JP5181970B2 - 画像処理装置および画像処理方法 - Google Patents
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Description
また好ましくは、画像処理装置は、撮像部で撮像される画像データに対する領域設定を受付ける手段をさらに含み、更新手段は、更新後に変換手段により変換されて得られうる領域設定内の階調値分布が、更新前の階調値分布と略同じになるように、第1範囲を更新後第1範囲に更新する。
さらに好ましくは、画像処理装置は、第2範囲の輝度値を有効ダイナミックレンジの輝度値と同時に表示する表示部をさらに含む。
図1は、この発明の実施の形態に従う画像処理装置を含む視覚センサシステム1の全体構成を示す概略図である。図2は、この発明の実施の形態に従う画像処理装置を含む視覚センサシステム1の配置状況の一例を示す概略図である。
図3は、この発明の実施の形態に従うコンピュータ100のハードウェア構成を示す概略構成図である。
本実施の形態に従う視覚センサシステム1は、ワーク2を撮影することで生成される合成画像データを用いて実際に検査や計測を実行する「稼動モード」と、ワーク2についての合成処理に係る設定を行なうための「設定モード」とを選択することが可能である。
次に、合成画像データを生成するための画像合成処理について説明する。本実施の形態に従う画像合成処理は、主として撮像部8のダイナミックレンジを拡大させるためのものである。
図4(a)は、露光時間が相対的に長い条件下で1回の撮影により得られた撮影画像を示し、図4(b)は、露光時間が相対的に短い条件下で1回の撮影により得られた撮影画像を示す。なお、図4(a)および図4(b)において、入射する光の強度は同じ条件であるとする。図4に示すワークは、金属製の時計本体部と皮革製のバンド部とを含む。両者の反射率は大きく異なるので、各部から放射される光パワー(単位時間当たりに放射される光エネルギー)にも大きな差がある。
(1)ワーク2を異なる露光時間で逐次撮影する処理(撮影処理)
(2)撮影された入力画像データの輝度から合成輝度を算出する処理(輝度合成処理)
(3)算出された合成輝度から階調値を算出する処理(階調値変換処理)
(4)撮影された入力画像データの色情報から合成色情報を算出する処理(色合成処理)
(5)合成色情報と階調値とから合成画像データを生成する処理(生成処理)
特に、本実施の形態に従う画像処理装置は、「明るさ」追従処理を実行する。この「明るさ」追従処理では、撮影環境(特に、ワーク2への照明環境)の変化に応じて、(3)の階調値変換処理において用いる対応関係が逐次更新(追従)される。この対応関係は、算出された合成輝度のうち、合成画像データとして有効に表示すべき範囲を定義ものである。すなわち、本実施の形態に従う画像処理装置は、撮影環境の変動幅より広いダイナミックレンジでワーク2を撮影し、このワーク2で撮影された合成輝度の特定のレンジにあるものを、画像として表現すべき階調値範囲に割当てる。具体的には、この対応関係は、合成輝度のダイナミックレンジのうち、特定の範囲と有効な階調値とを対応付けたものである。
図5は、この発明の実施の形態に従う画像処理装置の全体制御構造を示す機能ブロック図である。
図5を参照して、撮影制御部200は、撮像部8に同一のワーク2を異なる露光時間で複数回撮影させることにより複数の入力画像データを取得する。撮影制御部200は、ユーザ設定に応じて、どのように露光時間を変更するかについて決定する。より具体的には、本実施の形態に従う撮像部8は、一例として、シャッター速度を任意に設定可能な電子シャッターを有しており、これにより露光時間を任意に変更可能である。その変更可能な露光時間は、一例として「1/10秒」,「1/20秒」,「1/40秒」,「1/80秒」,「1/160秒」,「1/320秒」,「1/640秒」,「1/1280秒」の8通りを標準として含む。この変更可能な露光時間群は、「1/10秒」を基準(最も遅い値)として、2のべき乗で順次早くなるように設定されている。
