JP4767305B2 - Image deformation device, image deformation method, and image deformation program - Google Patents

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Description

本発明は、粒子法に基づいて画像を変形する画像変形装置、画像変形方法及び画像変形プログラムの技術に関する。   The present invention relates to an image deformation apparatus, an image deformation method, and an image deformation program that deform an image based on a particle method.

数値流体力学の分野では、流体の運動を支配しているナビエ・ストークス方程式(以降、「NS方程式」と称する)を解くにあたり、流体が本来備えている非線形・非定常性に即した安定した数値解法が重要かつ必要となっている。式(1)はNS方程式をベクトル形式で表現した数式であり、左辺の第1項は時間項(微分項),第2項は移流項(対流項)である。また、右辺の第1項は圧力項,第2項は粘性項(拡散項),第3項は外圧項である。
In the field of computational fluid dynamics, in solving the Navier-Stokes equations governing fluid motion (hereinafter referred to as “NS equations”), stable numerical values that are in line with the non-linear and non-stationary properties inherent to fluids The solution is important and necessary. Expression (1) is an expression that represents the NS equation in a vector format. The first term on the left side is a time term (differential term), and the second term is an advection term (convection term). The first term on the right side is a pressure term, the second term is a viscosity term (diffusion term), and the third term is an external pressure term.

従来における代表的なNS方程式の数値解法としては、離散化した計算格子を定義した上で、有限差分法,有限要素法,境界要素法等が広く用いられている。なお、気体や液体に限らず、流体現象において渦の生成をNS方程式の解として得るためには、対流項による数値解法上の不安定性に対処することが課題の一つとなっており、この対流項の扱いについては計算精度にも大きく影響することが知られている。   As a conventional numerical solution method for NS equations, a finite difference method, a finite element method, a boundary element method, and the like are widely used after defining a discretized calculation grid. In addition, in order to obtain vortex generation as a solution of the NS equation in a fluid phenomenon, not limited to gas and liquid, it is one of the issues to deal with instability in the numerical solution by the convection term. It is known that the handling of terms greatly affects the calculation accuracy.

一方、現在では、コンピュータグラフィックスやコンピュータビジョン等の分野において、時間経過に伴う炎,波,雲、霧等の流体の変化や、車やゴムボール等が衝突や折衝した際における剛体や弾性体の変形等を表現する場合に、粒子法(パーティクル法)と呼ばれる数値解法が盛んに用いられている(非特許文献1参照)。例えば、航空宇宙工学では音速を超える極めて高速な物体のまわりの流れの解析や、海岸工学では堤防に衝突する越波,沸騰,蒸気爆発等へのモデリングを行う際に用いられている。   On the other hand, in the field of computer graphics, computer vision, etc., on the other hand, changes in fluids such as flames, waves, clouds, fog, etc. over time, and rigid bodies and elastic bodies when cars or rubber balls collide or negotiate. A numerical method called a particle method (particle method) is actively used to express the deformation and the like (see Non-Patent Document 1). For example, in aerospace engineering, it is used to analyze the flow around extremely high-speed objects exceeding the speed of sound, and in coastal engineering, it is used to model overtopping, boiling, steam explosion, etc. that collide with a dike.

粒子法とは、複数の粒子を用いて流体,剛体,弾性体等の様々な連続体の形状変化を近似するモデリング手法である。この粒子法に基づく具体的解法としてはSPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)法と、SPH法を発展させたMPS(Moving Particle Semi-implicit)法があり、前述した有限差分法等と異なり計算格子を不要とせずに完全ラグランジュ法であるため、界面の変形が大きくても容易に扱うことができるという利点がある。   The particle method is a modeling technique that approximates the shape change of various continuums such as fluids, rigid bodies, and elastic bodies using a plurality of particles. Specific solutions based on this particle method include SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) method and MPS (Moving Particle Semi-implicit) method, which is an extension of SPH method. Since it is a complete Lagrangian method, there is an advantage that it can be easily handled even if the deformation of the interface is large.

特に、MPS法は、粒子法に非圧縮性流れの計算アルゴリズムを導入した解法であり、支配方程式として式(2)及び式(3)が用いられる。
In particular, the MPS method is a solution obtained by introducing an incompressible flow calculation algorithm into the particle method, and equations (2) and (3) are used as governing equations.

式(2)はMPS法における質量保存則である。左辺のρは流体密度であり、このρの時間微分をゼロにすることで密度を一定とし、MPS法における非圧縮条件となっている。また、式(3)はMPS法における運動量保存則である。完全ラグランジュ法とは式(1)で示したNS方程式の対流項を離散化しないことを意味するため、式(3)に示すように運動方程式の時間微分にラグランジュ微分を適用することができ、対流項が陽に記載されなくなることになる。なお、uは速度,pは圧力,νは拡散係数,fは外部力を意味している。   Equation (2) is a mass conservation law in the MPS method. Ρ on the left side is the fluid density. By making the time derivative of ρ zero, the density is made constant, which is an uncompressed condition in the MPS method. Equation (3) is a momentum conservation law in the MPS method. Since the complete Lagrangian method means that the convection term of the NS equation shown in equation (1) is not discretized, the Lagrangian derivative can be applied to the time derivative of the equation of motion as shown in equation (3), The convection term will not be explicitly described. Note that u represents velocity, p represents pressure, ν represents diffusion coefficient, and f represents external force.

