JP3942193B2 - 画像中のパターンを自動的に位置付けるベクトル相関システム - Google Patents
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Description
本発明は、画像をデジタル処理するためのシステムに関し、とりわけエッジで特徴付けられるパターンを自動的に位置付けるためのシステムに関する。特別に構成されたテンプレートが画像中で様々な点の周りを変位させられ、パターンを位置付ける。
発明の背景
序論
電子デジタル処理ハードウェアにおいて、画像は離散的な記憶装置に記憶される。画像は、通常数値からなる配列に分割され、各記憶位置が固有の空間座標点に対応し、画素(ピクセル)と呼ばれる記憶位置内の値がその座標点での画像の階調に対応する。図1Aは、各画素座標点における階調が値で与えられている画像中の対象物の例を示す。
画像とテンプレートの相関
コンピュータ画像システムにおいて画像中の対象物を自動的に位置づける一般的な技術の1つに、相関或いはコンボリューションを用いるものがある。画像相関法には、コンボリューション、最小平均2乗誤差、最小平均絶対誤差を含む様々な種類のものがある。相関法の定義には、位置づけられるべき対象物と同様の形状を有する個別の小さな画像であるテンプレートすなわち核の決定と使用とが必要とされる。図1Bは、図1Aに示す対象物と同様の形状をしたテンプレートを示す。対象物と同様に、テンプレートは各点での階調値を有する固有の座標点で表される。テンプレートは、画像中の関連領域の周囲でその位置を選択的に変位されて動かされる。画像中の新たなテンプレートの位置のそれぞれにおいて、共通の空間座標点における各画像画素に対応する値を有する各テンプレート画素の値を求めるために、積和が計算される。図1Cは、画像上で移動された図1Bのテンプレートの一位置を示す。この場合、変位に重なりがなく、積の合計は0である。相関或いはコンボリューションの計算出力は、テンプレートの形状が画像中のパターンの形状と最もマッチする位置において最大となる。図1Dは、画像を横断するテンプレートのすべての可能な相関を示す。数値はかなり大きくなるため、図1Dは、相関のおおよその相対的な指標のみを陰影の濃度によって示す。
離散2次元のコンボリューションの公式は、
で与えられる。ここで、Iは画像、Kは核、x及びyは空間座標点で定義される画像座標である。uとvとの総和は、テンプレート上の範囲となる。実際上、テンプレートは、位置が決定された対象物を含む画像よりも小さいものとなる。
正規化相関は、テンプレートの各要素の値に一定の階調因子が乗じられ、一定のオフセットが加算されることを除いて、相関に類似する方法として知られている。各テンプレート変位において、階調因子とオフセットとは、画像位置のそれぞれにおけるテンプレートの相関における誤差が最小となるように独立して調整される。テンプレートマッチングにおける正規化相関は、VISION '87 Conference Proceedingの5−33〜5−55ページにあるWillian Silverによる“Alignment and Gauging Using Normalized Coreelation Search”と題された記事に詳細に述べられており、引用して具体化する。
最小平均2乗誤差法では、各テンプレートの点が対応する画像の点から減算され、それぞれの差が2乗される。そして、すべての差の平均が計算される。最小2乗誤差の公式は、
で与えられる。ここで、Nは核中の画素の数である。最小平均2乗誤差の計算出力は、テンプレートの形状が画像中のパターンの形状と最もマッチする位置において最小となる。最小平均絶対誤差法では、各テンプレートの点が対応する画素の点から減算され、それぞれの差の絶対値が計算される。そしてすべての差の平均が計算される。最小絶対誤差の公式は、
で与えられる。最小絶対誤差の計算結果も、テンプレートの形状が画像中のパターンの形状と最もマッチする位置において最小となる。
上記の技術は、それ自体が濃淡画像であるテンプレートを、座標位置が関連する画像の範囲内にある対象物を含む対応する濃淡画像の周囲で、その位置を変位させるという意味において実質的に同一である。各位置において、隣接する画像の画素の値と共通の座標点において対応するテンプレートの値とにある関数が適用される。その結果は、座標点での各画素が、テンプレートがその点における画像中の対象物とどれくらい一致するかを示す1つの数値となる別の画像となる。
2値ベクトル相関
ベクトル相関或いはコンボリューションは、上述した相関法の代わりとなる接近法を提供するものである。ベクトル相関では、画像と選択されたテンプレートとは、ベクトルである画素によって構成される。2値ベクトル相関の理論は、IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics,Nov./Dec.,1989,vol.19,no.6の1636〜1644ページにあるS.S.Wilsonによる“Vector Morphology and Iconic Neural Networks”と題された論文に述べられており、引用して具体化する。同様の技術が、1991年Wiley-Interscience刊のNeural and Intelligent Systems Integrationの135〜160ページにあるS.S.Wilsonによる“Teaching network connections for real-time object recognition”と題された論文にさらに述べられている。簡単にいえば、2値ベクトル相関は、濃淡画像をいくつかの2値画像に変容させることからなる。ここで、2値画像の合成画像は、ベクトル画像中の各画素が2値画像の1つからそれぞれなるいくつかの構成要素を有するという意味でのベクトルで表される。次に、パターンを認識するために、ベクトルテンプレートが定義される。ベクトルテンプレートも、同数のベクトル画像としての構成要素からなる。
