JP7416573B2 - 立体画像生成装置及びそのプログラム - Google Patents
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Description
さらに、従来手法では、オクルージョンなどの影響により、コストボリュームにより単純な奥行き推定処理を行っても、高精度に奥行き推定ができないという問題もある。これは、ある1視点から生成したコストボリュームでは精度が低くなるためである。
さらに、本発明は、簡易で正確な奥行き推定処理を行えるように高精度なコストボリュームを算出できる立体画像生成装置及びそのプログラムを提供することを課題とする。
コストボリューム算出手段は、イメージベースドレンダリングにより、奥行きレイヤ上のサンプリング点を多視点画像に投影したときの画像間の類似度又は非類似度を表すコストの三次元配列であるコストボリュームを、視点位置毎に算出する。
コストボリューム内挿手段は、視点位置と内挿位置とのシフト量を奥行きレイヤ上で算出し、算出したシフト量に応じて、コストボリューム算出手段が算出した各視点位置のコストボリュームから内挿位置のコストボリュームを内挿する。
このように、立体画像生成装置は、シフト量に応じてコストボリュームを内挿するので、効率的にコストボリュームを算出することができる。
立体画像生成手段は、光線情報から立体画像を生成する。
コストボリューム補正手段は、補正対象の視点位置同士のシフト量を奥行きレイヤ上で算出し、算出したシフト量に応じて、補正対象のコストボリュームを補正する。
このように、立体画像生成装置は、シフト量に応じてコストボリュームを補正するので、高精度なコストボリュームを算出することができる。
本発明によれば、シフト量に応じてコストボリュームを補正するので、高精度なコストボリュームを算出し、簡易で正確な奥行き推定処理が可能となり、高品質な立体画像を生成することができる。
[立体画像生成システムの概要]
図1を参照し、第1実施形態に係る立体画像生成システム1の概要を説明する。
立体画像生成システム1は、イメージベースドレンダリングにより、インテグラル立体方式の要素画像(立体画像)を生成するものである。図1に示すように、立体画像生成システム1は、カメラアレイ2と、要素画像生成装置(立体画像生成装置)3とを備える。
なお、カメラアレイ2では、カメラ校正を行えばよいので、各撮影カメラ20が厳密に同一平面に位置せずともよい。また、カメラアレイ2の詳細は、前記した非特許文献5に詳細に記載されているため、これ以上の説明を省略する。
以下、要素画像生成装置3の構成を説明する。
要素画像生成装置3は、カメラアレイ2からの多視点画像を用いて、イメージベースドレンダリングにより、被写体からの光線の色を表す光線色情報(光線情報)を生成し、その光線色情報から要素画像を生成するものである。図1に示すように、要素画像生成装置3は、多視点画像入力手段30と、パラメータ設定手段31と、サンプリング点設定手段32と、コストボリューム算出手段33と、コストボリューム内挿手段34と、光線色情報生成手段(光線情報生成手段)35と、要素画像生成手段(立体画像生成手段)36とを備える。
なお、平行投影とは、視点位置毎の光線が平行になる投影のことである。
図2~図5を参照し、パラメータ及びサンプリング点の設定を詳細に説明する。なお、図2では、水平方向をX軸、垂直方向をY軸、奥行き方向をZ軸として図示した。
本実施形態では、図2に示すように、3体の被写体9(91~93)が撮影空間α内に配置されていることとする。奥行き方向において、被写体91~93が撮影空間αの手前側から順に並んでおり、被写体92が撮影空間αの中央に位置する。また、水平方向において、被写体91~93は、左右にずれて配置される。
以上を考慮し、パラメータ設定手段31では、仮想レンズアレイLの位置と方向、仮想要素レンズlのピッチ及び個数とを設定すればよい。
以上を考慮し、パラメータ設定手段31では、撮影空間αを設定すればよい。
以上を考慮し、パラメータ設定手段31では、コストボリュームの算出に必要な視点位置と、コストボリュームを内挿したい視点位置である内挿位置とを設定すればよい。
以上を考慮し、パラメータ設定手段31では、奥行きレイヤDを設定すればよい。なお、奥行きレイヤDは、奥行き方向で必ずしも等間隔である必要はない。
