(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の像を結像する像側の主光線が光軸に対し平行なテレセ
ントリックな光学系の結像面の近傍に該光軸に中心軸を重ねて円錐反射部材と、
該光学系と該円錐反射部材の間に像回転手段と、
該円錐反射部材の側方に
該光軸に向けて受光面を配置した多数の単位センサより成るラインセンサとを
配置し、物体からの光線を該光学系を介し、
該像回転手段を回転させつつ該円錐反射部材で反射せしめて該ラインセンサで受光して物体情報を極座標に変換して取り込むことを特徴とする画像処理装置。
【請求項２】
前記光学系は物体の像を中間結像するレンズと、該中間結像
した像を再結像させると共に再結像する像側の主光線を前記光軸に対し平行にす
る平行化光学系を有することを特徴とする請求項１の画像処理装置。
【請求項３】
前記像回転手段はドーフェプリズムを有することを特徴とす
る請求項２の画像処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像処理装置に関し、特に２次元の物体情報を極座標変換して入力し、特徴量抽出、符号化、パターン認識等の画像処理を行う際に好適なもので、画像の認識を目的とするシステムの入力系、例えば産業用ロボットの入力系、文字認識システムの入力系に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２次元画像を極座標変換するには、以下のように、大きく分けて２通りの方式がある：
▲１▼  センサで２次元直交座標に基づいてサンプリングしたあと、デジタル画像処理で変換する。（以下、デジタル方式と呼ぶ）
▲２▼  センサでサンプリングするまでに極座標変換する。（以下、アナログ方式と呼ぶ）
デジタル方式による極座標変換では、もともと２次元直交座標系でサンプリングされた信号を、計算によって極座標系に変換するので、円周方向の精度が、原点に近づくにつれて極端に劣化する。例えば原点に最も近い位置でのサンプル点はせいぜい８個である。
【０００３】
このような欠点を解決するのが、アナログ方式である。そして、このアナログ方式による極座標変換には、光学系によるものと、センサによるものがある。
【０００４】
光学系によるものは、例えば、文献［ＣＷ．  Ｓｈｉｎ  ａｎｄ  Ｓ．  Ｉｎｏｋｕｃｈｉ：”Ａ  Ｎｅｗ  Ｒｅｔｉｎａ−Ｌｉｋｅ  Ｖｉｓｕａｌ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ”，ＭＶＡ’９４  ＩＡＰＲ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  ｐｐ．５２−−５６，（Ｄｅｃ．，１９９４）］に説明されている。
【０００５】
このシステムは、回転するドーフェプリズムと固定されたラインセンサを用いている。ドーフェプリズムはこれを角度θ回転させるとプリズムを通る光束による像が２θ回転する光学要素である。上記システムはこれを用いて、固定されたラインセンサ上に結像する像を回転させ、実空間上での放射線状のサンプリングを実現している。
【０００６】
一方センサによるものは、例えば文献［Ｍ．  Ｔａｓｔａｒｅｌｌｉ：  ”Ａｃｔｉｖｅ／ｓｐａｃｅ−ｖａｒｉａｎｔ  ｏｂｊｅｃｔ  ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ”，  Ｉｍａｇｅ  ａｎｄ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，  ｖｏｌ．１３，  ｎｏ．３，（Ａｐｒ．，１９９５）］に説明されている。ここでは２次元アレイセンサの配置そのものを極座標変換に適するように設計している。即ち、２次元アレイセンサを構成する個々のセンサの並び方を不均一にしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例は以下の様な課題を有する（図７参照）。
【０００８】
１．  図７はアナログ方式のうち光学系によるシステムにおいて、物体平面上でラインセンサによって画像の輝度情報（物体情報）を取り込む状況の説明図である。ラインセンサは多数の単位センサを一列に並べて構成している。図中、楕円で表した大きさは各単位センサが物体平面において輝度データを検出する範囲（各センサの入力範囲）である。ラインセンサは物体平面上において図の同心円と放射線との交点においてサンプリングするので、光軸中心付近でのサンプリング周期は確かに小さくなるが、ラインセンサのフィルタ特性、即ちラインセンサを構成している個々のセンサの入射角度に対する感度特性は何ら改善されていないから、中心部で検出できる信号のナイキスト周波数は、このセンサの周波数特性に制限される。
