JP2008141251A - Detection system and signal processing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、たとえば、撮像装置等を用いて被写体の状態を検知する検知システムおよびその信号処理方法に関する。 The present invention relates to a detection system that detects the state of a subject using an imaging device or the like, and a signal processing method thereof, for example.
たとえば、特許文献1に示す夜間の防犯システム等に用いられる撮像装置は、信号処理部を有し、光源を周波数100Hzまたは120Hz(電源に50Hzまたは60Hzの商用電源を用いた場合、光源はその倍の100Hzまたは120Hzでその明るさが変動する)より高い高周波で変調し、さらに、信号処理部にこの高周波変調信号を検出する検出部を設ける。ただし、この撮像装置はその変調周波数より高いフレームレートを持っていなければならない。
ところで、一般に広く普及している撮像装置はNTSC(National Television Standards Committee)方式またはPAL(Phase Alternating Line)方式と呼ばれる規格が採用されている。このような規格を採用した撮像装置はフレームレートが遅いため、たとえば特許文献1に示すような防犯システムの撮像装置として使用できない。
By the way, a standard called NTSC (National Television Standards Committee) system or PAL (Phase Alternating Line) system is adopted for imaging apparatuses which are widely spread in general. Since an image pickup apparatus adopting such a standard has a low frame rate, for example, it cannot be used as an image pickup apparatus of a security system as shown in
本発明は、光源または光源に照射された被写体の状態を検知できる検知システムおよびその信号処理方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a detection system capable of detecting the state of a light source or a subject irradiated with the light source and a signal processing method thereof.
本発明の第1の観点の検知システムは、光源と、上記光源または上記光源によって照射された被写体を撮像する撮像装置と、上記撮像装置から取得した信号を処理する信号処理部と、を有し、上記光源は、輝度が上記撮像装置の走査面周期の所定倍周期で変化し、上記信号処理部は、上記撮像装置から所定走査面周期ごとに上記信号を取得し、複数の異なる走査面間で当該信号の信号レベル差から当該信号レベル差の時間平均を求め、さらに当該時間平均の値をもとに所定の演算を行い、当該演算の演算結果の値に応じて、上記被写体の状態を検知する。 A detection system according to a first aspect of the present invention includes a light source, an imaging device that images the light source or a subject irradiated by the light source, and a signal processing unit that processes a signal acquired from the imaging device. The luminance of the light source changes at a predetermined cycle of the scanning plane period of the imaging device, and the signal processing unit acquires the signal from the imaging device for each predetermined scanning plane cycle, and between a plurality of different scanning planes. The time average of the signal level difference is obtained from the signal level difference of the signal, and a predetermined calculation is performed based on the value of the time average, and the state of the subject is determined according to the value of the calculation result of the calculation. Detect.
好適には、上記撮像装置は、フィールド蓄積、インターレース走査型であり、上記光源は、輝度が上記撮像装置のフィールド周期の4n(n=1、2、3、…)倍で変化し、上記信号処理部は、第1および第2の演算部と、上記被写体の状態を判定する判定部と、を含み、フィールド単位で、nフィールドごとに上記信号を取得し、当該信号を上記第1と上記第2の演算部にそれぞれ出力し、上記第1の演算部は、同一領域で、m(m=1、2、3、…)番目と(m+2)番目とのフィールドにおける上記信号レベル差の第1の時間平均を求め、上記第2の演算部は、同一領域で、(m+1)番目と(m+3)番目とのフィールドにおける上記信号レベル差の第2の時間平均を求め、上記判定部は、上記第1と上記第2の時間平均の2乗和を求め、当該2乗和の値に応じて、上記被写体の状態を判定する。 Preferably, the imaging device is a field accumulation, interlace scanning type, and the light source changes in luminance by 4n (n = 1, 2, 3,...) Times the field period of the imaging device. The processing unit includes first and second calculation units and a determination unit that determines the state of the subject. The processing unit acquires the signal for each n fields in units of fields, and the signal is the first and the second. The first arithmetic unit outputs the difference of the signal level in the m (m = 1, 2, 3,...) And (m + 2) th fields in the same area. The second arithmetic unit obtains a second time average of the signal level difference in the (m + 1) th and (m + 3) th fields in the same region, and the determination unit includes: The square sum of the first and second time averages Because, depending on the value of the square sum, it determines the state of the subject.
好適には、上記撮像装置は、フレーム蓄積、インターレース走査型であり、上記光源は、輝度が上記撮像装置のフレーム周期の4n(n=1、2、3、…)倍で変化し、上記信号処理部は、第1および第2の演算部と、上記被写体の状態を判定する判定部と、を含み、フィールド単位で、2nフィールドごとに上記信号を取得し、当該信号を上記第1と上記第2の演算部にそれぞれ出力し、上記第1の演算部は、同一領域で、m(m=1、2、3、…)番目と(m+2)番目とのフィールドにおける上記信号レベル差の第1の時間平均を求め、上記第2の演算部は、同一領域で、(m+1)番目と(m+3)番目とのフィールドにおける上記信号レベル差の第2の時間平均を求め、上記判定部は、上記第1と上記第2の時間平均の2乗和を求め、当該2乗和の値に応じて、上記被写体の状態を判定する。 Preferably, the imaging device is a frame accumulation, interlace scanning type, and the light source changes in luminance by 4n (n = 1, 2, 3,...) Times the frame period of the imaging device, and the signal The processing unit includes first and second calculation units and a determination unit that determines the state of the subject. The processing unit acquires the signal for every 2n fields in units of fields, and the signal is the first and the second. Each of the first arithmetic units outputs to the second arithmetic unit, and the first arithmetic unit outputs the first signal level difference in the m-th (m = 1, 2, 3,...) And (m + 2) -th fields in the same region. The second arithmetic unit obtains a second time average of the signal level difference in the (m + 1) th and (m + 3) th fields in the same region, and the determination unit includes: Find the sum of squares of the first and second time averages , Depending on the value of the square sum, it determines the state of the subject.
