JP5089319B2 - 水中探知装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波により水中をスキャンして魚群等を探知するスキャニングソナーのような水中探知装置に関し、特に、エコーの映像を３次元表示するための技術に関する。

スキャニングソナーは、送受波器から水中に超音波ビームを送信し、所定方向へのスキャンによってエコーを受信し、受信したエコーに基づいて魚群等の映像を表示する水中探知装置の一種である。近年にあっては、球形送受波器を用いることにより、傘形ビームによる水平（全周）スキャンと扇形ビームによる垂直（半周）スキャンの各機能を統合したスキャニングソナーが実用化されている。従来の円筒形送受波器を用いたスキャニングソナーでは、自船直下の探知はできなかったが、球形送受波器により、自船直下も含めた水面下全方向の探知が可能となった。

しかしながら、球形送受波器を用いた場合でも、１回の送受信で探知できるのは、傘形ビームまたは扇形ビームでスキャンする２次元領域である。水中の３次元領域を探知するためには、超音波ビームのティルト角（傘形ビームまたは扇形ビームが水平面となす角度）やベアリング角（垂直型の扇形ビームが船首方位を含む垂直面となす角度）を、送受信毎に小刻みに変化させていく必要があり、探知に時間がかかる。これに対して、球形送受波器の全素子（超音波振動子）を同位相・同振幅で駆動し、水面下全方向の３次元領域に対して無指向性の超音波ビームを送信し、当該３次元領域に対してペンシルビームを走査することにより、１回の送受信で３次元領域を高速に探索する方法が後掲の特許文献１で提案されている。

このような球形送受波器を用いることで、水中の３次元領域の探知を高速に行うことができるが、ここで問題となるのは、探知の結果得られたエコーの映像をどのように表示するかである。特許文献１には、エコーの３次元映像の表示について言及はあるものの、具体的な表示方法については記載されていない。エコーの映像を３次元表示する先行技術としては、後掲の特許文献２、特許文献３に記載のものがある。特許文献２では、海中から受信したエコーを３次元直交座標に記憶させたボリュームデータを作成し、このボリュームデータをエコーレベルの閾値を用いて等値面化処理を行い、その結果得られた各等値面を明暗濃度差あるいは色相差をもって半透明にして重ねて映像表示するようにしている。また、特許文献３では、水平スキャンおよび垂直スキャンにより得られたエコーのデータから３次元のエコー表示データを生成し、このエコー表示データに基づいて３次元の魚群映像を立体的に表示するようにしている。

特開２０００−１６２３０８号公報 特開平９−４３３５０号公報 特開２００６−１６２４８０号公報

特許文献２では、平面的に表示された魚群の映像に濃度や色の差をつけることによって水中情報を表現しているので、３次元的なイメージを構築することは可能であるが、連続したエコーデータから３次元データを作成しやすいように、ティルト角やベアリング角を変更させたり、操業させたりする必要がある（ベアリング角を０°から１８０°へ急に変更するようなことはできない）。また、複数の閾値を設定し、それぞれについて３次元的に等値面化処理を行っており、処理が複雑となる。特許文献３は本出願人が先に提案したものであり、エコーの映像を立体的に表示して分かりやすくしたものであるが、ここでの３次元映像は、水平スキャンおよび垂直スキャンから得られる２次元データをもとに作成されるものであり、３次元領域を探知したデータに基づいて作成されるものではないので、３次元描画を行うためのデータを取得するのに時間を要する。

本発明は、上述した課題に鑑み、水中情報を３次元映像としてより一層分かりやすく表示することができ、描画処理も簡単に行える水中探知装置を提供することを目的としている。

本発明に係る水中探知装置は、複数の超音波振動子を有する送受波器から超音波ビームを水中に送信して３次元領域を受信ビームによりスキャンし、送受波器で受信したエコーに基づいてスキャン領域内の水中情報を３次元映像として表示する水中探知装置であって、送受波器の各超音波振動子から出力される受信信号を合成して、合成受信信号を得る受信ビーム形成部と、この受信ビーム形成部から出力される合成受信信号に基づいて描画処理を行い、３次元映像を生成する映像処理部と、この 映像処理部で生成された３次元映像を表示する表示部とを備える。映像処理部は、受信ビームを所定のサンプリングレートでサンプリングして、受信ビームごとに各サンプリング点におけるエコーレベルを取得し、各サンプリング点または隣接するサンプリング点の間にある補間点を頂点とする単位多角形からなるポリゴンの集合体であるエコーメッシュを、水中の所定方向に複数形成し、形成した各エコーメッシュにおけるポリゴンの各頂点のエコーレベルと閾値とを比較して、各頂点のうち所定数の頂点のエコーレベルが閾値より低いポリゴンについては、当該ポリゴン内に各頂点のエコーレベルに応じて、隣接する頂点の間にある点を頂点に含む新たなポリゴンを作成することによって、ポリゴンを再作成し、再作成したポリゴンを含むエコーメッシュのポリゴンのうち、着色すべきポリゴンに対して所定の着色処理を施し、ポリゴンに着色がされた各エコーメッシュを重ね合せて表示部に３次元映像を表示するものである。

