JPWO2008114447A1 - ホログラム再生像位置検出方法およびホログラム装置 - Google Patents

Abstract

空間光変調器に表示されたマーカおよびデータ領域を含むデータページを記録した記録媒体から再生された光を、空間光変調器よりも画素数が多い像センサに結像してデータページの再生像を得てデータページを再生するホログラム装置におけるホログラム再生像位置検出方法であって、マーカを補間拡大したテンプレート画像を予め記憶するステップと、像センサでデータページの再生像をオーバーサンプリングして検出画像を取得するステップと、検出画像とテンプレート画像を用いてテンプレートマッチング処理を行って記録時のマーカの位置を検出するステップと、を含む。

Description

本発明は、データをホログラムとして記録し、或いはホログラムからデータを再生するホログラム装置に関し、特にホログラム装置におけるホログラム再生像位置検出方法に関する。

メモリシステムとして、フォトポリマーなど感光材料からなるホログラム記録媒体（以下単に記録媒体という）に対して光学的に情報記録または情報再生が行われるホログラムメモリシステムが知られている。例えば、ホログラム装置では、記録時には、レーザ光などの干渉性光を信号光と参照光に分岐し、信号光を空間光変調器により入力データに応じて強度変調して、そして記録媒体に集光すると同時に、参照光も記録媒体に照射して、信号光と参照光が干渉させ、その結果の干渉縞が記録媒体に屈折率などの変化パターンとして記録される。記録媒体から記録されたページデータを再生するには、記録時参照光と同一の参照光を同一角度で記録媒体に入射することにより、記録媒体の干渉縞に対応する回折光（再生光）が再生され、この再生光を、前記空間光変調器よりも画素数が多い像センサに結像させて再生像を得て、光電変換により再生信号（検出画像）として復調されて出力データが得られる。

かかるホログラム装置システムにおいて、データを記録する場合、データを２次元データであるデータページと呼ばれる画像単位にして、データページ画像を空間光変調器に表示して、これにより光を空間変調して信号光を生成する。

一方、再生時には、記録媒体の記録部位に記録時と同一条件の参照光のみを照射するので、記録時の空間光変調器の画素に一対一または整数倍で対応する受光素子が２次元的に配置された像センサが用いられ、これで再生光を受光してすなわち、オーバーサンプリングして、その再生信号から元のデータページの情報を再生する。ホログラム装置システムにおいて、一般に、オーバーサンプリングとは再生像の１画素を像センサの複数画素で受光して検出画像を得ることであり、オーバーサンプリング率とは再生像の１画素に対する像センサの画素の比率（１次元比率）である。例えば、再生像の１画素を像センサの縦２画素＊横２画素で受光する場合、オーバーサンプリング率は２となる。

記録媒体の記録部位から記録データを復元する場合、データページ検出画像の品質は重要である。そのために、データページには位置決め用のマーカと呼ぶ予め決められた固定パターンが含まれ、マーカの形状／位置は一定で同一形状、同一箇所に表示されている。例えば、矩形の２次元データ中の隅などに１ヶ所以上の特定同一シンボルが含まれている。このマーカは、信号再生時にマーカの位置を検出することにより、データページ位置の特定やデータページの歪み補正等を行い、正確な復号ができるようにするため用いられる。一般的に、検出画像を走査した場合にマーカに対応する特定の周波数成分比（マーカ再生信号）が得られることから、まずマーカ再生信号からマーカの各々の中心座標が決定し、更に、各マーカの全体形状は予め定められているため、各マーカを構成する各画素の中心位置も計算で求められる。そして、マーカ以外の画素、いわゆるデータ領域画素の位置は、決定されたマーカを構成する各画素を基準画素として、その基準画素の座標値から、画素の幅や高さに基づき計算して得ることができる。このように、全てのデータ領域画素の位置が決定できるので、その位置からデータ領域画素を読み取ることにより、２次元データのデータページが検出できる。

例えば、ホログラム装置内において、ホログラム記録媒体から読み取ったデータページ（検出画像）におけるマーカ位置を基にして、受光する対物レンズの開口領域の中心と該データページのとの間の位置偏倚量を求めて、データページの中心が対物レンズの開口領域の中心に一致するようにそれらの位置を補正することが、行われている（特許文献１、参照）。

しかしながら、従来、ホログラム装置で記録された記録媒体を時間を変えて再び再生する場合でも、温度変動による記録媒体の収縮膨張により、或いは、装置の機構、光学系が温度変動による収縮膨張により、像センサ上での再生像の位置などが変化する場合があり、また、或るホログラム装置で記録された記録媒体と別のホログラム装置で記録された記録媒体とでは、再生像の位置などが異なる場合もある。

データページ（空間光変調器）と像センサの画素同士を一対一に対応させる方法（オーバーサンプリング率１）でも、データ再生時、空間光変調器の１画素が像センサの１画素に結像するとは限らないので、再生光を像センサの画素と画素の間で受光することになって１画素あたりの受光できる光量が減少する。この場合、像センサにおける受光量の低下は再生される信号品質に大きく影響する。
特開２００５−２２７７０４号公報

従来、データページと像センサの画素同士を一対一以外に整数倍で対応させ再生像を像センサで検出するオーバーサンプリングを行うことが考えられる。従来は、整数倍オーバーサンプリングであったので、テンプレート画像はマーカの各画素を単純に繰り返して拡大したものである。

例えば２倍のオーバーサンプリングでは、マーカの位置検出に用いるパタ−ンを例に挙げると、図１（Ａ）に示す１４＊１４画素の白黒２値のマーカの各画素を単純に繰り返して図１（Ｂ）に示すように、２８＊２８画素の白黒パターンに拡大したものとなる。

