JP5762356B2 - 焦点に基づく動的シーンの深度再構成のための装置および方法 - Google Patents
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Description
大部分の最新のカメラは、自動焦点、可変焦点距離(focal length)およびズームなどの機構を備えており、その機構のすべてが焦点距離(focal distance)の変更を必要とする。残念なことに、カメラのこの能力は、十分に活用されていない。通常、自動焦点は、対象物に焦点が合っている画像を得るためにしか用いられない。
深度を推定するためのデプス・フロム・デフォーカス(DFD)解析は、ステレオ解析に必要とされる対応問題(correspondence problem)を回避するので、動きからのステレオおよび構造解析よりも、はるかに有利である。DFDがステレオよりも優れている別の利点は、DFDでは、1台のカメラしか必要としないことである。
撮像システムの被写界深度(DOF)は、アパーチャを小さくすることによって拡張することができる。しかしながら、これは、カメラセンサによって受光される光の量を少なくするので、結果として信号対雑音比(SNR)が低くなる。アパーチャを大きくする場合には、センサ雑音は減少するが、それと引き換えにDOFが小さくなる。
カメラが或るシーンから光を取得し、その光をセンサに投影する。或るシーンの焦点が合っている部分は、薄レンズの法則(thin lens law)
この発明の実施の形態1は、ビデオカメラによって取得された一連のフレームから深度および拡張被写界深度(EDOF)ビデオを再構成するための方法を提供する。本明細書において、用語「フレーム」および「画像」は、交換可能に用いられる。
この発明では、従来のデプス・フロム・デフォーカス(DFD)法を、動的シーン、すなわち、カメラまたはシーンのいずれか、または両方に動きがあるシーンを処理するように適合させる。この発明では、焦点スタックF内のフレームFiと他のすべてのフレームとの間の動き情報を有するものと仮定する。直観的に、この情報を用いて、フレーム{Fj}をFiにワープすることができる。ただし、j=1〜Mである。
図1は、この発明の実施の形態1による、被写界深度およびEDOFビデオを再構成するための方法100を示す。
初期オプティカルフローを求めている間、深度マップおよびテクスチャマップを入手することはできない。初期OFを再生するために、この発明では、以下のことを仮定する。フローは、焦点スタックの期間M内で一定の速度を有する。ビデオの2つの連続した焦点スタックからのフレーム、たとえば、フレームiおよびM+iは、同じぼけレベルを有し、それゆえ、明るさの恒常性を満たす。
本方法は、DFDの初期反復後に、シーンの深度マップおよびテクスチャマップの粗い推定値を生成する。DiおよびTiをそれぞれ時刻iにおけるシーンの深度マップおよびテクスチャマップとする。深度マップDiによって、カーネルを用いてテクスチャマップTiをぼかすことができるようになる。ただし、カーネルは、深度マップに依拠する。フレームのぼけレベルが一致した後に、明るさの恒常性が満たされ、それゆえ、より高い精度でOFを求めることができる。
ここで、動き補償における遮蔽問題を記述する。焦点スタックFの2つの連続したフレームFiおよびFjについて考える。動きは、前景ピクセルによる背景ピクセルの領域の遮蔽を引き起こす可能性がある。Fiにおいて、背景領域がぼかされる場合があり、一方、背景は、焦点スタックの後のフレームFjにおいて遮蔽される場合がある。これは、この遮蔽された領域の合焦した背景に関する情報が入手できないことを意味する。
OFを用いて焦点スタック内のフレームを位置合わせした後に、焦点スタック内の各フレームFiに対応する深度マップD={D1,D2,・・・,DM}およびテクスチャマップT={T1,T2,・・・,TM}を推定する。時空間マルコフ確率場(MRF)を用いて、深度推定の問題を定式化する。
図2は、この発明の1つの実施の形態によるカメラ200を概略的に示す。カメラは、レンズ210およびアパーチャ211と、順次走査CCDセンサ220と、ステッピングモータ(stepper motor)230とを含む。ステッピングモータ(stepping motor)は、マイクロプロセッサ(μP)102によって制御することができる。大部分の最新のデジタルカメラは、プログラムすることができる1つまたは複数のマイクロプロセッサを含む。カメラは較正される。12.5mmの焦点距離を有するCマウントレンズが、カメラに対して固定される。
本カメラおよび本方法によれば、動的シーンのための深度およびテクスチャの両方が同時に得られるようになるので、これにより、取得された画像の被写界深度(DOF)を合成的に操作できるようになる。たとえば、DOFを小さくすることによって非常に浅いDOFを有する芸術的な画像を生成することができる。また、取得後のデジタルリフォーカスを実行することもでき、これは自動的に、またはユーザ入力を用いてインタラクティブに行なうことができる。DFD法の深度量子化は、取得された各焦点スタックのDOFよりも、はるかに細かい。
Claims (16)
- 動的シーンを深度および拡張被写界深度(EDOF)ビデオとして再構成するための方法であって、
