像器
の中央に入力画像の水平走査方向自己相関画像のみを表
示するものがあるが、このような画像相関装置には次記
のような性能、操作面における欠点がある。 （１） 相関画像しか受像器画面上に表示できないため
、入出力画像の比較検討が困難である。 このため、入力画像表示専用の受像器が必要で、かつ、
これら入出力画像専用の２台の受像器は画面の大きさ性
能を揃える必要がある。ｔ２’ 有限区間相関演算を繰
返し連続的に行なうため、動作原理上、相関画像表示受
像器画面の左右１′４づつ、すなわち全画面の半分に相
当する画面は表示に使用されていない。

【３｝ 有限区間相関演算を繰返し連続的に行なうため
、動作原理上、入力画像の水平走査方向長さは２値パル
ス映像信号に変換後、水平同期時間の１／沙よ下でなけ
ればならず、かつ、光学的相関器の構造上、前記２値パ
ルス映像信号は水平同期パルスの前後１／４同期時間の
範囲に存在してはならないという条件がある。 このため、入力画像撮影時に画像の大きさと構図および
背景に制限が加わる。【４ー 相関画像各点における相
関値は輝度表示によるため、受像器ブラウン管の非線形
な電圧対輝度特性により数量的表示精度が悪い。 筆者等が先に学会（電子通信学会論文誌の１９７９年３
月Ｖｏｌ．６２一ＡＮｏ．３「超音波光変調器とＴＶカ
メラを用いた画像相関装置の一構成法」）にて発表した
装置例、すなわち、従来の画像相関装置における構成お
よび動作原理を次に述べる。 第４図に従釆の装置構成略図を示す。この装置の製作意
図の概略は、一般に使用されているテレビカメラの映像
出力信号が超音波光変調器への入力信号として適当な繰
返し周期と周波数帯城を持つことに着目し、超音波光変
調器を有する光学的相関器によって各水平走査ごとの映
像出力信号の１次元自己相関関数を検出し、受像器画面
上で画像に構成し表示することであり、出力画像として
入力画像の水平走査方向自己相関画像を得ることである
。第４図に示した装置では自己相関をとるべき入力画像
１３を双方向掃引発振器１５で発生させた７．８７靴Ｈ
Ｚの三角波で双方向水平走査を行なうテレビカメラ１４
で撮影し、得られた複合映像信号を映像信号と水平垂直
同期パルス信号とに分離するため同期パルス分離回路１
０に加える。ここで分離された映像信号は後述する光学
的相関演算の条件を満すため、映像信号パルス化回路９
に送られ設定関値との比較により白黒２値のみを表わす
２値パルス映像信号に変換される。この２億パルス映像
信号はパルス振幅変調可能な一対の正弦波発振器ｌａ，
ｌｂに外部変調信号として加えられる。前記正弦波発振
器ｌａ，ｌｂは光学的相関器内に配置されている一対の
超音波光変調器５ａ，５ｂを構成している超音波振動子
の共振周波数で発振しており、発振波は発振器内で前記
２値パルス映像信号により振幅変調をうけて前記超音波
光変調器５ａ，５ｂに加えられる。光学的相関器は次の
ように構成されている。光源にはしーザー４を用い光東
をレンズで拡大した後、前記超音波光変調器５ａ，５ｂ
に入射する。一対の前記超音波光変調器５ａ，５ｂは超
音波進行方向が逆向きになるように配置されておりこれ
を透過した光東はしンズで収束され焦点面上に綾点をつ
くる。焦点面には空間的光強度フィル夕６が配置され、
このフィル夕を通過した光は光電変換器７によって光電
変換されて光学的相関器の出力電流となる。なお、光学
的相関演算の原理については後に詳述する。さて前記同
期パルス分離回路１川こて分離された同期パルスは水平
同期時間遅延回路１１に送られ時間遅れを施された後混
合器１２に加えられる。この混合器１２は前記光電変換
器７で得られた相関出力信号に遅延同期パルスを付加し
、相関画像となるべき複合映像信号を作るものである。
