JP2004040422A - Image processing method and apparatus - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image processing apparatus that provides consecutive pictures such as moving pictures with higher image quality without increasing a frame rate at imaging and a data capacity at storage. <P>SOLUTION: An image read section 12 reads two kinds of data including the same visual space with different resolutions and frame rates. A corresponding information integrating section 24 integrates the corresponding information between adjacent images of a low resolution image and generates the corresponding information between key frames. A number of pixel conversion section 30 makes the corresponding point of the integrated corresponding information corresponding to the number of pixels of a high resolution image. A high resolution intermediate image generating section 32 generates an intermediate image with high resolution at an optional temporal interval on the basis of the high resolution image data and the corresponding information whose numbers of pixels are converted. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

ただしここで、
【数２】

とする。以降これら４つの画像を副画像（サブイメージ）と呼ぶ。ｍｉｎ_{ｘ≦ｔ≦ｘ＋１}、ｍａｘ_{ｘ≦ｔ≦ｘ＋１}をそれぞれα及びβと記述すると、副画像はそれぞれ以下のように記述できる。
【００２９】
Ｐ^{（ｍ，０）}＝α（ｘ）α（ｙ）ｐ^{（ｍ＋１，０）}
　　Ｐ^{（ｍ，１）}＝α（ｘ）β（ｙ）ｐ^{（ｍ＋１，１）}
　　Ｐ^{（ｍ，２）}＝β（ｘ）α（ｙ）ｐ^{（ｍ＋１，２}）
Ｐ^{（ｍ，３）}＝β（ｘ）β（ｙ）ｐ^{（ｍ＋１，３）}
　すなわち、これらはαとβのテンソル積のようなものと考えられる。副画像はそれぞれ特異点に対応している。これらの式から明らかなように、特異点フィルタはもとの画像について２×２画素で構成されるブロックごとに特異点を検出する。その際、各ブロックのふたつの方向、つまり縦と横について、最大画素値または最小画素値をもつ点を探索する。画素値として、前提技術では輝度を採用するが、画像に関するいろいろな数値を採用することができる。ふたつの方向の両方について最大画素値となる画素は極大点、ふたつの方向の両方について最小画素値となる画素は極小点、ふたつの方向の一方について最大画素値となるとともに、他方について最小画素値となる画素は鞍点として検出される。
【００３０】
特異点フィルタは、各ブロックの内部で検出された特異点の画像（ここでは１画素）でそのブロックの画像（ここでは４画素）を代表させることにより、画像の解像度を落とす。特異点の理論的な観点からすれば、α（ｘ）α（ｙ）は極小点を保存し、β（ｘ）β（ｙ）は極大点を保存し、α（ｘ）β（ｙ）及びβ（ｘ）α（ｙ）は鞍点を保存する。
【００３１】
はじめに、マッチングをとるべき始点（ソース）画像と終点（デスティネーション）画像に対して別々に特異点フィルタ処理を施し、それぞれ一連の画像群、すなわち始点階層画像と終点階層画像を生成しておく。始点階層画像と終点階層画像は、特異点の種類に対応してそれぞれ４種類ずつ生成される。
【００３２】
この後、一連の解像度レベルの中で始点階層画像と終点階層画像のマッチングがとられていく。まずｐ^{（ｍ，０）}を用いて極小点のマッチングがとられる。次に、その結果に基づき、ｐ^{（ｍ，１）}を用いて鞍点のマッチングがとられ、ｐ^{（ｍ，２）}を用いて他の鞍点のマッチングがとられる。そして最後にｐ^{（ｍ，３）}を用いて極大点のマッチングがとられる。
【００３３】
図１（ｃ）と図１（ｄ）はそれぞれ図１（ａ）と図１（ｂ）の副画像ｐ^{（５，０）}を示している。同様に、図１（ｅ）と図１（ｆ）はｐ^{（５，１）}、図１（ｇ）と図１（ｈ）はｐ^{（５，２）}、図１（ｉ）と図１（ｊ）はｐ^{（５，３）}をそれぞれ示している。これらの図からわかるとおり、副画像によれば画像の特徴部分のマッチングが容易になる。まずｐ^{（５，０）}によって目が明確になる。目は顔の中で輝度の極小点だからである。ｐ^{（５，１）}によれば口が明確になる。口は横方向で輝度が低いためである。ｐ^{（５，２）}によれば首の両側の縦線が明確になる。最後に、ｐ^{（５，３）}によって耳や頬の最も明るい点が明確になる。これらは輝度の極大点だからである。
【００３４】
特異点フィルタによれば画像の特徴が抽出できるため、例えばカメラで撮影された画像の特徴と、予め記録しておいたいくつかのオブジェクトの特徴を比較することにより、カメラに映った被写体を識別することができる。
【００３５】
［１．３］画像間の写像の計算
始点画像の位置（ｉ，ｊ）の画素をｐ^（ｎ） _{（ｉ，ｊ）}と書き、同じく終点画像の位置（ｋ，ｌ）の画素をｑ^（ｎ） _{（ｋ，ｌ）}で記述する。ｉ，ｊ，ｋ，ｌ∈Ｉとする。画像間の写像のエネルギー（後述）を定義する。このエネルギーは、始点画像の画素の輝度と終点画像の対応する画素の輝度の差、及び写像の滑らかさによって決まる。最初に最小のエネルギーを持つｐ^{（ｍ，０）}とｑ^{（ｍ，０）}間の写像ｆ^{（ｍ，０）}：ｐ^{（ｍ，０）}→ｑ^{（ｍ，０）}が計算される。ｆ^{（ｍ，０）}に基づき、最小エネルギーを持つｐ^（ｍ，１）、ｑ^{（ｍ，１）}間の写像ｆ^{（ｍ，１）}が計算される。この手続は、ｐ^{（ｍ，３）}とｑ^{（ｍ，３）}の間の写像ｆ^{（ｍ，３）}の計算が終了するまで続く。各写像ｆ^{（ｍ，ｉ）}（ｉ＝０，１，２，…）を副写像と呼ぶことにする。ｆ^{（ｍ，ｉ）}の計算の都合のために、ｉの順序は次式のように並べ替えることができる。並べ替えが必要な理由は後述する。
【００３６】
【数３】

ここでσ（ｉ）∈｛０，１，２，３｝である。
【００３７】
［１．３．１］全単射
始点画像と終点画像の間のマッチングを写像で表現する場合、その写像は両画像間で全単射条件を満たすべきである。両画像に概念上の優劣はなく、互いの画素が全射かつ単射で接続されるべきだからである。しかしながら通常の場合とは異なり、ここで構築すべき写像は全単射のデジタル版である。前提技術では、画素は格子点によって特定される。
【００３８】
始点副画像（始点画像について設けられた副画像）から終点副画像（終点画像について設けられた副画像）への写像は、ｆ^{（ｍ，ｓ）}：Ｉ／２^ｎ−ｍ×Ｉ／２^ｎ−ｍ→Ｉ／２^ｎ−ｍ×Ｉ／２^ｎ−ｍ（ｓ＝０，１，…）によって表される。ここで、ｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）＝（ｋ，ｌ）は、始点画像のｐ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}が終点画像のｑ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｋ，ｌ）}に写像されることを意味する。簡単のために、ｆ（ｉ，ｊ）＝（ｋ，ｌ）が成り立つとき画素ｑ_{（ｋ，ｌ）}をｑ_{ｆ（ｉ，ｊ）}と記述する。
【００３９】
前提技術で扱う画素（格子点）のようにデータが離散的な場合、全単射の定義は重要である。ここでは以下のように定義する（ｉ，ｉ’，ｊ，ｊ’，ｋ，ｌは全て整数とする）。まず始めに、始点画像の平面においてＲによって表記される各正方形領域、
【数４】

を考える（ｉ＝０，…，２^ｍ−１、ｊ＝０，…，２^ｍ−１）。ここでＲの各辺（エッジ）の方向を以下のように定める。
【００４０】
【数５】

この正方形は写像ｆによって終点画像平面における四辺形に写像されなければならない。ｆ^{（ｍ，ｓ）}（Ｒ）によって示される四辺形、
【数６】

は、以下の全単射条件を満たす必要がある。
【００４１】
１．四辺形ｆ^{（ｍ，ｓ）}（Ｒ）のエッジは互いに交差しない。
２．ｆ^{（ｍ，ｓ）}（Ｒ）のエッジの方向はＲのそれらに等しい（図２の場合、時計回り）。
３．緩和条件として収縮写像（リトラクション：ｒｅｔｒａｃｔｉｏｎｓ）を許す。
【００４２】
何らかの緩和条件を設けないかぎり、全単射条件を完全に満たす写像は単位写像しかないためである。ここではｆ^{（ｍ，ｓ）}（Ｒ）のひとつのエッジの長さが０、すなわちｆ^{（ｍ，ｓ）}（Ｒ）は三角形になってもよい。しかし、面積が０となるような図形、すなわち１点または１本の線分になってはならない。図２（Ｒ）がもとの四辺形の場合、図２（Ａ）と図２（Ｄ）は全単射条件を満たすが、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｅ）は満たさない。
【００４３】
実際のインプリメンテーションでは、写像が全射であることを容易に保証すべく、さらに以下の条件を課してもよい。つまり始点画像の境界上の各画素は、終点画像において同じ位置を占める画素に写影されるというものである。すなわち、ｆ（ｉ，ｊ）＝（ｉ，ｊ）（ただしｉ＝０，ｉ＝２^ｍ−１，ｊ＝０，ｊ＝２^ｍ−１の４本の線上）である。この条件を以下「付加条件」とも呼ぶ。
【００４４】
［１．３．２］写像のエネルギー
［１．３．２．１］画素の輝度に関するコスト
写像ｆのエネルギーを定義する。エネルギーが最小になる写像を探すことが目的である。エネルギーは主に、始点画像の画素の輝度とそれに対応する終点画像の画素の輝度の差で決まる。すなわち、写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}の点（ｉ，ｊ）におけるエネルギーＣ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}は次式によって定まる。
【００４５】
【数７】

ここで、Ｖ（ｐ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}）及びＶ（ｑ^{（ｍ，ｓ）} _{ｆ（ｉ，ｊ）}）はそれぞれ画素ｐ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}及びｑ^{（ｍ，ｓ）} _{ｆ（ｉ，ｊ）}の輝度である。ｆのトータルのエネルギーＣ^{（ｍ，ｓ）}は、マッチングを評価するひとつの評価式であり、つぎに示すＣ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}の合計で定義できる。
【００４６】
【数８】

［１．３．２．２］滑らかな写像のための画素の位置に関するコスト
滑らかな写像を得るために、写像に関する別のエネルギーＤｆを導入する。このエネルギーは画素の輝度とは関係なく、ｐ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}およびｑ^{（ｍ，ｓ）} _{ｆ（ｉ，ｊ）}の位置によって決まる（ｉ＝０，…，２^ｍ−１，ｊ＝０，…，２^ｍ−１）。点（ｉ，ｊ）における写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}のエネルギーＤ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}は次式で定義される。
【００４７】
【数９】

ただし、係数パラメータηは０以上の実数であり、また、
【数１０】

【数１１】

とする。ここで、
【数１２】

であり、ｉ’＜０およびｊ’＜０に対してｆ（ｉ’，ｊ’）は０と決める。Ｅ_０は（ｉ，ｊ）及びｆ（ｉ，ｊ）の距離で決まる。Ｅ_０は画素があまりにも離れた画素へ写影されることを防ぐ。ただしＥ_０は、後に別のエネルギー関数で置き換える。Ｅ_１は写像の滑らかさを保証する。Ｅ_１は、ｐ_{（ｉ，ｊ）}の変位とその隣接点の変位の間の隔たりを表す。以上の考察をもとに、マッチングを評価する別の評価式であるエネルギーＤ_ｆは次式で定まる。
【００４８】
【数１３】

［１．３．２．３］写像の総エネルギー
写像の総エネルギー、すなわち複数の評価式の統合に係る総合評価式はλＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆ＋Ｄ^{（ｍ，ｓ）} _ｆで定義される。ここで係数パラメータλは０以上の実数である。目的は総合評価式が極値をとる状態を検出すること、すなわち次式で示す最小エネルギーを与える写像を見いだすことである。
【００４９】
【数１４】

λ＝０及びη＝０の場合、写像は単位写像になることに注意すべきである（すなわち、全てのｉ＝０，…，２^ｍ−１及びｊ＝０，…，２^ｍ−１に対してｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）＝（ｉ，ｊ）となる）。後述のごとく、本前提技術では最初にλ＝０及びη＝０の場合を評価するため、写像を単位写像から徐々に変形していくことができる。仮に総合評価式のλの位置を変えてＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆ＋λＤ^{（ｍ，ｓ）} _ｆと定義したとすれば、λ＝０及びη＝０の場合に総合評価式がＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆだけになり、本来何等関連のない画素どうしが単に輝度が近いというだけで対応づけられ、写像が無意味なものになる。そうした無意味な写像をもとに写像を変形していってもまったく意味をなさない。このため、単位写像が評価の開始時点で最良の写像として選択されるよう係数パラメータの与えかたが配慮されている。
【００５０】
オプティカルフローもこの前提技術同様、画素の輝度の差と滑らかさを考慮する。しかし、オプティカルフローは画像の変換に用いることはできない。オブジェクトの局所的な動きしか考慮しないためである。前提技術に係る特異点フィルタを用いることによって大域的な対応関係を検出することができる。
【００５１】
［１．３．３］多重解像度の導入による写像の決定
最小エネルギーを与え、全単射条件を満足する写像ｆ_ｍｉｎを多重解像度の階層を用いて求める。各解像度レベルにおいて始点副画像及び終点副画像間の写像を計算する。解像度の階層の最上位（最も粗いレベル）からスタートし、各解像度レベルの写像を、他のレベルの写像を考慮に入れながら決定する。各レベルにおける写像の候補の数は、より高い、つまりより粗いレベルの写像を用いることによって制限される。より具体的には、あるレベルにおける写像の決定に際し、それよりひとつ粗いレベルにおいて求められた写像が一種の拘束条件として課される。
【００５２】
まず、
【数１５】

が成り立つとき、ｐ^{（ｍ−１，ｓ）} _{（ｉ’，ｊ’）}、ｑ^{（ｍ−１，ｓ）} _{（ｉ’，ｊ’）}をそれぞれｐ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}、ｑ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}のｐａｒｅｎｔと呼ぶことにする。［ｘ］はｘを越えない最大整数である。またｐ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}、ｑ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}をそれぞれｐ^{（ｍ−１，ｓ）} _{（ｉ’，ｊ’）}、ｑ^{（ｍ−１，ｓ）} _{（ｉ’，ｊ’）}のｃｈｉｌｄと呼ぶ。関数ｐａｒｅｎｔ（ｉ，ｊ）は次式で定義される。
【００５３】
【数１６】

ｐ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}とｑ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｋ，ｌ）}の間の写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}は、エネルギー計算を行って最小になったものを見つけることで決定される。ｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）＝（ｋ，ｌ）の値はｆ^{（ｍ−１，ｓ）}（ｍ＝１，２，…，ｎ）を用いることによって、以下のように決定される。まず、ｑ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｋ，ｌ）}は次の四辺形の内部になければならないという条件を課し、全単射条件を満たす写像のうち現実性の高いものを絞り込む。
【００５４】
【数１７】

ただしここで、
【数１８】

である。こうして定めた四辺形を、以下ｐ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}の相続（ｉｎｈｅｒｉｔｅｄ）四辺形と呼ぶことにする。相続四辺形の内部において、エネルギーを最小にする画素を求める。
【００５５】
図３は以上の手順を示している。同図において、始点画像のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの画素は、第ｍ−１レベルにおいてそれぞれ終点画像のＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’へ写影される。画素ｐ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}は、相続四辺形Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の内部に存在する画素ｑ^{（ｍ，ｓ）} _{ｆ（ｍ）（ｉ，ｊ）}へ写影されなければならない。以上の配慮により、第ｍ−１レベルの写像から第ｍレベルの写像への橋渡しがなされる。
【００５６】
先に定義したエネルギーＥ_０は、第ｍレベルにおける副写像ｆ^（ｍ，０）を計算するために、次式に置き換える。
【００５７】
【数１９】

また、副写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}を計算するためには次式を用いる。
【００５８】
【数２０】

こうしてすべての副写像のエネルギーを低い値に保つ写像が得られる。式２０により、異なる特異点に対応する副写像が、副写像どうしの類似度が高くなるように同一レベル内で関連づけられる。式１９は、ｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）と、第ｍ−１レベルの画素の一部と考えた場合の（ｉ，ｊ）が射影されるべき点の位置との距離を示している。
【００５９】
仮に、相続四辺形Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の内部に全単射条件を満たす画素が存在しない場合は以下の措置をとる。まず、Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の境界線からの距離がＬ（始めはＬ＝１）である画素を調べる。それらのうち、エネルギーが最小になるものが全単射条件を満たせば、これをｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）の値として選択する。そのような点が発見されるか、またはＬがその上限のＬ^（ｍ）ｍａｘに到達するまで、Ｌを大きくしていく。Ｌ^（ｍ）ｍａｘは各レベルｍに対して固定である。そのような点が全く発見されない場合、全単射の第３の条件を一時的に無視して変換先の四辺形の面積がゼロになるような写像も認め、ｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）を決定する。それでも条件を満たす点が見つからない場合、つぎに全単射の第１及び第２条件を外す。
【００６０】
多重解像度を用いる近似法は、写像が画像の細部に影響されることを回避しつつ、画像間の大域的な対応関係を決定するために必須である。多重解像度による近似法を用いなければ、距離の遠い画素間の対応関係を見いだすことは不可能である。その場合、画像のサイズはきわめて小さなものに限定しなければならず、変化の小さな画像しか扱うことができない。さらに、通常写像に滑らかさを要求するため、そうした画素間の対応関係を見つけにくくしている。距離のある画素から画素への写像のエネルギーは高いためである。多重解像度を用いた近似法によれば、そうした画素間の適切な対応関係を見いだすことができる。それらの距離は、解像度の階層の上位レベル（粗いレベル）において小さいためである。
【００６１】
［１．４］最適なパラメータ値の自動決定
既存のマッチング技術の主な欠点のひとつに、パラメータ調整の困難さがある。大抵の場合、パラメータの調整は人手作業によって行われ、最適な値を選択することはきわめて難しい。前提技術に係る方法によれば、最適なパラメータ値を完全に自動決定することができる。
【００６２】
前提技術に係るシステムはふたつのパラメータ、λ及びηを含む。端的にいえば、λは画素の輝度の差の重みであり、ηは写像の剛性を示している。これらのパラメータの値は初期値が０であり、まずη＝０に固定してλを０から徐々に増加させる。λの値を大きくしながら、しかも総合評価式（式１４）の値を最小にする場合、各副写像に関するＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの値は一般に小さくなっていく。このことは基本的にふたつの画像がよりマッチしなければならないことを意味する。しかし、λが最適値を超えると以下の現象が発生する。
【００６３】
１．本来対応すべきではない画素どうしが、単に輝度が近いというだけで誤って対応づけられる。
２．その結果、画素どうしの対応関係がおかしくなり、写像がくずれはじめる。
３．その結果、式１４においてＤ^{（ｍ，ｓ）} _ｆが急激に増加しようとする。
４．その結果、式１４の値が急激に増加しようとするため、Ｄ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの急激な増加を抑制するようｆ^{（ｍ，ｓ）}が変化し、その結果Ｃ^{（ｍ，ｓ）} _ｆが増加する。
したがって、λを増加させながら式１４が最小値をとるという状態を維持しつつＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆが減少から増加に転じる閾値を検出し、そのλをη＝０における最適値とする。つぎにηを少しずつ増やしてＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの挙動を検査し、後述の方法でηを自動決定する。そのηに対応してλも決まる。
【００６４】
この方法は、人間の視覚システムの焦点機構の動作に似ている。人間の視覚システムでは、一方の目を動かしながら左右両目の画像のマッチングがとられる。オブジェクトがはっきりと認識できるとき、その目が固定される。
【００６５】
［１．４．１］λの動的決定
λは０から所定の刻み幅で増加されていき、λの値が変わる度に副写像が評価される。式１４のごとく、総エネルギーはλＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆ＋Ｄ^{（ｍ，ｓ）} _ｆによって定義される。式９のＤ^{（ｍ，ｓ）} _ｆは滑らかさを表すもので、理論的には単位写像の場合に最小になり、写像が歪むほどＥ_０もＥ_１も増加していく。Ｅ_１は整数であるから、Ｄ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの最小刻み幅は１である。このため、現在のλＣ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}の変化（減少量）が１以上でなければ、写像を変化させることによって総エネルギーを減らすことはできない。なぜなら、写像の変化に伴ってＤ^{（ｍ，ｓ）} _ｆは１以上増加するため、λＣ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}が１以上減少しない限り総エネルギーは減らないためである。
【００６６】
この条件のもと、λの増加に伴い、正常な場合にＣ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}が減少することを示す。Ｃ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}のヒストグラムをｈ（ｌ）と記述する。ｈ（ｌ）はエネルギーＣ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}がｌ^２である画素の数である。λｌ^２≧１が成り立つために、例えばｌ^２＝１／λの場合を考える。λがλ_１からλ_２まで微小量変化するとき、
【数２１】

