JP2002122774A - 焦点位置決定システムおよび焦点位置決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人工衛星に搭載されるリモートセンシングカ
メラにおける最良焦点位置の決定を自動的に行うことが
できる焦点位置決定システムおよび焦点位置決定方法を
提供する。 【解決手段】 デフォーカス量が異なる位置をもってリ
モートセンシングカメラで撮影された複数の画像データ
におけるＭＴＦ特性を求め、空間周波数における特定周
波数に着目して、デフォーカス量に対するＭＴＦ特性を
求め、ＭＴＦ特性をデフォーカス量を変数とする関数で
近似し、その関数の極大値でのデフォーカス量に対応す
る位置を最良焦点位置と決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人工衛星に搭載さ
れたリモートセンシングカメラにおける最良焦点位置を
決定する焦点位置決定システムおよび焦点位置決定方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】人工衛星には、リモートセンシング用の
大型光学系を有するカメラが備えられていることが多
い。このような人工衛星は、地上から打ち上げられた後
には、衛星軌道上を周回し、カメラで撮影された地上写
真等の画像データを地上局に対して送信する。また、カ
メラは、地上局からの指示に従って、焦点位置を調整す
る。

【０００３】カメラは、光学系（凹面鏡や凸面鏡）、光
学系を介して得られる被写体像を結像する結像部（ＣＣ
Ｄ等）、結像部を光学系の光軸方向にスライドさせる焦
点位置調整部等で構成される。また、カメラの外部は、
筒状のような構造体で覆われる。結像部は、光学系と対
面する位置に設置される。焦点位置調整部は、地上局か
ら指示された移動量で定まる位置まで結像部を移動させ
る。

【０００４】ここで、衛星が飛行している環境は真空状
態であるため、構造体の内部等に残存している水分の蒸
発等により、構造体の長さが変化することがある。その
結果、光学系と結像部との位置関係が変化し、焦点位置
が変化することがある。そのため、特に結像部が高分解
能のセンサである場合には、焦点位置の調整が必要とな
る。そして、地上局では、操作員が、モニタ上に映し出
される衛星からの画像を目視しながら、結像部の移動指
示をその都度衛星に対して指示を出し、表示される画像
が最も鮮明になったときの移動量に対応する位置を焦点
位置と決定することが多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記に示した
ような例では、最良焦点位置の決定は、人間の主観的評
価に基づいて決定されるため、その作業は、試行錯誤的
なものになりがちである。従って、最良焦点位置の決定
に時間と人的労力が多くかかることがある。

【０００６】そこで、本発明は、人工衛星に搭載される
リモートセンシングカメラにおける最良焦点位置の決定
を自動的に行うことができる焦点位置決定システムおよ
び焦点位置決定方法を提供することを目的とする。

【０００７】なお、焦点位置を調整する先行技術とし
て、例えば、特開昭６３−２４６７３５号公報に記載さ
れたオートフォーカス方法がある。当該オートフォーカ
ス方法は、投影レンズを移動させたときの所定空間周波
数におけるＭＴＦ特性を予め取得し、任意の点で撮影さ
れた画像データにおける所定周波数でのＭＴＦを取得
し、さらにそのＭＴＦ特性を予測し、その予測したＭＴ
Ｆ特性と予め取得されているＭＴＦ特性とを比較するこ
とでレンズの移動量を求めるものである。

【０００８】しかし、人工衛星に搭載されるリモートセ
ンシングカメラでは、打ち上げ時の振動、真空状態での
使用、長期運用に伴う光学特性の経年変化等により、上
記に示した発明のように、予めＭＴＦ特性を求めること
が難しい。従って、上記の発明を用いたとしても、人工
衛星に搭載されるリモートセンシングカメラにおける最
良焦点位置の調整は難しい。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による焦点位置決
定システムは、地上局が、デフォーカス量が異なる位置
をもってリモートセンシングカメラで撮影された複数枚
の画像データにおけるＭＴＦ特性を求め、特定空間周波
数に着目してデフォーカス量に対するＭＴＦ特性を求め
ることで焦点位置を決定する制御部を備えたことを特徴
とする。

