JP2644367B2 - フレーム間補間方式 - Google Patents

フレーム間補間方式

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 動画像のフレーム間の補間を行なう方式に関し、 フレーム間で画像の位置や形状が大きく変化している
場合でも滑らかなフレーム間補間を行なうことのできる
方式を提供することを目的とし、1枚目および2枚目の
画像のそれぞれのモーメント特徴を抽出し、各モーメン
ト特徴を結びつけるアフィン変換を決定し、このアフィ
ン変換を画像に施すことによって中間の任意の時刻の画
像を推定するように構成される。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、動画像のフレーム間補間方式に関する。
〔従来の技術〕
テレビにおいては、1/30秒毎に画像フレームを出力す
ることにより画像の動きを滑らかに表現しているが、も
し、例えば、画像フレームが1秒間に10枚しか出力され
ないならば、見にくい動画像となってしまうであろう。
また、アニメーションの分野では、少しずつ異なる画
像を多数フレーム作成し、1秒間に30フレームの割合で
出力することで滑らかな動画像を得ているが、それらの
画像を全て人手で作成すると膨大な工数を必要とする。
従って、中間画像を省いた画像を作成し、省いた画像を
補間して自動的に生成できれば、工数の削減ができる。
さらに、医薬の分野では、例えば、心臓の動きの超音
波画像を連続的に得たい場合でも、1秒間に30枚の画像
が得られない場合があり、中間の画像を補間したいとい
う要望がある。
画像のフレーム間補間とは、離散的な時刻1,2,・・・
n,n+1,・・・において与えられた時系列画像に基づき
時刻nと時刻n+1の間にある任意の時刻の画像を生成
することを意味する。
第3図は、従来のフレーム間補間方式の例を示す。第
3図において、I1(x,y)は動いている物体のの時刻n
における画像、I2(x,y)はその時刻n+1における画
像、I(x,y;t)はnとn+1の中間の時刻tにおいて
生成されるべき画像である。
従来、画像I(x,y;t)は、画像I1(x,y)およびI
2(x,y)の画素毎の画素値を次式によって線型に補間す
ることによって求められていた。
I(x,y;t)=(1−t)I1(x,y)+tI2(x,y) 〔発明が解決しようとする課題〕 上述のような従来の方式では、画像中の物体の位置や
形がフレーム間で大きく変化した場合に、補間された画
像では第3図で斜線で示す部分のように物体が二重に写
ってしまうという問題があった。
本発明は、上記従来技術の欠点を除去し、フレーム間
で画像の位置や形が大きく変化している場合において
も、滑らかな補間を行ない、見易い画像を生成するフレ
ーム間補間方式を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕 本発明によるフレーム間補間方式は、第1および第2
の画像の各モーメント特徴を算出するモーメント算出部
と、第1の画像のモーメント特徴と第2の画像のモーメ
ント特徴を時刻に依存する重みによって重み付き平均す
るモーメント線形和算出部と、第1の画像のモーメント
特徴をモーメント線形和算出部で算出されたモーメント
特徴に変換するアフィン変換を算出するアフィン変換算
出部と、算出されたアフィン変換を第1の画像に施すア
フィン変換実行部とを備えて構成される。
また、本発明によるフレーム間補間方式は、第1およ
び第2の画像の各モーメント特徴を算出するモーメント
算出部と、第1の画像のモーメント特徴と第2の画像の
モーメント特徴を時刻に依存する重みによって重み付き
平均するモーメント線形和算出部と、第1の画像のモー
メント特徴を線形和算出部で算出されたモーメント特徴
に変換するアフィン変換を算出する第1のアフィン変換
算出部と、第2の画像のモーメント特徴を線形和算出部
で算出されたモーメント特徴に変換するアフィン変換を
算出する第2のアフィン変換算出部と、第1のアフィン
変換算出部によって決定されたアフィン変換を第1の画
像に施した結果と、第2のアフィン変換算出部によって
決定されたアフィン変換を第2の画像に施した結果の線
型和を算出するアフィン変換実行部とを備えて構成され
