JPS6034318B2 - 画像空間周波数アナライザ - 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の空間周波
数成分を入力画像に対応した形で画像に構成し、表示す
るようにした画像空間周波数アナライザに関するもので
ある。

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なって、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る空
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。ここで
筆者等が先に学会（電子通信学会論文誌の１９７単王３
月Ｖｏｌ．６２一Ａ，Ｎｏ．３「超音波光変調器とＴＶ
カメラを用いた画像相関装置の−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ついて構成
法と動作原理を述べる。

第４図に従来装置の構成略図を示す。この装置は、一般
に使用されているテレビカメラの映像信号が、電気光学
的相関器に用いられている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域を持つことに着目
し、前記相関器によって相関処理すべきテレビ画像の各
水平走査ごとの映像出力信号を１次元自己相関演算し、
この相関演算結果を受像器画面上で画像に構成するもの
である。よって出力画像として、入力画像の水平走査方
向自己相関画像を得ることができる。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を双方向婦引
発振器１５で発生させた周波数７．８７球日２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１０１こ加え
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
の条件を満す目的で、映像信号パルス化回路９に送られ
設定閥値との比較により白黒２値を表わす２値パルス映
像信号に変換される。この２値パルス映像信号は一対の
パルス振幅変調可能な正弦波発振器ｌａ，ｌｂに外部変
調信号として加えられる。前記発振器は超音波光変調器
５ａ，５ｂ内に各１枚づつ配置されている超音波振動子
の共振周波数で発振し、発振数は発振器内で前記２値パ
ルス映像信号により振幅変調を受け出力される。この発
振器出力信号は前記超音波振動子に加えられ、超音波光
変調器５ａ，５ｂ内に空間的超音波信号として放射され
る。次に光学的相関器について説明する。

光学系の光源にはしーザー４を用い、レーザービームを
レンズで拡大した後、前記超音波光変調器５ａ，５ｂの
光入射窓に入射させる。一対の前記超音波光変調器５ａ
，５ｂは互いに超音波進行方向が逆向きになり、かつ、
超音波進行方向と光軸とが直角に交わるように構成配置
されている。この超音波光変調器５ａ，５ｂを通過した
光東は前記変調器内の空間的超音波信号によって部分的
に位相変調を受け、レンズで収束されて焦点面に隆点を
作る。焦点面面は光検出フィル夕６が配置され、超音波
振動子の共振周波数波による１次回折光を通過検出する
。この光検出フィル夕６を通過した光は光電変換器７に
入射し電気信号に変換される。一般に、超音波信号の振
幅が小さな場合振幅値と１次回折光振幅値は比例関係に
あり、また、光振幅値の自乗である光量値に比例する光
電変換器出力電流値は、超音波信号振幅値の自乗に比例
することが知られている。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１０
に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で得られる相関
出力信号に遅延同期パルスを付加して複合映像信号を作
るものであって、混合器出力信号は受像器１６において
画像に構成される。前記水平同期時間遅延回路１１の遅
延時間をを水平同期時間の約１′２，３２ｙｓに定める
ことにより、前記入力画像１３の自己相関画像を前記受
像器１６の画面の中央に表示することが可能である。次
に光学的相関演算の原理について述べる。

概略は双方向水平走査によって得た、各走査ごとに走査
方向が反転している映像信号を、一対の超音波光変調器
５ａ，５ｂで空間的に反転・遅延・シフト（移動）させ
、光信号に変換してレンズによる積分演算を行ない、映
像信号中の時間的に隣りあった、すなわちテレビ画面上
では上下の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ことである。第５図に示すよ
うに入力画像は２値画像でＰ（Ｑ，８）とし、垂直同期
パルスより教えて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），Ｕ２（一×，ｎ）
と書ける。超音波光変調器５ａは同５ｂに比べ超音波進
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同Ｕ２（一×
，ｎ）が同じく達する時間より１水平走査時間６３．５
一ｓ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）とり（一×，ｎ十１）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
ンズによる収束作用は積分演算で表わされる。また、Ｕ
，（ｘ，ｎ），Ｕ２（一×，ｎ＋１）は超音波速度ｖで
超音波光変調器内を移動していることを考慮すれば、超
音波信号によって生じた回折光のみを光検出フィル夕６
で検出し、光電変換することによって次に示す相関出力
Ｃ（ｔ，ｉ）が電流値とし得られる。‘１｝式において
ｄはしーザー光束の幅を示し、ｇ（ｘ，ｉ）はＵ（ｘ，
ｎ）の包絡線、すなわち、映像信号ｆ（Ｑ，ｎ）のＱを
ｘに線形変換した関数を表わす。

