JP2017182561A - 信号抽出処理装置および信号抽出処理方法 - Google Patents

信号抽出処理装置および信号抽出処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】入力信号の中から検出対象信号を、比較的単純な処理によって高精度且つ高速に、さらに安定した信頼性で抽出することが可能な信号抽出処理装置および信号抽出処理方法を提供する。【解決手段】入力データより所定のノイズ値を減算することにより、ノイズカットデータを生成する。そして、このノイズカットデータを使用して、所定の確率共鳴処理を実行する。この際、所定の確率共鳴処理とは、処理対象となるデータに新たなノイズを付加し2値化処理を施す工程を並列して行った結果を合成する形態において、前記並列の数を無限大にしたときに得られる値を出力する処理である。【選択図】図12

Description

本発明は検出対象信号がノイズに埋もれている入力信号より当該検出対象信号を抽出するための信号抽出処理装置および信号抽出処理方法に関する。
ノイズに埋もれている入力信号より検出対象信号を注出する場合、確率共鳴現象が有用される。確率共鳴現象とは、ノイズに埋もれている入力信号に対し、更にノイズを付加しその後非線形処理を行うことにより、検出対象信号を強調させる現象である。但し、このような確率共鳴現象において、検出結果の性能を表す評価値として用いる相関係数は、図1に示すように、付加するノイズの強度に応じて変化する。図1の場合、付加ノイズ強度30で相関係数は最大になっている。すなわち、最大の検出精度を実現するのに最適なノイズ強度が存在するため、ノイズ強度のチューニングを行うことが望まれる。
非特許文献1には、図2に示すように、入力信号I(x)を複数に分岐し、それぞれで異なるノイズを付加して非線形処理を施し、更にこれらの出力を合成することで、検出対象信号を安定した精度で検出する構成が開示されている。非特許文献1によれば、分岐の数を増やすほど、図1のようなピークが現れなくなってノイズ強度への堅牢性が増大し、結果としてノイズ強度のチューニングを行う必要がなくなることが説明されている。
また、特許文献1には、受信信号系列に含まれる所望信号系列および干渉信号系列のいずれかに基づいて生成された複数の合成信号系列と、該受信信号系列を合成し、確率共鳴現象を利用し、所望信号系列を強調する処理が記載されている。
特開2012−175371号公報
J.J.Collins, Carson C.Chow and Thomas T.Imhoff, "Stochastic resonance without tuning", NATURE, (UK), 20 July 1995, vol.376, p.236-238
ところで近年では、以上のような確率共鳴現象を用いた検出対象信号の抽出を、製品検査などに利用することがある。例えば、製造された製品を撮像し、得られた画像データに所定のノイズを付加して非線形処理を施すことにより、製品に存在する傷のような特異部を抽出することができる。そして、このような抽出工程と、抽出された特異部をポップアップする工程と、ポップアップされた画像を検査者が確認し最終判断する工程を設ければ、検査者による目視判断のみの場合に比べて、検査時間を大幅に低減し検査精度を向上させることができる。
さらに、このような特異部抽出機構は、生産現場における検査工程のみならず、製品そのものに搭載することもできる。具体例としては、パーソナルプリンタが備えるプリントヘッドが印刷した画像を撮像し、得られた画像データに上記確率共鳴処理を施すことにより、プリントヘッドに不吐出が発生した場合にこれを自動で抽出する構成が挙げられる。工場出荷時の製品検査であれ、製品着荷後の画像検査であれ、検査工程における特異部抽出処理は、比較的簡素な構成および単純な処理によって高精度且つ高速に行われることが求められる。
しかしながら、上記検査工程に非特許文献1や特許文献1を採用した場合、その効果すなわちノイズ強度への堅牢性を十分に高めようとすると、多数の合成回路や非線形回路が必要となり、処理の複雑化や処理時間の増大、また装置の高価格化などが懸念される。
本発明は上記問題点を解決するために成されたものである。よってその目的とするところは、入力信号の中から検出対象信号を、比較的単純な処理によって高精度且つ高速に、さらに安定した信頼性で抽出することが可能な信号抽出処理装置および信号抽出処理方法を提供することである。
そのために本発明は、入力データの中から特異的な信号を抽出するための信号抽出処理装置であって、前記入力データを取得する取得手段と、前記入力データより所定のノイズ値を減算することにより、ノイズカットデータを生成する手段と、前記ノイズカットデータに対し所定の確率共鳴処理を実行することにより、確率共鳴データを生成する確率共鳴処理手段と、前記確率共鳴データの中から、前記特異的な信号を抽出する抽出手段と、を有し、前記所定の確率共鳴処理は、前記ノイズカットデータに新たなノイズを付加し2値化処理を施す工程を並列して行った結果を合成する形態において、前記並列の数を無限大にしたときに得られる値を出力する処理であることを特徴とする。
本発明によれば、入力信号の中から検出対象信号を比較的単純な処理によって高精度且つ高速に、安定した信頼性で抽出することが可能となる。