ベクトルテンプレートの位置は、画像中の関連領域の周囲でその位置を変位され、動かされる。各位置において、テンプレート中のベクトル画素と、対応する座標点での画像中のベクトル画素とを求めるために内部積(すなわちドット積)の合計が計算される。数学的な観点では、離散2次元ベクトルコンボリューションの公式は、
で与えられる。ここで、Iはベクトル画像、Kはベクトル核、x及びyは画像座標である。uとvとの総和は、テンプレート上の範囲となる。
以下、ベクトル相関の技術を詳細に示す。画像を入力すると、最初に、水平有限差分と呼ばれる異なる画像を、入力画像の画素の値から右側に最小距離で変位する隣接画素の値を減算することによって形成する。結果の画像は、際だった垂直エッジがある座標点の周囲で正または負の大きな値を含むものとなる。水平有限差分画像中の正の値はイーストエッジと呼ばれ、左から右に向かって濃度が減少するエッジであることを示す。水平有限差分画像中の負の値はウェストエッジと呼ばれ、左から右に向かって濃度が増加するエッジであることを示す。
2番目に、垂直有限差分と呼ばれる異なる画像を、入力画像の画素の値から上方に最小距離で変位する隣接画素の値を減算することによって形成する。結果の画像は、際だった水平エッジがある座標点の周囲で正または負の大きな値を含むものとなる。垂直有限差分画像中の正の値はノースエッジと呼ばれ、上方に向かって濃度が減少するエッジであることを示す。垂直有限差分画像中の負の値はサウスエッジと呼ばれ、下方に向かって濃度が増加するエッジであることを示す。
2値ベクトル相関では3番目に、各画素が4つの磁針方向に対応するN、S、E及びWとラベルされた4つの2進数値からなるベクトルを含む2値ベクトル画像を形成する。2進数Nは、垂直有限差分を閾値と呼ばれる小さな正の数と比較し、それらの値が閾値を超える場合には2進数の1を、それ以外は2進数の0を割り当てることによって計算される。2進数Sは、垂直有限差分を負の閾値と比較し、それらの値が閾値より小さい場合には2進数の1を、それ以外は2進数の0を割り当てることによって計算される。EとWの2値要素は、水平有限差分画像を用いて同様の方法で計算される。
最後に4番目として、ベクトルテンプレートの位置を、原画像の関連領域の範囲内で変位させる。画像中の新たな位置のそれぞれで、内部積の合計が、対応する座標点で原画像中の各ベクトル画素に対応するテンプレート中の各ベクトル画素の値を求めるために計算される。
図2Aは、水平有限差分と垂直有限差分との両方を用いたエッジ検出後のベクトル画像の例である。画像中での各座標点がベクトルとして描かれているが、0でない要素のラベルのみを描いて簡略化している。実際には2つの要素が、N及びWなどの0でないものとすることはできるが、図2Aの例では示されていない。図2Bは、水平有限差分画像と垂直有限差分画像の両方と所定の閾値とを用いて形成された、対応するベクトルテンプレートである。図2Bのテンプレートが図2Aの画像の周囲でその位置を移動されたとき、図2Cにおおよそ示す相関結果が得られるのは明らかである。
ベクトル相関の利点
ベクトル相関は、パターンのエッジとの相関であり、非常に正確である。図2Cを参照すると、画像中のパターンの正確な位置からのテンプレートのわずかなオフセットは、テンプレートのエッジのほとんどがパターンと完全にミスコンタクトし、相関が得られないことを意味している。しかしながら、図1Dに示すように、通常の相関が用いられた場合には、画像がテンプレートと部分的にコンタクトする広い領域がある。
ベクトル相関は、パターンのエッジがひどく劣化していない限り、劣化した画像中のパターンを位置させることができる。劣化した画像は、関連するパターンを取り囲んで大きく乱れ、或いはパターン中で断片を失っている。通常の相関では、パターンを取り囲んでいる雑音から区別することができない。
通常の相関では、テンプレートの画像が使用される。このため、対象物の視覚的特質がテンプレートとして用いられている対象物と実質的に異なれば、テンプレートマッチングは正確な結果を与えることができない。ベクトル相関は、対象物の重要なエッジ形状のみが対象物を識別するために用いられるので、通常の相関よりも優れている。
ベクトル相関の問題点
ベクトル相関においては、ベクトル画像を形成して処理する特別なステップのために、徹底的な計算がなされる。第1に、有限差分と算出されたエッジとを記憶するための記憶装置の必要量が増加する。第2に、探索すべきパターンを特徴付けるために使用されるテンプレートはベクトルであり、定義するのがより複雑となる。第3に、斜めのエッジは、正確に表されない。ノース方向とイースト方向とに斜めとなっているエッジは、同一の点に表されたノース及びイーストのエッジの両方を有するテンプレートによって表されなければならない。テンプレート中の斜めの点は、取り扱いがより困難になる。最後に、この方法は、高性能の並列プロセッサに限定される。
