JP2003532086A - リアルタイム光−電子像プロセッサ - Google Patents

リアルタイム光−電子像プロセッサ

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JP2003532086A
JP2003532086A JP2001579237A JP2001579237A JP2003532086A JP 2003532086 A JP2003532086 A JP 2003532086A JP 2001579237 A JP2001579237 A JP 2001579237A JP 2001579237 A JP2001579237 A JP 2001579237A JP 2003532086 A JP2003532086 A JP 2003532086A
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spectrum parameter
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JP2001579237A
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ポール アイ． シュニッツァー
アリャー アグロク
アラマイス アバキアン
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Original Assignee
Physical Optics Corp
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    • G06V10/88—Image or video recognition using optical means, e.g. reference filters, holographic masks, frequency domain filters or spatial domain filters

Abstract

(57)【要約】 選択したスペクトル間隔内で像の可変セットを同時に結合することによって像をリアルタイムで光学的に処理する方法及び装置。必要に応じて複数のスペクトル間隔（５１０）におけるスペクトル像を集める（５１５）。特定用途において定めた基準に応じて選択したスペクトル間隔の最適な組合せのための係数を計算する（５２０〜５３５）。最適な組合せの正（５４０〜５４５）と負（５５０〜５５５）の係数に対しその伝達スペクトルが調節される光学フィルタを通して正と負の像を連続的にとらえる。負の像を正の像から削除し得られる最適な像のシーケンスをリアルタイムで表示する（５６５）。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、像をリアルタイム光−電子イメージ（像）プロセッサ、特に背景に
対する物体の像コントラスをリアルタイムで光学的に改良する方法及び装置に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、木や野原のような変る背景において危険な野生生物のような対象物を
追うことは困難である。更に、例えばフライトテストセンタ区域において航空機
、ターゲット及びムニシヨン（munitions）追跡へのチャレンジが増加している
。DoDテスト区域の周辺の汚染が増加しているためより多くの汚染物質が空中に
蓄積されている。この空気中の汚染粒子の増加やもや等で視界を悪くする状態を
引き起こしている。更に、航空機やムニシヨンは高速で移動しており、また、或
る対象物は目に見えずその追跡は困難である。
【０００３】 最近においては、対象物追跡のため赤外線感知カメラや距離ゲートレーザカメ
ラシステムを使用して像を検知することが試みられているが、これらは極めて高
価である。赤外線カメラは一般に数万ドルであり、距離ゲートレーザカメラシス
テムはその数倍である。多くの場所で広く使用するにはコストが問題となる。ま
た、ターゲットや対象物を“ライトアップ”する、即ち、投影光や音響信号を対
象物に加えて追跡すべき対象物を表示している。
【０００４】 図１（ａ）は飛行ターゲットまたは物体１１０の観察シナリオの例を示す。こ
のシナリオには物体１１０、太陽１２０、雲１３０、追跡体１４０、反射光１５
０及び散乱光１６０が示されている。追跡体１４０は大気中の散乱光１６０と物
体１１０からの反射光１５０の双方を集める。従って、物体１１０の可視性は大
気の条件に強く影響される。
【０００５】 物体の可視性を高めるには、物体１１０からの弱い信号と、背景からの強い信
号を光スペクトルから除去すればよい。青い光の強いレイリー散乱のため可視ス
ペクトルの青部分を除去するのが有効である。コンピュータアルゴリズムは、こ
れらが大気中の光伝播にどの位効果的であるかを計算するために使用できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
然しながらこの計算で用いる大気モデルは観察点における大気条件とは大きく
異なるものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は音響−光学的に調節可能なフィルタ（ＡＯＴＦ）を用いるリア
ルタイム光−電子像プロセッサのための方法及び装置を提供するにある。この像
プロセッサによれば、例えば物体のコントラストを改良し、物体を特定し、物体
