JP2013093849A - 赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】FPGAチップを含み、FPGAチップは、フレームの無効走査期間において、現フレームの画像の初期ヒストグラムの曲線分布を示す初期ヒストグラムのデータに対して個別重み累計処理を行うことにより、明るすぎる画素や暗すぎる画素を除去するとともに、前回の無効走査期間において処理された前のフレームの画像の階調データを伝送する画像処理モジュールと、画像処理モジュールと接続され、フレームの有効走査期間において、画像処理モジュールから受信した前のフレームの画像の階調データに対して多段折れ線式の階調オフセット処理を行うことにより、輝度が明るすぎる階調データや暗すぎる階調データに対して程度の異なる階調のオフセットを施すとともに、多段折れ線式の階調オフセット処理後の前のフレームの画像の階調データを出力する画像出力モジュールとを含む。
【選択図】図1
Description
なお、本出願人は、本願発明と関連する先行技術文献を検索したが、発見することができなかった。
従来技術1において、シーン中に小面積であって平均値を遥かに上回る明るいターゲットが現れると、AD値の累積和が大幅に増加して、現フレームの画像の輝度の低下が比較的激しくなるため、他の大面積のターゲットが完全に暗くなる場合もあり、ターゲットの観察に影響を与えてしまう。
1.コントラストの低い赤外線画像において、当該赤外線画像のヒストグラム分布が集中し、通常、メインピークと対応る階調レベルは画像のバックグラウンドに該当する。特に、ターゲットが小さい場合、このような分布がより著しくなる。重み付け処理は、当該メインピークを平滑化することができ、その後のヒストグラム均等化処理に余裕を持たせることが可能である。
フレームの有効走査処理において、受信した前のフレームの画像の階調データに対して多段折れ線式の階調オフセット処理を行うことにより、輝度が明るすぎる階調データや暗すぎる階調データに対して程度の異なる階調のオフセットを施すとともに、多段折れ線式の階調オフセット処理後の前のフレームの画像の階調データを出力する。
1.フレームの有効走査処理の期間において、システムは、前のフレームの画像の階調データを出力して表示するイベントと、現フレームの画像の階調データを統計するイベントとを同時に実行する。
1)無効走査処理の第1段階において、個別重み累計処理後のヒストグラムの分布曲線に基づいて、重み関数を算出する。
前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)のメインピークの最大値h(X0)、すなわちh(X0)=MAX[h(Xn)]を決定し、
h(Xn)の振幅が前記メインピークから減少して当該メインピーク値の1/√2になる時点の階調値同士の差であるXbw1−Xbw2(Xbw1>Xbw2)を、当該メインピークに対する平滑処理のバンド幅として決定し、
所望の平滑処理効果に基づき、当該ターゲットのヒストグラムの分布曲線の関数h(Xk)を、h(Xk)の前記バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲内にある部分が、前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)の当該バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲外にある部分と類似する曲線波形を有し、かつ、h(Xk)の当該バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲外にある部分が、前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)の当該バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲外にある部分と略等しくなるように取得し、
前記重み関数y(X)及び前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)と前記ターゲットのヒストグラムの分布曲線の関数h(Xk)との間では、以下の関係式が成り立つ。
h(Xk)=h(Xn)*y(X)
但し、図4Aに示すように、Xnは初期画像に含まれる階調値、h(Xn)は同一の階調値を有する画素の数であり、図4Bに示すように、Xは初期画像中の階調値に対応する階調値,yは同一の階調値を有する画素の重み関数値であり、言い換えると、XはXk及びXnに対応する重み関数の定義域を示し、y(X)は当該重み関数の値域を示し、図4Cに示すように、Xkは重み付け処理後の画像に含まれる階調値である。図面から、XkとXnとは基本的に対応付けられており、yは同一の階調値を有する画素の数であることがわかる。
したがって、ヒストグラムに対する重み付け処理は、主に、初期ヒストグラムのメインピークを平滑にして、重り付け処理後のヒストグラムの分布をより均等にする役割を果たす。