確率共鳴処理における付加ノイズ強度と相関係数の関係を示す図である。 非特許文献1に記載の確率共鳴処理を示す図である。 (a)〜(d)は本発明に使用可能な画像処理装置の形態例を示す図である。 第1の実施形態における制御の構成を説明するためのブロック図である。 インクジェット記録装置の概略構成図である。 記録ヘッドの記録素子と読み取りヘッドの読み取り素子の配列構成図である。 シートに記録される画像と検査用パターンのレイアウトを示す図である。 読み取りセンサの1つが対象物を読み取る際の状態を示す図である。 特異部検出アルゴリズムの基本工程を説明するためのフローチャートである。 (a)および(b)は、乱数を発生させた場合のヒストグラムを示す。 (a)および(b)は、式7および式8をグラフで示した図である。 第1の実施形態における特異部抽出処理工程を示すフローチャートである。 (a)〜(f)は、検査信号S(x)と処理後の結果を示す図である。 ノイズが含まれない状態の検出対象データを示す図である。 処理対象信号S(x)に対し様々な処理後の相関係数値を示す図である。 ノイズ強度Kと相関係数Cの関係を示す図である。 第2の実施形態における特異部抽出処理工程を示すフローチャートである。 (a)および(b)は、第2の実施形態の判定処理の様子を示す図である。 処理対象信号S(x)に対し様々な処理後の相関係数値を示す図である。 第2の実施形態におけるノイズ強度Kと相関係数Cの関係を示す図である。
図3(a)〜(d)は、本発明の信号抽出処理装置として使用可能な画像処理装置1の形態例を示す図である。本発明の画像処理装置は、記録された画像内の白スジなどをユーザが認識しやすくするためのポップアップ処理や装置自体が判別するための処理を、撮像された画像データに対し施すものであり、システムとしては様々な形態を取ることができる。
図3(a)は、画像処理装置1が読み取り部2を備えている形態を示す。例えば、インクジェット記録装置によって所定の画像が記録されたシートが、画像処理装置1内の読み取り部2の読取台に設置されて光学センサなどによって撮像され、その画像データを画像処理部3が処理する場合がこれに相当する。画像処理部3は、CPUやこれよりも高速な処理が可能な画像処理アクセラレータを備え、読み取り部2による読み取り動作を制御したり、受け取った画像データに対し所定の検査処理を実行したりする。
図3(b)は、読み取り部2を備えた読み取り装置2Aに画像処理装置1が外部接続された形態を示している。例えば、スキャナにPCが接続されているようなシステムがこれに相当する。接続形式としては、USBやGigE、CameraLinkといった汎用的な接続方式で良い。読み取り部2が読み取った画像データはインターフェース4を介して画像処理部3に提供され、画像処理部3は取得した画像データに対し所定の検査処理を実行する。なお、この形態の場合、画像処理装置1は、記録部5を備えた記録装置5Aに更に外部接続されていても良い。
図3(c)は、画像処理装置1が読み取り部2および記録部5を備えている形態を示している。例えばスキャナ機能、プリンタ機能、および画像処理機能を兼ね備えた複合機がこれに相当する。画像処理部3は、記録部5における記録動作、読み取り部2における読み取り動作、および読み取り部2が読み取った画像に対する検査処理などの全てを制御する。
図3(d)は、読み取り部2と記録部5とを備えた複合機6に画像処理装置1が外部接続された形態を示している。例えば、スキャナ機能とプリンタ機能とを兼ね備えた複合機にPCが接続されているようなシステムがこれに相当する。本発明の画像処理装置1は図3(a)〜(d)のいずれの形態も採ることができるが、以下では図3(d)の形態を採用した場合の画像検査装置を例に本発明の実施形態を説明する。
(第1の実施形態)
図4は、図3(d)の形態における制御の構成を説明するためのブロック図である。信号抽出処理装置としての画像処理装置1はホストPCなどからなり、CPU301は、HDD303に保持されるプログラムに従ってRAM302をワークエリアとしながら各種処理を実行する。例えばCPU301は、キーボード・マウスI/F 305を介してユーザより受信したコマンドやHDD303に保持されるプログラムに従って複合機6が記録可能な画像データを生成し、これを複合機6に転送する。また、データ転送I/F 304を介して複合機6から受信した画像データに対し、HDDに記憶されているプログラムに従って所定の処理を行い、その結果や様々な情報をディスプレイI/F 306を介して不図示のディスプレイに表示する。後述するような本実施形態の確率共鳴処理の対象となる画像データI(x)は、データ転送I/F 304を介して複合機6から受信する。
一方、複合機6において、CPU311は、ROM313に保持されるプログラムに従ってRAM312をワークエリアとしながら各種処理を実行する。更に、複合機6は、高速な画像処理を行うための画像処理アクセラレータ309、読み取り部2を制御するためのスキャナコントローラ307、記録部5を制御するためのヘッドコントローラ314を備えている。
画像処理アクセラレータ309は、CPU311よりも高速に画像処理を実行可能なハードウェアである。画像処理アクセラレータ309は、CPU311が画像処理に必要なパラメータとデータをRAM312の所定のアドレスに書き込むことにより起動され、上記パラメータとデータを読み込んだ後、上記データに対し所定の画像処理を実行する。但し、画像処理アクセラレータ309は必須な要素ではなく、同等の処理はCPU311で実行することができる。
ヘッドコントローラ314は、記録部5に備えられた記録ヘッド100に記録データを供給するとともに、記録ヘッド100の記録動作を制御する。ヘッドコントローラ314は、CPU311が、記録ヘッド100が記録可能な記録データと制御パラメータをRAM312の所定のアドレスに書き込むことにより起動され、当該記録データに従って吐出動作を実行する。
スキャナコントローラ307は、読み取り部2に配列する個々の読み取り素子を制御しつつ、これらから得られるRGBの輝度データをCPU311に出力する。CPU311は、得られたRGBの輝度データをデータ転送I/F310を介して画像処理装置1に転送する。画像処理装置1のデータ転送I/F 304および複合機6のデータ転送I/F 310における接続方式としては、USB、IEEE1394、LAN等を用いることができる。
