JP4482682B2 - 画像処理における雑音除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、天球を撮像した画像から静止デブリや小惑星、彗星等の天球上を移動する暗い天体を検出する場合のように、画像上で移動体の存否を判別し辛くする雑音を効果的に除去する雑音除去方法に関する。

天球上を移動する暗い天体としては、小型で暗い人工衛星、スペースデブリ、小惑星、あるいは彗星等がある。小型で暗い人工衛星等については監視や軌道決定をして人工天体の把握をしておく必要があり、スペースデブリについても運用中の人工衛星等に衝突した場合に産業に多大な被害をもたらすのでその発見や軌道決定が求められる。更には、地球衝突型の小惑星や彗星についても、人類の産業活動や存続そのものに大きな影響をもたらすので、早期の発見や軌道決定が必要である。

従来、上記のような天球上を移動する暗い移動体を発見するために、幾つかの移動体検出方法が提案されている。従来の移動体、特に移動天体の検出方法は、同じ天空領域を撮影間隔を以て撮影した２、３枚の撮影画像を比較して、その撮影間隔の間に天球上を移動している像を探すというプリミティブなものである。このような単なる画像比較では、暗い移動天体を検出することは不可能である。

そこで、本発明者らは、複数コマの同じ天球領域の画像から、画像上に大量に写っている恒星の像を除去し、画像上を移動していく移動天体を検出する方法において、ＣＣＤカメラによって撮像された少なくとも３コマ以上の観測画像から、移動天体の動きを仮定し、その動きに合わせて観測画像の一部を切り取り、それら複数の切り取り画像の中央値画像を作成することによって、移動天体の検出に大きな障害となる大量の恒星像を除去し、仮定した動きの移動天体が実在する場合にはその像のみを残存させた画像を得て、移動天体を検出する移動天体検出方法を提案している。この際、複数の中央値画像の平均値画像を作成することにより、移動天体からの光量に対する雑音の比を大幅に抑えて、１コマの観測画像では検出が不可能であった暗い移動天体を抽出することも提案している。仮定される移動天体の動きは、使用している観測システムで検出が可能なあらゆる移動方向、速度であり得るとして、観測画像の一部の切り取りはその動きに合わせて行われている。
特許第３４２５５９７号公報（段落［０００８］〜［００１５］、図１〜４）

上記の移動天体検出方法の概要が、図５に示されている。図５に示すように、上段の列に並べられている多数の画像から、一定の天空領域に移動天体が存在するとし、更にその移動方向と移動量を仮定して、中段の列に示すようにその領域の画像の切り取りを行い、下段に示すように切り取った画像すべての中央値画像が作成される。切り取った各画像の各画素について明るさの中央値を採用した画像を作成することにより、明るさのレベルが非常に高く移動体の検出の妨げとなる恒星像等が除去され、更に明るさのレベルが低い背景雑音が大幅に軽減される。その結果、上記の移動方向と移動量とを持つ移動天体が存在しているとすると、１枚の画像では検出できないような非常に暗い移動天体であっても、切り取った画像すべてに同じ位置に存在することになり、中央値画像の中に姿を表し、その検出が可能となる。図６には、この移動天体検出方法で捉えた移動天体の一例（静止衛星）が写されている画像図が示されている。図６（ａ）は元の撮影画像から切り取った画像の一つを示す図であり、図６（ｂ）は（ａ）に対応する中央値画像を示す図である。

また、本発明者等は、先に、複数コマの観測画像から観測画像上を移動していく移動体検出方法において、少なくとも３コマ以上の観測画像の中で移動体の動きを仮定し、その仮定された動きに合わせて観測画像の一部を切り取り、それら複数の切り取り画像において同じピクセル位置を占める各画素について特異値を除いた一定範囲内の画素値に基づいて求められた中央値によって中央値画像を作成し、仮定した動きの移動天体が実在する場合にはその像のみを残存させた画像を得ることから成っている移動体検出方法を提案している（特願２００２−１２９３４２号）。

