JP2005128001A - 光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法 - Google Patents

光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法の提供。
【解決手段】 第1画像と第2画像をキャプチャするステップと、複数の画像点を選択して計算の参考点となすステップと、前述の第1画像と前述の第2画像に基づき、前述の計算の参考点のテイラー展開(Taylor expansion)の一階偏微分関数の偏微分量を計算し、以て複数の二元一次方程式を生成するステップと、前述の複数の二元一次方程式に基づきサブピクセル移動量を計算するステップとを具えている。計算の参考点は画像輝度の変化が単調で且つ輝度の変化が臨界値より大きいかの判断点に符合しうる。また、計算の参考点を分類し、並びにその各類の係数を総和することにより移動量を計算することで、雑音を抑制する。
【選択図】 図5

Description

本発明は光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法に係り、特に、テイラー展開を利用して移動量を求めるサブピクセル移動量検出方法に関する。
光学マウスは光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法を応用することでマウスの移動量を判断する。周知の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法は第1画像の部分画像をサーチウインドウとして、該サーチウインドウと第2画像との異なる位置での関連性(correlation)計算を行なう。その後、計算した関連性の大きさに基づき、対応する二次表面(quadratic surface)を得て、さらに該二次表面で絶対小値を探して移動量となす。特許文献1の「画像の関連性より相対移動を探知する方法と装置(method and device for tracking relative movement by correlating signals from an array of photoelements)」にこの技術が記載されている。
図1は周知の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法の画像の例を示す。図1に示されるように、11は第1画像、12は第2画像、及び13はサーチウインドウを示す。この方法の画像の大きさは7×7ピクセルであり、サーチウインドウ13は5×5ピクセルの画像である。サーチウインドウ13を取り出した後、該方法ではサーチウインドウ13を異なる方向に移動させ、例えば図1中、符号15に示されるように移動させ、並びにそれぞれ第2の画像との関連性を計算する。サーチウインドウ13の位置は画像140〜148に示される。ゆえに、該方法は図2に示される9個の関連性数値C0〜C8を発生する。関連性数値C0〜C8に基づき、図3に示される二次表面を生成する。ゆえに、該二次表面に基づき、最も関連性のある点を探し出して移動量とすることができる。
しかし、この方法に必要な演算量は大きく、例えば、サーチウインドウを8回移動させ、且つ9回の関連性演算を行なわねばならない。また、更に9個の関連性データに基づき移動点を探し出さねばならない。次に、この方法は全体の画像範囲を参考にする必要があり、即ち、この方法はサーチウインドウを利用して関連性を計算する必要があり、移動量が大きく参考できる画像範囲(第2画像)がサーチウインドウより大きい時、この方法は移動軌跡を判断できない。
米国特許第5,729,008号明細書
以上の問題を鑑み、本発明の目的は、大量の演算が不要で且つサーチウインドウの制限を受けないサブピクセル移動量検出方法を提供することにある。
上述の目的を達成するため、本発明の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法は以下のステップ、即ち、第1画像と第2画像をキャプチャするステップと、複数の画像点を選択して計算の参考点となすステップと、前述の第1画像と前述の第2画像に基づき、前述の計算の参考点のテイラー展開(Taylor expansion)の一階偏微分関数の偏微分量を計算し、以て複数の二元一次方程式を生成するステップと、前述の複数の二元一次方程式に基づきサブピクセル移動量を計算するステップとを具えている。
計算の参考点は画像輝度の変化が単調で且つ輝度の変化が臨界値より大きいかの判断点に符合しうる。また、計算の参考点を分類し、並びにその各類の係数を総和することにより移動量を計算することで、雑音を抑制する。
請求項1の発明は、第1画像と第2画像をキャプチャするステップと、複数の画像点を選択して計算の参考点となすステップと、前述の第1画像と前述の第2画像に基づき、前述の計算の参考点のテイラー展開の一階偏微分関数の偏微分量を計算して複数の二元一次方程式を生成するステップと、前述の複数の二元一次方程式に基づきサブピクセル移動量を計算するステップとを具えたことを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項2の発明は、請求項1記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の参考点の一階偏微分関数は、
Figure 2005128001
