JP2020176926A - 画像生成装置、画像生成方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】水中画像を精度よく表示する画像を生成する装置を提供する。【解決手段】画像生成装置は、ビームの発射位置から前記ビームを反射する反射面までの距離を検出する検出部と、距離の分布に基づいて、所定の割合の反射面が存在する距離の範囲を設定する範囲設定部と、反射されたビームに基づく反射面の画像であって、距離の範囲が階層化され、それぞれの階層を異なる態様で表示した前記画像を生成する画像生成部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、画像生成装置、画像生成方法及びプログラムに関する。

水底へ向けて音波などのビームを発射し、水中の目標物や水底で反射したビームが到着するまでの時間によって水深や水底表面の形状などを探索する方法が知られている。例えば、特許文献１には、クロスファンビーム方式によって水中の目標物や水底の画像を表示する装置について開示がある。水底表面の探索結果は、白黒の陰影画像で表示されることが多い。陰影画像で表示すると、特に目標物の真上方向からビームを発射した場合に、目標物の陰影が付きにくく、目視による判別が困難な場合がある。

これに対し、探索結果を、ビームを発射するソーナーから水底までの距離に応じたＮ階層（例えば、２５６階層）の色を付した画像で表示する方法が提供されている。このような表示方法は、魚探や測深儀の表示装置で使用されている。
関連する技術として、特許文献２には、目標物によって反射された音波の受信レベルに応じて色を付した画像を表示する水中画像ソーナーが開示されている。

特開平０８−５７２８号公報 特開２００６−０６４５２４号公報

しかし、ソーナーと水底までの距離に応じて色を付すと、ビームの進行方向における探索距離全体に対して目標物が小さいため、目標物での色の変化が小さく、目標物を鮮明に表示することが難しいことがある。

そこでこの発明は、上述の課題を解決する画像生成装置、画像生成方法及びプログラムを提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、画像生成装置は、ビームの発射位置から前記ビームを反射する反射面までの距離を検出する検出部と、前記距離の分布に基づいて、所定の割合の前記反射面が存在する前記距離の範囲を設定する範囲設定部と、反射された前記ビームに基づく前記反射面の画像であって、前記距離の範囲が階層化され、それぞれの階層を異なる態様で表示した前記画像を生成する画像生成部と、を備える。

また、本発明の他の一態様によれば、画像生成方法は、ビームの発射位置から前記ビームを反射する反射面までの距離を検出するステップと、前記距離の分布に基づいて、所定の割合の前記反射面が存在する前記距離の範囲を設定するステップと、反射された前記ビームに基づく前記反射面の画像であって、前記距離の範囲が階層化され、それぞれの階層が異なる態様で表示された前記画像を生成するステップと、を有する。

また、本発明の他の一態様によれば、プログラムは、コンピュータを、ビームの発射位置から前記ビームを反射する反射面までの距離を検出する手段、前記距離の分布に基づいて、所定の割合の前記反射面が存在する前記距離の範囲を設定する手段、反射された前記ビームに基づく前記反射面の画像であって、前記距離の範囲が階層化され、それぞれの階層が異なる態様で表示された前記画像を生成する手段、として機能させる。

本発明によれば、水中の目標物を明確に表示することが可能となる。

本発明の一実施形態による画像生成装置の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による画像生成処理を説明する第１の図である。 本発明の一実施形態による画像生成処理を説明する第２の図である。 本発明の一実施形態による画像生成処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による画像生成装置の最小構成を示す図である。 本発明の一実施形態による画像生成装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

以下、一実施形態に係る画像生成装置について図１〜図６を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態による画像生成装置の一例を示すブロック図である。
画像生成装置１０は、水底探索用のソーナー１と、表示装置２と接続されている。

ソーナー１は、例えば、クロスファンビーム方式でマルチビームを発射し、水中の目標物や水底などで反射したビームを受信する。ソーナー１は、受信した反射ビームに基づいて受信ビームデータを生成し、受信ビームデータを画像生成装置１０へ出力する。ソーナー１が出力する受信ビームデータには、受信した反射ビームのレンジ（ソーナー１と反射位置の間の距離）と、反射ビームの振幅値と、反射ビームの受信角度が含まれている。

画像生成装置１０は、水中の目標物又は水底によって形成される反射面がソーナー１のビームを反射した反射ビームに基づいて反射面の画像を生成する。以下、この画像を水中画像と記載する。水中画像は、所定範囲の水中を上から見た画像である。
表示装置２は、水中画像を表示するモニタである。