図5は、本実施形態の複合機6として使用可能なインクジェット記録装置(以下、単に記録装置とも言う)の概略構成図である。本実施形態の記録装置はフルラインタイプの記録装置であり、記録媒体や検査対象物となりうるシートPの幅と同等の幅を有する記録ヘッド100と読み取りヘッド107がY方向に並列配置されている。記録ヘッド100は、ブラック(K)、シアン(c)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)のインクをそれぞれ吐出する4列の記録素子列101〜104を備え、これら記録素子列101〜104はシートPの搬送方向(Y方向)に並列配置されている。記録素子列101〜104の更に下流には、読み取りヘッド107が配備されている。読み取りヘッド107には、記録された画像を読み取るための読み取り素子がX方向に複数配列されている。
記録処理や読み取り処理を行う際、シートPは搬送ローラ105の回転に伴って図のY方向に所定の速度で搬送され、この搬送の最中、記録ヘッド100による記録処理や読み取りヘッド107による読み取り処理が行われる。記録ヘッド100による記録処理や読み取りヘッド107による読み取り処理が行われる位置のシートPは、平板からなるプラテン106によって下方から支えされ、記録ヘッド100や読み取りヘッド107からの距離と平滑性が維持されている。
図6(a)および(b)は、記録ヘッド100における記録素子の配列構成と読み取りヘッド107における読み取り素子の配列構成とを示す図である。記録ヘッド100において、各インク色に対応する記録素子列101〜104の夫々は、複数の記録素子108が一定のピッチで配列される記録素子基板201の複数が、オーバーラップ領域Dを設けながらX方向に連続するようにY方向に交互に配置されている。一定の速度でY方向に搬送されるシートPに対し、個々の記録素子108が記録データに従って一定の周波数でインクを吐出することにより、シートPには記録素子108の配列ピッチに相応する解像度の画像が記録される。一方、読み取りヘッド107には、複数の読み取りセンサ109がX方向に所定のピッチで配列されている。
図7は、シートPに記録される画像700と検査用パターン701〜704のレイアウトを示す図である。検査用パターン701〜704は、記録素子列101〜104の夫々によって対応するインクで記録される。記録素子列101〜104のいずれかに不吐出の記録素子が含まれていると、対応するパターンの対応する位置に、Y方向に延びる白スジが現れる。検査用パターン701〜704は、ページごと(すなわちシートごと)に、シートPの先端部余白部に画像700よりも先行して記録され、読み取りヘッド107によって読み取られる。読み取りヘッド107は、一定の速度でY方向に搬送される検査用パターン701〜704を、個々の読み取りセンサ109の読み取り素子によって所定の周波数で撮像する。
図8は、読み取りセンサ109の1つが対象物を読み取る際の状態を示す図である。不図示の光源から照射された光は、検査対象物300の表面で反射され、レンズ602で集光された後、読み取りセンサ109に配列する複数の読み取り素子の夫々で検出される。本実施形態において、個々の読み取り素子には、R(レッド)、G(グリーン)およびB(ブルー)夫々の輝度信号を出力する3つの読み取り素子が、読み取り画素の最小単位となる領域に配列して構成されている。読み取りヘッド107が読み取った画像データは、読み取り素子の配列ピッチに相当する解像度を有するRGBの輝度データであり、CPU311に送信される。
以上のような構成であれば、検査用パターン701〜704を読み取りヘッド107が読み取った結果に基づいて不吐出が存在すると判断された場合、記録ヘッド100が画像700の記録を実行する前に、記録ヘッド100に対する回復処理を行うことが出来る。但し、本実施形態はこのような形態に限定されるものではない。検査用パターン701〜704は、1ページごとではなく所定ページ数ごとに記録しても良いし、所定時間ごとに記録しても良い。また、ユーザのコマンドに応じて適宜記録するようにしてもよい。また、検出用パターンは実画像と同じページに記録する必要は無く、検出用パターンのみを1ページに記録しても良い。さらに、検出用パターンを記録したシートを排出した後、当該シートを読み取り処理のために改めて給紙するようにしても良い。
以下、本実施形態における特異部検出アルゴリズムについて具体的に説明する。本実施形態の特異部検出アルゴリズムは、図7で示した検査用パターン701〜704を読み取りヘッド107で撮像し、得られた画像データに対して記録ヘッド100の不吐出に伴う特異部を、確率共鳴処理を用いて高精度に検出するためのアルゴリズムである。本実施形態で採用するのは、複合機6としてのインクジェット記録装置でなくても構わない。以下では、一例として、複合機6の記録ヘッド100が記録した画像を同じ複合機の読み取りヘッド107で読み取り、得られた画像データを当該複合機6に接続された画像処理装置1が画像処理し、特異部を検出する構成を前提に説明する。
図9は、本実施形態の画像処理装置1が実行する特異部検出アルゴリズムの基本工程を説明するためのフローチャートである。本処理が開始されると、画像処理装置1は、ステップS1において記録部5に検査用パターン701〜704を記録させる。具体的には、複合機6のCPU311にアクセスし、シートPを装置内に給紙させる。そして、ヘッドコントローラ314を介し、シートPの先端に図7で説明したような検査用パターン701〜704を記録ヘッド100に記録させる。
