JP5355377B2 - 画像パターン照合装置および方法 - Google Patents
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Description
本発明は、画像パターン照合装置および方法に関するものである。
第１画像パターンと第２画像パターンとを互いに照合する画像パターン照合は、画像の解析・認識などの様々な分野で重要な基本的な処理である。例えば、被写体を第１カメラにより撮像することで第１画像パターンを得るとともに、該被写体を第２カメラにより撮像することで第２画像パターンを得て、これら第１画像パターンと第２画像パターンとを互いに照合することで、被写体の三次元形状を求めることができる。また、例えば、互いに異なる時刻に共通のカメラにより被写体を撮像することで第１画像パターンおよび第２画像パターンを得て、これら第１画像パターンと第２画像パターンとを互いに照合することで、被写体の動きを測定することができる。このような画像パターン照合技術として幾つかの技術が知られている。
第１の画像パターン照合技術では、第１画像パターンを表す第１画像データ（または、その一部）をｘ方向へａｘピクセル分だけ移動させるとともにｙ方向へａｙピクセル分だけ移動させたものと、第２画像パターンを表す第２画像データ（または、その一部）とを対比して、両者の類似度を求める。様々な移動量（ａｘ，ａｙ）に対する類似度を求めて、二次元平面（ａｘ，ａｙ）における類似度分布を作成する。そして、この類似度分布において類似度がピークとなる移動量（ａｘ，ａｙ）を、第１画像パターンと第２画像パターンとの間の相対変位量を表すものとして求める。
この第１の画像パターン照合技術において、第１画像パターンと第２画像パターンとの間の相対変位量をピクセルピッチの単位で求める方法だけでなく、ピクセルピッチ未満の分解能で求める方法も知られている（特許文献１参照）。後者の場合、二次元平面（ａｘ，ａｙ）における類似度分布が所定の形状を有するものと仮定して、その仮定の下に相対変位量をピクセルピッチ未満の分解能で求める。
第２の画像パターン照合技術（特許文献２〜４および非特許文献１を参照）では、第１画像パターンを表す第１画像データ（または、その一部）ｐを離散的フーリエ変換してデータＰ（＝Ｆ[ｐ]）を得るとともに、第２画像パターンを表す第２画像データ（または、その一部）ｑを離散的フーリエ変換してデータＱ（＝Ｆ[ｑ]）を得る。さらに、データＰおよびデータＱそれぞれの振幅を一定値とした上で、データＰとデータＱの複素共役Ｑ＊との積を表すデータＲ（＝ＰＱ＊）を求め、このデータＲを離散的逆フーリエ変換して相関データｒ（＝Ｆ-1[Ｒ]）を求める。そして、この相関データｒにおける中心位置からピーク位置への変位量を、第１画像パターンと第２画像パターンとの間の相対変位量を表すものとして求める。Ｆは離散的フーリエ変換を表す。Ｆ-1は離散的逆フーリエ変換を表す。
この第２の画像パターン照合技術においても、第１画像パターンと第２画像パターンとの間の相対変位量をピクセルピッチの単位で求める方法だけでなく、ピクセルピッチ未満の分解能で求める方法も知られている。後者の場合、相関データｒの分布が所定の形状を有するものと仮定して、その仮定の下に相対変位量をピクセルピッチ未満の分解能で求める。
青木孝文、他、「位相限定相関法に基づく高精度マシンビジョン − ピクセル分解能の壁を越える画像センシング技術を目指して −」、Fundamentals Review,Vol.1, No.1, pp.30-40 (2007).