以下、画像生成装置１０について詳しく説明する。図１に示すように画像生成装置１０は、データ取得部１１と、範囲設定部１２と、座標変換部１３と、画像生成部１４と、記憶部１５と、出力部１６と、を備える。

データ取得部１１は、ソーナー１が出力した受信ビームデータ（反射ビームのレンジ、振幅、角度）を取得する。
範囲設定部１２は、受信ビームデータに基づいて、ソーナー１が発射したビームが届く範囲の中で対象を鮮明に表示すべき範囲（ビームの進行方向の範囲）を設定する。換言すれば、鮮明に表示すべき反射面が存在する位置の範囲を設定する。
座標変換部１３は、受信ビームデータに含まれるレンジと受信角度で示されるビームの反射位置を極座標から直交座標に変換する。
画像生成部１４は、範囲設定部１２が設定した範囲を、水底からの高度（水底からの垂直方向の距離）に応じて階層化し、各階層を異なる色で表示する水中画像を生成する。
記憶部１５は、受信ビームデータや閾値などの設定情報を記憶する。
出力部１６は、画像生成部１４が生成した水中画像を表示装置２に出力する。

次に、本実施形態の画像生成処理について図２〜図４を用いて説明する。
図２は、本発明の一実施形態による画像生成処理を説明する第１の図である。
図２にソーナー１が、水底に向かってマルチファンビームを発射する様子を示す。ソーナー１は、図２に例示するように紙面の横方向に長い扇形のビームを水底に向けて発射し、横方向に長く発射されたビームに対する反射ビームを受信する。ソーナー１は、例えば、船の底部に設けられ、船の移動方向と直交する方向に長いビームを発射する。船の移動とともにソーナー１からビームを発射し、その反射ビームを受信することで広範囲の探索が可能である。図２の実線の扇形は、発射されるビームが到達する範囲（探索範囲）を示している。レンジＲ０は、ビームの到達距離である。ソーナー１は、マルチファンビームが届く範囲に存在する反射面によって反射されるビームを受信する。ここで、レンジＲ０の全体をＮ層に階層化して、ソーナー１からの距離に応じて異なる色を付して表示するとする。すると、実線Ｎと破線Ｎ−１で挟まれた範囲に存在する反射面は同一の色で示される。同様に破線Ｎ−１と破線Ｎ−２で挟まれた範囲に存在する反射面、破線Ｎ−２と破線Ｎ−３で挟まれた範囲に存在する反射面も同一の色で示される。探索範囲の全体を階層化して表示すると、例えば、レンジＲ０に対して目標物Ｐが小さい場合には、目標物Ｐの全体が同じ色で表示され、目標物の形状を明確に表示することができない。また、目標物が大きい場合でも、分解能が荒いため、全体の正確な形状を明確に表示することができない。そこで、本実施形態では、ビームを反射する対象が存在する範囲を検出して、その範囲に限定してＮ層に階層化することで分解能を向上させ、水中の目標物Ｐや水底の形状を明確に表示できるようにする。

図３は、本発明の一実施形態による画像生成処理を説明する第２の図である。図３に本実施形態でＮ層に階層化する範囲を示す範囲Ｒ１を示す。本実施形態では、ソーナー１の探索距離（図２のレンジＲ０）に関係なく、目標物Ｐの水底からの高度に注目する。そして、目標物Ｐの頂点（水底からの高度が最も高い点）から水底までに距離範囲を絞って、この範囲をＮ階層で表示することにより目標の判別を容易にする。図３の破線Ｓ１〜ＳＮは、目標物Ｐの頂点から水底までの範囲Ｒ１をＮ階層化する境界線である。範囲設定部１２は、目標物Ｐの頂点から水底までの範囲Ｒ１を階層化の対象範囲として設定する。ソーナー１からの距離ではなく、水底からの高度に応じた階層化を実行するために、座標変換部１３は、受信ビームデータを極座標から直交座標に変換する。画像生成部１４は、直交座標に変換した後の範囲Ｒ１をＮ個の層に階層化して各層に異なる色を割り当てた水中画像を生成する。図３の例によれば、目標物Ｐが水底からの高度に応じてＮ個の異なる色で表示されるので、目標物Ｐの全体像や凹凸がより鮮明に表現され、目標の目視による判別がより容易になる。

このように、本実施形態では、直交座標変換を行って、ソーナー１からのレンジをソーナー１の音響水平面からの距離（あるいは、水底を基準とする高度値）に変換する。そして、ソーナー１からのレンジに関係なく目標頂点と水底の間をＮ個の層に分割してＮ色で表示する。この処理を実現するためには「目標頂点」と「水底」の高度値を検出する必要がある。次に「目標頂点」と「水底」の検出処理および水中画像の生成処理について説明する。