輝度合成部210は、撮像部8による一連の撮影(予め設定された露光時間におけるすべての撮影)が完了した後、それぞれの入力画像データの輝度を対応する露光時間によってそれぞれ規格化した上で、各画素の合成輝度を算出する。上述したように、撮像部8における露光時間を変更することで、撮影に適した光パワーの範囲が変動する。すなわち、露光時間が相対的に短ければ、光パワーのより大きな範囲の撮影に適し、露光時間が相対的に長ければ、光パワーのより小さな範囲の撮影に適する。
再度、図5を参照して、トーンマッピング部214は、輝度合成部210で算出された合成輝度Eiをモニタ102に表示すべき階調値に変換する。具体的には、トーンマッピング部214は、各画素の合成輝度Ei(輝度範囲:0〜100;但し、256階調より大きな階調をもつ)を合成画像データの対応する画素の階調値Yi(たとえば、0〜255階調値)に割当てることで、合成画像データの濃度を決定する。なお、各画素の合成輝度Eiの分解能(ダイナミックレンジ)は、入力画像データより高くなるので、合成画像データの階調値を入力画像データの階調値より細分化することで、より精度の高い合成画像データを生成および表示できる。
図8を参照して、説明を簡素化するために、トーンマッピング部214が線形の割当て処理を行なう場合について例示する。最も簡単な例としては、輝度範囲が0〜100である合成輝度Eiの比例関係を保ったまま、0〜255の範囲の階調値への割当てである。これにより、モニタが持つ表示能力より大きな階調をもつデータを、モニタの持つ表示能力に合わせた階調(たとえば、8ビット表示)で表示することができる。
すなわち、トーンマッピング部214において、合成輝度Eiから階調値Yiへの変換に用いられる対応関係は、「明るさ」上限値Emaxおよび「明るさ」下限値Eminを変更することで、適宜更新されることになる。
一例として、それぞれ3つの露光時間「1/20秒」,「1/40秒」,「1/80秒」において撮影が行なわれることで入力画像データが取得された場合において、3つの入力画像データの座標位置iにおける輝度が、それぞれ「190」,「100」,「50」であるとする。この場合において、当該座標位置iに対応する画素の合成輝度Eiは以下のように算出される。但し、W(190)=65,W(100)=100,W(50)=50である。
そして、ユーザによって、「明るさ」上限値Emaxが「60」で、「明るさ」下限値Eminが「30」に設定された場合には、合成画像データの座標位置iの階調値Yiは以下のように算出される。
(4)色合成処理
再度図5を参照して、色合成部208は、複数の入力画像データの色情報から合成色情報を算出する。後述するように、合成画像データは、色合成部208で算出される各画素の合成色情報に、トーンマッピング部214によって算出される対応する階調値(濃度)を乗じて得られる。そのため、色合成部208から出力される合成色情報は、各画素の濃度の情報をもたない、「赤色」、「緑色」、「青色」の相対的な比を示す値となる。
(5)生成処理
画像生成部212は、輝度合成部210およびトーンマッピング部214によって算出された階調値Yiを、対応する合成色情報(ri,gi,bi)に順次乗じることによって、座標位置iの画素の画像情報を順次算出し、これによって合成画像データを生成する。
以上のような手順に従って、合成画像データが生成される。
処理時間算出部222は、1つの合成画像データの生成に要する見込みの処理時間を算出する。より具体的には、処理時間算出部222は、撮影制御部200からの情報に基づいて、撮像部8による撮影回数、各撮影における露光時間、画像合成処理の処理量などを考慮して、処理時間を推定する。この処理時間は、稼動モードにおいて、1つの合成画像データを生成するために要する時間に相当し、ユーザは、この処理時間を参照して、実際の生産ラインに適用可能な設定を決定する。