以上を考慮し、サンプリング点設定手段32では、視点位置毎に、各光線と奥行きレイヤDとの交点をサンプリング点SPとして設定すればよい。
コストボリューム算出手段33は、視点位置毎に、イメージベースドレンダリングによりコストボリュームを算出するものである。本実施形態では、コストボリューム算出手段33は、サンプリング点設定手段32で設定されたサンプリング点SPについて、コストボリュームを算出する。
また、コストを水平方向及び垂直方向に2次元配列したものが「コストマップ」となり、コストを水平方向と垂直方向と奥行き方向とに3次元配列したものが「コストボリューム」となる。
コストボリューム算出手段33は、算出したコストボリュームと、多視点画像及び各種パラメータとをコストボリューム内挿手段34に出力する。
なお、「シフト」とは奥行きレイヤD上での視点位置と内挿位置との位置ずれのことであり、「シフト量」とはその位置ずれ量のことである。
図6~図10を参照し、平行投影におけるコストボリュームの内挿を説明する。
実線の光線領域に対応する視点位置を「視点A」、一点鎖線の光線領域に対応する視点位置を「視点C」、二点鎖線の光線領域に対応する視点位置を「視点B」と呼ぶ。図6(a)では、視点A~Cのそれぞれに対応する光線領域に符号A~Cを付した。また、視点A及び視点Cのコストボリュームがコストボリューム算出手段33で算出済みであり、視点Bのコストボリュームを内挿することとする。
図7に示すように、仮想レンズアレイLは、仮想要素レンズlがピッチpで並んでいる。この仮想レンズアレイLのレンズアレイ面LPを基準にレンズアレイ座標系を設定し、このレンズアレイ座標系で考える。ここで、内挿する側の視点Aの光線ベクトルVAと内挿される側の視点Bの光線ベクトルVBを定義する。2本の光線ベクトルVA,VBの奥行き方向(Z軸方向)の成分が1となるように正規化し、その差分ベクトルVA-Bの水平方向(X軸方向)の成分をvとする。このとき、コストボリューム内挿手段34は、下記の式(1)でシフト量sを算出できる。なお、式(1)において、奥行きレイヤDの奥行き方向の位置をdとする。
また、式(2)及び式(3)では、説明を簡易にするため、下記の参考文献に記載のMATLABの表記を用いた。
参考文献:「MATLAB」、[平成30年6月15日検索]、インターネット〈URL:https://jp.mathworks.com/products/matlab.html〉
光線色情報生成手段35は、コストボリューム内挿手段34より入力されたコストボリュームから、視点位置及び内挿位置における光線色情報を生成するものである。図1に示すように、光線色情報生成手段35は、奥行きレイヤ推定手段35Aと、光線色情報取得手段35Bとを備える。
光線色情報取得手段35Bは、各視点位置で取得した光線色情報を、視点位置及び内挿位置の任意視点画像として、要素画像生成手段36に出力する。
図11を参照し、要素画像Eの生成について説明する。
図11(a)に示すように、左上視点の画像P11、画像P11の右側視点の画像P21、画像P11の下側視点の画像P12という、3視点分の画像Pについて考える。また、説明を簡易にするため、画像P11では、左上画素に「●1」を付し、右側画素に「●2」を付し、下側画素に「●3」を付した。これと同様、画像P21には、「▲1」~「▲3」を付し、画像P12には、「■1」~「■3」を付した。
図12を参照し、要素画像生成装置3の動作について説明する。
図12に示すように、パラメータ設定手段31は、要素画像の生成に必要な各種パラメータが予め設定される。この各種パラメータとしては、仮想レンズアレイの位置及びピッチと、仮想要素レンズの個数と、撮影空間と、奥行きレイヤと、視点位置とがあげられる(ステップS1)。
多視点画像入力手段30は、カメラアレイ2から多視点画像が入力される(ステップS2)。
コストボリューム算出手段33は、視点位置毎に、イメージベースドレンダリングによりコストボリュームを算出する。例えば、コストボリューム算出手段33は、ステップS3で設定されたサンプリング点について、コストボリュームを算出する(ステップS4)。
