JP2009300112A - 波形表示装置及び波形表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ないメモリ容量であっても良好な残光特性を実現し、発生頻度の少ない波形情報を喪失することなく表示することができる波形表示装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る波形表示装置は、所定のフレーム周期で表示画像を表示する表示デバイスと、１つの表示画像を記憶する表示画像メモリと、入力信号をトリガ波形として取り込むトリガ波形取込部と、最新のフレーム周期内で取り込まれた数だけトリガ波形を記憶する波形メモリと、各トリガ波形をラスタ画像に変換するラスタ画像変換部と、夫々のラスタ画像の画素値を加算して１つの画像を合成し、輝度係数を乗じて輝度画像を生成する輝度画像生成部と、輝度画像と１つ前のフレーム周期の表示画像とを重み付け加算することにより表示画像を生成し表示デバイスに出力する一方、生成した表示画像で表示画像メモリの記憶内容を更新する表示画像生成部と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波形表示装置及び波形表示方法に係り、特に、サンプリングした信号波形をデジタル化し、時間軸と振幅値の２次元で表示する波形表示装置及び波形表示方法に関する。

従来のアナログオシロスコープの多くは特殊なブラウン管を表示装置として使用している。この特殊なブラウン管は残光と呼ばれる表示特性を有している。残光とは、ブラウン管の表示素子の光が一定時間光り、時間とともに徐々にその光が消えていく特性である。アナログオシロスコープにおける残光特性は、出現頻度の低い稀な波形を人間の目に視認させやすいという利点があり、また周期的な波形に対しては同じ周期の波形が繰り返し描画されるため、その波形の頻度を視認できるという利点があった。

一方、近年では波形観測用の波形表示装置としてデジタルオシロスコープが主流となっており、表示装置も液晶ディスプレイ等のデジタル表示デバイスに置き換わってきている。このような状況でも、従来のアナログオシロスコープが持っていた残光特性は波形観測上極めて有用な特性であり、液晶ディスプレイ等のデジタル表示デバイスであっても残光特性を実現させたいという要望が強い。

デジタルオシロスコープでは、表示する画像を２次元配列などで表し、配列の各要素はデジタル表示デバイスの各ピクセルの情報を保持している。各ピクセルの情報としては、「０」または「１」の単１ビット表示、即ち、そのピクセルを単一の輝度で点灯するかしないかを決めるだけの情報のものや、複数ビット表示、即ち、そのピクセルを複数のレベルの輝度で点灯させることが可能な情報のものがある。複数ビット表示の場合には、時間経過に伴いその輝度を減少させることで従来の残光を表現することができる。

また、アナログオシロスコープとデジタルオシロスコープとでは、表示周期の点でも大きく異なっている。

アナログオシロスコープの場合、表示画面を水平に横切る（これを掃引と言う）電子ビームにより波形を表示している。従来のアナログオシロスコープでは掃引速度が非常に高速であり、例えば１秒間に１０，０００回程度の掃引が可能である。１回の掃引をアナログオシロスコープにおける画面更新と考えた場合、画面を１秒間に最大１０，０００回程度更新できることになる。このような高速な画面更新によって入力された信号波形の大部分を連続的に表示することができる。

一方、デジタルオシロスコープでは、画面の更新はデジタル表示デバイスのフレーム周期（以下、デジタルオシロスコープの画面の更新周期を単にフレーム周期と呼ぶ）に依存するため、例えば、１秒間に最大１００回程度の画面更新しか行うことができない。従って、同じ波形を同じ時間軸のスケールで表示させようとした場合、単に取り込んだ波形をそのまま表示させる手法では、デジタルオシロスコープではアナログオシロスコープで観測できる波形の１％の波形しか観測できないことになり、残りの９９％の波形については捨ててしまうということになる。

そこで、近年のデジタルオシロスコープでは、１つのフレーム周期内で取り込まれた波形を一定時間蓄積し、画面更新のタイミングになると、蓄積した波形を重ね合わせることにより、次のフレーム周期での表示画像を生成する手法のものが多い。この手法により、取り込んだ波形の情報を捨てることなく観測できるようにしている。

また、一般に波形観測では、入力波形から特定の条件を満たした波形のみを観察したいという場合が多い。従来のアナログオシロスコープでは、入力波形が特定の条件を満たしたときに掃引を行ってブラウン管に表示させる機能を有しており、掃引を開始するための信号をトリガと呼び、トリガを発生させる条件をトリガ条件と呼んでいる。

デジタルオシロスコープも同様にトリガによる表示機能を有している。トリガ条件を満たした点をトリガ点と呼ぶ。トリガ点から所定の期間だけ前の期間をプリトリガ期間と呼び、トリガ点から所定の期間だけ後の期間をポストトリガ期間と呼ぶ。また、プリトリガ期間とポストトリガ期間とを足し合わせた期間の長さをトリガ長と呼ぶ。このトリガ長内の波形をトリガ波形と呼ぶ。つまり、トリガ波形は、トリガ点の前後をトリガ長の時間長だけ入力波形から切り取った波形である。

特許文献１乃至３等には、デジタルオシロスコープの表示方法に関する技術が開示されている。

特許文献１には、一定数のトリガ波形をメモリに保持し、そのトリガ波形を重ね合わせることにより表示画像を作成する技術が開示されている。表示画像の作成では、時間の古い波形に対しては小さな輝度を、新しい波形に対しては大きな輝度を設定し、それぞれの輝度値を加算することにより残光特性を有した表示画像を作成している。

特許文献２には、一定数のトリガ波形を保持することなく、トリガ波形が発生した時点で表示画像に書き込む手法を開示している。また、一定間隔ごとに表示画像の輝度値を一定量だけ減算することにより残光特性を得る手法も開示されている。

