JP2012079251A - 画像処理装置及び画像処理システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】立体画像を生成しようとする被写体の2次元画像上でエッジを抽出し、エッジで囲まれた各領域の相互境界QM付近で距離画像の補正を行う。このような領域境界では、遠近競合によって一方の領域CAの距離情報に他方の領域RAの距離情報が混入していることから、領域境界QMに近づくにつれて他方領域の距離情報の値へと変化しようとする傾向になり、それが誤差の原因となる。そのような誤った変化を抑圧すべく、領域境界QMの近くの画素であって、距離情報の変化が大きな画素については、距離情報の変化を抑制するような補正を行う。
【選択図】図16
Description
この発明における下記用語は、次のように定義される。
・「画像」の用語は、静止画および動画の双方を包含する概念の用語として使用する。
・「交差画素列」の用語は、当該補正対象画素を通りかつ仮想境界線(後述)と交差する線分の画素列として使用し;
・「外側画素」の用語は、交差画素列のうちで、当該補正対象画素よりも仮想境界線に近い側において当該補正対象画素に隣接する画素として使用し;
・「内側画素」の用語は、交差画素列のうちで、当該補正対象画素よりも仮想境界線に遠い側において当該補正対象画素に隣接する画素として使用し;
・「同一側画素列」の用語は、交差画素列のうちで、仮想境界線を基準として当該補正対象画素と同じ側にある部分として使用し;
・「反対側画素列」の用語は、交差画素列のうちで、仮想境界線をはさんで当該補正対象画素と反対側にある部分として使用する。
図1は、本発明の一実施形態に係る画像処理システム1の概略構成を示す図である。画像処理システム1は、多視点カメラシステムとして構成されており、撮像部10として2眼のステレオカメラVCを備えるほか、ステレオカメラVCに対してデータの送受信が可能に接続される画像処理装置3を備える。
この実施形態における画像処理システム1の詳細を説明する準備として、この実施形態の前提となる計測距離情報の一般的性質と、それに伴って生じる現象、すなわち従来技術で生じていた事情を説明しておく。
本発明の実施形態の説明に戻る。画像処理装置3において、距離情報の補正を実行するために演算制御部36で実現される機能的な構成について説明する。
図5は、撮像部10のステレオカメラVCの具体的配置例を説明する図である。図5(a)および図5(b)に示すステレオカメラVC1では、主カメラMCと副カメラSCとが基線長L分だけ離れて配置された構成を採り、主カメラMCおよび副カメラSCは、カメラ筐体の一辺に平行となるように配列されている。
続いて、境界線抽出部30では、撮像部10で取得された基準画像SGの2次元画像における複数の領域相互の境界線を抽出する。すなわち、他視点画像を生成するためのベースとなる基準画像SGに対して、被写体OBや背景BGを構成する複数の領域相互の境界線を抽出する。なお、図3では、主カメラMCで得られた画像G1を基準画像SGとしている。また、ここにおける「領域」とは、画像の中で明度・彩度・色相などがほぼ連続的に変化している空間範囲を指しており、図7のような画像の例では、人物の顔領域、背景にあるそれぞれの樹木の幹の領域、空の領域などである。通常、これらの領域の相互境界は輪郭線となっている。境界線抽出部30によって、画像領域を対象として輪郭(エッジ)が抽出される処理が行われるが、エッジ情報の抽出方法に関しては、特に特殊な方法を使用する必要はなく、一般的な方法により抽出する。例えば、下記記載のような方法が挙げられる。
図8および図9は、画像境界線抽出の第1方法について説明する図である。図8では、主カメラMCで得られた基準画像SGを入力画像として例示し、図9では、この基準画像SGに対して、一般的なエッジ検出用のフィルタ処理を施した図を示す。図9で示されるように、被写体OBや背景BGのエッジ情報により、輪郭情報を領域候補として抽出することができる。
図10は、画像境界線抽出の第2方法について説明する図であり、入力画像は、図8の基準画像SGと同様ではあるが、周辺との色情報または、輝度情報をもとに画像境界線を抽出する方法を説明する図である。具体的には、ある画素の色情報、または輝度情報と、周辺の色情報、または輝度情報との比較を行い、差分値が所定の閾値より小さい場合は、同じ領域として統合し、統合領域の大きさに従って対象領域を抽出し、抽出した後の結果に対して、エッジ検出を実施する。