1または2のユニットを取り囲む小さな有限差分座標変位を使用すると、非常に狭小な有限差分画像のエッジが生成される。相関テンプレートがベクトル画像上で動かされると、狭小なエッジは相関に強度の局所性を与え、画像へのテンプレートのパターンマッチングに高い正確性をもたらす。しかしながら、パターンの位置は未知なので、一般に、パターンが探索されるまでに、テンプレートは多くの位置上を移動されなければならない。このことが、きめ細かい探索として引用される。この場合の未知のパターンは、テンプレートがどの位置でもフィットしないようにわずかに回転させられれば、失われてしまう。
有限差分は、単純な画像にはより大きく作成される。たとえば、10のユニットを取り囲む有限差分座標変位は、10画素の幅で探索すべき回転されたパターンを許すエッジを導く。さらに、パターンは、水平及び垂直方向の両方で10ユニットまでを取り囲むステップにおいて徹底的にではなく、粗い格子内で画像上でテンプレートをサンプリングすることによって探索される。この例では、探索は10の2乗、すなわち100倍速くなる。しかしながら、パターンが探索された場合、正確性に乏しいものとなる。
妥協点として、エッジ検出は、粗く探索してパターンのおおよその位置を得、きめ細かい探索でパターンを合わせることが行われる。大きな有限差分で1回、小さな有限差分で1回の計2回行わなければならない。大容量の記憶装置と高性能の並列プロセッサとが、依然として必要とされる。
発明の概要
本発明は、画像中で対象物を自動的に位置させるシステムを教示する。画像は、それぞれ既知の階調値と既知の座標点とを有する複数の画像画素によって定義される。本発明は、1つの処理に結合されたエッジ検出とパターン探索との組み合わせを用い、計算の複雑性が限られた範囲で、非常な柔軟性を提供する。最初に、対象物の見積もりに対応するマニュアルテンプレートが決定される。マニュアルテンプレートは、座標点と対応するエッジ方向のセットからなるベクトルの散在的なセットから構成されるアブストラクトテンプレートに変換される。各座標点は、マニュアルテンプレートのエッジ上にあり、対応するエッジ方向は、その座標点におけるエッジと垂直にその座標点を通過する。次に、アブストラクトテンプレートは、レンジングテンプレートに変換される。レンジングテンプレートは。対応するエッジ方向に沿ったアブストラクトテンプレートの各ベクトルの座標点から等間隔で配置されるように定義された座標点の対から構成される。正の座標点は、予め選択された変位の正の値に対応し、負の座標点は、同様の変位の負の値に対応する。
レンジングテンプレートは、画像の範囲内で複数の既知の座標点位置のそれぞれに変位させられる。各位置において、レンジングテンプレートは画像と相関される。相関が向上し、画像の範囲での対象物の位置の見積もりがより正確となるように、異なるアブストラクト及びレンジングテンプレートが動的に再構成され、回転させられる。ベクトル相関の利点は保持されるが、エッジ検出が削減され、限られた数のみの座標点が必要とされるので、計算の負荷が削減される。エッジ検出した画像が記憶されないという点において、計算に要求される記憶装置が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
本発明の特徴及び発明性は、以下の詳細な説明、請求の範囲、及び以下にその簡単な説明をする図面により、さらに明らかとなる。
図1Aは、対象物の階調画像の例である。
図1Bは、図1Aの画像中の対象物の位置を探し出すためのテンプレートの例である。
図1Cは、図1Aの画像上で位置をずらされた図1Bのテンプレートの一位置を示す。
図1Dは、画像中の対象物と画像の周囲を移動させられるテンプレートとの相関のおおよその指標を陰影の濃度によって示す。
図2Aは、2値ベクトル画像の例である。
図2Bは、2値ベクトルテンプレートの例である。
図2Cは、2値ベクトル画像中の対象物と画像の周囲で移動された2値ベクトルテンプレートとのベクトル相関の結果を示す。
図3Aは、本発明にかかる簡略したベクトル形式に変換されたマニュアル決定テンプレートを示す。
図3Bは、図3Aのアブストラクトベクトルテンプレート用のテーブルを示す。
図3Cは、δ=3の変位を有する図3Bのアブストラクトテンプレートから得られたレンジングテンプレートを示す。
図3Dは、画像中でずれて回転された対象物に一致する図3Cのレンジングテンプレートを示す。
図4Aは、図3Cのレンジングテンプレートのための相関の水平プロファイルである。
図4Bは、δ=1の変位を有する作成されたレンジングテンプレートである。
図4Cは、図4Bのレンジングテンプレートのための相関の水平プロファイルである。
図5は、本発明のシステムを使用して対象物を探し出すための有効な方法を示すフロー図である。
好ましい実施の形態の詳細な説明
図3A〜図3Dに図示するように、本発明は、画像22内における対象物20の座標点位置を位置づけるために用いられる自動画像処理システムに関する。図示した画像22は、複数の画像画素からなる2次元のものである。各画像画素は、それぞれ既知の階調値と既知の座標点とを有する。座標点は、水平方向のx軸と垂直方向のy軸とによって定義される。このシステムは、最終的に画像22内における対象物20の座標点を決定する。
最初に、システムは、エッジ26によって境界を定義したポシブルテンプレート24をマニュアル操作で決定する。図示するように、テンプレート24は、対象物と可能な限り一致する形状及び大きさに設定される。
