JP4406978B2 - テンプレートマッチング方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離画像と濃淡画像を用いてテンプレートマッチングを行い、テンプレート画像の位置を入力画像内で検出するテンプレートマッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のテンプレートマッチング方法が実証されるテンプレートマッチング・システムのブロック図を図１０に示す、図１０において、８０１は入力画像、８０２はテンプレート画像、８０３はテンプレートマッチング部である。テンプレートマッチングは予め保持されたテンプレート画像８０２が入力画像８０１中のどこに最も合うかを求める問題である。一般に、入力画像８０１及びテンプレート画像８０２は、濃淡画像あるいは２値画像である。テンプレートマッチング部８０３では、例えば、残差逐次検定法による演算を行い、入力画像８０１内のテンプレート画像８０２の位置を出力する。残差逐次検定法は、テンプレート画像８０２をＮ×Ｎ画素、入力画像８０１をＭ×Ｍ画素とした時、次の式（１）における、
【０００３】
【数１】
【０００４】
のＲを最小にする（ａ、ｂ）をテンプレート画像８０２の位置とするものである。ここで、Ｉは入力画像８０１の部分画像、Ｔはテンプレート画像８０２である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、例えば、図１１に示すような撮像装置と対象物体との位置関係において、８０４は入力画像、８０５はテンプレート画像、８０６は撮像装置、８０７はテーブル、８０８は第１の対象物体、８０９は第２の対象物体、８１０は第３の対象物体、８１１は第１の対象物体画像、８１２は第２の対象物体画像、８１３は第３の対象物体画像とした場合に、対象物体８０８〜８１０が同一形状で対象物体画像８１１〜８１３もテンプレート画像と濃度分布が近いような場合に、テンプレート画像８０５を用いて、テーブル８０７上に置かれた第２の対象物体８０９の位置を、撮像装置８０６で取得された入力画像８０４内で求めるものとすると、濃淡あるいは２値の情報のみで、テンプレートマッチングが実行されるので、望みの第２の対象物体画像８１２が検出されずに、第１の対象物体画像８１１の位置、又は、第３の対象物体画像８１３の位置が検出されてしまう可能性があり、求めようとする対象物体の正確な位置が検出できないという問題があった。
更に、図１１の入力画像８０４には背景を図示していないが、背景が存在するような場合に、テンプレート画像８０５に近い濃度分布を持つ部分が背景に存在する時は、異なった位置を検出してしまうという問題があった。
更に、残差逐次検定法による式（１）の演算は、入力画像８０４全体に対して実行されるため、演算コストが高くなるという問題があった。
また、図１２も図１１と同じ、撮像装置と対象物体の位置関係を示す図で、こちらも対象物体８２７〜８３０は全て同一形状であるが、テンプレートマッチングにより、テーブル８２６上に置かれた対象物体８２７〜８３０それぞれの位置を全て入力画像８２４内で求めようとすれば、図１３に示すように、図１２で撮像された対象物体画像８３１〜８３４の位置を、予め保持する複数のテンプレート画像群９０１中の各テンプレート画像９０２〜９０５を用いて、テンプレートマッチング部９０６によりマッチングを図る探索作業を行って求めることになる。
例えば、図１２に示す第２の対象物体８２８の位置を求めるには、第１のテンプレート画像９０２を用いて入力画像８２４の全領域に対し、先述の残差逐次検定法による式（１）の演算を行って、第２の対象物体画像８３２の位置を検出する。同様に、第１の対象物体８２７、第３の対象物体８２９、第４の対象物体８３０の位置を求めるには、それぞれ第４、第３、第２のテンプレート画像９０５、９０４、９０３を用いて、それぞれ入力画像８２４の全領域に対して、残差逐次検定法による式（１）の演算を行い、対象物体画像８３１、８３３、８３４の位置を検出することになるが、テンプレート画像群９０１のそれぞれのテンプレート画像９０２〜９０５のサイズを人手で微調整しながら多数作成しなければならないので、手間が掛かるという問題があった。
更に、それぞれのテンプレート画像９０２〜９０５を用いて、入力画像８２４の背景を含む全領域に対してテンプレートマッチングの演算を実行するため、演算コストが高くなるという問題があった。
そこで、本発明は、テンプレート画像を多数作成する必要がなく、テンプレート画像と近い濃度分布が入力画像の背景若しくは入力画像内に複数存在するような場合に、テンプレート画像を正確に検出することができる演算コストの低いテンプレートマッチング方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、対象物体の濃淡画像と距離画像とを同一視野で取得する距離計測装置と、予め作成されたテンプレート濃淡画像のサイズを変更するための倍率を、前記距離画像の各ピクセルの距離情報に基づいて各ピクセル毎に算出し出力するテンプレート倍率決定手段と、前記テンプレート濃淡画像の各ピクセル毎を前記倍率でサイズ変更するテンプレートサイズ変更手段と、前記テンプレートサイズ変更手段によりサイズ変更されたテンプレート濃淡画像と前記濃淡画像とのマッチング演算を実行し、前記濃淡画像内の前記テンプレート濃淡画像の位置を出力するマッチング手段と、を有していることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のテンプレートマッチング装置において、前記濃淡画像及び前記距離画像から統合画像を生成する画像統合手段を有し、前記マッチング手段では、前記統合画像を前記濃淡画像として用いてマッチング演算を実行することを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項２記載のテンプレートマッチング装置において、前記濃淡画像から２値のマスク画像を設定するマスク設定手段を有し、前記マッチング手段では、前記マスク画像を前記濃淡画像として用いてマッチング演算を実行することを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