よって、従来のホログラム装置内において、空間光変調器の画素、例えば１００＊１００＝１００００画素にデータページを表示して記録媒体に記録した場合、２倍のオーバーサンプリングでは、縦横２００＊２００＝４００００画素の像センサが必要となる。このように、データページの画素の自乗倍以上の画素数を有する像センサを用意する必要があるので、サンプリング精度を上げるためには像センサの画素数を増大が必至である。像センサの画素数の増加は製造コストを上げ、像センサの検出レートの高速化を阻害することとなる。

そこで、本発明の解決しようとする課題には、データページ再生エラーを低減するとともに像センサの検出レートの高速化を可能にするホログラム再生像位置検出方法およびホログラム装置を提供することが一例として挙げられる。

本発明のホログラム再生像位置検出方法は、空間光変調器に表示されたマーカおよびデータ領域を含むデータページを記録した記録媒体から再生された光を、前記空間光変調器よりも画素数が多い像センサに結像してデータページの再生像を得てデータページを再生するホログラム装置におけるホログラム再生像位置検出方法であって、
前記マーカを補間拡大したテンプレート画像を予め記憶するステップと、
前記像センサでデータページの再生像をオーバーサンプリングして検出画像を取得するステップと、
前記検出画像と前記テンプレート画像を用いてテンプレートマッチング処理を行って記録時のマーカの位置を検出するステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明のホログラム装置は、空間光変調器により光空間変調された信号光と参照光との干渉縞を記録媒体に記録し、或いは、参照光により、空間光変調器に表示されたマーカおよびデータ領域を含むデータページを記録した記録媒体から再生された光を、前記空間光変調器よりも画素数が多い像センサに結像してデータページの再生像を得てデータページを再生するホログラム装置であって、
前記マーカを補間拡大したテンプレート画像を予め記憶する装置と、
前記記録媒体を移動自在に保持する保持装置と、
前記像センサでデータページの再生像をオーバーサンプリングして検出画像を取得するオーバーサンプリング部と、
前記検出画像と前記テンプレート画像を用いてテンプレートマッチング処理を行って記録時のマーカの位置を検出するマッチング部と、
を有することを特徴とする。

従来のオーバーサンプリングを説明するためのマーカおよびテンプレート画像を説明する概念平面図である。 本発明による実施形態のホログラム装置システムを示す概略構成図である。 本発明による実施形態のホログラム装置における空間光変調器に表示されたデータページの概略を示す平面図である。 本発明による実施形態のホログラム装置の再生動作における再生像を受光後のデータ復号までの信号処理の流れの概要を示すフローチャートである。 本発明による実施形態のマーカおよびテンプレート画像を説明する概念平面図である。 本発明による実施形態の１次関数による補間を説明するグラフである。 本発明による実施例のマーカ用のマーカ位置検出回路を説明する概念図である。 本発明による実施例のオーバーサンプリングの倍率に対する位置検出誤差（ＲＭＳ）の関係を説明するグラフである。 本発明による他の実施例のマーカおよびテンプレート画像を説明する概念平面図である。 本発明による他の実施例のマーカ用のマーカ位置検出回路を説明する概念図である。 本発明による他の実施例のテンプレート画像を説明する概念平面図である。 本発明による他の実施例のマーカのパターンを説明する概念平面図である。 本発明による他の実施例のホログラム装置の信号処理系の概略構成を示すブロック図である。 本発明による他の実施例に係るテンプレートマッチング処理の流れを概念的に示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 記録媒体
２０ 像センサ
２１ 第２レンズ
２５ エンコーダ
２６ デコーダ
３２ コントローラ
１６ 対物レンズ
ＨＭ ハーフミラー
ＬＤ 光源
ＳＨ シャッタ
ＢＸ ビームエキスパンダ
ＳＬＭ 空間光変調器

発明を実施するための形態

以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

＜ホログラム装置＞
図２に、情報の記録および／または再生用のホログラム装置の一例を示す。

レーザ光源ＬＤから発した可干渉性のレーザ光１２の光路上には、ハーフミラーHM、シャッタＳＨ、ビームエキスパンダＢＸ、透過型の空間光変調器ＳＬＭ、対物レンズ１６、フォトポリマーなどの記録媒体１０、第２レンズ２１、像センサ２０が配置されている。

ハーフミラーHMはレーザ光１２を分割して参照光を生成し、反射ミラーＲＭ１、ＲＭ２とともに参照光光学系として機能する。

シャッタＳＨはコントローラ３２に制御され、記録媒体１０への光ビームの照射時間を制御する。

ビームエキスパンダＢＸは、シャッタＳＨを通過した光の径を拡大して平行光線とし空間光変調器ＳＬＭを照射する。

空間光変調器ＳＬＭは複数の変調用画素が２次元的に配置されたマトリクス配置の透過型の液晶表示装置（Liquid Crystal Display：LCD）のパネルである。空間光変調器ＳＬＭはたとえば縦４８０＊横６４０画素を有し、エンコーダ２５からのデータページを表示して照射された光を空間的なＯＮ信号およびＯＦＦ信号に光変調し、信号光１２ａとして対物レンズ１６へ導く。記録すべきデータDATAが供給されたエンコーダ２５は、コントローラ３２に制御される。

対物レンズ１６は、シャッタＳＨが開いたとき（記録時）、信号光１２ａをフーリエ変換するとともに、記録媒体１０の装着位置の後方に焦点を結ぶように、集光する。

記録媒体１０は移動自在な支持部６０上に装着される。

支持部６０はコントローラ３２に制御され、対物レンズ１６の光軸に関して記録媒体１０の位置を制御する。

参照光光学系の反射ミラーＲＭ２は、参照光１２を記録媒体１０へ所定入射角度で照射する。反射ミラーＲＭ２の作用により、記録媒体１０内部にて参照光１２を信号光１２ａに対して所定角度で交差させる。

