JP6155091B2 - モザイク画像生成装置及び生成方法並びにモザイク画像生成プログラム - Google Patents
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Description
図18はモザイク画像生成処理の概念を示す図である。モザイク画像生成では、まず図18の(a)に示す通りカメラで撮影した時系列的に連続する2枚の画像(Im−1),(Im−2)に対してコーナー特徴などの画像的特徴を利用して特徴点を検出する。次に、図18の(b)に示す通り、二枚の画像(Im−1),(Im−2)の特徴点情報から、特徴点同士の対応付けを行い、対応する特徴点のペアを対応点とする。次に、二枚の画像内の撮影対象の全体を平面と仮定し、画像間の対応点から画像平面の幾何関係の推定を行い、幾何関係情報を得る。
図19では、航空機100に搭載されたカメラを頂点とする例えば四角錐の撮影対象領域50内が撮影対象になるものとする。撮影対象領域50内において、地面40及び道路45はほぼ平坦であり、この道路45に沿って背の低いポスト46があり、その後方に高さの高いビル30があるものと仮定する。図19の様に、撮影対象に、起伏や大きな高低差がある場合、所定の高度を水平に飛行する航空機100上で二つの異なる地点P20およびP10から撮影された空撮画像を取得すると、図20に示す様な空撮画像(a)および(b)が撮影される。地点P20(t=t0)で撮影された空撮画像(Im−20)が図20(b)、地点P10(t=t1)で撮影された空撮画像(Im−10)が図20(a)であるとする。なお、図20(a)の符号31と図20(b)の符号32は同じビル、図20(a)の符号41と図20(b)の符号42は同じ地面を、示している。
[モザイク画像生成装置]
図1は、本発明の第1の実施例に係るモザイク画像生成装置の構成を示す図である。また、図2は、モザイク画像生成装置を含む、モザイク画像生成・利用システムの構成例を示す図である。
図3は、モザイク画像生成装置200の対応点検出部220の構成例を示す図である。対応点検出部220は、特徴点抽出部300と対応点探索部310によって構成される。特徴点抽出部300は、カメラ130から入力した撮影画像260から特徴点を抽出し、歪補正画像320と特徴点情報330を出力する。歪補正画像320は、画像更新部240に入力される。対応点探索部310は、歪補正画像320と特徴点情報330を入力して、時系列的に連続した歪補正画像320のペアから対となる特徴点を探索し、対応点情報270として平面追跡部230に出力する。
図4は、特徴点抽出部300の処理内容を示したフロー図である。特徴点抽出部300では、処理を開始したら、画像読込ステップ400を実行する。この画像読込ステップ400では、特徴点抽出部300の外部、例えば記憶装置210、から撮影画像260の読み込みを行い、レンズ歪補正ステップ410を実行する。レンズ歪補正ステップ410では、外部から設定するレンズ歪補正係数を用いて、撮影画像260のレンズ歪補正を行った画像を歪補正画像320として出力し、注目点配置ステップ420及び特徴点抽出ステップ430を実行する。レンズ歪補正係数は、事前にカメラキャリブレーションを行い求めたものを用いる。特徴点抽出ステップ430によって得られた特徴点抽出データは、記憶装置210等に保持される。
図5は、モザイク画像生成装置200の運用形態の一例を表した図である。本実施例のモザイク画像生成装置の運用形態の一例として、航空機100にカメラ130を搭載し、モザイク画像生成装置200と表示装置250を、図1に示したように、自動車に設置された地上局110に設置する構成が考えられる。この例では、道路に沿ったコース60を飛行する航空機100のカメラ130により、時系列的に連続して撮影された画像260−2((第一の画像、t=t0)、260−1(第二の画像、t=t1)のデータが、無線通信によりアンテナを備えた地上局110に送信される。この例では、地面40の及び道路45が比較的平坦であり、この道路45に沿って背の低いポスト46があり、その後方に高さの高いビル30があるものと仮定する。
