"入力された撮像画像に対して、それぞれ異なる所定波長の分光特性に対応した色コードの無地画像からなる、少なくとも3つ以上のバンドパスフィルタをそれぞれ相関演算し、分光画像を生成する分光画像生成部と、前記分光画像生成部により生成された各分光画像をグレースケール化するグレースケール処理部と、前記グレースケール処理部によりグレースケール化された各分光画像の輝度を隣接波長間で差分し、差分画像を生成する波長差分算出部とを備えたことを特徴とする表面状態観測装置。前記波長差分算出部により生成された各差分画像の輝度を総和し、総和差分画像を生成する総和算出部と、前記総和算出部により生成された総和差分画像の輝度を所定閾値で2値化し、2値化画像を生成する2値化処理部とを備えたことを特徴とする請求項1記載の表面状態観測装置。前記波長差分算出部は、隣接波長の各分光画像の輝度をそれぞれIλH,IλLとした場合に、差分=|IλH-IλL|/IλHIλLを用いて輝度の均一化を図ることを特徴とする請求項1または請求項2記載の表面状態観測装置。入力された撮像画像に対して、それぞれ異なる所定波長の分光特性に対応した色コードの無地画像からなる、少なくとも3つ以上のバンドパスフィルタをそれぞれ相関演算し、分光画像を生成する分光画像生成ステップと、前記分光画像生成ステップにおいて生成した各分光画像をグレースケール化するグレースケール処理ステップと、前記グレースケール処理ステップにおいてグレースケール化された各分光画像の輝度を隣接波長間で差分し、差分画像を生成する波長差分算出ステップとを有することを特徴とする表面状態観測方法。しかしながら、特許文献1,2に開示される方式では、回転盤等の機械的構造物、液晶波長可変フィルタ、プリズムおよび2波長の光学フィルタ等のように一般的でない構成要素を使用しており、高額で扱いにくいという課題があった。また、特許文献1,2は、画像上の油膜領域のコントラストを高めることを目的としたものであるが、油膜とコントラストとの関係性が明確でないという課題があった。また、特許文献3,4に開示される方式では、油膜の反射光によって生じる虹色パターンに伴う、色度図上でのカラーデータの分布変化を油膜検知の要としているため、油膜の存在と虹色パターンとの関連が一義的でなく、虹色パターンの検知だけでは油膜の特定に充分ではないという課題があった。この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡易かつ低コストな構成で、高精度に表面状態を観測することが可能な表面状態観測装置およびその方法を提供することを目的としている。この発明に係る表面状態観測装置は、入力された撮像画像に対して、それぞれ異なる所定波長の分光特性に対応した色コードの無地画像からなる、少なくとも3つ以上のバンドパスフィルタをそれぞれ相関演算し、分光画像を生成する分光画像生成部と、分光画像生成部により生成された各分光画像をグレースケール化するグレースケール処理部と、グレースケール処理部によりグレースケール化された各分光画像の輝度を隣接波長間で差分し、差分画像を生成する波長差分算出部とを備えたものである。この発明によれば、上記のように構成したので、観測領域を撮像した画像に対して、仮想のバンドパスフィルタを用いて、所定波長に対応した複数の分光画像を生成することができるため、液晶波長可変フィルタ等の高額な光学部品を用いることなく、簡易かつ低コストな構成で、観測領域の表面状態を高精度に観測することができる。以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。実施の形態1.以下では、表面状態観測システムを用いて、浄水場や河川、湖沼等の水面上に存在する油膜を検知する場合について説明する。まず、水面上に存在する油膜による分光干渉について説明する。図1に示すように、水面N2上に屈折率が異なる油膜N1が存在する場合に、光源からの連続スペクトラム光や太陽光等の外光が油膜に照射されると、この光の一部が油膜表面で反射し図1の反射光A、一部は屈折して透過する。また、油膜を透過した光の一部は水面で反射する図1の反射光B。そして、油膜表面で反射された光と水面で反射された光とが油膜の膜厚に応じた位相差で干渉する。この反射光のスペクトラム特性は例えば図2に示すようになる。なお図2では、油膜の膜厚をd=2μmとし、外光の入射角をθ=10°とした場合の450~650nmの波長範囲内での反射率と反射率波長差分を示している。反射率波長差分は、隣接波長間での反射率を差分して反射率変化を示したものである。図2に示すように、反射光は反射率6程度で波打っている。すなわち、特定の波長では、油膜表面からの反射光と水面からの反射光が強め合うように作用し、また別の波長では油膜表面からの反射光と水面からの反射光が弱め合うように作用する分光干渉が生じている。