JP3012870B2 - 画像記録・処理方法及びこの方法の実施のための結像装置 - Google Patents

画像記録・処理方法及びこの方法の実施のための結像装置

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JP3012870B2
JP3012870B2 JP4192829A JP19282992A JP3012870B2 JP 3012870 B2 JP3012870 B2 JP 3012870B2 JP 4192829 A JP4192829 A JP 4192829A JP 19282992 A JP19282992 A JP 19282992A JP 3012870 B2 JP3012870 B2 JP 3012870B2
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    • G01C11/02—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、直交する二方向ｘ，ｙ
により示される平面Ｐにある眺めの像を、前記平面Ｐの
ｕ方向（ｕ＝ｘ，ｙ）において遮断周波数ｆcuの変調伝
達関数Ｈu(f)（ｆは空間周波数）を示す結像装置(100)
により与えて記録及び画像処理するハイパーモード（HI
PERMODE: High performances by mid overlap deconvol
ution)と称される画像記録・処理方法に関するものであ
る。
【０００２】本発明は特に人工衛星からの地球観測の分
野において有用な用途を見いだすものである。
【０００３】
【従来の技術】人工衛星地球観測システムに用いられる
結像機器は、前記平面Ｐ内で記録すべき眺めの中を検出
エレメント像が人工衛星の直線または回転運動に連繋し
た機械的走査装置の助けによって移動する単一検出エレ
メントか、或いはアレイの軸方向と直交する方向に直線
移動走査（プッシュブルーム走査として公知）を行なう
例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）などの複数の検出エレメ
ントのリニヤアレイかの何れかを備えている。
【０００４】通常、この種の方式による方法は、遮断周
波数ｆcuに等しいサンプリング周波数ｆeuでｕ方向に像
の記録を行なう第１ステップを含み、遮断周波数の逆数
は観測平面Ｐのレベルでの空間分解能に相当する。この
分解能は、一般的には使用する検出エレメントの寸法に
よって定まる。
【０００５】しかしながら、実際には結像機器の例えば
望遠鏡などの結像光学系はそれ自体が完全ではないこと
から、全周波数スペクトルに亘って変調伝達関数Ｈu(f)
（ＭＴＦ: Modulation Transfer Function）が１に等し
くなることはなく、それによって観測すべき眺めの記録
画像に品質低下を招くことになる。この画像にデコンボ
リューションフィルタ処理をかけることによって係る記
録画像を処理することは可能である。観測すべき眺めお
よび記録画像のｕ方向における周波数スペクトルを夫々
Ｐu(f)およびＳu(f)とすると、その関係は、 Ｓu(f)＝Ｈu(f)・Ｐu(f) で表される。
【０００６】従ってＰu(f)を復元するにはＳu(f)にデコ
ンボリューションフィルタ処理をかける必要があり、こ
れは前記周波数範囲において前記変調伝達関数の逆数に
等しく、 Ｐu(f)＝｛１／Ｈu(f)｝Ｓu(f) となり、これは空間領域において次のコンボリューショ
ン積により表される。 Ｐ(u) ＝TF-1｛１／Ｈu(f)｝＊Ｓ(u) ここでTF-1は逆フーリエ変換を意味し、Ｐ(u) とＳ(u)
は夫々前記眺めとその像を表す空間関数である。
【０００７】しかしながら、信号処理理論、特にシャノ
ンの定理によれば、サンプリング周波数の１／２以下の
周波数がデコンボリューションで復元されるだけであ
り、この制限はスペクトル折返し歪の一般的現象によ
る。更に、デコンボリューションに際してｆeu／２から
ｆeuに亘る高い周波数は、０からｆeuに亘る低い周波数
を妨害することとなる。
【０００８】雑誌『シグナル・プロセッシング(Signal
Processing) 』1988年第５巻第１号に掲載されたジー・