しかしながら、上記従来の第１および第２の画像パターン照合技術は、類似度分布または相関データが或る形状を有するとの仮定の下に相対変位量をピクセルピッチ未満の分解能で求めるものであることから、その仮定が妥当でない場合には相対変位量を正確に求めることができない。
また、上記従来の第２の画像パターン照合技術は、フーリエ変換データＰ，Ｑそれぞれの振幅を一定値とした上で相関データｒを求めるものであることから、本来は振幅が少ないため相関データのピーク位置に影響を与えることの少ない位相値について振幅を一定値に持ち上げることになって、相関データｒのピーク位置に影響を与える。特に、フーリエ変換の面積が少ない場合、それらの位相のランダム性による打ち消しの効果が少なくなるので、相関データのピーク位置は曖昧となる。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、第１画像パターンと第２画像パターンとの間の相対変位量をピクセルピッチ未満の分解能で正確に求めることができる画像パターン照合装置および方法を提供することを目的とする。
本発明に係る画像パターン照合装置は、(1) 第１画像パターンと第２画像パターンとの対応関係をピクセルピッチの単位で求め、第１画像パターンにおける特定位置に対する第２画像パターンにおける対応位置の相対変位量（ａｘ，ａｙ）を求める第１変位量演算部と、(2) 第１画像パターンを表す第１画像データのうち特定位置を中心とする画像データｐ１に対して離散的フーリエ変換を施して、その離散的フーリエ変換後のデータＰ１を求めるフーリエ変換部と、(3) ピクセルピッチ未満の相対変位量に相当する傾斜位相をデータＰ１に付与して、その付与後のデータＰ２を求める傾斜位相付与部と、(4) データＰ２に対して離散的逆フーリエ変換を施して、その離散的逆フーリエ変換後の画像データｐ２を求める逆フーリエ変換部と、(5) 第２画像パターンを表す第２画像データのうち対応位置を中心とする画像データｑと画像データｐ２とを比較して、両者の類似度を求める類似度演算部と、(6) 傾斜位相付与部において付与される傾斜位相を変化させながら傾斜位相付与部，逆フーリエ変換部および類似度演算部の各処理を繰り返させて、類似度演算部において求められる類似度が最も大きくなる傾斜位相を求め、その傾斜位相に基づいて画像データｐ１に対する画像データｑの相対変位量（ｓｘ，ｓｙ）を求めて、第１画像パターンにおける特定位置に対する第２画像パターンにおける対応位置の相対変位量（ａｘ＋ｓｘ，ａｙ＋ｓｙ）を求める第２変位量演算部と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る画像パターン照合方法は、(1) 第１画像パターンと第２画像パターンとの対応関係をピクセルピッチの単位で求め、第１画像パターンにおける特定位置に対する第２画像パターンにおける対応位置の相対変位量（ａｘ，ａｙ）を求める第１変位量演算ステップと、(2) 第１画像パターンを表す第１画像データのうち特定位置を中心とする画像データｐ１に対して離散的フーリエ変換を施して、その離散的フーリエ変換後のデータＰ１を求めるフーリエ変換ステップと、(3) ピクセルピッチ未満の相対変位量に相当する傾斜位相をデータＰ１に付与して、その付与後のデータＰ２を求める傾斜位相付与ステップと、(4) データＰ２に対して離散的逆フーリエ変換を施して、その離散的逆フーリエ変換後の画像データｐ２を求める逆フーリエ変換ステップと、(5) 第２画像パターンを表す第２画像データのうち対応位置を中心とする画像データｑと画像データｐ２とを比較して、両者の類似度を求める類似度演算ステップと、を備えことを特徴とする。さらに、本発明に係る画像パターン照合方法は、傾斜位相付与ステップにおいて付与される傾斜位相を変化させながら傾斜位相付与ステップ，逆フーリエ変換ステップおよび類似度演算ステップの各処理を繰り返させて、類似度演算ステップにおいて求められる類似度が最も大きくなる傾斜位相を求め、その傾斜位相に基づいて画像データｐ１に対する画像データｑの相対変位量（ｓｘ，ｓｙ）を求めて、第１画像パターンにおける特定位置に対する第２画像パターンにおける対応位置の相対変位量（ａｘ＋ｓｘ，ａｙ＋ｓｙ）を求めることを特徴とする。
