JP5365969B2 - 画像処理装置及びプログラム - Google Patents
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Description
非特許文献2では、RANSACと呼ばれるアルゴリズムを用いて、正しい特徴点ペアを決定する手法が開示されている。
非特許文献3では、特徴点を抽出する代表的な手法である画像コーナー点抽出アルゴリズムが開示されている。
さらに、特許文献2では、分割画像を合成する際に、合成すべき分割画像を人手により大まかに重ね合わせて置くだけで、マッチング精度が高く、かつ処理量の少ない手法が開示されている。
画像内の物体が同一平面上にある場合又はカメラ運動が水平面での回転に制限されている場合、2枚の画像間の変換は、射影変換を用いて規定される。物体が複数平面の組み合わせで近似される場合、同一平面上にあるという制限は外されてもよい。
図1(A)は、画像A内の点(xA,yA)を、画像B内の点(xB,yB)に写す射影変換を示す。図1(A)において、画像Aは、平面XYを視点OAから見て平面xAyAに投影した結果であり、画像Bは、平面XYを視点OBから見て平面xByBに投影した結果である。この場合、平面xAyA上の座標(xA,yA)と、平面xByB上の座標(xB,yB) との関係は、射影変換で表される。
このような射影変換は、同次座標系(homogeneous coordinates)における次式で表される。
変換が平行移動により実現される場合、平行移動ベクトルをt=(tx,ty)Tとすると、変換式及び変換行列Hは、次のように表される。
図2(A)は、入力された2枚の画像(画像A及び画像B)を例示し、図2(B)は、重ね合わされた画像A及び画像Bを例示する。図2(A)及び図2(B)に例示するように、平行移動、回転、拡大縮小等が、例えば画像Aに対して施されると、画像A及び画像Bに含まれる物体や模様などができるだけ同じ位置になるように、画像Aと画像Bとは重ね合わされることができる。
(イ)β=K/nβを求め、試行回数Tを(8)式を用いて求める。
(ウ)Cに1を加算する。
図3は、本発明の実施形態に係る画像処理装置10のハードウェア構成を示す図である。
図3に示すように、画像処理装置10は、CPU102及びメモリ104などを含む制御装置100と、ネットワークを介して外部のコンピュータなどとデータの通信を行う通信装置106と、ハードディスク駆動装置などの記憶装置108と、液晶ディスプレイなどの表示装置並びにキーボード及びポインティングデバイスを含むユーザインタフェース(UI)装置110とを有する。画像処理装置10は、例えば、後述する画像処理プログラム20などがインストールされた汎用コンピュータであり、通信装置106、記憶装置108又はFD、CD、DVD等の記録媒体112を介して複数の画像のデータを取得し、取得された画像に対して画像処理を行う。
図4に示すように、画像処理プログラム20は、画像位置合わせ部22、画像変換部24及び画像重ね合わせ部26を有する。画像処理プログラム20は、例えば、通信装置106を介して制御装置100に供給され、メモリ104にロードされて、制御装置100上で動作する図示しないOS上で、ハードウェアを具体的に利用して実行される。画像処理プログラム20は、記録媒体112に格納されて、画像処理装置10に供給されてもよい。なお、画像処理プログラム20の全部又は一部の機能は、画像処理装置10に設けられた例えばASIC(Application Specific Integrated Circuit)などのハードウェアにより実現されてもよい。
図5は、画像位置合わせ部22による画像位置合わせ処理の概要を説明する図である。
図5(A)は、画像位置合わせ部22に入力される画像A及び画像Bを例示する。図5(A)に例示するように、画像Aには、特徴点a1〜a4が含まれ、画像Bには、特徴点b1〜b4が含まれている。ここで、特徴点a1とb1、a2とb2、a3とb3、a4とb4は、ペアとなるべき組み合わせであるとする。なお、画像Aの特徴点数と画像Bの特徴点数とは異なってもよい。
画像Aと画像Bの回転角が大きい場合等、変換行列Hが平行移動では近似できない場合、画像位置合わせ部22は、最初に選択する特徴点ペアの数を2として、相似変換における変換係数を求める。