る。
〔作用〕
時刻nにおける画像I1と時刻n+1における画像I2
各モーメント特徴F1およびF2がモーメント算出部で算出
され、これ等のモーメント特徴の時間n+1による重み
付け平均F(t)=(1−t)F1+tF2がモーメント線
型和算出部で算出される。つぎに画像I1のモーメント特
徴F1を線形和算出部で算出されたモーメント特徴F
(t)に変換するアフィン変換G(t)が、アフィン変
換算出部で算出される。算出されたアフィン変換G
(t)は、アフィン変換実行部で画像I1に施され(ItG
(t)*I1)、中間画像Itが得られる。
また、上記において、算出されるG(t)がG(1)
*I1=I2を必ずしも満足しない場合があることを考慮し
て、上記G(t)の他に、画像I2のモーメント特徴を線
型和算出部で算出されたモーメント特徴に変換するアフ
ィン変換G′(t)を求め、アフィン変換実行部におい
て、G(t)*I1とG′(t)*I2の線型和を求めるこ
とによって、より精度の高い補間画像を得るようにして
いる。
〔実施例〕
第1図は本発明によるフレーム間補間方式の一実施例
の構成を示す。
第1図において、1枚目の画像1からモーメント算出
部3により画像1のモーメント特徴が抽出され、2枚目
の画像2からモーメント算出部4により画像2のモーメ
ント特徴が抽出される。
ここでモーメント特徴とは、ある物体像全体を特徴ず
ける画像上の量、例えば重心やモーメントをいう。
物体の移動により、これ等モーメント特徴がどのよう
に変化するかが理論的に計算でき、従って画像毎のモー
メント特徴を独立して計測することにより、物体の運動
を計算することができ、各画像中の物体の各点の対応関
係は必要でないことは既に証明されている(人口知能学
会誌第4巻第1号PP13−20“数理的手法による三次元情
報抽出”)。
モーメント特徴は、物体の重心、慣性主軸がx軸とな
す角、主軸のまわりのモーメント、ならびに主軸に直交
する軸のまわりのモーメントとし、それ等はつぎのよう
に求められる。
1および2枚目の画像をそれぞれI1(x,y)、I2(x,
y)とし、1枚目の画像I1(x,y)および2枚目の画像I2
(x,y)の重心を(X1,Y1)、(X2,Y2)、慣性主軸がx
軸となす角をθ、θ、主軸まわりのモーメントをEX
P(2κ)、EXP(2κ)、主軸に直交する軸のまわ
りのモーメントをEXP(2λ)、EXP(2λ)、で表
わすと、それ等は下記の各式から求められる。
X1=∬xI1(x,y)dxdy/∬I1(x,y)dxdy Y1=∬yI1(x,y)dxdy/∬I1(x,y)dxdy tan(2θ)=2M1xx/(M1xx−M1yy X2=∬xI2(x,y)dxdy/∬I2(x,y)dxdy Y2=∬yI2(x,y)dxdy/∬I2(x,y)dxdy tan(2θ)=2M2xx/(M2xx−M2yy 上記式において、M1xx,M1yy,M1xy,M2xx,M2yyおよびM
2xyは下記の各式により求められる。
M1xx=∬(x−M1x2dxdy/∬I1(x,y)dxdy M1yy=∬(y−M1y2dxdy/∬I1(x,y)dxdy M1xy=∬(x−M1x)(y−Mn y)dxdy/∬I1(x,y)dxdy M2xx=∬(x−M2x2dxdy/∬I2(x,y)dxdy M2yy=∬(y−M2y2dxdy/∬I2(x,y)dxdy M2xy=∬(x−M2x)(y−Mn y)dxdy/∬I2(x,y)dxdy つぎに、アフィン変換について説明する。
画像をx軸方向にX,y軸方向にYだけ平行移動させる
変換をT(X,Y)、原点を中心にθだけ回転させる変換
をR(θ)、x軸方向にexp(κ)倍、y軸方向にexp
(λ)倍だけ伸縮させる変換をM(κ,λ)と表わす。
これらの変換は画像空間に作用すると同時に、特徴空間
にも作用する演算である。
第4図は、特徴空間におけるモーメント特徴の変換の
原理を示す。
第4図において、F0は特徴空間の原点、F1およびF2
それぞれ第1および2枚目の画像のモーメント特徴、G1
はF0からF1への変換、G2はF0からF2への変換を表わす。
なおG1 -1はG1の逆変換、矢印は変換の方向を表わす。
1枚目の画像のモーメント特徴F1=(X1,Y111,
λ)および2枚目の画像のモーメント特徴F2=(X2,Y
