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JP2006065452A - Image data processing method and device by n-dimensional hough transformation - Google Patents

Image data processing method and device by n-dimensional hough transformation Download PDF

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JP2006065452A
JP2006065452A JP2004244985A JP2004244985A JP2006065452A JP 2006065452 A JP2006065452 A JP 2006065452A JP 2004244985 A JP2004244985 A JP 2004244985A JP 2004244985 A JP2004244985 A JP 2004244985A JP 2006065452 A JP2006065452 A JP 2006065452A
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JP
Japan
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edge points
parameters
image data
voting
peak
Prior art date
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Application number
JP2004244985A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Hashimoto
岳 橋本
Katsuhiro Yamaguchi
勝広 山口
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Original Assignee
Individual
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology for extracting dots belonging to a specific shape from the set of dots in an n-dimensional space, and for grasping the existence of the specific shape existing in the n-dimensional space. <P>SOLUTION: Arbitrary three dots are selected from edge dots on image data. When the equation of a graphic to be extracted is y=ax<SP>2</SP>+bx+c, a simultaneous equation is prepared by using the arbitrary three dots, and the equation is solved, and intersections, that is, parameters (a), b and c in a parameter space in Hough transformation are calculated. In the same way, the intersections are calculated from the other arbitrary three dots. A region where the intersection group concentrates is calculated by a voting method or the like. The parameters obtained as mentioned above are substituted in the original equation y=ax<SP>2</SP>+bx+c so that a curve being the variety of the edge dots on the image data can be calculated. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、n次元空間における点の集合から特定形状に属する点を抽出し、n次元空間に存在する特定形状の存在を把握する技術に関する。   The present invention relates to a technique for extracting points belonging to a specific shape from a set of points in an n-dimensional space and grasping the existence of the specific shape existing in the n-dimensional space.

画像処理技術によりカメラから得られた濃淡画像の点群から、直線を検出することが行われている(たとえば特許文献1参照)。この場合、ハフ(Hough)変換によりx−y直交座標系上の一点をθ−ρパラメータ座標系(x cosθ+y sinθ=ρ)に射影することにより曲線に変換される。ここで、x−y座標系上に存在する直線上の複数の点をθ−ρパラメータ座標系の複数の曲線として描くと、これらの複数の曲線は、ある一点で交差する。この交点P(θo,ρo)におけるθo,ρoを変換式x cosθ+y sinθ=ρに代入することにより、x−y直交座標系における直線(y=ax+b)のパラメータa,bが決定される。
特許第2646363号
A straight line is detected from a point group of a grayscale image obtained from a camera by an image processing technique (see, for example, Patent Document 1). In this case, a point on the xy orthogonal coordinate system is projected to the θ-ρ parameter coordinate system (x cos θ + y sin θ = ρ) by the Hough transform to be converted into a curve. Here, when a plurality of points on a straight line existing on the xy coordinate system are drawn as a plurality of curves in the θ-ρ parameter coordinate system, the plurality of curves intersect at a certain point. By substituting θo and ρo at the intersection P (θo, ρo) into the conversion formula x cosθ + y sinθ = ρ, the parameters a and b of the straight line (y = ax + b) in the xy orthogonal coordinate system are determined.
Japanese Patent No. 2646363

このハフ(Hough)変換は、雑音を含む画像からの安定な直線検出方法として、画像解析・認識の重要な手法の1つとして定着している。
ハフ変換の原理を以下説明する。
今、画像中から抽出すべき図形を、傾きa、切片bによってパラメータ表現された直線
y=a・x+b …(a1)
で表現する。
画像中の点(xi,yi)を通る直線は
yi=a・xi+b …(a2)
と表される。式(2)をa,bに関する方程式と考え、その軌跡をa−b空間に描く(図4(a))。
This Hough transform has been established as one of the important methods of image analysis / recognition as a stable straight line detection method from an image including noise.
The principle of the Hough transform will be described below.
The straight line y = a · x + b (a1) where the figure to be extracted from the image is now expressed as a parameter by the inclination a and the intercept b
Express with
The straight line passing through the point (xi, yi) in the image is yi = a · xi + b (a2)
It is expressed. Equation (2) is considered as an equation relating to a and b, and the locus is drawn in the ab space (FIG. 4 (a)).