であり、そのうち、Ir(x,y)は第1画像の計算の参考点の画像輝度、Is(x,y)は第2画像の計算の参考点の画像輝度、△xはx方向移動量、△yはy方向移動量、
Figure 2005128001
はx偏微分量、
Figure 2005128001
はy偏微分量であることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項3の発明は、請求項2記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の一階偏微分関数のx偏微分量はx方向の画素輝度の変化量とされ、x方向の画素輝度の変化量は、
Figure 2005128001
と表示されることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項4の発明は、請求項2記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の一階偏微分関数のy偏微分量はy方向の画素輝度の変化量とされ、y方向の画素輝度の変化量は、
Figure 2005128001
と表示されることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項5の発明は、請求項1記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の複数の二元一次方程式に基づきサブピクセル移動量を計算するステップ中に、2つの二元一次方程式を選択してサブピクセル移動量を計算することを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項6の発明は、請求項1記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の複数の二元一次方程式に基づきサブピクセル移動量を計算するステップ中に、2つ以上の二元一次方程式を選択して複数組の解を求め、更にその平均値を求めてサブピクセル移動量となすことを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項7の発明は、請求項2記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の計算の参考点は画像輝度の変化が単調性で且つ輝度の変化が臨界値より大きいことに符合することを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項8の発明は、請求項7記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の計算の参考点は以下の式、即ち、
Figure 2005128001
に符合し、そのうち、Ithは臨界値であることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項9の発明は、請求項2又は請求項7記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の計算の参考点は三類の計算の参考点に分けられ、第1類の計算の参考点はx方向の画素輝度の変化量がy方向の画素輝度の変化量の一定比例より大きく、第2類の計算の参考点はy方向の画素輝度の変化量がx方向の画素輝度の変化量の一定比例より大きく、第3類の計算の参考点は第1類の計算の参考点と第2類の計算の参考点のいずれにも属さないその他の計算の参考点とされたことを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項10の発明は、請求項9記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の第1類の計算の参考点は、
Figure 2005128001
に符合し、そのうち、
Figure 2005128001
はx方向の画素輝度の変化量、
Figure 2005128001
はy方向の画素輝度の変化量、
及びσは倍数常数であることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項11の発明は、請求項9記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の第2類の計算の参考点は、
Figure 2005128001
に符合し、そのうち、
Figure 2005128001
はx方向の画素輝度の変化量、
Figure 2005128001
はy方向の画素輝度の変化量、
及びσは倍数常数であることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項12の発明は、請求項9記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、
第1類の計算の参考点の二元一次方程式の係数を総和し、並びに第1類の二元一次方程式を生成するステップと、
第2類の計算の参考点の二元一次方程式の係数を総和し、並びに第2類の二元一次方程式を生成するステップと、
第3類の計算の参考点の二元一次方程式の係数を総和し、並びに第3類の二元一次方程式を生成するステップと、
前述の第1類の二元一次方程式、第2類の二元一次方程式、第3類の二元一次方程式よりサブピクセル移動量を求めるステップと、
を更に具えたことを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
