JP3728461B2 - Method for automatically processing position correction in image information - Google Patents
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Description
本発明は画像情報における位置補正を自動的に処理する手法に関し、特に被検体上の分布情報を画像情報として得る際に、該被検体の変位を検出して前記画像情報を自動的に位置補正する技術に関する。 The present invention relates to a method for automatically processing position correction in image information, and in particular, when obtaining distribution information on a subject as image information, the displacement of the subject is detected to automatically correct the position of the image information. Related to technology.
ロケットや航空機の機体にかかる圧力を測定する方法として、風洞内に機体模型を配置して超音速域の通風を行い機体表面に塗布された感圧塗料の発光状態を撮像して、その画像より圧力分布情報を得ることが行われている。(特許文献1,非特許文献1参照。)ルミネッセンス強度の画像から圧力分布データを得る手法は、ステップ1として取得した画像に、ダーク減算、平均化の前処理を行う。ステップ2では通風停止時の基準画像Irefと通風状態での測定画像Iとの割り算を行いピクセル毎の比Iref/Iを算出する。ステップ3で較正式を用いIref/I値を圧力に変換するという手順をとる。ところが、風洞内に通風が行われている時と通風停止の時とではこの模型は風洞内での位置・姿勢を異にする。すなわち、強い風を受けると模型は固定位置を保つことができず変位してしまう。この変位は平行移動に相当する二次元的な移動に留まらず、一般には回転成分も含まれるため撮像した模型の画像は変形を伴うものとなる。そこで画像に示されている圧力分布情報を通風していない初期画像に対応付けるためにはその変位分の補正が必要となるが、従来においてその処理には多くの時間がかかっている。
As a method of measuring the pressure applied to the rocket or aircraft body, place the aircraft model in the wind tunnel, ventilate in the supersonic region, image the light emission state of the pressure-sensitive paint applied to the aircraft surface, and from that image Obtaining pressure distribution information is performed. (See Patent Document 1 and Non-Patent Document 1.) The technique for obtaining pressure distribution data from an image of luminescence intensity performs preprocessing of dark subtraction and averaging on the image acquired as Step 1. In
撮像によって得られた画像から空力データ取得までの画像処理にかかる時間は、現在の手法では図6に示すようにフィルタ処理、位置補正、割算画像算出、圧力・温度補正、3Dマッピング、空力データ取得といった手順が採られている。そして、各処理に必要な時間はフィルタ処理に約2秒、割算画像算出から空力データ取得までは10秒から1分であるが、位置補正はアフィン変換を用い手作業で行っているため数時間を要するという状況である。因みに、この位置補正は機体表面に付けるマーカ数を30とし、それが上下2面必要となり、実験ケース数を20として計算すれば、30×2×20=1200個の位置情報となる。その1点につき10秒の処理時間とすれば、全体では200分の時間を要することになる。 In the current method, the time required for image processing from the image obtained by imaging to the acquisition of aerodynamic data is as shown in FIG. 6. Filter processing, position correction, division image calculation, pressure / temperature correction, 3D mapping, aerodynamic data Procedures such as acquisition are taken. The time required for each process is about 2 seconds for the filter process, and the time from the calculation of the divided image to the acquisition of the aerodynamic data is 10 seconds to 1 minute. However, the position correction is performed manually using affine transformation. It is a situation that takes time. Incidentally, in this position correction, the number of markers to be attached to the surface of the body is set to 30, and two upper and lower surfaces are required. If the number of experimental cases is set to 20, the position information is 30 × 2 × 20 = 1200 pieces. If the processing time is 10 seconds per point, it takes 200 minutes as a whole.