交差する信号光と参照光とは記録媒体１０内で干渉し、この干渉縞が記録媒体１０内に屈折率格子として記憶されることにより、データページの記録が行われる。また、信号光に対しする参照光との交差角を変えることにより、複数のデータページの角度多重記録が可能となる。

像センサ２０は、複数の受光素子が２次元的に配置されたＣＣＤ（電荷結合素子）や相補型金属酸化膜半導体装置などのアレイなどから構成される。さらに、像センサ２０にはデコーダ２６が接続されている。デコーダ２６はコントローラ３２へ接続される。像センサ２０の受光素子と空間光変調器の画素とは一対一に対応する必要はなく、空間光変調器に表示されるデータページの像、特に各画素が区別できる個数、配置の受光素子配列を有していればよい。

記録されたデータページを記録媒体１０から再生する場合には、シャッタＳＨで信号光を遮断し、記録時と同じ交差角で参照光のみを入射させる。参照光が照射された記録媒体１０の入射側の反対側に、記録された信号光に対応した再生光（回折光）が現れる。これにより、再生光ＲｅＳＢが第２レンズ２１を通して像センサ２０へ導かれる。像センサ２０が再生光による再生像を受光して、電気的な再生信号（検出画像）に再変換した後、デコーダ２６を介してデータDATAをコントローラ３２へ送り、コントローラ３２により元の入力データが再生される。

コントローラ３２は、支持部６０などを機械的に移動させるドライバ回路、像センサ２０からのデータを記憶する検出画像メモリ、テンプレート画像を記憶するテンプレート画像メモリを有し画像処理する位置検出回路、歪み補正回路、復号回路、を備えている。すなわち、コントローラ３２は、マーカを補間拡大したテンプレート画像を予め記憶する装置と、記録媒体を移動自在に保持する保持装置と、像センサでデータページの再生像をオーバーサンプリングして検出画像を取得するオーバーサンプリング部と、検出画像とテンプレート画像を用いてテンプレートマッチング処理を行って記録時のマーカの位置を検出するマッチング部とを備えている。

＜データページ＞
図３は、かかるデータページを表示する空間光変調器ＳＬＭの正面図を示す。記録媒体へ記録するデータページは、例えば図３のような二次元配列された白黒パターン画像になっている。このデータページの四隅には、マーカＬＭが入れてある。このマーカＬＭは、再生時にこのマーカの位置を検出することにより、データ領域の位置の特定や検出画像の歪み補正等を行い、正確な復号ができるようにするためのものである。

白黒ドットパターンは各セルのＯＮおよびＯＦＦの電圧印加状態で表示され、透過、非透過のパターンとなる。空間光変調器ＳＬＭは中央のデータ領域ＤＲにおいてたとえば２：４変調などの２次元変調データパターンシンンボルの集合を表示し、マーカＬＭを例えば、その４隅に表示する。２：４変調は、記録すべき入力データを２ビット単位で区切り、かかる２ビットごとを４ビット（２＊２＝４画素）の２次元変調パターンシンンボルへ変調する方式である。２：４変調は一例であり、これには限定されず、他の変調方式で記録されてもよい。

各ページを再生するため記録媒体を移動させるなどの理由で再生像の照射位置が変動することや、また、取り付け位置の調整などの理由から、通常、像センサの受光エリア（有効画素）は再生像が照射される面積より多少広めになるように選ばれる。そのため、像センサ出力から検出画像が照射されたエリアを特定することが必要になる。

＜ホログラム装置の再生動作＞
図４は、ホログラム装置の再生動作における再生像を受光後のデータ復号までの信号処理の流れの概要を示す。

まず、像センサで検出された検出画像において、まず４つのマーカの座標の検出を行い（マーカ座標検出：ステップＳｔｐ１）、次に、再生像の再サンプリング処理を行い（再サンプリング：ステップＳｔｐ２）、次に、データの復号する（復号：ステップＳｔｐ３）。

＜マーカ座標検出＞
オーバーサンプリングするステップにおいて、再生像を像センサで検出する際には、オーバーサンプリング率が１より大でありかつ２未満であるように、帯小数倍オーバーサンプリングを行う。例えば、再生像（空間光変調器）の縦３画素＊横３画素のエリアを、像センサの縦４画素＊横４画素で受光する場合、オーバーサンプリング率は４／３となる。このように、オーバーサンプリング率が整数でない場合を、これ以降、帯小数倍オーバーサンプリングと呼ぶことにする。

本実施形態は、例えば、縦横１００＊１００＝１００００画素の空間光変調器を用いたとすると、帯小数倍、例えば１．２倍のオーバーサンプリングを実施するので、空間光変調器よりも画素数が多い像センサであるが、縦横１２０＊１２０＝１４４００画素のものを用意すればよいので、整数倍オーバーサンプリングに比べて、像センサの画素数を大幅に削減が可能となり、製品コストを下げることができる。また、像センサの画素数を削減できると、比較的低コストで、像センサの検出レートの高速化が可能となり、再生データの高速化が実現でき好ましい。

本実施形態では、帯小数倍オーバーサンプリングを使用する。この際のマーカ位置検出に用いるテンプレート画像はマーカと同じデータにはできない。整数倍のオーバーサンプリングではないため、マーカを単純に白黒２値のまま拡大できないからである。

従って、マーカを補間拡大するステップと、かかる補間拡大テンプレート画像を予め記憶するステップと、が必要となる。

そこで、例えば、図５（Ａ）に示す１４＊１４画素の白黒２値のマーカの各画素を１７／１４倍（約１．２倍）にして図５（Ｂ）に示すように、１７＊１７画素の白灰黒パターンに多値（０〜６）に拡大（帯小数倍オーバーサンプリングとほぼ同じ倍率で）した補間拡大テンプレート画像を生成する。

