JPS5917660A - 画像信号処理装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、画像対象から得られる画像信号を処理する
画像信号処理装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

パターン認識分野、画像処理分野、画像計測分野等にお
いては、画像対象から得られる画像信号を電気的な信号
に変換し、この画像信号を電子計算機で処理する画像信
号処理装置が広く用いられている。そして画像対象には
、可視パターンと不可視パターンがあり、この画像対象
から超音波を用いた音響電気変換や、可視光又は赤外線
を用いた光電変換などの方法によって、画像信号が取り
出される。

たとえば、可視光を用いた光電変換による方法としては
、テレビ放送や写真の分野の用いられているように、画
像対象である物体に光を照射し、その物体表面の反射率
分布に応じた反射光を画像信号として入力し、光電変換
素子により電気信号に変換するものである。

そしてこの画像信号は信号処理されテレビ受像機の画面
などの画像として再生される。

またこの画像信号は、計測分野において物体の大きさ、
長さ、形状１位置関係、テキスチャー等のパラメータを
計測する上での基礎データとして用いられる。このこと
についてカメラの例を用いて説明する。カメラで物体を
撮像する場合には、人間の目の焦点調節作用によって物
体とレンズ間の距離に応じたレンズの焦点整合が行なわ
れ、画像信号が取り出される。このとき物体とレンズと
の間の距離も、カメラの焦りに設けられた距離目盛から
計測できる。しかし人間による焦点整合では客観性に欠
けるため、取り出された画像信号を用いて自動的に焦点
整合を行なっていた。

これは、焦点整合が十分に行なわれていないと、距離と
いう計測パラメータ値に誤差が含まれてしまい、高精度
のパラメータの計測ができなくなるためである。

従来の自動焦点正金装置は、物体を映し出した画像から
取り出される画像信号に基づいて２つの信号パラメータ
を取り出し、両信号パラメータ値の相対的な偏差が最大
又は最小になるように、カメラの焦りなどを自動的に調
節し焦点整合を行なうものである。たとえば、取り出さ
れた画像信号とこれを遅延させた画像信号との差を得て
、この差信号の絶対値のうち大きい値のものをより増大
させるように非線形変換し積分をして焦点整合を行なっ
ていた。

このように従来の装置では、物体とレンズとの焦点整合
を行なうのに、機械的にレンズを自動的に移動させてカ
メラの焦りを変化させ、取り込まれる複数の画像の焦点
整合の度合を相対的に比較しながら、適正に焦点整合が
行なわれた画像を得ていた。しかし最初に取り込まれた
１つの画像を処理するのに、この画像を取得する際、条
件となるパラメータたとえば物体とレンズ間の距離を数
値的に変化させ、焦点整合を自動的に行なうことはでき
なかった。このため、１つの物体から十分に焦点整合さ
れた画像を得るのに、焦点整合の度合を変化された複数
の画像が必要になり、焦点整合に費やす時間が多大にな
る欠点があった。

〔発明の目的〕

この発明は、画像対象から１回の測定で取得される画像
信号を、この画像信号取得の際条件となるパラメータを
数値的に変化させることにより適正に焦点整合が行なわ
れた画像を再生する画像信号に変換できる画像信号処理
装置を提供するものである。

〔発明の概要〕

この発明は、１回の測定で画像対象から取得される画像
信号を、量子化された離散的な電気信号の原画像信号に
変換して記憶し、この原画像信号と、画像信号を画像対
象から取得の際条件となるパラメータを適用した点拡が
り関数との相関をとって、原画像信号を再生画像信号に
変換し、この再生画像信号を正規化し、正規化された信
号に情報鼠のコントロビーの概念を応用して画像エント
ロピーを求め、この画像エントロピーが最小になるよう
に画像信号取得の際条件となるパラメータ値を変化させ
、この変化したパラメータを適用した再生画像信号に画
像信号を変換するものである。