本発明においては、３次元スキャンで得たエコーレベルのデータに基づいてエコーメッシュに着色をするに際して、もとのポリゴンにそのまま着色処理を施すのではなく、着色すべきポリゴンをさらに細かく選別してポリゴンを再作成し、この再作成されたポリゴンに対して着色処理を施すようにしている。したがって、映像を立体表示する場合の分解能が向上し、一層分かり易い３次元映像を得ることができる。また、一度の送受信で３次元データを取得するので、一度の送受信で３次元映像を作成することができ、ほぼリアルタイムで３次元映像を表示することが可能となる。また、本発明では、エコーメッシュからポリゴンを切り出す際の閾値は１つのみでよく、切り出し前のエコーメッシュについてその閾値で切り出し、切り出されたポリゴンに対して着色を行い、それらを重ね合わせて表示するので、ポリゴンの切り出しは２次元的な処理となり、特許文献２のように閾値を複数設けて３次元的な処理を行うものに比べて、処理が単純となる。

本発明の好ましい実施形態においては、エコーメッシュは、水平方向に平面をなし垂直方向に等間隔で形成された平面メッシュからなる。この場合、各受信ビームごとに隣接するサンプリング点に対して線形補間処理を行うことにより、ポリゴンの頂点である補間点のエコーレベルを決定する。平面メッシュは球面メッシュのように中心が窪んでおらず平坦な形状をしているため、着色した３次元映像がみやすいという利点がある。また、単純な線形補間によりメッシュを形成できるため、演算時間が短くてすむ。

本発明において、各エコーメッシュのポリゴンは、深度に応じて着色がされていてもよいし、エコーレベルに応じて着色がされていてもよい。好ましくは、いずれを基準として表示するかをユーザの選択により切り換えることができるようにする。

本発明においては、海底からの一定レベル以上のエコーに対して、海底を表す特定の色でポリゴンを着色するようにしてもよい。このようにすることで、海底からのエコーの表示色を魚群等からのエコーの表示色と区別して表示することができるので、画面上で海底部分を一目瞭然に判別することが可能となる。

また、本発明においては、各エコーメッシュのポリゴンに対して深度に応じた色を設定した後、エコーレベルの低い部分ほど暗くなるように各ポリゴンの色を再設定することにより、３次元映像をエコーレベルに応じてグラデーション表示するようにしてもよい。このようにすることで、３次元映像をより立体的に見易く表示することができる。

また、本発明では、ポリゴンの着色表示に重ねて、エコーメッシュの線をワイヤーフレームとして表示してもよい。このようにすることで、ワイヤーフレームが等高線のような表示効果を発揮し、３次元映像をより分かりやすく表示することができる。

また、本発明においては、３次元映像における着色の重なり部分に影を表示するようにしてもよい。このようにすることで、着色の重なり部分がイメージしやすくなり、３次元映像をより見易く表示することができる。

また、本発明においては、３次元映像の任意の垂直断面における断面投影図と、３次元映像の任意の深度における水平投影図とを、３次元映像と並べて表示するようにしてもよい。このようにすることで、３次元映像の任意の部分を切り出して表示することができ、ユーザが映像内部のデータを容易に確認することができる。

さらに、本発明においては、３次元映像を、視点からみて手前側が明るく奥側が暗くなるように表示してもよい。例えば、視点に光源を設定して、光源に近い映像部分を明るく表示し、光源から遠い映像部分を暗く表示する。このようにすることで、３次元映像に奥行き感をもたせることができるとともに、映像をどの方向からみているかをユーザが容易に把握することができる。

そのほか、本発明においては、水中の所定の３次元領域に対してのみ、無指向性の送信ビームを形成することにより、受信ビームのグレーティングローブによる不要エコー（ノイズ）の影響を最小限に抑えることができる。また、各方位ごとに周波数の異なる超音波ビームを送信することにより、他の方位からの信号の影響を受けにくくして、グレーティングローブを低減することができる。さらに、船体の動揺に応じて送受信ビームの形成方向を補正することにより、常に安定した映像を得ることができる。

本発明によれば、水中情報を３次元映像としてより一層分かりやすく表示することができ、描画処理も簡単に行える水中探知装置を提供することができる。

図１は、本発明で用いる送受波器の一例を示している。送受波器１は、上部の円筒部１Ａと、この円筒部１Ａに連続する下部の半球部１Ｂとから構成されている。２は信号を送受するためのケーブルである。円筒部１Ａおよび半球部１Ｂは、所定の間隔で配列された多数の素子１０を有している。これらの素子１０は、円形の超音波放射面を有する超音波振動子から構成されている。送信時には、所定の３次元領域に対して無指向性の送信ビーム（球面波）を形成するように、各素子１０に与えられる信号の振幅や位相を制御する。この場合、送信周波数は送信方位別に可変とする。また、受信時には、受信用のペンシルビームを形成し、受信ビーム毎に、受信帯域、開口内の素子・受信ウェイト・位相量を独立に制御する。

