電荷増倍素子を用いた高感度・高速度の競技用電子判定装置
【課題】電荷増倍素子を用いた高感度・高速度の競技用電子判定装置およびシステムを提供する。
【解決手段】ＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部を持つラインセンサーを用いて感度を高め、雑音を抑えることにより、夕方や夜間の低照度条件、及び／または１０，０００ライン／秒の高速度撮影条件においても撮像可能とした競技用電子判定装置を用い、ラインセンサーの出力画像を位置方向（長手方向）のみにスムージングを行って電荷増倍部でランダムに発生するインパルス性ノイズを除去した。
【解決手段】ＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部を持つラインセンサーを用いて感度を高め、雑音を抑えることにより、夕方や夜間の低照度条件、及び／または１０，０００ライン／秒の高速度撮影条件においても撮像可能とした競技用電子判定装置を用い、ラインセンサーの出力画像を位置方向（長手方向）のみにスムージングを行って電荷増倍部でランダムに発生するインパルス性ノイズを除去した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、競馬、競輪、競艇、オート等の競技（レース）における改良された高感度・高速度の電子判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、競馬等においてゴールライン上を連続してラインセンサーで撮像し、該撮像された画像から競馬等の着順判定やタイム表示を行うシステムが知られている。
前記競技用の電子判定装置にはラインセンサー（直線状のＣＣＤセンサー）が用いられており、該ラインセンサーは、レース場のゴールライン上を一定のスリット間隔でライン状に撮像し、該ライン状の画像を連続してモニター上に表示することにより着順判定画像としている。
【０００３】
これは、従来スリット・カメラでほぼ対象物（例えば、馬）の速度とほぼ同じ速度でフィルムを走らせて連続して撮影し、これを表示することにより着順判定画像としていたものをＣＣＤラインセンサーとモニターにより電子的に実現したものである。
【０００４】
しかし、従来のラインセンサーは感度が低く、最近行われるナイター競馬とか、曇天の夕方のレースとかの低照度状態の時に撮像すると像がぼやけてしまい、鮮明度が落ちると共に分解能も劣化して僅差（例えば、鼻の差）の着順判定には不満足な場合が多く生じていた。
【０００５】
また、高速で通過する競馬等のゴールライン上での鼻の差等の僅差の着順判定には、高速処理に適したより精度の高い電子判定装置が望まれている。
従来の電子判定装置では、その目となるラインセンサーの各受光素子には一般のＣＣＤあるいはＣＭＯＳ素子を用いていたため、夕方あるいは夜間などの低照度状態ではラインセンサーの感度が十分でなく、低輝度、高雑音の判定用画像となり見難く、着順判定の妨げとなっていた。
【０００６】
また、高速撮影画像として鮮明度は必ずしも十分ではなく、従来の写真判定に置き換わる信頼度を獲得できていない状況がある。
一方、電荷増倍素子を有するＣＣＤセンサー自体は従来周知であるが、これを競技用電子判定システムに応用したものは知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許３２２４７３５号公報
【特許文献２】特開平６−２７６５２６号公報
【特許文献３】特開２００３−３４７３１７号公報
【特許文献４】ＵＳＰ５，３３７，３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、電荷増倍素子を用いた高感度・高速度の改良された競技用電子判定装置およびシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の競技用電子判定装置は、ＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部を持つラインセンサーを用いて感度を高め、かつ雑音を抑えることにより、通常のＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーでは撮像不可能な夕方や夜間の低照度条件、及び／または１０，０００ライン／秒の高速度撮影条件においても撮像可能としたことを特徴とする。
また、前記ラインセンサーが、オーバーフロードレインを持ったラインセンサーであり、スミアの発生を少なくしたことを特徴とする。
【００１０】
また、前記ラインセンサーの素子背面にペルチェ素子を装着し、零℃以下に冷却することにより熱雑音の発生を少なくして、判定用画像の画質を改善したことを特徴とする。
また、前記電荷増倍機能を有するラインセンサーの出力画像を位置方向（長手方向）のみに、加重移動平均での代替や中央値選択法によりスムージングを行い、時間軸方向には一切該スムージング処理を行わずに上記電荷増倍部でランダムに発生するインパルス性ノイズを除去したことを特徴とする。
【００１１】
あるいは、本発明の競技用電子判定システムは、ＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部を持つラインセンサーを用いて感度を高め、雑音を抑えることにより、通常のＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーでは撮像不可能な夕方や夜間の低照度条件、及び／または１０，０００ライン／秒の高速度撮影条件においても撮像可能とした競技用電子判定装置を用い、該電子判定装置のＣＣＤ電子カメラ制御装置と表示用パソコン間をＧイーサネット（登録商標）で接続することを特徴とする。
【００１２】
さらに、前記電子カメラ制御装置の内部にフレームバッファー部を設け、該フレームバッファー部において前記ラインセンサーの画像を標準の２次元画像のごときフォーマットに構築し伝送することにより、Ｇイーサネットで標準にサポートされている２次元カメラ伝送のルールに基づいてラインセンサーの映像情報及びデジタル情報（スタートからの経過時間、開催日、開催地等）をＧイーサネットの通常のルールの範囲で伝送し、前記表示用パソコン内部で上記伝送されてきたラインセンサーの映像情報及びデジタル情報を再構築して表示したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の装置では、ラインセンサーとしてＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部をもつラインセンサーを使うことで、感度を高め、雑音を抑え、低輝度でも良好な電子判定画像が得られた。
【００１４】
また同様に、本発明の装置では、ラインセンサーとしてＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部をもつラインセンサーを使うことで、感度を高め、雑音を抑えることで、高速度（１０，０００ライン／秒）でも良好な電子判定画像が得られた。
【００１５】
従って、この発明の高感度・高速度の改良された競技用電子判定装置およびシステムによれば、通常のＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーでは撮像不可能な夕方や夜間の低照度条件、及び／または１０，０００ライン／秒の高速度撮影条件においても、感度を高め、雑音を抑えることにより撮像可能となった。
【００１６】
このことにより、上記電子判定装置の利便性が高まると共に、判定の精度が向上することにより電子判定装置の信頼性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来のＣＣＤセンサーの模式図である。
【図２】本発明で用いる電子増倍型のセンサーの模式図である。
【図３】電子増倍型のセンサーの概念図である。
【図４】電子増倍型のセンサーの細部の構造を示す図である。
【図５】電子増倍型のセンサーの動作原理の説明図である。
【図６】飽和光量の４０００倍の入力光での実験結果を示す図である。
【図７】オーバーフロードレインの説明図である。
【図８】Ｇイーサネットの接続図である。
【図９】電子増倍型のセンサーの冷却構造を示す図である。
【図１０】本発明の競技用電子判定システムの具体的実施例を示す図である。
【図１１】本発明の競技用電子判定システムのＧイーサネットの概念図である。
【図１２】本発明の競技用電子判定システムの縦横変換の説明図である。
【図１３】本発明の競技用電子判定システムの受信側パソコン処理の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の電子判定装置では、ラインセンサーとしてＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部をもつラインセンサーを用いる。該電荷増倍型ラインセンサーを用いることで、感度を高め、雑音を抑え、低輝度でも良好な電子判定画像が得られる。
