JP4324271B2 - Image processing apparatus and method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
【0002】
この発明は、デジタルスチルカメラなどに用いられ、被写体面を撮影した画像の斜め撮影による歪みの補正を行う画像処理装置及びその方法に関する。
【従来の技術】
【0003】
コンピュータ・ネットワークの急速な進歩とともにビジネスの在り方も多様化し、あらゆる局面で重要な情報を素早く取得する必要性が生じている。それに伴い、携帯型の入力装置を用いて平面状の文書や写真を簡便かつ高精度に入力することへの要求が高まっている。現状では、デジタルスチルカメラのような画像入力装置を用いて、A4程度の大きさの紙面文書等の被写体面を撮影した画像情報を活用するという応用例がある。
【0004】
しかしこの応用例においては、上記装置の撮像面が紙面に対して平行でない状態で撮影した場合、撮影した画像に遠近効果による歪みが生じるという不具合がある。
【0005】
これに対して、特開平3-94383号公報には、既知の固定形状を想定し、この固定形状内に入力画像を配置して、固定形状の歪み方を調べることにより、本来の平面上での形状になる変換パラメータを発見し、斜め撮影による画像の歪みを補正するという技術が開示されている。
【0006】
また、特開平5-101221号公報においては、被写体面に直交格子を導入し、各格子点の空間座標を求め、撮像面に設けられた座標系に直交変換を施して射影することにより、画像歪みを補正するという技術が開示されている。
【0007】
特開平9-289600号公報においては、カメラの撮像面と被写体面とのなす傾斜角を入力する角度設定手段と、被写体までの距離を測定する測距手段を設け、角度設定手段を用いて傾斜角を入力した状態で被写体を撮影することにより、上記傾斜角と測距手段で検出された被写体距離に基づいて、被写体を正面から見た画像に補正するという技術が開示されている。
【0008】
特開平10-79878号公報においては、撮像面を走査させて被写体を周期的に撮像した分割画像を、アフィン変換などの2次元の座標変換処理によって繋ぎ合わせた合成画像において、同じ連結成分ごとにラベル付けし、ラベル付けされた画像の連結成分をその大きさによって直線、文字及び図形に分類し、分類された直線或いは文字基線の傾きを評価し、文字の外接矩形と直線の距離を保持して、評価された傾きの分だけ直線を回転させて補正することにより、解像度の高い画像を得るという静止画像撮像装置が開示されている。
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかし、特開平3-94383号公報に開示の技術では、撮影対象を形状が既知の固定図形内に配置する必要があり、紙面を撮影するために面倒な作業が必要である。
【0010】
また、特開平5-101221号公報に開示の技術では、被写体面に直交格子を重ねあわせ、各格子点の2次元座標を手動で入力するという作業が必要であり、簡便な動作で被写体面を撮影するのは極めて困難である。
【0011】
さらに、特開平9-289600号公報に開示の技術では、角度設定手段を操作して撮像面と被写体面とのなす傾斜角を正確に手動入力するのは非常に困難であり、その結果高い精度で画像の歪みを補正するのも困難になる。
【0012】
また前記応用例においては、新聞紙等の大面積の紙面情報やパネルや壁に描かれた情報を、上記装置で高い解像度で読み込むことが極めて困難であるという不具合もある。
【0013】
そこで、携帯可能な画像入力装置でこれらの大きな被写体を分割撮影して、得られた複数枚の画像を貼り合わせて、1枚の合成画像を作成して解像度の高い画像を得るという技術がある。その例が前記特開平10-79878号公報に開示の技術である。
【0014】
しかし、一般に各々の分割画像を撮像した時の撮像装置の文書に対する姿勢はそれぞれ異なるので、前記合成画像の画面上の位置によって直線や文字基線の傾きはまちまちである。そのため、合成画像の至る所で上記ラベル付け、傾きの評価、回転補正を行う必要があり、処理が非常に煩雑となる。
【0015】
この発明の目的は、撮像面と被写体面とが互いに傾いた状態で撮影された画像の歪みを補正し、かつこれらの画像から歪みの補正された合成画像を簡単に作成することである。
【課題を解決するための手段】
【0016】
請求項1に記載の発明は、被写体面を画像として撮像する手段と、前記撮像する手段で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する手段を基準とする3次元座標を算出する手段と、前記算出する手段で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める手段と、前記求める手段で求められた被写体面の向きに基づいて、前記撮像された画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する手段と、を備えていることを特徴とする画像処理装置である。
【0017】
したがって、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した場合でも、平面を計測することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0018】
請求項2に記載の発明は、先に撮像した基準画像と一部が重複するように被写体面を参照画像として撮像する手段と、前記撮像する手段で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する手段を基準とする3次元座標を算出する手段と、前記算出する手段で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める手段と、前記基準画像から複数の特徴点を抽出し、前記参照画像から前記特徴点に対応する対応点を検出する対応検出手段と、前記対応検出手段が検出した特徴点と対応点とに基づいて、前記基準画像を前記参照画像上に座標変換して前記基準画像と前記参照画像とを貼り合せる手段と、前記求める手段で求められた前記参照画像を撮像する際の前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きに基づいて、前記貼り合わせた画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する手段と、を備えている画像処理装置である。
【0019】
したがって、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した複数の画像を貼り合わせた画像を、計測した被写体面の向きを用いて座標変換することにより、簡便に歪みのない合成画像を作成することができる。
【0020】
請求項3に記載の発明は、先に撮像した基準画像と一部が重複するように被写体面を参照画像として撮像する手段と、前記撮像する手段で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する手段を基準とする3次元座標を算出する手段と、前記算出する手段で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める手段と、前記求める手段で求められた前記被写体面の向きに基づいて、前記撮像された画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する手段と、前記補正する手段で補正された前記基準画像から複数の特徴点を抽出して、前記補正する手段で補正された前記参照画像から前記特徴点に対応する対応点を検出する対応検出手段と、前記対応検出手段が検出した前記特徴点と前記対応点とに基づいて、前記補正された基準画像を前記補正された参照画像上に座標変換することにより画像を貼り合せる手段と、を備えている画像処理装置。
【0021】
したがって、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した場合でも、平面を計測することにより、簡便に各画像の歪みを補正することができる。
【0022】
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1に記載の画像処理装置において、前記被写体面の向きを計測する手段は、前記撮像する手段の光軸の前記被写体面の法線ベクトルに対する回転角を算出する。
【0023】
したがって、撮像する手段の光軸の被写体面の法線ベクトルに対する回転角を算出することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0024】
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1に記載の画像処理装置において、前記補正する手段は、前記撮像された画像を前記被写体面の法線ベクトルの方向から撮像された画像に補正する。
【0025】
したがって、撮像された画像を被写体面の法線ベクトルの方向から撮像された画像に補正することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0028】
請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか1に記載の画像処理装置において、前記補正する手段により補正された画像の画面上での傾きを補正する傾き補正手段をさらに備える。
【0029】
したがって、撮影した各々の画像や貼り合わせた画像における被写体像の歪み・傾きを補正することができる。
【0030】
請求項7に記載の発明は、撮像する手段により被写体面を画像として撮像する工程と、前記撮像する工程で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する手段を基準とする3次元座標を算出する工程と、前記算出する工程で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める工程と、前記求める工程で求められた被写体面の向きに基づいて、前記撮像された画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する工程と、を備えていることを特徴とする画像処理方法である。
【0031】
したがって、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した場合でも、平面を計測することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0032】
請求項8に記載の発明は、撮像する手段により先に撮像した基準画像と一部が重複するように被写体面を参照画像として撮像する工程と、前記撮像する工程で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する工程を基準とする3次元座標を算出する工程と、前記算出する工程で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める工程と、前記基準画像から複数の特徴点を抽出し、前記参照画像から前記特徴点に対応する対応点を検出する対応検出工程と、前記対応検出工程が検出した特徴点と対応点とに基づいて、前記基準画像を前記参照画像上に座標変換して前記基準画像と前記参照画像とを貼り合せる工程と、前記求める工程で求められた前記参照画像を撮像する際の前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きに基づいて、前記貼り合わせた画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する工程と、を備えている画像処理方法である。