〔発明の実施例〕

この発明を図面を参照し一実施例を用いて説明する。第
１図はこの実施例の全体構成を示すブロック図である。

図において、入力回路部１０は、画像対象から取得され
る画像信号を入力する画像信号入力部１１と、　この画
像信号入力部１１の出力を量子化された離散的信号に変
換するＡ／Ｄ変換器１２と、　このＡ／Ｄ変換器１２で
変換され得られた原画像信号Ｄ（ｉ、ｊ）を記憶する画
像メモリ１３　とから構成される。画像メモリ１３は原
画像信号メモリ領域１３ａと再生画像信号メモリ領域１
３ｂとを有している。

画像再生部１４は画像メモリ１３から記憶されている原
画像信号Ｄ（ｉ、ｊ）を取り出し、この原画像信号ＤＣ
ｒ　ｔ　Ｊ　）に画像信号取得の際条件となるパラメー
タＸを適用して再生画像信号Ｇｌ　（１＋　ｊ　ｔ　Ｘ
　）を得る。そしてこの再生画像信号Ｇｔ　（ｒ　＋　
ｊｅ　ｘ　）を画像メモリ１３に記憶させる。

画像正規化部１５は再生画像信号Ｇ１（ｉ　、　ｊ　、
　ｘ）を正規化する。画像エントロピー測定部１６は画
像正規化部１５で正規化された信号Ｇ２　（’　＊３　
＋　Ｘ　）から画像エントロピーＡ　（ｘ）を測定する
。

画像鮮明度表示部１７は画像エントロピーＡ（ｘ）から
画像鮮明度Ｚ　（ｘ）を算出し出力する。

画像最適化部１８は、画像鮮明度Ｚ　（ｘｌが最大にな
るパラメータＸ□８を求めて、このパラメータ値ｘｍａ
工を画像再生部１４に出力し、画像鮮明度Ｚ　（ｘ）が
最大値になるとこのときの再生画像信号を読み出させる
信号を画像メモリ１３に出力する。

次にこの実施例の動作について説明する。

なお、以下の説明では画像対象である物体に超音波を放
射し、この物体からの反射波を画像信号として導入する
方式を用いる。しかし他にも光の物体からの反射波の位
相振幅情報を画像信号として導入する方式や、不可視光
による不可視パターン情報を画像信号として導入したり
、物体を表現する電気信号等を媒体として画像信号を導
入する方式などを用いてもよい。

まず、第２図を参照して物体に放射した超音波の反射波
を画像信号として導入する方式について説明する。この
時画像信号は物体像がフーリ、ｚ変換された０行ｍ列の
画像面（ホログラム）のｎＸｍ個の各画素の情報として
取得されるものとする。

第２図において物体２０は未知の回転数Ｘで一定回転し
ている。この回転数は、物体から画像信号を取得する際
条件となるパラメータである。そして物体２０に超音波
を放射する超音波発振器２１と、この超音波発信器２Ｘ
に近接して物体からの超音波の反射波を検出する画像信
号入力部１またとえばマイクロホンを配置する。この超
音波発信器２１と画像信号入力部１１は一体となって、
物体の回転面と垂直方向に直立した軸の最上部から下方
にｎ個に分割されて移動する。

初めに０行ｍ列の画像面の１行目のｍ個の画素の情報を
取得するために超音波発振器２１と画像信号入力部１１
を軸の最上部に配置する。そして超音波発振器２１は物
体が１回転する間に超音波を所定時間放射する。この回
転している物体から反射波を画像信号として両像信号入
力部１１が入力する。この入力方法は、電波通信分野に
おいて用いられている合成開口法の概念を応用したもの
である。このようにして画像面の１行１列目の画素の情
報となる画像信号が取得される。そして物体がｍ回回転
する間に同様にして画像信号を入力す、るごとに、より
、画像面の１行目の各画素の情報が取得される。次に超
音波発信器２１と画像信号入力部１１を画像面で１行分
だけ下方に移動する。そして画像面の１行目と同様にし
て２行目の各画素の情報となる画像信号を取得する。こ
のように超音波発信器２１と画像信号入力部１１をｎ−
１回下方に移動させる毎に画像信号を取得することによ
り、ｎ行ｍ列画像面のｎ　Ｘ　ｍ個の画素の情報が取得
される０ そしてこのようにして取得された画像信号は画像信号入
力部１１で連続的な電気信号に変換される。この電気信
号はＡ／Ｄ変換器１２で全システムの処理速度により定
められる適当なサンプリング周期により、階調８　ｂｉ
ｔで量子化された離散的な電気信号に変換される。