前記水平同期時間遅延回路１１の遅延時間を水平同期時
間の約１／２，３２仏ｓに定め、前記複合映像信号を受
像器１６で画像に構成すれば前記入力画像１３の自己相
関画像を画面の中央に表示することができる。次に光学
的相関演算の原理について述べる。 双方向水平走査によって得た各走査ごとに走査方向が反
転する映像信号を２個の超音波光変調器で空間的に反転
、遅延、シフトし、レンズで積分して互いに隣りあった
、すなわち画面上では上下関係にある映像信号間の相互
相関関数を自己相関関数に近似させて得るの概略である
。第５図に示すように入力画像は２値画像でＰ（Ｑ，Ｂ
）とし、垂直同期パルスより数えてｎ回目の水平走査で
得た映像信号をｆ（Ｑ，ｎ）とする。第６図に示すよう
に、２値パルス映像信号に整形され、ｆ（Ｑ，ｎ）で振
幅変調された超音波信号は超音波光変調器内の超音波振
動子に加えられる。超音波光変調器５ａ，５ｂは超音波
進行方向が互いに逆向きになるように配置されているた
め、超音波光変調器内の超音波信号はｕ（ｘ，ｎ），ｕ
（一×，ｎ）と書ける。超音波光変調器５ａは５ｂに較
べ超音波進行方向長さが長く作られており、前記超音波
信号ｕ（ｘ，ｎ）がレーザー光東内に達する時間はｕ（
一×，ｎ）が同じく達する時間より１水平走査時間６３
．５４ｓだけ遅れる。よってレーザー光東内で重なる超
音波信号はｕ（ｘ，ｎ）とｕ（一ｘ，ｎ＋１）である。
光学系内での２信号の重ね合せは積演算で表わされ、レ
ンズの収束作用は積分演算を表わす。またｕ（ｘ，ｎ）
，ｕ（一×，ｎ十１）は超音波速度ｖで移動しているこ
とを考え合せれば、超音波信号によって生じた回折光の
みを空間的光強度フィル夕６で検出し光電変換すること
により、電流値として次に示す相関出力ｃ（ｔ，ｉ）が
得られることが知られている。ここでｄはしーザ−光東
の幅を表わす。ｇ（ｘ，ｎ）はｕ（ｘ，ｎ）の包縦線を
表し、ｆ（Ｑ，ｎ）のＱをｘに線形変換したものである
。 この｛１ｌ式にｇ（ｘ，ｉ）ニｇ（一×，ｉ十１） …
（２’の関係をあてはめればとなって、ｃ（ｔ，ｉ）は
ｇ（ｘ，ｉ）すなわちｆ（Ｑ，ｉ）の自己相関関数を表
わす。 ｃ（ｔ，ｎ），ｆ（Ｑ，ｎ）はともに水平走査回数ｎに
おける関数である。よってｃ（ｔ，ｎ）をｆ（Ｑ，ｎ）
の同期信号を使用して画像に構成すれば、入力２値画像
の水平走査方向自己相関画像を得る。ただい３｝式を実
行して各ｎについて独立したｃ（ｔ，ｎ）を得る条件と
して、映像信号の前後にこれと等しい長さの無信号部分
が必要であることから、入力可能な映像信号の最大長は
水平同期時間の１／２に制限される。また、光学的相関
器により前記｛１）式を実行する場合、前記光電変換器
７における光電変換時の自乗特性を避けるため（１｝式
内のｇ（ｘ，ｉ）を２値の実数関数にする必要があり、
具体的には従来装置のように入力画像を白黒２値画像に
限定するか、設定関値をもつ映像信号パルス化回路１０
が必要である。以上が従釆装置の構成ならびに動作原理
である。 従来装置は使用目的を単純図形または文字記号のパター
ン認識においているため、前述の動作原理より生ずる諸
制限は装置の操作を制限するなどして解消している。す
なわち、無信号部分の発生はテレビカメラを固定し、水
平方向長さを制限した入力画像を黒色背景上に置くこと
により行ない、映像信号の２値化は入力画面自体を白黒
２値画像にして行なっている。この他、従来装置におけ
る性能、操作面については前述箇条書さした｛１ーない
し｛４）の問題がある。本発明は以上述べた画像相関装
置の欠点を補ない、さらに新しい装置を付加することに
よってより実用的、機能的装置にすることを目的として
いる。 すなわち、入力画像の分布状態・位置の検出に有効であ
るコンボリューション画像を表示させる画像相関装置を