好適には、上記撮像装置は、フレーム蓄積、ノンインターレース走査型であり、上記光源は、輝度が上記撮像装置のフレーム周期の4n(n=1、2、3、…)倍で変化し、上記信号処理部は、第1および第2の演算部と、上記被写体の状態を判定する判定部と、を含み、フレーム単位で、nフィールドごとに上記信号を取得し、当該信号を上記第1と上記第2の演算部にそれぞれ出力し、上記第1の演算部は、同一領域で、m(m=1、2、3、…)番目と(m+2)番目とのフレームにおける上記信号レベル差の第1の時間平均を求め、上記第2の演算部は、同一領域で、(m+1)番目と(m+3)番目とのフレームにおける上記信号レベル差の第2の時間平均を求め、上記判定部は、上記第1と上記第2の時間平均の2乗和を求め、当該2乗和の値に応じて、上記被写体の状態を判定する。 Preferably, the imaging device is a frame accumulation, non-interlaced scanning type, and the light source changes in luminance by 4n (n = 1, 2, 3,...) Times the frame period of the imaging device. The signal processing unit includes first and second calculation units and a determination unit that determines the state of the subject. The signal processing unit acquires the signal for each n fields in units of frames, and the signal is the first and second calculation units. The first calculation unit outputs the difference of the signal level in the m (m = 1, 2, 3,...) And (m + 2) th frames in the same area. A first time average is obtained, and the second operation unit obtains a second time average of the signal level difference in the (m + 1) th and (m + 3) th frames in the same region, and the determination unit Find the sum of squares of the first and second time averages, Depending on the value of the square sum, it determines the state of the subject.
本発明の第2の観点の検知システムの信号処理方法は、光源または当該光源によって照射された被写体を撮像する撮像装置を有する検知システムの信号処理方法であって、上記光源の輝度を上記撮像装置の走査面周期の所定倍周期で変化させる第1ステップと、上記撮像装置から所定走査面周期ごとに信号を取得する第2ステップと、複数の異なる走査面間で、上記信号の信号レベル差から当該信号レベル差の時間平均を求める第3ステップと、上記時間平均の値をもとに所定の演算を行う第4ステップと、上記演算の演算結果の値に応じて、上記被写体の状態を検知する第5ステップと、を有する。 A signal processing method for a detection system according to a second aspect of the present invention is a signal processing method for a detection system having an imaging device that images a light source or a subject irradiated by the light source, and the luminance of the light source is determined by the imaging device. From the signal level difference of the signal between a plurality of different scanning planes, a first step of changing the scanning plane period at a predetermined multiple of the scanning plane period, a second step of acquiring a signal from the imaging device every predetermined scanning plane period A third step for obtaining a time average of the signal level difference, a fourth step for performing a predetermined calculation based on the value of the time average, and detecting the state of the subject according to a value of a calculation result of the calculation And a fifth step.
本発明によれば、光源または光源に照射された被写体の状態を検知できる。 According to the present invention, it is possible to detect the state of a light source or a subject irradiated on the light source.
以下、本発明の実施形態を図面に関連づけて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は、本実施形態に係る検知システムの一構成例を示す図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a detection system according to the present embodiment.
本検知システム10は、光源11、撮像装置12と信号処理部13を有する。信号処理部13はその内部に、たとえば、輝度信号抽出回路130、第1の演算部である演算部A131、第2の演算部である演算部B132、演算処理部133、および判定部134を有する。
The
光源11は、所定の輝度で被写体を照らす。その輝度は可変であり、撮像装置12が有する撮像素子の電荷蓄積時間内の輝度が、撮像装置12のフィールド周期の4n倍周期で変化する。ここで、n=1、2、3、…である。
The
本実施形態に係る検知システム10で使用する撮像装置12は、以下のような仕様の撮像装置を採用している。
本撮像装置12を構成する撮像素子は一例として、単板補色フィルタ、フィールド蓄積型インターライン転送CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ(以後、単にCCDと記述する)を用いる。また、一実施例として撮像装置12のテレビジョン方式はNTSC方式、走査方式はインターレースを採用し、走査周波数は水平周波数が15.734Hzで垂直周波数は59.94Hzである。
このような構成の撮像装置12は、光源11によって照射された被写体を撮像し、撮像して得た信号を輝度信号抽出回路130に出力する。
The
As an example of the imaging device constituting the
The
輝度信号抽出回路130は入力された信号から輝度信号を抽出し、この輝度信号を演算部A131と演算部B132に出力する。演算部A131は、入力された輝度信号を撮像素子の同一領域において、m番目と(m+2)番目のフィールドにおける輝度信号のレベル差の時間平均を求める。この演算部A131の出力結果Aは、演算処理部133に出力される。演算部B132は、入力された輝度信号の同一領域において、(m+1)番目と(m+3)番目のフィールドにおける輝度信号のレベル差の時間平均を求める。この演算部B132の出力結果Bは、演算処理部133に出力される。なお、この演算部A131と演算部B132の動作の詳細については後述する。
The luminance
演算部A131と演算部B132からそれぞれ出力される出力結果Aと出力結果Bは演算処理部133に入力される。演算処理部133は出力結果の2乗和の値(A2+B2)を求め、判定部134に出力する。
The output result A and the output result B output from the calculation unit A131 and the calculation unit B132, respectively, are input to the
判定部134は、演算処理部133から入力される2乗和の値(A2+B2)に基づいて、撮像装置12によって撮像された被写体が、たとえば、静止あるいは動作しているかを判定する。なお、この判定部134の動作の詳細については後述する。
Based on the value of the sum of squares (A 2 + B 2 ) input from the
以下に、本実施形態に係る検知システムの構成および機能について詳細に説明する。
はじめに、本実施形態に係る撮像装置12のCCDの構造について説明する。
Hereinafter, the configuration and function of the detection system according to the present embodiment will be described in detail.