この量子化された離散信号は各々０行ｍ列の画像面（ホ
ログラム）の各画素の情報として、画像メモリ１３の原
画像信号メモリ領域１３ａ忙記憶される。この記憶され
た信号を原画像信号Ｄ（ｉ、Ｊ）とする。ここでＤ（ｉ
、ｊ）及び２次元配列要素（ｔｊは階調８ｂｉｔの場合
、０≦Ｄ（ｉ、ｊ）≦２５５．１≦１≦ｒｉ、１≦ｊ≦
ｍで１．ｊ、Ｄ（ｉ、Ｊ）は整数である。

この原画像信号Ｄ（ｆ、ｊ）は画像再生部で画像信号を
取得する際条件となるパラメータＸに適当な値Ｘｉを適
用して作られる点拡がり関数と、原画像信号Ｄ　（ｉ、
ｊ）　　との相関をとることによって再生画像信号Ｇ１
　（’　ｅ　ｊ　＊　）ｒ：Ｘｋ）に変換される。そし
てこの再生画像信号（ｈ（ｉｉｐＸ＝Ｘｘ）は画像メモ
リ１３の再生画像信号メモリ領域１３ｂに格納される。

この再生画像信号Ｇ１　（’　＃　Ｊ　＋　Ｘ　”　Ｘ
　ｌ）により１行ｍ列の再生画面が構成される。

この再生画像信号Ｇｉ（１，ｊ、ｘ＝ｘ□）は画像正規
化部１５で各々２次元分布確率密度関数に正規化される
。これは再生画像信号Ｇｉ　（ｉ　ｅｊｙ　ｘ＝ｘｔ　
）各々を合計した値で各信号Ｇ１（ｉ　ｅｊｔｘ＝ｘｉ
）を除算した値として求められる。

この値を再生画像正規化信号Ｇ２　（１ｙ　Ｊ　ｐ　Ｘ
　”Ｘｉ　）とすると次の式のようになる。

このようにして求められた再生画像正規化部〈 号Ｇ２（１，ｊ、ｘ＝ｘｌ）はＯ＝　Ｇ２　（ｉ　、　
ｊ、ｘ＝ｘ□）≦１に確率分布する。

この再生画像正規化信号Ｇ２（ｉ、　ｊ、　ｘ＝ｘｌ）
から画像エントロピー測定部１５は画像エンドｏ　ヒ−
Ａ　（ｘ　＝　ＸＩ　）が算出される。この画像エント
ロピーＡ（ｘ　＝Ｘ１）とは、再生された画面において
画像座標を変数とした確率密度関数の拡散を表わす度合
（画像情報拡散度）、たとえば画像の不鮮明さ、ボケ具
合を表わす値である。この確率拡散度は情報量のエント
ロピーの概念を応用して評価される。この画像エントロ
ピーＡ（ｘ　＝Ｘ１）は各再生画像正規化信号Ｇ２（１
，ｊ、　ｘ＝ｘｌ）と、　この信号値の対数値とを乗算
した値の全信号についての合計し、　　、正負荷号を反
転したとして求められ、次の式０式％ ） ただし０２（ｉ、ｊ、ｘ−ｘｌ）　＝　Ｏのときには、
１０ｇ　Ｇｘ　（ｔ　ｐ　Ｊ　ｅ　Ｘ−ＸＩ　）◇０と
定める。ここで、１行ｍ列の再生画面において求められ
る画像エントロピーＡ　（ｘ）の数値範囲は画像信号の
離散化条件により定められ、この場合は、０≦Ａ　（ｘ
）≦ｌｏｇｎｍ　　となる。これは画像エントロピーＡ
　（ｘ）が最小、すなわち再生画面内の１つの画素に確
率が集中し、この画素における再生画像正規化信号’ｌ
　（ｂ　ｖ　Ｊｏ、Ｘ　）が１のときには、上式によっ
て画像エントロピーＡ　（ｘ）は０になる。また画像エ
ントロピーＡ　（ｘ）が最大、すなわち再生画面全体に
均一に’　／ｎ　ｍで確率が分布しているときには、画
像エントロピーＡ　（ｘ）はｌｏｇｎｍ　　となる。