図7に示すように、画像位置合わせ部22は、特徴点抽出部220、特徴点ペア選択部222、変換係数算出部224及び有効特徴点ペア探索部226を有する。
図8に示すように、ステップ100(S100)において、画像位置合わせ部22の特徴点抽出部220は、画像A及び画像Bから特徴点を抽出する。
ステップ102(S102)において、特徴点ペア選択部222は、抽出された特徴点から特徴点ペアを選択する。
ステップ106(S106)において、有効特徴点ペア探索部226は、変換係数を用いて、画像Aの特徴点を変換する。
ステップ110(S110)において、有効特徴点ペア探索部226は、算出された距離が閾値Th1以下である有効特徴点ペアの数を算出する。
図9に示すように、画像処理装置10が画像A及び画像Bを受け付けると、画像処理プログラム20の画像位置合わせ部22は、画像位置合わせ処理(S10)を実行し、画像Aと画像Bとの間の変換係数を画像変換部24に対して出力する。
ステップ202(S202)において、画像重ね合わせ部26は、変換後の画像Aと、画像Bとを重ね合わせて合成画像を生成して出力する。
図10に例示するように、画像Aが変換され、変換後の画像Aと、画像Bとが組み合わされて、より大きなモザイク合成画像が生成される。
図11に示すように、例えば特徴点ペアの数が2である場合、本発明の実施形態に係る画像処理装置10は、108回の試行回数で、探索することができる。したがって、画像処理装置10は、従来手法における試行回数(1016)より、試行回数を削減することが出来る。このため、計算量が削減され、処理負荷が、低減されることができる。
本実施形態に係る画像処理装置10は、平行移動近似処理、拡縮変換近似処理、剛体変換近似処理、相似変換近似処理及びアフィン変換近似処理の少なくとも2以上の処理が、順次行われる点で、第1の実施形態に係る画像処理装置10とは異なる。
図12に示すように、画像位置合わせ部28は、特徴点抽出部220、平行移動近似部230、拡縮変換近似部280、剛体変換近似部282、相似変換近似部284及びアフィン変換近似部286を有する。ここで、平行移動近似部230、拡縮変換近似部280、剛体変換近似部282、相似変換近似部284及びアフィン変換近似部286には、図7に示される特徴点ペア選択部222、変換係数算出部224及び有効特徴点ペア探索部226が含まれる。
図13に示すように、ステップ300(S300)において、画像位置合わせ部22は、近似処理を平行移動近似処理とする。具体的には、画像位置合わせ部22の特徴点抽出部220は、画像A及び画像Bから特徴点を抽出して、平行移動近似部230に対して出力する。
ステップ306(S306)において、平行移動近似部230は、変換係数を出力する。
本実施形態に係る画像処理装置10は、変換後の画像Aの特徴点の周辺画素の画素値と、画像Bの特徴点の周辺画素の画素値とにさらに基づいて、画像の変換手法を決定する点で、第1の実施形態に係る画像処理装置10とは異なる。
本実施形態に係る画像処理装置10は、適切な試行回数を設定することにより計算量を削減する点で、第1の実施形態〜第3の実施形態に係る画像処理装置10とは異なる。
図14に示すように、画像処理プログラム30は、画像処理プログラム20(図4)に有効特徴点割合出力部32が追加され、さらに、画像位置合わせ部22が画像位置合わせ部40に置換された構成を有する。なお、図14に示された各構成のうち、図4に示された構成と実質的に同一のものには同一の符号が付されている。
図15は、本発明の第4の実施形態に係る画像位置合わせ部40の機能構成を示す図である。
図15に示すように、画像位置合わせ部40は、条件決定部400、特徴点抽出部402、特徴点ペア選択部404、変換係数算出部406、距離算出部408及び判定部410を有し、条件決定部400は、特徴点数算出部412及び試行回数算出部414を有する。
ここで、画像A及び画像B内の特徴点数をn、有効特徴点の数をnx、特徴点のうち有効特徴点の割合をα(=nx/n)、特徴点ペア数をN、正しい特徴点ペアを選択する確率をw、T回の試行以下で正解に辿り着く確率をZとする。