続くステップS2では、ステップS1で記録した検査用パターン701〜704を、読み取り部2に読み取らせる。すなわち、スキャナコントローラ307を駆動し、読み取りセンサ109に配列する複数の読み取り素子の出力信号を得、多値のRGBデータとしてRAM312に格納する。
ステップS3において画像処理装置1は特異部抽出処理を実行し、ステップS4では得られた特異部の情報をRAM312などに格納する。ステップS3で実行する特異部抽出処理については後に詳しく説明する。以上で本処理を終了する。不吐出に相当する特異部が抽出された場合、その後、画像処理装置1はこの情報を様々に利用することができる。例えば、本処理の直後に不吐出を回復するためのメンテナンス処理を行っても良いし、次に入力される画像データに対し、不吐出に伴う白スジを目立たなくするような画像処理を施すようにしても良い。
ステップS3の特異部抽出処理の具体的な工程を説明する前に、ここではまず、本実施形態で採用する確率共鳴処理について説明する。
非特許文献1にも開示されている確率共鳴現象を利用した処理の概念図として、再度図2を参照する。入力信号I(x)は、読み取りセンサ109によって読み取られた個々の画素に対応する信号値であり、xは画素位置を示す。入力信号I(x)はM個に分岐され、それぞれにおいて異なるノイズN(x,m)×Kが付加される。ここで、mはM個の分岐路のうちの1つを指し示すパラメータであり、1〜Mのいずれかの整数である。また、N(x,m)は画素位置xの分岐路mに対応する乱数であり、0〜1の値を有する。乱数N(x,m)に整数であるノイズ強度Kを積算した値N(x,m)×Kが、入力信号I(x)に付加される。すなわち、ノイズ付加後の信号値をi(x,m)とすると、
i(x,m)=I(x)+N(x,m)×K (式1)
と表すことができる。
ノイズ付加後の信号値i(x,m)を所定の閾値Tと比較することによって非線形処理(2値化処理)を行い、2値信号j(x,m)を得る。具体的には、
i(x,m)≧T のとき j(x,m)=1
i(x,m)<T のとき j(x,m)=0 (式2)
とする。
その後M個のj(x,m)を合成し平均処理を行ったものを、確率共鳴後の信号値Jとする。すなわち、
Figure 2017182561
となる。
非特許文献1によれば、Mの値を大きくするほどノイズ強度Kに対する堅牢性が高まることが説明されている。そして、Mの値を大きくするほど、信号値J(x)は、各画素の入力信号値I(x)が非線形処理において2値化閾値Tを超える確率を示す値に近づく。言い換えると、入力信号値I(x)が2値化閾値Tを超える確率を求める式を導き出すことができれば、図2に示したような多数のノイズ付加処理や非線形処理を行わなくとも、これと同等な検出処理を行うことが可能となる。このため、以下に入力信号値I(x)が2値化閾値Tを超える確率について説明する。
図10(a)および(b)は、乱数Nを∞個発生させた場合に収束するヒストグラムを示す。横軸が乱数Nであり0〜1の範囲を有する。縦軸は、それぞれの値Nが発生する確率f(N)を示す。図10(a)は平均値を0.5、3σ=1とした正規分布とした場合、同図(b)は乱数Nが0〜1の範囲で同頻度で発生する所謂ホワイトノイズとした場合、をそれぞれ示している。以下では、このような分布に基づいて乱数Nが生成されることを前提に説明する。
式1および式2より、個々の画素の2値化後の結果がj(x,m)=1となる確率は、
I(x)+N(x,m)×K≧Tとなる確率に等しい。
ここで、K(強度)を正の値とすれば、上式は、
N(x,m)≧{T−I(x)}/K (式4)
と表すことができる。右辺をAとすると、
N(x,m)≧A (式5)
となる。個々の画素の2値化後の結果j(x,m)がj(x,m)=1となる確率すなわち確率共鳴処理後の信号値J(x)は、式5が満たされる確率である。図10(a)および(b)のそれぞれにおいては、斜線部の面積が当該確率に相当する。式で表すと以下のようになる。
Figure 2017182561
ここで乱数N発生のヒストグラムが図10(a)のような正規分布の場合、式6は以下のようになる。
Figure 2017182561
更に、±3σ=1の正規分布の場合、係数αはおよそα=10.8となる。定数Aを元の式{T−I(x,m)}/K に戻せば、式7のようになる。
Figure 2017182561
一方、乱数N発生のヒストグラムが図10(b)のような場合、式6は、下式のように表すことが出来る。
Figure 2017182561
ここで、定数Aを元の式{T−I(x)}/K に戻せば、式8のようになる。
Figure 2017182561
図11(a)および(b)は、式7および式8をグラフで示した図である。いずれにしても、適切なノイズ強度Kと閾値Tのもとで式7または式8を用いれば、非特許文献1の方法を採用して入力信号値I(x)に対する分岐数Mを無限大にしたときと、同じ精度で特異点を抽出することができる。その一方で、非特許文献1のように多数の回路を用意することがないので、比較的簡略で且つ高速な処理を行うことが出来る。以上が本実施形態で採用する確率共鳴処理である。
図12は、本実施形態の画像処理装置1が、ステップS3の特異部抽出処理で実行する具体的な工程を説明するためのフローチャートである。本処理が開始されると、画像処理装置1は、まずステップS21にて、図9のステップS2でRAM312に格納された多値のRGBデータに基づいて、検査データS(x)を生成する。
例えば、シアンインクを吐出する記録素子列102について不吐検出を行う場合、シアンの補色であるR(レッド)データを読み出し、X方向に配列する複数の記録素子のそれぞれに対応づけてR信号値を配列する。そして、Y方向についての加算処理を行い、S(x)として保存する。ここで、変数xはX方向における記録素子の配列位置を示し、本実施形態では1〜128の値を取りうるものとする。マゼンタインク、イエローインクの場合は、それぞれの補色であるG(グリーン)信号値、B(ブルー)信号値をそれぞれ利用し、上記と同じ処理を行えば良い。また、ブラックインクの場合は、RGBのいずれかの信号値もしくは所定の比率でこれらを加重平均した値を利用すればよい。