ジャクモ(G. Jacquemod)による「ＣＣＤセルで構成され
た検出器の使用に関連したスペクトル折返し歪」という
文献には、スペクトル折返し歪の影響を像の重なりサン
プリングによって制限することが提案されており、そこ
ではサンプリング周波数ｆeuをｋ・ｆcu（ｋは１より大
きい整数）と等しくなるようにしている。この場合、少
なくとも遮断周波数ｆcuまでの周波数を復元することが
可能である。一方、ｆcuを越えると変調伝達関数が事実
上零となることから、ｆcuより高い周波数はｆcu以下の
低い周波数に何も影響しない。
【０００９】従って、与えられた結像機器のｕ方向の分
解能をｋ倍に増加するか、前記方式の別の特徴に従って
同じ分解能特性を有するものの、同一開口数、従って信
号対雑音比を維持したまま結像光学系の焦点距離をｋ分
の１にできるまで小型化した結像機器を作るかという方
法が有効である。この後者の可能性は、単にｋ＝２とい
うファクターで結像機器の容積について８、質量につい
て４〜５という改善をもたらし、従って人工衛星のペイ
ロードを相当に減少することから、前述の宇宙空間での
適用の場合に際立った利点を示す。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
利点は欠点がないというわけではないことを指摘しなけ
ればならない。事実、与えられた結像機器の分解能を増
加するにせよ、或いは焦点距離を短くした結像光学系を
用いるにせよ、デコンボリューション処理は信号対雑音
比の低下の影響を受け、これは雑音スペクトルＢu(f)に
関して画像の放射信号Ｓu(f)が以下の式で示されること
による。 Ｓu(f)＝Ｈu(f)・Ｐu(f)＋Ｂu(f)
【００１１】デコンボリューションフィルタの適用は、
復元される眺めに対して以下の関係を導く。 Ｐu'(f) ＝Ｓu(f)／Ｈu(f)＝Ｐu(f)＋Ｂu(f)／Ｈu(f)
【００１２】変調伝達関数Ｈu(f)は最大で１に等しいこ
とから、雑音Ｂu(f)の影響は増加傾向をもつことが判
る。
【００１３】本発明の目的は、前述のデコンボリューシ
ョン処理において重なりサンプリングの主要な利点を残
しながら最終的な雑音レベルを許容値以下に抑制するこ
とのできる画像記録・処理方法及びそれに好適な結像装
置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明に係る画像記録・
処理方法では、直交する二方向ｘ，ｙによって示される
平面Ｐにある眺めの像を、前記平面Ｐのｕ方向（ｕ＝
ｘ，ｙ）において遮断周波数ｆｃｕの変調伝達関数Ｈｕ
(f)（但しｆは空間周波数）を示す結像装置(100)により
与えて記録及び処理する方法であって、ｕ方向における
像のサンプリング周波数ｆｅｕ（＝ｋｆｃｕ，ｋは１よ
り大きい整数）にて前記像を記録する第１ステップと、
周波数範囲及び各ｕ方向について変調伝達関数Ｈｕ(f)
の逆数と、空間分解能と信号対雑音比との関係で調整可
能な遮断特性関数Ｉｕ(f)との積に等しいデコンボリュ
ーションフィルタ処理を前記像に適用することからなる
前記記録された像を画像処理するための第２ステップと
を実行するものである。
【００１５】この方法の一つの好ましい態様において
は、前記結像装置として少なくとも一つの検出エレメン
ト(121) を備えたものが用いられ、遮断周波数ｆcuは平
面Ｐのｕ方向における前記検出エレメントの像の寸法△
ｕの逆数とほぼ等しくされ、前記サンプリング周波数ｆ
euはｋ／△ｕと等しくされる。
【００１６】別の好ましい態様においては、前記結像装
置として少なくとも一つの検出エレメント(121) を備え
たものが用いられ、前記像の記録は平面Ｐの二方向ｘ，
ｙにおける前記検出エレメントの像の走査によって行な
われる。
【００１７】この態様による方法の実行のために本発明
に従って構成される結像装置は、直交する二方向ｘ，ｙ
によって示される平面Ｐにある眺めの像を記録する結像
装置であって、ｘ方向において同一画素ピッチdxであ
り、距離dx/nだけずらされたｎ個の平行なリニヤアレイ
を備え、前記リニヤアレイは、互いに間隔n'dx/n（n'は
０以外の整数）だけ離されている。
【００１８】