このように、水面上に油膜が存在しない場合には、反射光の干渉はないため反射率は全波長範囲で一定であるが、油膜が存在する場合には、油膜の膜厚に応じた位相差で反射光が分光干渉するため、反射率は波長により変化する。そこで、実施の形態1に係る表面状態観測システムでは、観測領域水面を撮像した画像に対して、2次元の分光器を用いることで、所定波長に対応した分光画像を複数生成する。そして、各分光画像の輝度を隣接波長間で差分して、輝度変化図2の反射率変化に相当を検出することで表面状態観測油膜検知を行う。なお、2次元の分光器は、液晶波長可変フィルタのようなデバイスで実現できる。しかしながら、このデバイスは、開発途上のデバイスであり価格も高価な上、付帯する制御装置が必要になる。そこで実施の形態1に係る表面状態観測システムでは、このような扱いにくいデバイスは使用せず、撮像画像と、空間情報を持たない、所定波長の分光特性に対応した色コードの無地画像からなるバンドパスフィルタNBIフィルタ5とを用いて、2次元の分光器を実現する。次に、表面状態観測システムの構成について説明する。表面状態観測システムは、図3に示すように、カラーカメラ1、および、分光エンジン3と干渉位相差検出部4とを有する表面状態観測装置2から構成されている。カラーカメラ1は、観測領域水面を撮像するものである。このカラーカメラ1は、レンズ11、RGBフィルタ12、CCDChargeCoupledDevice13およびUSBUniversalSerialBusインタフェース14から構成されている。なおカラーカメラ1は、RGBの3つの分解能を有する一般的なカメラであり、携帯電話に内蔵されたカメラを用いてもよい。レンズ11は、外光に対する観測領域からの反射光を集光するものである。RGBフィルタ12は、R赤,G緑,B青の3色のマイクロカラーフィルタであり、レンズ11により集光された光をRGB成分の光に分離するものである。CCD13は、RGBフィルタ12によりRGB成分に分離された光を受光し、電気信号アナログ画像に変換するものである。USBインタフェース14は、CCD13により変換されたアナログ画像をデジタル画像に変換し、分光エンジン3の後述する各波長別輝度調整部31にそれぞれ出力するものである。分光エンジン3は、カラーカメラ1により撮像された画像を所定波長に対応した分光画像に変換するものである。この分光エンジン3は、波長別輝度調整部31、乗算器分光画像生成部32、グレースケール処理部33および分光感度等価器34から構成されている。なお図3では、分光エンジン3の各機能部を波長ごと個々に設けて、個々に処理する場合について示しているが、全ての波長に対してまとめて処理を行ってもよい。また、分光エンジン3では、カラーカメラ1からの撮像画像を所定波長に対応した分光画像に変換するため、NBINarrowBandImagingフィルタ5を用いる。このNBIフィルタ5は、空間情報を持たない、それぞれ異なる所定波長の分光特性に対応した色コードの無地画像からなるバンドパスフィルタ仮想のバンドパスフィルタである。このNBIフィルタ5は、表面観測に用いる分光画像の数に応じて少なくとも3つ以上設けられ図1では波長λ1~λ7それぞれに対応したNBIフィルタ5が設けられている、図4に示す色コードで構成されている。なお図4に示す色コードは、RGB赤、緑、青成分をそれぞれ8bit,255階調で表現したものである。また、NBIフィルタ5として、純粋なRGBの色コード図5参照は用いない。例えば、波長λ1を赤610~750nm、波長λ4を緑500~560nm、波長λ7を青435~480nmとした場合、λ2とλ3は、λ1よりも短波長であり、かつ、λ4より長波長の帯域から選択される。また、λ3はλ2よりも短い波長域から選択される。λ5とλ6も同様であり、λ1からλ7の波長の長さは、λ1>λ2>λ3λ6>λ7とされる。そして、λ1に対応する色コードとしてRGB234,62,66が、λ4に対応する色コードとしてRGB67,235,63が、λ7に対応する色コードとしてRGB76,72,219が設定される。波長別輝度調整部31は、カラーカメラ1からの撮像画像に対して輝度調整を行うものである。乗算器32は、波長別輝度調整部31により輝度調整された撮像画像に対して、対応するNBIフィルタ5を用いて相関演算を行い、分光画像を生成するものである。この際、乗算器32は、図6に示すように、まず、撮像画像とNBIフィルタ5とをそれぞれRGB成分で分割する。そして、このRGB成分それぞれの色ベクトル画像同士で乗算を行い、その乗算結果を再合成することで分光画像を生成する。グレースケール処理部33は、乗算器32により生成された分光画像をグレースケール化して輝度信号に変換するものである。