この移動体検出方法によれば、複数の観測画像からの移動体の動きに合わせた切り取り画像を用いて、移動体検出にとって雑音となって検出の妨げとなる大量の明るい光源（天体の場合には恒星の中心部やその周辺部を含む）の像や暗い恒星又は画素値を返さない欠損した画素を中央値の算出から予め除去することで、特異値を示す画素値の影響を軽減した中央値画像が作成される。そうした中央値画像を得ることによって、１コマの観測画像では捉えることのできない暗い移動体の的確且つ効率的な検出が可能になる。また、こうした特異値を除く画像処理を施すことにより、移動体の検出限界等級を下げることが可能となると共に誤検出の割合も大幅に軽減することができる。その結果、複数コマの画像について各画素の中央値を用いることによって、利用した観測システム（例えば、望遠鏡及びＣＣＤカメラ）で検出可能な、あらゆる移動方向、移動速度の移動体を検出する移動体検出方法において、中央値の算出の際に移動体検出の妨げとなる大量の明るい光源像や暗い恒星又は画素値を返さない欠損した画素の影響を除去して、１コマの観測画像では検出不可能な程度に暗い移動体を効率的に検出することを可能にしている。

上記移動体（又は「移動天体」、以下、この段落において同じ）検出方法においては、恒星等の固定体に対する移動体の動きが非常に遅い場合、移動体の動きに合わせた画像の中央値画像を作成しても恒星の影響が十分に除去できないという問題がある。図７には、上記移動天体検出方法によって恒星の間を低速で移動していく小惑星を捉えた一例が画像図として示されている。図７の上段の図において、連続する２枚の観測画像で円で囲まれて示されている移動天体は、画像上での移動速度が非常に遅い小惑星である。図７の下段では、２８枚の画像を上記移動天体検出方法によって処理した画像であり、１枚の画像と比較して小惑星の明るさが増加し、また恒星の影響が軽減されているので、移動天体の検出がしやすくなっているのが見て取れる。しかしながら、下段図において楕円で示すやや明るい領域として見えるように、恒星の影響が十分に除去されず残ってしまうので、非常に暗い移動天体の場合には恒星の影響に埋もれて検出することができなくなる。

このように、画像上で検出しようとする暗い移動体の移動速度が非常に遅い場合、その移動速度に合わせて切り取った複数の切り取り画像においては、恒星のような同じ雑音が殆ど同じ所に存在しているので、中央値画像を作成しても数多くの雑音の影響が残るために、移動体を検出することが困難になる。特に、明るい恒星の場合、雑音の影響が広範囲に強く残り、移動体の検出が一層困難になる。そこで、中央値画像を作成したときに移動体の検出をしやすくするために、画像を切り取る前に画像から雑音のみを除く点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、画像処理において、画像から雑音のみを除くことにより、画像上で検出しようとする暗い移動体の移動速度が非常に遅くても、そうした移動体の検出において効率的に雑音を除去することができる雑音除去方法を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明による移動体検出における雑音除去方法は、雑音を含む領域を撮像した領域撮影画像から前記領域中を移動している暗い天球上を移動する移動天体を検出するために行う画像処理において、複数の前記領域撮影画像の画素毎に中央値を採った画像を求め、前記各領域撮影画像から前記中央値画像を減算処理することにより、領域中を移動しない雑音の影響を低減した中央値減算撮影画像を得ることを特徴としている。

