JPH10508172A - プッシュブルーム走査を用いた画像取り込み方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 観測領域を移動通過する少なくともひとつのＣＣＤ検出素子アレイにより衛星地表観測画像を取り込み処理するための方法であって、複数の画素を取り込んで市松模様状にサンプリングする。市松模様状のサンプリングの行および列間隔のピッチは、画像スペクトルが主に充分な変調伝達関数でエイリアシングを抑制するフーリエ平面領域内に位置するように定められる。

Description

【発明の詳細な説明】 プッシュブルーム走査を用いた画像取り込み方法 本発明は、観測領域に対して相対移動する電荷結合素子（ＣＣＤ）からなるア レイまたはマトリクス型センサーを用いた「プッシュブルーム」(Push-Broom)走 査によって地球の衛星観測画像を取り込む方法に関する。 「プッシュブルーム」走査の原理を検出素子アレイ１の場合について図１に示 す。 検出素子アレイ１を搭載した衛星が移動するに伴い、該アレイは移動方向（矢 印Ｄ）と直交して延在するラインＬ１，Ｌ２，．．．Ｌｎの列を観測する。装置 光学系２は検出素子の線上に観測場面のライン画像を常時形成し、この場合の検 出素子アレイ１は衛星の速度ベクトルに直交して拡がる光学系２の焦点面に配置 されている。観測場面は各検出素子の前を通過し、各検出素子は露光時間中の光 束を積分して比例した電荷に変換する。 図２は、このようにして撮影された画像を処理するための従来のシステムを示 す。 概略的に、この処理システムは、検出素子アレイ１からの出力を処理して増幅 するユニット３と、ユニット３からの出力信号を受信するアナログ−デジタルエ ンコーダ４と、このようにして入手したデジタル画像を衛星から地上へ送信する 手段５と、地上で画像を再構成するユニット６とからなっている。 特にユニット３はシフトレジスタを備えており、このシフトレジスタには、ア レイ１の各検出素子で積分されて電荷の形で記憶されている情報が露光時間の終 了時に転送される。それによりシフトレジスタは電荷を電子的に転送し、受光さ れて積分された通りの各点の光束に比例する一連の電圧信号に変換する。 地上のユニット６は、特に装置の欠陥を補償するためにデコンボリューション 処理を実行して画像を再構成し、また好適には画像の幾つかの画素を再構成する ための補間処理も行う。 通常、相次ぐ２本のラインの取り込み時間、すなわち「サンプリング時間」は 、衛星の真下に存在する地表上の点が、地表に投影された個々の検出素子の大き さ に等しい距離だけ移動する時間である。 装置の焦点面でみれば、焦点面における個々の検出素子の寸法の逆数と同等の ライン（行）及びカラム（列）の各サンプリング周波数が生じることになる。 しかしながら、このアプローチでは、装置の変調伝達関数（ＭＴＦ）が考慮さ れていない。 光学系の変調伝達関数は、種々の周波数を伝達するためのシステムの適合性を 表わす空間周波数の関数であり、これは、システムによる観測場面におけるコン トラストの再現特性である。 プッシュブルーム方式の画像取り込みでは、変調伝達関数は主にシステムの光 学系、スメア効果（動きによるコントラスト減少）、および検出素子に依存して いる。 観測システムには、ＭＴＦが無視できるカットオフ周波数ｆｃの特性が与えら れている。カットオフ周波数は、全体の変調伝達関数（光学系、スメア、検出素 子感光領域での積分）の一因となる作用のそれぞれに関連付けることができ、総 合的なカットオフ周波数は上記３つの関数値のうちの最小値となる。 感光領域での積分に関連した変調伝達関数は、対応のカットオフ周波数の１次 近似を構成する個々の検出素子の寸法の逆数に等しい周波数で打消しを行う。 これは感光領域での積分効果であり、一般に総合的なカットオフ周波数を決定 する。 サンプリング周波数ｆｅがカットオフ周波数ｆｃに等しいような従来の画像取 り込み法ではシャノンの条件（ｆｅ≧２・ｆｃ）が満たされず、従って疑似解像 を招いたりデコンボリューションまたは補間の試みを困難にする大きなスペクト ル折り返し歪みが発生する。 