図３は図１に示す濃淡および距離画像を取得する距離計測装置の簡略模式図である。
図４は図１に示す濃淡画像と距離画像を示す図である。
図１において、１０１は入力濃淡画像、１０２は入力距離画像、１０３は第１の画像統合手段、１０４は入力統合画像、１０５はテンプレート濃淡画像、１０６はテンプレート距離画像、１０７は第２の画像統合手段、１０８はテンプレート統合画像、１０９はテンプレートマッチング部である。
図３において、３０１は投光光学系、３０２は受光光学系、３０３はプリズムブロック、３０４は距離画像系ＣＣＤ、３０５はカラー画像系ＣＣＤ、３０６はメインＣＰＵ、３０７は距離画像出力、３０８はカラー画像出力である。
つぎに動作について説明する。
図３に示した距離計測装置によって濃淡画像１０１、距離画像１０２を取得するが、この距離計測装置は三角測量の原理に基づいて、対象物体までの距離を計測するものである。
先ず、メインＣＰＵ３０６により制御される投光光学系３０１からレーザ光を照射し、対象物体で反射した光を受光光学系３０２で受光する。プリズムブロック３０３は光路を２つに分岐させる。一方はレーザ波長のみを選択的に通過させる光路で、距離画像系ＣＣＤ３０４に導かれる。他方は、レーザ波長以外の可視光が通過する光路で、カラー画像系ＣＣＤ３０５へ導かれる（ダイクロイックミラー系等による）。
距離画像系ＣＣＤ３０４の出力は、メインＣＰＵで距離として演算され、距離画像出力３０７となる。カラー画像系ＣＣＤ３０５の出力はメインＣＰＵ３０６を通過し、カラー画像出力３０８となる。従って、距離画像とカラー画像が同一視野で取得できる利点がある。この距離計測装置の具体例としては、例えば「糊田寿夫：高速光切断法を用いた３次元形状入力システム、計測技術、ｐｐ．３８−４２、Ｖｏｌ．８、１９９６」に紹介されている装置ＶＩＶＩＤ７００（商品名である）、又は同等の機能を有する装置が使用できる。なお、以降、断らない限り、カラー画像をモノクロ濃淡画像として扱うものとする。
図１１に示すテーブル８０７、第１の対象物体８０８、第２対象物体８０９、第３の対象物体８１０、から成るシーンを撮像装置８０６の位置にこの距離計測装置を置いて計測する。こうして取得した濃淡画像１０１と距離画像１０２を図４に示す。この入力距離画像１０２は距離を濃淡表示し、距離計測装置に近い部分ほど白く表現される。又、背景は計測範囲外であることから、データが存在しないので黒く表現される。
更に、第１の対象物体８０８及び第３の対象物体８１０は、計測範囲にしきい値を設定することによって入力距離画像１０２には現れない。これによって、従来例の図１１において、望みの対象物体画像８１２の位置が得られる。
図１において、第１の画像統合手段１０３は、入力濃淡画像１０１と入力距離画像１０２とを入力し、入力距離画像１０２のデータの存在する点に、対応する入力濃淡画像１０１のデータをプロットする処理により、入力統合画像１０４を出力する。同様に、第２の画像統合手段１０７は、テンプレート濃淡画像１０５とテンプレート距離画像１０６とを入力し、テンプレート距離画像１０６のデータの存在する点に、対応するテンプレート濃淡画像１０５のデータをプロットし、テンプレート統合画像１０８を出力する。 テンプレートマッチング部１０９は、入力統合画像１０４とテンプレート統合画像１０８とを入力し、入力濃淡画像１０１内のテンプレート濃淡画像１０５の位置を出力する。この場合のマッチングの演算には、例えば、従来の技術の式（１）で示した残差逐次検定法を用いれば良い。又、式（１）による演算については、入力統合画像１０４内の、データの存在する部分（入力統合画像１０４の黒色部分以外の部分）のみ実行する。これによって大幅に演算コストを削減できる。
なお、入力濃淡画像１０１及び、テンプレート濃淡画像１０５をカラー画像として、テンプレートマッチング部１０９の入力を入力統合カラー画像及び、テンプレートカラー統合画像とする場合には、例えば、式（１）に示す残差逐次検定法を用いれば、カラー成分をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）とし、
Ｒ（ａ，ｂ）＝ＲR （ａ，ｂ）＋ＲG （ａ，ｂ）＋ＲB （ａ，ｂ）
・・・（２）
の演算を行い、Ｒの最小値を求めればよい。
このように、本実施の形態によれば、画像統合手段１０３、１０７を設けて、濃淡画像の背景を除去し、しきい値を設定した距離画像の統合画像を生成して、距離データを含めた濃淡画像によりテンプレートマッチングを行うので、図１１に示した従来技術の場合のように、所望以外の対象物体あるいは背景を誤検出するようなことは避けることができる。
【０００８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図２は本発明の第２の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
図２において、２０１はマスク画像、２０２はマスク設定手段、２０３はテンプレートマスク画像である。
なお、その他の図１と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。また、図３、図４は第１の実施の形態との共通図として使用する。
つぎに動作について説明する。
テンプレートマッチング部１０９の１つの入力である入力統合画像１０４を作成する過程は第１の実施の形態と同じである。マスク設定手段２０２は、テンプレート濃淡画像１０５の特徴的な部分に、２値のマスク画像２０１を設定するものであり、テンプレート濃淡画像１０５とマスク画像２０１とを入力し、テンプレート濃淡画像１０５のマスク画像２０１の０の部分（マスク画像２０１の黒の部分）を、テンプレートマスク画像２０３として出力する。 テンプレートマッチング部１０９は、図１の前実施の形態と同一機能を持ち、入力統合画像１０４とテンプレートマスク画像２０３を入力して、入力濃淡画像１０１内の、テンプレート濃淡画像１０５の位置を出力する。
このように、第２の実施の形態によれば、テンプレート画像と近い濃度分布が背景、あるいは、入力画像内に複数存在しても、入力画像中のテンプレート画像の位置を正確に検出できる。
また、入力画像中のデータの存在する部分のみテンプレートマッチングを実行すればよいので、演算コストを低減できる。