また、特許文献３には、トリガ波形を一時的にメモリに取り込んで、取り込んだ波形を組み合わせる技術が開示されている。組み合わせの際には各トリガ波形を加算し、その結果を表示画像の輝度階調に合わせた輝度に変換している。そして、変換された画像を一定期間毎に表示画像メモリに転送して表示装置に表示している。
特許第３８６１６３４号明細書 特開２０００−２７２０号公報 特許第３６４４８４３号明細書

特許文献１には、メモリに保持した一定数のトリガ波形から残光特性を有する表示画像を生成する手法が開示されている。この手法では、トリガ波形保持用のメモリの大きさに依存して生成される画像の残光特性が決まり、メモリが大きければ大きいほど表現力の高い画像が生成できることになる。

しかしながら、例えば、１秒間継続する残光特性を得ようとした場合、波形のサンプリングレートを５００ＭＨｚ、サンプリングした波形データのビット長を８ビットと仮定すると、トリガ波形保持用のメモリの容量は５００ＭＢｙｔｅもの大容量が必要となる。

また、特許文献１に開示されている手法で残光特性を得ようとすると、表示画像の輝度が適切に設定できないという問題が生じる。特許文献１では、メモリ内の複数のトリガ波形に対し、トリガが発生した時間に応じて輝度値を割り当ててラスタ画像を生成している。そして、このラスタ画像を加算することによって古いトリガ波形ほど小さい輝度で表示され、新しいトリガ波形ほど大きい輝度で表示されるようにしている。

しかしながら、メモリ内に存在するトリガ波形の個数によって、加算されたラスタ画像の輝度の範囲が変わってしまうため、加算後の輝度の範囲が表示装置で表現できる限界を超えてしまった場合、輝度が飽和した波形が表示されることになる。一方、加算されたラスタ画像の輝度の範囲が表示装置で表現できる限界に比べて小さい場合、表示された波形のコントラストが小さくなるという問題が起こる。特許文献１では、割り当てる輝度値の値をユーザが指定できるようにしているが、トリガ波形の個数は入力波形がトリガ条件を満たすか否によって動的に変化するものである。従って、加算された輝度の範囲も動的に変化し、ユーザは割り当てる輝度値を動的な輝度変化に応じて変更する必要があり効率的でない。

特許文献２では、特許文献１におけるトリガ波形保持用のメモリの容量への依存の問題や、輝度の飽和の問題を避けるために、トリガ波形が発生した時点で一定値の輝度値を割り当ててラスタ画像を生成し、その時点での表示画像の輝度と新たに生成したラスタ画像の輝度とを比較し、大きい方の輝度を表示画像の各ピクセルに上書きする手法を開示している。残光特性は、一定期間ごとに表示画像の輝度を一定量だけ減らすことによって得ている。一方、トリガ長に比べてフレーム周期が長いときは、フレーム周期内に発生した複数のトリガ波形の論理和をとっており、各トリガ波形の頻度の情報が失われてしまう（単発的なトリガ波形や頻度の少ないトリガ波形の情報が失われる）ことになる。このため、生成される表示画像には、フレーム周期内の複数のトリガ波形のデータが正確に反映されないという問題がある。

特許文献３では、一定時間のトリガ波形を保持し、各トリガ波形の画像を加算して組み合わせることにより表示画像の輝度を求めており、フレーム周期内では頻度の少ないトリガ波形の情報を表現することができる。しかしながら、最終的に出力される画像に関しては特許文献２と同様に輝度の高い方のピクセルを上書きするという手法であるため、過去の画像に対しての頻度情報が失われることになる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、少ないメモリ容量であっても良好な残光特性を実現することができ、また、発生頻度の少ない波形情報を喪失することなく表示することができる波形表示装置及び波形表示方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る波形表示装置は、所定のフレーム周期ごとに表示画像を表示する表示デバイスと、前記フレーム周期に対応する１つの表示画像を記憶する表示画像メモリと、入力信号をサンプリングし、サンプリングした前記入力信号の波形が所定のトリガ条件を満たす毎に前記入力信号を所定のトリガ長で切り取ってトリガ波形として取り込むトリガ波形取込部と、最新のフレーム周期内で取り込まれた数だけ前記トリガ波形を記憶する波形メモリと、前記波形メモリに記憶された前記各トリガ波形を、時間軸と振幅軸に対応する２次元のラスタ画像に夫々変換し、変換の際には前記各ラスタ画像に描画される波形の領域に対して所定の画素値を割り付けて変換するラスタ画像変換部と、前記夫々のラスタ画像の同一画素位置の画素値を加算することによって、前記最新のフレーム周期に対応する１つの画像を合成し、合成された前記画像の各画素値に所定の輝度係数を乗じて前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像を生成する輝度画像生成部と、前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像と前記表示画像メモリから読み出した前記最新のフレーム周期の１つ前のフレーム周期の表示画像とを、夫々重み付けして加算することにより最新のフレーム周期に対応する表示画像を生成し、生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像を前記表示デバイスに出力する一方、生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像を前記画像メモリに記憶させて前記表示画像メモリの記憶内容を更新する表示画像生成部と、を備えたことを特徴とする。

また、上記課題を解決すため、本発明に係る波形表示方法は、所定のフレーム周期で表示画像を表示し、前記フレーム周期に対応する１つの表示画像を表示画像メモリに記憶し、入力信号をサンプリングし、サンプリングした前記入力信号の波形が所定のトリガ条件を満たすたびに前記入力信号を所定のトリガ長で切り取ってトリガ波形として取り込み、最新のフレーム周期内で取り込まれた数だけ前記トリガ波形を波形メモリに記憶し、前記波形メモリに記憶された前記各トリガ波形を、時間軸と振幅軸に対応する２次元のラスタ画像に夫々変換し、変換の際には前記各ラスタ画像に描画される波形の領域に対して所定の画素値を割り付けて変換し、前記夫々のラスタ画像の同一画素位置の画素値を加算することによって、前記最新のフレーム周期に対応する１つの画像を合成し、合成された前記画像の各画素値に所定の輝度係数を乗じて前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像を生成し、前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像と、前記表示画像メモリから読み出した前記最新のフレーム周期の１つ前のフレーム周期の表示画像とを、夫々重み付けして加算することにより最新のフレーム周期に対応する表示画像を生成し、生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像を表示し、生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像を前記画像メモリに記憶させて前記表示画像メモリの記憶内容を更新する、ステップを備えたことを特徴とする。