【0033】
したがって、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した複数の画像を貼り合わせた画像を、計測した被写体面の向きを用いて座標変換することにより、簡便に歪みのない合成画像を作成することができる。
【0034】
請求項9に記載の発明は、撮像する手段により先に撮像した基準画像と一部が重複するように被写体面を参照画像として撮像する工程と、前記撮像する工程で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する手段を基準とする3次元座標を算出する工程と、前記算出する工程で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める工程と、前記求める工程で求められた前記被写体面の向きに基づいて、前記撮像された画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する工程と、前記補正する工程で補正された前記基準画像から複数の特徴点を抽出して、前記補正する手段で補正された前記参照画像から前記特徴点に対応する対応点を検出する対応検出工程と、前記対応検出工程が検出した前記特徴点と前記対応点とに基づいて、前記補正された基準画像を前記補正された参照画像上に座標変換することにより画像を貼り合せる工程と、を備えている画像処理方法である。
【0035】
したがって、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した場合でも、平面を計測することにより、簡便に各画像の歪みを補正することができる。
【0036】
請求項10に記載の発明は、請求項7乃至9のいずれか1に記載の画像処理方法において、前記被写体面の向きを求める工程は、前記撮像する手段の光軸の前記被写体面の法線ベクトルに対する回転角を算出する。
【0037】
したがって、撮像する手段の光軸の被写体面の法線ベクトルに対する回転角を算出することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0038】
請求項11に記載の発明は、請求項7乃至9のいずれか1に記載の画像処理方法において、前記補正する工程は、前記撮像された画像を前記被写体面の法線ベクトルの方向から撮像された画像に補正する。
【0039】
したがって、撮像された画像を被写体面の法線ベクトルの方向から撮像された画像に補正することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0042】
請求項12に記載の発明は、請求項7乃至11のいずれか1に記載の画像処理方法において、前記補正する工程により補正された画像の画面上での傾きを補正する傾き補正工程をさらに備える。
【0043】
したがって、撮影した各々の画像や貼り合わせた画像における被写体像の歪み・傾きを補正することができる。
【発明の実施の形態】
【0044】
[発明の実施の形態1]図1に示すような被写体面を撮影した時に生じる画像の歪みを補正する画像処理装置1の構成・動作について以下に説明する。図2は、この発明の実施の形態1である画像処理装置1の構成を示すブロック図である。
【0045】
すなわち画像処理装置1は、撮像手段2と、撮像手段2により得られた画像信号に処理を施す信号処理手段3と、信号処理手段3の出力が供給されるメモリ制御手段4、主制御手段5及びインターフェース(以下I/Fと略す)6と、メモリ制御手段4の指令により画像信号を蓄積するフレームメモリ7と、I/F6を経由して画像信号を表示する表示手段8と、I/F6を経由して画像信号をはじめとする種々の信号の読み書きを行う外部記憶手段9とを有する。その他、撮像手段2を基準にした被写体面の向きを計測する平面計測手段10と、平面計測手段10の出力した前記被写体面の向きを基に、撮影した画像における斜め撮影による歪みを補正する画像歪み補正手段11をも有している。
【0046】
以下、各ブロックの詳細を説明する。撮像手段2は、レンズ12、絞り13、シャッタ14、光電変換素子15及び前処理手段16より構成されている。光電変換素子15には、例えばCCD(charge coupled device)が使用される。また前処理手段16は、プリアンプやAGC(auto gain controll)等のアナログ信号処理やアナログ−デジタル変換器(以下A/D変換器と略す)を備えており、光電変換素子15より出力されたアナログ映像信号に対して増幅・クランプ等の前処理を施した後、上記アナログ映像信号をデジタル映像信号に変換する。
【0047】
信号処理手段3は、デジタル信号処理プロセッサ(DSPプロセッサ)等により構成されており、撮像手段2より得られたデジタル映像信号に対して色分解、ホワイトバランス調整、γ補正等の種々の画像処理を施す。メモリ制御手段4は、こうして処理された画像信号をフレームメモリ7に格納したり、逆にフレームメモリ7に格納された画像信号を読み出す。フレームメモリ7は、少なくとも1枚の画像を格納可能であり、一般的にVRAM、SRAM、DRAM等が使用される。フレームメモリ7から読み出された画像信号の記録は、信号処理手段3において画像信号に対して画像圧縮等の信号処理を施した後、I/F6を介して外部記憶手段9に保存することによって行われる。外部記憶手段9は、ICメモリカードや光磁気ディスク等が使用できるが、モデムカードやISDNカードを利用して、ネットワークを経由して画像信号を直接遠隔地の記録媒体に送信しても構わない。逆に、外部記憶手段9に記録された画像信号の読み出しは、I/F6を介して信号処理手段3に画像信号を送信し、信号処理手段3において画像伸張を施すことによって行われる。一方、外部記憶手段9及びフレームメモリ7から読み出された画像信号の表示は、信号処理手段3において画像信号に対してデジタル−アナログ変換(以後D/A変換と略す)や増幅等の信号処理を施した後、I/F6を介して表示手段8に送信することによって行われる。表示手段8は、例えば画像処理装置1の筐体に設置された液晶表示装置より構成される。
【0048】
平面計測手段10は、各々の画像を撮影する時の、画像処理装置1に対する被写体面の向きを計測する。平面計測手段10は一例として図3のように、スポット光源21、受光素子22、3次元座標算出手段23、平面算出手段34より構成される。スポット光源21は発光ダイオードや半導体レーザー等の光源25、ポリゴンミラーなどの走査ミラー26及び走査ミラー26の動きを制御する駆動手段27より構成され、光源25より発生したスポット光が被写体面に当たるように光の向きを制御する部分であり、その光の向きは駆動手段27より出力される信号により検出される。受光素子22は、スポット光源21と位置関係が既知である場所に設置されたPSD(position sensitive detector)やCCD等の光電変換素子より構成され、被写体面より戻ってきた反射光の向きを検出する。3次元座標算出手段23は、スポット光源21の照射したスポット光の向き、スポット光源21と受光素子22との位置関係、及び受光素子22が検出した反射光の向きより、三角測量の原理で画像処理装置1を基準にした被写体面の3次元座標(X,Y,Z)を算出する。平面算出手段34は、3次元座標算出手段23が算出した、同一直線上にない3点以上の3次元座標を用いて、平面方程式を推定する。例えば、求める平面方程式を、
【0049】
【数1】
とおき、N点の3次元座標(Xi,Yi,Zi)(i=1,…,N)を用いて、上記平面方程式の4つのパラメータ(a,b,c,d)を、次式で示す最小自乗法により算出する。
【0050】
【数2】
画像歪み補正手段11は、平面計測手段10が出力した被写体面の向きを表す3つのパラメータ(a,b,c)を用いて、被写体面を正面から撮影した画像に変換することにより、斜め撮影による画像の歪みを補正する。本実施の形態では図4のように、平面計測手段10が計測した被写体面に平行な平面を被投影面として、該被投影面に向かって歪んだ被写体像を持つ画像を投影することにより、画像の歪みを補正する。このようにして歪みが補正された画像を、以下歪み補正画像と呼ぶ。以下、歪み補正画像を作成する方法について、詳細に説明する。
【0051】
まず、画像座標(x,y)に対応する視線の向きを定める。撮像手段2の光学系は図5のように、x軸:画像面右向きを正y軸:画像面下向きを正z軸:光軸方向;対象に向かう向きを正原点0:撮像手段2の光学中心f:焦点距離とする中心射影モデルであると仮定し、以後このxyz座標系を装置座標系と呼ぶ。すると、(x,y)に対応する視線の向きは、装置座標系を基準にした次の3次元ベクトルPで表すことができる。
【0052】
【数3】
次に図6のように、装置座標系のz軸を、被投影面の単位法線ベクトルに変換するような回転行列Rを求める。この場合、次の関係式が成立する。
【0053】
【数4】
(4)式を満たす回転行列Rは多数存在するが、ここでは回転行列Rを次式のように定義する。
【0054】
【数5】
これは図7のように、以下の順序で装置座標系を回転させることに相当する。
(1) 装置座標系を、y軸回りにβだけ回転する。この回転によりできる座標系をx1y1z1座標系とする。
(2) 装置座標系を、x1軸回りにαだけ回転するこの時、a2+b2+c2=1(c>0)、及び(4)〜(6)式を用いると、回転角α,βは次式のように導出される。
【0055】
【数6】
以上で求められた回転角α,βを(5)式に代入することにより、Rを一意に定めることができる。
【0056】
最後に、これまでの手順で求められた3次元ベクトルp、回転行列R、及び被写体面の向きを表す3つのパラメータ(a,b,c)を用いて、画像座標(x,y)を被投影面上に座標変換する。すなわち図4において、画像面の1点に対応する3次元ベクトルPを延長した時に被投影面と交差する点pを、座標変換後の画像座標とする。装置座標系を基準とした、点pに対応する3次元ベクトルをPとすると、Pは次式で表される。
【0057】
【数7】
ここでkは、撮像手段2の光学中心0から被投影面までの距離を表す拡大係数であるが、前述したように該被投影面に向かって画像を投影することにより歪みを補正するので、kは作成される歪み補正画像の大きさを表している。また、Pは点pを画像撮影時の装置座標系を基準に表したベクトルであるが、Pを回転行列Rを用いて次式のように座標変換することにより、画像処理装置1を被写体面と正対させた時の3次元ベクトルP´に変換する。
【0058】
【数8】
したがって、(10)式の3次元ベクトルP´のx座標、y座標を、点(x,y)の座標変換後の画像座標とすることにより、補正変換後の画像座標(x,y)を得る。整理すると次式のようになる。
【0059】
【数9】
以上の手順によって、(11)式を用いて画像面上の任意の座標(x,y)を(X,Y)に座標変換することにより、歪み補正画像を作成することができる。歪み補正画像の画像座標(X,Y)に対応する変換前の画像座標(x,y)は一般に整数にならないが、双一次補間法やB-スプライン補間法などの既存の方法を用いて補間することにより、画像を作成すればよい。
【0060】
上記したような画像処理の方法について、図8のフローチャートにより説明する。まず、撮像手段2により被写体面を撮影すると同時に、撮影時における被写体面の向きを表す3つのパラメータを求める(ステップS1)。次に、得られた(a,b,c)を基に、先に説明した手順で回転行列Rを算出する(ステップS2)。以上の手順で求めた(a,b,c)及び回転行列Rを基に、(11)式の座標変換を施すことにより歪み補正画像を作成し(ステップS3)、処理を終了する。
【0061】
