JP2843356B2 - 物体撮像方式 - Google Patents

物体撮像方式

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JP2843356B2 JP1101368A JP10136889A JP2843356B2 JP 2843356 B2 JP2843356 B2 JP 2843356B2 JP 1101368 A JP1101368 A JP 1101368A JP 10136889 A JP10136889 A JP 10136889A JP 2843356 B2 JP2843356 B2 JP 2843356B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、物体撮像方式に関し、例えば、超音波を用
いた3次元カメラ、3次元コピア、3次元ファクシミ
リ、およびロボットの目等に応用できるものである。
従来技術 超音波を対象物体に照射し、その散乱波を複数個の受
波器で受け、その測定値から対象物体の形状を撮像する
方法は、例えば、音響ホログラフィ等で知られる方法が
これまでにも考えられていたが、超音波の波長の長さ、
受波アレイの大きさが有限であることなどの理由により
実用的な撮像を行えるには至っていない。
また、ニューラルネットワークを用いて超音波映像を
構成する方法は、「ニューラルネットワークを用いた超
音波によるロボット・アイ・システム」(電子情報通信
学会1989年2月22日)により提案されているが、末学習
な形の物体については高精細な再生像が得られなかっ
た。
目的 本発明は、上述のごとき欠点を解決するためになされ
たもので、超音波を対象体に照射し、その散乱波をアレ
イ型レシーバーを用いて測定し解析することにより、対
型体の高精細な3次元形状を撮像する物体撮像方式を提
供することを目的としてなされたものである。
構成 本発明は、上記目的を達成するために、(1)対象物
体に超音波を放射し、その散乱波の音圧をN個(N>
0)のアレイ型レシーバーで測定し、対象物質の形状を
再構成する場合において、操作を2段に分け、第1段で
は、散乱波の音圧から対象物体のおおよその形状を再構
成し、第2段では、対象物体のおおよその形状から対物
体の精密な形状を再構成すること、更には、(2)対象
物体に超音波を放射し、その散乱波の音圧をN個(N>
0)のアレイ型レシーバーで測定し、対象物体の形状を
再構成するために、操作を2段に分け、第1段では、散
乱波の音圧から対象物体のおおよその形状を再構成し、
第2段では、対象物体のおおよその形状から対物体の精
密な形状を再構成する場合において、第1段、第2段と
も、与えられたデータとそれに対する望ましい出力デー
タからその対応関係を学習させる事によって構成するこ
と、或いは、(3)対象物体に超音波を放射し、その錯
乱波の音圧をN個(N>0)のアレイ型レシーバーで測
定し、対象物体の形状を再構成するために、対象物体と
してN個の異なる位置形状のものを用意し、それからの
散乱波を測定し、対象物体と散乱波の音圧とが線形な関
係を持つことを利用することにより、測定された音圧か
ら対象物の形状を再構成する関係式を構成すること、更
には、(4)対象物体に超音波を放射し、その散乱波の
音圧をN個(N>0)のアレイ型レシーバーで測定し、
対象物体の形状を再構成するために、操作を2段に分
け、第1段では、散乱波の音圧から対象物体のおおよそ
の形状を再構成し、第2段では、対象物体のおおよその
形状から対象物の精密な形状を再構成する場合におい
て、第1段では、請求項3記載の方式を用い、第2段で
は、ニューラルネットワークを用いること、或いは
(5)対象物体に超音波を放射し、その散乱波の音圧を
N個(N>0)のアレイ型レシーバーで測定し、対象物
体の形状を再構成するために、操作を2段に分け、第1
段では、散乱波の音圧から対象物体のおおよその形状を
再構成し、第2段では、対象物体のおおよその形状から
対物体の精密な形状を再構成するために第1段では、請
求項3記載の方式を用い、第2段では、ニューラルネッ
トワークを用いる場合において、そのニューラルネット
ワークに学習させる時に用いる入力データと教師出力デ
ータを人工的に作られた出力データとそれ変換すること
で得られる入力データで代用することを特徴としたもの
である。以下、本発明の実施例に基づいて説明する。
本発明の物体撮像方式は大きく分けて次の2段に分れ
ている。
第1段:対象物体に超音波を照射し、その散乱波から
対象物体のおおよその形状を構成する方式。
第2段:対象物体のおおよその形状から対象物体の精
密な形状を構成する方式。
第1段では、対象物体に超音波を照射し、その散乱波
の音圧をN個(N>0)の受波器で測定し、その測定値
から対象物体の形状を構成する。測定された音圧と対象
物体の形状は線形な関係にあるので、両者を結ぶ一次変
換を表わす行列を、N個の異なる対象物体の形状とその
ときの散乱波の音圧とを具体的に測定することにより決
定することができる。
第2段では、第1段で得られた対象物体のおおよその
形状をニューラルネットを用いることにより高精細化す
る。
