(57)【要約】      （修正有）【課題】撮影を開始するためのトリガ信号を標準画像と比較する事により生成する高速度撮影装置の提供。【解決手段】M×N個の画素データから成り、各画素の濃度がs(i,j)である標準画像を用意しておき、撮像素子２から、各画素の濃度がf(i,j)であるM×N個の画素データを順次受け取りつつ、下記の式(1)：2011171806.tif 000014によって得られる相関値を算出し、その相関値と閾値とを比較することで、トリガ信号を生成する。【選択図】図１
2011171806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子を備え、トリガ信号に基づいて撮影を開始する高速度撮影装置であって、
M×N個の画素データから成り、各画素の濃度がs(i,j)である標準画像を保存する標準画像記憶部と、
前記撮像素子から、各画素の濃度がf(i,j)であるM×N個の画素データを順次受け取りつつ、下記式(1)：
【数１】
2011171806.tif 000010
によって得られる値である相関値を算出する相関値算出部と、
前記相関値算出部によって得られた該相関値と、予め定められた閾値とを比較し、相関値が閾値を超えている場合にトリガ信号を出力するトリガ信号出力部と、
を備えることを特徴とする高速度撮影装置。
【請求項２】
撮像素子を備え、トリガ信号に基づいて撮影を開始する高速度撮影装置であって、
M×N個の画素データから成り、各画素の濃度がs(i,j)である標準画像を保存する標準画像記憶部と、
前記撮像素子から、各画素の濃度がf(i,j)であるM×N個の画素データを順次受け取りつつ、下記式(2)：
【数２】
2011171806.tif 000011
によって得られる値である相関値を算出する相関値算出部と、
前記相関値算出部によって得られた該相関値と、予め定められた閾値とを比較し、相関値が閾値を超えている場合にトリガ信号を出力するトリガ信号出力部と、
を備えることを特徴とする高速度撮影装置。
【請求項３】
撮像素子を備え、トリガ信号に基づいて撮影を開始する高速度撮影装置であって、
M×N個の画素データから成り、各画素の濃度がs(i,j)である標準画像を保存する標準画像記憶部と、
前記撮像素子から、各画素の濃度がf(i,j)であるM×N個の画素データを順次受け取りつつ、下記式(1)及び(2)：
【数３】
2011171806.tif 000012
【数４】
2011171806.tif 000013
を組み合わせて得られる値である相関値を算出する相関値算出部と、
前記相関値算出部によって得られた該相関値と、予め定められた閾値とを比較し、相関値が閾値を超えている場合にトリガ信号を出力するトリガ信号出力部と、
を備えることを特徴とする高速度撮影装置。
【請求項４】
前記撮像素子から受け取るM×N個の画素データが、該撮像素子の一部の領域または一部のアドレスの画素データであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高速度撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速度で撮影が可能な高速度撮影装置（高速度カメラ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロケットなどの高速移動物体の観察、また、爆発、乱流、放電といった短時間で大きな変化が生じる現象の観察、さらに、微生物の運動、神経系の信号伝達等の科学分野における高速現象の計測を行うため等に、数百コマ／秒以上の撮影が可能な高速度撮影装置が開発されている。
【０００３】
高速度撮影装置では、連続撮影が可能な時間（撮影可能コマ数）に限界があるため、撮影を長時間に亘って行うことができない。従って、撮影開始のタイミングを適切に設定することが非常に重要となる。そこで、従来より多くの高速度撮影装置では、撮影開始のタイミングが、カメラとは別に設置された光センサからの検出信号に基づいてトリガ信号を生成することで決定されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載された高速度カメラでは、撮影開始のタイミングを試行錯誤する必要なく決定するために、光センサの値に対して閾値を予め設定しておき、その閾値を超えた値が得られた場合にトリガ信号が出力されるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2004-336353号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の高速度撮影装置では、移動物体のような、濃度（光量）の変化が少ないものを撮影対象とする場合には、撮影のトリガ信号のタイミングを適切に得ることが難しいという問題があった。
