JP2015135293A - 画像処理装置、画像処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第一の二次元パターン画像と第二の二次元パターン画像とを合成した画像である投影パターンを被写体に対して投影し、該投影パターンが投影された被写体を撮像する。1画素若しくは複数画素から成る領域を第一単位領域とし、該領域よりも大きいサイズの領域を第二単位領域とした場合、第一の二次元パターン画像におけるそれぞれの第一単位領域には、複数の画素値のうち何れかが割り当てられている。第二の二次元パターン画像におけるそれぞれの第二単位領域には、複数の画素値のうち何れかが割り当てられている。
【選択図】図1
Description
本実施形態では、三次元形状を有する対象物の三次元形状を計測する画像処理装置について説明する。先ず、本実施形態に係る画像処理装置の機能構成例について、図1のブロック図を用いて説明する。
投影パターン生成部103は、第一の二次元パターン画像と第二の二次元パターン画像(第一の二次元パターン画像と同じ画像サイズ(解像度))と、を合成した合成画像である投影パターンEを生成する。ステップS301における処理の詳細について、図4のフローチャートを用いて説明する。
投影パターン生成部103は、投影パターンEの画素数と同じ要素数を有する二次元配列を高密度乱数列Rhとして生成する。例えば、投影パターンEのx方向(水平方向)の画素数をpx、y方向(垂直方向)の画素数をpyとすると、高密度乱数列Rhは、px(水平方向)×py(垂直方向)の二次元配列である。また、高密度乱数列Rhは、各要素が0〜255からランダムに選択された値を有する二次元の配列である。高密度乱数列Rhの各要素の値を画素値(以下では輝度値)として該高密度乱数列Rhを画像として表したもの(第一の二次元パターン画像)を図5に示す。
投影パターン生成部103は、投影パターンEの画素数の1/16の要素数を有する二次元配列を低密度乱数列Rlとして生成する。例えば、投影パターンEのx方向(水平方向)の画素数をpx、y方向(垂直方向)の画素数をpyとすると、低密度乱数列Rlは、px/4(水平方向)×py/4(垂直方向)の二次元配列である。また、低密度乱数列Rlは、各要素が0〜255からランダムに選択された値を有する二次元の配列である。
投影パターン生成部103は、ステップS401で生成した高密度乱数列Rhと、ステップS402で生成した低密度乱数列Rlと、を合成した二次元の合成乱数列Raを生成する。ここで、低密度乱数列Rl中の位置(x,y)における値をrlxy、高密度乱数列Rh中の位置(x,y)における値をrhxyとすると、合成乱数列Ra中の位置(x,y)における値raxyは以下の式(1)で表わされる。
投影パターン生成部103は、合成乱数列中の各要素の値を二値化する。この二値化では、閾値を255とする。そして合成乱数列の各要素のうち255以下の値を0に修正し、255を超えている値を255に修正する。これにより、合成乱数列を構成する各要素の値は0若しくは255となり、このような合成乱数列を投影パターンEとする。
プロジェクタ102は、ステップS301で投影パターン生成部103によって生成された投影パターンEを、被写体101に対して投影する。上記でも述べたように、投影パターンEがボケることなく投影される合焦位置は、被写体101の取り得るz方向の最遠方zfに設定されている。そして、被写体101のz位置がカメラ104に近いほど、被写体101上の投影パターンEのボケ量が増大するようになっている。
カメラ104は、投影パターンEが投影されている被写体101を撮像して、図13に例示するような、0〜255の範囲でグレースケールの輝度値を画素単位で有する撮像画像Cを取得する。
視差計算部105は、ステップS303で取得した撮像画像Cと、ステップS301で生成した投影パターンEと、を用いて、被写体101上におけるプロジェクタ102とカメラ104との間の視差を、撮像画像Cの解像度よりも粗い単位で計算し、概略視差画像Ddを生成する。ステップS304における処理の詳細について、図8のフローチャートを用いて説明する。
