JPH09318745A - Device and method for mutually correlational rainzone prediction - Google Patents
Device and method for mutually correlational rainzone predictionInfo
- Publication number
- JPH09318745A JPH09318745A JP8133447A JP13344796A JPH09318745A JP H09318745 A JPH09318745 A JP H09318745A JP 8133447 A JP8133447 A JP 8133447A JP 13344796 A JP13344796 A JP 13344796A JP H09318745 A JPH09318745 A JP H09318745A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- correlation
- displacement vector
- images
- rain area
- rain
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 25
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 67
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 36
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 abstract 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000007476 Maximum Likelihood Methods 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 210000003813 thumb Anatomy 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、2種類以上の諸時
系列データの相互相関を算出したり、気象レーダー画像
に基づいた狭い地域の雨域の時系列変化に関する相互相
関係数を算出して短時間予測し、気象の変化に敏感に影
響されるような狭い地域における様々な経済活動が円滑
に営まれるように、高精度に雨域を予測する装置および
方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention calculates a cross-correlation of two or more types of time-series data, and calculates a cross-correlation coefficient relating to a time-series change in a rainy area in a narrow area based on a weather radar image. The present invention relates to an apparatus and a method for predicting a rain region with high accuracy so that various economic activities can be smoothly performed in a narrow area that is sensitively affected by a change in weather by performing a short-term prediction.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、気象予測を行う際、気象庁ではア
メダスや気象衛星から得られる2次元的、3次元的な気
温、気圧、露点、風ベクトル等の様々な物理パラメータ
ーを用いて、数理・物理方程式を介した数十時間先もし
くは数日先の日本全国の気象現象の変化を予測してい
る。2. Description of the Related Art Conventionally, when performing weather forecasting, the Japan Meteorological Agency uses various physical parameters such as two-dimensional and three-dimensional temperature, pressure, dew point and wind vector obtained from AMeDAS and meteorological satellites. It predicts changes in meteorological phenomena across Japan over several tens of hours or days through physical equations.
【0003】一方、近年では、より狭い地域での、分オ
ーダーの短い時間における気象予測が望まれてきている
ため、局地的に配置した気象レーダー装置からの雨域の
変化情報による予測が必須となっている。雨域の変化
は、降雨状態や降雪状態にある領域の変化を意味し、見
かけ上、雲状をなしている。画像としての雨域は、様々
な形状と濃淡値の組み合わせとして表現されており、明
瞭な特徴量の記述が困難であることから画像処理手法に
基づいた雨域の動き検出は容易ではない。そのため現在
でも、人の経験則に基づいた雨域の変化からの主観的な
読み取りが行われ、活用されている。On the other hand, in recent years, there has been a demand for a weather forecast in a narrower area in a short time on the order of minutes. Therefore, it is essential to make a forecast based on rain zone change information from a locally arranged weather radar device. Has become. The change of the rain area means the change of the area in the rainy state or the snowy state, and it looks like a cloud. The rain area as an image is expressed as a combination of various shapes and gray values, and it is difficult to clearly describe a feature amount. Therefore, it is not easy to detect the motion of the rain area based on an image processing method. Therefore, even now, subjective readings from changes in rainy areas based on human rules of thumb are performed and utilized.
【0004】雨域変化検出を自動的かつ客観的なものと
するために、時空間的相関法により雨域変化検出を計算
機上で行うことが試みられている。この方法は、2つの
画像フレーム間f(t)とf(t+1)(tは時間ステ
ップ)の、濃淡値の類似性について算出した後、最も相
関値が高い点が対応していると仮定した上で雨域の移動
量を推定し、推定された移動量に基づいて雨域を平行移
動させていく。In order to make the rain area change detection automatic and objective, it has been attempted to perform the rain area change detection on a computer by the spatiotemporal correlation method. In this method, after calculating the similarity in gray value between f (t) and f (t + 1) (t is a time step) between two image frames, it is assumed that the points having the highest correlation value correspond to each other. The amount of movement in the rain area is estimated above, and the rain area is translated in parallel based on the estimated amount of movement.
【0005】推定された次のステップの雨域画像を繰り
返すことにより、特定数のステップ先までの予測が可能
となる。また、2つのフレームから1つの雨域の移動ベ
クトルを求めている。By repeating the estimated next step rain image, it is possible to predict up to a specified number of steps. Moreover, the movement vector of one rainy area is calculated from two frames.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】これまで適用されてい
る時空間的相関法は、連続する2つの画像から1つの動
きベクトルを推定する。時空間的相関法は、扱う対象が
連続するフレーム間では微小に変化している場合でない
と、そのままでは相関値の信頼性は低くなるという問題
がある。The spatio-temporal correlation method applied so far estimates one motion vector from two consecutive images. The spatiotemporal correlation method has a problem that the reliability of the correlation value becomes low as it is unless the object to be handled changes slightly between consecutive frames.