【００１９】
また一方、従来の電子判定装置では、その目となるラインセンサーの各受光素子には一般のＣＣＤあるいはＣＭＯＳ素子を用いていたため、高速度での撮影では光量不足となり２，０００ライン／秒程度が実用限界であったが、本発明の電子判定装置では、ラインセンサーとしてＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部をもつラインセンサーを使うことで、感度を高め、雑音を抑えることで、高速度（１０，０００ライン／秒）でも良好な電子判定画像が得られる。
【００２０】
本発明は、競馬等競技の着順判定装置のラインセンサーとして、例えば特開２００３−３４７３１７号公報やＵＳＰ５，３３４，３４０号公報に開示されている、テキサス・インスツルメンツ株式会社の開発した電荷増倍型のＣＣＤセンサー（以下、ＩＭＰＡＣＴＲＯＮデバイスという。）を用いることを特徴としている。
【００２１】
ＩＭＰＡＣＴＲＯＮデバイスは、チップ内の転送中の電荷に対し、二次電子を誘発させるブースト構造を持たせた新しい構造のＣＣＤである。該デバイスは、読出しアンプの手前において電荷を増幅し、理論的には光の１粒子をも検知する超高感度ＣＣＤビデオカメラの実現を可能にしたものである。
【００２２】
その動作原理の詳細は、特開２００３−３４７３１７号公報やＵＳＰ５，３３７，３４０号公報に記載されているが、その概要は以下のとおりである。図１は前記従来のＣＣＤセンサーの模式図、図２は本発明で用いる電子増倍型のセンサーの模式図を示す。
【００２３】
従来のＣＣＤセンサーは、図１に示されるように受光部（ＣＣＤ）１に読み出しアンプ２が接続されているが、電子増倍型のセンサーは図２に示すように受光部３の後段で、かつ従来の読み出しアンプ５の前に、電荷増倍部４を有する。
【００２４】
電子増倍型のセンサー３は、図３に概念図を示すように、センサー部１０で受光し光電変換した電荷が蓄積転送される時（図３の１１，１２）電荷増倍部１３で電荷増倍されてから読み出しアンプに入力されるものである。図４にその細部の構造を示す。図４の１４の模式図において、Ｐ２の信号電荷１５をＰ４で形成された深いポテンシャル１６に転送する。このＰ４ゲートヘの転送時に、ポテンシャルの差によるインパクト・イオン化現象（電荷がＳｉに衝突し、電子―正孔を生成する）を利用し、二次電子を取り出す。さらに、これをこのインパト・イオン化チップ内で繰り返すことで、読み出しノイズが重畳されることなく信号電荷の増倍が可能となる。
【００２５】
従って、電子増倍型のラインセンサーは、図５に示すように、信号は増倍された後ＣＣＤ読み出しアンプに入力するので、電荷を電圧変換する前に増幅が完了しているから上記アンプの内部雑音の影響は非常に少ない。
【００２６】
以下、ＩＭＰＡＣＴＲＯＮデバイスの特徴を列記すると、以下のとおりである。
Ａ．チャージマルチプライヤー内蔵
ＣＣＤ上の蓄積電荷を直接増幅するオンチップチャージマルチプライヤーを内蔵している。
Ｂ．高電圧不要
数ＫＶを要する光電子加速タイプの増倍機構とは異なり、１５ＶのＢｏｏｓｔ電圧振幅で約１００倍以上の増幅が可能である。
Ｃ．高解像度
素子前面に蛍光発光や、ファイバープレートがなく、光電子をダイレクトに受光するため、高解像度で残像がない。
Ｄ．出力アンプ前に増幅を行うため、低ノイズとなる。
Ｅ．カラー化が可能。
Ｆ．冷却ペルチェ内蔵により、素子暗出力の低減を実現した。
Ｇ．このＴＩ社製ＣＣＤは、紫外〜近赤外まで対応できる。
Ｈ．固体デバイスのため、小型で高信頼性が実現できる。
Ｉ．焼きつきの問題がなく、高い信頼性と長寿命を実現できる。
【００２７】
以下、各項目について詳述する。
・オーバーフロードレイン
従来の電子判定装置では、その目となるラインセンサーの各受光素子において強い光が入射することで受光素子内部で限界量を超えた電荷が蓄積された場合に、その余剰電荷に対する対応がしてないセンサーを使用していた為、隣の画素にその余剰電荷が流れ込み、適正な画像が取得できないでいた。
【００２８】
その結果、従来型の電子判定装置としては、馬の蹄鉄、自転車のリムなどの位置から強い光を受けて、ライン方向に白っぽい筋が映像として現れ、判定の妨げとなっていた。本発明では各受光素子に隣接して、余剰電荷を逃がすための道を準備し、限界量を超えた電荷をこの道に流すことで隣の画素への流れ込みを無くす考慮がされたラインセンサーを使うことで、強い光が入射しても過剰な電荷が排除され良好な電子判定画像が得られる。
【００２９】
図７にその具体的構成を示す。
スミアとは、撮像エリアに非常に高輝度の被写体が存在した場合、垂直転送中に光電変換される電荷量が無視できなくなり、高輝度の被写体を中心に縦いっぱいに白っぽい筋が現れる現象である。
【００３０】
撮像エリアに非常に高輝度の被写体が存在した場合、垂直転送中に光電変換される電荷量が無視できなくなり、高輝度の被写体を中心に縦いっぱいに白っぽい筋が現れる。図６の写真は、飽和光量の４０００倍の入力光での実験結果を示す。
【００３１】
このように、スミアはＣＣＤの撮像面に強い光が入ると、そこで発生した余剰電荷が、その画素の周辺の画素にあふれ出るために発生する現象で、周囲に光がにじみ出たような画像になる。これはアンチブルーミング機構をＣＣＤ素子に設け余剰な電荷を排出する事で抑制する。前記ＴＩ社のものは、図７に示されるＬＯＤ（横形オーバーフロードレイン）機構２２を採用している。
【００３２】
・Ｇイーサネット
従来は、電子判定装置の撮像を担当するカメラ部と表示を担当するパソコン部分をアナログ映像情報で伝送するケースやＩＥＥＥ１３９４等ビデオ信号向けに開発されたデジタル伝送で伝送するケースが主だった。
【００３３】
これは、カメラからのアナログ出力信号を、パソコン内に装着したカメラ入力用インターフェイスで取得する方法であり、旧来から行われている最もポピュラーな方法である。このＩＥＥＥ１３９４規格のデジタル信号で接続する方法は以下のとおりである。
【００３４】
この方法は、米国Ａｐｐｌｅ社が最初に提唱したカメラやビデオ装置、パソコン間で画像情報を伝送する方法であり、この方法は４００ＭBit ／秒までしか現状実用化されておらず、主にＮＴＳＣとかＰＡＬと言った従来の放送規格程度の画像信号の伝送用として開発されたものである（日本国内で始まったハイビジョンには適応できない）、したがって、今回のような４００Ｍ Bit／秒をはるかに超える高速なカメラでは適用することができない。
【００３５】
参考：今回のカメラの概略画像情報発生量
１０，０００ライン／秒＊４０００画素／ライン＊３（ＲＧＢ）
＝１２０ＭByte／秒＝約１２００Ｍ Bit／秒
（１Byte＝８Bit で換算すべきであるが、伝送路でのパケットの前後にいろいろなヘッダー情報が付加されるので、このことを加味してここでは１Byte＝約１０Bit で換算した）
【００３６】
本発明においては、図８に示すように、カメラからパソコンへの画像伝送を、Ｇイーサネットを用いて伝送することを提案している。
Ｇイーサネットは、ＣＳＭＡ／ＣＤ（搬送波感知多重アクセス／衝突検出）方式を用い、フレームの送信前にデータ路が空いているかどうかを確認してフレームを送信する方式である。一方、映像信号は高速であり、途中で停止できない性質のため、本発明の電子判定システムは、前記電子カメラ制御装置の内部にフレームバッファー部を設け、該フレームバッファー部において前記ラインセンサーの画像を標準の２次元画像のごときフォーマットに構築し伝送する。あたかも標準の２次元画像のごときフォーマットに再構築し伝送することで、Ｇイーサネットの標準でサポートされている２次元カメラ伝送のルールを守りながらも、ラインセンサーの映像情報＋デジタル情報（スタートからの経過時刻、開催日、開催地など）をＧイーサネットの通常のルールの範囲（たとえば２４０×２４０画素）で伝送することでパソコンに送り、パソコン内部のアプリケーションソフトは普通の２次元画像フォーマットで伝送されてきた画像を構築し直すことで、Ｇイーサネットのとっては変則のラインセンサーの画像でも受けとり、表示するようにしている。
【００３７】
なお、従来の一般的方法は、複数のパソコンをイーサネット（登録商標）規格の伝送インターフェイスで接続し、それぞれのパソコンがイーサネット上の固有のアドレスを持つことで送信主から目的の受信主に電文を送る方法で、インターネットにはこのイーサネット規格を使って接続してるのが大半の接続形態である。イーサネットは初期においては１０Ｍ Bit／秒程度の伝送速度で始まったが、１００Ｍ Bit／秒、１０００Ｍ Bit／秒と伝送速度は速まり、最近のパソコンではこの１０００Ｍ Bit／秒の伝送速度の機能を標準で持つパソコンが多くなってきた。この１０００Ｍ Bit／秒の速度のイーサネットを簡略化してＧイーサネットと呼んでいる。
【００３８】