本発明に係る波形表示装置及び波形表示方法によれば、少ないメモリ容量であっても良好な残光特性を実現することができ、また、発生頻度の少ない波形情報を喪失することなく表示することができる。

本発明に係る波形表示装置及び波形表示方法の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（１）第１の実施形態
図１は、第１の実施形態に係る波形表示装置１の構成例を示すブロック図である。波形表示装置１は、トリガ波形取込部１０、波形メモリ２０、ラスタ画像変換部３０、輝度画像生成部５０、表示画像生成部７０、表示画像メモリ８０、表示デバイス９０等を備えて構成されている。

トリガ波形取込部１０は、入力信号をサンプリングし、サンプリングした入力信号の波形が所定の条件（トリガ条件）を満たすたびに入力信号を所定のトリガ長で切り取ってトリガ波形として取り込む。トリガ波形取込部１０は、Ａ／Ｄ変換器１１、バッファメモリ１２、及びトリガ条件判定部１３を有している。

Ａ／Ｄ変換器１１では、アナログ入力信号をサンプリングしてデジタル信号に変換している。デジタル信号に変換された入力信号はバッファメモリ１２に出力され、ここで一時的に保存される。バッファメモリ１２に保存されるデータは、時間と振幅値のデータ対であり、これらが、例えばサンプリングされた時間順に格納されることになる。

トリガ条件判定部１３は、バッファメモリ１２に保存された時間と振幅値のデータ対がトリガ条件を満たしているか否かを判定し、トリガ条件を満たしている場合はトリガ波形として抽出し、後段の波形メモリ２０にトリガ波形の単位で保存していく。

トリガ条件には様々な種類があるが、代表的なものは波形の振幅値が所定の閾値（トリガレベルとも呼ばれる）以上になったか否かを判定する条件である。前述したように、トリガ条件を満たした点（入力波形の振幅が閾値を超えた時刻）をトリガ点、トリガ点から所定の期間だけ前の期間をプリトリガ期間、トリガ点から所定の期間だけ後の期間をポストトリガ期間と呼び、また、プリトリガ期間とポストトリガ期間とを足し合わせた期間の長さをトリガ長と呼んでいる。トリガ長内の波形がトリガ波形であり、トリガ波形は、トリガ点の前後をトリガ長の時間長だけ入力波形から切り取った波形である。

トリガレベルやトリガ長等のトリガ条件は、通常ユーザによって変更可能に設定される諸元であるが、所定の固定値であってもよい。

波形メモリ２０には、バッファメモリ１２から切り取られたトリガ長の長さのトリガ波形が記憶されるが、波形メモリ２０内に記憶されるデータとしては、時間と振幅値のデータ対であってもよいし、これらのデータが保存されているバッファメモリ１２のアドレスでもよい。

図２は、トリガ波形の概念を示す図である。図２（ａ）が入力信号の波形であり、バッファメモリ１２に一時的の保存される波形である。一方、図２（ｂ）は、トリガ条件を満たすトリガ波形を例示しており、波形メモリ２０に記憶される波形である。波形メモリ２０にバッファメモリ１２のアドレスを記憶する場合には、そのアドレスから参照されるバッファメモリ１２の波形ということになる。

本実施形態に係る波形表示装置１の特徴の１つは、バッファメモリ１２や波形メモリ２０に記憶させるデータ量が少ない場合であっても十分な残光特性を実現することができる点にある。具体的には、図２に示したように、バッファメモリ１２や波形メモリ２０に記憶させるデータ量として、表示デバイス９０の表示画像の１更新周期、即ち１フレーム周期分としている。表示デバイス９０が１秒間に１００回のフレームレートであるとすると、１フレーム周期は１０ｍｓである。つまり、バッファメモリ１２や波形メモリ２０に記憶させるデータ量は高々１０ｍｓ分のデータで十分である。

従来、例えば１秒の残光特性を得ようとしたばあい、少なくとも１秒（１０００ｍｓ）分のデータを保持しておく必要があったが、本実施形態に係る波形表示装置１では、この１／１００のメモリ容量としている。具体的な残光特性の実現方法については後述する。

なお、波形メモリ２０にアドレスではなく時間と振幅値のデータ対を記憶させる場合であっても、トリガ条件を満たす波形だけがトリガ波形として切り出されるため、波形メモリ２０に記憶されるデータ量の方がバッファメモリ１２に記憶されるデータ量よりも通常少ない。

波形メモリ２０に記憶されるトリガ波形の各データ長は設定されるトリガ長によって決まるため、同じ大きさとなる。しかしながら、波形メモリ２０に記憶されるトリガ波形の数（ｍ）は、トリガレベルやトリガ長によって大きく変動する。トリガ長が短く設定されている場合にはトリガ波形の数は多くなる。例えば、フレーム周期が１０ｍｓで、トリガ長が１００μｓとすると、トリガ波形の数は最大で１０００となる。一方、トリガ長が長く設定されている場合にはトリガ波形の数は少なくなる。フレーム周期が同じ１０ｍｓであっても、設定されたトリガ長が５ｍｓの場合には、トリガ波形の数は最大でも２である。

図３は、波形表示装置１の処理の一例を示すフローチャートであるが、ここまで説明してきな内容は、図３のステップＳＴ１からステップＳＴ５までの処理に該当する。ステップＳＴ１では、トリガレベル、トリガ長等のユーザが設定したトリガ条件を入力する。ステップＳＴ２は表示デバイス９０のフレーム周期の更新処理であり、以下のステップＳＴ３からステップＳＴ１３までの処理は、１つのフレーム周期内の処理となる。