First, the structure of the CCD of the
図2は、本実施形態に係るCCDの構造を説明するための一例を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing an example for explaining the structure of the CCD according to the present embodiment.
図2のCCD20はインターライン転送で、フォトダイオードPD21、垂直転送CCD22、水平転送CCD23、増幅器24を有する。
フォトダイオードPD21は、マトリクス状に配列されている。垂直ライン方向に配列されるフォトダイオードPD21は、列ごとにそれぞれ電荷を転送するための垂直転送CCD22に接続されている。各垂直転送CCD22の末端は、電荷を増幅部に転送する水平転送CCD23にそれぞれ接続されている。また、水平転送CCD23の出力側には増幅器24が接続されている。
The
The photodiodes PD21 are arranged in a matrix. The photodiodes PD21 arranged in the vertical line direction are connected to a vertical transfer CCD 22 for transferring charges for each column. The end of each vertical transfer CCD 22 is connected to a
映像の走査方式はインターレースであり、一画面は飛び越し走査で、奇数フィールドと偶数フィールドとで構成される。
先ず、光がフォトダイオードPD21に入射し、電荷蓄積時間にフォトダイオードPD21で電荷が蓄積されていく。この間、フォトダイオードPD21と垂直転送CCD22間は遮断されている。
電荷蓄積時間が終了すると、フォトダイオードPD21と垂直転送CCD22間が導通し、蓄積された電荷が垂直転送CCD22に移される。この直後に、フォトダイオードPD21と垂直転送CCD22間は遮断され、フォトダイオードPD21で次の電荷蓄積が開始する。垂直転送CCD22に移された電荷は、1水平ライン毎に水平転送CCD23に転送され、増幅器24に入力されている。
この1水平ライン毎に、電荷が垂直転送CCD22から水平転送CCD23へ転送されるまでの周波数は、CCD20の水平走査周波数15.734Hzで行われる。垂直転送CCD22のすべての電荷が水平転送CCD23に転送されると、再び垂直転送CCD22とフォトダイオードPD21間が導通し、フォトダイオードPD21の電荷が垂直転送CCD22に移される。フィールド蓄積CCDの場合、光電変換によってフォトダイオードPD21で電荷が蓄積され、この電荷がフォトダイオードPD21から垂直転送CCD22へ転送されるまでの転送周波数は、59.94Hzとなる。
The video scanning method is interlaced, and one screen is interlaced scanning, and is composed of an odd field and an even field.
First, light enters the photodiode PD21, and charges are accumulated in the photodiode PD21 during the charge accumulation time. During this time, the photodiode PD21 and the vertical transfer CCD 22 are disconnected.
When the charge accumulation time ends, the photodiode PD21 and the vertical transfer CCD 22 are brought into conduction, and the accumulated charge is transferred to the vertical transfer CCD 22. Immediately after this, the photodiode PD21 and the vertical transfer CCD 22 are disconnected, and the next charge accumulation is started in the photodiode PD21. The charges transferred to the vertical transfer CCD 22 are transferred to the
The frequency until charge is transferred from the vertical transfer CCD 22 to the
図3は、図2のCCD20の時系列を説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the time series of the
図3に示すように、光電変換によってフォトダイオードPD21で電荷が蓄積されるまでの所要時間をΔT1とし、この電荷がフォトダイオードPD21から垂直転送CCD22へ転送されるまでの所要時間をΔT2とする。
図3から分かるように、CCD20に入射した光エネルギーは、電荷蓄積時間ΔT1の間積分されながら、電荷蓄積周期ΔT=ΔT1+ΔT2=(1/59.94)秒でサンプリングされていることになる。
As shown in FIG. 3, a required time until charge is accumulated in the photodiode PD21 by photoelectric conversion is ΔT1, and a required time until the charge is transferred from the photodiode PD21 to the vertical transfer CCD 22 is ΔT2.
As can be seen from FIG. 3, the light energy incident on the
さて、撮像装置12によって撮像された撮像画像の輝度信号は、図1に図示するように信号処理部13に入力されている。
ここで、本実施例に係るCCD20(図2を参照)からの画素の読み出し方法について説明する。
Now, the luminance signal of the captured image captured by the
Here, a method for reading out pixels from the CCD 20 (see FIG. 2) according to the present embodiment will be described.
図4は、単板補色フィルタ型CCDの画素の一配列例を示した図である。
また、図5は、奇数フィールドOFDと偶数フィールドEFDにおける色信号の組み合わせの一例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an arrangement example of pixels of a single plate complementary color filter type CCD.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a combination of color signals in the odd field OFD and the even field EFD.
画素のカラーフィルタは、Ye(イエロ)、Cy(シアン)、Mg(マジェンタ)、G(グリーン)で構成され、図4に図示するような配列になっている。画素の読み出しは、上下の画素を加算して読み出される。この加算する組み合わせは、奇数フィールドOFDと偶数フィールドEFDで、1列ずれる。具体的には、奇数フィールドOFDのnラインでは、(C11+C21)、(C12+C22)、(C13+C23)、(C14+C24)、(C15+C25)、…のようになる。また、偶数フィールドEFDのnラインでは、(C21+C31)、(C22+C32)、(C23+C33)、(C24+C34)、(C25+C35)、…のようになる。
したがって、図5に図示するような奇数フィールドOFD、偶数フィールドEFDで色信号が出力される。
いずれも、2画素周期で同一のYe、Cy、Mg、Gの組み合わせの色パターンが繰り返されている。
つまり言い換えると、色信号は2画素周期以上の周波数に重畳して現れる。よって、この色信号を2画素周期を遮断周波数とするローパスフィルタに通せば、色信号は失われ、輝度信号のみが得られる。
したがって、輝度情報は2画素周期でサンプリングされることになる。
The color filter of the pixel is composed of Ye (yellow), Cy (cyan), Mg (magenta), and G (green), and is arranged as shown in FIG. Pixels are read by adding the upper and lower pixels. The combination to be added is shifted by one column between the odd field OFD and the even field EFD. Specifically, in the n-th line of the odd field OFD, (C11 + C21), (C12 + C22), (C13 + C23), (C14 + C24), (C15 + C25),... In the n-line of the even field EFD, (C21 + C31), (C22 + C32), (C23 + C33), (C24 + C34), (C25 + C35),...
