JPH0718888B2 - ２次元速度ベクトル検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、２次元速度ベクトル検出装置に関し、特
に、時系列の２次元画像信号から２次元速度ベクトル信
号を検出する２次元速度ベクトル検出装置に関する。

［従来の技術および発明が解決しようとする課題］ 従来、時系列の２次元画像信号から２次元速度ベクトル
を検出する方法として、たとえば、２つの方法がある。

第１の方法は、連続するフレームにおいて対応する点を
検出し、移動距離、方向およびフレーム間隔から２次元
速度を計算するものである。この方法では対応する点の
検出が難しく、特に、自然画のような複雑なシーンに対
して正しく対応づけることが困難である。したがって、
この方法により得られた速度は信頼性を欠くという課題
がある。

第２の方法として、時系列の２次元画像信号を時空間フ
ィルタにかけ、その出力情報を利用するものがある。こ
れは、空間パターンの周波数と、それが移動することに
よって起こる或る空間位置での輝度の時間的変化との関
係を利用したものであり、対応する点を検出する必要が
ない。すなわち、たとえば、或る方向に単一周波数で変
化している空間パターンが、或る速度で移動した場合、
このパターンが通過する或る点での輝度は時間的に変化
する。そして、その点における輝度の時間周波数は、そ
のパターンの持つ空間周波数と移動速度のパターン方向
への斜影成分との積で決まる。

そこで、入力された２次元画像信号に対して、空間的に
周波数および方向について幅の狭い選択性を有するバン
ドパスフィルタをかけ、入力された空間パターンから所
望の成分のみを抽出する。空間パターンが移動したとき
に生じる、或る点における輝度の時間変化の周波数は、
その速度によって変化するので、このバンドパスフィル
タは時間的には幅の広いものである。

このバンドパスフィルタの出力信号から最大パワーを持
つ信号成分のを検出し、これを、用いた空間フィルタの
中心周波数で割ることにより、このバンドパスフィルタ
が選択性を持つ方向についての速度ベクトルの斜影成分
を求めることができる。いくつかの異なった方向につい
て選択性を持すバンドパスフィルタを用いて、速度ベク
トルの異なった方向への斜影成分を求め、これらの結果
を組合わせることにより２次元の速度ベクトルが得られ
る。

この第２の方法では、使用するバンドパスフィルタのバ
ンド幅による誤差が問題となる。すなわち、理想的に
は、バンドパスフィルタを通過した後の空間パターン
は、用いた空間フィルタが選択性を持つ方向にその中心
周波数で変化する２次元の正弦パターンであり、出力さ
れた時間波形はその空間周波数に対応する単一の周波数
成分のみからなるはずである。この方法では、これを前
提として、出力時間波形において最大のパワーを持つ周
波数成分は、空間フィルタの中心周波数の信号成分が移
動することによって生じたものであると仮定している。

しかし、実際には、空間フィルタは周波数および方向に
対して或る広がりを持っているため、出力された空間パ
ターンの周波数分布も広がっている。この分布の仕方
は、入力パターンの空間周波数分布に依存し、必ずしも
用いた空間フィルタの中心周波数の成分が最大のパワー
を持つとは限らない。すなわち、出力時間波形において
最大パワーを持つ成分が、中心周波数の空間周波数成分
に対応している保証がない。したがって、このような対
応していない時間周波数と空間周波数を用いたのでは、
正確に２次元の速度ベクトルを得ることができないとい
う課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされ
たもので、対応点の検出を必要とすることなく、より正
確に２次元の速度ベクトル信号を得ることができる２次
元速度ベクトル検出装置を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 請求項（１）の発明に係る２次元速度ベクトル検出装置
は、時系列の２次元画像信号を受けて相異なる複数の方
向ごとに１次元速度信号を検出する複数の速度検出手段
と、複数の１次元速度信号を受けて２次元速度ベクトル
信号を決定する２次元速度ベクトル決定手段とを備えて
おり、１次元速度検出手段は、時系列の２次元画像信号
の中から特定の方向についてのみ選択された信号成分を
出力する方向フィルタ手段と、方向フィルタ手段の出力
信号の中から所定の値を越えるパワーを持つ信号成分の
時間周波数を示す第１の周波数信号を検出する時間周波
数検出手段と、方向フィルタ手段の出力信号の中から最
大のパワーを持つ信号成分の、空間周波数を示す第２の
周波数信号および方向を示す方向信号を検出する空間周
波数検出手段と、第１および第２の周波数信号に基づき
所定の数理式から方向信号によって示される方向につい
て１次元速度信号を演算する１次元速度演算手段とを含
む。