【０００９】
物体平面における単位センサの入力範囲は単位センサの大きさや光学系全体の収差補正の程度によって変わり、単位センサの大きさが小さく且つ光学系全体の収差補正が良好ならば、単位センサの入力範囲は小さくなり、極座標変換の精度は良くなる。しかし、この単位センサの入力範囲は光軸からの距離によらず一定なので円周方向の角度に関するナイキスト周波数〔ｃｙｃｌｅ／ｄｅｇ〕は光軸からの距離に依存し、光軸に近付くにつれて低くなり相対的に極座標変換の精度が低下することになる。
【００１０】
つまり、例えば、ラインセンサを構成する各単位センサの入力範囲特性が、全ての単位センサに関して同じ特性を持っており、その分散が、光軸から最も離れた単位センサのセンサ間ピッチ、即ち空間サンプリング周期と同じ値であったとすると、このようなシステムで得られる信号が持つ情報は、同じ空間サンプリング周期の通常の２次元直交座標系アレイセンサで入力された信号が持つ情報と殆ど変わらない。
【００１１】
即ち空間サンプリング周期を如何に高くしても、センサによって画像の空間周波数の高周波数成分がカットされてしまっては何の効果もない。
【００１２】
２．  アナログ方式のうち特殊な配列の２次元アレイセンサを用いる方式では、空間サンプリング周期の問題が直接的に影響する。即ち、２次元アレイセンサを構成する個々の単位センサは有限の大きさを持っており、光軸中心部でも、その大きさで、単位センサ間のピッチ、即ち空間サンプリング周期の下限を制限してしまう。もちろんセンサの空間周波数特性によっても制限されてしまう。
【００１３】
本発明は、光学系によって２次元の物体情報を極座標に変換して取り込む際、円錐反射部材を使用して画面周辺部より画面中心に向かうに従って像を円周方向に大きく拡大し、これによって極座標の円周方向に沿っての角度に関する信号サンプリング間隔を一様にし、もって円周方向に沿った角度に関するナイキスト周波数〔ｃｙｃｌｅ／ｄｅｇ〕を光軸からの距離によらず略一定とする画像処理装置の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の画像処理装置は、物体の像を結像する像側の主光線が光軸に
対し平行なテレセントリックな光学系の結像面の近傍に該光軸に中心軸を重ねて
円錐反射部材と、
該光学系と該円錐反射部材の間に像回転手段と、
該円錐反射部材の側方に
該光軸に向けて受光面を配置した多数の単位センサより成るラインセンサとを
配置し、物体からの光線を該光学系を介し、
該像回転手段を回転させつつ該円錐反射部材で反射せしめて該ラインセンサで受光して物体情報を極座標に変換して取り込むことを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において前記光学系は物体の像を中間結像するレンズと、該中間結像した像を再結像させると共に再結像する像側の主光線を前記光軸に対し平行にする平行化光学系を有することを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項２の発明において前記像回転手段はドーフェプリズムを有することを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の要部概略図である。又、図２は実施形態１の光学系の断面図である。図中の各要素を説明する。
１０１．魚眼レンズ系（魚眼レンズ）：  レンズＡ，絞り、レンズＢは魚眼レンズ系１０１  を構成している。絞りの口径は小さく、魚眼レンズ系１０１  を出た光束の立体角を極めて小さいものとしている。魚眼レンズ１０１  は、画像処理の性質によって様々な特性のレンズを用いてよい。  魚眼レンズで変換された後の極座標系の動径であるｔ  は、魚眼レンズ１０１  の特性により光軸に対する光線の入射角度φを用いて、以下のような関係になる：
（ａ）  正射影レンズ        ｔ＝２ξｓｉｎ（φ），
（ｂ）  等距離射影レンズ    ｔ＝  ξφ，
（ｃ）  等立体角射影レンズ  ｔ＝２ξｓｉｎ（φ／２），
（ｄ）  立体射影レンズ      ｔ＝２ξｔａｎ（φ／２）．
なお、魚眼レンズ系１０１  は回転対称であるので、図及び以下の説明は、全て動径方向に限って行う。又、魚眼レンズ系１０１  の前面に仮想的に物体平面Ω１  を設定している。