【０００９】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
図５は本発明の第３の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
図８は図５に示す入力濃淡画像と入力距離画像を示す図である。
図９は図５に示すテンプレートの濃淡画像と距離画像を示す図である。
図５において、５０１はテンプレート倍率決定手段で、５０２はテンプレートサイズ変更手段、５０３はテンプレート画像焦点距離、５０４は入力画像焦点距離、５０５はテンプレートマッチング部である。
先ず、図１２に示したようなテーブル８２６、第１〜４の対象物体８２７〜８３０から成るシーンを撮像装置８２５の位置に、図３に示す距離計測装置を置いて取得した入力の濃淡画像と距離画像を図８に示す。図中、５０８は入力距離画像、５０９は入力濃淡画像であり、入力距離画像５０８は距離計測装置に近い部分ほど白く表現される。入力距離画像５０８の背景は計測範囲外であることからデータが存在しない（この領域は黒く表現される）。
図９にはテンプレートの濃淡画像と距離画像とを示す。５０７はテンプレート濃淡画像、５０６はテンプレート距離画像である。
つぎに動作について説明する。
図５に示すテンプレート画像焦点距離５０３は、テンプレート画像取得時に持つ焦点距離である。同様に入力画像焦点距離５０４は、入力画像取得時に持つ焦点距離である。距離画像の各ピクセルは距離計測装置で取得した距離情報が濃淡として表現されている。この距離情報をＺとし、テンプレート画像焦点距離５０３をＦｔ、テンプレート距離画像５０６のテンプレート中央の距離情報をＺｔとすると、テンプレート距離画像５０６の中央での倍率Ｍｔは次式で表される。
Ｍｔ＝Ｆｔ／Ｚｔ ・・・ （３）
一方、入力画像焦点距離５０４をＦｌ、入力距離画像５０８の各ピクセルの距離情報をＺｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ ここでｎは距離情報の存在する個数）とすると、入力距離画像５０８の各ピクセルでの倍率Ｍｉは次式で表される。
Ｍｉ＝Ｆｌ／Ｚｉ ・・・ （４）
（ｉ＝１，・・・，ｎ）
テンプレート倍率決定手段５０１は、テンプレート画像焦点距離５０３と、テンプレート距離画像５０６と、入力画像焦点距離５０４と、入力距離画像５０８とを入力し、式（３）、式（４）の演算を実行し、次式に基づいて入力距離画像５０８の各ピクセルにおけるテンプレート倍率Ｓｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ ここでｎは距離情報の存在する個数）を次式のように決定し出力する。
Ｓｉ＝Ｍｉ／Ｍｔ ・・・ （５）
（ｉ＝１，・・・，ｎ）
次に、テンプレートサイズ変更手段５０２では、テンプレート濃淡画像５０７のサイズをテンプレート倍率Ｓｉで掛け、テンプレート濃淡画像５０７のサイズを変更する。
続いて、テンプレートマッチング部５０５では、入力濃淡画像５０９を入力画像、入力距離画像５０８の各ピクセルにおけるサイズの変更されたテンプレート濃淡画像５０７をテンプレート画像として、例えば、式（１）に示す残差逐次検定法を行い、第１の対象物体画像８３１から第４の対象物体８３４までの位置を出力する。
このように、第３の実施の形態によれば、テンプレート画像は１つで済み、従来例の図１３のようにサイズの異なるテンプレート画像を多数作成しないで、テンプレートマッチングを実行することができる。
更に、テンプレートマッチングは入力画像のデータの存在する部分に対して１度の実行で済ませることが可能になる。
【００１０】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
図６は本発明の第４の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
図６において、６０１は第１の２値化手段、６０２は第２の２値化手段、６０３は入力２値化画像、６０４はテンプレート２値化画像である。その他の図５と同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する。
つぎに動作について説明する。
先ず、第１の２値化処理手段６０１は、入力距離画像５０８を入力して、あるしきい値に基づいて２値化処理を行い、入力２値化画像６０３を出力する。同様に、第２の２値化手段６０２は、テンプレート距離画像５０６を入力し、あるしきい値に基づいて２値化処理を行って、テンプレート２値化画像６０４を出力する。
又、テンプレート倍率決定手段５０１の機能は、第３の実施の形態と同一機能である。テンプレートサイズ変更手段５０２の機能も第３の実施の形態と同様であるが、入力がテンプレート２値化画像６０４となる点が異なる。又、テンプレートマッチング部５０５の機能も第３の実施の形態と同様であるが、入力画像が入力２値化画像６０３、テンプレート画像がサイズの変更されたテンプレート２値化画像６０４となる点が異なる。そして結果として、図１２のような第１の対象物体画像８３１〜第４の対象物体画像８３４までの位置を出力する。
このように、第４の実施の形態によれば、テンプレート画像は１つで済み、サイズの異なるテンプレート画像を多数作成する必要が無く、テンプレートマッチングを実行できる。
また、テンプレートマッチングは、入力画像のデータの存在する部分に対して１度の実行で済ませることができる。
【００１１】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
図７は本発明の第５の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
図７において、７０１は第１の画像統合手段、７０２は第２の画像統合手段、７０３は入力統合画像、７０４はテンプレート統合画像である。その他の図５と同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する。
つぎに動作について説明する。