で示されるＡ個の画素が、
【数２２】

のエネルギーを持つより安定的な状態に変化する。ここでは仮に、これらの画素のエネルギーがすべてゼロになると近似している。この式はＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの値が、
【数２３】

だけ変化することを示し、その結果、
【数２４】

が成立する。ｈ（ｌ）＞０であるから、通常Ｃ^{（ｍ，ｓ）} _ｆは減少する。しかし、λが最適値を越えようとするとき、上述の現象、つまりＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの増加が発生する。この現象を検出することにより、λの最適値を決定する。
【００６７】
なお、Ｈ（ｈ＞０）及びｋを定数とするとき、
【数２５】

と仮定すれば、
【数２６】

が成り立つ。このときｋ≠−３であれば、
【数２７】

となる。これがＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの一般式である（Ｃは定数）。
【００６８】
λの最適値を検出する際、さらに安全を見て、全単射条件を破る画素の数を検査してもよい。ここで各画素の写像を決定する際、全単射条件を破る確率をｐ_０と仮定する。この場合、
【数２８】

が成立しているため、全単射条件を破る画素の数は次式の率で増加する。
【００６９】
【数２９】

従って、
【数３０】

は定数である。仮にｈ（ｌ）＝Ｈｌ^ｋを仮定するとき、例えば、
【数３１】

は定数になる。しかしλが最適値を越えると、上の値は急速に増加する。この現象を検出し、Ｂ_０λ^{３／２＋ｋ／２}／２^ｍの値が異常値Ｂ_{０ｔｈｒｅｓ}を越えるかどうかを検査し、λの最適値を決定することができる。同様に、Ｂ_１λ^{３／２＋ｋ／２}／２^ｍの値が異常値Ｂ_{１ｔｈｒｅｓ}を越えるかどうかを検査することにより、全単射の第３の条件を破る画素の増加率Ｂ_１を確認する。ファクター２^ｍを導入する理由は後述する。このシステムはこれら２つの閾値に敏感ではない。これらの閾値は、エネルギーＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの観察では検出し損なった写像の過度の歪みを検出するために用いることができる。
【００７０】
なお実験では、副写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}を計算する際、もしλが０．１を越えたらｆ^{（ｍ，ｓ）}の計算は止めてｆ^{（ｍ，ｓ＋１）}の計算に移行した。λ＞０．１のとき、画素の輝度２５５レベル中のわずか「３」の違いが副写像の計算に影響したためであり、λ＞０．１のとき正しい結果を得ることは困難だったためである。
【００７１】
［１．４．２］ヒストグラムｈ（ｌ）
Ｃ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの検査はヒストグラムｈ（ｌ）に依存しない。全単射及びその第３の条件の検査の際、ｈ（ｌ）に影響を受けうる。実際に（λ，Ｃ^{（ｍ，ｓ）} _ｆ）をプロットすると、ｋは通常１付近にある。実験ではｋ＝１を用い、Ｂ_０λ^２とＢ_１λ^２を検査した。仮にｋの本当の値が１未満であれば、Ｂ_０λ^２とＢ_１λ^２は定数にならず、ファクターλ^{（１−ｋ）／２}に従って徐々に増加する。ｈ（ｌ）が定数であれば、例えばファクターはλ^１／２である。しかし、こうした差は閾値Ｂ_{０ｔｈｒｅｓ}を正しく設定することによって吸収することができる。
【００７２】
ここで次式のごとく始点画像を中心が（ｘ_０，ｙ_０）、半径ｒの円形のオブジェクトであると仮定する。
【数３２】

一方、終点画像は、次式のごとく中心（ｘ_１，ｙ_１）、半径がｒのオブジェクトであるとする。
【数３３】

ここでｃ（ｘ）はｃ（ｘ）＝ｘ^ｋの形であるとする。中心（ｘ_０，ｙ_０）及び（ｘ_１，ｙ_１）が十分遠い場合、ヒストグラムｈ（ｌ）は次式の形となる。
【数３４】

ｋ＝１のとき、画像は背景に埋め込まれた鮮明な境界線を持つオブジェクトを示す。このオブジェクトは中心が暗く、周囲にいくに従って明るくなる。ｋ＝−１のとき、画像は曖昧な境界線を持つオブジェクトを表す。このオブジェクトは中心が最も明るく、周囲にいくに従って暗くなる。一般のオブジェクトはこれらふたつのタイプのオブジェクトの中間にあると考えてもさして一般性を失わない。したがって、ｋは−１≦ｋ≦１として大抵の場合をカバーでき、式２７が一般に減少関数であることが保障される。
【００７３】
なお、式３４からわかるように、ｒは画像の解像度に影響されること、すなわちｒは２ｍに比例することに注意すべきである。このために［１．４．１］においてファクター２ｍを導入した。
【００７４】
［１．４．３］ηの動的決定
パラメータηも同様の方法で自動決定できる。はじめにη＝０とし、最も細かい解像度における最終的な写像ｆ^（ｎ）及びエネルギーＣ^（ｎ） _ｆを計算する。つづいて、ηをある値Δηだけ増加させ、再び最も細かい解像度における最終写像ｆ^（ｎ）及びエネルギーＣ^（ｎ） _ｆを計算し直す。この過程を最適値が求まるまで続ける。ηは写像の剛性を示す。次式の重みだからである。
【００７５】
【数３５】

ηが０のとき、Ｄ^（ｎ） _ｆは直前の副写像と無関係に決定され、現在の副写像は弾性的に変形され、過度に歪むことになる。一方、ηが非常に大きな値のとき、Ｄ^（ｎ） _ｆは直前の副写像によってほぼ完全に決まる。このとき副写像は非常に剛性が高く、画素は同じ場所に射影される。その結果、写像は単位写像になる。ηの値が０から次第に増えるとき、後述のごとくＣ^（ｎ） _ｆは徐々に減少する。しかしηの値が最適値を越えると、図４に示すとおり、エネルギーは増加し始める。同図のＸ軸はη、Ｙ軸はＣ_ｆである。
【００７６】
この方法でＣ^（ｎ） _ｆを最小にする最適なηの値を得ることができる。しかし、λの場合に比べていろいろな要素が計算に影響する結果、Ｃ^（ｎ） _ｆは小さく揺らぎながら変化する。λの場合は、入力が微小量変化するたびに副写像を１回計算しなおすだけだが、ηの場合はすべての副写像が計算しなおされるためである。このため、得られたＣ^（ｎ） _ｆの値が最小であるかどうかを即座に判断することはできない。最小値の候補が見つかれば、さらに細かい区間を設定することによって真の最小値を探す必要がある。
【００７７】
［１．５］スーパーサンプリング
画素間の対応関係を決定する際、自由度を増やすために、ｆ^{（ｍ，ｓ）}の値域をＲ×Ｒに拡張することができる（Ｒは実数の集合）。この場合、終点画像の画素の輝度が補間され、非整数点、
【数３６】

における輝度を持つｆ^{（ｍ，ｓ）}が提供される。つまりスーパーサンプリングが行われる。実験では、ｆ^{（ｍ，ｓ）}は整数及び半整数値をとることが許され、
【数３７】

は、
【数３８】

によって与えられた。
【００７８】
［１．６］各画像の画素の輝度の正規化
始点画像と終点画像がきわめて異なるオブジェクトを含んでいるとき、写像の計算に元の画素の輝度がそのままでは利用しにくい。輝度の差が大きいために輝度に関するエネルギーＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆが大きくなりすぎ、正しい評価がしづらいためである。
【００７９】
例えば、人の顔と猫の顔のマッチングをとる場合を考える。猫の顔は毛で覆われており、非常に明るい画素と非常に暗い画素が混じっている。この場合、ふたつの顔の間の副写像を計算するために、まず副画像を正規化する。すなわち、最も暗い画素の輝度を０、最も明るいそれを２５５に設定し、他の画素の輝度は線形補間によって求めておく。
【００８０】
［１．７］インプリメンテーション
始点画像のスキャンに従って計算がリニアに進行する帰納的な方法を用いる。始めに、１番上の左端の画素（ｉ，ｊ）＝（０，０）についてｆ^{（ｍ，ｓ）}の値を決定する。次にｉを１ずつ増やしながら各ｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）の値を決定する。ｉの値が画像の幅に到達したとき、ｊの値を１増やし、ｉを０に戻す。以降、始点画像のスキャンに伴いｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）を決定していく。すべての点について画素の対応が決まれば、ひとつの写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}が決まる。
【００８１】
あるｐ_{（ｉ，ｊ）}について対応点ｑ_{ｆ（ｉ，ｊ）}が決まれば、つぎにｐ_{（ｉ，ｊ＋１）}の対応点ｑ_{ｆ（ｉ，ｊ＋１）}が決められる。この際、ｑ_{ｆ（ｉ，ｊ＋１）}の位置は全単射条件を満たすために、ｑ_{ｆ（ｉ，ｊ）}の位置によって制限される。したがって、先に対応点が決まる点ほどこのシステムでは優先度が高くなる。つねに（０，０）が最も優先される状態がつづくと、求められる最終の写像に余計な偏向が加わる。本前提技術ではこの状態を回避するために、ｆ^{（ｍ，ｓ）}を以下の方法で決めていく。
【００８２】
まず（ｓ　ｍｏｄ　４）が０の場合、（０，０）を開始点としｉ及びｊを徐々に増やしながら決めていく。（ｓ　ｍｏｄ　４）が１の場合、最上行の右端点を開始点とし、ｉを減少、ｊを増加させながら決めていく。（ｓ　ｍｏｄ　４）が２のとき、最下行の右端点を開始点とし、ｉ及びｊを減少させながら決めていく。（ｓｍｏｄ　４）が３の場合、最下行の左端点を開始点とし、ｉを増加、ｊを減少させながら決めていく。解像度が最も細かい第ｎレベルには副写像という概念、すなわちパラメータｓが存在しないため、仮にｓ＝０及びｓ＝２であるとしてふたつの方向を連続的に計算した。
【００８３】
実際のインプリメンテーションでは、全単射条件を破る候補に対してペナルティを与えることにより、候補（ｋ，ｌ）の中からできる限り全単射条件を満たすｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）（ｍ＝０，…，ｎ）の値を選んだ。第３の条件を破る候補のエネルギーＤ（ｋ、ｌ）にはφを掛け、一方、第１または第２の条件を破る候補にはψを掛ける。今回はφ＝２、ψ＝１０００００を用いた。
【００８４】
前述の全単射条件のチェックのために、実際の手続として（ｋ，ｌ）＝ｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）を決定する際に以下のテストを行った。すなわちｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）の相続四辺形に含まれる各格子点（ｋ，ｌ）に対し、次式の外積のｚ成分が０以上になるかどうかを確かめる。
【００８５】
【数３９】

ただしここで、
【数４０】

【数４１】

である（ここでベクトルは三次元ベクトルとし、ｚ軸は直交右手座標系において定義される）。もしＷが負であれば、その候補についてはＤ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｋ，ｌ）}にψを掛けることによってペナルティを与え、できるかぎり選択しないようにする。
【００８６】
図５（ａ）、図５（ｂ）はこの条件を検査する理由を示している。図５（ａ）はペナルティのない候補、図５（ｂ）はペナルティがある候補をそれぞれ表す。隣接画素（ｉ，ｊ＋１）に対する写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ＋１）を決定する際、Ｗのｚ成分が負であれば始点画像平面上において全単射条件を満足する画素は存在しない。なぜなら、ｑ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｋ，ｌ）}は隣接する四辺形の境界線を越えるためである。
【００８７】
［１．７．１］副写像の順序
インプリメンテーションでは、解像度レベルが偶数のときにはσ（０）＝０、σ（１）＝１、σ（２）＝２、σ（３）＝３、σ（４）＝０を用い、奇数のときはσ（０）＝３、σ（１）＝２、σ（２）＝１、σ（３）＝０、σ（４）＝３を用いた。このことで、副写像を適度にシャッフルした。なお、本来副写像は４種類であり、ｓは０〜３のいずれかである。しかし、実際にはｓ＝４に相当する処理を行った。その理由は後述する。
【００８８】
［１．８］補間計算
始点画像と終点画像の間の写像が決定された後、対応しあう画素の輝度が補間される。実験では、トライリニア補間を用いた。始点画像平面における正方形ｐ_{（ｉ，ｊ）}ｐ_{（ｉ＋１，ｊ）}ｐ_{（ｉ，ｊ＋１）}ｐ_{（ｉ＋１，ｊ＋１）}が終点画像平面上の四辺形ｑ_{ｆ（ｉ，ｊ）}ｑ_{ｆ（ｉ＋１，ｊ）}ｑ_{ｆ（ｉ，ｊ＋１）}ｑ_{ｆ（ｉ＋１，ｊ＋１）}に射影されると仮定する。簡単のため、画像間の距離を１とする。始点画像平面からの距離がｔ（０≦ｔ≦１）である中間画像の画素ｒ（ｘ，ｙ，ｔ）（０≦ｘ≦Ｎ−１，０≦ｙ≦Ｍ−１）は以下の要領で求められる。まず画素ｒ（ｘ，ｙ，ｔ）の位置（ただしｘ，ｙ，ｔ∈Ｒ）を次式で求める。
【００８９】
【数４２】

つづいてｒ（ｘ，ｙ，ｔ）における画素の輝度が次の式を用いて決定される。
【００９０】
【数４３】

ここでｄｘ及びｄｙはパラメータであり、０から１まで変化する。
【００９１】
［１．９］拘束条件を課したときの写像
いままでは拘束条件がいっさい存在しない場合の写像の決定を述べた。しかし、始点画像と終点画像の特定の画素間に予め対応関係が規定されているとき、これを拘束条件としたうえで写像を決定することができる。
【００９２】
基本的な考えは、まず始点画像の特定の画素を終点画像の特定の画素に移す大まかな写像によって始点画像を大まかに変形し、しかる後、写像ｆを正確に計算する。
【００９３】
まず始めに、始点画像の特定の画素を終点画像の特定の画素に射影し、始点画像の他の画素を適当な位置に射影する大まかな写像を決める。すなわち、特定の画素に近い画素は、その特定の画素が射影される場所の近くに射影されるような写像である。ここで第ｍレベルの大まかな写像をＦ^（ｍ）と記述する。
【００９４】
大まかな写像Ｆは以下の要領で決める。まず、いくつかの画素について写像を特定する。始点画像についてｎ_ｓ個の画素、
【数４４】

を特定するとき、以下の値を決める。
【数４５】

始点画像の他の画素の変位量は、ｐ_{（ｉｈ，ｊｈ）}（ｈ＝０，…，ｎ_ｓ−１）の変位に重み付けをして求められる平均である。すなわち画素ｐ_{（ｉ，ｊ）}は、終点画像の以下の画素に射影される。
【００９５】
【数４６】

ただしここで、
【数４７】

【数４８】

とする。
【００９６】
つづいて、Ｆ^（ｍ）に近い候補写像ｆがより少ないエネルギーを持つように、その写像ｆのエネルギーＤ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}を変更する。正確には、Ｄ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}は、
【数４９】

である。ただし、
【数５０】

であり、κ，ρ≧０とする。最後に、前述の写像の自動計算プロセスにより、ｆを完全に決定する。
【００９７】
ここで、ｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）がＦ^（ｍ）（ｉ，ｊ）に十分近いとき、つまりそれらの距離が、
【数５１】

