JP2524016B2 - Image displacement measuring device - Google Patents
Image displacement measuring deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、画像の移動量（変位）
を測定するための画像変位測定装置に関するものであ
り、特に、スペックル画像の変位測定に適した画像変位
測定装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image movement amount (displacement).
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an image displacement measuring device for measuring an image, and particularly to an image displacement measuring device suitable for measuring the displacement of a speckle image.
【０００２】[0002]
【従来の技術】画像の変位計測法として、基準の画像
（移動前の画像）と現在の画像（移動後の画像）との一
致度を評価値として用いる方法が知られている。すなわ
ち、ＣＣＤイメージセンサのような撮像素子で捕らえた
基準画像と現在の画像について、相互相関関数、差の二
乗和、差の絶対値和などの一致度に関する評価値を１画
素ずつずらして計算し、一致度の一番高い位置を画像の
変位（移動量）とする方法が知られている。そしてさら
に、分解能を上げるために、一致度の一番高い位置の評
価値とその周辺の位置の評価値を用いて放物線近似など
に回帰させ、その頂点の位置を推定して、画素のサンプ
リング間隔以下の分解能を達成している（補間法）。2. Description of the Related Art As an image displacement measuring method, a method is known in which the degree of coincidence between a reference image (image before movement) and a current image (image after movement) is used as an evaluation value. That is, with respect to a reference image captured by an image sensor such as a CCD image sensor and a current image, evaluation values regarding the degree of coincidence such as a cross-correlation function, a sum of squared differences, and a sum of absolute differences are calculated by shifting pixel by pixel. A method is known in which the position with the highest degree of coincidence is used as the image displacement (movement amount). Further, in order to increase the resolution, the evaluation value of the position with the highest degree of coincidence and the evaluation values of the peripheral positions are used to regress to parabolic approximation, etc. The following resolutions are achieved (interpolation method).
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、撮像素子のサ
ンプリング画素間隔以下の分解能で測定する場合には、
その撮像素子の読み出し時のショットノイズやアナログ
ラインでのノイズなどが評価値に混入するため、変位の
推定に誤差を生じていた。However, in the case of measuring with a resolution less than the sampling pixel interval of the image sensor,
Shot noise at the time of reading of the image pickup device, noise on the analog line, and the like are mixed in the evaluation value, which causes an error in displacement estimation.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明は、このような問
題に鑑みて為されたものであり、イメージセンサ上に映
し出された画像の移動量を移動前の画像データと移動後
の画像データの一致度を評価値としてイメージセンサの
画素のサンプリング間隔以下で測定する画像変位測定装
置において、イメージセンサの内部または外部において
画像データを積算する画質改善処理を施し、この処理後
の改善画像データに基づいて移動前後の画像の一致度を
評価するものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and the amount of movement of an image displayed on an image sensor is calculated based on the image data before the movement and the image data after the movement. In an image displacement measuring device that measures the degree of coincidence as an evaluation value at a sampling interval of pixels of an image sensor or less, an image quality improving process for integrating image data inside or outside the image sensor is performed, and the improved image data after this process is processed. Based on this, the degree of coincidence between images before and after movement is evaluated.
【０００５】[0005]
【作用】イメージセンサで捕らえた画像に画質改善処理
が施されるので、一致度の評価値から、撮像素子の読み
出し時のショットノイズやアナログラインでのノイズな
どが除去される。そのため、変位の推定を正確に行うこ
とができる。Since the image captured by the image sensor is subjected to the image quality improving process, shot noise at the time of reading the image pickup device and noise on the analog line are removed from the evaluation value of the coincidence. Therefore, the displacement can be accurately estimated.
【０００６】[0006]
【実施例】図１は、本発明の一実施例であるスペックル
画像の変位測定装置を示すブロック図である。この装置
は、ＣＣＤカメラ１と画質改善回路２と画像変位算出回
路３で構成されている。ＣＣＤカメラ１は、ここでは画
面サイズが５１２×５１２画素、画素サイズが１１×１
１μｍであり、２５フレーム／ｓｅｃのインターレース
方式を採用している。画像変位算出回路３は、４つの画
像処理ユニット３１−３４と、これらを制御すると共に
所定の演算処理を行う制御回路３５で構成されている。
各画像処理ユニット３１−３４は、それぞれ画像メモリ
（ビデオＲＡＭ）３１ａ−３４ａとそのデータ書き込み
読みだし制御を行う制御部３１ｂ−３４ｂを備えてい
る。1 is a block diagram showing a speckle image displacement measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. This device comprises a CCD camera 1, an image quality improvement circuit 2 and an image displacement calculation circuit 3. The CCD camera 1 has a screen size of 512 × 512 pixels and a pixel size of 11 × 1 here.