本発明の目的は、 ・地上側で満足できる画像の復元および／または補間を可能にするためスペク トル折り返し歪みを抑制すること、および ・装置のデータ伝送容量を最大限活用するために地上へ送信される情報の冗長 性を最小限に押えること、 を可能にする画像取り込み法を提供することである。 フランス特許出願第２６７８４６０号公開公報には、従来と同等の望遠鏡と個 別検出素子を用い、従来の走査装置の半分のライン及びカラム方向のサンプリン グピッチで画像を記録し再送信できるようにする方法が既に提案されている。 この方法では、図３に示すように、 ・積分時間とサンプリング時間を２分割してカラム（列）サンプリング周波数 がカットオフ周波数の２倍に等しくなるようにし、 ・ライン（行）については個々の検出素子の大きさの半分に等しい距離だけ互 いにずらした２列の検出素子アレイＢ１とＢ２による検出結果を重ね合せ、これ らによって重ね合わせサンブリングを実行している。 ２列の検出素子アレイの重ね合わせは、ライン光学分割器を用るか、または衛 星の動きを利用して第２アレイの視野を進行方向にサンプリング段の整数倍、お よびアレイの長手方向に半ピッチだけシフトさせることで可能である。これら２ つのサンプリング格子のオフセット量は、処理で適切に考慮されている場合は画 素の半分以外でも良いが、最適なオフセット値は個々の検出素子のラインおよび カラム方向の寸法の半分である。 図４は、このような処理によって得られた画素のマトリクスを示す。画素Ｘ_B1 はアレイＢ１で取り込まれた画素、また画素Ｘ_B2はアレイＢ２で取り込まれた画 素である。 ２つのアレイＢ１とＢ２の各々は、ライン方向に関して個々の検出素子の大き さに等しいピッチとカラム方向に関して検出素子の大きさの半分のピッチとを有 する矩形のサンプリング格子を発生することになり、これら２つの格子は、個々 の検出素子の半分に等しい距離だけオフセットしている。図４に示したように、 矩形のサンプリング格子は、ライン方向のピッチとカラム方向のピッチが共に個 々の検出素子の大きさの半分に等しくなるようにインターリーブによって再構成 される。 このようにして、情報レートを４倍にする代わりにシャノンのサンプリング条 件を満たす方法が利用可能となる。 図５は、フランス特許第２６７８４６０号公開公報に記載されている取り込み 法の適用例で用いられているプッシュブルーム式観測装置のための実際の変調伝 達関数（ＭＴＦ）のフーリエ平面における表現である。このＭＴＦは、正規化し たライン周波数ｆｘの伝達関数mtflとカラム周波数ｆｙの伝達関数mtfcとの積と して表現されており、これら２つの関数はＳＰＯＴ５装置で以下の式により与え られる。 この表現において、変調伝達関数は原点で１に正規化されており、周波数ｆｘ とｆｙは従来のサンプリング周波数の２倍に対して正規化され、また複数の曲線 は０．０１置きに０．１の値までのレベル曲線を表わす。 この表現から、変調伝達関数は周波数原のスペクトルの大部分にわたり小さい ことが分かる。 関数mtflとmtfcはｆｘ＝ｆｙ＝０．５を取り消すので、シャノンの条件が満た されることになる。 すべての有意な情報は本質的に上部の三角形Ｉｓ、即ち、フーリエ平面の原点 と点（０，0.5）および点（0.5,０）を頂点とする三角形の内側に含まれる。 レベル0.03のＭＴＦ曲線はこの領域に対して正接であり、このレベルより下で は信号は雑音に埋もれると思われる。この曲線を越えると、即ち上記のように定 義した三角形領域Ｉｓの外側になると、信号は利用不可能である。 従って、フランス特許出願第２６７８４６０号公開公報に記載されている技術 で提案されているサンプリング方式は最適ではなく、周波数平面の大部分を無意 味に送信していると言える。 本発明の目的は、上記の欠点を緩和するような画像取り込み法を提供すること であり、スペクトル・エイリアシングを無視できる程度に抑制しながらも取り込 みのデータ・レートを最適化することのできる方法を提供することである。 