JPH02501502A - 移動粒子を撮像及び計数する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 移動粒子を撮像及び計数する装置及び方法技術の分野 本発明は対象物を計数する装置及び方法、特にビデオカメラを利用して粒状物の 撮像及び計数に関するもので炉またはボイラーの内側の状態をモニターするのに ビデオ撮像技術を利用することは既に公知である。この技術の典型的な用途では 、燃料と空気との比率及びその他の運転パラメータを調節できるようにビデオカ メラを設置してボイラー焔の状態をモニターする。各パラメータが調節される過 程で、表示モニターがオペレータに焔の状態を可視的に表示する。

この技術の関連用途では、クラフトパルプ回収ボイラーの運転効率を高める上で 該ボイラーの燃焼域をビデオ撮像することが有効であることが立証されている。

このような撮像方式の１例が米国特許第４．５３９．５８８号に開示されており 、クラフト回収ボイラーの溶融床の高温面を観察するのに波長が１マイクロメ一 ター以上の光に感応するビジコンカメラを使用する。溶融床の外観をモニターす ることにより、オペレータは床の高さ及びその形状を調節して効率を高め、停止 後の再始動を迅速にし、ボイラーの安定性を高めることができる。この特許が教 示するところによれば、溶融床上の煙及び高温ガスからの干渉を回避するために は、１，６８０ナノメーターを中心とする狭帯域波長（７０ナノメ一ター幅）以 下の可視光を画像からフィルターすることが好ましい。

上記特許が言及していないクラフト回収ボイラーの問題点はボイラー上部への燃 焼燃料粒子移行に関する問題点である。この問題は他のタイプのボイラーでもあ る程度見られるが、木材パルプ生成の過程で得られる“黒液”からパルプ生成化 学物質を回収するためのボイラーでは特に厄介である。黒液は、木材パルプリグ ニン及び水と混合している例えば炭酸ナトリウムや硫酸ナトリウムのような回収 ボイラー内で（燃料として）黒液を燃焼させることによって回収される無機塩を 含んでいる。この種のボイラーの運転においては、過剰量の燃焼燃料粒子がボイ ラー上部に移行してボイラー管の通路を詰まらせ、停止を余儀なくし、掃除の必 要を頻繁にするのを回避するため、空気配分、燃料ノズルの種類、燃料配分、空 気と燃料の比率などのパラメータを最適化しなければならない。また、ボイラー 上部に過剰な燃焼燃料粒子が存在するということは燃料の不完全燃焼を意味し、 必然的に運転効率を低下させる。過剰の燃焼粒子移行はボイラー管の通路が詰ま っており、掃除のためボイラーを停止させねばならないことを示唆する。

燃焼粒子がボイラーの燃焼域からどの程度移行しているかを公知の技術でモニタ ーすることは困難である。上記特許が開示しているような公知撮像方式の多くは ボイラーの内部深くをモニターするように構成されており使用するビデオカメラ の応答時間が遅過ぎるため、高速で移動する燃焼燃料粒子の明瞭な画像を得るこ とができない。さらにまた、観察深度が比較的深いこと及びビデオカメラのスペ クトル感度に鑑み、前記粒子がボイラー内部の背景によって不鮮明になり易い。

移行粒子に関してボイラー上部をチェックするため広く行われているのはボイラ ー壁に設けた点検口から手動的に観察する方法である。しかし、ボイラー内には 有害ガスが存在し、チェック作業中にオペレータが高温にさらされるから、この 方法はオペレータにとって危険である。その結果として、この種の点検はごくま れに行われるか、または全く行われないのが普通である。しかも、この点検はあ くまでも定性的であり、移行状態の評価が極めて主観的なものになる。

燃焼粒子に関してボイラー上部をモニターするために撮像方式を採用すればこの ような危険を回避できるであろうが、たとえこのような方式が入手できたとして も、ビデオカメラが前記粒子の相対密度を直接定量測定できないことは手動点検 の場合と同様である。ボイラー運転パラメータに対する調節効果を正しく評価す るためには、燃焼粒子移行の相対量を定量的に評価しなければならない。移行粒 子をモニターするためのプローブは開発されているが、保守条件、コスト、デー タ解釈の困難さのため広く実用化されるには至っていない。

そこで本発明の目的はノイズ、固定背景、鮮明さを妨げる煙及び高温ガス、及び 変動する明るさレベルの干渉を極力小さくして移動粒子を撮像する装置及び方法 を提供することにある。

他の目的は特定の空間域を通過する粒子を定量的にカウントすることにある。

さらに他の目的はビデオ撮像手段を利用して高速移動する粒子を、撮像手段が形 成する画像中に粒子が縞となって現われるようにしてカウントすることにある。

本発明の上記及びその他の目的は添付図面及び好ましい実施例に関する後述の説 明から明らかになるであろう。

発明の要約 本発明は特定域内の移動粒子を定量モニターする装置及び方法に関するものであ る。モニターすべき特定域の付近に撮像手段が設置され、上記特定域及び該域に 存在する移動粒子の画像に対応するビデオ信号を出力する。

撮像手段と接続する信号処理手段がビデオ信号を受信し、これを処理してノイズ 及び静止物体を排除する。信号処理手段は画像及び背景の明るさ交差の漸次的な 影響が著しく軽減された画像の少なくとも一部に対応する複数データ点を含むフ ィルタ済み信号を出力する。