上記第1、第2方法以外にも、一般的な領域切り出し方法による領域候補抽出を実施することもできる。例えば、特開2010−122734号公報等で公知の平均値シフト法(Mean Shift法)や特開2010−110556号公報等で公知のグラフカットなどが利用できる。
距離計測部20では、所定の原点位置から被写体各部への距離を計測する。そして、その計測距離結果に基づいて、第1距離画像取得部40では、距離情報を表現した第1距離画像D1を取得する。この実施形態では、次のような対応点探索処理によって第1距離画像D1を取得する。
・位相限定相関法(Phase Only Correlation: POC)を用いた対応点探索
・位相差解析法(Phase Shift Analysis: PSA)を用いた対応点探索
また、輝度情報を基に対応点探索を行う方法としては、例えば、下記のような方法が挙げられる。
・SAD(Sum of Absolute Difference)法を用いた対応点探索
・SSD(Sum of Squared intensity Difference)法を用いた対応点探索
NCC(Normalized Cross Correlation)法を用いた対応点探索
そして、このような対応点探索の結果に基づいてステレオカメラから被写体各部への距離を画素単位で表現した第1距離画像D1を生成する。
第1距離画像取得部40により取得した第1距離画像D1は、図2および上記で説明したように、被写体の輪郭部分などにおいては遠近競合による計測誤差を含む傾向にあるため、距離情報補正部50により補正を行う。その際、まず、第1距離画像D1中において、基準画像SGでの境界線抽出部30で抽出した境界線に対応する位置に仮想境界線を設定する。次に、第1距離画像D1のうち仮想境界線をはさんで互いに隣接する領域のうち少なくとも一方を補正範囲とする。そして、仮想境界線に近づく方向についての距離情報の変化を抑制する補正を第1距離画像D1に対して行い、最終的に、第2距離画像生成部60によって第2距離画像D2が生成される。ただし、ここにおける「抑制」とは、変化をゼロにして完全に平坦とする場合と、変化率の絶対値を減少させる場合との双方を含む概念である。
図12および図13は、第1距離画像D1における補正範囲の設定方法を説明する概念図である。概念図として、図12(a)及び図12(b)の下側に示されるような、近距離領域NDと遠距離領域FDとが重なり合った被写体部分が存在した場合、隣接する2つの領域ND,FDの境界を通る帯状エリアAR内の距離を正確に計測できたとすると、図12(a)の上側で示される距離情報を得ることができる。しかしながら、実際には、図12(b)の上側で示される距離計測結果のように、エリアARの領域境界付近ABに対応した距離情報では、遠近競合の影響による誤距離が発生しやすい。これは、先にも説明したように、エリアARの領域境界付近ABに遠距離と近距離との両方の情報を含んでいるためである。そして、このような領域境界付近ABに対して上述したエリアベースの対応点探索を実施すると、誤距離が発生する可能性が高くなるからである。そこで、このような領域境界を考慮して距離情報を補正するために、補正範囲設定部41では、前述した仮想境界線の位置を基準として、補正範囲の設定を行う。補正範囲の設定方法としては、例えば、下記方法が挙げられる。
補正範囲設定部41が、補正範囲として、第1距離画像D1において、仮想境界線からの平面距離が所定の値以下の画素範囲を設定する。すなわち、境界線抽出部30により抽出したエッジ情報を基に、範囲設定を行う。
補正範囲設定部41が、補正範囲として、第1距離画像D1において、仮想境界線の距離情報との相違量が所定の値以下の距離情報を持つ画素範囲を設定する。すなわち、図13の場合では、近距離領域ND(あるいは遠距離領域FD)内の各画素の距離情報と仮想境界線NB’(あるいは仮想境界線FB’)の距離情報とを比べて、両者の距離情報の相違量が所定の閾値以下である画素からなる範囲が、補正範囲FA(あるいは補正範囲NA)として設定される。