を検出し、物体を追跡できる。物体のコントラストを改良するため、スペクトル
像を複数のスペクトル間隔で集める。物体と背景間のコントラストを最大ならし
めるため物体と背景スペクトル−旋光パラメータをベースとしてフィルタ係数を
リアルタイムで計算する。計算したフィルタ係数をベースとして音響−光学フィ
ルタ伝達スペクトルを調節する。調節した音響−光学フィルタ伝達スペクトルに
対応した光学フィルタを通して像をとらえる。
【０００８】 本発明装置によれば、悪天候でのテストで離れた物体の可視性を向上できる。
光学的ターゲット追跡体を用いる場合、本発明装置によれば、背景照明の強度を
十分に減少せしめ、検出物体からの反射光の減衰を最少ならしめる。
【０００９】 コンピュータ制御によるＡＯＴＦは、全可視範囲においてそのスペクトル伝達
カーブの形を急速に変化できる。本発明装置は背景及び目的とする選択した物体
のスペクトルの形を自動的に解析する。背景を抑制し、物体のコントラストを改
良するためのスペクトル的に合致したフィルタを計算する。このフィルタ用のデ
ータはコンピュータ像処理の光学チャンネルに直接加える。コントラストが改良
された像はリアルタイムでコンピュータモニタに表示しＶＣＲで記録する。
【００１０】 本発明装置によれば、軍用装置の飛行テストをより有益に、より廉価に行なう
事ができる。また、天候による飛行テストプログラムを減少し、物体可視性の改
良された像をリアルタイムで得ることによってより多くのデータを集めることが
できる。
【００１１】 本発明の方法及び装置は、観察点内の特別な周囲条件に自動的にリアルタイム
で適合せしめることができる。このため、物体と背景の初期スペクトル情報を集
める。本発明装置によれば物体を追跡でき、物体または背景スペクトルに大きな
変化が生ずる迄像をリアルタイムで改良でき、新しいデータを集めることができ
、観察サイクルを続けることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１（ｂ）は飛行物体１１０の観察シナリオの他の例を示す。このシナリオは
、物体１１０と、太陽１２０と、雲１３０と、追跡体１４０と、反射光１５０と
、散乱光１６０と及び物体改良器１７０を含む。図１（ｂ）の物体改良器１７０
は、後述するように散乱光１６０をリアルタイムで濾過するため追跡体１４０に
結合しまた組み込む。更に、物体改良器１７０は、像処理、物体確認、コントラ
スト改良等の目的で追跡体１４０から分離して用いることができる。
【００１３】 図２は、本発明の一実施例における物体改良器１７０のような物体改良器９０
０のブロック線図を示す。この物体改良器９００は、テレスコープレンズ９０５
と、フィールドレンズ９１０と、ビームスプリッタ９１５及び９５５と、ＡＯＴ
Ｆ９２０と、マッチングオプティクス９２５及び９５０と、ＣＣＤカメラ９３０
及び９４５と、コンピュータ９３５と、ＴＶモニタ９４０と、焦点オプティクス
９６０と、及びスペクトロメータ９６５とを含む。
【００１４】 操作においては、物体改良器９００が、テレスコープレンズ９０５と、フィー
ルドレンズ９１０を通して像等の信号を受け取る。この信号はビームスプリッタ
９１５と９５５によって分割される。この信号はＡＯＴＦ９２０を通して濾過さ
れマッチングオプティクス９２５に達する。この信号は次いでＣＣＤカメラ９３
０によって受け取られコンピュータ９３５に送られる。上記信号はまたマッチン
グオプティクス９５０を介してビームスプリッタ９５５からＣＣＤカメラ９４５
に、次いでIVモニタ９４０に送られる。この信号は更に焦点オプティクスを介し
てスペクトロメータ９６５に送られる。このスペクトロメータ９６５から信号が
コンピュータ９３５に送られる。
【００１５】 図３は、本発明の他の実施例における物体改良器１０００のブロック線図を示
す。この実施例においては、物体のコントラストを改良するため付加的分別とし
て偏光を用いる。上記物体改良器１０００は、対物レンズ１０１０と、偏光の液
晶無彩色ロータ（ＬＣ ＡＲＬＰ）１０１５と、ＡＯＴＦ１０２０と、マッチン
グ オプティクス１０２５と、ＣＣＤカメラのようなホトディテクタ１０３０と
、ＬＣ ＡＲＬＰ ドライバ１０３５と、ＡＯＴＦドライバ１０４０と、フレー
ムつかみ器１０４５と、コンピュータ１０５０と、及びモニタ１０５５とを含む
。
【００１６】 操作においては、ＡＯＴＦ１０２０が対物レンズ１０１０とＬＣ ＡＲＬＰ１
０１５のような正面像オプティクスを介して像等の信号を受け取る。ＡＯＴＦ１
０２０は、濾過した像のような信号をマッチングオプティクス１０２５のような
背面オプティクスを介してＣＣＤカメラ１０３０のようなホトディテクタ アレ
イに送る。フレームつかみ器１０４５はとらえた像をデジタル化する。コンピュ
ータ１０５０は、ドライバとフレームつかみ器の操作を制御する。ＡＯＴＦ１０
２０は、例えば角度孔６°、直線孔8mm×8mmを有する非同一線状TeO2ＡＯＴＦで
ある。ＡＯＴＦ１０２０はTeO2結晶内の屈折率の分散を完全に補償するようにデ
ザインできる。従って、光伝達波長の変化によっても像の偏位は生じない。物体
改良器１０００は可視光範囲と近赤外光範囲の双方で効率的に操作できる。
【００１７】 コンピュータ１０５０はＡＯＴＦ１０２０を駆動するため16個の発振器の列を
有するＰＣＩコンピュータボードを含む。これら発振器は、周波数範囲100〜200
MHz内の複合スペクトルを有する駆動信号を同時に発生する。この発振器の列の
