JP2011237369A - Surface condition classification device, surface condition classification method and surface condition classification program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、観測対象の表面状態を分類する技術に関する。 The present invention relates to a technique for classifying a surface state of an observation target.
カメラ画像により観測される対象の表面は、様々な外的要因により見かけが変化することが知られている。特に、湿度の影響により、観測対象の表面は濡れた面になり、乾いた面にもなる。 It is known that the surface of an object observed by a camera image changes in appearance due to various external factors. In particular, due to the influence of humidity, the surface to be observed becomes a wet surface and also a dry surface.
現在、このような観測対象の表面の特徴を、画像処理やコンピュータビジョン等により推定・解析することが求められている(非特許文献1)。これは、道路上の濡れた面はタイヤのスリップとの関係から交通監視において重要であり、建築物にあっては、画像診断上、濡れた面と乾いた面での見かけの違いを補正することが必要となっているからである。 Currently, it is required to estimate / analyze the characteristics of the surface to be observed by image processing, computer vision, or the like (Non-Patent Document 1). This is important in traffic monitoring because the wet surface on the road is related to tire slip, and in the case of buildings, the difference in appearance between the wet and dry surfaces is corrected for diagnostic imaging. Because it is necessary.
しかしながら、従来では、観測対象の表面状態を分類する際にカメラ画像の輝度の大きさのみを利用しているため、表面状態を誤って分類することが多いという問題があった。なお、ミリ波レーダ等の特殊で高価な装置を用いることによっても表面状態を検出可能であるが、一般的なカメラ画像を用いることが現在求められている。 However, conventionally, since only the brightness level of the camera image is used when classifying the surface state of the observation target, there has been a problem that the surface state is often classified incorrectly. Although the surface state can be detected by using a special and expensive device such as a millimeter wave radar, it is currently required to use a general camera image.
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、カメラ画像から観測対象の表面状態を分類することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the above, and makes it a subject to classify | categorize the surface state of observation object from a camera image.
請求項1に記載の表面状態分類装置は、観測対象の表面を写した観測画像を入力する入力手段と、入力された前記観測画像を記憶する記憶手段と、前記観測画像を前記記憶手段から読み出して、前記観測画像の各画素の輝度値を一定の光学モデルに当て嵌めて、当て嵌められた前記一定の光学モデルを解くことにより、前記観測対象の表面状態を推定する当嵌推定手段と、推定結果に基づいて前記観測対象の表面状態を分類する分類手段と、を有することを特徴とする。 The surface state classification apparatus according to claim 1, an input unit that inputs an observation image in which a surface of an observation target is copied, a storage unit that stores the input observation image, and reads the observation image from the storage unit The fitting estimation means for estimating the surface state of the observation object by fitting the luminance value of each pixel of the observation image to a certain optical model and solving the fitted optical model, Classification means for classifying the surface state of the observation target based on the estimation result.
本発明によれば、観測対象の表面を写した観測画像を入力し、観測画像の各画素の輝度値を一定の光学モデルに当て嵌めて、当て嵌められた一定の光学モデルを解くことにより、観測対象の表面状態を推定し、推定結果に基づいて観測対象の表面状態を分類するため、カメラ画像から観測対象の表面状態を分類することができる。 According to the present invention, an observation image that captures the surface of the observation target is input, and the luminance value of each pixel of the observation image is fitted to a certain optical model, and by solving the fitted constant optical model, Since the surface state of the observation target is estimated and the surface state of the observation target is classified based on the estimation result, the surface state of the observation target can be classified from the camera image.
請求項2に記載の表面状態分類装置は、請求項1に記載の表面状態分類装置において、前記当嵌推定手段は、前記観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を、前記観測対象の表面の任意の位置で拡散反射及び鏡面反射した反射光の強度(Kdcosθ+Ks(cosθ)n)(但し、Kd,Ks,θ,nは、それぞれ、前記任意の位置における、拡散反射係数,鏡面反射係数,前記観測対象の表面の法線ベクトルと前記反射光とのなす角,nは1以上の自然数)と定義し、前記定義からΣF f=1Σ(x,y)∈Ω[I(x,y)−Kdcosθ−Ks(cosθ)n]fの目的関数(但し、F,Ωは、それぞれ、前記観測画像の枚数,前記観測画像の一定画像領域)を導出し、前記観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を前記目的関数に代入して最小化問題として解くことにより、前記拡散反射係数の値及び前記鏡面反射係数の値を推定し、前記分類手段は、前記拡散反射係数の推定値と前記鏡面反射係数の推定値とに基づいて、前記観測対象の表面状態を分類することを特徴とする。 The surface state classification device according to claim 2 is the surface state classification device according to claim 1, wherein the fitting estimation means calculates the luminance value I (x, y) of each pixel of the observation image. The intensity (K d cos θ + K s (cos θ) n ) of reflected light diffusely reflected and specularly reflected at an arbitrary position on the surface of the object (where K d , K s , θ, n are respectively at the arbitrary positions) It is defined as a diffuse reflection coefficient, a specular reflection coefficient, an angle formed by a normal vector of the surface to be observed and the reflected light, and n is a natural number of 1 or more, and from the definition, Σ F f = 1 Σ (x, y ) ∈ Ω [I (x, y) −K d cos θ−K s (cos θ) n ] The objective function of f (where F and Ω are the number of observation images and the constant image area of the observation images, respectively) And the luminance value I (x, y) of each pixel of the observed image is The diffuse reflection coefficient value and the specular reflection coefficient value are estimated by substituting into a functional function and solved as a minimization problem, and the classification means estimates the diffuse reflection coefficient estimate value and the specular reflection coefficient estimate. The surface state of the observation target is classified based on the value.