【００１９】また別の態様による結像装置(100) は、光
路分割器上に配列されて画素ピッチ方向に互いに距離dx
/2だけずらされた同一画素ピッチdxの少なくとも２つの
平行なリニヤアレイ(120,120")を備えている。
【００２０】
【作用】本発明による前述課題の解決法においては、所
定の周波数範囲及び各ｕ方向について前記変調伝達関数
Ｈu(f)の逆数と調整可能なフィルタ遮断特性関数Ｉu(f)
との積に等しいデコンボリューションフィルタ処理が行
なわれる。
【００２１】従って、復元される眺めの周波数スペクト
ルは以下の通りとなる。 Ｐu'(f) ＝Ｉu(f)・Ｐu(f)＋Ｉu(f)｛Ｂu(f)／Ｈu(f)｝
【００２２】ここで、遮断特性関数Ｉu(f)の効果は画像
品質または信号対雑音比の何れを考慮しても逆に変化す
ることに注意すべきである。最終的な雑音を、認め得る
程度までに抑制しようとする場合、Ｉu(f)・Ｐu(f)で与
えられる空間分解能の犠牲に対して低い遮断特性関数が
選ばれ、これは、重なりサンプリングが分解能を上げて
信号を減じるような結像機器の場合は重大な不利益とは
ならない。これとは対称的に、重なりサンプリングが同
じ開口数と信号量で分解能を維持可能な小型化機器で
は、高い遮断特性関数Ｉu(f)を選ぶべきである。問題と
する機器により達成しようとする任務の特質を考慮して
遮断特性関数を選ぶことは述べるまでもないことであ
る。
【００２３】
【実施例】限定を意図しない実施例として添付図面を参
照した以下の説明は本発明の構成と利点を一層理解し易
くするためのものである。
【００２４】図１は、例えば地球人工衛星に搭載して直
交する二方向を基準とする平面Ｐ内の眺めの画像を得よ
うとする結像装置１００を模式的に示している。この場
合、前記平面Ｐは大地に相当する。
【００２５】この結像装置１００は、一方でレンズ１１
０として模式的に示された結像光学系によって構成さ
れ、これは例えばミラーを有する望遠鏡でも好適に構成
でき、また他方でレンズ１１０の焦点Ｆに配置されたＣ
ＣＤ型の検出エレメント１２１からなるリニヤアレイ１
２０によって構成されている。以下の説明においては、
限定する意図なしに前記検出エレメント１２１を矩形と
みなしている。図１に見られるように、平面Ｐの走査モ
ードは『プッシュブルーム』方式であり、この走査では
ｘ軸方向に延在するリニヤアレイ１２０の像が人工衛星
の対地速度に等しい速度Ｖで直交方向ｙに移動される。
【００２６】結像装置１００は平面Ｐのｕ＝ｘ，ｙの各
方向に変調伝達関数Ｈu(f)を示し、その典型的な軌跡は
図２に示す通りである。この変調伝達関数は、結像装置
１００の分解能に対応する遮断周波数ｆcuを打ち消す。
一般に、分解能は結像装置の性能よりも検出器の不連続
構造によって制限される。例えば検出エレメント１２１
の寸法をdxとすると、平面Ｐのｕ方向における大地分解
能△ｕは、 △ｕ＝（Ｈ／ｆO ）dx で表され、ここでＨは衛星の高度、ｆO は結像装置の焦
点距離である。例えば、地球から８００ｋｍの軌道に位
置する衛星について焦点距離を１ｍ、検出エレメントの
単位幅寸法を７μｍとすると、地上で５．６ｍの分解能
が得られる。
【００２７】この場合のカットオフ周波数ｆcuは、 ｆcu＝（１／△ｕ）×（ｆO ／Ｈdx） にほぼ等しい。
【００２８】観測すべき眺めの像は先ず始めにｋ・ｆcu
（ｋは１より大きい整数）と等しいｕ方向のサンプリン
グ周波数ｆeuで記録される。図２に示した特別な実施例
においては、重なりサンプリング係数ｋが２とされてお
り、従ってｆeuは、 ｆeu＝２ｆcu＝２／△ｕ である。
【００２９】この第１段階の記録の後、記録画像Ｓu(f)
は、周波数範囲と各ｕ方向について変調伝達関数Ｈu(f)
の逆数と遮断特性関数Ｉu(f)との積に等しいデコンボリ
ューションフィルタ処理をかけるという画像処理動作に
付される。
【００３０】図３は、このような遮断特性関数の一例を
示しており、これは解析的には次式によって示される。
すなわち、 Ｉu(f)＝１ （ｆ≦ｆ1 ） Ｉu(f)＝ cos2{π(f-f1)/2(fcu-f1)} （f1＜ｆ＜ｆcu） Ｉu(f)＝０ （ｆ≧ｆcu） この曲線はハンニングウィンドウ(Hanning Window)の名