[発明の実施の形態2]以下に説明する発明の実施の形態2〜4では、図9のように、画像処理装置1を用いて、異なる場所から同一の被写体面の静止画像を、画像の一部が重複するように、視点1から視点KまでのK箇所から撮影した場合の動作について説明する。視点1で撮影した画像をIm 1、視点2で撮影した画像をIm2などと呼ぶことにする。また、説明を簡単にするため、Im 1とIm 2、Im 2とIm 3のように、隣り合う順序で撮影したImjとIm j+1との間で重複領域を持つと仮定する。
【0062】
図10は、この発明の実施の形態2に係る画像処理装置1の構成図である。図10において、図2と同一符号の部材は、発明の実施の形態1と同様の部材であるので、詳細な説明は省略する。
【0063】
画像処理装置1は、互いに重複する領域を持つ画像間の特徴点及び対応点を抽出する対応検出手段31と、対応検出手段31が出力した特徴点と対応点の関係を基に、座標変換により互いに重複する領域を持つ画像を貼り合わせる画像貼り合わせ手段32と、画像貼り合わせ手段32が作成した貼り合わせ画像を記憶する貼り合わせ画像記憶手段33と、平面計測手段10の出力した前記被写体面の向きを基に、貼り合わせ画像記憶手段33に蓄積された貼り合わせ画像の斜め撮影による歪みを補正する合成画像歪み補正手段34とを有している。
【0064】
対応検出手段31、画像貼り合わせ手段32、貼り合わせ画像記憶手段33、及び合成画像歪み補正手段34の構成・動作を、以下説明する。対応検出手段31は、互いに重複した領域を持つ2枚の画像において同一の部分を撮影した箇所を検出するものである。ここでは、相関演算を用いた方法について説明する。対応検出手段31は、図11のように、特徴点設定手段35、相関演算手段36より構成される。図10のフレームメモリ7には、先に撮影した画像(基準画像)と、基準画像と重複した領域を持つ参照画像が蓄積されている。特徴点設定手段35は基準画像において、特徴点の位置を決定し、特徴点を中心とする濃淡パターンを抽出し、相関窓を作成する。特徴点の位置は、角(corner)のように画像の濃度パターンが特徴的である箇所を抽出することにより決定される。相関演算手段36は、基準画像で作成した相関窓の濃淡パターンとほぼ一致する箇所を、参照画像において相関演算により検出し、これを対応点と決定する。ここで、相関演算によるブロックマッチングにより対応点を検出する一例について説明する。図12のように、(2N+1)(2P+1)の相関窓を用いたブロックマッチングで、基準画像におけるi番目の特徴点(xi0,yi0)と、参照画像における点(xi0+dxi,yi0+dyi)の相互相関値Siは、次式により計算される。
【0065】
【数10】
各特徴点に対して、相互相関値Siの最大値が予め定められた閾値以上である点を求めることにより、参照画像における対応点(xi0+dxi,yi0+dyi)が求められる。Siの最大値が閾値以下ならば、対応点は存在しないとする。
【0066】
画像貼り合わせ手段32は、対応検出手段31より出力された特徴点と対応点との関係を基に、基準画像を参照画像に座標変換することにより画像を貼り合わせる。ここでは、座標変換に射影変換を用いると仮定して説明する。射影変換とは、図13のようにある被写体平面を2枚撮影し、片方を基準画像、もう片方を参照画像とした時に、図14のように基準画像に写った被写体像を参照画像撮影時の見え方に変換することを指す。これを数式で表すと、基準画像における特徴点(xs,ys)と参照画像における対応点(xr,yr)の間に、次式の関係が成立する。
【0067】
【数11】
(13)式においては8つの未知パラメータが存在するので、特徴点と対応点の組が4つ以上得られれば、最小自乗法等の計算法により係数b1〜b8を求めることができる。以上の手順で、係数b1〜b8を計算することにより貼り合わせた画像を、射影変換画像と呼ぶことにする。
以上では2視点から撮影した場合の射影変換画像の作成法を説明したが、反復処理により射影変換画像を順次作成して3枚以上の画像を貼り合わせることができる。以下、Im 1〜Im j-1を、Im jに対して射影変換した画像を、PIm j( 1≦j≦K 、但しPIm 1 = Im 1とする)と呼ぶことにする。PIm jにおいて、Im 1〜Imj-1に写った被写体像はそれぞれ、Imj撮影時の見え方に変換されて、Im jに貼り付けられている。PIm jを作成する反復処理を、以下に示す。
【0068】
j= 2, … , Kについて、以下の処理を繰り返す。
(i)PIm j-1を基準画像、Im jを参照画像とする。
(ii)基準画像において特徴点を抽出し、参照画像において対応点を検出する。
(iii)(ii)で検出した4組以上の特徴点と対応点を用いて、(13)式の係数b1〜b8を求め、PIm j-1をIm jに対して射影変換してPIm jを作成する。
(iv)jを1つ加算して、(i)に戻る。
【0069】
以上の反復処理によって、最終的にはIm 1〜Im K-1をIm Kに射影変換した画像PIm Kが得られる、すなわちIm 1〜Im Kから1枚の貼り合わせ画像を作成することができる。こうして作成された貼り合わせ画像は、貼り合わせ画像記憶手段33に保存される。
【0070】
合成画像歪み補正手段34は、前記画像貼り合わせ手段32が作成した貼り合わせ画像PIm Kにおける歪みを補正するものである。画像貼り合わせ手段32が作成した貼り合わせ画像PIm Kは既に説明したように、参照画像撮影時の見え方に変換して貼り合わされた画像なので、参照画像において被写体像が歪んでいた場合、当然貼り合わせ画像も歪みを含んでいる。そこで図15において、参照画像(=Im K)を撮影した時に、前記平面計測手段10の出力した被写体面の向きを表す3つのパラメータ(a,b,c)を用いて、発明の実施の形態1と同様に、(3)式〜(11)式の処理によって、貼り合わせ画像PIm Kの歪みを補正する。
【0071】
上記したような画像処理の方法について、図16のフローチャートにより説明する。まず、撮像手段2により被写体面を撮影し、この画像を基準画像として記憶すると同時に、撮影時における被写体面の向きを表す3つのパラメータ(a,b,c)を求める(ステップS11)。続いて、基準画像と一部が重複するように視点及び画像処理装置1の姿勢を変化させて撮像手段2により被写体面を撮影し、この画像を参照画像として記憶すると同時に、撮影時における被写体面の向きを表す3つのパラメータ(a,b,c)を求める(ステップS12)。基準画像において特徴点を抽出すると共に、参照画像において該特徴点と同じ箇所を示す対応点を検出する(ステップS13)。こうして得られた特徴点と対応点の関係を基に、先に説明した方法で基準画像を参照画像に対して座標変換した画像を作成する(ステップS14)。その後、さらに画像を撮影して合成する画像を増やす場合には(ステップS15)、以上の処理で作成した貼り合わせ画像を基準画像に置き換えて(ステップS16)、ステップS2からステップS14の動作を繰り返す。そうでない場合には、最後に作成した貼り合わせ画像を、参照画像撮影時の被写体面のパラメータ(a,b,c)を用いて、(11)式の座標変換を行うことにより貼り合わせ画像の歪みを補正して(ステップS17)、処理を終了する。
【0072】
[発明の実施の形態3]図17は、この発明の実施の形態3である画像処理装置1の構成図である。図17において、図2と同一符号の部材は、発明の実施の形態1と同様の部材であるので、詳細な説明は省略する。
【0073】
画像処理装置1は、平面計測手段10の出力した被写体面の向きを基に、各々の画像の斜め撮影による歪みを補正する画像歪み補正手段41を備えている。
【0074】
画像処理装置1による処理の手順を中心に、構成・動作を説明する。平面計測手段10は、各々の画像を撮影する時の、画像処理装置1に対する被写体面の向きを計測する。画像歪み補正手段41は、前記平面計測手段10が出力した被写体面の向き(a,b,c)を用いて、先に説明した手順で、各画像の斜め撮影による歪みを補正する。対応検出手段31は、前記画像歪み補正手段41で歪みを補正され、互いに重複した領域を持つ2枚の画像において、同一の部分を撮影した箇所を検出する。例えば、前述した相関演算を用いて対応付けを行う場合、本実施の形態では斜め撮影による歪みを補正した画像間の相関をとるので、さらに容易かつ精度の高い対応付けが可能となる。以上で得られた歪みを補正した基準画像、参照画像および特徴点と対応点の関係により、(13)式の係数b1〜b8を求めて基準画像を参照画像に貼り合わせる。
【0075】
上記したような画像処理の方法について、図18のフローチャートにより説明する。まず、撮像手段2により被写体面を撮影し、この画像を基準画像として記憶すると同時に、撮影時における被写体面の向きを表す3つのパラメータ(a,b,c)を求め(ステップS21)、このパラメータ(a,b,c)を用いて、(3)〜(11)式の処理手順で基準画像における歪みを補正し、基準画像を歪みを補正したものに置き換える(ステップS22)。続いて、基準画像と一部が重複するように視点及び画像処理装置1の姿勢を変化させて、撮像手段2により被写体面を撮影し、この画像を参照画像として記憶すると同時に、撮影時における被写体面の向きを表す3つのパラメータ(a,b,c)を求め(ステップS23)、このパラメータ(a,b,c)を用いて、(3)〜(11)式の処理手順で参照画像における歪みを補正し、参照画像を歪みを補正したものに置き換える(ステップS24)。基準画像において特徴点を抽出すると共に、参照画像において該特徴点と同じ箇所を示す対応点を検出する(ステップS25)。こうして得られた特徴点と対応点の関係を基に、先に説明した方法で基準画像を参照画像に対して座標変換した画像を作成する(ステップS26)。その後、さらに画像を撮影して合成する画像を増やす場合には(ステップS27)、以上の処理で作成した貼り合わせ画像を基準画像に置き換えて(ステップS28)、ステップS23からステップS26の動作を繰り返す。そうでない場合には、処理を終了する。
【0076】
なお本実施の形態においては、斜め撮影による画像の歪みを補正した画像同士を貼り合わせるので、(13)式で表される射影変換の代わりに、次式のアフィン変換を用いても貼り合わせ画像を得ることができる。
【0077】
【数12】
画像貼り合わせ手段32が、(13)式の射影変換または(14)式のアフィン変換に基づいた構成・動作に限定されないことは言うまでもない。
【0078】
[発明の実施の形態4]この発明の実施の形態4は、発明の実施の形態1〜3において、被写体面までの距離を利用して、作成される歪み補正画像の大きさを、各被写体像の大きさが概ね等しくなるように調整することに関するものである。例えば、図19(a)のように基準画像と参照画像を、被写体面までの距離や撮像手段2の光軸(z軸)の向きが異なった状態で撮影すると、図19(b)のようにそれぞれの歪み補正画像における被写体像の大きさも異なる場合がある。そこで、平面計測手段10の出力を利用して歪み補正画像の大きさを調整するように、画像歪み補正手段41を構成する。その一例を以下説明する。
【0079】
平面計測手段10は、発明の実施の形態1と同様の構成をとり、被写体面の方程式を表すパラメータ(a,b,c,d)、及び装置座標系を基準にした各点の3次元座標を出力する。画像歪み補正手段41は、前記平面計測手段10が出力した(a,b,c,d)及び各点の3次元座標より、(3)〜(11)式の手順で各画像の歪みを補正すると共に、(11)式の座標変換に用いる最適な拡大係数kを算出する。例えば、図19(a)において、基準画像撮影時に平面計測手段10が出力した被写体面のパラメータを(a,b,c,d)、また参照画像撮影時に平面計測手段10が出力した被写体面のパラメータを(a´,b´,c´,d´)とする。基準画像、参照画像の歪み補正画像作成に用いる拡大係数をそれぞれk、k´(k>0,k´>0)とおくと、
【0080】
【数13】
とすれば、図19(b)のように各々の被写体像の大きさが概ね等しい歪み補正画像が得られる。
【0081】