画像Aの特徴点数と画像Bの特徴点数が一致する場合、画像Aのn個の特徴点からN個の特徴点を選択する組み合わせは、重複も許すと、nN通りであり、画像Bのn個の特徴点からN個の特徴点を選択する組み合わせも、同様に、nN通りである。したがって、画像A及び画像BのそれぞれからN個の特徴点を選択する組み合わせは、n2N通りである。この中で、正しい特徴点ペアとなる組み合わせは、nx(nx−1)…(nx−(N−1))通りである。この値を、nx Nで近似すると、正しい特徴点ペアを選択する確率wは、次式で表される。
図16に示すように、特徴点数nは、αの大きさによって変化する。より具体的には、特徴点数nは、αが小さい場合には大きい値を設定され、αが大きい場合には小さい値を設定される。このように、特徴点数nには、有効特徴点割合αの値に応じて、適切な値が設定される。
図17は、画像位置合わせ部40による画像位置合わせ処理(S40)のフローチャートを示す図である。
ステップ402(S402)において、試行回数算出部414は、有効特徴点割合α及び算出された特徴点数nに基づいて、試行回数Tを算出する。
ステップ406(S406)において、特徴点ペア選択部404は、画像A及び画像Bから抽出された特徴点からそれぞれN個の特徴点を選択し、N組の特徴点ペアを決定する。なお、Nの値は、特に限定されない。
ステップ410(S410)において、距離算出部408は、算出された変換式を用いて、画像のAの所定の特徴点を変換する。
ステップ414(S414)において、判定部410は、算出された有効特徴点数Kが入力された閾値KR以上であるか否かを判定する。有効特徴点数Kが閾値KR以上である場合、判定部410は、変換係数を出力し、画像位置合わせ処理は終了する。
図18に示すように、本発明の実施形態に係る画像処理装置10は、有効特徴点割合αに応じて、適切な試行回数Tを設定することができる。なお、図18に示される結果及び非特許文献1に開示された手法における試行回数は、特徴点数n=100、N=2の条件で算出されたものである。
図19に示すように、有効特徴点割合αは、実行回数が増えるごとに、小さくなる。図19に示されるテーブルは、予め決められており、例えば、メモリ104及び記憶装置108の少なくともいずれかに記憶されている。有効特徴点割合出力部32は、このテーブルに基づいて、有効特徴点割合αを、画像位置合わせ部40に出力する。
図20に示すように、画像処理装置10が画像A及び画像Bを受け付けると、ステップ500(S500)において、画像処理プログラム30の有効特徴点割合出力部32は、図18に示されるテーブルに基づいて有効特徴点割合αの値を決定し、画像位置合わせ部40に対して出力する。例えば、α=0.5である。
ステップ502(S502)において、画像位置合わせ部40は、試行回数がT回を超えて画像位置合わせ処理を終了したか否かを判定する。画像位置合わせ部40は、試行回数がT回を超えて画像位置合わせ処理を終了した場合にはS504の処理に進み、そうでない場合には、画像Aと画像Bとの間の変換係数を、画像変換部24に対して出力し、S200の処理に進む。
本実施形態に係る画像処理装置10は、画像Aの特徴点と画像Bの特徴点とをペア化して特徴点ペアを抽出し、抽出された特徴点ペアからN個の特徴点ペアを選択する点で、第4の実施形態に係る画像処理装置10とは異なる。
図21に示すように、本実施形態に係る画像処理装置10は、画像位置合わせ部40が画像位置合わせ部42に置き換えられた構成を有し、画像位置合わせ部42は、条件決定部400、特徴点抽出部402及び特徴点ペア選択部404が、それぞれ条件決定部420、特徴点ペア抽出部422及び特徴点ペア選択部424に置き換えられた構成を有する。また、条件決定部420は、特徴点ペア数算出部426及び試行回数算出部428を有する。
ステップ602(S602)において、試行回数算出部428は、有効特徴点ペア割合βに基づいて試行回数Tを算出する。
ステップ606(S606)において、特徴点ペア選択部424は、抽出された特徴点ペアからN個の特徴点ペアを選択する。
さらに、S408〜S416の処理で、有効特徴点ペア数Kが算出及び判定され、変換係数が決定される。
本実施形態に係る画像処理装置10は、算出されたT回の試行を繰り返し、有効特徴点数Kを最大とする変換における変換係数を用いる点で、第4の実施形態に係る画像処理装置10とは異なる。