本発明によれば、第１画像パターンと第２画像パターンとの間の相対変位量をピクセルピッチ未満の分解能で正確に求めることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本実施形態に係る画像パターン照合装置１の構成を示す図である。本実施形態に係る画像パターン照合装置１は、第１変位量演算部１１、フーリエ変換部１２、傾斜位相付与部１３、逆フーリエ変換部１４、類似度演算部１５および第２変位量演算部１６を備える。
第１変位量演算部１１は、第１画像パターンと第２画像パターンとを入力し、両者の対応関係をピクセルピッチの単位で求めて、第１画像パターンにおける特定位置に対する第２画像パターンにおける対応位置の相対変位量（ａｘ，ａｙ）を求める。この第１変位量演算部１１においてピクセルピッチの単位で相対変位量（ａｘ，ａｙ）を求めるには、第１画像パターンを表す第１画像データ（または、その一部）をｘ方向へａｘピクセル分だけ移動させるとともにｙ方向へａｙピクセル分だけ移動させたものと、第２画像パターンを表す第２画像データ（または、その一部）とを対比して、両者の類似度を求める。様々な移動量（ａｘ，ａｙ）に対する類似度を求めて、二次元平面（ａｘ，ａｙ）における類似度分布を作成する。そして、この類似度分布において類似度がピークとなる移動量（ａｘ，ａｙ）を、第１画像パターンと第２画像パターンとの間の相対変位量を表すものとして求める。類似度としては、対応する画素毎の両画像データの差の絶対値和や相関係数が用いられる。
フーリエ変換部１２は、第１画像パターンを表す第１画像データのうち特定位置を中心とする画像データｐ１に対して離散的フーリエ変換を施して、その離散的フーリエ変換後のデータＰ１を求める。すなわち、フーリエ変換部１２は以下の演算を行う。Ｆは離散的フーリエ変換を表す。
Ｐ１＝Ｆ[ｐ１] …(1)
傾斜位相付与部１３は、フーリエ変換部１２により求められたデータＰ１に対して、ピクセルピッチ未満の相対変位量（ｓｘ，ｓｙ）に相当する傾斜位相（φｘ，φｙ）を付与して、その付与後のデータＰ２を求める。すなわち、傾斜位相付与部１３は以下の演算を行う。Ｎｘ×ＮｙはデータＰ１のサイズである。ｋｘ，ｋｙはフーリエ空間での座標値である。
Ｐ２＝Ｐ１・exp(ｉ(φｘｋｘ＋φｙｋｙ)) …(2)
φｘ＝(２π／Ｎｘ)・ｓｘ …(3)
φｙ＝(２π／Ｎｙ)・ｓｙ …(4)
φｘ＝(２π／Ｎｘ)・ｓｘ …(3)
φｙ＝(２π／Ｎｙ)・ｓｙ …(4)
逆フーリエ変換部１４は、傾斜位相付与部１３により求められたデータＰ２に対して離散的逆フーリエ変換を施して、その離散的逆フーリエ変換後の画像データｐ２を求める。すなわち、逆フーリエ変換部１４は以下の演算を行う。Ｆ-1は離散的逆フーリエ変換を表す。なお、傾斜位相量（φｘｋｘ＋φｙｋｙ）が０〜２πの範囲を超える場合には、傾斜位相量（φｘｋｘ＋φｙｋｙ）を２πで除算したときの剰余を用いる。
ｐ２＝Ｆ-1[Ｐ２] …(5)
この逆フーリエ変換部１４により求められた画像データｐ２は、元の画像データｐ１に対して相対変位量（ｓｘ，ｓｙ）だけ平行移動したものとなる。ｓｘ，ｓｙはピクセルピッチ未満の量である。
類似度演算部１５は、第２画像パターンを表す第２画像データのうち対応位置を中心とする画像データｑと、逆フーリエ変換部１４により求められた画像データｐ２とを比較して、両者の類似度を求める。類似度としては、対応する画素毎の両画像データの差の絶対値和や相関係数が用いられる。