１０５．平行化光学系：  魚眼レンズ系１０１  の後ろに射出光束の主光線を光軸に対し平行にする平行化光学系１０５  を配置している。なお、図１に示す平面Ω２  は平行化光学系１０５  の前側主平面である。又、図１の平行化光学系１０５  は１枚のレンズで示しているが、実際には図２に示すように像側にテレセントリックなレンズであり、魚眼レンズ系１０１  の焦点に形成される中間像を後述する円錐反射板１０２  の底辺に相当する位置に再結像している。
なお、魚眼レンズ系１０１  と平行化光学系１０５  は光学系の一要素を構成しており、該光学系は像側の主光線が光軸に対し平行なテレセントリック光学系となっている。
１０２．円錐反射板（円錐反射部材）：  平行化光学系１０５  からの平行射出光を光軸に対して直角方向に放射線状に反射する反射板であり、該円錐反射板の中心軸を光軸に重ねて配置している。例えば図１の平面Ω２  において、極座標（ｒ，  θ）  の点で交わる光線は、円錐反射板１０２  の頂点から距離ｒ  、角度θの点において、その点と円錐反射板の回転軸を含む平面上、回転軸と反対方向に垂直に反射される。
１０３．円管２次元アレイセンサ：  円管２次元アレイセンサ１０３  は円管形状のセンサであり、受光面を円管の中心線に向けた多数の単位センサより成る２次元アレイセンサを円管の内側に配置したもので、該中心線を光軸に重ねて設定している。このセンサは円錐反射板１０２  により放射線状に反射された光を受光する。
【００１７】
実空間の物体平面Ω１  上の光軸中心Ｏ  から光軸に垂直に伸びる半直線ＯＡの投影像は、円管２次元アレイセンサ１０３  の内表面上では、長手方向に平行な線分Ｏ’Ａ’となる。
【００１８】
図３は円管２次元アレイセンサ１０３  の構成説明図であり、図には３つの構成例を図示している。
（ａ）    図３（Ａ）  に示す円管２次元アレイセンサは、多数の単位センサより構成されるラインセンサを、円筒部材の内側に受光面を内側に向けて隙間無く並べて接着して構成している。
（ｂ）    図３（Ｂ）  に示す円管２次元アレイセンサは多数の単位センサより構成されるラインセンサを透明な円管部材の外側に受光面を内側に向けて隙間無く並べて接着して構成している。
（ｃ）    図３（Ｃ）  に示す円管２次元アレイセンサはラインセンサのかわりに、光ファイバを用いて構成している。即ち、透明な円管部材の外側に多数の光ファイバーをその端面を内側に向けて隙間無く並べて接着し、円管の側面で１直線上に並ぶファイバー群をその順序で平面状の２次元アレイセンサの１列上に導光する。なお、この場合単位センサの大きさとしては光ファイバーの端面の大きさをとる。
１０４．画像信号バッファ：  円管２次元アレイセンサ１０３  が受光して出力する画像信号を受け取り、不図示の画像処理手段に出力する。
【００１９】
図４は上記構成による物体、像の状態の推移の説明図である。図４（Ａ）  は物体平面Ω１  に置かれた物体画像であり、これを入力画像とすると、魚眼レンズ系１０１  を通過した平面Ω２  上では図４（Ｂ）  に示す画像が得られ、円管２次元アレイセンサ１０３  による出力画像は図４（Ｃ）  となる。
本実施形態は、魚眼レンズ系１０１  の後ろに平行化光学系１０５  を設けて、魚眼レンズ１０１  から射出する光束の主線を光軸に対して平行に変換し、該光線を円錐反射板１０２  で反射させて円管２次元アレイセンサ１０３  で受光し、画像信号（物体情報）を極座標系で画像信号バッファ１０４  へ入力する。この時、物体からの光束は円管２次元アレイセンサ１０３  の手前で円錐反射板１０２  で反射され、光軸付近の物体からの光線は円錐反射板１０２  の曲率の大きい部分で反射されるので円管２次元アレイセンサ１０３  の周方向へ大きく拡大される。反対に物体周辺部からの光線は円錐反射板１０２  の曲率の小さい部分で反射されるので円管２次元アレイセンサ１０３  の周方向へはあまり拡大されない。その結果、本実施形態においては従来のアナログ式の極座標変換方式と比べて特に画面中心付近を高解像度で極座標変換するので、光軸付近の画像の円周方向に沿った角度に関する空間周波数の高周波成分まで取り込むことができる。
【００２０】
本実施形態は単位センサの感度特性及び大きさによる検出周波数に対する制限を受けずに極座標変換を行うことが出来る。
【００２１】
又、光学系として魚眼レンズを用い、画像処理に線形フィルタを用いることによって、入力画像の多重解像度空間での近似表現即ち認識に都合の良い特徴量を得ることが出来る。
【００２２】