【0007】すなわち、レーダー画像の濃淡値は、雨域
が生成・消滅を絶えまなく繰り返しているために、前フ
レームの濃淡値と次フレームの濃淡値とが常に1対1に
対応することがないので、濃淡値に基づいた相関値への
信頼性は必ずしも高くなく、不安定であるという問題が
ある。In other words, the gray value of the radar image has a one-to-one correspondence between the gray value of the previous frame and the gray value of the next frame because the rain zone is continuously generated and disappears. Therefore, there is a problem in that the reliability of the correlation value based on the gray value is not always high and the correlation value is unstable.
【0008】さらに、相関係数が求められないような散
漫な雨域画像の場合は、ほとんど動きベクトルを推定す
ることができず、その間の補間方法についても見い出さ
れていないのが現状である。Further, in the case of a diffuse rainy area image for which a correlation coefficient cannot be obtained, the motion vector can hardly be estimated, and no interpolation method between them has been found at present.
【0009】実際の雨域は全体的な大きな流れに加え
て、局所的な流れが存在している。これまでの相関法で
は連続する2つのフレームから代表ベクトル1つだけを
求める方法だったので局所的な流れについての情報は欠
如しており、その分だけ予測精度の低下をまねいてい
た。In the actual rainy region, local flow exists in addition to the large flow of the whole. Since the conventional correlation method has been a method of obtaining only one representative vector from two consecutive frames, there is no information about the local flow, and the prediction accuracy is reduced accordingly.
【0010】局所的な流れ成分を見い出そうとするなら
ば、画像を小ブロックに分割してここの小ブロックに独
立に時空間的相関法を過用することで局所的な成分を推
定することは可能であるが、小ブロック境界付近の動き
成分などは、算出することが困難であり、局所的な動き
ベクトルの推定には限界があった。If a local flow component is to be found, the image is divided into small blocks, and the spatial and spatial correlation methods are independently used for these small blocks to estimate the local component. However, it is difficult to calculate the motion component near the small block boundary, and there is a limit to the estimation of the local motion vector.
【0011】さらに、相関係数自体、扱う対象の統計的
な信号として正規分布を仮定しているが、レーダー画像
の場合には、対応値として用いる濃淡値が正規分布をし
ていることはまれである。このため、非正規分布の仮定
に基づいたより柔軟な相関係数を導出する必要があっ
た。Furthermore, although the correlation coefficient itself is assumed to be a normal signal as a statistical signal to be handled, in the case of a radar image, the gray value used as a corresponding value is rarely a normal distribution. Is. Therefore, it is necessary to derive a more flexible correlation coefficient based on the assumption of non-normal distribution.
【0012】本発明は上記問題点の解決を図り、より局
所的な動きベクトルを安定に推定し、かつ演算コストを
大幅に軽減することのできるレーダー画像からの雨域変
化推定装置をおよび方法を実現することを目的とする。The present invention solves the above problems, and provides an apparatus and method for estimating a rain zone change from a radar image capable of stably estimating a more local motion vector and greatly reducing the calculation cost. Aim to achieve.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明の相互相関雨域予
測装置は、気象レーダー画像に基づいて降雨地域である
雨域の時系列変化を高速かつ簡易に予測する相互相関雨
域予測装置であって、雨域のレーダー画像を入力する画
像入力手段と、入力された画像を蓄積する画像蓄積手段
と、2つの画像間の局所的な相関係数により双方の画像
にウェーブレット変換を施し、これらの内積のエネルギ
ー値を算出する相関エネルギー算出手段と、弾性方程式
を介して局所的な変位ベクトルを推定する移動ベクトル
算出手段と、カルマンフィルターを作用させた前記変位
ベクトルの始点近傍の雨域画像を前記変位ベクトルの方
向とその距離だけ繰り返し移勤させていくことで、雨域
変化の予測を行う雨域移勤手段と、を備えることを特徴
とする。A cross-correlation rain area prediction apparatus of the present invention is a cross-correlation rain area prediction apparatus for predicting a time series change of a rain area, which is a rainfall area, quickly and easily based on a weather radar image. Therefore, image input means for inputting a radar image in the rainy area, image storage means for storing the input image, and wavelet transform of both images by a local correlation coefficient between the two images, Correlation energy calculating means for calculating the energy value of the inner product of, the movement vector calculating means for estimating the local displacement vector via the elasticity equation, and the rain area image near the starting point of the displacement vector on which the Kalman filter is applied. It is characterized by further comprising: a rain area transfer means for predicting a change in the rain area by repeatedly moving the area by the direction of the displacement vector and its distance.
【0014】この場合、前記雨域移動手段は、変位ベク
トルを求めた後、線形方程式を介して移動ベクトルに関
して繰り返し移動ベクトルを予測する手段を含むことと
してもよい。In this case, the rain zone moving means may include means for obtaining a displacement vector and then predicting the movement vector repeatedly with respect to the movement vector via a linear equation.