図７に示す第１の画像統合手段７０１は、入力濃淡画像５０９と入力距離画像５０８とを入力し、入力距離画像５０８のデータの存在する点に対応する入力濃淡画像５０９のデータをプロットし、入力統合画像７０３を出力する。同様に、第２の画像統合手段７０２は、テンプレート距離画像５０６のデータの存在する点に対応するテンプレート濃淡画像５０７のデータをプロットし、テンプレート統合画像７０４を出力する。
また、テンプレート倍率決定手段５０１の機能は第３の実施の形態と同一のものである。テンプレートサイズ変更手段５０２の機能も第３の実施の形態と同様であるが、入力がテンプレート統合画像７０４となる点が異なる。テンプレートマッチング部５０５も第３の実施の形態と同様であるが、入力画像が入力統合画像７０３、テンプレート画像がサイズの変更されたテンプレート統合画像７０４となる点が異なる。その結果として、第１の対象物体画像８３１から第４の対象物体画像８３４までの位置を出力する。
このように、第５の実施の形態によれば、テンプレート画像は１つで済み、サイズの異なるテンプレート画像を多数作成する必要が無くテンプレートマッチングを実行できる。また、テンプレートマッチングは入力画像のデータの存在する部分に対して１度の実行で済ませることができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、濃淡あるいは２値の入力画像に対し、濃淡あるいは２値のテンプレート画像を用いてテンプレートマッチングを行い、テンプレート画像の位置を入力画像内で検出するテンプレートマッチング方法において、濃淡画像と同一の視野を持つ距離画像と、濃淡画像から統合画像を生成する画像統合手段を設け、入力画像を統合画像とし、テンプレート画像を統合画像あるいはマスク画像とすることによって、テンプレート画像と近い濃度分布が入力画像内の背景若しくは入力画像内に複数存在する場合でも、入力画像中のテンプレート画像の位置を正確に検出することが可能で、且つ、テンプレートマッチングの演算コストも低減できるという効果がある。
また、濃淡あるいは２値の入力画像に対し、濃淡あるいは２値のテンプレート画像を用いてテンプレートマッチングを行い、テンプレート画像の位置を入力画像内で検出するテンプレートマッチング方法において、テンプレート画像焦点距離とテンプレート距離画像と入力画像焦点距離と入力距離画像とを用いてテンプレート画像の倍率を決定するテンプレート倍率決定手段と、濃淡画像のテンプレートのサイズを変更するテンプレートサイズ変更手段を備え、テンプレートマッチング部により、入力濃淡画像とサイズの変更されたテンプレート濃淡画像、入力２値化画像とサイズの変更されたテンプレート２値化画像、あるいは入力統合画像とサイズの変更されたテンプレート統合画像を用いてテンプレートマッチングを行うので、サイズの異なるテンプレート画像を多数作成する必要がなくなり、入力画像のデータの存在する部分に対して１度のテンプレートマッチングの実行で済むので演算コストも低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図３】図１に示す濃淡および距離画像を取得する距離計測装置の概略模式図である。
【図４】図１に示す濃淡画像および距離画像を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図８】図５に示す入力濃淡画像および入力距離画像を示す図である。
【図９】図５に示すテンプレート画像を示す図である。
【図１０】従来のテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図１１】従来のテンプレートマッチング・システムにおける撮像装置と対象物体の位置関係を示す図である。
【図１２】図１１に示す対象物体が４個の場合の位置関係を示す図である。
【図１３】図１２に示すテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【符号の説明】
１０１、５０９ 入力濃淡画像
１０２、５０８ 入力距離画像
１０３、７０１ 第１の画像統合手段
１０４、７０３ 入力統合画像
１０５、５０７ テンプレート濃淡画像
１０６、５０６ テンプレート距離画像
１０７、７０２ 第２の画像統合手段
１０８、７０４ テンプレート統合画像
１０９、５０５ テンプレートマッチング部
２０１ マスク画像
２０２ マスク設定手段
２０３ テンプレートマスク画像
３０１ 投光光学系
３０２ 受光光学系
３０３ プリズムブロック
３０４ 距離画像系ＣＣＤ
３０５ カラー画像系ＣＣＤ
３０６ メインＣＰＵ
３０７ 距離画像出力
３０８ カラー画像出力
５０１ テンプレート倍率決定手段
５０２ テンプレートサイズ変更手段
５０３ テンプレート画像焦点距離
５０４ 入力画像焦点距離
６０１ 第１の２値化手段
６０２ 第２の２値化手段
６０３ 入力２値化画像
６０４ テンプレート２値化画像
８０１、８０４、８２４ 入力画像
８０２、８０５ テンプレート画像
８０３ テンプレートマッチング部
８０６、８２５ 撮像装置
８０７、８２６ テーブル
８０８ 第１の対象物体
８０９ 第２の対象物体
８１０ 第３の対象物体
８１１ 第１の対象物体画像
８１２ 第２の対象物体画像
８１３ 第３の対象物体画像
８２７ 第１の対象物体
８２８ 第２の対象物体
８２９ 第３の対象物体
８３０ 第４の対象物体
８３１ 第１の対象物体画像
８３２ 第２の対象物体画像
８３３ 第３の対象物体画像
８３４ 第４の対象物体画像
９０１ テンプレート画像群
９０２ 第１のテンプレート画像
９０３ 第２のテンプレート画像
９０４ 第３のテンプレート画像
９０５ 第４のテンプレート画像
９０６ テンプレートマッチング部
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離画像と濃淡画像を用いてテンプレートマッチングを行い、テンプレート画像の位置を入力画像内で検出するテンプレートマッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のテンプレートマッチング方法が実証されるテンプレートマッチング・システムのブロック図を図１０に示す、図１０において、８０１は入力画像、８０２はテンプレート画像、８０３はテンプレートマッチング部である。テンプレートマッチングは予め保持されたテンプレート画像８０２が入力画像８０１中のどこに最も合うかを求める問題である。一般に、入力画像８０１及びテンプレート画像８０２は、濃淡画像あるいは２値画像である。テンプレートマッチング部８０３では、例えば、残差逐次検定法による演算を行い、入力画像８０１内のテンプレート画像８０２の位置を出力する。残差逐次検定法は、テンプレート画像８０２をＮ×Ｎ画素、入力画像８０１をＭ×Ｍ画素とした時、次の式（１）における、