画像中の各特徴点(エッジ点)に対して同様の写像を行い、多くの軌跡が交わる点(ピークあるいは集積点という)を(a,b)としたとき、(a,b)によって定義される直線
y=a・x+b …(a3)
が画像中に存在し、各特徴点のうち、この直線に属する群は、ほぼこの直線の近傍に位置する。
集積点を求めるにはまず、パラメータ空間(a,b)を表す配列を用意し、軌跡が配列の要素を通るたびにその要素のもつ値を1増やす。そしてすべての軌跡を描いたのち、極大値をもつ要素を探し、集積点とする。
The same mapping for each feature point in the image (edge point), when the point of intersection many locus (called peak or integrated point) and (a 0, b 0), (a 0, b 0 ) A straight line defined by y = a 0 · x + b 0 (a3)
Is present in the image, and among the feature points, the group belonging to this straight line is located almost in the vicinity of this straight line.
In order to obtain the accumulation point, first, an array representing the parameter space (a, b) is prepared, and the value of the element is incremented by 1 each time the trajectory passes through the element of the array. After drawing all the trajectories, the element having the maximum value is searched for as an accumulation point.

以上が、ハフ(Hough)変換による直線抽出の原理である。
しかし、式(a1)の表現では(a,b)のパラメータ空間を表す配列として無限の大きさのものが必要となり、実用的でないことから、
ρ=xcosθ+ysinθ (0≦θ<π) …(a4)
という垂角θと原点からの符号付き距離ρによる表現法が提案されている。
図4(b)に示すようにρ−θ表現を用いるとパラメータ空間は有限(θは0≦θ<πの範囲となり、また画像範囲が有限であるためρも有限となる)で軌跡は正弦曲線となる。このため通常はρ−θ表現が用いられる。ただ、a−b表現を用いると軌跡が直線となり、パラメータ空間における特徴抽出やその解析(たとえば直線群の抽出)が容易になる利点がある。
直線法としてのρ−θ表現によるHough変換の一般的性質、特徴、問題点をまとめると次のようになる。
The above is the principle of line extraction by Hough transform.
However, the expression (a1) requires an infinitely large array representing the parameter space of (a, b), which is not practical.
ρ = x cos θ + ysin θ (0 ≦ θ <π) (a4)
An expression method using the perpendicular angle θ and the signed distance ρ from the origin has been proposed.
As shown in FIG. 4B, when the ρ−θ expression is used, the parameter space is finite (θ is in the range of 0 ≦ θ <π, and ρ is also finite because the image range is finite), and the locus is sine. It becomes a curve. For this reason, the ρ-θ representation is usually used. However, when the ab expression is used, the locus becomes a straight line, and there is an advantage that the feature extraction in the parameter space and the analysis thereof (for example, the extraction of the straight line group) are facilitated.
The general properties, characteristics, and problems of the Hough transform using the ρ-θ representation as a straight line method are summarized as follows.

<性質>
1.画像上の点(x,y)を通過するすべての直線群は、パラメータ空間上の1本のHough曲線に写像される。
2.パラメータ空間上の1点は、画像中の1本の直線に対応する。
3.同じ直線上にある任意のn点に対応するHough曲線は、パラメータ空間上でただ1回だけ交差する。
4.互いに平行な直線群は、パラメータ空間上のθ軸に垂直な直線上に写像される。
5.原点を中心とする円の接線群は、パラメータ空間上のρ軸に垂直な直線上に写像される。
<Properties>
1. All straight lines passing through the point (x, y) on the image are mapped to one Hough curve on the parameter space.
2. One point on the parameter space corresponds to one straight line in the image.
3. Hough curves corresponding to arbitrary n points on the same straight line intersect only once in the parameter space.
4). A group of straight lines parallel to each other is mapped onto a straight line perpendicular to the θ axis in the parameter space.
5. A tangent group of circles centered on the origin is mapped on a straight line perpendicular to the ρ axis in the parameter space.