It is 1 μm and employs an interlace system of 25 frames / sec. The image displacement calculation circuit 3 is composed of four image processing units 31-34 and a control circuit 35 that controls them and performs predetermined arithmetic processing.
Each of the image processing units 31-34 includes an image memory (video RAM) 31a-34a and a control unit 31b-34b for controlling data writing / reading.
【０００７】ここで、画像変位算出回路３が２つの画像
の変位（移動量）を画素以下の分解能で推定する方法を
図２を用いて説明する。まず、スペックル画像の任意の
位置に任意の大きさのブロック（ここでは、３×３画
素）を設定する。次に、（１）式に示すように、変位前
のブロックよりも大きい（ここでは５×５画素）画像Ｒ
（ｘ，ｙ）を基準とし、変位後のブロック画像Ｄ（ｘ，
ｙ）と各画素間の差分の絶対値を積算する。A method for the image displacement calculation circuit 3 to estimate the displacement (movement amount) of two images with a resolution of pixels or less will be described with reference to FIG. First, a block (here, 3 × 3 pixels) of an arbitrary size is set at an arbitrary position of the speckle image. Next, as shown in equation (1), an image R that is larger (here, 5 × 5 pixels) than the block before displacement is used.
Based on (x, y), the block image D (x, after displacement)
y) and the absolute value of the difference between each pixel are integrated.
【０００８】[0008]
【数１】 Ｓ(u,v)＝ΣiΣj｜Ｄ(xi-u,yi-v)-Ｒ(xi,yj)｜ …(1)## EQU1 ## S (u, v) = ΣiΣj ｜ D (xi-u, yi-v) -R (xi, yj) ｜ (1)
【０００９】そして、この積算処理を位置を１画素ずつ
ずらして複数回実行する。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）
は、ｘ方向に２回ずらして積算処理を３回行ったことを
示している。そして、図２（ｄ）は、積算結果Ｓ（ｕ，
ｖ）の値を位置毎に示している。分解能が画素のサンプ
リング間隔と同じで十分の場合には、最小の積算結果Ｓ
（ｕ，ｖ）が得られた位置（ｕmin ，ｖmin ）からスペ
ックル画像の移動の前後における変位（移動量）を求め
ることができる。ここではさらに、画素のサンプリング
間隔以下の分解能を得るために、最小値Ｓ（ｕmin ，ｖ
min ）と隣接する位置の値Ｓ（ｕmin −１，ｖmin ）、
Ｓ（ｕmin ＋１，ｖmin ）を通過する放物線を求め、そ
の頂点の位置を画素の間隔以下で推定する。なお、ここ
では、ｘ方向についてのみ積算処理をしているだけであ
るが、ｙ方向に対してもＳ（ｕmin ，ｖmin −１）、Ｓ
（ｕmin ，ｖmin ＋１）を求め放物線回帰を行えば、ｙ
方向の位置も画素の間隔以下の分解能で推定できる。Then, the integration process is executed a plurality of times by shifting the position by one pixel. FIG. 2 (a), (b), (c)
Indicates that the integration process has been performed three times by shifting twice in the x direction. Then, FIG. 2D shows the integration result S (u,
The value of v) is shown for each position. If the resolution is the same as the sampling interval of the pixel and is sufficient, the minimum integration result S
The displacement (movement amount) before and after the movement of the speckle image can be obtained from the position (u min , v min ) where (u, v) was obtained. Here, in addition, in order to obtain a resolution equal to or less than the sampling interval of pixels, the minimum value S (u min , v
min ) and the value S (u min -1, v min ) of a position adjacent to
A parabola passing through S (u min +1, v min ) is obtained, and the position of its apex is estimated within the pixel interval. It should be noted that here, although the integration process is performed only in the x direction, S (u min , v min −1), S is also applied to the y direction.
If (u min , v min +1) is calculated and parabolic regression is performed, y
The position in the direction can also be estimated with a resolution equal to or less than the pixel interval.