テンプレート24が定義されると、コンピュータの記憶位置に容易に格納されるN個のベクトル(u1,v1,θ1)、(u2,v2,θ2)、・・・(uN,vN,θN)によって定義されるアブストラクトテンプレート28に変換される。図3Aに図式的に、及び図3Bにテーブルの形態で示すように、A〜Iの各ベクトルは、それぞれテンプレートのエッジ26の水平及び垂直座標(u,vii)となる座標点ui及びviの組で与えられる。座標点は、以下に述べるように、画像20の座標系にマップすることができる。各座標点と関連付けて、座標点の位置で対応するエッジ26に直交する対応する矢印θiで示すエッジ方向がある。各矢印の末端はテンプレート24の境界より内側にあり、一方、各矢印の末端はテンプレートの外側にある。画像22のx及びy軸に沿った対象物20の位置の決定を同等に正確にするため、マニュアルテンプレート24の実質的に垂直及び実質的に水平な範囲に沿ってNとほぼ同数のベクトルがある。同一のベクトルが、水平及び垂直成分の両方を同時に有していてもよい。図3Aに示すように、3つのベクトルが各水平及び垂直範囲に存在し、1つ以上のエッジを含む。たとえば、これら3つのエッジは、図3Aの最右の垂直範囲を含む。
計算の複雑性を最小にするため、限られた数だけのエッジの点がベクトル(ui,vi,θi)に変換されることが必要とされる。しかしながら、エッジ間に十分に大きな角度差がない隣接するエッジでない限り、少なくとも1つのベクトルがマニュアル決定テンプレートのそれぞれ異なるエッジに用いられることが望ましい。図3Aに示すように、エッジ26のそれぞれは、アブストラクトテンプレート28の一部分からなる少なくとも1つのベクトルを含む。
テンプレート24がアブストラクトテンプレート28のベクトルに変換されると、図3Cに示すように、レンジングテンプレート30が形成される、レンジングテンプレートは、アブストラクトテンプレート28の各ベクトル(ui,vi,θi)用の座標点(upi,vpi)及び(uni,vni)を用いて定義される。点(upi,vpi)は、方向θiに沿った正の変位δによって生成され、点(uni,vni)は、方向θiに沿った正の変位δによって生成される。前者の座標点は、マニュアル決定テンプレート24のエッジ26で定義される境界の外側に存在し、一方、後者の座標点は、境界の内側に存在する。数学的には、(upi,vpi)=(ui+δcosθi,vi+δsinθi)及び(uni,vni)=(ui−δcosθi,vi−δsinθi)である。しかしながら、レンジングテンプレート30が用いられる前に、テンプレートの座標点に重みを割り当てなければならない。たとえば、例示した実施の形態では、正の変位を有する点(upi,vpi)用の重みは+1であり、負の変位を有する点(uni,vni)用の重みは−1である。小さな白四角は負の重みを有するレンジングテンプレートの座標点を表し、小さな黒四角は正の重みを有するレンジングテンプレートの座標点を表す。レンジングテンプレート30における非常に散在した座標点の組み合わせによる+1または−1の重みを有することによって、相関の公式は非常に単純となる。
ここで、Iは画像22、x及びyは画像の座標点、u及びvは上記で定義したレンジングテンプレート30の座標点である。この公式での表記は、正の項Pi=I(x−upi,y−vpi)及び負の項Ni=I(x−uni,y−vni)を代入することによって簡略化される。
変位δが大きければ計算速度は向上するが、少なくとも1つのベクトルを有するテンプレート24のうちのエッジの最小サイズの半分程度よりは大きくならない。しかしながら、計算結果が不正確となりうる。図3Cに例示するように、アブストラクトテンプレート28のベクトルC及びDを用いて決定した座標点(uni,vni)は、互いに非常に隣接したものとなる。変位δがさらに大きくなれば、座標点が互いに通り抜け、望ましくない結果となる。たとえば、アブストラクトテンプレート28では、最短のサイズは10ユニット程度の長さとなる。変位δが3ユニットに設定されると、結果として得られたレンジングテンプレート30は、3ユニットまでの範囲で対象物の中心から外れていても、対象物20のパターンを検出することができる。このため、対象物20は、6×6格子を用いて散在的に探索することによって探し出すことができる。しかしながら、画像22における対象物20の位置は、±3画素以上正確には探索されない。図3Dは、テンプレートが際だって中心から外れ、対象物20が際立って回転している場合でも、レンジングテンプレート30と画像22内の対象物20とが一致することを示す。
図4Aは、回転されていない対象物のx軸に沿ったレンジングテンプレートの動きの関数として数式(6)を用いた相関のプロファイルである。レンジングテンプレート30は変位δ=3を有するので、最大相関は、6ユニットの幅を有する。本発明が使用される産業環境における実際の対象物の不規則でわずかにかすんだエッジは、0相関となるように最大相関から徐々に減少する結果となる。
図4Bを参照すると、他のレンジングテンプレート30’が変位δ=1ユニットを選択することによって生成される。得られたレンジングテンプレート30’は、テンプレートが1ユニット以下の範囲で対象物20の中心から外れている場合のみに、画像22中の対象物20を検出することができる。このため、対象物20は、入力画像22中のすべての位置を探索することによってのみ探し出される。しかしながら、対象物20の中心は、1ユニットの正確性で探し出すことができる。図4Cは、水平方向x軸に沿ってδ=1であるレンジングテンプレート30’の動きとして数式(6)を用いた相関のプロファイルである。産業環境での画像にとって、相関プロファイルは、相関のピークについて放物線を逆にしたものとほぼ同様となる。最もフィットする放物線の数学的な中心が画素のサイズよりもかなり小さいほどの正確性を導けることがわかるであろう。
