DE102008015535B4 - Process for image processing of stereo images - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bildverarbeitung von Stereobildern (L, R), bei welchem in einem ersten Schritt (S1) Bilddaten eines Originalbildes (O) aus zwei Stereobildern (L, R) ermittelt werden, anhand derer eine Tiefenkarte (T1) des Originalbildes (O) mit einer reduzierten Auflösung bestimmt wird und in einem zweiten Schritt (S2) eine Tiefenkarte (T2) eines wählbaren Ausschnittes (AO) des Originalbildes (O) mit einer maximalen Auflösung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt (S2) eine maximale, in der Tiefenkarte (T2) darzustellende Disparität (D) vorgegeben wird.Method for image processing of stereo images (L, R), in which in a first step (S1) image data of an original image (O) are determined from two stereo images (L, R), on the basis of which a depth map (T1) of the original image (O) with a reduced resolution is determined and in a second step (S2) a depth map (T2) of a selectable section (AO) of the original image (O) is determined with a maximum resolution, characterized in that in the second step (S2) a maximum, the disparity (D) to be displayed in the depth map (T2) is specified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildverarbeitung von Stereobildern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for image processing of stereo images according to the preamble of
Tiefenberechnung auf Basis zweier Bilder ist ein Standardproblem der Bildverarbeitung, zu dessen Lösung im Stand der Technik verschiedene Algorithmen bekannt sind.Depth calculation based on two images is a standard problem in image processing, for the solution of which various algorithms are known in the prior art.
Zu diesen Algorithmen gehören beispielsweise globale und semi-globale Stereoalgorithmen, wie sie beispielsweise aus „Hirschmüller, H.: Accurate and Efficient Stereo Processing by Semi-Global Matching and Mutual Information; in: IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR'05), 2. Jg., S. 807-814“ bekannt sind. Diese erfordern jedoch einen hohen Rechenaufwand, der eine Echtzeitimplementierung verhindert.These algorithms include, for example, global and semi-global stereo algorithms, such as those from “Hirschmüller, H.: Accurate and Efficient Stereo Processing by Semi-Global Matching and Mutual Information; in: IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR'05), vol. 2, pp. 807-814”. However, these require a high level of computing effort, which prevents real-time implementation.
Ein nahe liegender und verbreiteter Ansatz zur Rechenzeitreduktion ist die aus „Franke, U., Joss,A.: Real-time stereo vision for urban traffic scene understanding; in: Proceedings of the IEEE Intelligent Vehicles Symposium 2000, 3. bis 5. Oktober, Dearborn, MI, S. 273-278;“ bekannte Reduzierung der Bildgröße eines zu berechnenden Tiefenbildes (im Weiteren auch Tiefenkarte genannt). Bei üblicherweise verwendeten Reduktionen um einen Faktor zwei in Breite und Höhe wird zusätzlich eine Anzahl der zu berechnenden Disparitätswerte halbiert, so dass eine um einen Faktor acht reduzierte Rechenzeit erzeugt wird. Nachteilig ist jedoch, dass diese Bildgrößenreduktion zu ungenaueren Disparitäts- und/oder Tiefenwerten führt.An obvious and widespread approach to reducing computing time is that from “Franke, U., Joss, A.: Real-time stereo vision for urban traffic scene understanding; in: Proceedings of the IEEE Intelligent Vehicles Symposium 2000, October 3-5, Dearborn, MI, pp. 273-278;” known reduction in image size of a depth image to be computed (hereinafter also called depth map). In the case of commonly used reductions by a factor of two in width and height, a number of the disparity values to be calculated is also halved, so that the computing time is reduced by a factor of eight. The disadvantage, however, is that this image size reduction leads to less precise disparity and/or depth values.
Aus der
Aus „DAVIS, Robert L.: Screening of wide area search reconnaissance imagery. In Proceedings 2001 International Conference on Image Processing (Cat. No.01CH37205), vol. 1, 2001, S. 802-805“ ist bekannt, im Falle einer begrenzten Rechenleistung bzw. Datenübertragungsrate Bilddaten zuerst in geringerer Auflösung bereitzustellen und in einem zweiten Schritt die Daten eines wählbaren Ausschnitts zur Auswertung zu verwenden.From "DAVIS, Robert L.: Screening of wide area search reconnaissance imagery. In Proceedings 2001 International Conference on Image Processing (Cat. No. 01CH37205), vol. 1, 2001, pp. 802-805” it is known, in the case of limited computing power or data transmission rate, to first provide image data in a lower resolution and then to use the data from a selectable section for the evaluation in a second step.
Aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bildverarbeitung von Stereobildern anzugeben, welches insbesondere einen Rechenaufwand bei gleichbleibender Qualität der Tiefenberechnung reduziert.The invention is therefore based on the object of specifying an improved method for image processing of stereo images which, in particular, reduces the computing effort while the quality of the depth calculation remains the same.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved according to the invention with a method which has the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildverarbeitung von Stereobildern zur Rechenzeitreduzierung von globalen Stereoalgorithmen werden in einem ersten Schritt Bilddaten eines Originalbildes aus zwei Stereobildern (= rechtes und linkes Eingangsbild) ermittelt, anhand derer eine Tiefenkarte des Originalbildes mit einer reduzierten Auflösung bestimmt wird. Erfindungsgemäß wird in einem zweiten Schritt eine Tiefenkarte eines wählbaren Ausschnittes des Originalbildes mit einer maximalen Auflösung ermittelt.In the first step of the inventive method for image processing of stereo images to reduce the computing time of global stereo algorithms, image data of an original image are determined from two stereo images (= right and left input image), on the basis of which a depth map of the original image is determined with a reduced resolution. According to the invention, a depth map of a selectable section of the original image is determined with a maximum resolution in a second step.
Erfindungsgemäß wird in dem zweiten Schritt eine maximale, in der Tiefenkarte darzustellende Disparität vorgegeben.According to the invention, a maximum disparity to be displayed in the depth map is specified in the second step.
Gemäß einer sinnvollen Weiterführung der Erfindung werden Disparitäten mit größeren Werten als die maximale Disparität auf den Wert der maximalen Disparität gesetzt.According to a useful development of the invention, disparities with values greater than the maximum disparity are set to the value of the maximum disparity.
Daraus resultiert der Vorteil, dass mittels des Stereoalgorithmus korrekte Ergebnisse erzielt werden können.This results in the advantage that correct results can be achieved using the stereo algorithm.
Unter Disparität soll ein horizontaler Abstand gleicher Bildelemente auf beiden Teilbildern (= rechtes und linkes Eingangsbild) zueinander verstanden werden.Disparity is to be understood as meaning a horizontal distance between the same image elements on both partial images (= right and left input image).
Zusammenfassend wird mit der Erfindung eine Reduktion der Rechenzeit bei einer Vergrößerung der Qualität oder zumindest gleich bleibender Qualität der Ergebnisse des Stereoalgorithmus erreicht. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, einen semi-globalen Stereoalgorithmus auf im Stand der Technik bekannten FPGAs (= Field Programmable Gate Arrays) in Echtzeit auszuführen.In summary, the invention achieves a reduction in the computing time while increasing the quality or at least maintaining the same quality of the results of the stereo algorithm. This results in the possibility of executing a semi-global stereo algorithm in real time on FPGAs (=Field Programmable Gate Arrays) known in the prior art.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret angeführten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es ergeben sich bereits aus Unterkombinationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele vorteilhafte Reduktionen an Rechenaufwand.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings. However, the invention is not limited to the specifically cited exemplary embodiments, but advantageous reductions in the computing effort result from sub-combinations of the exemplary embodiments described.
Dabei zeigen:
-
1 schematisch ein rechtes und ein linkes Eingangsbild und in zwei Schritten berechnete Tiefenkarten, -
2 schematisch mehrere Verteilungen von Disparitäten zur Ausführung einer Analyse eines Originalbildes in zwei Schritten, -
3 schematisch mehrere Verteilungen von Disparitäten zur Ausführung einer Analyse eines Originalbildes in zwei Schritten mit veränderter dritter Verteilung, und -
4 schematisch eine Zusammenfassung von jeweils vier Pfaden zu einem Scan, welcher ein Originalbild analysiert.
-
1 schematically a right and a left input image and depth maps calculated in two steps, -
2 schematically several distributions of disparities for performing an analysis of an original image in two steps, -
3 schematically several distributions of disparities for carrying out an analysis of an original image in two steps with modified third distribution, and -
4 a schematic of a combination of four paths to a scan, which analyzes an original image.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Nachfolgend ist ein Verfahren zur Bildverarbeitung von Stereobildern zur Rechenzeitreduktion für global optimierende Stereoalgorithmen beschrieben. Zu dieser Verfahrensklasse gehören auch semi-globale Stereoalgorithmen (= Semi-global Matching).A method for image processing of stereo images to reduce computing time for globally optimizing stereo algorithms is described below. This class of methods also includes semi-global stereo algorithms (= semi-global matching).