【0015】また、前記相関エネルギー算出手段では、
ガボール変換、スプライン変換を含むこととしてもよ
い。Further, in the correlation energy calculating means,
Gabor conversion and spline conversion may be included.
【0016】本発明の相互相関雨域予測方法は、気象レ
ーダー画像に基づいて降雨地域である雨域の時系列変化
を高速かつ簡易に予測する相互相関雨域予測方法であっ
て、2つの画像間の局所的な相関係数により双方の画像
にウェーブレット変換を施し、これらの内積のエネルギ
ー値を算出し、弾性方程式を介して局所的な変位ベクト
ルを推定し、カルマンフィルターを作用させた前記変位
ベクトルの始点近傍の雨域画像を前記変位ベクトルの方
向とその距離だけ繰り返し移勤させていくことで、雨域
変化の予測を行うことを特徴とする。The cross-correlation rain area prediction method of the present invention is a cross-correlation rain area prediction method for quickly and easily predicting a time series change of a rain area which is a rainfall area based on a weather radar image. Wavelet transform is applied to both images by the local correlation coefficient between them, the energy value of the inner product of these is calculated, the local displacement vector is estimated through the elastic equation, and the displacement is applied by the Kalman filter. It is characterized by predicting a change in the rain area by repeatedly moving the rain area image near the start point of the vector in the direction of the displacement vector and its distance.
【0017】(作用)2フレーム間の相互相関係数を算
出する際、各フレームの信号としての統計的な性質は必
ずしも正規分布ではないために、相関係数を算出する公
式をそのまま適用した場合、算出される相関係数に対す
る信頼性は低い。本発明では、その信頼性を向上させる
ために、同時に、ノイズによる信号の乱れの影響を軽減
するために、双方のフレームに予めウェーブレット基底
を作用させておくことで、本基底の局所的な性質により
信号に最もあった係数値が算出される。このとき、弾性
方程式を介する画像処理技法により、信頼性を向上させ
た相関係数エネルギーの下、局所的なフレーム間の変位
ベクトルが算出できる。(Operation) When the cross-correlation coefficient between two frames is calculated, the statistical property of the signal of each frame is not necessarily a normal distribution. Therefore, when the formula for calculating the correlation coefficient is applied as it is. , The reliability of the calculated correlation coefficient is low. In the present invention, in order to improve its reliability and at the same time reduce the influence of signal disturbance due to noise, wavelet bases are applied in advance to both frames, so that the local property of this base is Thus, the coefficient value most suitable for the signal is calculated. At this time, a local displacement vector between frames can be calculated under the correlation coefficient energy with improved reliability by an image processing technique via an elasticity equation.
【0018】線形方程式もしくはカルマンフィルターを
介して繰り返し予測を行うことで、統計的には最尤推定
・予測された移動ベクトルをある程度長時間得ることが
でき、高精度な予測が達成できる。By repeatedly performing prediction through a linear equation or a Kalman filter, statistically the maximum likelihood estimated / predicted motion vector can be obtained for a long time, and highly accurate prediction can be achieved.
【0019】[0019]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0020】図1は本発明の一実施例の構成を示す図で
ある。図1に示す実施例は、レーダー雨域画像を入力す
る画像入力部100と、時系列のレーダー雨域画像を蓄
積する画像蓄積部110と、2つのフレーム間の局所的
な相関係数を、双方の画像にウェーブレット変換を施し
てこれらの内積のエネルギー値を算出する相関エネルギ
ー算出部120と、弾性方程式を介して局所的な変位ベ
クトルを推定する移動ベクトル算出器130と、カルマ
ンフィルターを作用させた変位ベクトルの始点近傍の雨
域画像を変位ベクトルの方向とその距離だけ繰り返し移
動させていくことで、雨域変化の予測を行う雨域移動器
手段140と、その結果を算出する出力部150から構
成されている。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 1, an image input unit 100 for inputting radar rain area images, an image storage unit 110 for storing time-series radar rain area images, and a local correlation coefficient between two frames are A correlation energy calculation unit 120 that performs a wavelet transform on both images to calculate the energy value of these inner products, a movement vector calculator 130 that estimates a local displacement vector via an elasticity equation, and a Kalman filter are operated. The rain zone image near the starting point of the displacement vector is repeatedly moved in the direction of the displacement vector and its distance, and the rain zone moving means 140 for predicting the change in the rain zone and the output section 150 for calculating the result. It consists of
【0021】図2は、連続する2フレーム間における相
関エネルギーの分布の様子を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the distribution of correlation energy between two consecutive frames.