【０００３】
【数１】
のＲを最小にする（ａ、ｂ）をテンプレート画像８０２の位置とするものである。ここで、Ｉは入力画像８０１の部分画像、Ｔはテンプレート画像８０２である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、例えば、図１１に示すような撮像装置と対象物体との位置関係において、８０４は入力画像、８０５はテンプレート画像、８０６は撮像装置、８０７はテーブル、８０８は第１の対象物体、８０９は第２の対象物体、８１０は第３の対象物体、８１１は第１の対象物体画像、８１２は第２の対象物体画像、８１３は第３の対象物体画像とした場合に、対象物体８０８〜８１０が同一形状で対象物体画像８１１〜８１３もテンプレート画像と濃度分布が近いような場合に、テンプレート画像８０５を用いて、テーブル８０７上に置かれた第２の対象物体８０９の位置を、撮像装置８０６で取得された入力画像８０４内で求めるものとすると、濃淡あるいは２値の情報のみで、テンプレートマッチングが実行されるので、望みの第２の対象物体画像８１２が検出されずに、第１の対象物体画像８１１の位置、又は、第３の対象物体画像８１３の位置が検出されてしまう可能性があり、求めようとする対象物体の正確な位置が検出できないという問題があった。
更に、図１１の入力画像８０４には背景を図示していないが、背景が存在するような場合に、テンプレート画像８０５に近い濃度分布を持つ部分が背景に存在する時は、異なった位置を検出してしまうという問題があった。
更に、残差逐次検定法による式（１）の演算は、入力画像８０４全体に対して実行されるため、演算コストが高くなるという問題があった。
また、図１２も図１１と同じ、撮像装置と対象物体の位置関係を示す図で、こちらも対象物体８２７〜８３０は全て同一形状であるが、テンプレートマッチングにより、テーブル８２６上に置かれた対象物体８２７〜８３０それぞれの位置を全て入力画像８２４内で求めようとすれば、図１３に示すように、図１２で撮像された対象物体画像８３１〜８３４の位置を、予め保持する複数のテンプレート画像群９０１中の各テンプレート画像９０２〜９０５を用いて、テンプレートマッチング部９０６によりマッチングを図る探索作業を行って求めることになる。
例えば、図１２に示す第２の対象物体８２８の位置を求めるには、第１のテンプレート画像９０２を用いて入力画像８２４の全領域に対し、先述の残差逐次検定法による式（１）の演算を行って、第２の対象物体画像８３２の位置を検出する。同様に、第１の対象物体８２７、第３の対象物体８２９、第４の対象物体８３０の位置を求めるには、それぞれ第４、第３、第２のテンプレート画像９０５、９０４、９０３を用いて、それぞれ入力画像８２４の全領域に対して、残差逐次検定法による式（１）の演算を行い、対象物体画像８３１、８３３、８３４の位置を検出することになるが、テンプレート画像群９０１のそれぞれのテンプレート画像９０２〜９０５のサイズを人手で微調整しながら多数作成しなければならないので、手間が掛かるという問題があった。
更に、それぞれのテンプレート画像９０２〜９０５を用いて、入力画像８２４の背景を含む全領域に対してテンプレートマッチングの演算を実行するため、演算コストが高くなるという問題があった。
そこで、本発明は、テンプレート画像を多数作成する必要がなく、テンプレート画像と近い濃度分布が入力画像の背景若しくは入力画像内に複数存在するような場合に、テンプレート画像を正確に検出することができる演算コストの低いテンプレートマッチング方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、対象物体の濃淡画像と距離画像とを同一視野で取得する距離計測装置と、予め作成されたテンプレート濃淡画像のサイズを変更するための倍率を、前記距離画像の各ピクセルの距離情報に基づいて各ピクセル毎に算出し出力するテンプレート倍率決定手段と、前記テンプレート濃淡画像の各ピクセル毎を前記倍率でサイズ変更するテンプレートサイズ変更手段と、前記テンプレートサイズ変更手段によりサイズ変更されたテンプレート濃淡画像と前記濃淡画像とのマッチング演算を実行し、前記濃淡画像内の前記テンプレート濃淡画像の位置を出力するマッチング手段と、を有していることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のテンプレートマッチング装置において、前記濃淡画像及び前記距離画像から統合画像を生成する画像統合手段を有し、前記マッチング手段では、前記統合画像を前記濃淡画像として用いてマッチング演算を実行することを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項２記載のテンプレートマッチング装置において、前記濃淡画像から２値のマスク画像を設定するマスク設定手段を有し、前記マッチング手段では、前記マスク画像を前記濃淡画像として用いてマッチング演算を実行することを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
図３は図１に示す濃淡および距離画像を取得する距離計測装置の簡略模式図である。
図４は図１に示す濃淡画像と距離画像を示す図である。
図１において、１０１は入力濃淡画像、１０２は入力距離画像、１０３は第１の画像統合手段、１０４は入力統合画像、１０５はテンプレート濃淡画像、１０６はテンプレート距離画像、１０７は第２の画像統合手段、１０８はテンプレート統合画像、１０９はテンプレートマッチング部である。
図３において、３０１は投光光学系、３０２は受光光学系、３０３はプリズムブロック、３０４は距離画像系ＣＣＤ、３０５はカラー画像系ＣＣＤ、３０６はメインＣＰＵ、３０７は距離画像出力、３０８はカラー画像出力である。
つぎに動作について説明する。