図9は、撮影環境の変動による合成画像データの画質低下の一例を示す図である。図9には、本実施の形態に従う画像処理装置が「稼動モード」である場合における、モニタ102上の画面表示例を示す。なお、図9に示す画面表示例においては、図5に示すトーンマッピング部214において、合成輝度Eiのうち有効な階調値への割当ての対象となる範囲は変化させないものとする。
以下、本実施の形態に従う「明るさ」追従処理の概要について説明する。
図11は、この発明の実施の形態に従う「明るさ」追従処理の効果の一例を示す図である。図11(a)は、図9(a)と同様に、ある撮影環境で初期設定が完了した直後の状態を示し、図11(b)は、図11(a)に対して撮影環境が変化した状態(より具体的には、照明が強くなった状態)を示す。図11(a)と図11(b)とを比較してわかるように、本実施の形態に従う「明るさ」追従処理を用いることで、撮影環境の変動に影響を受けることなく、有効な画像情報を含む合成画像データを生成することができる。
図12は、図5に示す追従部230のより詳細な制御構造を示す機能ブロック図である。
上述したように、本実施の形態に従う「明るさ」追従処理では、予め設定された「明るさ」追従上下限範囲をカバーするように、撮影回数および各撮影における露光時間が定められる。
図14〜図18は、この発明の実施の形態に従う画像処理装置のモニタ102に表示される「設定モード」における画面表示例を示す図である。なお、CPU105および図示しないグラフィックボードなどが協働することで、図14〜図18に示すような設定画面を表示させる。このような画面表示は、OS(Operating System)の一部として組込まれるGUI(Graphical User Interface)プログラムによって実現され、またGUIは、ユーザがキーボード103やマウス104により操作される画面上のカーソルを用いて、さまざまなユーザ設定を行なうための環境も提供する。
図12に示す監視部2336は、(1)「明るさ」上下限範囲の時間的な変化履歴を記憶および表示する、(2)「明るさ」上下限範囲の時間的な変化履歴に基づいて、「明るさ」上下限範囲を自動設定する、(3)「明るさ」上下限範囲が「明るさ」追従上下限範囲を超えた場合にエラー処理を実行する、といった監視機能を実行する。
図20は、この発明の実施の形態に従う画像処理装置における全体処理を示すフローチャートである。図20に示すフローチャートは、CPU105が固定ディスク107などに予め格納されたプログラムをメモリ106に読出して実行することにより実現される。なお、初期モードは「稼動モード」であるとする。
図21は、図20に示す画像合成処理サブルーチン(稼動モード)における処理を示すフローチャートである。図21に示すフローチャートは、CPU105が固定ディスク107などに予め格納されたプログラムをメモリ106に読出して実行することにより実現される。
Emin=Emin0+ΔE
その後、CPU105は、監視処理サブルーチンを実行する(ステップS220)。
図22は、図21に示す監視処理サブルーチンにおける処理を示すフローチャートである。図22に示すフローチャートは、CPU105が固定ディスク107などに予め格納されたプログラムをメモリ106に読出して実行することにより実現される。
図23は、この発明の実施の形態に従う画像処理装置における「設定モード」における処理を示すフローチャートである。図23に示すフローチャートは、CPU105が固定ディスク107などに予め格納されたプログラムをメモリ106に読出して実行することにより実現される。
図24は、図23に示す画像合成処理サブルーチン(設定モード)における処理を示すフローチャートである。図24に示すフローチャートは、CPU105が固定ディスク107などに予め格納されたプログラムをメモリ106に読出して実行することにより実現される。
この発明の実施の形態によれば、ユーザ設定された「明るさ」上下限範囲より広い「明るさ」追従上下限範囲に応じた露光時間および撮影回数で被測定物(ワーク)が撮影される。そのため、「明るさ」追従上下限範囲に相当するダイナミックレンジで被測定物が撮影される。そして、これらの撮影データのうち、「明るさ」上下限範囲内の輝度が有効な階調値に変換されることで、合成画像データとして生成される。