奥行きレイヤ推定手段35Aは、ステップS4,S5で求めたコストボリュームから、イメージベースドレンダリングにより被写体9の光線が発生した奥行きレイヤを推定する。例えば、奥行きレイヤ推定手段35Aは、コストボリュームに含まれるコストの最小値探索を行い、コストが最小となる奥行きレイヤを各光線に割り当てる(ステップS6)。
要素画像生成手段36は、ステップS7で取得した光線色情報から、要素画像を生成するものである。例えば、要素画像生成手段36は、光線色情報(任意視点画像)から同一位置の画素を抽出し、抽出した画素で構成される要素画像を生成する(ステップS8)。
以上のように、第1実施形態に係る要素画像生成装置3は、平行投影の光線構造において、シフト量に応じてコストボリュームを内挿するので、効率的にコストボリュームを算出し、コストボリュームの算出に要する膨大な演算量を低減することができる。
[要素画像生成装置の構成]
図13を参照し、第2実施形態に係る要素画像生成装置3Bについて、第1実施形態と異なる点を説明する。
要素画像生成装置3Bは、全視点位置のコストボリュームを算出し、そのコストボリュームを補正する点が、第1実施形態と異なる。図13に示すように、要素画像生成装置3Bは、多視点画像入力手段30と、パラメータ設定手段31Bと、サンプリング点設定手段32と、コストボリューム算出手段33と、コストボリューム補正手段37と、光線色情報生成手段35と、要素画像生成手段36とを備える。
なお、パラメータ設定手段31B及びコストボリューム補正手段37以外は、第1実施形態と同様のため、説明を省略する。
図14を参照し、コストボリュームの補正について説明する。
前記したように、隣り合う2つの視点位置の光線領域が重複し(図6(b)のハッチングの範囲)、この重複範囲ではコストボリュームも重複するので、この重複範囲内でコストボリュームを補正する。ここでは、補正対象の視点位置が、互いに隣り合う視点A、Bであることとする。
図15を参照し、要素画像生成装置3Bの動作について説明する。
なお、ステップS2~S4,S6~S8の処理は、第1実施形態と同様のため、説明を省略した。
以上のように、第2実施形態に係る要素画像生成装置3Bは、平行投影の光線構造において、シフト量に応じてコストボリュームを補正するので、高精度なコストボリュームを算出し、高品質な要素画像を生成することができる。
以下、第3実施形態を説明する前提として、光線再生型表示システムの光線構造について説明する。
光線再生型表示システムの光線構造は、第1、第2実施形態で説明した平行投影(図3)と、第3実施形態で説明する透視投影レンズシフト(図16)とに大別できる。平行投影は、図3(a)に示すように全光線が平行である。一方、透視投影レンズシフトは、図16(a)に示すように全光線が奥行き方向の一定距離で集光点Tに集光する。
図1を参照し、第3実施形態に係る要素画像生成装置3Cの構成について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図1に示すように、要素画像生成装置3Cは、多視点画像入力手段30と、パラメータ設定手段31と、サンプリング点設定手段32Cと、コストボリューム算出手段33と、コストボリューム内挿手段34Cと、光線色情報生成手段35と、要素画像生成手段36とを備える。
なお、サンプリング点設定手段32C及びコストボリューム内挿手段34C以外の構成は、第1実施形態と同様のため、説明を省略する。
以上を考慮し、サンプリング点設定手段32Cでは、視点位置毎に、各光線と奥行きレイヤDとの交点をサンプリング点SPとして設定すればよい。
図19~図21を参照し、透視投影レンズシフトにおけるコストボリュームの内挿を説明する。
仮想レンズアレイLのレンズアレイ面LPを基準にレンズアレイ座標系を設定し、このレンズアレイ座標系で考える。図19に示すように、仮想レンズアレイLに対する集光点Tの奥行き方向の位置をW、レンズアレイ面LPに対する奥行きレイヤDの奥行き方向の位置をdとする。ここで、隣り合う仮想要素レンズlを通り同一の集光点Tに集まる2本の光線について考える。この2本の光線の間隔PPは、集光点Tからレンズアレイ面LPに近づくに従って大きくなり、以下の式(4)で表される。