ここで、粒子法では、その特徴の一つとして計算格子を用いていないため、式(2)及び式(3)に示す各微分方程式をどのように離散化するかが問題となるが、これについては、勾配(∇)やラプラシアン(∇)といった微分方程式の微分演算子に対してそれぞれ粒子間相互作用モデルを用意し、その粒子間相互作用モデルを用いて微分方程式を離散化することになる。具体的には、完全ラグランジュ法であるため各粒子はラグランジュ座標系に存在し、有限差分法等のように格子上に離散的に存在することはないため、図6に示すように、ある粒子kから所定の粒子間距離rに位置している粒子sとの相互作用を考慮した重み付け関数(式(4))を定義し、この式(4)を粒子間相互作用モデルとして利用する。
Here, since the particle method does not use a calculation grid as one of its features, it becomes a problem how to discretize each differential equation shown in the equations (2) and (3). For, we prepare a particle interaction model for the differential operators of differential equations such as gradient (∇) and Laplacian (∇ 2 ), and discretize the differential equation using the particle interaction model. Become. Specifically, each particle exists in the Lagrangian coordinate system because it is a complete Lagrangian method, and does not exist discretely on the lattice as in the finite difference method or the like. As shown in FIG. A weighting function (Equation (4)) that considers the interaction with a particle s located at a predetermined interparticle distance r from k is defined, and this equation (4) is used as an interparticle interaction model.

すなわち、式(4)は、粒子kから一定の半径rの範囲内に存在する粒子sについて、粒子kとの粒子間距離rに関する指数関数による重み付け量を与えるものとしている。一方、半径rの範囲外の粒子とは相互作用が無いものとするため、r<rの場合におけるw(r)の値はゼロとしている。 That is, equation (4), for particles s present in the range of particle k of constant radius r e, it is assumed to provide a volume weighted by exponential functions for inter-particle distance r between the particle k. On the other hand, since it is assumed that there is no interaction with particles outside the range of the radius r e , the value of w (r) is zero when r e <r.

そして、粒子kから半径rの範囲内に存在している複数の粒子sに対して、式(4)に示した重み付け関数の和をとったものを粒子数密度と称し、式(5)で定義する。
Then, for a plurality of particles s which are present in a range of particle k of radius r e, called particle number density was taken the sum of the weighting function shown in equation (4), (5) Define in.

ここで、前述したように式(2)及び式(3)に示す各微分方程式には微分演算子として勾配(∇)とラプラシアン(∇)が含まれているので、勾配値とラプラシアン値とをそれぞれ計算する計算式を定義する必要がある。 Here, as described above, since the differential equations shown in the equations (2) and (3) include the gradient (∇) and the Laplacian (∇ 2 ) as differential operators, the gradient value, the Laplacian value, It is necessary to define a calculation formula for calculating each of.

まず、粒子kの位置におけるスカラー値(物理量)φの勾配値の計算式を式(6)のように定義する。これは、図7に示すように、粒子kと粒子sとの間で単純な勾配ベクトルを定義し、重み付け関数w(r)を乗算して平均化したものである。dは空間次元数であり、例えば2次元の場合は2が代入される。なお、非圧縮条件より粒子数密度が一定なので、この一定値をnとしている。
First, the equation for calculating the gradient value of the scalar value (physical quantity) φ at the position of the particle k is defined as in equation (6). As shown in FIG. 7, a simple gradient vector is defined between the particle k and the particle s and averaged by multiplying by the weighting function w (r). d is the number of spatial dimensions. For example, in the case of two dimensions, 2 is substituted. Since the particle number density from the uncompressed condition is constant, and this constant value n 0.

次に、ラプラシアン値の計算式を式(7)のように定義する。これは、図8に示すように、粒子kのスカラー値を粒子sに重み付け関数の分布で分配することを意味している。
Next, a formula for calculating the Laplacian value is defined as shown in Equation (7). As shown in FIG. 8, this means that the scalar value of the particle k is distributed to the particle s with a distribution of weighting functions.

従って、式(6)と式(7)を用いて、式(2)と式(3)の連立方程式を計算することで、粒子の速度u,粒子間距離(=位置)rを求めることができる。   Therefore, by using the equations (6) and (7) and calculating the simultaneous equations of the equations (2) and (3), the particle velocity u and the interparticle distance (= position) r can be obtained. it can.

続いて、具体的な計算アルゴリズムについて説明する。式(3)の圧力項以外の項を計算すること、換言すれば、式(8)と式(9)により、時刻nと時刻n+1との間の中間時刻*における粒子の速度uと位置rを得ることができる。なお、下記のスキームは、数値計算で一般的に用いられているMAC(Market-And-Cell)法に準じている。
Next, a specific calculation algorithm will be described. By calculating the terms other than the pressure term in the equation (3), in other words, by the equations (8) and (9), the velocity u and the position r of the particle at the intermediate time * between the time n and the time n + 1. Can be obtained. The following scheme is based on the MAC (Market-And-Cell) method generally used in numerical calculation.

ここで、非圧縮条件より、粒子数密度を一定値nとする必要がある。しかし、式(9)の段階では粒子数密度nは非圧縮条件を満たしてないため、式(10)を用いて仮の粒子数密度を与えるものとする。
Here, it is necessary to set the particle number density to a constant value n 0 from the non-compressed condition. However, since the particle number density n * does not satisfy the uncompressed condition at the stage of the equation (9), the provisional particle number density is given using the equation (10).

また、非圧縮条件を満たすには圧力項を考慮する必要があるため、圧力に関するポアソン方程式を式(11)と定義し、式(11)の右辺がゼロに収束するように反復計算を全粒子について計算する。
Further, since it is necessary to consider the pressure term to satisfy the incompressible condition, the Poisson equation relating to pressure is defined as Equation (11), and the iterative calculation is performed so that the right side of Equation (11) converges to zero. Calculate about.

そして、ある反復回数での圧力を式(12)に代入して、速度の補正量u’を得る。式(12)は速度uに対する補正量u’を計算する計算式であり、圧力項によって生じているものとしている。
Then, the pressure at a certain number of iterations is substituted into equation (12) to obtain a speed correction amount u ′. Expression (12) is a calculation expression for calculating the correction amount u ′ for the speed u, and is assumed to be caused by the pressure term.