ここで、本明細書を通して、変調伝達関数は矩形で対称的なものであると仮定 する。 本発明は、観測領域上を移動する電荷転送型の複数の検出素子からなる少なく ともひとつのアレイまたはマトリクス型センサーを用いて複数の画素情報を取り 込み、各画素情報互い違いの配列でサンプリングして地球の衛星観測画像を取り 込み処理する方法を提示するものであり、特に、前記互い違いのサンプリングの ラインピッチとカラムピッチを、画像スペクトルが主に充分な変調伝達関数でス ペクトル・エイリアシングを制限するフーリエ平面領域内に位置されるように定 めることを特徴とするものである。 前述のフランス特許出願第２６７８４６０号公開公報に記載された方法と比べ て、本発明では地表の任意画像領域に対応する伝送レートは２分の１となる。 本発明の特に好ましい実施態様によれば、互いに同一ピッチでそれぞれ移動方 向と直交する方向に配列された複数の検出素子からなる少なくとも二列のアレイ またはマトリクス型センサーを用いて地球の衛星観測画像を取り込み処理する方 法が提供され、この場合、上記二列のセンサーは互いに前記移動方向と平行な方 向に関しては検出素子の個々のピッチの整数＋整数分の１に相当する分だけオフ セットされ、前記移動方向に対して直交する方向に関しては前記検出素子の個々 のピッチの整数分の１だけ相対的にオフセットされており、また、この方法は、 前記２列のセンサーのサンプリング時間を個々の検出素子のカットオフ周波数の 逆数に等しくする点に特徴がある。 本発明の別の有利な実施態様では、複数の検出素子をそのカットオフ周波数の 逆数に対応するピッチｐで配列してなる少なくともひとつのアレイまたはマトリ クス型センサーを用いて地球の衛星観測画像を取り込み処理する方法が提供され 、この方法は、前記センサーが移動面内でその移動方向に対してα＝１／ｎ（但 し、ｎは整数）の角度に向けられている点と、個々の検出素子のサンプリング時 間が変位ｐ／√（１＋ｎ²）に対応している点に特徴がある。従って、矩形のサ ンプリング格子はサブサテライト点（subsatellite point）の速度およびその垂 直位置で定まる幾何学条件で生成されることになり、前記２方向でのサンプリン グピッチはｐ／√（1＋ｎ²）に等しい。またサンプリングは、係数√（１＋ｎ² ） で観測走査幅が減少する代わりに同じ係数分だけ高密度化する。 本発明の更に別の有利な実施態様では、複数の検出素子からなる単一のアレイ またはマトリクス型センサーを用いて、前記検出素子のカットオフ周波数の逆数 に対応するサンプリング時間で地球の衛星観測画像を取り込み処理する方法が提 供され、この方法は、入手した画素情報を少なくとも４つの隣り合う画素のグル ープ毎にまとめて互い違いの配列でサンプリングし、サンプリング結果の２本の 走査線間のピッチを当初の画素マトリクスの２本の隣接ライン間のピッチに対応 させる点に特徴がある。 以上のような種々の異なる実施態様で得られるサンプリング結果は地上へ送信 され、地上側で受信画素情報について互い違いの配列の補間が実行される。上述 のグループ化と互い違いの重ね合わせサンプリングのため、スペクトル・エイリ アシングなしに地上で画像を再構成することができる。 本発明のその他の特徴および利点は以下の説明から更に明らかとなる。以下の 説明は単に例示のためのものであって本発明の範囲を限定するものではない。添 付図面においてはスペクトルの１／４だけが図示されており、残りの部分は対称 性を考えれば図示の内容から演鐸できよう。 図１は、プッシュブルーム走査による取り込みの原理を示す。 図２は、プッシュブルーム走査によって撮像された画像を処理するための一つ のシステムを示す。 図３は、フランス特許出願第２６７８４６０号公開公報に述べられている方法 を用いた取り込み法を示す。 図４は、図３の取り込み法を実施して得た画素マトリクスを示す。 図５は、矩形対称性を有する変調伝達関数のレベル曲線のフーリエ平面におけ る表現である。 