信号処理手段と接続するカウント手段はフィルタ済み信号中のデータ点と所定閾 値との相対的な大きさに応じて被モニター域における移動粒子の発生をカウント する。

移動粒子に対応して画像に現われる明るい縞を表わすフィルタ済み信号中のデー タ点が前記所定閾値を超えるごとにカウント手段が粒子カウントを増分する。

撮像手段は複数の走査線を含むビデオ信号を出力する。

移動物体のカウント方法として、各走査線をディジタル化して複数画素を含むデ ィジタル信号を形成する。連続する各画像における複数の対応画素のそれぞれに ついて時間平均値がめられる。次いで現時点ディジタル信号の画素から先行画像 の各対応画素の時間平均値を減算する。この減算ステップが固定背景を濾過して 時間フィルタ済み信号を形成する。

時間フィルタ済みディジタル信号中の空間的に近接した画素を演算複合すること により、粒子を特徴づけるビデオ信号中の比較的狭いパルスに起因する隣接した 画素の大きさの急激な変化と、同一画像中の明るさ交差を特徴づける比較的広い パルスに起因する漸次的変化とを弁別して時間及び空間フィルタ済みディジタル 信号を形成する。さらに他のステップとして、移動粒子と画像中の閃光またはノ イズに起因する縞とを弁別し、時間及び空間フィルタ済みビデオ信号中の近接画 素がすべて所定閾値を超え、これらの画素が所定の角度範囲内で整列した時にの み粒子カウントを増分する。移動粒子は高温ガスに同伴するから、その動きは予 想されるガス移動とほぼ一致するはずである。即ち、ガスの流れる方向と同じ方 向に移動するはずである。また、複数の整列画素が閾値を超えねばならないとい う条件は１個または２個の画素に発生するかもしれない時間及び空間フィルタ済 み信号中のノイズと、移動粒子による縞を構成する近接画素のレベルとを弁別す る。

ビデオ信号を出力する際、波長が７００乃至ＬＯＯＯナノメータの光に特に感応 するビデオカメラを使用することが好ましい。高温粒子から放射される光の大部 分はこの範囲内にある。電子的フィルタ手段が作用して移動高温粒子を比較的明 確に特徴づけるフィルタ済みアナログビデオ信号を形成する。電子的フィルタ手 段と接続するディスプレイ手段が粒子の移動に起因する１コマの画像中、に縞と して現われる発光高温粒子の可視像を表示する。

図面の簡単な説明 第１図は回収ボイラー、及び該ボイラーの上部内への移行粒子をモニター、表示 及びカウントするための撮像手段を略示する説明図、 第２図は回収ボイラー内の高温移動粒子を撮像するためのビデオカメラ及びこれ を内蔵する筐体を示す切欠き側面図、 第３図はボイラー内の高温移動粒子を撮像し、カウントするため、ビデオ信号処 理に際してマイクロプロセッサによって実行されるステップを示すフローチャー ト、第４図は移動粒子に起因する縞に対応する近接画素（データ点）の組合わせ を示すフィルタ済み信号の一部の拡大説明図、 第５図は本発明のビデオディスプレイ手段に形成される画像、 第６図は本発明の画像処理システムのブロックダイヤ第７図は空間的にフィルタ される前のビデオ信号の単一走査線の振幅を示すグラフ、 第８図は空間的フィルタ処理後における同じ走査線の振幅を示す第７図と同様の グラフである。

実施例 第１図には回収ボイラー１２との併用関係で粒子撮像及びカウント・システム１ ０を略示した。この粒子撮像及びカウントシステム１０はボイラー壁１６に形成 した孔を通してボイラー内部を観察するようにボイラー１２の上部付近に設置し たビデオカメラ１４を含む。ビデオカメラ１４はカメラ視野内に捕捉されたボイ ラー１２の内部の像に対応するアナログビデオ信号を出力し、該信号は導線１８ を介して画像プロセッサ２０に送られる。

画像プロセッサ２０はアナログビデオ信号をディジタル化してボイラー１２内の 観察域に対応するディジタル信号を形成し、このディジタル信号を処理すること により、ボイラー内で燃焼し、移動する燃料粒子の検出を不明瞭にしかつ妨げる 原因となるノイズ、固定背景、明るさ変化など種々の要因による影響を極力少な くする。ビデオカメラ１４からの信号をディジタル的に強化し、フィルタしたア ナログビデオ信号が画像プロセッサ２０から導線２４を介して出力され、ビデオ ディスプレイ（またはモニター）２２を駆動する。このようにしてビデオカメラ １４の視野内に捕えられた移動粒子像が常時ボイラーのオペレータに表示される 。また、画像プロセッサ２０は導線２６を介して信号を出力することにより、ア ナログ計数率計２８の駆動及び／またはボイラーと連携する（図示しない）デー タ記録システムへの計数率信号入力を行う。

粒子撮像／カウントシステム１０の用途は多様であるが、黒液を燃焼させるクラ フト回収ボイラーにおける高温燃焼燃料の移動粒子モニターに特に好適である。

既に述べたように、この種のボイラーではボイラー管を結ぶ通路に過剰な移動粒 子が詰まり易く、掃除のためボイラーの運転を停止させる必要を生ずる。クラフ ト回収ボイラーの作用状態を正しくモニターし、制御することにより、ボイラー 上部へ過剰な燃焼粒子が移行するのを回避すれば、掃除及び保守のための運転停 止の間隔を著しく延ばし、ボイラーシステムの効率を大幅に高めることができる 。