式(12)の補正量u’が時刻nから時刻n+1までに変動した速度変動量となるので、式(13)と式(14)から新しい時刻における粒子の速度と位置を確定することが可能となる。
Since the correction amount u ′ in the equation (12) is the velocity fluctuation amount that fluctuates from the time n to the time n + 1, the velocity and position of the particle at the new time can be determined from the equations (13) and (14). It becomes.

なお、式(11)の計算は、各粒子近傍において反復回数前後での圧力の絶対値の変化が所定の微小値以下に収束するまで続けられる。微小値以下でない場合には、時刻nにおける計算結果を時刻n+1として繰り返して収束するまで計算することになる。
“粒子法による流れの数値解析”、[online]、[平成20年10月27日検索]、インターネット<URL : http://www.nagare.or.jp/nagare/21-3/21-3-t02.pdf> 田村 秀行 監修、“コンピュータ画像処理入門 第5章 画像の特徴抽出と解析・認識”、総研出版、1985年、p.118-125
The calculation of Expression (11) is continued until the change in the absolute value of the pressure around the number of iterations converges to a predetermined minute value or less in the vicinity of each particle. If it is not less than the minute value, the calculation result at time n is repeated as time n + 1 until calculation is completed.
“Numerical analysis of flow by particle method”, [online], [October 27, 2008 search], Internet <URL: http://www.nagare.or.jp/nagare/21-3/21-3 -t02.pdf> Supervised by Hideyuki Tamura, “Introduction to Computer Image Processing, Chapter 5 Image Feature Extraction, Analysis, and Recognition”, Soken Publishing, 1985, p.118-125

しかしながら、画像という対象へ粒子法を適用した事例は殆ど無く、画像は通常限られた画素数で構成されているため、粒子法を単純に適応させることが困難であるという問題があった。また、粒子法における粒子の属性は均一であることを前提としているため、画像での色彩やテクスチャ等の様々な属性に対応させるには粒子数の密度を増減させて近似計算を行い、密度を増加させた場合には計算コストが密度の増加に比例して急増するという問題があった。   However, there are almost no cases where the particle method is applied to an object called an image, and since an image is usually configured with a limited number of pixels, there is a problem that it is difficult to simply apply the particle method. In addition, since particle attributes in the particle method are assumed to be uniform, in order to correspond to various attributes such as color and texture in the image, an approximate calculation is performed by increasing or decreasing the density of the number of particles. When it is increased, there is a problem that the calculation cost increases rapidly in proportion to the increase in density.

本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、粒子法に基づいて画像を変形する画像変形装置、画像変形方法及び画像変形プログラムを提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an image deformation apparatus, an image deformation method, and an image deformation program that deform an image based on a particle method.

第1の請求項に係る発明は、ある画像を蓄積しておく蓄積手段と、前記蓄積手段から前記画像を読み出して、当該画像の各画素について、画素を形成しているRGBの各カラーの成分値に対して所定の重み付け係数をそれぞれ乗算し、当該乗算後の各成分値を加算した値である画像強度と、隣接する2つの画素の前記画像強度の差分に対して0.5を乗算した値であるエッジ強度と、前記RGBをHSVにカラーモデル変換し、対象の画素から一定範囲内の複数画素におけるH・S・Vのうちいずれかの成分の平均値である色彩と、対象の画素から一定範囲内の複数画素について前記Hの成分の総和を計算し、当該総和について高速フーリエ変換して平均化した値であるテクスチャ強度とのうち少なくとも2つ以上の画像特徴量を解析する解析手段と、前記画素を粒子法における粒子とし、重み付け量=exp(画像特徴量/規格化係数)(規格化係数は、当該式で算出される重み付け量が0〜1の範囲に分布するように調整する係数である)の式を用いて前記複数の画像特徴量を複数の重み付け量にそれぞれ変換し、当該複数の重み付け量に所定の重み付け係数をそれぞれ乗算し、当該乗算後の値を加算して、当該加算後の値が最大1.0に収まるように所定の調整係数で除算した値を、前記粒子の重み付け量として、前記粒子法に基づいて当該粒子の動きを計算する動き計算手段と、前記粒子の動きにより移動した画素に基づく変形画像を表示する表示手段と、を有することを要旨とする。 The invention according to the first claim is a storage means for storing a certain image, and the RGB color components forming the pixel for each pixel of the image by reading the image from the storage means. Each value is multiplied by a predetermined weighting coefficient, and the difference between the image intensities obtained by adding the respective component values after the multiplication and the image intensity of two adjacent pixels is multiplied by 0.5. Edge strength as a value, color model conversion of the RGB into HSV, a color that is an average value of any component of H, S, and V in a plurality of pixels within a certain range from the target pixel, and the target pixel the sum of components of said H calculated for a plurality of pixels within a predetermined range, analyzing at least two or more image feature amount of the texture strength is a value obtained by averaging by a fast Fourier transform on the total solution And means, said pixel and particles in the particle method, weighting amount = exp (image feature quantity / normalization factor) (normalized coefficient, as the weighting amount calculated in the equation is distributed in the range of 0 to 1 Each of the plurality of image feature amounts is converted into a plurality of weighting amounts using a formula (which is a coefficient to be adjusted), each of the plurality of weighting amounts is multiplied by a predetermined weighting factor, and the value after the multiplication is added. A motion calculation means for calculating the motion of the particle based on the particle method, using a value obtained by dividing the value by a predetermined adjustment coefficient so that the value after the addition falls within 1.0 at a maximum , And a display means for displaying a deformed image based on the pixels moved by the movement of the particles.

の請求項に係る発明は、前記画素に対して解析された複数の画像特徴量が、当該画素から一定範囲内に含まれる複数画素の画像特徴量に基づいて解析されることを要旨とする。 The gist of the second aspect of the invention is that a plurality of image feature amounts analyzed for the pixel are analyzed based on image feature amounts of a plurality of pixels included in a certain range from the pixel. To do.