a.異なるレベルのAD値に対し個別重み累計処理を行うことで、明るすぎる画素や暗すぎる画素を除去することにより、画像全体の輝度の安定性を保持し、シーンへの適応性を向上させる。
Claims (18)
- 赤外線サーモグラフィに搭載され、赤外線サーモグラフィにより撮影されたマルチフレームの赤外線サーモグラムのデジタル信号に対し処理を行うFPGAチップ、を含む赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システムであって、
前記FPGAチップは、
フレームの無効走査期間において、現フレームの画像の初期ヒストグラムの曲線分布を示す初期ヒストグラムのデータに対して個別重み累計処理を行うことにより、明るすぎる画素や暗すぎる画素を除去するとともに、前回の無効走査期間において処理された前のフレームの画像の階調データを伝送する画像処理モジュールと、
前記画像処理モジュールと接続され、フレームの有効走査期間において、前記画像処理モジュールから受信した前のフレームの画像の階調データに対して多段折れ線式の階調オフセット処理を行うことにより、輝度が明るすぎる階調データや暗すぎる階調データに対して程度の異なる階調のオフセットを施すとともに、多段折れ線式の階調オフセット処理後の前のフレームの画像の階調データを出力する画像出力モジュールと、
を含む、赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システム。 - 前記画像処理モジュールが前記初期ヒストグラムのデータに対して行う個別重み累計処理は、
数が総画素数の2%を占める、最大階調値を有する画素中から最小階調値を探し出して全ての画素の最大階調値とするステップ、すなわち、前記初期ヒストグラムにおいて、階調値の大きい順で最大階調値を有する画素から画素の数を累計し、累計した画素の数が総画素数の2%を占める時点の画素の階調値を最大階調値Xmaxとするステップと、
数が総画素数の2%を占める、最小階調値を有する画素中から最大階調値を探し出して全ての画素の最小階調値とするステップ、すなわち、前記初期ヒストグラムにおいて、階調値の小さい順で最小階調値を有する画素から画素の数を累計し、累計した画素の数が総画素数の2%を占める時点の画素の階調値を最小階調値Xminとするステップと、
階調値がXmaxより大きい全ての画素の階調値を255に圧縮し、階調値がXminより小さい全ての画素の階調値を0に圧縮するステップと、
を含む、請求項1に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システム。 - 前記無効走査期間において、前記画像処理モジュールは、重み関数y(X)を算出することで、個別重み累計処理後のヒストグラムデータに対して重み付け処理を行うことにより、前記初期ヒストグラムのメインピークを平滑して、より均等なターゲットのヒストグラムの分布曲線を取得し、
前記重み関数y(X)の算出には、
前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)のメインピークの最大値h(X0)、即ちh(X0)=MAX[h(Xn)]を決定するステップと、
h(Xn)の振幅が前記メインピークから減少して当該メインピークの1/√2になる時点の階調値同士の差であるXbw1−Xbw2を、当該メインピークに対する平滑処理のバンド幅として決定するステップと、
所望の平滑処理効果に基づき、当該ターゲットのヒストグラムの分布曲線の関数h(Xk)を、h(Xk)の前記バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲内にある部分が、前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)の当該バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲外にある部分と類似する曲線波形を有し、かつ、h(Xk)の当該バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲外にある部分が、前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)の当該バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲外にある部分と略等しくなるように、取得するステップと、
前記重み関数y(X)及び前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)と前記ターゲットのヒストグラムの分布曲線の関数h(Xk)との間で成り立つ関係式
h(Xk)=h(Xn)*y(X)
(但し、Xnは初期画像の1画素の階調値、h(Xn)は当該階調値に対応する画素の数であり、Xkはターゲットのヒストグラムにおける1画素の階調値、h(Xk)は当該階調値に対応する画素の数であり、Xは重み関数y(X)の、Xkに対応する定義域、y(X)は当該重み関数の値域を示す)により、重み関数y(X)を算出するステップと、