提供することを目的としている。 さらに、入出力画像の同時比較のため受像器画面の中央
を境とした左右に、入力画像と相関画像を同時表示する
ことを特徴としている。この目的を達成するため、 【１’入力画像の大きさや動きに拘らず映像信号中に無
信号部分を形成するため、テレビカメラ内の撮像管光入
射面に光強度フィル夕を配置した。 ｛２） 空間的にコンボリューション演算を行なうに必
要な超音波光変調器内における逆方向映像信号を得るた
め、画像入力用双方向水平走査テレビカメラの代わりに
単一方向水平走査テレビカメラを使用した。 第１図は本発明のコンボリューション画像を表示する画
像相関装置の実施例における構成図である。 この装置ではテレビカメラ等の撮像装置１００を単一方
向水平走査してコンボリューションをとるべき画像の映
像信号を得ている。第８図は、自己相関ａとコンボリュ
−ぐ／ョンｂの比較を示している。同図ａｌ，山ま入力
画像２値信号を表わし、双方向水平走査で得た時間的に
方向が逆である信号が超音波光変調器内で空間的に再び
方向を変え、速度ｖ・乙移動しながら重なる状態を示し
ている。同図ａｍはこの時の自己相関波形を表わす。自
己相関波形は左右対称の形をもち、中心値は全信号の積
分値、すなわち全信号の大きさを表わし、各ｔ値に対応
する相関値は入力信号における周期ｔの分布状態を示す
尺度となることが知れている。さて、本発明によって得
られるコンボリューションを式で示せば次のような形を
もつ。ｖは超日波速度、ｄは光東の幅である。このよう
な形の演算は、（ｖｔ）とｘの符号、すなわち空間的方
向が簡単に変えられる光学的相関器では、自己相関演算
の構成を用いて容易に実行可能である。第８図ｂｌ，ロ
ーこ示すように単一方向水平走査で得た映像信号を使用
するだけで、ｆ（ｘ）とｆ（一ｘ）が空間的に２個の超
音波光変調器の中に出現する。同図ｂｍは１と０の相互
相関すなわち、１の信号のコンボリューションを表わし
ている。■式で示したようにｆ（ｘ）に関するコンボリ
ューションはｆ（ｘ）の自己相関とｆ（ｘ），ｆ（一ｘ
）の相互相関という２種の演算内容を含むものである。
このため、コンボＩＪユーションでは自己相関の特徴で
ある周期性のある分布の検出と、相互相関の特徴である
相対位置の検出とが同時に可能となる。前記８図ｂｍに
示したコンボリューション信号では信号の頂点の間隔Ｔ
，，Ｔ２が入力信号ｆ（ｘ）の周期性を表わし、信号全
体の形がｆ（ｘ）の片よりを表わす。また、ｆ（ｘ）に
片よりのない場合、すなわちｆ（−ｘ）が対称形をして
いる場合には（４｝式は自己相関を表わす前記糊式と同
形となり、コンボリューションと自己相関は等しくなる
。このコンボリューション信号が第１図の混合器１２で
同期信号および映像と組合されて受像器１６にて表示さ
れる。また、水平同期時間遅延回路１１の遅延時間を従
来装置で用いられた１／２水平同期時間３２山ｓから改
め、１／４水平同期時間】６ムｓとした。 第７図はこれらの結果より受像器１６の画面上に中央を
境として入力画像と相関画像が表示できることを示して
いる。この結果、受像器画面の中央を境とした左右に、
入力画像とそのコンボリューション画像が表示できる。
受像器で表示される入力画像は、第１図１７番の切換器
によって切換えることで白黒２値に変換したパルス画像
又は入力画像のいずれかとすることが可能である。 本発明は以上のような構成であり、撮像装置１００で撮
影可能な画像であれば、その画像の水平走査方向コンボ
リューション画像を入力画像と同一の受像管上で同時に
比較観測できる効果がある。 コンボリューション画像は自己相関画像の特徴と相互相
関画像の特徴を兼ね備えており、本発明のように撮像装
置による画像入力が可能な場合、ゆっくり移動する物体