【００１０】このような演算を行う画像変位算出回路３
に与えられる画像データは、画質改善回路２で画質改善
が為されている。ＣＣＤカメラ１から出力される画像デ
ータには、ＣＣＤ読み出し時のショットノイズやアナロ
グラインでのノイズが混入している。そのため、画像変
位算出回路３において、ＣＣＤカメラ１から出力される
画像データをそのまま用いて演算すると、ノイズも積算
されるため、積算結果Ｓ（ｕ，ｖ）の値の信頼性が低
い。したがって、その結果を用いて回帰放物線の頂点の
位置を画素の間隔以下で推定すると、ノイズに基づく誤
差は非常に大きい。画質改善回路２は、ＣＣＤ読み出し
時のショットノイズやアナログラインでのノイズを画像
データから除去するための回路であり、（２）式で示す
ような画像の平均化（リカーシブフィルタ）処理を実行
する。An image displacement calculation circuit 3 for performing such calculation
The image data given to the image data is improved in image quality by the image quality improvement circuit 2. The image data output from the CCD camera 1 contains shot noise when reading the CCD and noise on the analog line. Therefore, in the image displacement calculation circuit 3, if the image data output from the CCD camera 1 is used as it is for calculation, noise is also accumulated, so that the reliability of the value of the integration result S (u, v) is low. Therefore, if the result is used to estimate the position of the vertex of the regression parabola within the pixel interval or less, the error due to noise is very large. The image quality improving circuit 2 is a circuit for removing shot noise at the time of CCD reading and noise on the analog line from the image data, and executes image averaging (recursive filter) processing as shown in equation (2). .
【００１１】 Ｖn ＝Ｖn-1 ＋（Ｖin−Ｖn-1 ）／Ｎ …（２） ここに、Ｖn ：出力画像、Ｖn-1 ：１フレーム前の出力
画像、Ｖin：入力画像、Ｎ：平均加算数 である。この
画像の平均化を行うことにより、画像から上述したよう
なランダムノイズの低減を図ることができる。V n = V n−1 + (V in −V n−1 ) / N (2) Here, V n : output image, V n−1 : output image one frame before, V in : Input image, N: average addition number. By performing averaging of this image, it is possible to reduce the above-described random noise from the image.
【００１２】つぎに、本実施例の全体動作を説明する。
図示省略したＨｅ−Ｎｅレーザー（５０ｍＷ）からのレ
ーザー光５をコリメートして物体４に照射する。ＣＣＤ
カメラ１は、このレーザー光５の照射によって生じるス
ペックル画像を捕らえる。ＣＣＤカメラ１が撮像して得
られた画像信号は、画質改善回路２で画質改善処理が施
された改善画像信号に変換されて各画像処理ユニット３
１−３４に並列入力される。１枚目の画像処理ユニット
３１は、マスターとして水平同期信号ＨＤおよび垂直同
期信号ＶＤを他のスレーブとしての画像処理ユニット３
２−３４およびＣＣＤカメラ１に出力する。各画像処理
ユニットでは、３２ビットＣＰＵからなる制御部３１ｂ
−３４ｂがハード的に画像メモリ３１ａ−３４ａのアド
レス発生を制御し、外部同期・内部同期の選択、水平、
垂直のブランキング期間の設定を実行する。Next, the overall operation of this embodiment will be described.
A laser beam 5 from a He-Ne laser (50 mW) (not shown) is collimated and applied to the object 4. CCD
The camera 1 captures the speckle image generated by the irradiation of the laser light 5. The image signal obtained by the CCD camera 1 is converted into an improved image signal that has been subjected to the image quality improvement processing by the image quality improvement circuit 2 and then the image processing unit 3
It is input in parallel to 1-34. The first image processing unit 31 uses the horizontal synchronization signal HD and the vertical synchronization signal VD as masters and the image processing unit 3 as another slave.
2-34 and the CCD camera 1. In each image processing unit, a control unit 31b including a 32-bit CPU
-34b controls the address generation of the image memories 31a-34a by hardware, and selects external / internal synchronization, horizontal,
Perform vertical blanking period setting.
【００１３】制御回路３５は、各画像処理ユニット３１
−３４に対して、追跡するブロックの数、サイズ、位置
のパラメータを制御部３１ｂ−３４ｂ内のメモリに書き
込み、計測を開始させ、各画像処理ユニット３１−３４
を並列動作させる。各画像処理ユニット３１−３４は、
画像改善処理の施されたスペックル画像を取り込み、
（１）式の計算をそれぞれのブロックについて実行し、
終了フラグと変位の結果を特定のアドレスに書き込む。
制御回路３５は、各画像処理ユニット３１−３４から変
位結果を連続して取り込み、変位分布、歪み分布として
格納する。なお、制御部３１ｂ−３４ｂに、グラフィッ
クディスプレイを目的としたＣＰＵを用いれば、基準用
の画像のブロック転送などは特定のレジスタに転送元、
転送先およびサイズを書き込むことでハード的に実行で
きる。また、（１）式の計算はアセンブラで組むことに
より処理時間の低減を図ることができる。The control circuit 35 controls each image processing unit 31.