本発明によれば、観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を、観測対象の表面の任意の位置で拡散反射及び鏡面反射した反射光の強度(Kdcosθ+Ks(cosθ)n)(但し、Kd,Ks,θ,nは、それぞれ、上記任意の位置における、拡散反射係数,鏡面反射係数,観測対象の表面の法線ベクトルと反射光とのなす角,nは1以上の自然数)と定義し、その定義からΣF f=1Σ(x,y)∈Ω[I(x,y)−Kdcosθ−Ks(cosθ)n]fの目的関数(但し、F,Ωは、それぞれ、観測画像の枚数,観測画像の一定画像領域)を導出し、観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を上記目的関数に代入して最小化問題として解くことにより、拡散反射係数の値及び鏡面反射係数の値を推定し、各推定値とに基づいて、観測対象の表面状態を分類するため、カメラ画像から観測対象の表面状態を分類することができる。特に、目的関数がΣF f=1で定義されているため、1枚の観測画像からでも観測状態を分類することができる。 According to the present invention, the luminance value I (x, y) of each pixel of the observation image is converted into the intensity (K d cos θ + K s (cos θ) n ) of the reflected light that is diffusely reflected and specularly reflected at an arbitrary position on the surface of the observation target. (However, K d , K s , θ, n are the diffuse reflection coefficient, specular reflection coefficient, angle between the normal vector of the surface to be observed and the reflected light, and n is 1, respectively. From the definition, Σ F f = 1 Σ (x, y) εΩ [I (x, y) −K d cos θ−K s (cos θ) n ] f objective function (where, F and Ω are derived as the minimization problem by deriving the number of observation images and the constant image area of the observation image, respectively, and substituting the luminance value I (x, y) of each pixel of the observation image into the objective function. Thus, the diffuse reflection coefficient value and the specular reflection coefficient value are estimated. Since the surface state of the observation target is classified, the surface state of the observation target can be classified from the camera image. In particular, since the objective function is defined as Σ F f = 1 , the observation state can be classified even from one observation image.
請求項3に記載の表面状態分類装置は、請求項2に記載の表面状態分類装置において、前記当嵌推定手段は、前記拡散反射係数及び前記鏡面反射係数に係る拘束条件を前記目的関数に適用することを特徴とする。 The surface state classification device according to claim 3 is the surface state classification device according to claim 2, wherein the fitting estimation means applies the constraint condition related to the diffuse reflection coefficient and the specular reflection coefficient to the objective function. It is characterized by doing.
本発明によれば、拡散反射係数及び鏡面反射係数に係る拘束条件を目的関数に適用するため、目的関数を最小化問題として解く際の収束性を高めることができる。 According to the present invention, since the constraint conditions related to the diffuse reflection coefficient and the specular reflection coefficient are applied to the objective function, it is possible to improve the convergence when solving the objective function as a minimization problem.
請求項4に記載の表面状態分類装置は、請求項2又は3に記載の表面状態分類装置において、前記分類手段は、前記拡散反射係数の推定値が前記鏡面反射係数の推定値よりも大きい場合には、前記観測対象の表面を乾いた面に分類し、小さい場合には濡れた面に分類することを特徴とする。 The surface state classification device according to claim 4 is the surface state classification device according to claim 2 or 3, wherein the classification means is configured such that the estimated value of the diffuse reflection coefficient is larger than the estimated value of the specular reflection coefficient. Is characterized in that the surface to be observed is classified as a dry surface, and if it is small, it is classified as a wet surface.
本発明によれば、拡散反射係数の推定値が鏡面反射係数の推定値よりも大きい場合には、観測対象の表面を乾いた面に分類し、小さい場合には濡れた面に分類するため、観測対象の表面状態を乾いた面か濡れた面かで分類することができる。 According to the present invention, when the estimated value of the diffuse reflection coefficient is larger than the estimated value of the specular reflection coefficient, the surface to be observed is classified as a dry surface, and when it is small, the surface is classified as a wet surface. The surface condition of the observation target can be classified as a dry surface or a wet surface.
請求項5に記載の表面状態分類方法は、コンピュータにより、観測対象の表面を写した観測画像を入力する第1のステップと、入力された前記観測画像を記憶手段に記憶する第2のステップと、前記観測画像を前記記憶手段から読み出して、前記観測画像の各画素の輝度値を一定の光学モデルに当て嵌めて、当て嵌められた前記一定の光学モデルを解くことにより、前記観測対象の表面状態を推定する第3のステップと、推定結果に基づいて前記観測対象の表面状態を分類する第4のステップと、を有することを特徴とする。 The surface state classification method according to claim 5 includes a first step of inputting an observation image obtained by copying a surface to be observed by a computer, and a second step of storing the input observation image in a storage means. The observation image is read from the storage means, the luminance value of each pixel of the observation image is applied to a fixed optical model, and the fixed optical model is solved to obtain the surface of the observation target It has the 3rd step which estimates a state, and the 4th step which classifies the surface state of the observation object based on an estimation result, It is characterized by the above-mentioned.