図２は、水中の３次元領域スキャンの概念図である。３は船舶、４は船舶３の船底に装備された送受波器１（図示省略）により形成される受信ビームを表している。図３は、受信ビームのスキャンによって得られるエコーデータのイメージ図（平面図）である。数字は受信ビームのビーム番号、黒丸は各受信ビームにおける所定のサンプリング点を表しており、各サンプリング点に対応して１つのエコーデータ（エコーの信号レベル情報）が取得される。図３のように、受信ビームは円周方向に所定間隔をおいて形成されるので、スキャンで得られるエコーデータは離散的なデータとなる。なお、図３に示した受信ビームの並びは一例であって、これに限定されるものではない。

図４は、本発明の実施形態に係る３次元スキャニングソナー（以下「３Ｄソナー」という。）１００のブロック回路図である。図４に示したハードウェア構成そのものは、従来の装置と変わりがない。１０は前述の送受波器１の素子（超音波振動子）であって、１つの素子１０ごとに１つの送受信チャンネルＣｈ（Ｃｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ３…）が設けられている。各送受信チャンネルの構成は同じなので、以下では送受信チャンネルＣｈ１について説明する。送受信チャンネルＣｈ１において、１１は送信と受信の動作を切り替える送受切替回路、１２は送信信号を素子１０に与える送信回路、１４は素子１０が受信した信号に対して増幅やノイズ除去等の処理を行なう受信回路、１５は受信回路１４から出力される受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１６，１７は後段の回路との間で信号の授受を行うためのインターフェースである。

１８は送信ビーム形成部であって、送信周期ごとに、各チャンネルの遅延量、ウェイト値および方位角を計算し、チャンネルごとの送信ビームを形成する。１９は操作部であって、この操作部１９に設けられたキーを操作してティルト角の入力や、表示メニューの選択などを行う。２０は３Ｄソナー１００の全体の動作を制御する制御部としてのホストＣＰＵである。２１は受信ビーム形成部であって、各素子１０から出力された受信信号を合成することにより合成受信信号を得る。２２は映像処理部であって、受信ビーム形成部２１から出力される受信信号を検波しサンプリングして得られたエコーデータに基づいて、後述する描画処理を行い３次元映像を生成する。２３は例えば液晶ディスプレイから構成される表示部であって、映像処理部２２で生成された３次元映像に基づき、探知領域内の魚群や海底等の水中情報を立体映像として表示する。

なお、図４には図示されていないが、３Ｄソナー１００が搭載される船舶には、船体の動揺を検出する動揺センサが装備されており、送信ビーム形成部１８は、このセンサの出力に基づいて、船舶の動揺にかかわらず送信ビームが常に所定方位となるようにビームを形成する。同様に、受信ビーム形成部２１も、上記センサの出力に基づいて、船舶の動揺にかかわらず受信ビームが常に所定方位となるようにビームを形成する。

また、上記３Ｄソナー１００においては、前述したように、方位別に異なる周波数の信号を用いて送受信が行なわれる。特開２００３−３３７１７１号公報には、２次元スキャンにおける方位別周波数送受信法が記載されているが、この原理は３次元スキャンにも適用することができる。この方式を採用した場合は、送信ビーム形成部１８で方位別に異なる周波数帯域の送信信号が生成され、各方位ごとに周波数の異なる超音波ビームが送受波器１から送信される。また、エコーの受信時には、受信ビーム形成部２１が方位別に周波数を選択し所定方位の受信信号を得る。このように、方位別に異なる周波数で送受信を行い、受信すべき方位に応じた周波数の信号を選択的に受信することにより、他の方位からの信号の影響を受けにくくして、グレーティングローブを低減することができる。

次に、映像処理部２２における描画処理の手順について詳細に説明する。映像処理部２２では、まず、受信ビーム形成部２１からの出力信号を検波してエンベロープを検出し、さらにＡ／Ｄ変換により所定のサンプリングレートでサンプリングを行って３次元のエコーデータを取得する。このエコーデータは、図３で説明したように、受信ビームのサンプリング点におけるエコーの信号レベル（強度）を表すデータである。

エコーデータが取得されると、次に、エコーメッシュを作成する。エコーメッシュの例を図５、図７に示す。図５は球面メッシュＭｓの例であり、斜視図を示している。図７は平面メッシュＭｐの例であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図を示している。各図において、Ｐはポリゴンの１つを表している（便宜上、黒塗りで示してある）。ポリゴンは、受信ビームのサンプリング点（または後述する線形補間点）を頂点として形成される単位多角形であり、ここでは３角形ポリゴンを例に挙げている。エコーメッシュはポリゴンの集合体であり、図６、図８のように水中の所定方向（図の例では真下方向）に複数形成される。図５の球面メッシュＭｓの場合は、図６のようにメッシュは送受波器から同距離にある点を含む球面をなし、図７の平面メッシュＭｐの場合は、図８のようにメッシュは同深度にある点を含む平面をなしている。なお、図６、図８において、Ｂは受信ビームを表しており、白丸（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３等）は各受信ビームのサンプリング点を表している。図１０は、２つの平面メッシュＭｐ１、Ｍｐ２を重ね合わせた状態を示している。このように複数のエコーメッシュを重ね合わせることによって、後述するような３次元映像が得られる。

