JP5398659B2 - 信号の時間分解能の増加方法およびシステム - Google Patents
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Description
高速ビデオ信号を記録するための制約の1つは、動きブレを低減するために露出時間が短いということである。これには、照明の増加または高利得撮像装置の使用が必要とされる。しかしながら、多くの用途では、明るい光を使用することができない。さらに、高速カメラは高価である。
従来のストロボスコープは、動きが静止してまたはほとんど静止して見えるように、照明の周期的な短いバーストをシーンの周期的な動きに同期させている。この同期が正確である場合には、動きは静止する。この同期が、動きよりもわずかに遅いかまたは速いとき、動きは、ゆっくりと後進または前進するように見える。これらの効果を達成可能にするには、動きの周期が前もって知られていなければならない。また、照明は周期的な短いバーストであるので、全照明時間は非常に小さく、極めて明るい光源が必要とされる。したがって、ほとんどのストロボスコープは、非常に明るいフラッシュを使用して、低減された照明を補償している。
多くのコンピュータビジョンアプリケーションは、実質的に周期的な動きを取り扱っている。たとえば、周期トレース(period trace)は、周期的な動きの時間変動の記述を提供し、動きの傾向および不規則性を検出するのに使用することができる。
図4は、観測モデル400を示す。時間tにわたる、基本周波数fpを有する実質的周期信号x(t)110は、周期P=1/fp 215および最大周波数fMaxを有する。この信号は、実質的に周期的であるので、以下のように表すことができる。
図5は、信号モデル500を示す。信号xは、以下である。
取得された強度値は変調されるので、入力シーケンスの出力シーケンスへの変換160は、式(5)の線形システムを解くことによって実行される。
信号110の周期性のために、フーリエ係数ベクトルsは、K個の非ゼロの要素しか含まない。すなわち、信号は、K−スパース(K−sparse)である。その上、各非ゼロのフーリエ係数は、信号の基本周波数fpの高調波である。すなわち、ベクトルsは、jfPに対応するインデックスを有する要素に非ゼロの値を有する。ここで、jは、正の整数である。したがって、この発明の実施の形態1は、基本周波数fpを求め、式(5)の劣決定性を覆す。
医用画像等の多くの用途では、たとえば声帯といった身体の振動部分または発振部分は、或る異常に起因して規則的な間隔で「動揺」する可能性がある。視覚信号は実質的に周期的であるが、全体が破損される可能性があり、信号に異常が引き起こされる可能性がある。異常信号xa(t)は、xa(t)=x(t)+a(t)として記述することができる。ここで、信号の異常a(t)は、規則的な周期の箇所を除いて大部分ゼロである。多くの用途では、異常部分a(t)は、望ましくない破損であり、実質的周期信号x(t)の正確な回復が望まれる。
Claims (23)
- 実質的に周期的な信号の時間分解能を増加させるための方法であって、前記方法に含まれる各ステップは、プロセッサが実行し、
前記方法は、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するステップであって、前記信号は実質的周期信号であり、各フレームは符号化パターンにしたがって符号化される、取得ステップと、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するステップであって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換ステップと、
を含む、方法であって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがってカメラのシャッタを開閉することにより、前記信号を符号化するステップをさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、方法。 - 実質的に周期的な信号の時間分解能を増加させるための方法であって、前記方法に含まれる各ステップは、プロセッサが実行し、
前記方法は、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するステップであって、前記信号は実質的周期信号であり、各フレームは符号化パターンにしたがって符号化される、取得ステップと、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するステップであって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換ステップと、
を含む、方法であって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがってシャッタを交互に不透明および透明にすることにより、前記信号を符号化するステップ、をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、方法。 - 実質的に周期的な信号の時間分解能を増加させるための方法であって、前記方法に含まれる各ステップは、プロセッサが実行し、
前記方法は、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するステップであって、前記信号は実質的周期信号であり、各フレームは符号化パターンにしたがって符号化される、取得ステップと、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するステップであって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換ステップと、
を含む、方法であって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがってセンサによる光の積分をオンおよびオフにすることにより、前記信号を符号化するステップ、をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、方法。 - 実質的に周期的な信号の時間分解能を増加させるための方法であって、前記方法に含まれる各ステップは、プロセッサが実行し、
前記方法は、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するステップであって、前記信号は実質的周期信号であり、各フレームは符号化パターンにしたがって符号化される、取得ステップと、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するステップであって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換ステップと、
を含む、方法であって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがって光源をオンおよびオフに交互に切り替えることにより、前記信号を符号化するステップ、をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、方法。 - 前記符号化パターンは、時間的に変化していく、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記符号化パターンは、2値パターンである、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記符号化パターンは、確率分布関数にしたがう、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記変換ステップは、
観測モデルにしたがって前記信号を表すステップと、
信号モデルにしたがって前記信号を表すステップと、
前記観測モデルと前記信号モデルとを結合するステップであって、それによって、混合モデルを作成する、結合するステップと、
前記混合モデルに基づいて前記フレームの出力シーケンスを求めるステップと、
をさらに含む、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。 - 前記変換するステップは、
y=Cx+η=CBs+η=As+η
にしたがって、前記入力シーケンスと前記出力シーケンスとの間の関係を表すステップ、
をさらに含み、ここで、yは前記ビデオフレームの入力シーケンスにおける前記信号の値を表し、Cは符号化行列であり、前記符号化行列の値は前記符号化パターンに依存し、Bは逆フーリエ変換行列であり、sはフーリエ係数ベクトルであり、xは前記フレームの出力シーケンスにおける前記信号の値を表し、Aは前記変換の混合行列であり、ηは雑音である、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。 - 前記信号の基本周波数を求めるステップと、
前記フーリエ係数ベクトルsを求めるステップと、
x=Bsにしたがって前記ビデオフレームの出力シーケンスを求めるステップと、
をさらに含む、請求項9に記載の方法。 - 基本周波数の可能な値のセットを取得するステップと、
基本周波数の前記可能な値のセットにおける基本周波数の各値について、前記フーリエ係数ベクトルを求めるステップと、
各フーリエ係数ベクトルについて、前記基本周波数の関数としての誤差を求めるステップであって、それによって、誤差のセットを作成する、求めるステップと、
前記誤差のセットにおける最小の誤差に対応する前記フーリエ係数ベクトルを選択するステップと、