<特徴>
1.画像中の雑音による偽の特徴点に影響されることなく安定に直線が検出できる。
2.隠蔽や画像処理の不完全さによって線が不連続となっていても検出できる。
3.写像が画像中の点ごとに独立して実行できるため、並列処理による高速化が可能である。
4.複数の直線を同時に検出できる。
<Features>
1. A straight line can be detected stably without being affected by false feature points due to noise in the image.
2. Even if the line is discontinuous due to concealment or incomplete image processing, it can be detected.
3. Since mapping can be executed independently for each point in the image, speeding up by parallel processing is possible.
4). Multiple straight lines can be detected simultaneously.

<問題点>
1.パラメータ空間を表すための大きなメモリが必要である。
2.パラメータ空間をディジタル化する際のサンプリング間隔(解像度)を決める基準が明確でない。
3.画像中の各点ごとに1本のHough曲線を描くため計算量が多くなる。
4.軌跡の集積点を選ぶための基準(しきい値)があまり明確でない。
<Problem>
1. A large memory is required to represent the parameter space.
2. The criteria for determining the sampling interval (resolution) when digitizing the parameter space is not clear.
3. Since one Hough curve is drawn for each point in the image, the calculation amount increases.
4). The criterion (threshold value) for selecting the locus accumulation point is not very clear.

組合せHough変換
この標準的なHough変換を改良した新しい手法として組合せHough変換(Combinatorial Hough Transform:以下「CHT」という)が提案された。標準的なHough変換では投票単位がエッジ点であり、その投票軌跡は正弦曲線である。これに対してCHTでは1点で済む。すなわち2つのエッジ点(x,y)と(x,y)を通る直線のパラメータは式(a4)から
ρ=x・cosθ+y・sinθ …(a5)
θ=tan−1{−(x−x)/(y−y)} …(a6)
と定まる。そこで、投票操作をエッジ点の対ごとに行なって、パラメータごとに対応するセルだけに投票値1を加算する、という投票方式に変更がなされている。
Combinatorial Hough Transform (Combinatorial Hough Transform: hereinafter referred to as “CHT”) has been proposed as a new method improved from this standard Hough transform. In the standard Hough transform, the voting unit is an edge point, and the voting locus is a sine curve. In contrast, CHT only requires one point. That is, the parameter of the straight line passing through the two edge points (x 1 , y 1 ) and (x 2 , y 2 ) is calculated from the equation (a4) as follows: ρ 0 = x 1 · cos θ 0 + y 1 · sin θ 0 (a5)
θ 0 = tan −1 {− (x 2 −x 1 ) / (y 2 −y 1 )} (a6)
Is determined. Therefore, the voting method is changed such that the voting operation is performed for each pair of edge points, and the voting value 1 is added only to the cell corresponding to each parameter.

n個のエッジ点から2点を選ぶときの組合せの数は
=n!/{2!(n−2)!}=n(n−1)/2 …(a7)
である。従って、1つの直線上にエッジ点がn個存在する場合に、その直線を表すセルの投票値が標準的なHough変換ではnとなり、CHTではn(n−1)/2となる。これからCHTは従来の標準的なHough変換に比べ投票ピークが顕著となり、直線検出がしやすくなる。しかしその一方、画像中のエッジ点すべての組合せは莫大なものとなる。そこで、画像をいくつかのブロックに分割し、そのブロック内のエッジ点対に限定し投票することで計算量を削減している。
The number of combinations when selecting two points from n edge points is
n C 2 = n! / {2! (n-2)! } = N (n-1) / 2 (a7)
It is. Therefore, when there are n edge points on one straight line, the vote value of the cell representing the straight line is n in the standard Hough transform and n (n-1) / 2 in CHT. From this, CHT has a more pronounced voting peak than the conventional standard Hough transform, making it easier to detect straight lines. On the other hand, however, the combination of all edge points in the image is enormous. Therefore, the amount of calculation is reduced by dividing the image into several blocks, limiting to a pair of edge points in the block, and voting.