機体模型の移動検出には模型表面に複数のマークを付しておきその変位から模型の移動を検知し対応関係をとる。通風前の風洞における画像を基準画像としその任意の点を(xi,yi)、通風後の測定画像での対応点の位置を(xi',yi')としたとき、次のアフィン変換式が成り立つ。
xi=a1+a2xi'+a3yi'+a4xi'2+a5xi'yi'+a6yi'2
yi=b1+b2xi'+b3yi'+b4xi'2+b5xi'yi'+b6yi'2
基準画像と測定画像におけるマーカ同士の対応が分かればそれぞれの画像における位置情報から上記のアフィン変換式の係数が求められる。マーカの数が多いほどより正確な係数を求めることができることになるが、手作業によるマーク同士の対応は時間がかかりすぎるため、自動化が強く望まれるところである。
x i = a 1 + a 2 x i '+ a 3 y i ' + a 4 x i ' 2 + a 5 x i ' y i '+ a 6 y i ' 2
y i = b 1 + b 2 x i '+ b 3 y i ' + b 4 x i ' 2 + b 5 x i ' y i '+ b 6 y i ' 2
If the correspondence between the markers in the reference image and the measurement image is known, the coefficient of the affine transformation equation can be obtained from the position information in each image. As the number of markers increases, more accurate coefficients can be obtained. However, since manual correspondence between marks is too time-consuming, automation is strongly desired.
本発明が解決しようとする課題は、同じ被検体を撮像した二枚の画像間で被検体上の同一位置の対応を自動的に速くとることができる手法を提供すること、特に感圧塗料を塗布した模型の表面に働く圧力分布をルミネッセンス画像から計測する際に測定画像の位置補正を自動的に速く行うことができる手法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a technique that can automatically and quickly take correspondence between the same positions on a subject between two images obtained by imaging the same subject. An object of the present invention is to provide a method capable of automatically and quickly correcting the position of a measurement image when measuring a pressure distribution acting on the surface of a coated model from a luminescence image.
本発明の位置補正を自動的に行う方法は、表面に多数のマークポイントを施した被検体の基準画像において一筆書きで前記マーク群を結んだ1つのパターンを認識させるステップと、測定画像におけるマーク群を結ぶ多数の一筆書きパターンの中から先の認識パターンと最も類似したパターンを選定して対応するマーク同士を特定するステップと、対応をとった各マークの両画像における座標情報からアフィン変換式の係数を求めるステップと、この求めた係数を用いて被検体表面全領域のポイントに適用して補正位置を算出するステップとからなる。
本発明の位置補正を自動的に行う方法は、一筆書きでマーク群を結んだ1つのパターンを最短距離を条件として最適化手法によって特定するものである。
また、本発明の最適化方法は、測定画像におけるマーク群を結ぶ多数の一筆書きパターンの中から先の認識パターンと最も類似したパターンを選定する手法として、遺伝的アルゴリズムを採用する。
The method of automatically performing position correction according to the present invention includes a step of recognizing a pattern in which the mark group is connected with a single stroke in a reference image of a subject having a number of mark points on a surface, and a mark in a measurement image. Select the pattern most similar to the previous recognition pattern from many single-stroke patterns that connect groups and identify the corresponding marks, and the affine transformation formula from the coordinate information in both images of each corresponding mark And a step of calculating a correction position by applying the obtained coefficient to points on the entire surface of the subject.
The method of automatically performing position correction according to the present invention is to specify one pattern in which marks are connected by a single stroke by an optimization method on the condition of the shortest distance.
Further, the optimization method of the present invention employs a genetic algorithm as a method for selecting a pattern most similar to the previous recognition pattern from among a large number of one-stroke writing patterns that connect mark groups in a measurement image.