第２変位量演算部１６は、傾斜位相付与部１３において付与される傾斜位相（φｘ，φｙ）を変化させながら傾斜位相付与部１３，逆フーリエ変換部１４および類似度演算部１５の各処理を繰り返させる。そして、第２変位量演算部１６は、類似度演算部１５において求められる類似度が最も大きくなる傾斜位相（φｘ，φｙ）を求め、その傾斜位相（φｘ，φｙ）に基づいて画像データｐ１に対する画像データｑの相対変位量（ｓｘ，ｓｙ）を求めて、第１画像パターンにおける特定位置に対する第２画像パターンにおける対応位置の相対変位量（ａｘ＋ｓｘ，ａｙ＋ｓｙ）を求める。
次に、本実施形態に係る画像パターン照合装置１の動作について説明するとともに、本実施形態に係る画像パターン照合方法について説明する。図２は、本実施形態に係る画像パターン照合方法を示すフローチャートである。図３は、本実施形態に係る画像パターン照合装置１の第１変位量演算部１１または本実施形態に係る画像パターン照合方法の第１変位量演算ステップＳ１１における処理を説明する図である。また、図４は、本実施形態に係る画像パターン照合方法の各ステップで求められるデータを示す図である。
本実施形態に係る画像パターン照合方法は、図２に示されるように、第１変位量演算ステップＳ１１、フーリエ変換ステップＳ１２、傾斜位相付与ステップＳ１３、逆フーリエ変換ステップＳ１４、類似度演算ステップＳ１５、最大類似度更新ステップＳ１６および終了判断ステップＳ１７を備える。
第１変位量演算ステップＳ１１では、第１変位量演算部１１により、図３に示されるように、第１画像パターン２１と第２画像パターン２２との対応関係がピクセルピッチの単位で求められて、第１画像パターン２１における特定位置３１に対する第２画像パターン２２における対応位置３２の相対変位量（ａｘ，ａｙ）が求められる。
フーリエ変換ステップＳ１２では、フーリエ変換部１２により、第１画像パターン２１を表す第１画像データのうち特定位置３１を中心とする所定範囲４１の画像データｐ１に対して離散的フーリエ変換が施されて、その離散的フーリエ変換後のデータＰ１が求められる（上記(1)式）。なお、第１画像データが強度データ（図４（ａ））である場合には、その強度データの平方根の値が画像データｐ１の振幅とされ（図４（ｂ））、画像データｐ１の位相については値０とされる（図４（ｃ））。そして、この画像データｐ１の振幅および位相が用いられて離散的フーリエ変換が行われ、その離散的フーリエ変換後のデータＰ１の振幅（図４（ｄ））および位相（図４（ｅ））が求められる。
傾斜位相付与ステップＳ１３では、傾斜位相付与部１３により、フーリエ変換ステップＳ１２で求められたデータＰ１に対して、ピクセルピッチ未満の相対変位量（ｓｘ，ｓｙ）に相当する傾斜位相（φｘ，φｙ）が付与されて、その付与後のデータＰ２が求められる（上記(2)〜(4)式）。すなわち、データＰ１の位相（図４（ｅ））に傾斜位相（図４（ｆ））が加えられて、データＰ２の位相が得られる。データＰ２の振幅はデータＰ１の振幅と同じである。
逆フーリエ変換ステップＳ１４では、逆フーリエ変換部１４により、傾斜位相付与ステップＳ１３で求められたデータＰ２に対して離散的逆フーリエ変換が施されて、その離散的逆フーリエ変換後の画像データｐ２の振幅（図４（ｇ））および位相（図４（ｈ））が求められる（上記(5)式）。
類似度演算ステップＳ１５では、類似度演算部１５により、第２画像パターン２２を表す第２画像データのうち対応位置３２を中心とする所定範囲４２の画像データｑと、画像データｐ２とが比較されて、両者の類似度が求められる。なお、第２画像データが強度データである場合には、画像データｑと画像データｐ２の絶対値の２乗とが比較されて、両者の類似度が求められる。
最大類似度更新ステップＳ１６では、直前の類似度演算ステップＳ１５で求められた類似度と、これまでに記憶していた類似度とのうち、大きい値の類似度が更新記憶される。すなわち、これまでに求められた幾つかの類似度のうち最大値が常に記憶される。