このようにして得られた画像エントロピーＡ　（ｘ　＝
　Ｘｉ　）は画像鮮明度表示部１７において画像鮮明度
Ｚ　（Ｘ：Ｘｌ）に変換され出力される。

この画像鮮明度Ｚ　（ｘ）は、画像の鮮明さの度合、す
なわち焦点整合の調節具合を示す値であり、画像エント
ロピー人ＯＩ）に比例した画像のボケ具合を表わす画像
ボケ度と逆比例する値である。この画像鮮明度Ｚ（ｘ＝
ｘｌ）は、離散化の条件により定められた画像エントロ
ピーＡ（ｘ＝ｘｌ）の最下値１ｏｇｎｍを利用して次の
式のように表わされる。

上式から解かれるように画像鮮明度Ｚ（ｘ−ｘ）は０≦
Ｚ（Ｘ−ＸＩ）≦１の範囲内に規格化された値になる。

画像鮮明度Ｚ　（ｘ）が最大の場合には適正に焦点整合
が行なわれている鮮明な画像となる。

画像最適化部１８は画像鮮明度Ｚ　（ｘ）が最大になる
最適パラメータ値Ｘｍａｘ　ｔ−求める。画像鮮明度Ｚ
　（ｘ）は画像信号を取得する際条件となるパラメータ
Ｘの関数で、このパラメータ値がｘｍａｘのとき、画像
鮮明度Ｚ　（Ｘ＝Ｘ＋ｎａｘ　）は最大になる。このこ
とから画像鮮明度Ｚ　ＬＸＪをパラメータＸで差分した
値がＯになったとき、または０に近似するようにパラメ
ータＸ値を逐次変化させる。

そして上式が成立または近似的成立、すなわちｌ△２／
△ｘｌ　（ｘ　；　ｇ　　が十分に小さいときのパラメ
ータ値を最適パラメータ値ｘｍａｘ　として画像再生部
１４に出力する。

画像再生部１４では画像メモリ１３の原画像メモリ領域
１３ｇから原画像信号Ｄ　（ｆ、ｊ）　を読み出し、こ
の最適パラメータ値ｘｔ！１ｌＬｘ　　を適用して最適
再生画像信号Ｇｌ　（ｉ　＋　ｊ　ｐ　ｘ−ｘｍａｘ　
）に変換する。そしてこの最適再生画像信号Ｇｌ（１、
ｊ、ｘ−ｘ□ａｘ　）を画像メモリ１３の再生画像信号
メモリ領域１３ｂに格納する。

この最適再生画像信号Ｇｌ（１ｅ　ｊ　ｐ　ｘ−ｘｍｘ
　）に対応する画像鮮明度Ｚ（ｘ−ｘｒｎ□）が画像正
規化部１５１画像エントロピー測定部１６２画偉鮮明度
表示部１７を経て求められる。この画像鮮明度ｚ（ｘ”
　ｘｗａｘ）が画像最適化部１８に供給されると、画像
最適化部１８は最適パラメータｘｍａｘ　と画像鮮明度
ｚ（Ｘ＝Ｘｍａｘ）　　を出力するとともに、最適再生
画像信号Ｇ、（１，Ｊ。