ステップＳＴ３からステップＳＴ５が前述した入力信号からトリガ長を切り取ってトリガ波形として波形メモリ２０に記憶する処理である。

ステップＳＴ６は、波形メモリ２０に記憶されている１フレーム分のトリガ波形を夫々読み出して２次元のラスタ画像４０に変換する処理であり、この処理はラスタ画像変換部３０で行われる。

波形メモリ２０（或いは、波形メモリ２０に記憶されているアドレスから参照されるバッファメモリ１２）には、トリガ長の長さに応じた時間と振幅値のデータ対がトリガ波形として記憶されている。ラスタ画像変換部３０では、これらのデータを表示デバイス９０の表示画面の解像度に応じた２次元のラスタ画像に変換している。各ラスタ画像の横軸は時間であり、縦軸はトリガ波形の振幅値となる。

ラスタ画像に変換する際には、ラスタ画像の中に描画されるトリガ波形の存在する領域とトリガ波形の背景領域（トリガ波形が描画されない領域）とに夫々所定の画素値を割り付ける必要がある。第１の実施形態では、トリガ波形の領域に対してはビット「１」を、それ以外の背景領域には、ビット「０」を夫々画素値として割り付けて、「１」と「０」の２値で表される２値化ラスタ画像に変換している。

図４（ａ）乃至（ｃ）は、３つのトリガ波形（１）、（２）、（３）から２値化ラスタ画像に変換する様子を模式的に例示した図である。図４では、表示デバイスの解像度を横方向（時間軸）に１３ピクセル、縦方向（振幅軸）に９ピクセルとして簡略化して図示している。

各トリガ波形の時間軸方向のデータ数と表示デバイス９０の横方向の解像度は一般には一致しない。同様に、トリガ波形の振幅値の分解能（Ａ／Ｄ変換器の分解能）と表示デバイス９０の縦方向の解像度も一致しない。そこで、ラスタ画像変換部３０では、トリガ波形の時間軸方向のデータ数や振幅値の分解能を表示デバイス９０の解像度に一致させるための拡大・縮小処理も行っている。例えば、トリガ長が短くてトリガ波形の時間軸方向のデータ数が画素数よりも少ない場合は補間処理等によってトリガ波形を時間軸方向に拡大してラスタ画像化を行っている。逆に、トリガ長が長くてトリガ波形の時間軸方向のデータ数が画素数よりも多い場合は間引き処理等によってトリガ波形を時間軸方向に縮小してラスタ画像化を行っている。

ラスタ画像とトリガ波形とは１対１に対応しており、ラスタ画像変換部３０にて変換されるラスタ画像の数は、１フレーム周期内のトリガ波形の数と一致している。変換されたラスタ画像は一時的に適宜のメモリに保存されるが、各ラスタ画像は２値化されているため、この一時的な保存メモリは小さな容量のもので十分である。

次に、ステップＳＴ７では、夫々のラスタ画像の同一画素位置の画素値を加算して、１つのフレーム周期で１つの加算合成画像を生成する。加算合成画像の生成処理は、輝度画像生成部５０で行っている。

図５（ａ）乃至（ｄ）は、各ラスタ画像から加算合成画像が生成される様子を模式的にしました図である。説明を単純化するため、１つのフレーム周期で３つのトリガ波形が検出され、これらから３つのラスタ画像（１）、（２）、（３）（図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に対応）が得られた状況を想定している。

輝度画像生成部５０では、各ラスタ画像の同一画素位置の画素値を加算して、図５（ｄ）に示す加算合成画像を生成している。

各ラスタ画像の画素値は「１」又は「０」の２値であるため、加算合成画像における画素値は、ラスタ画像の数に依存した大きさとなる。図５の例では、ラスタ画像の数は１フレーム周期で３つであると仮定しているため、加算合成画像の画素値は最大で３となる。

輝度画像生成部５０では、次に、加算合成画像の各画素値に乗ずべき輝度係数を求め（ステップＳＴ８）、この輝度係数を加算合成画像の各画素値に乗じて輝度画像を生成する（ステップＳＴ９）。

輝度画像の各画素の輝度は、加算合成画像の各画素値に均一な輝度係数を乗じて決定されるため、輝度画像の輝度は、加算合成画像の各画素値の大きさに依存することになる。

一般に、加算合成画像の画素値の大きさは、１フレーム周期内でのトリガ波形の発生頻度に依存して変化する。１フレーム周期内に周期的なトリガ波形が多く含まれる場合は、同じ画素位置で画素値「１」が多数加算されるため、周期的なトリガ波形に対応する加算合成画像の画素値は大きな値となる。逆に、異常波形等の発生頻度が少ないトリガ波形は加算される回数が少ないため（場合によっては全く加算されずに画素値「１」のままであるため）加算合成画像の画素値は小さな値となる。

従来のアナログオシロスコープでは、頻度の高い周期的な波形は明るく表示され、頻度の低い異常波形等は暗く表示されており、ユーザは表示される波形の輝度から波形の発生頻度をある程度認識することが可能であった。本実施形態に係るデジタル方式による波形表示装置１においても、トリガ波形の頻度は加算合成画像の各画素値の大きさとして表現され、この画素値の大きさが輝度画像の輝度に対応するようになっている。このため、頻度の高い周期的な波形は輝度画像上明るく表示され、頻度の低い波形は輝度画像上暗く表示されることになり、従来のアナログオシロスコープと同様にトリガ波形の発生頻度を輝度画像の輝度情報から視認することが可能となっている。

一方、トリガ長の設定によっても加算合成画像の画素値は変化する。トリガ長を短く設定すると、トリガレベルの設定にもよるが、通常１フレーム内のトリガ波形の数は多くなるため、加算合成画像の画素値は大きな値となる。また、逆にトリガ長を長く設定すると、１フレーム内のトリガ波形の数は少なくなるため、加算合成画像の画素値は小さな値となる。このため、トリガ長の設定を無視して同じ輝度係数を加算合成画像に乗じてしまうと、短いトリガ長に対しては輝度が高くなりすぎて飽和してしまう可能性があり、逆に長いトリガ長に対しては輝度が低くなりすぎて視認が困難となってしまう可能性がある。