で、その内部の分布状態が変化しているものなどを固定
撮像装置で撮影すれば移動の方向と分布状態を同時に表
示でき、非常に有効である。

【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図は前記第１図
Ａ部の内部構成を示す図、第３図は光強度フィル夕２２
の正面図、第４図は従来例を示す図、第５図は画像の双
方向水平走査を示す図、第６図は信号のタイミングチャ
ートを示す図、第７図は信号のタイミングチャートを示
す図、第８図は自己相関とコンボリューションの比較を
示す図。 ｌａ，ｌｂは正弦波発振器、２は欠番、３ａ，３ｂは広
帯域増幅器、４はしーザ−、５ａ，５ｂは超音波光変調
器、６は空間的光強度フィル夕、７は光電変換器、８は
映像信号増幅器、９は映像信号パルス化回路、１０‘ま
同期パルス分離回路、１１は水平同期時間遅延回路、１
２は混合器、１３は入力画像、１４はテレビカメラ、１
５は双方向掃引発振器、１６は受像器、１７は切換えス
イッチ、１８〜２０‘ま欠番、２１はテレビカメラのレ
ンズ系、２２は光強度フィル夕、２３は糠像管、１０川
ま撮像装置、１０１は相関器、１０２は受像装置、Ａは
光強度フィル夕が配置されている位置を示す、ＵＬＭ５
ａ，ＵＬＭ５ｂは超音波光変調器、ｆ（Ｑ，ｉ），ｆ（
Ｑ，ｉ＋１）は入力画像信号を示す。 第１図 第２図 第３図 第５図 第４図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力画像１３またはそれを白黒２値に変換したパル
   ス画像と、該パルス画像のコンボリユーシヨン画像とを
   受像器の同一画面の中央を境として左右に表示させるた
   めの画像相関装置であつて；レンズ系２１と撮像管２３
   とを含み、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１００と；該レンズ系
   を通過した光を該撮像管のほぼ中央部で前記走査長の１
   ／２以下に制限する開口幅を有する光強度フイルタ２２
   と；前記複合映像信号を映像信号と同期信号とに分離す
   る同期パルス分離回路１０と；該分離された映像信号を
   所定のしきい値との比較により２値パルス映像信号に変
   換する映像信号パルス化回路９と；該映像信号パルス化
   回路から出力されるパルス化映像信号を受領してコンボ
   リユーシヨン信号を出力する相関器、１０１と；前記コ
   ンボリユーシヨン画像を受像器画面の左右いずれかの半
   面上に表示させるために前記同期パルス分離回路から出
   力される同期信号を遅延させるための水平同期時間遅延
   回路１１と；該分離された映像信号、該相関器から出力
   されるコンボリユーシヨン信号および該水平同期時間遅
   延回路から出力される同期信号を受領して混合し、その
   混合出力を受像器に与える混合器１２とを備えたことを
   特徴とする画像相関装置。 ２ 前記相関器１０１が一対の振幅変調可能な正弦波発
   振器１ａ，１ｂ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３ａ，３ｂと；該広帯域増幅器の
   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５ａ，５ｂを有するフーリ
   エ変換光学系１０２と；前記光学系の光源であるレーザ
   ー４と；該光学系の出力光を検出する光検出フイルタ６
   と；該出力光を光電変換する光電変換器７で構成される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の画像相関
   装置。