Therefore, color signals are output in the odd field OFD and the even field EFD as shown in FIG.
In any case, the same color pattern of a combination of Ye, Cy, Mg, and G is repeated in a two-pixel cycle.
In other words, the color signal appears superimposed on a frequency of two pixel periods or more. Therefore, if this color signal is passed through a low-pass filter having a cutoff frequency of two pixel periods, the color signal is lost and only a luminance signal is obtained.
Therefore, luminance information is sampled at a cycle of two pixels.
図4の円形で図示される投影領域REGは、光源による被写体の映像が投影されている様子を示している。なお、画素C35、C36、C45、C46、C55、C56は完全に投影領域REGにはいっており、均一に光が照射されているとする。
輝度情報は、奇数フィールドOFDでは、水平ライン(n+1)のC35、C36、C45、C46の組み合わせに、偶数フィールドEFDでは、水平ラインの(n+1)ラインのC45、C46、C55、C56の組み合わせによって読み出しされる。
A projection region REG illustrated by a circle in FIG. 4 shows a state in which an image of a subject by a light source is projected. It is assumed that the pixels C35, C36, C45, C46, C55, and C56 are completely in the projection region REG and are uniformly irradiated with light.
In the odd field OFD, the luminance information is read by a combination of C35, C36, C45, and C46 of the horizontal line (n + 1), and in the even field EFD, by a combination of C45, C46, C55, and C56 of the (n + 1) line of the horizontal line. Is done.
以上に述べたようにして、撮像装置12からの信号のうち輝度信号が信号処理部13に出力される。この輝度信号は、演算部A131および演算部B132に入力されて所定の処理が行われる。
As described above, the luminance signal among the signals from the
次に、演算部A131および演算部B132で行われる輝度信号の処理方法について図6を参照しながら説明する。 Next, a luminance signal processing method performed by the calculation unit A131 and the calculation unit B132 will be described with reference to FIG.
図6は、本実施形態に係る信号処理方法を採用した信号処理部のタイミングチャートである。 FIG. 6 is a timing chart of the signal processing unit adopting the signal processing method according to the present embodiment.
図6(A)は、撮像装置12のインターライン走査を示す図で、偶数フィールドEFDもしくは奇数フィールドOFDのいずれかの状態を示す。図6(B)〜(E)はそれぞれ、信号処理部13で処理される輝度信号レベルの時間変化を表す波形W1、W2、W3、W4を示し、図6(F)は一定周期で変化する正弦波の波形W5を示す図である。
なお、奇数フィールドOFDと偶数フィールドEFDとで1フレームの走査である。つまり、図6(A)に図示するように、AとB、CとDで1フレームの走査である。
また、以降の説明において、fは周波数を、tは時刻を、θは位相差をそれぞれ示し、ωは(ω=2πf)を満たす。なお、πは円周率である。
FIG. 6A is a diagram showing interline scanning of the
The odd field OFD and even field EFD scan one frame. That is, as shown in FIG. 6A, one frame is scanned by A and B and C and D.
In the following description, f represents frequency, t represents time, θ represents phase difference, and ω satisfies (ω = 2πf). Note that π is the circumference ratio.
図6(B)、(C)に図示する波形W1と波形W2は、後で説明する波形W3と波形W4で示される波形の関数を導出するための波形である。
図6(D)に図示する波形W3は、Aのフィールドの輝度信号とCのフィールドの輝度信号との輝度レベルの差をレベル差ACとした時の、レベル差ACを求める関数の時間発展分布を示す。
また、図6(E)に図示する波形W4は、Bのフィールドの輝度信号とDのフィールドの輝度信号との輝度レベルの差をレベル差BDとした時の、レベル差BDを求める関数の時間発展分布を示す。
なお、波形W3は、波形W1と波形W2から導出され、波形W1と波形W2を足して2で割ったものである。また、波形W4は波形W1と波形W2から導出され、波形W2から波形W1を引いて2で割ったものである。
Waveforms W1 and W2 illustrated in FIGS. 6B and 6C are waveforms for deriving functions of waveforms indicated by a waveform W3 and a waveform W4 described later.
A waveform W3 illustrated in FIG. 6D is a time development distribution of a function for obtaining the level difference AC when the luminance level difference between the luminance signal of the A field and the luminance signal of the C field is the level difference AC. Indicates.
A waveform W4 shown in FIG. 6E is a function time for obtaining the level difference BD when the difference in luminance level between the luminance signal of the B field and the luminance signal of the D field is the level difference BD. The development distribution is shown.
Waveform W3 is derived from waveform W1 and waveform W2, and is obtained by adding waveform W1 and waveform W2 and dividing by two. Waveform W4 is derived from waveform W1 and waveform W2, and is obtained by subtracting waveform W1 from waveform W2 and dividing it by 2.
このとき、レベル差ACの第1の時間平均である時間平均SACは図1に図示する演算部A131で算出される。また、レベル差BDの第2の時間平均である時間平均SBDは演算部B132で算出される。
具体的には、時間平均SACは、C35、C36、C45、C46の組み合わせによるAフィールドとCフィールドとの輝度レベル差ACから算出される。
同様に、時間平均SBDは、C45、C46、C55、C56の組み合わせによるBフィールドとDフィールドとのレベル差BDから算出される。
At this time, a time average SAC that is a first time average of the level difference AC is calculated by the arithmetic unit A131 illustrated in FIG. Further, the time average SBD that is the second time average of the level difference BD is calculated by the calculation unit B132.