そこで、本実施形態に係る波形表示装置１では、設定されるトリガ長に応じて適切な輝度係数を選択し、設定されたトリガ長の大きさにかかわらず、最大輝度が常に適正な範囲に収まるようにしている。例えば、トリガ長と適切な輝度係数とを関連付けたテーブルを予め設けておき、ユーザによって設定されたトリガ長に応じてテーブルから適切な輝度係数を求めるようにしている。

このようにして生成された輝度画像に残光特性を付加して表示画像を生成し、生成した表示画像を表示デバイス９０に出力している。表示画像の生成は、表示画像生成部７０で行っている。

表示画像の生成処理として、まずステップＳＴ１０にて、表示画像メモリ８０に保存されている１つ前のフレーム周期の表示画像を読み出す。そして、読み出した１つ前のフレーム周期の表示画像の各画素に重みＷを乗じる一方、輝度画像生成部５０で生成した現在の最新フレーム周期の輝度画像の各画素に重み（１−Ｗ）を乗じ、両者を加算して最新のフレーム周期の表示画像を生成する（ステップＳＴ１１）。即ち、(式１)の演算を画素ごとに行う。

（最新のフレーム周期の表示画像の輝度値）＝（Ｗ）×（１つ前のフレーム周期の表示画像の輝度値）＋（１−ｗ）×（最新のフレーム周期の輝度画像の輝度値） （式１）

（式１）によって得られた最新のフレーム周期の表示画像を表示デバイス９０に出力して表示する（ステップＳＴ１２）。また、この最新のフレーム周期の表示画像を表示画像メモリ８０に記憶し、表示画像メモリ８０の内容を更新する（ステップＳＴ１３）。更新した最新のフレーム周期の表示画像は、次のフレーム周期で読み出され、（式１）の演算に利用される。図６は、上述した表示画像の生成概念を説明した図である。

ここで、重みＷは、０＜Ｗ＜１、の範囲でユーザによって設定される値である。重みＷは１よりも小さな値であるため、(式１)の演算により、過去のフレーム周期の表示画像との最新のフレーム周期の輝度画像とが異なる場合は、過去のフレーム周期の表示画像の輝度値はフレーム周期ごとに徐徐に小さくなり、残光特性を実現することができる。また、設定するＷの値によって異なる残光特性を得ることができる。例えば、Ｗを１に近い値に設定すると残光時間は長くなり、フレーム周期の何１０倍もの長い残光特性を実現することもできる。逆にＷを０に近い値に設定すると残光時間は短くなり、数フレーム以下の短い残光特性を実現することもできる。ちなみに、重みＷをゼロに設定すれば、残光特性の全く無い表示画像となり、重みＷを１に設定すれば設定時点の表示画像がフリーズされた表示画像となる。

過去のフレーム周期の表示画像との最新のフレーム周期の輝度画像とが同じである場合には、どのような重みＷに設定しても夫々の重みの合計値は常に１であるため、同じ画像が同じ輝度で維持され、輝度飽和が生じることはない。

一方、２つの重みＷ１、Ｗ２をユーザから設定できるようにしてもよい。この場合、最新のフレーム周期の表示画像の各画素の輝度値は、次の(式２)の演算によって求めることになる。

（最新のフレーム周期の表示画像の輝度値）＝（Ｗ１）×（１つ前のフレーム周期の表示画像の輝度値）＋（Ｗ２）×（最新のフレーム周期の輝度画像の輝度値） （式２）

この場合、設定する各重みＷ１とＷ２の値によっては輝度飽和が発生する場合もあり得るが、パラメータが１つから２つになったことにより、より柔軟性が高くきめ細かな残光特性を得ることが可能となる。

このように、第１の実施形態に係る波形表示装置１によれば、１フレーム周期分のみのトリガ波形を記憶する波形メモリ２０とバッファメモリ１２、及び１つ前のフレーム周期の１つの表示画像のみを記憶する表示画像メモリによって、フレーム周期の数倍、或いは何十倍もの残光時間を有する残光特性を実現することができる。このため、従来のように残光時間に相当する量だけ波形をメモリに保存する方式に比べるとメモリ容量の大幅な節約が可能となる。

また、表示画像の元となる輝度画像はフレーム周期内で検出された各トリガ波形を総て加算合成して生成しており、フレーム周期内に１回だけ発生するような異常波形であっても取りこぼすことなく表示画像に反映される。また、表示画像の輝度にはフレーム周期内でのトリガ波形の発生頻度が反映され、発生頻度が高いトリガ波形の輝度は高く、発生頻度が低い高いトリガ波形の輝度は低くなり、より精度の高い波形観測が可能となる。

（２）第２の実施形態
第１の実施形態では、フレーム周期間での残光特性（新しいフレーム周期の画像の輝度を高くし、古いフレーム周期の輝度を低くする特性）は実現されるが、フレーム周期内では各ラスタ画像をそのまま加算合成しているため、フレーム周期内での残光特性はない。

これに対して、第２の実施形態に係る波形表示装置１では、１つのフレーム周期内においても残光特性を実現している。

図７は、フレーム周期内で残光特性を実現するための処理概念を示す図である。図７ではラスタ画像の解像度を（３×５)ピクセルに簡略化して説明している。図７に示したように、第２の実施形態では、ラスタ画像の画素値を「１／０」の２値ではなく多値としている。そして、フレーム周期内で時間的に新しいラスタ画像の画素値を古いラスタ画像の画素値に対して徐々に大きくなるように設定している。例えば、フレーム周期内で最初に得られる古いトリガ波形に対しては「１／０」で２値化したラスタ画像を生成し、その後フレーム周期内で時間が新しくなるにつれて整数を乗じて画素値を大きくしていく処理を行っていく。このようにして得られた多値の各ラスタ画像から加算合成画像を生成する処理、及びそれ以降の処理は第１の実施形態と同様に行われる。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、フレーム周期内での短い期間での残光特性も得ることが可能となり、よりきめ細かな波形観測が可能となる。