この際、グレースケール処理部33は、図6に示すように、分光画像に対して色ベクトル画像のノルム√R2G2B2を演算することで輝度信号に変換した分光画像白黒画像を生成する。分光感度等価器34は、グレースケール処理部33によりグレースケール化された分光画像の感度を一定に調整するものである。干渉位相差検出部4は、分光エンジン3により生成された各分光画像の輝度を隣接波長間で差分し、輝度変化を検出することで、表面状態観測油膜検知が可能な画像を生成するものである。この干渉位相差検出部4は、波長差分算出部41、総和算出部42および2値化処理部43から構成されている。波長差分算出部41は、分光エンジン3からの各分光画像の輝度を隣接波長間で差分し、差分画像を生成するものである。この際、波長差分算出部41は、隣接波長の各分光画像の輝度をそれぞれIλH,IλLとした場合に、差分=|IλH-IλL|/IλHIλLを用いて輝度の均一化を図ったうえで、輝度差分を行う。なお図3では、波長差分算出部41を、隣接波長間ごとに個々に設けて、個々に処理を行う場合について示しているが、全ての隣接波長に対してまとめて処理を行ってもよい。総和算出部42は、各波長差分算出部41により生成された差分画像の輝度を総和し、総和差分画像を生成するものである。2値化処理部43は、総和算出部42により生成された総和差分画像の輝度を所定閾値で2値化し、2値化画像を生成するものである。この2値化処理部43により生成された2値化画像はディスプレイ不図示上に表示される。次に、上記のように構成された表面状態観測システムの観測動作について説明する。表面状態観測システムの観測動作では、図7に示すように、まず、カラーカメラ1が、観測領域水面を撮像するステップST1。すなわち、カラーカメラ1は、レンズ11で集光した観測領域からの反射光を、RGBフィルタ12でRGB成分の光に分離する。そして、RGB成分に分離した光をCCD13で受光し、USBインタフェース14でデジタル画像に変換し分光エンジン3に出力する。次いで、分光エンジン3の各波長別輝度調整部31が、カラーカメラ1からの撮像画像に対して輝度調整を行うステップST2。次いで、各乗算器32が、波長別輝度調整部31により輝度調整された撮像画像に対して、対応するNBIフィルタ5を用いて相関演算を行い、分光画像を生成するステップST3,分光画像生成ステップ。これにより、表面状態観測システムで用いられている光学フィルタは、RGBの3つの分解能のみを有するRGBフィルタ12だけであるのにも関わらず、図8aに示す各波長λ1~λ7に対応した仮想のバンドパスフィルタNBIフィルタ5を用いることで、図8bに示すような各波長に対応した分光画像を得ることができる。次いで、各グレースケール処理部33が、乗算器32により生成された分光画像をグレースケール化するステップST4,グレースケール処理ステップ。次いで、各分光感度等価器34が、グレースケール処理部33によりグレースケール化された分光画像の感度を一定に調整するステップST5。次いで、各波長差分算出部41が、分光感度等価器34により感度調整された、対応する隣接波長の分光画像の輝度を差分し、差分画像を生成するステップST6,波長差分算出ステップ。この際、輝度の均一化を図ったうえで輝度差分を行う。これにより、図8cに示すような、隣接波長間での輝度変化の度合いを示す分光画像を得ることができる。なお図8cに示す差分画像において、白く表示されている部分が輝度変化が大きい領域である。ここで、図8cの例では、左端の差分画像λ1-λ2、右から3番目の差分画像λ4-λ5、右端の差分画像λ6-λ7で輝度変化が大きくなっていることが分かる。この差分画像に示される輝度変化は図2での反射率変化に対応する。すなわち、水面上に油膜が存在しない場合には、反射光の干渉はないため反射率は全波長範囲で一定であり、輝度変化を有する差分画像はない。一方、油膜が存在する場合には、油膜の膜厚に応じた位相差で反射光が分光干渉するため、反射率は波長により変化し、輝度変化を有する差分画像が発生する。よって、この各波長差分算出部41で生成された差分画像を監視することで油膜の存在を検知することができる。しかしながら、各波長差分算出部41で差分画像を算出しただけでは、どの差分画像に輝度変化が生じているかを特定することが難しく、輝度変化を有する差分画像があるかを1枚ずつ確認しなければならない。そこで、総和算出部42が、各波長差分算出部41により生成された差分画像の輝度を総和し、総和差分画像を生成するステップST7,総和算出ステップ。次いで、2値化処理部43が、総和算出部42により生成された総和差分画像の輝度を所定閾値で2値化し、2値化画像を生成するステップST8,2値化処理ステップ。この2値化処理部43により生成された2値化画像はディスプレイ上に表示される。