図4A及び4Cに示すプロファイルは、公式(6)でのベクトル相関の公式が、正規化相関の方法に従って変化しうることを示している。この発明の正規化公式は、
である。画像22中の画素を示す各座標点の照度に任意の定数が乗算され、他の任意の定数が画素を表す各座標点の値に加算されるのであれば、相関corr’(x、y)の結果は変化しないことは、当技術分野の技術者には容易に立証できる。このため、正規化相関の公式は、照明レベル及びコントラストに従属しない相関の値を生成する。さらに、相関の値は、完全相関の1以下で、質の悪い相関の0以上となる。
本発明のシステムにおける動的処理を、図5のフローチャートに示す。ここでは、画像22中で位置づけられる対象物20の水平及び垂直方向の最小長は、16ユニット程度であるものと仮定する。変位δは、上記した理由により16ユニットの半分の8ユニットの最大値が設定される。最初に、対象物22は回転されていないものと仮定する。従って、θTiの値は、0に等しくなる。しかしながら、回転ΔθTの可能な範囲の正の変化は、後に使用する所定の値に設定される。ここでは、8に設定される。その後、位置52においてポシブルテンプレート24’がマニュアル操作で決定される。このマニュアルテンプレートは、上述したように、位置54において簡略化したベクトル表記を用いてアブストラクトテンプレート28’に変換される。次に、ベクトル表記の形態のアブストラクトテンプレート28’は、位置56においてレンジングテンプレート30’’に変換される。位置58では、レンジングテンプレート30’’は、画像22の範囲内での新たな位置に動かされる。レンジングテンプレート30’’のサイズは、8ユニットの値をとるδの使用を含むので、レンジングテンプレートは16×16探索格子内の画像上で動かされ、位置60においてそれぞれの新しい位置での正規化相関が計算される。新たな位置のそれぞれにおいて正規化ベクトル相関が計算されると、位置62においてその値が予め設定された閾値と比較される。ここでは、この値は0.5に設定されている。この値が0.5よりも小さい場合には、位置64に示すように、すべての画像位置が試行されていない限り、レンジングテンプレート30’’は、画像22の範囲で新たな探索範囲に動かされる。
すべての画像位置が試行され、受け入れ可能な最小の閾値に達しない場合には、対象物20が画像22中になかったとして、位置65において正確に対象物が探索されないとことをシステムが応答することも可能である。しかしながら、システムが対象物を探索できなくても、対象物が実際に存在することが確証できる場合には、点線矢印66、68及び70で示すように、3つの選択肢をとることができる。典型としては、位置56において変位δにより大きな値を選択する。また、位置54においてマニュアルテンプレート24からアブストラクトテンプレート28’への変換により多くのベクトルを用いてもよい。さらに、位置52において異なるマニュアルテンプレート24をマニュアル操作で選択してもよい。その後、位置62で閾値が満足させられるまで、正規化されたベクトル表記が画像22中の異なる位置のそれぞれで再び計算される。
位置62で正規化相関の最小の閾値が満足すると、画像中22中の対象物20の座標位置に最もよく対応して求められた相関における画像22の範囲でのレンジングテンプレート30’’の位置xm、ymを保存する。そして、位置76で変位δを半分に削減し、対象物20の回転可能範囲ΔθTを半分に削減する。これにより、上記に与えられた情報を使用すると、δ及びΔθTは、いずれも4となる。θTIが0の時、対象物22の回転角度に対応するθTの値は、−4となる。これら新しい値を用いて、位置78では、2次元空間において座標点を回転するための標準公式に従ってアブストラクトテンプレート28’が新たなアブストラクトテンプレート28’’に変換される。
アブストラクトテンプレートにおけるエッジ方向の角度も、回転させられる。そして、図5のフローチャートの位置80に示すように、新たなアブストラクトテンプレート28’’が新たなレンジングテンプレート30’’’に変換される。レンジングテンプレート30’’のための16×16の最初の格子サイズと異なり、レンジングテンプレート30’’’のための格子サイズは、半分すなわち8×8となる。フローチャートの位置82に示すように、最初に記憶された位置xm、ymの周囲で異なる位置にレンジングテンプレート30’’’を動かすことによって、最大正規化相関は、記憶すべき最大正規化相関に対応する最良の位置を用いたxm、ymのより正確な仕様とθTの値とを決定することができる。位置84に示すように、次に、直前のθTの値を取得し、位置76で決定したΔθTの値を加算することで、θTを再計算する。フローチャートの位置86でθT≦θTi+ΔθTiが満たされている限り、位置78、80、82及び84のステップが繰り返される。こうして、ここでは、最大相関の値が、3つの異なるθTの値−4、0及び+4に対応する3つの異なる画像22中のレンジングテンプレートの位置xm、ym用として保存される。位置88では、保存された値のうちで最大相関δ=4を与えるθTが決定され、レンジングテンプレート30’’’による対象物22の対応する位置が決定され、xm、ym及びθTiとして保存される。変位δ=4であるテンプレート30’’の強度が最も強い相関の位置と角度とが、さらに小さい変位δ=2ユニットを有するレンジングテンプレート30’’’’を使用した新たな探索のための開始ポイントとなる。直前で最良だった角度から回転角度θT=−2、0及び+2度が、よりおおよその回転θT及び位置xm、ymを探索するために用いられる。