スイッチングタイムは2μｓである。各発振器の振幅と周波数は14ビットの分解
能で制御できる。上記ボードは３２の周波数チャンネルに用い得る。従って、１
オクターブ広い範囲での所望の伝達間隔の直線的結合をＡＯＴＦ１０２０でマイ
クロ秒内で達成しまたは変更できる。
【００１８】 ＬＣ ＡＲＬＰ１０１５のため、偏光を広いスペクトル間隔内で回転する。複
屈折材料を結合することによって、１つの波長のみならず他の広いスペクトル間
隔でも略完全な90°回転を達成できる。ねじりネマテック（ＴＮ）ＬＣレーザを
有する無彩色ロータを、光の波長とは独立に実行できるという理由でＬＣ ＡＲ
ＬＰ１０１５のために用いることができる。コンピュータ１０５０の制御のもと
で、例えばＬＣ ＡＲＬＰドライバのような外部ボードによって作られる交互の
極性の低電圧の矩形の電気信号によって無彩色ロータを駆動できる。電圧を加え
ることなしに、ＬＣ ＡＲＬＰ１０１５は入射光の偏光を回転し、初期垂直偏光
を水平偏向となし得る。この偏光はＡＯＴＦ１０２０によるスペクトル濾過のた
めに用いることができる。電圧を加えて偏光の回転をキャンセルし、初期水平偏
光をスペクトル濾過のために用いることができる。加えられた電圧に対するＬＣ
ＡＲＬＰ１０１５の反応は約1msであり、電圧を加えないときの選移時間は約6
msである。45度の偏光の同様なロータを、ストークスベクトルの３つのコンポー
ネントでの操作を行なうためこのシステムに加えることができる。
【００１９】 この結果、２つの直角偏光の1つを取るシーンの複合スペクトル像を、30フレ
ーム／秒のインターフェースモードで操作できる市販の黒及び白ＣＣＤカメラ１
０３０によってとらえることができる。ＣＣＤカメラ１０３０からのアナログ合
成ＴＶ信号をフレームつかみ器１０４０によってデジタル化し、イメージプロセ
ッサ及びディスプレイのために用い得る。
【００２０】 図４及び図５は、ＴＮＬＣ 無彩色ロータ４００の操作原理の説明図である。
ロータ４００は液晶（ＬＣ）４１０と電圧源４２０とを有する。偏光の液晶ロー
タは市販されている。図４に示すように電圧源４２０によって電界を加えない場
合にはＬＣ４１０がねじれた鎖を作り、偏光を回転せしめる。図５に示すように
、電圧源４２０によって電界を加えたときＬＣ４１０電界の方向に応じて再配向
され偏光は回転されない。
【００２１】 図６は、ＡＯＴＦ１０２０のようなＡＯＴＦの操作原理を示すシステム１１０
０の説明図である。このシステム１１００は、入射光１１１０と、第１の偏光体
１１２０と、音吸収体１１３０と、圧電変換器１１４０と、第２の偏光体１１５
０と、及び選択光１１６０とを含む。圧電変換器１１４０は移動音波１１７０を
作る。この音波１１７０の波長は圧電変換器１１４０に加えられた駆動信号の周
波数によって定められる。弾−光学効果によって移動音波はＡＯＴＦ１０２０内
の結晶に対応する位相回折格子を作る。音響的に作られた位相格子の周期（即ち
、圧電変換器に加えられた駆動信号の周波数）によって定められる波長を有する
入射光の光部分がこの格子によって回折される。音響的に作られた位相格子によ
る光回折のプロセスは回折光の偏光を90°回転することによってなされる。回折
光１１６０は偏光体１１５０を通過する。複合スペクトルを有する駆動信号を加
えることによって、異なる周期と振幅を有する幾つかの格子が結晶内で同時に励
起される。ＡＯＴＦのこの操作は、音−光操作がイメージ上でリアルタイムでど
のようになされるかを説明する。
【００２２】 図７は、ＡＯＴＦにおいて音−光相互作用のベクトル線図１２００の説明図で
ある。ベクトルkiは入射波のウェーブベクトルを示す。ベクトルkdは回折波のウ
ェーブベクトルを示す。ベクトルkaは音波のウェーブベクトルを示す。像のスペ
クトル濾過を達成するため選択した光の波長で効果的な光回折を、分散する光ビ
ームのため実行する必要がある。この可能性は、入射光１２４０（結晶内の異常
ビーム）に対し接線となり、回折ビーム１２５０（結晶内の普通ビーム）が平行
となる光回折の特別な形で達成される。この線図１２００は、ウェーブ間の音−
光相互作用の結果を単純に示す。
【００２３】 図８は、例えば物体改良器９００のような物体改良システムの操作のフローチ
ャート５００の説明図である。このフローチャート５００は、物体改良のため例
えばコンピュータ９３５を用いて示すことができる。図８はスペクトル的に合致
した濾過作用を直線操作でなし得ることを示す。システムの実行を早め、スペク
トル的に合致した濾過作用をリアルタイムで達成するため、独特の能力のＡＯＴ
Ｆを用い、種々のスペクトル間隔の光を同時に送る。このＡＯＴＦ操作モードは
、駆動信号スペクトルがラジオ周波数の好ましい組合せを含むとき発生する。駆
動信号スペクトル内の対応する周波数の振幅は各波長での伝達光の強度を定める
。周波数と振幅の好ましいセットを選択することによって所定の形状のＡＯＴＦ
の伝達を見積ることができる。
【００２４】 図８は、例えば物体のリアルタイムでの追跡のためのデータをフィルタを通し
てリアルタイムでいかに送ることができるかを説明する。従って、本発明におい
ては、像の光学的リアルタイムでの改良を行なうための方法を提供する。複数の
スペクトル間隔でスペクトル像を集める。物体と背景のスペクトルパラメータを
設定する。物体と背景間のコントラストをリアルタイムで最大にするため物体と