Specifically, the time average SAC is calculated from the luminance level difference AC between the A field and the C field by a combination of C35, C36, C45, and C46.
Similarly, the time average SBD is calculated from the level difference BD between the B field and the D field by a combination of C45, C46, C55, and C56.
その時間平均の算出方法について述べる。
AフィールドとCフィールドとのレベル差ACの時間平均SACは、波形W1に、図6(D)に示す波形W3を掛けてこの時間平均SACを計算する。
また同様に、BフィールドとDフィールドとのレベル差BDの時間平均SBDは、C45、C46、C55、C56の組み合わせによる画素に照射される光の時間変化を表す波形に、図6(E)に示す波形W4を掛けてこの時間平均SBDを計算する。
The calculation method of the time average is described.
The time average SAC of the level difference AC between the A field and the C field is calculated by multiplying the waveform W1 by the waveform W3 shown in FIG. 6D.
Similarly, the time average SBD of the level difference BD between the B field and the D field is a waveform representing the time change of the light irradiated to the pixel by the combination of C45, C46, C55, and C56, as shown in FIG. The time average SBD is calculated by multiplying the waveform W4 shown.
はじめに、時間平均SACの算出方法について具体的に説明する。
波形W3を数式で表す。まず、波形W1、波形W2は以下のようなフーリエ級数で表せる。
First, a method for calculating the time average SAC will be specifically described.
The waveform W3 is expressed by a mathematical expression. First, the waveform W1 and the waveform W2 can be expressed by the following Fourier series.
ここで、波形W1とW2は同一周期f2を有するものとする。(1)式と(2)式より、波形W3は(4)式のように表せる。 Here, it is assumed that the waveforms W1 and W2 have the same period f2. From equation (1) and equation (2), waveform W3 can be expressed as equation (4).
ところで、図6(F)に図示する周期f1を有する波形W5は(5)式のような正弦波で表せる。 Incidentally, the waveform W5 having the period f1 shown in FIG. 6F can be represented by a sine wave as shown in the equation (5).
(4)式によって表される波形W3に(5)式で表せる正弦波W5を掛けると(7)式となる。 When the waveform W3 represented by the equation (4) is multiplied by the sine wave W5 represented by the equation (5), the equation (7) is obtained.
次に、時刻0から時刻Tまでにおける(7)式の時間平均をとる。(7)式の右辺に示す各項の内、時間tを含む項は交流信号であるから、その時間平均は0である。
したがって、(ω1−(2n−1)ω2=0)である時のみ、定数cosθ1と定数sinθ1が残り、時間平均SACは(8)式のようになる。
Next, the time average of the equation (7) from
Therefore, only when (ω 1 − (2n−1) ω 2 = 0), the constant cos θ 1 and the constant sin θ 1 remain, and the time average SAC is expressed by the equation (8).
このようにして、時間平均SACが演算部A131にて求まる。時間平均SBDも同様にして演算部B132にて求められ、(9)式で表される。 In this way, the time average SAC is obtained by the calculation unit A131. Similarly, the time average SBD is obtained by the calculation unit B132 and is expressed by the equation (9).
さて、(8)式と(9)式で表される時間平均SACとSBDとの2乗和(SAC 2+SBD 2)は(10)式で表される。 Now, the sum of squares (S AC 2 + S BD 2 ) of the time average SAC and SBD expressed by the equations (8) and (9) is expressed by the equation (10).
この(10)式より、CCD20(図2を参照)に入射される光に(f1=(2n−1)f2)なる周波数成分が含まれているとき、(10)式で表される波形の成分が検出される。 From this equation (10), when the frequency component (f 1 = (2n−1) f 2 ) is included in the light incident on the CCD 20 (see FIG. 2), it is expressed by the equation (10). Waveform components are detected.
次に光源11に含まれる周波数成分について考察する。
図7は、光源11に含まれる周波数成分についての波形W6を示す図である。なお、光源11は、周波数f3で時間τの間、輝度レベルL1で発光している。
Next, frequency components included in the
FIG. 7 is a diagram illustrating a waveform W <b> 6 for the frequency component included in the
この波形W6をフーリエ級数に展開する。波形W6は、周期(T3=1/f3)の周期関数であり、(ω3=2πf3)とすると、(11)式のようにフーリエ級数の一般式で表される。 This waveform W6 is developed into a Fourier series. The waveform W6 is a periodic function of a period (T 3 = 1 / f 3 ). When (ω 3 = 2πf 3 ), the waveform W6 is represented by a general formula of Fourier series as shown in Expression (11).
(11)式の各係数a0、an、bnは波形W6より(12)〜(14)式のように求まる。 The coefficients a 0 , a n , and b n in the equation (11) are obtained from the waveform W6 as in the equations (12) to (14).
したがって、波形W6のフーリエ級数は、(15)式で表される。 Therefore, the Fourier series of the waveform W6 is expressed by equation (15).
よって、光源11の点滅周期をフィールド周期の4倍にした時、すなわち(f3=f2)である時、(7)式と(15)式より奇数項で周波数が一致し、時間平均SACとSBDの2乗和は(16)式のようになる。
Therefore, when the blinking period of the
光源11の点灯のデューティー比をDとすると(17)式で表される。
When the duty ratio of lighting of the
よって、(16)式で表される時間平均SACとSBDとの2乗和SACBDは、(17)式を用いると(18)式のようになる。 Therefore, the square sum SACBD of the time average SAC and SBD expressed by the equation (16) is expressed by the equation (18) when the equation (17) is used.