ところで、各受信ビームのエコーデータは、サンプリングレートが同じであるため、送受波器１から同距離のデータを用いて作成する図５のような球面メッシュＭｓは、容易に作成することができる。すなわち、図６において、例えばＳ１，Ｓ２，Ｓ３，…Ｓｎのサンプリング点は送受波器からの距離が等しいから、これらのサンプリング点がそのままエコーメッシュを形成することになる。しかし、球面メッシュＭｓは、図５からもわかるように、中心が窪んでいて線が交錯しており形状を直感的に把握しにくいので、本実施形態ではエコーメッシュとして、図７の平面メッシュＭｐを用いることとする。

平面メッシュＭｐは、図８のように、同深度の点を含む平面として形成されるが、図６に対応するサンプリング点（白丸）は必ずしもメッシュ上に存在しない。したがって、球面メッシュＭｓの場合のようにサンプリング点のエコーデータをそのまま用いることができないので、受信ビームごとにエコーデータの線形補間を行って、平面メッシュＭｐ上の各点のエコーデータを求める。すなわち、図９に示すように、ある受信ビームに対する平面メッシュＭｐ上の点をＱとし、ビーム上でＱに隣接するサンプリング点をＳａ，Ｓｂとしたとき、ＳａおよびＳｂの各エコーデータを用いて線形補間を行い、点Ｑにおけるエコーデータを計算によって求める。これにより、図８で黒丸で示す平面メッシュＭｐ上の各点（ポリゴンの頂点）のエコーデータが得られる。なお、球面メッシュＭｓの場合は、上述した平面メッシュＭｐと同様に、鉛直方向に対しても線形補間を行うことで、メッシュ間のすき間を埋めることができ、形状を把握しにくいという問題を解決することができる。

次に、上記のようにして形成した平面メッシュＭｐのポリゴンＰに対し、深度あるいはエコーレベルに応じた着色処理を行う。この場合、前掲の特許文献３に記載されているように、３つの頂点のエコーレベルが全て閾値以上であるポリゴンＰのみを抽出し、抽出したポリゴンＰに着色をする方法が考えられる。しかしながら、図７に示されるように、平面メッシュＭｐのポリゴンＰは比較的粗く形成されているため、上記のような方法で着色処理を行うと、得られる映像は図１１や図２０のような、三角形の表示／非表示だけの粗い映像となる。図１１は１つの平面メッシュに対して着色を施した映像であり、当該メッシュの深度に対応した単一色（例えば緑）で着色されている。図２０も１つの平面メッシュに対して着色を施した映像であり、エコーレベルに対応した複数色（例えば赤、黄、緑、青など）で着色されている。

図１２は、図１１のように着色された各深度の平面メッシュを重ね合わせて得られる映像であり、深度に応じた色が重なって表示されている。図１３は、図１２を斜めから見た３次元映像である。図２１は、図２０のように着色された各深度の平面メッシュを重ね合わせて得られる映像であり、エコーレベルに応じた色が重なって表示されている。図２２は、図２１を斜めから見た３次元映像である。これらの図からわかるように、エコーの映像は解像度が非常に粗く、幾何学模様に近い映像となっている。

そこで、本発明においては、解像度を上げるために、ポリゴンＰの各頂点のエコーレベルと、予め定めた閾値とに基づいて、ポリゴンの再作成処理を行なう。図１４は、ポリゴンＰの再作成の手法を説明する図である。白丸はエコーレベルが閾値より高い点、灰色の丸はエコーレベルが閾値に等しい点、黒丸はエコーレベルが閾値より低い点を表している。

図１４において、（ａ）のように、ポリゴンを構成する３点全てのエコーレベルが閾値より高い場合は、もとのポリゴンをそのまま用いる。（ｂ）のように、ポリゴンを構成する３点のうち、２点のエコーレベルが閾値より高く、１点のエコーレベルが閾値より低い場合は、レベルの高い２点とレベルの低い１点との間の閾値レベルの点を線形演算により求め、求めた２点と、レベルの高い２点とを用いて２つのポリゴンＰ１，Ｐ２を新たに作成する。（ｃ）のように、ポリゴンを構成する３点のうち、１点のエコーレベルが閾値より高く、２点のエコーレベルが閾値より低い場合は、レベルの高い１点とレベルの低い２点との間の閾値レベルの点を線形演算により求め、求めた２点と、レベルの高い１点とを用いてポリゴンＰ３を新たに作成する。（ｄ）のように、ポリゴンを構成する３点全てのエコーレベルが閾値より低い場合は、新たなポリゴンの作成を行わない。このように、各ポリゴンＰの３点のエコーレベルと閾値とを用いてポリゴンの再作成処理を行うことによって、結果的に平面メッシュＭｐも再作成されることになる。

