JP2012221283A - 移動量測定装置および移動量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動と停止を繰り返すような動きをする移動体の移動量を測定する場合であっても、高精度に測定する。
【解決手段】測定物の画像を入力する手段と、測定物のテンプレートを取得する手段と、前記取得されたテンプレートを保存する手段と、前記測定物の画像と前記保存されたテンプレートから前記測定物の移動量を算出する手段と、測定物が停止しているかを判定する手段と、を備え、前記保存されたテンプレートは、前記測定物が停止しているかを判定する手段により停止していると判定された場合に保存されたテンプレートを更新することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、移動量測定装置および移動量測定方法に関し、詳しくはテンプレート画像を更新する移動量測定装置および移動量測定方法に関する。

物体の移動量を画像処理により測定する技術として、ある時刻ｔ（ｍ）における画像の一部を抜き出し、テンプレート画像として登録する。次にテンプレート画像登録とは異なる時刻ｔ（ｎ）における入力画像との相関計算を行う。そこで得られた相関分布の極大もしくは極小となる座標とテンプレート画像を登録した座標の差分がｔ（ｎ）−ｔ（ｍ）の間に物体が移動した移動量として計算するテンプレートパターンマッチングがある。

テンプレートパターンマッチングでのテンプレート画像の設定方法は一般的に２つある。

１つは、テンプレート画像を一度登録すると、テンプレート画像は更新せずに、テンプレート画像を固定してパターンマッチングを行う方法である。この方法では、ある時刻で登録したテンプレート画像が、テンプレート登録以降の時刻に、画面内のどこにあるかを常に計算するために、測定時間が長くなっても累積誤差が生じない。そのため、累積的な移動量精度が良い。

もう１つは、画像入力時に毎回テンプレート画像を更新し、常に時間的に連続する画像間だけでパターンマッチングをする方法である。この方法では、画像が入力される度にテンプレート画像が更新されるため、測定物の角度や形状が変化しても、常にテンプレート画像と入力画像とのパターンマッチングの一致度が高く、瞬間的な移動量検出精度が良い。

しかしながら、テンプレート画像を更新しない方法では、測定中に測定物の角度や形状が変化した場合には、テンプレート画像と入力画像とのパターンマッチングの一致度が低下し、瞬間的な移動量検出精度が悪化することがある。

また、テンプレート画像を更新する方法では、測定時間が長くなる場合、毎回累積誤差が生じるために、累積的な移動量検出精度が悪化することがある。

これらの検出精度を上げるために、測定物が予め設定された移動量以上動いた場合にテンプレート画像を更新し、一定量以上動かない場合はテンプレート画像を固定する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。この方法によれば、測定物の大きさがなるべく近い画像間でパターンマッチングを計算することで瞬間的な移動量検出精度を高めることができる。

特開２０００−１１３１５８号公報

しかしながら、測定物が予め設定された移動量以上動いた場合にテンプレート画像を更新する技術では、例えば移動と停止を繰り返すような動きをする移動体に対して、移動量が正確に測定できないことがある。

例えば、１回辺りの移動量は途中テンプレートの更新がないため、精度が良い場合であっても、次の１回辺りの移動量は測定対象画像が画面の端から移動を開始するために、移動中にテンプレート画像を更新しなければならないことがある。移動中にテンプレート画像を更新した場合、移動量の測定の精度が悪化する。

例えば、同一テンプレート画像に対する移動量精度をＳ１とすると、テンプレート画像更新によるｎ回の累積誤差Ｓｎは（式１）で表される。

このように、測定物が動いているときのテンプレート画像の更新が多いほど誤差が大きくなる。

本発明は以上の点を鑑みてなされたものであり、移動と停止を繰り返すような動きをする移動体の移動量を測定する場合であっても、高精度に測定することができる移動量測定装置を提供することを目的とする。

そのために本発明では、測定物の画像を入力する手段と、測定物のテンプレートを取得する手段と、前記取得されたテンプレートを保存する手段と、前記測定物の画像と前記保存されたテンプレートから前記測定物の移動量を算出する手段と、測定物が停止しているかを判定する手段と、を備え、前記保存されたテンプレートは、前記測定物が停止しているかを判定する手段により停止していると判定された場合に保存されたテンプレートを更新することを特徴とする。

以上の構成によれば、測定物が停止しているときにテンプレート画像を更新することにより、テンプレート画像が移動しているときに更新回数を低減することができる。これにより、移動と停止を繰り返すような動きをする移動体の移動量を測定する場合であっても、高精度に測定することができる。