ｘ”　ｘｍａＫ　）を画像メモリ１３から読み出し出力
する。

以上説明したように１回の測定で物体からの超音波の反
射として入力される画像信号を変換して２次元的な画像
面（ホログラム）を構成する原画像信号として記憶する
。この原画像信号に画像信号を取得する際条件となるパ
ラメータを適用して、再生画像信号が構成される。そし
て再生画像信号のパラメータを変化させて、最適再生画
像信号を求めるものである。このため原画像信号を用い
てパラメータを数値的に変化させ、得られる再生画像信
号を解析することによって、Ｊ′容易；に未知であった
画像信号取得の際条件となるパラメータの値を計測でき
る。またこの時、最適再生画像信号も得ることができる
。

なお、一実施例では、画像エントロピーを焦点整合の度
合に比例した値となる画像鮮明度に変換し、この画像鮮
明度が最大になるように画像信号取得の際条件となるパ
ラメータを変化させていた。しかしこの発明においては
、焦点整合の度合と逆比例する関係にある画像エントロ
ピーが最小になるようにパラメータを変化させればこの
画像エントロピーが最小となった最適パラメータを適用
することにより最適再生画像信号を得ることができる。

すなわち、画像エントロピーを焦点整合度合に比例し規
格化された値に変換する必要がない場合には、画像鮮明
度表示部を除去し、画像最適化部で画像エントロピーが
最小になるようにパフメータを変化させればよい。

また一実施例では物体から得られる画像信号を２次元的
なホログラムを構成する原画像信号として記憶していた
。しかしこの発明においては、１次的なホログラムとし
て原画像信号を記憶させることもできる。

また一実施例ではＡ／Ｄ変換器で画像信号を階１４８ｂ
ｉｔで量子化された離散信号に変換していた。しかしこ
の発明では画像信号のレベルに応じて適切な階調で量子
化してもよい。

さらにこの発明においては画像の焦点整合の度合が測定
できれば、画像正規化の操作や、画像エントロピーの定
義を若干変形させても、一実施例と同様に動作させるこ
とができる。

−実、施例では、再生画像信号を正規化する操作として
全ての再生画像信号の合計和で各再生画像信号を除算し
ていた。しかしこの発明では各再生画像信号の全ての再
生画像信号に対する拡散状態を知ることができればよい
。

たとえば、各再生画像信号のうちで信号値の最小なもの
を求め、この最小な再生画像信号で各再生画像信号を減
算する。この減算値をこの減算値の再生画面全体におけ
る合計和で除算して再生画像正規化信号を求めることも
できる。そしてこの再生画像正規化信号を用いて画像エ
ントロピーを算出すると、最小再生画像信号値以下の信
号値以下の信号値は除去されるため、画像エントロピー
の変化しうる範囲が拡大できる。

また、一実施例では、画像鮮明度２を画像エントロピー
Ａの離散化の条件により定められる最大値１ｏｇｎｍを
利用して規格化していた。

しかしこの発明では、求めるべき画像の焦点整合の度合
に応じて画像鮮明度２の算出式を変形してもよい。たと
えば、得られた画像鮮明度Ｚを人間の感覚に合った心理
的画像鮮明度２′に変形することもできる。これは人間
の感覚を表わす関数の変数として画像鮮明度Ｚを用いて
心理的画像鮮明度Ｚを次の式のようにして求める。

Ｚニー１ｏｇＺ このように得られた結果を出力しても、この発明の目的
を達成できる。

さらに一実施例では画像信号取得の際条件となるパラメ
ータが物体の回転数の１つであつた。しかしこの発明は
、このパラメータが複数個である場合においても適用で
きる。これは、この複数のパラメータＸ１＋　Ｘ２＋　
ＸＬ・・・＋ｘｈを原画像信号に適用して再生画像信号
Ｇｌ（Ｘｌ。

Ｘ２１　Ｘｓ、・・・＋Ｘｈ）に変換する。ここで複数
のパラメータをＸ　”　（ＸＩ　ｐＸ２　＋　Ｘａ　ｒ
　”・＋Ｘｈ）’と表わす。そして再生画像信号Ｇ１（
Ｘ、）から画像鮮明度Ｚ（３）が求められ、この画像鮮
明度が最大になるパラメータメ１ＩＩａ吻次の式のよう
にして求める。

