CN101017570A - 图像合成装置及图像合成方法 - Google Patents

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和田利昭
中田昌志
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Abstract

本发明提供一种图像合成装置及图像合成方法。对由摄影装置所拍摄的多个图像进行处理的图像处理装置(30)的图像合成方法包括以下步骤:在可显示图像的显示器(31)上生成模拟三维空间,在该模拟三维空间中显示球面或表示球面的框架;选择图像;将所述选择出的图像配置在所述球面或表示球面的框架上;移动用于观察所述球面或表示球面的框架的视点;根据操作指示,对配置在球面或表示球面的框架上的图像进行旋转操作或平行移动操作;以及将所述被操作的多个图像合成为1个图像。

Description

图像合成装置及图像合成方法
本申请基于提交日为2006年2月6日的在先日本专利申请No.2006-028446和提交日为2007年1月5日的在先日本专利申请No.2007-621并要求优先权,专利申请的全部内容作为参照而并入本申请。
技术领域
本发明涉及合成多个图像的技术,特别涉及可以精度良好地将具有倾斜度的各图像粘贴在一起,简便地合成图像的技术。
背景技术
以往,为了获得全方位的图像,将照相机设为其中心位置不变化而在改变俯角、仰角的同时拍摄周围,并将所得到的多个图像粘贴在一起(日本特开平11-213141号公报)。
但是,在日本特开平11-213141号公报所记载的技术中,需要指定用于粘贴的基准图像,或者指定图像内的对应点。
但是,在照相机的中心位置改变的状态、例如摄影者手持照相机进行拍摄时等,由于照相机移动等而造成的倾斜,在每次拍摄中被摄体的大小或倾斜度改变,因此在图像合成时在图像重叠的部分产生不一致。因此,有时即使指定了对应点,也难以高精度地粘贴在一起。
而且,在对改变俯角或仰角而拍摄的图像进行合成时,产生摆动角的影响而拍摄的图像自身已经倾斜,因此对于手持照相机拍摄的图像,难以高精度地指定对应点。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种可以精度良好地将具有倾斜度的各图像粘贴在一起,简便地合成图像的图像合成装置及图像合成方法。
本发明的第一方面的图像合成装置合成由摄影装置所拍摄的多个图像,该图像合成装置具有:框架显示单元,其在可显示图像的显示器上生成模拟三维空间,在该模拟三维空间中显示球面或表示球面的框架;选择图像的图像选择单元;图像配置单元,其将所述图像选择单元所选择的图像配置在所述球面或表示球面的框架上;视点移动单元,其移动用于观察所述球面或表示球面的框架的视点;操作单元,其根据操作指示,对所述图像配置单元配置在球面或表示球面的框架上的图像进行旋转操作或平行移动操作;以及合成单元,其将所述操作单元操作的多个图像合成为1个图像。
本发明的第二方面的图像合成方法是对由摄影装置所拍摄的多个图像进行处理的图像处理装置的图像合成方法,该图像合成方法包括以下步骤:在可显示图像的显示器上生成模拟三维空间,在该模拟三维空间中显示球面或表示球面的框架;选择图像;将所述所选择的图像配置在所述球面或表示球面的框架上;移动用于观察所述球面或表示球面的框架的视点;根据操作指示,对配置在球面或表示球面的框架上的图像进行旋转操作或平行移动操作;以及将所述被操作的多个图像合成为1个图像。
本发明的优点将在以下的说明中阐明,一部分从说明中是显而易见的,或者可以通过本发明的实施方式了解到。本发明的优点可以通过在下文中具体指出的手段和组合来实现并得到。
附图说明
并入并组成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例,并且和以上的一般说明和以下的详细说明一起用于阐述本发明的宗旨。
图1是说明鸟瞰模式的显示方法的图。
图2是说明投影模式的显示方法的图。
图3是表示根据本发明的第一实施方式的图像合成方法的图像合成画面的结构的图。
图4是表示鸟瞰模式下的坐标系的图。
图5是利用世界坐标系示出旋转后的摄影图像的图。
图6是表示投影模式下的坐标系的图。
图7是表示世界坐标系和局部坐标系的对应关系的图。
图8是表示图像处理装置的结构的图。