[発明の実施の形態5]この発明の実施の形態5は、発明の実施の形態1〜4において、撮影時における被写体面の向きを表す3つのパラメータ(a,b,c)を用いて画像処理装置1を被写体面に正対させて撮影した画像に変換することにより、各々の画像の歪みを補正するが、これは撮像手段2の光軸(z軸)を被写体面の向きと一致させるような座標変換を施した結果得られる画像を擬似的に生成することを意味する。しかし、この座標変換は被写体面の法線ベクトルを回転軸とする1軸回りの自由度を残している。すなわち、撮影時の画像処理装置1の姿勢によっては、図20(a)のように、画像面上で被写体像が傾いた歪み補正画像が作成される。本実施の形態では、発明の実施の形態1〜4に傾き補正手段51を設置し、図20(b)のように傾きの殆ど無い歪み補正画像を得ることを目的とする。
【0082】
傾き補正手段51は、図21のように、回転角設定手段52、回転中心設定手段53、及び回転演算手段54より構成される。回転角設定手段52と回転中心設定手段53はスイッチ等により構成され、例えば画像処理装置1の筐体上に表示手段8と隣り合う位置に配置される。回転角設定手段52は画面上での回転角θを、また回転中心設定手段53は画面上での回転中心座標(x0,y0)を指定する。回転演算手段54は筐体内部に内蔵された演算回路等により構成され、回転角θ及び回転中心座標(x0,y0)を用いて、以下の座標変換式により歪み補正画像の画面上での傾きを補正する。
【0083】
【数14】
(16)式の座標変換を、歪み補正画像に適用して傾きを補正した画像を、表示手段8上で確認することができる。
【0084】
なお、いうまでもなく、前記の各発明の実施の形態の説明は、本発明の一例を説明したにすぎず、この発明を前記の各発明の実施の形態通りに限定・縮小すべきではない。例えば、平面計測手段10の構成は前記実施の形態で説明した範囲に限定されず、波動(光、電波、音波)を対象に照射し、対象からの反射波の伝播時間や位相差を計測することにより対象までの距離を求める、また被写体面の焦点ぼけの量から距離を求めるなど、別の構成でも構わない。また、対応検出手段31において相関法による濃度マッチングにより対応点を検出すると説明したが、時空間微分法など別の手法で行っても構わない。
【発明の効果】
【0085】
請求項1に記載の発明によれば、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した場合でも、平面を計測することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0086】
請求項2に記載の発明によれば、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した複数の画像を貼り合わせた画像を、計測した被写体面の向きを用いて座標変換することにより、簡便に歪みのない合成画像を作成することができる。
【0087】
請求項3に記載の発明によれば、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した場合でも、平面を計測することにより、簡便に各画像の歪みを補正することができる。また、歪みを補正した画像を用いて対応を検出するので、請求項2に記載の画像処理装置と比較して、さらに対応付けの精度が上がり、その結果、一層高精細な合成画像を簡便に得ることができる。
【0088】
請求項4に記載の発明によれば、請求項1乃至3のいずれか1に記載の画像処理装置において、撮像する手段の光軸の被写体面の法線ベクトルに対する回転角を算出することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0089】
請求項5に記載の発明によれば、請求項1乃至3のいずれか1に記載の画像処理装置において、撮像された画像を被写体面の法線ベクトルの方向から撮像された画像に補正することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0091】
請求項6に記載の発明によれば、請求項1乃至5のいずれか1に記載の画像処理装置において、撮影した各々の画像や貼り合わせた画像における被写体像の歪み・傾きを補正することができる。また、請求項3に記載の発明に本請求項に記載の発明を適用すれば、被写体像の傾きがほぼ等しい歪み補正画像を用いて対応を検出するので、さらに対応付けの精度が上がり、その結果、一層高精細な合成画像を簡便に得ることができる。
【0092】
請求項7に記載の発明によれば、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した場合でも、平面を計測することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0093】
請求項8に記載の発明によれば、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した複数の画像を貼り合わせた画像を、計測した被写体面の向きを用いて座標変換することにより、簡便に歪みのない合成画像を作成することができる。
【0094】
請求項9に記載の発明によれば、任意の被写体面を任意の視点・姿勢で撮影した場合でも、平面を計測することにより、簡便に各画像の歪みを補正することができる。また、歪みを補正した画像を用いて対応を検出するので、請求項8に記載の発明と比較して、さらに対応付けの精度が上がり、その結果、一層高精細な合成画像を簡便に得ることができる。
【0095】
請求項10に記載の発明によれば、請求項7乃至9のいずれか1に記載の画像処理方法において、撮像する手段の光軸の被写体面の法線ベクトルに対する回転角を算出することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0096】
請求項11に記載の発明によれば、請求項7乃至9のいずれか1に記載の画像処理方法において、撮像された画像を前記被写体面の法線ベクトルの方向から撮像された画像に補正することにより、簡便に画像の歪みを補正することができる。
【0098】
請求項12に記載の発明によれば、請求項7乃至11のいずれか1に記載の画像処理方法において、撮影した各々の画像や貼り合わせた画像における被写体像の歪み・傾きを補正することができる。また、請求項9に記載の発明に本請求項に記載の発明を適用すれば、被写体像の傾きがほぼ等しい歪み補正画像を用いて対応を検出するので、さらに対応付けの精度が上がり、その結果、一層高精細な合成画像を簡便に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】被写体面を撮影した時に生じる画像の歪みの補正を説明する概念図である。
【図2】この発明の実施の形態1である画像処理装置の構成を示すブロック図である。
【図3】前記画像処理装置の平面計測手段の構成を示すブロック図である。
【図4】前記画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【図5】前記画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【図6】前記画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【図7】前記画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【図8】前記画像処理装置の動作を説明するフローチャートである。
【図9】画像処理装置を用いて、異なる場所から同一の被写体面の静止画像を、画像の一部が重複するように、視点1から視点KまでのK箇所から撮影する場合の概念図である。
【図10】この発明の実施の形態2に係る画像処理装置の構成を説明するブロック図である。
【図11】前記画像処理装置の対応検出手段の構成を説明するブロック図である。
【図12】前記画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【図13】前記画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【図14】前記画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【図15】前記画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【図16】前記画像処理装置の動作を説明するフローチャートである。
【図17】この発明の実施の形態3である画像処理装置の構成を説明するブロック図である。
【図18】前記画像処理装置の動作を説明するフローチャートである。
【図19】この発明の実施の形態4である画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【図20】この発明の実施の形態5である画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【図21】前記画像処理装置の動作を説明する概念図である。
【符号の説明】
1 画像処理装置
2 撮像手段
10 平面計測手段
11 画像歪み補正手段
31 対応検出手段
32 画像貼り合わせ手段
34 合成画像歪み補正手段
51 傾き補正手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002]
The present invention relates to an image processing apparatus that is used in a digital still camera or the like and performs distortion correction by oblique photographing of an image obtained by photographing a subject surface, and a method thereof.
[Prior art]
[0003]
With the rapid advancement of computer networks, the way of business has diversified, and there is a need to quickly acquire important information in all aspects. Along with this, there is an increasing demand for simple and highly accurate input of planar documents and photographs using a portable input device. At present, there is an application example in which image information obtained by photographing a subject surface such as a paper document having a size of about A4 is used by using an image input device such as a digital still camera.
[0004]
However, in this application example, there is a problem that when the image is taken in a state where the imaging surface of the apparatus is not parallel to the paper surface, distortion due to the perspective effect occurs in the taken image.
[0005]