Erfindungsgemäß werden zur Rechenzeitreduzierung von globalen Stereoalgorithmen in einem ersten Schritt S1 Bilddaten eines Originalbildes O aus dem rechten und dem linken Eingangsbild R, L ermittelt, anhand derer eine Tiefenkarte T1 des Originalbildes O mit einer reduzierten Auflösung, vorzugsweise halber Auflösung, berechnet wird, wobei das gesamte Originalbild O mit Tiefeninformation abgedeckt wird.According to the invention, to reduce the computing time of global stereo algorithms, in a first step S1 image data of an original image O are determined from the right and left input images R, L, based on which a depth map T1 of the original image O is calculated with a reduced resolution, preferably half the resolution, with the entire original image O is covered with depth information.
In einem zweiten Schritt S2 wird eine weitere Tiefenkarte T2 eines wählbaren Ausschnittes AO des Originalbildes O mit einer maximalen Auflösung berechnet, so dass der Ausschnitt AO mit genaueren Tiefeninformationen abgedeckt wird.In a second step S2, a further depth map T2 of a selectable section AO of the original image O is calculated with a maximum resolution, so that the section AO is covered with more precise depth information.
Bei der im ersten Schritt S1 durchgeführten Analyse des Originalbildes O und der Berechnung der Tiefenkarte T1 mit reduzierter, insbesondere halber Auflösung wird automatisch ein größerer Disparitätsbereich abgedeckt, jedoch mit einer reduzierten Genauigkeit. Da das Originalbild O gemäß der ersten Verteilung D1 insbesondere Disparitäten D mit Werten bis „127“ aufweist, resultiert aus der Untersuchung des Originalbildes O mit halbierter Auflösung eine zweite Verteilung D2 mit Werten von Disparitäten D bis „63“.In the analysis of the original image O performed in the first step S1 and the calculation of the depth map T1 with reduced, in particular half, resolution, a larger disparity range is automatically covered, but with reduced accuracy. Since the original image O according to the first distribution D1 has in particular disparities D with values up to “127”, examining the original image O with half the resolution results in a second distribution D2 with values from disparities D to “63”.
Die aus dem ersten Schritt S1 resultierenden Ergebnisse, d. h. die Tiefeninformationen der Tiefenkarte T1, werden zur Analyse des frei wählbaren Ausschnittes AO des Originalbildes O und zur Berechnung der zugehörigen Tiefenkarte T2 mit voller Auflösung, vorzugsweise Originalauflösung, im zweiten Schritt S2 wieder verwendet.The results resulting from the first step S1, i. H. the depth information of the depth map T1 is used again in the second step S2 to analyze the freely selectable section AO of the original image O and to calculate the associated depth map T2 with full resolution, preferably original resolution.
Dabei wird im zweiten Schritt S2 in der dritten Verteilung D3 der Disparitäten D zusätzlich eine maximale, in der Tiefenkarte T2 darzustellende Disparität Dmax vorgegeben. Im dargestellten Beispiel wird der Ausschnitt AO des Originalbildes O in der Originalauflösung mit einer maximalen Disparität Dmax von „63“ untersucht. Die Werte der Disparitäten D des ersten Schrittes S1 verdoppeln sich aufgrund der Verdopplung der Auflösung, so dass eine Disparität D mit dem Wert „31“ aus dem ersten Schritt S1 einer Disparität D mit dem Wert „62“ im zweiten Schritt S2 entspricht.In the second step S2, a maximum disparity Dmax to be displayed in the depth map T2 is additionally specified in the third distribution D3 of the disparities D. In the example shown, the section AO of the original image O is examined in the original resolution with a maximum disparity D max of "63". The values of the disparities D of the first step S1 double due to the doubling of the resolution, so that a disparity D with the value “31” from the first step S1 corresponds to a disparity D with the value “62” in the second step S2.