【0022】2つのフレーム200間の局所的な類似性
に基づき、弾性方程式を介してフレーム間で類似性を求
めたときのベクトルが局所的な動きベクトルとみなされ
る。Based on the local similarity between the two frames 200, the vector when the similarity is calculated between the frames via the elasticity equation is regarded as the local motion vector.
【0023】適用する弾性方程式は、以下のように与え
られる。The applied elasticity equation is given as follows.
【0024】[0024]
【数1】 上式中、式(1)の左辺C1、C2はそれぞれ、等方性に
関する弾性係数、ねじれに関する弾性係数を表わすもの
で、左辺は弾性面の内部力を示し、右辺は弾性面に加え
られる外部力を示す。従って、式(1)は力に関しての
平衡式を表わす。[Equation 1] In the above equation, the left sides C 1 and C 2 of the equation (1) represent the elastic coefficient related to isotropic property and the elastic coefficient related to torsion, respectively. Indicates the external force exerted. Therefore, equation (1) represents the equilibrium equation for force.
【0025】式(2)は2次元両像のx,y方向の画素
のアドレスを表わし、式(3)は式(4)で表わされる
相関係数(類似性)に関するエネルギーの勾配値が式
(1)の外部力と等しいことを表わす。Expression (2) represents the addresses of pixels in the x and y directions of the two-dimensional images, and Expression (3) represents the energy gradient value related to the correlation coefficient (similarity) expressed by Expression (4). Indicates that it is equal to the external force of (1).
【0026】式(5)は、差分法に従って式(1)を離
散化した表現であり、特に、式(3)を2次オーダーま
でテーラー展開した近似項を式(1)に含む。式(6)
は、式(4)の類似性(正規化相関係数)を表わしてお
り、連続する2つのフレームt,sの画像の局所的な人
きさにおける正規化相関係数である。この大きさは、3
×3から21×21程度まで、入力する画像の大きさ
と、対象のフレーム当りの動きの大きさに依存して決定
される。The expression (5) is a discretized expression of the expression (1) according to the difference method, and in particular, the expression (1) includes an approximation term obtained by Taylor-expanding the expression (3) to a second order. Equation (6)
Represents the similarity (normalized correlation coefficient) of Expression (4), and is the normalized correlation coefficient in the local crowd of images of two consecutive frames t and s. This size is 3
It is determined from about × 3 to about 21 × 21 depending on the size of the input image and the size of the motion per target frame.
【0027】式(5)は、局所的な画像の大きさに関し
ての連立一次方程式が成り立つ。よって、SOR法等の
加速緩和法に従って、収束を早めながら解を得ることが
できる。求める解は、式(2)についてであり、この解
が2つのフレーム間の局所的な変位ベクトルとなる。原
理的には、2つのフレームの類似性に関するポテンシャ
ル場を計算した後、スカラー量であるポテンシャルの山
の傾き、即ち、ベクトル量が変位ベクトルとなる。Equation (5) is a simultaneous linear equation concerning the local image size. Therefore, a solution can be obtained while accelerating the convergence according to the acceleration relaxation method such as the SOR method. The solution to be obtained is the equation (2), and this solution becomes a local displacement vector between two frames. In principle, after calculating the potential field related to the similarity between two frames, the slope of the potential peak, which is a scalar quantity, that is, the vector quantity becomes the displacement vector.
【0028】ところで、式(6)の相関係数を画像にそ
のまま適用してもある程度正しい結果が出力されるが、
レーダー画像は、生成・消滅をフレーム間で緩やかに変
化させているため、必ずしも安定に出力されない。そこ
で、画像の濃淡値はノイズにより変化しているものとみ
なすと、そのようなノイズの影響を極力抑える方法が必
須となる。その方策の一つとして、式(7)のように、
式(6)を簡略した上で、式(8)のように、それぞれ
のフレームs,tにウェーブレット規底を作用させる。
式(7)(8)において、<,>は内積、大文字T,S
はフーリエ変換を表わす。By the way, even if the correlation coefficient of the equation (6) is applied to the image as it is, a correct result is output to some extent.
Radar images do not always output stably because the generation and disappearance are changed gently between frames. Therefore, assuming that the gray value of the image changes due to noise, a method of suppressing the influence of such noise as much as possible is essential. As one of the measures, as shown in Expression (7),
After simplifying equation (6), a wavelet base is applied to each frame s, t as in equation (8).
In equations (7) and (8), <,> are inner products, uppercase letters T, S
Represents the Fourier transform.
【0029】[0029]
【外1】 はコンボリューションを表わす。[Outside 1] Represents convolution.