２値のマーカを多値（グレーレベル）のテンプレート画像に補間拡大する方法には、例えば、図６に示す１次関数による補間がある。図６において、黒色の点は元のマーカ信号を表し、灰色の点はマーカ信号をｎ倍に補間拡大したテンプレート信号を表している。マーカ信号の画素間隔を１とすると、テンプレート信号の画素間隔は１／ｎとなる。元のマーカ信号、及び、テンプレート信号の中心位置を座標の原点として、マーカ信号とテンプレート信号の各画素の座標を求める。テンプレートの各画素の値は、その座標と、前後のマーカの画素値を結んだ直線から求める。さらに、２次関数による補間で行うこともできる。

そして、コントローラ内のテンプレートメモリに、生成された補間拡大テンプレート画像が記憶される。

像センサでデータページの再生像をオーバーサンプリングして検出画像を取得した後、検出画像と補間拡大テンプレート画像を用いてテンプレートマッチング処理を行って記録時のマーカの位置を検出する。

マーカの座標の検出方法は、補間拡大テンプレート画像と検出画像との相関値が最大となる位置を検索するテンプレートマッチング処理で行う。テンプレートマッチングは一般的にパターン照合手法の１つであって検査対象パターンと事前に用意した標準パターン（テンプレート画像）との類似度や相違度を求めて対象パターンを識別する手法として知られている。テンプレートマッチングには、類似度や相違度としては相関係数や濃淡レベルの差などが使用されることが多いが、面積相関法による２つの画像間の対応点探索法などがある。

ここで、再生されたマーカの画像ｓ（ｘ，ｙ）とテンプレート画像ｔ（ｘ，ｙ）の相関値Ｃｘｙは次式（１）で表される。ここで（ｘ，ｙ）は座標位置を表す。

検出される座標は画素単位の座標（整数座標）であるので、さらに詳細な小数座標位置を、例えば、後述する小数座標位置テンプレートマッチングの一例で求めることができる。また、特開平１０−１２４６６６に教示されるような方法で小数座標位置を求めることもできる。

＜再サンプリング：ステップＳｔｐ２＞
次に、データページに含まれる４つのマーカの座標間隔と再サンプリング処理後の検出画像のマーカの座標間隔が等しくなるように、検出された検出画像の４つのマーカの座標間を等間隔に再サンプリング処理を行う。

例えば、データページのマーカの座標間隔が４００画素で、検出画像のマーカの座標間隔が４０５画素であった場合、検出画像のマーカを４０５／４００の間隔で再サンプリング処理を行う。

再サンプリング処理により、帯小数倍オーバーサンプリングのサンプリングレートの変換や歪み補正等がなされる。つまり、再サンプリング処理により、検出画像はデータページとほぼ同じ状態になる。

＜復号：ステップＳｔｐ３＞
次に、データ領域ＤＲの各画素の白黒パターンを検出して、復号する。

例えば、検出画像のデータ領域ＤＲを、２：４変調などの所定の２次元変調パターンのサイズに区切るなどして画像処理し、さらに、得られた信号と２次元変調パターンとの相互相関を計算し、最も似ている変調パターンを検出することにより復号する。

実施例１において、図５（Ａ）に示す１４＊１４画素の白黒２値のマーカの各画素を１７／１４倍にして図５（Ｂ）に示すように、１７＊１７画素の白灰黒パターンに多値（０〜６）に拡大した補間拡大テンプレート画像を生成する。２値のマーカを多値（グレーレベル）のテンプレート画像に補間拡大する補間処理を行う際、図２に示すようにデータページ中のマーカの周りは黒であるため、マーカの外側は黒であると仮定する。

実施例１のマーカ用のマーカ位置検出回路の構成を図７に示す。この構成ではテンプレート画像のサイズを１７＊１７画素としているので、図７に示すように、マーカ位置検出回路は、行方向に直列接続された遅延器Ｄ０〜Ｄ１５と各遅延器の入出力端子に接続された乗算器Ｍ０〜Ｍ１６と各乗算器の出力端子に接続された加算器ＡＤとによりなる行方向演算器Ｌ０〜Ｌ１６並びに各行方向演算器の入力端子の間の一行遅延器ＬＤ０〜ＬＤ１５並びに各行方向演算器の出力端子に接続された最終の加算器ＦＡＤから構成できる。なお、遅延器Ｄ０〜Ｄ１５はＤフリップフロップを、各乗算器の乗算係数Ｔ０〜Ｔ１６はテンプレート画像の各行の各画素の多値を表している。最終の加算器ＦＡＤの出力が式（１）の相関値に相当する。この相関値の最大値を最大値検出器ＭＤで検出し、その時の検出画像の位置がマーカ位置となる。

実施例１では、テンプレート画像が多値画像なるため、行方向と列方向の遅延器と加算器に加えて、乗算器が必要になる。乗算器が必要になる点は回路規模が増大し好ましくないが、整数倍オーバーサンプリングの場合と比較すると、再生像を受光する像センサの画素数が削減できたのと同様に、行方向と列方向の遅延器の数も削減できる。

実施例１は、空間光変調器上にマーカ画像を表示するためのマーカ用検出画像メモリと、像センサが検出した検出画像中のマーカ位置を検出するためのテンプレート画像を保存するためのマーカ用テンプレート画像メモリと、を別々に用意し、両者のデータ内容が異なり、そこから表出される画像データ同士が相似形でないことに特徴がある。