を含む、請求項2に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システム。 - 前記画像出力モジュールにより行われる多段折れ線式の階調オフセット処理は、
前記前のフレームの画像の画素の階調値の階調空間を、異なる階調オフセット係数を示す複数の傾きのそれぞれとそれぞれ対応付けられる複数の段に分割するステップと、
各段中の各画素の階調値に、それぞれ当該段と対応付けられた傾きを掛け算して得た値を、多段折れ線式の階調オフセット処理後の当該画素の階調値とするステップと、
を含む、請求項1に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システム。 - 前記FPGAチップは、さらに、信号処理時系列上の異なるタイミングでそれぞれ前記フレームの有効走査期間中の処理とフレームの無効走査期間中の処理を行うように、前記画像処理モジュールと前記画像出力モジュールを制御するための同期/制御モジュールを含む、請求項1〜4の何れかの1項に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システム。
- 前記FPGAチップは、さらに、前記画像処理モジュールと接続され、赤外線サーモグラフィからの前記マルチフレームの赤外線サーモグラムのデジタル信号を受信するとともに、前記現フレームの画像における各階調レベルごとの画素の数を統計するためのDPRAMを含む、請求項5に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システム。
- 無効走査期間において、前記画像処理モジュールは、前記現フレームの画像の初期ヒストグラムのデータに対する上記の処理が完了後、さらに、処理後のヒストグラムデータに対して階調変換処理を行うことにより、均等化されたヒストグラムを取得する、請求項1〜4の何れかの1項に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システム。
- 無効走査期間において、前記画像処理モジュールは、階調変換処理を完了した後、さらに、均等化されたヒストグラムデータに対してメジアンフィルタ処理を行うことにより、前記均等化により発生されたバックグラウンド・ノイズを除去する、請求項7に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システム。
- 前記画像出力モジュールは、多段折れ線式の階調オフセット処理後の前のフレームの画像の階調データを前記赤外線サーモグラフィに設けられたビデオデコーダーモジュールに出力してビデオデータのデコード処理を行い、表示のために、デコード処理後のビデオデータを前記赤外線サーモグラフィに設けられた画像表示モジュールに出力する、請求項1〜4の何れかの1項に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理システム。
- 赤外線サーモグラムのデジタル信号処理方法であって、
フレームの無効走査期間において、現フレームの画像の初期ヒストグラムの曲線分布を示す初期ヒストグラムのデータに対して個別重み累計処理を行うことにより、明るすぎる画素や暗すぎる画素を除去するとともに、前回の無効走査期間において処理された前のフレームの画像の階調データを伝送するステップと、
フレームの有効走査期間において、受信した前のフレームの画像の階調データに対して多段折れ線式の階調オフセット処理を行うことにより、輝度が明るすぎる階調データや暗すぎる階調データに対して程度の異なる階調のオフセットを施すとともに、多段折れ線式の階調オフセット処理後の前のフレームの画像の階調データを出力するステップと、
を含む、赤外線サーモグラムのデジタル信号処理方法。 - 前記初期ヒストグラムのデータに対して行われる個別重み累計処理は、
数が総画素数の2%を占める、最大階調値を有する画素中から最小階調値を探し出して全ての画素の最大階調値とするステップ、すなわち、前記初期ヒストグラムにおいて、階調値の大きい順で最大階調値を有する画素から画素の数を累計し、累計した画素の数が総画素数の2%を占める時点の画素の階調値を最大階調値Xmaxとするステップと、
数が総画素数の2%を占める、最小階調値を有する画素中から最大階調値を探し出して全ての画素の最小階調値とするステップ、すなわち、前記初期ヒストグラムにおいて、階調値の小さい順で最小階調値を有する画素から画素の数を累計し、累計した画素の数が総画素数の2%を占める時点の画素の階調値を最小階調値Xminとするステップと、
階調値がXmaxより大きい全ての画素の階調値を255に圧縮し、階調値がXminより小さい全ての画素の階調値を0に圧縮するステップと、