注目点配置ステップ420では、図6の(a−1)に示すように、撮影画像260−1に対応する歪補正画像320の全体に、破線で示したグリッド状の微小な各矩形領域にそれぞれ注目点A01(座標x=a1,y=a1,色情報a1),−,An(座標x=an,y=an,色情報an)を配置する。同様に、図6の(a−2)に示すように、撮影画像260−2に対応する歪補正画像の全体にも、グリッド状の微小な各矩形領域にそれぞれ注目点B01(座標x=b1,y=b1,色情報b1),−,Bn(座標x=bn,y=bn,色情報bn)を配置する。
また、グリッド状に注目点を配置し各注目点の周囲の画像特徴を探索することで、仮に歪補正画像320内で追跡平面以外の領域に大きな画像特徴が偏在していた場合でも、歪補正画像320全体から満遍なく画像特徴を抽出することができ、追跡平面以外に偏ることなく、平面追跡を継続することができる。
本発明では画面全体から満遍なく特徴点を検出する方法であれば、それらを採用可能であり、上記方法に限らない。
図7は、図3の対応点探索部310の処理の概念を示す図である。
対応点探索部310では、特徴点抽出部300から歪補正画像と図7の(a−1)、(a−2)に示す様なP90、Q90等の特徴点情報(特徴点抽出データ)330を入力し、時系列的に連続した二枚の歪補正画像320およびその特徴点情報330から、図7の(b−1)、(b−2)に示す様に、対応点Pi,Qiの探索を行い、対応点情報270として平面追跡部230へと出力する。
本実施の形態では、対応点の探索方法はPyramidLK法を使用しているが、本発明では二枚の画像間の対応関係を導出できる方法であれば、PyramidLKに限らない。
図8は、図1の平面追跡部230の構成を示した図である。
平面追跡部230は、追跡平面内対応点抽出部500と追跡平面幾何推定部510と追跡平面対応点更新部520から構成される。
追跡平面内対応点抽出部500は、対応点検出部220から対応点情報270を、追跡平面対応点更新部520から前画像における追跡平面内特徴点情報550を入力し、対をなす画像間の平面追跡を行い、その判定結果340を画像更新部240に出力し、また、対をなす画像の追跡平面内に含まれる対応点の抽出を行い、その結果を追跡平面対応点情報530として追跡平面幾何推定部510に出力する。(追跡平面内対応点抽出部の詳細な動作は図9で説明する。)
追跡平面幾何推定部510では、追跡平面内対応点情報530を入力し、二枚の画像間の幾何関係を推定し、幾何関係推定結果280を追跡平面幾何学的関係結果として追跡平面対応点更新部520及び画像更新部240に出力する。
追跡平面対応点更新部520では、幾何推定結果280を入力とし、新規対応点から幾何関係推定結果280を満たす対応点を抜き出し、追跡平面内特徴点情報550として追跡平面内対応点抽出部500に出力する(詳細な動作は、図10で説明する)。
図9は、図8の追跡平面内対応点抽出部500の処理内容を示したフロー図である。追跡平面内対応点抽出部500は、処理を開始したら平面内特徴点情報読込ステップ600を実行する。この平面内特徴点情報読込ステップ600では、前画像(第一の画像)で追跡平面内と判定されている特徴点P,Qの情報を追跡平面内特徴点情報550として読み込む。
初回動作の場合は、小型のUAVは一般に平坦な地面など平地から離陸するため、最初の画像の撮影時には(第一の画像)の画面全体に平面である平地が撮影されていると仮定し、画面全体を追跡することを意図して、
また、前フレームで平面追跡に失敗した場合には、撮影対象が平地から台地や森林地帯に差し掛かったために画面内から追跡対象の平面が無くなったと仮定し、第一の画像として別の追跡平面を見つけることを意図して、
対応点検出部220から入力した対応点情報270の全てを平面内対応点530として出力する。
図8の追跡平面幾何推定部510は、追跡平面内対応点抽出部500から入力した平面内対応点情報530から追跡平面の幾何関係を推定し、幾何関係推定結果280を追跡平面対応点更新部520と画像更新部240に出力する。