本発明の測定画像の位置補正を自動的に処理する方法は、表面に多数のマークポイントを施した被検体の基準画像において一筆書きで前記マーク群を結んだ1つのパターンを認識させるステップと、測定画像におけるマーク群を結ぶ多数の一筆書きパターンの中から先の認識パターンと最も類似したパターンを選定して対応するマーク同士を特定するステップと、対応をとった各マークの両画像における座標情報からアフィン変換式の係数を求めるステップと、この求めた係数を用いて被検体表面全領域のポイントに適用して補正位置を算出するステップとからなるものであるから、パターン認識によって人手をかけずに両画像の対応点を特定することが可能となり、その座標情報からアフィン変換式の係数を割り出し、測定画像の位置補正を自動的に算出することができる。
本発明の測定画像の位置補正を自動的に処理する方法は、一筆書きでマーク群を結んだ1つのパターンは最短距離を条件として最適化手法によって特定することにより、単純で判定がし易いパターンをいち早く取得することができ、測定画像のパターン選定についても同じ条件で対応パターンを多くの場合直接得ることができるため、両画像での同じマークポイントの対応を速くとることができる。
更に、本発明の測定画像の位置補正を自動的に処理する方法は、最適化手法として、遺伝的アルゴリズムを採用したものであることにより、適正パターンの特定や対応マークポイントの特定を短時間で行うことができる。しかもマーク数が増えても実用的な時間内に演算が効能である。
The method of automatically processing the position correction of the measurement image of the present invention comprises the step of recognizing one pattern in which the mark group is connected with a single stroke in a reference image of a subject having a number of mark points on the surface; The step of selecting the pattern most similar to the previous recognition pattern from a number of one-stroke patterns connecting the mark groups in the measurement image and identifying the corresponding marks, and the coordinate information of both images of the corresponding marks The step of calculating the coefficient of the affine transformation equation from the above and the step of calculating the correction position by applying it to the points on the entire surface of the subject using the calculated coefficient is not involved in pattern recognition. It is possible to identify the corresponding points of both images, find the affine transformation coefficient from the coordinate information, and correct the position of the measured image It can be automatically calculated.
The method of automatically processing the position correction of the measurement image of the present invention is a simple and easy-to-determine pattern by specifying one pattern in which a mark group is connected with a single stroke by an optimization method on the condition of the shortest distance. Since the corresponding pattern can be obtained directly in many cases under the same conditions for selecting the pattern of the measurement image, the correspondence of the same mark point in both images can be taken quickly.
Furthermore, the method of automatically processing the position correction of the measurement image of the present invention employs a genetic algorithm as an optimization method, so that it is possible to specify an appropriate pattern and a corresponding mark point in a short time. It can be carried out. Moreover, even if the number of marks increases, the calculation is effective within a practical time.
本発明の測定画像の位置補正を自動的に処理する方法を、風洞内に設置されたロケット若しくは航空機の機体の模型表面に塗布された感圧塗料が通風状態下で発光するルミネッセンス画像から、圧力分布を測定する風洞試験システムに適用したものは、従来時間と作業負担が大きくネックとなっていた位置補正の処理が、自動的に素早く行えるようになった。 The method of automatically processing the position correction of the measurement image according to the present invention is based on the luminescence image in which the pressure-sensitive paint applied to the model surface of the rocket or aircraft body installed in the wind tunnel emits light under ventilation. When applied to a wind tunnel test system that measures the distribution, the position correction processing, which has been a bottleneck for the time and work load, can now be performed automatically and quickly.