を含む、請求項10に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理方法。 - 無効走査期間において、個別重み累計処理完了後、重み関数y(X)を算出することで、個別重み累計処理後のヒストグラムデータに対して重み付け処理を行うことにより、前記初期ヒストグラムのメインピークを平滑して、より均等なターゲットのヒストグラムの分布曲線を取得し、
前記重み関数y(X)の算出には、
前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)のメインピークの最大値h(X0)、即ちh(X0)=MAX[h(Xn)]を決定するステップと、
h(Xn)の振幅が前記メインピークから減少して当該メインピークの1/√2になる時点の階調値同士の差であるXbw1−Xbw2を、当該メインピークに対する平滑処理のバンド幅として決定するステップと、
所望の平滑処理効果に基づき、当該ターゲットのヒストグラムの分布曲線の関数h(Xk)を、h(Xk)の前記バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲内にある部分が、前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)の当該バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲外にある部分と類似する曲線波形を有し、かつ、h(Xk)の当該バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲外にある部分が、前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)の当該バンド幅Xbw1−Xbw2の範囲外にある部分と略等しくなるように、取得するステップと、
前記重み関数y(X)及び前記初期ヒストグラムの分布曲線の関数h(Xn)と前記ターゲットのヒストグラムの分布曲線の関数h(Xk)との間で成り立つ関係式
h(Xk)=h(Xn)*y(X)
(但し、Xnは初期画像の1画素の階調値、h(Xn)は当該階調値に対応する画素の数であり、Xkはターゲットのヒストグラムにおける1画素の階調値、h(Xk)は当該階調値に対応する画素の数であり、Xは重み関数y(X)の、Xkに対応する定義域、y(X)は当該重み関数の値域を示す)により、重み関数y(X)を算出するステップと、
を含む、請求項11に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理方法。 - 前記多段折れ線式の階調オフセット処理は、
前記前のフレームの画像の画素の階調値の階調空間を、異なる階調オフセット係数を示す複数の傾きのそれぞれとそれぞれ対応付けられる複数の段に分割するステップと、
各段中の各画素の階調値に、それぞれ当該段と対応付けられた傾きを掛け算して得た値を、多段折れ線式の階調オフセット処理後の当該画素の階調値とするステップと、
を含む、請求項10に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理方法。 - 信号処理時系列上の異なるタイミングでそれぞれ前記フレームの有効走査期間中の処理とフレームの無効走査期間中の処理を行う、請求項10〜13の何れかの1項に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理方法。
- さらに、
無効走査期間において、前記個別重み累計処理を行う前に、赤外線サーモグラフィからのマルチフレームの赤外線サーモグラムのデジタル信号を受信するとともに、前記現フレームの画像における各階調レベルごとの画素の数を統計し、統計された数値に基づき現フレームの画像の初期ヒストグラムの分布曲線を取得するステップを含む、請求項14に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理方法。 - 無効走査期間において、上記の処理が完了後、さらに、処理後のヒストグラムデータに対して階調変換処理を行うことにより、均等化されたヒストグラムを取得する、請求項10〜13の何れかの1項に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理方法。
- 無効走査期間において、重み付け処理後のヒストグラムに対する階調変換処理が完了後、さらに、均等化されたヒストグラムデータに対してメジアンフィルタ処理を行うことにより、前記均等化により発生されたバックグラウンド・ノイズを除去する、請求項16に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理方法。
- さらに、
出力された多段折れ線式の階調オフセット処理後の前のフレームの画像の階調データに対して、表示のためにビデオデータのデコード処理を行うステップを含む、請求項10〜13の何れかの1項に記載の赤外線サーモグラムのデジタル信号処理方法。
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