補正範囲設定部41が、第1距離画像D1の全体を、補正範囲として設定する。すなわち、補正範囲の設定方法としては、上記のように領域境界の付近に限定せず、全範囲を補正範囲としても良い。この場合も、境界領域が補正範囲に含まれるから、この発明の特徴に対応した「境界領域での補正」という概念に含まれる。
補正判定部42では、補正範囲内の画素のうち、所定の判定条件を満たす距離情報を持った画素のみを補正対象画素とする補正判定を行う。すなわち、補正判定部42により、補正範囲設定部41によって設定された補正範囲内において、補正の実施の有無を決定する。補正判定対象位置、および、補正判定条件の例は以下の通りである。
図14は、補正判定対象位置の第1設定方法について説明する図である。図14で示されるように、設定された補正範囲内の各画素P単位で、つまり個々の画素に対して、判定が実施される。すなわち、補正判定部42が、補正判定を補正判定対象として画素単位で行う。
図15は、補正判定対象位置の第2設定方法について説明する図である。図15で示されるように、設定された補正範囲内において、仮想境界線NB’を跨いだ画素P1と画素P2との2点の画素間の間に含まれる画素全てに対して、判定が実施される。ただし、画素P1,P2はそれぞれ、仮想境界線の両側の補正範囲内でそれぞれ選択された画素である。
補正判定部42が、各領域内の全画素に対して判定が実施される。すなわち、図14および図15の場合、近距離領域NDおよび遠距離領域FDの各領域全てに対して、判定が実施される。したがって、この第3設定方法は、既述した「範囲設定の第3方法」との組合せに適している。
補正判定部42が上記の判定対象画素に対して補正を行うかどうかを判定する。
上記の補正範囲設定部41によって設定された補正範囲内に対して、補正判定部42が行った補正有無の判定結果に基づいて補正が実施される。
図16は、第1補正方法について説明する図である。図16(a)は、補正前の同一画素列に属する画素が補正対象領域CAであり、境界基準位置QMを境に、反対側画素列として参照対象画素列RAが存在することを示し、図16(b)は、図16(a)の補正後の画素値(距離情報)を示す。
図17は、第2補正方法について説明する図である。図17(a)は、補正前の同一画素列に属する画素が補正対象領域CAであり、境界基準位置QMを境に、反対側画素列として参照対象領域RAが存在することを示し、図17(b)は、図17(a)の補正後の画素を示す。ここで、各画素位置について、隣接する画素との間の距離情報の変化に対応する傾斜角をθ(i)とする。添字「i」は画素位置の識別符号である。
図18は、第3補正方法について説明する図である。この方法では、初期基準位置Q1から仮想境界線(境界基準位置QM)までの区間内にある各補正対象画素Paについて、初期基準位置Q1に関して対称な位置にある画素(対称画素)Pbの距離情報Sbとしたときに、補正対象画素Paについての補正後の距離情報Sa’と初期基準位置Q1での距離情報S0との差が、距離情報S0と距離情報Sbとの差の正負符号を比例するように、補正対象画素Paについての補正を行うことにより、各補正対象画素の距離情報の変化を抑制する。
Sa’−S0=Sb −S0
の関係を満足するように補正を行うことになるから、等価的に、
Sa=2×S0−Sb
を、補正対象画素Paの補正後の距離情報値とする。
Sa=100; S0=40; Sb=20
(ただし、Saは着目画素Paの補正前の距離情報)の場合には、
Sa’=2×40−20=60
に補正される。
Sa’−S0=k×(Sb −S0)
の比例関係となるように、すなわち
Sa’=(1+k)×S0−k×Sb
によって補正をすることが可能であり、このうちk=1の場合が上記の例に相当する。
図19は、第4補正方法について説明する図である。ここでは、補正対象領域CAの画素列の距離情報の変化の傾き(傾斜角度の大きさおよび符号)に応じて、距離情報の補正値を変化させる。たとえば、図19(a)のように境界基準位置QMに向かって距離情報が増加する変化の場合には、その変化の傾き角を小さくするように補正する(図19(b))。一方、図19(c)のように境界基準位置QMに向かって距離情報が減少する変化の場合には、その傾きの符合を逆にするような補正を行う(図19(d))。いずれの場合も、補正前の距離情報の変化と比較して、抑制された距離情報の変化状況となる。