（３）第３の実施形態
図８は、第３の実施形態に係る波形表示装置１の構成例を示すブロック図である。第１の実施形態との相違点は、表示画像をカラー化するための色変換テーブル８５を設けている点である。

図９は、色変換テーブル８５の一例を示す図である。輝度値と表現色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）との関連付けは予め設定しておいても良いし、ユーザが自由に設定できるようにしても良い。第１の実施形態は表示画像の輝度値に応じて表示デバイス９０の輝度が変化するグレースケールでの表示形態であるが、第３の実施形態では、輝度値に応じたカラー表示が可能となるため、より視認性の高い波形表示ができる。

（４）第４の実施形態
第４の実施形態に係る波形表示装置１では、表示画像メモリ８０の容量を低減する手法を実現している。

第１の実施形態では、表示デバイス９０に出力する表示画像と表示画像メモリ８０に保存する表示画像とは同じものであり、表示画像の各画素には輝度値が所定の輝度諧調に対応するビット長（例えば８ビット）で格納されている。従って、表示画像メモリ８０のメモリ容量は、次の（式３）で表される容量となる。

（表示画像メモリ８０のメモリ容量（ビット数））
＝（表示画像の画素数）×輝度諧調（ビット数） （式３）

しかしながら、表示画像の内容はあくまで「トリガ波形」であり、「トリガ波形」以外の領域の輝度値はゼロである。特にトリガ波形の周期性が高い場合は、描画される波形は１つの波形上のピクセルに集中するため、これ以外の領域に対応する表示画像メモリ８０の大部分はゼロである。

第４の実施形態では、この特徴に着目し、表示画像を「トリガ波形」が表示される領域とそれ以外の輝度値がゼロの領域に分割することによって表示画像メモリ８０の容量を大幅に削減することを実現している。

具体的には、図１０に示したように、表示画像２００を２値化画素マップ２０１と１次元輝度値配列２０２とに分割し、表示画像メモリ８０には表示画像２００ではなく、２値化画素マップ２０１と１次元輝度値配列２０２とを保存するようにしている。

２値化画素マップ２０１は、表示画像２００の画素のうち、輝度値がゼロの画素にはビット「０」を、また輝度値がゼロ以外の画素にはビット「１」を夫々割り付けて表示画像２００を２値化したものである。

また、１次元輝度値配列２０２は、２値化画素マップ２０１のビット「１」の画素位置における輝度値を、その画素位置と関連付けて１次元に配列したものである。例えば、図１０に示したように、２値化画素マップ２０１の左側の列から順次上から下方向に走査してビット「１」の位置の輝度値を抜き出し、１次元輝度値配列２０２の左側から抜き出した輝度値を配置することのよって、２値化画素マップ２０１のビット「１」の画素位置と１次元輝度値配列２０２とを関連付けることができる。

そして、最新フレームの表示画像を生成するときには、表示画像メモリ８０から２値化画素マップ２０１と１次元輝度値配列２０２とを読み出して、上記の関連付けに基づいて１フレーム前の表示画像を復元する。

この保存方法によれば、表示画像メモリ８０のメモリ容量（ビット数）は、次の（式４）で表される容量まで低減することができる。

（表示画像メモリ８０のメモリ容量（ビット数））
＝（表示画像の画素数）×１ビット＋２値化画素マップ２０１のビット「１」の数×輝度諧調（ビット数） （式４）

例えば、表示画像の画素数を１００メガピクセル、輝度諧調を８ビット、表示画像のうち、１％が波形表示領域であると仮定すると、第１の実施形態では、８００メガビットの容量の表示画像メモリ８０が必要となるのに対して、第４の実施形態では、必要な容量は１０８メガビットとなり、大幅なメモリ節約が可能となる。

（５）第５の実施形態
第５の実施形態に係る波形表示装置１では、第４の実施形態で生成した２値化画素マップ２０１を利用し、この２値化画素マップ２０１と２値化ラスタ画像とでフレーム周期内に発生する異常波形を容易に検出する方法を実現している。

図１１は、第５の実施形態における異常波形検出方法の概念を説明する図である。第５の実施形態では、第４の実施形態と同様に、表示波形メモリ８０には１フレーム周期前の２値化画素マップが保存されている。一方、最新のフレーム周期では、トリガ波形から２値化ラスタ画像が順次変換されている。第５の実施形態では、２値化画素マップと各２値化ラスタ画像との間で対応する画素ごとにビット値の排他的論理和（ＸＯＲ）演算を行い、その合計値を算出している。

トリガ波形が周期的な波形の場合、１フレーム周期前の２値化画素マップと最新フレーム周期内での各２値化ラスタ画像とは概ね一致する。このため、両者の同一画素では「０」と「０」、又は「１」と「１」が対応し、排他的論理和演算の結果は多くの画素で「０」となり、その結果、その合計値もゼロに近い小さな値となる。

これに対して、最新のフレーム周期に異常波形（周期的ではない波形、或いは周期性の低い波形のことをここでは異常波形という）が存在する場合は、その異常波形が含まれる２値化ラスタ画像と１フレーム周期前の２値化画素マップとは異常波形の描画領域で一致せず、一方が「０」で他方が「１」となり、排他的論理和演算の結果もこの領域では「１」となる。この結果、異常波形が含まれる２値化ラスタ画像では、排他的論理和演算結果の合計値は、周期的な波形の場合に比べると大きな値となる。

このように、１フレーム周期前の２値化画素マップと最新フレーム周期内での各２値化ラスタ画像の各画素の排他的論理和の合計値を演算し、所定の閾値を適用することにより、最新フレーム周期内で検出されたトリガ波形が異常波形であるか否かを容易に検出することが可能となる。