この雑音除去方法によれば、複数の領域撮影画像の各画素について値を大きさ順に並べたときの中央値の集合として中央値画像を作成すると、位置が判明している雑音源が撮影されている画素の値は殆どすべてその雑音源の値であるので中央値にも反映する。撮影画像中に移動体が撮影されている場合であっても、その移動体の像は各領域撮影画像中を次第に移動しているので、移動体の軌跡上の各画素において、各領域撮影画像の値を大きさ順に並べたときに移動体の像の値はその順序の端に位置し、中央値画像の作成の際にその影響は中央値には反映されない。したがって、中央値画像には雑音の影響のみが反映され、非常に暗い雑音でも浮かび上がらせることができ、中央値画像は高精度な雑音画像となる。各領域撮影画像から中央値画像を差し引いて形成される中央値減算撮影画像では、各領域撮影画像中の雑音の影響が低減されており、その一方で、移動体が撮影されている場合には撮影画像中の移動体の像が保存されている。領域撮影画像に比較的明るい移動体が撮影されている場合は、その移動速度が遅い場合でも、中央値減算撮影画像において相対的に強調されて浮かび上がらせることができる。

この雑音除去方法において、前記雑音は天球上に位置が固定されている恒星の撮影画像であり、前記移動体はスペースデブリ、小惑星、彗星等の前記天球上を移動する移動天体であるとすることができる。天球の一部を撮影した領域撮影画像からスペースデブリ、小惑星、彗星等の移動天体を検出しようとするときは、天球の動きと同期する撮影手段によって撮影された領域撮影画像上の恒星の撮影画像は天球上に位置が固定されている雑音画像となる。天球の領域を撮影した領域撮影画像に雑音除去方法を適用することにより、スペースデブリ、小惑星、彗星等の天球上を移動する移動天体の移動速度が非常に遅い場合であっても、そうした移動天体を容易に検出することができる。

上記雑音除去方法において、前記中央値画像において所定の閾値以上の値を有する画素が占める位置と同じ位置の画素を覆うことができるマスク画像を形成し、前記各領域撮影画像から前記中央値画像を減算処理して形成された画像に対して前記マスク画像によるマスク処理を施した画像を前記中央値減算撮影画像とすることができる。各領域撮影画像においては、大気の影響や観測・撮影機器の誤差によって、雑音像は、微妙に大きさや位置が変化していることがあるので、中央値画像を減算処理しても、雑音の影響が特に明るい雑音の中心部で残ることがある。そこで、中央値画像を減算処理して形成された画像に対して、上記のようにして形成されたマスク画像によるマスク処理を施し、そうして得られた画像を中央値減算撮影画像とすることが好ましい。こうしたマスク処理によって、明るい雑音の中心部で見られる影響を除去することができる。

上記マスク画像を施す雑音除去方法において、前記中央値減算撮影画像の前記マスク処理により覆われる前記画素については、前記背景雑音の中央値に置き換えることができる。中央値減算撮影画像のマスク処理により覆われる画素については、その値を、恒星のような位置が判明している雑音や移動体が存在しない領域である背景雑音の中央値に置き換えることによって、移動体が存在している場合には、中央値減算撮影画像において背景雑音中に移動体を浮かび上がらせることができる。

上記雑音除去方法において、前記中央値減算撮影画像について、前記移動体の動きを仮定し、その動きに合わせて前記中央値減算撮影画像の一部を切り取り、動きを仮定した前記移動体が実在するとしたときの像を残存させるためにそれら複数の切り取った画像の切り取り中央値画像を作成することができる。中央値減算撮影画像が得られた場合でも、移動体が暗いときには、直ちに、移動体を検出することは困難である。そこで、中央値減算撮影画像について移動体の動きを仮定し、その動きに合わせて中央値減算撮影画像の一部を切り取り、それら複数の切り取った画像の切り取り中央値画像を作成することで、動きを仮定した移動体が実在するときには、その移動体の像を残存させて浮かび上がらせることができる。

本発明の画像処理における雑音除去方法によれば、雑音を含む複数の領域撮影画像の中央値画像を求め、各領域撮影画像から中央値画像を減算処理するという画像処理を行うことで、領域撮影画像から効率的に雑音のみを除いた中央値減算撮影画像を得ることができるので、撮影画像上で領域中を移動している暗い移動体を検出しようとするときに、移動体の移動速度が非常に遅くても、そうした移動体の検出を容易に行うことができる。