図５は本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態はセンサを１つのラインセンサとし、平行化光学系１０５  と円錐反射板１０２  との間にドーフェプリズム（像回転手段）を設け、該ドーフェプリズムを回転させて光学系で結像する像を回転させてラインセンサで受光する点が実施形態１と異なっている。本実施形態の各要素を説明する。
２０３．ドーフェプリズム：  ドーフェプリズムとは図５に示すような台形をしたプリズムであり、ドーフェプリズムを角度θ回転させると、該プリズムを通過して形成される出力像は入力像に対して２θ回転する。従って本実施形態のドーフェプリズムを１８０  °回転すれば物体の像は３６０  °回転し、本プリズムを１回転させると物体の像は２回転する。
２０４．ドーフェプリズム回転機構：  ドーフェプリズムを光軸に対して回転させる機構である。
２０５．ラインセンサ：  多数の単位センサを１次元的に並べたラインセンサであり、円錐反射板１０２  の側方に配置している。
２０７．ドーフェプリズム回転制御手段：  ドーフェプリズムの回転と、ラインセンサの出力信号のバッファへの記録タイミングを制御する。
２０６．画像信号バッファ：ラインセンサ２０５  が検出する検出信号とドーフェプリズム回転制御手段２０７  からの角度情報をもとに、検出信号を２次元画像信号として格納するバッファである。
【００２３】
本実施形態の作用を説明する。
【００２４】
魚眼レンズ系１０１  の焦点に中間像を結像し、この中間像を平行化光学系１０５  が円錐反射板１０２  の底辺に相当する位置に再結像させる作用は実施形態１と同じである。
【００２５】
物体の画像信号の取り込みは次のステップで行う。
【００２６】
ステップ  １．  ドーフェプリズムがある基準位置に位置するとき、ラインセンサ２０５で検出される信号は物体平面Ω１  上で光軸との交叉点Ｏ  からある方向に伸びる半直線上の輝度分布である。これを物体平面上での極座標のｘ軸とする。
【００２７】
ステップ  ２．  ドーフェプリズム回転制御手段２０７  は、ラインセンサの画素数分の信号を読み出す間、ドーフェプリズムプリズム回転機構２０４  を静止させている。その間にラインセンサ２０５  の検出信号は画像信号バッファ２０６  に格納される。
【００２８】
ステップ  ３．  １ライン分の信号が画像信号バッファ２０６  に格納されると、ドーフェプリズム回転制御手段２０７  は、ドーフェプリズム回転機構２０４  を制御して予め設定された角度Δθだけ、ドーフェプリズムを回転させる。これによって、ラインセンサ２０５  は、物体平面Ω１  上でｘ軸から２Δθの方向の半直線上の輝度信号を検出することになる。
【００２９】
ステップ  ４．  上記操作を、ドーフェプリズム２０３  の回転角度が１８０  度になるまで繰り返す。
【００３０】
以上で、１画面分の画像信号（物体情報）を極座標系で画像信号バッファ２０６  へ入力した。
【００３１】
ステップ  ５．次いで、ステップ  １に戻り、ドーフェプリズム２０３  が１８０  °回転した位置を基準位置として次の１画面分の画像信号の読み出しを行う。
【００３２】
この動作を繰り返すことによって効率的に極座標変換された画像信号を読みだすことができる。
【００３３】
本実施形態は物体平面Ω１  上でＯ  点を１端とする１放射線上の物体をラインセンサ上に結像してその輝度分布を計測することを前記Ｏ  点を固定して前記放射線を回転して順次計測してゆき、物体平面Ω１  全体についてその輝度情報を得るのである。この時、前記１放射線上の物体からの光束はラインセンサ２０５  の手前で円錐反射板１０２  で反射され、光軸付近の物体からの光線は円錐反射板１０２  の曲率の大きい部分で反射されるのでラインセンサ２０５  に直交する方向へ大きく拡大される。反対に物体周辺部からの光線は円錐反射板１０２  の曲率の小さい部分で反射されるのでラインセンサに直交する方向へはあまり拡大されない。その結果、本実施形態においては従来のアナログ式の極座標変換方式と比べて特に画面中心付近を高解像度で極座標変換するので、画像の空間周波数の高周波成分まで取り込むことができる。
【００３４】
本実施形態は単位センサの感度特性及び大きさによる検出周波数に対する制限を受けずに極座標変換を行うことが出来る。
【００３５】
又、光学系として魚眼レンズを用い、画像処理に線形フィルタを用いることによって、入力画像の多重解像度空間での近似表現即ち認識に都合の良い特徴量を得ることが出来る。