請求項（２）の発明に係る２次元速度ベクトル検出装置
は、それぞれが異なった空間周波数の選択性を有し時系
列の２次元画像信号に基づいて２次元速度ベクトルを出
力する複数の２次元速度ベクトル出力手段と、複数の２
次元速度ベクトル信号に基づき最適な２次元速度ベクト
ル信号を導出する最適ベクトル導出手段とを備え、２次
元速度ベクトル出力手段は、それぞれが、時系列の２次
元画像信号の中から相異なる特定の方向についてのみ選
択された信号成分を出力する複数の方向フィルタ手段
と、それぞれが、方向フィルタ手段からの出力信号の中
から所定の値を越えるパワーを有する信号成分の時間周
波数を示す第１の周波数信号を検出する複数の時間周波
数検出手段と、それぞれが、方向フィルタ手段からの出
力信号の中から最大のパワーを持つ信号成分の、空間周
波数を示す第２の周波数信号および方向を示す方向信号
を検出する複数の空間周波数検出手段と、それぞれが、
第１および第２の周波数信号を受けて所定の数理式から
方向信号が示す方向について１次元速度信号を演算する
複数の１次元速度演算手段と、複数の組の１次元速度信
号および方向信号に基づき２次元速度ベクトル信号を決
定する２次元速度ベクトル決定手段とを含む。

［作用］ 請求項（１）の発明における２次元速度ベクトル検出装
置は、方向フィルタ手段が時系列の２次元画像信号の中
から特定の方向の信号成分を出力する。時間周波数検出
手段はその信号の中から所定の値を越えるパワーを持つ
信号成分の第１の周波数信号を検出する。空間周波数検
出手段は方向フィルタ手段の出力信号の中から最大のパ
ワーを持つ信号成分の第２の周波数信号および方向信号
を検出する。１次元速度検出手段は第１および第２の周
波数信号ならびに方向信号に基づき所定の数理式により
１次元速度信号を演算する。複数の１次元速度検出手段
により複数の１次元速度信号および方向信号が得られ、
２次元速度ベクトル決定手段がこれらの信号に基づき２
次元速度ベクトル信号を決定するので、正確に２次元速
度ベクトル信号を得ることができる。

請求項（２）の発明における２次元速度ベクトル検出装
置は、複数の方向フィルタ手段がそれぞれ時系列の２次
元画像信号の中から相異なる特定の方向についてのみ選
択された信号成分を出力する。複数の時間周波数検出手
段はそれぞれ複数の方向フィルタ手段の出力信号の中か
ら所定の値を越えるパワーを持つ信号成分の第１の周波
数信号を検出する。複数の空間周波数検出手段はそれぞ
れ方向フィルタ手段の出力信号の中から最大のパワーを
持つ信号成分の、第２の周波数信号および方向信号を検
出する。複数の１次元速度演算手段はそれぞれ第１およ
び第２周波数信号ならびに方向信号に基づき所定の数理
式により１次元速度信号を演算する。２次元速度ベクト
ル決定手段は複数の組の１次元速度信号および方向信号
に基づき２次元速度ベクトル信号を決定する。複数の２
次元速度ベクトル出力手段により複数の２次元速度ベク
トル信号が得られ、最適ベクトル導出手段がこれらの信
号に基づき最適な２次元速度ベクトル信号を導出するの
で、より正確に２次元の速度ベクトル信号を得ることが
できる。

［発明の実施例］ 第２図は、この発明による２次元ベクトル検出装置に、
時系列の画像信号を供給するためのハードウエアの構成
を示すブロック図である。

第２図を参照して、テレビカメラ７によって得られた連
続的な画像信号が順次A/D変換器８によつてA/D変換さ
れ、ディジタル化された画像信号がメモリ装置９にスト
アされる。メモリ装置９は、一定量の画像信号をストア
することができ、その量を越えて画像信号が取込まれた
場合、最も古い画像信号が捨てられ、それよりも新しい
画像信号が残される。これらの装置の起動直後におい
て、メモリ装置９はその記憶領域が画像信号により満た
されるまで画像信号をストアし、その後、ストアされた
画像信号の中から時系列の２次元画像信号を速度ベクト
ル検出装置10に出力する。それ以後は、順次、１枚分の
画像信号がメモリ装置９にストアされるごとに、更新さ
れた時系列の２次元画像信号が速度ベクトル検出装置10
に出力される。