イーサネットでは基本は送り主がイーサネット上に伝送したいパケットを受信主のアドレスもつけて送り出し、同イーサネット上に該当アドレスを持つ受信主が存在した場合には、受信主が応答を返すことで成立する伝送方法であり、また同時刻に別の送信主が別の受信主に送る場合があることも許している伝送方法（衝突を許す）なので、カメラのような一定時間に一定のデータを伝送したい端末からの画像情報の伝送手段としては、その情報が確実に受信主に渡るという意味では不向きである。が、世の中のパソコンは、そのほとんどがこの安価で高速な伝送手段であるイーサネットを標準装備しておりインターネットなどに接続しポピュラーに使われているのでこの通信手段を使えば非常に便利である。
【００３９】
以下、本発明のＧイーサネットでの具体的接続方法を説明する。
なお、従来普通の２次元カメラ（エリアセンサー）を用いた場合であって、おおむね２５６（水平方向）×２４０（垂直方向）、あるいは６４０（水平方向）×４８０（垂直方向）の解像度を持つカラーの２次元カメラや１０２４＊１０２４の解像度を持つモノクロカメラをＧイーサネットで伝送する方法は存在する。
【００４０】
２５６画素＊２４０ライン＊６０フレーム／秒＊３（ＲＧＢ）＝約１１Ｍbyte／秒
６４０画素＊４８０ライン＊３０フレーム／秒＊３（ＲＧＢ）＝約２８Ｍbyte／秒
１０２４画素＊１０２４ライン＊３０フレーム＊１（モノクロ）＝約３２ＭByte／秒
これはＧイーサネットの伝送能力に比べて十分余裕のある伝送量であるので実用化されているが、現実にはパソコン上で負荷の多くなるアプリケーションソフトウエアが実行されていた場合には、取り込みミスすることを承知で行っている方法である。
【００４１】
しかし、本発明のシステムは競技用電子判定装置であり、たとえ１ラインでも欠落は許されない。そこで本システムでは、図１１のようにカメラ制御部内にバッファー７３を設け、欠落なく伝送できるようにしている。
【００４２】
（１）カメラヘッド７０内のラインセンサーから出力されたアナログの画像信号はカメラ制御部８０に送られ、最低限のアナログ処理（ＧＡＩＮ調整等）を行ってAD変換される。
（２）ＡＤ変換されたラインセンサー画像は、必要な画像処理（ノイズ除去、ガンマ変換、ホワイトバランス調整等）を行ない、画像の先頭に時刻情報、開催場所情報などの情報を加え、さらにこのままパソコンに送ったのではパソコン上ではラスター方向（水平方向）になってしまうので、競技用で使う垂直方向に変換する必要がありこの部分で縦横変換する（７２）。
（３）Ｇイーサネット経由でのパソコンからの指示、あるいはカメラ制御部に直接接続されたタイムスタート、記録開始、記録一時停止、記録終了等のボタンの指示に従って、カメラ制御部内のＣＰＵ８１は各部に指示を出し、図１２に示されるように縦横変換された画像を１レース分を格納するに十分なバッファーメモリー７３に記録停止指示がくるまで上記画像情報を記録する。
（４）バッファーメモリー７３にＧイーサネット８２で送り出し可能な量の上記画像情報が格納されたことが確認できたら“１次元→２次元変換ならびにシーケンシャル番号付加回路”７４は、バッファーメモリーから画像情報を読み出し開始し、１次元情報から２次元情報に組立てしなおす。このとき、図１３に示すように先頭にシーケンシャル番号を付加する（より安全にするためにチェックサムをつけるとよい）。
（５）２次元情報に組立った画像情報はＧイーサネット８２にて、パソコンに向けて送出される。
【００４３】
（６）パソコン７９上のアプリケーションソフトはＧイーサネットから、あたかも２次元カメラ情報として送られてきた本装置からの画像情報を取得するたびに、先頭のシーケンシャル番号を確認する（図１１の７８）。シーケンシャル番号は該当レースの記録開始直後が０、あとは連続に＋１された値である（シーケンシャル番号にチェックサムをつけておけばより安全となる）。あるときアプリケーションソフトが取得した画像のシーケンシャル番号がｎだとして、その次に取得した番号がｎ＋２だとしたら、ｎ＋１の画像が伝送路で消失したことになる。ｎ＋ｍだとしたら、ｎ＋１〜ｎ＋ｍ−１までの画像が伝送路で消失したことになる。この場合にはアプリケーションソフトはカメラ制御部のＣＰＵ８１にＧイーサネットを経由して、その消失情報を送る。受けたＣＰＵ８１は該当ラインを再送するが、シーケンシャル番号の１部に再送画像であることのフラッグをつけて再送する。こうすることで、正常に送られた画像は、パソコン内の格納メモリーの所定位置に配置され、再送で後ほど送られた画像でも格納メモリーの位置は後でも特定できるので、その場所に挿入される。
シーケンシャル番号チェック（７８）で期待されない値の場合は、アプリケーションソフトは捨て去る。（たとえば今ｎ＋１を期待しているのに、ｎ−ｍみたいな画像あるいはチェックサムが会わない画像など）
【００４４】
（７）なぜ、上記（６）のようなことを行うかといえば、画像の高速伝送速度とアプリケーションソフトの応答速度の関係でこうするのが最もよい。画像は２次元画像が２５６Ｘ２４０画素のカラー画像解釈だとして３０ＭＨｚ程度のクロックで送出すると約６ｍＳで１画像がパソコンに届く。一方アプリケーションソフトの応答は速くても数ｍＳに１回程度しかＯＳから実行権を受けれない。一旦実行権を受ければ、ｍＳ以下の高速作業も可能である。
【００４５】
パソコン７９にもイーサネットから受けた画像を一時滞留する十分大きなバッファーを確保し、ＯＳ配下にあるドライバーソフトに任せて本装置から次々と送られてくる画像を蓄える。アプリケーションソフトとしては時々このバッファーが半分以上溜まったかみて、それ以上になったらＧイーサネット経由で、カメラ制御部に伝送を止めるように指示する。あるいは殆ど無くなったらカメラ制御部に伝送を再開するように指示する。（概ねバッファーサイズの５％未満を検出して指示するとよい）
【００４６】
カメラ制御部はアプリソフトからの伝送停止命令があるまでは連続で画像フレームを送り出す。ドライバーソフトウエアは、この伝送に応じて次々とパソコン７９内のバッファーに格納するが、パソコンの実行負荷によっては、ある画像フレームが消失している（Ｇイーサネットが保証していない）。そこで、上記のようなシーケンシャル番号を付加することで、画像が全て正しく到着したか確認する必要がある。こうしてカメラのような一定速度で伝送してくる装置からも安価で高速ではあるが、画像消失が行われるＧイーサネットでも安全に伝送することができる。
以上のことにより、世間で一般的に使われているＧイーサネットを使うにもかかわらず、映像信号を連続的かつ安定して伝送している。
【００４７】
本発明の競技用電子判定システムの具体的実施例（以下、ＣＤＶ−Ｘシステムという。）を図１０に示す。
図１０において、ＣＤＶ−Ｘシステムはメモリボックス（以下、ＤＣＵという。）５６を中心とし、センサーカメラ５０、専用ＣＣＤライン５９、光ファイバー５７、ギガビットイーサネット（以下、Ｇイーサネットという。）５８、ＰＣ（パソコン）５５、メイン／サブ操作卓６０．６１及びＵＸＧＡ解像度（１６００×１２００）の液晶モニター６２からなっている。
【００４８】
ＤＣＵ５６はカメラヘッドからのアナログ信号をコンディショニングして、Ａ／Ｄ変換を行う。ＤＣＵ内で記憶容量が２ＧＢあるバッファメモリーに画像データを蓄積しながらフォーマット変換してＰＣ５５に転送する。ＰＣ５５では受け取ったレースデータをＰＣ画面上に表示し、拡大縮小や画像処理を行い最終的にデジタルデータとしてハードディスクに記録する。
【００４９】
ＤＣＵ５６内のバッファメモリーが１レース分あるので、万一ＰＣ５５側で事故が発生しても１レース前まで遡ってレースデータを再取得することが可能である。
ＰＣ５５とＤＣＵ５６との制御通信は、カメラリンクインターフェース中のシリアル通信ラインで行う。ボーレートは３８．４Ｋｂｐｓである。
ＤＣＵ５６内には、アナログプロセス基板とデジタル処理基板が設けられており、各基板の役割は以下のとおりである。
【００５０】
・アナログプロセス基板
カメラ動作に必要なクロック、同期信号を発生する。
ＰＣ５５からの設定をＤＣＵ５６内のＣＰＵ（ＳＨ−４）で受信し、その設定に基づいたタイミング信号を発生する。
【００５１】
カメラヘッドより接続されたアナログ信号はゲイン調整、オフセット調整、フィルターなどの処理を経て１０ＢＩＴのＡ／Ｄ変換器に入力され、デジタルデータに変換される。
データはアルテラＦＰＧＡ内に入力され、様々な信号処理を経てデジタル処理基板にＬＶＤＳ信号として接続される。
【００５２】
・デジタル処理基板
上記アナログプロセス基板より、デジタル化された画像データを受け取り、まず縦横変換を行い縦スキャンのデータをラスタースキャンのデータに変更する。ただし、バッファメモリー容量及びカメラリンク送出時の都合により縦スキャン１６ライン毎のブロックで変換を行う。
【００５３】
つまり、１６ライン分のデータが横１６画素×縦３６００画素のラスタ・スキャンデータに変換される。また、このときに、画像には縦１ライン毎にタイムコードが埋め込まれる。