【００１０】制御部は、ＭＴＦ特性をデフォーカス量を
変数とする関数で近似し、関数値が極大値をとるときの
デフォーカス量に対応する位置を焦点位置と決定する。
関数は、例えば、２次多項式である。このようにＭＴＦ
値を関数で近似し、関数値が極大値をとるときのデフォ
ーカス量に対応する位置を最良焦点位置と決定すること
によって、最良焦点位置の予測精度の向上を期待するこ
とができる。

【００１１】制御部は、画像データからエッジデータを
サンプリングすることで空間周波数に対するＭＴＦ特性
を求める。このとき、データ数を多く含むエッジをサン
プリングすることが望ましい。画像データにおける衛星
進行方向と垂直方向の成分をエッジデータとしてサンプ
リングするとよい。衛星進行方向の画像は、衛星進行に
よる視野移動の効果により、画像がぼやけている。その
ため、衛星進行方向の成分のエッジデータをサンプリン
グすると、ＭＴＦ値が低下することがあるからである。
また、近傍に他の物体像がない部分のエッジデータをサ
ンプリングするとよい。他の物体の近くのエッジデータ
をサンプリングすると、光学系の収差やデフォーカス量
の関係によって生ずる他の物体の拡散像の影響により、
エッジデータに含まれるデータ数が少なくなるからであ
る。

【００１２】特定周波数は、デフォーカス量に対するＭ
ＴＦ特性を求めたときに、最大値が０．４から０．７ま
での間のいずれかの値をとるＭＴＦに対応する空間周波
数である。０．４〜０．７は、目安値である。このよう
に、目安値を設定することによって、システムは、定量
的に特定周波数の選択を行うことができる。

【００１３】本発明による焦点位置決定方法は、デフォ
ーカス量が異なる位置をもってリモートセンシング用カ
メラで撮影された複数枚の画像データにおけるＭＴＦ特
性を求め、特定周波数に着目してデフォーカス量に対す
るＭＴＦ特性を求め、ＭＴＦ特性をデフォーカス量を変
数とする関数で近似し、関数値が極大値をとるときのデ
フォーカス量に対応する位置を焦点位置と決定すること
を特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施
の形態を説明するための説明図である。

【００１５】人工衛星２００の外部には、地上面等を撮
影するためのリモートセンシング用カメラである撮像部
２２０が備えられている。人工衛星２００は、衛星軌道
上を周回し、撮像部２２０で撮影された画像データを地
上局１００に対して送信し、また、地上局１００からの
指示に応じて撮像部２２０におけるデフォーカス量の調
整を行う。撮像部２２０は、例えば、筒状のような形状
をした構造体で覆われている。

【００１６】図２は、地上局１００および人工衛星２０
０の内部構成の一例を示す構成ブロック図である。人工
衛星２００において、撮像部２２０で撮影された画像デ
ータは、制御部２１０の制御により送受信部２３０から
地上局１００に対して送信される。また、地上局１００
から送信されるデフォーカス指示は、送受信部２３０で
受信される。制御部２１０は、デフォーカス指示を撮像
部２２０に対して出力する。

【００１７】一方、地上局１００においては、送受信部
１３０は、人工衛星２００から送信される画像データを
受信し、制御部１１０に対して出力する。画像処理部１
４０は、制御部１１０からの指示に従って、画像データ
から映像信号等を生成して、表示部（ディスプレイ）１
５０に対して出力する。制御部１１０は、ＣＰＵ等で構
成される。操作部１２０は、種々の動作指示のために用
いられ、ボタン等の入力装置で構成される。制御部１１
０は、操作部１２０からの指示に従って所定の指示を送
受信部１３０を通じて人工衛星２００に対して送信す
る。