On the other hand, in Japanese Patent Laid-Open No. 3-94383, a known fixed shape is assumed, an input image is arranged in the fixed shape, and the distortion of the fixed shape is examined, so that on the original plane. A technique is disclosed in which a conversion parameter having the following shape is discovered and image distortion caused by oblique photographing is corrected.
[0006]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-101221, an orthogonal grid is introduced on the object plane, the spatial coordinates of each grid point are obtained, and the image is projected by performing orthogonal transformation on the coordinate system provided on the imaging plane. A technique for correcting distortion is disclosed.
[0007]
In Japanese Patent Laid-Open No. 9-289600, an angle setting means for inputting an inclination angle formed by an imaging surface of a camera and a subject surface, and a distance measuring means for measuring a distance to the subject are provided. A technique is disclosed in which a subject is photographed with an angle input, and the subject is corrected to an image viewed from the front based on the tilt angle and the subject distance detected by the distance measuring means.
[0008]
In Japanese Patent Laid-Open No. 10-79878, in a composite image obtained by connecting divided images obtained by periodically scanning a subject by scanning an imaging surface by two-dimensional coordinate transformation processing such as affine transformation, for each same connected component. Label and classify the connected components of the labeled image into lines, characters, and figures according to their sizes, evaluate the slope of the classified line or character base line, and maintain the distance between the circumscribed rectangle of the character and the line Thus, there is disclosed a still image capturing apparatus that obtains a high-resolution image by rotating and correcting a straight line by the evaluated inclination.
[Problems to be solved by the invention]
[0009]
However, in the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-94383, it is necessary to arrange the photographing object in a fixed figure whose shape is known, and a troublesome work is necessary for photographing the paper surface.
[0010]
In the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-101221, it is necessary to superimpose an orthogonal grid on the subject surface and manually input the two-dimensional coordinates of each lattice point. It is extremely difficult to shoot.
[0011]
Furthermore, in the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-289600, it is very difficult to manually input the inclination angle formed between the imaging surface and the subject surface by operating the angle setting means, and as a result, high accuracy. Therefore, it becomes difficult to correct image distortion.
[0012]
In addition, the application example has a problem that it is extremely difficult to read information on a large area such as newspaper or information drawn on a panel or a wall with a high resolution using the above-described apparatus.
[0013]
Therefore, there is a technique in which these large subjects are divided and photographed with a portable image input device, and a plurality of obtained images are combined to create a single composite image to obtain a high-resolution image. . An example thereof is the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-79878.
[0014]
However, since the posture of the image pickup apparatus with respect to the document is generally different when each divided image is picked up, the inclination of the straight line or the character base line varies depending on the position of the composite image on the screen. Therefore, it is necessary to perform the labeling, the inclination evaluation, and the rotation correction everywhere in the composite image, and the processing becomes very complicated.
[0015]
An object of the present invention is to correct distortion of an image shot in a state where an imaging surface and a subject surface are inclined with respect to each other, and to easily create a composite image with corrected distortion from these images.
[Means for Solving the Problems]
[0016]
The invention according to
[0017]
Therefore, even when an arbitrary subject surface is photographed from an arbitrary viewpoint / posture, image distortion can be easily corrected by measuring the plane.
[0018]
The invention according to
[0019]
Therefore, a composite image can be easily created without distortion by coordinate-transforming an image obtained by pasting together a plurality of images obtained by photographing an arbitrary subject surface from an arbitrary viewpoint and posture using the measured orientation of the subject surface. be able to.
[0020]
The invention according to
[0021]
Therefore, even when an arbitrary subject surface is photographed from an arbitrary viewpoint / posture, distortion of each image can be easily corrected by measuring the plane.
[0022]
The invention according to
[0023]
Therefore,By calculating the rotation angle of the optical axis of the imaging means with respect to the normal vector of the subject surface, image distortion can be easily corrected.