図３に示した距離計測装置によって濃淡画像１０１、距離画像１０２を取得するが、この距離計測装置は三角測量の原理に基づいて、対象物体までの距離を計測するものである。
先ず、メインＣＰＵ３０６により制御される投光光学系３０１からレーザ光を照射し、対象物体で反射した光を受光光学系３０２で受光する。プリズムブロック３０３は光路を２つに分岐させる。一方はレーザ波長のみを選択的に通過させる光路で、距離画像系ＣＣＤ３０４に導かれる。他方は、レーザ波長以外の可視光が通過する光路で、カラー画像系ＣＣＤ３０５へ導かれる（ダイクロイックミラー系等による）。
距離画像系ＣＣＤ３０４の出力は、メインＣＰＵで距離として演算され、距離画像出力３０７となる。カラー画像系ＣＣＤ３０５の出力はメインＣＰＵ３０６を通過し、カラー画像出力３０８となる。従って、距離画像とカラー画像が同一視野で取得できる利点がある。この距離計測装置の具体例としては、例えば「糊田寿夫：高速光切断法を用いた３次元形状入力システム、計測技術、ｐｐ．３８−４２、Ｖｏｌ．８、１９９６」に紹介されている装置ＶＩＶＩＤ７００（商品名である）、又は同等の機能を有する装置が使用できる。なお、以降、断らない限り、カラー画像をモノクロ濃淡画像として扱うものとする。
図１１に示すテーブル８０７、第１の対象物体８０８、第２対象物体８０９、第３の対象物体８１０、から成るシーンを撮像装置８０６の位置にこの距離計測装置を置いて計測する。こうして取得した濃淡画像１０１と距離画像１０２を図４に示す。この入力距離画像１０２は距離を濃淡表示し、距離計測装置に近い部分ほど白く表現される。又、背景は計測範囲外であることから、データが存在しないので黒く表現される。
更に、第１の対象物体８０８及び第３の対象物体８１０は、計測範囲にしきい値を設定することによって入力距離画像１０２には現れない。これによって、従来例の図１１において、望みの対象物体画像８１２の位置が得られる。
図１において、第１の画像統合手段１０３は、入力濃淡画像１０１と入力距離画像１０２とを入力し、入力距離画像１０２のデータの存在する点に、対応する入力濃淡画像１０１のデータをプロットする処理により、入力統合画像１０４を出力する。同様に、第２の画像統合手段１０７は、テンプレート濃淡画像１０５とテンプレート距離画像１０６とを入力し、テンプレート距離画像１０６のデータの存在する点に、対応するテンプレート濃淡画像１０５のデータをプロットし、テンプレート統合画像１０８を出力する。 テンプレートマッチング部１０９は、入力統合画像１０４とテンプレート統合画像１０８とを入力し、入力濃淡画像１０１内のテンプレート濃淡画像１０５の位置を出力する。この場合のマッチングの演算には、例えば、従来の技術の式（１）で示した残差逐次検定法を用いれば良い。又、式（１）による演算については、入力統合画像１０４内の、データの存在する部分（入力統合画像１０４の黒色部分以外の部分）のみ実行する。これによって大幅に演算コストを削減できる。
なお、入力濃淡画像１０１及び、テンプレート濃淡画像１０５をカラー画像として、テンプレートマッチング部１０９の入力を入力統合カラー画像及び、テンプレートカラー統合画像とする場合には、例えば、式（１）に示す残差逐次検定法を用いれば、カラー成分をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）とし、
Ｒ（ａ，ｂ）＝ＲR （ａ，ｂ）＋ＲG （ａ，ｂ）＋ＲB （ａ，ｂ）
・・・（２）
の演算を行い、Ｒの最小値を求めればよい。
このように、本実施の形態によれば、画像統合手段１０３、１０７を設けて、濃淡画像の背景を除去し、しきい値を設定した距離画像の統合画像を生成して、距離データを含めた濃淡画像によりテンプレートマッチングを行うので、図１１に示した従来技術の場合のように、所望以外の対象物体あるいは背景を誤検出するようなことは避けることができる。
【０００８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図２は本発明の第２の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
図２において、２０１はマスク画像、２０２はマスク設定手段、２０３はテンプレートマスク画像である。
なお、その他の図１と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。また、図３、図４は第１の実施の形態との共通図として使用する。
つぎに動作について説明する。
テンプレートマッチング部１０９の１つの入力である入力統合画像１０４を作成する過程は第１の実施の形態と同じである。マスク設定手段２０２は、テンプレート濃淡画像１０５の特徴的な部分に、２値のマスク画像２０１を設定するものであり、テンプレート濃淡画像１０５とマスク画像２０１とを入力し、テンプレート濃淡画像１０５のマスク画像２０１の０の部分（マスク画像２０１の黒の部分）を、テンプレートマスク画像２０３として出力する。 テンプレートマッチング部１０９は、図１の前実施の形態と同一機能を持ち、入力統合画像１０４とテンプレートマスク画像２０３を入力して、入力濃淡画像１０１内の、テンプレート濃淡画像１０５の位置を出力する。
このように、第２の実施の形態によれば、テンプレート画像と近い濃度分布が背景、あるいは、入力画像内に複数存在しても、入力画像中のテンプレート画像の位置を正確に検出できる。
また、入力画像中のデータの存在する部分のみテンプレートマッチングを実行すればよいので、演算コストを低減できる。
【０００９】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
図５は本発明の第３の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
図８は図５に示す入力濃淡画像と入力距離画像を示す図である。
図９は図５に示すテンプレートの濃淡画像と距離画像を示す図である。
図５において、５０１はテンプレート倍率決定手段で、５０２はテンプレートサイズ変更手段、５０３はテンプレート画像焦点距離、５０４は入力画像焦点距離、５０５はテンプレートマッチング部である。