背景のスペクトルパラメータをベースとしてフィルタ係数を計算する。計算した
フィルタ係数をベースとして音響−光学フィルタ伝達スペクトルを調節する。計
算したフィルタ係数のセットに応じて、像を光学フィルタを介してとらえる。
【００２５】 図８に応じた本発明の実施例では像コントラストをリアルタイムで光学的に改
良する方法を提供する。リアルタイムの像を像のスペクトル表現に変換すること
は音−光操作を用いることによって達成する。スペクトルフィルタに限定的に適
応できる高コントラスト像を作るため像のスペクトル表現を、正と負の離間した
スペクトル係数で処理する。スペクトル表現を高コントラスト像に変換する。
【００２６】 フローチャートはステップ５０５から始まる。ステップ５１０において、解析
のため初期波長を選択する。波長λ1、λ2、・・・λnはスペクトル間隔の数と
位置を示し、波長Δλ1、Δλ2、・・・Δλnは各スペクトル間隔の幅を示す。
ステップ５１５において、ステップ５１０で選択した初期波長毎に、スペクトル
像を集める。ステップ５２０において、ステップ５２５のターゲットベクトルを
定めるためスペクトル像上のスペクトルエリアをターゲットにする。ステップ５
２５において、ターゲットベクトルをステップ５１５におけるスペクトル像ター
ゲット上のスペクトルエリアから得る。ステップ５３０において、背景ベクトル
を得る。例えば、背景ベクトルは背景の像内の特定エリアのピクセルをサンプリ
ングすることによって得ることができる。
【００２７】 ステップ５３５において、濾過ベクトルＦを作る。例えば、フィルタを計算す
るため数１によりまたは他の有用な方程式によって濾過ベクトルＦを作ることが
できる。
【００２８】
【数１】
【００２９】 ステップ５４０において、正のフィルタＦ+を作る。物理的に、複合周波数ス
ペクトルを有する駆動信号をＡＯＴＦに加えることによって濾過を実行する。こ
のような駆動信号は信号合成器または周波数ジェネレータの列によって作ること
ができる。ステップ５５０において負のフィルタＦ-を作る。ステップ５５５に
おいて、像を負のフィルタＦ-を介してつかむ。ステップ５４０〜５５５は、異
なるフィルタを通して変化した像を得るため繰り返し、または異なる順序で実行
する。かくしてステップ５３５、５４０及び５５０においては、物体と背景間の
コントラストをリアルタイムで最大にするため物体と背景のスペクトルパラメー
タをベースとしてフィルタ係数を計算することができる。
【００３０】 ステップ５６０において、フィルタを介して異なる波長でつかんだ像に対し像
の削除を行なう。この削除はプロセッサまたはコンピュータを用いて行なう。ス
テップ５６５においては、得られた像を表示し、及びまたは記録する。ステップ
５７０において、像が本質的に変ったか否かを定める。例えば、背景が大きく変
ったか、または、物体が視野から消えたか否かを定める。像が本質的に変ってい
ない場合には、像の連続的な処理及び表示のため、プロセスのフローをステップ
５４０に戻す。像が本質的に変った場合には、初期パラメータの再決定及び再形
成のためプロセスのフローをステップ５１０に戻すことができる。いかに多くの
初期プロセスが望ましいかによってプロセスのフローを例えば５１５、５２０、
５２５、５３０または５４０に付加的に戻すことができる。ステップ５７０の決
定は図９に示すように背景のモニタによって成される。
【００３１】 図９は、物体改良器において像の背景をモニタするためのフローチャート６０
０の説明図である。フローチャートはステップ６０５から始まる。ステップ６１
０において、物体改良器は背景スペクトルを得る。ステップ６２０において、物
体改良器は背景スペクトルを背景ベクトルＢと比較する。ステップ６３０におい
て、物体改良器は、ステップ６２０で行った比較をベースとして背景が十分に変
化したか否かを定める。十分な変化がなかった場合には、物体改良器はステップ
６１０に戻ることで背景のモニタを継続する。十分な変化があった場合には、物
体改良器はステップ６４０でスペクトル像を再び集め、更なるモニタのためステ
ップ６１０に戻る。このモニタプロセスは図５に示す濾過プロセスと同時に行い
、例えば背景の変化が十分にあった場合ステップ５２０でスペクトル像を再び集
める。
【００３２】 図１０は、例えばスペクトル的旋光整合フィルタ（ＳＰＭＦ）を用いる物体改
良器１０００のような物体改良器の他の実施例におけるフローチャート１３００
の説明図である。例えばＬＣ ＡＲＬＰ１０１５とＡＯＴＦ１０２０の組合せを
用いることによって物体改良器１０００でＳＰＭＦを用いることができる。プロ
セスはステップ１３０５で始める。ステップ１３１０において、ＬＣ ＡＲＬＰ
を停止する。ステップ１３１５において、Ｊスペクトル像をとらえる。ステップ
１３２０において、ＬＣ ＡＲＬＰを回転する。ステップ１３２５において、他
のＪスペクトル像をとらえる。ステップ１３３０において、ターゲットエリアを
正確に定める。ステップ１３３５において、背景とターゲットのパラメータ、平
均ベクトルＢ、共分散マトリクスＭ及びターゲットＴを計算する。これらの値は
、図１１及び図１２に示すようにして計算できる。ステップ１３４０において、
ＳＰＭＦはＦ＝Ｍ-1Ｔ，Ｆ＝Ｆ+ HP−Ｆ- HP＋Ｆ+ VP−Ｆ- VPを用いて計算できる
。ＳＰＭＦフィルタＦは４つの部分Ｆ+ HP，Ｆ- HP，Ｆ+ VP及びＦ- VPより成る。
ここでＨＰは水平偏光、ＶＰは垂直偏光、＋と−は夫々正及び負の係数を示す。