図13(a)〜(f)は、ステップS21で生成された検査データS(x)と、これに様々な処理を施した結果を示す図である。図13(a)は、ステップS21で生成された検査データS(x)を示し、横軸は記録素子の配列位置xである。ここでは、例として、128個の記録素子のうち、x=9、32、46、96に相当する4つの記録素子が不吐出である記録ヘッドを用いて検出パターンを記録し、読み取りヘッド107で読み取った結果を示している。ステップS21にて検査データを生成する際、Y方向への加算処理を行っているので、Y方向に延びる白スジが発生する位置(x)は他の位置に比べて検査データS(x)が高く強調される。図13(a)に示すように、ある程度のノイズを含みながらも、不吐出の記録素子に相当するx=9、32、46、96の位置には、輝度値のピークが発生していることがわかる。本実施形態の特異部抽出処理では、このようなピークを特異的な信号として高精度且つ高速に抽出することを目的としている。
図12に戻る。ステップS22では、ステップS21で生成された検査データS(x)に対し、ノイズカット処理を行う。具体的には、検査データS(x)から所定のノイズ値Zを一律に減算し、ノイズカットデータI(x)=S(x)−Zを得る。ノイズ値Zは、読み取りヘッド107が読み取った信号値に含まれる凡そのノイズ強度であり、記録装置、インク種、シート種などに応じて、予め適切な値に定められた固定値である。例えば、不吐出が存在しないことが確認されている記録ヘッド100を用いて記録した画像を読み取りヘッド107で読み取り、得られた画像データのノイズ振幅に基づいて事前に設定することができる。図13(a)では、検査信号S(x)とともにノイズ値Z=14を破線で示しており、同図(b)では、ステップS22で得られるノイズカットデータI(x)を示している。このノイズカットデータI(x)が、本実施形態における確率共鳴処理の入力信号I(x)となる。
図12に戻る。ステップS23では、ステップS22で得られたノイズカットデータI(x)に対し、上述した確率共鳴処理を施す。すなわち、式7または式8を用いて、確率共鳴データJ(x)を得る。図13(c)は、ステップS23で得られる確率共鳴データJ(x)を示している。なお、ここでは、上記確率共鳴処理を施す際のノイズ強度をK=120、閾値をT=140とした場合を示している。
更に、ステップS24では、ステップS23で得られた確率共鳴データJ(x)を用いて、判定処理を実行する。具体的には、確率共鳴データJ(x)を0〜1のレンジで正規化してJ´(x)とし、その後正規化データJ´(x)を予め用意した判定閾値Dと比較して、判定閾値Dを超えているJ´(x)を抽出する。図13(d)では、判定閾値DをD=0.3とし、J´(x)と同じグラフ内に示している。このような判定の結果、図13(d)の円で示すように、J´(9)、J´(32)、J´(46)およびJ´(96)が判定閾値Dを超えていることが判定され、x=9、32、46、96が特異部として抽出される。以上で本処理を終了する。その後、図9におけるステップS4では、x=9、32、46、96を、記録素子列に対応づけてRAM302(312)などに格納する。
以下、本実施形態の特異部抽出処理の効果について説明する。図14は、全くノイズが含まれない状態で、x=9、32、46、96の記録素子が不吐出であることを示すデータである。以下、これを検出対象データt(x)と呼ぶ。本発明では、この検出対象データt(x)に対し、検査データS(x)を基にどれだけ類似した結果を導き出せるかが、特異部抽出処理の目的となる。
ここで、検出対象データt(x)に対する相関(類似)の程度を示す相関係数Cを定義する。相関係数Cは、図14で示す検出対象データt(x)と、図13(d)で示す確率共鳴処理後の正規化データJ´(x)との相関の度合いを示す検出性能の評価値であり、以下の式9で表すことができる。
Figure 2017182561
Figure 2017182561
一方、図13(e)は、図13(a)に示す検査データS(x)をそのまま正規化した結果S´(x)を示す図である。x=9、32、46、96以外の位置でも、判定閾値Dを超えている箇所が存在していることがわかる。すなわち、検査データS(x)をそのまま正規化した結果S´(x)で判定処理を行うと、不吐出では無い箇所も不吐出として抽出されてしまう可能性が高くなる。このようなS´(x)の検出対象データt(x)に対する相関係数Cは、上記式9のJ´(x)をS´(x)に入れかえることによって算出することが出来る。上記の場合、C=0.6756となった。すなわち、検査データS(x)に対し本実施形態の特異部抽出処理を行ったほうが行わない場合よりも、相関係数Cを1に近づけることができる。
次に、本発明の特徴である、ステップS22で行ったノイズカット処理の効果について説明する。以上では特異部抽出処理を実行する際に用いるノイズ強度KをK=120として説明したが、相関係数Cの値はこのようなノイズ強度Kによっても変化する。
図13(f)は、同図(a)に示す検査データS(x)に対し、ノイズ強度をK=160とした状態で上記特異部抽出処理を行った結果を示している。図13(d)に示すノイズ強度をK=120とした場合と同様、J´(9)、J´(32)、J´(46)およびJ´(96)の位置にJ´(x)のピークは現れている。しかし、全体的なノイズの影響で、上記以外の領域でもJ´(x)が判定閾値D=0.3を超えている箇所が所々存在している。図ではそのような位置を破線円で示している。このため、図12のステップS24では、実際の白スジ以外の位置も特異部として抽出され、図9のステップS4では、そのような記録素子の位置(x)もRAM302(312)などに格納される。図13(f)に示す正規化データJ´(x)の検出対象データt(x)に対する相関係数Cを式9に従って求めると、その値はC=0.7375となった。すなわち、検査データS(x)が図13(a)のような場合、ノイズ強度としてはK=160よりもK=120の方が好ましいと言える。