以内であるとき、Ｅ_２ ^{（ｍ，ｓ）} _{（ｉ，ｊ）}が０になることに注意すべきである。そのように定義した理由は、各ｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｉ，ｊ）がＦ^（ｍ）（ｉ，ｊ）に十分近い限り、終点画像において適切な位置に落ち着くよう、その値を自動的に決めたいためである。この理由により、正確な対応関係を詳細に特定する必要がなく、始点画像は終点画像にマッチするように自動的にマッピングされる。
【００９８】
［２］具体的な処理手順
［１］の各要素技術による処理の流れを説明する。
図６は前提技術の全体手順を示すフローチャートである。同図のごとく、まず多重解像度特異点フィルタを用いた処理を行い（Ｓ１）、つづいて始点画像と終点画像のマッチングをとる（Ｓ２）。ただし、Ｓ２は必須ではなく、Ｓ１で得られた画像の特徴をもとに画像認識などの処理を行ってもよい。
【００９９】
図７は図６のＳ１の詳細を示すフローチャートである。ここではＳ２で始点画像と終点画像のマッチングをとることを前提としている。そのため、まず特異点フィルタによって始点画像の階層化を行い（Ｓ１０）、一連の始点階層画像を得る。つづいて同様の方法で終点画像の階層化を行い（Ｓ１１）、一連の終点階層画像を得る。ただし、Ｓ１０とＳ１１の順序は任意であるし、始点階層画像と終点階層画像を並行して生成していくこともできる。
【０１００】
図８は図７のＳ１０の詳細を示すフローチャートである。もとの始点画像のサイズは２^ｎ×２^ｎとする。始点階層画像は解像度が細かいほうから順に作られるため、処理の対象となる解像度レベルを示すパラメータｍをｎにセットする（Ｓ１００）。つづいて第ｍレベルの画像ｐ^{（ｍ，０）}、ｐ^{（ｍ，１）}、ｐ^{（ｍ，２）}、ｐ^{（ｍ，３）}から特異点フィルタを用いて特異点を検出し（Ｓ１０１）、それぞれ第ｍ−１レベルの画像ｐ^{（ｍ−１，０）}、ｐ^{（ｍ−１，１）}、ｐ^{（ｍ−１，２）}、ｐ^{（ｍ−１，３）}を生成する（Ｓ１０２）。ここではｍ＝ｎであるため、ｐ^{（ｍ，０）}＝ｐ^{（ｍ，１）}＝ｐ^{（ｍ，２）}＝ｐ^{（ｍ，３）}＝ｐ^（ｎ）であり、ひとつの始点画像から４種類の副画像が生成される。
【０１０１】
図９は第ｍレベルの画像の一部と、第ｍ−１レベルの画像の一部の対応関係を示している。同図の数値は各画素の輝度を示す。同図のｐ^{（ｍ，ｓ）}はｐ^{（ｍ，０）}〜ｐ^{（ｍ，３）}の４つの画像を象徴するもので、ｐ^{（ｍ−１，０）}を生成する場合には、ｐ^{（ｍ，ｓ）}はｐ^{（ｍ，０）}であると考える。［１．２］で示した規則により、ｐ^{（ｍ−１，０）}は例えば同図で輝度を記入したブロックについて、そこに含まれる４画素のうち「３」、ｐ^{（ｍ−１，１）}は「８」、ｐ^{（ｍ−１，２）}は「６」、ｐ^{（ｍ−１，３）}を「１０」をそれぞれ取得し、このブロックをそれぞれ取得したひとつの画素で置き換える。したがって、第ｍ−１レベルの副画像のサイズは２^ｍ−１×２^ｍ−１になる。
【０１０２】
つづいてｍをデクリメントし（図８のＳ１０３）、ｍが負になっていないことを確認し（Ｓ１０４）、Ｓ１０１に戻ってつぎに解像度の粗い副画像を生成していく。この繰り返し処理の結果、ｍ＝０、すなわち第０レベルの副画像が生成された時点でＳ１０が終了する。第０レベルの副画像のサイズは１×１である。
【０１０３】
図１０はＳ１０によって生成された始点階層画像をｎ＝３の場合について例示している。最初の始点画像のみが４つの系列に共通であり、以降特異点の種類に応じてそれぞれ独立に副画像が生成されていく。なお、図８の処理は図７のＳ１１にも共通であり、同様の手順を経て終点階層画像も生成される。以上で図６のＳ１による処理が完了する。
【０１０４】
前提技術では、図６のＳ２に進むためにマッチング評価の準備をする。図１１はその手順を示している。同図のごとく、まず複数の評価式が設定される（Ｓ３０）。［１．３．２．１］で導入した画素に関するエネルギーＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆと［１．３．２．２］で導入した写像の滑らかさに関するエネルギーＤ^{（ｍ，ｓ）} _ｆがそれである。つぎに、これらの評価式を統合して総合評価式を立てる（Ｓ３１）。［１．３．２．３］で導入した総エネルギーλＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆ＋Ｄ^{（ｍ，ｓ）} _ｆがそれであり、［１．３．２．２］で導入したηを用いれば、
【数５２】

となる。ただし、総和はｉ、ｊについてそれぞれ０、１…、２^ｍ−１で計算する。以上でマッチング評価の準備が整う。
【０１０５】
図１２は図６のＳ２の詳細を示すフローチャートである。［１］で述べたごとく、始点階層画像と終点階層画像のマッチングは互いに同じ解像度レベルの画像どうしでとられる。画像間の大域的なマッチングを良好にとるために、解像度が粗いレベルから順にマッチングを計算する。特異点フィルタを用いて始点階層画像および終点階層画像を生成しているため、特異点の位置や輝度は解像度の粗いレベルでも明確に保存されており、大域的なマッチングの結果は従来に比べて非常に優れたものになる。
【０１０６】
図１２のごとく、まず係数パラメータηを０、レベルパラメータｍを０に設定する（Ｓ２０）。つづいて、始点階層画像中の第ｍレベルの４つの副画像と終点階層画像中の第ｍレベルの４つの副画像のそれぞれの間でマッチングを計算し、それぞれ全単射条件を満たし、かつエネルギーを最小にするような４種類の副写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}（ｓ＝０，１，２，３）を求める（Ｓ２１）。全単射条件は［１．３．３］で述べた相続四辺形を用いて検査される。この際、式１７、１８が示すように、第ｍレベルにおける副写像は第ｍ−１レベルのそれらに拘束されるため、より解像度の粗いレベルにおけるマッチングが順次利用されていく。これは異なるレベル間の垂直的参照である。なお、いまｍ＝０であってそれより粗いレベルはないが、この例外的な処理は図１３で後述する。
【０１０７】
一方、同一レベル内における水平的参照も行われる。［１．３．３］の式２０のごとく、ｆ^{（ｍ，３）}はｆ^{（ｍ，２）}に、ｆ^{（ｍ，２）}はｆ^{（ｍ，１）}に、ｆ^{（ｍ，１）}はｆ^{（ｍ，０）}に、それぞれ類似するように決める。その理由は、特異点の種類が違っても、それらがもともと同じ始点画像と終点画像に含まれている以上、副写像がまったく異なるという状況は不自然だからである。式２０からわかるように、副写像どうしが近いほどエネルギーは小さくなり、マッチングが良好とみなされる。
【０１０８】
なお、最初に決めるべきｆ^{（ｍ，０）}については同一のレベルで参照できる副写像がないため、式１９に示すごとくひとつ粗いレベルを参照する。ただし、実験ではｆ^{（ｍ，３）}まで求まった後、これを拘束条件としてｆ^{（ｍ，０）}を一回更新するという手続をとった。これは式２０にｓ＝４を代入し、ｆ^{（ｍ，４）}を新たなｆ^{（ｍ，０）}とすることに等しい。ｆ^{（ｍ，０）}とｆ^{（ｍ，３）}の関連度が低くなり過ぎる傾向を回避するためであり、この措置によって実験結果がより良好になった。この措置に加え、実験では［１．７．１］に示す副写像のシャッフルも行った。これも本来特異点の種類ごとに決まる副写像どうしの関連度を密接に保つ趣旨である。また、処理の開始点に依存する偏向を回避するために、ｓの値にしたがって開始点の位置を変える点は［１．７］で述べたとおりである。
【０１０９】
図１３は第０レベルにおいて副写像を決定する様子を示す図である。第０レベルでは各副画像がただひとつの画素で構成されるため、４つの副写像^{ｆ（０，ｓ）}はすべて自動的に単位写像に決まる。図１４は第１レベルにおいて副写像を決定する様子を示す図である。第１レベルでは副画像がそれぞれ４画素で構成される。同図ではこれら４画素が実線で示されている。いま、ｐ^{（１，ｓ）}の点ｘの対応点をｑ^{（１，ｓ）}の中で探すとき、以下の手順を踏む。
【０１１０】
１．第１レベルの解像度で点ｘの左上点ａ、右上点ｂ、左下点ｃ、右下点ｄを求める。
２．点ａ〜ｄがひとつ粗いレベル、つまり第０レベルにおいて属する画素を探す。図１４の場合、点ａ〜ｄはそれぞれ画素Ａ〜Ｄに属する。ただし、画素Ａ〜Ｃは本来存在しない仮想的な画素である。
３．第０レベルですでに求まっている画素Ａ〜Ｄの対応点Ａ’〜Ｄ’をｑ^{（１，ｓ）}の中にプロットする。画素Ａ’〜Ｃ’は仮想的な画素であり、それぞれ画素Ａ〜Ｃと同じ位置にあるものとする。
４．画素Ａの中の点ａの対応点ａ’が画素Ａ’の中にあるとみなし、点ａ’をプロットする。このとき、点ａが画素Ａの中で占める位置（この場合、右下）と、点ａ’が画素Ａ’の中で占める位置が同じであると仮定する。
５．４と同様の方法で対応点ｂ’〜ｄ’をプロットし、点ａ’〜ｄ’で相続四辺形を作る。
６．相続四辺形の中でエネルギーが最小になるよう、点ｘの対応点ｘ’を探す。対応点ｘ’の候補として、例えば画素の中心が相続四辺形に含まれるものに限定してもよい。図１４の場合、４つの画素がすべて候補になる。
【０１１１】
以上がある点ｘの対応点の決定手順である。同様の処理を他のすべての点について行い、副写像を決める。第２レベル以上のレベルでは、次第に相続四辺形の形が崩れていくと考えられるため、図３に示すように画素Ａ’〜Ｄ’の間隔が空いていく状況が発生する。
【０１１２】
こうして、ある第ｍレベルの４つの副写像が決まれば、ｍをインクリメントし（図１２のＳ２２）、ｍがｎを超えていないことを確かめて（Ｓ２３）、Ｓ２１に戻る。以下、Ｓ２１に戻るたびに次第に細かい解像度のレベルの副写像を求め、最後にＳ２１に戻ったときに第ｎレベルの写像ｆ^（ｎ）を決める。この写像はη＝０に関して定まったものであるから、ｆ^（ｎ）（η＝０）と書く。
【０１１３】
つぎに異なるηに関する写像も求めるべく、ηをΔηだけシフトし、ｍをゼロクリアする（Ｓ２４）。新たなηが所定の探索打切り値η_ｍａｘを超えていないことを確認し（Ｓ２５）、Ｓ２１に戻り、今回のηに関して写像ｆ^（ｎ）（η＝Δη）を求める。この処理を繰り返し、Ｓ２１でｆ^（ｎ）（η＝ｉΔη）（ｉ＝０，１，…）を求めていく。ηがη_ｍａｘを超えたときＳ２６に進み、後述の方法で最適なη＝η_ｏｐｔを決定し、ｆ^（ｎ）（η＝η_ｏｐｔ）を最終的に写像ｆ^（ｎ）とする。
【０１１４】
図１５は図１２のＳ２１の詳細を示すフローチャートである。このフローチャートにより、ある定まったηについて、第ｍレベルにおける副写像が決まる。副写像を決める際、前提技術では副写像ごとに最適なλを独立して決める。
【０１１５】
同図のごとく、まずｓとλをゼロクリアする（Ｓ２１０）。つぎに、そのときのλについて（および暗にηについて）エネルギーを最小にする副写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}を求め（Ｓ２１１）、これをｆ^{（ｍ，ｓ）}（λ＝０）と書く。異なるλに関する写像も求めるべく、λをΔλだけシフトし、新たなλが所定の探索打切り値λ_ｍａｘを超えていないことを確認し（Ｓ２１３）、Ｓ２１１に戻り、以降の繰り返し処理でｆ^{（ｍ，ｓ）}（λ＝ｉΔλ）（ｉ＝０，１，…）を求める。λがλ_ｍａｘを超えたときＳ２１４に進み、最適なλ＝λ_ｏｐｔを決定し、ｆ^{（ｍ，ｓ）}（λ＝λ_ｏｐｔ）を最終的に写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}とする（Ｓ２１４）。
【０１１６】
つぎに、同一レベルにおける他の副写像を求めるべく、λをゼロクリアし、ｓをインクリメントする（Ｓ２１５）。ｓが４を超えていないことを確認し（Ｓ２１６）、Ｓ２１１に戻る。ｓ＝４になれば上述のごとくｆ^{（ｍ，３）}を利用してｆ^{（ｍ，０）}を更新し、そのレベルにおける副写像の決定を終了する。
【０１１７】
図１６は、あるｍとｓについてλを変えながら求められたｆ^{（ｍ，ｓ）}（λ＝ｉΔλ）（ｉ＝０，１，…）に対応するエネルギーＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの挙動を示す図である。［１．４］で述べたとおり、λが増加すると通常Ｃ^{（ｍ，ｓ）} _ｆは減少する。しかし、λが最適値を超えるとＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆは増加に転じる。そこで本前提技術ではＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆが極小値をとるときのλをλ_ｏｐｔと決める。同図のようにλ＞λ_ｏｐｔの範囲で再度Ｃ^{（ｍ，ｓ）} _ｆが小さくなっていっても、その時点ではすでに写像がくずれていて意味をなさないため、最初の極小点に注目すればよい。λ_ｏｐｔは副写像ごとに独立して決めていき、最後にｆ^（ｎ）についてもひとつ定まる。
【０１１８】
一方、図１７は、ηを変えながら求められたｆ^（ｎ）（η＝ｉΔη）（ｉ＝０，１，…）に対応するエネルギーＣ^（ｎ） _ｆの挙動を示す図である。ここでもηが増加すると通常Ｃ^（ｎ） _ｆは減少するが、ηが最適値を超えるとＣ^（ｎ） _ｆは増加に転じる。そこでＣ^（ｎ） _ｆが極小値をとるときのηをη_ｏｐｔと決める。図１７は図４の横軸のゼロ付近を拡大した図と考えてよい。η_ｏｐｔが決まればｆ^（ｎ）を最終決定することができる。
【０１１９】
以上、本前提技術によれば種々のメリットが得られる。まずエッジを検出する必要がないため、エッジ検出タイプの従来技術の課題を解消できる。また、画像に含まれるオブジェクトに対する先験的な知識も不要であり、対応点の自動検出が実現する。特異点フィルタによれば、解像度の粗いレベルでも特異点の輝度や位置を維持することができ、オブジェクト認識、特徴抽出、画像マッチングに極めて有利である。その結果、人手作業を大幅に軽減する画像処理システムの構築が可能となる。
【０１２０】
なお、本前提技術について次のような変形技術も考えられる。
（１）前提技術では始点階層画像と終点階層画像の間でマッチングをとる際にパラメータの自動決定を行ったが、この方法は階層画像間ではなく、通常の２枚の画像間のマッチングをとる場合全般に利用できる。
【０１２１】
たとえば２枚の画像間で、画素の輝度の差に関するエネルギーＥ_０と画素の位置的なずれに関するエネルギーＥ_１のふたつを評価式とし、これらの線形和Ｅ_ｔｏｔ＝αＥ_０＋Ｅ_１を総合評価式とする。この総合評価式の極値付近に注目してαを自動決定する。つまり、いろいろなαについてＥ_ｔｏｔが最小になるような写像を求める。それらの写像のうち、αに関してＥ_１が極小値をとるときのαを最適パラメータと決める。そのパラメータに対応する写像を最終的に両画像間の最適マッチングとみなす。
【０１２２】
これ以外にも評価式の設定にはいろいろな方法があり、例えば１／Ｅ_１と１／Ｅ_２のように、評価結果が良好なほど大きな値をとるものを採用してもよい。総合評価式も必ずしも線形和である必要はなく、ｎ乗和（ｎ＝２、１／２、−１、−２など）、多項式、任意の関数などを適宜選択すればよい。
【０１２３】
パラメータも、αのみ、前提技術のごとくηとλのふたつの場合、それ以上の場合など、いずれでもよい。パラメータが３以上の場合はひとつずつ変化させて決めていく。
【０１２４】
（２）本前提技術では、総合評価式の値が最小になるよう写像を決めた後、総合評価式を構成するひとつの評価式であるＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆが極小になる点を検出してパラメータを決定した。しかし、こうした二段回処理の代わりに、状況によっては単に総合評価式の最小値が最小になるようにパラメータを決めても効果的である。その場合、例えばαＥ_０＋βＥ_１を総合評価式とし、α＋β＝１なる拘束条件を設けて各評価式を平等に扱うなどの措置を講じてもよい。パラメータの自動決定の本質は、エネルギーが最小になるようにパラメータを決めていく点にあるからである。
【０１２５】
（３）前提技術では各解像度レベルで４種類の特異点に関する４種類の副画像を生成した。しかし、当然４種類のうち１、２、３種類を選択的に用いてもよい。例えば、画像中に明るい点がひとつだけ存在する状態であれば、極大点に関するｆ^{（ｍ，３）}だけで階層画像を生成しても相応の効果が得られるはずである。その場合、同一レベルで異なる副写像は不要になるため、ｓに関する計算量が減る効果がある。
【０１２６】
（４）本前提技術では特異点フィルタによってレベルがひとつ進むと画素が１／４になった。例えば３×３で１ブロックとし、その中で特異点を探す構成も可能であり、その場合、レベルがひとつ進むと画素は１／９になる。
【０１２７】
（５）始点画像と終点画像がカラーの場合、それらをまず白黒画像に変換し、写像を計算する。その結果求められた写像を用いて始点のカラー画像を変換する。それ以外の方法として、ＲＧＢの各成分について副写像を計算してもよい。
【０１２８】
［３］前提技術の改良点
以上の前提技術を基本とし、マッチング精度を向上させるためのいくつかの改良がなされている。ここではその改良点を述べる。
【０１２９】
［３．１］色情報を考慮に入れた特異点フィルタおよび副画像
画像の色情報を有効に用いるために、特異点フィルタを以下のように変更した。まず色空間としては、人間の直感に最も合致するといわれているＨＩＳを用い、色を輝度に変換する式には、人間の目の感度に最も近いといわれているものを選んだ。
【０１３０】
【数５３】

ここで画素ａにおけるＹ（輝度）をＹ（ａ）、Ｓ（彩度）をＳ（ａ）として、次のような記号を定義する。
【０１３１】
【数５４】

上の定義を用いて以下のような５つのフィルタを用意する。
【０１３２】
【数５５】

このうち上から４つのフィルタは改良前の前提技術におけるフィルタとほぼ同じで、輝度の特異点を色情報も残しながら保存する。最後のフィルタは色の彩度の特異点をこちらも色情報を残しながら保存する。
【０１３３】
これらのフィルタによって、各レベルにつき５種類の副画像（サブイメージ）が生成される。なお、最も高いレベルの副画像は元画像に一致する。
【０１３４】
【数５６】

［３．２］エッジ画像およびその副画像
輝度微分（エッジ）の情報をマッチングに利用するため、一次微分エッジ検出フィルタを用いる。このフィルタはあるオペレータＨとの畳み込み積分で実現できる。
【０１３５】
【数５７】

ここでＨは演算スピードなども考慮し、以下のようなオペレータを用いた。
【０１３６】
【数５８】

次にこの画像を多重解像度化する。フィルタにより０を中心とした輝度をもつ画像が生成されるため、次のような平均値画像が副画像としては最も適切である。
【０１３７】
【数５９】

式５９の画像は後述するＦｏｒｗａｒｄ　Ｓｔａｇｅ、すなわち初回副写像導出ステージの計算の際、エネルギー関数に用いられる。
【０１３８】
エッジの大きさ、すなわち絶対値も計算に必要である。
【０１３９】
【数６０】

この値は常に正であるため、多重解像度化には最大値フィルタを用いる。
【０１４０】
【数６１】

式６１の画像は後述するＦｏｒｗａｒｄ　Ｓｔａｇｅの計算の際、計算する順序を決定するのに用いられる。
【０１４１】
［３．３］計算処理手順
計算は最も粗い解像度の副画像から順に行う。副画像は５つあるため、各レベルの解像度において計算は複数回行われる。これをターンと呼び、最大計算回数をｔで表すことにする。各ターンは前記Ｆｏｒｗａｒｄ　Ｓｔａｇｅと、副写像再計算ステージであるＲｅｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｓｔａｇｅという二つのエネルギー最小化計算から構成される。図１８は第ｍレベルにおける副写像を決める計算のうち改良点に係るフローチャートである。
【０１４２】
同図のごとく、ｓをゼロクリアする（Ｓ４０）。つぎにＦｏｒｗａｒｄ　Ｓｔａｇｅ（Ｓ４１）において始点画像ｐから終点画像ｑへの写像ｆ^{（ ｍ，ｓ ）}をエネルギー最小化によって求める。ここで最小化するエネルギーは、対応する画素値によるエネルギーＣと、写像の滑らかさによるエネルギーＤの線形和である。
【０１４３】
エネルギーＣは、輝度の差によるエネルギーＣ_Ｉ（前記改良前の前提技術におけるエネルギーＣと等価）と、色相、彩度によるエネルギーＣ_Ｃ、輝度微分（エッジ）の差によるエネルギーＣ_Ｅで構成され、それぞれ次のように表される。
【０１４４】
【数６２】