次に、再作成されたポリゴンに対して、図１４で網線で示すように着色処理を行う。この場合、深度またはエコーレベルに応じて、カラーテーブルから選択した任意の色で着色が行なわれる。ポリゴンを再作成しない場合は、着色処理の結果は図１４の（ａ）と（ｄ）だけになるが、ポリゴンの再作成により、（ａ）（ｄ）だけでなく（ｂ）（ｃ）のような着色がされるため、よりきめ細かな着色処理を行なうことが可能となり、解像度を上げることができる。なお、深度とエコーレベルのいずれを基準として表示を行うかは、ユーザの選択により切り換え可能とするのが好ましい。

図１５は、ポリゴンの再作成処理を行った後、深度に応じた着色を施した平面メッシュを重ね合わせて得られる映像であり、図１６は、図１５を斜めから見た３次元映像である。図１５および図１６を、図１２および図１３と対比すると、ポリゴンを再作成して着色処理を行うことで解像度が向上し、見やすい映像となっていることがわかる。

図２３は、ポリゴンの再作成処理を行った後、エコーレベルに応じた着色を施した平面メッシュを重ね合わせて得られる映像であり、図２４は、図２３を斜めから見た３次元映像である。図２３および図２４を、図２１および図２２と対比すると、ポリゴンを再作成して着色処理を行うことで解像度が向上し、見やすい映像となっていることがわかる。

以上が３次元映像を表示するための基本的な描画手順であるが、本発明ではこれに加えて、以下のような種々の表示処理を行うこともできる。

（１）海底色表示
エコーの映像表示においては、通常、信号レベルが高い部分は赤色や黄色で表示されるが、海底からのエコーは信号レベルが高いため、海底の映像を同様の色で表示すると、ターゲット（魚群など）からのエコーの映像と区別がつきにくく、見にくい表示となる。そこで、海底であることが分かっている部分については、通常のエコー色と違った色で着色した方が見やすくなる。この観点から、本発明では、海底からのエコーを判別して、海底エコーについては海底を表す特定の色でポリゴンを着色する。このために、海底深度を予め設定する。海底深度の設定は、ユーザが操作部１９（図４）で数値を入力することにより行う。映像処理部２２では、設定された海底深度以下の深度からのエコーのレベルを閾値と比較して、一定レベル以上のエコーを海底エコーとして抽出し、海底深度に対応する平面メッシュＭｐ上の該当するポリゴンに対して海底色で着色処理を行う。

例えば、先に示した図２３、図２４において、符号５で示す部分は魚群のエコー映像であり、それ以外の符号６で示す部分は海底のエコー映像である。魚群のエコー映像５は通常どおり赤色や黄色などで表示されるのに対し、海底のエコー映像６は例えば紫色で表示される。このようにすることで、海底からのエコーの表示色を魚群等からのエコーの表示色と区別して表示することができるので、画面上で海底部分を一目瞭然に判別することが可能となる。なお、ここでは、海底深度をユーザで設定する場合を例に挙げたが、エコーレベルに基づいて海底を自動的に検出し、あるいは鉛直方向の受信ビームの信号を用いて海底深度を自動的に算出することにより、海底部分を海底色で表示することも可能である。

（２）グラデーション表示
グラデーションは、エコーレベルの高い部分ほど明るく表示し、エコーレベルの低い部分ほど暗く表示する方法である。各平面メッシュのポリゴンに対して深度に応じた色を設定した後、エコーレベルの低い部分ほど暗くなるように（Ｒ・Ｇ・Ｂの各値が同比率で小さくなるように）各ポリゴンの色を再設定することにより、３次元映像をエコーレベルに応じて簡単にグラデーション表示することができる。図１７は、グラデーション処理を行った３次元映像の例である。このようにすることで、３次元映像をより立体的に見易く表示することができる。

（３）ワイヤーフレーム表示
平面メッシュの網目状の線は、ワイヤーフレームとして、ポリゴンの着色表示に重ねて表示することができる。図１８は、ポリゴンを再作成した後の平面メッシュを図１５に重ねたものである。図１９は、図１８を斜めから見た３次元映像である。図２５は、ポリゴンを再作成した後の平面メッシュを図２３に重ねたものである。図２６は、図２５を斜めから見た３次元映像である。各図において、Ｗはワイヤーフレームを表している。このようにすることで、ワイヤーフレームＷが等高線のような表示効果を発揮し、３次元映像をより分かりやすく表示することができる。なお、ここでは、再作成後の平面メッシュを用いてワイヤーフレームを表示したが、もとの平面メッシュ（図７）を用いてワイヤーフレームを表示するようにしてもよい。