請求項6に記載の表面状態分類方法は、請求項5に記載の表面状態分類方法において、前記第3ステップは、前記観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を、前記観測対象の表面の任意の位置で拡散反射及び鏡面反射した反射光の強度(Kdcosθ+Ks(cosθ)n)(但し、Kd,Ks,θ,nは、それぞれ、前記任意の位置における、拡散反射係数,鏡面反射係数,前記観測対象の表面の法線ベクトルと前記反射光とのなす角,nは1以上の自然数)と定義し、前記定義からΣF f=1Σ(x,y)∈Ω[I(x,y)−Kdcosθ−Ks(cosθ)n]fの目的関数(但し、F,Ωは、それぞれ、前記観測画像の枚数,前記観測画像の一定画像領域)を導出し、前記観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を前記目的関数に代入して最小化問題として解くことにより、前記拡散反射係数の値及び前記鏡面反射係数の値を推定し、前記第4のステップは、前記拡散反射係数の推定値と前記鏡面反射係数の推定値とに基づいて、前記観測対象の表面状態を分類することを特徴とする。 The surface state classification method according to claim 6 is the surface state classification method according to claim 5, wherein the third step calculates the luminance value I (x, y) of each pixel of the observation image as the observation target. The intensity (K d cos θ + K s (cos θ) n ) of reflected light diffusely reflected and specularly reflected at an arbitrary position on the surface of the surface (where K d , K s , θ, n are diffused at the arbitrary positions, respectively) A reflection coefficient, a specular reflection coefficient, an angle formed by a normal vector of the surface to be observed and the reflected light, and n is a natural number of 1 or more, and from the above definition, Σ F f = 1 Σ (x, y) ∈Ω [I (x, y) −K d cos θ−K s (cos θ) n ] An objective function of f (where F and Ω are the number of observation images and a constant image area of the observation images, respectively). A luminance value I (x, y) of each pixel of the observation image The diffuse reflection coefficient value and the specular reflection coefficient value are estimated by substituting into a functional function and solving as a minimization problem, and the fourth step includes estimating the diffuse reflection coefficient and the specular reflection coefficient. And classifying the surface state of the observation target based on the estimated value of.
請求項7に記載の表面状態分類方法は、請求項6に記載の表面状態分類方法において、前記第3ステップは、前記拡散反射係数及び前記鏡面反射係数に係る拘束条件を前記目的関数に適用することを特徴とする。 The surface state classification method according to claim 7 is the surface state classification method according to claim 6, wherein the third step applies a constraint condition related to the diffuse reflection coefficient and the specular reflection coefficient to the objective function. It is characterized by that.
請求項8に記載の表面状態分類方法は、請求項6又は7に記載の表面状態分類方法において、前記第4のステップは、前記拡散反射係数の推定値が前記鏡面反射係数の推定値よりも大きい場合には、前記観測対象の表面を乾いた面に分類し、小さい場合には濡れた面に分類することを特徴とする。 The surface state classification method according to claim 8 is the surface state classification method according to claim 6 or 7, wherein in the fourth step, the estimated value of the diffuse reflection coefficient is larger than the estimated value of the specular reflection coefficient. When it is large, the surface to be observed is classified as a dry surface, and when it is small, it is classified as a wet surface.
請求項9に記載の表面状態分類プログラムは、請求項5乃至8のいずれか1項に記載の表面状態分類方法における各ステップをコンピュータによって実行させることを特徴とする。 A surface state classification program according to a ninth aspect causes a computer to execute each step in the surface state classification method according to any one of the fifth to eighth aspects.
本発明によれば、カメラ画像から観測対象の表面状態を分類することができる。 According to the present invention, the surface state of the observation target can be classified from the camera image.
以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。但し、本発明は多くの異なる様態で実施することが可能であり、本実施の形態の記載内容に限定して解釈すべきではない。 Hereinafter, an embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different modes and should not be construed as being limited to the description of the present embodiment.
図1は、本実施の形態に係る表面状態分類装置の機能ブロック構成を示す図である。この表面状態分類装置1は、画像入力部11と、データ蓄積部12と、光学モデル当嵌推定部13と、状態分類部14と、表示部15とで構成されている。最初に、これら各機能部の機能について詳細に説明する。 FIG. 1 is a diagram showing a functional block configuration of the surface state classification apparatus according to the present embodiment. The surface state classification device 1 includes an image input unit 11, a data storage unit 12, an optical model fitting estimation unit 13, a state classification unit 14, and a display unit 15. First, the functions of these functional units will be described in detail.
画像入力部11は、カメラ(不図示)により撮影された観測対象の表面を写した1枚以上の観測画像の入力を受け付けて、表面状態分類装置1の内部に入力する機能を有している。 The image input unit 11 has a function of accepting input of one or more observation images obtained by copying the surface of the observation target photographed by a camera (not shown) and inputting the input into the surface state classification device 1. .
データ蓄積部12は、画像入力部11で受付・入力された観測画像を読み出し可能に記憶する機能を有している。 The data storage unit 12 has a function of storing the observation image received / input by the image input unit 11 in a readable manner.