図６は、本発明のひとつの可能な実施形態を示す。 図７は、図６の方法を実施することによって取り込んだ画素マトリクスを示す 。 図８は、本発明の別の可能な実施形態を示す。 図９は、図６の方法を実施することにより取り込んだ画像スペクトルのフーリ エ平面における表現を示す。 図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃは、これらの取り込みの各々についてのスペク トル・エイリアシングを示す。 図１１は、図８の方法と同様の本発明の別の実施形態を示す。 図１２は、本発明の処理法の別の可能な実施形態を示す。 図６は、本発明のひとつの可能な実施形態において２本のリニアアレイＢ₁₁と Ｂ₁₂によって実行される取り込み処理を示している。 アレイＢ₁₁およびＢ₁₂は、アレイＢ１およびＢ２と同様の仕方で配置されてお り、互いに平行で隣り合い、それぞれの長手方向に画素の整数分の１、例えば画 素の半分（即ち、個々のアレイ内での個々の検出素子のピッチをｐとするとｐ／ ２）だけ、これらアレイ自身がその長手方向にずれてオフセットされている。 アレイＢ₁₁とＢ₁₂の各々のサンプリング時間は、装置の変調伝達関数に対応す るカットオフ周波数ｆｃに対して１／ｆｃに等しくなるように選択されている。 本実施例では、サンプリング時間１／ｆｃと検出素子間のピッチｐは一致して いる。 この方法で得られる画素マトリクスは図７に示す通りであり、ここで、アレイ Ｂ₁₁から取り込まれる画素はＸ_B11で表わされ、またアレイＢ₁₂から取り込まれ る画素はＸ_B12で表わされている。 図７から分かるように、これにより１／ｆｃとｐの従来の取り込みピッチに対 応する２枚の画像が提供されるが、これらの画像は互いにライン方向に１／ｆｃ だけ、またカラム方向にｐ／２だけオフセットしている。 結果として、図３および図４を参照して説明した取り込み法と比べると、２つ の画素のうちのひとつだけが各ラインおよび各カラムで記録されたことになり、 換言すれば互い違いの配列でサンプリングが実行されたことになる。 図７のマトリクスにおいて、取り込まれなかった図４のマトリクスの画素は０ で置き換えられている。 これらの０画素は、画素Ｘ_B11とこれに隣接したＸ_B12画素から地上側での補間 によって再現される。 これらの欠けた画素の再構成を可能とする補間処理は、たとえば当該技術の熟 練者には従来から公知となっているようなフーリエ補間であり、本明細書では更 に詳細な説明は行わない。 勿論、他の補間処理も可能である。たとえば、以下の刊行物に記載されている ような補間処理を用いることもできる。 “解像係数√２での画像の多重解像解析”ジェイ・シー・フォーボー、「信号 処理」第７巻第２号、１９９０年（J.C．Feauveau，″Analyse multiresolution pour les images avec un facteur de resolution √2; Traitement du signal ,Vo1．7，No.．2，1990） ピッチｐは一般に１／ｆｃに対応することから、実行される取り込みはピッチ ｐ√２で４５°回転した同じ画像の中心六面サンプリングとも呼ばれる互い違い サンプリングと等価である。 結果として、本実施態様によるサンプリングは、図８に示すように、観測領域 に平行で移動方向Ｄに対して角度α＝４５°で移動面内に延在する単一のアレイ １を用いることでも果たすことができる。 この場合、移動方向におけるサンプリング時間ｔｅはｐ√２に対応するように 選択する。ここでｐはアレイ１に沿ったサンプリングピッチで、この方法で生成 されるサンプリング結果はピッチｐ／√２での矩形サンプリングに対応する。 このようなサンプリングのスペクトルは図９に示す通りであり、これは図５の サンプリング結果を４５°回転させたものに対応する。 この図から、画像スペクトルによって占められているフーリエ平面の領域が曲 線ＭＴＦ0.03に正接の三角形であることが分かる。 