まず、第1段の実施例について説明する。第1図は、
本発明の実施例を説明するための散乱波測定装置で、図
中、1は対象物体、2は超音波の照射器、3はN×N個
の受波器からなるレシーバーアレイ、4はパルスジェネ
レータ、5はコンピュータ、6はディスプレイである。
パルスジェネレータ4から送信された信号 を超音波照射器2から超音波バースト波として対象物体
に向けて照射する(r0は照射器の位置を表わす。)この
とき対象物体からの散乱波をレシーバーアレイ3の受波
器(p,q)により時刻を変えてM個測定し、その値を {g(p,q,r)}r=1,2,3……M とし、コンピュータ5に送る。コンピュータ5での計算
は次の様に行う。
第2図は、本発明の実施例を説明するための図で、対
象物体の再生領域をデジタル化したものを表わしてい
る。このとき関数ξ(i,j,k)を次の様に定義する。
このとき、散乱波g(p,q,r)と対象物体の表面存在
関数ξ(i,j,k)とは線形な関係があるので、ある定数
a(p,q,r,i,j,k)を用いて と表わすことができる。a(p,q,r,i,j,k)を求めるた
めには、各ボクセル(i,j,k)にだけ表面が存在する小
さな対象物体をおいて、そのときの散乱波を測定すれば
よい。
P=(p,q,r) I=(i,j,k) と書くことにすると、前式は、 g(P)=Σa(P,I)ξ(I) I∈ボクセル となるから、行列{a(P,I)}P.Iの逆行列を{a
-1(I,P)}I.Pとすると(行列が与えられた時、その逆
行列を計算する方法は周知である。)、 ξ(I)=Σa -1(I,P)g(P) P∈測定時刻、場所 によって、ξ(I)を求めることができる。ξ(I)は
対象物体の表面が存在するかどうかを表わす関数であっ
たから、このξをコンピュータ5で計算し、ディスプレ
イ6に表示すれば対象物体のおおよその形が得られる。
次に第2段の実施例について説明する。第1段で得ら
れた再生像はM,Nが小さいときには劣化が著しく実用に
向ない。また、M,Nを大きく取ることは、装置の制約上
できないことが多い。そこで、第2段では、第1段で得
られた像から、より解像度の高い像を構成する方式につ
いて述べる。
第3図は、第1段で得られたN×N×Mの再生領域上
の再構成像から、L×L×K上の像を構成するニューラ
ルネットワークを説明するための図で、丸はネットワー
クの各ユニットを、実線は各ユニット間の結合をそれぞ
れ表わしている。入力層に属するユニットはN×N×M
個、出力層に属するユニットはL×L×K個、中間層に
属するユニットの個数は可変である(中間層の個数はネ
ットワークの望ましい性能によって選ぶことができ
る)。各情報は実線で示されるユニット間結合を通る際
にその結合の重み倍になり、また各ユニットから出力さ
れる情報は、そのユニットに集る情報の和をxとすると
き、 1/(1+exp(−x+θ)) で与えられる。ここで、θはそのユニットのバイアス値
である。この様な構造のネットワークに対して、入力パ
ターンとそれに対する望ましい出力パターンが与えられ
ると、周知の方式バックプロパゲーション法によって、
それらの対応関係を実現するための結合間の重みとバイ
アス値とをニューラルネットワークに学習させることが
できる。そこで、第2段では、このネットワークに学習
させるための入力データと出力データとの構成法を示
す。
入力データと出力データの構成法としては、多様な形
の表面をもつ実際の物体を数多く用いて実測により構成
する方法が考えられるが、立体の場合十分多様な形の物
体を構成することは実用上得策でない。そこで、入力デ
ータと出力データを人工的に構成する方式を以下に述べ
る。
第4図(a),(b)はニューラルネットワークに学
習させるための入力データと出力データとを構成する方
式を説明するための図で、(a)は望ましい出力データ
を、(b)はその出力データが期待される時のデータを
それぞれ表わしている。ここで、実際のデータは3次元
上に表わされるが、見やすくするために2次元上に表示
した。
以下、L=sN,K=tMとする。ここで、s,tはある整数
である。第4図では、S=T=3で表示してある。ま
ず、4図(a)の様な物体の表面を表わす図形をL×L
×Kの領域上に十分多く作っておく。第4図(a)で、
斜線を引いたボクセルは物体の表面が存在することを示
しており、ここでの値を1とする。また、斜線のないボ
クセルは物体の表面がないことを示しており、ここでの
値は0である。これらをニューラルネットの望ましい出
力データとする。次に、L×L×Kの領域をN×N×M
の領域に分ける(すなわち、s×s×tのボクセルをま
とめてひとつのボクセルとする。)。こうして得られる
N×N×Mの領域上の値を次のように決める。すなわ
ち、新しくできたボクセルが含む旧ボクセルのうち、値
が1であるものの個数をs×s×tで割った値を新しい
ボクセル上の値とする。第4図は、s×s×tの値を9
で表示してある。
以上の様に入力データと出力データが構成できたの
で、このデータを用いて得られるN×N×Mのデータは
第4図(a)の様なものになるので、こうしてできたネ
ットワークを用いれば、対象物体の精密な形の撮像する
ことができる。