テレビカメラの双方向走査回数が画像の大きさに比べて
十分多ければ、ｇ（Ｘ，ｉ）芋ｇ（一×，ｉ＋１）…■ の関係が成り立ち、‘２）式を｛１ー式に代入してを得
る。

糊式は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）は共に水平
走査回数ｎにおける関数であるから、Ｃ（ｔ，ｎ）をｆ
（ｔ，ｎ）の同期信号を使用して画像に構成すれば、入
力して２値画像の水平走査方向自己相関画像が得られる
。ただし、糊式を実行して各水平走査映像信号の独立し
た相関出力を得るためには、各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
能な映像信号の長さは水平同期時間の１／沙〆下に制限
される。また、光学的相関器では光電変換器７の自乗特
性により、次に示す自乗値相関演算が行なわれる。【４
｝式を‘３｝式の相関演算と等価にするため、ｇ（ｘ，
ｎ）を〔１，０〕の２値に制限する必要があり、具体的
には入力画像を白黒２値画像に限定するか、映像信号を
閥値回路を用いて２値パルス化している。以上が従来装
置の構成ならびに動作原理の概要である。本発明は以上
に述べた画像相関装置を改良し、相関演算を応用してテ
レビ画像に含まれている空間周波数成分を検出し、画像
の形で表示させることを目的としている。

すなわち、テレビカメラで得た入力画像の映像信号と、
時間とともに周波数が直線変化する線形ＦＭ信号との相
互相関演算を実時間で行ない、この相関出力をブラウン
管面上に掃引して入力画像の水平走査方向空間周波数ス
ペクトル画像を表示することを特徴とした画像空間周波
数アナラィザを提供することにある。この目的を達成す
るため、糠拍ＦＭ信号発生装置と、スペクトル画像表示
装置を設け、また、アナログ値映像信号と、線形ＦＭ信
号との相互相関演算を実現するため、信号圧縮回路を付
加した。

さらに、映像信号中に無信号部分を形成するための、映
像信号サンプリング回路を設けた。つぎに、この発明を
図面により具体的に説明する。

第１図は本発明の画像空間周波数アナラィザの実施例に
おける構成図である。

光学的相関器１０１の相互相関演算動作は従来装置の原
理と同様である。第１図において、単方向または双方向
水平走査を行なうテレビカメラ１４によって得られた入
力画像１３の映像信号は、水平垂直同期パルスを除去す
ると同時に、各水平走査で得られる映像信号を１つおき
にサンプリングして出力する映像信号サンプリング回路
１８に加えられる。また、同時に前記テレビカメラ１４
の出力はモニターテレビ１７にも送られ、撮影中の入力
画像を表示する。前記映像信号サンプリング回路１８の
出力は自乗圧縮回路１９に送られ、自乗圧縮をうける。
すなわち、前記自乗圧縮回路１９の入力映像信号ｆ（ｔ
）とすれば、同回路出力信号はノｆ（ｘ）となる。この
信号は、すでに述べた光学的相関器を構成している振幅
変調可能な正弦波発振器ｌａに外部変調信号として加え
られる。次に、線形ＦＭ信号の発生装置を説明する。線
形ＦＭ信号の周波数を周期的に直線変化させる周波数婦
引用三角波を発生する掃引信号発生回路２０の出力は、
周波数変調可能な発振器（周波数変調発振器）２１に外
部変調信号として加えられる。前記周波数変調発振器２
１で発生した線形ＦＭ信号は、振幅変調可能な正弦波発
振器ｌｂに外部変調信号として加えられる。このとき前
記正弦波発振器ｌｂの発振数が、線形ＦＭ信号によって
２００％の過変調となるように変調度を設定すれば、線
形ＦＭ信号の自乗圧縮信号で前記発振波を振幅変調した
のと同様になる。すなわち、三角関数の性質｛■Ｓ雲｝
２＝季（１十のＳａ） …‘５１を考えれば、｛５ー
式右辺は１００％振幅変調時の外部変調波、同式左辺は
２００％過変調時の外部変調波の自乗と考えられる。