以下、図面を参照してこの発明による画像処理における雑音除去方法の実施例を説明する。図１は、本発明による画像処理における雑音除去方法を天球上を移動する移動天体の検出において適用するときの、中央値画像の形成を説明する図である。本発明における雑音除去方法においては、従来同様、天球上の観測領域を、天球と同期して回転するカメラによって時間間隔を置いて恒星を含む領域を撮像し、複数の領域撮影画像を得る。時間間隔は、長さが判明していれば必ずしも一定でなくてもよいが、後での画像切り取り等を考慮すれば一定の時間間隔で撮影するのが好ましい。天球と同期したカメラで撮影することにより、各恒星は、理想的にはどの画像でも同じ位置に撮影されており、移動体の検出という観点からすれば、恒星像は固定雑音と言える。

（１）第１段階の操作として、移動量を仮定した画像の切り取りを行う前の段階で、すべての領域撮影画像に対して中央値画像処理を行う。即ち、すべての領域撮影画像について、移動体の移動量を仮定しない（即ち、移動量ゼロ）で中央値画像を作成する。図１（ａ）には２８枚中の１枚の領域撮影画像を、図１（ｂ）には２８枚の領域撮影画像の中央値画像を示す。この場合、図１（ａ）の領域撮影画像中を移動している天体があれば、その天体（図１（ａ）中の中央の円で囲まれる天体）は、他の領域撮影画像では少しずつ位置を変えているので、図１（ｂ）の中央値画像ではその像が消えている。しかしながら、恒星は常に同じ位置で撮影されているので、中央値画像では、明るい恒星は勿論のこと、どの領域撮影画像でも検出できないような非常に暗い恒星でも浮かび上がらせることができる。この操作により、中央値画像は、移動天体の影響のない、非常に高精度な雑音画像として得られる。

（２）次の段階の操作として、すべての領域撮影画像から、上記（１）で得られた移動量０の中央値画像を差し引く。恒星の位置はその明るさに関わらず一定であるので、この操作により、各領域撮影画像から恒星の画像を除去することができる。低速で移動する天体が存在しているとすると、恒星はそうした移動天体の検出の妨げとなるので、各領域撮影画像から恒星の画像を除去することは低速の移動天体を検出しやすくする。図２には、領域撮影画像（ａ）から移動量０の中央値画像（ｂ）を差し引いた様子が示されている。画像の差し引きは、領域撮影画像の各画素の明るさから移動量０の中央値画像の対応する各画素の明るさを差し引くことでおこなわれる。中央値差引後の画像（ｃ）においては、暗い恒星や、その周辺部の明るさが存在する領域が完全に除去されている。その一方で、移動天体の像は明確に残存させることができる。明るい移動天体の場合には、移動速度が遅くても、この差引後の画像を中央値減算撮影画像として、直接に移動天体を検出することも可能である。

（３）各画像中の恒星は大気の影響や観測機器の誤差によって、微妙にその大きさや位置が変化している。そのため、図２に示すように、各差引後の画像（ｃ）において、明るい恒星の中心部は点線の円又は楕円で示すように、それらの効果の影響が残っている。そこで、これらの影響を除去するために、（１）で作成した移動量０の中央値画像（図２（ｂ））において、ある閾値以上は０、それ以下は１にするというマスク画像を製作する。マスク画像は、図３（ｂ）に示すように、明るい恒星やその周囲の明るい領域は黒のマスクとなり、背景雑音は閾値以下であるのでそのまま画像を通過させる透明のマスクとなる。（２）で作成された各差引後の画像（図２（ｃ）及び図３（ａ））のすべての画素の値をこのマスク画像の対応する画素の値で割る。但し、０で割ることになる画素については、背景雑音の中央値に置き換える処理をする。この操作により、（２）の処理で残存している明るい恒星の中心で見られる影響を完全に除去することができる。図３には、（２）で作成された差引後の各画像（ａ）を（３）で作成されたマスク画像（ｂ）で割る操作が示されている。移動量０の中央値画像（ａ）では移動体の影響は完全に除去されているため、中央値画像から作るマスク画像で移動体をマスクしてしまう危険性はない。

