JP7213686B2 - 形状計測装置、制御方法及びプログラム - Google Patents
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Description
以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する一実施形態は、形状計測装置の一例としての、撮像範囲の被写体について法線を導出する機能及び被写体距離を計測する機能を備えたデジタルカメラに、本発明を適用した例を説明する。しかし、本発明は、撮像により得られた被写体の法線及び被写体距離の情報に基づいて、被写体の3次元形状を構成することが可能な任意の機器に適用可能である。
図1は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ100の機能構成を示すブロック図である。
C(k)=Σ|E(n)-F(n+k)|
で導出できる。ここで、Σ演算はnについて行われ、n及びn+kは1~mの範囲に限定されるものとする。また、ずらし量kは、一対の画像データの検出ピッチを単位とした相対的シフト量である。このように、1つの着目画素404に係る一対の瞳分割画像(一対の微小ブロック403)について相関量を導出すると、ずらし量kと相関量C(k)は、例えば図4(b)のグラフに離散的に示されるような関係となる。このとき、相関が最も高い像ずれ量において相関量C(k)が最小になるため、下記の3点内挿の手法を用いて、連続的な相関量に対する最小値C(x)を与える像ずれ量xを導出する。
x=kj+D/SLOP
C(x)=C(kj)-|D|
D={C(kj-1)-C(kj+1)}/2
SLOP=MAX{C(kj+1)-C(kj),C(kj-1)-C(kj)}
ここで、kjは離散的な相関量C(k)が最小となるずらし量kである。このようにして求めたxが、1つの着目画素404における像ずれ量として、距離情報に含められる。なお、像ずれ量xの単位も[pixel]であるものとする。
DEF=KX・PY・x
で導出することができる。ここで、PXは、撮像素子の画素ピッチ(撮像素子を構成する画素間距離。単位[mm/pixel])であり、KXは、一対の測距瞳を通過する光束の重心の開き角の大きさによって決まる変換係数である。なお、一対の測距瞳を通過する光束の重心の開き角の大きさは、レンズの絞り開口の大きさ(F値)に応じて変化するため、撮像時の設定の情報に応じて決定されるものとする。図5に示されるように、同一のデフォーカス量であったとしても、センサ面123における像ずれ量xは、F値が大きい(絞り状態)ほど大きくなり、F値が小さい(開放状態)ほど小さくなる。このため、デフォーカス量の導出時には、F値に応じたKXを用いる必要がある。
dist=1/(1/(dist_d+DEF)-1/f)
z=length-dist
ここで、distは、撮像光学系111のレンズ120の物主点から被写体までの距離であり、dist_dは、レンズ120の像主点からセンサ面123までの距離であり、fは、一対の瞳分割画像群の撮像時に設定されていた焦点距離である。
このような構成をもつ本実施形態のデジタルカメラ100の形状構成処理について、図7のフローチャートを用いて具体的な処理を説明する。該フローチャートに対応する処理は、制御部101が、例えば記録媒体102に記憶されている対応する処理プログラムを読み出し、メモリ103に展開して実行することにより実現することができる。本形状構成処理は、例えば被写体の3次元形状を考慮した補正を撮像画像の適用する設定がなされている状態で、撮像(必要な情報の取得)が行われた際に開始されるものとして説明する。
α=g×p/f
ここで、gは撮像部104における画素ピッチを、pはセンサ面123から撮像時にピントがあった被写体(ピント面)までの距離、fは撮像時の撮像光学系111の焦点距離を示している。pは、撮像時の撮像光学系111の状態から1つ特定されるものであるため、全ての分割領域に対して同一の倍率αが一律で適用される。このように簡易的に導出した倍率αを用いる態様は、本実施形態の数8で分割領域ごとに導出される倍率αよりも精度の高い3次元形状を構成することはできないが、演算コストの観点では領域ごとの倍率αの導出処理が不要になる点で効率化が見込める。
βA=g×(p-e)/f
として導出できる。