称で知られている。
【００３１】上述のように、遮断特性関数Ｉu(f)は、現
実の任務に応じて空間分解能と信号対雑音比との最良の
妥協が得られるように調整可能である。
【００３２】図４（ａ）（ｂ）は、ＣＣＤリニヤアレイ
の場合について係数２の重なりサンプリングが列と行に
ついて如何にして達成されるかを示している。
【００３３】列の重なりサンプリングについてみると、
図４（ａ）において、このリニヤアレイのための蓄積時
間Ｔ1 としては、衛星の大地における軌跡が距離△ｙ／
２を移動するに要する時間△ｔと等しくとれれば充分で
あり、従って、 Ｔ1 ＝△ｔ＝△ｙ／２Ｖ＝△ｕ／２Ｖ
【００３４】行の重なりサンプリングを達成するには、
図４ｂにおいて、互いにdx/2の間隔だけずれた同一ピッ
チdxの二つの平行な単位アレイを平面Ｐにおけるこれら
二つの単位アレイの像が△ｘ／２＝△ｕ／２だけオフセ
ットされるように得ることができれば充分である。
【００３５】図５は、係数２の行の重なりサンプリング
を達成する二つのリニヤアレイの第１の構成例を示して
いる。アレイ１２０’と１２０”は夫々プリズム２１
０’と２１０”の各一面にマウントされており、これら
プリズムは、光路分割器２００を構成するように側面同
士で重ねられている。入射光束３００は、ハーフミラー
を形成する両プリズムの境界面２２０で分けられる。従
って、各リニヤアレイ１２０’と１２０”は観測すべき
眺めから生じた光エネルギーの半分づつを受け取り、こ
れによって信号対雑音比を制限する。
【００３６】図６に示した構成は、図５の構成に関して
係数２を乗じた信号で係数２の重なりサンプリングを達
成可能とするものである。dx/2だけオフセットした二つ
のリニヤアレイ１２０’と１２０”が同一コンポーネン
ト４００上に作られており、各アレイで別々に記録画像
の同期が得られるように、一方のアレイに対する他方の
アレイの記録動作の遅延量を必ずk'Ｔi （ｋは０以外の
整数）と等しくし、これはアレイ間の間隔ｄをk'dx/2と
等しくすることを意味する。この第２の構成例におい
て、各リニヤアレイは夫々入射光束の全量を受け取り、
したがって信号量は図５の構成の場合の２倍となる。光
子ノイズが圧倒的である場合、信号対雑音比は√２倍と
なる。
【００３７】図６の構成例は２以上の係数ｋでの重なり
サンプリングに一般化できることに注意すべきである。
同一コンポーネント上でｘ方向に互いにdx/kだけずれた
ｋ個のリニヤアレイをk'dx/kの間隔で配置できれば充分
である。この係数ｋは、複数のリニヤアレイを備えた一
つのコンポーネントを製造する技術的可能性によって制
限されるだけである。
【００３８】最後に、複数の検出エレメントを複数のア
レイ形態に組み合わせて構成するものとして本発明を説
明したが、単一のアレイ部品で構成することもできるの
は自明のことである。この場合、検出器上の像の記録は
平面Ｐの二方向について検出エレメントの像を各走査方
向に重なりサンプリング手法で走査することで行なわれ
る。
【００３９】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明の画像記録
・処理方式によれば、所定の周波数範囲及び各ｕ方向に
ついて前記変調伝達関数Ｈu(f)の逆数と調整可能なフィ
ルタ遮断特性関数Ｉu(f)との積に等しいデコンボリュー
ションフィルタ処理が行なわれるので、デコンボリュー
ション処理において重なりサンプリングの主要な利点を
残しながら最終的な雑音レベルを許容値以下に抑制する
ことができ、またその実行に好適な結像装置を得ること
ができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法を実行するための結像装置の
説明図である。
【図２】図１の結像装置の変調伝達関数の一例を示す線
図である。
【図３】図２の変調伝達関数と組み合わせて適用し得る
遮断特性関数の一例を示す線図である。
【図４】検出器のリニヤアレイに対する行列方向の重な
りサンプリングの一例を示し、（ａ）は列のサンプリン
グ、（ｂ）は行のサンプリングの説明図である。
【図５】係数２の重なりサンプリングを達成するリニヤ
アレイの第１の構成例を示す説明図である。