For -34, the parameters of the number, size, and position of the blocks to be tracked are written in the memory in the control units 31b-34b to start measurement, and the image processing units 31-34 are started.
Operate in parallel. Each image processing unit 31-34
Capture the speckle image that has undergone image improvement processing,
The calculation of equation (1) is executed for each block,
Write the end flag and displacement result to a specific address.
The control circuit 35 continuously takes in displacement results from the image processing units 31-34 and stores them as displacement distributions and strain distributions. If a CPU intended for a graphic display is used as the control unit 31b-34b, the transfer source of a reference image is transferred to a specific register, and the like.
It can be executed in hardware by writing the transfer destination and size. In addition, the calculation of the formula (1) can be shortened by combining it with an assembler.
【００１４】図３は、本実施例を用いて測定したスペッ
クル画像の変位と、物体の移動との関係を示すグラフで
ある。具体的には、１パルス０．０１７４μｍの移動ス
テージに白紙を張り付け、毎秒８．７μｍの横方向の面
内変位を与えた結果である。カメラレンズｆ＝５０ｍｍ
に２倍のテレコンバータを付け、Ｆ２２に相当する絞り
を与えた。結像倍率は約０．４倍である。４つの観測点
を画像処理ユニット４枚に一つずつ担当させ、同時に測
定した。サンプリング時間間隔は０．１秒とした。同図
からわかるように、スペックル画像の変位と物体の移動
との間にはほぼリニアな関係があり、また、このことに
ついて観測点による差はなかった。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the displacement of the speckle image measured using this embodiment and the movement of the object. Specifically, the result is obtained by sticking a blank sheet on a moving stage having one pulse of 0.0174 μm and giving a lateral in-plane displacement of 8.7 μm per second. Camera lens f = 50mm
A double tele-converter was attached to and a diaphragm corresponding to F22 was applied. The imaging magnification is about 0.4 times. Four observation points were assigned to each of the four image processing units, and the measurement was performed simultaneously. The sampling time interval was 0.1 seconds. As can be seen from the figure, there is an almost linear relationship between the displacement of the speckle image and the movement of the object, and there is no difference between the observation points in this regard.
【００１５】図４は、画質改善回路２を用いた場合と用
いなかった場合のスペックル画像のばらつきを示すもの
である。すなわち、対称物体を静止させたまま画像変位
測定を行った結果を示すもので同図（ａ）が画質改善回
路２を用いなかった場合、同図（ｂ）が用いた場合を示
している。この図からもわかるように、画質改善回路２
を用いると、用いなかった場合に比べてその測定位置変
動は画素の３％程度から半分ほどに低減している。FIG. 4 shows the variation of the speckle image with and without the image quality improving circuit 2. That is, it shows the result of image displacement measurement with the symmetrical object stationary, and FIG. 7A shows the case where the image quality improving circuit 2 is not used, and FIG. As can be seen from this figure, the image quality improvement circuit 2
When using, the measurement position fluctuation is reduced from about 3% to about half of the pixel, compared with the case where it is not used.
【００１６】なお、本実施例では一般的なＣＣＤカメラ
に画質改善回路を付加しているが、これに代えて、画質
改善機能を持ったＣＣＤカメラ、例えば、クールドＣＣ
Ｄ（Cooled CCD）などを用いて受光装置内で実時間積算
を行えるＣＣＤカメラを用いてもよい。In this embodiment, an image quality improving circuit is added to a general CCD camera, but instead of this, a CCD camera having an image quality improving function, for example, a cooled CC.
A CCD camera capable of performing real-time integration in the light receiving device using a D (Cooled CCD) or the like may be used.
【００１７】また、画像変位算出回路における一致度の
評価方法として、２つの画像の差分の絶対値の積算を用
いたが、相互相関関数や差分の二乗和などを用いてもよ
い。Further, as the method of evaluating the degree of coincidence in the image displacement calculation circuit, the sum of the absolute values of the differences between the two images is used, but a cross-correlation function or the sum of squares of the differences may be used.
【００１８】また、本実施例はスペックル画像の変位を
測定するものであるが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、一般的な画像の変位測定にも適用できる。Further, although the present embodiment measures the displacement of the speckle image, the present invention is not limited to this and can be applied to general image displacement measurement.