撮像画像の信頼度Lは、該画像の輝度情報に基づいて導出されるものであってよい。例えば、撮像画像の輝度値Lpが0~LMの値範囲で表現される場合、輝度値の中間値Lm(=LM/2)を中心として、該中間値よりも高い範囲では、輝度値が高くなる(明るくなる)ほど低くなるよう、信頼度Lは設定されるものであってよい。また反対に、中間値よりも低い範囲では、輝度値が低くなる(暗くなる)ほど低くなるよう、信頼度Lは設定されるものであってよい。このようにすることで、輝度が飽和している画素や黒潰れしている画素が含まれる分割領域については、信頼度Lが低くなるようして該分割領域に係る倍率βNが選択される確率を低くすることができる。なお、分割領域に係る撮像画像の信頼度Lは、
L=-|Lm-Lp|
を分割領域に含まれる各画素について導出し、例えばその平均値あるいは総和を、該分割領域の最終的な信頼度とすればよい。
距離情報の信頼度Dは、焦点状態を示すデフォーカス量DEFに基づいて導出されるものであってよい。上述したようにデフォーカス量DEFに基づいて被写体距離を導出することができるが、デフォーカス量DEFの絶対値が大きくなるほど対応する画素の被写体像のボケが大きくなるため、測距制度は低下する。このため、分割領域に係る距離情報の信頼度Dは、
D=|DEF|
を分割領域に含まれる各画素について導出し、例えばその平均値あるいは総和を、該分割領域の最終的な信頼度とすればよい。
法線情報の信頼度Nは、法線導出時に撮像された撮像画像の数Pmと、実際に法線情報の導出に用いられた撮像画像の数Pの比に基づいて導出されるものであってよい。上述した照度差ステレオ法を用いる態様では、光源の位置を変化させながら撮像した複数枚の撮像画像を参照し、各画素の輝度変化に基づいて、該画素の面法線ベクトルが導出される。しかしながら、光源と被写体の位置関係によっては被写体の影で輝度が低減する領域(オクルージョン領域)が発生するため、該領域内の画素を参照した場合に好適な法線情報が得られない可能性がある。このため、本実施形態の法線情報処理部108は、被写体の影が発生した画素を法線情報の導出時に参照しないよう制御することで、法線情報が現実と乖離することを回避している。一方で、法線情報の導出に参照される画像の数が低下することは、導出制度を低下させることにもなるため、本実施形態では法線情報の信頼度Nを、
N=P/Pm
として導出する。なお、分割領域に係る法線情報の信頼度Nは、例えば該分割領域に含まれる各画素について導出された信頼度の平均値や総和を採用すればよい。また、法線情報の導出に用いられた撮像画像のうち、該当の画素の輝度が飽和している撮像画像の数が閾値を越える場合に、さらに信頼度Nを低くするよう制御してもよい。
R2=γ×R1+Dmin-e
として行われればよい。より詳しくは、形状構成部110は、任意の分割領域について法線情報のみに基づいて構成した形状情報を、該領域に係る被写体距離の分布と、隣接する分割領域の被写体距離に基づいて、段差を低減させた好適な3次元形状となるよう更新することができる。即ち、数8で導出された倍率αを用いて形状情報の更新を行った場合には、図10(a)で示した形状情報で生じていた不連続的な段差1001が、代表値γを倍率として図10(b)に示されるように吸収された状態となる。
上述した実施形態では、均等分割を行って形状情報を構成する際に、分割領域間の境界部にて生じ得る深度方向の不連続性を低減するために、スケーリング係数を変更する態様について説明した。しかしながら、このような分割領域間の境界部における不連続性を低減する方法はこれに限られるものではない。例えば、該境界部を含む分割領域を別に設定し、該別の分割領域について法線情報と被写体距離とに基づいて同様に形状情報を構成して、これに基づいて隣接する複数の分割領域の境界部に係る形状情報を補正するものとしてもよい。
R2final=G1×R2A+G2×R2C
と加重加算により深度値R2finalが導出されればよい。ここで、重み係数G1及びG2には
G1+G2=1
が成立しているものとする。また分割領域Bと分割領域Cとが重複する領域の画素については、同様に
R2final=G3×R2B+G4×R2C
と加重加算により深度値R2finalが導出されればよい。ここで、重み係数G3及びG4には
G3+G4=1
が成立しているものとする。このように境界領域について別に導出された部分的な形状情報を用いて加重加算することで、図12(c)に示されるように、分割領域Aと分割領域Bとの間に生じていた段差1201を低減させた、好適な3次元形状を示す形状情報を構成することができる。