図15は、処理対象信号S(x)に対し本実施形態の特異部抽出処理を行わなかった場合、ノイズ強度K=120の下で特異部抽出処理を行った場合、ノイズ強度K=160の下で特異部抽出処理を行った場合の相関係数Cを示す図である。処理対象信号S(x)が図13(a)のような場合には、当該処理対象信号S(x)に対しノイズ強度K=120の下で特異部抽出処理を行う構成が、相関係数Cが最も1に近づき、最も適切であるといえる。
以上のようなノイズ強度Kは、抽出したい検出信号の想定強度、すなわち読み取りセンサが不吐出部の白スジを読み取ったときに得られる想定強度、に応じて適切に設定されることが理想である。しかしながら、本実施形態で用いるようなインクジェット記録装置の場合、記録ヘッド100に一定の吐出信号を与えても、個々の記録素子の吐出量は環境温度や環境湿度、また記録ヘッドの使用状況などによって変化する。そのため、シートP上に形成される白スジの太さや読み取り結果、ひいてはノイズに対する埋もれ具合も、環境や使用状況に応じて変化する。すなわち、最適なノイズ強度Kは使用環境や状況に応じて変化し、逆に言えば、どのようなノイズ強度Kを予め用意しても、当該ノイズ強度はその時々の環境や状況に必ずしも最適な値にはならない。
但し、再度図15を参照するに、ノイズ強度K=160であっても、その相関係数C=0.7375は特異部抽出処理を行わなかった場合の相関係数C=0.6756よりは高く、特異部抽出処理を行う効果は現れている。本発明の特徴でもあるステップS22で行うノイズカット処理は、このような効果に寄与している。すなわち、予め設定されているノイズ強度Kが、時々の環境や状況に応じて変化する最適なノイズ強度から多少ずれてしまっても、ステップS22のようなノイズカット処理を行えば、相関係数Cをある程度高い値に維持することができるのである。以下、詳しく説明する。
図16(a)および(b)は、確率共鳴閾値をT=140に固定しておきながら、ノイズ強度Kを0〜600の範囲で変化させた場合の相関係数C(K)を示す図である。横軸はノイズ強度K、縦軸は相関係数Cを示している。図16(a)はステップS22のノイズカット処理を省略した場合、同図(b)はステップS22のノイズカット処理を実行した場合をそれぞれ示している。両図において、破線は特異部抽出処理を行わなかった場合の相関係数C=0.6756を示している。
いずれの図においても、ノイズ強度Kを0から徐々に大きくしていった場合、相関係数Cは急激に上昇し、極大値に達した後減少し、一定値C0に収束している。図16(a)では、このような一定値C0が特異部抽出処理を行わなかった場合の相関係数Cと等しい(C0=0.6756)。すなわち、ノイズカット処理を実行しない場合、ノイズ強度Kを大きくしすぎると、特異部抽出処理を行わなかった場合と同程度の結果しか得られないことになる。
一方、図16(b)の一定値C0は、特異部抽出処理を行わなかった場合の相関係数Cよりも大きい値(C0>0.6756)になっている。すなわち、ノイズカット処理を実行すれば、ノイズ強度Kが適正値より大きくなってしまっても、特異部抽出処理の効果を得ることができる。図では、相関係数CがC>0.6756を満たす範囲のノイズ強度Kの最小値をA、最大値をBとして示している。この場合、AからBの領域が特異部抽出処理の効果が得られる範囲となる。ノイズカット処理を省略した場合の当該領域の大きさDはD=B−A=84である。これに対し、ノイズカット処理を実行した場合の当該領域の大きさDはD=B−A=530となる。つまり、ノイズカット処理を実行することにより、特異部抽出処理の効果を得ることの出来るノイズ強度Kの範囲を広げることができ、ノイズ強度Kの変動に対し堅牢性を高めることができる。
以上説明したように本実施形態によれば、特許文献1や非特許文献1に様に多数の非線形回路を搭載すること無く、比較的単純な処理によって、入力信号の中から検出対象信号を高精度且つ高速に信頼性の高い状態で抽出することができる。
(第2の実施形態)
本実施形態においても、図4〜図6で示した複合機6を用い、図7で示した検査用パターン701〜704に発生する白スジを、図9に示したフローチャートに従って抽出する。但し本実施形態では、ノイズカット処理を施した結果と、ノイズカット処理を施さずに確立共鳴処理を行った結果の積を求め、当該積に基づいて判定処理を行う。
図17は、本実施形態の画像処理装置1が、ステップS3の特異部抽出処理で実行する具体的な工程を説明するためのフローチャートである。本処理が開始されると、画像処理装置1は、まずステップS31にて、図9のステップS2でRAM312に格納された多値のRGBデータに基づいて、検査データS(x)を生成する。本工程は、図12のステップS21と同様である。
ステップS32では、ステップS31で生成された検査データS(x)に対し、確率共鳴処理を施す。すなわち、式7または式8のI(x)をステップS21で生成された検査データS(x)に置き換え、確率共鳴データJ(x)を得る。
ステップS33では、ステップS31で生成された検査データS(x)に対しノイズカット処理を行い、ノイズカットデータI(x)=S(x)−Zを得る。
ステップS34では、ステップS32で得られた確率共鳴データJ(x)と、ステップS33で得られたノイズカットデータI(x)を積算し、判定対象データH(x)を得る(H(x)=J(x)×I(x))。