【図６】係数２の重なりサンプリングを達成するリニヤ
アレイの第２の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１００：結像装置 １２０：リニヤアレイ １２１：検出エレメント ２００：光路分割器 ３００：入射光束 ４００：リニヤアレイコンポーネント
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−80770（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−150572（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−126386（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−54799（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−261480（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−252261（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−108378（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G06T 5/00 - 5/50 G06T 1/00 H04N 1/19 - 1/195 H04N 1/409

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直交する二方向ｘ，ｙによって示される
    平面Ｐにある眺めの像を、前記平面Ｐのｕ方向（ｕ＝
    ｘ，ｙ）において遮断周波数ｆｃｕの変調伝達関数Ｈｕ
    (f)（但しｆは空間周波数）を示す結像装置(100) によ
    り与えて記録及び処理する方法であって、ｕ方向におけ
    る像のサンプリング周波数ｆｅｕ（＝ｋｆｃｕ，ｋは１
    より大きい整数）にて前記像を記録する第１ステップ
    と、周波数範囲及び各ｕ方向について変調伝達関数Ｈｕ
    (f)の逆数と、空間分解能と信号対雑音比との関係で調
    整可能な遮断特性関数Ｉｕ(f)との積に等しいデコンボ
    リューションフィルタ処理を前記像に適用することから
    なる前記記録された像を画像処理するための第２ステッ
    プとを備えた画像記録・処理方法。
  2. 【請求項２】 前記結像装置として少なくとも一つの検
    出エレメント(121) を備えたものを用い、遮断周波数ｆ
    ｃｕを平面Ｐのｕ方向における前記検出エレメントの像
    寸法△ｕの逆数とほぼ等しくし、サンプリング周波数ｆ
    ｅｕをｋ／△ｕと等しくすることを特徴とする請求項１
    に記載の画像記録・処理方法。
  3. 【請求項３】 前記結像装置として少なくとも一つの検
    出エレメント(121) を備えたものを用い、前記像の記録
    を平面Ｐの二方向ｘ，ｙにおける検出エレメント像の走
    査によって行なうことを特徴とする請求項１または２に
    記載の画像記録・処理方法。
  4. 【請求項４】 直交する二方向ｘ，ｙによって示される
    平面Ｐにある眺めの像を記録する結像装置であって、 ｘ方向において同一画素ピッチdxであり、距離dx/nだけ
    ずらされたｎ個の平行なリニヤアレイを備え、前記リニヤアレイは、互いに間隔n'dx/n（n'は０以外の
    整数）だけ離されていることを特徴とする結像装置。
  5. 【請求項５】 光路分割器上に配列されて画素ピッチ方
    向に互いに距離dx/2だけずらされた同一画素ピッチdxの
    少なくとも２つの平行なリニヤアレイを備えたことを特
    徴とする請求項４に記載の結像装置。
JP4192829A 1991-06-27 1992-06-29 画像記録・処理方法及びこの方法の実施のための結像装置 Expired - Lifetime JP3012870B2 (ja)

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