従って、これら４つのフィルタ部分Ｆを介して像をつかむため４つのフレームが
用いられる。30フレーム／秒の速度を有する市販のＣＣＤカメラ１０３０を用い
ることによって上記のシステムは約7.5フレーム／秒の速度で改良されたコント
ラストの像を作ることができる。より早いカメラ、フレームつかみ器及びよりパ
ワーのあるビデオアダプタを用いれば30フレーム／秒に近い速度で操作されるス
ペクトル−旋光イメージシステムを得ることができる。
【００３３】 ステップ１３４５において、フィルタＦ+ VPを作る。ステップ１３５０におい
て、フィルタＦ+ VPを介して像をとらえる。ステップ１３５５において、フィル
タＦ- VPを作る。ステップ１３６０において、フィルタＦ- VPを介して像をとらえ
る。ステップ１３６５において、ＬＣ ＡＲＬＰを停止する。ステップ１３７０
において、フィルタＦ+ HPを作る。ステップ１３７５において、フィルタＦ+ HPを
介して像をとらえる。ステップ１３８０において、フィルタＦ- HPを作る。ステ
ップ１３８５において、フィルタＦ- HPを介して像をとらえる。フローはステッ
プ１３９０と１３８７に対し並行してなされる。ステップ１３８７において、Ｌ
Ｃ ＡＲＬＰを回転し、フローチャートをステップ１３４５に進める。ステップ
１３９０において、とらえた像を加算及び減算する。ステップ１３９５において
、得られた像を表示する。かくして、像が表示され、更なる像が次の表示のため
処理される。フローチャート１３００によれば、背景Ｂから反射された光とター
ゲットＴから反射された光のスペクトルと偏光内の差を用いることによってクラ
ッター（cluttered）な背景を越えてターゲットが見えるように改良できる。
【００３４】 図１１は、物体からの反射光と散乱光のスペクトル内の差をベースとする物体
の改良を示す説明図である。例えば物体改良器１７０、９００及び１０００等の
物体改良器のため、背景ベクトルＢとターゲットベクトルＶから濾過ベクトルＦ
を作る。図１１は多次元スペース２００を示す。ここで各軸λ1、λ2及びλ3は
所定のスペクトル間隔における光の強度を示す。スペース内のベクトルＢは均質
背景からの光を示す。ベクトルＴは、物体１１０からの反射光に対応する。ベク
トルＢ′は、物体とテレスコープ間の大気の散乱光を示し、ベクトルＴ′は付加
的散乱光Ｂ′を受ける物体を示す。Ｔ1はスペクトルフィルタを通る光路であり
、フィルタベクトルＦの方向における光ベクトルの投影となる。
【００３５】 物体から反射する光のみがホトコンダクタアレイを照明し、スペクトルフィル
タが散乱光を除去するようにすれば、物体のコントラストを改良できる。図１１
は、このような設定においてフィルタベクトルＦが背景ベクトルＢに対し直交し
、且つベクトルＢとＴが存在する面Ｐ内にある場合を示す。
【００３６】 観察のために用いた多数のスペクトル間隔のために以下のことが考慮される。
フィルタベクトルＦは数１、数２及び数３によって計算できる。
【００３７】
【数１】
【００３８】
【数２】
【００３９】
【数３】
【００４０】 ここで数２は、背景スペクトルエリアＢの計算のために用いた全フレーム中の
ピクセルのｋ×１格子を示す。
【００４１】 また、数３は、物体のスペクトルエリアまたはベクトルＴを計算するために用
いる任意のスペクトルフレームで物体に指定した小さな長方形内のピクセルのＰ
×ｑ格子を示す。
【００４２】 光の強度は正数のみである。従って、スペクトルベクトルＢとＴは常に正の座
標のみを有する多次元スペクトルスペース内のセクター内に存在する。即ち、ス
ペクトルベクトルＢに直交するベクトルＦは、スペクトル軸（Ｆ・Ｂ＝０）に対
する少なくとも１つの負の投影を有する必要がある。勿論、光学的スペクトルフ
ィルタは負の光の強度を作ることはできない。物体のコントラストを改良するた
めの最適スペクトル濾過を達成するためコンピュータ像削除を用いる。この場合
には、２つの像が必要である。その１つは、例えばＡＯＴＦ９２０またはＡＯＴ
Ｆ１０２０のようなスペクトルフィルタを通して得られるもので、位置を示す値
（Ｆ+）を有するフルセットのベクトルＦに対応する伝達カーブを有する。第２
は、例えばＡＯＴＦ９２０またはＡＯＴＦ１０２０のようなスペクトルフィルタ
を通して得られるもので、負の値（Ｆ-）を有するフルセットのベクトルＦに対
応する伝達カーブを有する。ＡＯＴＦを有するスペクトル的に適応できる光濾過
の技術はフィルタ伝達を極めて速い変化（数１０マイクロ秒）となし得るため、
次のイメージフレームの夫々を異なるスペクトルフィルタを通して得ることがで
きる。この結果、物体のコントラストを殆んどリアルタイム（ＣＣＤフレーム速
度の半分）で改良することができる。
【００４３】 ベクトルＢによる背景スペクトルエリアの表示は均一な背景に対してのみ訂正
される。幾つかのケースにおいては、光学的追跡体の視野に幾つかの異なる物体
が同時に見えるようになる。例えば、背景は空または雲等である。この例におい
ては、背景内の各ピクセルは多次元スペクトルスペース内にそれ自体のベクトル
を有する。図１２は、不均一背景のためスペクトル的に合致する濾過の説明図で
ある。図１２はスペクトルスペース内にいかにこれらベクトルの端部を作るかの
説明図である。
【００４４】 図１２は、第１の主成分Ｐ1に直交し、第２の主成分Ｐ2と、第３の主成分Ｐ3
とを含む面３２０上の物体ベクトルＴと散乱プロット３１０の投影を示す。フィ