【００１８】図３は、撮像部２２０の内部構造の一例を
示す説明図である。ＣＣＤ等で構成される結像部２２２
の表面には、光学系２２１を介して被写体像が映し出さ
れる。その画像は、結像部２２２から画像データとして
制御部２１０に対して出力される。光学系２２１は、結
像部２２２と対面する位置に設置される。結像部２２２
には、焦点位置調整部２２３が接続されている。焦点位
置調整部２２３は、制御部２１０からの指示に従って、
結像部２２２を光学系２２１の光軸方向に進退動させ
る。光学系２２１は、複数枚の反射鏡（凹面鏡や凸面鏡
等）の結合によって構成される。

【００１９】次に、動作について説明する。図４は、本
発明による実施の形態の動作を説明するためのフローチ
ャートである。ここで、制御部１１０の内部には、最良
焦点位置を決定するためのプログラムが組み込まれてい
る。制御部１１０は、そのプログラムに基づいて動作す
る。

【００２０】地上局１００における操作員は、操作部１
２０を操作することにより、人工衛星２００に搭載され
ている撮像部２２０における焦点位置を最適化させる指
示を制御部１１０に対して出力する。制御部１１０は、
撮像部２２０における結像部２２２の移動量を複数の適
当な値に設定する。その移動量の指定指示は、送受信部
１３０を介して人工衛星２００に対して送信される。

【００２１】ここで、最良の焦点位置の予測精度を向上
させるには、画像データの取得数が多い方が望ましい。
従って、制御部１１０は、できるだけ多くの移動量を指
定することが望ましい。例えば、３つ以上の移動量を指
定することが望ましい。また、最良焦点位置がある程度
予測可能である場合には、最良と予測される焦点位置の
内外で撮影された画像を取得可能なように移動量を指定
するとよい。

【００２２】人工衛星２００では、移動量の指定指示
は、送受信部２３０で受信される。焦点位置調整部２２
３は、制御部２１０からの指示に従って、結像部２２２
を移動量に対応する位置まで進退動させる。例えば、図
５に示すように、移動量が複数指定された場合には、各
移動量に対応する位置まで進退動させる。各位置は、異
なるデフォーカス量に対応した位置になる。ここで、図
５は、焦点位置調整部２２３の動作を説明するための説
明図である。

【００２３】結像部２２２には、被写体像が映し出され
る。そして、結像された画像は、画像データとして、制
御部２１０の制御により送受信部２３０から地上局１０
０に対して送信される。もっとも、図５に示すようにデ
フォーカス量がｄｆ１〜ｄｆ４である場合には、各デフ
ォーカス量に応じた位置で撮影された画像が送信され
る。

【００２４】図６は、撮影画像の一例を示す説明図であ
る。地上局１００では、制御部１１０が、送受信部１３
０で受信される画像データを取得する（ステップＳ４０
１）。このとき、人工衛星２００から送信される画像
は、例えば、図６に示すようになる。図６（ａ）に表示
される画像は、デフォーカス量ｄｆ１に対応する位置で
撮影されたものである。同様に、図６（ｂ）、（ｃ）お
よび（ｄ）に表示される画像は、デフォーカス量ｄｆ
２、ｄｆ３およびｄｆ４に対応する位置で撮影されたも
のである。

【００２５】ここで、人工衛星２００から送信される画
像は濃淡平面画像である。従って、画像データは、衛星
進行方向（以下、ＡＴ方向ともいう。）のデータ列とＡ
Ｔ方向に垂直な方向（以下、ＣＴ方向という。）のデー
タ列とのデータ行列となる。

【００２６】制御部１１０は、取得した複数の画像デー
タから、エッジデータのサンプリングを行う（ステップ
Ｓ４０２）。エッジデータとは、一定方向からデータ列
を読み込んだとき、取得データのデータ値が連続して単
調減少している部分のデータである。即ち、画像データ
でいえば、画素が白から黒に連続単調的に変化するデー
タ部分である。例えば、画素データ値が「１４０、１８
５、２２１、２１３、２０４、１８０、１２１、４３、
２１、１９、１６、３５，７０」である場合には、「２
２１、２１３、２０４、１８０、１２１、４３、２１、
１９、１６」の部分がエッジデータとなる。制御部１１
０は、以下に示すような要領でエッジデータのサンプリ
ングを行う。