効果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、少
数個の受波器からなるレシーバーアレイによって超音波
反射波を測定することにより高詳細な物体撮像が可能に
なる。
また、ニュートラルネットの構成の際に学習に用いな
かった形についても高精細な像が得られる。
さらに、ニューラルネットワークに学習させるときに
用いるデータを実測できなく、人工的に構成することが
できるので、これまでよりも高速に所望のネットワーク
を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による物体撮像方式を説明するための
もので、散乱波測定装置の構成図、第2図は、対象物体
の再生領域をディジタル化した図、第3図はニューラル
ネットワークを示す図、第4図(a),(b)は、ニュ
ーラルネットワークに学習させるための入力データと出
力データとの構成法を示す図である。 1……対象物体、2……超音波照射、3……レシーバー
アレイ、4……パルスジェネレータ、5……コンピュー
タ、6……ディスプレイ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01S 15/89 G01S 13/89 G01B 17/00 G06F 15/70

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】対象物体に超音波を放射し、その散乱波の
    音圧をN個(N>0)のアレイ型レシーバーで測定し、
    対象物体の形状を再構成する場合において、操作を2段
    に分け、第1段では、散乱波の音圧から対象物体のおお
    よその形状を再構成し、第2段では、対象物体のおおよ
    その形状から対物体の精密な形状を再構成することを特
    徴とする物体撮像方式。
  2. 【請求項2】対象物体に超音波を放射し、その散乱波の
    音圧をN個(N>0)のアレイ型レシーバーで測定し、
    対象物体の形状を再構成するために、操作を2段に分
    け、第1段では、散乱波の音圧から対象物体のおおよそ
    の形状を再構成し、第2段では、対象物体のおおよその
    形状から対物体の精密な形状を再構成する場合におい
    て、第1段、第2段とも、与えられたデータとそれに対
    する望ましい出力データからその対応関係を学習させる
    事によって構成することを特徴とする請求項1記載の物
    体撮像方式。
  3. 【請求項3】対象物体に超音波を放射し、その散乱波の
    音圧をN個(N>0)のアレイ型レシーバーで測定し、
    対象物体の形状を再構成するために、対象物体としてN
    個の異なる位置形状のものを用意し、それからの散乱波
    を測定し、対象物体と散乱波の音圧とが線形な関係を持
    つことを利用することにより、測定された音圧から対象
    物体の形状を再構成する関係式を構成することを特徴と
    する物体撮像方式。
  4. 【請求項4】対象物体に超音波を放射し、その散乱波の
    音圧をN個(N>0)のアレイ型レシーバーで測定し、
    対象物体の形状を再構成するために、操作を2段に分
    け、第1段では、散乱波の音圧から対象物体のおおよそ
    の形状を再構成し、第2段では、対象物体のおおよその
    形状から対物体の精密な形状を再構成する場合におい
    て、第1段では、前記請求項3記載の方式を用い、第2
    段では、ニューラルネットワークを用いることを特徴と
    する請求項1記載の物体撮像方式。
  5. 【請求項5】対象物体に超音波を放射し、その散乱波の
    音圧をN個(N>0)のアレイ型レシーバーで測定し、
    対象物体の形状を再構成するために、操作を2段に分
    け、第1段では、散乱波の音圧から対象物体のおおよそ
    の形状を再構成し、第2段では、対象物体のおおよその
    形状から対物体の精密な形状を再構成するために第1段
    では、前記請求項3記載の方式を用い、第2段では、ニ
    ューラルネットワークを用いる場合において、そのニュ
    ーラルネットワークに学習させる時に用いる入力データ
    と教師出力データを人工的に作られた出力データとそれ
    を変換することで得られる入力データで代用することを
    特徴とする請求項4記載の物体撮像方式。
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US8400876B2 (en) * 2010-09-30 2013-03-19 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Method and system for sensing objects in a scene using transducer arrays and coherent wideband ultrasound pulses

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