ここで図１０ａから図１０ｃを参照して説明する。 これらの図で斜線の領域は３つの取り込み態様の各々でスペクトル・エイリア シングが３％を越えるようなフーリエ平面の領域である。 図１０ａから、従来の取り込み法では情報の小さい部分だけが相対的に汚染さ れなていないに過ぎない（１５％以下）ことが分かる。 フランス特許出願第２６７８４６０号公開公報に記載されている処理法を用い て取り込みを行う場合は、スペクトル・エイリアシングはスペクトルで占有され ている領域の外側にある（図１０ｂ）。 本発明による互い違い処理でも同様のことが起こり、スペクトル・エイリアシ ングは領域Ｚ_iの外側で発生する（図１０ｃ）。 これらの結果は以下の表Ｉにも示してあり、この表において、 ・スペクトル・エイリアシングによって汚染されたフーリエ平面の領域は、サ ンプリングを行う時に「優先的」にアクセスできる領域の面積の一部分として表 現される。 ・周波数成分が伝達関数によって過剰に減衰されないフーリエ平面の領域は、 ３％閾値より大きい変調伝達関数の値で特徴付けられている。 ・同じ領域を画像化するために生成されるデータ量は「従来」のデータ・レー トで正規化される。 この表から、フランス特許第２６７８４７０号公開公報に記載された処理法は スペクトル・エイリアシングがないが、かなり空っぽのスペクトルを発生するこ とが分かる。 逆に、従来の処理法では装置変調伝達関数で送られる情報の全てを含めるには 小さすぎるフーリエ平面領域を使用しており、このことがあらゆる逆拡散を阻害 するような高レベルのスペクトル・エイリアシングを起こす原因となっている。 本発明によるサンプリング法は、利用可能であるべき信号に対して変調伝達関 数が充分で、しかもスペクトル・エイリアシングが無視できるような領域を占め るスペクトルを得るのに寄与しており、そのデータ・レートはフランス特許第２ ６７８４７０号公開公報のサンプリングの半分である。 本発明によるサンプリング手法の最も好適な性質は、特に互い違い式のサンプ リングの幾何学的解像度が最も粗くなるような方向の対角線上にとった場合の変 調伝達関数（およびそれに伴う何らかの情報）の落ち込みからもたらされる。こ れにより、良好な条件下でデコンボリューションの実行が可能となる。 一方、ライン解像度とカラム解像度は従来のサンプリングで得られた解像度と 同等、即ちシャノン周波数で打ち消し合う点の全てが得られることになる。 一般に、図１１に示すように、充分なＭＴＦと抑制されたスペクトル・エイリ アシングは、観測領域に平行で、且つ移動平面内で移動方向に対して角度αの方 向に向けられた検出素子アレイを用いることにより有利に得ることができ、ここ でｔａｎα＝１／ｎ（ｎは整数）、サンプリング時間は変位ｐ／√（１＋ｎ²） に対応する。 図１０に示した重ね合わせサンプリングはｎ＝２の場合に対応している。 特にα＝４５°でサンプリング時間がｐ／√２に等しい場合がｎ＝１に対応す る。 勿論、これらの場合はｐが１／ｆｃに対応するとの仮定に基づいている。 図１２は本発明を実施するための別の可能な態様を示す。 本実施形態において、第１のサンプリングは従来のように検出素子の単一アレ イを用い、１／ｆｃに対応するサンプリング時間で実行する。 図１２において、細線はＣＣＤ検出素子アレイによるこのサンプリングで得た ３本のラインｔ₁，ｔ₂，ｔ₃の画素Ｘを示している。 本発明のこの実施形態に対応する処理において、画素Ｘは少なくとも４つずつ のグループにまとめられるが、サンプリング周波数は依然として同一に維持され る。 このようにして得られたグループ画素Ａｇを図１２に太線で示すが、各々のグ ループ画素Ａｇは矩形領域内で分散した４つの隣接画素Ｘの和である。 二本分のラインずつのラスタ走査線上で上記グループ画素Ａｇは隣接して配列 されており、２本の隣接するラスタ走査線では互いの画素Ａｇが一つの画素Ａｇ の半分の幅だけずれてオフセットし、１本のラインの画素Ｘの高さで重なり合っ ている。 