【００１９】[0019]
【発明の効果】以上説明したように本発明の画像変位測
定装置によれば、イメージセンサで捕らえた画像に画質
改善処理が施されて撮像素子の読み出し時のショットノ
イズやアナログラインでのノイズなどが除去されるの
で、一致度の評価値の信頼性が高まる。そのため、補間
計算を用いた画素間隔以下の分解能での画像変位の推定
を正確に行うことができる。As described above, according to the image displacement measuring apparatus of the present invention, the image captured by the image sensor is subjected to the image quality improving process, so that the shot noise at the time of reading the image sensor, the noise on the analog line, etc. Is eliminated, the reliability of the evaluation value of the degree of coincidence increases. Therefore, it is possible to accurately estimate the image displacement with a resolution equal to or less than the pixel interval using the interpolation calculation.
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
【図２】画像変位算出回路が２つの画像の変位（移動
量）を画素間隔以下の分解能で推定する方法を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a method in which an image displacement calculation circuit estimates displacement (movement amount) of two images with a resolution equal to or less than a pixel interval.
【図３】対称物体の変位と本実施例で測定したスペック
ル画像の変位との関係についての実験結果を示す図。FIG. 3 is a diagram showing experimental results on the relationship between the displacement of a symmetrical object and the displacement of the speckle image measured in this example.
【図４】画質改善回路を用いた場合と用いなかった場合
の静止物体に対するスペックル画像変位のばらつきを示
す図。FIG. 4 is a diagram showing variations in speckle image displacement with respect to a stationary object with and without an image quality improving circuit.
１…ＣＣＤカメラ ２…画質改善回路 ３…画像変位算出回路 ４…物体 ５…レーザー光 ３１−３４…画像処理ユニット 1 ... CCD camera 2 ... Image quality improvement circuit 3 ... Image displacement calculation circuit 4 ... Object 5 ... Laser light 31-34 ... Image processing unit
Claims (3)
と、 この画像入力手段が出力する画像データを積算する画質
改善処理を施し改善画質データとして出力する画質改善
手段と、 前記イメージセンサ上に映し出された画像のうち、測定
すべき移動量の移動前の画像と移動後の画像に関する改
善画像データを記憶し、両改善画像データの一致度を評
価値としてイメージセンサの画素のサンプリング間隔以
下で算出する画像変位算出手段とを備えたことを特徴と
する画像変位測定装置。1. An image input means having an image sensor built-in, an image quality improving means for performing an image quality improving process for integrating image data output by the image input means, and outputting the image data as improved image quality data. Among the images, the improved image data regarding the image before the movement and the image after the movement of the movement amount to be measured are stored, and the degree of coincidence between both the improved image data is calculated as the evaluation value within the sampling interval of the pixel of the image sensor. An image displacement measuring device, comprising: an image displacement calculating means.
移動量を移動前の画像データと移動後の画像データの一
致度を評価値としてイメージセンサの画素のサンプリン
グ間隔以下で測定する画像変位測定装置において、実時間積算を行って画質を改善する 機能を有するイメー
ジセンサを内蔵する画像入力手段と、 この画像入力手段が出力する改善画質データのうち、測
定すべき移動量の移動前の画像と移動後の画像に関する
改善画像データを記憶し、両改善画像データの一致度を
評価値としてイメージセンサの画素のサンプリング間隔
以下で算出する画像変位算出手段とを備えたことを特徴
とする画像変位測定装置。2. An image displacement measuring device for measuring the amount of movement of an image displayed on an image sensor at a sampling interval of pixels of the image sensor or less with the degree of coincidence between the image data before the movement and the image data after the movement as an evaluation value. In the image input means including an image sensor having the function of performing real-time integration to improve the image quality, and the improved image quality data output by the image input means, the image before the movement of the movement amount to be measured and the movement. An image displacement measuring device, which stores improved image data concerning a subsequent image, and image displacement calculating means for calculating the degree of coincidence of both improved image data as an evaluation value at a sampling interval of pixels of an image sensor or less. .
スペックル画像であることを特徴とする請求項１または
２のいずれかに記載の画像変位測定装置。3. The image displacement measuring device according to claim 1, wherein the image displayed on the image sensor is a speckle image.
Priority Applications (1)
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| JP3170193A JP2524016B2 (en) | 1991-07-10 | 1991-07-10 | Image displacement measuring device |
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| JP3170193A JP2524016B2 (en) | 1991-07-10 | 1991-07-10 | Image displacement measuring device |
Publications (2)
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| JP3170193A Expired - Fee Related JP2524016B2 (en) | 1991-07-10 | 1991-07-10 | Image displacement measuring device |
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