請求項13の発明は、請求項9記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、
第1類の計算の参考点の二元一次方程式の係数を総和し、並びに第1類の二元一次方程式を生成するステップと、
第2類の計算の参考点の二元一次方程式の係数を総和し、並びに第2類の二元一次方程式を生成するステップと、
前述の第1類の二元一次方程式、第2類の二元一次方程式よりサブピクセル移動量を求めるステップと、
を更に具えたことを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法としている。
本発明は、大量の演算が不要で且つサーチウインドウの制限を受けないサブピクセル移動量検出方法を提供している。
図4は位置と輝度の関係図であり、そのうち、横軸はx位置、縦軸は輝度、点線曲線は前の一枚の画像の輝度曲線Ir、実線曲線は現在の画像の輝度曲線Isである。2枚の画像の輝度が同じで位置だけが異なると仮定すると、輝度曲線IrとIsの関係は、式(1)のようになる。
Figure 2005128001
式(1)をテイラー展開法で展開し、並びに只第1階偏微分を列記し、即ち、式(1)は以下のように展開される。
Figure 2005128001
Figure 2005128001
に関しては、x点のx方向の斜率(輝度変化量)と見なすことができ、
Figure 2005128001
に関しては、y点のy方向の斜率(輝度変化量)と見なすことができる。
これにより、
Figure 2005128001

Figure 2005128001
は式(3)と式(4)に置き換えることができる。
Figure 2005128001
Figure 2005128001
ゆえに、(x,y)点のxとy方向の斜率は、2枚の画像に基づき計算できる。これにより、n×nピクセルの画像に対しては、式(1)に基づきn×n個の変数を△xと△yの二元一次方程式として列記できる。ただ二つの式だけで一組の△xと△yを解くことができるため、これらn×n個の方程式に基づき、複数組の△xと△yを解くことができる。その後、複数組の△xと△yの平均値を求めて一組の△xと△yとして出力できる。
ただし、雑音の影響により、全ての画像点を直接式(1)に基づき方程式を取得すると、正確度が低くなる。このため、本発明は更に信頼点(reliable point)分析の方法により雑音を除去し、選択した信頼点だけで式(1)の計算を行なう。さらに図4を参照されたい。輝度曲線が理想の状態にあると仮定し、隣り合う三点の変化は単調(monotone)曲線に対応する。ゆえに、非単調変化の画像点に対しては雑音と見なすことができる。それを濾過し、計算に納入しない。次に、斜率が非常に低い部分に対しては、影響が大きくないため、それを除去できる。ゆえに、式(5)、式(6)と式(7)はx方向の画像点のスクリーニングに用いることができ、式(8)、式(9)はy方向の画像点のスクリーニングに用いることができる。
Figure 2005128001
Figure 2005128001
Figure 2005128001
Figure 2005128001
Figure 2005128001
Figure 2005128001
ゆえに、式(5)〜式(10)に符合する画像点によりテイラー展開を行なうことができる。
ただし、上述の信頼点分析の方法は僅かに比較的大きな雑音を除去することしかできず、比較的軽微な雑音に対しては除去できない。これにより、本発明はさらに雑音抑制方法により更に雑音を抑制する。雑音抑制方法については、第1ステップとして、画像点を分類し、本発明では画像点を三類に分類し、第1類はx方向変化とし且つRx と定義し、第2類はy方向変化とし且つRy と定義し、第3類は両方向均一変化とし且つRz と定義する。
いわゆるx方向変化とはx方向の斜率が遥かにy方向の斜率より大きいことを指す。xとy方向の斜率は式(3)と式(4)により表示される。これにより第1類は式(11)を成すと定義できる。
Figure 2005128001
いわゆるy方向変化とはy方向の斜率が遥かにx方向の斜率より大きいことを指す。xとy方向の斜率は式(3)と式(4)により表示される。これにより第2類は式(12)を成すと定義できる。
Figure 2005128001
第1類と第2類に属さなければ第3類に属する。
続いて、各画像点のテイラー方程式を求め、並びに各類に帰属する。その後、各類の偏微分項を総和する。これは式(13)から式(15)に示されるとおりである。
Figure 2005128001
Figure 2005128001
Figure 2005128001
そのうち、
Figure 2005128001

Figure 2005128001
はそれぞれ
Figure 2005128001

Figure 2005128001
の正負号を表示し、その値は1或いは−1である。
第1類中のx方向の斜率は比較的大きいため、ゆえに△xの係数は比較的大きく、ゆえに△xの係数を正数に変成後、総和(summation)し、こうしてx方向の雑音を減らす(noise reduction)。△xの係数はいずれも正の値を取るため△yの係数と常数項もまた△xの係数の正負号に基づき改変しなければならない。即ち、△xの係数が正の時、△yの係数と常数項は不変であり、△xの係数が負の時、△yの係数と常数項にはいずれも−1を乗じる。