光学モデル当嵌推定部13は、観測対象の表面状態(乾いた状態や濡れた状態)について解析するために、観測画像をデータ蓄積部12から取得し、観測画像の各画素の輝度値を一定の光学モデルに当て嵌めて、当て嵌められた一定の光学モデルを解くことにより、観測対象の表面状態を推定する機能を有している。 The optical model fitting estimation unit 13 acquires an observation image from the data storage unit 12 and analyzes the luminance value of each pixel of the observation image in order to analyze the surface state of the observation target (dry state or wet state). It has a function of estimating the surface state of the observation target by solving the fixed optical model.
状態分類部14は、光学モデル当嵌推定部13による推定結果に基づいて、観測対象の表面状態を乾いた状態又は濡れた状態に分類する機能を有している。 The state classification unit 14 has a function of classifying the surface state of the observation target into a dry state or a wet state based on the estimation result by the optical model fitting estimation unit 13.
表示部15は、状態分類部14による観測対象の表面状態の分類結果を画面に表示する機能を有している。 The display unit 15 has a function of displaying the classification result of the surface state of the observation target by the state classification unit 14 on the screen.
次に、光学モデル当嵌推定部13で利用する光学モデルについて説明する。本実施の形態では、図2に示すように、拡散反射D及び鏡面反射Sに関する光学モデルを利用している。太陽光等の光源31からの入射光Liと観測対象32の表面の位置Pでの法線ベクトルNとのなす角(入射角)をθとし、その位置Pにおける拡散反射Dの拡散反射係数(拡散反射率)をKd、鏡面反射Sの鏡面反射係数(鏡面反射率)をKsとすると、表面状態分類装置1に接続されたカメラ33で撮影される観測画像の画素の輝度値I(x,y)は、位置Pにおいて、式(1)で定義することができる。但し、nは1以上の自然数であり、後述するように鏡面反射強度に相当している。
なお、カメラ33で撮影される観測対象32は位置Pの集合であり、拡散反射係数Kd、鏡面反射係数Ks、入射角θは、各位置Pで異なっている。ゆえに、観測画像の画素の位置(x,y)との関係で言えば、式(1)の右辺の各変数は、Kd=Kd(x,y)、Ks=Ks(x,y)、θ=θ(x,y)で表現され、位置に応じて異なる値を有している。また、反射の法則より、入射角θに代えて、入射角θの角度と同じ角度を有する、法線ベクトルNと反射光Lrとのなす角(反射角)を利用してもよい。 The observation object 32 photographed by the camera 33 is a set of positions P, and the diffuse reflection coefficient K d , the specular reflection coefficient K s , and the incident angle θ are different at each position P. Therefore, in terms of the relationship with the pixel position (x, y) of the observed image, the variables on the right side of Equation (1) are K d = K d (x, y), K s = K s (x, y), θ = θ (x, y), and has different values depending on the position. Further, according to the law of reflection, an angle (reflection angle) between the normal vector N and the reflected light Lr having the same angle as the incident angle θ may be used instead of the incident angle θ.
式(1)において、拡散反射係数Kdが大きい場合には、観測対象32の表面は全体的に一様に広がるような状態となり、光強度は光源31よりも小さくなる。一方、鏡面反射係数Ksが大きい場合には、観測対象32の表面はスポットライトのような点に近い状態となり、光源31の光強度に近づく。特に、nの値が大きくなるほど鏡面反射の程度が強くなることを示している。 In the equation (1), when the diffuse reflection coefficient Kd is large, the surface of the observation target 32 is in a state of spreading uniformly and the light intensity is smaller than that of the light source 31. On the other hand, when the specular reflection coefficient K s is large, the surface of the observation target 32 is in a state close to a point such as a spotlight, closer to the light intensity of the light source 31. In particular, the larger the value of n, the stronger the specular reflection.
次に、観測画像の各画素の輝度値を拡散反射D及び鏡面反射Sに関する光学モデルに当て嵌めた式(1)を解くことにより、観測対象の表面の乾きや濡れについて、拡散反射係数Kd及び鏡面反射係数Ksの大きさに基づくモデリング処理について説明する。具体的には、式(1)の拡散反射係数Kd、鏡面反射係数Ks、入射角θ(又は反射角θ)、鏡面反射強度nの4つのパラメータを、入力された観測画像の各画素の輝度値Iから推定することにより、表面状態のモデリングを行う。 Next, by solving the equation (1) in which the luminance value of each pixel of the observation image is applied to the optical model related to the diffuse reflection D and the specular reflection S, the diffuse reflection coefficient K d for the dryness and wetness of the surface to be observed is solved. and described modeling process based on the size of the specular reflection coefficient K s. Specifically, the four parameters of the diffuse reflection coefficient K d , the specular reflection coefficient K s , the incident angle θ (or the reflection angle θ), and the specular reflection intensity n in the expression (1) are input to each pixel of the input observation image. The surface state is modeled by estimating from the luminance value I.
まず、式(1)より、それら4つのパラメータを推定するための目的関数(以下の式(2))を導出する。但し、(i,j)は画像上の任意の画素の位置であり、Fは入力される観測画像の枚数であり、Ωは観測画像の一定画像領域である。そして、(x,y)は一定画像領域Ωに属する画素の位置を示している。
そして、観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を式(2)の目的関数に代入して最小化問題として解くことにより、拡散反射係数Kd、鏡面反射係数Ks、入射角θ(又は反射角θ)、鏡面反射強度nの各値をそれぞれ推定する。 Then, the diffuse reflection coefficient K d , specular reflection coefficient K s , and incident angle are calculated by substituting the luminance value I (x, y) of each pixel of the observed image into the objective function of Expression (2) and solving as a minimization problem. Each value of θ (or reflection angle θ) and specular reflection intensity n is estimated.