更にステップS35では、ステップS33で得られた判定対象データH(x)を用いて判定処理を実行する。具体的には、判定対象データH(x)を0〜1のレンジで正規化してH´(x)とし、その後H´(x)を予め用意した判定閾値Dと比較して、判定閾値Dを超えているH´(x)を抽出する。
図18(a)および(b)は、判定対象データH(x)に対する判定処理の様子を示す図である。図18(a)はノイズ強度KをK=120にした場合、同図(b)はノイズ強度KをK=160にした場合をそれぞれ示している。これら図は、第1の実施形態で説明した図13(d)と(f)に対応する。どちらの図も、第1の実施形態と同様、H´(9)、H´(32)、H´(46)およびH´(96)の位置にJ´(x)のピークが現れ、白スジの位置が特異点として効果的に抽出されている。
図19は、処理対象信号S(x)に対し特異部抽出処理を行わなかった場合、ノイズ強度K=120の下で本実施形態の特異部抽出処理を行った場合、ノイズ強度K=160の下で特異部抽出処理を行った場合の相関係数Cを示す図である。図15を参照して説明した第1の実施形態と同様、どちらのノイズ強度Kに対応する相関係数Cも、特異部抽出処理を行わなかった場合の相関係数C=0.6756よりは大きく、本実施形態の特異部抽出処理を行う効果が得られている。但し、本実施形態の場合、ノイズ強度KをK=120とした場合とK=160とした場合の相関係数Cの差は、第1の実施形態よりも小さくなっている。
図20は、本実施形態における、ノイズ強度Kに対する相関係数Cを示す図である。本実施形態においても、第1の実施形態と同様、ノイズ強度Kを0から徐々に大きくしていった場合に相関係数Cは急激に上昇し、極大値に達した後減少し、一定値に収束している。但し、本実施形態の場合、図16(a)に示した第1の実施形態に比べて極大値の現れ方(微分値の変化)は緩やかである。極大値における相関係数Cは第1の実施形態よりも小さいが、収束後の一定値C0は第1の実施形態よりも大きくなっている。すなわち、本実施形態を採用した場合、ノイズ強度Kの変動に対する効果のばらつきを、第1の実施形態よりも小さく抑えることができる。
(その他の実施形態)
以上では不吐出に伴う白スジを例に説明して来たが、上記実施形態は吐出不良に伴う黒スジや濃度ムラなど別の特徴を有する特異点を抽出することもできる。そのような場合には、ステップS2の特異部抽出処理工程を、白スジ、黒スジと言った異なる特徴の特異部を検出するために、各種パラメータを交換しながら繰り返し実行すれば良い。例えば、黒スジの場合は、輝度が周囲に比べて小さくなる箇所を特異点として抽出することになる。このような場合には、ノイズ強度Kをマイナス値とし、判定閾値Dを超えていない箇所(x)を特異点として抽出すれば良い。
無論、記録装置の構成も図5で示したようなフルライン型の記録装置に限定されるものではない。複数の記録素子がY方向に配列して成る記録ヘッドをX方向に移動させながら記録を行う記録走査と、当該記録走査とは交差する方向にシートPをy方向に搬送する搬送動作を、交互に繰り返すことにより画像を記録するシリアル型の記録装置とすることも出来る。シリアル型の記録装置の場合、記録ヘッドの不吐出は、記録走査と同じ方向(x方向)に延在する白スジとなって現れる。よってこの場合は、図9や図12で説明した一連の処理を、X方向について加算処理した結果の検査データS(y)に対して行えば良い。また、シリアル型の記録装置の場合は、不吐出に伴う白スジのほか、記録走査と記録走査の間に発生するつなぎスジも特異点として抽出することができる。
また、以上では読み取りヘッド107が読み取った画素ごとのRGBデータに対し確率共鳴処理を施す画像処理装置を例に説明してきたが、本発明の信号抽出処理装置はこのような形態に限定されるものではない。例えば、物体の振動や音の変化などのように時間に応じて電流値I(x)が変位するような入力信号であっても、抽出したい検出対象信号はノイズに埋もれている。このような場合でも、時間軸xに対する入力データI(x)の中から高精度且つ効率的に検出対象信号を抽出することが出来る。
更に、以上では、図4に見るような複合機6と画像処理装置1が接続してなるシステムを例に説明してきたが、無論本発明はこのような形態に限定されるものではない。本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
1 画像処理装置(信号抽出処理装置)
2 読み取り部
3 画像処理部
5 記録部

Claims (15)

  1. 入力データの中から特異的な信号を抽出するための信号抽出処理装置であって、
    前記入力データを取得する取得手段と、
    前記入力データより所定のノイズ値を減算することにより、ノイズカットデータを生成する手段と、
    前記ノイズカットデータに対し所定の確率共鳴処理を実行することにより、確率共鳴データを生成する確率共鳴処理手段と、
    前記確率共鳴データの中から、前記特異的な信号を抽出する抽出手段と、
    を有し、
    前記所定の確率共鳴処理は、前記ノイズカットデータに新たなノイズを付加し2値化処理を施す工程を並列して行った結果を合成する形態において、前記並列の数を無限大にしたときに得られる値を出力する処理であることを特徴とする信号抽出処理装置。
  2. 入力データの中から特異的な信号を抽出するための信号抽出処理装置であって、
    前記入力データを取得する取得手段と、
    前記入力データより所定のノイズ値を減算することにより、ノイズカットデータを生成する手段と、
    前記入力データに対し所定の確率共鳴処理を実行した後、前記ノイズカットデータを積算することにより、確率共鳴データを生成する確率共鳴処理手段と、
    前記確率共鳴データの中から、前記特異的な信号を抽出する抽出手段と、