本発明の典型的な一形態は、図1に示すような光学的圧力分布観測装置の風洞内に感圧塗料を塗布してなるロケットや航空機の機体模型(図示したものは三角翼)を配置し、観察窓を介して励起光源と観察用のCCDカメラを配設し、通風状態を設定してその際の模型表面のルミネッセンス画像を撮像し、取得した測定画像の位置補正をコンピュータによって自動的に処理するものである。励起光源は定電流駆動の高安定キセノンランプ(300W)で、これに石英オプティカルファイバーを接続し、その先端部に集光レンズ等の光学系と励起光の波長のバンドパスフィルターを取り付ける。塗料の劣化を防止するため光源の出口に遠隔式のシャッターを配設する。ルミネッセンス画像の撮像に用いるCCDカメラは精密画像を得られるように、例えば解像度14bitで総画素数1000×1018の冷却CCDカメラを採用する。カメラのレンズには感圧塗料の発光波長に相当するバンドパスフィルターと熱線防止用のフィルターを取り付ける。 In a typical embodiment of the present invention, a rocket or aircraft model (a triangular wing shown in the figure) formed by applying pressure-sensitive paint in a wind tunnel of an optical pressure distribution observation apparatus as shown in FIG. Then, an excitation light source and an observation CCD camera are arranged through the observation window, the ventilation state is set, a luminescence image of the model surface at that time is taken, and the position correction of the acquired measurement image is automatically performed by a computer Are to be processed. The excitation light source is a high-stability xenon lamp (300 W) driven by a constant current. A quartz optical fiber is connected to this, and an optical system such as a condensing lens and a band-pass filter of the wavelength of the excitation light are attached to the tip. In order to prevent the paint from deteriorating, a remote shutter is provided at the exit of the light source. For example, a cooled CCD camera having a resolution of 14 bits and a total number of pixels of 1000 × 1018 is adopted as a CCD camera used for capturing a luminescence image. A band-pass filter corresponding to the emission wavelength of the pressure-sensitive paint and a filter for preventing heat rays are attached to the camera lens.
模型表面には複数のマークポイントを施しておき、風洞内に設置して通風停止時の基準画像Iref(図2のa)を撮像する。次に風洞内に設定した風量の送風を行い、その状態での測定画像I(図2のb)を撮像する。測定画像における検出圧力を規格化するため基準画像における発光状態との比Iref/Iを算出する。その際、基準画像における模型の位置と測定画像における模型の位置は変位しているので、その移動量を各マークの画像間の位置ズレから割り出して位置補正を加えることが必要となる。この位置補正を加えずにIref/I計算をした割り算画像を図2のcに示す。カラー図でないため判りにくいが模型の上下輪郭部分に黒ずんだ不連続部分が生じている。これに対し位置補正を加えたIref/I割り算画像を図2のdに示す。こちらの画像には模型表面は不自然な不連続領域はなく、全体的に自然な圧力分布が示されている。このように風洞実験においては模型の移動を伴うため、位置補正が必須であることが理解されよう。 A plurality of mark points are provided on the surface of the model and installed in the wind tunnel to capture a reference image Iref (a in FIG. 2) when the ventilation is stopped. Next, the air volume set in the wind tunnel is blown, and a measurement image I (b in FIG. 2) in that state is captured. In order to normalize the detected pressure in the measurement image, a ratio Iref / I with the light emission state in the reference image is calculated. At this time, since the position of the model in the reference image and the position of the model in the measurement image are displaced, it is necessary to correct the position by calculating the amount of movement from the positional deviation between the images of the marks. A division image obtained by performing Iref / I calculation without adding this position correction is shown in FIG. Although it is not a color diagram, it is difficult to understand, but there are black discontinuities in the top and bottom contours of the model. On the other hand, an Iref / I division image with position correction added is shown in FIG. In this image, there is no unnatural discontinuous area on the model surface, and the overall natural pressure distribution is shown. As described above, it is understood that position correction is essential in the wind tunnel experiment because the model is moved.