図20は、第5補正方法について説明する図である。図20(b)で示されるように、この第5補正方法では、基準点Q1,QM間の補正対象領域CAの各画素の距離情報値が、段階的に変化するように計測距離情報を補正する。
距離情報補正部50は、後述する他視点画像を生成する際の視線情報によって補正を実施することも可能である。抽出された仮想境界線に対し、予め指定した補正対象領域CAにおいて、2点の基準位置Q’1,Q’2を設定し、後述する他視点画像生成部(第2視点画像生成部)80で設定される視線情報により、傾斜角度が急な傾斜となるように補正するか、あるいは、緩やかな傾斜になるように補正するかを変更し補正する。
視差画像生成部(第1視差画像生成部)70では、第2距離画像D2を用いて原点位置から見た第1視差画像を生成する。すなわち、第1視差画像の生成は、距離情報補正部50によって補正された距離情報を用いて実施し、後述する他視点画像生成部80で設定される視線情報によって、更に補正処理を実施する。例えば、想定される視線方向について、隣接する領域の距離情報における差分が所定の閾値より小さくなる場合には、隣接する領域のそれぞれの距離情報の平均値を、それら隣接する領域の双方に与えてそれらの領域を統合した上で、第1視差画像を生成する。
他視点画像生成部(第2視点画像生成部)80では、視差画像生成部(第1視差画像生成部)70によって生成された第1視差画像に基づいて、原点位置とは異なる別位置から被写体を観察した距離画像としての第2視点画像を生成する。すなわち、図3で示されるように、外部情報IFを取り入れた他視点画像を生成する。具体的に、第2視点画像に相当する左右画像の作成については、以下の方法が挙げられる。
他視点画像生成部80は、視差画像生成部70で生成された第1視差画像と基準画像SGとを基に、左右画像(左目用画像と右目用画像)の両方を作成する。具体的には、視差量の半分ずつずらして、左画像及び右画像を作成する。
他視点画像生成部80は、視差画像生成部70で生成された第1視差画像と基準画像SGとを基に、左右画像の何れか一方を作成する。すなわち、基準画像SGを左画像とすれば、右側の視差情報を作成するよう視差量をずらして右画像を作成することになり、基準画像SGを右画像とすれば、左側の視差情報を作成するよう視差量をずらして左画像を作成することになる。
図22は、本実施形態に係る画像処理システム1において実現される基本動作を説明するフローチャートである。既に各部の個別機能の説明は行ったため(図3および図4参照)、ここでは全体の流れのみ説明する。
※ 第1距離画像の生成の基礎となる被写体各部までの距離計測は、既述した対応点探索法だけでなく、下記のような方法で取得されてもよい。
TOF方式(例えば、特開2001−304811等で公知技術)では、画像領域内の全画素に対して、距離計測を実施することが難しい。そこで、計測された画素以外の領域に対しては、計測点の補間を行うことが必要となる。補間方法としては、単純に周辺の情報による補間を行う方法があるが、補間を行うだけでなく、エッジ周辺においては、計測誤差が生じやすい。このため、この方法によって得られた第1距離画像について、既述したこの発明の実施形態の補正を行うことに特に意味がある。
これは、2次元画像を3次元画像に変換する為に推定処理により立体視画像を生成する方法である。距離推定を用いた方法として、例えば、下記のような技術を採用することができる。
・3つのシーンモデルにより、撮影シーンを分類し、最も近いモデルにより立体形状を推定した後、画像の輝度情報などを基に前後に視差をずらして立体視画像を生成する技術であり、特開2006−185033号公報や特開2006−186510号公報などに開示されている。
・ 輝度情報を基に、視差の推定を行う技術であり、特開2006−319469号公報などに開示されている。
・時系列情報をベースに距離の推定を行うことで、視差の生成を行う技術であり、特開2000−261828号公報などに開示されている。
図16で示されるように、設定した初期基準位置Q1の距離情報値S(1)とその内側画素に相当する距離情報値S(2)との差分の値を算出する。この差分の絶対値が、所定の閾値以上の場合は、補正処理を実施する。