【0030】[0030]
【数2】 式(8)のように、それぞれの画像に予め、ウェーブレ
ット基底を作用させておくことで、局所的にノイズを抑
制しながら、画像の局所的な濃淡値を強調することが可
能となるので、相関係数の信頼性は式(6)を用いる場
合よりも式(8)を用いた場合の方が必然的に高くな
る。これらから、2つのフレームの相関値Uを高さ方向
にとった状態を表わすグラフ210および勾配値および
方向を2次元的に示すグラフ220が得られる。[Equation 2] By applying a wavelet basis to each image in advance as in Expression (8), it is possible to locally suppress noise and enhance the local gray value of the image. The reliability of the correlation coefficient is inevitably higher when the equation (8) is used than when the equation (6) is used. From these, a graph 210 showing a state in which the correlation value U of two frames is taken in the height direction and a graph 220 showing the gradient value and the direction two-dimensionally are obtained.
【0031】ウェーブレット規底としてはガボール変換
やスプライン変換によるもの等様々なものが考えられる
が時間周波数解析に都合のよい関数を選択すればよく、
特に限定されることはない。Various kinds of wavelet bases such as those by Gabor transformation or spline transformation are conceivable, but a function convenient for time-frequency analysis may be selected.
There is no particular limitation.
【0032】図3は、ウェーブレット基底の例を示す図
である。図3(a)には3次スプライン基底のスケーリ
ング関数φ(x)が示され、図3(b)にはマザー基底
ψ(x)が示されている。マザー基底ψ(x)はスケー
リング関数φ(x)より派生する。相関係数を算出する
際、このようなマザー基底ψ(x)を画像に作用させ
る。FIG. 3 is a diagram showing an example of a wavelet base. FIG. 3A shows the scaling function φ (x) of the cubic spline basis, and FIG. 3B shows the mother basis ψ (x). The mother basis ψ (x) is derived from the scaling function φ (x). When calculating the correlation coefficient, such a mother basis ψ (x) is applied to the image.
【0033】図4は、画像の局所的な変位ベクトルに従
って、雨域を次のフレームにかけて並行移動させること
を示す。図中、白丸から黒丸に向かう変位ベクトルが得
られているとする。このとき、白丸の近傍の濃淡値(雨
域)をそのまま、変位ベクトルに従って移動させる。こ
の過程を繰り返す間だけ、雨域の予測ができる。FIG. 4 shows that the rain area is translated in the next frame according to the local displacement vector of the image. In the figure, it is assumed that the displacement vector from the white circle to the black circle is obtained. At this time, the gray value (rain area) near the white circle is moved as it is according to the displacement vector. Only when this process is repeated, the rain area can be predicted.
【0034】図5は、カルマンフィルターを適用したと
きの変位ベクトルの変化を示す図であり、図5(a)は
カルマンフィルターにより最尤推定された局所的なベク
トル3つ(V1〜V3)の変化を示す。これまでの相互
相関法の場合だと、2つのフレームからは1つの動きベ
クトルしか得られなかったが、本発明によると、複数の
動きベクトル、即ち、局所的な動きベクトルが推定でき
る。FIG. 5 is a diagram showing changes in the displacement vector when the Kalman filter is applied, and FIG. 5A shows the three local vectors (V1 to V3) that have been subjected to the maximum likelihood estimation by the Kalman filter. Show changes. In the case of the conventional cross-correlation method, only one motion vector is obtained from two frames, but according to the present invention, a plurality of motion vectors, that is, local motion vectors can be estimated.
【0035】図5(b)は、図5(a)に対応する図で
あり、予測誤差の相違を2つの場合についてのみ比較す
るもので、ウェーブレット規底を作用させないもの(W
T無し)とウェーブレット規底を作用させるとともにカ
ルマンフィルターを作用させたもの(KF+WT)を示
している。FIG. 5 (b) is a diagram corresponding to FIG. 5 (a), in which the difference in prediction error is compared only in two cases, and the wavelet base is not applied (W).
(No T) and a Kalman filter (KF + WT) with a wavelet base acting.
【0036】図5(b)からウェーブレット規底を作用
させるとともにカルマンフィルターを作用させることに
より予測後さが少なくなることが分かる。From FIG. 5 (b), it can be seen that the post-prediction is reduced by operating the wavelet base and the Kalman filter.
【0037】本発明では、繰り返し変位ベクトルを予測
していく際、カルマンフィルターを介している。また、
相互相関係数を算出する際、予め、2つのフレームにウ
ェーブレット基底を作用させている。ウェーブレット基
底を作用させた場合とさせない場合で、予測誤差は時間
とともにその効果の相違が明らかになる。カルマンフィ
ルターはこのとき、変位ベクトルに含まれるノイズを軽
減する作用がある。よって、ウェーブレット規底とカル
マンフィルター併用による方法は安定にかつ精度よく雨
域を最尤に予測できると言える。In the present invention, the Kalman filter is used when predicting the repeated displacement vector. Also,
When calculating the cross-correlation coefficient, the wavelet base is applied to two frames in advance. The difference between the effects of the prediction error with and without the application of the wavelet base becomes clear with time. At this time, the Kalman filter has an action of reducing noise included in the displacement vector. Therefore, it can be said that the method that uses the wavelet base and the Kalman filter together can predict the rain area with maximum likelihood in a stable and accurate manner.