第１図に示すボイラー１２の簡略図から明らかなように、黒液燃料は粗いスプレ ー３６の形で燃料ノズル３４からボイラーへ流入する。黒液中の可燃有機成分は 空気と混合した燃料滴として燃焼する。燃料中の硫酸ナトリウムは床の還元ゾー ンにおいて化学的に転化されて硫化ナトリウムとなる。無機塩はボイラーの溶融 床３０に滴下し、該床３０から排液される。ボイラー１２の４つの側壁に設けた 給気口３２から（溶融床３０の真上に位置する）燃焼ゾーンへ燃焼用空気が流入 する。理想としては、ボイラー上部に設置されているボイラー管よりも下方のボ イラー下部において黒液のほとんど全部が燃焼しなければならないが、各種運転 パラメータの調節によ・っては、燃焼プロセスから発生する高温ガスが燃焼中の 燃料粒子を同伴し、矢印３７で示すようにこれらの粒子をボイラー管を結ぶ通路 内へ上昇させる可能性がある。

ビデオカメラ１４は高温ガスの流動方向がよくわかるボイラー内部に近く、ボイ ラー上部の外側に配置される。

第１図に示すように、移動ガスに同伴する燃焼中の高温燃料粒子４６はビデオカ メラ１４によって観察されるボイラー１２の部分においてほぼ垂直な流動パター ンを辿る。高温ガスが異なる方向に流動する他のボイラー設計の場合、移動粒子 を観察するのに好適と考えられる他の位置にビデオカメラを設置することもあり 得る。ただし、ガス流を弯曲矢印４８．５０で示すボイラー領域のように高温ガ スが渦を形成し易い領域では燃焼中の燃料粒子が移動する方向を予想できないか ら、このような領域にビデオカメラ１４を設置することは避けねばならない。

ボイラー下部における燃焼プロセスから生ずる高温の空気はまず過熱器管４０を 、次いで蒸気発生器管４２を通ってエコノマイザ−ボート４４から排出される。

過熱器管４０及び蒸気発生器管４２を通過する水は過熱蒸気となり、タービン発 電機における発電に、或いは他のプロセスにおける熱供給源として利用すること ができる。過剰量の燃焼粒子が移動して過熱器管４０及び／または蒸気発生器管 ４２に衝突すると沈積物を形成し易く、これが上記管を結ぶ通路に詰まり、ボイ ラー効率を低下させ、結局はボイラーの運転を停止せざるを得なくする。

第２図に詳しく示すように、ボイラー壁１６に形成した窓またはボートホール６ ４を通してボイラー１２の内部をモニターするためビデオカメラ１４を設置する 。カメラ１４のレンズ６０はボートホール６４を貫通し、空気流によって冷却さ れる複数のレンズ素子（図示しない）を含む。レンズ冷却空気流はライン６２か ら流入し、レンズ６０の長さに沿ってレンズ素子の周りを通過し、ボイラー内に 達しているレンズ端に設けた出口６３から排出される。

ビデオカメラ１４は断熱筐体７２内の支持板７０に取付けられる。レンズ６０と カメラ１４内の（図示しない）ビデオ検出器の間に自動絞りアタッチメント６８ を介在させることにより、導線７４を介して入力される制御信号に呼応して検出 器に入射する光量を制御する。後述する範囲からずれた波長を有する光をフィル タするためレンズ６０の光路内に任意の光学フィルタ６６を配置する。

カメラ１４から出力されるアナログ・ビデオ信号は筐体７２の背面に配置したコ ネクタ７８へ導線７６によって送られる。コネクタ７８には導線１８（第１図） が取付けられるのが普通である。

高温燃焼燃料粒子から発せられる光線は特に７００から１．０００ナノメータの 波長範囲で強いから、スペクトルのうちこの範囲の近赤外部分の光に感応するよ うなビデオカメラ１４を選択する。回収ボイラー内の煙は７０Ｇから１．０００ ナノメータの波長を有する光を散乱させ、近視界のむこうに位置する背景を見え 難くし、ボイラー内部に対する粒子のコントラストを高くする。光学フィルタ６ ６は任意であるが、６５０ナノメ一タ以上の波長を通過させるように設定すれば 、この限界以下の可視光波長を排除することにより煙及びナトリウム黄色光から の干渉を軽減するのに役立つ。典型的な光学フィルタ６６は６５０ナノメータ波 長の入射光の５０％を透過させる。

ビデオカメラ１４は上記７００から１．０００ナノメータの波長にまたがるスペ クトル感度を有するものなら、ソリッドステートカメラでもチューブタイプカメ ラでもよい。

好ましい実施例ではＲＣＡシリーズ２０００　Ｕ　Ｌ　Ｔ　ＲＣＯＮ（商品名） カメラを使用している。電荷結合デバイス（ＣＣＤ）検出器を利用するカメラも この用途に好適であると考えられる。ビデオカメラと総称する場合、一度に１本 ずつ線を走査するように構成された線走査手段も含まれる。同様に、ビデオ信号 と総称する場合、線走査手段によって形成される複数の時間逐次的な線をも含む 。