終了判断ステップＳ１７では、傾斜位相付与ステップＳ１３，逆フーリエ変換ステップＳ１４，類似度演算ステップＳ１５および最大類似度更新ステップＳ１６を含むループ処理を終了してよいか否かが判断されて、さらにループ処理を続ける必要があると判断されたときに傾斜位相付与ステップＳ１３へ戻る。このループ処理は、傾斜位相付与ステップＳ１３において付与される傾斜位相（φｘ，φｙ）を変化させながら行われる。すなわち、傾斜位相付与ステップＳ１３において付与される傾斜位相を変化させながら傾斜位相付与ステップＳ１３，逆フーリエ変換ステップＳ１４，類似度演算ステップＳ１５および最大類似度更新ステップＳ１６の各処理が繰り返される。
終了判断ステップＳ１７におけるループ処理終了可否の判断は、傾斜位相（φｘ，φｙ）について、すなわち、相対変位量（ｓｘ，ｓｙ）について、変化させるべき範囲の全体についてループ処理が終了したか否かに基づいて為され、或いは、所望のサブピクセル精度が得られたか否かに基づいて為される。
以上の処理が終了すると、第２変位量演算部１６により、最終的に得られた最大類似度に対応する傾斜位相（φｘ，φｙ）に基づいて、画像データｐ１に対する画像データｑの相対変位量（ｓｘ，ｓｙ）が求められて、第１画像パターン２１における特定位置３１に対する第２画像パターン２２における対応位置３２の相対変位量（ａｘ＋ｓｘ，ａｙ＋ｓｙ）が求められる。
図５は、本実施形態に係る画像パターン照合装置１の逆フーリエ変換部１４または本実施形態に係る画像パターン照合方法の逆フーリエ変換ステップＳ１４で得られる画像データｐ２の一例を示す図である。ここでは、ｘ軸方向の相対変位量ｓｘを -1.0，-0.5，0，+0.5，+1.0 の各値とし、また、ｙ軸方向の相対変位量ｓｙを -1.0，-0.5，0，+0.5，+1.0 の各値とした。この図から判るように、画像データｐ２のうち４辺のピクセルのデータは、平行移動されたデータではないので、類似度演算部１５または類似度演算ステップＳ１５で類似度を求める際には除外される。
本実施形態に係る画像パターン照合装置または画像パターン照合方法は、類似度分布または相関データが或る形状を有するとの仮定を用いる必要がないので、第１画像パターンと第２画像パターンとの間の相対変位量をピクセルピッチ未満の分解能で正確に求めることができる。
本実施形態に係る画像パターン照合装置または画像パターン照合方法において、第１画像データが第１カメラにより被写体が撮像されて得られたものであって、第２画像データが第２カメラにより被写体が撮像されて得られたものである場合、相対変位量（ａｘ＋ｓｘ，ａｙ＋ｓｙ）に基づいて特定位置に関する第１カメラと第２カメラとの視差を求めて、この視差に基づいて特定位置に対応する被写体上の位置までの距離を求めることができる。また、複数の特定位置それぞれについて距離を求めることができ、さらに、被写体の三次元形状を求めることができる。
また、本実施形態に係る画像パターン照合装置または画像パターン照合方法において、第１画像データおよび第２画像データが互いに異なる時刻に共通のカメラにより被写体が撮像されて得られたものである場合、相対変位量（ａｘ＋ｓｘ，ａｙ＋ｓｙ）に基づいて特定位置の移動方向および移動量を求めることができ、また、複数の特定位置それぞれについて移動方向および移動量を求めることができる。