【0038】カルマンフィルターによる雨域の流人出角
度の最尤推定・予測方法についての概略を以下に示す。An outline of the maximum likelihood estimation / prediction method of the runoff angle in the rain area by the Kalman filter is shown below.
【0039】ここでは、雨域の局所的な変位ベクトルに
関して、その加速度変化は一定とする。これは、雨域の
時系列変化が比較的緩やかな変化を示していることとす
る。更新される位置(移動ベクトル、角度)は現在の位
置Here, with respect to the local displacement vector in the rain region, the acceleration change is constant. This indicates that the time series changes in the rainy area show relatively moderate changes. The updated position (movement vector, angle) is the current position
【0040】[0040]
【外2】 に関するテイラー展開近似表現として、[Outside 2] As a Taylor expansion approximate expression for
【0041】[0041]
【外3】 を変数にもつ関数として以下のように表現される(式
9、10)。移動ベクトルと角度に関するシステムダイ
ナミックスは式(11)のような状態空間方程式で記述
できるものとする。式(12)は観測方程式である。[Outside 3] It is expressed as a function having a variable as follows (Equations 9 and 10). It is assumed that the system dynamics regarding the movement vector and the angle can be described by a state space equation such as equation (11). Equation (12) is an observation equation.
【0042】[0042]
【数3】 マトリックスΦ、Γ、Hはそれぞれ、状態遷移・駆動・
観察マトリックスであり線形方程式が導出されるので、
式(11),式(12)の係数は一意に決定される。(Equation 3) The matrices Φ, Γ, and H are the state transition
Since it is an observation matrix and a linear equation is derived,
The coefficients of equations (11) and (12) are uniquely determined.
【0043】上記のどのマトリックスも安定性があり、
しかも{Φ,Γ}組と{Φ,H}組は可制御でかつ可観
測であることは明らかである。ステップkにおいて、All of the above matrices are stable,
Moreover, it is clear that the {Φ, Γ} and {Φ, H} pairs are controllable and observable. In step k,
【0044】[0044]
【外4】 は2次元の位置と速度に関する状態ベクトルを表わし、[Outside 4] Represents a two-dimensional position and velocity state vector,
【0045】[0045]
【外5】 は位置に関する観測ベクトルを表す。[Outside 5] Represents an observation vector related to the position.
【0046】ベクトルVector
【0047】[0047]
【外6】 はガウス性・ランダム性の加速度成分、[Outside 6] Is the Gaussian / random acceleration component,
【0048】[0048]
【外7】 はランダム性の観測ノイズである。これらの2つのベク
トルは互いに独立であると仮定している。QとRにはク
ロネッカーの記号が付してあり、ベクトル[Outside 7] Is the random observation noise. It is assumed that these two vectors are independent of each other. Q and R are marked with the Kronecker symbol, vector
【0049】[0049]
【外8】 の共分散行列を表す。E[・]はアンサンブル平均を表
す。[Outside 8] Represents the covariance matrix of. E [•] represents an ensemble average.
【0050】定常カルマンフィルターのアルゴリズムは
式(13)および式(14)に示されるものであり、そ
れぞれから統計的に最尤推定値、最尤予測値が再帰的に
求められる。なお、以下の方程式に含まれるマトリック
スは状態空間方程式と観測方程式から一意に決定され
る。The algorithm of the stationary Kalman filter is expressed by the equations (13) and (14), and the maximum likelihood estimation value and the maximum likelihood prediction value are statistically obtained from each of them. The matrix included in the following equations is uniquely determined from the state space equation and the observation equation.
【0051】[0051]
【数4】 (Equation 4)
【0052】[0052]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
相互相関係数を算出する際、予めの2つの画像にウェー
ブレット基底を作用させるので、雨域の濃淡変化をノイ
ズとみなしたときには局所的にノイズが抑制され、同時
に、相関係数の出力値の信頼性が向上する。その結果、
雨域の局所的な変位ベクトルの精度が向上する。As described above, according to the present invention,
When the cross-correlation coefficient is calculated, the wavelet base is applied to the two images in advance, so that the noise is locally suppressed when the change in the density of the rain area is regarded as noise, and at the same time, the output value of the correlation coefficient Improves reliability. as a result,
The accuracy of the local displacement vector in the rain area is improved.
【0053】さらに、変位ベクトルにカルマンフィルタ
ーを介することで、雨域が散漫な状態であっても連続し
て精度よく、降雨領域を予測することができる効果があ
る。Further, the Kalman filter is used for the displacement vector, which has the effect of predicting the rainfall region continuously and accurately even when the rain region is in a diffused state.
【図1】本発明の一実施例の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an exemplary embodiment of the present invention.