図４は、本発明の一実施形態による画像生成処理の一例を示すフローチャートである。
まず、データ取得部１１が、ソーナー１から受信ビームデータを取得する（ステップＳ１１）。

次に範囲設定部１２が、受信ビームデータを有効データと無効データに振り分ける（ステップＳ１２）。具体的には、範囲設定部１２は、受信ビームデータに含まれる反射ビームの振幅値がＸｄＢ以上（Ｘは所定の閾値）の受信ビームデータを有効データ、振幅値がＸｄＢ未満の受信ビームデータを無効データとして振り分ける。範囲設定部１２は、この振り分け処理を画素単位で行う。例えば、所定範囲から反射された反射ビームに基づいて矩形の水中画像を作成する場合、水中画像の画素ごとに受信ビームデータに含まれるレンジ及び角度を対応付けることができる。例えば、記憶部１５には、所定の画素数を有する水中画像の各画素と受信ビームデータの対応関係を示す情報が設定されている。範囲設定部１２は、記憶部１５が記憶する対応関係の情報に基づいて、画素ごとに、その画素に対応する受信ビームデータが有効データか、無効データかを振り分ける。１つの画素に複数の受信ビームデータが対応付けられている場合、範囲設定部１２は、最もレンジの長い（ソーナー１から遠い）受信ビームデータに含まれる振幅値に基づいて、有効データ又は無効データの振り分けを行う。

画素別の有効データ／無効データの振り分けが終わると、範囲設定部１２は、有効データに振り分けた画素数をカウントして、有効データの総数Ｇを算出する（ステップＳ１３）。

次に範囲設定部１２は、目標頂点のレンジを検出する（ステップＳ１４）。目標頂点とは、ソーナー１に最も近い反射面、例えば、図３の例では、目標物Ｐの最上位面である。範囲設定部１２は、レンジが短い（ソーナー１に近い）ものから順に、有効データとしてカウントした画素をカウントし、累積加算する。そして、範囲設定部１２は、総数Ｇを１００％としたときの累積加算した画素数がＴ％（Ｔは所定の定数、例えば５％）を超えると、その画素に対応する受信ビームデータのレンジを「目標頂点のレンジ（Ｒｔ）」とする。目標頂点のレンジ（Ｒｔ）とは、例えば、図２の例ではソーナー１から目標物Ｐの最上位面までの距離Ｌ１である。

次に範囲設定部１２は、水底のレンジを検出する（ステップＳ１５）。具体的には、範囲設定部１２は、有効データとしてカウントした画素の累積加算を継続し、累積加算した画素数が、総数ＧのＢ％（Ｂは所定の定数、例えば９５％）を超えると、その画素に対応する受信ビームデータのレンジを「水底のレンジ（Ｒｂ）」とする。水底のレンジ（Ｒｂ）とは、例えば、図２の例ではソーナー１から水底までの距離Ｌ２である。
なお、範囲の検出に用いる閾値Ｔ、Ｂの関係は以下の式（１）を満たす。
０（％） ≦ Ｔ ≦ Ｂ ≦ １００（％）・・・（１）

次に範囲設定部１２は、無効データの再振り分けを行う（ステップＳ１６）。具体的には、範囲設定部１２は、画素に対応する受信ビームデータのレンジがＲｔ〜Ｒｂの範囲に無い場合、その画素を無効データとして設定する。例えば、ステップＳ１２で有効データとして振り分けられた画素のうち、Ｒｔより近距離のものやＲｂより遠距離のものは、無効データとして振り分けられる。

次に座標変換部１３が、有効データ（レンジＲｔ〜Ｒｂの範囲にあり、振幅値が閾値以上の受信ビームデータ）を直交座標へ変換する（ステップＳ１７）。例えば、図２に例示するＰ１によって反射された反射ビームのレンジがｒ、反射ビーム角度がθの有効データは、以下の式（２）、（３）で直交座標へ変換される。
Ｘ ＝ｒ×ｓｉｎθ ＋ α ・・・（２）
Ｙ ＝ｒ×ｃｏｓθ ＋ β ・・・（３）
Ｘは紙面横方向の位置、Ｙは深さ方向の位置を示し、α、βは任意のオフセット値である。Ｐ１の極座標が２次元ではなく紙面の奥行き方向を加味した３次元で与えられる場合であっても、同様の公知の直交座標変換の計算式により、直交座標における紙面の横方向（Ｘ方向）、縦方向（水の深さ方向：Ｙ方向）、紙面の奥行き方向（Ｚ方向）の座標値を得ることができる。