これは、図７の方法に似た互い違い方式の重ね合わせオーバーサンプリングを 提供するものであり、この場合、 ・隣接した２本のラインは、１／ｆｃ、即ち、１／Ｆｃの２倍だけ離れており （Ｆｃは初期の取り込みで使用されるアレイにおける４つのグループ化された検 出素子のカットオフ周波数）、そして ・或るライン上の２つのグループ画素Ａｇは、グループ画素Ａｇの個々の幅に 対応する間隔で並んでいる。 受信に際しては、互い違いの補間処理とデコンボリューションをこの重ね合わ せサンプリング結果に対して実行する。 このような処理によって、データ・レートが２分の１になっていても画像の当 初の解像度をほぼ完全に復元することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９５／０９２６３ (32)優先日 1995年７月28日 (33)優先権主張国 フランス（ＦＲ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＵＳ (72)発明者 ファバルド、ジャン・クロード イタリア国、アイ 21029 バレーゼ、ビ ア・モノリ 49 (72)発明者 ポーク、ジルベール フランス国、エフ 31320 ラクロワ・フ ァルガード、リュ・デル・コーレ ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．観測領域上を移動する電荷転送型の複数の検出素子からなる少なくともひ とつのアレイまたはマトリクス型センサーを用いて複数の画素情報を取り込み、 各画素情報互い違いの配列でサンプリングして地球の衛星観測画像を取り込み処 理する方法において、前記互い違いのサンプリングのラインピッチとカラムピッ チを、画像スペクトルが主に充分な変調伝達関数でスペクトル・エイリアシング を抑制するフーリエ平面領域内に位置されるように定めることを特徴とする画像 取り込み方法。 ２．互いに同一ピッチでそれぞれ移動方向と直交する方向に配列された複数の 検出素子からなる少なくとも二列のアレイまたはマトリクス型センサーを用いて 地球の衛星観測画像を取り込み処理する請求項１に記載の方法であって、前記二 列のセンサーが互いに前記移動方向と平行な方向に関しては検出素子の個々のピ ッチの整数＋整数分の１に相当する分だけオフセットされ、前記移動方向に対し て直交する方向に関しては前記検出素子の個々のピッチの整数分の１だけ相対的 にオフセットされ、前記２列のセンサーのサンプリング時間を個々の検出素子の カットオフ周波数の逆数に等しくすることを特徴とする画像取り込み方法。 ３．複数の検出素子をそのカットオフ周波数の逆数に対応するピッチｐで配列 してなる単一のアレイまたはマトリクス型センサーを用いて地球の衛星観測画像 を取り込み処理する請求項１に記載の方法であって、前記センサーが移動面内で その移動方向に対してα＝１／ｎ（但し、ｎは整数）の角度に向けられており、 個々の検出素子のサンプリング時間が変位ｐ／√（１＋ｎ²）に対応しているこ とを特徴とする画像取り込み方法。 ４．前記アレイまたはマトリクス型センサーと前記移動方向とのなす角度が４ ５°であり、前記個々の検出素子のサンプリング時間がｐ／√２であることを特 徴とする請求項３に記載の画像取り込み方法。 ５．複数の検出素子からなる少なくとも一つのアレイまたはマトリクス型セン サーを用いて、前記検出素子のカットオフ周波数の逆数に対応するサンプリング 時間で地球の衛星観測画像を取り込み処理する請求項１に記載の方法であって、 入手した画素情報を少なくとも４つの隣り合う画素のグループ毎にまとめて互い 違いの配列でサンプリングし、このサンプリング結果の２本の走査線間のピッチ を当初の画素マトリクスの２本の隣接ライン間のピッチに対応させることを特徴 とする画像取り込み方法。 ６．入手したサンプリング結果を地上に伝送し、地上側で受信画素情報を互い 違いの配列の補間処理に付すことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記 載の画像取り込み方法。