第３図は、請求項（２）の発明による２次元速度ベクト
ル検出装置の一実施例を示すブロック図である。

第３図を参照して、この速度ベクトル検出装置10は、複
数の（Ｋ個の）空間周波数チャンネル部101ないし10K
と、それらから得られた速度情報を統合する速度配列加
算部200と、２次元速度計算部300とを含む。各空間周波
数チャンネル部101ないし10Kは、その選択性を示す空間
周波数が異なっている。すなわち、空間周波数チャンネ
ル部10Kは、空間周波数fkについて選択性を示す（ｋ＝
1,2,…Ｋ）。各空間周波数チャンネル部101ないし10K
は、入力された空間パターンの時系列の２次元画像信号
から、その選択性を示す空間周波数成分について速度を
算出する。

第１図は、請求項（１）の発明による２次元速度ベクト
ル検出装置の一実施例を示し、また、第３図に示された
空間周波数チャンネル部のブロック図である。この図で
は、一例として、空間周波数チャンネル部101が示され
ている。

第１図を参照して、この空間周波数チャンネル部101
は、時系列の２次元画像信号を受け、複数の方向ごとに
１次元速度を検出する複数の１次元速度検出部と、複数
の１次元速度から速度配列を生成する速度配列生成部５
とを含む。

１次元速度検出部は、方向に対し選択性を有する時空間
フィルタ部と、時空間フィルタ部１からの信号の時間周
波数成分について或る一定以上のパワーを持つ信号成分
の周波数をすべて検出する時間周波数検出部２と、時空
間フィルタ部１からの信号の空間周波数成分について最
大のパワーを持つ信号成分の周波数ｆ_SDとその方向θ_SD
とを検出する空間周波数検出部３と、その方向θ_SDにつ
いての１次元速度を計算する１次元速度計算部４とを含
む。

すべての１次元速度検出部は、時空間フィルタ部１ない
し1Kを除き同じ機能を持つ。時空間フィルタ部１ないし
1Kは、それぞれ、異なった方向θ_Sk（ｋ＝1,2,…Ｋ）に
ついて選択性を持つ（但し、空間周波数に対する選択性
および時間特性は、いずれも同じである。）。したがっ
て、この空間周波数チャンネル部101にはそれぞれ選択
する方向が異なるＫ個の時空間フィルタ部１ないし1Kが
含まれる。時間周波数検出部２、空間周波数検出部３お
よび１次元速度計算部４はいずれも同じ機能を持つもの
である。

動作において、たとえば、時空間フィルタ部１は、空間
パターンの時系列の２次元画像信号S1を受けて、方向θ
_S1の信号成分を選択的に出力する。この信号は時間周波
数検出部２および空間周波数検出部３に与えられる。時
間周波数検出部２はその信号の時間周波数成分について
或る一定以上のパワーを持つ信号成分の周波数ｆ_ｔｌ
（ｌ＝1,2,…Ｌ）を検出する。一方、空間周波数検出部
３は、信号の空間周波数領域において最大のパワーを持
つ信号成分の周波数ｆ_SDおよびその方向θ_SDを検出す
る。

１次元速度計算部４は、時間周波数検出部２により検出
されたすべての時間周波数ｆ_ｔｌ（ｌ＝1,2,…Ｌ）のそ
れぞれを、空間周波数検出部３により検出された空間周
波数ｆ_SDで割り、１次元の速度ｖ_ｓｌ（ｌ＝1,2,…Ｌ）
を得る。速度配列生成部５には、この速度ｖ_ｓｌおよび
空間周波数検出部３により得られた最大パワーを持つ空
間周波数成分の方向θ_sdが与えられる。

ここで、１次元速度検出部における１次元速度を求める
原理について説明する。そのために、この発明では第４
図（ａ）ないし（ｄ）に示されるような速度平面を導入
する。