ルタＦの方向は、Ｐ2とＰ3の交点とターゲットベクトルＴの投影である点を通る
線で示される。図１３はこの投影内の背景から分離したターゲット強度Ｔ′とフ
ィルタ方向Ｙに沿った背景ＢＧ強度の分布の説明図である。多くの例では、フィ
ルタ方向は正規曲線となる。
【００４５】 この例ではスペクトル的に合致した濾過を行なうことによって物体の可視性を
改良せしめる。スペクトル的に合致する濾過は、主たるスペクトルコンポネント
の好ましい重みづけ組合せとして見ることができる。主スペクトルコンポネント
の軸は、データ予想分布の楕円軸と一致する。これらは共分散マトリクスＭの８
個のベクトルである。この対称マトリクス係数は、零平均分布、例えば零一次元
モーメントのための、背景データ内の予想分布の二次元モーメントである。換言
すれば、数４に示す係数Ｍijはデータとｉ番目及びｊ番目スペクトルバンド間の
相関測定である。
【００４６】
【数４】
【００４７】 ここでＸpkは、平均除去後のｋ−ピクセルスペクトルデータベクトル内のｐ−
スペクトルコンポネントの値である。
【００４８】 スペクトル的に合致したフィルタを多次元カラースペース内のベクトルとして
示すことができる。実行においては、重量係数Ｆi上の各スペクトル像の増倍は
、フィルタベクトルの方向に対し各ピクセルのためのスペクトルベクトルを投影
する点ベクトル積操作である。
【００４９】 より高い相関背景では、散乱プロット楕円ＢＧは大きく細長くなり、楕円ＢＧ
の長軸Ｐ′2に一致する方向に像を投影すれば物体のコントラストを改良できる
わずかな可能性がある。物体を見出す十分に高い確率は、フィルタベクトルＹを
この軸に直交する面内に配置したとき得られる。図１３に示すように、フィルタ
ベクトルＹの方向は、この面において物体ベクトルＴ′の投影方向に近づける必
要がある。フィルタベクトルＹの方向を主軸に関連するシステム座標内に選べば
、種々のスペクトル間隔で光強度の初期座標内でこのベクトルを容易に見出すこ
とができる。
【００５０】 フィルタベクトルＦの計算では背景と物体スペクトルエリアの知識が要求され
る。この情報は、同一フィルタを通して得た幾つかのスペクトル像をつかみ、コ
ンピュータのメモリ内にメモリすることによって観察の初期段階で集めることが
できる。物体スペクトルエリアは、観察の初期位相における初期スペクトル像収
集で物体イメージ情報のセットを解析することによって得ることができる。物体
の位置情報は、レーダのような他のセンサから、または物体エリアにコンピュー
タのマウスをクリックすることによって得ることができる。
【００５１】 物体スペクトルエリアが得られたときは、このシステムは背景が大きく変るよ
うになる迄物体のコントラストを自動的に改良する。例えば、雲を通過する物体
はこのような変化となる。背景変化を指示するため、このシステムには光学テレ
スコープによって集めた光部分によって照明される小さなスペクトロメータを有
せしめる。このスペクトロメータは、初期データと背景スペクトルを比べ、スペ
クトル形状に十分な変化がある場合アラームを発生する。この場合には、スペク
トロメータからの背景スペクトルを新しいフィルタベクトルのために用いること
ができ、または、集めたスペクトル情報の新しいサイクルを始めることができる
。例えば、操作速度が毎秒30フレームのＣＣＤカメラを用いたときには、16個の
スペクトルフレームを約0.5秒内にとらえることができる。
【００５２】 図１４は、ＡＯＴＦ伝達カーブのグラフを示す。カーブ７００はＡＯＴＦスペ
クトル伝達カーブを示し、単一の周波数信号に対してＡＯＴＦスペクトルレスポ
ンス７１０〜７３０のセットで近似される。カーブ７００は波長λの関数として
スペクトル伝達Ｔに沿ってプロットされる。ＡＯＴＦに対し複合駆動信号を加え
ることによって所望の形のＡＯＴＦスペクトル伝達カーブを１オクターブ広いス
ペクトル範囲で再生できる。ＡＯＴＦのための上記複合駆動信号は信号合成器ま
たは信号発生器の列によって発生できる。例えば、図３のＡＯＴＦドライバ１０
４０のために信号合成器を用い得る。
【００５３】 図１５は、物体改良方法のタイミングチャート８００の説明図である。図１５
は、本発明によってどのように速く物体改良をなし得るかを説明するものである
。タイミングチャート８００は、正及び負の像信号をつかむタイミング８１０と
、像削除信号のタイミング８２０と、得られた像信号の表示タイミング８３０と
、フィールド信号の待ち端のタイミング８４０と、ＡＯＴＦ開始タイミング８５
０とを含む。
【００５４】 本発明方法はプログラムしたプロセッサを用いて実行できる。然しながら、本
発明方法は、一般用または特別目的のコンピュータ、プログラムしたマイクロプ
ロセッサまたはマイクロコントローラ及び周辺集積回路素子、ＡＳＩＣまたは他
の集積回路、不連続素子回路等の電子ハードウエアまたは論理回路、ＰＬＤ、Ｐ
ＬＡ、ＦＰＧＡまたはＰＡＬ等のプログラム可能な論理装置等を用いて行なうこ
とができる。
【００５５】 以上、本発明の実施例を説明したが、上記実施例は当業者にとって種々変更で
きることは勿論である。従って、本発明は上記好ましい実施例のみに限定される
べきではない。本発明の精神内において種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１（ａ）】 飛行するターゲットまたは物体の観察シナリオの一例の説明図である。
【図１（ｂ）】 飛行するターゲットまたは物体の観察シナリオの他の例の説明図である。