    を有し、
    前記所定の確率共鳴処理は、前記入力データに新たなノイズを付加し2値化処理を施す工程を並列して行った結果を合成する形態において、前記並列の数を無限大にしたときに得られる値を出力する処理であることを特徴とする信号抽出処理装置。
  3. 前記所定のノイズ値は、前記特異的な信号が含まれていない場合の前記入力データに基づいて予め定められていることを特徴とする請求項1または2に記載の信号抽出処理装置。
  4. 前記抽出手段は、前記確率共鳴データのうち予め定められた判定閾値よりも大きな値を有する信号を前記特異的な信号として抽出することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の信号抽出処理装置。
  5. 画像を記録するための記録手段と前記画像を読み取るための読み取り手段を更に有し、前記入力データは前記記録手段が記録した画像を前記読み取り手段が読み取ることによって取得されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の信号抽出処理装置。
  6. 前記記録手段はインクを吐出する記録素子を複数配列して構成される記録ヘッドを用いて前記画像を記録し、前記特異的な信号は前記記録素子の吐出不良に伴って生成される前記画像の中に含まれる白スジに対応する信号であることを特徴とする請求項5に記載の信号抽出処理装置。
  7. 前記抽出手段が抽出した結果に基づいて前記記録手段に対するメンテナンス処理が行われることを特徴とする請求項6に記載の信号抽出処理装置。
  8. 前記抽出手段が抽出した結果に基づいて前記記録手段が記録する画像データに対する画像処理が行われることを特徴とする請求項6に記載の信号抽出処理装置。
  9. 前記ノイズカットデータに付加される前記新たなノイズは、ホワイトノイズであることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の信号抽出処理装置。
  10. 前記ノイズカットデータに付加される前記新たなノイズは、正規分布のノイズであることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の信号抽出処理装置。
  11. 入力データの中から特異的な信号を抽出するための信号抽出処理方法であって、
    前記入力データを取得する取得工程と、
    前記入力データより所定のノイズ値を減算することにより、ノイズカットデータを生成する工程と、
    前記ノイズカットデータに対し所定の確率共鳴処理を実行することにより、確率共鳴データを生成する確率共鳴処理工程と、
    前記確率共鳴データの中から、前記特異的な信号を抽出する抽出工程と、
    を有し、
    前記所定の確率共鳴処理は、前記ノイズカットデータに新たなノイズを付加し2値化処理を施す工程を並列して行った結果を合成する形態において、前記並列の数を無限大にしたときに得られる値を出力する処理であることを特徴とする信号抽出処理方法。
  12. 入力データの中から特異的な信号を抽出するための信号抽出処理方法であって、
    前記入力データを取得する取得工程と、
    前記入力データより所定のノイズ値を減算することにより、ノイズカットデータを生成する工程と、
    前記入力データに対し所定の確率共鳴処理を実行した後、前記ノイズカットデータを積算することにより、確率共鳴データを生成する確率共鳴処理工程と、
    前記確率共鳴データの中から、前記特異的な信号を抽出する抽出工程と、
    を有し、
    前記所定の確率共鳴処理は、前記入力データに新たなノイズを付加し2値化処理を施す工程を並列して行った結果を合成する形態において、前記並列の数を無限大にしたときに得られる値を出力する処理であることを特徴とする信号抽出処理方法。
  13. 請求項11または12に記載の信号抽出処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
  14. 画像の中から特異部を抽出するための画像検査装置であって、
    検査の対象となる画像を読み取って入力データを取得する取得手段と、
    前記入力データより所定のノイズ値を減算することにより、ノイズカットデータを生成する手段と、
    前記ノイズカットデータに対し所定の確率共鳴処理を実行することにより、確率共鳴データを生成する確率共鳴処理手段と、
    前記確率共鳴データの中から、前記特異部に相当する信号を抽出する抽出手段と、
    を有し、
    前記所定の確率共鳴処理は、前記ノイズカットデータに新たなノイズを付加し2値化処理を施す工程を並列して行った結果を合成する形態において、前記並列の数を無限大にしたときに得られる値を出力する処理であることを特徴とする画像検査装置。
  15. 画像の中から特異部を抽出するための画像検査装置であって、
    検査の対象となる画像を読み取って入力データを取得する取得手段と、
    前記入力データより所定のノイズ値を減算することにより、ノイズカットデータを生成する手段と、
    前記入力データに対し所定の確率共鳴処理を実行した後、前記ノイズカットデータを積算することにより、確率共鳴データを生成する確率共鳴処理手段と、
    前記確率共鳴データの中から、前記特異部に相当する信号を抽出する抽出手段と、
    を有し、
    前記所定の確率共鳴処理は、前記入力データに新たなノイズを付加し2値化処理を施す工程を並列して行った結果を合成する形態において、前記並列の数を無限大にしたときに得られる値を出力する処理であることを特徴とする画像検査装置。
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