よって、周波数が２倍となることを除けば、２００％過
変調状態を設定することは、自乗圧縮波で外部変調をか
けたことに等しい。さて、この線形ＦＭ信号波と前記自
乗圧縮映像信号ｆ（ｘ）との相互相関関数Ｃｓ（ｔ，Ｂ
）は次式で表わされる。■式８は線形ＦＭ信号の繰返し
回数、ｋ‘ま相算の定数、ｄは光束軸、ｘは超音波光変
調器内の超音波進行方向軸、Ｆｓは線形ＦＭ信号の初期
周波数、Ｆｃは同じく周波数時間変移度を表わす。

第２図は‘６｝式が相関器内で実現される場合のタイム
チャートを示している。同図ａは掃引信号発生回路２０
の掃引信号を示し、同図ｂは前記掃引信号の周期で周波
数変化を繰返し行なう線形ＦＭ信号を表わしている。同
図ｃは１水平走査おきにサンプリングして得た映像信号
であり、図中信号範囲と記した部分に入力画像の映像信
号が含まれている。前記線形ＦＭ信号ｂと同映像信号ｃ
は、おのおの超音波光変調器内を互いに逆方向に速度ｖ
で進行している。よって、この２信号が光東を同時に横
切った部分で相互相関演算が行なわれる。同図ｄはこの
相互相関演算結果を示している。線形ＦＭ信号の周波数
変移度Ｆｃが小さな場合、各映像信号と相関演算を実行
中の光東内の線形ＦＭ信号は、一定の周波数をもつ正弦
波信号と見なせる。よって、各映像信号は、おのおの周
波数の異なる正弦波信号と相互相関演算を行なうことに
なり、相関出力の大きさは、映像信号と正弦波信号との
類似度、すなわち、映像信号に含まれる正弦波信号周波
数の成分値を示す。同図ｃに示すように映像信号中に周
波数ｆＰの信号が含まれている場合、この信号と線形Ｆ
Ｍ信号の周波数ｆＰの部分が光東ｄ内で重なった時刻ｔ
Ｐにおいて相関出力振幅値は最大値を示し、波形は２Ｐ
の周波数で振動する。この時、図示したように線形ＦＭ
信号の初期部分に土ｄ／２の空間距離を有する直流部分
を作成しておけば、線形ＦＭ信号の繰返し時刻ｔ＝０，
Ｔ，２ｒ，・・・では常に映像信号の波形の全面積、す
なわち直流成分が出力される。この値を装置の正規化の
基準値に使用すれば、前述したような周波数ｆＰのみの
信号を有する映像信号の成分値は基準値と等しくなり、
また、種々の成分値が出力される入力画像の場合には、
基準値に対する成分値の割合をもって各周波数成分値と
することができる。次に、前述の相関演算における映像
信号と各周波数正弦波との相関結果は、周波数的に離散
したものであるため、これらを周波数スペクトル画像に
構成する方法を説明する。

第３図はＴＶ画面上の入力画像とその空間周波数スペク
トル画像の構成法を示している。前記スペクトル画像の
成分の大きさは輝度で表現される。１水平走査で得られ
る映像信号の横幅Ｔｈは線形ＦＭ信号の繰返し周期Ｔｆ
に比べ小さいものとすれば、１周期の線形ＦＭ信号に対
して多くの映像信号が相関演算を行なう。