さらに従来は、上述したように、撮影装置であるカメラに加えて光センサやその制御装置を設置しなければならなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本願発明者は、高速度撮影装置において得られる画像のデータ自体を標準画像と比較することによってトリガ信号を生成することに想到した。
【０００８】
高速度撮影装置のトリガを画像処理の結果によって適切に生成するためには、画像の比較処理を非常に高速に行うことが重要となる。本願発明者は、従来の方法には次のような課題があることに着目した。
【０００９】
一般に、撮像素子から入力されて来る入力画像を比較の対象とする標準画像と比較して変化を検出する際には、下記の式(A)によって相関係数を算出することが行われる。
【数１】
2011171806.tif 000003
ここで、入力画像及び標準画像の画素のサイズがM×Nであって、f(i,j)は入力画像の各画素の濃度、s(i,j)は標準画像の各画素の濃度、faは入力画像の全画素の濃度の平均値、saは標準画像の全画素の濃度の平均値である。
ところが、この式(A)で計算を行う場合には、標準画像の全画素の濃度の平均値だけでなく、入力画像の全画素の濃度の平均値が既知でなければならない。そのため、入力画像の一旦全ての画素の濃度値を取得するまで計算を開始することができず、結果として画像の比較処理に要する時間が長くなってしまうのである。
【００１０】
以上のような課題を解決するために成された高速度撮影装置は、撮像素子を備え、トリガ信号に基づいて撮影を開始する高速度撮影装置であって、
M×N個の画素データから成り、各画素の濃度がs(i,j)である標準画像を保存する標準画像記憶部と、
前記撮像素子から、各画素の濃度がf(i,j)であるM×N個の画素データを順次受け取りつつ、下記式(1)：
【数２】
2011171806.tif 000004
によって得られる値である相関値を算出する相関値算出部と、
前記相関値算出部によって得られた該相関値と、予め定められた閾値とを比較し、相関値が閾値を超えている場合にトリガ信号を出力するトリガ信号出力部と、
を備えることを特徴としている。
【００１１】
この上記(1)式によって得られる相関値は、上記(A)式によって得られる相関値と同一ではないものの、トリガ信号を出力するために必要な変化を検出するうえでは十分な値となることがわかっている。この式(1)の意味については後述する。
【００１２】
なお、本発明において、「相関値が閾値を超える」とは、設定に応じ、閾値以上の値となる、閾値よりも上の値となる、閾値以下の値となる、閾値よりも下の値となる、のいずれの場合でも良いものとする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る高速度撮影装置によれば、入力画像に関し、撮像素子から画素値が順次得られるのと同時に、相関値の計算を実行してゆくことができる。従って、全ての画素値の読み出しを待たなければならなかった従来の上記(A)式による相関値の算出と比較すると、格段に高速で相関値の算出が完了し、トリガ信号を遅延無く出力することが可能となる。
【００１４】
そして、本発明に係る高速度撮影装置では、従来、トリガ信号を出力するために設置する必要があった光センサやその制御装置が不要となり、装置自体の簡素化を図ることができる。また、コスト的にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る高速度撮影装置の一実施形態の要部概念図。
【図２】本発明に係る高速度撮影装置に用いる式の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に、本発明に係る高速度撮影装置１０の一実施形態の要部概念図を示す。
【００１７】
本発明に係る高速度撮影装置１０は、トリガ信号の生成処理に特徴を備えている。このトリガ信号生成処理は以下のように行われる。
【００１８】
まず、制御部１は、撮像素子２、ＡＤ変換器３、トリガデータ取込部４、相関値算出部７のそれぞれに駆動回路（図示せず）からのタイミング信号を送信する。
【００１９】
撮像素子２は、タイミング信号に合わせて、取得した画像の電気信号をＡＤ変換器３に送出する。
【００２０】
ＡＤ変換器３では、撮像素子２から出力される信号をデジタル値に変換し、そのデジタル値をトリガデータ取込部４に送信する。このデジタル値が撮像素子２を構成する画素の濃度である。
【００２１】
トリガデータ取込部４は、ＡＤ変換器３から送信されてくるデジタル値に対して順次、アドレスデコーダ５において選択領域判定を行う。即ち、ＡＤ変換器３から送信されてくるデジタル値の撮像素子のアドレス（位置）が、予め指定された撮像素子の一部領域やアドレス番号に合致しているかどうかを判定する。