第４図（ａ）ないし（ｄ）は、いずれも速度平面を示す
グラフである。ここで、Vx軸は速度のＸ軸方向の成分、
Vy軸はＹ軸方向の成分を示す。この平面上の１点が１つ
の２次元速度を示す。

一般に、或る方向θ_ｓについて選択性を持つバンドパス
フィルタを通過した方向θに向かって速度Ｖで動く空間
パターンの２次元画像信号が、周波数ｆ_ｓの信号成分に
最大パワーを持ち、時間周波数ftを持つものとする、次
の関係が成立つ。

ｆ_ｔ＝ｆ_ｓ・Ｖ・cos（θ−θ_ｓ） …式（１） よって、真の速度の方向θへの速度Ｖの斜影成分はft/f
sとなる。したがって、この斜影成分は、第４図（ａ）
に示されるように、原点を始点とし、長さft/fsを持つ
方向θ_ｓのベクトル60として表わされる。このベクトル
の端点を通り、このベクトルに垂直な直線71を引くと、
求めるべき速度の候補点はこの直線上にある。

選択する方向θ_ｓの異なった複数のバンドパスフィルタ
を用いて、前述のように速度平面上に直線を引くと、第
４図（ｂ）に示されるようにこれらの直線71,72,73は１
点で交わる。この交点Ｐが求めるべき速度を示す。

実際には、前述のように、時間周波数検出部２におい
て、或る一定以上のパワーを持つ信号成分の複数の周波
数ｆ_ｔｌ（ｌ＝1,2,…Ｌ）が得られるので、第４図
（ｃ）に示すように、或る方向θ_ｓについて複数の平行
な直線81が得られる。

また、複数の異なった方向について選択性を持つ複数の
時空間フィルタ部１ないし1Kを用いているので、複数の
空間周波数検出部３はそれぞれ異なった方向を検出する
ので、第４図（ｄ）に示すように、複数の異なった方向
について複数の平行な直線81,82,83が得られる。

なお、第４図（ｃ）は第１図の１次元速度計算部４にお
いて計算され、第４図（ｄ）は第１図の速度配列生成部
５において得られる。

第４図（ｄ）に示されるように、これらの直線群は互い
に複数の点で交差するが、最も多くの直線が交差する点
Ｑが真の速度を示すこととなる。このようにして、異な
った空間周波数に対して選択性を持つ時空間フィルタを
使用して、１つの速度平面上に複数の直線を引くことに
よって、より信頼性の高い速度を得ることができる。

第５図は、第１図に示された速度配列生成部５の一例を
模式的に示す図である。ここで示された２次元配列は速
度配列と呼ばれ、前述の速度平面を実現するためのもの
である。速度配列生成部５において、各１次元速度計算
部４から送られてきたデータに基づいて、速度平面上で
引くべき直線上の点に対応する配列要素の値が増加され
る。各配列要素はそれぞれがカウンタであり、これらの
値を速度配列として出力する。

なお、この速度配列から最大値を示す配列要素を検出す
ることによって、２次元の速度を精度良く検出すること
ができるが、第３図では、速度配列加算部200を使用し
てさらに精度を高めている。

すなわち、第３図の速度配列加算部200において、各空
間周波数チャンネル部101ないし10Kから出力された速度
配列が配列要素ごとに加算され、２次元速度計算部300
に与えられる。２次元速度計算部300は、速度配列の要
素の中で最大の値を示すものを検出し、それに対応する
速度を求めるべき２次元の速度として出力する。