撮像した基準画像Irefと測定画像Iから、閾値処理を施す等により、図3のaに示すような二値化画像を得てマークポイントを抽出し、図3のbのようなマーカ抽出画像をコンピュータ上に記憶する。基準画像Irefのマーク群を最も最短距離で結ぶ一筆書きパターンを探す問題を与え、コンピュータ上で思考演算させて図3のcに示したような解を出させ、そのパターン情報をコンピュータ上に記憶認識させる。続いて測定画像Iのマーク群を結ぶ一筆書きパターンの中から先に記憶した一筆書きパターンと最も近似したパターンをコンピュータ上で選定させるのであるが、この作業は測定画像においても同じ「最も最短距離で結んだ一筆書きパターン」問題を解かせることで大抵の場合類似パターンを直に選定することができる。パターンの折曲点に当たる点がマークポイントであるから、それから同一のマークポイント同士の対応をとることができる。しかし模型が平面的構造ではなく三次元構造であることにより模型の回転変位に伴って隣接するマークポイントが画像上で前後する場合がまれに生じる。そのような場合は各マークポイントの座標対応をとる過程で幾何学的に矛盾点となる。そのときには隣接するマークポイントを入れ替えることにより矛盾を解消し同一マークの対応をとることができる。 From the captured reference image Iref and the measured image I, by performing threshold processing, etc., a binarized image as shown in FIG. 3a is obtained to extract a mark point, and a marker extracted image as shown in FIG. Store on computer. The problem of searching for a one-stroke pattern that connects the mark groups of the reference image Iref with the shortest distance is given, and a calculation is performed on the computer to generate a solution as shown in FIG. 3c, and the pattern information is stored on the computer. Recognize. Subsequently, a pattern closest to the previously-written one-stroke pattern stored in the one-stroke pattern connecting the mark groups of the measurement image I is selected on the computer. In most cases, a similar pattern can be selected directly by solving the "single-stroke pattern". Since the point corresponding to the bending point of the pattern is the mark point, the correspondence between the same mark points can be taken. However, because the model is not a planar structure but a three-dimensional structure, there are rare cases in which adjacent mark points move back and forth on the image as the model rotates. In such a case, it becomes a geometric contradiction in the process of taking the coordinate correspondence of each mark point. At that time, by exchanging adjacent mark points, the contradiction can be resolved and the correspondence of the same mark can be taken.
なお、この一筆書きパターンの数は理論上マーク数の階乗分だけ存在し、マーク数が多いほど膨大な数となって、この作業は機械に負担をかけることになる。因みにマーク数10個では1.3×105,マーク数15個では6.5×1011,マーク数20個では1.2×1018,マーク数30個では2.6×1032となる。そこで、本発明では最適化処理の手法の中で遺伝的アルゴリズム(GAと略称する。)を用い、その正解を探すことにして、計算時間を短縮した。両画像における2つのパターンの対比によって該パターンの屈曲点となっている各マークポイント同士の対応関係が把握できるので、それぞれの画像における各マークポイントの位置(座標)情報を割り出し、前述のアフィン変換式に代入して係数a1からa6及びb1からb6の値を得る。このようにして得られた係数を用い、測定画像Iの模型上の位置を基準画像上の模型位置に位置補正し、Iref/I割り算画像を得る。
The number of one-stroke patterns theoretically exists as many as the factorial of the number of marks. The larger the number of marks, the larger the number, and this work places a burden on the machine. Incidentally, the number of marks is 1.3 × 10 5 , the number of marks 15 is 6.5 × 10 11 , the number of
本発明では最適化処理の手法の中でGAを用い、その対応パターンを探すことにしたが、この最適化処理の手法として、焼き鈍し法(SAと略称する。)と傾斜法(HCと略称する。)を用いて比較を試みた。図4にその比較結果を示す。図4のaに示したグラフは横軸に計算ステップ回数を縦軸に絶対誤差率をとってある。GA法では25回程度で正解が得られており、SA法とHC法では500回程度計算を重ねても誤差率は数%を示している。このグラフから明らかなようにHCとSAと比較してGA法が抜群に速い収束を示している。また、図4のbには横軸にマーク数を縦軸に計算時間をとったものを示す。このグラフから、GA法を用いた場合には、マーク数が多くても実用的な時間内でのパターン特定ができることを確認できる。マーク数20では1〜2秒程度で、マーク数を100としても10秒程度でマーク同士の対応がとれることをテストによって確認した。 In the present invention, GA is used in the optimization processing method to search for the corresponding pattern. As the optimization processing method, annealing method (abbreviated as SA) and gradient method (abbreviated as HC). .) Was used for comparison. FIG. 4 shows the comparison result. In the graph shown in FIG. 4A, the horizontal axis represents the number of calculation steps, and the vertical axis represents the absolute error rate. In the GA method, a correct answer is obtained about 25 times, and in the SA method and the HC method, the error rate shows several percent even if the calculation is repeated about 500 times. As is apparent from this graph, the GA method shows a much faster convergence than HC and SA. FIG. 4b shows the number of marks on the horizontal axis and the calculation time on the vertical axis. From this graph, it can be confirmed that when the GA method is used, a pattern can be specified within a practical time even if the number of marks is large. It was confirmed by a test that the number of marks was about 1 to 2 seconds, and even if the number of marks was 100, the marks could be associated with each other in about 10 seconds.