この画像処理における雑音除去方法によれば、上記の（１）、（２）及び（３）の処理で作成された画像においては、雑音である恒星の影響がほぼ完全に除去されている。したがって、これらの画像を利用して、上記したような従来の移動体検出法で行われている移動量を仮定した画像の切り取り、中央値画像の作成を行うことにより、恒星の間を低速で移動していく移動天体であっても、その検出時に出ていた恒星の影響を完全に除去することが可能になる。図４には、画像処理において上記（１）〜（３）の雑音除去方法による処理をしなかった場合（ａ）とした場合（ｂ）の画像処理結果を示す。図４（ｂ）に示す雑音除去処理を施した場合には、恒星の影響がほぼ完全に除去されていることが判る。

この雑音除去方法を移動体検出に適用して、撮影画像の画像処理することにより、従来の移動体検出方法と比較して、雑音レベルを更に軽減し、暗い移動天体、特に恒星等の固定雑音の間を低速で移動する移動天体の検出が可能になった。

上記の説明では、雑音は天球上の恒星のような天球に対して固定されている光源としての雑音であるとしたが、規則性（一例として一定速度）を以て移動している物体であっても、その規則性が判っていれば、雑音として除去することができる。

この画像処理における雑音除去方法は、天球における移動天体の検出のみならず、地上や海上、あるいは大気中に明かるい又は暗い固定体が存在する背景雑音がある場合において、ある程度の速度がある移動体のみならず、低速で移動する移動体までをも的確に捉えて検出することができる。

本発明による画像処理における雑音除去方法を天球上を移動する移動天体の検出において適用するときの、中央値画像の形成を説明する図である。 本発明による雑音除去方法において、領域撮影画像から移動量０の中央値画像を差し引いく操作を示す説明図である。 本発明による雑音除去方法において、差引後の画像をマスク画像で割る操作を示す説明図である。 本発明による画像処理における雑音除去方法による処理をしなかった場合（ａ）とした場合（ｂ）の画像処理結果を示す図である。 既に提案されている移動天体検出方法の概要を示す図である。 図５に示す移動天体検出方法で捉えた移動天体の一例（静止衛星）を示す画像図である。 図５に示す移動天体検出方法で捉えた移動天体の別例（低速で移動していく小惑星）を示す画像図である。

Claims (5)

1. 雑音を含む領域を撮像した領域撮影画像から前記領域中を移動している暗い天球上を移動する移動天体を検出するために行う画像処理において、複数の前記領域撮影画像の画素毎に中央値を採った画像を求め、前記各領域撮影画像から前記中央値画像を減算処理することにより、領域中を移動しない雑音の影響を低減した中央値減算撮影画像を得ることを特徴とする雑音除去方法。
2. 前記雑音は天球上に位置が固定されている恒星の撮影画像であり、前記移動天体はスペースデブリ、小惑星、彗星であることを特徴とする請求項１に記載の雑音除去方法。
3. 前記中央値画像において所定の閾値以上の値を有する画素が占める位置と同じ位置の画素を覆うことができるマスク画像を形成し、前記各領域撮影画像から前記中央値画像を減算処理して形成された画像に対して前記マスク画像によるマスク処理を施した画像を前記中央値減算撮影画像とすることを特徴とする請求項１に記載の雑音除去方法。
4. 前記中央値減算撮影画像の前記マスク処理により覆われる前記画素は、前記背景雑音の中央値に置き換えられることを特徴とする請求項３に記載の雑音除去方法。
5. 前記中央値減算撮影画像について、前記移動体の動きを仮定し、その動きに合わせて前記中央値減算撮影画像の一部を切り取り、動きを仮定した前記移動体が実在するとしたときの像を残存させるためにそれら複数の切り取った画像の切り取り中央値画像を作成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の雑音除去方法。

Images