［発明の効果］ 以上のように、請求項（１）の発明によれば、時系列の
２次元画像信号から相異なる特定の方向についてのみ選
択された信号成分を出力する複数の方向フィルタ手段
と、それらの信号から所定の値を越えるパワーを持つ信
号成分の時間周波数信号を検出する複数の時間周波数検
出手段と、方向フィルタ手段の出力信号の中から最大パ
ワーを持つ信号成分の空間周波数信号および方向信号を
検出する複数の空間周波数検出手段とを含むので、正確
に２次元速度ベクトル信号を得ることができる２次元速
度ベクトル検出装置がもたらされる。また、請求項
（２）の発明によれば、さらに、複数の２次元速度ベク
トル信号から最適な２次元速度ベクトル信号を導出する
最適ベクトル導出手段を含むので、より正確に２次元速
度ベクトル信号を得ることができる２次元速度ベクトル
検出装置がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、請求項（１）の発明による２次元速度ベクト
ル検出装置の一実施例を示し、また、第３図に示された
１つの空間周波数チャンネル部を示すブロック図であ
る。第２図は、請求項（１）および（２）の発明による
２次元速度ベクトル検出装置に時系列の画像信号を供給
するためのハードウエアの構成の一例を示すブロック図
である。第３図は、請求項（２）の発明による２次元速
度ベクトル検出装置の一実施例を示すブロック図であ
る。第４図（ａ）ないし（ｄ）は、請求項（１）および
（２）の発明の原理を説明するためのグラフである。第
５図は、第１図の空間周波数チャンネル部において使用
される速度配列生成部の一例を示す概念図である。 図において、１ないし1Kは時空間フィルタ部、２は時間
周波数検出部、３は空間周波数検出部、４は１次元速度
計算部、５は速度配列生成部、７はテレビカメラ、８は
A/D変換器、９はメモリ装置、10か速度ベクトル検出装
置、101ないし10Kは空間周波数チャンネル部、200は速
度配列加算部、300は２次元速度計算部である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】時系列の２次元画像信号を受けて、複数の
   異なった方向について、その方向ごとに１次元速度信号
   を検出する複数の１次元速度検出手段と、 前記１次元速度検出手段からの複数の１次元速度信号を
   受け、２次元速度ベクトル信号を決定する２次元速度ベ
   クトル決定手段とを備える、２次元速度ベクトル検出装
   置であって、 前記１次元速度検出手段は、 時系列の２次元画像信号を受け、その信号のうち、特定
   の方向についてのみ選択された時系列の２次元画像信号
   を出力する方向フィルタ手段と、 前記方向フィルタ手段からの出力信号を受け、その信号
   の中から所定の値を越えるパワーを有する信号成分の時
   間周波数を示す第１の周波数信号を検出する時間周波数
   検出手段と、 前記方向フィルタ手段からの出力信号を受け、その信号
   の中から最大のパワーを有する信号成分の、空間周波数
   を示す第２の周波数信号および方向を示す方向信号を検
   出する空間周波数検出手段と、 前記時間周波数検出手段からの第１の周波数信号および
   前記空間周波数検出手段からの第２の周波数信号を受
   け、所定の数理式から方向信号によって示される方向に
   ついて１次元速度信号を演算する１次元速度演算手段と
   を含み、 前記２次元速度ベクトル決定手段は、複数の組の１次元
   速度検出手段からの１次元速度信号および空間周波数検
   出手段からの方向信号に基づき２次元速度ベクトル信号
   を決定する、２次元素度ベクトル検出装置。
2. 【請求項２】それぞれが、異なった空間周波数の選択性
   を有し、時系列の２次元画像信号に基づいて２次元速度
   ベクトル信号を出力する複数の２次元速度ベクトル出力
   出段と、 前記２次元速度ベクトル出力手段から出力された複数の
   ２次元速度ベクトル信号に基づき最適な２次元速度ベク
   トル信号を導出する最適ベクトル導出手段とを含む、２
   次元速度ベクトル検出装置であって、 前記２次元速度ベクトル決定手段は、 それぞれが、時系列の２次元画像信号を受け、その信号
   のうち、相異なる特定の方向についてのみ選択された時
   系列の２次元画像信号を出力する複数の方向フィルタ手
   段と、 それぞれが前記方向フィルタ手段からの出力信号を受
   け、その信号の中から所定の値を越えるパワーを有する
   信号成分の時間周波数を示す第１の周波数信号を検出す
   る複数の時間周波数検出手段と、 それぞれが、前記方向フィルタ手段からの出力信号を受
   け、その信号の中から最大のパワーを有する信号成分
   の、空間周波数を示す第２の周波数信号および方向を示
   す方向信号を検出する複数の空間周波数検出手段と、 それぞれが、前記時間周波数検出手段からの第１の周波
   数信号および前記空間周波数検出手段からの第２の周波
   数信号を受け、所定の数理式から方向信号によって示さ
   れる方向について１次元速度信号を演算する複数の１次
   元速度演算手段と、 複数の組の１次元速度演算手段からの１次元速度信号お
   よび空間周波数検出手段からの方向信号に基づき２次元
   速度ベクトル信号を決定する２次元速度ベクトル決定手
   段とを含む、２次元速度ベクトル検出装置。