なお、上記4つのパラメータのうち幾つかのパラメータについて拘束条件を与えることにより、式(2)の計算の収束性を高めることができる。具体的に言えば、反射特性は、拡散反射係数Kd及び鏡面反射係数Ksの2つの係数のバランスに基づいていることから、Kd+Ks≒1であることを考慮し、式(2)を式(3)に拡張する。
また、鏡面反射強度nの値については実験的に3〜5程度で十分な近似値が得られることから、鏡面反射強度nの上限値を設定する。そして、式(3)の最小化計算を行う。なお、最小化計算をする際の必要条件として、式(4)を与えるものとする。
ここで、このような最小化計算は公知の計算方法を用いて解くことができる。例えば、最小二乗法を用いることができる。最小二乗法については様々な数値解法が知られているが、共役勾配法や最急降下法等を適用することができる(非特許文献2,3参照)。代表的な最急降下法では、以下の式(5)〜式(8)を用いて最小化計算をすることが可能である。但し、pは反復回数であり、hは収束調整係数である。
反復回数pを20、収束調整係数hを0.01、4つのパラメータの初期値を0(ゼロ)に設定しておき、各計算式をそれぞれ反復計算することにより、拡散反射係数Kd、鏡面反射係数Ks、入射角θ(又は反射角θ)、鏡面反射強度nをそれぞれ計算する。 The number of iterations p is set to 20, the convergence adjustment factor h is set to 0.01, the initial values of the four parameters are set to 0 (zero), and each calculation formula is iteratively calculated, whereby the diffuse reflection coefficient K d , mirror surface The reflection coefficient K s , the incident angle θ (or the reflection angle θ), and the specular reflection intensity n are calculated.
なお、実環境上でカメラ撮影された観測画像には環境外乱やノイズが含まれているため、ロバスト統計学に基づいた非線形最小二乗法を用いることも可能であり、効果的である。 Note that since an observation image captured by a camera in an actual environment includes environmental disturbances and noise, it is possible to use a nonlinear least square method based on robust statistics, which is effective.
次に、表面状態分類装置1の処理フローについて説明する。最初に、画像入力部11により、カメラ撮影された観測対象の表面を写した1枚以上の観測画像が入力される(S1)。 Next, the processing flow of the surface state classification apparatus 1 will be described. First, the image input unit 11 inputs one or more observation images obtained by copying the surface of the observation target photographed by the camera (S1).
次いで、データ蓄積部12により、S1で入力された観測画像が読み出し可能に記憶される(S2)。 Next, the observation image input in S1 is stored in a readable manner by the data storage unit 12 (S2).
次いで、光学モデル当嵌推定部13により、観測画像の各画素の輝度値I(x,y)が観測対象の表面の任意の位置で拡散反射及び鏡面反射した反射光の強度と定義され、その定義から式(3)の目的関数が導出され、観測画像の各画素の輝度値I(x,y)が上記目的関数に代入されて最小化問題として解かれることにより、4つのパラメータ(Kd、Ks、θ、n)の値がそれぞれ推定される(S3)。 Next, the optical model fitting estimation unit 13 defines the luminance value I (x, y) of each pixel of the observation image as the intensity of the reflected light that is diffusely reflected and specularly reflected at an arbitrary position on the surface of the observation target. The objective function of Expression (3) is derived from the definition, and the luminance value I (x, y) of each pixel of the observed image is substituted into the objective function and solved as a minimization problem, whereby four parameters (K d , K s , θ, n) are estimated (S3).
次いで、状態分類部14により、推定された4つのパラメータのうち拡散反射係数Kdの推定値と鏡面反射係数Ksの推定値とに基づいて、観測対象の表面状態が分類される(S4)。具体的には、図3に示すように、拡散反射係数Kdの推定値が鏡面反射係数Ksの推定値よりも大きい場合(Kd>Ksの場合)には、拡散反射が優位であることから、観測対象の表面は乾いた面に分類される。逆に、拡散反射係数Kdの推定値が鏡面反射係数Ksの推定値よりも小さい場合(Kd<Ksの場合)には、鏡面反射が優位であることから、観測対象の表面は濡れた面に分類される。 Then, the state classification unit 14, among the estimated four parameters were based on the estimated value of the estimated value and the specular reflection coefficient K s of the diffuse reflection coefficient K d, the surface state of the observation target is classified (S4) . Specifically, as shown in FIG. 3, if the estimated value of the diffuse reflection coefficient K d is greater than the estimated value of the specular reflection coefficient K s (if the K d> K s), diffuse reflection is dominant Therefore, the surface to be observed is classified as a dry surface. On the contrary, when the estimated value of the diffuse reflection coefficient K d is smaller than the estimated value of the specular reflection coefficient K s (when K d <K s ), the specular reflection is dominant, and the surface to be observed is Classified as wet surface.
最後に、表示部15により、S4の分類結果が画面に表示される(S5)。 Finally, the display unit 15 displays the classification result of S4 on the screen (S5).