[0024]
The invention according to claim 5 is the invention according to claim 1.The image processing apparatus according to any one of 1 to 3InThe correcting means corrects the captured image to an image captured from the direction of the normal vector of the subject surface.
[0025]
Therefore,By correcting the captured image to an image captured from the direction of the normal vector of the subject surface, it is possible to easily correct image distortion.
[0028]
Claim6The invention described in
[0029]
Therefore,It is possible to correct the distortion and inclination of the subject image in each photographed image and the pasted image.
[0030]
Claim7The invention described in (1), the step of imaging the subject surface as an image by means of imaging,When imaging in the imaging step, illuminate the subject surface with light,Based on the direction of reflected light from the subject surface,Of 3 or more pointsCalculating three-dimensional coordinates based on the imaging means; andIn the process of calculatingBased on the calculated 3D coordinates of each point,For the imaging meansDetermining the orientation of the subject surface;Determined in the determining stepBased on the orientation of the subject surface,The captured image is changed to an image captured from the front of the subject surface.Convert distortion of the captured imageAnd a correcting step. An image processing method comprising:
[0031]
Therefore, even when an arbitrary subject surface is photographed from an arbitrary viewpoint / posture, image distortion can be easily corrected by measuring the plane.
[0032]
Claim8According to the invention described in (1), the imaging is first performed by the imaging means.CriteriaPlace the subject surface so that part of the image overlapsAs a reference imageImaging step;When imaging in the imaging step,Irradiate light onto the subject surface, and based on the direction of reflected light from the subject surface,Of 3 or more pointsCalculating a three-dimensional coordinate based on the imaging step;In the process of calculatingBased on the calculated 3D coordinates of each point,For the imaging meansObtaining the orientation of the subject surface; and the reference imageFromA plurality of feature points are extracted, and the reference imageFromBased on the correspondence detecting step for detecting the corresponding point corresponding to the feature point, and the feature point and the corresponding point detected by the correspondence detecting step, the base image is coordinate-transformed on the reference image.The reference image and the reference image;A process of pasting together,In the step of findingObtained reference imageThe imaging means for imagingBased on the orientation of the subject surface,The pasted image is an image taken from the front of the subject surface.Convert distortion of the captured imageAnd a correcting step.
[0033]
Therefore, a composite image can be easily created without distortion by coordinate-transforming an image obtained by pasting together a plurality of images obtained by photographing an arbitrary subject surface from an arbitrary viewpoint and posture using the measured orientation of the subject surface. be able to.
[0034]
Claim9In the invention described in the above, the image is taken first by the means for taking an image.StandardPlace the subject surface so that part of the image overlapsAs a reference imageImaging step;When imaging in the imaging step, the subject surface is irradiated with light, and based on the direction of reflected light from the subject surface,On the
[0035]
Therefore, even when an arbitrary subject surface is photographed from an arbitrary viewpoint / posture, distortion of each image can be easily corrected by measuring the plane.
[0036]
Claim10The invention described in claim7Thru9In the image processing method according to any one of the above, the step of determining the orientation of the subject surface calculates a rotation angle of the optical axis of the imaging unit with respect to a normal vector of the subject surface.
[0037]
Therefore, by calculating the rotation angle of the optical axis of the imaging means with respect to the normal vector of the subject surface, image distortion can be easily corrected.
[0038]
Claim11The invention described in claim7Thru9In the image processing method according to any one of the above, the correcting step corrects the captured image to an image captured from the direction of the normal vector of the subject surface.
[0039]
Therefore, by correcting the captured image to an image captured from the direction of the normal vector of the subject surface, it is possible to easily correct image distortion.
[0042]
Claim12The invention described in claim7Thru11The image processing method according to any one of the above, further includes an inclination correction step of correcting an inclination on the screen of the image corrected by the correction step.
[0043]
Therefore, it is possible to correct the distortion and inclination of the subject image in each captured image and the combined image.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0044]
[Embodiment 1] The configuration and operation of an
[0045]
That is, the
[0046]
Details of each block will be described below. The
[0047]
The signal processing means 3 is constituted by a digital signal processor (DSP processor) or the like, and performs various image processing such as color separation, white balance adjustment, and γ correction on the digital video signal obtained from the imaging means 2. Apply. The memory control means 4 stores the image signal processed in this way in the
[0048]
The
[0049]
[Expression 1]
Then, using the three-dimensional coordinates (Xi, Yi, Zi) of N points (i = 1,..., N), the four parameters (a, b, c, d) of the plane equation are expressed by the following equations: It is calculated by the least square method shown.
[0050]
[Expression 2]
The image distortion correction unit 11 uses the three parameters (a, b, c) representing the orientation of the subject surface output from the
[0051]
First, the direction of the line of sight corresponding to the image coordinates (x, y) is determined. As shown in FIG. 5, the optical system of the image pickup means 2 is x-axis: rightward image plane is positive y-axis: downward image plane is positive z-axis: optical axis direction; Assuming that the center projection model has a center f: focal length, this xyz coordinate system is hereinafter referred to as a device coordinate system. Then, the direction of the line of sight corresponding to (x, y) can be expressed by the following three-dimensional vector P with reference to the apparatus coordinate system.
[0052]
[Equation 3]
Next, as shown in FIG. 6, a rotation matrix R that converts the z-axis of the apparatus coordinate system into a unit normal vector of the projection surface is obtained. In this case, the following relational expression is established.
[0053]
[Expression 4]
There are many rotation matrices R satisfying the equation (4). Here, the rotation matrix R is defined as the following equation.
[0054]
[Equation 5]
As shown in FIG. 7, this corresponds to rotating the apparatus coordinate system in the following order.
(1) Rotate the device coordinate system by β around the y axis. A coordinate system formed by this rotation is defined as an x1y1z1 coordinate system.
(2) When the device coordinate system is rotated by α around the x1 axis, using a2 + b2 + c2 = 1 (c> 0) and equations (4) to (6), the rotation angles α and β are Is derived as follows.
[0055]
[Formula 6]
R can be uniquely determined by substituting the rotation angles α and β obtained above into the equation (5).
[0056]
Finally, using the three parameters (a, b, c) representing the three-dimensional vector p, the rotation matrix R, and the orientation of the subject surface obtained in the above procedure, the image coordinates (x, y) are received. Transform coordinates on the projection plane. That is, in FIG. 4, a point p that intersects the projection surface when a three-dimensional vector P corresponding to one point on the image plane is extended is set as an image coordinate after coordinate conversion. When a three-dimensional vector corresponding to the point p with reference to the apparatus coordinate system is P, P is expressed by the following equation.
[0057]
[Expression 7]
Here, k is an enlargement coefficient representing the distance from the
[0058]
[Equation 8]
Therefore, the image coordinate (x, y) after correction conversion is obtained by setting the x coordinate and y coordinate of the three-dimensional vector P ′ in the equation (10) as the image coordinate after coordinate conversion of the point (x, y). obtain. When organized, the following formula is obtained.
[0059]
[Equation 9]
With the above procedure, a distortion-corrected image can be created by converting an arbitrary coordinate (x, y) on the image plane into (X, Y) using the equation (11). The image coordinates (x, y) before conversion corresponding to the image coordinates (X, Y) of the distortion corrected image are not generally integers, but are interpolated using existing methods such as bilinear interpolation and B-spline interpolation. By doing so, an image may be created.
[0060]
The image processing method as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. First, at the same time that the subject surface is photographed by the imaging means 2, three parameters representing the orientation of the subject surface at the time of photographing are obtained (step S1). Next, based on the obtained (a, b, c), the rotation matrix R is calculated by the procedure described above (step S2). Based on (a, b, c) and the rotation matrix R obtained by the above procedure, a distortion-corrected image is created by performing coordinate transformation of equation (11) (step S3), and the process is terminated.
[0061]
[Embodiment 2] In
[0062]
FIG. 10 is a block diagram of an
[0063]
The
[0064]
The configurations and operations of the
[0065]
[Expression 10]
For each feature point, a corresponding point (xi0 + dxi, yi0 + dyi) in the reference image is obtained by obtaining a point where the maximum value of the cross-correlation value Si is equal to or greater than a predetermined threshold value. If the maximum value of Si is not more than the threshold value, it is assumed that there is no corresponding point.
[0066]
The
[0067]
## EQU11 ##
Since there are eight unknown parameters in equation (13), if four or more pairs of feature points and corresponding points are obtained, the coefficients b1 to b8 can be obtained by a calculation method such as the least square method. The image that is pasted by calculating the coefficients b1 to b8 by the above procedure is called a projective transformation image.