【図２】 本発明の一実施例における物体改良器のブロック線図である。
【図３】 本発明の他の実施例における物体改良器のブロック線図である。
【図４】 ＴＮＬＣ無彩色ロータの操作原理の説明図である。
【図５】 ＴＮＬＣ無彩色ロータの操作原理の説明図である。
【図６】 ＡＯＴＦの操作原理を示すシステムの説明図である。
【図７】 ＡＯＴＦにおける音−光相互作用の波形ベクトル線図を示す。
【図８】 本発明の一実施例における物体改良器のシステムパフォーマンスのフローチャ
ートである。
【図９】 物体改良器における像の背景をモニタするためのフローチャートである。
【図１０】 本発明の他の実施例における物体改良器のシステムパフォーマンスのフローチ
ャートである。
【図１１】 物体からの反射光及び散乱光のスペクトルの差をベースとする物体改良のアプ
ローチ説明図である。
【図１２】 不均一背景のためのスペクトル的に合致した濾過の説明図である。
【図１３】 フィルタ方向に沿った背景強度の分布説明図である。
【図１４】 ＡＯＴＦ伝達カーブのグラフである。
【図１５】 実験による物体改良器の実施タイミング線図である。
【手続補正書】特許協力条約第１９条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年１１月７日（２００１．１１．７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 アバキアン アラマイス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91104 パサデナ シナロア アベニュー 1658 Ｆターム(参考） 5C024 AX09 AX19 CX00 CY43 CY50 EX45 EX51 HX00 HX29 HX60

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 スペクトル間隔のセットを選択し、 光学フィルタの伝達スペクトルを選択した第１のスペクトル間隔に調節し、 調節した光学フィルタを通してスペクトル像をとらえ、 選択した各スペクトル間隔に対して上記工程を繰り返し、 物体エリアを定め、 スペクトル像のセットから物体及び背景スペクトルパラメータを抽出し、 適用基準を満足する各スペクトル間隔のための重量係数の最適セットを計算し
    、 正のフィルタを作るため対応するスペクトル間隔のための正の重量係数に対し
    てフィルタ伝達スペクトルを調節し、 正のフィルタを通して像をとらえ、 負のフィルタを作るため対応するスペクトル間隔のための負の重量係数に対し
    てフィルタ伝達スペクトルを調節し、 負のフィルタを通して像をとらえ、 正のフィルタを通してとらえた像から負のフィルタを通してとらえた像を削除
    し、 得られた像を記録し、表示する 工程を有する 選択したスペクトル間隔で像の可変セットを同時に結合することによって像を
    リアルタイムで光学的に処理する方法。
  2. 【請求項２】 多くのスペクトル間隔の少なくとも１つと、各間隔の位置及
    びスペクトル幅を各サイクル毎に変えることができる、像をリアルタイムで光学
    的に処理する方法を繰り返す請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 像の背景のスペクトルパラメータをモニタし、 設定された背景スペクトルパラメータから背景スペクトルパラメータが十分に
    偏位しているか否かを定め、及び 設定した背景スペクトルパラメータが背景スペクトルパラメータから十分に偏
    位しているとき物体及び背景スペクトルパラメータを再抽出する 工程を更に有する請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 種々の偏光でスペクトル像のセットを得る工程を更に有する
    請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 得られた像を記録する工程が、得られた像を表示することを
    含む請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 対物レンズと、 上記対物レンズに結合した音響−光学的に調節可能なフィルタと、 上記音響−光学的に調節可能なフィルタに結合した像とらえ装置と、 上記音響−光学的に調節可能なフィルタに結合した多周波数発生器と、及び 上記多周波数発生器に結合したプロセッサとより成り、 上記プロセッサが、上記多周波数発生器を制御し、物体と背景スペクトルパラ
    メータを計算し、最適像処理のための重量係数を計算し、像の削除を実行する、 選択したスペクトル間隔で像のセットを同時に結合することによって像をリア
    ルタイムで光学的に処理する装置。
  7. 【請求項７】 物体と背景スペクトルパラメータを定め、 物体と背景間のコントラストを最大ならしめるため物体と背景スペクトルパラ
    メータをベースとしてフィルタ係数をリアルタイムで計算し、 計算したフィルタ係数をベースとして音響−光学フィルタ伝達スペクトルを調
    節し、及び 計算したフィルタ係数をベースとして伝達スペクトルを有する音響−光学フィ
    ルタを通して像をとらえる 工程を有する 物体と背景間の像コントラストをリアルタイムで光学的に改良せしめる方法。