エネルギーＤは前記改良前の前提技術と同じものを用いる。ただし前記改良前の前提技術において、写像の滑らかさを保証するエネルギーＥ_１を導出する際、隣接する画素のみを考慮していたが、周囲の何画素を考慮するかをパラメータｄで指定できるように改良した。
【０１４５】
【数６３】

次のＲｅｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｓｔａｇｅに備えて、このステージでは終点画像ｑから始点画像ｐへの写像ｇ^{（ｍ，ｓ）}も同様に計算する。
【０１４６】
Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｓｔａｇｅ（Ｓ４２）ではＦｏｒｗａｒｄ　Ｓｔａｇｅにおいて求めた双方向の写像ｆ^{（ｍ，ｓ）}およびｇ^{（ｍ，ｓ）}を基に、より妥当な写像ｆ’^{（ｍ，ｓ）}を求める。ここでは新たに定義されるエネルギーＭについてエネルギー最小化計算を行う。エネルギーＭは終点画像から始点画像への写像ｇとの整合度Ｍ_０と、もとの写像との差Ｍ_１より構成される。
【０１４７】
【数６４】

対称性を損なわないように、終点画像ｑから始点画像ｐへの写像ｇ’^{（ｍ，ｓ）}も同様の方法で求めておく。
【０１４８】
その後、ｓをインクリメントし（Ｓ４３）、ｓがｔを超えていないことを確認し（Ｓ４４）、次のターンのＦｏｒｗａｒｄ　Ｓｔａｇｅ（Ｓ４１）に進む。その際前記Ｅ_０を次のように置き換えてエネルギー最小化計算を行う。
【０１４９】
【数６５】

［３．４］写像の計算順序
写像の滑らかさを表すエネルギーＥ_１を計算する際、周囲の点の写像を用いるため、それらの点がすでに計算されているかどうかがエネルギーに影響を与える。すなわち、どの点から順番に計算するかによって、全体の写像の精度が大きく変化する。そこでエッジの絶対値画像を用いる。エッジの部分は情報量を多く含むため、エッジの絶対値が大きいところから先に写像計算を行う。このことによって、特に二値画像のような画像に対して非常に精度の高い写像を求めることができるようになった。
【０１５０】
［画像処理に関する実施の形態］
前提技術ではキーフレーム間のマッチングをとって対応情報を生成し、この対応情報をもとに中間フレームを生成した。したがって、この技術は動画の圧縮に利用でき、現実に実験ではＭＰＥＧを超える画質と圧縮率の両立が確認されはじめている。以下、前提技術を利用した画像処理技術を説明する。
【０１５１】
図１９は実施の形態の係る画像処理装置１０の構成を示す。画像処理装置１０は、撮影装置などにより取得された画像データを読み込む画像読込部１２と、画像データのうち低解像度の画像データを格納する低解像度画像データ記憶部１４と、高解像度の画像データを格納する高解像度画像データ記憶部１６と、高解像度画像データに属する画像フレームの時間間隔を参照しながら低解像度画像データからキーフレームを抽出するキーフレーム抽出部１８と、抽出したキーフレームのデータを格納するキーフレーム記憶部２０と、低解像度画像データにおける隣接する画像フレーム間で前提技術その他によるマッチング計算を行い、局所対応情報ファイルを生成する対応情報生成部２２と、その対応情報を統合してキーフレーム間の大域対応情報ファイルを生成する対応情報統合部２４と、キーフレームと大域対応情報ファイルをもとに、低解像度画像データに属する各画像フレームの時間間隔を参照しながらキーフレーム間の中間画像を生成する低解像度中間画像生成部２６と、低解像度画像データに属しキーフレームに挟まれた画像フレームと、それと同一の時間的位置における低解像度中間画像との差分画像を取得する差分画像生成部２８と、大域対応情報ファイルの対応点および差分画像の画素数が高解像度画像の画素数と同一になるようにデータ変換を行う画素数変換部３０と、それらのデータと高解像度画像データとから前提技術その他による補間計算によって高解像度画像フレームの中間画像を生成する高解像度中間画像生成部３２と、高解像度画像フレームおよび高解像度中間画像を時間軸順に表示するための画像出力制御部３４を含む。
【０１５２】
本実施の形態では、例えば動画撮影を、１００万画素、３０フレーム毎秒および、４００万画素、６フレーム毎秒で同時に行うなどして得られた、低解像度でフレームレートの大きい画像と、高解像度でフレームレートの小さい画像を画像読込部１２にて読み込む。画像読込部１２はそれらのデータの解像度を検出し、それぞれを低解像度画像データ記憶部１４と高解像度画像データ記憶部１６に格納する。低解像度画像データ記憶部１４へ送られた画像データのうち、高解像度画像フレームを取得したのと同一、または最近傍のタイミングの画像フレームは、それぞれキーフレームとしてキーフレーム抽出部１８において抽出され、キーフレームデータとしてキーフレーム記憶部２０へ格納される。
【０１５３】
図２０は低解像度画像フレームＬＲＦと、高解像度画像フレームＨＲＦとの関係を示す概念図を示している。同図において、高解像度画像フレームＨＲＦは、低解像度画像フレームＬＲＦの５枚に１枚のタイミングで存在している。同一の時間軸上で、高解像度画像フレームと同じ位置にある低解像度画像フレームは、キーフレーム抽出部１８によって、キーフレームＫＦ_ｉ，ＫＦ_ｉ＋１，ＫＦ_ｉ＋２，ＫＦ_ｉ＋３・・・・として抽出される。
【０１５４】
一方、対応情報生成部２２では、低解像度画像データ記憶部１４から読み出された隣接する低解像度画像フレームをマッチング処理することにより、局所対応情報が生成され、順次、対応情報統合部２４へ送られる。対応情報統合部２４は、隣接するキーフレームの間隔をキーフレーム記憶部２０より取得し、それに基づいて、キーフレームとそれに挟まれた画像フレーム間の各局所対応情報を順次統合し、キーフレームどうしの対応情報、すなわち大域対応情報を生成する。例えば図２０における、キーフレームＫＦ_ｉおよびキーフレームＫＦ_ｉ＋１と、その間の４枚の画像フレームを考える。キーフレームＫＦ_ｉ上の点ｐ１（図示せず。以下ｐｉ同様。）が、次なる隣接した画像フレーム上の点ｐ２に対応し、点ｐ２はその次の画像フレームの点ｐ３に対応し、その次も順次、ｐ３→ｐ４、ｐ４→ｐ５、と対応していき、最終的に画像フレームｐ５の対応点がキーフレームＫＦ_ｉ＋１上の点ｐ６に対応しているとする。隣接する画像フレーム間のそれらの情報を統合することにより、ｐ１→ｐ６の対応を得ることができる。これを各画素において行うことにより、大域対応情報が生成される。
【０１５５】
対応情報統合部２４においては、隣接するキーフレームとそれに挟まれた画像フレームにわたって、対応点の軌跡をそれぞれ追跡する軌跡追跡部をさらに設け、得られた軌跡をＮＵＲＢＳ関数、ベジェ関数などのパラメトリック関数に変換し、大域対応情報に組み込んでもよい。
【０１５６】
対応情報統合部２４で生成された大域対応情報は、キーフレーム間の対応情報であるから、前提技術その他の補間を行うことにより、キーフレーム間の任意の時間的位置で中間画像を生成することができる。そこで低解像度中間画像生成部２６では、キーフレーム記憶部２０から読み出した隣接するキーフレームと、その間の大域対応情報を用いて、それらのキーフレームに挟まれた低解像度画像フレームと同一のタイミングにおける中間画像、すなわち低解像度中間画像を生成する。低解像度中間画像は差分画像生成部２８へ送られ、同一の時間的位置における低解像度画像フレームとそれぞれ比較されることにより、それらの差分画像が順次生成される。
【０１５７】
図２１は低解像度画像フレームＬＲＦと、低解像度中間画像ＬＲＩＦとの関係を示している。同図では、低解像度画像フレームＬＲＦにおいて、キーフレームＫＦ_ｉおよびＫＦ_ｉ＋１の間に４枚の画像フレームが存在している。それらと同じ時間的位置に、キーフレーム間の大域対応情報ＬＲＣ_{ｉ，ｉ＋１}に基づいて低解像度中間画像ＬＲＩＦを４枚生成する。同一の時間的位置にある低解像度画像フレームと低解像度中間画像は本来、同一の画像となっているはずであるが、マッチング計算や対応情報の統合処理などのステップにおいて、多少の誤差が含まれる場合も考えられる。そこで、後に生成される高解像度中間画像ＨＲＩＦの補正を行うため、低解像度画像フレームＬＲＦと低解像度中間画像ＬＲＩＦとの差分画像ｄ_ｉ１，ｄ_ｉ２，ｄ_ｉ３，ｄ_ｉ４を取得する。補正については後に述べる。
【０１５８】
画素数変換部３０では、対応情報統合部２４で生成された大域対応情報と、差分画像生成部２８で生成された差分画像とを、高解像度画像データの画素数に対応させるようなデータ変換を行う。図２２は大域対応情報の変換方法を示す概念図を示している。低解像度画像ＬＲＦがｎ×ｎの画素数を有する場合、大域対応情報および差分画像の画素情報はどちらもｎ×ｎ個である。高解像度画像ＨＲＦの画素数が２ｎ×２ｎであるとした場合、もとの大域対応情報において始点画像の座標（ｘ，ｙ）の対応点が、終点画像の座標（ｘ’，ｙ’）であるような対応点情報は、例えば始点画像上の座標、（ｘ，ｙ），（ｘ＋１，ｙ），（ｘ，ｙ＋１），（ｘ＋１，ｙ＋１）の４点がそれぞれ、終点画像上の座標、（ｘ’，ｙ’），（ｘ’＋１，ｙ’），（ｘ’，ｙ’＋１），（ｘ’＋１，ｙ’＋１）の４点に対応する、というように対応点の拡張を行う。差分画像も同様に、（ｘ，ｙ）の画素値を、（ｘ，ｙ），（ｘ＋１，ｙ），（ｘ，ｙ＋１），（ｘ＋１，ｙ＋１）の４点の画素値とする変換を行い、最終的にどちらも２ｎ×２ｎ個の情報となるようにする。変換の仕方はこれに限らず、例えば複数の既存の点の情報を空間的に補間することによって高解像度画像に対応させてもよい。また、高解像度画像のエッジ検出を別に行い、大域対応情報と比較しながら、対応点の拡張がエッジをまたがないような禁則処理を行ってもよい。
【０１５９】
高解像度画像の画素数に対応したデータ変換が施された大域対応情報および差分画像は、高解像度中間画像生成部３２へ送られる。高解像度中間画像生成部３２では、高解像度画像データに属する隣接した画像フレームを読み出しながら、それと時間的位置が対応している大域対応情報および差分画像に基づき、高解像度画像フレームの中間画像、すなわち高解像度中間画像を生成する。
【０１６０】
前出の図２２は、低解像度中間画像と高解像度中間画像との関係も示している。低解像度画像フレームＬＲＦ中、キーフレームＫＦ_ｉおよびＫＦ_ｉ＋１間の大域対応情報ＬＲＣ_{ｉ，ｉ＋１}が、高解像度画像データＨＲＦの画素数をもつ大域対応情報ＨＲＣ_{ｉ，ｉ＋１}へと変換され、それに基づき高解像度中間画像ＨＲＩＦが生成される。差分画像ｄ_ｉ１からｄ_ｉ４は、後述するように、高解像度中間画像ＨＲＩＦの補正に用いられる。
【０１６１】
大域対応情報と高解像度画像フレームから高解像度中間画像を生成する方法は、それぞれを対応情報ファイルおよびキーフレームへと置き換えて前提技術を利用してもよいし、その他の補間技術を用いてもよい。ここで大域対応情報は、詳細な時間間隔で得られた低解像度画像フレームの対応情報を統合したものであるため、図２２の（ｘ，ｙ）から（ｘ’，ｙ’）への対応を示す曲線の如く、キーフレームを直接マッチング処理して得られる直線的な対応関係より高い時間精度の情報が含まれている。これを高解像度画像データに適用させることにより、画像読込部１２にて読み込んだ低解像度画像データのフレームレートと同等以上のレートで高解像度中間画像を生成することができる。また前述のように、画像フレーム間の点の軌跡を関数に変換して大域対応情報に組み込んだ場合は、さらに詳細な時間間隔での高解像度中間画像の生成を高い精度で実現できる。
【０１６２】
さらに精度を高めるために、画素数を変換した差分画像を用いて補正を行う。生成された高解像度中間画像のうち、差分画像と同一または最近傍のタイミングの画像に対して差分画像を加減することにより、低解像度にて実際に取得した画像フレームに、より近い高解像度中間画像へと補正される。その他の高解像度中間画像は補正済みの高解像度中間画像の画素値を補間することにより微調整を行う。あらかじめ差分画像の時間軸に対する変化を補間によって導出し、高解像度中間画像が生成された時間的位置における差分画像を計算してから、それぞれの高解像度中間画像に適用させてもよい。
【０１６３】
このようにして、任意の時間間隔で高解像度中間画像が生成されたら、画像出力制御部３４にて、もともと取得されている高解像度画像データに属する画像フレームと時間軸順に並べるなどして、高解像度の動画を出力することができる。
【０１６４】
画像処理装置１０に加えて、低解像度の画像フレームを短い時間間隔で連続して撮影すると同時に、高解像度の画像フレームをそれより長い時間間隔で連続して撮影する撮像機能を含めてもよい。本実施の形態はこのような機能を有する例えばデジタルビデオカメラのような撮像機器においてより効果を発揮するが、それ以外にもアニメーションやＣＴ画像など、撮影時のフレームレートの制限を受けない動画や静止画においても、取得データの大部分が低解像度画像で良いため、データ容量を抑えながら高画質画像を得ることができる、という点で有利となる。
【０１６５】
また画像処理装置１０のうち、例えば画素数変換部３０と高解像度中間画像生成部３２と画像出力制御部３４とを画像復号装置として別に設けてもよい。このとき、画像処理装置１０においては、高解像度画像データ記憶部１６と、対応情報統合部２４と、差分画像生成部２８とから、それぞれ高解像度画像データ、大域対応情報および差分画像データを取得し、それらのデータをデータストリームとして送出する送信部（図示せず）を設けてもよい。一方、画像復号装置においては、画素数変換部３０に、データストリームを入力する入力部を設けてもよい。この場合も、全てのデータが高解像度画像である場合より負荷の少ない送信が可能となる。
【０１６６】
これまで低解像度で取得時間間隔の短い画像と、高解像度で取得時間間隔の長い画像といった、２種類の画像データに対する処理方法を述べてきたが、画像データは２種類に限らず、それらの中間に位置する解像度および取得時間間隔の画像データを導入し、低解像度画像データから順次同様の処理を行うことにより、最終的に最も高い解像度の中間画像を生成してもよい。またこのような多段階処理により、各解像度の中間画像を任意の時間間隔で生成することが可能になるため、画像再生装置にとって最適な解像度を選択して再生してもよい。このような場合、前記画像処理装置１０には、使用者が指定した解像度やＣＰＵの負荷を考慮して最適となる解像度などを判定する機能ブロックを、例えば画素数変換部３０の入力側に設けてもよい。
【０１６７】
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこの実施の形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）とは図１（ｂ）は、ふたりの人物の顔に平均化フィルタを施して得られる画像、図１（ｃ）と図１（ｄ）は、ふたりの人物の顔に関して前提技術で求められるｐ^{（５，０）}の画像、図１（ｅ）と図１（ｆ）は、ふたりの人物の顔に関して前提技術で求められるｐ^{（５，１）}の画像、図１（ｇ）と図１（ｈ）は、ふたりの人物の顔に関して前提技術で求められるｐ^{（５，２）}の画像、図１（ｉ）と図１（ｊ）は、ふたりの人物の顔に関して前提技術で求められるｐ^{（５，３）}の画像をそれぞれディスプレイ上に表示した中間調画像の写真である。
【図２】図２（Ｒ）はもとの四辺形を示す図、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）、図２（Ｅ）はそれぞれ相続四辺形を示す図である。
【図３】始点画像と終点画像の関係、および第ｍレベルと第ｍ−１レベルの関係を相続四辺形を用いて示す図である。
【図４】パラメータηとエネルギーＣ_ｆの関係を示す図である。
【図５】図５（ａ）、図５（ｂ）は、ある点に関する写像が全単射条件を満たすか否かを外積計算から求める様子を示す図である。
【図６】前提技術の全体手順を示すフローチャートである。
【図７】図６のＳ１の詳細を示すフローチャートである。
【図８】図７のＳ１０の詳細を示すフローチャートである。
【図９】第ｍレベルの画像の一部と、第ｍ−１レベルの画像の一部の対応関係を示す図である。
【図１０】前提技術で生成された始点階層画像を示す図である。
【図１１】図６のＳ２に進む前に、マッチング評価の準備の手順を示す図である。
【図１２】図６のＳ２の詳細を示すフローチャートである。
【図１３】第０レベルにおいて副写像を決定する様子を示す図である。
【図１４】第１レベルにおいて副写像を決定する様子を示す図である。
【図１５】図１２のＳ２１の詳細を示すフローチャートである。
【図１６】あるｆ^{（ｍ，ｓ）}についてλを変えながら求められたｆ^{（ｍ，ｓ）}（λ＝ｉΔλ）に対応するエネルギーＣ^{（ｍ，ｓ）} _ｆの挙動を示す図である。
【図１７】ηを変えながら求められたｆ^（ｎ）（η＝ｉΔη）（ｉ＝０，１，…）に対応するエネルギーＣ^（ｎ） _ｆの挙動を示す図である。
【図１８】改良後の前提技術において第ｍレベルにおける副写像を求めるフローチャートである。
【図１９】実施の形態に係る画像処理装置の構成図である。
【図２０】低解像度画像データと高解像度画像データの各画像フレームの関係を示す概念図である。
【図２１】２種類の解像度の画像フレームデータと各中間画像の関係を示す概念図である。
【図２２】大域対応情報を高解像度画像データの画素数に対応させる方法を示す概念図である。
【符号の説明】
１０　画像処理装置、　１２　画像読込部、　１４　低解像度画像データ記憶部、　１６　高解像度画像データ記憶部、　１８　キーフレーム抽出部、　２２対応情報生成部、　２４　対応情報統合部、　２６　低解像度中間画像生成部、　２８　差分画像生成部、　３０　画素数変換部、　３２　高解像度中間画像生成部、　３４　画像出力制御部。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image encoding and decoding technique, and more particularly, to an image processing method and apparatus using image frames and corresponding point information between them.
[0002]
[Prior art]
Digital image processing of still images and moving images has been diversified in application with the recent remarkable development of processors and LSI technology. Currently, image processing engineers can create, record, process, reproduce and communicate images. If not, it can be easily done in general. Above all, advances in compression technology such as JPEG (Joint Photographic Experts Group) and MPEG (Motion Picture Expert Group) have facilitated the storage and transmission of image data with excellent image quality, and currently have more than 4 million pixels of static data. Digital still cameras that can record images are no longer uncommon.
[0003]
Also, with the digital still camera equipped with a moving image recording function and the digital video camera equipped with a still image recording function, the boundary between the functional roles of the two is becoming ambiguous.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Even in such a situation, the quality of a moving image depends on the number of pixels in an image of one frame and the number of frames per unit time. This leads to an increase in the amount of data, resulting in an increase in development and manufacturing costs. Therefore, in a digital camera targeted at general users, there is a large difference in the number of pixels between a still image and a moving image, and the set number of pixels tends to decrease as the number of frames per unit time, that is, the frame rate, increases.
[0005]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to realize image processing that has the same number of pixels as a still image of a digital still camera and realizes recording and reproduction of a high-quality moving image with a high frame rate. In providing technology and equipment.
[0006]
Another object of the present invention is to make it possible to easily obtain, store, and transmit tight and high-quality cross-sectional images without increasing the data amount in technologies such as CT and MRI used as medical diagnosis. To provide image processing technology.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Hereinafter, the image encoding technology and the image decoding technology of the present invention will mainly be described with respect to moving images, but the application is not limited to moving images such as morphing, walk-through and other video effects.
[0008]
One embodiment of the present invention relates to an image processing method. The method includes matching first image data having continuous image frames, generating a local correspondence information file of adjacent image frames, and selecting a key frame selected from the first image data according to a predetermined rule. Generating a global correspondence information file between the key frames by integrating the local correspondence information file, and at least a part of an image frame belonging to the first image data and a view space overlap, and Associating second image data having different continuous image frames with the global correspondence information file.
[0009]
Here, the key frame is a part of the image frame belonging to the first image data, and the selection rule may correspond to the temporal position of each image frame belonging to the second image data. The local correspondence information may be, for example, information equivalent to the correspondence information between key frames in the base technology described below, but here, the correspondence information between adjacent image frames belonging to the first image data. . On the other hand, correspondence information between key frames selected from the first image data is called global correspondence information. Further, the first and second image data are, for example, two types of image data obtained by photographing the same scene at different resolutions.
[0010]
The step of generating the local correspondence information file includes the steps of extracting singular points from two image frames to make them multi-resolution, and performing matching between the image frames at the same resolution level, for example, on a pixel basis. The calculating step may include a step of finally obtaining a correspondence in a pixel unit at the finest level of resolution while inheriting the result to the matching calculation at different resolution levels.
[0011]
Further, the method may include a step of generating an intermediate image between image frames belonging to the second image data based on the global correspondence information file.
[0012]
The step of generating an intermediate image may include the step of converting the corresponding points of the global correspondence information file into data corresponding to the number of pixels of an image frame belonging to the second image data.
[0013]
Another embodiment of the present invention relates to an image processing device. The apparatus includes a matching information generating unit configured to perform matching processing on first image data having continuous image frames and generate a local corresponding information file of an adjacent image frame, and to select a local image file from the first image data according to a predetermined rule. A corresponding information integrating unit that integrates the local correspondence information file between the generated key frames to generate a global correspondence information file between the key frames, and belongs to the first image data based on the global correspondence information file. A second image-side intermediate image generation unit that generates an intermediate image between image frames that belong to the second image data and has at least a part of the image frame and the viewing space overlapping and having continuous image frames having different resolutions. Including.
[0014]
The first image data has, for example, a lower resolution than the second image data and a shorter time interval between image frames. At this time, the key frame may be selected in correspondence with the temporal position of each image frame belonging to the second image data. Further, the corresponding points of the global correspondence information file may be converted into data corresponding to the number of pixels of an image frame belonging to the second image data.
[0015]
Further, the correspondence information integration unit may track a trajectory of an image area included in each image frame belonging to the first image data between key frames, and incorporate the trajectory into the global correspondence information as function data.
[0016]
The apparatus further includes a first image-side intermediate image generation unit that generates an intermediate image between the key frames at a resolution of the first image data based on the global correspondence information file. A difference image generation unit that obtains a difference image between an image frame sandwiched between the key frames in the data and the intermediate image on the first image side; and a pixel number of the difference image, the pixel number of the second image data. The image processing apparatus may further include a pixel number conversion unit configured to make the number equal to the number, and may correct the intermediate image on the second image side using the difference image obtained by performing the pixel number conversion.
[0017]
Further, the apparatus may further include a data stream generation unit that generates a data stream including the difference image, the global correspondence information file, and the second image data, and a transmission unit that transmits the data stream. Good.
[0018]
Still another preferred embodiment according to the present invention relates to an image decoding apparatus. This device has a correspondence information file of first image data having continuous image frames, and image frames belonging to the first image data and continuous image frames having at least a part of a viewing space overlapping and having different resolutions. An input unit for inputting a data stream including second image data; a pixel number conversion unit for converting the correspondence information file into data corresponding to the number of pixels of an image frame belonging to the second image data; An intermediate image generation unit that generates an intermediate image between image frames belonging to the second image data based on the converted information file.
[0019]
Yet another embodiment of the present invention relates to an electronic camera. The camera includes the image processing apparatus, an imaging unit having a continuous shooting function of acquiring a high-resolution image at a time interval longer than the time interval while acquiring a low-resolution image at a predetermined time interval, and Image data and the high-resolution image data as the first image data and the second image data, respectively, an intermediate image of the high-resolution image generated through the image processing device; And an image reproduction control unit for sequentially outputting the resolution images in the time axis direction.
[0020]
Among the above aspects, a part for generating corresponding point information between image frames and a part for generating an intermediate image using the same are based on the technology previously proposed by the present applicant in Japanese Patent No. 2927350 (hereinafter referred to as “ Prerequisite technology ”).
[0021]
Any of the above configurations and steps arbitrarily exchanged, some or all of the expressions exchanged or added between the method and the device, and the expressions changed to computer programs, recording media, etc., are also effective as the present invention. It is.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, a multi-resolution singularity filter technology used in the embodiment and an image matching process using the same will be described in detail as “prerequisite technology”. These techniques have already been obtained by the present applicant in Japanese Patent No. 2927350, and are optimal for combination with the present invention. However, the image matching technology that can be adopted in the embodiment is not limited to this. From FIG. 19, the image processing technology using the prerequisite technology will be specifically described.
[0023]
[Embodiment of the base technology]
First, the basic technology of the base technology is described in detail in [1], and the processing procedure is specifically described in [2]. Further, [3] describes improvements made based on the base technology.
[0024]
[1] Details of elemental technology
[1.1] Introduction
A new multi-resolution filter called a singularity filter is introduced to accurately calculate matching between images. No prior knowledge of the object is required. The calculation of matching between images is calculated at each resolution while proceeding through the resolution hierarchy. At that time, the hierarchy of the resolution is sequentially traced from a coarse level to a fine level. The parameters required for the calculation are set completely automatically by dynamic calculations similar to the human visual system. It is not necessary to manually specify corresponding points between images.
[0025]
The base technology can be applied to, for example, completely automatic morphing, object recognition, stereoscopic photogrammetry, volume rendering, generation of a smooth moving image from a small number of frames, and the like. When used for morphing, a given image can be automatically transformed. When used for volume rendering, intermediate images between sections can be accurately reconstructed. The same applies to the case where the distance between sections is long and the shape of the section changes greatly.
[0026]
[1.2] Hierarchy of singularity filter
The multi-resolution singularity filter according to the base technology can save the luminance and the position of each singularity included in the image while reducing the resolution of the image. Here, the width of the image is N and the height is M. Hereinafter, for simplicity, N = M = 2ⁿ(N is a natural number). Also, the section [0, N] ⊂R is described as I. Let the pixel of the image at (i, j) be p_{(I, j)}(I, j∈I).
[0027]
Here, a multi-resolution hierarchy is introduced. The hierarchized image group is generated by a multi-resolution filter. The multi-resolution filter performs a two-dimensional search on the original image to detect a singular point, and extracts the detected singular point to generate another image having a lower resolution than the original image. . Here, the size of each image at the m-th level is 2^m× 2^m(0 ≦ m ≦ n). The singularity filter recursively constructs the following four types of new hierarchical images in a direction descending from n.
[0028]
(Equation 1)