上述の本実施の形態に従う画像処理装置では、撮影環境の変動による「明るさ」の変動に応じて、「明るさ」上下限範囲を更新することで、有効な階調値として変換する合成輝度Eiの範囲を変更する構成について例示した。これに対して、本第1変形例では、算出される合成輝度Ei自身を補正することで、同様の効果を得られる構成について例示する。
そして、トーンマッピング部214(図5)は、この合成輝度(補正後)#Eiに対して、対応する階調値Yiを算出する。このとき、トーンマッピング部214(図5)で用いられる「明るさ」上下限範囲は、初期設定された「明るさ」上下限範囲のまま維持される。
上述の本実施の形態に従う画像処理装置では、(1)式に示されるように、各画素の輝度を規格化した値(=g(Zi,j)/Δtj)の対数に基づいて、各画素の合成輝度Eiを算出する例について説明した。このような算出方法に代えて、各画素の輝度を規格化した値についての重み付きの加重平均を算出(加算処理)した上で、対数をとって各画素の合成輝度Eiを算出してもよい。以下、このような算出方法を用いる場合について例示する。
上述の本実施の形態に従う画像処理装置では、(1)式に示されるように、各画素の輝度を規格化した値(=g(Zi,j)/Δtj)の対数に基づいて、各画素の合成輝度Eiを算出する例について説明した。このような算出方法に代えて、各画素の輝度を規格化した値についての重み付きの加重平均を算出(加算処理)した上で、ガンマ補正(γべき乗)を行って各画素の合成輝度Eiを算出してもよい。以下、このような算出方法を用いる場合について例示する。
本発明に係るプログラムは、コンピュータのオペレーティングシステム(OS)の一部として提供されるプログラムモジュールのうち、必要なモジュールを所定の配列で所定のタイミングで呼出して処理を実行させるものであってもよい。その場合、プログラム自体には上記モジュールが含まれずOSと協働して処理が実行される。このようなモジュールを含まないプログラムも、本発明にかかるプログラムに含まれ得る。
Claims (17)
- 撮像部および表示部に接続された画像処理装置であって、前記撮像部は、複数の画素に区画された撮像素子を含み、かつ露光条件を変更可能であり、
前記撮像部に異なる露光条件で撮影範囲を複数回撮影させることにより、前記表示部の表示能力より大きな階調範囲で表現される画像を合成するための、複数の画像データを取得する取得手段と、
前記複数の画像データに基づいて、前記撮像素子に入射する光エネルギーの分布に応じた輝度分布を算出する算出手段と、
前記輝度分布を前記表示部に表示すべき階調値の分布に変換する変換手段とを備え、前記変換手段は、前記輝度分布において表現可能な輝度範囲内に設定される第1範囲と前記表示部の階調範囲との対応関係に従って変換を行ない、
前記輝度分布において前記第1範囲の更新が許容される範囲である第2範囲を受付ける設定手段と、
前記撮像素子に入射する光エネルギーに基づいて撮影環境の変動を判断するとともに、当該撮影環境の変動に伴って、前記第1範囲の位置を前記第2範囲内で更新する更新手段とを備える、画像処理装置。 - 前記表示部に前記輝度分布を表示させる表示手段をさらに備え、
前記更新手段は、設定された前記第2範囲を前記輝度分布と同時に表示する、請求項1に記載の画像処理装置。 - 前記更新手段は、
前記撮像部で撮像される画像データに対する領域設定を受付ける手段と、
前記領域設定された画素の輝度に基づいて、前記第1範囲の幅を維持したまま、位置をシフトする手段とをさらに含む、請求項1または2に記載の画像処理装置。 - 前記更新手段は、
前記第1範囲の一部が前記第2範囲外に更新された場合に、エラー処理を実行する手段をさらに含む、請求項3に記載の画像処理装置。 - 前記更新手段は、
前記表示部に前記第1範囲の時間的な変化履歴を表示する手段をさらに含む、請求項3または4に記載の画像処理装置。 - 前記更新手段は、前記第1範囲の時間的な変化履歴に基づいて、前記第2範囲を設定する手段をさらに含む、請求項5に記載の画像処理装置。