本実施例の幾何関係推定では、ホモグラフィ推定とRANSAC(RANdomSAmpleConsensus)法を使用する。これにより、平面追跡が実行出来ている場合の対応点探索ミスや移動物体、初回動作時や平面追跡に失敗した場合に次の追跡平面以外の対応点を外れ値として除外して射影変換に基づいた幾何関係を推定することができる。
なお、本発明における幾何関係推定は、ホモグラフィ推定とRANSAC法の組み合わせに限定されるものではなく、アフィン推定など他の幾何関係推定方法を使用する場合でも本発明の範囲内である。
図8の追跡平面対応点更新部520では、対応点探索部から入力した全ての対応点情報(Pi,Qi)270に対して処理を行う。
図10は、追跡平面対応点更新部520で対応点情報270毎に実行される処理内容を示したフロー図である。
ΔP400(=P400−Q400)>ΔZ
従って、特徴点P90とQ90は、追跡平面内対応点追加ステップ730の対象になるが、点P400とQ400は、追跡平面内対応点追加ステップ730の対象とならない。換言すると、この例では、平坦な地面が特定平面となり、この特定平面上の各特徴点は追跡平面内対応点となるが、高いビルの屋上の平面は特定平面とはならず、屋上の各特徴点は追跡平面内対応点にならない。一方、高さの異なる高層ビル群が多数存在する市街地であっても、高層ビル群の間に連続した平坦な道路がある場合には、この道路を特定平面とし、道路上の各特徴点を追跡平面内対応点とする。
図11は、画像更新部240の構成の概要を示した図である。
画像更新部240は、モザイク画像更新部800とフレームバッファ810によって構成される。モザイク画像更新部800は、幾何関係に基づいて追跡平面が一致する様に2枚の撮影画像を1枚のモザイク画像に変形・重畳することで、モザイク画像290を更新する。すなわち、モザイク画像更新部800は、平面追跡部230の出力340と歪補正画像320と幾何関係推定結果280と、フレームバッファ810からのモザイク画像290を入力として、位置姿勢情報350と更新したモザイク画像290を表示装置250に出力し、更新したモザイク画像をフレームバッファ810に書き込む。
モザイク画像更新部800は、処理を開始したらまず更新判定ステップ900を実行する。更新判定ステップ900では、平面追跡部230から入力した追跡判定結果340から、追跡判定結果340が真の場合は幾何関係積算ステップ910を、偽の場合はモザイク画像クリアステップ950を実行する。これにより、平面追跡が失敗した場合は、その都度モザイク画像290を生成し直すため、追跡平面の切り替わりによるモザイク画像の歪を抑えることができる。
また、撮影画像内の追跡平面から推定した2枚の画像同士の幾何関係からカメラの位置姿勢推定を行うことで、追跡平面に対する位置姿勢推定を高精度に行うことができる。
なお本実施例における装置は、平面追跡部以外は実施例1と同じため説明を省く。
図14は、本実施例における平面追跡部230の構成を示した図である。
平面追跡部は、複数平面抽出部1000と追跡平面判定部1010によって構成される。
複数平面抽出部1000では、対応点検出部220から対応点情報270を、複数平面分の幾何関係推定結果とその幾何関係に合致する対応点の組となる平面推定結果である複数平面推定結果1020を生成し追跡平面判定部1010に出力する(詳細は図16で説明)。
図15は、複数平面抽出部1000の処理概念を示した図である。
図15の(a−1,a−2)の様に、対応点検出部240から2枚の撮影画像の対応点情報270が与えられた場合、複数平面抽出部1000により、図15の(b)では地面平面1300とビル平面1310の様に、同じ幾何関係が推定される対応点群の領域毎に複数の平面推定結果として特定平面を組分けする。例えば、対応点P90,Q90が含まれる地面平面1300において、応点P90、Q90間の移動量をΔPQ90とすると、地面平面1300の他の対応点間の移動量もΔPQ90とほぼ同じ値になっている。すなわち、地面平面1300内では、同じ幾何関係が推定される。一方、地面平面1300よりも高い位置(カメラから近い距離)に有るビルの屋上の平面1310において、対対応点P400、Q400間の移動量をΔPQ400とすると、ΔPQ400はΔPQ90よりも大きいものの、屋上の平面1310の各対応点間の移動量もΔPQ400とほぼ同じ値になっている。すなわち、屋上の平面1310内では、同じ幾何関係が推定される。このように、2枚の撮影画像の画面内には、対応する2つの特定平面が存在する。