【図2】連続する2フレーム間における相関エネルギー
の分布の様子を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the distribution of correlation energy between two consecutive frames.
【図3】ウェーブレット基底の例を示す図であり、
(a)は3次スプライン基底のスケーリング関数φ
(x)を示し、(b)はマザー基底ψ(x)を示す。FIG. 3 is a diagram showing an example of a wavelet basis,
(A) is a scaling function φ of cubic spline basis
(X) is shown, (b) shows mother basis (psi) (x).
【図4】雨域の局所的な平行移動を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing local parallel movement of a rain area.
【図5】カルマンフィルターを適用したときの変位ベク
トルの変化を示す図であり、(a)はカルマンフィルタ
ーにより最尤推定された局所的なベクトル3つ(V1〜
V3)の変化を示し、(b)は、(a)に対応して予測
誤差の相違を2つの場合についてのみ比較した図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing a change of a displacement vector when a Kalman filter is applied. FIG.
V3) is shown, and (b) is a diagram in which the difference in prediction error corresponding to (a) is compared only in two cases.
100 画像入力部 110 画像蓄積部 120 相関エネルギー算出部 130 移動ベクトル算出部 140 雨域移動部 150 出力部 100 Image Input Unit 110 Image Storage Unit 120 Correlation Energy Calculation Unit 130 Movement Vector Calculation Unit 140 Rain Area Movement Unit 150 Output Unit
フロントページの続き (72)発明者 鈴木 英人 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内Front page continued (72) Inventor Hideto Suzuki 3-19-2 Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo Inside Nippon Telegraph and Telephone Corporation
Claims (4)
ある雨域の時系列変化を高速かつ簡易に予測する相互相
関雨域予測装置であって、 雨域のレーダー画像を入力する画像入力手段と、 入力された画像を蓄積する画像蓄積手段と、 2つの画像間の局所的な相関係数により双方の画像にウ
ェーブレット変換を施し、これらの内積のエネルギー値
を算出する相関エネルギー算出手段と、 弾性方程式を介して局所的な変位ベクトルを推定する移
動ベクトル算出手段と、 カルマンフィルターを作用させた前記変位ベクトルの始
点近傍の雨域画像を前記変位ベクトルの方向とその距離
だけ繰り返し移勤させていくことで、雨域変化の予測を
行う雨域移勤手段と、を備えることを特徴とする相互相
関雨域予測装置。1. A cross-correlation rain area prediction device for quickly and easily predicting a time-series change of a rain area, which is a rainfall area, based on a weather radar image, comprising image input means for inputting a radar image of the rain area. , An image accumulating means for accumulating the input images, a correlation energy calculating means for performing a wavelet transform on both images by a local correlation coefficient between the two images, and calculating an energy value of an inner product of these images, A movement vector calculating means for estimating a local displacement vector through an equation, and a rainwater image near the starting point of the displacement vector, which is operated by a Kalman filter, is repeatedly moved to the direction of the displacement vector and its distance. Therefore, a cross-correlation rain area prediction device comprising: a rain area transfer means for predicting a change in rain area.
めた後、線形方程式を介して移動ベクトルに関して繰り
返し移動ベクトルを予測することを特徴とする請求項1
に記載の相互相関雨域予測装置。2. The rain zone moving means, after obtaining the displacement vector, predicts the repeated movement vector with respect to the movement vector via a linear equation.
The cross-correlation rain area prediction device described in.
ル変換、スプライン変換を介してを特徴とする請求項1
に記載の相互相関雨域予測装置。3. The correlation energy calculating means is characterized by performing Gabor conversion and spline conversion.
The cross-correlation rain area prediction device described in.