【００２７】ＣＴ方向にエッジデータを選択する。Ａ
Ｔ方向の画像は、衛星移動による視野移動の効果により
ＣＴ方向に比べて画像がぼけているからである。その結
果、ＡＴ方向における画像のＭＴＦのデータ値はＣＴ方
向と比較して低くなるからである。

【００２８】なるべくコントラストの高いエッジデー
タを選択する。つまり、輝度値が高いデータを選択す
る。輝度値の高い画像をサンプリングすることにより、
ＳＮ比の高いエッジデータを取得することが可能とな
り、最良焦点位置の予測精度の向上を図ることができる
からである。

【００２９】エッジ付近になるべく他の物体像がない
エッジを選択する。光学系の収差やデフォーカス量の関
係により、他の物体の拡散像が対象となるエッジに像強
されることがある。そのため、近傍に物体像があるエッ
ジデータをサンプリングすると、エッジデータに含まれ
るデータ数が減少することがあるからである。その結
果、最良焦点位置の予測精度が低下することがあるから
である。

【００３０】１つのエッジデータにつき多数の画像デ
ータをサンプリングできるようなエッジを選択する。例
えば、１つのエッジデータにつき８以上の画像データを
サンプリング可能なエッジを選択することが望ましい。
サンプリング数を大きくすることにより、後で説明する
ＭＴＦのデータ精度を向上させ、最良焦点位置予測の精
度を向上させるためである。

【００３１】制御部１１０は、以上に示した〜の要
件をすべて満たすように、エッジデータのサンプリング
を行う。また、全てを満たすようなサンプリングができ
ない場合には、〜の要件をなるべく多く包含するよ
うに、エッジデータのサンプリングを行う。

【００３２】制御部１１０は、必要に応じてエッジデー
タに対して、画素データの補間を行う（ステップＳ４０
３）。例えば、撮影された画像において、各画素が地表
における１ｍ四方に対応している場合に、地表における
１０ｃｍ四方の画素データが必要といったようなとき
に、補間がなされる。データ補間は、例えば、最小２乗
法によるデータ補間やスプライン補間によってなされ
る。エッジデータに大きなノイズがある場合には、最小
２乗法による補間が望ましく、一方、ノイズが少ない場
合には、スプライン補間を用いることが望ましい。

【００３３】制御部１１０は、補間されたデータに対し
て、微分処理を施す（ステップＳ４０４）。即ち、隣り
合うデータどうしのデータ値の差分を取ることによっ
て、データ値の傾きを計算する。また、データ値が粗い
場合には、スプライン補間を行ってから微分処理を施
す。

【００３４】制御部１１０は、微分処理が施されたデー
タに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を施して、その
結果の実部をＭＴＦ（変調伝達関数）の基礎データとし
て取得する（ステップＳ４０５）。このとき、ＭＴＦの
特性は、例えば、図７に示すようになる。図７（ａ）〜
（ｄ）に示す図は、図６（ａ）〜（ｄ）に示す画像にお
けるＭＴＦ特性を示すグラフである。

【００３５】制御部１１０は、必要に応じて、ＭＴＦデ
ータに対してスプライン補間を施す（ステップＳ４０
６）。このスプライン補間は必ず行われるというもので
はなく、例えば、低域の空間周波数に対応するＭＴＦデ
ータ列を増加させる場合に行われる。

【００３６】一般に、ＭＴＦ特性を評価することによっ
て、画像の鮮明さを評価することが多い。そこで、本発
明では、ＭＴＦ特性のうち特定の空間周波数にのみに着
目して、デフォーカス量に対するＭＴＦ特性を求める。
即ち、デフォーカス量が異なる状態で撮像された複数の
画像データにおけるＭＴＦ特性のうち、空間周波数を特
定の周波数で固定して、そのときのデフォーカス量に対
するＭＴＦ特性を取得する。特定空間周波数は、デフォ
ーカス量に対するＭＴＦ特性を求めたときに、最大値が
０．４から０．７までの何れかの値を取るＭＴＦに対応
する任意の空間周波数である。