先ず、図１２に示したようなテーブル８２６、第１〜４の対象物体８２７〜８３０から成るシーンを撮像装置８２５の位置に、図３に示す距離計測装置を置いて取得した入力の濃淡画像と距離画像を図８に示す。図中、５０８は入力距離画像、５０９は入力濃淡画像であり、入力距離画像５０８は距離計測装置に近い部分ほど白く表現される。入力距離画像５０８の背景は計測範囲外であることからデータが存在しない（この領域は黒く表現される）。
図９にはテンプレートの濃淡画像と距離画像とを示す。５０７はテンプレート濃淡画像、５０６はテンプレート距離画像である。
つぎに動作について説明する。
図５に示すテンプレート画像焦点距離５０３は、テンプレート画像取得時に持つ焦点距離である。同様に入力画像焦点距離５０４は、入力画像取得時に持つ焦点距離である。距離画像の各ピクセルは距離計測装置で取得した距離情報が濃淡として表現されている。この距離情報をＺとし、テンプレート画像焦点距離５０３をＦｔ、テンプレート距離画像５０６のテンプレート中央の距離情報をＺｔとすると、テンプレート距離画像５０６の中央での倍率Ｍｔは次式で表される。
Ｍｔ＝Ｆｔ／Ｚｔ ・・・ （３）
一方、入力画像焦点距離５０４をＦｌ、入力距離画像５０８の各ピクセルの距離情報をＺｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ ここでｎは距離情報の存在する個数）とすると、入力距離画像５０８の各ピクセルでの倍率Ｍｉは次式で表される。
Ｍｉ＝Ｆｌ／Ｚｉ ・・・ （４）
（ｉ＝１，・・・，ｎ）
テンプレート倍率決定手段５０１は、テンプレート画像焦点距離５０３と、テンプレート距離画像５０６と、入力画像焦点距離５０４と、入力距離画像５０８とを入力し、式（３）、式（４）の演算を実行し、次式に基づいて入力距離画像５０８の各ピクセルにおけるテンプレート倍率Ｓｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ ここでｎは距離情報の存在する個数）を次式のように決定し出力する。
Ｓｉ＝Ｍｉ／Ｍｔ ・・・ （５）
（ｉ＝１，・・・，ｎ）
次に、テンプレートサイズ変更手段５０２では、テンプレート濃淡画像５０７のサイズをテンプレート倍率Ｓｉで掛け、テンプレート濃淡画像５０７のサイズを変更する。
続いて、テンプレートマッチング部５０５では、入力濃淡画像５０９を入力画像、入力距離画像５０８の各ピクセルにおけるサイズの変更されたテンプレート濃淡画像５０７をテンプレート画像として、例えば、式（１）に示す残差逐次検定法を行い、第１の対象物体画像８３１から第４の対象物体８３４までの位置を出力する。
このように、第３の実施の形態によれば、テンプレート画像は１つで済み、従来例の図１３のようにサイズの異なるテンプレート画像を多数作成しないで、テンプレートマッチングを実行することができる。
更に、テンプレートマッチングは入力画像のデータの存在する部分に対して１度の実行で済ませることが可能になる。
【００１０】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
図６は本発明の第４の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
図６において、６０１は第１の２値化手段、６０２は第２の２値化手段、６０３は入力２値化画像、６０４はテンプレート２値化画像である。その他の図５と同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する。
つぎに動作について説明する。
先ず、第１の２値化処理手段６０１は、入力距離画像５０８を入力して、あるしきい値に基づいて２値化処理を行い、入力２値化画像６０３を出力する。同様に、第２の２値化手段６０２は、テンプレート距離画像５０６を入力し、あるしきい値に基づいて２値化処理を行って、テンプレート２値化画像６０４を出力する。
又、テンプレート倍率決定手段５０１の機能は、第３の実施の形態と同一機能である。テンプレートサイズ変更手段５０２の機能も第３の実施の形態と同様であるが、入力がテンプレート２値化画像６０４となる点が異なる。又、テンプレートマッチング部５０５の機能も第３の実施の形態と同様であるが、入力画像が入力２値化画像６０３、テンプレート画像がサイズの変更されたテンプレート２値化画像６０４となる点が異なる。そして結果として、図１２のような第１の対象物体画像８３１〜第４の対象物体画像８３４までの位置を出力する。
このように、第４の実施の形態によれば、テンプレート画像は１つで済み、サイズの異なるテンプレート画像を多数作成する必要が無く、テンプレートマッチングを実行できる。
また、テンプレートマッチングは、入力画像のデータの存在する部分に対して１度の実行で済ませることができる。
【００１１】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
図７は本発明の第５の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
図７において、７０１は第１の画像統合手段、７０２は第２の画像統合手段、７０３は入力統合画像、７０４はテンプレート統合画像である。その他の図５と同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する。
つぎに動作について説明する。
図７に示す第１の画像統合手段７０１は、入力濃淡画像５０９と入力距離画像５０８とを入力し、入力距離画像５０８のデータの存在する点に対応する入力濃淡画像５０９のデータをプロットし、入力統合画像７０３を出力する。同様に、第２の画像統合手段７０２は、テンプレート距離画像５０６のデータの存在する点に対応するテンプレート濃淡画像５０７のデータをプロットし、テンプレート統合画像７０４を出力する。
また、テンプレート倍率決定手段５０１の機能は第３の実施の形態と同一のものである。テンプレートサイズ変更手段５０２の機能も第３の実施の形態と同様であるが、入力がテンプレート統合画像７０４となる点が異なる。テンプレートマッチング部５０５も第３の実施の形態と同様であるが、入力画像が入力統合画像７０３、テンプレート画像がサイズの変更されたテンプレート統合画像７０４となる点が異なる。その結果として、第１の対象物体画像８３１から第４の対象物体画像８３４までの位置を出力する。