In the above description, the method of creating the projection conversion image when photographing from two viewpoints has been described. However, it is possible to sequentially create the projection conversion image by iterative processing and paste three or more images. Hereinafter, an image obtained by projectively transforming
[0068]
The following processing is repeated for j = 2,…, K.
(I)Let PIm j-1 be a standard image and Im j be a reference image.
(Ii)Feature points are extracted from the reference image, and corresponding points are detected from the reference image.
(Iii) (ii)Using the four or more sets of feature points and corresponding points detected in step (1), the coefficients b1 to b8 of equation (13) are obtained, and PIm j-1 is projectively transformed to Im j to create PIm j.
(Iv)Add one j,(I)Return to.
[0069]
By the above iterative process, finally, an image PIm K obtained by projective conversion of
[0070]
The composite image distortion correcting unit 34 corrects distortion in the composite image PIm K created by the
[0071]
The above-described image processing method will be described with reference to the flowchart of FIG. First, a subject surface is photographed by the imaging means 2, and this image is stored as a reference image, and at the same time, three parameters (a, b, c) representing the orientation of the subject surface at the time of photographing are obtained (step S11). Subsequently, the subject plane is photographed by the imaging means 2 while changing the viewpoint and the posture of the
[0072]
[Third Embodiment] FIG. 17 is a block diagram of an
[0073]
The
[0074]
The configuration and operation will be described focusing on the processing procedure by the
[0075]
The image processing method as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. First, the subject surface is photographed by the imaging means 2, and this image is stored as a reference image, and at the same time, three parameters (a, b, c) representing the orientation of the subject surface at the time of photographing are obtained (step S21). Using (a, b, c), the distortion in the reference image is corrected by the processing procedure of equations (3) to (11), and the reference image is replaced with the distortion corrected (step S22). Subsequently, the viewpoint and the posture of the
[0076]
In the present embodiment, since the images corrected for the distortion of the image due to the oblique shooting are pasted together, the pasted image can also be used by using the following affine transformation instead of the projective transformation represented by the equation (13). Can be obtained.
[0077]
[Expression 12]
It goes without saying that the image pasting means 32 is not limited to the configuration / operation based on the projective transformation of equation (13) or the affine transformation of equation (14).
[0078]
[Embodiment 4]
[0079]
The plane measuring means 10 has the same configuration as that of the first embodiment of the invention, and parameters (a, b, c, d) representing the object plane equations and the three-dimensional coordinates of each point based on the apparatus coordinate system. Is output. The image distortion correction means 41 corrects the distortion of each image according to the procedures of equations (3) to (11) from (a, b, c, d) output from the plane measurement means 10 and the three-dimensional coordinates of each point. At the same time, the optimum enlargement coefficient k used for the coordinate conversion of equation (11) is calculated. For example, in FIG. 19A, the parameters of the subject surface output by the
[0080]
[Formula 13]
Then, as shown in FIG. 19B, distortion-corrected images in which the sizes of the subject images are approximately equal are obtained.
[0081]
[Embodiment 5] Embodiment 5 of the present invention is an image obtained by using three parameters (a, b, c) representing the orientation of a subject surface at the time of photographing in the first to fourth embodiments of the present invention. By converting the
[0082]
As shown in FIG. 21, the
[0083]
[Expression 14]
An image obtained by applying the coordinate transformation of equation (16) to the distortion corrected image and correcting the tilt can be confirmed on the display means 8.
[0084]
Needless to say, the description of the embodiment of each invention described above is merely an example of the present invention, and the present invention should not be limited or reduced according to the embodiment of each invention described above. . For example, the configuration of the
【The invention's effect】
[0085]
Invention of Claim 1According toEven when an arbitrary subject plane is photographed from an arbitrary viewpoint / posture, distortion of the image can be easily corrected by measuring the plane.
[0086]
Invention of Claim 2According toCreate a composite image easily without distortion by converting the coordinates of multiple images obtained by photographing an arbitrary subject surface from an arbitrary viewpoint and orientation using the measured orientation of the subject surface. Can do.
[0087]
Invention of Claim 3According toEven when an arbitrary subject plane is photographed from an arbitrary viewpoint / posture, distortion of each image can be easily corrected by measuring the plane. Further, since the correspondence is detected by using the image whose distortion is corrected, the accuracy of the correspondence is further improved as compared with the image processing apparatus according to
[0088]
Invention of Claim 4According to, Claim 1The image processing apparatus according to any one of 1 to 3InBy calculating the rotation angle of the optical axis of the imaging means with respect to the normal vector of the subject surface, image distortion can be easily corrected.
[0089]
Invention of Claim 5According to, Claim 1The image processing apparatus according to any one of 1 to 3InBy correcting the captured image to an image captured from the direction of the normal vector of the subject surface, it is possible to easily correct image distortion.
[0091]
Claim6According to the invention described in
[0092]
Claim7According to the invention described in (1), even when an arbitrary subject plane is photographed from an arbitrary viewpoint / posture, distortion of the image can be easily corrected by measuring the plane.
[0093]
Claim8According to the invention described in (4), an image obtained by pasting together a plurality of images obtained by photographing an arbitrary subject surface with an arbitrary viewpoint and posture is subjected to coordinate conversion using the measured orientation of the subject surface, so that distortion can be easily performed. No composite image can be created.
[0094]
Claim9According to the invention described in (1), even when an arbitrary subject plane is photographed from an arbitrary viewpoint / posture, distortion of each image can be easily corrected by measuring the plane. Further, since correspondence is detected using an image whose distortion has been corrected,8As compared with the invention described in (1), the accuracy of the association is further improved, and as a result, a higher-definition composite image can be easily obtained.
[0095]
Claim10According to the invention described in claim7Thru9In the image processing method according to any one of the above, the image distortion can be easily corrected by calculating the rotation angle of the optical axis of the imaging means with respect to the normal vector of the subject surface.
[0096]
Claim11According to the invention described in claim7Thru9In the image processing method according to any one of the above, the distortion of the image can be easily corrected by correcting the captured image to an image captured from the direction of the normal vector of the subject surface.
[0098]
Claim12According to the invention described in claim7Thru11In the image processing method according to any one of the above, it is possible to correct the distortion and inclination of the subject image in each captured image and the combined image. Claims9If the invention described in the present invention is applied to the invention described in, the correspondence is detected by using the distortion corrected image in which the inclination of the subject image is substantially equal, so that the accuracy of the correspondence is further improved, and as a result, the higher definition A simple composite image can be easily obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating correction of image distortion that occurs when a subject surface is imaged.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an image processing apparatus according to
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a plane measuring unit of the image processing apparatus.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating the operation of the image processing apparatus.
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating the operation of the image processing apparatus.
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating the operation of the image processing apparatus.
FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating the operation of the image processing apparatus.
FIG. 8 is a flowchart for explaining the operation of the image processing apparatus.
FIG. 9 is a conceptual diagram when shooting still images of the same subject surface from different locations from K locations from
FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration of an image processing apparatus according to
FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration of correspondence detection means of the image processing apparatus.
FIG. 12 is a conceptual diagram illustrating the operation of the image processing apparatus.
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating the operation of the image processing apparatus.
FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating the operation of the image processing apparatus.
FIG. 15 is a conceptual diagram illustrating the operation of the image processing apparatus.
FIG. 16 is a flowchart illustrating the operation of the image processing apparatus.
FIG. 17 is a block diagram illustrating a configuration of an image processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a flowchart illustrating the operation of the image processing apparatus.