第2類中のy方向の斜率は比較的大きいため、ゆえに△yの係数は比較的大きく、ゆえに△yの係数を正数に変成後、総和(summation)し、こうしてy方向の雑音を減らす(noise reduction)。△yの係数はいずれも正の値を取るため△xの係数と常数項もまた△yの係数の正負号に基づき改変しなければならない。即ち、△yの係数が正の時、△xの係数と常数項は不変であり、△yの係数が負の時、△xの係数と常数項にはいずれも−1を乗じる。
第3類中のxとy方向の斜率には大きな違いはないため、△xの係数を選択して総和するか、或いは△yの係数を総和し、これによりある一方向の雑音を減らす。その正負号の処理と第1類或いは第2類のものとは同じであるため重複した説明は行なわない。
係数総和完成後に、三組の二元一次連立方程式を生成し、並びに三組の△xと△yの解を求める。当然、任意に選んだ二組の方程式の解を求めるか、二組あるいは三組の解を求めた後に、さらに平均値を取って出力する。
図5は本発明を光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法に応用したフローチャートである。本発明のサブピクセル移動量検出方法は、まず前後の二次元画像をキャプチャし、さらにテイラー展開法を利用して前後の二次元画像を展開し、並びにその一階偏微分関数を取る。以下に移動量△xと△yを求める数種類の方法について説明する。
第1種の方式: 直接計算。雑音を考慮しない状況で、任意の二つの画像点のテイラー展開の一階偏微分関数を選択し、即ち二つの二元一次連立方程式に基づき移動量△xと△yを求める。
第2種の方式: 平均値計算。もし雑音の影響を考慮するなら、二つの画像点より大きいテイラー展開の一階偏微分関数を選択し、複数の二元一次連立方程式に基づき複数組の移動量△xと△yを求める。その後、平均値を求める。
第3種の方式: 信頼点(reliable point)計算。各画像点のいずれもが必ずしも移動量計算に適合するのではないため、本発明ではさらに信頼点選択方式により比較的適合する画像点を移動量計算の参考点として選択する。信頼点の選択方式は画像輝度の変化が単調性であり且つ輝度の変化が臨界値より大きいかによりスクリーニングする。即ち、式(5)〜式(10)に符合する画像点である。信頼点を選択した後、第1種或いは第2種の方式を組み合わせて移動量△xと△yを求める。
第4種の方式: 雑音抑制方式。この方式は直接画像点を選択して処理するか、或いは第3種の方式を組合せて先ず信頼点を選択してから処理する。この雑音抑制方式は先ず複数の画像点を選択して各画像点のテイラー展開の一階偏微分関数を求め、さらに画像点を分類する。その分類方式は式(11)と式(12)に示されるとおりである。即ち、式(11)に符合するものを第1類画像点とし、式(12)に符合するものを第2類画像点とし、その他を第3類画像点とする。その後、式(13)〜式(15)に基づき、各類の一階偏微分関数の係数を総和し、三つの二元一次連立方程式を求める。最後に、この三つの二元一次連立方程式中の任意の二つの方程式より移動量△xと△yを求めるか、或いは三組の移動量△xと△yを求めてから更にその平均値を求める。
以上は本発明の実施例の説明であって本発明の請求範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
周知の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法に応用される画像の例を表示した図である。 関連性値位置表示図である。 二次表面表示図である。 位置と輝度の関係図であり、そのうち、横軸はx位置、縦軸は輝度である。 本発明を光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法に応用したフローチャートである。
符号の説明
11 第1画像
12 第2画像
13 サーチウインドウ

Claims (13)

  1. 第1画像と第2画像をキャプチャするステップと、複数の画像点を選択して計算の参考点となすステップと、前述の第1画像と前述の第2画像に基づき、前述の計算の参考点のテイラー展開の一階偏微分関数の偏微分量を計算して複数の二元一次方程式を生成するステップと、前述の複数の二元一次方程式に基づきサブピクセル移動量を計算するステップとを具えたことを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  2. 請求項1記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の参考点の一階偏微分関数は、
    Figure 2005128001
    であり、そのうち、Ir(x,y)は第1画像の計算の参考点の画像輝度、Is(x,y)は第2画像の計算の参考点の画像輝度、△xはx方向移動量、△yはy方向移動量、
    Figure 2005128001
    はx偏微分量、
    Figure 2005128001
    はy偏微分量であることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  3. 請求項2記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の一階偏微分関数のx偏微分量はx方向の画素輝度の変化量とされ、x方向の画素輝度の変化量は、
    Figure 2005128001
    と表示されることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  4. 請求項2記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の一階偏微分関数のy偏微分量はy方向の画素輝度の変化量とされ、y方向の画素輝度の変化量は、