実施例１のマーカを補間拡大した多値のテンプレート画像を使用したマーカ位置検出であっても、従来の整数倍オーバーサンプリングでのマーカ位置検出と同様の精度で位置検出できることを図８に示す。

テンプレート画像が多値の場合、マーカ位置検出処理で行う相関計算に乗算が必要になり、回路規模が大きくなってしまう。そこで、図９（Ａ）に示す１４＊１４画素の白黒２値のマーカを図９（Ｂ）に示すように、像センサの帯小数倍オーバーサンプリングと同じ倍率で、２値のマーカを多値（０〜６）に補間拡大を行い、図９（Ｃ）に示すように、さらに適当な閾値で２値化し、これをテンプレート画像とする。このように、テンプレート画像はマーカを補間拡大した多値画像から２値化された２値画像とすることもできる。

この場合のマーカ位置検出回路の構成を図１０に示す。２値化することにより実施例１と比べて乗算器が必要なくなり、また従来と比較して遅延器の数の削減も可能となり、回路規模を小さくできるので、より好ましい。

マーカ用のマーカ位置検出回路は、図１０に示すように、行方向に直列接続された遅延器Ｄ０〜Ｄ１５と各遅延器の入出力端子に接続されたスイッチＳ０〜Ｓ１６と各スイッチの出力端子に接続された加算器ＡＤとによりなる行方向演算器Ｌ０〜Ｌ１６並びに各行方向演算器の入力端子の間の一行遅延器ＬＤ０〜ＬＤ１５並びに各行方向演算器の出力端子に接続された最終の加算器ＦＡＤから構成できる。なお、遅延器Ｄ０〜Ｄ１５はＤフリップフロップを、各スイッチへの制御線Ｔ０〜Ｔ１６はテンプレート画像の各行の各画素を表しており、Ｔｎの値が１の時は再生信号を加算し、０の時は加算しない。より具体的には、テンプレート画像は固定であるのでスイッチは固定となり、テンプレート画像の各画素の値によって加算器ＡＤへの配線の有り無しになる。最終の加算器ＦＡＤの出力が式（１）の相関値Ｃに相当する。この相関値の最大値を最大値検出器ＭＤで検出し、その時の検出画像の位置がマーカの位置となる。

実施例２のマーカを多値に補間拡大した後、さらに２値化したテンプレート画像を使用したマーカ位置検出であっても、従来の整数倍オーバーサンプリングでのマーカ位置検出と同様の精度で位置検出できることを図８に示す。

さらに、テンプレート画像はマーカを補間拡大した多値画像から、さらに減じた多値化された第２多値画像とすることもできる。例えば、図９（Ｂ）に示す多値のテンプレート画像を、図１１に示すように、適当な閾値で３値化し、それを３値のテンプレート画像としてもよい。例えばテンプレート画像を（−１、０、＋１）の３値とした場合、式（１）の相関演算は、加算、減算で計算でき、乗算器が必要なくなるメリットがある。

他の変形例として、テンプレート画像を第２多値画像、４値（−２、−１、＋１、＋２）あるいは５値（−２、−１、０、＋１、＋２）のテンプレート画像とした場合も、シフト、加算、減算で計算でき、乗算器は必要なくなるメリットがある。

マーカのパターンはどんなパターンでも良いわけではなく、選択が必要である。マーカの最小構成単位が２＊２画素単位になっていることが必要である。（図１２のPXL参照）
従って、いずれの実施例によっても、位置検出精度を保持しつつ、像センサの画素数削減とマーカ位置検出回路の遅延器の数の削減により、コスト削減と再生データの高速化が実現可能となる。

＜小数座標位置テンプレートマッチングの一例＞
図１３に示すように、ホログラム装置のコントローラ３２は、検出画像メモリ４１と、歪み補正回路４２と、復号回路４３と、位置検出回路４４とを備えるように構成できる。

検出画像メモリ４１は、像センサ２０から出力される出力データ（検出画像）を一時的に格納する。検出画像メモリ４１は、格納した検出画像パターンを歪み補正回路４２および位置検出回路４４の夫々に出力する。

歪み補正回路４２は、位置検出回路４４から出力される、検出画像パターンの位置ずれ量に基づいて検出画像メモリ４１から出力される検出画像に対して歪み補正を行う。その結果、データページを特定する。

この際、歪み補正回路４２は歪み補正の一具体例として、例えば幾何補正を行う。幾何補正とは、データの記録時とデータの再生時における画素位置のずれを補正することをいう。記録時には空間光変調器ＳＬＭから記録媒体１０へ、再生時には記録媒体１０から像センサ２０へ光学系を通して画像パターンが転写されることになる。記録時と再生時とで、光学系の倍率違いやひずみ、媒体の収縮など生じるため、記録時における空間光変調器ＳＬＭ上の画素の位置と再生時における像センサ２０上の画素の位置とを完全に一致させることは不可能に近い。このため、ページデータの１ページ毎に、幾何補正が行われる。より具体的には、位置検出回路４４において算出される、空間光変調器ＳＬＭ上における本来のマーカの位置と再生画像パターンにおいて検出されるマーカの位置とのずれに基づいて、検出画像パターンに含まれる各画素位置を補正する。

図１３において、復号回路４３は、歪み補正回路４２において歪み補正が行われた検出画像パターンを復調し、再生データとして出力する。例えば、記録時に空間光変調器ＳＬＭにおいて適用した２次元デジタル変調方式に対応する復調方式でデータ復調を行い、ページデータに対応する再生データを出力する。なお、再生データは、その後、誤り訂正、デインターリーブ、デスクランブルなどを含む後処理が施され、実際のデータとして再生される。