このように、第５の実施の形態によれば、テンプレート画像は１つで済み、サイズの異なるテンプレート画像を多数作成する必要が無くテンプレートマッチングを実行できる。また、テンプレートマッチングは入力画像のデータの存在する部分に対して１度の実行で済ませることができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、濃淡あるいは２値の入力画像に対し、濃淡あるいは２値のテンプレート画像を用いてテンプレートマッチングを行い、テンプレート画像の位置を入力画像内で検出するテンプレートマッチング方法において、濃淡画像と同一の視野を持つ距離画像と、濃淡画像から統合画像を生成する画像統合手段を設け、入力画像を統合画像とし、テンプレート画像を統合画像あるいはマスク画像とすることによって、テンプレート画像と近い濃度分布が入力画像内の背景若しくは入力画像内に複数存在する場合でも、入力画像中のテンプレート画像の位置を正確に検出することが可能で、且つ、テンプレートマッチングの演算コストも低減できるという効果がある。
また、濃淡あるいは２値の入力画像に対し、濃淡あるいは２値のテンプレート画像を用いてテンプレートマッチングを行い、テンプレート画像の位置を入力画像内で検出するテンプレートマッチング方法において、テンプレート画像焦点距離とテンプレート距離画像と入力画像焦点距離と入力距離画像とを用いてテンプレート画像の倍率を決定するテンプレート倍率決定手段と、濃淡画像のテンプレートのサイズを変更するテンプレートサイズ変更手段を備え、テンプレートマッチング部により、入力濃淡画像とサイズの変更されたテンプレート濃淡画像、入力２値化画像とサイズの変更されたテンプレート２値化画像、あるいは入力統合画像とサイズの変更されたテンプレート統合画像を用いてテンプレートマッチングを行うので、サイズの異なるテンプレート画像を多数作成する必要がなくなり、入力画像のデータの存在する部分に対して１度のテンプレートマッチングの実行で済むので演算コストも低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図３】図１に示す濃淡および距離画像を取得する距離計測装置の概略模式図である。
【図４】図１に示す濃淡画像および距離画像を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係るテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図８】図５に示す入力濃淡画像および入力距離画像を示す図である。
【図９】図５に示すテンプレート画像を示す図である。
【図１０】従来のテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【図１１】従来のテンプレートマッチング・システムにおける撮像装置と対象物体の位置関係を示す図である。
【図１２】図１１に示す対象物体が４個の場合の位置関係を示す図である。
【図１３】図１２に示すテンプレートマッチング・システムのブロック図である。
【符号の説明】
１０１、５０９ 入力濃淡画像
１０２、５０８ 入力距離画像
１０３、７０１ 第１の画像統合手段
１０４、７０３ 入力統合画像
１０５、５０７ テンプレート濃淡画像
１０６、５０６ テンプレート距離画像
１０７、７０２ 第２の画像統合手段
１０８、７０４ テンプレート統合画像
１０９、５０５ テンプレートマッチング部
２０１ マスク画像
２０２ マスク設定手段
２０３ テンプレートマスク画像
３０１ 投光光学系
３０２ 受光光学系
３０３ プリズムブロック
３０４ 距離画像系ＣＣＤ
３０５ カラー画像系ＣＣＤ
３０６ メインＣＰＵ
３０７ 距離画像出力
３０８ カラー画像出力
５０１ テンプレート倍率決定手段
５０２ テンプレートサイズ変更手段
５０３ テンプレート画像焦点距離
５０４ 入力画像焦点距離
６０１ 第１の２値化手段
６０２ 第２の２値化手段
６０３ 入力２値化画像
６０４ テンプレート２値化画像
８０１、８０４、８２４ 入力画像
８０２、８０５ テンプレート画像
８０３ テンプレートマッチング部
８０６、８２５ 撮像装置
８０７、８２６ テーブル
８０８ 第１の対象物体
８０９ 第２の対象物体
８１０ 第３の対象物体
８１１ 第１の対象物体画像
８１２ 第２の対象物体画像
８１３ 第３の対象物体画像
８２７ 第１の対象物体
８２８ 第２の対象物体
８２９ 第３の対象物体
８３０ 第４の対象物体
８３１ 第１の対象物体画像
８３２ 第２の対象物体画像
８３３ 第３の対象物体画像
８３４ 第４の対象物体画像
９０１ テンプレート画像群
９０２ 第１のテンプレート画像
９０３ 第２のテンプレート画像
９０４ 第３のテンプレート画像
９０５ 第４のテンプレート画像
９０６ テンプレートマッチング部
Claims (3)
- 対象物体の濃淡画像と距離画像とを同一視野で取得する距離計測装置と、予め作成されたテンプレート濃淡画像のサイズを変更するための倍率を、前記距離画像の各ピクセルの距離情報に基づいて各ピクセル毎に算出し出力するテンプレート倍率決定手段と、前記テンプレート濃淡画像の各ピクセル毎を前記倍率でサイズ変更するテンプレートサイズ変更手段と、前記テンプレートサイズ変更手段によりサイズ変更されたテンプレート濃淡画像と前記濃淡画像とのマッチング演算を実行し、前記濃淡画像内の前記テンプレート濃淡画像の位置を出力するマッチング手段と、を有していることを特徴とするテンプレートマッチング装置。
- 前記濃淡画像及び前記距離画像から統合画像を生成する画像統合手段を有し、
前記マッチング手段では、前記統合画像を前記濃淡画像として用いてマッチング演算を実行することを特徴とする請求項１記載のテンプレートマッチング装置。 - 前記濃淡画像から２値のマスク画像を設定するマスク設定手段を有し、
前記マッチング手段では、前記マスク画像を前記濃淡画像として用いてマッチング演算を実行することを特徴とする請求項２記載のテンプレートマッチング装置。
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