の請求項に係る発明は、コンピュータにより、ある画像を蓄積手段に蓄積しておく第1のステップと、前記蓄積手段から前記画像を読み出して、当該画像の各画素について、画素を形成しているRGBの各カラーの成分値に対して所定の重み付け係数をそれぞれ乗算し、当該乗算後の各成分値を加算した値である画像強度と、隣接する2つの画素の前記画像強度の差分に対して0.5を乗算した値であるエッジ強度と、前記RGBをHSVにカラーモデル変換し、対象の画素から一定範囲内の複数画素におけるH・S・Vのうちいずれかの成分の平均値である色彩と、対象の画素から一定範囲内の複数画素について前記Hの成分の総和を計算し、当該総和について高速フーリエ変換して平均化した値であるテクスチャ強度とのうち少なくとも2つ以上の画像特徴量を解析する第2のステップと、前記画素を粒子法における粒子とし、重み付け量=exp(画像特徴量/規格化係数)(規格化係数は、当該式で算出される重み付け量が0〜1の範囲に分布するように調整する係数である)の式を用いて前記複数の画像特徴量を複数の重み付け量にそれぞれ変換し、当該複数の重み付け量に所定の重み付け係数をそれぞれ乗算し、当該乗算後の値を加算して、当該加算後の値が最大1.0に収まるように所定の調整係数で除算した値を、前記粒子の重み付け量として、前記粒子法に基づいて当該粒子の動きを計算する第3のステップと、前記粒子の動きにより移動した画素に基づく変形画像を表示する第4のステップと、を有することを要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a first step of storing a certain image in the storage means by a computer, and reading out the image from the storage means to form a pixel for each pixel of the image. The component value of each RGB color is multiplied by a predetermined weighting coefficient, and the difference between the image intensity which is a value obtained by adding the respective component values after the multiplication and the image intensity of two adjacent pixels is calculated. The edge strength, which is a value obtained by multiplying 0.5 with respect to the color, and RGB color model conversion into HSV, and the average value of any component of H, S, and V in a plurality of pixels within a certain range from the target pixel And the texture intensity, which is a value obtained by calculating the sum of the H components for a plurality of pixels within a certain range from the target pixel and averaging the sum by fast Fourier transform. Also a second step of analyzing two or more image feature amount, the pixel with the particles in the particle method, weighting amount = exp (image feature quantity / normalization factor) (normalized coefficients are calculated in the formula The plurality of image feature amounts are converted into a plurality of weight amounts using a formula of a weighting amount to be distributed in a range of 0 to 1, respectively, and a predetermined weighting is applied to the plurality of weight amounts. A value obtained by multiplying each coefficient, adding the value after the multiplication, and dividing by a predetermined adjustment coefficient so that the value after the addition falls within 1.0 is used as the particle weighting amount. And a fourth step of displaying a deformed image based on a pixel moved by the movement of the particle.

の請求項に係る発明は、前記画素に対して解析された複数の画像特徴量が、
当該画素から一定範囲内に含まれる複数画素の画像特徴量に基づいて解析されることを要旨とする。
In the invention according to the fourth aspect, the plurality of image feature amounts analyzed for the pixel are:
The gist is that the analysis is performed based on image feature amounts of a plurality of pixels included in a certain range from the pixel.

の請求項に係る発明は、請求項3又は4記載の画像変形方法における各ステップをコンピュータによって実行させることを要旨とする。 The gist of the fifth aspect of the invention is to cause each step in the image deformation method according to the third or fourth aspect to be executed by a computer.

本発明によれば、粒子法に基づいて画像を変形する画像変形装置、画像変形方法及び画像変形プログラムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an image deformation device, an image deformation method, and an image deformation program that deform an image based on a particle method.

図1は、本実施の形態に係る画像変形装置の機能構成を示す機能構成図である。この画像変形装置100は、入力部11と、解析部12と、動き計算部13と、表示部14と、蓄積部31とを備えた構成である。   FIG. 1 is a functional configuration diagram illustrating a functional configuration of the image deformation apparatus according to the present embodiment. The image deformation apparatus 100 includes an input unit 11, an analysis unit 12, a motion calculation unit 13, a display unit 14, and a storage unit 31.

入力部11は、例えばうねりの波面や波しぶき等が撮影された画像の入力を受け付ける機能を備えている。   The input unit 11 has a function of receiving an input of an image in which, for example, a wavefront of swell, wave splash, and the like are captured.

蓄積部31は、入力部11で受け付けた後に入力された画像を蓄積しておく機能を備えている。このような蓄積部31としては、例えばメモリ,ハードディスク等の記憶装置を用いることが一般的であり、画像変形装置100の内部のみならず、通信ネットワークを介して電気的に接続可能な外部の記憶装置を用いることも可能である。   The accumulation unit 31 has a function of accumulating images input after being received by the input unit 11. As such a storage unit 31, for example, a storage device such as a memory or a hard disk is generally used, and not only the inside of the image transformation device 100 but also an external storage that can be electrically connected via a communication network. It is also possible to use a device.

解析部12は、蓄積部31から画像を読み出して、その画像を特徴付けている複数の画像特徴量を各画素について解析する機能を備えている。具体的には、画像を構成している各画素について、画像強度,エッジ強度,色彩,テクスチャ強度の画像特徴量をそれぞれ計算する。   The analysis unit 12 has a function of reading an image from the storage unit 31 and analyzing a plurality of image feature quantities characterizing the image for each pixel. Specifically, image feature amounts of image intensity, edge intensity, color, and texture intensity are calculated for each pixel constituting the image.