第１の実施形態の移動量測定装置を示すブロック図である 第１の実施形態の測定処理を示すフローチャートである。 従来の累積誤差が生じる様子を表す速度、移動量、画像を示す模式図である 本発明の累積誤差が生じない様子を表す速度、移動量、画像の模式図である。 第２の実施形態の移動量測定装置を示すブロック図である

以下に図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の移動量測定機１０を示すブロック図である。移動量測定機１０は、画像入力部１、画像記憶部２、パターンマッチング部３、移動量算出部４、移動量結果出力部５、テンプレート画像更新判定部６、テンプレート画像抜出部７、テンプレート画像記憶部８、停止判定部９から構成される。

画像入力部１は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のデジタルカメラ、高速度カメラが接続されている。画像記憶部２やテンプレート画像記憶部８は、パソコンや画像処理装置上のメモリに対応している。移動量出力部５は、パソコンのメモリやＨＤＤなどの記録媒体、ディスプレイ表示、アナログ電気信号出力等に接続される。

測定物の移動量を測定するために、まず測定物の初期位置のテンプレート画像を抜き出して、テンプレート記憶部８に保存する必要がある。

すなわち、初期位置の測定物の画像を画像入力部１により取得して、画像記憶部２に記憶する。そして、画像記憶部２に記憶された画像の一部をテンプレート画像抜き出し部７によりテンプレートを抜き出して、テンプレート画像記憶部８に保存する。これにより、初期位置のテンプレート画像（１回目のテンプレート画像）を登録することができる。このテンプレートは、移動量の計算の指標となる。

図２は、本実施形態の２回目のテンプレートからの登録処理を示すフローチャートである。まず、初期位置に測定物を測定した時間ｔ₀からある一定の時間ｔ₁の測定物を画像入力部１により取得し、画像記憶部２に記憶する（ステップＳ２１）。次に、パターンマッチング部３で、記憶画像部２に記憶された画像とテンプレート記憶部８に記憶されたテンプレート画像を相関処理によりパターンマッチングを行う（ステップＳ２２）。相関処理は、既知の相関処理を用いることができる。

例えば、相関計算としては、正規化相関係数を使うと精度よく計算できることが知られている。テンプレート画像の輝度値をF(i,j)、入力画像の輝度値をG(i,j)とし、<F>,<G>をそれぞれの輝度値の平均値とすると、正規化相関係数Ｒは（式２）のように表される。

パターンマッチングの結果から、移動量算出部４により相関ピーク座標とテンプレート画像座標データに基づいて測定物の移動量を算出する（ステップＳ２３）。

算出された移動量から、次に測定物が等速直線運動をしたとき、画像入力部１の画面から外れる可能性があるか否かを判断する（ステップＳ２４）。

画面から外れる可能性がある場合は、テンプレート画像をｔ₁で取得した画像の一部のテンプレートに更新する（ステップＳ２７）。これにより、次の入力画像でパターンマッチングができないことを防ぐ。そして、移動量の計算の指標をテンプレート座標に戻す。

この処理は精度向上のためではなく、テンプレートパターンマッチングによる移動量測定を連続して行うために必要な処理である。

算出された移動量から、次に測定物が等速直線運動をしたとき、画像入力部１の画面から外れる可能性がないとステップＳ２４で判断した場合は、測定物は停止しているか否かを判断する（ステップＳ２５）。

測定物が停止されているか否かの判断は、算出された移動量から停止判定部９にて行われる。例えば、停止判定は、予め設定された停止移動量判定閾値Ｄｓと判定継続時間Ｔｓを使って行うことでできる。ある時刻tでの累積移動量を(Lx(t),Ly(t))とする。異なる２時刻t(i)とt(j)の間の移動量を(ΔLx,ΔLy)とすると、(ΔLx,ΔLy)は(式３)で表される。但し、t(i)<t(j)とする。

停止移動量判定閾値Ｄｓと判定継続時間Ｔｓと（ΔLx,ΔLy）を使って、
ΔLx＜Ｄｓ 且つ ΔLy＜Ｄｓ 且つ 左記条件がＴｓ以上継続
であれば、測定物は停止していると判定する。逆に上記条件が成立していないときは、測定物は移動していると判定する。