以上のように、第3実施形態に係る要素画像生成装置3Cは、透視投影レンズシフトの光線構造において、シフト量に応じてコストボリュームを内挿するので、効率的にコストボリュームを算出し、コストボリュームの算出に要する膨大な演算量を低減することができる。
[要素画像生成装置の構成]
図13を参照し、第3実施形態に係る要素画像生成装置3Dの構成について、第2実施形態と異なる点を説明する。
要素画像生成装置3Dは、光線構造が透視投影レンズシフトである点が、第2実施形態と異なる。
なお、サンプリング点設定手段32D及びコストボリューム補正手段37D以外の構成は、第2実施形態と同様のため、説明を省略する。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
前記した各実施形態では、奥行きレイヤが5つであることとして説明したが、奥行きレイヤの数は特に制限されない。
前記した各実施形態では、水平方向のシフト量を説明したが、垂直方向についても同様にシフト量を算出できる。
2 カメラアレイ
3,3B~3D要素画像生成装置(立体画像生成装置)
20 撮影カメラ
30 多視点画像入力手段
31,31B パラメータ設定手段
32,32C,32D サンプリング点設定手段
33 コストボリューム算出手段
34,34C コストボリューム内挿手段
35 光線色情報生成手段(光線情報生成手段)
35A 奥行きレイヤ推定手段
35B 光線色情報取得手段
36 要素画像生成手段(立体画像生成手段)
37,37D コストボリューム補正手段
9,91~93 被写体
A,B,C 光線領域
CMA,CMB コストマップ
CVA,CVB,CVC コストボリューム
D,D1~D5 奥行きレイヤ
E,E11,E12,E21 要素画像
L 仮想レンズアレイ(仮想光学素子アレイ)
LP レンズアレイ面
l 仮想要素レンズ(仮想光学素子)
P,P11,P12,P21 画像
SP サンプリング点
T,TA,TB 集光点
VA,VB 光線ベクトル
α 撮影空間
αB 奥側位置
αF 手前側位置
Claims (9)
- 撮影カメラを二次元状に並べたカメラアレイが被写体を撮影した多視点画像を用いて、イメージベースドレンダリングにより前記被写体からの光線を表す光線情報を生成し、当該光線情報から立体画像を生成する立体画像生成装置であって、
前記立体画像を表示する立体表示装置が備える光学素子アレイを前記被写体が位置する撮影空間内に配置した仮想光学素子アレイと平行で、かつ、奥行き方向で所定間隔となるように前記撮影空間内に配置された奥行きレイヤと、視点位置と、前記視点位置同士の間となる内挿位置とが予め設定されるパラメータ設定手段と、
前記イメージベースドレンダリングにより、前記奥行きレイヤ上のサンプリング点を前記多視点画像に投影したときの画像間の類似度又は非類似度を表すコストの三次元配列であるコストボリュームを、前記視点位置毎に算出するコストボリューム算出手段と、
前記視点位置と前記内挿位置とのシフト量を前記奥行きレイヤ上で算出し、算出した前記シフト量に応じて、前記コストボリューム算出手段が算出した各視点位置のコストボリュームから前記内挿位置のコストボリュームを内挿するコストボリューム内挿手段と、
前記イメージベースドレンダリングにより、前記視点位置及び前記内挿位置のコストボリュームから前記光線が発生した奥行きレイヤを推定し、推定した前記奥行きレイヤにおける前記光線情報を生成する光線情報生成手段と、
前記光線情報から前記立体画像を生成する立体画像生成手段と、
を備えることを特徴とする立体画像生成装置。 - 前記奥行きレイヤ上において、前記視点位置毎の光線が平行になる平行投影のサンプリング点が予め設定されるサンプリング点設定手段、をさらに備え、
前記パラメータ設定手段は、前記仮想光学素子アレイの位置及び素子間隔がさらに設定され、前記奥行きレイヤが前記仮想光学素子アレイの位置を基準として奥行き方向に設定され、
前記コストボリューム内挿手段は、前記仮想光学素子アレイから前記奥行きレイヤまでの奥行きベクトルの要素dと、前記視点位置の光線ベクトルと前記内挿位置の光線ベクトルとの差分ベクトルの要素vと、前記仮想光学素子アレイの素子間隔pとが含まれる下記の式(1)を用いて、
- 前記奥行きレイヤ上において、前記視点位置毎の光線が1つの集光点に集光する透視投影レンズシフトのサンプリング点が予め設定されるサンプリング点設定手段、をさらに備え、