【００５４】
次に、画像データは２ＧＢを有するバッファメモリーに書き込まれる。
また、このデータは次レースデータ取得時及び電源切断時以外はデータを保持し続ける。従って、ＰＣへの転送が何らかの原因で失敗してもＰＣへの最送出が可能である。
【００５５】
バッファメモリーに書き込まれたデータは順次読み出され、２５６×２２６画素のエリアスキャン・カメラデータとしてカメラリンク・アダプターに送出される。
また、この基板にはルネサス社製ＳＨ−４ＣＰＵを搭載しており外部入力並びにＰＣよりのトリガー信号を制御して画像取り込みの様々な制御及び各所内部設定およびカメラヘッドＣＰＵとの通信管理などを行う。
【００５６】
・カメラリンク←→ギガビットイーサネットメディアコンバータ
デジタル処理基板よりカメラリンクインターフェースで出力されたレースデータはプレオラ社製「カメラリンクｔｏギガビットイーサネット」変換器５２に入力されギガビットイーサネット信号にて出力される。
転送レートは最大１００ＭByte／Sec で、本装置では最大６０ＭByte／Sec 程度のスピードを目標で使用している。
【００５７】
・ギガビットイーサネット←→光ファイバメディアコンバータ
ギガビットイーサネット信号はさらにギガビットイーサネットto光ファイバ変換器５３に入力され光ファイバ信号にて出力される。
信号はシングルモード伝送で到達距離は１ｋｍ以上となっている。
【００５８】
・素子の冷却
従来の電子判定装置では、その目となるラインセンサーの各受光素子には一般のＣＣＤあるいはＣＭＯＳ素子でかつ素子の冷却を行っていなかったため、低照度あるいは高速度での撮影では熱雑音が支配的な判定用画像となり判定の妨げとなっていた。
【００５９】
本発明の装置では、図９に示すようにラインセンサーの素子４１の背面にペルチェ素子４４を装着し、約零℃以下まで冷却することで、素子の温度を下げて熱雑音の発生を少なくさせ、判定用画像の画質を改善して判定作業を簡単にする。
【００６０】
・量子雑音対策
電荷増倍機能をもったラインセンサーからの出力画像は、増倍比率を上げれば上げるほど増倍にともない量子雑音が無視できなくなり、そのまま画像化しても判定用画像としてはノイズの多い画像となり判定の妨げとなっていた。
【００６１】
本発明の装置では、電荷増倍機能を持ったラインセンサーからの出力画像を時間方向には影響しないように列方向のみで、ある注目画素の近傍の画素との比較で中央値を示す値で代替することで、雑音を取り除く処理を行い画質改善することで判定作業をし易くした。
【００６２】
・光ショットノイズ対策
暗い被写体は光子の量も少なくなってくると、光の持つ揺らぎの成分まで撮像するレベルになり、レスポンスの速いＣＣＤカメラは、ランダムノイズによる画像品質劣化が生じてくる。これはＣＣＤに残像がない特徴が、かえって悪影響を及ぼすためである。
【００６３】
レスポンスの速さから来る弊害をなくすために、イメージインテンシファイアの蛍光面の持つ特性と同様に、信号のアベレージングをするようなスムーズ処理を後段に接続することで画質改善が可能である。
【００６４】
この具体的態様は以下のごとくなる。
まず、この発明において重要なことは、上記スムージングにおいて時間方向の加工処理は行わないことである。
【００６５】
通常のセンサのショット・ノイズ対策は、一定領域内の上下、左右の画素を取って、その平均値を採用する。このことにより画素の連続性がスムーズになりクリック性のノイズが除去される。
【００６６】
しかし、本発明のラインセンサーの主たる目的はゴールライン上の着順判定であるため、時間軸上で前後の平均値を取ると画像の正確な位置が崩れることになり好ましくない。
従って、この発明では、画質より判定の正確さの方が優先されて、上記スムージング処理を上下の位置間（センサー長手方向）についてのみ行い、時間軸でずれた画素間、すなわちスキャンの異なる連続画素間のスムージングは一切行わない。このことにより、時間軸上の判定精度が向上することになる。
【００６７】
このスムージング処理は、センサーからの画像をＤ１，Ｄ２，・・・Ｄｎ，・・・とＡＤコンバータでデジタル化した後、
例えば、
イ．加重移動平均（例は３位置法、５，７，９位置でも同じ要領）
ＤｎＮＥＷ＝（ａ＊Ｄｎ−１＋ｂ＊Ｄｎ＋ｃ＊Ｄｎ＋１）／（ａ＋ｂ＋ｃ）
Ｄｎ：Ｒ，Ｇ，Ｂと３種類あり０〜４０９６（１２Bit のＡＤコンバータを使った場合）の値を示す入力画像データ
ａ，ｂ，ｃ：０〜２５６内の任意の値
（主に、熱雑音を除去する場合に使う。）
ロ．単純中央値選択法（例は３位置法、５，７，９位置でも同じ要領）
ＧｎＮＥＷ＝ＳＯＲＴ（Ｇｎ−１，Ｇｎ，Ｇｎ＋１）
ＲｎＮＥＷ＝ＳＯＲＴ（Ｒｎ−１，Ｒｎ，Ｒｎ＋１）
ＢｎＮＥＷ＝ＳＯＲＴ（Ｂｎ−１，Ｂｎ，Ｂｎ＋１）
ここでのＳＯＲＴ関数は与えられたＤＡＴＡを大きい順あるいは小さい順に並び替えて、その中央値を左辺の値とする関数。たとえばＧｎ−１＝１００，Ｇｎ＝１２０，Ｇｎ＋１＝１１０だとして、小さい順に並べると、１００（Ｇｎ−１），１１０（Ｇｎ＋１），１２０（Ｇｎ）となり、中央値として１１０（Ｇｎ＋１）が採用される。なお、上記式ではカラー画像を前提に説明している。
（電荷増倍部でランダムに発生するインパルス性ノイズの除去に使う。）
【００６８】
ハ．緑基準中央値選択法
ＧｎＮＥＷ＝ＳＯＲＴ（Ｇｎ−１，Ｇｎ，Ｇｎ＋１）
ＲｎＮＥＷ＝ＧｎＮＥＷの候補になった位置のＲｎ
ＢｎＮＥＷ＝ＧｎＮＥＷの候補になった位置のＢｎ
上記式ではカラー画像を前提に説明している。
（電荷増倍部でランダムに発生するインパルス性ノイズの除去に使う。）
等を用いる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明によれば、夜間とか、夕方の低照度状態の競技や、高速度撮影を可能にし、高分解能を実現したので、従来信頼性が低かった電子判定装置の信頼性が向上し、従来写真判定に頼っていたゴールライン上の着順判定に本発明の電子判定装置が用いられる可能性が高くなった。
【００７０】
また、着順判定作業が正確かつ容易になると共に合理化が図られ、手作業に頼る写真判定の作業も軽減される効果がある。さらにまた、電子化により記録や再生の作業が非常に簡便になる効果が大きく、夜間等の低照度状態や高速度撮像可能な、高分解能の上記本発明の電子判定装置の産業上の利用性は高い。
【符号の説明】
【００７１】
１ 受光部
２ アンプ
３ 受光部
４ 電荷増倍部
５ アンプ
１０ センサー部
１１，１２ 電荷転送部
１３ 電荷増倍部
２０，２１ 受光素子
２２ オーバーフロードレイン
３０，３５ カメラヘッド
３１，３６ カメラ制御部
３２，３７ パソコン
３３，３８ モニター
４１ 受光部
４４ ペルチェ素子
５０ ＣＣＤカメラ
５５ ＰＣ
５６ ＤＣＵ
７０ カメラヘッド
７３ バッファーメモリー
７９ ＰＣ
８０ カメラ制御部
８１ ＰＣ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、競馬、競輪、競艇、オート等の競技（レース）における改良された高感度・高速度の電子判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、競馬等においてゴールライン上を連続してラインセンサーで撮像し、該撮像された画像から競馬等の着順判定やタイム表示を行うシステムが知られている。
前記競技用の電子判定装置にはラインセンサー（直線状のＣＣＤセンサー）が用いられており、該ラインセンサーは、レース場のゴールライン上を一定のスリット間隔でライン状に撮像し、該ライン状の画像を連続してモニター上に表示することにより着順判定画像としている。
【０００３】
これは、従来スリット・カメラでほぼ対象物（例えば、馬）の速度とほぼ同じ速度でフィルムを走らせて連続して撮影し、これを表示することにより着順判定画像としていたものをＣＣＤラインセンサーとモニターにより電子的に実現したものである。
【０００４】
しかし、従来のラインセンサーは感度が低く、最近行われるナイター競馬とか、曇天の夕方のレースとかの低照度状態の時に撮像すると像がぼやけてしまい、鮮明度が落ちると共に分解能も劣化して僅差（例えば、鼻の差）の着順判定には不満足な場合が多く生じていた。
【０００５】
また、高速で通過する競馬等のゴールライン上での鼻の差等の僅差の着順判定には、高速処理に適したより精度の高い電子判定装置が望まれている。
従来の電子判定装置では、その目となるラインセンサーの各受光素子には一般のＣＣＤあるいはＣＭＯＳ素子を用いていたため、夕方あるいは夜間などの低照度状態ではラインセンサーの感度が十分でなく、低輝度、高雑音の判定用画像となり見難く、着順判定の妨げとなっていた。
【０００６】
また、高速撮影画像として鮮明度は必ずしも十分ではなく、従来の写真判定に置き換わる信頼度を獲得できていない状況がある。