  8. 【請求項８】 解析のための初期の波長を選ぶ工程を更に有する請求項７記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 像の背景スペクトルパラメータをモニタし、 設定した背景スペクトルパラメータから背景スペクトルパラメータが十分に偏
    位しているか否かを定め、及び 設定した背景スペクトルパラメータから背景スペクトルパラメータが十分に偏
    位しているとき、物体と背景スペクトルパラメータを再び設定する 工程を更に含む請求項７記載の方法。
  10. 【請求項１０】 設定した背景スペクトルパラメータから背景スペクトルパ
    ラメータが十分に偏位しているか否かを定める工程が、背景スペクトルパラメー
    タを背景ベクトルと比較して定める工程である請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 物体と背景スペクトルパラメータを設定する工程が、ター
    ゲットされたスペクトルエリアをベースとして物体と背景スペクトルパラメータ
    を設定する工程である、スペクトル像上の物体エリアをターゲットとする工程を
    更に含む請求項７記載の方法。
  12. 【請求項１２】 計算されたフィルタ係数のセットに対応する光学フィルタ
    を通して像をとらえる工程が、１つのフィルタを通してとらえた像を他のフィル
    タを通してとらえた像から削除することである請求項７記載の方法。
  13. 【請求項１３】 計算されたフィルタ係数のセットに対応する光学フィルタ
    を通してとらえた像を表示する工程を更に有する請求項７記載の方法。
  14. 【請求項１４】 音響−光学フィルタを用いてリアルタイム像のセットをリ
    アルタイム像のセットのスペクトル表現に変換したものを作り、 高いコントラストの像に限定的に適用可能なスペクトルフィルタを作るために
    リアルタイム像のセットのスペクトル表現を正と負の分離したスペクトル係数に
    処理し、及び 高いコントラスト像に限定的に適応できるスペクトルフィルタを用いてリアル
    タイム像のセットのスペクトル表現を高いコントラストの像に変換する 工程を有する 像コントラストをリアルタイムで光学的に改良する方法。
  15. 【請求項１５】 変換を達成するのに用いるための初期波長を選択する工程
    を更に有する請求項１４記載の方法。
  16. 【請求項１６】 像の背景スペクトルパラメータをモニタし、 設定した背景スペクトルパラメータから背景スペクトルパラメータが十分に偏
    位しているか否かを定め、及び 設定した背景スペクトルパラメータから背景スペクトルパラメータが十分に偏
    位しているとき、スペクトル表現を再処理し、スペクトル表現を再変換する変換
    を再び行なう 工程を更に有する請求項１４記載の方法。
  17. 【請求項１７】 設定した背景スペクトルパラメータから背景スペクトルパ
    ラメータが十分に偏位しているか否かを定める工程が、背景スペクトルパラメー
    タを背景ベクトルと比較して定める工程である請求項１６記載の方法。
  18. 【請求項１８】 スペクトル像上の物体エリアをターゲットにする工程を更
    に含む請求項１４記載の方法。
  19. 【請求項１９】 正の分離したスペクトル係数フィルタを通してとらえた像
    を負の分離したスペクトル係数フィルタを通してとらえた像から削除する工程を
    更に含む請求項１４記載の方法。
  20. 【請求項２０】 高いコントラスト像を貯蔵し表示する工程を更に含む請求
    項１４記載の方法。
  21. 【請求項２１】 対物レンズと、 上記対物レンズに結合した音響−光学的に調節可能なフィルタと、 上記音響−光学的に調節可能なフィルタに結合した像とらえ装置と、 上記音響−光学的に調節可能なフィルタに結合した多周波数発生器と、及び 上記多周波数発生器に結合したプロセッサとより成り、 上記プロセッサが、上記多周波数発生器のためのフィルタ係数を計算する、 像のコントラストを光学的に改良するための装置。
  22. 【請求項２２】 多周波数発生器が音響−光学的に調節可能なフィルタドラ
    イバを有する請求項２１記載の装置。
  23. 【請求項２３】 上記像とらえ装置が、音響−光学的に調節可能なフィルタ
    から濾過された像を受け取るホトコンダクタアレイを有する請求項２１記載の装
    置。
  24. 【請求項２４】 上記プロセッサが上記像とらえ装置から多数の濾過した像
    を受け取り、上記プロセッサが高いコントラスト像を作るため更に上記多数の濾
    過像を結合する請求項２３記載の装置。
  25. 【請求項２５】 上記プロセッサによって作られた上記高いコントラスト像
    を表示するプロセッサに結合したモニタを更に有する請求項２４記載の装置。
  26. 【請求項２６】 上記像とらえ装置に結合されるフレームつかみ器を更に有
    する請求項２１記載の装置。
  27. 【請求項２７】 上記音響−光学的に調節可能なフィルタが上記対物レンズ
    からの像を受け取り、上記多周波数発生器が上記プロセッサによって計算された
    フィルタ係数に応じて像を濾過するため上記音響−光学的に調節可能なフィルタ
    を駆動する請求項２１記載の装置。
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