ところで、以下に示す(18)式の右辺の項(19)は収束する。 By the way, the term (19) on the right side of the following equation (18) converges.
この(18)式の右辺の項(19)は、デューティー比Dに対し、表1のような値をとる。以下に、表1を示す。 The term (19) on the right side of the equation (18) takes a value as shown in Table 1 with respect to the duty ratio D. Table 1 is shown below.
表1に基づいて、横軸にデューティー比Dをとり、縦軸に時間平均SACとSBDとの2乗和SACBDをとると、デューティー比Dと2乗和SACBDとの関係は図8に示す図のようになる。 Based on Table 1, when the duty ratio D is taken on the horizontal axis and the square sum SACBD of the time average SAC and SBD is taken on the vertical axis, the relationship between the duty ratio D and the square sum SACBD is shown in FIG. become that way.
図8より、2乗和SACBDはデューティー比D=0.5で最大となることが分かる。
したがって、(18)式で表される2乗和SACBDは、次式のようになる。
From FIG. 8, it can be seen that the square sum SACBD becomes maximum at the duty ratio D = 0.5.
Therefore, the sum of squares SACBD expressed by the equation (18) is expressed by the following equation.
(数15)
SAC 2+SBD 2=0.08333L1 2 …(20)
(Equation 15)
S AC 2 + S BD 2 = 0.08333L 1 2 (20)
(20)式に示すように、演算処理部133は光源11(図1を参照)の輝度を検出し、この検出結果(2乗和SACBD)を判定部134に出力する。この検出結果は、判定部134にて被写体の状態を判定する。
As shown in Expression (20), the
本実施例に係る光源11は特定の光源に依存しない。そこで、他の光源についても輝度を検出できるかについて考察する。
光源として広く使われている白熱電球と蛍光燈は、電源周波数50Hzの地域で100Hz、60Hzの地域で120Hzである。NTSC方式のテレビジョンのフィールド周波数は59.94Hz、パーソナルコンピュータに使用されるモニタのフィールド周波数は、ちらつきがないように60Hz以上である。
The
Incandescent light bulbs and fluorescent lamps that are widely used as light sources are 100 Hz in regions where the power supply frequency is 50 Hz and 120 Hz in regions where 60 Hz. The field frequency of an NTSC television is 59.94 Hz, and the field frequency of a monitor used for a personal computer is 60 Hz or more so as not to flicker.
NTSC方式のテレビジョンのフィールド周波数は59.94Hzであり、その1/4倍周期で光源を発光させるとすると、輝度レベル差の周波数f2は次式のようになる。 The field frequency of the NTSC television is 59.94 Hz, and if the light source is caused to emit light at a quarter period, the frequency f2 of the luminance level difference is as follows.
(数16)
f2=59.94/4=14.985Hz …(21)
(Equation 16)
f 2 = 59.94 / 4 = 14.985 Hz (21)
(7)式と(15)式より、周波数f2の奇数倍と光源11の周波数f3の整数倍が一致したときに信号成分が検出される。
From the equations (7) and (15), the signal component is detected when the odd multiple of the frequency f2 matches the integer multiple of the frequency f3 of the
表2は、異なる光源の発光周波数と輝度信号レベルの差における周波数との関係を示す値の表である。 Table 2 is a table of values indicating the relationship between the light emission frequency of different light sources and the frequency in the difference in luminance signal level.
表2のf1は(5)式の正弦波の有する周波数で、f2は(21)式に示す周波数で、f3はそれぞれ、光源11の周波数、50Hz地域での照明の周波数、60Hz地域での照明の周波数、NTSC方式のテレビジョンのフィールド周波数、パーソナルコンピュータに使用されるモニタのフィールド周波数である。
表2によると、m=30まで、f3が100、120、59.94Hzであり、(n×f3=(2m−1)×f2)が成立するものはない。
F1 in Table 2 is the frequency of the sine wave of Formula (5), f2 is the frequency shown in Formula (21), and f3 is the frequency of the
According to Table 2, up to m = 30, f3 is 100, 120, 59.94 Hz, and there is nothing that satisfies (n × f 3 = (2m−1) × f 2 ).
例えばパーソナルコンピュータのモニタに関して、そのフィールド周波数が60Hz以上であるとすると、本検知システム10の信号処理出力に最も大きな出力が検出される可能性としては、74.925Hzでスキャンされているモニタが存在した時である。すなわち、f3=74.925Hzの時であり、表2に示すように、(5×f2)、(15×f2)、(25×f2)…と(1×f3)、(3×f3)、(5×f3)…が一致する。この時検出される信号レベルは、次式で示される。
For example, regarding a monitor of a personal computer, if the field frequency is 60 Hz or more, there is a monitor that is scanned at 74.925 Hz as the possibility that the largest output is detected in the signal processing output of the
以上に述べたように、本検知システム10は、光源の発光周波数に依存せず、光源または光源に照射された被写体の状態を検知する。
As described above, the
以下に図9を参照しながら、本実施形態に係る検知システムの信号処理方法における一連の動作を説明する。 A series of operations in the signal processing method of the detection system according to the present embodiment will be described below with reference to FIG.
図9は、本実施形態に係る検知システムの信号処理方法を説明するためのフローチャート図である。 FIG. 9 is a flowchart for explaining the signal processing method of the detection system according to the present embodiment.