ところで、上述した実施形態1及び変形例では、撮像画像と対応する法線情報及び距離情報について、均等分割によって設定した分割領域を処理単位として形状情報を構成する態様について説明した。しかしながら、上述したように、分割領域内における被写体距離の分布やスケーリングで適用される倍率αによっては、分割領域の境界部において連続性が担保されない3次元形状が構成される可能性があり、これを回避するために異なる演算を行う必要があった。本実施形態では、演算コストを抑えつつ、連続性が担保され易い3次元形状を容易に構成できるよう、分割制御部109による分割領域の設定に異なる手法を用いる態様について説明する。
以下、距離情報のみに基づいて分割制御部109が分割領域を設定する手法について、図13を参照して説明する。図13(a)は、撮像画像の特定のy座標を有してx軸方向に並ぶ画素に対応する、距離情報の画素値(被写体距離)を示した図(横軸がx軸の画素位置、縦軸が被写体距離)である。この手法において分割制御部109は、距離情報のうち、隣接する画素間で被写体距離が距離閾値TL1以上の差を有しているか否かに基づいて、該画素間で領域を分割するか否かを決定する。
次に、距離情報と法線情報とに基づいて分割制御部109が分割領域を設定する手法について、図14を参照して説明する。図14(a)は、撮像画像の特定のy座標を有してx軸方向に並ぶ画素に対応する、距離情報の画素値(被写体距離)及び法線情報の画素値(法線値:sinθx)を示した図(横軸が対象のx軸の画素位置、縦軸がそれぞれの画素値)である。この手法において分割制御部109は、距離情報のみに基づく手法と同様に隣接する画素間での被写体距離の差と距離閾値TL2との比較に基づいて分割する位置を決定するが、距離閾値TL2は対応する画素の法線情報の状態に応じて変更する。
次に、撮像画像における輝度の分散情報に基づいて分割制御部109が分割領域を設定する手法について、図15を参照して説明する。図15(a)は、撮像画像の特定のy座標を有してx軸方向に並ぶ画素に対応する、輝度値の分散情報(分散値)を示した図(横軸がx軸の画素位置、縦軸が分散値)である。この手法において分割制御部109は、分散情報のうち、分散値が閾値TD以上の差を有しているか否かに基づいて、該画素間で領域を分割するか否かを決定する。
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
Claims (17)
- 撮像範囲に含まれる被写体について得られた法線情報と距離情報とに基づいて、該被写体の3次元形状を示す形状情報を構成する形状計測装置であって、
前記法線情報と前記距離情報とは、前記撮像範囲を撮像した2次元画像と対応する2次元情報であって、該2次元画像と対応する画素構造を有し、
前記形状計測装置は、
前記法線情報と前記距離情報とを取得する取得手段と、
前記被写体の形状情報を構成するにあたり、処理対象とする分割領域を前記2次元画像について設定する設定手段と、
前記分割領域ごとに、前記法線情報に基づく第1の形状情報を構成する第1の構成手段と、
前記分割領域ごとに、前記距離情報に基づいて前記第1の形状情報を変更した第2の形状情報を構成する第2の構成手段と、
複数の前記分割領域についての前記第2の形状情報を結合することで、前記被写体の3次元形状を示す結合形状情報を構成する結合手段と、
を有することを特徴とする形状計測装置。 - 前記第1の構成手段は、前記分割領域ごとに、対応する前記法線情報を積分することにより、前記第1の形状情報を構成することを特徴とする請求項1に記載の形状計測装置。
- 前記距離情報は、被写体距離の情報を含み、
前記第2の構成手段は、前記分割領域ごとに含まれる被写体までの被写体距離の分布に基づいて、前記第1の形状情報で表現される3次元形状の深度方向の大きさを変更する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の形状計測装置。 - 前記第2の構成手段は、前記分割領域ごとに含まれる被写体の被写体距離の分布に基づいて、前記深度方向の大きさを変更する倍率を決定することを特徴とする請求項3に記載の形状計測装置。
- 前記設定手段は、前記2次元画像が均等分割されるよう、前記分割領域を設定することを特徴とする請求項4に記載の形状計測装置。