幾何関係推定ステップ1110では、幾何関係推定対応点からホモグラフィ推定とRANSAC法を使用して幾何関係の推定を行い、幾何関係推定結果とその幾何関係に合致する対応点の組を平面推定結果として、終了判定ステップ1120を実行する。
この際、画面内に複数の特定平面が存在すると仮定した場合、RANSAC法により最も合致する対応点数の多い特定平面上の幾何関係が推定結果として求められる。
図14に戻って、追跡平面判定部1010では、複数平面抽出部1000から入力した複数平面推定結果1020の中から、前画像のモザイク画像生成処理時に追跡平面内と判定された特徴点の座標を含む特定平面を追跡平面と判定することで、追跡平面に合致する平面を特定し、その特定平面の幾何関係を幾何関係推定結果280として、追跡判定結果340を画像更新部240に出力する。
追跡平面判定部1010は、処理を開始したら、追跡平面合致特徴点数を0に初期化して、まず平面推定読込ステップ1200を実行する。平面ステップ読込ステップ1200では、複数平面抽出部1000から入力した複数平面推定結果1020の中から平面推定結果を一平面分読み込み、合致特徴点数カウントステップ1210を実行する。合致特徴点数カウントステップ1210では、前画像のモザイク画像生成処理において特定平面と推定された対応点の前画像の特徴点情報である平面内特徴点情報と、平面推定結果に含まれる対応点のうち前画像の特徴点座標との距離が同一座標閾値以下となる特徴点数をカウントして、合致特徴点数として追跡平面判定ステップ1220を実行する。
Claims (8)
- 時系列的に連続して同一領域を撮像した複数枚の画像からモザイク画像を生成するモザイク画像生成装置であって、
前記時系列的に連続した2枚の画像から、該画像内で重複した領域内の同一点の組である対応点を求める対応点検出手段と、
前記複数枚の画像において特定平面を追跡する平面追跡手段と、
画像更新手段とを備え、
前記平面追跡手段は、前記対応点のうち、前記特定平面上にある対応点のみから、前記2枚の画像間の幾何関係を推定する幾何関係推定部を有し、
前記画像更新手段は、前記2枚の画像間の前記幾何関係に基づき、前記モザイク画像を生成し、
前記平面追跡手段は、
前記2枚の画像間の前記対応点から、追跡平面としての前記特定平面に含まれる対応点のみを平面内対応点として抽出する追跡平面内対応点抽出部と、
前記平面内対応点から前記追跡平面の幾何関係を推定する追跡平面幾何推定部と、
前記2枚の画像間の全対応点から前記幾何関係を満足する対応点のみを抽出する追跡平面対応点更新部とを備え、
前記画像更新手段は、
モザイク画像更新部とフレームバッファとを備え、
前記モザイク画像更新部は、前記幾何関係に基づいて前記追跡平面が一致する様に前記2枚の撮影画像を1枚の画像に変形・重畳することで、前記モザイク画像を更新し、
前記追跡平面内対応点抽出部は、
前記特定平面の追跡に失敗した場合に、別の特定平面に追跡対象を切り替える機能と、作成済みの前記モザイク画像を破棄する機能とを備えることを特徴とするモザイク画像生成装置。 - 請求項1において、
前記平面追跡手段は、
前記2枚の画像間の対応点を異なる幾何関係となる組に分類する複数平面抽出部と、
前記2枚の画像のうち時系列的に前の画像におけるモザイク画像生成で前記特定平面上に存在すると推定された対応点を含む幾何関係の組を探索する追跡平面判定部とを備えることを特徴とするモザイク画像生成装置。 - 時系列的に連続して同一領域を撮像した複数枚の画像からモザイク画像を生成するモザイク画像生成装置であって、