However, here
(Equation 2)

And Hereinafter, these four images are called sub-images (sub-images). min_{x ≦ t ≦ x + 1}, Max_{x ≦ t ≦ x + 1}Are described as α and β, respectively, the sub-images can be described as follows.
[0029]
P^{(M, 0)}= Α (x) α (y) p^{(M + 1,0)}
P^{(M, 1)}= Α (x) β (y) p^{(M + 1,1)}
P^{(M, 2)}= Β (x) α (y) p^{(M + 1,2})
P^{(M, 3)}= Β (x) β (y) p^{(M + 1,3)}
That is, these are considered to be like the tensor product of α and β. Each sub-image corresponds to a singular point. As is apparent from these equations, the singularity filter detects a singularity for each block composed of 2 × 2 pixels in the original image. At this time, a point having a maximum pixel value or a minimum pixel value is searched for in two directions of each block, that is, in the vertical and horizontal directions. As the pixel value, the luminance is adopted in the base technology, but various numerical values relating to the image can be adopted. The pixel with the maximum pixel value in both directions is the local maximum point, the pixel with the minimum pixel value in both directions is the local minimum point, the maximum pixel value in one of the two directions, and the minimum pixel value in the other. Are detected as saddle points.
[0030]
The singularity filter reduces the resolution of the image by representing the image of the block (here, four pixels) with the image of the singularity (here, one pixel) detected inside each block. From a theoretical point of view of the singularity, α (x) α (y) preserves the minimum point, β (x) β (y) preserves the maximum point, α (x) β (y) and β (x) α (y) preserves the saddle point.
[0031]
First, a singular point filter process is separately performed on a start point (source) image and an end point (destination) image to be matched to generate a series of image groups, that is, a start point hierarchical image and an end point hierarchical image. The start point hierarchical image and the end point hierarchical image are respectively generated in four types corresponding to the types of singular points.
[0032]
Thereafter, the start hierarchical image and the end hierarchical image are matched in a series of resolution levels. First p^{(M, 0)}Is used to match the minimum point. Next, based on the result, p^{(M, 1)}Is used to match the saddle point, and p^{(M, 2)}Is used to match other saddle points. And finally p^{(M, 3)}Is used to match the maximum point.
[0033]
FIGS. 1C and 1D show the sub-image p of FIGS. 1A and 1B, respectively.^(5,0)Is shown. Similarly, FIGS. 1E and 1F show p^(5,1), FIG. 1 (g) and FIG. 1 (h)^(5,2), FIG. 1 (i) and FIG. 1 (j)^(5,3)Are respectively shown. As can be seen from these figures, the matching of the characteristic portions of the image is facilitated by using the sub-image. First p^(5,0)The eyes become clear. This is because the eyes are the minimum point of luminance in the face. p^(5,1)According to the mouth becomes clear. This is because the mouth has low brightness in the horizontal direction. p^(5,2)According to the vertical lines on both sides of the neck are clear. Finally, p^(5,3)This clarifies the brightest spots on the ears and cheeks. This is because these are the maximum points of luminance.
[0034]
Since the features of the image can be extracted using the singularity filter, for example, by comparing the features of the image captured by the camera with the features of several objects recorded in advance, the subject shown in the camera can be identified. can do.
[0035]
[1.3] Calculation of mapping between images
Let the pixel at the position (i, j) of the starting image be p^(N) _{(I, j)}And the pixel at the position (k, l) of the end point image is q^(N) _{(K, l)}Described by i, j, k, l∈I. Defines the energy of mapping between images (described below). This energy is determined by the difference between the luminance of the pixel of the start image and the luminance of the corresponding pixel of the end image, and the smoothness of the mapping. P with the lowest energy first^{(M, 0)}And q^{(M, 0)}Mapping f^{(M, 0)}: P^{(M, 0)}→ q^{(M, 0)}Is calculated. f^{(M, 0)}P with minimum energy^{(M, 1}), Q^{(M, 1)}Mapping f^{(M, 1)}Is calculated. This procedure is p^{(M, 3)}And q^{(M, 3)}The mapping f between^{(M, 3)}It continues until the calculation of is completed. Each mapping f^{(M, i)}(I = 0, 1, 2,...) Is called a submapping. f^{(M, i)}Can be rearranged as follows for the convenience of the calculation of The reason why the sorting is necessary will be described later.
[0036]
(Equation 3)

Here, σ (i) {0, 1, 2, 3}.
[0037]
[1.3.1] Bijective
When the matching between the start image and the end image is expressed by a mapping, the mapping should satisfy the bijection condition between the two images. This is because there is no conceptual advantage between the two images, and each pixel should be connected in a bijective and injective manner. However, unlike the usual case, the mapping to be constructed here is a digital version of bijection. In the base technology, pixels are specified by grid points.
[0038]
The mapping from the starting sub-image (the sub-image provided for the starting image) to the ending sub-image (the sub-image provided for the ending image) is f^{(M, s)}: I / 2^nm× I / 2^nm→ I / 2^nm× I / 2^nm(S = 0, 1,...). Where f^{(M, s)}(I, j) = (k, l) is p of the starting image^{(M, s)} _{(I, j)}Is the q of the end point image^{(M, s)} _{(K, l)}Means to be mapped to For simplicity, when f (i, j) = (k, l) holds, pixel q_{(K, l)}To q_{f (i, j)}It is described.
[0039]
When data is discrete like pixels (grid points) handled in the base technology, the definition of bijection is important. Here, they are defined as follows (i, i ', j, j', k, and l are all integers). First, each square area represented by R in the plane of the starting image,
(Equation 4)

(I = 0, ..., 2^m-1, j = 0, ..., 2^m-1). Here, the direction of each side (edge) of R is determined as follows.
[0040]
(Equation 5)

This square must be mapped by mapping f to a quadrilateral in the destination image plane. f^{(M, s)}A quadrilateral indicated by (R),
(Equation 6)

Must satisfy the following bijection conditions:
[0041]
1. Quadrilateral f^{(M, s)}The edges of (R) do not cross each other.
2. f^{(M, s)}The directions of the edges of (R) are equal to those of R (clockwise in FIG. 2).
3. As a relaxation condition, a contraction map (retractions) is allowed.
[0042]
This is because there is only a unit mapping that completely satisfies the bijection condition unless some relaxation condition is set. Where f^{(M, s)}The length of one edge of (R) is 0, that is, f^{(M, s)}(R) may be a triangle. However, it should not be a figure whose area is 0, that is, one point or one line segment. When FIG. 2 (R) is the original quadrilateral, FIGS. 2 (A) and 2 (D) satisfy the bijection condition, but FIGS. 2 (B), 2 (C), and 2 (E). ) Is not satisfied.
[0043]
In an actual implementation, the following conditions may be further imposed to easily guarantee that the mapping is surjective. That is, each pixel on the boundary of the start image is mapped to a pixel occupying the same position in the end image. That is, f (i, j) = (i, j) (where i = 0, i = 2^m-1, j = 0, j = 2^m-1 on four lines). This condition is hereinafter also referred to as “additional condition”.
[0044]
[1.3.2] Energy of mapping
[1.3.2.1] Cost related to pixel luminance
Define the energy of the mapping f. The goal is to find a mapping that minimizes energy. The energy is mainly determined by the difference between the luminance of the pixel of the start image and the luminance of the pixel of the corresponding end image. That is, the mapping f^{(M, s)}Energy C at point (i, j)^{(M, s)} _{(I, j)}Is determined by the following equation.
[0045]
(Equation 7)

Here, V (p^{(M, s)} _{(I, j)}) And V (q^{(M, s)} _{f (i, j)}) Is the pixel p^{(M, s)} _{(I, j)}And q^{(M, s)} _{f (i, j)}Is the brightness of the image. f total energy C^{(M, s)}Is one evaluation expression for evaluating the matching.^{(M, s)} _{(I, j)}Can be defined as the sum of
[0046]
(Equation 8)

[1.3.2.2] Cost related to pixel location for smooth mapping
In order to obtain a smooth mapping, another energy Df for the mapping is introduced. This energy is independent of the brightness of the pixel,^{(M, s)} _{(I, j)}And q^{(M, s)} _{f (i, j)}(I = 0, ..., 2^m-1, j = 0, ..., 2^m-1). Mapping f at point (i, j)^{(M, s)}Energy D^{(M, s)} _{(I, j)}Is defined by the following equation.
[0047]
(Equation 9)

Here, the coefficient parameter η is a real number of 0 or more, and
(Equation 10)

[Equation 11]

And here,
(Equation 12)

And f (i ′, j ′) is determined to be 0 for i ′ <0 and j ′ <0. E₀Is determined by the distance between (i, j) and f (i, j). E₀Prevents pixels from being mapped to pixels that are too far apart. Where E₀Will later be replaced by another energy function. E₁Guarantees the smoothness of the mapping. E₁Is p_{(I, j)}Represents the distance between the displacement of an adjacent point and the displacement of its adjacent point. Based on the above considerations, energy D which is another evaluation formula for evaluating matching_fIs determined by the following equation.
[0048]
(Equation 13)

[1.3.2.3] Total energy of mapping
The total energy of the mapping, that is, the comprehensive evaluation formula relating to the integration of multiple evaluation formulas is λC^{(M, s)} _f+ D^{(M, s)} _fIs defined by Here, the coefficient parameter λ is a real number of 0 or more. The purpose is to detect a state where the comprehensive evaluation expression takes an extreme value, that is, to find a mapping giving the minimum energy represented by the following expression.
[0049]
[Equation 14]

Note that for λ = 0 and η = 0, the mapping is a unitary mapping (ie, all i = 0,..., 2^m-1 and j = 0, ..., 2^mF for -1^{(M, s)}(I, j) = (i, j)). As will be described later, in the base technology, since the case where λ = 0 and η = 0 are evaluated first, the mapping can be gradually deformed from the unit mapping. Suppose that the position of λ in the comprehensive evaluation formula is changed and C^{(M, s)} _f+ ΛD^{(M, s)} _fIf λ = 0 and η = 0, the overall evaluation formula is C^{(M, s)} _f, And pixels that have no relation at all are simply associated with each other simply because of their close luminance, and the mapping becomes meaningless. There is no point in transforming a mapping based on such a meaningless mapping. For this reason, consideration is given to how to give the coefficient parameters so that the unit mapping is selected as the best mapping at the start of the evaluation.
[0050]
Similarly to this base technology, the optical flow also takes into account the difference in brightness between pixels and the smoothness. However, optical flow cannot be used for image conversion. This is because only the local movement of the object is considered. A global correspondence can be detected by using the singularity filter according to the base technology.
[0051]
[1.3.3] Determination of mapping by introducing multiple resolutions
A mapping f that gives the minimum energy and satisfies the bijection condition_minIs obtained using a multi-resolution hierarchy. At each resolution level, the mapping between the starting sub-image and the ending sub-image is calculated. Starting from the highest level (the coarsest level) in the resolution hierarchy, the mapping at each resolution level is determined taking into account the mapping at other levels. The number of mapping candidates at each level is limited by using higher, or coarser, levels of mapping. More specifically, when determining a mapping at a certain level, a mapping obtained at a level one coarser than that is imposed as a kind of constraint condition.
[0052]
First,
(Equation 15)