（４）影付け表示
３次元映像における着色の重なり部分に影を表示することにより、着色の重なり部分がイメージしやすくなり、３次元映像をより見易く表示することができる。図２７に影付け表示の例を示す。エコー映像が上下に重なった部分において、上側の映像の影Ｚ（例えば黒色）を表示することで、映像をより立体的に見せることができる。

（５）垂直・水平投影図の併記
３次元映像を表示するだけでは、内側のポリゴンが外側のポリゴンに隠れて、映像内部のデータを見ることができない。そこで、３次元映像の任意の垂直断面における断面投影図と、３次元映像の任意の深度における水平投影図とを付加することにより、３次元映像の任意の部分を切り出して表示することができ、ユーザが映像内部のデータを容易に確認することができる。図２８にその表示例を示す。Ｇは３次元映像、Ｖは断面投影図（２次元映像）、Ｈは水平投影図（２次元映像）である。３次元映像Ｇは、図１９、図２６に相当するものである。７は断面投影図Ｖの断面領域を示すための断面投影部表示であって、ここでは半透明のボックスとして表示されている。この断面投影部表示７は、水平投影図Ｈにおいても平面図として表示されている。断面投影部表示７の表示方位と幅は、任意に変更することができる。図２９は、その表示方位と幅を変更した場合の表示例である。また、断面投影部表示７としては、半透明のボックスに代えて、図３０に示すようなワイヤー８を用いてもよい。このワイヤー８についても、表示方位や幅を任意に変更することができる。一方、水平投影図Ｈに関しては、表示深度範囲を任意に設定することができ、設定された範囲のエコーデータが表示される。

以上のような３次元映像Ｇ、断面投影図Ｖ、水平投影図Ｈは、それぞれ任意の枚数Ｎ（Ｎ≧０）を組み合わせて表示することができる。例えば、深度の異なる複数の水平投影図を同時に表示したり、断面投影図Ｖと水平投影図Ｈの一方のみを表示したりすることができる。また、必要な深度（領域）のエコーデータのみを表示することで、描画処理の時間を短縮することができる。さらに、他の例として、映像の部分拡大表示を行う機能を付加してもよい。

（６）光源による明暗表示
図３１のように、３次元映像Ｇを、視点Ａからみて手前側が明るく奥側が暗くなるように表示してもよい。この場合、視点Ａに光源（図示省略）を置いたと仮定すると、３次元映像Ｇの光源に近い部分は光が当たって明るく表示され、光源から遠い部分は光が当たらず暗く表示される。このようにすることで、３次元映像Ｇに奥行き感をもたせることができるとともに、映像をどの方向からみているかをユーザが容易に把握することができる。また、水平投影図Ｈにおいても同様の表示が得られるので、どの位置から３次元映像Ｇをみているかを、水平投影図Ｈで容易に把握することができる。

図３２は、以上説明した映像処理部２２における描画処理の手順を表したフローチャートである。ステップＳ１では、受信ビーム形成部２１からの出力信号に基づき、３次元のエコーデータを取得する。ステップＳ２では、取得したエコーデータに基づき、線形補間処理を行って平面メッシュＭｐを作成する（図７、図８）。ステップＳ３では、作成した平面メッシュＭｐにおける各ポリゴンの３点のエコーレベルと閾値とを用いてポリゴンの再作成処理を行う（図１４）。ステップＳ４では、再作成したポリゴンに対し、深度またはエコーレベルに応じて着色処理を行う（図１５、図１６または図２３、図２４）。ステップＳ５では、ワイヤーフレーム表示や影付け表示などのオプション処理を行う（図１７〜図１９、図２５〜図２７、図３１）。ステップＳ６では、ステップＳ４およびＳ５での処理の結果得られた３次元映像Ｇを表示部２３に表示する（図２８〜図３０）。ステップＳ７では、３次元映像Ｇに加えて断面投影図Ｖを表示する（同）。ステップＳ８では、３次元映像に加えて水平投影図Ｈを表示する（同）。

以上述べた実施形態によれば、３次元スキャンで得たエコーレベルのデータに基づいて平面メッシュＭｐに着色をするに際して、もとのポリゴンにそのまま着色処理を施すのではなく、着色すべきポリゴンをさらに細かく選別してポリゴンを再作成し、この再作成されたポリゴンに対して着色処理を施すようにしている。したがって、映像を立体表示する場合の分解能が向上し、一層分かり易い３次元映像を得ることができる。また、一度の送受信で３次元データを取得するので、一度の送受信で３次元映像を作成することができ、ほぼリアルタイムで３次元映像を表示することが可能となる。また、上述した実施形態においては、平面メッシュＭｐからポリゴンＰを切り出す際の閾値は１つのみでよく、切り出し前の平面メッシュＭｐについてその閾値で切り出し、切り出されたポリゴンＰに対して着色を行い、それらを重ね合わせて表示するので、ポリゴンＰの切り出しは２次元的な処理となり、特許文献２のように閾値を複数設けて３次元的な処理を行うものに比べて、処理が単純となる。