最初に、画像強度の計算方法について説明する。画素の二次元座標位置を(i,j)とし、その位置における画像強度をI(i,j)とし、1つの画素がR(赤)G(緑)B(青)の3つのカラーで形成されている場合に、解析部12は、式(15)に示すように、各カラーの成分値に対して所定の重み付け係数(a〜a)を乗算し、乗算後の各成分値を加算した値を画素(i,j)の画像強度とする。なお、式(15)で用いる重み付けに関し、その比率(a:a:a)を例えば1:2:1としてもよいが、その総和(a+a+a)を常に1とすることで、1画素における平均的な平均画像強度Iave(i,j)が計算されることになる。
First, a method for calculating the image intensity will be described. The two-dimensional coordinate position of the pixel is (i, j), the image intensity at that position is I (i, j), and one pixel is formed with three colors R (red) G (green) B (blue). In this case, the analysis unit 12 multiplies each color component value by a predetermined weighting coefficient (a 1 to a 3 ), as shown in Expression (15), and calculates each component value after multiplication. The added value is used as the image intensity of the pixel (i, j). Regarding the weighting used in the equation (15), the ratio (a 1 : a 2 : a 3 ) may be set to 1: 2: 1, for example, but the sum (a 1 + a 2 + a 3 ) is always set to 1. Thus, an average average image intensity I ave (i, j) in one pixel is calculated.

続いて、エッジ強度の計算方法について説明する。エッジとは、画素の強度値が著しく変化している部分であって、撮影された波面等の輪郭線やテクスチャ等にみられる視覚的な変動が非常に大きい部分である。解析部12は、式(16)に示すように、左右に隣接する隣接画素Aの平均画像強度値Iave(i+1,j)と隣接画素Bの平均画像強度値Iave(i−1,j)との差分を平均化した値を画素(i,j)のエッジ強度Iedge(i,j)とする。
Next, a method for calculating edge strength will be described. An edge is a portion where the intensity value of a pixel has changed remarkably, and is a portion where the visual variation seen in the contour line, texture, etc. of a wavefront taken is very large. Analyzer 12, as shown in equation (16), the average image intensity value I ave (i + 1, j ) and the average image intensity value I ave (i-1, j adjacent pixels B neighboring pixel A adjacent to the right and left The value obtained by averaging the difference from) is the edge intensity I edge (i, j) of the pixel (i, j).

なお、式(16)は、左右に隣接する画素を用いてエッジ強度を計算するものであるが、上下に隣接する画素を用いることや、上下左右の4つの隣接画素を用いることも可能である。また、式(16)は、式(15)を用いて計算された平均画像強度値を用いて計算するものであるが、蓄積部31から読み出された画像の画像強度値をそのまま用いることも可能である。   Note that Equation (16) calculates edge strength using pixels adjacent to the left and right, but it is also possible to use pixels adjacent vertically and to use four adjacent pixels vertically and horizontally. . Equation (16) is calculated using the average image intensity value calculated using Equation (15), but the image intensity value of the image read from the storage unit 31 may be used as it is. Is possible.

次に、色彩の計算方法について説明する。解析部12は、蓄積部31から読み出したRGB画像をHSV(Hue(色相),Satulation(彩度),Value(明度))画像へカラーモデル変換し、式(17)に示すように、画素(i,j)の近傍に位置する近傍画素の集合(si,sj)についてH成分(色相成分)のみの平均値を画素(i,j)の色彩とする。NNはその集合の画素数であり、例えば3×3が近傍画素の集合である場合には、画素数NNは9となる。
Next, a color calculation method will be described. The analysis unit 12 performs color model conversion of the RGB image read from the storage unit 31 into an HSV (Hue (Hue), Satulation (saturation), Value (brightness)) image, and, as shown in Expression (17), the pixel ( The average value of only the H component (hue component) of the set of neighboring pixels (si, sj) located in the vicinity of i, j) is the color of the pixel (i, j). NN is the number of pixels in the set. For example, when 3 × 3 is a set of neighboring pixels, the number of pixels NN is nine.

なお、式(17)は色相を用いて色彩を計算するものであるが、彩度や明度を用いることや、RGBの成分値をそのまま用いることも可能である。   Note that Equation (17) calculates the hue using the hue, but it is also possible to use the saturation or brightness, or to use the RGB component values as they are.

最後に、テクスチャ強度の計算方法について説明する。ここでは、テクスチャ強度を計算するに際して空間周波数成分を用いる。具体的には、解析部12は、式(18)に示すように、画素(i,j)の近傍に位置する近傍画素の集合(si,sj)についてH成分(色相成分)の総和を計算し、その総和について高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)して平均化した値を画素(i,j)のテクスチャ強度とする。
Finally, a method for calculating the texture strength will be described. Here, the spatial frequency component is used when calculating the texture intensity. Specifically, as shown in Expression (18), the analysis unit 12 calculates the sum of H components (hue components) for a set of neighboring pixels (si, sj) located in the vicinity of the pixel (i, j). Then, a value obtained by averaging the sum by fast Fourier transform (FFT) is set as the texture intensity of the pixel (i, j).

なお、画像強度,エッジ強度,色彩,テクスチャ強度とは画像特徴量の一例であって、その他の画像特徴量を用いてもよい。また、それら4つの画像特徴量を常に用いる必要もなく、2つや3つの画像特徴量を用いてもよい。さらに、式(15)〜式(18)で示した各計算式は各画像特徴量を計算する一例であって、各画像特徴量を特徴付けている他の成分を用いて計算することも可能である。   Note that the image strength, edge strength, color, and texture strength are examples of image feature amounts, and other image feature amounts may be used. Further, it is not always necessary to use these four image feature amounts, and two or three image feature amounts may be used. Furthermore, each calculation formula shown in Expression (15) to Expression (18) is an example of calculating each image feature amount, and it is also possible to calculate using other components characterizing each image feature amount. It is.