第５図には画像プロセッサ２０によりフィルタ処理及び強化処理されたのちビデ オディスプレイ２２に現われる１コマを表わす画像８６を示した。高温の燃焼燃 料粒子４６（第１図）は１コマの画像８６中に個別の点ではなく縞８８として見 えるような速度で移動している。燃焼燃料粒子を表わす縞のほかに、画像８６は 先行の１秒間にカウントされた燃焼粒子の個数及び１分間にカウントされた粒子 個数の移動平均を示すテキストパー９６をも含む。画像プロセッサ２０は表示画 像全面に亘って粒子をカウントするのではなく、矢印９２間に挟まれた垂直中央 域付近に設定された比較的狭いゾーン９０を通過する粒子をカウントする。ビデ オ信号にエツジ異常が現われるのを避けるため、ゾーン９０の端部を意図的に画 像各辺より内側に設定しである。画像プロセッサ２０は画像８６のゾーン９０を 通過する各移動粒子（縞８８）を囲む円９４を形成することにより、この粒子が カウントされたことを示唆する。ゾーン９０を通過する粒子だけがカウントされ 、カウントはカメラ１４の視野内における移動粒子密度の相対値としての役目を 果す。画像プロセッサ２０はビデオディスプレイ２２上にテキストパー９６を形 成することにより、粒子を定性視覚表示するのに対して、ボイラー１２の上部に おける粒子密度を定量的数値的に評価することを容易にする。粒子としてカウン トされたそれぞれの縞８８を円９４で囲むことにより、画像プロセッサ２０はゾ ーン９０を通過するすべての粒子がカウントされ、背景に起こる光の明滅がカウ ントされなかったことを積極的に保証する。

第６図には画像プロセッサ２０のブロックダイヤグラムを示した。画像プロセッ サはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及びリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を 内蔵するマイクロコンピュータ１１６を含む。好ましい実施例では、マイクロコ ンピュータ１１６はＩＢＭ　ＡＴ−ＢＵＳコンピュータシステム（商品名）と互 換性であり、ＩＮ置８０２８６　（商品名）マイクロプロセッサを含む。

他の画像プロセッサ素子の機能をも兼備し、専用のビデオ信号プロセッサを含む 別機種のディジタルプロセッサをこの目的に採用することも可能である。ビデオ 入／出力ボード１２２、アナログ出力ボード１２４、及び２４ビット並列入／出 力ボード１２６と接続するための受動バックプレインとなるデータバス１２０を マイクロコンピュータ１１６に接続する。ビデオ入／出力ボード１２２は所与の コマのそれぞれ５１２個の画素による４８０本の線のそれぞれについてビデオカ メラ１４からのビデオアナログ信号を８ビツトデイジタル値にディジタル化する 。

このディジタル化ビデオ信号はマイクロコンピュータ１１６の制御下に修正され 、アナログビデオ信号としてビデオディスプレイ２２へ出力される。詳しくは後 述するように、マイクロコンピュータ１１６はディジタル化されたビデオ信号を 利用して高温粒子通過ゾーン９０を検出し、カウントする。マイクロコンピュー タ１１６に得た粒子計数率はアナログ出力ボード１２４によってアナログ値に変 換され、アナログ計数率として（図示しない）４−２０ミリアンプ・パネル・メ ータへ、または上記ボイラーのデータ記録システムへ出力される。

好ましい実施例では、２４ビット並列入／出力ボード１２６を介してマイクロコ ンピュータ１１６に制御入力を供給するためにヘツクス・キーボード１２８を利 用する。

キーボード１２８によって入力され、マイクロコンピュータ１１６によって出力 された情報を表示するための２０文字液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）１３０に対す る駆動信号供給には入／出力ボード１２６が利用される。マイクロコンピュータ １１６、及びバス１２０と接続する画像プロセッサ２０の他の電力消費素子のた めの電源１１８を設ける。

ビデオ入／出力ボード１２２からのディジタル化ビデオ信号を処理するためにマ イクロコンピュータ１１６が行うステップを略示するフローチャートを第３図に 示した。これらのプログラムステップは２進コードの形式を取る機械語プログラ ムとしてマイクロコンピュータ１１６のＲＯＭに記憶されている。

制御アルゴリズムフローチャートはスタートブロック１４０から始まり、ブロッ ク１４２に進み、ここでビデオカメラ１４が形成するビデオ像を順次処理するの に必要なプログラム中の各種変数が初期設定される。また、４８０本の水平線を 含み、各線が５１２個の８ビツトデータ・ポイントまたは画素を有する１コマの ビデオ情報がディジタル化されてマイクロコンピュータ１１６のビデオメモリ（ ＲＡＭ）に記憶される（以下の説明において“データポイント”及び“画素”と いう用語を単数または複数形で随意に同義語として使用する）。ブロック１４４ において、データポイントによって表わされる少数の前記線Ｎが分析のためコン ピュータメモリの他の部分にコピーされる。Ｎは所期のノイズ排除の程度に応じ て少ない場合は１本、多い場合は５本まで任意に選択されるが、ノイズ排除効果 を高くしたければ本数が多くなる。

好ましい実施例ではＮ＝３である。２本以上をメモリにコピーする場合には、コ ピーされた線を逐次的に走査しなければならない。常態では、１コマのビデオ信 号から成る画像は１７３０秒で走査される。偶数及び奇数の線が１群ずつ走査さ れる典型的な飛越しビデオカメラの場合、１本おきの線を、即ち、偶数番目また は奇数番目の線を分析のためコピーし、双方共にコピーすることはしない。

粒子を表わす縞は多くの場合、偶数線が走査される最初の１／６０秒間または奇 数線が走査される次のｌ／６０秒間にのみ現われるから、分析のためメモリにコ ピーされた線は時間逐次的でなければならない。詳しくは後述するが、ビデオデ ータ処理アルゴリズムはノイズ排除のため近接線における粒子存在の検出に基づ いて行われる。