また、特許文献１のように、水面下の全方向に対し無指向性で同一周波数の超音波ビームを送信すると、グレーティングローブによる不要エコー（ノイズ）が現われやすいという問題があるが、上述した実施形態のように、水中の所定の３次元領域に対してのみ、無指向性の送信ビームを形成することによって、受信ビームのグレーティングローブによる不要エコーの影響を最小限に抑えることができる。また、探知領域内において送信周波数を可変し、受信ビーム毎に帯域制限をすることにより、サイドローブとグレーティングローブの影響を一層低減することができる。さらに、船体の動揺を検出する動揺センサから動揺データを取得して、船体の動揺に応じて送受信ビームの形成方向を補正することにより、常に安定した映像が得られる。

本発明では、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。例えば、上述した実施形態では、円筒部と半球部とを組合せた送受波器１を用いたが、本発明で用いる送受波器はこのような形状にものだけに限られず、図３３に示したような、球体の表面に配置された多数の素子３１を有する球形送受波器３０を採用してもよい。

また、上述した実施形態では、図３４（ａ）のように、垂直方向を中心とするビームを例に挙げたが、図３４（ｂ）のように、斜め方向を中心とするビームに対しても同様の処理が可能である。前述のように水中の所定の３次元領域に対してのみ無指向性の送信ビームを形成する場合は、探知領域を任意の方向に設定できるので、平面メッシュＭｐは図３４（ａ）のように水平である必要はなく、図３４（ｂ）のように傾斜したものであってもよい。なお、図３４（ｂ）の場合は、各平面メッシュＭｐは同深度の点を含むものではなくなるが、平面メッシュが同深度となるように、線形補間により平面メッシュを作成してもよい。

その他、本発明に包含される実施形態として、以下のような例が考えられる。

前記実施形態では、三角形のポリゴンを例に挙げたが、ポリゴンとしては三角形に限らず、四角形や六角形などの多角形であってもよい。

前記実施形態では、エコーメッシュとして平面メッシュＭｐを例に挙げたが、平面メッシュＭｐに代えて、図５、図６で示したような球面メッシュＭｓを用いてもよい。また、平面メッシュＭｐや球面メッシュＭｓ以外に、例えば波打ったような形状のエコーメッシュを用いても同様の処理を行うことができる。

図２８〜図３０においては、断面投影図Ｖの垂直断面の領域を示す断面投影部表示７，８を表示する例を挙げたが、このような断面投影部表示に限らず、水平投影図Ｈの水平断面の領域を示す水平投影部表示を表示してもよい。あるいは、断面投影部表示と水平投影部表示の両方を表示するようにしてもよい。

３次元映像を見る視点をユーザで変更可能とすることにより、任意の方向から見た立体映像を表示させることができる。

３次元映像を地球座標系で描画することにより、エコートレイルのような映像を重ね書きする描画が可能となる。また、古いエコーの映像を次第に薄くフェードアウトさせるような描画処理を行ってもよい。

ロックした魚群の方向にビームの中心を向けるいわゆるターゲットロック機能により、ビーム中心を自動的に変更することができる。

以上の実施形態では、水中探知装置としてスキャニングソナーを例に挙げたが、本発明はスキャニングソナーに限らず、測深機、潮流計などの各種水中探知装置に適用することができる。

本発明で用いる送受波器の一例である。 水中の３次元領域スキャンの概念図である。 エコーデータのイメージ図である。 本発明の実施形態に係る３次元スキャニングソナーのブロック回路図である。 球面メッシュの例である。 球面メッシュの断面図である。 平面メッシュの例である。 平面メッシュの断面図である。 エコーデータの線形補間を説明する図である。 ２つの平面メッシュを重ねあわせた状態を示す図である。 深度に応じてポリゴンを着色した結果得られる映像の例である。 各深度の平面メッシュを重ね合わせて得られる映像の例である。 図１２を斜めから見た３次元映像である。 ポリゴンの再作成の手法を説明する図である。 本発明の描画処理により得られた映像の例である。 図１５を斜めから見た３次元映像である。 グラデーション処理を行った３次元映像の例である。 ワイヤーフレーム表示を行った映像の例である。 図１８を斜めから見た３次元映像である。 エコーレベルに応じてポリゴンを着色した結果得られる映像の例である。 各深度の平面メッシュを重ね合わせて得られる映像の例である。 図２１を斜めから見た３次元映像である。 本発明の描画処理により得られた映像の例である。 図２３を斜めから見た３次元映像である。 ワイヤーフレーム表示を行った映像の例である。 図２５を斜めから見た３次元映像である。 影付け表示を行った３次元映像の例である。 ３次元映像、断面投影図、水平投影図の表示例である。 ３次元映像、断面投影図、水平投影図の表示例である。 ３次元映像、断面投影図、水平投影図の表示例である。 光源による明暗表示を行った３次元映像の例である。 描画処理の手順を表したフローチャートである。 球形送受波器の例である。 他の実施形態を説明する図である。