動き計算部13は、画像を構成している画素を粒子法における粒子とみなし、その画素に対して解析された複数の画像特徴量を粒子の重み付け量として、粒子法に基づいて粒子の動きを計算する機能を備えている。具体的には、図2に示すように、解析部12で解析された画像強度,エッジ強度,色彩,テクスチャ強度を、同一基準で一定の範囲に変換可能な線形(一次方程式等)や非線形(指数関数,二次関数等)の変換関数を用いて所定の重み付け量にそれぞれ変換する。例えば画像強度の場合、式(19)に示すように、0〜1の範囲に分布するように変換する変換関数を用いる。なお、規格化係数とは、算出される重み付け量が0〜1の範囲に分布するように調整される係数である。
The motion calculation unit 13 regards pixels constituting the image as particles in the particle method, and uses a plurality of image feature amounts analyzed for the pixels as particle weighting amounts to calculate the particle motion based on the particle method. Has the function to calculate. Specifically, as shown in FIG. 2, image intensity, edge intensity, color, and texture intensity analyzed by the analysis unit 12 can be converted into a certain range on the same basis (linear equation or the like) or nonlinear ( Each is converted into a predetermined weighting amount using a conversion function of an exponential function, a quadratic function, or the like. For example, in the case of image intensity, a conversion function for converting the image intensity so as to be distributed in the range of 0 to 1 is used as shown in Expression (19). The normalization coefficient is a coefficient that is adjusted so that the calculated weighting amount is distributed in the range of 0 to 1.

その後、動き計算部13は、0〜1の範囲内の各重み付け量に所定の重み付けをそれぞれ施して一定の範囲に収束させた重み付け量を各画素について計算する。すなわち、画像強度,エッジ強度,色彩,テクスチャ強度における重み付け量をそれぞれwint(i,j),wedge(i,j),whue(i,j),wtex(i,j)とした場合に、式(20)に示すように、それら各重み付け量に対して重み付け係数(b〜b)をそれぞれ乗算し、乗算後の値を加算した値wave(i,j)を計算する。なお、WNは、算出される重み付け量が最大1.0に収まるように調整する係数である。
Thereafter, the motion calculation unit 13 calculates, for each pixel, a weighting amount obtained by applying a predetermined weighting to each weighting amount in the range of 0 to 1 and converging the weighting amount to a certain range. That is, the weighting amounts in the image strength, edge strength, color, and texture strength are set to w int (i, j), w edge (i, j), w hue (i, j), and w tex (i, j), respectively. In this case, as shown in the equation (20), the weighting coefficients (b 1 to b 4 ) are respectively multiplied with the respective weighting amounts, and a value w ave (i, j) obtained by adding the values after the multiplication is calculated. To do. Note that WN is a coefficient that is adjusted so that the calculated weighting amount falls within 1.0 at the maximum.

そして、動き計算部13は、計算されたwave(i,j)を粒子法における粒子の重み付け量とし、すなわち、図3に示すように、粒子kと粒子sにそれぞれ対応する各画素の重み付け量を式(5)のrとrにそれぞれ乗算した式(21)を用いて、前述した式(6)〜式(14)の粒子法の計算処理に従って各粒子の時系列的な動きを計算することにより、新たな時間における粒子(画素)の速度と位置を計算する。
Then, the motion calculation unit 13 sets the calculated w ave (i, j) as the weighting amount of the particle in the particle method, that is, as shown in FIG. 3, the weighting of each pixel corresponding to the particle k and the particle s, respectively. The time-series movement of each particle according to the calculation method of the particle method of Equations (6) to (14) described above using Equation (21) obtained by multiplying the amount rs and rk of Equation (5) by each amount To calculate the velocity and position of the particles (pixels) at the new time.

表示部14は、動き計算部13によって計算された粒子の動きによって移動した画素に基づく変形画像を表示する機能を備えている。   The display unit 14 has a function of displaying a deformed image based on the pixel moved by the particle motion calculated by the motion calculation unit 13.

続いて、本実施の形態に係る画像変形装置の処理フローについて説明する。図4は、本実施の形態に係る画像変形装置の処理フローを示すフロー図である。最初に、入力部11が、所定の対象が撮影された画像の入力を受け付ける(ステップS101)。次に、蓄積部31が、受け付けた後に入力された画像を蓄積する(ステップS102)。   Subsequently, a processing flow of the image deformation apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 4 is a flowchart showing a processing flow of the image transformation apparatus according to the present embodiment. First, the input unit 11 receives an input of an image obtained by photographing a predetermined target (step S101). Next, the storage unit 31 stores the input image after receiving it (step S102).

続いて、解析部12は、入力された画像を特徴付けている画像強度,エッジ強度,色彩,テクスチャ強度に関する画像特徴量を各画素についてそれぞれ解析する(ステップS103)。   Subsequently, the analysis unit 12 analyzes the image feature amount relating to the image strength, edge strength, color, and texture strength characterizing the input image for each pixel (step S103).

そして、動き計算部13が、解析された画像強度,エッジ強度,色彩,テクスチャ強度を、同一基準で一定の範囲に変換可能な変換関数を用いて重み付け量にそれぞれ変換し、変換された各重み付け量に所定の重み付けをそれぞれ施して一定の範囲に収束させた重み付け量を各画素について計算し、収束後の重み付け量を粒子法における粒子の重み付け量として、粒子法に基づいて粒子の動きを計算する(ステップS104)。   Then, the motion calculation unit 13 converts the analyzed image intensity, edge intensity, color, and texture intensity into weighting amounts using a conversion function that can be converted into a certain range based on the same reference, and the converted weightings. Calculates the amount of weight that is converged to a certain range by applying a predetermined weight to the amount for each pixel, and calculates the movement of particles based on the particle method using the weighted amount after convergence as the particle weight in the particle method. (Step S104).

最後に、表示部14が、粒子の動きにより移動した画素に基づいて変形した対象の画像を表示する(ステップS105)。   Finally, the display unit 14 displays the target image deformed based on the pixels moved by the movement of the particles (step S105).