図23に示すように、本実施形態に係る画像処理装置10は、画像位置合わせ部40が画像位置合わせ部44に置き換えられた構成を有し、画像位置合わせ部44は、判定部410が試行回数判定部442及び有効特徴点数判定部444に置き換えられた構成を有する。
ステップ700(S700)において、試行回数判定部442は、特徴点の選択が、試行回数算出部414により算出された試行回数Tを超えたか否かを判定する。特徴点の選択が試行回数Tを超えた場合、画像位置合わせ部44はS700の処理に進み、そうでない場合、画像位置合わせ部44は、S404の処理に戻る。
本実施形態に係る画像処理装置10は、算出されたT回の試行を繰り返し、有効特徴点ペア数Kを最大とする変換における変換係数を用いる点で、第5の実施形態に係る画像処理装置10とは異なる。
図25に示すように、本実施形態に係る画像処理装置10は、画像位置合わせ部42が画像位置合わせ部46に置き換えられた構成を有し、画像位置合わせ部46は、判定部410が試行回数判定部442及び有効特徴点数判定部444に置き換えられた構成を有する。
20,30 画像処理プログラム
22,40,42,44,46 画像位置合わせ部
24 画像変換部
26 画像重ね合わせ部
32 有効特徴点割合出力部
100 制御装置
102 CPU
104 メモリ
106 通信装置
108 記憶装置
110 UI装置
220 特徴点抽出部
222 特徴点ペア選択部
224 変換係数算出部
226 有効特徴点ペア探索部
230 平行移動近似部
280 拡縮変換近似部
282 剛体変換近似部
284 相似変換近似部
286 アフィン変換近似部
400 条件決定部
402 特徴点抽出部
404 特徴点ペア選択部
406 変換係数算出部
408 距離算出部
410 判定部
412 特徴点数算出部
414 試行回数算出部
420 条件決定部
422 特徴点ペア抽出部
424 特徴点ペア選択部
426 特徴点ペア数算出部
428 試行回数算出部
442 試行回数判定部
444 有効特徴点数判定部
Claims (15)
- 第1の画像及び第2の画像から抽出される特徴点に基づいて、画像の射影変換手法を決定する変換手法決定手段と、
前記変換手法決定手段により決定される変換手法を適用されて変換された第1の画像の特徴点と、第2の画像の特徴点との距離が閾値以下である特徴点の組の数が、予め決められた値以上の値に収束するまで前記変換手法決定手段が変換手法の決定を繰り返し行うように制御する制御手段と
を有し、
前記制御手段は、前記変換手法決定手段が、繰り返しの最初の決定として、前記第1の画像及び前記第2の画像からそれぞれ選択された3対以下の特徴点に基づく画像の変換手法について決定し、繰り返しの最後の決定として、前記第1の画像及び前記第2の画像からそれぞれ選択された4対の特徴点に基づく画像の変換手法について決定するよう制御する
画像処理装置。 - 前記制御手段は、前記変換手法決定手段により決定される変換手法を適用されて変換された第1の画像の特徴点と、第2の画像の特徴点との距離が閾値以下である特徴点の組の数が、予め決められた値以上の場合には、該特徴点の組を用い、かつ、該特徴点の組の数に応じた画像の変換手法について前記変換手法決定手段が決定するよう制御する
請求項1に記載の画像処理装置。 - 前記変換手法決定手段は、射影変換で用いられる変換係数を決定する
請求項1又は2に記載の画像処理装置。 - 前記変換手法決定手段は、第1の画像及び第2の画像から抽出される特徴点の周辺画素の画素値にさらに基づいて、画像の変換手法を決定する
請求項1乃至3のいずれかに記載の画像処理装置。 - 前記制御手段は、前記変換手法決定手段により決定される変換手法を適用されて変換された第1の画像の特徴点と、第2の画像の特徴点との距離が閾値以下である特徴点の組の数が、予め決められた値未満である場合、前記変換手法決定手段が、当該特徴点の組とは異なる組を選択するように制御する
請求項1乃至4のいずれかに記載の画像処理装置。 - 前記制御手段は、前記変換手法決定手段により決定される変換手法を適用されて変換された第1の画像の特徴点の周辺画素の画素値と、第2の画像の特徴点の周辺画素の画素値とにさらに基づいて、前記変換手法決定手段が変換手法の決定を繰り返し行うように制御する