    Figure 2005128001
    と表示されることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  5. 請求項1記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の複数の二元一次方程式に基づきサブピクセル移動量を計算するステップ中に、2つの二元一次方程式を選択してサブピクセル移動量を計算することを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  6. 請求項1記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の複数の二元一次方程式に基づきサブピクセル移動量を計算するステップ中に、2つ以上の二元一次方程式を選択して複数組の解を求め、更にその平均値を求めてサブピクセル移動量となすことを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  7. 請求項2記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の計算の参考点は画像輝度の変化が単調性で且つ輝度の変化が臨界値より大きいことに符合することを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  8. 請求項7記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の計算の参考点は以下の式、即ち、
    Figure 2005128001
    に符合し、そのうち、Ithは臨界値であることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  9. 請求項2又は請求項7記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の計算の参考点は三類の計算の参考点に分けられ、第1類の計算の参考点はx方向の画素輝度の変化量がy方向の画素輝度の変化量の一定比例より大きく、第2類の計算の参考点はy方向の画素輝度の変化量がx方向の画素輝度の変化量の一定比例より大きく、第3類の計算の参考点は第1類の計算の参考点と第2類の計算の参考点のいずれにも属さないその他の計算の参考点とされたことを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  10. 請求項9記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の第1類の計算の参考点は、
    Figure 2005128001
    に符合し、そのうち、
    Figure 2005128001
    はx方向の画素輝度の変化量、
    Figure 2005128001
    はy方向の画素輝度の変化量、
    及びσは倍数常数であることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  11. 請求項9記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、前述の第2類の計算の参考点は、
    Figure 2005128001
    に符合し、そのうち、
    Figure 2005128001
    はx方向の画素輝度の変化量、
    Figure 2005128001
    はy方向の画素輝度の変化量、
    及びσは倍数常数であることを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  12. 請求項9記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、
    第1類の計算の参考点の二元一次方程式の係数を総和し、並びに第1類の二元一次方程式を生成するステップと、
    第2類の計算の参考点の二元一次方程式の係数を総和し、並びに第2類の二元一次方程式を生成するステップと、
    第3類の計算の参考点の二元一次方程式の係数を総和し、並びに第3類の二元一次方程式を生成するステップと、
    前述の第1類の二元一次方程式、第2類の二元一次方程式、第3類の二元一次方程式よりサブピクセル移動量を求めるステップと、
    を更に具えたことを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
  13. 請求項9記載の光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法において、
    第1類の計算の参考点の二元一次方程式の係数を総和し、並びに第1類の二元一次方程式を生成するステップと、
    第2類の計算の参考点の二元一次方程式の係数を総和し、並びに第2類の二元一次方程式を生成するステップと、
    前述の第1類の二元一次方程式、第2類の二元一次方程式よりサブピクセル移動量を求めるステップと、
    を更に具えたことを特徴とする、光学ナビゲーション装置に応用されるサブピクセル移動量検出方法。
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