ブロック１４６において、多数の近接画素からのビデオデータを合計することに よって各線ごとのデータポイントを元の５１２個の分数に減らす。好ましくは１ つおきの点を合計して２５６個のビデオデータ点を得る。これによりノイズ及び 次のステップに処理すべきデータ量が軽減され、Ｓ／Ｎ比が改善される。或いは 各走査線の各画素を処理するか、５個の画素を合計するかによって各走査線のデ ータポイント数を１０２個に減らしてもよい。

ブロック１４６において行われるように各走査線の近接画素を合計して得られる データポイントを“合計ビデオデータ”と呼称する。ブロック１４８において、 合計ビデオデータの対応点を、ビデオカメラ１４によって形成された先行画像か ら得たデータ点の移動平均から減算する。ブロック１４８を実行することによっ て、“時間フィルタ済みビデオデータ”が作成され、ビデオカメラ１４によって 観察されるボイラー１２の内部の背景による影響が完全に、またはほとんど排除 される。ビデオカメラ１４によって観察される画像の背景部分は以後の画像にお いてもほとんど同じであるから、対応データ点の時間平均値を現時点の合計ビデ オデータから減算すれば、時間フィルタ済みビデオデータにおける背景をフィル タアウトすることになる。ブロック１４８における減算処理でフィルタアウトさ れないのは画像のうちのこの時間に変化した部分だけである。従って、現時点ビ デオ像に縞として現われる高速移動粒子の影響は時間フィルタ済みビデオデータ にそのまま残るが、移動しない、即ち、静的な画像部分は排除されるか、または 著しく減らされる。

ブロック１５０に進み、下記の数学的アルゴリズムに従って時間フィルタ済みビ デオデータを空間的にフィルタする 上記式（イ）において、Ｆ、は時間空間フィルタ済みビチオデータ中の点ｉにお ける値であり、■、は１番目の蔦 点に対応する時間フィルタ済みビデオデータであり、Ｇはフィルタリング定数で ある。Ｇはマイクロコンピュータ１１６による乗算が容易となるように２の累乗 に等しく選択され、典型的には値８を取る。式（イ）を適用することによって時 間フィルタ済みデータを空間フィルタすれば、時間フィルタ済みデータにおける 各データ点Ｖ、と点Ｖ、のそれぞれの側のＧ／２個の近接データ点との間の重み 差を計算することによって画像全面の比較的漸次的な明るさ変動をフィルタアウ トすることができる。画像中に現われる漸次的空間的な明るさ変化をフィルタア ウトするのに利用できるアルゴリズムが他にも沢山あることはいうまでもない。

式（イ）はマイクロコンピュータ１１６が容易に行うこの機能を行うための１つ のアプローチを示すに過ぎない。

第７図は時間フィルタ済みビデオデータにおける１本の走査線を例とした相対振 幅を示す。信号の振幅はＡ′及びＢ′間の狭いパルスで、またＣ′及びＤ′間の 比較的広い部分で所定の閾値レベルＴ′をそれぞれ通過する。

狭いパルスＡ’　Ｂ’　は移動粒子に起因することが多いが、広い部分Ｃ’　Ｄ ’が粒子によるのか、像の空間的中央に現われる光の明滅によるものかは不明で ある。第８図は時フィルタ済みデータが空間フィルタされたあとの同じ走査線を 示す。近接データ点の値を走査線上の各画素から減算することにより、明るさま たは振幅の漸次的変化が著しく小さくなり、粒子を表わす２つの鮮明に画定され た狭いパルスＡＢ及びＣＤが得られる。第７図及び第８図を比較すれば、第３図 のブロック１５０で時フィルタ済みデータを空間フィルタすることによって得ら れる利点が明らかになるであろう。

第３図のブロック１５２において、ブロック１４８で使用された“移動平均”デ ータは、付加された現時点の合計ビデオデータによる移動平均の再計算により、 ブロック１４６で計算された現時点画像の合計ビデオデータで更新される。ブロ ック１５２で得られた更新移動平均はビデオカメラ１４が形成する次の画像を処 理するのに利用される。ブロック１５４において、カウンタＸが１にセットされ る。カウンタＸはブロック１５６において、Ｎ−Ｍ走査線上のＸ番目データ・ポ イントが所定閾値１以上であるかどうかを判定するのに利用される。ただし、Ｎ は第５図に示すゾーン９０内の走査線の数に等しく、ＭはＮ以下の所定の整数で ある。好ましい実施例ではＮ＝３　、Ｍ＝１である。従って、ブロック１５６は ゾーン９０内の３本の走査線のうち中央の走査線上のＸ番目の点の値が所定閾値 以上かどうかを判定するのに利用することが好ましい。このステップを第８図に グラフで示したが、ＡＢ及びＣＤにおけるいくつかのデータ点が閾値レベル１以 上である。ブロック１５６のチェック結果が肯定的なら、ブロック１５８におい て、近接データ点もまた閾値以上の値を持つかどうか、即ち、時間／空間フィル タ済みデータにおける第１及び第３走査線のＸ−１、ＸまたはＸ＋１デ一タ点も 閾値以上であるかどうかを判定するためのチェックを行う。もしその通りなら、 ブロック１６０において、閾値以上の近接画素が所定の角度範囲内の線上に位置 するかどうかを判定する。好ましい実施例では、所定の角度範囲はビデオディス プレイ２２に表示される画像８６における垂直方向に対して±４５゜である。こ の方向は第１図においてビデオカメラ１４を通過する粒子４６を搬送する高温ガ スの流動方向（矢印３７で示す）に対応する。