図17で示されるように、設定した初期基準位置Q1の距離情報値S(1)とその内側画素に相当する距離情報値S(2)とを結ぶ直線の傾斜角θ(1)を算出する。この傾斜角が、所定の閾値以上の場合は、補正処理を実施する。この処理を領域境界線上の隣接する画素間において境界基準位置QMに向かう方向に順次繰り返して実施する。そして、傾斜角θ(N)が所定の閾値以上の値を示す位置QNが出現すれば、外側画素に相当する傾斜角θ(N−1)をもって、傾斜角θ(N)とする(この新たな傾斜角θ(N)をθ’(N)と称する)。なお、傾斜角をθ’(N)は、予め決めておいた固定値による補正でも良い。そして、距離情報値S(N+1)と距離情報値S(N+1)とから傾斜角θ(N+1)を計算する際は、新たに置き換えられた距離情報値S’(N)を用いて、傾斜角θ(N+1)が算出される。
20 距離計測部
30 境界線抽出部
40 第1距離画像取得部
41 補正範囲設定部
42 補正判定部
43 補正距離生成部
50 距離情報補正部
60 第2距離画像生成部
70 視差画像生成部
80 他視点画像生成部
MC 主カメラ
SC 副カメラ
SG 基準画像
RG 参照画像
D1 第1距離画像
D2 第2距離画像
Claims (19)
- 立体画像処理のための画像処理装置であって、
所定の原点位置から被写体各部への距離情報を表現した第1距離画像を取得する第1距離画像取得手段と、
前記被写体の2次元画像における前記被写体の複数の領域相互の境界線を抽出する境界線抽出手段と、
前記第1距離画像中において、前記2次元画像での前記境界線に対応する位置に仮想境界線を設定するとともに、前記第1距離画像のうち前記仮想境界線をはさんで互いに隣接する領域のうち少なくとも一方を補正範囲としつつ、前記仮想境界線に近づく方向についての距離情報の変化を抑制する補正を前記第1距離画像に対して行うことによって第2距離画像を生成する補正手段と、
を備え、
前記立体画像処理が、前記第2距離画像に基づいて行われることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1に記載の画像処理装置であって、
前記補正手段は、
前記仮想境界線の位置を基準として、前記補正範囲の設定を行う補正範囲設定手段、
を備えることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項2に記載の画像処理装置であって、
前記補正範囲設定手段は、
前記補正範囲として、前記第1距離画像において、前記仮想境界線からの平面距離が所定の値以下の画素範囲を設定することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項2に記載の画像処理装置であって、
前記補正範囲設定手段は、
前記補正範囲として、前記第1距離画像において、前記仮想境界線の距離情報との相違量が所定の値以下の画素範囲を設定することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の画像処理装置であって、
前記補正範囲設定手段は、
前記補正範囲として、前記仮想境界線の両側の領域を設定することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項2に記載の画像処理装置であって、
前記補正範囲設定手段は、
前記第1距離画像の全体を、前記補正範囲として設定することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項2乃至請求項6のいずれかに記載の画像処理装置であって、
前記補正範囲設定手段は、
前記仮想境界線が閉曲線を形成していない領域は、前記補正範囲から除外する例外処理を行うことを特徴とする画像処理装置。 - 請求項2乃至請求項7の何れかに記載の画像処理装置であって、
前記補正手段は、
前記補正範囲内の画素のうち、所定の判定条件を満たす距離情報を持った画素のみを補正対象画素とする補正判定を行う補正判定手段、
を備えることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項8に記載の画像処理装置であって、
前記補正判定手段は、
前記補正判定を、画素単位で行うことを特徴とする画像処理装置。 - 請求項8に記載の画像処理装置であって、