異常波形が検出された場合は、その波形が含まれる２値化ラスタ画像の画素値を「１」よりも大きな画素値に変換する。この画素値は、排他的論理和の合計値の大きさに応じて決定してもよい。異常波形が含まれる２値化ラスタ画像の画素値を他の周期的な波形よりも大きくすることにより、結果的に表示画像における異常波形の輝度を強調することが可能となり、周期的な波形の中に含まれるわずかな異常波形を容易に視認することができるようになる。

以上説明してきたように、上述した各実施形態に係る波形表示装置１及び波形表示方法によれば、少ないメモリ容量であっても良好な残光特性を実現することができ、また、発生頻度の少ない波形情報を喪失することなく表示することができる。

なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

本発明の第１の実施形態に係る波形表示装置の構成例を示すブロック図。 入力信号と波形表示装置に取り込まれるトリガ波形の一例を示す図。 第１の実施形態に係る波形表示装置の処理例を示すフローチャート。 第１の実施形態におけるトリガ波形と２値化ラスタ画像の一例を示す図。 ２値化ラスタ画像と加算合成画像、及び輝度画像の一例を示す図。 残光特性を有する表示画像の生成方法の概念を示す図。 第２の実施形態に係る波形表示装置における、フレーム周期内での残光特性実現方法の説明図。 第３の実施形態に係る波形表示装置の構成例を示すブロック図。 第３の実施形態における色変換テーブルの一例を示す図。 第４の実施形態に係る波形表示装置における、画像表示メモリの構成例を示す図。 第５の実施形態に係る波形表示装置における、異常波形検出、表示方法の概念を示す図。

符号の説明

１ 波形表示装置
１０ トリガ波形取込部
２０ 波形メモリ
３０ ラスタ画像変換部
４０ ラスタ画像
５０ 輝度画像生成部
７０ 表示画像生成部
８０ 表示画像メモリ
９０ 表示デバイス

Claims (18)