本実施形態では、第1ステップ(ST1)で、撮像装置12の電荷蓄積時間内の光源11の輝度を撮像装置12のフィールド周期の4n倍で変化させる。
次に第2ステップ(ST2)で、撮像装置12からフィールド単位でnフィールド毎に輝度信号を取得し、この輝度信号を演算部A131と演算部B132に出力する。
第3ステップ(ST3)で、演算部A131にて、m番目と(m+2)番目のフィールドの投影領域REGにおける輝度信号レベルのレベル差ACの時間平均SACを求める。また、演算部B132にて、(m+1)番目と(m+3)番目のフィールドの投影領域REGにおける輝度信号レベルのレベル差BDの時間平均SBDを求める。これら時間平均SACとSBDは演算処理部133に出力される。
つづいて第4ステップ(ST4)で、演算処理部133にて時間平均SACとSBDの2乗和SACBDが求められ、判定部134に出力される。
最後に第5ステップ(ST5)で、判定部134にて2乗和SACBDの値に応じて、被写体の状態が判定される。
In the present embodiment, in the first step (ST1), the luminance of the
Next, in the second step (ST2), a luminance signal is acquired for each n fields from the
In the third step (ST3), the arithmetic unit A131 obtains the time average SAC of the level difference AC of the luminance signal level in the projection area REG of the mth and (m + 2) th fields. Further, the arithmetic unit B132 obtains the time average SBD of the level difference BD of the luminance signal level in the projection area REG of the (m + 1) th and (m + 3) th fields. These time averages SAC and SBD are output to the
Subsequently, in the fourth step (ST 4), the
Finally, in the fifth step (ST5), the
なお、本実施形態に係る演算処理部133では、時間平均SACとSBDとの2乗和SACBDを求めるが、時間平均SACとSBDとの和(SAC+SBD)を判定部134での判定基準に用いることもできる。
In the
以上に説明したように、本実施形態によれば、撮像画像の背景ノイズを除去し、光源もしくは光源によって照射された被写体の状態を検出できる。 As described above, according to the present embodiment, the background noise of the captured image can be removed, and the state of the subject irradiated with the light source or the light source can be detected.
また、本実施形態に係る検知システムは、撮像装置から得られる信号を取り込み、信号処理部13の内部にて信号を処理し、被写体の状態を検知する。また、光源に依らない。そのため、撮像装置の仕様には依存せず、たとえば一般に入手可能なカメラを本検知システムの撮像装置として使用できる。
In addition, the detection system according to the present embodiment captures a signal obtained from the imaging apparatus, processes the signal inside the
さらに本検知システムは、複数の光源を使用し、信号を並列に信号処理部に伝送することができる。
あるいは、光源の色を複数設け、信号の波長多重伝送も可能である。
また、光源を適宜点滅させ、信号を信号処理部に伝送できる。
Furthermore, this detection system uses a plurality of light sources and can transmit signals to the signal processing unit in parallel.
Alternatively, it is possible to provide a plurality of light source colors and perform wavelength multiplexing transmission of signals.
Further, the light source can be appropriately blinked to transmit a signal to the signal processing unit.
(第2実施形態)
次に、本発明に係る第2実施形態について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment according to the present invention will be described.
本実施形態は、第1実施形態に係るフィールド蓄積、インターレース型の撮像装置12をフレーム蓄積、インターレース型の撮像装置に置き換えたものである。また同時に、第1実施形態に係る光源11の輝度の変化周期をフィールド周期の4n倍からフレーム周期の4n倍に変更したものである。この変化周期の変更に伴い、輝度信号の取得もnフィールドごとから2nフィールドごとに輝度信号の取得周期を変更する。
このように、光源11の輝度の変化周期と輝度信号の取得周期を変更することで、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
したがって、本実施形態によれば、撮像画像の背景ノイズを除去し、光源もしくは光源によって照射された被写体の状態を検出できる。
In this embodiment, the field storage and interlace
In this way, by changing the luminance change cycle of the
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to remove the background noise of the captured image and detect the state of the light source or the subject irradiated with the light source.
(第3実施形態)
次に、本発明に係る第3実施形態について説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment according to the present invention will be described.
本実施形態は、第1実施形態に係るフィールド蓄積、インターレース走査型の撮像装置12をフレーム蓄積、ノンインターレース走査型の撮像装置に置き換えたものである。
このように、ノンインターレース走査の撮像装置を用いても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
したがって、本実施形態によれば、撮像画像の背景ノイズを除去し、光源もしくは光源によって照射された被写体の状態を検出できる。
In this embodiment, the field accumulation / interlace
As described above, even when a non-interlaced scanning imaging apparatus is used, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to remove the background noise of the captured image and detect the state of the light source or the subject irradiated with the light source.
10…検知システム、11…光源、12…撮像装置、13…信号処理部、130…輝度信号抽出回路、131…演算部A、132…演算部B、133…演算処理部、134…判定部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記光源または上記光源によって照射された被写体を撮像する撮像装置と、
上記撮像装置から取得した信号を処理する信号処理部と、
を有し、
上記光源は、
輝度が上記撮像装置の走査面周期の所定倍周期で変化し、
上記信号処理部は、
上記撮像装置から所定走査面周期ごとに上記信号を取得し、複数の異なる走査面間で当該信号の信号レベル差から当該信号レベル差の時間平均を求め、さらに当該時間平均の値をもとに所定の演算を行い、当該演算の演算結果の値に応じて、上記被写体の状態を検知する
検知システム。 A light source;
An imaging device for imaging the light source or a subject illuminated by the light source;
A signal processing unit for processing a signal acquired from the imaging device;
Have
The light source is
The luminance changes at a predetermined cycle of the scanning plane cycle of the imaging device,
The signal processor is
The signal is acquired from the imaging device every predetermined scanning plane period, a time average of the signal level difference is obtained from a signal level difference of the signal between a plurality of different scanning planes, and further, based on the value of the time average A detection system that performs a predetermined calculation and detects the state of the subject according to a value of a calculation result of the calculation.