図5は、本実施の形態に係る画像変形装置により画像が変形される状態を示す図である。図5(a)に示すような複雑なテクスチャが表現された画像に対し、図5(b)に示すように変形の対象範囲をマウスを用いて選択し、選択した対象のまわりに初期の速度場として複数の初期速度ベクトルを定義する。外部力fを重力(9.8),半径rの範囲を10画素とし、圧力については初期値ゼロを与え、図4に示した処理フローに従って画像強度,エッジ強度,色彩,テクスチャ強度に基づく重み付け量を計算し、更に式(13)や式(14)を用いて反復計算した結果、図5(c)に示すように粒子の大きな変位と移動を高速に実現することが可能となり、その結果、選択した複数の対象範囲の形状が変化していくことを確認することが可能となった。なお、完全ラグランジュ法であるが、渦や回転の変形や色彩の変化についても同時に実現可能となり、リアル性が醸し出されているのも特徴的であると言える。 FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which an image is deformed by the image deformation device according to the present embodiment. For an image in which a complex texture as shown in FIG. 5 (a) is expressed, a deformation target range is selected using a mouse as shown in FIG. 5 (b), and an initial speed around the selected target is displayed. Define multiple initial velocity vectors as a field. The external force f gravity (9.8), the range of radius r e is 10 pixels, given an initial value zero for pressure, based image intensity, the edge intensity, color, texture intensity in accordance with the processing flow shown in FIG. 4 As a result of calculating the weighting amount and further repeatedly calculating using the equations (13) and (14), it becomes possible to realize large displacement and movement of the particles at high speed as shown in FIG. As a result, it was possible to confirm that the shapes of the selected target ranges changed. Although it is a complete Lagrangian method, it can be said that it is possible to realize vortex and rotation deformation and color change at the same time, and it is also characterized by the realism.

本実施の形態によれば、画像を特徴付けている複数の画像特徴量を各画素について解析し、画素を粒子法における粒子とし、その画素に対して解析された複数の画像特徴量を粒子の重み付け量として、粒子法に基づいて各粒子の動きを計算するので、1枚の画像を用いて画像の対象を変形することが可能になると共に、簡易かつ高速に変形を表現することが可能となる。   According to the present embodiment, a plurality of image feature quantities characterizing an image are analyzed for each pixel, the pixel is a particle in the particle method, and the plurality of image feature quantities analyzed for the pixel are the particle features. As the weighting amount, the movement of each particle is calculated based on the particle method, so that it is possible to deform the object of the image using a single image and to express the deformation easily and at high speed. Become.

最後に、各実施の形態で説明した画像変形装置は、コンピュータで構成され、各機能ブロックの各処理はプログラムで実行されるようになっている。また、各実施の形態で説明した画像変形装置の各処理動作をプログラムとして例えばコンパクトディスクやフロッピー(登録商標)ディスク等の記録媒体に記録して、この記録媒体をコンピュータに組み込んだり、若しくは記録媒体に記録されたプログラムを、任意の通信回線を介してコンピュータにダウンロードしたり、又は記録媒体からインストールし、該プログラムでコンピュータを動作させることにより、上述した各処理動作を画像変形装置として機能させることができるのは勿論である。   Finally, the image transformation apparatus described in each embodiment is configured by a computer, and each process of each functional block is executed by a program. In addition, each processing operation of the image deformation apparatus described in each embodiment is recorded as a program on a recording medium such as a compact disk or a floppy (registered trademark) disk, and this recording medium is incorporated in a computer or a recording medium. The program recorded in the above can be downloaded to a computer via an arbitrary communication line, or installed from a recording medium, and the computer is operated by the program, thereby causing each processing operation described above to function as an image transformation device. Of course you can.

なお、本実施の形態で説明した画像変形装置は、特にマルチメディア分野,符号化分野,通信分野,映像監視分野の技術分野において応用可能であることを付言しておく。   It should be noted that the image transformation apparatus described in the present embodiment can be applied particularly in the technical fields of the multimedia field, the coding field, the communication field, and the video surveillance field.

本実施の形態に係る画像変形装置の機能構成を示す機能構成図である。It is a functional block diagram which shows the functional structure of the image deformation apparatus which concerns on this Embodiment. 動き計算部における処理を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the process in a motion calculation part. 粒子法の粒子と画像の画素とを対応付けた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which matched the particle | grains of the particle method, and the pixel of the image. 本実施の形態に係る画像変形装置の処理フローを示すフロー図である。It is a flowchart which shows the processing flow of the image transformation apparatus which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る画像変形装置により画像が変形される状態を示す図である。It is a figure which shows the state in which an image is deform | transformed by the image deformation apparatus which concerns on this Embodiment. 粒子法における粒子間相互作用を示す図である。It is a figure which shows the interaction between particle | grains in a particle method. 粒子sに対する粒子kの勾配値を示す図である。It is a figure which shows the gradient value of particle | grains k with respect to particle | grains s. 粒子sに対する粒子kのラプラシアン値を示す図である。It is a figure which shows the Laplacian value of particle | grains k with respect to particle | grains s.

符号の説明Explanation of symbols

11…入力部
12…解析部
13…動き計算部
14…表示部
31…蓄積部
100…画像変形装置
S101〜S105…ステップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Input part 12 ... Analysis part 13 ... Motion calculation part 14 ... Display part 31 ... Accumulation part 100 ... Image deformation device S101-S105 ... Step

Claims (5)