視差計算部105は先ず、撮像画像Cの縮小画像Cdと、投影パターンEの縮小画像である縮小投影パターンEdと、を生成する。縮小した画像のサイズは、元の画像のサイズの1/4とする。画像の縮小処理においては、隣接画素に対して線形補完によるサンプリングを行い、エイリアシングの抑制を行う。
縮小画像Cdにおいて未だ未処理の画素位置における画素を、視差を計算する対象となる画素pdとして設定する。第1回目のステップS802では、縮小画像Cdの左上隅位置の画素を画素pdとして設定し、第2回目のステップS802では、左上隅位置の1つ右隣の画素位置の画素を画素pdとして設定する。このようにして、縮小画像Cdの左上隅位置から右下隅位置までの各画素を順次、画素pdとして設定する。
図9に示す如く、画素pdを中心とする11画素×11画素の矩形領域を、縮小画像ウィンドウWpdとして設定する。なお、縮小画像Cdの端部近傍に縮小画像ウィンドウWpdを設定した場合、縮小画像Cdの外側部分が縮小画像ウィンドウWpdに含まれてしまうことになる。この場合、この外側部分は、輝度値=0として取り扱う。
変数Rpdminを、取り得る最大の値である最大評価値Rmaxで初期化する。
変数xpdminを、ステップS802で画素pdを設定した画素位置のx座標値で初期化する。図9の場合、画素pdを設定した画素位置(xpd、ypd)のx座標値は「xpd」であるから、変数xpdminを、xpdで初期化する。
縮小投影パターンEdにおいて、y座標=ypedとなるライン上に、上記の画素pdに対応する画素pedを設定する。ここで、プロジェクタ102とカメラ104との位置関係から、画素pedの取り得る範囲は、画素pdのy座標ypdに対応した投影パターン上のy座標yped(yped=ypd)上に限定される。また、第1回目のステップS806では、画素位置(0,yped)に画素pedを設定し、第2回目のステップS806では、画素位置(1,yped)に画素pedを設定する。このようにして、縮小投影パターンEdにおいて、y座標=ypedとなるラインの左端から右端までの各画素を順次、画素pedとして設定する。
図10に示す如く、画素pedを中心とする11画素×11画素の矩形領域を、縮小評価ウィンドウWpedとして設定する。なお、縮小投影パターンEdの端部近傍に縮小評価ウィンドウWpedを設定した場合、縮小投影パターンEdの外側部分が縮小評価ウィンドウWpedに含まれてしまうことになる。この場合、この外側部分は、輝度値=0として取り扱う。
縮小画像ウィンドウWpd内の各画素と、縮小評価ウィンドウWped内の各画素と、で同じ画素位置の画素同士の輝度値の差分を計算し、それぞれの画素位置の差分の合計値を評価値Rpedとして計算する。例えば、評価値Rpedは、以下の式(2)を計算することで求めることができる。
ステップS808で求めた評価値Rpedと、変数Rpdminの値である最小評価値と、の大小比較を行う。この大小比較の結果、Rpdmin>Rpedであれば、処理はステップS810に進む。一方、Rpdmin≦Rpedであれば、処理はステップS812に進む。
変数Rpdminに、評価値Rpedを代入する。
変数xpdminに、現在の画素pedのx座標位置であるxpedを代入する。
画素pedのx座標位置が、y座標=ypedとなるラインの右端位置に達した場合には、処理はステップS813に進み、まだ達していない場合には、画素pedの現在のx座標位置に1を加えてから、処理はステップS806に戻る。
変数Rpdminの値である最小評価値と、予め定められている基準評価値Rrefdと、の大小比較を行う。この大小比較の結果、Rpdmin<Rrefdであれば、最小評価値は信頼がある評価値として判断し、処理はステップS814に進む。すなわち、最小評価値が小さいほど、縮小画像ウィンドウWpd内の画素群と、縮小評価ウィンドウWped内の画素群と、は輝度値について類似度が高いことになる。一方、Rpdmin≧Rrefdであれば、最小評価値は信頼がない評価値として判断し、処理はステップS815に進む。
画素pdのx座標位置であるxpdと、変数xpdminが表すx座標位置と、の差分を、画素pdにおける視差dpdとして求める。
画素pdにおける視差dpdとして、NaNを設定する。以降、この画素pdにおける視差dpdは計算不能として、その後の計算に使用しない。