图9是表示图像合成处理的主要处理步骤的流程图。
图10是表示在图像合成画面的显示区域中进行显示的步骤的流程图。
图11是表示改变球的尺寸的处理步骤的流程图。
具体实施方式
[第一实施方式]
对于本发明的实施方式的图像合成方法,说明其基本原理。
本图像合成方法具有鸟瞰模式和投影模式2种显示模式。用户在该任一种模式下执行将摄影图像粘贴在一起的操作。
图1是说明鸟瞰模式的显示方法的图。
在鸟瞰模式下,用户可以将摄影图像投影在表示全方位的球面20的表面上来进行粘贴,而且用户可以从球面20的外部观察该摄影图像。
用户可以沿球面20的表面移动摄影图像。此外,为了校正摄影图像的倾斜度,可以向左旋转或向右旋转摄影图像。
而且,设在球面20的外部的视点位置可以变更。即,可以将视点以球面20的中心为原点旋转视线方向,并且可以使视点接近或远离球面20。
此外,也可将球面20自身放大或缩小。并且,与球面20的尺寸相对应地,更新投影到球面上的图像。由此,可以调整为与摄影图像的视角相应的尺寸的球。
在图1中,在球面20上粘贴有摄影图像A和摄影图像B。用户可以沿着纬线移动摄影图像A,粘贴在以摄影图像A’表示的位置处。
这样,用户可以在模拟三维空间的球面上将摄影图像移动至任意的位置,因此可以简便且精度良好地执行图像的合成。
图2是说明投影模式的显示方法的图。
在投影模式下,用户将摄影图像粘贴在表示全方位的球面20的内表面上,从球面20的内部观察该摄影图像。在球面20的内部设置屏幕,从该屏幕的后方观察从球面上的图像垂直投影到该屏幕上的图像。观察的视野范围与观察投影到该屏幕上的摄影图像时的范围一致。
用户可以沿球面20的表面移动摄影图像。此外,为了校正摄影图像的倾斜度,可以向右旋转或向左旋转摄影图像。
而且,设在球面20的内部的视点位置可以变更。即,可以将球面20在水平方向、垂直方向上进行旋转,并且可以使视点和屏幕接近或远离球面20。
此外,也可将球面20自身放大或缩小。由此,可以调整为与摄影图像的视角相应的尺寸的球。
在图2中,在球面20上粘贴有摄影图像A和摄影图像B。用户可以沿着纬线移动摄影图像A,粘贴在以摄影图像A’表示的位置处。
接着,对用于实现上述动作的用户界面进行说明。
在本发明的实施方式的图像合成方法中,用户根据显示在图像处理装置的显示部上的图像合成画面,执行图像处理操作。
图3是表示根据本发明的第一实施方式的图像合成方法的图像合成画面的结构的图。
在图像合成画面1中,设有显示区域2、视点操作区域3、图像操作区域4、尺寸变更滑动条5以及保存按钮6。
在显示区域2中,显示有观察基于鸟瞰模式或投影模式的球面20的影像。
在视点操作区域3中,设有水平旋转按钮3a、垂直旋转按钮3b、左右旋转按钮3c以及缩放按钮3d。当操作水平旋转按钮3a时,视线的方位角改变,视线的方向左右旋转。当操作垂直旋转按钮3b时,视线的仰角改变,视线的方向上下旋转。当操作左右旋转按钮3c时,视野以垂直于画面的轴为中心左右旋转。当操作缩放按钮3d时,视野进行扩大缩小。视野的扩大与视点接近球面20相对应,视野的缩小与视点远离球面20相对应。
在图像操作区域4中,设有选择图像显示区域4a、移动操作按钮4b和旋转操作按钮4c。在选择图像显示区域4a中,显示有作为操作对象的摄影图像的选择图像。当操作移动操作按钮4b时,可以沿球面20的纬线、经线移动选择图像。当操作旋转操作按钮4c时,可以以其中心位置为轴向右或向左旋转选择图像。
当操作尺寸变更滑动条5时,可以增大或缩小球面20的半径。此外,即使在球面20的半径被变更的情况下,摄影图像的尺寸也不变更而维持原样。
当操作保存按钮6时,保存所合成的图像。
接着,对用于实现上述动作的坐标变换方法进行说明。
图4是表示世界坐标系和摄影图像固有的局部坐标系的图。
世界坐标系是固定在球面20上,以该球面20的中心为原点的三维坐标系(X,Y,Z)。此外,如图4所示,X轴、Y轴、Z轴设为左手坐标系。
另一方面,局部坐标系是设在摄影图像上的二维坐标系(U,V)。
在该世界坐标系中,摄影图像的初始位置如下这样设定。
(1)将摄影图像的中心作为局部坐标系(U轴,V轴)的原点。(2)摄影图像与球面20接触。(3)摄影图像的中心在Z轴上,U轴和V轴与Z轴正交。(4)U轴与X轴平行,V轴与Y轴平行。