フィールド蓄積、インターレース走査型であり、
上記光源は、
輝度が上記撮像装置のフィールド周期の4n(n=1、2、3、…)倍で変化し、
上記信号処理部は、
第1および第2の演算部と、
上記被写体の状態を判定する判定部と、を含み、
フィールド単位で、nフィールドごとに上記信号を取得し、当該信号を上記第1と上記第2の演算部にそれぞれ出力し、
上記第1の演算部は、
同一領域で、m(m=1、2、3、…)番目と(m+2)番目とのフィールドにおける上記信号レベル差の第1の時間平均を求め、
上記第2の演算部は、
同一領域で、(m+1)番目と(m+3)番目とのフィールドにおける上記信号レベル差の第2の時間平均を求め、
上記判定部は、
上記第1と上記第2の時間平均の2乗和を求め、当該2乗和の値に応じて、上記被写体の状態を判定する
請求項1記載の検知システム。 The imaging apparatus is
Field accumulation, interlace scanning type,
The light source is
The luminance changes by 4n (n = 1, 2, 3,...) Times the field period of the imaging device,
The signal processor is
First and second computing units;
A determination unit for determining the state of the subject,
The above signal is acquired every n fields in field units, and the signal is output to the first and second arithmetic units, respectively.
The first calculation unit includes:
In the same region, a first time average of the signal level difference in the m (m = 1, 2, 3,...) Field and the (m + 2) field is obtained.
The second arithmetic unit is
In the same region, a second time average of the signal level difference in the (m + 1) th and (m + 3) th fields is obtained,
The determination unit is
The detection system according to claim 1, wherein a square sum of the first time average and the second time average is obtained, and the state of the subject is determined according to the value of the square sum.
フレーム蓄積、インターレース走査型であり、
上記光源は、
輝度が上記撮像装置のフレーム周期の4n(n=1、2、3、…)倍で変化し、
上記信号処理部は、
第1および第2の演算部と、
上記被写体の状態を判定する判定部と、を含み、
フィールド単位で、2nフィールドごとに上記信号を取得し、当該信号を上記第1と上記第2の演算部にそれぞれ出力し、
上記第1の演算部は、
同一領域で、m(m=1、2、3、…)番目と(m+2)番目とのフィールドにおける上記信号レベル差の第1の時間平均を求め、
上記第2の演算部は、
同一領域で、(m+1)番目と(m+3)番目とのフィールドにおける上記信号レベル差の第2の時間平均を求め、
上記判定部は、
上記第1と上記第2の時間平均の2乗和を求め、当該2乗和の値に応じて、上記被写体の状態を判定する
請求項1記載の検知システム。 The imaging apparatus is
Frame accumulation, interlace scanning type,
The light source is
The luminance changes at 4n (n = 1, 2, 3,...) Times the frame period of the imaging device,
The signal processor is
First and second computing units;
A determination unit for determining the state of the subject,
The above signal is acquired every 2n fields in field units, and the signals are output to the first and second arithmetic units, respectively.
The first calculation unit includes:
In the same region, a first time average of the signal level difference in the m (m = 1, 2, 3,...) Field and the (m + 2) field is obtained.
The second arithmetic unit is
In the same region, a second time average of the signal level difference in the (m + 1) th and (m + 3) th fields is obtained,
The determination unit is
The detection system according to claim 1, wherein a square sum of the first time average and the second time average is obtained, and the state of the subject is determined according to the value of the square sum.
フレーム蓄積、ノンインターレース走査型であり、
上記光源は、
輝度が上記撮像装置のフレーム周期の4n(n=1、2、3、…)倍で変化し、
上記信号処理部は、
第1および第2の演算部と、
上記被写体の状態を判定する判定部と、を含み、
フレーム単位で、nフィールドごとに上記信号を取得し、当該信号を上記第1と上記第2の演算部にそれぞれ出力し、
上記第1の演算部は、
同一領域で、m(m=1、2、3、…)番目と(m+2)番目とのフレームにおける上記信号レベル差の第1の時間平均を求め、
上記第2の演算部は、
同一領域で、(m+1)番目と(m+3)番目とのフレームにおける上記信号レベル差の第2の時間平均を求め、
上記判定部は、
上記第1と上記第2の時間平均の2乗和を求め、当該2乗和の値に応じて、上記被写体の状態を判定する
請求項1記載の検知システム。 The imaging apparatus is
Frame accumulation, non-interlaced scanning type,
The light source is
The luminance changes at 4n (n = 1, 2, 3,...) Times the frame period of the imaging device,
The signal processor is
First and second computing units;
A determination unit for determining the state of the subject,
The signal is acquired every n fields in units of frames, and the signals are output to the first and second arithmetic units, respectively.
The first calculation unit includes:
In the same region, find a first time average of the signal level difference in the m (m = 1, 2, 3,...) And (m + 2) frames,
The second arithmetic unit is
In the same region, a second time average of the signal level difference in the (m + 1) th and (m + 3) th frames is obtained,
The determination unit is
The detection system according to claim 1, wherein a square sum of the first time average and the second time average is obtained, and the state of the subject is determined according to the value of the square sum.
上記光源の輝度を上記撮像装置の走査面周期の所定倍周期で変化させる第1ステップと、
上記撮像装置から所定走査面周期ごとに信号を取得する第2ステップと、
複数の異なる走査面間で、上記信号の信号レベル差から当該信号レベル差の時間平均を求める第3ステップと、
上記時間平均の値をもとに所定の演算を行う第4ステップと、
上記演算の演算結果の値に応じて、上記被写体の状態を検知する第5ステップと、
を有する
検知システムの信号処理方法。 A signal processing method of a detection system having a light source or an imaging device that images a subject irradiated with the light source,
A first step of changing the luminance of the light source at a predetermined cycle of a scanning plane cycle of the imaging device;
A second step of acquiring a signal from the imaging device every predetermined scanning plane period;
A third step of obtaining a time average of the signal level difference from the signal level difference of the signal between a plurality of different scanning planes;
A fourth step of performing a predetermined calculation based on the time average value;
A fifth step of detecting the state of the subject according to a value of a calculation result of the calculation;
A signal processing method for a detection system.
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