- 前記更新手段は、第1範囲の初期値を受付ける手段をさらに含み、前記第1範囲の初期値の設定可能範囲は、前記第2範囲内に制限される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の画像処理装置。
- 前記複数の画像データに含まれる色情報と対応する画素の階調値とに基づいて、合成画像データを生成する生成手段をさらに備える、請求項1〜7のいずれか1項に記載の画像処理装置。
- 撮像部および表示部に接続された装置における画像処理方法であって、前記撮像部は、複数の画素に区画された撮像素子を含み、
前記撮像部に異なる露光条件で撮影範囲を複数回撮影させることにより、前記表示部の表示能力より大きな階調範囲で表現される画像を合成するための、複数の画像データを取得するステップと、
前記表示部において表現される輝度範囲である第1範囲を受付けるステップと、
前記第1範囲を包含する第2範囲を受付けるステップと、
前記複数の画像データに基づいて、前記撮像素子に入射する光エネルギーの分布に応じた輝度分布を算出するステップと、
前記撮像素子に入射する光エネルギーに基づいて撮影環境の変動を判断するとともに、当該撮影環境の変動に伴って、前記第1範囲の位置を前記第2範囲内でシフトさせることで、前記第1範囲と前記表示部の階調範囲との対応関係を更新するステップと、
更新後の前記対応関係に従って、前記輝度分布を前記表示部に表示すべき階調値に変換するステップとを含む、画像処理方法。 - 複数の画素に区画された撮像素子を含み、かつ露光条件を変更可能な撮像部と、
前記撮像部に、複数の異なる露光条件で撮影範囲を撮影させることにより、複数の画像データを取得する取得手段と、
前記複数の画像データおよび各画像データに対応する露光条件に基づいて、前記撮像素子に入射する光エネルギーに応じた輝度値であって、有効ダイナミックレンジ内で一定以上の輝度分解能を有する輝度値を算出し、前記撮像素子に入射する光エネルギーの分布に応じた輝度値分布を算出する算出手段と、
前記有効ダイナミックレンジに含まれ、当該有効ダイナミックレンジよりも狭い範囲である第1範囲を受け付けるとともに、前記第1範囲内の輝度値を、既定の数値範囲内の階調値で表される既定範囲階調値に対応させて変換することで、前記輝度値分布を既定範囲階調値分布に変換する変換手段と、
前記撮像素子に入射する光エネルギーの変動に応じて、前記変換手段において前記既定範囲階調値に対応付ける前記第1範囲を、前記有効ダイナミックレンジに含まれ、当該有効ダイナミックレンジよりも狭い範囲であって、前記第1範囲とは異なる更新後第1範囲の輝度値に更新する更新手段とを備える、画像処理装置。 - 前記既定範囲階調値分布を表示する表示部をさらに備える、請求項10に記載の画像処理装置。
- 前記撮像部で撮像される画像データに対する領域設定を受付ける手段をさらに備え、
前記更新手段は、更新後に前記変換手段により変換されて得られうる前記領域設定内の階調値分布が、更新前の階調値分布と略同じになるように、前記第1範囲を前記更新後第1範囲に更新する、請求項10に記載の画像処理装置。 - 前記更新手段は、前記第1範囲が有するダイナミックレンジの幅と同じダイナミックレンジの幅を有する前記更新後第1範囲に更新する、請求項12に記載の画像処理装置。
- 前記更新手段は、第2範囲を受付ける手段を含む、請求項10に記載の画像処理装置。
- 前記第2範囲の輝度値を前記有効ダイナミックレンジの輝度値と同時に表示する表示部をさらに備える、請求項14に記載の画像処理装置。
- 前記更新手段は、前記更新後第1範囲の一部が前記有効ダイナミックレンジ外に更新された場合に、エラー処理を実行する手段をさらに含む、請求項10に記載の画像処理装置。
- 前記更新手段は、第1範囲の初期値を受付ける手段をさらに含み、
前記第1範囲の初期値の設定可能範囲は、前記有効ダイナミックレンジ内に制限される、請求項10に記載の画像処理装置。
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