ビデオカメラを用いて前記動的シーンの焦点スタックを取得するステップであって、前記焦点スタックは、連続した時刻における一連のフレームを含む、取得するステップと、
前記焦点スタックの前記フレーム間のオプティカルフローを求めるステップと、
前記オプティカルフローにしたがって前記フレームをワープし、前記フレームを位置合わせし、時刻ごとの仮想静的焦点スタックを生成する、ワープするステップと、
デプス・フロム・デフォーカス(DFD)法を用いて、前記仮想静的焦点スタックごとの深度マップおよびテクスチャマップを生成するステップであって、前記テクスチャマップはEDOF画像に対応する、生成するステップと、
を含み、
前記DFDは、エネルギー関数E(s)
データ項D p (s p )は、深度レベルs p を有するスーパーピクセルpのための項であり、平滑化項V pq (s p ,s q )は、隣接するスーパーピクセルpおよびqのための項であり、αは正則化の程度を制御し、
前記平滑化項は、
V pq (s p ,s q )=w pq |s p −s q |
であり、|s p −s q |は、隣接するスーパーピクセルpとqとの間の深度不連続にペナルティーを科し、w pq は時空間重み係数であり、空間的に隣接する2つのスーパーピクセルpとqとの間の重みw pq は、2つのスーパーピクセルの平均色の類似度によって求められ、
動的シーンを深度および拡張被写界深度(EDOF)ビデオとして再構成するための方法。 - 前記求めるステップ、前記ワープするステップおよび前記生成するステップを繰り返して、前記深度マップおよび前記テクスチャマップを改良する、繰り返すステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記時刻は、前記カメラの固有のフレームレートによって決まる、請求項1に記載の方法。
- 前記オプティカルフローは、連続したフレーム対間で求められる、請求項1に記載の方法。
- カーネルを用いて前記各テクスチャマップをぼかすステップであって、前記カーネルは、対応する前記深度マップに依拠する、ぼかすステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記フレーム内の遮蔽されたピクセルを検出するステップと、
前記遮蔽されたピクセルを遮蔽されていない他のフレームからの対応するピクセルで埋めるステップと、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記MRFは、前記フレームのスーパーピクセルのセグメントに対応するノードによって、前記各セグメントの形状および色分布の現在のガウス推定に基づいて定義される、請求項1に記載の方法。
- 初期テクスチャマップは、前記仮想静的焦点スタックにフォトモンタージュ法を適用することによって得られる、請求項1に記載の方法。
- 前記テクスチャマップは、以前に生成された深度マップを用いて求められる、請求項1に記載の方法。
- 前記エネルギー関数は、グラフカット法を用いて最小にされる、請求項1に記載の方法。
- 並進は、一定の速度であり、前記カメラのセンサは、1つの方向において所定の極値に達し、前記センサは、反対の方向に並進する、請求項1に記載の方法。
- 前記焦点スタックは、静止しているレンズ素子に対してセンサ素子を動かすことによって得られる、請求項1に記載の方法。
- 前記焦点スタックは、多レンズアセンブリのレンズ全体または一部のいずれかを動かすことによって得られる、請求項1に記載の方法。
- 前記焦点スタックは、液体レンズの焦点を制御することによって得られる、請求項1に記載の方法。
- 前記求めるステップ、前記ワープするステップ、および前記生成するステップは、マイクロプロセッサによって実行される、請求項1に記載の方法。
- 動的シーンを深度および拡張被写界深度(EDOF)ビデオとして再構成するための装置であって、
レンズおよびセンサを含むカメラと、
連続した時刻において一連のフレームを含む焦点スタックを取得するように構成されるセンサと、
前記焦点スタックの前記フレーム間のオプティカルフローを求める手段と、
前記オプティカルフローにしたがって前記フレームをワープして、前記フレームを位置合わせし、時刻ごとの仮想静的焦点スタックを生成する、ワープする手段と、
デプス・フロム・デフォーカス(DFD)法を用いて、仮想静的焦点スタックごとの深度マップおよびテクスチャマップを生成する手段であって、前記テクスチャマップは、EDOF画像に対応する、生成する手段と、
を備え、
前記DFDは、エネルギー関数E(s)
データ項D p (s p )は、深度レベルs p を有するスーパーピクセルpのための項であり、平滑化項V pq (s p ,s q )は、隣接するスーパーピクセルpおよびqのための項であり、αは正則化の程度を制御し、
前記平滑化項は、
V pq (s p ,s q )=w pq |s p −s q |
であり、|s p −s q |は、隣接するスーパーピクセルpとqとの間の深度不連続にペナルティーを科し、w pq は時空間重み係数であり、空間的に隣接する2つのスーパーピクセルpとqとの間の重みw pq は、2つのスーパーピクセルの平均色の類似度によって求められ、
動的シーンを深度および拡張被写界深度(EDOF)ビデオとして再構成するための装置。
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