次に画像生成部１４が、有効データの直交座標変換後の座標位置群に基づいて、上から水中を見たときの所定範囲の水中画像を生成する。例えば、矩形の水中画像の横方向にＸ方向、縦方向にＺ方向を割り当てるとする。その場合、画像生成部１４は、直座標変換後の座標値が（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）の有効データについて、水中画像の座標（Ｘ１，Ｚ１）に対応する画素に、深さ方向のＹ１に応じた色を付した水中画像を生成する。その際、画像生成部１４は、水平面Ｍ（図３参照）からの距離が、レンジＲｔ〜Ｒｂに対応する高度となるＹ方向の範囲Ｒ１に限定してＮ層に階層化し、それぞれの階層を異なる色で表示する水中画像を生成する（ステップＳ１８）。例えば、画像生成部１４は、目標頂点から水底までの範囲Ｒ１を２５６階層に分け、各層に２５６種類の色の何れかを割り当てる。例えば、画像生成部１４は、直座標変換後の座標値が（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）の有効データについて、座標値（Ｘ１，Ｚ１）に対応する画素を、２５６色のうちの座標値Ｙ１が属する層に割り当てられた色で表示する。画像生成部１４は、矩形画像の全画素について同様の処理を行う。また、直交座標変換後の座標値が無い画素は、無効データである。画像生成部１４は、無効データに対応する画素を、例えば、黒で表示する。これにより、範囲Ｒ１に存在する反射面だけが抽出され、抽出された反射面が、深さ方向の細かな範囲ごとに色分けされた水中画像が生成される。

次に出力部１６が、画像生成部１４の生成した水中画像を、表示装置２へ出力する（ステップＳ１９）。表示装置２は、水中の深さ方向における目標頂点から水底までの範囲に存在する反射面のみを各々の反射面が位置する深さに応じた異なる色で表示し、それ以外を、所定範囲に存在する各々の反射面と区別可能に表示した水中画像を表示する。

本実施形態によれば、水中に存在する一つまたは複数の目標物のうちの頂点から水底までの範囲に限定して、当該範囲を多層に階層化し、各階層に存在する反射面を、その深さに応じた色で表示する。かかる狭い範囲での多色表示により、目標の全体像や形状を明確に表示することができ、目標物の目視による判別がより容易になる。

図５は、本発明の一実施形態による画像生成装置の最小構成を示す図である。
図５に示すように画像生成装置１００は、少なくとも検出部１１０と、範囲設定部１２０と、画像生成部１３０とを備える。
検出部１１０は、ビームの発射位置からビームを反射する反射面までの距離を検出する。
範囲設定部１２０は、反射面の距離の分布に基づいて、一定の割合の反射面が存在する距離の範囲を設定する。
画像生成部１３０は、反射されたビームに基づいて対象面の画像を生成する。特に画像生成部１３０は、範囲設定部１２０が設定した距離の範囲に限定して階層化し、それぞれの階層を異なる態様で表示し、範囲設定部１２０が設定した範囲以外を、前記範囲の何れの階層とも異なる態様で表示する画像を生成する。

ここで、距離の範囲とは、ビームの発射位置を原点とする極座標におけるビームの反射面の位置を直交座標に変換して表したときの、ビーム発射位置を含み鉛直方向に直交する水平面とビームの反射面との距離の範囲である。例えば、範囲設定部１２０は、水中に存在するビームの反射面のうち最もビーム発射位置に近い反射面の位置から水底までを距離の範囲として検出する。

また、距離の範囲の検出方法について、画像生成部１３０が所定の広さを有する領域を対象とする画像を生成し、その画像を構成する各画素に対応する反射ビームの振幅値が所定の閾値以上となるデータを有効データとする場合、範囲設定部１２０は、ビームの発射位置から反射面までの距離が短い方から順に有効データに対応する画素の数を累積し、累積した画素数が所定の範囲内となる距離の上限値と下限値を検出する。検出した距離の下限値から上限値までの間が、距離の範囲である。

なお、画像生成装置１００、検出部１１０、範囲設定部１２０、画像生成部１３０は、それぞれ画像生成装置１０、データ取得部１１、範囲設定部１２、画像生成部１４に対応する。