本発明の方法についての理解を整理するため、画像情報における位置補正を自動的に処理する手順を、図5に示すフローチャートに沿って説明する。ステップ1では通風を停止した大気中といった既知の条件下に置かれている被検体を撮影して基準画像の取得を行う。ステップ2では超音速通風といった設定された環境条件の下におかれた被検体を撮影して測定画像の取得を行う。ステップ3では撮影した基準画像と測定画像からデータ処理を施し、被検体表面に付けられているマークポイント群の抽出画像(マーカ抽出画像)を得る。ステップ4で基準画像のマーカ抽出画像に対しマークポイントを結ぶ一筆書きパターンの内最も距離の短いパターンを求める問題を最適化手法を用いてコンピュータに解かせる。ステップ5では得られた解であるパターンを記憶させる。ステップ6では測定画像のマーカ抽出画像に対しマークポイントを結ぶ一筆書きパターンの内最も距離の短いパターンを求める問題を最適化手法を用いてコンピュータに解かせる。ステップ7では得られた解であるパターンを記憶させる。ステップ8では得られた基準画像のパターンと測定画像のパターンとのマッチングを行い、折曲点であるマークポイント同士の対応をとる。ステップ9では対応点同士の位置情報をアフィン変換式に代入して幾何学的な矛盾点が無いか確認する。矛盾がない場合は各マークポイント毎の対応がとれたものとし、ステップ12に進みアフィン変換式の係数a1からa6及びb1からb6の値を特定する。矛盾がある場合はステップ10に進み隣接するマークポイントの位置情報を交換する。ステップ11ではその交換によって幾何学的整合がとれているかを確認する。整合がとれていないときはマークポイントの位置情報の交換を更にすすめ幾何学的整合がとれるまで繰り返すと共に、整合がとれたときにはステップ12に進む。ステップ13では得られた係数のアフィン変換式を用いて、測定画像における被検体のピクセル毎の位置補正情報を算出する。
In order to organize understanding of the method of the present invention, a procedure for automatically processing position correction in image information will be described with reference to a flowchart shown in FIG. In step 1, a reference image is acquired by photographing a subject placed under a known condition such as in the atmosphere where ventilation is stopped. In
本発明の画像情報における位置補正を自動的に処理する方法は、上記したように風洞内に設置した感圧塗料を塗布した模型の表面に働く圧力分布をルミネッセンス画像から計測する際に測定画像の位置補正を自動的に速く行うことができる手法として利用できるだけでなく、マーカを使った画像位置補正に広く適用することができる。また所定パターンを対象物表面に描いておき、該パターンの画像を撮像取得してオリジナルパターンとの位置補正をすることにより対象物の位置・姿勢を割り出す技術にも応用できる。 The method of automatically processing the position correction in the image information of the present invention is as described above when measuring the pressure distribution acting on the surface of the model coated with the pressure sensitive paint installed in the wind tunnel from the luminescence image. Not only can it be used as a method that can automatically perform position correction quickly, but it can be widely applied to image position correction using a marker. The present invention can also be applied to a technique for determining the position and orientation of an object by drawing a predetermined pattern on the surface of the object, capturing and acquiring an image of the pattern, and correcting the position with the original pattern.
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