将摄影图像沿球面绕X轴旋转θ的矩阵设为Mx(θ),绕Y轴旋转θ的矩阵设为My(θ),绕Z轴旋转θ的矩阵设为Mz(θ)。此外,为了便于摄影图像在三维空间中移动,将摄影图像的局部坐标系扩展到(U,V,W)的三维。
这些矩阵利用式(1)~式(3)表示。
Mx ( θ ) = 1 0 0 0 cos θ - sin θ 0 sin θ cos θ ·····式(1)
My ( θ ) = cos θ 0 sin θ 0 1 0 - sin θ 0 cos θ ·····式(2)
Mz ( θ ) = cos θ - sin θ 0 sin θ cos θ 0 0 0 1 ·····式(3)
如果现在取Z轴为北极方向,X轴为赤道和经度为0度的经线之间的交点方向,则Y轴为赤道与西经90度的经线之间的交点方向。并且,把摄影图像置于作为初始位置的北极,使得U轴和V轴的方向分别成为与X轴和Y轴相同的方向。
最初,绕摄影图像中心顺时针旋转θ3。接着,沿经度为0度的经线旋转θ2。最后,沿纬线以从北极看来顺时针方向旋转θ1。这3次旋转利用式(4)的矩阵M来表示。
如果利用世界坐标系来表示对位于利用摄影图像的局部坐标系表示的初始位置上的摄影图像上的点(u,v,r)实施了上述的旋转操作后的点,则如式(5)所示。该式(5)表示沿球面20移动原来的摄影图像的同时,实施旋转操作。
M=Mz(θ1)·My(θ2)·Mz(θ3)    ······式(4)
x y z = M u v r ·······式(5)
其中,r:球的半径
这里,利用式(6)来表示对摄影图像的中心进行旋转操作后的坐标(x2,y2,z2)。
x 2 y 2 z 2 = M 0 0 r ······式(6)
把从球面20的中心通过坐标(x2,y2,z2)的向量作为法线向量的平面包含该摄影图像的平面,利用式(7)来表示。
x2x+y2y+z2z=x2 2+y2 2+z2 2    ········式(7)
图5是利用世界坐标系示出式(4)的旋转后的摄影图像的图。
从球面20的中心通过球面上的点(x1,y1,z1)的直线利用式(8)来表示。
x x 1 = y y 1 = z z 1 ········式(8)
因此,该直线与式(7)的平面的交点的坐标(x3,y3,z3)通过式(9)求出。
x 3 y 3 z 3 = A x 1 y 1 z 1 = x 2 2 + y 2 2 + z 2 2 x 1 x 2 + y 1 y 2 + z 1 z 2 x 1 y 1 z 1 ······式(9)
x 1 y 1 z 1 = A - 1 x 3 y 3 z 3 ········式(10)
在本实施方式中,摄影图像上的各点的像素信息向球面20进行中心投影。摄影图像上的点的局部坐标系中的坐标值不随球面20上的旋转操作而改变,因此即使在式(4)的旋转后,也可以通过式(5)在局部坐标系下计算坐标(u,v)的点在世界坐标系下的坐标。因此,对通过式(5)得到的坐标应用式(10)来计算球面20上的世界坐标,将摄影图像的坐标(u,v)的像素信息投影到该点。
此处,所谓像素信息是指摄影图像的像素的亮度和RGB各色的彩色值。因此,通过使用式(1)至式(10),可以将摄影图像投影到球面20上的任意位置。
图6是表示投影模式下的屏幕25的局部坐标系的图。屏幕25表示相当于视野的范围,在投影模式下配置在球面20内。屏幕25固有的二维局部坐标系定为(U’,V’)。此外,为了方便起见,与摄影图像的局部坐标系同样地进行三维化,设为(U’,V’,W’)。该局部坐标系(U’,V’,W’)与世界坐标系同样为左手坐标系,U’轴和V’轴在屏幕上,屏幕25的中心是原点。
在世界坐标系中,屏幕25的初始位置和方向如下这样设定。
(1)屏幕25的中心位于球面20的中心。(2)屏幕的局部坐标系的U’轴、V’轴、W’轴的方向分别与世界坐标系的X轴、Y轴、Z轴的方向一致。即,在屏幕25的初始位置上,屏幕的局部坐标系和世界坐标系一致。
此外,在本实施方式中,从摄影图像向球面20进行中心投影的像素信息由于垂直投影到屏幕25上,因此所投影的二维坐标位置不受屏幕的W轴方向的位置影响。
图7是表示世界坐标系和屏幕25的局部坐标系的对应关系的图。在初始位置处,球面20上的点(x1,y1,z1)在屏幕25的局部坐标系中利用式(11)来表示。
x 1 y 1 z 1 = u ′ v ′ w ′ = u ′ v ′ r 2 - ( u ′ ) 2 - ( v ′ ) 2 ········式(11)