一方、電荷増倍素子を有するＣＣＤセンサー自体は従来周知であるが、これを競技用電子判定システムに応用したものは知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許３２２４７３５号公報
【特許文献２】特開平６−２７６５２６号公報
【特許文献３】特開２００３−３４７３１７号公報
【特許文献４】ＵＳＰ５，３３７，３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、電荷増倍素子を用いた高感度・高速度の改良された競技用電子判定装置およびシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の競技用電子判定装置は、ＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部を持つラインセンサーを用いて感度を高め、かつ雑音を抑えることにより、通常のＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーでは撮像不可能な夕方や夜間の低照度条件、及び／または１０，０００ライン／秒の高速度撮影条件においても撮像可能としたことを特徴とする。
また、前記ラインセンサーが、オーバーフロードレインを持ったラインセンサーであり、スミアの発生を少なくしたことを特徴とする。
【００１０】
また、前記ラインセンサーの素子背面にペルチェ素子を装着し、零℃以下に冷却することにより熱雑音の発生を少なくして、判定用画像の画質を改善したことを特徴とする。
また、前記電荷増倍機能を有するラインセンサーの出力画像を位置方向（長手方向）のみに、加重移動平均での代替や中央値選択法によりスムージングを行い、時間軸方向には一切該スムージング処理を行わずに上記電荷増倍部でランダムに発生するインパルス性ノイズを除去したことを特徴とする。
【００１１】
あるいは、本発明の競技用電子判定システムは、ＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部を持つラインセンサーを用いて感度を高め、雑音を抑えることにより、通常のＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーでは撮像不可能な夕方や夜間の低照度条件、及び／または１０，０００ライン／秒の高速度撮影条件においても撮像可能とした競技用電子判定装置を用い、該電子判定装置のＣＣＤ電子カメラ制御装置と表示用パソコン間をＧイーサネット（登録商標）で接続することを特徴とする。
【００１２】
さらに、前記電子カメラ制御装置の内部にフレームバッファー部を設け、該フレームバッファー部において前記ラインセンサーの画像を標準の２次元画像のごときフォーマットに構築し伝送することにより、Ｇイーサネットで標準にサポートされている２次元カメラ伝送のルールに基づいてラインセンサーの映像情報及びデジタル情報（スタートからの経過時間、開催日、開催地等）をＧイーサネットの通常のルールの範囲で伝送し、前記表示用パソコン内部で上記伝送されてきたラインセンサーの映像情報及びデジタル情報を再構築して表示したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の装置では、ラインセンサーとしてＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部をもつラインセンサーを使うことで、感度を高め、雑音を抑え、低輝度でも良好な電子判定画像が得られた。
【００１４】
また同様に、本発明の装置では、ラインセンサーとしてＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部をもつラインセンサーを使うことで、感度を高め、雑音を抑えることで、高速度（１０，０００ライン／秒）でも良好な電子判定画像が得られた。
【００１５】
従って、この発明の高感度・高速度の改良された競技用電子判定装置およびシステムによれば、通常のＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーでは撮像不可能な夕方や夜間の低照度条件、及び／または１０，０００ライン／秒の高速度撮影条件においても、感度を高め、雑音を抑えることにより撮像可能となった。
【００１６】
このことにより、上記電子判定装置の利便性が高まると共に、判定の精度が向上することにより電子判定装置の信頼性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来のＣＣＤセンサーの模式図である。
【図２】本発明で用いる電子増倍型のセンサーの模式図である。
【図３】電子増倍型のセンサーの概念図である。
【図４】電子増倍型のセンサーの細部の構造を示す図である。
【図５】電子増倍型のセンサーの動作原理の説明図である。
【図６】飽和光量の４０００倍の入力光での実験結果を示す図である。
【図７】オーバーフロードレインの説明図である。
【図８】Ｇイーサネットの接続図である。
【図９】電子増倍型のセンサーの冷却構造を示す図である。
【図１０】本発明の競技用電子判定システムの具体的実施例を示す図である。
【図１１】本発明の競技用電子判定システムのＧイーサネットの概念図である。
【図１２】本発明の競技用電子判定システムの縦横変換の説明図である。
【図１３】本発明の競技用電子判定システムの受信側パソコン処理の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の電子判定装置では、ラインセンサーとしてＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部をもつラインセンサーを用いる。該電荷増倍型ラインセンサーを用いることで、感度を高め、雑音を抑え、低輝度でも良好な電子判定画像が得られる。
【００１９】
また一方、従来の電子判定装置では、その目となるラインセンサーの各受光素子には一般のＣＣＤあるいはＣＭＯＳ素子を用いていたため、高速度での撮影では光量不足となり２，０００ライン／秒程度が実用限界であったが、本発明の電子判定装置では、ラインセンサーとしてＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部をもつラインセンサーを使うことで、感度を高め、雑音を抑えることで、高速度（１０，０００ライン／秒）でも良好な電子判定画像が得られる。
【００２０】
本発明は、競馬等競技の着順判定装置のラインセンサーとして、例えば特開２００３−３４７３１７号公報やＵＳＰ５，３３４，３４０号公報に開示されている、テキサス・インスツルメンツ株式会社の開発した電荷増倍型のＣＣＤセンサー（以下、ＩＭＰＡＣＴＲＯＮデバイスという。）を用いることを特徴としている。
【００２１】
ＩＭＰＡＣＴＲＯＮデバイスは、チップ内の転送中の電荷に対し、二次電子を誘発させるブースト構造を持たせた新しい構造のＣＣＤである。該デバイスは、読出しアンプの手前において電荷を増幅し、理論的には光の１粒子をも検知する超高感度ＣＣＤビデオカメラの実現を可能にしたものである。
【００２２】
その動作原理の詳細は、特開２００３−３４７３１７号公報やＵＳＰ５，３３７，３４０号公報に記載されているが、その概要は以下のとおりである。図１は前記従来のＣＣＤセンサーの模式図、図２は本発明で用いる電子増倍型のセンサーの模式図を示す。
【００２３】
従来のＣＣＤセンサーは、図１に示されるように受光部（ＣＣＤ）１に読み出しアンプ２が接続されているが、電子増倍型のセンサーは図２に示すように受光部３の後段で、かつ従来の読み出しアンプ５の前に、電荷増倍部４を有する。
【００２４】
電子増倍型のセンサー３は、図３に概念図を示すように、センサー部１０で受光し光電変換した電荷が蓄積転送される時（図３の１１，１２）電荷増倍部１３で電荷増倍されてから読み出しアンプに入力されるものである。図４にその細部の構造を示す。図４の１４の模式図において、Ｐ２の信号電荷１５をＰ４で形成された深いポテンシャル１６に転送する。このＰ４ゲートヘの転送時に、ポテンシャルの差によるインパクト・イオン化現象（電荷がＳｉに衝突し、電子―正孔を生成する）を利用し、二次電子を取り出す。さらに、これをこのインパト・イオン化チップ内で繰り返すことで、読み出しノイズが重畳されることなく信号電荷の増倍が可能となる。
【００２５】
従って、電子増倍型のラインセンサーは、図５に示すように、信号は増倍された後ＣＣＤ読み出しアンプに入力するので、電荷を電圧変換する前に増幅が完了しているから上記アンプの内部雑音の影響は非常に少ない。
【００２６】
以下、ＩＭＰＡＣＴＲＯＮデバイスの特徴を列記すると、以下のとおりである。
Ａ．チャージマルチプライヤー内蔵
ＣＣＤ上の蓄積電荷を直接増幅するオンチップチャージマルチプライヤーを内蔵している。
Ｂ．高電圧不要
数ＫＶを要する光電子加速タイプの増倍機構とは異なり、１５ＶのＢｏｏｓｔ電圧振幅で約１００倍以上の増幅が可能である。