1. 所定のフレーム周期ごとに表示画像を表示する表示デバイスと、
   前記フレーム周期に対応する１つの表示画像を記憶する表示画像メモリと、
   入力信号をサンプリングし、サンプリングした前記入力信号の波形が所定の条件を満たす毎に前記入力信号を所定のトリガ長で切り取ってトリガ波形として取り込むトリガ波形取込部と、
   最新のフレーム周期内で取り込まれた数だけ前記トリガ波形を記憶する波形メモリと、
   前記波形メモリに記憶された前記各トリガ波形を、時間軸と振幅軸に対応する２次元のラスタ画像に夫々変換し、変換の際には前記各ラスタ画像に描画される波形の領域に対して所定の画素値を割り付けて変換するラスタ画像変換部と、
   前記夫々のラスタ画像の同一画素位置の画素値を加算することによって、前記最新のフレーム周期に対応する１つの画像を合成し、合成された前記画像の各画素値に所定の輝度係数を乗じて前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像を生成する輝度画像生成部と、
   前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像と、前記表示画像メモリから読み出した前記最新のフレーム周期の１つ前のフレーム周期の表示画像とを、夫々重み付けして加算することにより最新のフレーム周期に対応する表示画像を生成し、生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像を前記表示デバイスに出力する一方、生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像を前記画像メモリに記憶させて前記表示画像メモリの記憶内容を更新する表示画像生成部と、
   を備えたことを特徴とする波形表示装置。
2. 前記ラスタ画像変換部は、
   前記トリガ波形を構成するサンプリングデータの数と前記表示デバイスの時間軸方向の画素数とが一致しない場合は、前記サンプリングデータに対して補間処理或いは間引き処理を行って、補間処理或いは間引き処理後のデータ数を前記時間軸方向の画素数に略一致させる処理を行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の波形表示装置。
3. 前記ラスタ画像変換部は、
   前記波形の領域に対して画素値としてビット「１」を割り付ける一方、それ以外の領域に対して画素値としてビット「０」を割り付け、各トリガ波形を夫々２値化されたラスタ画像に変換する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の波形表示装置。
4. 前記ラスタ画像変換部は、
   前記波形の領域に対して多値の画素値を割り付ける一方、それ以外の領域に対して画素値「０」を割り付け、前記最新のフレーム周期内において時間の新しいトリガ波形に対応するラスタ画像の画素値の方が時間の古いトリガ波形に対応するラスタ画像の画素値よりも大きな値となるようにして、各トリガ波形を夫々ラスタ画像に変換する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の波形表示装置。
5. 前記表示画像生成部は、
   前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像と、前記最新のフレーム周期の１つ前のフレーム周期に前記表示デバイスに表示した表示画像とを、ユーザから設定された夫々の重みによって重み付けして加算する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の波形表示装置。
6. 前記表示画像生成部は、
   前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像に対しては（１−Ｗ）の重みで、前記最新のフレーム周期の１つ前のフレーム周期に前記表示デバイスに表示した表示画像に対してはＷの重みで重み付けして加算し、Ｗの値はゼロ以上で１以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の波形表示装置。
7. 前記表示画像生成部は、
   生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像の画素値に応じて色情報を付してカラー表示画像をさらに生成し、生成した前記カラー表示画像を前記表示デバイスに出力することができる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の波形表示装置。
8. 前記表示画像生成部は、
   生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像を前記表示デバイスに出力した後、この表示画像を、
   画素値がゼロ以外の領域にはビット「１」を割り当て、画素値がゼロの領域にはビット「０」を割り当てる２次元の２値化画素マップと、
   前記２値化画素マップのビット「１」の画素位置における各画素値をその画素位置と関連付けた１次元の画素値配列と、
   に変換して前記表示画像メモリに記憶させる一方、前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像と前記１つ前のフレーム周期の表示画像とを重み付け加算するときには、前記表示画像メモリから読み出した前記２値化画素マップと前記画素値配列とから前記１つ前のフレーム周期の表示画像を復元する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の波形表示装置。
9. 前記ラスタ画像変換部は、
   前記波形の領域に対して画素値としてビット「１」を割り付ける一方、それ以外の領域に対して画素値としてビット「０」を割り付け、各トリガ波形を夫々２値化されたラスタ画像に変換し、
   前記輝度画像生成部は、
   前記表示画像メモリに記憶されている前記２値化画素マップを読み出し、読み出した前記２値化画素マップと前記ラスタ画像の対応する画素位置のビット値の排他的論理和を求め、求めた排他的論理和の合計が所定の閾値を超えた場合は、前記ラスタ画像に含まれる波形を異常波形であると判定し、
   異常波形であると判定されたラスタ画像の画素値をそれ以外のラスタ画像の画素値よりも大きく設定し、その後前記夫々のラスタ画像の同一画素位置の画素値を加算することによって、前記最新のフレーム周期に対応する１つの画像を合成する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の波形表示装置。
10. 所定のフレーム周期ごとに表示画像を表示し、
    前記フレーム周期に対応する１つの表示画像を表示画像メモリに記憶し、
    入力信号をサンプリングし、サンプリングした前記入力信号の波形が所定のトリガ条件を満たすたびに前記入力信号を所定のトリガ長で切り取ってトリガ波形として取り込み、
    最新のフレーム周期内で取り込まれた数だけ前記トリガ波形を波形メモリに記憶し、
    前記波形メモリに記憶された前記各トリガ波形を、時間軸と振幅軸に対応する２次元のラスタ画像に夫々変換し、変換の際には前記各ラスタ画像に描画される波形の領域に対して所定の画素値を割り付けて変換し、
    前記夫々のラスタ画像の同一画素位置の画素値を加算することによって、前記最新のフレーム周期に対応する１つの画像を合成し、合成された前記画像の各画素値に所定の輝度係数を乗じて前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像を生成し、
    前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像と、前記表示画像メモリから読み出した前記最新のフレーム周期の１つ前のフレーム周期の表示画像とを、夫々重み付けして加算することにより最新のフレーム周期に対応する表示画像を生成し、
    生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像を表示し、
    生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像を前記画像メモリに記憶させて前記表示画像メモリの記憶内容を更新する、
    ステップを備えたことを特徴とする波形表示方法。
11. 前記ラスタ画像に変換するステップでは、
    前記トリガ波形を構成するサンプリングデータの数と前記表示デバイスの時間軸方向の画素数とが一致しない場合は、前記サンプリングデータに対して補間処理或いは間引き処理を行って、補間処理或いは間引き処理後のデータ数を前記時間軸方向の画素数に略一致させる処理を行う、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の波形表示方法。
12. 前記ラスタ画像に変換するステップでは、
    前記波形の領域に対して画素値としてビット「１」を割り付ける一方、それ以外の領域に対して画素値としてビット「０」を割り付け、各トリガ波形を夫々２値化されたラスタ画像に変換する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の波形表示装置。
13. 前記ラスタ画像に変換するステップでは、
    前記波形の領域に対して多値の画素値を割り付ける一方、それ以外の領域に対して画素値「０」を割り付け、前記最新のフレーム周期内において時間の新しいトリガ波形に対応するラスタ画像の画素値の方が時間の古いトリガ波形に対応するラスタ画像の画素値よりも大きな値となるようにして、各トリガ波形を夫々ラスタ画像に変換する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の波形表示方法。
14. 前記表示画像を生成するステップでは、
    前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像と、前記最新のフレーム周期の１つ前のフレーム周期に前記表示デバイスに表示した表示画像とを、ユーザから設定された夫々の重みによって重み付けして加算する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の波形表示方法。
15. 前記表示画像を生成するステップでは、
    前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像に対しては（１−Ｗ）の重みで、前記最新のフレーム周期の１つ前のフレーム周期に前記表示デバイスに表示した表示画像に対してはＷの重みで重み付けして加算し、Ｗの値はゼロ以上で１以下である、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の波形表示方法。
16. 前記表示画像を生成するステップでは、
    生成した前記最新のフレーム周期に対応する表示画像の画素値に応じて色情報を付してカラー表示画像をさらに生成し、生成した前記カラー表示画像を前記表示デバイスに出力することができる、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の波形表示方法。
17. 前記表示画像メモリの記憶内容を更新するステップでは、
    前記表示画像を、
    画素値がゼロ以外の領域にはビット「１」を割り当て、画素値がゼロの領域にはビット「０」を割り当てる２次元の２値化画素マップと、
    前記２値化画素マップのビット「１」の画素位置における各画素値をその画素位置と関連付けた１次元の画素値配列と、
    に変換して前記表示画像メモリに記憶させて前記表示画像メモリの記憶内容を更新し、
    前記表示画像を生成するステップでは、
    前記最新のフレーム周期に対応する輝度画像と前記１つ前のフレーム周期の表示画像とを重み付け加算するときには、前記表示画像メモリから読み出した前記２値化画素マップと前記画素値配列とから前記１つ前のフレーム周期の表示画像を復元する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の波形表示方法。
18. 前記ラスタ画像に変換するステップでは、
    前記波形の領域に対して画素値としてビット「１」を割り付ける一方、それ以外の領域に対して画素値としてビット「０」を割り付け、各トリガ波形を夫々２値化されたラスタ画像に変換し、
    前記輝度画像を生成するステップでは、
    前記表示画像メモリに記憶されている前記２値化画素マップを読み出し、読み出した前記２値化画素マップと前記ラスタ画像の対応する画素位置のビット値の排他的論理和を求め、求めた排他的論理和の合計が所定の閾値を超えた場合は、前記ラスタ画像に含まれる波形を異常波形であると判定し、
    異常波形であると判定されたラスタ画像の画素値をそれ以外のラスタ画像の画素値よりも大きく設定し、その後前記夫々のラスタ画像の同一画素位置の画素値を加算することによって、前記最新のフレーム周期に対応する１つの画像を合成する、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の波形表示方法。

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