Holds, p^{(M-1, s)} _{(I ', j')}, Q^{(M-1, s)} _{(I ', j')}To p^{(M, s)} _{(I, j)}, Q^{(M, s)} _{(I, j)}Will be referred to as "parent." [X] is the maximum integer not exceeding x. Also p^{(M, s)} _{(I, j)}, Q^{(M, s)} _{(I, j)}To p^{(M-1, s)} _{(I ', j')}, Q^{(M-1, s)} _{(I ', j')}Child. The function parent (i, j) is defined by the following equation.
[0053]
(Equation 16)

p^{(M, s)} _{(I, j)}And q^{(M, s)} _{(K, l)}The mapping f between^{(M, s)}Is determined by performing an energy calculation to find the minimum. f^{(M, s)}The value of (i, j) = (k, l) is f^{(M-1, s)}By using (m = 1, 2,..., N), it is determined as follows. First, q^{(M, s)} _{(K, l)}Imposes the condition that it must be inside the following quadrilateral, and narrows down those mappings that satisfy the bijection condition that are more realistic.
[0054]
[Equation 17]

However, here
(Equation 18)

It is. The quadrilateral thus determined is referred to as p^{(M, s)} _{(I, j)}Is referred to as an inherited quadrilateral. The pixel that minimizes the energy inside the inherited quadrilateral is determined.
[0055]
FIG. 3 shows the above procedure. In the figure, pixels A, B, C, and D of the start image are mapped to A ', B', C ', and D' of the end image at the (m-1) th level, respectively. Pixel p^{(M, s)} _{(I, j)}Is a pixel q existing inside the inherited quadrilateral A'B'C'D '.^{(M, s)} _{f (m) (i, j)}Must be mapped to With the above considerations, the mapping from the (m-1) th level mapping to the mth level mapping is performed.
[0056]
Energy E defined earlier₀Is the submap f at the m-th level^{(M, 0}) Is replaced by the following equation.
[0057]
[Equation 19]

Also, the submap f^{(M, s)}The following equation is used to calculate.
[0058]
(Equation 20)

In this way, a mapping is obtained that keeps the energy of all submappings at a low value. According to Equation 20, the submappings corresponding to different singularities are associated within the same level so that the submappings have a high degree of similarity. Equation 19 gives f^{(M, s)}It shows the distance between (i, j) and the position of the point to be projected at (i, j) when considered as a part of the pixel at the (m-1) th level.
[0059]
If there is no pixel satisfying the bijection condition inside the inherited quadrilateral A'B'C'D ', the following measures are taken. First, a pixel whose distance from the boundary line of A'B'C'D 'is L (initially L = 1) is examined. If the one with the minimum energy satisfies the bijection condition,^{(M, s)}Select as the value of (i, j). If such a point is found or L is its upper limit L^(M)L is increased until it reaches max. L^(M)max is fixed for each level m. If no such point is found, a mapping in which the area of the destination quadrilateral becomes zero by temporarily ignoring the third condition of bijection is recognized, and f^{(M, s)}(I, j) is determined. If a point satisfying the condition is still not found, the first and second conditions for bijection are removed.
[0060]
An approximation using multiple resolutions is essential to determine the global correspondence between images while avoiding the mapping being affected by image details. Unless an approximation method based on multiple resolutions is used, it is impossible to find the correspondence between pixels at a long distance. In that case, the size of the image must be limited to a very small one, and only images with small changes can be handled. Furthermore, since the mapping is usually required to be smooth, it is difficult to find the correspondence between such pixels. This is because the energy of mapping from a pixel at a distance to the pixel is high. According to the approximation method using multiple resolutions, an appropriate correspondence between such pixels can be found. This is because those distances are small at the upper level (coarse level) of the resolution hierarchy.
[0061]
[1.4] Automatic determination of optimal parameter values
One of the major drawbacks of existing matching techniques is the difficulty of parameter adjustment. In most cases, parameter adjustments are made manually and it is extremely difficult to choose the optimal value. According to the method according to the base technology, the optimal parameter value can be completely automatically determined.
[0062]
The system according to the base technology includes two parameters, λ and η. In short, λ is the weight of the difference in luminance between pixels, and η indicates the rigidity of the mapping. The initial values of these parameters are 0. First, λ is fixed to 0 and λ is gradually increased from 0. When increasing the value of λ and minimizing the value of the overall evaluation expression (Equation 14), C^{(M, s)} _fGenerally decreases. This basically means that the two images have to match better. However, when λ exceeds the optimum value, the following phenomenon occurs.
[0063]
1. Pixels that should not correspond to each other are incorrectly associated simply because the luminance is close.
2. As a result, the correspondence between the pixels becomes incorrect, and the mapping starts to be lost.
3. As a result, in equation 14, D^{(M, s)} _fTries to increase sharply.
4. As a result, the value of equation (14) tends to increase rapidly, so that D^{(M, s)} _fF to suppress the rapid increase of^{(M, s)}Changes, and as a result, C^{(M, s)} _fIncrease.
Therefore, while maintaining the state where Equation 14 takes the minimum value while increasing λ, C^{(M, s)} _fIs detected, and λ is set as an optimum value at η = 0. Next, increase η little by little and C^{(M, s)} _fIs automatically determined by the method described later. Λ is also determined corresponding to the η.
[0064]
This method is similar to the operation of the focus mechanism of the human visual system. In the human visual system, matching of the images of the left and right eyes is performed while moving one eye. When an object is clearly recognizable, its eyes are fixed.
[0065]
[1.4.1] Dynamic determination of λ
λ is increased from 0 at a predetermined interval, and the submapping is evaluated each time the value of λ changes. As in Equation 14, the total energy is λC^{(M, s)} _f+ D^{(M, s)} _fDefined by D in equation 9^{(M, s)} _fRepresents smoothness, and theoretically becomes minimum in the case of unit mapping, and the more distorted the mapping, the more E₀Also E₁Will also increase. E₁Is an integer, so D^{(M, s)} _fHas a minimum step size of 1. Therefore, the current λC^{(M, s)} _{(I, j)}If the change (decrease amount) is not more than 1, the total energy cannot be reduced by changing the mapping. Because, as the mapping changes, D^{(M, s)} _fIncreases by one or more, so that λC^{(M, s)} _{(I, j)}This is because the total energy does not decrease unless the value decreases by one or more.
[0066]
Under these conditions, as λ increases, C^{(M, s)} _{(I, j)}Decrease. C^{(M, s)} _{(I, j)}Is described as h (l). h (l) is the energy C^{(M, s)} _{(I, j)}Is l²Is the number of pixels. λl²To satisfy ≧ 1, for example, l²Consider the case of = 1 / λ. λ is λ₁To λ₂When it changes by a very small amount
(Equation 21)

A pixels represented by
(Equation 22)

Changes to a more stable state with the energy of Here, it is assumed that the energy of these pixels is all zero. This equation is C^{(M, s)} _fIs the value of
[Equation 23]

Only change, so that
(Equation 24)

Holds. Since h (l)> 0, C^{(M, s)} _fDecreases. However, when λ is going to exceed the optimum value, the above phenomenon, ie, C^{(M, s)} _fIncrease occurs. By detecting this phenomenon, the optimum value of λ is determined.
[0067]
When H (h> 0) and k are constants,
(Equation 25)

Assuming that
(Equation 26)

Holds. At this time, if k ≠ -3,
[Equation 27]

It becomes. This is C^{(M, s)} _f(C is a constant).
[0068]
When detecting the optimal value of λ, the number of pixels that violates the bijection condition may be examined for safety. Here, when determining the mapping of each pixel, the probability of violating the bijection condition is p₀Assume that in this case,
[Equation 28]

Holds, the number of pixels that violate the bijection condition increases at the following rate.
[0069]
(Equation 29)

Therefore,
[Equation 30]

Is a constant. Assuming that h (l) = Hl^kWhen assuming, for example,
(Equation 31)

Becomes a constant. However, when λ exceeds the optimal value, the above value increases rapidly. When this phenomenon is detected, B₀λ^{3/2 + k / 2}/ 2^mIs abnormal value B_0thresTo determine the optimal value of λ. Similarly, B₁λ^{3/2 + k / 2}/ 2^mIs abnormal value B_1thres, The rate of increase B in pixels that violates the third condition of bijection₁Check. Factor 2^mThe reason for introducing is described later. This system is not sensitive to these two thresholds. These thresholds are determined by the energy C^{(M, s)} _fCan be used to detect over-distortion of the missed mapping.
[0070]
In the experiment, the submap f^{(M, s)}When calculating λ, if λ exceeds 0.1, f^{(M, s)}Stop calculating f^{(M, s + 1)}Was moved to the calculation. This is because when λ> 0.1, only a difference of “3” in the luminance level 255 of the pixel affected the calculation of the submapping, and when λ> 0.1, it was difficult to obtain a correct result. .
[0071]
[1.4.2] Histogram h (l)
C^{(M, s)} _fDoes not depend on the histogram h (l). In testing for bijection and its third condition, it may be affected by h (l). Actually (λ, C^{(M, s)} _f), K is usually around 1. In the experiment, k = 1 was used, and B₀λ²And B₁λ²Was inspected. If the true value of k is less than 1, then B₀λ²And B₁λ²Is not a constant and the factor λ^{(1-k) / 2}Gradually increase according to. If h (l) is a constant, for example, the factor is λ^1/2It is. However, the difference is equal to the threshold B_0thresCan be absorbed by setting it correctly.
[0072]
Here, the center of the starting point image is (x₀, Y₀), Assume a circular object of radius r.
(Equation 32)

On the other hand, the end point image has the center (x₁, Y₁), Assume that the object has a radius of r.
[Equation 33]

Where c (x) is c (x) = x^kIt is assumed that Center (x₀, Y₀) And (x₁, Y₁) Is sufficiently far, the histogram h (l) has the form:
(Equation 34)

When k = 1, the image shows objects with sharp boundaries embedded in the background. This object is darker in the center and brighter as you go around. When k = -1, the image represents an object with ambiguous boundaries. This object is brightest in the center and gets darker as it goes around. The generality of objects can be considered to be intermediate between these two types of objects without loss of generality. Therefore, k can cover most cases as −1 ≦ k ≦ 1, and it is guaranteed that Equation 27 is generally a decreasing function.
[0073]
Note that, as can be seen from Equation 34, r is affected by the resolution of the image, that is, r is proportional to 2m. For this purpose, a factor of 2 m was introduced in [1.4.1].
[0074]
[1.4.3] Dynamic determination of η
The parameter η can be automatically determined in the same manner. First, η = 0, and the final mapping f at the finest resolution^(N)And energy C^(N) _fIs calculated. Then, η is increased by a certain value Δη, and again the final mapping f at the finest resolution^(N)And energy C^(N) _fIs recalculated. This process is continued until an optimum value is obtained. η indicates the rigidity of the mapping. This is because the weight of the following equation is used.
[0075]
(Equation 35)

When η is 0, D^(N) _fIs determined independently of the immediately preceding submapping, and the current submapping is elastically deformed and excessively distorted. On the other hand, when η is a very large value, D^(N) _fIs almost completely determined by the immediately preceding submap. At this time, the submapping is very rigid, and the pixels are projected to the same place. As a result, the mapping becomes a unit mapping. When the value of η gradually increases from 0, C^(N) _fGradually decreases. However, when the value of η exceeds the optimum value, the energy starts increasing as shown in FIG. In the figure, the X axis is η and the Y axis is C_fIt is.
[0076]
In this way C^(N) _fTo obtain the optimal value of η. However, as compared with the case of λ, various factors affect the calculation.^(N) _fChanges with small fluctuations. This is because in the case of λ, the submapping is only recalculated once each time the input changes by a small amount, but in the case of η, all the submappings are recalculated. Therefore, the obtained C^(N) _fIt cannot be immediately determined whether the value of is minimum. If a candidate for the minimum value is found, it is necessary to search for the true minimum value by setting a finer section.
[0077]
[1.5] Super sampling
When determining the correspondence between pixels, to increase the degree of freedom, f^{(M, s)}Can be extended to R × R (R is a set of real numbers). In this case, the brightness of the pixel of the end point image is interpolated, and the non-integer point,
[Equation 36]

F with luminance at^{(M, s)}Is provided. That is, super sampling is performed. In the experiment, f^{(M, s)}Is allowed to take integer and half-integer values,
(37)

Is
[Equation 38]

Given by.
[0078]
[1.6] Normalization of pixel luminance of each image
When the start-point image and the end-point image include extremely different objects, it is difficult to directly use the luminance of the original pixel for calculating the mapping. Energy C related to luminance due to large difference in luminance^{(M, s)} _fIs too large to make a correct evaluation.
[0079]
For example, consider a case where a human face and a cat face are matched. The cat's face is covered with hair and contains very bright and very dark pixels. In this case, the sub-image is first normalized in order to calculate the sub-map between the two faces. That is, the brightness of the darkest pixel is set to 0, the brightness of the brightest pixel is set to 255, and the brightness of the other pixels is obtained by linear interpolation.
[0080]
[1.7] Implementation
A recursive method is used in which the calculation proceeds linearly according to the scanning of the starting image. First, for the leftmost pixel (i, j) = (0,0) at the top, f^{(M, s)}Determine the value of. Next, while increasing i by 1, each f^{(M, s)}Determine the value of (i, j). When the value of i reaches the width of the image, the value of j is increased by 1 and i is returned to 0. After that, f^{(M, s)}(I, j) is determined. If pixel correspondence is determined for all points, one mapping f^{(M, s)}Is determined.
[0081]
Some p_{(I, j)}Corresponding point q_{f (i, j)}Is determined, then p_{(I, j + 1)}Corresponding point q_{f (i, j + 1)}Is determined. At this time, q_{f (i, j + 1)}Is q to satisfy the bijection condition_{f (i, j)}Is limited by the position of Therefore, the priority of the system becomes higher as the corresponding point is determined first. If the state where (0,0) always has the highest priority continues, an extra deflection is added to the final mapping required. In the base technology, in order to avoid this state, f^{(M, s)}Is determined by the following method.
[0082]
First, when (s mod 4) is 0, the values are determined while gradually increasing i and j starting from (0, 0). When (s mod 4) is 1, the right end point of the uppermost line is set as a start point, and i is decreased and j is increased. When (s mod 4) is 2, the rightmost point in the bottom row is set as a starting point, and the values are determined while decreasing i and j. When (smod @ 4) is 3, the left end point of the bottom row is set as a starting point, and i is increased and j is decreased while being determined. Since the concept of the submapping, that is, the parameter s does not exist at the n-th level having the finest resolution, the two directions are continuously calculated assuming that s = 0 and s = 2.
[0083]
In an actual implementation, a penalty is given to a candidate that violates the bijection condition, so that the f^{(M, s)}(I, j) (m = 0,..., N) were selected. The energy D (k, l) of a candidate that violates the third condition is multiplied by φ, while a candidate that violates the first or second condition is multiplied by ψ. In this case, φ = 2 and ψ = 100000 were used.
[0084]
In order to check the bijection condition described above, (k, l) = f^{(M, s)}The following tests were performed in determining (i, j). That is, f^{(M, s)}For each lattice point (k, l) included in the inherited quadrilateral of (i, j), it is checked whether or not the z component of the outer product of the following equation is 0 or more.
[0085]
[Equation 39]

However, here
(Equation 40)

(Equation 41)

(Where the vector is a three-dimensional vector and the z-axis is defined in an orthogonal right-handed coordinate system). If W is negative then D for that candidate^{(M, s)} _{(K, l)}Give a penalty by multiplying by ψ, and try to make as few choices as possible.
[0086]
FIGS. 5A and 5B show the reason for checking this condition. FIG. 5A shows a candidate without a penalty, and FIG. 5B shows a candidate with a penalty. Mapping f for adjacent pixel (i, j + 1)^{(M, s)}When determining (i, j + 1), if the z component of W is negative, no pixel satisfies the bijection condition on the source image plane. Because q^{(M, s)} _{(K, l)}Is to cross the boundary of an adjacent quadrilateral.
[0087]
[1.7.1] Order of submapping
The implementation uses σ (0) = 0, σ (1) = 1, σ (2) = 2, σ (3) = 3, σ (4) = 0 when the resolution level is even, In this case, σ (0) = 3, σ (1) = 2, σ (2) = 1, σ (3) = 0, and σ (4) = 3 were used. As a result, the sub-mapping was shuffled appropriately. Note that there are originally four types of submappings, and s is one of 0 to 3. However, processing corresponding to s = 4 was actually performed. The reason will be described later.
[0088]
[1.8] Interpolation calculation
After the mapping between the start image and the end image is determined, the brightness of the corresponding pixels is interpolated. In the experiment, trilinear interpolation was used. Square p in the source image plane_{(I, j)}p_{(I + 1, j)}p_{(I, j + 1)}p_{(I + 1, j + 1)}Is a quadrangle q on the destination image plane_{f (i, j)}q_{f (i + 1, j)}q_{f (i, j + 1)}q_{f (i + 1, j + 1)}Assume that it is projected to For simplicity, the distance between images is set to 1. The pixel r (x, y, t) (0 ≦ x ≦ N−1, 0 ≦ y ≦ M−1) of the intermediate image whose distance from the starting image plane is t (0 ≦ t ≦ 1) is as follows. Is required. First, the position of the pixel r (x, y, t) (where x, y, t ， R) is obtained by the following equation.
[0089]
(Equation 42)

Subsequently, the luminance of the pixel at r (x, y, t) is determined using the following equation.
[0090]
[Equation 43]

Here, dx and dy are parameters and change from 0 to 1.
[0091]
[1.9] Mapping when constraints are imposed
He described the determination of the mapping when no constraints existed. However, when the correspondence between the specific pixels of the start point image and the end point image is defined in advance, the mapping can be determined based on this as a constraint.
[0092]
The basic idea is to roughly deform the start-point image by a rough mapping that moves a specific pixel of the start-point image to a specific pixel of the end-point image, and then calculate the mapping f accurately.
[0093]
First, a rough mapping that projects a specific pixel of the start image to a specific pixel of the end image and projects other pixels of the start image to an appropriate position is determined. That is, a pixel that is close to a particular pixel is a mapping that is projected near where the particular pixel is projected. Here, the rough mapping of the m-th level is F^(M)It is described.
[0094]
The rough mapping F is determined in the following manner. First, mappings are specified for some pixels. N for the starting image_sPixels,
[Equation 44]

When specifying, determine the following values:
[Equation 45]

The displacement amount of the other pixels of the starting image is p_{(Ih, jh)}(H = 0, ..., n_sThis is an average obtained by weighting the displacement of -1). That is, the pixel p_{(I, j)}Is projected to the following pixels of the end point image.
[0095]
[Equation 46]

However, here
[Equation 47]

[Equation 48]

And
[0096]
Then, F^(M), So that the candidate map f close to has less energy,^{(M, s)} _{(I, j)}To change. To be precise, D^{(M, s)} _{(I, j)}Is
[Equation 49]

It is. However,
[Equation 50]