222)は、第4図に示すように、それぞれ特
徴空間の原点F0=(0,0,0,0,0)に対して下記の変換を
施すことによって得られる。
F1=G1*F0 G1=T(X1,Y1)R(θ)M(κ1)R(φ) (1) F2=G2*F0 G2=T(X2,Y2)R(θ)M(κ2)R(φ) (2) ただし、φとφは任意の角である。特徴空間の原
点F0に対して原点を中心に任意の角度だけ回転してもモ
ーメント特徴は不変であるのでR(φ)とR(φ
の因子を付加することができる。
(1),(2)式より、2枚目の画像のモーメント特
徴F2は1枚目の画像のモーメント特徴F1に対して次の変
換を施した結果に等しいことがわかる(第4図参照)。
F2=G2G1 -1*F1 (3) 式(3)を基に、1枚目の画像のモーメント特徴F1
任意の時刻におけるモーメント特徴F(t)に変換する
時間的に連続なアフィン変換G(t)を求める。
単位時間後にはF(t)がF2に一致するためには、次
の条件を満たさなければならない。
F(t)=G(t)*F1,F0=F1,F(1)=F2 (4) (4)式を満たす変換G(t)は無数に存在するが、
その中から次の条件を満たすものを求める。
F(t)=(1−t)F1+tF2 (5) (5)式はモーメント特徴が時間に関して線形に変化
することを意味する。
(4)式と(5)式を満たすG(t)は、 を用いて次式で求まる。
G(t)=T(X(t),Y(t))R(θ(t)) M(κ(t),λ(t))R(φ(t))R(−φ) M(−κ1,−λ1,)R(−θ)T(−X1,−Y1).
(7) (7)式は1枚目の画像I1(x,y)のモーメント特徴
を(6)式で求まるモーメント特徴に変換するアフィン
変換を表しており、このアフィン変換を画像I1(x,y)
に施すと、時刻tにおけるモーメント特徴は(6)式に
従って線形に変化する。
上記の原理に基ずき、第1図において、モーメント線
型和算出部5は、モーメント算出部3および4からの1
枚目および2枚目の画像の各モーメント特徴を(6)式
に代入してモーメント特徴の線型和を求める。
アフィン変換算出部は(7)式に従ってアフィン変換
G(t)を求める。
アフィン変換実行部7はアフィン変換G(t)を1枚
目の画像I1(x,y)に施すことにより任意の時刻tにお
ける画像I(x,y;t)を求める。すなわち、 I(x,y;t)=G(t)*I1(x,y) (8) (8)式によれば、I(x,y;t)は時刻t=0では一
枚目の画像に、時刻t=1では二枚目の画像に一致す
る。
第2図は、本発明の他の実施例の構成を示す。上記に
おいて求められたアフィン変換G(t)を用いたとき、
G(I)*I1(x,y)とI2(x,y)は必ずしも一致しな
い。
本実施例においては、2枚目の画像I2(x,y)のモー
メント特徴を、モーメント線型和算出部5において求め
られたモーメント特徴に変換する第2のアフィン変換
G′(t)を求め、次のようにG(t)*I1(x,y)と
G′(t)*I2(x,y)を重ね合わせることにより、I
(x,y;t)を求める。すなわち、 I(x,y;t)=(1−t)G(t)*I1(x,y) +tG′(t)+I2(x,y) (9) ここでG′(t)は(7)式と同様にして次式で定ま
る。
G′(t)=T(X(t),Y(t))R(θ(t)) M(κ(t),λ(t))R(φ(t))R(−φ) M(−κ2,−λ2,)R(−θ)T(−X2,−Y2) (10) 第2図において、入力部10は時系列的に入力される画
像をデジタル画像に変換する。
ディジタル化された画像は画像メモリ11に転送される
が、そのとき、画像メモリ11に記憶されていた画像は画
像メモリ12に転送される。従って、画像メモリ12は時刻
nにおける画像を保存し、画像メモリ11は時刻n+1に
おける画像を保存することになる。
モーメント算出部13は、画像メモリ11に保存されてい
る画像のモーメント特徴を算出する。その結果はモーメ
ントメモリ14に転送されているが、そのとき、モーメン
トメモリ14に記憶されているモーメント特徴はモーメン
トメモリ15に転送される。従って、モーメントメモリ15
は時刻nにおける画像のモーメント特徴を保存し、モー
メント14は時刻n+1における画像のモーメント特徴を
保存することになる。
モーメント線形和算出部16はモーメントメモリ14およ