位置検出回路４４は、検出画像に含まれるマーカの位置から、検出画像パターンの座標位置（或いは、検出画像の位置ズレ量や検出画像の歪み等）を検出する。係る検出画像パターンの座標位置等の検出は、後に詳述するテンプレートマッチング処理によって行われる。

位置検出回路４４は、本発明の「第１算出手段」の一具体例を構成する相関値算出部４４１と、本発明の「第２算出手段」の一具体例を構成する重心算出部４４２と、本発明の「第２算出手段」の一具体例を構成する画像位置算出部４４３とを備える。

図１４に示すように、初めに、相関値算出部４４１の動作により、検出画像パターンとテンプレート画像（即ち、マーカを構成する画像）との相関関係を示す相関値が算出される（ステップＳｔｐ１０１）。

検出画像パターンは記録時に空間光変調器ＳＬＭに表示されたデータページに対応する画像パターンである。これに対し、テンプレート画像は記録時に使用したマーカを予め補間拡大した画像パターンである。

検出画像パターンとテンプレート画像との相関値を算出する際には、検出画像パターン上でテンプレート画像を画素単位で直行するＸ方向およびＹ方向に移動し、両者の相関値を算出する。算出される相関値が大きくなるほど、その位置にマーカが付加されている可能性がより高くなる。

図１４において、続いて、重心算出部４４２の動作により、相関値の平坦部が判別される（ステップＳｔｐ１０２）。具体的には、相関値の分布のうち平坦な区間が判別される。平坦部であると判定された領域を周辺領域と称し、それ以外の領域を重心領域と称する。

図１４において、続いて重心算出部４４２の動作により、複数の相関値の基準値Ｂが算出される（ステップＳｔｐ１０３）。基準値Ｂとして、周辺領域の相関値の平均値が一具体例として挙げられる。

続いて、重心算出部４４２の動作により、重心領域における複数の相関値の夫々から基準値Ｂが減算され、減算された相関値を新たな相関値とする（ステップＳｔｐ１０４）。即ち、"Ｃｍｎ−Ｂ"（但し、ｍ＝０，１，２，３，４、ｎ＝０，１，２，３，４）を、新たな"Ｃｍｎ"とする。加えて、周辺領域における複数の相関値を"０"にする。周辺領域を"０"にクリアすることで、以下に示す演算処理数が短縮され高速化でき好ましい。具体的には、周辺領域の演算が省略される。

その後、画像位置算出部４４３の動作により、相関値の重心が算出される（ステップＳｔｐ１０５）。具体的には、重心のＸ方向の座標位置（この場合、実際にテンプレート画像を移動させることで算出される相関値の最大値の座標位置を基準とする相対的な座標位置）"Ｘｃ"は式（２）にて示され、重心のＹ方向の座標位置（この場合、実際にテンプレート画像を移動させることで算出される相関値の最大値の座標位置を基準とする相対的な座標位置）"Ｙｃ"は式（３）にて示される。

ここで、この重心の相対的な座標（Ｘｃ，Ｙｃ）を小数点座標とする。一方、既に特定した複数の相関値のうちの最大値の座標を整数座標とする。そこで、小数点座標と整数座標との和を求め絶対位置座標とする。この絶対位置座標が、相関値が最大となるサブピクセルの分解能を有する検出位置となることが判明する。即ち、検出画像パターン中のこの座標位置にマーカが付加されていることが判明し、その結果、検出画像パターンの座標位置や歪みや位置ズレ等を算出することができる（ステップＳｔｐ１０６）。

（小数座標位置テンプレートマッチング処理装置の実施形態）
実施例４の小数座標位置テンプレートマッチング処理装置に係る実施形態は、入力される検出画像と所定のテンプレート画像との相関関係を示す相関値を、検出画像に対してテンプレート画像を画素単位でずらしつつ、画素単位毎に複数算出する第１算出手段と、複数の相関値の重心（相関値を重みとする重心）の座標位置に基づいて、検出画像の座標位置を算出する第２算出手段とを備える。

この実施形態によれば、第１算出手段の動作により、入力される検出画像と所定のテンプレート画像との相関値が算出される。このとき、入力される画像に対して、比較の対象となるテンプレート画像を画素単位で（即ち、画素単位で）ずらしながら相関値が算出される。即ち、テンプレート画像をずらした回数に応じて複数の相関値が算出される。テンプレート画像と同一ないしは類似している画像が検出画像中の一の画素位置に含まれる場合には、該一の画素位置における相関値は相対的に大きくなる。他方、テンプレート画像と同様ないしは類似している画像が検出画像中の他の画素位置に含まれていない場合には、該他の画素位置における相関値は相対的に小さくなる。

本実施形態では特に、第２算出手段の動作により、第１算出手段により算出された複数の相関値の重心の座標位置に基づいて、検出画像の座標位置が算出される。具体的には、この重心の座標位置において、検出画像とテンプレート画像とが最も高い相関関係を有している。つまり、重心の座標位置に基づいて例えば検出画像の位置の基準として検出画像中に予め付加されているマーカの位置が判明し、その結果検出画像の座標位置が算出される。この検出画像の座標位置は、例えば所定平面ないしは空間上における座標として直接的に算出されてもよいし、或いは例えば基準位置からの検出画像の位置ズレ量として間接的に算出されてもよい。

この場合、重心の座標位置は、実際に相関値が算出される際の分解能である画素単位を超えて、サブ画素単位で算出される。というのも、本実施形態に係るテンプレートマッチング処理装置は、実際に算出される相関値のみを用いて検出画像の座標位置を算出するのではなく、その相関値から得られる相関値の重心を用いて検出画像の座標位置を算出しているためである。言い換えれば、画素単位で算出される相関値の間隙に位置し得る重心を用いて検出画像の座標位置を算出しているためである。これにより、本実施形態に係るテンプレートマッチング処理装置は、サブ画素単位での検出画像の座標位置を算出することができる。