より小さな変位と角度とがアブストラクトテンプレート28から新たなレンジングテンプレートを算出するために用いられ、変位δが所定の最小値となるまで同様の方法によって関連パターンの探索が続けられる。フローチャートの位置90に示す値は、1である。変位が1となると、本発明のシステムは、位置92に示すように、適切な回転角度θTに対応する画像22中の対象物20の座標位置xm、ymを決定することを中止する。当技術分野における技術者であれば、多次元空間で関数の最大値を位置付けるための方法も、上記方法の一部と類似することがわかるであろう。多次元空間における勾配法は、1986年Cambridge University Press刊のW.Press,B Flannery,S.Teukolsky及びW.Vetterlingによる“Numerical Recipes the Art of Scientific Computing”の第10章に述べられており、引用して具体化する。
1つの処理でエッジ検出とパターン探索とを使用することにより、大変な柔軟性が与えられると共に、複雑なコンピュータ操作の必要性が削減される。このため、簡略化したベクトル表記を有するアブストラクトテンプレートを使用することにより、解像度の増加した画像22の周囲で異なる位置に動かすことができる広い範囲の互いに異なるレンジングテンプレートを動的に変化させて生成できるという利点がある。画像22中の対象物の位置及び回転角度を、各座標位置や最初にマニュアル操作で決定されたテンプレート24のエッジを含む各点の対応する階調を記憶することなく、所望の正確性で、高速に位置あわせすることができる。
好ましくは、本発明のシステムは、当技術分野における技術者に公知の標準的なコンピュータハードウェア及びソフトウェアを用いて実行されるものとすることができる。画像22の対象物20は、陰極管線(CRT)から構成される通常のスクリーン上に表示されるものとすることができる。このシステムは、これらに限定されるものではないが、磁気テープ及びディスク、光学ドライブ、コンパクトディスクドライブ及び紙を含む様々な記憶媒体によってソフトウェアとして記憶させてもよい。
本発明の好ましい実施の形態を開示した。しかしながら、当技術分野における通常の技術を有するものは、ある程度の変形がこの発明の教示の範囲に含まれることがわかるであろう。従って、以下の請求の範囲が、本発明の本来の範囲及び内容を決定するために検討されるべきである。
Claims (16)
- 自動画像処理システムに使用され、既知の階調値と既知の座標点とをそれぞれ有する複数の画像画素によって定義される画像の範囲内で対象物の位置を位置づける方法であって、
対象物の形状及び大きさの概略を手動で決定するステップと、
決定された対象物の概略のエッジに位置すると共に対応するエッジ方向がエッジを実質的に垂直に通過する座標点と、対応する前記エッジ方向と、の組からなる複数のベクトルを使用してアブストラクトテンプレートを定義することによって対象物の概略をアブストラクトテンプレートに変換するステップと、
対象物の概略に基づいて、前記アブストラクトテンプレートを、対象物の概略の一つのエッジの反対側に離間して位置する少なくとも一つの座標エッジ対を含むような複数の座標エッジ対を含むレンジングテンプレートに変換するステップとを含み、
前記対象物の概略に実質的に垂直な方向及び実質的に水平な方向に沿って互いに同数のベクトルが用いられ、
隣接するエッジの間に十分に大きな角度差があることを条件として、前記対象物の概略のエッジの一つには少なくとも1つのベクトルが選択され、
前記レンジングテンプレートを前記画像の範囲内で複数の既知の座標点位置に変位させるステップと、
前記レンジングテンプレートと前記画像とを、最大相関が得られるまで各位置で相関させるステップであって、最大の相関に対応する位置が対象物の位置を示すこととするステップと、
を含み、さらに、
A.当初の回転角から回転範囲を減じたものに等しい回転角度を設定し、
B.前記アブストラクトテンプレートから改訂されたアブストラクトテンプレートを取得し、
C.前記改訂されたアブストラクトテンプレートから改訂されたテンプレートを取得し、
D.前記改訂されたテンプレートを前記画像中の既知の複数の座標点位置のそれぞれ置換し、
E.前記既知の座標点位置のそれぞれに対応する最大相関を探索し、
F.ステップEからの位置と対応する回転角度を保存し、
G.前記回転角度に前記回転範囲を加算することによって、新たな回転角度を計算するステップを含む、
対象物の位置を位置づける方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
アブストラクトテンプレートをレンジングテンプレートに変換するステップは、
前記ベクトルの前記座標点から定義され、対応するエッジ方向に延伸する変位を決定し、
前記アブストラクトテンプレートの各ベクトルについて、前記対応するエッジ方向に沿った前記ベクトルの座標点からそれぞれ同一の間隔で存在する前記変位の正の値に対応する正の座標点と前記変位の負の値に対応する負の座標点とからなる座標点の組の一つを位置づける
ステップをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項2に記載の方法であって、前記レンジングテンプレートの各前記座標点に重みを割り当てるステップを含むことを特徴とする方法。
- 請求項2に記載の方法であって、前記変位は、前記ベクトルを有する前記対象物の概略のエッジの最小サイズの半分以下であることを特徴とする方法。
- 請求項2に記載の方法であって、
A.前記変位を実質的に半分に削減し、
B.アブストラクトテンプレートを改訂されたテンプレートに転換し、
C.前記相関させるステップに対応する位置で取り囲まれた複数の位置で最大相関を探索し、
D.前記変位が最小値に等しくなるまで、ステップAからCを継続する
ステップをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
H.前記新たな回転角度が前記当初の回転角度に前記回転範囲を加算したものよりも大きくなるまでステップBからGを繰り返し、
I.最大相関を与えて前記回転角度を前記当初の回転角度に変えることによって前記位置と前記回転角度とをステップFから選択し、
K.前記変位と前記回転範囲とをそれぞれ実質的に半分に削減し、
L.前記変位が最小の閾値となるまでステップAからKを繰り返す
ステップをさらに含むことを特徴とする方法。 - 既知の階調値と既知の座標点とをそれぞれ有する複数の画像画素で定義される画像の範囲内で対象物の位置を位置づける装置であって、
対象物の形状及び大きさの概略を手動操作に応答して決定する手段と、
それぞれ前記対象物の概略のエッジ上に存在する座標点と前記座標点においてエッジを垂直に通過する対応エッジ方向との組からなる多数のベクトルを使用してアブストラクトテンプレートを定義することにより、対象物の概略をアブストラクトテンプレートに変換する手段と、
前記アブストラクトテンプレートを、複数の座標エッジの組を含み、少なくとも一つの座標エッジの組を形成する一組の座標が、対象物の概略の一つのエッジの反対側に離間して位置するレンジングテンプレートに変換する手段と、
前記ベクトルの前記座標点から定義され、対応するエッジ方向に延伸する変位を決定する手段と、
前記アブストラクトテンプレートの各ベクトルについて、前記対応するエッジ方向に沿ったベクトルの座標点からそれぞれ同一の間隔で存在する前記変位の正の値に対応する正の座標点と前記変位の負の値に対応する負の座標点とからなる座標点の組を位置づける手段と、
前記レンジングテンプレートを前記画像の範囲内で複数の既知の座標点位置に変位させる手段と、
対象物の位置を示す最大相関に対応する位置に位置するまで、前記レンジングテンプレートと前記画像とを前記各位置で相関させる手段と、
当初の回転角から回転範囲を減じたものに等しい回転角度を設定し、前記アブストラクトテンプレートから改訂されたアブストラクトテンプレートを取得し、前記改訂されたアブストラクトテンプレートから改訂されたテンプレートを取得し、前記改訂されたテンプレートを前記画像中の既知の複数の座標点位置のそれぞれに置換し、前記既知の座標点位置のそれぞれに対応する最大相関を探索し、ステップEからの位置と対応する回転角度を保存し、前記回転角度に前記回転範囲を加算することによって、新たな回転角度を計算する手段と、
を備え、
前記概略の隣接するエッジの間に十分に大きな角度差があることを条件として、前記対象物の概略のエッジの一つには少なくとも1つのベクトルが選択される、
ことを特徴とする対象物の位置を位置づける装置。 - 請求項1に記載の方法であって、前記相関ステップは、相関が予め定義された閾値を越えるかどうかを決定する手段をさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項7に記載の装置であって、前記相関手段は、相関が予め定義された閾値を越えるかどうかを決定することを含むことを特徴とする装置。
- 自動画像処理システムに使用され、それぞれ既知の階調値と既知の座標点とを有する複数の画像処理で定義される画像の範囲内で対象物の位置を位置づける方法であって、
対象物の形状及び大きさにほぼ対応し、エッジにより定義された境界を有するテンプレートをマニュアル操作に従って決定し、
それぞれ前記テンプレートのエッジ上に存在する座標点と前記座標点において前記座標上のエッジを実質的に垂直に通過する対応するエッジ方向からなる複数のベクトルを使用し、また前記テンプレートに実質的に垂直な方向及び水平な方向に沿って互いに同数のべクトルを使用し、前記アブストラクトテンプレートを定義することによって前記テンプレートをアブストラクトテンプレートに変換し、
隣接するエッジ間に十分に大きな角度差があることを条件として、前記テンプレートのそれぞれのエッジに少なくとも一つのベクトルを選択し、
対象物の概略に基づいて、前記アブストラクトテンプレートを、対象物の概略の一つのエッジの反対側に離間して位置する少なくとも一つの座標エッジ対を含むような複数の座標エッジ対を含むレンジングテンプレートに変換し、
前記レンジングテンプレートを前記画像の範囲内で複数の既知の座標点位置に変位させ、
前記レンジングテンプレートを対象物の位置を示す最大相関に位置するまで前記各位置で前記画像と相関させ、
さらに、
A.当初の回転角から回転範囲を減じたものに等しい回転角度を設定し、
B.前記アブストラクトテンプレートから改訂されたアブストラクトテンプレートを取得し、
C.前記改訂されたアブストラクトテンプレートから改訂されたテンプレートを取得し、
D.前記改訂されたテンプレートを前記画像中の既知の複数の座標点位置のそれぞれに置換し、