び15に保存されているモーメント特徴から(6)式に従
って時刻n+tにおける画像のモーメント特徴を推定す
る。
アフィン変換算出部18は時刻nにおける画像のモーメ
ント特徴をモーメント線形和によって推定された時刻n
+tにおける画像のモーメント特徴に変換するアフィン
変換G(t)を(7)式によって導出する。
アフィン変換算出部17は同様に時刻n+1における画
像のモーメント特徴をモーメント線形和によって推定さ
れた時刻n+1における画像のモーメント特徴に変換す
るアフィン変換G′(t)を(10)式によって導出す
る。
アフィン変換部20およびアフィン変換部19は、それぞ
れ、アフィン変換算出部18およびアフィン変換算出部17
によって算出された各アフィン変換をそれぞれ時刻nに
おける画像および時刻n+1における画像に施す。
画像合成部21はアフィン変換部19および20による変換
結果を、(9)式に適用することにより、時刻tにおけ
る画像を合成する。
〔発明の効果〕
本発明による画像のフレーム間補間方式によれば、1
枚目、2枚目のそれぞれの画像から重心、慣性主軸、主
軸のまわりおよびそれに直交する軸のまわりのモーメン
ト特徴を算出し、次に、1枚目の画像のモーメント特徴
を2枚目の画像のモーメント特徴に変換するアフィン変
換を求め、さらに、このアフィン変換を時間に関して連
続化し、これを1枚目の画像に施すことにより任意時刻
における画像を推定するので、1枚目と2枚目の画像の
位置や形が大きく異る場合においても、滑らかな補間が
行われ、補間によって得られた画像には重なり部分がな
く、見易い画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の構成を示す図、第2図は本
発明の他の実施例の構成を示す図、第3図は従来のフレ
ーム間補間方式を示す図、第4図はアフィン変換を説明
するための図である。 1……1枚目の画像、2……2枚目の画像、3,4……モ
ーメント算出部、5……モーメント線型和算出部、6…
…アフィン変換算出部、7……アフィン変換実行部、10
……入力部、11,12……画像メモリ、13……モーメント
算出部、14,15……モーメントメモリ、16……モーメン
ト線型和算出部、17,18……アフィン変換算出部、19,20
……アフィン変換部、21……画像合成部、F0,F1,F2……
モーメント特徴、G1,G2……変換、I1(x,y),I2(x,
y),I(x,y;t)……画像。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1および第2の画像の各モーメント特徴
    を算出するモーメント算出部と、 第1の画像のモーメント特徴と第2の画像のモーメント
    特徴の重み付き平均を算出するモーメント線形和算出部
    と、 第1の画像のモーメント特徴を前記線形和算出部で算出
    されたモーメント特徴に変換するアフィン変換を算出す
    るアフィン変換算出部と、 算出されたアフィン変換を第1の画像に施すアフィン変
    換実行部とを備えることを特徴とするフレーム間補間方
    式。
  2. 【請求項2】第1および第2の画像の各モーメント特徴
    を算出するモーメント算出部と、 第1の画像のモーメント特徴と第2の画像のモーメント
    特徴の重み付き平均を算出するモーメント線形和算出部
    と、 第1の画像のモーメント特徴を所定の重みによって前記
    線形和算出部で算出されたモーメント特徴に変換するア
    フィン変換を算出する第1のアフィン変換算出部と、 第2の画像のモーメント特徴を別の所定の重みによって
    前記線形和算出部で算出されたモーメント特徴に変換す
    るアフィン変換を算出する第2のアフィン変換算出部
    と、 前記第1のアフィン変換算出部によって決定されたアフ
    ィン変換を前記第1の画像に施した結果と、前記第2の
    アフィン変換算出部によって決定されたアフィン変換を
    第2の画像に施した結果の線型和を算出するアフィン変
    換実行部とを備えることを特徴とするフレーム間補間方
    式。
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