Ｃ．高解像度
素子前面に蛍光発光や、ファイバープレートがなく、光電子をダイレクトに受光するため、高解像度で残像がない。
Ｄ．出力アンプ前に増幅を行うため、低ノイズとなる。
Ｅ．カラー化が可能。
Ｆ．冷却ペルチェ内蔵により、素子暗出力の低減を実現した。
Ｇ．このＴＩ社製ＣＣＤは、紫外〜近赤外まで対応できる。
Ｈ．固体デバイスのため、小型で高信頼性が実現できる。
Ｉ．焼きつきの問題がなく、高い信頼性と長寿命を実現できる。
【００２７】
以下、各項目について詳述する。
・オーバーフロードレイン
従来の電子判定装置では、その目となるラインセンサーの各受光素子において強い光が入射することで受光素子内部で限界量を超えた電荷が蓄積された場合に、その余剰電荷に対する対応がしてないセンサーを使用していた為、隣の画素にその余剰電荷が流れ込み、適正な画像が取得できないでいた。
【００２８】
その結果、従来型の電子判定装置としては、馬の蹄鉄、自転車のリムなどの位置から強い光を受けて、ライン方向に白っぽい筋が映像として現れ、判定の妨げとなっていた。本発明では各受光素子に隣接して、余剰電荷を逃がすための道を準備し、限界量を超えた電荷をこの道に流すことで隣の画素への流れ込みを無くす考慮がされたラインセンサーを使うことで、強い光が入射しても過剰な電荷が排除され良好な電子判定画像が得られる。
【００２９】
図７にその具体的構成を示す。
スミアとは、撮像エリアに非常に高輝度の被写体が存在した場合、垂直転送中に光電変換される電荷量が無視できなくなり、高輝度の被写体を中心に縦いっぱいに白っぽい筋が現れる現象である。
【００３０】
撮像エリアに非常に高輝度の被写体が存在した場合、垂直転送中に光電変換される電荷量が無視できなくなり、高輝度の被写体を中心に縦いっぱいに白っぽい筋が現れる。図６の写真は、飽和光量の４０００倍の入力光での実験結果を示す。
【００３１】
このように、スミアはＣＣＤの撮像面に強い光が入ると、そこで発生した余剰電荷が、その画素の周辺の画素にあふれ出るために発生する現象で、周囲に光がにじみ出たような画像になる。これはアンチブルーミング機構をＣＣＤ素子に設け余剰な電荷を排出する事で抑制する。前記ＴＩ社のものは、図７に示されるＬＯＤ（横形オーバーフロードレイン）機構２２を採用している。
【００３２】
・Ｇイーサネット
従来は、電子判定装置の撮像を担当するカメラ部と表示を担当するパソコン部分をアナログ映像情報で伝送するケースやＩＥＥＥ１３９４等ビデオ信号向けに開発されたデジタル伝送で伝送するケースが主だった。
【００３３】
これは、カメラからのアナログ出力信号を、パソコン内に装着したカメラ入力用インターフェイスで取得する方法であり、旧来から行われている最もポピュラーな方法である。このＩＥＥＥ１３９４規格のデジタル信号で接続する方法は以下のとおりである。
【００３４】
この方法は、米国Ａｐｐｌｅ社が最初に提唱したカメラやビデオ装置、パソコン間で画像情報を伝送する方法であり、この方法は４００ＭBit ／秒までしか現状実用化されておらず、主にＮＴＳＣとかＰＡＬと言った従来の放送規格程度の画像信号の伝送用として開発されたものである（日本国内で始まったハイビジョンには適応できない）、したがって、今回のような４００Ｍ Bit／秒をはるかに超える高速なカメラでは適用することができない。
【００３５】
参考：今回のカメラの概略画像情報発生量
１０，０００ライン／秒＊４０００画素／ライン＊３（ＲＧＢ）
＝１２０ＭByte／秒＝約１２００Ｍ Bit／秒
（１Byte＝８Bit で換算すべきであるが、伝送路でのパケットの前後にいろいろなヘッダー情報が付加されるので、このことを加味してここでは１Byte＝約１０Bit で換算した）
【００３６】
本発明においては、図８に示すように、カメラからパソコンへの画像伝送を、Ｇイーサネットを用いて伝送することを提案している。
Ｇイーサネットは、ＣＳＭＡ／ＣＤ（搬送波感知多重アクセス／衝突検出）方式を用い、フレームの送信前にデータ路が空いているかどうかを確認してフレームを送信する方式である。一方、映像信号は高速であり、途中で停止できない性質のため、本発明の電子判定システムは、前記電子カメラ制御装置の内部にフレームバッファー部を設け、該フレームバッファー部において前記ラインセンサーの画像を標準の２次元画像のごときフォーマットに構築し伝送する。あたかも標準の２次元画像のごときフォーマットに再構築し伝送することで、Ｇイーサネットの標準でサポートされている２次元カメラ伝送のルールを守りながらも、ラインセンサーの映像情報＋デジタル情報（スタートからの経過時刻、開催日、開催地など）をＧイーサネットの通常のルールの範囲（たとえば２４０×２４０画素）で伝送することでパソコンに送り、パソコン内部のアプリケーションソフトは普通の２次元画像フォーマットで伝送されてきた画像を構築し直すことで、Ｇイーサネットのとっては変則のラインセンサーの画像でも受けとり、表示するようにしている。
【００３７】
なお、従来の一般的方法は、複数のパソコンをイーサネット（登録商標）規格の伝送インターフェイスで接続し、それぞれのパソコンがイーサネット上の固有のアドレスを持つことで送信主から目的の受信主に電文を送る方法で、インターネットにはこのイーサネット規格を使って接続してるのが大半の接続形態である。イーサネットは初期においては１０Ｍ Bit／秒程度の伝送速度で始まったが、１００Ｍ Bit／秒、１０００Ｍ Bit／秒と伝送速度は速まり、最近のパソコンではこの１０００Ｍ Bit／秒の伝送速度の機能を標準で持つパソコンが多くなってきた。この１０００Ｍ Bit／秒の速度のイーサネットを簡略化してＧイーサネットと呼んでいる。
【００３８】
イーサネットでは基本は送り主がイーサネット上に伝送したいパケットを受信主のアドレスもつけて送り出し、同イーサネット上に該当アドレスを持つ受信主が存在した場合には、受信主が応答を返すことで成立する伝送方法であり、また同時刻に別の送信主が別の受信主に送る場合があることも許している伝送方法（衝突を許す）なので、カメラのような一定時間に一定のデータを伝送したい端末からの画像情報の伝送手段としては、その情報が確実に受信主に渡るという意味では不向きである。が、世の中のパソコンは、そのほとんどがこの安価で高速な伝送手段であるイーサネットを標準装備しておりインターネットなどに接続しポピュラーに使われているのでこの通信手段を使えば非常に便利である。
【００３９】
以下、本発明のＧイーサネットでの具体的接続方法を説明する。
なお、従来普通の２次元カメラ（エリアセンサー）を用いた場合であって、おおむね２５６（水平方向）×２４０（垂直方向）、あるいは６４０（水平方向）×４８０（垂直方向）の解像度を持つカラーの２次元カメラや１０２４＊１０２４の解像度を持つモノクロカメラをＧイーサネットで伝送する方法は存在する。
【００４０】
２５６画素＊２４０ライン＊６０フレーム／秒＊３（ＲＧＢ）＝約１１Ｍbyte／秒
６４０画素＊４８０ライン＊３０フレーム／秒＊３（ＲＧＢ）＝約２８Ｍbyte／秒
１０２４画素＊１０２４ライン＊３０フレーム＊１（モノクロ）＝約３２ＭByte／秒
これはＧイーサネットの伝送能力に比べて十分余裕のある伝送量であるので実用化されているが、現実にはパソコン上で負荷の多くなるアプリケーションソフトウエアが実行されていた場合には、取り込みミスすることを承知で行っている方法である。
【００４１】
しかし、本発明のシステムは競技用電子判定装置であり、たとえ１ラインでも欠落は許されない。そこで本システムでは、図１１のようにカメラ制御部内にバッファー７３を設け、欠落なく伝送できるようにしている。
【００４２】
（１）カメラヘッド７０内のラインセンサーから出力されたアナログの画像信号はカメラ制御部８０に送られ、最低限のアナログ処理（ＧＡＩＮ調整等）を行ってAD変換される。
（２）ＡＤ変換されたラインセンサー画像は、必要な画像処理（ノイズ除去、ガンマ変換、ホワイトバランス調整等）を行ない、画像の先頭に時刻情報、開催場所情報などの情報を加え、さらにこのままパソコンに送ったのではパソコン上ではラスター方向（水平方向）になってしまうので、競技用で使う垂直方向に変換する必要がありこの部分で縦横変換する（７２）。
（３）Ｇイーサネット経由でのパソコンからの指示、あるいはカメラ制御部に直接接続されたタイムスタート、記録開始、記録一時停止、記録終了等のボタンの指示に従って、カメラ制御部内のＣＰＵ８１は各部に指示を出し、図１２に示されるように縦横変換された画像を１レース分を格納するに十分なバッファーメモリー７３に記録停止指示がくるまで上記画像情報を記録する。
（４）バッファーメモリー７３にＧイーサネット８２で送り出し可能な量の上記画像情報が格納されたことが確認できたら“１次元→２次元変換ならびにシーケンシャル番号付加回路”７４は、バッファーメモリーから画像情報を読み出し開始し、１次元情報から２次元情報に組立てしなおす。このとき、図１３に示すように先頭にシーケンシャル番号を付加する（より安全にするためにチェックサムをつけるとよい）。