ここで第４図を参照されたい。第４図には３本の走査線１００．１０２及び１０ ４を示してあり、画素（データ点）が円１０６で表わされている。陰影線１０８ ａ。

１０８ｂ及び１０８Ｃはそれぞれビデオ像８６（第５図）に３つの異なる方向で 現われる移動粒子に対応する縞８８の一部を表わす。第４図において、それぞれ の陰影線１０８はいずれも所定閾値１以上の明るさまたは値を有し、第３図のブ ロック１５８においてチェックされる３個の画素１１０を結ぶ。（常態では３個 のこのような粒子がこのように近接していることはない。）また、それぞれの陰 影線１０８は高温ガス内に同伴する移動粒子４６が被観察ゾーンを通過する線上 に位置する。妥当な角度範囲はガス流動方向±４５°、即ち、画像８６の垂直方 向±４５°である。ただし、明るさは閾値１以上の画素１１０によって表わされ 、同じ走査線、例えば、１００に沿って水平に延びる縞はブロック１６０におい てチェックされる条件を満たさず、移動粒子としてカウントされない。さらに重 要なこととして、ブロック１５６．１５８及び１６０において行われるステップ はノイズのために閾値Ｔを超える１個または２個の画素が移動粒子としてカウン トされるのを防止する。

１以上の３個の近接画素１１０が適正な角度範囲内に見出されると、マイクロコ ンピュータ１１６は第３図のブロック１６２に示すようにＣ０ＵＮＴを１だけ増 分する。次いでブロック１６４において、Ｎ−Ｍ走査線上のＸ番目のデータ点が １だけ増分され、ブロック１６６において、Ｘの値が走査線上の画素の総数以上 であるかどうかのチェックが行われる。もし総数以上でなければ、アルゴリズム がブロック１５６のプロシーシアを繰返えす。さもなければ、マイクロコンピュ ータ１１６はブロック１４２においてあらためて種々の値を初期設定し、他のコ マのアナログビデオ信号をディジタル化する。

（マイクロコンピュータ１１６の内部時間に基づいて得られる）所与の時間に亘 ってブロック１６２において達成されるＣ０ＵＮＴの値がビデオディスプレイ２ ２または別のディスプレイ、例えば文字ディスプレイ１３０に表示される。必要 なら、カウント７分で表わされる移動平均も計算し表示する。第６図では文字デ ィスプレイ１３０が破線によってビデオディスプレイ２２と結ばれているが、こ れは文字ディスプレイ１３０に表示する情報をビデオディスプレイ２２に表示し てもよいことを示唆している。

用途によっては明るい背景に対して撮像された比較的暗い粒子像を同じアルゴリ ズムを適用してカウントすることもできるが、この場合にはブロック１５６及び １５８において、マイクロコンピュータ１１６はＸ番目の画素及びその近傍の画 素が所定閾値Ｔ以下の明るさを有するかどうかをチェックすることになる。この 場合、発光しない粒子は明るい背景に対して暗い縞を形成する。

特にフローチャートとして図示しないが、マイクロコンピュータ１１６は第３図 のプログラムブロック１４０．１４２．１４８及び１５２におけるステップを実 行することにより、同様のフィルタリングアルゴリズムでビデオディスプレイ２ ２に表示される燃焼燃料の高速移動高温粒子４６の像を強化し、フィルタするこ とができる。

ブロック１４０におけるアルゴリズム開始に続いて、ブロック１４２において、 マイクロコンピュータは変数を初期設定し、５１２画素×４８０本走査線から成 る１コマ全体をディジタル化する。ブロック１４８において先行コマのすべての 対応画素の移動平均を現在コマの対応画素から減算して“時間フィルタ済み画像 ”を形成する。ブロック１５０において、時間フィルタ済み画像の各画素を、同 一コマにおける各画素について順次Ｇと現時点画素の積から（現時点画素のすべ ての側、即ち、Ｘ及びｙディメンションの）Ｇ個の周囲画素の値の合計を減算す ることにより空間フィルタ処理する。ブロック１５２において、現時点画像中の 画素を加え、あらためて移動平均を計算することによって先行コマの画素移動平 均を更新する。最後に、時間／空間フィルタ済み画像をアナログビデオ信号に変 換し、ビデオ入／出力ボード１２２によって出力することによってビデオディス プレイ２２を駆動する。ボイラーの背景はブロック１４８におけるステップによ ってフィルタアウトされ、画像全面における漸次的な明るさ変化はブロック１５ ０における空間フィルタリングステップによって軽減される。その結果、移動粒 子は一段と鮮明にビデオディスプレイ２２に表示される。

粒子撮像／カウントシステムはクラフト回収ボイラーにおける移動粒子をモニタ ーするのに特に好適であるが、発光性であろうと、暗かろうと、照明されるもの であろうと、物体または粒状物を撮像及び／またはカウントしなければならない ような他の用途にも応用できる。即ち、ボイラーまたは炉に応用するだけでなく 、他の多くのプロセス及びシステムにも応用できる。

好ましい実施例に関して本発明を説明したが、当業者には明らかなように、後記 する特許請求の範囲には種々の変更実施態様が含まれる。従って、本発明の範囲 は特許請求の範囲に基づいて決定され、好ましい実施例に関する以上の説明によ って直接的または示唆的に制限されるものではない。