【００３７】例えば、図７でいえば、空間周波数をｆで
固定して、そのときのデフォーカス量（ｄｆ１〜ｄｆ
４）とＭＴＦデータ値との関係を求める。このときのデ
フォーカス量に対するＭＴＦ特性は、図８に示すような
グラフになる。図８は、ＭＴＦデータと焦点位置との関
係を示す説明図である。

【００３８】制御部１１０は、デフォーカス量に対する
ＭＴＦ特性から、ＭＴＦ特性をデフォーカス量を変数と
する関数に近似する（ステップＳ４０７）。例えば、２
次多項式に近似する。図８に示す例でいえば、図９に示
すようなグラフ特性をもつ関数に近似する。図９は、デ
フォーカス量に対するＭＴＦ特性を説明するための説明
図である。

【００３９】制御部１１０は、近似した関数における極
大値を求め、その極大値に対応するデフォーカス量で定
まる位置を最良焦点位置と決定する（ステップＳ４０
８）。画像が鮮明なほどＭＴＦデータ値が高くなるた
め、ＭＴＦデータ値の極大値に対応するデフォーカス量
で定まる位置は、最良焦点位置と見ることができるから
である。そして、制御部１１０は、デフォーカス量の指
定指示を送受信部１３０を通じて人工衛星２００に対し
て送信する。

【００４０】人工衛星２００では、送受信部２３０が地
上局１００から送信されたデフォーカス量の指定指示を
受信する。そして、焦点位置調整部２２３は、制御部２
１０からの指示に従って、デフォーカス量に対応する位
置まで結像部２２２を移動させる。従って、結像部２２
２には、最適な状態で被写体像が映し出される。そし
て、その画像データが制御部２１０の制御により送受信
部２３０を通じて地上局１００に対して送信される。地
上局１００では、送受信部１３０で受信された画像デー
タが制御部１１０の指示により画像処理部１４０で処理
されることにより表示部１５０から鮮明な画像を映し出
すことができる。

【００４１】以上のように、本実施の形態によれば、制
御部１１０は、異なるデフォーカス量に対応する位置を
もって撮像部２２０で撮影された画像データに対して空
間周波数に対するＭＴＦ特性を求め、さらに、空間周波
数のうち特定の周波数に着目して、デフォーカス量に対
するＭＴＦ特性を求め、ＭＴＦ特性をデフォーカス量を
変数とする関数に近似し、その関数における極大値おけ
るデフォーカス量に対応する位置を最良焦点位置と決定
する。

【００４２】従って、最良焦点位置の予測精度を向上さ
せることができる。また、最良焦点位置の予測は、以上
に示したような定量的な評価に基づいて行うことができ
るので、地上局１００におけるシステムが、最良焦点位
置決定を自動的に行うことができる。その結果、試行錯
誤で最良焦点位置を探る必要がなくなり、最良焦点位置
の決定の際にかかる時間や人的労力等を削減することが
できる。

【００４３】なお、上記に示した実施の形態では、ステ
ップＳ４０４で微分演算がなされる場合を例に説明した
が、微分演算の代わりにハニング窓関数を用いて演算を
行ってもよい。

【００４４】また、エッジデータのサンプリング方向が
ＣＴ方向である場合を例にとって説明したが、エッジデ
ータのサンプリング方向をＡＴ方向としてもよい。特定
の空間周波数に着目してデフォーカス量とＭＴＦデータ
との関係を取得する際に、特定の空間周波数を適当な空
間周波数に合わせることで、視線移動によるＭＴＦデー
タ値の低下の影響を防止することができるからである。

