内容梗概
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背景画像合成による前景抽出とそれに基づく照明の動的制御


一般によく用いられているカメラは、 物体の放つ光の強さ(情景放射輝度)による 光のエネルギー(露光量)をCCDが計測し、 画像上の各画素の輝度を決定している。 カメラのCCDが計測することのできる露光量の範囲(ダイナミックレンジ) は限られており、ダイナミックレンジを外れた露光量は CCDで正しく計測することはできない。 露光量がダイナミックレンジを下に外れているとき、 画像輝度はその最小値となり、 露光量がダイナミックレンジを上に外れているとき、 画像輝度はその最大値となる。このとき、画像輝度は物体の情景放射輝度を 反映していないため、 撮影された画像は実際の情景の持つ情報を失っている。 そのため、 撮影対象となる前景の放つ情景放射輝度をすべてダイナミックレンジ内で 計測し、画像輝度として得ることが求められる。

この要求に対し、現在のカメラでは、情景放射輝度に応じて 露出時間と絞りを変化させ、CCDの露光量をダイナミックレンジ 内に自動調節することによって情景放射輝度を計測している。しかし、 物体表面に当たる光の光量が小さく情景放射輝度が低くなっている場合などでは、 露出時間や絞りを変化させても、CCDが露光量を正しく計測することができない。 また、露出時間や絞りを変化させた場合、 撮影対象である前景を含む画像領域全体について露光量が 変化してしまうため、前景に対応する画像領域のみの 露光量を調節することはできない。 このようなことは、実際の撮影環境でよく起こる。

以上の理由から、前景となる物体が放つ情景放射輝度に対するCCDの 露光量を、カメラの露出時間や絞りを用いて調節するのではなく、 情景放射輝度そのものを変化させることによって、 ダイナミックレンジ内に収める方法が必要となる。

物体の情景放射輝度は、物体表面の世界座標系での位置、 法線、反射係数と照明環境により変化する。 撮影対象である前景となる物体の物体表面の位置、法線、反射係数は 物体に依存するので、一般に制御することができない。 そこで本稿では、撮影された前景の画像輝度がダイナミックレンジ内にあるか どうかを評価し、これをもとに照明を動的に制御して、 前景の画像輝度をダイナミックレンジ内に収める方法を提案する。

前景の画像輝度を ダイナミックレンジ内に調節するために、 まず、前景の画像領域を抽出する。 前景は一般にその位置、形状、色などが予測できないために、 対応する画像領域が分からない。 このような条件下では、画像から前景の画像領域を抽出する方法として、 背景画像をあらかじめ撮影しておき、 背景の画像輝度は変化しないと仮定して 撮影された画像で背景に一致しない領域を前景として抽出する背景差分法が 一般的である。 しかし、照明環境が変化するような撮影環境では、 背景画像が照明の変化によってあらかじめ撮影しておいたものと異ってしまう ため、一般的な背景差分法では前景を抽出することはできない。

そこで提案手法では、 変動する照明環境下でも照明条件に応じた背景画像を合成できる手法を 導入し、背景差分法により前景の画像領域を抽出する。

次に、照明の変化によって生じる、前景の画像輝度の変化を計測する。 物体表面の位置、法線、反射係数が既知であるとき、情景放射輝度は照明環境のみに よって変化する。照明環境を測定する方法についてはいろいろと提案されているが、 物体表面の位置、法線、反射係数をリアルタイムで精度よく測定する ことは困難である。 そこで、物体表面の法線、反射係数が未知である前景となる物体に対して 実際に照明の光量を変化させ、 その画像輝度の変化を観測することによって 照明の変化による前景の画像輝度の変化を測定する。 測定した結果に基づいて照明の制御を行い、画像輝度を ダイナミックレンジ内に収める。

本手法の有効性を確認するために、実験を行った。 合成した背景画像と実際の背景画像とを比較し、 合成した背景画像が実際に撮影される画像とほぼ同一であることを確認した。 続いて、 合成した背景画像を用いて背景差分法を行い、 前景と背景が入り交じった画像から前景の画像領域 が抽出できていることを確認した。 最後に、前景の画像輝度をダイナミックレンジ内に収まるように 照明の光量が制御できること、及び、この制御の結果、 前景の画像輝度がダイナミックレンジ内に収まっていることを確認した。


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