前記補正判定手段は、
前記補正判定を、2点間を結びかつ前記仮想境界線と交差する画素列を単位として行うことを特徴とする画像処理装置。 - 請求項8乃至請求項10のいずれかに記載の画像処理装置であって、
前記補正判定条件は、
判定対象画素から前記仮想境界線に向かう方向についての、当該判定対象画素の距離情報と、当該判定対象画素に隣接する画素の距離情報との差分の絶対値が、所定値以上となっているという条件であることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項8乃至請求項10のいずれかに記載の画像処理装置であって、
前記補正判定条件は、
判定対象画素から前記仮想境界線に向かう方向についての、当該判定対象画素の距離情報の変化率の絶対値が、所定値以上となっているという条件であることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の画像処理装置であって、
用語定義として、着目する補正対象画素に関して、
「交差画素列」を、当該補正対象画素を通りかつ前記仮想境界線と交差する線分の画素列によって定義し;
「外側画素」を、前記交差画素列のうちで、当該補正対象画素よりも前記仮想境界線に近い側において当該補正対象画素に隣接する画素によって定義し;
「内側画素」を、前記交差画素列のうちで、当該補正対象画素よりも前記仮想境界線に遠い側において当該補正対象画素に隣接する画素によって定義し;
「同一側画素列」を、前記交差画素列のうちで、前記仮想境界線を基準として当該補正対象画素と同じ側にある部分によって定義し;
「反対側画素列」を、前記交差画素列のうちで、前記仮想境界線をはさんで当該補正対象画素と反対側にある部分によって定義したとき、
前記補正手段は、同一側画素列と反対側画素列とのうち、少なくとも同一側画素列の内側画素の距離情報を用いて、補正対象画素の距離情報の補正を行うこと特徴とする画像処理装置。 - 請求項13に記載の画像処理装置であって、
前記補正手段は、
同一側画素列に属する補正対象画素の距離情報の値を、当該補正対象画素の内側画素の距離情報の値を用いて一定化する補正を行うことを特徴とする画像処理装置。 - 請求項13に記載の画像処理装置であって、
前記補正手段は、
同一側画素列に属する補正対象画素の距離情報の変化率を、当該補正対象画素の内側画素における距離情報の変化率を用いて一定化する補正を行うことを特徴とする画像処理装置。 - 請求項13に記載の画像処理装置であって、
前記補正手段は、
前記仮想境界線から離れた位置に基準位置を設定し、
前記基準位置での距離情報を第1距離情報とし、
前記基準位置から前記仮想境界線までの区間内の各補正対象画素について、前記基準位置に関して対称な位置にある画素の距離情報を第2距離情報としたとき、
前記補正対象画素についての補正後の距離情報と前記第1距離情報との差が、前記第1距離情報と前記第2距離情報との差の正負符号を反転させた値に比例するように前記補正対象画素についての補正を行うことにより、前記補正対象画素の距離情報の変化を抑制する補正を行うことを特徴とする画像処理装置。 - 請求項13に記載の画像処理装置であって、
前記補正手段は、
前記仮想境界線に近づく方向についての距離情報の変化を段階的に抑制する補正を行うことを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1ないし請求項17の何れかに記載の画像処理装置と、
前記第2距離画像を用いて前記原点位置から見た第1視差画像を生成する第1視差画像生成手段と、
前記視差画像生成手段によって生成された第1視差画像に基づいて、前記原点位置とは異なる別位置から前記被写体を観察した距離画像としての第2視点画像を生成する他視点画像生成手段と、
を備えることを特徴とする画像処理システム。 - 請求項18に記載の画像処理システムであって、
前記補正手段は、
前記他視点画像生成手段での前記第2視点画像の生成において、視点が前記原点位置から前記別位置へと変化する方向に応じて、前記距離情報の変化の抑制を行う部分を選択することを特徴とする画像処理システム。
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