前記時系列的に連続した2枚の画像から、該画像内で重複した領域内の同一点の組である対応点を求める対応点検出手段と、
前記複数枚の画像において特定平面を追跡する平面追跡手段と、
画像更新手段とを備え、
前記平面追跡手段は、前記対応点のうち、前記特定平面上にある対応点のみから、前記2枚の画像間の幾何関係を推定する幾何関係推定部を有し、
前記画像更新手段は、前記2枚の画像間の前記幾何関係に基づき、前記モザイク画像を生成し、
前記平面追跡手段は、
前記画像が航空機からカメラで撮影された空撮画像かつ前記特定平面が地面平面である場合に、前記航空機が地面平面から離着陸することを用いて、離着陸時の直下の平面を前記特定平面として追跡することを特徴とするモザイク画像生成装置。 - 請求項3において、
前記画像更新手段は、
前記平面上の対応点のみから推定された前記幾何関係に基づいて前記カメラの位置姿勢の軌跡を推定し、
表示装置に前記モザイク画像と前カメラの位置姿勢情報を出力する
ことを特徴とするモザイク画像生成装置。 - 移動するカメラにより時系列的に連続して同一領域を撮影した複数枚の画像から、モザイク画像生成装置により、モザイク画像を生成する方法であって、
前記モザイク画像生成装置は、対応点検出手段と、平面追跡手段と、画像更新手段とを備えており、
前記対応点検出手段により、前記複数枚の画像のうち同じ領域が重複して撮像されている2画像から前記同じ領域内の同一点の組である対応点を求める対応点検出工程と、
前記平面追跡手段により、
前記複数枚の画像において特定平面を追跡平面として追跡する平面追跡工程と、
前記対応点のうち前記特定平面上にあるもののみから前記2画像間の幾何関係を推定する幾何関係推定工程と、
前記画像更新手段により、前記幾何関係に基づき前記2画像から前記モザイク画像を生成するモザイク画像更新工程とを有し、
前記平面追跡工程は、
前記2画像間の対応点から前記特定平面に含まれる対応点のみを平面内対応点として抽出する工程と、
前記平面内対応点から前記追跡平面の幾何関係を推定する工程と、
前記2画像間の全対応点から前記幾何関係を満足する対応点のみを抽出する工程とを含み、
前記平面追跡工程は、
前記特定平面の追跡に失敗した場合に、
別の特定平面に追跡対象を切り替える工程と、
作成済みの前記モザイク画像を破棄する工程とを含むことを特徴とするモザイク画像生成方法。 - 請求項5において、
前記平面追跡工程は、
前記2画像間の対応点を異なる幾何関係となる組に分類する工程と、
前記2画像のうち時系列的に前の画像におけるモザイク画像生成で前記特定平面上に存在する推定された対応点を含む幾何関係の組を探索する工程とを含むことを特徴とするモザイク画像生成方法。 - 移動するカメラにより時系列的に連続して同一領域を撮影した複数枚の画像から、モザイク画像生成装置により、モザイク画像を生成する方法であって、
前記モザイク画像生成装置は、対応点検出手段と、平面追跡手段と、画像更新手段とを備えており、
前記対応点検出手段により、前記複数枚の画像のうち同じ領域が重複して撮像されている2画像から前記同じ領域内の同一点の組である対応点を求める対応点検出工程と、
前記平面追跡手段により、
前記複数枚の画像において特定平面を追跡平面として追跡する平面追跡工程と、
前記対応点のうち前記特定平面上にあるもののみから前記2画像間の幾何関係を推定する幾何関係推定工程と、
前記画像更新手段により、前記幾何関係に基づき前記2画像から前記モザイク画像を生成するモザイク画像更新工程とを有し、
前記平面追跡工程は、
前記画像が航空機からカメラにより撮影された空撮画像でかつ前記特定平面が地面平面である場合に、前記航空機が地面平面から離着陸することを用いて、離着陸時の直下の平面を前記特定平面として追跡する、ことを特徴とするモザイク画像生成方法。 - 請求項7において、
前記平面上の対応点のみから推定された前記幾何関係に基づいて前記カメラの位置姿勢の軌跡を推定する工程を有することを特徴とするモザイク画像生成方法。
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