Su ( φ ) = 1 0 0 0 cos φ sin φ 0 - sin φ cos φ ·············式(12)
Sv ( φ ) = cos φ 0 - sin φ 0 1 0 sin φ 0 cos φ ··············式(13)
Sw ( φ ) = cos φ sin φ 0 - sin φ cos φ 0 0 0 1 ···············式(14)
u 1 ′ v 1 ′ w 1 ′ = Sw ( φ 3 ) · Sv ( φ 2 ) · Su ( φ 1 ) x 1 y 1 z 1 ········式(15)
另一方面,屏幕25的局部坐标系绕U’轴向左旋转φ的矩阵Su(φ)通过式(12)表示。绕V’轴向左旋转φ的矩阵Sv(φ)通过式(13)表示。绕W’轴向左旋转φ的矩阵Sw(φ)通过式(14)表示。因此,如果将屏幕25从初始位置开始绕U’轴向左旋转φ1之后,绕V’轴向左旋转φ2,再绕W’轴向左旋转φ3,则球面20上的点(x1,y1,z1)在屏幕的局部坐标系下利用式(15)来表示。
此外,设为从W’轴的负值侧观察屏幕,视野的右方向取作U’轴方向,视野的上方向取作V’轴方向。绕U’轴向左旋转与向下旋转视野相对应。绕V’轴向左旋转与向右旋转视野相对应。绕W’轴向左旋转与向左旋转视野相对应。
此外,球面上的图像向屏幕水平投影。视野的上下左右方向的移动与沿U’轴和V’轴移动屏幕25相对应。视野的放大缩小与屏幕25的放大、缩小相对应。此外,在上述说明中,将屏幕25配置在球面20内,但即使屏幕25在球面20的外侧,也与将球面20上的图像垂直投影到屏幕上的情况相同。但是,在投影模式的情况下,将摄影图像朝向球面20的内侧配置,在鸟瞰模式的情况下将摄影图像朝向球面20的外侧配置。
如上所述,通过使用式(1)至式(10),可以将摄影图像配置在球面上的任意位置,将该摄影图像投影在球面20上,从任意的位置来观察使用式(11)至式(15)投影到球面20上的图像。
接着,对用于实现本图像合成方法的图像处理装置的结构及其主要处理步骤进行说明。
图8是表示图像处理装置30的结构的图。图像处理装置30具有:显示部31操作输入部32、通信接口33、图像管理DB 34、图像存储器35、程序存储器36和处理部37。
显示部31是显示图像合成画面1的CRT或液晶显示器。操作输入部32是用于接受来自用户的操作指示输入的键盘、鼠标等的输入设备。通信接口33是用于与例如数字照相机等的外部装置(未图示)之间利用通信传递图像文件等的信息的接口。图像管理DB 34存储所保存的图像的地址等的管理信息。图像存储器35是存储操作所涉及的信息或图像合成处理所需的信息的缓冲存储器。程序存储器36保存用于控制图像处理装置30的各功能的程序。处理部37整体控制图像处理装置30的工作。
接着,参照图9至图11说明图像合成处理的概略步骤。此外,以下说明的处理是关于图像合成处理功能之内的主要功能的处理。因此,即使是在以下说明中未描述的功能,在图1至图8的说明中进行了描述的功能也包含在本图像合成处理功能中。
图9是表示图像合成处理的主要处理步骤的流程图。如果用户起动图像处理装置30,在显示部31上显示图像合成画面1,则本图像合成处理起动。
在步骤S01中,初始化虚拟空间。即,显示作为基础的球面20或表示球面的框架,在球面上显示作为基准的纬线、经线。
然后,按照相当于摄影图像数的次数反复执行步骤S02~S04所示的图像配置处理。
如果用户选择摄影图像,则在步骤S02中,读入该摄影图像,在步骤S03中,在与显示模式对应的初始坐标位置上配置摄影图像。然后,通过中心投影将摄影图像上的各点的彩色值投影到球面上的对应位置。接着,在步骤S04中与用户的图像移动操作相对应地移动球面上的投影像。
图10是表示在图像合成画面的显示区域2中进行显示的步骤的流程图。该处理与上述的摄影图像的移动处理一并执行。
在步骤S10中,取得当前的屏幕的位置、朝向。然后,按照每个合成的摄影图像,执行步骤S11~S14的合成处理。
在步骤S11中,取得摄影图像的当前位置和朝向。然后,在步骤S12中,将摄影图像的彩色值向球面20进行中心投影,并且计算向屏幕25垂直投影所得到的图像在屏幕25上的彩色值。