（５）２次元情報に組立った画像情報はＧイーサネット８２にて、パソコンに向けて送出される。
【００４３】
（６）パソコン７９上のアプリケーションソフトはＧイーサネットから、あたかも２次元カメラ情報として送られてきた本装置からの画像情報を取得するたびに、先頭のシーケンシャル番号を確認する（図１１の７８）。シーケンシャル番号は該当レースの記録開始直後が０、あとは連続に＋１された値である（シーケンシャル番号にチェックサムをつけておけばより安全となる）。あるときアプリケーションソフトが取得した画像のシーケンシャル番号がｎだとして、その次に取得した番号がｎ＋２だとしたら、ｎ＋１の画像が伝送路で消失したことになる。ｎ＋ｍだとしたら、ｎ＋１〜ｎ＋ｍ−１までの画像が伝送路で消失したことになる。この場合にはアプリケーションソフトはカメラ制御部のＣＰＵ８１にＧイーサネットを経由して、その消失情報を送る。受けたＣＰＵ８１は該当ラインを再送するが、シーケンシャル番号の１部に再送画像であることのフラッグをつけて再送する。こうすることで、正常に送られた画像は、パソコン内の格納メモリーの所定位置に配置され、再送で後ほど送られた画像でも格納メモリーの位置は後でも特定できるので、その場所に挿入される。
シーケンシャル番号チェック（７８）で期待されない値の場合は、アプリケーションソフトは捨て去る。（たとえば今ｎ＋１を期待しているのに、ｎ−ｍみたいな画像あるいはチェックサムが会わない画像など）
【００４４】
（７）なぜ、上記（６）のようなことを行うかといえば、画像の高速伝送速度とアプリケーションソフトの応答速度の関係でこうするのが最もよい。画像は２次元画像が２５６Ｘ２４０画素のカラー画像解釈だとして３０ＭＨｚ程度のクロックで送出すると約６ｍＳで１画像がパソコンに届く。一方アプリケーションソフトの応答は速くても数ｍＳに１回程度しかＯＳから実行権を受けれない。一旦実行権を受ければ、ｍＳ以下の高速作業も可能である。
【００４５】
パソコン７９にもイーサネットから受けた画像を一時滞留する十分大きなバッファーを確保し、ＯＳ配下にあるドライバーソフトに任せて本装置から次々と送られてくる画像を蓄える。アプリケーションソフトとしては時々このバッファーが半分以上溜まったかみて、それ以上になったらＧイーサネット経由で、カメラ制御部に伝送を止めるように指示する。あるいは殆ど無くなったらカメラ制御部に伝送を再開するように指示する。（概ねバッファーサイズの５％未満を検出して指示するとよい）
【００４６】
カメラ制御部はアプリソフトからの伝送停止命令があるまでは連続で画像フレームを送り出す。ドライバーソフトウエアは、この伝送に応じて次々とパソコン７９内のバッファーに格納するが、パソコンの実行負荷によっては、ある画像フレームが消失している（Ｇイーサネットが保証していない）。そこで、上記のようなシーケンシャル番号を付加することで、画像が全て正しく到着したか確認する必要がある。こうしてカメラのような一定速度で伝送してくる装置からも安価で高速ではあるが、画像消失が行われるＧイーサネットでも安全に伝送することができる。
以上のことにより、世間で一般的に使われているＧイーサネットを使うにもかかわらず、映像信号を連続的かつ安定して伝送している。
【００４７】
本発明の競技用電子判定システムの具体的実施例（以下、ＣＤＶ−Ｘシステムという。）を図１０に示す。
図１０において、ＣＤＶ−Ｘシステムはメモリボックス（以下、ＤＣＵという。）５６を中心とし、センサーカメラ５０、専用ＣＣＤライン５９、光ファイバー５７、ギガビットイーサネット（以下、Ｇイーサネットという。）５８、ＰＣ（パソコン）５５、メイン／サブ操作卓６０．６１及びＵＸＧＡ解像度（１６００×１２００）の液晶モニター６２からなっている。
【００４８】
ＤＣＵ５６はカメラヘッドからのアナログ信号をコンディショニングして、Ａ／Ｄ変換を行う。ＤＣＵ内で記憶容量が２ＧＢあるバッファメモリーに画像データを蓄積しながらフォーマット変換してＰＣ５５に転送する。ＰＣ５５では受け取ったレースデータをＰＣ画面上に表示し、拡大縮小や画像処理を行い最終的にデジタルデータとしてハードディスクに記録する。
【００４９】
ＤＣＵ５６内のバッファメモリーが１レース分あるので、万一ＰＣ５５側で事故が発生しても１レース前まで遡ってレースデータを再取得することが可能である。
ＰＣ５５とＤＣＵ５６との制御通信は、カメラリンクインターフェース中のシリアル通信ラインで行う。ボーレートは３８．４Ｋｂｐｓである。
ＤＣＵ５６内には、アナログプロセス基板とデジタル処理基板が設けられており、各基板の役割は以下のとおりである。
【００５０】
・アナログプロセス基板
カメラ動作に必要なクロック、同期信号を発生する。
ＰＣ５５からの設定をＤＣＵ５６内のＣＰＵ（ＳＨ−４）で受信し、その設定に基づいたタイミング信号を発生する。
【００５１】
カメラヘッドより接続されたアナログ信号はゲイン調整、オフセット調整、フィルターなどの処理を経て１０ＢＩＴのＡ／Ｄ変換器に入力され、デジタルデータに変換される。
データはアルテラＦＰＧＡ内に入力され、様々な信号処理を経てデジタル処理基板にＬＶＤＳ信号として接続される。
【００５２】
・デジタル処理基板
上記アナログプロセス基板より、デジタル化された画像データを受け取り、まず縦横変換を行い縦スキャンのデータをラスタースキャンのデータに変更する。ただし、バッファメモリー容量及びカメラリンク送出時の都合により縦スキャン１６ライン毎のブロックで変換を行う。
【００５３】
つまり、１６ライン分のデータが横１６画素×縦３６００画素のラスタ・スキャンデータに変換される。また、このときに、画像には縦１ライン毎にタイムコードが埋め込まれる。
【００５４】
次に、画像データは２ＧＢを有するバッファメモリーに書き込まれる。
また、このデータは次レースデータ取得時及び電源切断時以外はデータを保持し続ける。従って、ＰＣへの転送が何らかの原因で失敗してもＰＣへの最送出が可能である。
【００５５】
バッファメモリーに書き込まれたデータは順次読み出され、２５６×２２６画素のエリアスキャン・カメラデータとしてカメラリンク・アダプターに送出される。
また、この基板にはルネサス社製ＳＨ−４ＣＰＵを搭載しており外部入力並びにＰＣよりのトリガー信号を制御して画像取り込みの様々な制御及び各所内部設定およびカメラヘッドＣＰＵとの通信管理などを行う。
【００５６】
・カメラリンク←→ギガビットイーサネットメディアコンバータ
デジタル処理基板よりカメラリンクインターフェースで出力されたレースデータはプレオラ社製「カメラリンクｔｏギガビットイーサネット」変換器５２に入力されギガビットイーサネット信号にて出力される。
転送レートは最大１００ＭByte／Sec で、本装置では最大６０ＭByte／Sec 程度のスピードを目標で使用している。
【００５７】
・ギガビットイーサネット←→光ファイバメディアコンバータ
ギガビットイーサネット信号はさらにギガビットイーサネットto光ファイバ変換器５３に入力され光ファイバ信号にて出力される。
信号はシングルモード伝送で到達距離は１ｋｍ以上となっている。
【００５８】
・素子の冷却
従来の電子判定装置では、その目となるラインセンサーの各受光素子には一般のＣＣＤあるいはＣＭＯＳ素子でかつ素子の冷却を行っていなかったため、低照度あるいは高速度での撮影では熱雑音が支配的な判定用画像となり判定の妨げとなっていた。
【００５９】
本発明の装置では、図９に示すようにラインセンサーの素子４１の背面にペルチェ素子４４を装着し、約零℃以下まで冷却することで、素子の温度を下げて熱雑音の発生を少なくさせ、判定用画像の画質を改善して判定作業を簡単にする。
【００６０】
・量子雑音対策
電荷増倍機能をもったラインセンサーからの出力画像は、増倍比率を上げれば上げるほど増倍にともない量子雑音が無視できなくなり、そのまま画像化しても判定用画像としてはノイズの多い画像となり判定の妨げとなっていた。
【００６１】
本発明の装置では、電荷増倍機能を持ったラインセンサーからの出力画像を時間方向には影響しないように列方向のみで、ある注目画素の近傍の画素との比較で中央値を示す値で代替することで、雑音を取り除く処理を行い画質改善することで判定作業をし易くした。
【００６２】
・光ショットノイズ対策
暗い被写体は光子の量も少なくなってくると、光の持つ揺らぎの成分まで撮像するレベルになり、レスポンスの速いＣＣＤカメラは、ランダムノイズによる画像品質劣化が生じてくる。これはＣＣＤに残像がない特徴が、かえって悪影響を及ぼすためである。
【００６３】
レスポンスの速さから来る弊害をなくすために、イメージインテンシファイアの蛍光面の持つ特性と同様に、信号のアベレージングをするようなスムーズ処理を後段に接続することで画質改善が可能である。
【００６４】
この具体的態様は以下のごとくなる。
まず、この発明において重要なことは、上記スムージングにおいて時間方向の加工処理は行わないことである。