このように、各差分画像の輝度を総和した画像を生成して所定閾値で2値化することで、図9に示すように、輝度変化が生じているかを一目で判断することが可能となる。なお図9では、閾値の変化に伴う2値化画像の変化を示している。ここで、図10aに示すように、単にカラーカメラ1を用いて水面を撮像しただけでは、水面に存在する油膜を視認することは難しい。しかしながら、所定波長に対応したNBIフィルタ5を用いて、撮像画像を所定波長に対応した分光画像に変換し、隣接波長間での輝度変化を検出することで、図10b,cに示すように、水面に存在する油膜を容易に視認することが可能となる。なお、NBIフィルタ5として、図5に示す純粋なRGBの色コードを用いた場合例えば波長λ1,λ3,λ7をRGBの色コード画像とした場合には、図11に示すような結果となる。ここで、図8b,11bに示すように、撮像画像とNBIフィルタ5との相関演算結果である分光画像には両者にそれほどの差異はない。しかしながら、図8c,11cに示すように、隣接波長間の分光画像での輝度差分である差分画像には違いが現れ、純粋なRGBの色コードを用いた場合には、全面黒輝度差分なしまたは全面白オーバースケールとなる差分画像が生じてしまい、バンドパスフィルタとして機能していないことが分かる。この結果から、NBIフィルタ5を作成する際には、隣接波長の差分に連続性を保てるような色コードの設定が重要となる。また、図3に示す表面状態観測装置2では、画像ファイルを乗除算する必要があるため、大きなハードウェア構成となる。そのため、表面観察処理に高速性が求められる場合には、表面状態観測装置2の各機能ブロックをIC化する。この際、各機能ブロックに対して個々にIC化を行ってもよいし、まとめてIC化してもよい。これにより、μ秒オーダで解析可能となる。また、通常の場合には、図3に示す表面状態観測装置2のハードウェアモデル構成をベースにしたモデル構成ベースデザインによるソフトウェア開発によってPCのCPUチップ内にシステム構築する。ここで、PCのCPU機能を活用する場合には、表面状態観測装置2の開発プロトタイプまたは特殊タイプを、PCのカメラインタフェース、表示装置および入出力装置を活用して、デバッグ機器として開発する。すなわち、図3に示す表面状態観測装置2の構成をモデルベースデザインによってPCのOS上にシステム構築する。なお、外観はノートPCにUSBカメラを接続した形態をとる。また、組み込み型のCPUに移植する場合には、PC-OS上でシステム構築されたソフトウェアを機能圧縮して、マイクロコンピュータ上で動作可能なように開発プロトタイプを専用機器化する。すなわち、モデルベースデザインのシステム構築をマイクロコンピュータベースで行う。また、FPGAField-ProgrammableGateArray化して全てハードウェアとする場合には、モデルベースデザインのソフトウェア開発に並行して、図3に示す表面状態観測装置2のモデルをFPGA化してマイクロコンピュータと組み合わせて一体化する。以上のように、この実施の形態1によれば、観測領域を撮像した画像に対して、それぞれ異なる所定波長の分光特性に対応した色コードの無地画像からなる、少なくとも3つ以上のNBIフィルタ5をそれぞれ相関演算して、分光画像を生成し、隣接波長間での輝度差分を行うように構成したので、RGBの3つの分解能しか持たないカラー画像から仮想のバンドパスフィルタであるNBIフィルタ5によってRGBの分解能を超える分光画像を生成することができるため、液晶波長可変フィルタ等の高額な光学部品を用いることなく、簡易かつ低コストな構成で、観測領域の表面状態を高精度に観測することができる。なお、実施の形態1に係る表面状態観測システムでは、水面上に存在する油膜を検知する場合について説明を行ったが、これに限るものではなく、その他の表面状態観察、例えば、水面に存在するゴミや泡、道路上のスリップ痕等を検知する場合にも同様に適用可能である。なお、ここで言う表面には、外光の照射空間と所定の観測対象物質例えば水との境界面上例えば水面上だけでなく、撮像した三次元空間の画像から観察可能な奥行きのある範囲観測対象物質内も含まれる。すなわち、例えば水中に存在するゴミや泡等を検知する場合に対しても、このゴミや泡等に起因する反射率変化に相当する輝度変化を画像から検出可能であれば、同様に適用可能である。また、実施の形態1に係る表面状態観測装置2の干渉位相差検出部4では、総和算出部42および2値化算出部43を含めた場合について示したが、波長差分算出部41のみを有するように構成してもよい。この場合にも、各波長差分算出部41からの差分画像に輝度変化が高い領域が存在しているかを監視することで表面状態観測を行うことができる。また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。"