符号の説明

１，３０ 送受波器
１０，３１ 素子（超音波振動子）
１２ 送信回路
１４ 受信回路
１８ 送信ビーム形成部
１９ 操作部
２０ ホストＣＰＵ
２１ 受信ビーム形成部
２２ 映像処理部
２３ 表示部
Ｂ 受信ビーム
Ｇ ３次元映像
Ｈ 水平投影図
Ｖ 断面投影図
Ｍｐ 平面メッシュ
Ｍｓ 球面メッシュ
Ｐ，Ｐ１〜Ｐ３ ポリゴン
Ｗ ワイヤーフレーム
Ｚ 影
１００ ３次元スキャニングソナー

Claims (13)

1. 複数の超音波振動子を有する送受波器から超音波ビームを水中に送信して３次元領域を受信ビームによりスキャンし、前記送受波器で受信したエコーに基づいてスキャン領域内の水中情報を３次元映像として表示する水中探知装置であって、
   前記送受波器の各超音波振動子から出力される受信信号を合成して、合成受信信号を得る受信ビーム形成部と、
   前記受信ビーム形成部から出力される合成受信信号に基づいて描画処理を行い、前記３次元映像を生成する映像処理部と、
   前記映像処理部で生成された３次元映像を表示する表示部と、を備え、
   前記映像処理部は、
   受信ビームを所定のサンプリングレートでサンプリングして、受信ビームごとに各サンプリング点におけるエコーレベルを取得し、
   前記各サンプリング点または隣接するサンプリング点の間にある補間点を頂点とする単位多角形からなるポリゴンの集合体であるエコーメッシュを、水中の所定方向に複数形成し、
   形成した各エコーメッシュにおけるポリゴンの各頂点のエコーレベルと閾値とを比較して、各頂点のうち所定数の頂点のエコーレベルが閾値より低いポリゴンについては、当該ポリゴン内に各頂点のエコーレベルに応じて、隣接する頂点の間にある点を頂点に含む新たなポリゴンを作成することによって、ポリゴンを再作成し、
   再作成したポリゴンを含むエコーメッシュのポリゴンのうち、着色すべきポリゴンに対して所定の着色処理を施し、
   ポリゴンに着色がされた各エコーメッシュを重ね合せて前記表示部に前記３次元映像を表示する
   ことを特徴とする水中探知装置。
2. 請求項１に記載の水中探知装置において、
   エコーメッシュは、水平方向に平面をなし垂直方向に等間隔で形成された平面メッシュであって、
   前記映像処理部は、各受信ビームごとに隣接するサンプリング点に対して線形補間処理を行うことにより、ポリゴンの頂点である前記補間点のエコーレベルを決定することを特徴とする水中探知装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の水中探知装置において、
   各エコーメッシュのポリゴンは、深度に応じて着色がされていることを特徴とする水中探知装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の水中探知装置において、
   各エコーメッシュのポリゴンは、エコーレベルに応じて着色がされていることを特徴とする水中探知装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の水中探知装置において、
   前記映像処理部は、海底からの一定レベル以上のエコーに対して、海底を表す特定の色でポリゴンを着色することを特徴とする水中探知装置。
6. 請求項１または請求項２に記載の水中探知装置において、
   前記映像処理部は、各エコーメッシュのポリゴンに対して深度に応じた色を設定した後、エコーレベルの低い部分ほど暗くなるように各ポリゴンの色を再設定することにより、前記３次元映像をエコーレベルに応じてグラデーション表示することを特徴とする水中探知装置。
7. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の水中探知装置において、
   前記映像処理部は、ポリゴンの着色表示に重ねて、エコーメッシュの線をワイヤーフレームとして表示することを特徴とする水中探知装置。
8. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の水中探知装置において、
   前記映像処理部は、前記３次元映像における着色の重なり部分に影を表示することを特徴とする水中探知装置。
9. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の水中探知装置において、
   前記映像処理部は、前記３次元映像の任意の垂直断面における断面投影図と、前記３次元映像の任意の深度における水平投影図とを、３次元映像と並べて表示することを特徴とする水中探知装置。
10. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の水中探知装置において、
    前記映像処理部は、前記３次元映像を、視点からみて手前側が明るく奥側が暗くなるように表示することを特徴とする水中探知装置。
11. 請求項１に記載の水中探知装置において、
    前記送受波器は、水中の所定の３次元領域に対してのみ、無指向性の送信ビームを形成することを特徴とする水中探知装置。
12. 請求項１に記載の水中探知装置において、
    前記送受波器は、各方位ごとに周波数の異なる超音波ビームを送信することを特徴とする水中探知装置。
13. 請求項１に記載の水中探知装置において、
    船体の動揺を検出する動揺センサを備え、
    前記動揺センサの出力に基づいて、船体の動揺に応じて送受信ビームの形成方向を補正することを特徴とする水中探知装置。

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