ある雨域の時系列変化を高速かつ簡易に予測する相互相
関雨域予測方法であって、 2つの画像間の局所的な相関係数により双方の画像にウ
ェーブレット変換を施し、これらの内積のエネルギー値
を算出し、 弾性方程式を介して局所的な変位ベクトルを推定し、 カルマンフィルターを作用させた前記変位ベクトルの始
点近傍の雨域画像を前記変位ベクトルの方向とその距離
だけ繰り返し移勤させていくことで、雨域変化の予測を
行うことを特徴とする相互相関雨域予測方法。4. A cross-correlation rain area prediction method for quickly and easily predicting a time-series change of a rain area, which is a rainfall area, based on a weather radar image, the method comprising a local correlation coefficient between two images. Wavelet transform is applied to both images, the energy value of these inner products is calculated, the local displacement vector is estimated through the elastic equation, and the Kalman filter is applied to the rain area image near the starting point of the displacement vector. A cross-correlation rain area prediction method, characterized in that rain area changes are predicted by repeatedly moving to the direction of the displacement vector and its distance.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8133447A JPH09318745A (en) | 1996-05-28 | 1996-05-28 | Device and method for mutually correlational rainzone prediction |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8133447A JPH09318745A (en) | 1996-05-28 | 1996-05-28 | Device and method for mutually correlational rainzone prediction |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09318745A true JPH09318745A (en) | 1997-12-12 |
Family
ID=15105000
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8133447A Pending JPH09318745A (en) | 1996-05-28 | 1996-05-28 | Device and method for mutually correlational rainzone prediction |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09318745A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6233008B1 (en) | 1997-06-11 | 2001-05-15 | Samsung Thomson-Csf Co., Ltd. | Target tracking method and device therefor |
KR101381655B1 (en) * | 2012-12-18 | 2014-04-04 | 전남대학교산학협력단 | Method of prominent extracted features-based unsupervised mining of multi-applications of time series and electronic device supporting the same |
CN105425319A (en) * | 2015-09-16 | 2016-03-23 | 河海大学 | Rainfall satellite rainstorm assimilation method based on ground measuring data correction |
CN106324709A (en) * | 2016-10-21 | 2017-01-11 | 中国人民解放军理工大学 | Rainfall field reconstruction method by integrating microwave link, disdrometer, rain gauge and weather radar |
CN112884097A (en) * | 2021-01-14 | 2021-06-01 | 深圳市通恒伟创科技有限公司 | Internet of things terminal equipment control system based on CMP module |
CN113359207A (en) * | 2021-06-03 | 2021-09-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | Terahertz radar-based sound-induced water surface micro-motion feature extraction method and device |
-
1996
- 1996-05-28 JP JP8133447A patent/JPH09318745A/en active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6233008B1 (en) | 1997-06-11 | 2001-05-15 | Samsung Thomson-Csf Co., Ltd. | Target tracking method and device therefor |
KR101381655B1 (en) * | 2012-12-18 | 2014-04-04 | 전남대학교산학협력단 | Method of prominent extracted features-based unsupervised mining of multi-applications of time series and electronic device supporting the same |
CN105425319A (en) * | 2015-09-16 | 2016-03-23 | 河海大学 | Rainfall satellite rainstorm assimilation method based on ground measuring data correction |
CN106324709A (en) * | 2016-10-21 | 2017-01-11 | 中国人民解放军理工大学 | Rainfall field reconstruction method by integrating microwave link, disdrometer, rain gauge and weather radar |
CN112884097A (en) * | 2021-01-14 | 2021-06-01 | 深圳市通恒伟创科技有限公司 | Internet of things terminal equipment control system based on CMP module |
CN113359207A (en) * | 2021-06-03 | 2021-09-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | Terahertz radar-based sound-induced water surface micro-motion feature extraction method and device |
CN113359207B (en) * | 2021-06-03 | 2023-02-03 | 中国人民解放军国防科技大学 | Acoustic-induced water surface micro-motion feature extraction method and device based on terahertz radar |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5974360A (en) | Method and equipment for weather image prediction | |
JP4953239B2 (en) | Technology to detect anomalies in the observation target | |
EP2352128B1 (en) | Mobile body detection method and mobile body detection apparatus | |
CN108732570B (en) | Particle filter fusion algorithm-based method for nowcasting of disastrous convective weather | |
CN110895820A (en) | A Scale Adaptive Target Tracking Method Based on KCF | |
CN101292264A (en) | Splitting of iterative motion | |
CN105654518B (en) | A kind of trace template adaptive approach | |
CN105427340B (en) | Based on the video target tracking method for improving case particle filter | |
WO2008040945A1 (en) | A method of identifying a measure of feature saliency in a sequence of images | |
JPH09318745A (en) | Device and method for mutually correlational rainzone prediction | |
JP3953350B2 (en) | Video scene prediction method, apparatus, program, and recording medium | |
Ribereau et al. | A note of caution when interpreting parameters of the distribution of excesses | |
JP4499775B2 (en) | Pattern prediction apparatus, pattern prediction method, and pattern prediction program | |
CN112991394B (en) | KCF target tracking method based on cubic spline interpolation and Markov chain | |
JP3458940B2 (en) | Weather image prediction method and apparatus, and recording medium recording weather image prediction program | |
JP3377071B2 (en) | Global rain area prediction device | |
JPH09318767A (en) | Rainzone predicting device | |
JP3377076B2 (en) | Local rain area prediction method and apparatus | |
JP3377073B2 (en) | Precipitation area development and attenuation prediction device | |
JPH10227871A (en) | Two-dimensional precipitation forecast equipment | |
JP2000339329A (en) | Method and device for monitoring and alarming image and storage medium with image monitoring and alarm program stored therein | |
CN108257156B (en) | Method for automatically tracking target object from video | |
JP3351457B2 (en) | Rain area growth / extinction prediction device | |
JP3377074B2 (en) | Precipitation change prediction device | |
CN113989329B (en) | Online target tracking method based on correlation filtering |