をさらに含む、請求項10に記載の方法。 - 実質的周期信号の時間分解能を増加させるためのシステムであって、該システムは、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するための手段であって、前記信号は実質的周期信号であり、前記ビデオフレームの入力シーケンスにおける前記フレームは符号化パターンにしたがって符号化される、取得するための手段と、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するための手段であって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換するための手段と、
を備える、システムであって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがってカメラのシャッタを開閉することにより、前記信号を符号化する手段をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、システム。 - 実質的周期信号の時間分解能を増加させるためのシステムであって、該システムは、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するための手段であって、前記信号は実質的周期信号であり、前記ビデオフレームの入力シーケンスにおける前記フレームは符号化パターンにしたがって符号化される、取得するための手段と、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するための手段であって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換するための手段と、
を備える、システムであって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがってシャッタを交互に不透明および透明にすることにより、前記信号を符号化する手段をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、システム。 - 実質的周期信号の時間分解能を増加させるためのシステムであって、該システムは、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するための手段であって、前記信号は実質的周期信号であり、前記ビデオフレームの入力シーケンスにおける前記フレームは符号化パターンにしたがって符号化される、取得するための手段と、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するための手段であって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換するための手段と、
を備える、システムであって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがってセンサによる光の積分をオンおよびオフにすることにより、前記信号を符号化する手段をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、システム。 - 実質的周期信号の時間分解能を増加させるためのシステムであって、該システムは、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するための手段であって、前記信号は実質的周期信号であり、前記ビデオフレームの入力シーケンスにおける前記フレームは符号化パターンにしたがって符号化される、取得するための手段と、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するための手段であって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換するための手段と、
を備える、システムであって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがって光源をオンおよびオフに交互に切り替えることにより、前記信号を符号化する手段をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、システム。 - 前記ビデオフレームの入力シーケンスのフレームの信号積分時間中に前記符号化パターンにしたがって前記信号を符号化するための手段、
をさらに備える、請求項12から15までのいずれか1項に記載のシステム。 - 前記ビデオフレームの入力シーケンスにおける各フレームは、異なって符号化される、請求項12から15までのいずれか1項に記載のシステム。
- 実質的周期信号の時間分解能を増加させるためのシステムであって、該システムは、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するように構成されたセンサであって、前記信号は実質的周期信号である、センサと、
符号化パターンにしたがって前記ビデオフレームの入力シーケンスにおける前記フレームを符号化するように構成されたシャッタと、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するように構成された変換モジュールであって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換モジュールと、
を備える、システムであって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがってカメラのシャッタを開閉することにより、前記信号を符号化する手段をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、システム。 - 実質的周期信号の時間分解能を増加させるためのシステムであって、該システムは、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するように構成されたセンサであって、前記信号は実質的周期信号である、センサと、
符号化パターンにしたがって前記ビデオフレームの入力シーケンスにおける前記フレームを符号化するように構成されたシャッタと、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するように構成された変換モジュールであって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換モジュールと、
を備える、システムであって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがってシャッタを交互に不透明および透明にすることにより、前記信号を符号化する手段をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、システム。 - 実質的周期信号の時間分解能を増加させるためのシステムであって、該システムは、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するように構成されたセンサであって、前記信号は実質的周期信号である、センサと、
符号化パターンにしたがって前記ビデオフレームの入力シーケンスにおける前記フレームを符号化するように構成されたシャッタと、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するように構成された変換モジュールであって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換モジュールと、
を備える、システムであって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがってセンサによる光の積分をオンおよびオフにすることにより、前記信号を符号化する手段をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、システム。 - 実質的周期信号の時間分解能を増加させるためのシステムであって、該システムは、
第1の時間分解能を有するビデオフレームの入力シーケンスとして信号を取得するように構成されたセンサであって、前記信号は実質的周期信号である、センサと、
符号化パターンにしたがって前記ビデオフレームの入力シーケンスにおける前記フレームを符号化するように構成されたシャッタと、
前記第1の時間分解能よりも大きい第2の時間分解能を有するビデオフレームの出力シーケンスに前記ビデオフレームの入力シーケンスを変換するように構成された変換モジュールであって、前記変換は、フーリエ領域における前記信号のスパース性に基づく、変換モジュールと、
を備える、システムであって、
前記ビデオフレームの入力シーケンスの各フレームの信号積分時間中に、前記符号化パターンにしたがって光源をオンおよびオフに交互に切り替えることにより、前記信号を符号化する手段をさらに含み、
前記ビデオフレームの入力シーケンスは、第1のフレームが前記符号化パターンの第1の部分にしたがって符号化され、第2のフレームが前記符号化パターンの第2の部分にしたがって符号化され、前記符号化パターンの前記第1の部分が前記符号化パターンの前記第2の部分と異なる、前記第1のフレームおよび前記第2のフレームを含む、システム。 - 前記ビデオフレームの出力シーケンスを記憶するための記憶装置、
をさらに備える、請求項18から21までのいずれか1項に記載のシステム。 - 前記ビデオフレームの出力シーケンスを表示するように構成されたディスプレイ、
をさらに備える、請求項18から21までのいずれか1項に記載のシステム。
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