Dadurch werden Bereiche des Ausschnittes AO, welche im ersten Schritt S1 als Objekte mit sehr hohen Disparitäten D, insbesondere größer als „31“, erkannt wurden, im zweiten Schritt S2 ausgelassen und auf die vorgegebenen maximale Disparität Dmax mit dem Wert „63“ abgebildet. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Ähnlichkeitskosten an der Position der maximalen Disparität Dmax auf den Wert „Null“ gesetzt werden, so dass der global optimierende Stereoalgorithmus immer die maximale Disparität Dmax als Lösung wählt.As a result, areas of section AO which were recognized in first step S1 as objects with very high disparities D, in particular greater than “31”, are left out in second step S2 and mapped to the specified maximum disparity Dmax with the value “63”. This is achieved in particular by setting the similarity costs at the position of the maximum disparity Dmax to the value "zero", so that the globally optimizing stereo algorithm always chooses the maximum disparity Dmax as the solution.
In einer nicht näher dargestellten Nachbearbeitung des zweiten Schrittes S2 werden dann bevorzugt alle Bereiche mit der maximalen Disparität Dmax von „63“ durch die gefundene Disparität D aus dem ersten Schritt S1 ersetzt.In a post-processing of the second step S2 that is not shown in detail, all areas with the maximum disparity Dmax of “63” are then preferably replaced by the disparity D found from the first step S1.
Für eine Berechnung einer nicht näher dargestellten Tiefenkarte des Originalbildes O mit maximaler Auflösung und einer Disparität Dmax von „128“ (= Werte von „0“ bis „127“) ergibt sich ein Aufwand X1 wie folgt:
Für die beschriebene Berechnung der Tiefenkarten T1 und T2 des Originalbildes O in zwei Schritten S1, S2 mit einer reduzierten Disparität D von „64“ (= Werte von „0“ bis „63“) ergibt sich ein Aufwand X2 wie folgt:
Alternativ zu der durchgeführten Berechnung der Tiefenkarte T2 mit Disparitäten D bis zu einem Wert von „63“ in der dritten Verteilung D3, kann der zweite Schritt S2 auch mit Disparitäten D in halben Disparitätsstufen gemäß einer in
Dabei werden für Disparitäten D, welche größer als die maximale Disparität Dmax mit dem Wert „31“ sind, die grob aufgelösten Disparitäten D, d. h. Disparitäten D mit Werten größer „16“, aus der Tiefenkarte T1 des ersten Schrittes S1 verwendet.For disparities D that are greater than the maximum disparity Dmax with the value "31", the roughly resolved disparities D, i. H. Disparities D with values greater than "16", used from the depth map T1 of the first step S1.
Für eine Generierung der Ähnlichkeitskosten wird zusätzlich eine Interpolation der Grauwerte durchgeführt, um für nicht ganzzahlige Disparitäten D Werte zu generieren. Die Disparitäten D mit Werten von „31“ bis „63“ werden weniger präzise als im ersten Schritt S1 vermessen, die Disparitäten D mit Werten von „0“ bis „31“ dagegen genauer.To generate the similarity costs, the gray values are additionally interpolated in order to generate D values for non-integer disparities. The disparities D with values from “31” to “63” are measured less precisely than in the first step S1, while the disparities D with values from “0” to “31” are measured more precisely.
Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, für die kleinsten Disparitäten D mit Werten von bis zu „31“ eine um einen Faktor „2“ verbesserte Genauigkeit zu erzielen.As a result, it is advantageously possible to achieve an accuracy improved by a factor of “2” for the smallest disparities D with values of up to “31”.
Aus dem Stand der Technik [„Hirschmüller, H.: Accurate and Efficient Stereo Processing by Semi-Global Matching and Mutual Information; in: IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR'05), 2. Jg., S. 807-814“] ist ein semi-globaler Stereoalgorithmus (= Semi-global Matching) bekannt, der das globale zweidimensionale Optimierungsproblem der Stereoberechnung auf eine durch mehrere eindimensionale Pfade A1 bis A4, B1 bis B4 (= Richtungen) approximierte Optimierung reduziert. Dabei sind in einem Ursprungsalgorithmus für jeden Pfad A1 bis A4, B1 bis B4 externe lesende und schreibende Speicherzugriffe nötig, um die Pfadkosten zu akkumulieren. Eine bevorzugte Wahl als Kompromiss zwischen einem geringen Rechenaufwand und einer hohen Genauigkeit sind acht Pfade A1 bis A4, B1 bis B4.From the prior art [“Hirschmüller, H.: Accurate and Efficient Stereo Processing by Semi-Global Matching and Mutual Information; in: IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR'05), vol. 2, pp. 807-814"] is a semi-global stereo algorithm (= Semi-global Mat ching) that reduces the global two-dimensional optimization problem of the stereo calculation to an optimization approximated by several one-dimensional paths A1 to A4, B1 to B4 (= directions). In this case, external read and write memory accesses are necessary in an original algorithm for each path A1 to A4, B1 to B4 in order to accumulate the path costs. Eight paths A1 to A4, B1 to B4 are a preferred choice as a compromise between low computational effort and high accuracy.