ステップS802〜ステップS815の処理を、縮小画像Cdを構成する全ての画素について行ったか否かを判断する。この判断の結果、縮小画像Cdを構成する全ての画素についてステップS802〜ステップS815の処理を行った場合には、処理はステップS305に進む。一方、縮小画像Cdを構成する画素のうち未だステップS802〜ステップS815の処理を行っていない画素が残っている場合には、処理はステップS802に戻る。
三次元形状計算部106は、ステップS304で生成した概略視差画像Ddと、後述するプロジェクタ102―カメラ104間の基線の長さ(基線長)と、カメラ104の焦点距離と、を用いて、被写体101の概略三次元形状を求める。
視差計算部105は投影パターンEと撮像画像Cと概略距離画像Sdとを用いて被写体101上におけるプロジェクタ102とカメラ104との間の視差を、撮像画像Cの画素単位で詳細に計算し、該画素単位の視差を画素値とする詳細視差画像Dfを生成する。ステップS306における処理の詳細について、図12のフローチャートを用いて説明する。
先ず、概略距離画像Sdにアップサンプリング処理を適用して、撮像画像Cと同サイズの拡大距離画像Suを生成する。アップサンプリング処理においては、最近傍画素によるサンプリングを行い、隣接画素値に対しての補間は行わない。
撮像画像Cにおいて未だ未処理の画素位置における画素を、視差を計算する対象となる画素pとして設定する。第1回目のステップS1202では、撮像画像Cの左上隅位置の画素を画素pとして設定し、第2回目のステップS1202では、左上隅位置の1つ右隣の画素位置の画素を画素pとして設定する。このようにして、撮像画像Cの左上隅位置から右下隅位置までの各画素を順次、画素pとして設定する。
図13に示す如く、画素pを中心とする11画素×11画素の矩形領域を、撮像画像ウィンドウWpとして設定する。なお、撮像画像Cの端部近傍に撮像画像ウィンドウWpを設定した場合、撮像画像Cの外側部分が撮像画像ウィンドウWpに含まれてしまうことになる。この場合、この外側部分は、輝度値=0として取り扱う。
変数Rpminを、取り得る最大の値である最大評価値Rmaxで初期化する。
変数xpminを、ステップS1202で画素pを設定した画素位置のx座標値で初期化する。図13の場合、画素pを設定した画素位置(xp、yp)のx座標値は「xp」であるから、変数xpminを、xpで初期化する。
ステップS1201で生成した拡大距離画像Suと、投影パターンEと、を用いて、撮像画像ウィンドウWpとの間で類似度比較を行うためにウィンドウを設定する対象となる投影パターンEnを決定する。
投影パターンEnにおいて、y座標=ypenとなるライン上に、上記の画素pに対応する画素penを設定する。ここで、プロジェクタ102とカメラ104との位置関係から、画素penの取り得る範囲は、画素pのy座標ypに対応した投影パターン上のy座標ypen(ypen=yp)上に限定される。また、第1回目のステップS1207では、画素位置(0,ypen)に画素penを設定し、第2回目のステップS1207では、画素位置(1,ypen)に画素penを設定する。このようにして、投影パターンEnにおいて、y座標=ypenとなるラインの左端から右端までの各画素を順次、画素penとして設定する。
図15に示す如く、画素penを中心とする11画素×11画素の矩形領域を、評価ウィンドウWpenとして設定する。なお、投影パターンEnの端部近傍に評価ウィンドウWpenを設定した場合、投影パターンEnの外側部分が評価ウィンドウWpenに含まれてしまうことになる。この場合、この外側部分は、輝度値=0として取り扱う。
撮像画像ウィンドウWp内の各画素と、評価ウィンドウWpen内の各画素と、で同じ画素位置の画素同士の輝度値の差分を計算し、それぞれの画素位置の差分の合計値を評価値Rpenとして計算する。例えば、評価値Rpenは、以下の式(6)を計算することで求めることができる。
ステップS1209で求めた評価値Rpenと、変数Rpminの値である最小評価値と、の大小比較を行う。この大小比較の結果、Rpmin>Rpenであれば、処理はステップS1211に進む。一方、Rpmin≦Rpenであれば、処理はステップS1213に進む。
変数Rpminに、評価値Rpenを代入する。