次に、拘束条件のない式(2)と拘束条件のある式(3)とで推定されたパラメータの推定評価結果について説明する。図4(a)は、拡散反射画像を用いた評価結果であり、図4(b)は、鏡面反射画像を用いた評価結果である。 Next, the estimation evaluation results of the parameters estimated by Expression (2) without constraint conditions and Expression (3) with constraint conditions will be described. 4A shows an evaluation result using a diffuse reflection image, and FIG. 4B shows an evaluation result using a specular reflection image.
図4(a)の左に示す1枚(F=1)の拡散反射画像を人工的に生成し、その生成画像の輝度値を式(2)と式(3)にそれぞれ代入して各パラメータを計算した場合、どのパラメータであっても、拘束条件のない式(2)を用いて計算するよりも、拘束条件のある式(3)を用いて計算した方が、推定誤差は小さいものとなった。また、鏡面反射画像の場合についても同様に、拘束条件のある式(3)を用いて計算した方が、推定誤差は小さいものとなった。 One diffuse (F = 1) diffuse reflection image shown on the left in FIG. 4A is artificially generated, and the brightness value of the generated image is substituted into Equation (2) and Equation (3), respectively. Is calculated using formula (3) with constraints rather than using formula (2) without constraints for any parameter, the estimation error is smaller. became. Similarly, in the case of a specular reflection image, the estimation error is smaller when the calculation is performed using Expression (3) having a constraint condition.
また、各反射画像をそれぞれ複数生成(F=5又は10)して同様の計算をした場合には、F=1の場合よりも推定誤差を更に減少することが可能となった。 In addition, when a plurality of reflection images are generated (F = 5 or 10) and the same calculation is performed, the estimation error can be further reduced as compared with the case of F = 1.
最後に、拡散反射D及び鏡面反射Sに関する光学モデルは、光学モデル当嵌推定部13が用いる光学モデルの一例であり、観測対象の表面状態を推定可能であれば他の光学モデルを用いることも可能である。 Finally, the optical model related to the diffuse reflection D and the specular reflection S is an example of an optical model used by the optical model fitting estimation unit 13, and other optical models may be used as long as the surface state of the observation target can be estimated. Is possible.
また、本実施の形態で説明した表面状態分類装置1は、マルチメディア分野、符号化分野、通信分野、非破壊検査分野、実環境におけるモニタリングや画像センシング,映像製作等に関する産業分野に適用することが可能である。 Further, the surface state classification apparatus 1 described in the present embodiment is applied to industrial fields related to multimedia field, coding field, communication field, non-destructive inspection field, monitoring in real environment, image sensing, video production and the like. Is possible.
また、本実施の形態で説明した表面状態分類装置1は、コンピュータで構成される。すなわち、データ蓄積部12は、メモリ等の記憶手段で実現される。また、画像入力部11と、光学モデル当嵌推定部13と、状態分類部14と、表示部15とは、CPU等の演算手段で実現され、プログラムで実行される。 Moreover, the surface state classification apparatus 1 demonstrated in this Embodiment is comprised with a computer. That is, the data storage unit 12 is realized by a storage unit such as a memory. The image input unit 11, the optical model fitting estimation unit 13, the state classification unit 14, and the display unit 15 are realized by a calculation unit such as a CPU and executed by a program.
また、本実施の形態で説明した表面状態分類装置1をプログラムとして光記憶装置や磁気記憶装置等の記録媒体に読出可能に記録し、この記録媒体をコンピュータに組み込んだり、若しくは記録媒体に記録されたプログラムを、任意の通信回線を介してコンピュータにダウンロードしたり、又は記録媒体からインストールし、該プログラムでコンピュータを動作させることにより、上述した各処理動作を表面状態分類装置1として機能させることができるのは勿論である。 In addition, the surface state classification device 1 described in the present embodiment is recorded as a program in a readable manner on a recording medium such as an optical storage device or a magnetic storage device, and this recording medium is incorporated into a computer or recorded on a recording medium. Can be downloaded to a computer via an arbitrary communication line, or installed from a recording medium, and the computer is operated by the program, thereby causing each processing operation described above to function as the surface state classification device 1. Of course you can.
本実施の形態によれば、観測対象の表面を写した観測画像を入力し、観測画像の各画素の輝度値を一定の光学モデルに当て嵌めて、当て嵌められた一定の光学モデルを解くことにより、観測対象の表面状態を推定し、推定結果に基づいて観測対象の表面状態を分類するので、カメラ画像から観測対象の表面状態を分類することができる。 According to the present embodiment, an observation image representing the surface of the observation target is input, and the luminance value of each pixel of the observation image is applied to a fixed optical model, and the fixed optical model is solved. Thus, the surface state of the observation target is estimated and the surface state of the observation target is classified based on the estimation result, so that the surface state of the observation target can be classified from the camera image.