【００３６】
図６は本発明の実施形態３の要部概略図である。本実施形態３は実施形態１の円錐反射板の頂点部分に回転軸を中心とする穴を開け、その後ろの円錐反射板の底辺に相当する位置にに平板状の２次元アレイセンサを配置したものである。図中の各要素を説明する。
３０２．円錐反射板：  頂点部分に回転軸を中心とする半径Ｒ  の穴を設けた円錐反射板。
３０３．円管２次元アレイセンサ：  構造的には実施形態１の円管２次元アレイセンサ１０３  と同じであるが、円錐反射板３０２  の長さが短いので、これに相応して長さが短い。
３０４．２次元アレイセンサ：  円錐反射板３０２  の底辺に相当する位置に設けて、円錐反射板３０２  の穴を通過してこの上に形成される画像を２次元直交座標系で取り込む。
３０５．画像信号バッファ：  本実施形態の画像信号バッファは円管２次元アレイセンサ３０３  からの極座標系に変換された画像信号と２次元アレイセンサ３０４  からの２次元直交座標系の画像信号を取り込む。
【００３７】
本実施形態の作用を説明する。物体から出て魚眼レンズ系１０１  を通り、平行化光学系１０５  で平行にされた平行光線のうち、光軸から半径Ｒ  より小さい範囲の光線は、円錐反射板３０２  の穴を通り抜けて２次元アレイセンサ３０４  に入射する。一方、光軸から半径Ｒ  以上の範囲の光線は円錐反射板３０２  によって反射され、円管２次元アレイセンサ３０３  に入射する。
【００３８】
そこで、物体平面Ω１  上では光軸との交点Ｏ  を中心として半径ＯＢの円の範囲は２次元アレイセンサ３０４  によって２次元直交座標系に基づく画像信号（物体情報）を画像信号バッファ３０５  に入力し、半径ＯＢより外側の周辺部は円錐反射板３０２  と円管２次元アレイセンサ３０３  によって極座標系に変換された画像信号（物体情報）画像信号バッファ３０５  に入力する。
【００３９】
パターン認識の観点からは画像がそのまま回転・移動しても認識結果が変わらないシステムが望まれる。極座標表示は、パターン（画像）の原点周りの回転及び拡大（ただし対数変換が必要）に強いが、パターンの２次元平行移動には弱い課題を持っている。
【００４０】
本実施形態は物体平面Ω１  上の光軸付近では画像の２次元平行移動に対して強く、又周辺部では画像の回転や拡大に強いパターン認識装置（画像処理装置）となっている。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は以上の構成により、光学系によって２次元の物体情報を極座標に変換して取り込む際、円錐反射部材を使用して画面周辺部より画面中心に向かうに従って像を円周方向に大きく拡大し、これによって極座標の円周方向に沿っての信号サンプリング間隔を一様にし、もって円周方向に沿った角度に関するナイキスト周波数〔ｃｙｃｌｅ／ｄｅｇ〕を光軸からの距離によらず略一定とする画像処理装置を達成する。
【００４２】
又、穴を設けた円錐反射部材を介して２次元画像の光軸付近は２次元直交座標系によって画像信号を取り込み、周辺部では円錐反射部材と円管２次元アレイセンサによって極座標系に変換された画像信号を取り込むことにより、光軸付近で画像の２次元平行移動に強く、又周辺部では画像の回転や拡大に強い画像処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】実施形態１の光学系の断面図
【図３】円管２次元アレイセンサの構成説明図
【図４】実施形態１による物体、像の状態の推移の説明図
【図５】本発明の実施形態２の要部概略図
【図６】本発明の実施形態３の要部概略図
【図７】従来例の課題説明図
【符号の説明】
１０１  魚眼レンズ系
１０２  円錐反射板
１０３  円管２次元アレイセンサ
１０４  画像信号バッファ
１０５  平行化光学系
２０３  ドーフェプリズム
２０４  ドーフェプリズム回転機構
２０５  ラインセンサ
２０６  画像信号バッファ
２０７  ドーフェプリズム回転制御手段
３０２  穴を開けた円錐反射板
３０３  円管２次元アレイセンサ
３０４  ２次元アレイセンサ
３０５  画像信号バッファ
【図１】
0003554106.tif 000002
【図２】
0003554106.tif 000003
【図３】
0003554106.tif 000004
【図４】
0003554106.tif 000005
【図５】
0003554106.tif 000006
【図６】
0003554106.tif 000007
【図７】
0003554106.tif 000008