図６は、本発明の一実施形態による画像生成装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
コンピュータ９００は、ＣＰＵ９０１、主記憶装置９０２、補助記憶装置９０３、入出力インタフェース９０４、通信インタフェース９０５を備える。上述の画像生成装置１０、１００は、コンピュータ９００に実装される。そして、上述した各機能部の動作は、プログラムの形式で補助記憶装置９０３に記憶されている。ＣＰＵ９０１は、プログラムを補助記憶装置９０３から読み出して主記憶装置９０２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ９０１は、プログラムに従って、記憶領域を主記憶装置９０２に確保する。また、ＣＰＵ９０１は、プログラムに従って、処理中のデータを記憶する記憶領域を補助記憶装置９０３に確保する。

なお、少なくとも１つの実施形態において、補助記憶装置９０３は、一時的でない有形の媒体の一例である。一時的でない有形の媒体の他の例としては、入出力インタフェース９０４を介して接続される磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等が挙げられる。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ９００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９００が当該プログラムを主記憶装置９０２に展開し、上記処理を実行しても良い。また、当該プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、当該プログラムは、前述した機能を補助記憶装置９０３に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせで実現するもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、目標頂点から水底までを多層化して、各層を例えば２５６色でカラー表示することとしたが、白から黒までの濃淡で表示してもよい。あるいは、各層を異なるハッチングのパターンで区別可能に表示してもよい。

また、上記実施形態では、目標頂点から水底までを多層化することとしたが、図４のステップＳ１５で説明した閾値Ｂの値を調節して、水底を除く、水中の目標物だけを抽出して、当該目標物を多層化して表示してもよい。

１・・・ソーナー
２・・・表示装置
１０・・・画像生成装置
１１・・・データ取得部
１２、１２０・・・範囲設定部
１３・・・座標変換部
１４、１３０・・・画像生成部
１５・・・記憶部
１６・・・出力部
１００・・・画像生成装置
１１０・・・検出部
９００・・・コンピュータ
９０１・・・ＣＰＵ
９０２・・・主記憶装置
９０３・・・補助記憶装置
９０４・・・入出力インタフェース
９０５・・・通信インタフェース

Claims (8)

1. ビームの発射位置から前記ビームを反射する反射面までの距離を検出する検出部と、
   前記距離の分布に基づいて、所定の割合の前記反射面が含まれる前記距離の範囲を設定する範囲設定部と、
   反射された前記ビームに基づく前記反射面の画像であって、前記距離の範囲が階層化され、それぞれの階層を異なる態様で表示した前記画像を生成する画像生成部と、
   を備える画像生成装置。
2. 前記画像生成部は、前記発射位置を原点とする極座標における前記反射面の位置を直交座標に変換して表したときの、前記発射位置を含み鉛直方向に直交する水平面と前記反射面との距離に基づいて、前記距離の範囲を階層化する、
   請求項１に記載の画像生成装置。
3. 前記範囲設定部は、水中に存在する前記反射面のうち最も前記発射位置に近い前記反射面から水底までを前記距離の範囲として設定する、
   請求項１または請求項２に記載の画像生成装置。
4. 前記画像生成部が所定の広さを対象とする前記画像を生成し、反射した前記ビームの振幅値が所定の閾値以上となるデータを有効データとする場合、
   前記範囲設定部は、前記発射位置から前記反射面までの距離が短い方から順に、前記画像を構成する画素ごとに前記有効データに対応する画素の数を累積し、その累積した値が所定の範囲内となる前記距離の上限値と下限値を検出する、
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の画像生成装置。
5. 前記範囲設定部は、前記画素に複数の異なる前記距離で反射した前記ビームが対応する場合、最も遠い位置で反射した前記ビームに基づいて、前記有効データか否かを判定する、
   請求項４に記載の画像生成装置。
6. 前記画像生成部は、前記距離の範囲以外を、前記範囲の何れの階層とも異なる態様で表示する画像を生成する、
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載の画像生成装置。
7. ビームの発射位置から前記ビームを反射する反射面までの距離を検出するステップと、
   前記距離の分布に基づいて、所定の割合の前記反射面が存在する前記距離の範囲を設定するステップと、
   反射された前記ビームに基づく前記反射面の画像であって、前記距離の範囲が階層化され、それぞれの階層が異なる態様で表示された前記画像を生成するステップと、
   を有する、画像生成方法。
8. コンピュータを、
   ビームの発射位置から前記ビームを反射する反射面までの距離を検出する手段、
   前記距離の分布に基づいて、所定の割合の前記反射面が存在する前記距離の範囲を設定する手段、
   反射された前記ビームに基づく前記反射面の画像であって、前記距離の範囲が階層化され、それぞれの階層が異なる態様で表示された前記画像を生成する手段、
   として機能させるためのプログラム。

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