ｇｒａｄ　Ｚ　（Ｘｍｃｘ）　＝　０ このようにして求められたパラメータＸ＝−ｇは、最適
パラメータとして画像再生部に出力される。この最適パ
ラメータを適用した再生画像信号から、求められる画像
エントロピーは最小値になる。

次にこの発明の他の実施例について説明する。一実施例
では、物体からの超音波の反射波を画像信号として導入
していた。しかしこの実施例においては物体に光を照射
し、その光の反射波を一実施例と同様の方法で画像信号
として導入する。

この画像信号は画像信号入力部１１で光電変換素子によ
り連続的な電気信号に変換される。この電気信号は、画
像入力部１１で光の３原色、すなわち赤、緑、青（以下
、Ｒ，Ｇ。

Ｂと称する。）の各周波数帯域に応じたバンドパスフィ
ルタにより各原色ごとの画像信号に分解される。各画像
信号は各々一実施例と同様にして人／Ｄ変換器１２で量
子化された離散的の電気信号の原画像信号として画像メ
モリ１３に記憶される。そして画像再生部１４は各原画
像信号に画像信号取得の際条件となるパラメータを適用
して、各原画像信号を各々再生画像信号に変換する。各
再生画像信号から一実施例と同様にしてＲ成分画像鮮明
度、Ｇ成分画像鮮明度、Ｂ成分画像鮮明度が求められる
。各成分画像鮮明度は第３図に示すように３次元（、ユ
ークリッド）空間を構成する。

そしてカラー両津鮮明度Ｚｃｏｌｏｒ　（ｘ）は、この
３次元空間の１点として決定され、この点と原点とのユ
ークリッド距離、又はユークリッド距離の２乗などとし
て評価される。このカラー画像鮮明度Ｚｃｏｌｏｒ（ｘ
）を画像最適化部１８に出力する。そして画像最適化部
１８でこのカラー画像鮮明度が最大となる最適パラメー
タが求められ、一実施例と同様にして最適再生画像信号
が出力される。

〔発明の効果〕

この発明は一回の測定で画像対象から取得した画像信号
を記憶して、この記憶した画像信号に画像信号取得の際
条件となるパラメータを適用し、得られた信号から画像
エントロピーを求め、この画像エントロピーが最小にな
るようにパラメータを数値的に変化させることにより、
−回の測定で取得した画像信号から、画像エントロピー
が最小となる。すなわち焦点整合が適正に行なわれた画
像信号をパラメータの数値処理により得ることができる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図、
第２図はこの発明の一実施例の原理を説明するための測
定装置図、第３図はこの発明の他の実施例の原理を説明
するためのベクトル図である。 １０・・・入力回路部　　１４・・・画像再生部１５・
・・画像正規化部　１６・・・画像エントロピー測定部
１７・・・画像鮮明度表示部１８・・・画像最適化部代
理人　弁理士　則近憲佑　（ばか１名）第　　１　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 画像対象から取得される画像信号を量子化された離散信
   号の原画像信号に変換して記憶する入力回路部と、この
   入力回路部が画像信号を取得する際条件となるパラメー
   タを前記入力回路部に記憶された原画像信号に適用し原
   画像信号を再生画像信号に変換して前記入力回路部に記
   憶させる画像再生部と、この画像再生部の再生画像信号
   を正規化する画像正規化部と、この画像正規化部で正規
   化された信号の信号値とこのジ 信号値の対数値とを乗算し得毒れる値の合計和から画像
   エントロピーを測定する画像エントロピー測定部と、こ
   の画像エントロピー測定部ノ画像エントロピーが最小に
   なるように前記画像信号取得の際条件となるパラメータ
   値を変化させこの変化させたパラメータ値を前記画像再
   生部に出力し画像エントロピーが最小になる再生画像信
   号を出力させる画像最適化部とを有することを特徴とす
   る画像信号処理装置。