加えて、重心は比較的簡単な演算（例えば、第１算出手段により算出される相関値とその相関値が算出される場合の画素位置等を用いた簡単な演算）で算出することができる。従って、複雑な演算を行う必要がないという利点をも併せ持っている。つまり、検出画像の座標位置を高精度に算出しつつも、それに要する処理負荷を低減することができるという二つの大きな利点を併せ持っている。

実施例４の小数座標位置テンプレートマッチング処理装置に係る実施形態の一の態様では、第１算出手段は、テンプレート画像を画素単位で縦方向および横方向に向かって二次元的にずらしつつ、相関値を算出する。

この態様によれば、テンプレート画像は、単に一の方向に向かって一次元的にずらされるのではなく、検出画像の画像面に沿って二次元的にずらされる。従って、二次元的に分布する複数の相関値を算出することができる。その結果、相関値の重心はより正確に求められる。これにより、検出画像の座標位置をより高精度に算出することができる。

実施例４の小数座標位置テンプレートマッチング処理装置に係る実施形態の他の態様は、第２算出手段は、第１算出手段により算出される複数の相関値を含む曲線または曲面の最小値を複数の相関値の夫々から減算した後に、該減算された複数の相関値の重心の座標位置に基づいて検出画像の座標位置を算出する。

この態様によれば、複数の相関値の夫々から、複数の相関値を含む曲線または曲面の最小値（即ち、第１算出手段により算出される複数の相関値の分布から予想される相関値の最小値）を減算した後に、重心が求められる。この減算処理を行うことにより、比較的簡易な演算で、相関値が最大となる位置の演算がより正確なものとなり、その結果、検出画像の座標位置をより高精度にすることができる。

実施例４の小数座標位置テンプレートマッチング処理装置に係る実施形態の他の態様は、第２算出手段は、第１算出手段により算出される複数の相関値のうちの最小値を複数の相関値の夫々から減算した後に、該減算された複数の相関値の重心の座標位置に基づいて検出画像の座標位置を算出する。

この態様によれば、複数の相関値の夫々から、第１算出手段により算出される複数の相関値中の実際の最小値を減算した後に、重心が求められる。この減算処理を行うことにより、比較的簡易な演算で、相関値が最大となる位置の演算がより正確なものとなり、その結果、検出画像の座標位置をより高精度にすることができる。

実施例４の小数座標位置テンプレートマッチング処理装置に係る実施形態の他の態様は、第２算出手段は、第１算出手段により算出される複数の相関値のうち相対的に小さいｎ個（但し、ｎは２以上の整数）の相関値の平均値を複数の相関値の夫々から減算した後に、
該減算された複数の相関値の重心の座標位置に基づいて検出画像の座標位置を算出する。この減算処理を行うことにより、比較的簡易な演算で、相関値が最大となる位置の演算がより正確なものとなり、その結果、検出画像の座標位置をより高精度にすることができる。

実施例４の小数座標位置テンプレートマッチング処理装置に係る実施形態の他の態様は、第２算出手段は、複数の相関値のうちの最大値に相当する座標位置および複数の相関値の重心の座標位置の夫々に基づいて、検出画像の座標位置を算出する。

この態様によれば、検出画像の座標位置をより高精度に算出することができる。

実施例４の小数座標位置テンプレートマッチング処理装置に係る実施形態の他の態様は、第１算出手段は、マトリクス状に分布する画素単位毎に複数の相関値を算出する。

この態様によれば、マトリクス状に分布する複数の相関値を算出することができる。その結果、相関値の重心はより正確に求められる。これにより、検出画像の座標位置をより高精度に算出することができる。

上述の如くマトリクス状に分布する画素単位毎に複数の相関値を算出するテンプレートマッチング処理装置の態様では、複数の相関値のうちの最大値の列方向および行方向の夫々の両近傍の二つの相関値の大小関係を判定する判定手段を更に備え、第２算出手段は、マトリクス状に分布する画素単位の列または行毎の相関値のうち、判定手段
により小さいと判定された相関値が位置する側の端部の相関値の平均値を複数の相関値の夫々から減算した後に、該減算された複数の相関値の重心の座標位置に基づいて検出画像の座標位置を算出するように構成してもよい。

このように構成すれば、判定手段の動作により、画素単位の列または行毎に、相関値の最大値の両近傍に位置する相関値の大小関係が判定される。大小関係の判定に基づいて、画素単位の列または行毎に、小さい相関値が位置する側の端部の相関値が抽出される。例えば、１つの列が５つの画素単位から構成されており、かつ３つ目の画素単位に係る相関値が最大であれば、２つ目および４つ目の画素単位に係る相関値の大小関係が判定される。４つ目の画素単位に係る相関値の方が２つ目の画素単位に係る相関値よりも小さいと判定されれば、端部の相関値として５つ目の画素単位に係る相関値が抽出される。

このように、画素単位の列または行毎に抽出された複数の端部の相関値の平均値が複数の相関値の夫々から減算された後に、重心が求められる。この減算処理を行うことにより、比較的簡易な演算で、相関値が最大となる位置の演算がより正確なものとなり、その結果、検出画像の座標位置をより高精度にすることができる。

上述の如く判定手段を備えるテンプレートマッチング処理装置の態様では、第１算出手段は、端部付近の相関値の分布が略平坦になるテンプレート画像を用いて複数の相関値を算出するように構成してもよい。

このように構成すれば、端部付近の相関値は概ね同一となり、結果として端部の相関値を複数の相関値の最小値と同一視することができる。従って、重心を求める際の演算をより簡易なものとすることができ、その結果、検出画像の座標位置をより容易に算出することができる。