【００２２】
なお、標準画像記憶部６に記憶され、相関値を算出するために使用される標準画像は、予め設定された画像であっても良いし、例えば相対的に過去の任意の１フレームの画像であっても構わない。
【００２３】
アドレスデコーダ５における判定結果がYESの場合にのみ、トリガデータ取込部４は、標準画像記憶部６に保存されている標準画像の、対応するアドレスの画素の濃度を読み出して、以下の(1.1)、(1.2)、(1.3)の３つの式の値を算出する。
【数３】
2011171806.tif 000005
【数４】
2011171806.tif 000006
【数５】
2011171806.tif 000007
【００２４】
比較を行うM×N個の全ての画素の濃度について上記式(1.1)、(1.2)、(1.3)の計算が完了すると、上記(1.1)、(1.2)、(1.3)式の計算結果は相関値算出部７に送信される。相関値算出部７は、下記の式(1)
【数６】
2011171806.tif 000008
に基づき、画像の相関値を算出する。
【００２５】
相関値算出部７は、算出した相関値をトリガ信号出力部８に送出する。トリガ信号出力部８は、受け取った相関値と予め設定されている閾値とを比較し、相関値が閾値を超えている場合にはトリガ信号を出力する。高速度撮影装置は、このトリガ信号の出力に伴い、撮影を開始する。もしくは、トリガ信号とは関係無く連続的に撮影を行って所定の数の画像をフレームメモリに保存しておき、トリガ信号が出力された時点で撮影を終了し、メモリに保存されている所定の数の画像を取得することもできる。この場合は、トリガ信号が出力された時点を基準として過去の時間の画像を取得することになる。また、トリガ信号が出力される前に蓄積されている所定枚数（所定時間）の画像と、出力された後の所定枚数（所定時間）の画像を合わせるようにしても、もちろん構わない。この場合は、トリガ信号が出力された時点を基準として、以前と以後の両方の画像を取得することになる。
【００２６】
上記式(1)は、例えばフラッシュライト照明を使用して撮影を行うときのように、トリガ生成の対象となる入力画像の濃度が標準画像に対して倍数的に変化する場合には、相関値の変化が少ない。即ち、式(1)は、濃度の変化を検出しにくい。
【００２７】
そこで、上記式(1)に替えて、下記式(2)を使用することもできる。
【数７】
2011171806.tif 000009
【００２８】
また、式(1)と式(2)を組み合わせても勿論構わない。
【００２９】
（式(1)、式(2)の意味）
上記式(1)の意味を説明する。式(1)は２次元データf(i,j), s(i,j)を次の１次元ベクトル
f=(f(0,0),f(0,1),...f(0,N-1),f(1,0),f(1,1),...,f(M-1,0),...,f(M-1,N-1))
s=(s(0,0),s(0,1),...s(0,N-1),s(1,0),s(1,1),...,s(M-1,0),...,s(M-1,N-1))
でそれぞれ表した場合に、
(f・s)2/(|f|2 |s|2)
と表現される。従って、この式は１次元ベクトルf及びsの角度ずれを表していることが分かる。（なお、分母は正規化のために設けられている。）すなわち、この式(1)により、入力画像と標準画像との違いを検出できる。しかし、同時に、式(1)は濃度変化には適さないことも理解される。例えばf=α×s（αは定数）であった場合は式(1)の値は１となるため、相関度の変化はないと判断される。
【００３０】
次に、式(2)の意味を図２を参照しつつ説明する。a=ΣΣf(i,j)、b=ΣΣs(i,j)とすると、図２の上図から、式(2)の分母は左上の領域と右下の領域の面積の和であり、分母は左下の領域と右上の領域の面積の和であることが分かる。この式では、aとbの値が近づくと、図２の下図のように各領域の面積が等しくなってくるため、値が１に近づく。
式(2)では上記の例のように各画素の濃度が倍数的に変化する（f=α×s）となる場合であっても、
（2×α）／（α2＋１）
となるため、α=1でなければ値が１にならない。従って、式(2)は濃度変化の検出に適していることがわかる。
【００３１】
以上、本発明に係る高速度撮影装置について実施例を用いて説明したが、本発明の趣旨の範囲内で適宜に変更や修正、又は追加を行っても構わない。
【符号の説明】
【００３２】
１…制御部
２…撮像素子
３…ＡＤ変換器
４…トリガデータ取込部
５…アドレスデコーダ
６…標準画像記憶部
７…相関値算出部
８…トリガ信号出力部
１０…高速度撮影装置
【図１】
2011171806.tif 000015
【図２】
2011171806.tif 000016