図６は、比較例の画像パターン照合方法による実験結果を示す図である。また、図７は、本実施形態に係る画像パターン照合方法による実験結果を示す図である。所定パターンをＸ軸方向およびＹ軸方向それぞれに単位移動量ずつステージにより移動させて、基準位置にある所定パターンを撮像して得られた画像パターンと、各位置にある所定パターンを撮像して得られた画像パターンとを用いて、ピーク位置の移動量を求めた。画像データｐ１および画像データｑの各サイズを３２×３２ピクセルとした。比較例は上記の第２の画像パターン照合技術に拠る。両図から判るように、比較例と対比して本実施形態ではピーク位置がピクセルピッチ未満の分解能で高精度に得られている。なお、画像データｐおよび画像データｑの各サイズを６４×６４ピクセルおよび１２８×１２８ピクセルそれぞれとした場合にも、比較例と対比して本実施形態ではピーク位置がピクセルピッチ未満の分解能で高精度に得られた。
１…画像パターン照合装置、１１…第１変位量演算部、１２…フーリエ変換部、１３…傾斜位相付与部、１４…逆フーリエ変換部、１５…類似度演算部、１６…第２変位量演算部。
Claims (2)
- 第１画像パターンと第２画像パターンとの対応関係をピクセルピッチの単位で求め、前記第１画像パターンにおける特定位置に対する前記第２画像パターンにおける対応位置の相対変位量（ａｘ，ａｙ）を求める第１変位量演算部と、
前記第１画像パターンを表す第１画像データのうち前記特定位置を中心とする画像データｐ１に対して離散的フーリエ変換を施して、その離散的フーリエ変換後のデータＰ１を求めるフーリエ変換部と、
ピクセルピッチ未満の相対変位量に相当する傾斜位相を前記データＰ１に付与して、その付与後のデータＰ２を求める傾斜位相付与部と、
前記データＰ２に対して離散的逆フーリエ変換を施して、その離散的逆フーリエ変換後の画像データｐ２を求める逆フーリエ変換部と、
前記第２画像パターンを表す第２画像データのうち前記対応位置を中心とする画像データｑと前記画像データｐ２とを比較して、両者の類似度を求める類似度演算部と、
前記傾斜位相付与部において付与される傾斜位相を変化させながら前記傾斜位相付与部，前記逆フーリエ変換部および前記類似度演算部の各処理を繰り返させて、前記類似度演算部において求められる類似度が最も大きくなる傾斜位相を求め、その傾斜位相に基づいて前記画像データｐ１に対する前記画像データｑの相対変位量（ｓｘ，ｓｙ）を求めて、前記第１画像パターンにおける特定位置に対する前記第２画像パターンにおける対応位置の相対変位量（ａｘ＋ｓｘ，ａｙ＋ｓｙ）を求める第２変位量演算部と、
を備えることを特徴とする画像パターン照合装置。 - 第１画像パターンと第２画像パターンとの対応関係をピクセルピッチの単位で求め、前記第１画像パターンにおける特定位置に対する前記第２画像パターンにおける対応位置の相対変位量（ａｘ，ａｙ）を求める第１変位量演算ステップと、
前記第１画像パターンを表す第１画像データのうち前記特定位置を中心とする画像データｐ１に対して離散的フーリエ変換を施して、その離散的フーリエ変換後のデータＰ１を求めるフーリエ変換ステップと、
ピクセルピッチ未満の相対変位量に相当する傾斜位相を前記データＰ１に付与して、その付与後のデータＰ２を求める傾斜位相付与ステップと、
前記データＰ２に対して離散的逆フーリエ変換を施して、その離散的逆フーリエ変換後の画像データｐ２を求める逆フーリエ変換ステップと、
前記第２画像パターンを表す第２画像データのうち前記対応位置を中心とする画像データｑと前記画像データｐ２とを比較して、両者の類似度を求める類似度演算ステップと、
を備え、
前記傾斜位相付与ステップにおいて付与される傾斜位相を変化させながら前記傾斜位相付与ステップ，前記逆フーリエ変換ステップおよび前記類似度演算ステップの各処理を繰り返させて、前記類似度演算ステップにおいて求められる類似度が最も大きくなる傾斜位相を求め、その傾斜位相に基づいて前記画像データｐ１に対する前記画像データｑの相対変位量（ｓｘ，ｓｙ）を求めて、前記第１画像パターンにおける特定位置に対する前記第２画像パターンにおける対応位置の相対変位量（ａｘ＋ｓｘ，ａｙ＋ｓｙ）を求める、
ことを特徴とする画像パターン照合方法。
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