請求項1乃至5のいずれかに記載の画像処理装置。 - 第1の画像及び第2の画像から抽出される特徴点に基づいて、画像の射影変換手法を決定する変換手法決定手段と、
前記変換手法決定手段により決定される変換手法を適用されて変換された第1の画像の特徴点と、第2の画像の特徴点との距離が閾値以下である特徴点の組の数が、予め決められた値以上の値に収束するまで前記変換手法決定手段が変換手法の決定を繰り返し行うように制御する制御手段と、
第1の画像及び第2の画像から抽出される特徴点の数を算出する特徴点数算出手段と
を有し、
前記変換手法決定手段は、第1の画像及び第2の画像から抽出された前記特徴点数算出手段により算出された数の特徴点から選択される特徴点の組のうち有効とされる組の数が特徴点に関する閾値以上となるように画像の変換手法を決定し、
前記特徴点数算出手段は、前記閾値と、特徴点に関する予め定めた割合とに基づいて、特徴点の数を算出する
画像処理装置。 - 前記特徴点数算出手段は、特徴点に関する閾値を割合で乗じた値に所定値が加算された値を特徴点の数とする
請求項7に記載の画像処理装置。 - 前記変換手法決定手段は、変換手法を適用されて変換された第1の画像の特徴点と、第2の画像の特徴点との距離が所定値以下である場合、当該特徴点の組は有効であると判定する
請求項7又は8に記載の画像処理装置。 - 前記特徴点数算出手段により算出された数に基づいて試行回数の上限を算出する試行回数算出手段をさらに有し、
前記変換手法決定手段は、前記試行回数算出手段により算出された試行回数の上限を超えない範囲で、変換手法を決定するための試行を繰り返す
請求項7乃至9のいずれかに記載の画像処理装置。 - 前記変換手法決定手段は、試行回数が前記試行回数算出手段により算出された試行回数の上限を超えた場合、有効である特徴点の組が最大となる変換手法を選択する
請求項10に記載の画像処理装置。 - 前記変換手法決定手段は、試行回数が前記試行回数算出手段により算出された試行回数の上限を超えた場合、第1の画像と第2の画像との間で重畳する画像部分がない旨の情報を出力する
請求項10に記載の画像処理装置。 - 前記変換手法決定手段は、試行回数が前記試行回数算出手段により算出された試行回数の上限を超えた場合、減少された特徴点に関する割合を用いて試行を行う
請求項10に記載の画像処理装置。 - コンピュータを含む画像処理装置において、
第1の画像及び第2の画像から抽出される特徴点に基づいて、画像の射影変換手法を決定する変換手法決定ステップと、
前記決定される変換手法を適用されて変換された第1の画像の特徴点と、第2の画像の特徴点との距離が閾値以下である特徴点の組の数が、予め決められた値以上の値に収束するまで前記変換手法の決定を繰り返し行うように制御する制御ステップと
を前記画像処理装置のコンピュータに実行させ、
前記制御ステップは、前記変換手法決定ステップにおいて、繰り返しの最初の決定として、前記第1の画像及び前記第2の画像からそれぞれ選択された3対以下の特徴点に基づく画像の変換手法について決定し、繰り返しの最後の決定として、前記第1の画像及び前記第2の画像からそれぞれ選択された4対の特徴点に基づく画像の変換手法について決定するよう制御する
プログラム。 - コンピュータを含む画像処理装置において、
第1の画像及び第2の画像から抽出される特徴点に基づいて、画像の射影変換手法を決定する変換手法決定ステップと、
前記決定される変換手法を適用されて変換された第1の画像の特徴点と、第2の画像の特徴点との距離が閾値以下である特徴点の組の数が、予め決められた値以上の値に収束するまで前記変換手法の決定を繰り返し行うように制御する制御ステップと、
第1の画像及び第2の画像から抽出される特徴点の数を算出する特徴点数算出ステップと
を前記画像処理装置のコンピュータに実行させ、
前記変換手法決定ステップは、第1の画像及び第2の画像から抽出された前記算出された数の特徴点から選択される特徴点の組のうち有効とされる組の数が特徴点に関する閾値以上となるように画像の変換手法を決定し、
前記特徴点数算出ステップは、前記閾値と、特徴点に関する予め定めた割合とに基づいて、特徴点の数を算出する
プログラム。
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