前記パラメータ設定手段は、前記仮想光学素子アレイの位置及び素子間隔がさらに設定され、前記奥行きレイヤが前記仮想光学素子アレイの位置を基準として奥行き方向に設定され、
前記コストボリューム内挿手段は、
前記仮想光学素子アレイの素子間隔pと、前記仮想光学素子アレイから前記奥行きレイヤまでの奥行きベクトルの要素dと、前記仮想光学素子アレイに対する前記集光点の位置を示すベクトルの要素Wとが含まれる式(4)を用いて、
前記視点位置の光線ベクトルと前記内挿位置の光線ベクトルとの差分ベクトルの要素vと、前記要素dと、前記間隔PPとが含まれる式(5)を用いて、
- 撮影カメラを二次元状に並べたカメラアレイが被写体を撮影した多視点画像を用いて、イメージベースドレンダリングにより前記被写体からの光線を表す光線情報を生成し、当該光線情報から立体画像を生成する立体画像生成装置であって、
前記立体画像を表示する立体表示装置が備える光学素子アレイを前記被写体が位置する撮影空間内に配置した仮想光学素子アレイと平行で、かつ、奥行き方向で所定間隔となるように前記撮影空間内に配置された奥行きレイヤと、視点位置とが予め設定されるパラメータ設定手段と、
前記イメージベースドレンダリングにより、前記奥行きレイヤ上のサンプリング点を前記多視点画像に投影したときの画像間の類似度又は非類似度を表すコストの三次元配列であるコストボリュームを、前記視点位置毎に算出するコストボリューム算出手段と、
補正対象の前記視点位置同士のシフト量を前記奥行きレイヤ上で算出し、算出した前記シフト量に応じて、前記補正対象のコストボリュームを補正するコストボリューム補正手段と、
前記イメージベースドレンダリングにより、前記コストボリューム補正手段が補正したコストボリュームから前記光線が発生した奥行きレイヤを推定し、推定した前記奥行きレイヤにおける前記光線情報を生成する光線情報生成手段と、
前記光線情報から前記立体画像を生成する立体画像生成手段と、
を備えることを特徴とする立体画像生成装置。 - 前記奥行きレイヤ上において、前記視点位置毎の光線が平行になる平行投影のサンプリング点が予め設定されるサンプリング点設定手段、をさらに備え、
前記パラメータ設定手段は、前記仮想光学素子アレイの位置及び素子間隔がさらに設定され、前記奥行きレイヤが前記仮想光学素子アレイの位置を基準として奥行き方向に設定され、
前記コストボリューム補正手段は、前記仮想光学素子アレイから前記奥行きレイヤまでの奥行きベクトルの要素dと、前記補正対象の視点位置同士における光線ベクトルの差分ベクトルの要素vと、前記仮想光学素子アレイの素子間隔pとが含まれる下記の式(1)を用いて、
- 前記奥行きレイヤ上において、前記視点位置毎の光線が1つの集光点に集光する透視投影レンズシフトのサンプリング点が予め設定されるサンプリング点設定手段、をさらに備え、
前記パラメータ設定手段は、前記仮想光学素子アレイの位置及び素子間隔がさらに設定され、前記奥行きレイヤが前記仮想光学素子アレイの位置を基準として奥行き方向に設定され、
前記コストボリューム補正手段は、
前記仮想光学素子アレイの素子間隔pと、前記仮想光学素子アレイから前記奥行きレイヤまでの奥行きベクトルの要素dと、前記仮想光学素子アレイに対する前記集光点の位置を示すベクトルの要素Wとが含まれる式(4)を用いて、
前記補正対象の視点位置同士における光線ベクトルの差分ベクトルの要素vと、前記要素dと、前記間隔PPとが含まれる式(5)を用いて、
- 前記コストボリューム補正手段は、前記コストボリュームに含まれる互いの前記コストが予め設定された値以上異なる場合、当該コストを補正することを特徴とする請求項4から請求項6の何れか一項に記載の立体画像生成装置。
- 前記立体画像は、インテグラル立体方式の要素画像であり、
前記立体画像生成手段は、各光線情報から同一位置の画素を抽出し、抽出した前記画素で構成される前記要素画像を生成することを特徴とする請求項1から請求項7の何れか一項に記載の立体画像生成装置。 - コンピュータを、請求項1から請求項8の何れか一項に記載の立体画像生成装置として機能させるためのプログラム。
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