停止判定部９によりで測定物は停止していると判定されると、テンプレート画像更新判定部６にて、テンプレート画像更新を更新したか否かを判断する（ステップＳ２６）。

例えば、停止判定部９で測定物が停止していると判定されたときに（ステップＳ２５）、テンプレート更新判定部６で、テンプレート画像更新を判定する（ステップＳ２５）。したがって、テンプレート更新を判定するためには、一度、停止判定部９で測定物は移動していると判定されない限り、停止判定部９で測定物は停止していると判定されてもテンプレート画像を更新しないようにすれば良い。

テンプレートが更新されていなければテンプレートを更新し、テンプレートを更新したと判断されるとそのまま、画像入力部１に新しい画像が入力される度にこの一連の処理を続ける。これらの処理により、測定物の移動量を連続して測定することができる。

図４は、従来の移動測定装置の動きを説明する図である。上段から順に、時間に対する速度、累積移動量、特徴的な時間における入力画像とテンプレート更新の様子を示している。１回当りの移動量d（i）は、途中テンプレートの更新がないため精度は良い。しかし、次の１回当りの移動量ｄ（ｉ＋１）は、測定対象画像が画面の端から移動を開始するために、移動中にテンプレート画像を更新しなければならない。このため、ｄ（ｉ＋１）はd（i）に比べて、２の平方根倍だけ精度が悪化する。

図５は、本実施形態の移動測定装置の動きを説明する図である。上段から順に、時間に対する速度、累積移動量、特徴的な時間における入力画像とテンプレート更新の様子を示している。本実施形態では、停止しているときにテンプレートの更新を行なっていることから、精度がよいことがわかる。

以上説明したように、特に移動と停止を繰り返すステップ的な移動をする物体の移動量を測定する場合に、測定物が停止していると判断した場合にテンプレートを更新することにより、測定物が移動しているときにテンプレートを更新する回数を低減する。これにより、高精度に測定物の移動距離を測定することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では停止測定部９は、移動量測定装置１０の内部にあるものであったが、本実施形態では、停止判定部９が移動量測定装置１０の外部にある場合について説明する。

測定物の移動量が既知の場合、特に外部で測定物を制御しており、制御通りに測定物が移動しているかを測定するような場合、移動量測定装置１０内部で、停止状態を判定するよりも制御側での停止判定の方が正しく停止状態を判断できる場合がある。

図５は、本実施形態の移動量測定装置３９と測定物の制御装置を示すブロック図である。移動量測定装置３９の構成は停止判定部９がないのを除き、第１の実施形態の移動量測定装置１０と同じである。停止判定部９の代わりに測定物の制御装置等の外部から電気的に停止状態の信号を受取り、テンプレート画像更新判定部３６にてテンプレート画像の更新を判定する。

このような形態により、移動量測定装置３９内に停止判定処理を持たなくても、移動と停止を繰り返す移動体の１回当りの移動量を高精度に測定することが可能となる。

１ 画像入力部
２ 画像記憶部
３ パターンマッチング部
４ 移動量算出部
５ 移動量結果出力部
６ テンプレート画像更新判定部
７ テンプレート画像抜出部
８ テンプレート画像記憶部
９ 停止判定部
１０ 移動量測定装置

Claims (4)

1. 測定物の画像を入力する手段と、
   測定物のテンプレートを取得する手段と、
   前記測定物の画像と前記テンプレートから前記測定物の移動量を算出する手段と、
   測定物が停止しているかを判定する手段と、
   を備え、
   前記測定物が停止しているかを判定する手段により停止していると判定された場合に前記テンプレートを更新することを特徴とする移動量測定装置。
2. 前記測定物が停止しているかを判定する手段は、前記移動量を算出する手段により前記測定物が停止していることを判定することを特徴とする請求項１に記載の移動量測定装置。
3. 測定物の画像を入力する手段と、
   測定物のテンプレートを取得する手段と、
   前記測定物の画像と前記テンプレートから前記測定物の移動量を算出する手段と、
   を備え、
   測定物が停止していることを示す信号を受けたとき、前記テンプレートを更新することを特徴とする移動量測定装置。
4. 測定物の画像を入力する工程と、
   測定物のテンプレートを取得する工程と、
   前記測定物の画像と前記テンプレートから前記測定物の移動量を算出する工程と、
   測定物が停止しているかを判定する工程と、
   を備え、
   前記テンプレートは、前記測定物が停止しているかを判定する工程により停止していると判定された場合に前記テンプレートを更新することを特徴とする移動量測定方法。

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