よって、スペクトル表示画面上でスペクトル成分を表わ
す輝点を、線形ＦＭ信号の周波数掃引信号で左右に掃引
すれば、線形ＦＭ信号の種々の周波数帯城における映像
信号との相互相関出力、すなわちスペクトル成分が画面
横方向に表示される。同図に示した例では、入力画像、
スペクトル画像とも双方向水平走査で表示しているが、
これは単一方向水平走査でも良い。さて、スペクトル画
面横方向に表示されるスペクトル成分は、各々の輝点が
入力画像の１つおきの水平走査映像信号中に含まれる周
波数成分値を示している。よって、さらに縄点をテレビ
カメラ１４の垂直同期パルスに同期させて画面上を上か
ら下に掃引すれば、同図に示すような水平走査位置に対
応して入出力画像を得る。この麓点で構成されるスペク
トル画像は、線形ＦＭ信号の周波数婦引信号とテレビカ
メラ１４の垂直掃引信号とで描かれるリサージュ図形と
なるため、前記２信号の繰返し周期を整数倍よりわずか
にずらせることによって細かな網目状となり、出力画面
を均一に覆うことができる。ゆえに、入力画像の水平走
査方向空間スペクトル画像が出力画面上に表示でき、こ
のスペクトル画像は入力画像の変化に応じた実時間表示
画像となる。本発明は以上のような構成であり、テレビ
カメラ１４で撮影可能な画像であれば動きのある画像で
あってもスペクトル分析が可能である効果を有する。

また、テレビカメラおよび撮影装置を固定して使用すれ
ば、対象画像に含まれる空間周波数の絶対値測定も可能
であり、この場合、テレビカメラ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テレビカメラ
より直接に得た信号に限らず、ビテ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図は信号のタイ
ミングチャートを示す図、第３図はスペクトル画像の構
成を示す図、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。 ｌａ，ｌｂは正弦波発振器、２は欠番、３ａ，３ｂは広
帯域城増幅器、４はしーザー、５ａ，５ｂは超音波光変
調器、６は光検出フィル夕、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、１川ま同期パ
ルス分離回路、１ １は水平同期時間遅延回路、１２は
混合器、１３は入力画像、１４はテレビカメラ、１５は
双方向掃引発振器、１６は受像器、１７はモニタテレビ
、１８は映像信号サンプリング回路、１９は自乗圧縮回
路、２０は掃引信号発生回路、２１は周波数変調発振器
、２２は帯域フィル夕、２３は出力画像表示器、１０１
は相関器、１０２はフーリエ変換光学系、１０３は線形
ＦＭ信号繰返し発生装置、ＵＬＭａ，ＵＬＭｂは超音波
光変調器を表わす。第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 入力画像１３の空間周波数スペクトル画像を表示さ
   せるための画像空間周波数アナライザであつて； 前記
   入力画像を水平走査して得られる複合映像信号を出力す
   るテレビカメラ１４と； 該複合映像信号より水平垂直
   パルスを分離し、かつ、各水平走査ごとに得られる前記
   映像信号を１走査おきにサンプリングして映像信号の前
   後に無信号部分を作る映像信号サンプリング回路１８と
   ； 該無信号部分を有する映像信号を自乗圧縮する自乗
   圧縮回路１９と； 一定の繰返し周期で線形ＦＭ信号を
   発生させる線形ＦＭ信号から繰返し発生装置１０３と；
   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、無信号部分を有する映像信号と、該
   線形ＦＭ信号を受領して相互相関信号を出力する相関器
   １０１と； 該線形ＦＭ信号繰返し発生装置より出力さ
   れる線形ＦＭ信号周波数掃引信号、該テレビカメラの垂
   直同期掃引信号および該相関器より出力される相互相関
   信号を受領して空間周波数スペクトル画像を表示する出
   力画像表示器２３とを備えたことを特徴とする画像空間
   周波数アナライザ。