FIG. 19 is a conceptual diagram illustrating the operation of the image processing apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a conceptual diagram for explaining the operation of an image processing apparatus according to Embodiment 5 of the present invention;
FIG. 21 is a conceptual diagram illustrating the operation of the image processing apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Image processing device
2 Imaging means
10 Planar measuring means
11 Image distortion correction means
31 Correspondence detection means
32 Image pasting means
34 Composite image distortion correction means
51 Tilt correction means
Claims (12)
前記撮像する手段で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する手段を基準とする3次元座標を算出する手段と、
前記算出する手段で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める手段と、
前記求める手段で求められた被写体面の向きに基づいて、前記撮像された画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する手段と、
を備えていることを特徴とする画像処理装置。Means for imaging the subject surface as an image;
When imaging with the imaging means, the object surface is irradiated with light, and based on the direction of reflected light from the subject surface, the imaging means of three or more points on the subject surface is used as a reference. Means for calculating three-dimensional coordinates;
Based on the three-dimensional coordinates of each point calculated in the means for calculating comprises means for determining the orientation of the object plane with respect to said means for imaging,
Means for correcting the distortion of the determined based on the orientation of the object plane determined by means the imaged converted to the captured image an image in the image imaged from the object plane front,
An image processing apparatus comprising:
前記撮像する手段で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する手段を基準とする3次元座標を算出する手段と、
前記算出する手段で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める手段と、
前記基準画像から複数の特徴点を抽出し、前記参照画像から前記特徴点に対応する対応点を検出する対応検出手段と、
前記対応検出手段が検出した特徴点と対応点とに基づいて、前記基準画像を前記参照画像上に座標変換して前記基準画像と前記参照画像とを貼り合せる手段と、
前記求める手段で求められた前記参照画像を撮像する際の前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きに基づいて、前記貼り合わせた画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する手段と、
を備えている画像処理装置。Means for capturing a subject surface as a reference image so that a part of the reference image captured previously overlaps;
When imaging with the imaging means, the object surface is irradiated with light, and based on the direction of reflected light from the subject surface, the imaging means of three or more points on the subject surface is used as a reference. Means for calculating three-dimensional coordinates;
Based on the three-dimensional coordinates of each point calculated in the means for calculating comprises means for determining the orientation of the object plane with respect to said means for imaging,
Correspondence detection means for extracting a plurality of feature points from the reference image and detecting corresponding points corresponding to the feature points from the reference image;
Based on the feature points and corresponding points detected by the correspondence detection means, means for coordinate-transforming the standard image on the reference image and pasting the standard image and the reference image ;
Based on the orientation of the object plane with respect to said means for imaging of imaging the reference image obtained by said obtaining means, the imaging converts the bonded image in the image imaged from the object plane front Means for correcting distortion of the captured image ;
An image processing apparatus.
前記撮像する手段で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する手段を基準とする3次元座標を算出する手段と、
前記算出する手段で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める手段と、
前記求める手段で求められた前記被写体面の向きに基づいて、前記撮像された画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する手段と、
前記補正する手段で補正された前記基準画像から複数の特徴点を抽出して、前記補正する手段で補正された前記参照画像から前記特徴点に対応する対応点を検出する対応検出手段と、
前記対応検出手段が検出した前記特徴点と前記対応点とに基づいて、前記補正された基準画像を前記補正された参照画像上に座標変換することにより画像を貼り合せる手段と、
を備えている画像処理装置。Means for capturing a subject surface as a reference image so that a part of the reference image captured previously overlaps;
When imaging with the imaging means, the object surface is irradiated with light, and based on the direction of reflected light from the subject surface, the imaging means of three or more points on the subject surface is used as a reference. Means for calculating three-dimensional coordinates;
Based on the three-dimensional coordinates of each point calculated in the means for calculating comprises means for determining the orientation of the object plane with respect to said means for imaging,
Means for correcting the distortion of the based on the orientation of the object surface obtained by the means for obtaining said imaged converted to the captured image an image in the image imaged from the object plane front,
A corresponding detection means for detecting a corresponding point the extracted plurality of feature points from the corrected the reference image correction to means, corresponding to the feature point from the corrected the reference image in the means for correcting,
Means for attaching an image by the corresponding detecting means based on said corresponding points and the feature points detected, coordinate transformation of the corrected reference image on said corrected reference image,
An image processing apparatus.
前記撮像する手段の光軸の前記被写体面の法線ベクトルに対する回転角を算出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1に記載の画像処理装置。The means for obtaining the orientation of the subject surface is:
The image processing apparatus according to claim 1, wherein a rotation angle of the optical axis of the imaging unit with respect to a normal vector of the subject surface is calculated.
前記撮像された画像を前記被写体面の法線ベクトルの方向から撮像された画像に補正することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1に記載の画像処理装置。The means for correcting is
The image processing apparatus according to claim 1, wherein the captured image is corrected to an image captured from a direction of a normal vector of the subject surface.
前記撮像する工程で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する手段を基準とする3次元座標を算出する工程と、 When imaging in the imaging step, the object surface is irradiated with light, and based on the direction of reflected light from the object surface, the means for imaging three or more points on the object surface is used as a reference. Calculating three-dimensional coordinates;
前記算出する工程で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める工程と、 Obtaining the orientation of the subject surface relative to the imaging means based on the three-dimensional coordinates of each point calculated in the calculating step;
前記求める工程で求められた被写体面の向きに基づいて、前記撮像された画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する工程と、 Converting the captured image into an image captured from the front of the subject surface based on the orientation of the subject surface determined in the determining step, and correcting distortion of the captured image;
を備えていることを特徴とする画像処理方法。An image processing method comprising:
前記撮像する工程で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する工程を基準とする3次元座標を算出する工程と、 When imaging in the imaging step, light is applied to the subject surface, and the imaging step of three or more points on the subject surface is based on the direction of reflected light from the subject surface. Calculating three-dimensional coordinates;
前記算出する工程で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める工程と、 Obtaining the orientation of the subject surface relative to the imaging means based on the three-dimensional coordinates of each point calculated in the calculating step;
前記基準画像から複数の特徴点を抽出し、前記参照画像から前記特徴点に対応する対応点を検出する対応検出工程と、 A correspondence detection step of extracting a plurality of feature points from the reference image and detecting corresponding points corresponding to the feature points from the reference image;
前記対応検出工程が検出した特徴点と対応点とに基づいて、前記基準画像を前記参照画像上に座標変換して前記基準画像と前記参照画像とを貼り合せる工程と、 Based on the feature points and corresponding points detected by the correspondence detection step, the step of performing coordinate transformation on the reference image on the reference image and pasting the reference image and the reference image;
前記求める工程で求められた前記参照画像を撮像する際の前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きに基づいて、前記貼り合わせた画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する工程と、 Based on the orientation of the subject surface with respect to the imaging means when imaging the reference image obtained in the obtaining step, the combined image is converted into an image taken from the front of the subject surface and the imaging Correcting distortion of the generated image;
を備えている画像処理方法。An image processing method comprising:
前記撮像する工程で撮像する際に、前記被写体面に光を照射し、前記被写体面からの反射光の向きに基づいて、前記被写体面上の3以上の点の前記撮像する手段を基準とする3次元座標を算出する工程と、 When imaging in the imaging step, the object surface is irradiated with light, and based on the direction of reflected light from the object surface, the means for imaging three or more points on the object surface is used as a reference. Calculating three-dimensional coordinates;
前記算出する工程で算出された各点の3次元座標に基づいて、前記撮像する手段に対する前記被写体面の向きを求める工程と、 Obtaining the orientation of the subject surface relative to the imaging means based on the three-dimensional coordinates of each point calculated in the calculating step;
前記求める工程で求められた前記被写体面の向きに基づいて、前記撮像された画像を前記被写体面正面から撮像された画像に変換して前記撮像された画像の歪みを補正する工程と、 Converting the captured image into an image captured from the front of the subject surface based on the orientation of the subject surface determined in the determining step, and correcting distortion of the captured image;
前記補正する工程で補正された前記基準画像から複数の特徴点を抽出して、前記補正する手段で補正された前記参照画像から前記特徴点に対応する対応点を検出する対応検出工程と、 A correspondence detecting step of extracting a plurality of feature points from the reference image corrected in the correcting step and detecting corresponding points corresponding to the feature points from the reference image corrected by the correcting means;
前記対応検出工程が検出した前記特徴点と前記対応点とに基づいて、前記補正された基準画像を前記補正された参照画像上に座標変換することにより画像を貼り合せる工程と、 Based on the feature points detected by the correspondence detection step and the corresponding points, pasting the corrected reference image on the corrected reference image to coordinate the images; and
を備えている画像処理方法。An image processing method comprising:
前記撮像する手段の光軸の前記被写体面の法線ベクトルに対する回転角を算出することを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1に記載の画像処理方法。 The image processing method according to claim 7, wherein a rotation angle of the optical axis of the imaging unit with respect to a normal vector of the subject surface is calculated.
前記撮像された画像を前記被写体面の法線ベクトルの方向から撮像された画像に補正することを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1に記載の画像処理方法。 The image processing method according to claim 7, wherein the captured image is corrected to an image captured from a direction of a normal vector of the subject surface.
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