本実施の形態によれば、観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を、観測対象の表面の任意の位置で拡散反射及び鏡面反射した反射光の強度(Kdcosθ+Ks(cosθ)n)(但し、Kd,Ks,θ,nは、それぞれ、上記任意の位置における、拡散反射係数,鏡面反射係数,観測対象の表面の法線ベクトルと反射光とのなす角,nは1以上の自然数)と定義し、その定義からΣF f=1Σ(x,y)∈Ω[I(x,y)−Kdcosθ−Ks(cosθ)n]fの目的関数(但し、F,Ωは、それぞれ、観測画像の枚数,観測画像の一定画像領域)を導出し、観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を上記目的関数に代入して最小化問題として解くことにより、拡散反射係数の値及び鏡面反射係数の値を推定し、各推定値とに基づいて、観測対象の表面状態を分類するので、カメラ画像から観測対象の表面状態を分類することができる。特に、目的関数がΣF f=1で定義されているので、1枚の観測画像からでも観測状態を分類することができる。 According to the present embodiment, the luminance value I (x, y) of each pixel of the observation image is converted into the intensity (K d cos θ + K s (cos θ) of diffuse reflection and specular reflection at an arbitrary position on the surface of the observation target. N ) (where K d , K s , θ, and n are the diffuse reflection coefficient, specular reflection coefficient, angle between the normal vector of the surface to be observed and the reflected light, n Is a natural number greater than or equal to 1), and Σ F f = 1 Σ (x, y) εΩ [I (x, y) −K d cos θ−K s (cos θ) n ] f However, F and Ω are respectively derived from the number of observation images and a constant image region of the observation image), and the luminance value I (x, y) of each pixel of the observation image is substituted into the objective function to minimize the problem. As the diffuse reflection coefficient value and specular reflection coefficient value. Since the surface state of the observation target is classified based on the above, the surface state of the observation target can be classified from the camera image. In particular, since the objective function is defined as Σ F f = 1 , the observation state can be classified even from one observation image.
本実施の形態によれば、拡散反射係数及び鏡面反射係数に係る拘束条件を目的関数に適用するので、目的関数を最小化問題として解く際の収束性を高めることができる。 According to the present embodiment, since the constraint conditions related to the diffuse reflection coefficient and the specular reflection coefficient are applied to the objective function, it is possible to improve the convergence when solving the objective function as a minimization problem.
本実施の形態によれば、拡散反射係数の推定値が鏡面反射係数の推定値よりも大きい場合には、観測対象の表面を乾いた面に分類し、小さい場合には濡れた面に分類するので、観測対象の表面状態を乾いた面か濡れた面かで分類することができる。 According to the present embodiment, when the estimated value of the diffuse reflection coefficient is larger than the estimated value of the specular reflection coefficient, the surface to be observed is classified as a dry surface, and when it is small, the surface is classified as a wet surface. Therefore, it is possible to classify the surface state of the observation target according to the dry surface or the wet surface.
1…表面状態分類装置
11…画像入力部(入力手段)
12…データ蓄積部(記憶手段)
13…光学モデル当嵌推定部(当嵌推定手段)
14…状態分類部(分類手段)
15…表示部
31…光源
32…観測対象
33…カメラ
S1〜S5…ステップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Surface state classification | category apparatus 11 ... Image input part (input means)
12: Data storage unit (storage means)
13: Optical model fit estimation unit (fit fit estimation means)
14 ... State classification part (classification means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... Display part 31 ... Light source 32 ... Observation object 33 ... Camera S1-S5 ... Step
Claims (9)
入力された前記観測画像を記憶する記憶手段と、
前記観測画像を前記記憶手段から読み出して、前記観測画像の各画素の輝度値を一定の光学モデルに当て嵌めて、当て嵌められた前記一定の光学モデルを解くことにより、前記観測対象の表面状態を推定する当嵌推定手段と、
推定結果に基づいて前記観測対象の表面状態を分類する分類手段と、
を有することを特徴とする表面状態分類装置。 An input means for inputting an observation image showing the surface of the observation target;
Storage means for storing the input observation image;
The observation image is read from the storage means, and the luminance value of each pixel of the observation image is applied to a fixed optical model, and the fixed optical model is solved to solve the surface state of the observation target. A fitting estimation means for estimating
Classification means for classifying the surface state of the observation target based on the estimation result;
A surface state classification device comprising:
前記観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を、前記観測対象の表面の任意の位置で拡散反射及び鏡面反射した反射光の強度(Kdcosθ+Ks(cosθ)n)(但し、Kd,Ks,θ,nは、それぞれ、前記任意の位置における、拡散反射係数,鏡面反射係数,前記観測対象の表面の法線ベクトルと前記反射光とのなす角,nは1以上の自然数)と定義し、前記定義からΣF f=1Σ(x,y)∈Ω[I(x,y)−Kdcosθ−Ks(cosθ)n]fの目的関数(但し、F,Ωは、それぞれ、前記観測画像の枚数,前記観測画像の一定画像領域)を導出し、前記観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を前記目的関数に代入して最小化問題として解くことにより、前記拡散反射係数の値及び前記鏡面反射係数の値を推定し、
前記分類手段は、
前記拡散反射係数の推定値と前記鏡面反射係数の推定値とに基づいて、前記観測対象の表面状態を分類することを特徴とする請求項1に記載の表面状態分類装置。 The fitting estimation means includes
The luminance value I (x, y) of each pixel of the observation image is expressed as the intensity (K d cosθ + K s (cosθ) n ) of the reflected light that is diffusely reflected and specularly reflected at an arbitrary position on the surface of the observation target (where, K d , K s , θ, and n are the diffuse reflection coefficient, the specular reflection coefficient, the angle between the normal vector of the surface to be observed and the reflected light, and n is 1 or more, respectively, at the arbitrary position. Natural number), and an objective function of Σ F f = 1 Σ (x, y) ∈ Ω [I (x, y) −K d cos θ−K s (cos θ) n ] f (where F, Ω is derived as the minimization problem by deriving the number of the observed images and the constant image area of the observed image, respectively, and substituting the luminance value I (x, y) of each pixel of the observed image into the objective function. Solving and estimating the diffuse reflection coefficient value and the specular reflection coefficient value And
The classification means includes
The surface state classification device according to claim 1, wherein the surface state of the observation target is classified based on the estimated value of the diffuse reflection coefficient and the estimated value of the specular reflection coefficient.