【００６５】
通常のセンサのショット・ノイズ対策は、一定領域内の上下、左右の画素を取って、その平均値を採用する。このことにより画素の連続性がスムーズになりクリック性のノイズが除去される。
【００６６】
しかし、本発明のラインセンサーの主たる目的はゴールライン上の着順判定であるため、時間軸上で前後の平均値を取ると画像の正確な位置が崩れることになり好ましくない。
従って、この発明では、画質より判定の正確さの方が優先されて、上記スムージング処理を上下の位置間（センサー長手方向）についてのみ行い、時間軸でずれた画素間、すなわちスキャンの異なる連続画素間のスムージングは一切行わない。このことにより、時間軸上の判定精度が向上することになる。
【００６７】
このスムージング処理は、センサーからの画像をＤ１，Ｄ２，・・・Ｄｎ，・・・とＡＤコンバータでデジタル化した後、
例えば、
イ．加重移動平均（例は３位置法、５，７，９位置でも同じ要領）
ＤｎＮＥＷ＝（ａ＊Ｄｎ−１＋ｂ＊Ｄｎ＋ｃ＊Ｄｎ＋１）／（ａ＋ｂ＋ｃ）
Ｄｎ：Ｒ，Ｇ，Ｂと３種類あり０〜４０９６（１２Bit のＡＤコンバータを使った場合）の値を示す入力画像データ
ａ，ｂ，ｃ：０〜２５６内の任意の値
（主に、熱雑音を除去する場合に使う。）
ロ．単純中央値選択法（例は３位置法、５，７，９位置でも同じ要領）
ＧｎＮＥＷ＝ＳＯＲＴ（Ｇｎ−１，Ｇｎ，Ｇｎ＋１）
ＲｎＮＥＷ＝ＳＯＲＴ（Ｒｎ−１，Ｒｎ，Ｒｎ＋１）
ＢｎＮＥＷ＝ＳＯＲＴ（Ｂｎ−１，Ｂｎ，Ｂｎ＋１）
ここでのＳＯＲＴ関数は与えられたＤＡＴＡを大きい順あるいは小さい順に並び替えて、その中央値を左辺の値とする関数。たとえばＧｎ−１＝１００，Ｇｎ＝１２０，Ｇｎ＋１＝１１０だとして、小さい順に並べると、１００（Ｇｎ−１），１１０（Ｇｎ＋１），１２０（Ｇｎ）となり、中央値として１１０（Ｇｎ＋１）が採用される。なお、上記式ではカラー画像を前提に説明している。
（電荷増倍部でランダムに発生するインパルス性ノイズの除去に使う。）
【００６８】
ハ．緑基準中央値選択法
ＧｎＮＥＷ＝ＳＯＲＴ（Ｇｎ−１，Ｇｎ，Ｇｎ＋１）
ＲｎＮＥＷ＝ＧｎＮＥＷの候補になった位置のＲｎ
ＢｎＮＥＷ＝ＧｎＮＥＷの候補になった位置のＢｎ
上記式ではカラー画像を前提に説明している。
（電荷増倍部でランダムに発生するインパルス性ノイズの除去に使う。）
等を用いる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明によれば、夜間とか、夕方の低照度状態の競技や、高速度撮影を可能にし、高分解能を実現したので、従来信頼性が低かった電子判定装置の信頼性が向上し、従来写真判定に頼っていたゴールライン上の着順判定に本発明の電子判定装置が用いられる可能性が高くなった。
【００７０】
また、着順判定作業が正確かつ容易になると共に合理化が図られ、手作業に頼る写真判定の作業も軽減される効果がある。さらにまた、電子化により記録や再生の作業が非常に簡便になる効果が大きく、夜間等の低照度状態や高速度撮像可能な、高分解能の上記本発明の電子判定装置の産業上の利用性は高い。
【符号の説明】
【００７１】
１ 受光部
２ アンプ
３ 受光部
４ 電荷増倍部
５ アンプ
１０ センサー部
１１，１２ 電荷転送部
１３ 電荷増倍部
２０，２１ 受光素子
２２ オーバーフロードレイン
３０，３５ カメラヘッド
３１，３６ カメラ制御部
３２，３７ パソコン
３３，３８ モニター
４１ 受光部
４４ ペルチェ素子
５０ ＣＣＤカメラ
５５ ＰＣ
５６ ＤＣＵ
７０ カメラヘッド
７３ バッファーメモリー
７９ ＰＣ
８０ カメラ制御部
８１ ＰＣ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部を持つラインセンサーを用いて感度を高め、かつ雑音を抑えることにより、通常のＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーでは撮像不可能な夕方や夜間の低照度条件、及び／または１００００ライン／秒の高速度撮影条件においても撮像可能とした競技用電子判定装置において、
前記電荷増倍機能を有するラインセンサーの出力画像を位置方向（長手方向）のみに、加重移動平均での代替や中央値選択法によりスムージングを行い、時間軸方向には一切該スムージング処理を行わずに上記電荷増倍部でランダムに発生するインパルス性ノイズを除去したことを特徴とする競技用電子判定装置。
【請求項２】
ＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部を持つラインセンサーを用いて感度を高め、雑音を抑えることにより、通常のＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーでは撮像不可能な夕方や夜間の低照度条件、及び／または１０、０００ライン／秒の高速度撮影条件においても撮像可能とした前記請求項１記載の競技用電子判定装置を用い、該電子判定装置のＣＣＤ電子カメラ制御装置と表示用パソコン間をＧイーサネットで接続することを特徴とする競技用電子判定システム。
【請求項３】
前記電子カメラ制御装置の内部にフレームバッファー部を設け、該フレームバッファー部において前記ラインセンサーの画像を標準の２次元画像のごときフォーマットに構築し伝送することにより、Ｇイーサネットで標準にサポートされている２次元カメラ伝送のルールに基づいてラインセンサーの映像情報及びデジタル情報（スタートからの経過時間、開催日、開催地等）をＧイーサネットの通常のルールの範囲で伝送し、前記表示用パソコン内部で上記伝送されてきたラインセンサーの映像情報及びデジタル情報を再構築して表示したことを特徴とする前記請求項２記載の競技用電子判定システム。
【請求項１】
ＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部を持つラインセンサーを用いて感度を高め、かつ雑音を抑えることにより、通常のＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーでは撮像不可能な夕方や夜間の低照度条件、及び／または１００００ライン／秒の高速度撮影条件においても撮像可能とした競技用電子判定装置において、
前記電荷増倍機能を有するラインセンサーの出力画像を位置方向（長手方向）のみに、加重移動平均での代替や中央値選択法によりスムージングを行い、時間軸方向には一切該スムージング処理を行わずに上記電荷増倍部でランダムに発生するインパルス性ノイズを除去したことを特徴とする競技用電子判定装置。
【請求項２】
ＣＣＤ素子の後方に電荷増倍部を持つラインセンサーを用いて感度を高め、雑音を抑えることにより、通常のＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサーでは撮像不可能な夕方や夜間の低照度条件、及び／または１０、０００ライン／秒の高速度撮影条件においても撮像可能とした前記請求項１記載の競技用電子判定装置を用い、該電子判定装置のＣＣＤ電子カメラ制御装置と表示用パソコン間をＧイーサネットで接続することを特徴とする競技用電子判定システム。
【請求項３】
前記電子カメラ制御装置の内部にフレームバッファー部を設け、該フレームバッファー部において前記ラインセンサーの画像を標準の２次元画像のごときフォーマットに構築し伝送することにより、Ｇイーサネットで標準にサポートされている２次元カメラ伝送のルールに基づいてラインセンサーの映像情報及びデジタル情報（スタートからの経過時間、開催日、開催地等）をＧイーサネットの通常のルールの範囲で伝送し、前記表示用パソコン内部で上記伝送されてきたラインセンサーの映像情報及びデジタル情報を再構築して表示したことを特徴とする前記請求項２記載の競技用電子判定システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−８５３２４（Ｐ２０１２−８５３２４Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８３７６（Ｐ２０１１−２５８３７６）
【出願日】平成２３年１１月２７日（２０１１．１１．２７）
【分割の表示】特願２００６−３１７８８３（Ｐ２００６−３１７８８３）の分割
【原出願日】平成１８年１１月２６日（２００６．１１．２６）
【出願人】（０００１４４６７０）株式会社山口シネマ (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２７日（２０１１．１１．２７）
【分割の表示】特願２００６−３１７８８３（Ｐ２００６−３１７８８３）の分割
【原出願日】平成１８年１１月２６日（２００６．１１．２６）
【出願人】（０００１４４６７０）株式会社山口シネマ (9)
【Ｆターム（参考）】
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