Claims (19)

1. 空間光変調器に表示されたマーカおよびデータ領域を含むデータページを記録した記録媒体から再生された光を、前記空間光変調器よりも画素数が多い像センサに結像してデータページの再生像を得てデータページを再生するホログラム装置におけるホログラム再生像位置検出方法であって、
   前記マーカを補間拡大したテンプレート画像を予め記憶するステップと、
   前記像センサでデータページの再生像をオーバーサンプリングして検出画像を取得するステップと、
   前記検出画像と前記テンプレート画像を用いてテンプレートマッチング処理を行って記録時のマーカの位置を検出するステップと、
   を含むことを特徴とするホログラム再生像位置検出方法。
2. 前記オーバーサンプリングするステップにおけるオーバーサンプリング率が１より大でありかつ２未満であることを特徴とする請求項１記載のホログラム再生像位置検出方法。
3. 前記テンプレート画像は前記マーカを補間拡大した多値画像であることを特徴とする請求項１または２記載のホログラム再生像位置検出方法。
4. 前記テンプレート画像は前記マーカを補間拡大した多値画像から２値化された２値画像であることを特徴とする請求項１または２記載のホログラム再生像位置検出方法。
5. 前記テンプレート画像は前記マーカを補間拡大した多値画像から、さらに減じた多値化された第２多値画像であることを特徴とする請求項１または２記載のホログラム再生像位置検出方法。
6. 空間光変調器により光空間変調された信号光と参照光との干渉縞を記録媒体に記録し、或いは、参照光により、空間光変調器に表示されたマーカおよびデータ領域を含むデータページを記録した記録媒体から再生された光を、前記空間光変調器よりも画素数が多い像センサに結像してデータページの再生像を得てデータページを再生するホログラム装置であって、
   前記マーカを補間拡大したテンプレート画像を予め記憶する装置と、
   前記記録媒体を移動自在に保持する保持装置と、
   前記像センサでデータページの再生像をオーバーサンプリングして検出画像を取得するオーバーサンプリング部と、
   前記検出画像と前記テンプレート画像を用いてテンプレートマッチング処理を行って記録時のマーカの位置を検出するマッチング部と、
   を有することを特徴とするホログラム装置。
7. 前記オーバーサンプリング部におけるオーバーサンプリング率が１より大でありかつ２未満であることを特徴とする請求項６記載のホログラム装置。
8. 前記テンプレート画像は前記マーカを補間拡大した多値画像であることを特徴とする請求項６または７記載のホログラム装置。
9. 前記テンプレート画像は前記マーカを補間拡大した多値画像から２値化された２値画像であることを特徴とする請求項６または７記載のホログラム装置。
10. 前記テンプレート画像は前記マーカを補間拡大した多値画像から、さらに減じた多値化された第２多値画像であることを特徴とする請求項６または７記載のホログラム装置。
11. 前記マッチング部は、前記検出画像と所定のテンプレート画像との相関関係を示す相関値を、前記検出画像に対して前記テンプレート画像を画素単位でずらしつつ、前記画素単位毎に複数算出する第１算出手段と、
    前記複数の相関値の重心の座標位置に基づいて、前記検出画像の座標位置を算出する第２算出手段と、
    を備えることを特徴とするホログラム装置。
12. 前記第１算出手段は、前記テンプレート画像を前記画素単位で縦方向および横方向に向かって二次元的にずらしつつ、前記相関値を算出することを特徴とする請求項１１に記載のホログラム装置。
13. 前記第２算出手段は、前記第１算出手段により算出される複数の相関値を含む曲線または曲面の最小値を前記複数の相関値の夫々から減算した後に、該減算された複数の相関値の前記重心の座標位置に基づいて前記検出画像の座標位置を算出することを特徴とする請求項１１または１２に記載のホログラム装置。
14. 前記第２算出手段は、前記第１算出手段により算出される複数の相関値のうちの最小値を前記複数の相関値の夫々から減算した後に、該減算された複数の相関値の前記重心の座標位置に基づいて前記検出画像の座標位置を算出することを特徴とする請求項１１または１２に記載のホログラム装置。
15. 前記第２算出手段は、前記第１算出手段により算出される複数の相関値のうち相対的に小さいｎ個（但し、ｎは２以上の整数）の相関値の平均値を前記複数の相関値の夫々から減算した後に、該減算された複数の相関値の前記重心の座標位置に基づいて前記検出画像の座標位置を算出することを特徴とする請求項１１または１２に記載のホログラム装置。
16. 前記第２算出手段は、前記複数の相関値のうちの最大値に相当する座標位置および前記複数の相関値の重心の座標位置の夫々に基づいて、前記検出画像の座標位置を算出することを特徴とする請求項１１から１５のいずれかに記載のホログラム装置。
17. 前記第１算出手段は、マトリクス状に分布する画素単位毎に複数の前記相関値を算出することを特徴とする請求項１１から１６のいずれかに記載のホログラム装置。
18. 前記複数の相関値のうちの最大値の列方向および行方向の夫々の両近傍の二つの相関値の大小関係を判定する判定手段を更に備え、
    前記第２算出手段は、前記マトリクス状に分布する画素単位の列または行毎の相関値のうち、前記判定手段により小さいと判定された相関値が位置する側の端部の相関値の平均値を前記複数の相関値の夫々から減算した後に、該減算された複数の相関値の前記重心の座標位置に基づいて前記検出画像の座標位置を算出することを特徴とする請求項１７に記載のホログラム装置。
19. 前記第１算出手段は、前記端部付近の相関値の分布が略平坦になる前記テンプレート画像を用いて前記複数の相関値を算出することを特徴とする請求項１８に記載のホログラム装置。

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