在步骤S13中,调查在摄影图像所投影的屏幕25上的位置处是否已经投影了其它摄影图像的彩色值。
在步骤S13为“是”时,即,已经从其它的摄影图像投影了彩色值的情况下,在步骤S14中,对于重复的区域,对从各摄影图像投影的彩色值进行平均。另一方面,在步骤S13为“否”时,即,未显示其它图像的情况下,把当前投影的彩色值设为屏幕上该位置的彩色值。然后,当从所有摄影图像向屏幕25的投影处理结束时,在步骤S15中,在显示区域2中显示屏幕25。由此,用户可以容易地确认摄影图像是否在球面20上精度良好地粘贴在一起。
图11是表示改变球面20的尺寸的处理步骤的流程图。
当用户操作尺寸变更滑动条5时,在步骤S21中,取得由用户所指定的球面20的尺寸。然后,在步骤S22中,把球20的中心到各摄影图像的中心的距离变更为用户指定的尺寸。
根据本实施方式,可以起到如下的效果。
生成模拟三维空间,在该三维空间内形成球体,可以进行将拍摄的图像投影到该球面上进行移动操作。
此外,可以改变观察球体的视点,因此用户可以从易于辨认的位置观察并操作投影到球面上的投影图像。
因此,可以合成摄影图像,而不受在平面上的合成时成为问题的摆动角的影响。
此外,在上述的实施方式中,在球面上合成图像,但也可以在表示球面的框体上合成。
此外,在上述实施方式中说明的各功能可以使用硬件构成,此外也可以使用软件将记载了各功能的程序读入计算机中来实现。此外,各功能可以适当地选择软件、硬件中的任一种来构成。
而且,各功能可以通过将存储在未图示的记录介质中的程序读入计算机中来实现。此处,本实施方式中的记录介质可记录程序,并且只要是计算机可读取的记录介质,其记录形式可以是任意形式。
本领域的技术人员易于得到其它的优点和变形例。因此本发明并不限于本实施方式中所示和所述的细节和实施例。因此,在不脱离由所附加的权利要求和它们的等价物所定义的总体发明构思的精神和范围的情况下,可做出各种变形。

Claims (8)

1.一种图像合成装置,该图像合成装置合成由摄影装置所拍摄的多个图像,其特征在于,该图像合成装置具有:
框架显示单元,其在可显示图像的显示器上生成模拟三维空间,在该模拟三维空间中显示球面或表示球面的框架;
图像选择单元,其选择图像;
图像配置单元,其将所述图像选择单元选择的图像配置在所述球面或表示球面的框架上;
视点移动单元,其移动用于观察所述球面或表示球面的框架的视点;
操作单元,其根据操作指示,对所述图像配置单元配置在球面或表示球面的框架上的图像进行旋转操作或平行移动操作;以及
合成单元,其将所述操作单元操作的多个图像合成为1个图像。
2.根据权利要求1所述的图像合成装置,其特征在于,该图像合成装置还具有:
视图图像生成单元,其生成从球面之中或球面之外的视点观察所述合成单元所合成的图像的至少一部分时的视图图像;以及
视图图像显示单元,其在所述显示器上显示所述视图图像生成单元所生成的图像。
3.根据权利要求2所述的图像合成装置,其特征在于,由所述摄影装置所拍摄的多个图像是从同一位置拍摄的图像。
4.根据权利要求2所述的图像合成装置,其特征在于,所述合成单元所合成的图像是覆盖整个球面的图像。
5.一种图像合成方法,该图像合成方法是对由摄影装置所拍摄的多个图像进行处理的图像处理装置的图像合成方法,其特征在于,该图像合成方法包括以下步骤:
在可显示图像的显示器上生成模拟三维空间,在该模拟三维空间中显示球面或表示球面的框架;
选择图像;
将所述所选择的图像配置在所述球面或表示球面的框架上;
移动用于观察所述球面或表示球面的框架的视点;
根据操作指示,对配置在球面或表示球面的框架上的图像进行旋转操作或平行移动操作;以及
将所述被操作的多个图像合成为1个图像。
6.根据权利要求5所述的图像合成方法,其特征在于,该图像合成方法还具有以下步骤:
生成从球面之中或球面之外的视点观察所合成的图像的至少一部分时的视图图像;以及
在所述显示器上显示所生成的图像。
7.根据权利要求6所述的图像合成方法,其特征在于,由所述摄影装置拍摄的多个图像是从同一位置拍摄的图像。
8.根据权利要求6所述的图像合成方法,其特征在于,所合成的图像是覆盖整个球面的图像。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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