Die Analyse (= Scannen) des Originalbildes O zur Erfassung von Tiefeninformationen und zur Berechnung der Tiefenkarten T1, T2 ist möglich, da nur akkumulierte Pfadkosten für eine Zeile pro Pfad A1 bis A4, B1 bis B4 und alle möglichen Disparitäten D für die Berechnung notwendig sind. Damit können für die vier Pfade A1 bis A4 auf einmal alle Berechnungen in einer Recheneinheit RA bzw. für die vier Pfade B1 bis B4 in einer Recheneinheit RB intern verarbeitet werden, ohne auf einen nicht näher dargestellten externen Speicher zuzugreifen. Dabei wird anhand von Scan A das Originalbild O insbesondere von links oben nach rechts unten und anhand von Scan B von rechts unten nach links oben analysiert.The analysis (=scanning) of the original image O to acquire depth information and to calculate the depth maps T1, T2 is possible since only accumulated path costs for one line per path A1 to A4, B1 to B4 and all possible disparities D are necessary for the calculation . This means that all calculations for the four paths A1 to A4 can be processed internally in a computing unit RA or for the four paths B1 to B4 in a computing unit RB without accessing an external memory (not shown). The original image O is analyzed in particular from top left to bottom right on the basis of scan A and from bottom right to top left on the basis of scan B.
Durch die gleichzeitige Verarbeitung und eine interne Pufferung von mehreren Pfaden A1 bis A4, B1 bis B4 bzw. Richtungen, wobei nur eine Zeile Pufferung pro Pfad A1 bis A4, B1 bis B4 notwendig ist, verringert sich eine notwendige externe Speicher-Bandbreite um ein Vielfaches und eine Integration des semi-globalen Stereoalgorithmus in ein FPGA (= Field Programmable Gate Arrays) ist derart realisierbar, dass der Stereoalgorithmus auf diesem in Echtzeit ausführbar ist. The simultaneous processing and internal buffering of several paths A1 to A4, B1 to B4 or directions, with only one line of buffering per path A1 to A4, B1 to B4 being necessary, reduces the required external memory bandwidth many times over and an integration of the semi-global stereo algorithm into an FPGA (=Field Programmable Gate Array) can be implemented in such a way that the stereo algorithm can be executed on it in real time.
BezugszeichenlisteReference List
- AA
- Scanscan
- AOoh
- Ausschnittcutout
- A1 bis A4A1 to A4
- Pfadpath
- BB
- Scanscan
- B1 bis B4B1 to B4
- Pfadpath
- DD
- Disparitätdisparity
- DmaxDmax
- Maximale DisparitätMaximum disparity
- D1D1
- Erste VerteilungFirst distribution
- D2D2
- Zweite VerteilungSecond distribution
- D3D3
- Dritte VerteilungThird distribution
- D3'D3'
- Dritte VerteilungThird distribution
- LL
- Linkes Eingangsbild/StereobildLeft input image/stereo image
- OO
- Originalbildoriginal image
- RR
- Rechtes Eingangsbild/StereobildRight input image/stereo image
- RARA
- Recheneinheitunit of account
- RBRB
- Recheneinheitunit of account
- S1S1
- Erster SchrittFirst step
- S2S2
- Zweiter SchrittSecond step
- T1T1
- Tiefenkartedepth map
- T2T2
- Tiefenkartedepth map
- X1X1
- Aufwandexpenditure
- X2X2
- Aufwandexpenditure
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OAV | Publication of unexamined application with consent of applicant | ||
R012 | Request for examination validly filed | ||
R012 | Request for examination validly filed |
Effective date: 20140911 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: MERCEDES-BENZ GROUP AG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE Owner name: DAIMLER AG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
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