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特表平２−５０１５０２　（１１） ｈ１９１．ｆ。

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Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）モニターすべき領域の近傍に配置され、前記領域及び該領域内に存在 する移動粒子の画像に対応するビデオ信号を出力する撮像手段と、 （ｂ）撮像手段に接続され、ビデオ信号中のノイズ及び画像を構成する静止物体 を消去するためビデオ信号を処理し、画像のうち少なくとも画像全面における漸 次的な明るさ変動及び固定背景の影響を著しく軽減された部分に対応する複数の データ点を含むフィルタ済み信号を形成する信号処理手段と、 （ｃ）信号処理手段に接続され、フィルタ済み信号中のデータ点と所定閾値レベ ルの相対的な大きさに応じてモニター域内の移動粒子をカウントするカウント手 段と、 から成ることを特徴とする移動粒子定量モニター装置。
2. ２．移動粒子による画像中の明るい縞を表わすフィルタ済み信号中のデータ点が 所定閾値レベルを超えるごとにカウント手段のカウントが１だけ増分することを 特徴とする請求項第１項に記載の装置。
3. ３．移動粒子による画像中の暗い縞を表わすフィルタ済み信号中のデータ点が所 定閾値レベル以下になるごとにカウント手段のカウントが１だけ増分することを 特徴とする請求項第１項に記載の装置。
4. ４．撮像手段が光学レンズと、波長が７００乃至１，０００ナノメータの範囲の 光に感応する検出器から成ることを特徴とする請求項第１項に記載の装置。
5. ５．信号処理手段がビデオ信号をディジタル化することを特徴とする請求項第１ 項に記載の装置。
6. ６．信号処理手段がディジタル化ビデオ信号を処理し、ディジタル化ビデオ信号 をフィルタすることによってフィルタ済み信号を形成するプログラムを記憶する ための電子メモリを有するディジタルプロセッサから成ることを特徴とする請求 項第５項に記載の装置。
7. ７．フィルタ済み信号に対応するフィルタ済みアナログビデオ信号を形成する手 段及びフィルタ済みアナログビデオ信号に呼応して移動粒子の画像を表示する手 段をも含むことを特徴とする請求項第６項に記載の装置。
8. ８．燃焼用設備において高温粒子の相対密度をカウントし、且つモニターする装 置であって、（ａ）燃焼用設備の外側に配設され、燃焼用設備の側壁に形成した 孔を通してその内部の特定領域を観察できるように位置ぎめされて、燃焼用設備 の内部及び前記特定領域に存在する高温粒子の画像に対応するビデオ信号を出力 し、前記高温粒子が前記画像中に縞として現われるようにするビデオカメラと、 （ｂ）ビデオカメラに接続されてビデオ信号に対応するディジタル信号を形成す る画像ディジタイザと、（ｃ）前記ディジタル信号を受信するように画像ディジ タイザに接続され、前記ディジタル信号を処理することにより、 （ｉ）画像中に固定背景として現われる燃焼用設備部分をディジタル信号からデ ィジタル的にフィルタし、（ｉｉ）ディジタル信号中のノイズと移動高温粒子に 対応する縞とを弁別し、 （ｉｉｉ）検出される縞ごとに高温粒子カウント信号を形成する ディジタルプロセッサ手段と、 （ｄ）ディジタルプロセッサ手段に接続され、高温粒子カウント信号に呼応して 所定時間内にディジタルプロセッサ手段が検出する高温粒子の総数を累算するカ ウント手段と から成ることを特徴とする装置。
9. ９．ディジタルプロセッサ手段がマイクロプロセッサであることを特徴とする請 求項第８項に記載の装置。
10. １０．ディジタルプロセッサ手段が現時点画像に対応するディジタル信号から先 行画像に対応するディジタル信号の平均値を減算することによって画像中の固定 背景をフィルタ・アウトすることを特徴とする請求項第８項に記載の装置。
11. １１．ディジタル信号が複数のデータ点を含むことと、ディジタルプロセッサ手 段が空間的に近接関係にある画素に対応するデータ点を算術的に組合わせること によってディジタル信号の要素を空間的にフィルタし、粒子を特徴づけるビデオ 信号中の比較的狭いパルスに起因する前記データ点の大きさの急激な変化と、画 像全面における背景の明るさ変化を特徴づける比較的広いパルスに起因する漸次 的変化とを弁別することを特徴とする請求項第８項に記載の装置。
12. １２．ビデオカメラから出力されるビデオ信号が近赤外線スペクトル像と対応す ることを特徴とする請求項第８項に記載の装置。
13. １３．一定角度範囲の飛しょう経路を有する移動発光物体のカウント方法であっ て、 （ａ）発光物体が通過すると予想される対象領域を、撮像手段を利用して走査し 、 （ｂ）前記撮像手段により複数の走査線を含むビデオ信号を形成し、 （ｃ）各走査線をディジタル化することにより、複数の画素を含み、前記領域及 びこれを通過する発光物体の画像に対応するディジタル信号を形成し、（ｄ）連 続する画像のディジタル信号中の複数の対応画素のそれぞれについて時間平均値 を求め、（ｅ）先行画像の画素の時間平均値を現時点画像ディジタル信号の対応 画素から減算することによって画像の固定的要素を消去し、時間フィルタ済みデ ィジタル信号を形成し、 （ｆ）空間的に近接関係にある画素を算術的に組合わせることにより、粒子を特 徴づけるビデオ信号中の比較的狭いパルスに起因する近接画素の大きさの急激な 変化と、画像全面における背景明るさ変化を特徴づける比較的広いパルスに起因 する漸次的変化とを弁別して時間／空間フィルタ済みディジタル信号を形成し、 （ｇ）時間／空間フィルタ済みディジタル信号中の所定閾値以上の近接画素が一 定の飛しょう経路角度範囲内に整列すると移動発光物体を検出し、（ｈ）新しい 移動発光物体が検出されるごとに移動発光物体のカウントを１だけ増分する段階 とから成ることを特徴とする方法。