And κ, ρ ≧ 0. Finally, f is completely determined by the automatic mapping process described above.
[0097]
Where f^{(M, s)}(I, j) is F^(M)When they are close enough to (i, j), that is, their distance is
(Equation 51)

Within E₂ ^{(M, s)} _{(I, j)}Should be zero. The reason for such definition is that each f^{(M, s)}(I, j) is F^(M)This is because, as long as the value is sufficiently close to (i, j), it is desired to automatically determine the value so as to settle to an appropriate position in the end point image. For this reason, the exact correspondence need not be specified in detail, and the start image is automatically mapped to match the end image.
[0098]
[2] Specific processing procedure
The flow of processing by each element technology of [1] will be described.
FIG. 6 is a flowchart showing the overall procedure of the base technology. As shown in the figure, first, processing using a multi-resolution singularity filter is performed (S1), and then matching between the start point image and the end point image is performed (S2). However, S2 is not essential, and processing such as image recognition may be performed based on the features of the image obtained in S1.
[0099]
FIG. 7 is a flowchart showing details of S1 in FIG. Here, it is assumed that the start image and the end image are matched in S2. Therefore, the starting point image is first hierarchized by the singular point filter (S10), and a series of starting point hierarchical images is obtained. Subsequently, the end image is hierarchized by the same method (S11) to obtain a series of end hierarchical images. However, the order of S10 and S11 is arbitrary, and the start hierarchical image and the end hierarchical image can be generated in parallel.
[0100]
FIG. 8 is a flowchart showing details of S10 in FIG. Original source image size is 2ⁿ× 2ⁿAnd Since the starting hierarchical image is created in order from the one with the smallest resolution, the parameter m indicating the resolution level to be processed is set to n (S100). Next, the m-th level image p^{(M, 0)}, P^{(M, 1)}, P^{(M, 2)}, P^{(M, 3)}, A singular point is detected using a singular point filter (S101), and the m-th level image p^(M-1,0), P^{(M-1, 1)}, P^{(M-1, 2)}, P^{(M-1, 3)}Is generated (S102). Here, since m = n, p^{(M, 0)}= P^{(M, 1)}= P^{(M, 2)}= P^{(M, 3)}= P^(N)Thus, four types of sub-images are generated from one start-point image.
[0101]
FIG. 9 shows the correspondence between a part of the m-th level image and a part of the (m-1) th level image. Numerical values in the figure indicate the luminance of each pixel. P in FIG.^{(M, s)}Is p^{(M, 0)}~ P^{(M, 3)}Symbolizes the four images of^(M-1,0)To generate^{(M, s)}Is p^{(M, 0)}I believe that. According to the rule shown in [1.2], p^(M-1,0)Is, for example, “3”, p among the four pixels included in the block in which the luminance is written in FIG.^{(M-1, 1)}Is "8", p^{(M-1, 2)}Is "6", p^{(M-1, 3)}Is obtained, and this block is replaced with one obtained pixel. Therefore, the size of the sub-image at the (m-1) th level is 2^m-1× 2^m-1become.
[0102]
Subsequently, m is decremented (S103 in FIG. 8), it is confirmed that m is not negative (S104), and the process returns to S101 to generate a sub-image having a coarse resolution. As a result of this repetitive processing, S = 0 ends when m = 0, that is, when the 0th level sub-image is generated. The size of the 0th level sub-image is 1 × 1.
[0103]
FIG. 10 illustrates the starting hierarchical image generated in S10 in a case where n = 3. Only the first start point image is common to the four series, and the sub-images are generated independently thereafter depending on the type of the singular point. Note that the processing in FIG. 8 is common to S11 in FIG. 7, and the destination hierarchical image is also generated through the same procedure. Thus, the process in S1 of FIG. 6 is completed.
[0104]
In the base technology, a preparation for matching evaluation is made in order to proceed to S2 in FIG. FIG. 11 shows the procedure. As shown in the figure, first, a plurality of evaluation expressions are set (S30). Energy C for the pixel introduced in [1.3.2.1]^{(M, s)} _fAnd the energy D related to the smoothness of the mapping introduced in [1.3.2.2]^{(M, s)} _fThat is it. Next, these evaluation expressions are integrated to form a comprehensive evaluation expression (S31). Total energy λC introduced in [1.3.2.3]^{(M, s)} _f+ D^{(M, s)} _fThat is, using the η introduced in [1.3.2.2],
(Equation 52)

It becomes. Here, the sum is 0, 1, ..., 2 for i and j, respectively.^mCalculate with -1. The preparation for the matching evaluation is now completed.
[0105]
FIG. 12 is a flowchart showing details of S2 of FIG. As described in [1], matching between the start hierarchical image and the end hierarchical image is performed between images having the same resolution level. In order to obtain good global matching between images, matching is calculated in order from the level with the lowest resolution. Since the start point hierarchical image and the end point hierarchical image are generated using the singular point filter, the position and luminance of the singular point are clearly preserved even at the coarse resolution level, and the result of global matching is lower than in the past. It will be very good.
[0106]
As shown in FIG. 12, first, the coefficient parameter η is set to 0 and the level parameter m is set to 0 (S20). Subsequently, matching is calculated between each of the four m-level sub-images in the start hierarchical image and each of the m-th four sub-images in the destination hierarchical image, and the bijection condition is satisfied and the energy is satisfied. Four kinds of submappings f that minimize^{(M, s)}(S = 0, 1, 2, 3) is obtained (S21). The bijection condition is checked using the inheritance quadrilateral described in [1.3.3]. At this time, as shown in Expressions 17 and 18, the sub-mappings at the m-th level are constrained by those at the (m-1) -th level, so that matching at a lower resolution level is sequentially used. This is a vertical reference between different levels. It should be noted that although m = 0 now and there is no coarser level, this exceptional processing will be described later with reference to FIG.
[0107]
On the other hand, horizontal reference within the same level is also performed. As in Equation 20 of [1.3.3], f^{(M, 3)}Is f^{(M, 2)}And f^{(M, 2)}Is f^{(M, 1)}And f^{(M, 1)}Is f^{(M, 0)}To be similar to each other. The reason is that even if the types of singularities are different, it is unnatural that the submappings are completely different as long as they are originally included in the same start image and end image. As can be seen from Expression 20, the closer the submappings are, the smaller the energy is, and the matching is considered to be good.
[0108]
Note that f to be determined first^{(M, 0)}Since there is no sub-mapping that can be referred to at the same level, one coarse level is referred to as shown in Expression 19. However, in the experiment, f^{(M, 3)}After this is obtained, f^{(M, 0)}Was updated once. This substitutes s = 4 into equation 20, and f^{(M, 4)}The new f^{(M, 0)}Is equivalent to f^{(M, 0)}And f^{(M, 3)}In order to avoid the tendency of the relevance of the to be too low, this measure improved the experimental results. In addition to this measure, the experiment also shuffled the submap shown in [1.7.1]. This is also intended to keep the degree of relevance between submappings originally determined for each type of singularity closely. The point at which the position of the start point is changed according to the value of s in order to avoid the deflection depending on the start point of the processing is as described in [1.7].
[0109]
FIG. 13 is a diagram showing how the sub-mapping is determined at the 0th level. At level 0, each sub-image consists of only one pixel, so four sub-maps^{f (0, s)}Are automatically determined to be unit maps. FIG. 14 is a diagram showing how the sub-mapping is determined at the first level. At the first level, each sub-image is composed of four pixels. In the figure, these four pixels are indicated by solid lines. Now p^{(1, s)}The corresponding point of point x of q^{(1, s)}Take the following steps when searching for
[0110]
1. An upper left point a, an upper right point b, a lower left point c, and a lower right point d of the point x are obtained at the first level of resolution.
2. A pixel to which the points a to d belong at one coarse level, that is, the 0th level, is searched. In the case of FIG. 14, points a to d belong to pixels A to D, respectively. However, the pixels A to C are virtual pixels that do not originally exist.
3. The corresponding points A 'to D' of the pixels A to D already determined at the 0th level are q^{(1, s)}Plot in. Pixels A 'to C' are virtual pixels and are assumed to be at the same positions as pixels A to C, respectively.
4. Assuming that the corresponding point a 'of the point a in the pixel A is in the pixel A', the point a 'is plotted. At this time, it is assumed that the position occupied by the point a in the pixel A (in this case, the lower right) is the same as the position occupied by the point a 'in the pixel A'.
The corresponding points b 'to d' are plotted in the same manner as in 5.4, and an inherited quadrilateral is formed at points a 'to d'.
6. The corresponding point x 'of the point x is searched so as to minimize the energy in the inherited quadrilateral. The candidates for the corresponding point x 'may be limited to, for example, those in which the center of the pixel is included in an inherited quadrilateral. In the case of FIG. 14, all four pixels are candidates.
[0111]
The above is the procedure for determining the corresponding point of the point x. The same processing is performed for all other points to determine a submapping. At the second and higher levels, the shape of the inherited quadrilateral is considered to gradually collapse, so that a situation occurs in which the pixels A 'to D' are spaced apart as shown in FIG.
[0112]
When the four sub-maps of the m-th level are determined in this way, m is incremented (S22 in FIG. 12), it is confirmed that m does not exceed n (S23), and the process returns to S21. Hereinafter, each time the process returns to S21, a sub-mapping of a finer resolution level is obtained, and when the process returns to S21, the mapping f of the n-th level is obtained.^(N)Decide. Since this mapping is fixed with respect to η = 0, f^(N)(Η = 0).
[0113]
Next, η is shifted by Δη and m is cleared to zero in order to obtain mappings for different η (S24). The new η is the predetermined search censoring value η_maxIs not exceeded (S25), the process returns to S21, and the mapping f^(N)(Η = Δη) is obtained. This processing is repeated, and in S21, f^(N)(Η = iΔη) (i = 0, 1,...) Is obtained. η is η_maxIs exceeded, the process proceeds to S26, and the optimum η = η is determined by the method described later._optAnd f^(N)(Η = η_opt) Is finally mapped f^(N)And
[0114]
FIG. 15 is a flowchart showing details of S21 in FIG. According to this flowchart, a submapping at the m-th level is determined for a certain fixed η. When determining the submapping, the base technology determines the optimum λ independently for each submapping.
[0115]
As shown in the figure, first, s and λ are cleared to zero (S210). Next, the submap f that minimizes the energy for λ at that time (and implicitly for η)^{(M, s)}(S211), and this is^{(M, s)}Write (λ = 0). To find the mappings for different λ, λ is shifted by Δλ and the new λ is_maxIs not exceeded (S213), the process returns to S211 and f^{(M, s)}(Λ = iΔλ) (i = 0, 1,...) Is obtained. λ is λ_maxIs exceeded, the process proceeds to S214, and the optimal λ = λ_optAnd f^{(M, s)}(Λ = λ_opt) Is finally mapped f^{(M, s)}(S214).
[0116]
Next, to obtain another submapping at the same level, λ is cleared to zero and s is incremented (S215). Confirm that s does not exceed 4 (S216), and return to S211. If s = 4, then f^{(M, 3)}Using f^{(M, 0)}Is updated, and the determination of the sub-mapping at that level is completed.
[0117]
FIG. 16 shows f obtained by changing λ for certain m and s.^{(M, s)}(Λ = iΔλ) (i = 0, 1,...) Energy C^{(M, s)} _fIt is a figure showing the behavior of. As described in [1.4], when λ increases, usually C^{(M, s)} _fDecreases. However, when λ exceeds the optimum value, C^{(M, s)} _fTurns to increase. Therefore, in this base technology, C^{(M, s)} _fIs the minimum value of λ_optDecide. As shown in FIG._optAgain in the range of^{(M, s)} _fEven if is small, the mapping is already distorted at that point and it is meaningless, so it is sufficient to pay attention to the first minimum point. λ_optIs determined independently for each submap, and finally f^(N)One is also determined.
[0118]
On the other hand, FIG. 17 shows f obtained while changing η.^(N)Energy corresponding to (η = iΔη) (i = 0, 1,...)^(N) _fIt is a figure showing the behavior of. Again, if η increases, usually C^(N) _fDecreases, but when η exceeds the optimal value, C^(N) _fTurns to increase. So C^(N) _fIs the minimum value of η_optDecide. FIG. 17 may be considered as an enlarged view of the vicinity of zero on the horizontal axis in FIG. η_optF is decided^(N)Can be finally determined.
[0119]
As described above, according to the base technology, various advantages can be obtained. First, since there is no need to detect an edge, the problem of the conventional edge detection type technology can be solved. Also, a priori knowledge of the objects included in the image is not required, and automatic detection of corresponding points is realized. According to the singular point filter, the luminance and position of the singular point can be maintained even at a coarse resolution level, which is extremely advantageous for object recognition, feature extraction, and image matching. As a result, it is possible to construct an image processing system that significantly reduces manual work.
[0120]
In addition, the following modified technologies are also conceivable for the base technology.
(1) In the base technology, parameters are automatically determined when matching is performed between the start hierarchical image and the end hierarchical image, but this method performs matching between two normal images, not between hierarchical images. Available for all cases.
[0121]
For example, the energy E related to the difference in pixel brightness between two images₀And the energy E related to the positional deviation of the pixel₁Are the evaluation expressions, and their linear sum E_tot= ΑE₀+ E₁Is defined as a comprehensive evaluation formula. Attention is paid to the vicinity of the extreme value of this comprehensive evaluation formula, and α is automatically determined. That is, for various α, E_totFind a mapping that minimizes Of those mappings, E₁Is determined as an optimal parameter when the value of the minimum takes a minimum value. The mapping corresponding to the parameter is finally regarded as the optimal matching between the two images.
[0122]
There are various other methods for setting the evaluation formula, for example, 1 / E₁And 1 / E₂For example, the larger the evaluation result is, the larger the evaluation result becomes. The comprehensive evaluation formula does not necessarily need to be a linear sum, and an n-th sum (n = 2, 、, −1, −2, etc.), a polynomial, an arbitrary function, or the like may be appropriately selected.
[0123]
The parameter may be any parameter such as only α, two cases of η and λ as in the base technology, and more cases. If the parameter is 3 or more, it is determined by changing it one by one.
[0124]
(2) In the base technology, after determining the mapping so that the value of the comprehensive evaluation formula is minimized, C is one evaluation formula that constitutes the comprehensive evaluation formula.^{(M, s)} _fThe parameter at which the minimum value was detected was determined. However, in place of such a two-stage process, depending on the situation, it is effective to simply determine the parameters so that the minimum value of the comprehensive evaluation formula is minimized. In that case, for example, αE₀+ ΒE₁May be taken as a comprehensive evaluation formula, and a constraint condition of α + β = 1 may be provided to take measures such as treating each evaluation formula equally. This is because the essence of automatic parameter determination is to determine parameters so that energy is minimized.
[0125]
(3) In the base technology, four types of sub-images related to four types of singular points are generated at each resolution level. However, of course, one, two, and three of the four types may be selectively used. For example, if there is only one bright point in the image, f^{(M, 3)}Even if a hierarchical image is generated only by itself, an appropriate effect should be obtained. In that case, different sub-mappings at the same level are not required, so that there is an effect that the calculation amount regarding s is reduced.
[0126]
(4) In the base technology, when the level is advanced by one by the singular point filter, the number of pixels is reduced to 1/4. For example, a configuration in which one block is 3 × 3 and a singular point is searched in the block is possible. In this case, if the level advances by one, the pixel becomes 1/9.
[0127]
(5) If the start image and the end image are color, they are first converted to black and white images, and the mapping is calculated. The color image at the starting point is converted using the mapping obtained as a result. As another method, a submap may be calculated for each of the RGB components.
[0128]
[3] Improvements of the underlying technology
Based on the above prerequisite technology, some improvements have been made to improve matching accuracy. Here we describe the improvements.
[0129]
[3.1] Singularity filter and sub-image considering color information
In order to use the color information of the image effectively, the singularity filter was changed as follows. First, as the color space, HIS, which is said to best match human intuition, was used, and an expression for converting color to luminance was selected that is said to be closest to the sensitivity of human eyes.
[0130]
[Equation 53]

Here, the following symbols are defined assuming that Y (luminance) and Y (saturation) in pixel a are Y (a) and S (a), respectively.
[0131]
(Equation 54)

Using the above definition, the following five filters are prepared.
[0132]
[Equation 55]

Of these, the top four filters are almost the same as the filters in the base technology before the improvement, and store the luminance singularities while retaining the color information. The last filter stores the singularities of the color saturation, again leaving the color information.
[0133]
With these filters, five types of sub-images (sub-images) are generated for each level. Note that the highest level sub-image matches the original image.
[0134]
[Equation 56]

[3.2] Edge image and its sub-image
In order to use the information of the luminance derivative (edge) for matching, a primary derivative edge detection filter is used. This filter can be realized by convolution with a certain operator H.
[0135]
[Equation 57]

Here, H was used in consideration of the calculation speed and the like, and the following operators were used.
[0136]
[Equation 58]

Next, this image is multi-resolutionized. Since an image having a luminance centered at 0 is generated by the filter, the following average image is most appropriate as the sub-image.
[0137]
[Equation 59]

The image of Expression 59 is used as an energy function at the time of Forward @ Stage described later, that is, at the time of calculation of the first submapping derivation stage.
[0138]
The size of the edge, that is, the absolute value, is also required for the calculation.
[0139]
[Equation 60]

Since this value is always positive, a maximum value filter is used for multi-resolution processing.
[0140]
[Equation 61]

The image of Expression 61 is used to determine the order of calculation when calculating Forward @ Stage described later.
[0141]
[3.3] Calculation processing procedure
The calculation is performed in order from the sub-image having the coarsest resolution. Since there are five sub-images, the calculation is performed a plurality of times at each level of resolution. This is called a turn, and the maximum number of calculations is represented by t. Each turn is composed of two energy minimization calculations, namely, Forward @ Stage and Refinement @ Stage, which is a submapping recalculation stage. FIG. 18 is a flowchart relating to an improvement in the calculation for determining the sub-mapping at the m-th level.
[0142]
As shown in the figure, s is cleared to zero (S40). Next, in Forward @ Stage (S41), a mapping f from the start image p to the end image q^{( m, s )}Is determined by energy minimization. Here, the energy to be minimized is a linear sum of the energy C based on the corresponding pixel value and the energy D based on the smoothness of the mapping.
[0143]
Energy C is energy C due to the difference in luminance._I(Equivalent to the energy C in the base technology before the improvement), and the energy C based on hue and saturation._C, Energy C due to difference in luminance derivative (edge)_EAnd are represented as follows.
[0144]
(Equation 62)

Energy D is the same as the prerequisite technology before the improvement. However, in the base technology before the improvement, the energy E that guarantees the smoothness of the mapping is obtained.₁When deriving, only adjacent pixels were considered, but the number of surrounding pixels to be considered has been improved so that the parameter d can be specified.
[0145]
[Equation 63]

In preparation for the next Refinement @ Stage, this stage maps the end point image q to the start point image p.^{(M, s)}Is similarly calculated.
[0146]
In Refinement @ Stage (S42), bidirectional mapping f obtained in Forward @ Stage^{(M, s)}And g^{(M, s)}, A more appropriate mapping f ′^{(M, s)}Ask for. Here, energy minimization calculation is performed for the newly defined energy M. The energy M is the degree of matching M with the mapping g from the end image to the start image.₀And the difference M from the original mapping₁It is composed of
[0147]
[Equation 64]