【００４５】さらに、最良焦点位置決定の動作が制御部
１１０の内部に組み込まれている焦点位置決定プログラ
ムに基づいてなされる場合を例に説明したが、焦点位置
決定プログラムと同等の機能を持つハードウェアが最良
焦点位置決定を行ってもよい。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、デフォーカス量が異な
る位置でリモートセンシングカメラにおいて撮影された
複数の画像データにおける空間周波数に対するＭＴＦ特
性を求め、さらに、空間周波数のうち特定の周波数に着
目して、デフォーカス量に対応するＭＴＦ特性を求め、
ＭＴＦ特性をデフォーカス量を変数とする関数で近似
し、その関数における極大値でのデフォーカス量で定ま
る位置を最良焦点位置と特定する。従って、最良焦点位
置の特定を定量的な評価に基づいて行うことができるの
で、最良焦点位置の特定をシステム等に自動的に行わせ
ることができる。その結果、試行錯誤で最良焦点位置を
探る必要がなくなり、最良焦点位置の決定の際にかかる
時間や人的労力等を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態を説明するための説明図
である。

【図２】 地上局１００および人工衛星２００の内部の
一構成例を示す構成ブロック図である。

【図３】 撮像部２２０の内部構造の一例を示す説明図
である。

【図４】 本発明による実施の形態の動作を説明するた
めのフローチャートである。

【図５】 焦点位置調整部２２３の動作を説明するため
の説明図である。

【図６】 撮影画像の一例を示す説明図である。

【図７】 ＭＴＦ特性の一例を示す説明図である。

【図８】 ＭＴＦデータと焦点位置との関係を示す説明
図である。

【図９】 デフォーカス量に対するＭＴＦ特性を説明す
るための説明図である。

【符号の説明】

１００ 地上局 １１０ 制御部 １２０ 操作部 １３０ 送受信部 １４０ 画像処理部 １５０ 表示部 ２００ 人工衛星 ２１０ 制御部 ２２０ 撮像部 ２３０ 送受信部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人工衛星に搭載されたリモートセンシン
   グ用カメラにおける焦点位置を決定する焦点位置決定シ
   ステムにおいて、 地上局は、デフォーカス量が異なる位置をもってリモー
   トセンシングカメラで撮影された複数枚の画像データに
   おけるＭＴＦ特性を求め、特定空間周波数に着目してデ
   フォーカス量に対するＭＴＦ特性を求めることで焦点位
   置を決定する制御部を備えたことを特徴とする焦点位置
   決定システム。
2. 【請求項２】 制御部は、ＭＴＦ特性をデフォーカス量
   を変数とする関数で近似し、関数値が極大値をとるとき
   のデフォーカス量に対応する位置を焦点位置と決定する
   請求項１記載の焦点位置決定システム。
3. 【請求項３】 制御部は、画像データから特定の方法で
   エッジデータをサンプリングすることで空間周波数に対
   するＭＴＦ特性を求める請求項１または請求項２記載の
   焦点位置決定システム。
4. 【請求項４】 制御部は、衛星の進行方向と垂直方向成
   分のエッジデータのサンプリングを行う請求項３記載の
   焦点位置決定システム。
5. 【請求項５】 制御部は、近くに他の物体像がない部分
   のエッジデータをサンプリングする請求項３または請求
   項４記載の焦点位置決定システム。
6. 【請求項６】 特定周波数は、デフォーカス量に対する
   ＭＴＦ特性を求めたときに、最大値が０．４から０．７
   までの間のいずれかの値をとるＭＴＦに対応する空間周
   波数である請求項１ないし請求項５記載の焦点位置決定
   システム。
7. 【請求項７】 人工衛星に搭載されたリモートセンシン
   グ用カメラにおける焦点位置を決定する焦点位置決定方
   法において、 デフォーカス量が異なる位置をもってリモートセンシン
   グ用カメラで撮影された複数枚の画像データにおけるＭ
   ＴＦ特性を求め、 特定周波数に着目してデフォーカス量に対するＭＴＦ特
   性を求め、 ＭＴＦ特性をデフォーカス量を変数とする関数で近似
   し、関数値が極大値をとるときのデフォーカス量に対応
   する位置を焦点位置と決定することを特徴とする焦点位
   置決定方法。