変数xpminに、現在の画素penのx座標位置であるxpenを代入する。
画素penのx座標位置が、y座標=ypenとなるラインの右端位置に達した場合には、処理はステップS1214に進み、まだ達していない場合には、画素penの現在のx座標位置に1を加えてから、処理はステップS1207に戻る。
変数Rpminの値である最小評価値と、予め定められている基準評価値Rrefと、の大小比較を行う。この大小比較の結果、Rpmin<Rrefであれば、最小評価値は信頼がある評価値として判断し、処理はステップS1215に進む。すなわち、最小評価値が小さいほど、撮像画像ウィンドウWp内の画素群と、評価ウィンドウWpen内の画素群と、は輝度値について類似度が高いことになる。一方、Rpmin≧Rrefであれば、最小評価値は信頼がない評価値として判断し、処理はステップS1216に進む。
画素pのx座標位置であるxpと、変数xpminが表すx座標位置と、の差分を、画素pにおける視差dpとして求める。
画素pにおける視差dpとして、NaNを設定する。以降、この画素pにおける視差dpは計算不能として、その後の計算に使用しない。
ステップS1202〜ステップS1216の処理を、撮像画像Cを構成する全ての画素について行ったか否かを判断する。この判断の結果、撮像画像Cを構成する全ての画素についてステップS1202〜ステップS1216の処理を行った場合には、処理はステップS307に進む。一方、撮像画像Cを構成する画素のうち未だステップS1202〜ステップS1216の処理を行っていない画素が残っている場合には、処理はステップS1202に戻る。
三次元形状計算部106は、詳細視差画像Dと、プロジェクタ102―カメラ104間の基線の長さ(基線長)と、カメラ104の焦点距離と、を用いて、上記のステップS305と同様の処理を行うことで、被写体101の詳細な三次元形状を求める。ステップS307における計算処理では、詳細視差画像Dを構成する各画素のうちNaNの値を有する画素以外の画素について、対応する点sdの三次元座標位置を計算することで、被写体101の詳細な三次元形状を表す詳細距離画像Sを求める。
本実施形態では、ステップS301における処理のみが第1の実施形態と異なる。然るに以下では本実施形態に係るステップS301における処理について重点的に説明し、以下で特に触れない限りは第1の実施形態と同様であるものとする。なお、本実施形態では、カメラ104については、第1の実施形態と比較して、より広いダイナミックレンジを持ち、低ノイズのものを用いることが望ましい。
投影パターン生成部103は、合成乱数列に対する階調削減を行って投影パターンEを生成する。例えば、第一閾値T1をT1=171、第二閾値T2をT2=374とした場合、投影パターンE中の画素位置(x、y)における輝度値exyは、合成乱数列Ra中の位置(x,y)における値raxyから以下の式(7)に従って計算される。
本実施形態では、ステップS301における処理のみが第1の実施形態と異なる。然るに以下では本実施形態に係るステップS301における処理について重点的に説明し、以下で特に触れない限りは第1の実施形態と同様であるものとする。
投影パターン生成部103は、合成乱数列Raに対して、Floyd-Steinbergディザリング処理を適用することで疑似多階調化を行い、二値化された投影パターンEを生成する。ステップS1904における処理の詳細について、図20のフローチャートを用いて説明する。
合成乱数列Ra及び投影パターンE上に対象画素位置を設定する。本ステップにおける処理を最初に行う場合には、合成乱数列Raの左上隅の画素位置を対象画素位置に設定すると共に、投影パターンEの左上隅の画素位置を対象画素位置に設定する。
合成乱数列Ra中の対象画素位置(x、y)における値raxyを二値化した結果を、投影パターンE中の対象画素位置(x、y)における画素値exyに設定する。raxyは0〜510の値を取るため、中間の255を閾値として、raxyが255よりも大きければ510、raxyが255よりも小さければ0を、画素値exyに設定する。
投影パターンE中の対象画素位置(x、y)における画素値exyと、合成乱数列Ra中の対象画素位置(x、y)における画素値raxyと、を用いて、量子化誤差errを、以下の式(8)を計算することで求める。