A mapping g ′ from the end image q to the start image p so as not to lose the symmetry^{(M, s)}Is obtained in a similar manner.
[0148]
Thereafter, s is incremented (S43), it is confirmed that s does not exceed t (S44), and the process proceeds to Forward @ Stage (S41) in the next turn. At this time, the E₀Is replaced as follows to perform the energy minimization calculation.
[0149]
[Equation 65]

[3.4] Mapping calculation order
Energy E representing the smoothness of the mapping₁Is calculated using the mapping of surrounding points, so whether or not those points have already been calculated affects the energy. In other words, the accuracy of the whole mapping greatly changes depending on from which point the calculation is performed in order. Therefore, the absolute value image of the edge is used. Since the edge portion contains a large amount of information, the mapping calculation is performed first from the position where the absolute value of the edge is large. This makes it possible to obtain a very accurate mapping, especially for an image such as a binary image.
[0150]
[Embodiment relating to image processing]
In the base technology, correspondence information is generated by matching key frames, and an intermediate frame is generated based on the correspondence information. Therefore, this technique can be used for compression of moving images, and in experiments, it has been actually confirmed that both image quality and compression ratio exceeding MPEG are confirmed. Hereinafter, an image processing technology using the base technology will be described.
[0151]
FIG. 19 shows a configuration of the image processing apparatus 10 according to the embodiment. The image processing device 10 includes an image reading unit 12 that reads image data obtained by a photographing device, a low-resolution image data storage unit 14 that stores low-resolution image data of image data, and a high-resolution image data. A high-resolution image data storage unit 16 for storing, a key frame extracting unit 18 for extracting a key frame from the low-resolution image data with reference to a time interval of an image frame belonging to the high-resolution image data, The key frame storage unit 20 to be stored, the matching information generation unit 22 that performs matching calculation between adjacent image frames in the low-resolution image data using a prerequisite technique and the like, and generates a local correspondence information file, and integrates the corresponding information. A correspondence information integration unit 24 for generating a global correspondence information file between key frames; A low-resolution intermediate image generation unit 26 that generates an intermediate image between key frames while referring to a time interval of each image frame belonging to the low-resolution image data, based on the global correspondence information file, A difference image generation unit 28 for obtaining a difference image between the image frame sandwiched between the key frames and the low-resolution intermediate image at the same temporal position, and a corresponding point of the global correspondence information file and a high pixel count of the difference image. A pixel number conversion unit 30 for performing data conversion so as to have the same number of pixels as the resolution image; Resolution intermediate image generation unit 32, and image output control for displaying a high resolution image frame and a high resolution intermediate image in time axis order Including the 34.
[0152]
In the present embodiment, for example, a low-resolution image with a high frame rate and a high-resolution image obtained by performing moving image shooting simultaneously at 1 million pixels at 30 frames per second and 4 million pixels at 6 frames per second, for example. An image having a low frame rate is read by the image reading unit 12. The image reading unit 12 detects the resolution of the data and stores them in the low-resolution image data storage unit 14 and the high-resolution image data storage unit 16, respectively. Of the image data sent to the low-resolution image data storage unit 14, the image frame at the same or closest timing as the high-resolution image frame was obtained is extracted as a key frame by the key frame extraction unit 18, respectively. The key frame data is stored in the key frame storage unit 20.
[0153]
FIG. 20 is a conceptual diagram showing the relationship between the low-resolution image frame LRF and the high-resolution image frame HRF. In the figure, a high-resolution image frame HRF exists at a timing of one out of five low-resolution image frames LRF. A low-resolution image frame located at the same position as the high-resolution image frame on the same time axis is_i, KF_{i + 1}, KF_{i + 2}, KF_{i + 3}It is extracted as ...
[0154]
On the other hand, the correspondence information generation unit 22 generates local correspondence information by performing matching processing on adjacent low-resolution image frames read from the low-resolution image data storage unit 14, and sequentially transmits the local correspondence information to the correspondence information integration unit 24. Can be The correspondence information integration unit 24 obtains the interval between adjacent key frames from the key frame storage unit 20 and sequentially integrates the local correspondence information between the key frames and the image frames sandwiched between the key frames based on the obtained information. , That is, global correspondence information. For example, in FIG. 20, the key frame KF_iAnd key frame KF_{i + 1}And four image frames in between. Key frame KF_iThe upper point p1 (not shown; hereinafter the same as pi) corresponds to the point p2 on the next adjacent image frame, the point p2 corresponds to the point p3 of the next image frame, and the next one in turn. p3 → p4, p4 → p5, and finally the corresponding point of the image frame p5 is the key frame KF_{i + 1}Assume that it corresponds to the upper point p6. By integrating those information between adjacent image frames, a correspondence of p1 → p6 can be obtained. By performing this for each pixel, global correspondence information is generated.
[0155]
The correspondence information integration unit 24 further includes a trajectory tracking unit that tracks the trajectory of the corresponding point over an adjacent key frame and an image frame sandwiched between the key frame and the obtained trajectory by using a parametric function such as a NURBS function or a Bezier function. And may be incorporated into the global correspondence information.
[0156]
Since the global correspondence information generated by the correspondence information integration unit 24 is correspondence information between key frames, an intermediate image is generated at an arbitrary temporal position between key frames by performing a prerequisite technique or other interpolation. Can be. Therefore, the low-resolution intermediate image generation unit 26 uses the adjacent key frames read from the key frame storage unit 20 and the global correspondence information between them, at the same timing as the low-resolution image frames sandwiched by those key frames. Generate an intermediate image, that is, a low-resolution intermediate image. The low-resolution intermediate images are sent to the difference image generation unit 28, and are compared with the low-resolution image frames at the same temporal position, whereby the difference images are sequentially generated.
[0157]
FIG. 21 shows the relationship between the low-resolution image frame LRF and the low-resolution intermediate image LRIF. In the figure, in the low resolution image frame LRF, the key frame KF_iAnd KF_{i + 1}There are four image frames in between. At the same time position, global correspondence information LRC between key frames_{i, i + 1}, Four low-resolution intermediate images LRIF are generated. The low-resolution image frame and the low-resolution intermediate image at the same temporal position should originally be the same image, but include some errors in steps such as matching calculation and integration of corresponding information. It is possible. Therefore, in order to correct the high resolution intermediate image HRIF generated later, the difference image d between the low resolution image frame LRF and the low resolution intermediate image LRIF is calculated._i1, D_i2, D_i3, D_i4To get. The correction will be described later.
[0158]
The pixel number conversion unit 30 performs data conversion such that the global correspondence information generated by the correspondence information integration unit 24 and the difference image generated by the difference image generation unit 28 correspond to the number of pixels of the high-resolution image data. Do. FIG. 22 is a conceptual diagram showing a method of converting global correspondence information. When the low-resolution image LRF has n × n pixels, both the global correspondence information and the pixel information of the difference image are n × n. If the number of pixels of the high-resolution image HRF is 2n × 2n, the corresponding point of the coordinates (x, y) of the start image in the original global correspondence information is the coordinates (x ′, y ′) of the end image. Certain corresponding point information includes, for example, coordinates on a start image, four points (x, y), (x + 1, y), (x, y + 1), and (x + 1, y + 1) on an end image, The extension of the corresponding point is to correspond to the four points (x ', y'), (x '+ 1, y'), (x ', y' + 1), (x '+ 1, y' + 1). Do. Similarly, the difference image is converted from the pixel value of (x, y) to four pixel values of (x, y), (x + 1, y), (x, y + 1), (x + 1, y + 1). , And finally, both are 2n × 2n pieces of information. The method of conversion is not limited to this, and for example, information of a plurality of existing points may be spatially interpolated to correspond to a high-resolution image. Alternatively, a prohibition process may be performed such that the edge detection of the high-resolution image is separately performed and expansion of the corresponding point does not extend over the edge while comparing with the global correspondence information.
[0159]
The global correspondence information and the difference image subjected to the data conversion corresponding to the number of pixels of the high-resolution image are sent to the high-resolution intermediate image generation unit 32. The high-resolution intermediate image generation unit 32 reads an adjacent image frame belonging to the high-resolution image data, and based on the global correspondence information and the difference image corresponding to the temporal position thereof, an intermediate image of the high-resolution image frame, that is, Generate a high-resolution intermediate image.
[0160]
FIG. 22 shows the relationship between the low-resolution intermediate image and the high-resolution intermediate image. Low resolution image frame LRF, key frame KF_iAnd KF_{i + 1}Global correspondence information LRC between_{i, i + 1}Is the global correspondence information HRC having the number of pixels of the high-resolution image data HRF._{i, i + 1}And a high-resolution intermediate image HRIF is generated based thereon. Difference image d_i1From d_i4Is used for correcting the high-resolution intermediate image HRIF, as described later.
[0161]
A method of generating a high-resolution intermediate image from global correspondence information and a high-resolution image frame may use a prerequisite technique by replacing each with a correspondence information file and a key frame, or may use other interpolation techniques. . Here, the global correspondence information is obtained by integrating correspondence information of low-resolution image frames obtained at detailed time intervals, so that correspondence from (x, y) to (x ′, y ′) in FIG. As shown in the curve, information having higher time accuracy than a linear correspondence obtained by directly matching key frames is included. By applying this to the high-resolution image data, a high-resolution intermediate image can be generated at a rate equal to or higher than the frame rate of the low-resolution image data read by the image reading unit 12. Further, as described above, when the locus of points between image frames is converted into a function and incorporated into global correspondence information, generation of a high-resolution intermediate image at more detailed time intervals can be realized with high accuracy.
[0162]
In order to further improve the accuracy, the correction is performed using the difference image obtained by converting the number of pixels. Among the generated high-resolution intermediate images, by adjusting the difference image with respect to the image at the same or closest timing to the difference image, a high-resolution intermediate image closer to the image frame actually acquired at a low resolution Is corrected to Other high-resolution intermediate images are finely adjusted by interpolating the pixel values of the corrected high-resolution intermediate image. The change of the difference image with respect to the time axis may be derived in advance by interpolation, the difference image at the temporal position where the high-resolution intermediate image is generated may be calculated, and then applied to each high-resolution intermediate image.
[0163]
In this way, when the high-resolution intermediate images are generated at arbitrary time intervals, the image output control unit 34 arranges the image frames belonging to the originally obtained high-resolution image data in the order of the time axis, and so on. It can output a moving image of a resolution.
[0164]
In addition to the image processing apparatus 10, an image capturing function for continuously capturing low-resolution image frames at short time intervals and continuously capturing high-resolution image frames at longer time intervals may be included. The present embodiment is more effective in an imaging device having such a function, for example, a digital video camera, but other than this, moving images and the like that are not limited by the frame rate at the time of shooting, such as animation and CT images, Even for a still image, since most of the acquired data may be a low-resolution image, it is advantageous in that a high-quality image can be obtained while suppressing the data capacity.
[0165]
In the image processing device 10, for example, the pixel number conversion unit 30, the high resolution intermediate image generation unit 32, and the image output control unit 34 may be separately provided as an image decoding device. At this time, the image processing apparatus 10 acquires high-resolution image data, global correspondence information, and difference image data from the high-resolution image data storage unit 16, the correspondence information integration unit 24, and the difference image generation unit 28, respectively. , A transmission unit (not shown) for transmitting the data as a data stream may be provided. On the other hand, in the image decoding device, the pixel number conversion unit 30 may be provided with an input unit for inputting a data stream. Also in this case, transmission with less load can be performed than when all data are high-resolution images.
[0166]
The processing method for two types of image data, that is, an image having a low resolution and a short acquisition time interval and an image having a high resolution and a long acquisition time interval have been described above. , And the same processing is sequentially performed from low-resolution image data to finally generate an intermediate image having the highest resolution. In addition, since such multi-step processing makes it possible to generate an intermediate image of each resolution at an arbitrary time interval, an optimal resolution for the image reproducing apparatus may be selected and reproduced. In such a case, the image processing apparatus 10 is provided with a functional block for determining an optimum resolution in consideration of the resolution specified by the user and the load on the CPU, for example, on the input side of the pixel number conversion unit 30. You may.
[0167]
The present invention has been described based on the embodiments. Note that the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications thereof are also effective as aspects of the present invention.
[Brief description of the drawings]
1 (a) and FIG. 1 (b) are images obtained by applying an averaging filter to the faces of two persons, and FIGS. 1 (c) and 1 (d) are images of the two persons. Required by the prerequisite technology for the face of^(5,0)The images of FIGS. 1 (e) and 1 (f) show the p obtained by the base technology for the faces of two persons.^(5,1)The images of FIGS. 1 (g) and 1 (h) show p obtained by the base technology for the faces of two persons.^(5,2)FIGS. 1 (i) and 1 (j) show the images of p obtained by the base technology for the faces of two persons.^(5,3)2 is a photograph of a halftone image in which each of the images is displayed on a display.
2 (R) is a diagram showing an original quadrilateral, and FIGS. 2 (A), 2 (B), 2 (C), 2 (D), and 2 (E) are respectively It is a figure which shows an inheritance quadrilateral.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a start point image and an end point image, and a relationship between an m-th level and an (m-1) th level, using an inherited quadrilateral.
FIG. 4 shows parameter η and energy C_fFIG.
5 (a) and 5 (b) are diagrams showing how a mapping for a certain point satisfies a bijection condition from an outer product calculation.
FIG. 6 is a flowchart illustrating an overall procedure of a base technology.
FIG. 7 is a flowchart showing details of S1 in FIG. 6;
FIG. 8 is a flowchart showing details of S10 in FIG. 7;
FIG. 9 is a diagram illustrating a correspondence relationship between a part of an m-th level image and a part of an (m−1) -th level image;
FIG. 10 is a diagram showing a starting hierarchical image generated by the base technology.
FIG. 11 is a diagram showing a procedure for preparing a matching evaluation before proceeding to S2 of FIG. 6;
FIG. 12 is a flowchart showing details of S2 in FIG. 6;
FIG. 13 is a diagram showing how a sub-mapping is determined at the 0th level.
FIG. 14 is a diagram showing how a sub-mapping is determined at the first level.
FIG. 15 is a flowchart illustrating details of S21 in FIG. 12;
FIG. 16 shows an f^{(M, s)}F obtained while changing λ^{(M, s)}Energy C corresponding to (λ = iΔλ)^{(M, s)} _fIt is a figure showing the behavior of.
FIG. 17 shows f obtained while changing η.^(N)Energy corresponding to (η = iΔη) (i = 0, 1,...)^(N) _fIt is a figure showing the behavior of.
FIG. 18 is a flowchart for obtaining a sub-mapping at the m-th level in the base technology after improvement.
FIG. 19 is a configuration diagram of an image processing apparatus according to an embodiment.
FIG. 20 is a conceptual diagram illustrating a relationship between image frames of low-resolution image data and high-resolution image data.
FIG. 21 is a conceptual diagram showing a relationship between image frame data of two resolutions and each intermediate image.
FIG. 22 is a conceptual diagram showing a method of making global correspondence information correspond to the number of pixels of high-resolution image data.
[Explanation of symbols]
10 image processing device, {12} image reading unit, {14} low resolution image data storage unit, {16} high resolution image data storage unit, {18} key frame extraction unit, {22 correspondence information generation unit, {24} correspondence information integration unit, {26} low resolution intermediate image generation , {28} difference image generator, {30} pixel number converter, {32} high resolution intermediate image generator, and {34} image output controller.

Claims (14)

Matching processing of first image data having continuous image frames to generate a local correspondence information file of adjacent image frames;
Generating a global correspondence information file between the key frames by integrating the local correspondence information files between key frames selected by a predetermined rule from the first image data;
Associating the image frame belonging to the first image data with at least a part of the visual field space, the second image data having continuous image frames having different resolutions, and the global correspondence information file,
An image processing method comprising: The method according to claim 1, wherein the key frame is selected according to a temporal position of each image frame belonging to the second image data. The method according to claim 1, further comprising generating an intermediate image between image frames belonging to the second image data based on the global correspondence information file. 4. The method according to claim 3, wherein generating the intermediate image includes converting a corresponding point of the global correspondence information file into data corresponding to the number of pixels of an image frame belonging to the second image data. The method described in. A correspondence information generating unit that performs matching processing on first image data having continuous image frames and generates a local correspondence information file of adjacent image frames;
A correspondence information integration unit that integrates the local correspondence information files between key frames selected according to a predetermined rule from the first image data to generate a global correspondence information file between the key frames;
An intermediate image between image frames belonging to the second image data having continuous image frames having different resolutions, wherein an image frame belonging to the first image data and at least a part of the viewing space overlap based on the global correspondence information file. A second image-side intermediate image generation unit that generates
An image processing apparatus comprising: The apparatus according to claim 5, wherein the key frame is selected in correspondence with a temporal position of each image frame belonging to the second image data. 7. The apparatus according to claim 5, wherein a corresponding point of the global correspondence information file is converted into data corresponding to the number of pixels of an image frame belonging to the second image data. The apparatus according to any one of claims 5 to 7, wherein the first image data has a lower resolution than the second image data, and has a shorter time interval between image frames. The correspondence information integration unit tracks a trajectory of an image area included in each image frame belonging to the first image data between key frames, and incorporates the trajectory into the global correspondence information as function data. Apparatus according to any of claims 5 to 8. A first image-side intermediate image generating unit that generates an intermediate image between the key frames at a resolution of the first image data based on the global correspondence information file;
A difference image generation unit that obtains a difference image between an image frame sandwiched between the key frames in the first image data and an intermediate image on the first image side;
A pixel number conversion unit that makes the number of pixels of the difference image the same as the number of pixels of the second image data;
Further comprising
The apparatus according to any one of claims 5 to 9, wherein the intermediate image on the second image side is corrected using the difference image obtained by performing the pixel number conversion. A data stream generation unit that generates a data stream including the difference image, the global correspondence information file, and the second image data;
A transmitting unit for transmitting the data stream;
The apparatus of claim 10, further comprising: A corresponding information file of the first image data having continuous image frames, and a second image having continuous image frames having different resolutions, wherein at least a part of an image frame belonging to the first image data overlaps with a viewing space. An input unit for inputting a data stream including data;
A pixel number conversion unit that converts the correspondence information file into data corresponding to the number of pixels of an image frame belonging to the second image data;
An intermediate image generating unit that generates an intermediate image between image frames belonging to the second image data based on the data-converted correspondence information file;
An image decoding device comprising: An image processing apparatus according to any one of claims 5 to 11, comprising:
An imaging unit having a continuous shooting function of acquiring a high-resolution image at a time interval longer than the time interval while acquiring a low-resolution image at a predetermined time interval,
The high-resolution image generated via the image processing device as the first image data and the second image data of the low-resolution image and the high-resolution image, respectively, according to claim 5. An image reproduction control unit that sequentially outputs the intermediate image and the high-resolution image in the time axis direction,
An electronic camera comprising: A function of performing a matching process on first image data having continuous image frames and generating a local correspondence information file of adjacent image frames;
A function of integrating the local correspondence information files between key frames selected according to a predetermined rule from the first image data to generate a global correspondence information file between the key frames;
A function of associating the second image data having continuous image frames with different resolutions with an image frame belonging to the first image data and at least a part of the viewing space overlapping, and the global correspondence information file;
A computer program for causing a computer to execute the following.

Images