E.前記既知の座標点位置のそれぞれに対応する最大相関を探索し、
F.ステップEからの位置と対応する回転角度を保存し、
G.前記回転角度に前記回転範囲を加算することによって、新たな回転角度を計算する
ステップを含むことを特徴とする方法。 - 自動画像処理システムに使用され、それぞれ既知の階調値と既知の座標点とを有する複数の画像画素で定義される画像の範囲内で対象物の位置を位置づける方法であって、
対象物の形状及び大きさにほぼ対応し、エッジにより定義された境界を有するテンプレートをマニュアル操作に従って決定し、
それぞれ前記テンプレートのエッジ上の座標点に存在する座標点と前記座標点上において前記座標点上のエッジを実質的に垂直に通過するエッジ方向との組からなる多数のベクトルを使用してアブストラクトテンプレートを定義し、
前記ベクトルの前記座標点から定義され、対応するエッジ方向に延伸する変位を決定し、
前記アブストラクトテンプレートの各ベクトルについて、前記対応するエッジ方向に沿った前記ベクトルの座標点からそれぞれ同一の間隔で存在し、前記変位の正の値に対応する正の座標点と前記変位の負の値に対応する負の座標点からなり、レンジングテンプレートを定義付ける座標点の組を位置づけ、
前記レンジングテンプレートを前記画像の範囲内で複数の既知の座標点位置に変位させ、
前記レンジングテンプレートを対象物の位置を示す最大相関に位置するまで前記各位置で前記画像と相関させ、
さらに、
A.当初の回転角から回転範囲を減じたものに等しい回転角度を設定し、
B.前記アブストラクトテンプレートから改訂されたアブストラクトテンプレートを取得し、
C.前記改訂されたアブストラクトテンプレートから改訂されたテンプレートを取得し、
D.前記改訂されたテンプレートを前記画像中の既知の複数の座標点位置のそれぞれに置換し、
E.前記既知の座標点位置のそれぞれに対応する最大相関を探索し、
F.ステップEからの位置と対応する回転角度を保存し、
G.前記回転角度に前記回転範囲を加算することによって、新たな回転角度を計算する
ステップを含み、
隣接するエッジの間に十分に大きな角度差があることを条件として、前記対象物の概略のエッジの一つには少なくとも1つのベクトルが選択される、
ことを特徴とする方法。 - 請求項11に記載の方法であって、前記レンジングテンプレートの各前記座標点に重みを割り当てるステップを含むことを特徴とする方法。
- 請求項11に記載の方法であって、前記変位は前記ベクトルを有する前記対象物のエッジの最小サイズの半分以下であることを特徴とする方法。
- 請求項11に記載の方法であって、
A.前記変位を実質的に半分に削減し、
B.アブストラクトテンプレートを改訂されたレンジングテンプレートに転換し、
C.前記相関ステップに対応する位置で取り囲まれた複数の位置で最大相関を探索し、
D.前記変位が最小値に等しくなるまでステップAからCを継続する
ステップをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項11に記載の方法であって、
H.前記新たな回転角度が前記当初の回転角度に回転範囲を加算したものよりも大きくなるまでステップBからGを繰り返し、
I.最大相関を与えて前記回転角度を前記当初の回転角度に変えることによって前記位置と前記回転角度とをステップFから選択し、
K.前記変位と前記回転範囲とをそれぞれ実質的に半分に削減し、
L.前記変位が最小の閾値となるまでステップAからKを繰り返す
ステップをさらに含むことを特徴とする方法。 - それぞれ既知の階調値と既知の座標点とを有する複数の画像画素で定義される画像の範囲内で対象物の位置を位置づける装置であって、
対象物の形状及び大きさに対応し、エッジにより定義された境界を有するマニュアルテンプレートを決定する手段と、
テンプレートのエッジ上の座標点に存在する座標点と前記座標点において前記座標点上のエッジを実質的に垂直に通過する対応するエッジ方向との組からなる多数のベクトルを使用してアブストラクトテンプレートを定義する手段と、
前記ベクトルの前記座標点から定義され、対応するエッジ方向に延伸する変位を決定する手段と、
前記アブストラクトテンプレートの各ベクトルについて、前記対応するエッジ方向に沿った前記ベクトルの座標点からそれぞれ同一の間隔で存在する前記変位の正の値に対応する正の座標点と前記変位の負の値に対応する負の座標点とからなり、レンジングテンプレートを定義付ける座標点の組を位置づける手段と、
前記レンジングテンプレートを対象物の位置を示す最大相関に位置するまで前記各位置で前記画像と相関させる手段と、
当初の回転角から回転範囲を減じたものに等しい回転角度を設定し、前記アブストラクトテンプレートから改訂されたアブストラクトテンプレートを取得し、前記改訂されたアブストラクトテンプレートから改訂されたテンプレートを取得し、前記改訂されたテンプレートを前記画像中の既知の複数の座標点位置のそれぞれに置換し、前記既知の座標点位置のそれぞれに対応する最大相関を探索し、探索した位置と対応する回転角度を保存し、前記回転角度に前記回転範囲を加算することによって、新たな回転角度を計算する手段と、
を備え、
前記アブストラクトテンプレートの隣接するエッジの間に十分に大きな角度差があることを条件として、前記対象物の概略のエッジの一つには少なくとも1つのベクトルが選択される、
ことを特徴とする装置。
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