ステップS2003で計算した量子化誤差errを、合成乱数列Ra中の対象画素位置(x、y)の周囲に拡散させる。対象画素位置(x、y)の右隣の画素位置における画素値をra(x+1)y、左下の画素位置における画素値をra(x−1)(y+1)、真下の画素位置における画素値をrax(y+1)、右下の画素位置における画素値をra(x+1)(y+1)とする。このとき、上記拡散により、これらの画素値を以下の式(9)に従って更新する。
合成乱数列Ra(投影パターンE)上の全ての画素位置を対象画素位置として設定したか否かを判断する。この判断の結果、合成乱数列Ra(投影パターンE)上の全ての画素位置を対象画素位置として設定した場合には、処理はステップS302に進む。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
Claims (8)
- 被写体の三次元形状を計測するための画像処理装置であって、
第一の二次元パターン画像と第二の二次元パターン画像とを合成した画像である投影パターンを、前記被写体に対して投影する投影手段と、
前記投影パターンが投影された被写体を撮像する撮像手段と
を備え、
1画素若しくは複数画素から成る領域を第一単位領域とし、該領域よりも大きいサイズの領域を第二単位領域とした場合、
前記第一の二次元パターン画像におけるそれぞれの第一単位領域には、複数の画素値のうち何れかが割り当てられており、
前記第二の二次元パターン画像におけるそれぞれの第二単位領域には、複数の画素値のうち何れかが割り当てられている
ことを特徴とする画像処理装置。 - 前記投影手段による前記投影パターンの合焦位置は、該投影手段から見て、前記被写体の位置よりも遠方に位置することを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
- 前記第一単位領域及び前記第二単位領域には、前記複数の画素値のうちランダム若しくは疑似ランダムに決定された画素値が割り当てられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の画像処理装置。
- 前記投影パターンの各画素の画素値は、前記第一の二次元パターン画像及び前記第二の二次元パターン画像において該画素に対応する画素の和を、N(Nは2以上の整数)値化した値であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の画像処理装置。
- 前記投影パターンは、前記第一の二次元パターン画像と前記第二の二次元パターン画像とを合成したパターン画像に対して疑似多階調化を行ったパターン画像であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の画像処理装置。
- 前記第一単位領域及び前記第二単位領域のサイズは均一であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の画像処理装置。
- 前記第一単位領域のサイズは、前記第一の二次元パターン画像の中央部に近いほど小さく、
前記第二単位領域のサイズは、前記第二の二次元パターン画像の中央部に近いほど小さいことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の画像処理装置。 - 被写体の三次元形状を計測するための画像処理装置が行う画像処理方法であって、
前記画像処理装置の投影手段が、第一の二次元パターン画像と第二の二次元パターン画像とを合成した画像である投影パターンを、前記被写体に対して投影する投影工程と、
前記画像処理装置の撮像手段が、前記投影パターンが投影された被写体を撮像する撮像工程と
を備え、
1画素若しくは複数画素から成る領域を第一単位領域とし、該領域よりも大きいサイズの領域を第二単位領域とした場合、
前記第一の二次元パターン画像におけるそれぞれの第一単位領域には、複数の画素値のうち何れかが割り当てられており、
前記第二の二次元パターン画像におけるそれぞれの第二単位領域には、複数の画素値のうち何れかが割り当てられている
ことを特徴とする画像処理方法。
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