- 前記第2の構成手段は、隣接する前記分割領域に係る前記第2の形状情報が前記結合手段により結合されると、該結合の連結部における3次元形状の連続性が担保されない場合に、隣接する前記分割領域との間で生じる深度方向の大きさの差分を低減するよう前記分割領域ごとに導出された倍率のうちから選択された倍率を用いて、前記第1の形状情報を変更するよう、構成に係る処理を異ならせることを特徴とする請求項5に記載の形状計測装置。
- 前記第2の構成手段は、前記分割領域のそれぞれについて、前記深度方向の大きさの差分を低減するよう導出された倍率のうち、該導出に参照された前記分割領域の情報の信頼度が所定の基準を満たさない倍率については、前記第1の形状情報の変更に用いる倍率から除外することを特徴とする請求項6に記載の形状計測装置。
- 前記分割領域の情報の信頼度は、前記撮像範囲を撮像した2次元画像の該分割領域における輝度、焦点状態、及び該分割領域の前記法線情報を導出するために参照された2次元画像の数の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項7に記載の形状計測装置。
- 前記設定手段は、前記2次元画像、前記法線情報及び前記距離情報の少なくともいずれかに基づいて、動的に前記分割領域を設定することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の形状計測装置。
- 前記設定手段は、前記距離情報の隣接する画素において被写体距離の差が距離閾値を上回る場合に、該画素位置を基準に領域を分割するよう、前記分割領域を設定することを特徴とする請求項9に記載の形状計測装置。
- 前記設定手段は、前記法線情報の画素で示される法線の深度方向の成分の大きさに応じて、該画素に係る前記距離閾値を異ならせることを特徴とする請求項10に記載の形状計測装置。
- 前記設定手段は、前記法線情報の画素で示される法線の深度方向の成分の大きさが、法線について定められた法線閾値を上回る画素には、該法線閾値を下回る画素に比べて高い第1の距離閾値を設定することを特徴とする請求項11に記載の形状計測装置。
- 前記設定手段は、前記法線情報の画素で示される法線の深度方向の成分の大きさが前記法線閾値を上回る画素であっても、前記法線情報の該画素を含む周辺画素において法線の深度方向の成分の大きさが連続的に変化しているのであれば、前記第1の距離閾値よりも高い第2の距離閾値を該画素に設定することを特徴とする請求項12に記載の形状計測装置。
- 前記法線情報は、光源位置を異ならせて前記撮像範囲を撮像した複数の2次元画像を解析することにより導出されることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の形状計測装置。
- 前記撮像範囲の2次元画像を撮像する撮像装置は、一対の瞳分割画像を一時に撮像する撮像手段を有し、
前記距離情報は、前記一対の瞳分割画像から得られる各画素の被写体像のデフォーカス量に基づいて導出された被写体距離の情報を含む
ことを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の形状計測装置。 - 撮像範囲に含まれる被写体について得られた法線情報と距離情報とに基づいて、該被写体の3次元形状を示す形状情報を構成する形状計測装置の制御方法であって、
前記法線情報と前記距離情報とは、前記撮像範囲を撮像した2次元画像と対応する2次元情報であって、該2次元画像と対応する画素構造を有し、
前記制御方法は、
前記法線情報と前記距離情報とを取得する取得工程と、
前記被写体の形状情報を構成するにあたり、処理対象とする分割領域を前記2次元画像について設定する設定工程と、
前記分割領域ごとに、前記法線情報に基づく第1の形状情報を構成する第1の構成工程と、
前記分割領域ごとに、前記距離情報に基づいて前記第1の形状情報を変更した第2の形状情報を構成する第2の構成工程と、
複数の前記分割領域についての前記第2の形状情報を結合することで、前記被写体の3次元形状を示す結合形状情報を構成する結合工程と、
を有することを特徴とする制御方法。 - コンピュータを、請求項1乃至15のいずれか1項に記載の形状計測装置の各手段として機能させるためのプログラム。
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