前記拡散反射係数及び前記鏡面反射係数に係る拘束条件を前記目的関数に適用することを特徴とする請求項2に記載の表面状態分類装置。 The fitting estimation means includes
The surface state classification apparatus according to claim 2, wherein a constraint condition related to the diffuse reflection coefficient and the specular reflection coefficient is applied to the objective function.
前記拡散反射係数の推定値が前記鏡面反射係数の推定値よりも大きい場合には、前記観測対象の表面を乾いた面に分類し、小さい場合には濡れた面に分類することを特徴とする請求項2又は3に記載の表面状態分類装置。 The classification means includes
When the estimated value of the diffuse reflection coefficient is larger than the estimated value of the specular reflection coefficient, the surface to be observed is classified as a dry surface, and when it is smaller, the surface is classified as a wet surface. The surface state classification apparatus according to claim 2 or 3.
観測対象の表面を写した観測画像を入力する第1のステップと、
入力された前記観測画像を記憶手段に記憶する第2のステップと、
前記観測画像を前記記憶手段から読み出して、前記観測画像の各画素の輝度値を一定の光学モデルに当て嵌めて、当て嵌められた前記一定の光学モデルを解くことにより、前記観測対象の表面状態を推定する第3のステップと、
推定結果に基づいて前記観測対象の表面状態を分類する第4のステップと、
を有することを特徴とする表面状態分類方法。 By computer
A first step of inputting an observation image representing the surface of the observation target;
A second step of storing the input observation image in a storage means;
The observation image is read from the storage means, and the luminance value of each pixel of the observation image is applied to a fixed optical model, and the fixed optical model is solved to solve the surface state of the observation target. A third step of estimating
A fourth step of classifying the surface state of the observation target based on the estimation result;
A surface state classification method characterized by comprising:
前記観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を、前記観測対象の表面の任意の位置で拡散反射及び鏡面反射した反射光の強度(Kdcosθ+Ks(cosθ)n)(但し、Kd,Ks,θ,nは、それぞれ、前記任意の位置における、拡散反射係数,鏡面反射係数,前記観測対象の表面の法線ベクトルと前記反射光とのなす角,nは1以上の自然数)と定義し、前記定義からΣF f=1Σ(x,y)∈Ω[I(x,y)−Kdcosθ−Ks(cosθ)n]fの目的関数(但し、F,Ωは、それぞれ、前記観測画像の枚数,前記観測画像の一定画像領域)を導出し、前記観測画像の各画素の輝度値I(x,y)を前記目的関数に代入して最小化問題として解くことにより、前記拡散反射係数の値及び前記鏡面反射係数の値を推定し、
前記第4のステップは、
前記拡散反射係数の推定値と前記鏡面反射係数の推定値とに基づいて、前記観測対象の表面状態を分類することを特徴とする請求項5に記載の表面状態分類方法。 The third step includes
The luminance value I (x, y) of each pixel of the observation image is expressed as the intensity (K d cosθ + K s (cosθ) n ) of the reflected light that is diffusely reflected and specularly reflected at an arbitrary position on the surface of the observation target (where, K d , K s , θ, and n are the diffuse reflection coefficient, the specular reflection coefficient, the angle between the normal vector of the surface to be observed and the reflected light, and n is 1 or more, respectively, at the arbitrary position. Natural number), and an objective function of Σ F f = 1 Σ (x, y) ∈ Ω [I (x, y) −K d cos θ−K s (cos θ) n ] f (where F, Ω is derived as the minimization problem by deriving the number of the observed images and the constant image area of the observed image, respectively, and substituting the luminance value I (x, y) of each pixel of the observed image into the objective function. Solving and estimating the diffuse reflection coefficient value and the specular reflection coefficient value And
The fourth step includes
The surface state classification method according to claim 5, wherein the surface state of the observation target is classified based on the estimated value of the diffuse reflection coefficient and the estimated value of the specular reflection coefficient.
前記拡散反射係数及び前記鏡面反射係数に係る拘束条件を前記目的関数に適用することを特徴とする請求項6に記載の表面状態分類方法。 The third step includes
The surface state classification method according to claim 6, wherein a constraint condition related to the diffuse reflection coefficient and the specular reflection coefficient is applied to the objective function.
前記拡散反射係数の推定値が前記鏡面反射係数の推定値よりも大きい場合には、前記観測対象の表面を乾いた面に分類し、小さい場合には濡れた面に分類することを特徴とする請求項6又は7に記載の表面状態分類方法。 The fourth step includes
When the estimated value of the diffuse reflection coefficient is larger than the estimated value of the specular reflection coefficient, the surface to be observed is classified as a dry surface, and when it is smaller, the surface is classified as a wet surface. The surface state classification method according to claim 6 or 7.
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