14. １４．一定の飛しょう経路角度範囲が一定方向に移動する流体に同伴する粒子の 予想される移動と対応することを特徴とする請求項第１３項に記載の方法。
15. １５．画像中の固定要素が対象域の背景であることを特徴とする請求項第１３項 に記載の方法。
16. １６．一定の飛しょう経路角度範囲が特定領域内の一定方向に対して±４５°の 範囲であることを特徴とする請求項第１３項に記載の方法。
17. １７．明るさが可変である背景及び視覚的ノイズに対して、対象領域を通過する 移動物体を検出し且つカウントする方法であって、 （ａ）対象領域をビデオカメラで走査することにより、複数の走査線を含む前記 領域及び前記領域中の移動物体の画像に対応するビデオ信号を形成し、（ｂ）所 定時間内に逐次的に現われる画像のそれぞれにおける複数の走査線についてビデ オ信号をディジタル化することにより、それぞれを数字で表わした複数画素から 成る対応のディジタル信号を形成し、（ｃ）逐次的な画像中の対応画素を表わす 数字の時間的移動平均を計算し、 （ｄ）先行画像の画素に関する移動平均数値を現時点画像の対応数値から減算す ることにより、画像中の静止物体による影響が著しく軽減されている時間フィル タ済みディジタル信号を形成し、 （ｅ）空間的に近接関係にある画素の数値を算術的に組合わせることにより時フ ィルタ済みディジタル信号を空間的にフィルタして、粒子を特徴づけるビデオ信 号中の比較的狭いパルスに起因する近接画素数値の急激な変化と、画像全面にお ける背景明るさの変動を特徴づける比較的広いパルスに起因する漸次的変化とを 弁別し、時間／空間フィルタ済みディジタル信号を形成し、（ｌ）時間／空間フ ィルタ済み信号中の画素を表わす数値と所定の明るさレベルとの相対的な大きさ に応じて移動物体をカウントする段階と から成ることを特徴とする方法。
18. １８．移動物体が画像の他の部分よりもはるかに明るいことと、 （ａ）時間／空間フィルタ済みディジタル信号中の１つの画素を表わす数値が所 定の明るさレベル以上である場合、及び （ｂ）複数の近傍画素の数値が所定の明るさレベル以上である場合、及び （ｃ）前記所定の明るさレベル以上の数値で表わされる近接画素が一線上に整列 する場合にカウントを増分する段階をも含むことを特徴とする請求項第１７項に 記載の方法。
19. １９．移動物体が画像の他の部分よりもはるかに暗いことと、 （ａ）時間／空間フィルタ済みディジタル信号中の１つの画素を表わす数値が所 定の明るさレベル以下である場合、及び （ｂ）複数の近接画素の数値が所定の明るさレベル以下である場合、及び （ｃ）前記所定の明るさレベル以下の数値で表わされる近接画素が一線上に整列 する場合にカウントを増分する段階をも含むことを特徴とする請求項第１７項に 記載の方法。
20. ２０．前記画像を波長が７００乃至１，０００ナノメータの光によって画定する ことを特徴とする請求項第１７項に記載の方法。
21. ２１．移動物体がほぼ一定の方向に流動する流体に同伴することと、流体の流動 方向の一定角度範囲内で一線上に位置する複数の近接画素を表わす数値の相対的 大きさが所定の明るさレベルを超えるとカウントを増分する段階をも含むことを 特徴とする請求項第１７項に記載の方法。
22. ２２．一定の角度範囲が所定の流体流動方向を中心とし、この方向に対して±４ ５°以内であることを特徴とする請求項第２１項に記載の方法。
23. ２３．移動物体が近赤外スペクトルの光を放射することを特徴とする請求項第１ ７項に記載の方法。
24. ２４．燃焼用設備の燃料注入部から遠隔の領域における発光高温粒子を表示する 装置であって、（ａ）高温粒子が通過する燃焼用設備の領域の近傍に配設され、 特に７００乃至１，０００ナノメータの範囲の光に感応して前記発光高温粒子の 画像に対応するビデオ信号を出力する撮像手段と、 （ｂ）撮像手段に接続され、撮像手段が形成する画像中のノイズ及び静止背景画 素をほとんど排除されたフィルタ済み信号を形成する電子的フィルタリング手段 と、（ｃ）電子的フィルタリング手段に接続され、フィルタ済み信号から高温粒 子の可視像を形成する表示手段と から成ることを特徴とする装置。
25. ２５．撮像手段がビデオカメラであることを特徴とする請求項第２４項に記載の 装置。
26. ２６．発光高温粒子が黒液回収ボイラーにおける移動粒子であることを特徴とす る請求項第２４項に記載の装置。
27. ２７．表示手段が、高温粒子がそれぞれの画像中に縞となって現われるように構 成されたビデオモニターであることを特徴とする請求項第２４項に記載の装置。
28. ２８．前記領域の少なくとも一部を通過する高温粒子をカウントする手段をも含 むことを特徴とする請求項第２７項に記載の装置。
29. ２９．表示手段が可視像の発生がカウントされる画像の領域を指示すると共に、 所定の時間に亘って前記領域を通過する粒子のカウント数を表示する機能をも果 すことを特徴とする請求項第２８項に記載の装置。
30. ３０．カウントされたそれぞれの縞ごとに可視像上に可視マーカーを発生させる 手段をも含むことを特徴とする請求項第２８項に記載の装置。