ある画像を蓄積しておく蓄積手段と、
前記蓄積手段から前記画像を読み出して、当該画像の各画素について、画素を形成しているRGBの各カラーの成分値に対して所定の重み付け係数をそれぞれ乗算し、当該乗算後の各成分値を加算した値である画像強度と、隣接する2つの画素の前記画像強度の差分に対して0.5を乗算した値であるエッジ強度と、前記RGBをHSVにカラーモデル変換し、対象の画素から一定範囲内の複数画素におけるH・S・Vのうちいずれかの成分の平均値である色彩と、対象の画素から一定範囲内の複数画素について前記Hの成分の総和を計算し、当該総和について高速フーリエ変換して平均化した値であるテクスチャ強度とのうち少なくとも2つ以上の画像特徴量を解析する解析手段と、
前記画素を粒子法における粒子とし、重み付け量=exp(画像特徴量/規格化係数)(規格化係数は、当該式で算出される重み付け量が0〜1の範囲に分布するように調整する係数である)の式を用いて前記複数の画像特徴量を複数の重み付け量にそれぞれ変換し、当該複数の重み付け量に所定の重み付け係数をそれぞれ乗算し、当該乗算後の値を加算して、当該加算後の値が最大1.0に収まるように所定の調整係数で除算した値を、前記粒子の重み付け量として、前記粒子法に基づいて当該粒子の動きを計算する動き計算手段と、
前記粒子の動きにより移動した画素に基づく変形画像を表示する表示手段と、
を有することを特徴とする画像変形装置。
Storage means for storing an image;
The image is read from the storage means, and for each pixel of the image, each RGB component color forming the pixel is multiplied by a predetermined weighting coefficient, and each component value after the multiplication is obtained. The image intensity that is the added value, the edge intensity that is a value obtained by multiplying the difference between the image intensities of two adjacent pixels by 0.5, and the RGB color model converted to HSV, Calculate the sum of H, S, and V of a component within a certain range as the average value of any component of H, S, and V, and the sum of the H components for a plurality of pixels within a certain range from the target pixel. An analysis means for analyzing at least two or more image features out of the texture intensity which is an averaged value by fast Fourier transform ;
The pixel is a particle in the particle method, and weighting amount = exp (image feature amount / normalization coefficient) (the normalization coefficient is a coefficient that is adjusted so that the weighting amount calculated by the equation is distributed in the range of 0 to 1. Each of the plurality of image feature amounts is converted into a plurality of weighting amounts using a formula (1)), the predetermined weighting coefficients are respectively multiplied by the plurality of weighting amounts, and the value after the multiplication is added, A motion calculation means for calculating a motion of the particle based on the particle method, using a value obtained by dividing the value by a predetermined adjustment coefficient so that the value after addition falls within a maximum of 1.0, as a weighting amount of the particle;
Display means for displaying a deformed image based on pixels moved by the movement of the particles;
An image transformation device comprising:
前記画素に対して解析された複数の画像特徴量は、
当該画素から一定範囲内に含まれる複数画素の画像特徴量に基づいて解析されることを特徴とする請求項記載の画像変形装置。
The plurality of image feature amounts analyzed for the pixel are:
2. The image deformation device according to claim 1 , wherein the image deformation device is analyzed based on image feature amounts of a plurality of pixels included within a certain range from the pixel.
コンピュータにより、
ある画像を蓄積手段に蓄積しておく第1のステップと、
前記蓄積手段から前記画像を読み出して、当該画像の各画素について、画素を形成しているRGBの各カラーの成分値に対して所定の重み付け係数をそれぞれ乗算し、当該乗算後の各成分値を加算した値である画像強度と、隣接する2つの画素の前記画像強度の差分に対して0.5を乗算した値であるエッジ強度と、前記RGBをHSVにカラーモデル変換し、対象の画素から一定範囲内の複数画素におけるH・S・Vのうちいずれかの成分の平均値である色彩と、対象の画素から一定範囲内の複数画素について前記Hの成分の総和を計算し、当該総和について高速フーリエ変換して平均化した値であるテクスチャ強度とのうち少なくとも2つ以上の画像特徴量を解析する第2のステップと、
前記画素を粒子法における粒子とし、重み付け量=exp(画像特徴量/規格化係数)(規格化係数は、当該式で算出される重み付け量が0〜1の範囲に分布するように調整する係数である)の式を用いて前記複数の画像特徴量を複数の重み付け量にそれぞれ変換し、当該複数の重み付け量に所定の重み付け係数をそれぞれ乗算し、当該乗算後の値を加算して、当該加算後の値が最大1.0に収まるように所定の調整係数で除算した値を、前記粒子の重み付け量として、前記粒子法に基づいて当該粒子の動きを計算する第3のステップと、
前記粒子の動きにより移動した画素に基づく変形画像を表示する第4のステップと、
を有することを特徴とする画像変形方法。
By computer
A first step of storing an image in the storage means;
The image is read from the storage means, and for each pixel of the image, each RGB component color forming the pixel is multiplied by a predetermined weighting coefficient, and each component value after the multiplication is obtained. The image intensity that is the added value, the edge intensity that is a value obtained by multiplying the difference between the image intensities of two adjacent pixels by 0.5, and the RGB color model converted to HSV, Calculate the sum of H, S, and V of a component within a certain range as the average value of any component of H, S, and V, and the sum of the H components for a plurality of pixels within a certain range from the target pixel. A second step of analyzing at least two or more image feature quantities of texture intensity which is a value averaged by fast Fourier transform ;
The pixel is a particle in the particle method, and weighting amount = exp (image feature amount / normalization coefficient) (the normalization coefficient is a coefficient that is adjusted so that the weighting amount calculated by the equation is distributed in the range of 0 to 1. Each of the plurality of image feature amounts is converted into a plurality of weighting amounts using a formula (1)), the predetermined weighting coefficients are respectively multiplied by the plurality of weighting amounts, and the value after the multiplication is added, A third step of calculating the movement of the particle based on the particle method, with a value obtained by dividing by a predetermined adjustment coefficient so that the value after addition is within 1.0 at maximum ,
A fourth step of displaying a deformed image based on the pixels moved by the movement of the particles;
An image deformation method characterized by comprising:
前記画素に対して解析された複数の画像特徴量は、
当該画素から一定範囲内に含まれる複数画素の画像特徴量に基づいて解析されることを特徴とする請求項記載の画像変形方法。
The plurality of image feature amounts analyzed for the pixel are:
4. The image deformation method according to claim 3, wherein analysis is performed based on image feature amounts of a plurality of pixels included within a certain range from the pixel.
請求項3又は4記載の画像変形方法における各ステップをコンピュータによって実行させることを特徴とする画像変形プログラム。 5. An image deformation program that causes a computer to execute each step in the image deformation method according to claim 3 or 4 .
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