CHTでは、まず入力された画像をK個のブロックに分割する。続いて、エッジ点対のペアをブロック内のエッジ点同士に限定し、全てのエッジ点対から求まるパラメータを投票する。投票後、通常のHough変換と同様、パラメータ平面からピークを検出し直線検出を行なう。CHTではブロック内のエッジ点対のみに投票を限定するため、グローバルに直線を検出できるというHough変換の利点が損なわれる危険性がある。さらに、分割数を多くするほど高速化が期待できるが、画像分割を行なうことはパラメータ平面の軸を強制的に粗くするため、直線検出精度に悪影響を及ぼす。そのため、十分な高速化を行なうためには精度を犠牲にしなければならないという問題がある。   In CHT, an input image is first divided into K blocks. Subsequently, the pair of edge points is limited to the edge points in the block, and the parameters obtained from all the edge point pairs are voted. After voting, the peak is detected from the parameter plane and the straight line is detected as in the normal Hough transform. Since CHT limits voting only to edge point pairs in a block, there is a risk that the advantage of the Hough transform that global lines can be detected is impaired. Further, the higher the number of divisions, the higher the speed can be expected. However, the image division forcibly roughens the axis of the parameter plane, which adversely affects the straight line detection accuracy. For this reason, there is a problem that accuracy must be sacrificed in order to achieve sufficient speedup.

このようなハフ変換を3次元空間の点について実行しようとすると、演算時間がかかり実用的ではなくなる。また、x−y直交座標系における円や、さらにはxyz直交座標系における球面上の点については計算量が多く、実用化は困難であった。   If such a Hough transform is to be executed for a point in a three-dimensional space, it takes a long time to calculate and becomes impractical. In addition, a large amount of calculation is required for a circle in the xy orthogonal coordinate system and a point on the spherical surface in the xyz orthogonal coordinate system, and it is difficult to put it to practical use.

最近では、MRI画像のように計算処理可能な形で3次元画像データを得ることが可能であり、本発明は、このような3次元画像データから直線、円(の一部)、面、球、楕円などの形状を抽出するために有用である。
基本的には検出したい線や面の種類を方程式の形で表現する。その方程式のパラメータ座標系において、元の空間の1点は曲線または直線となる。そのパラメータ座標系において、元空間における特定形状上の複数の点に対応する曲線または直線は1点で交差する。
交差した交点のみに注目すれば、元の空間に複数の形状が存在しても、パラメータ座標系においてこれら複数の形状に対応したピークが存在し、それらを個々に識別することは可能である。
Recently, it is possible to obtain three-dimensional image data in a form that can be calculated like an MRI image, and the present invention uses straight lines, circles (parts), planes, spheres from such three-dimensional image data. Useful for extracting shapes such as ellipses.
Basically, the type of line or surface to be detected is expressed in the form of an equation. In the parameter coordinate system of the equation, one point in the original space is a curve or a straight line. In the parameter coordinate system, curves or straight lines corresponding to a plurality of points on a specific shape in the original space intersect at one point.
If attention is paid only to the intersecting intersections, even if a plurality of shapes exist in the original space, peaks corresponding to the plurality of shapes exist in the parameter coordinate system, and it is possible to identify them individually.

この計算において、パラメータ座標系においてすべての曲線または直線を構成する点列を描写し、これらの交点を求めかつ最多の交点を算出すること、あるいは区画されたパラメータ空間(投票空間)において点の合計を算出することは膨大な計算量である。本発明は、パラメータを決定し得る最小限の点列から交点を求め、他の点列についても交点を求め、これら交点の群からピークを検出するようにして、計算量を減らしたものである。   In this calculation, draw a sequence of points that make up all curves or straight lines in the parameter coordinate system, find these intersections and calculate the maximum number of intersections, or sum the points in a partitioned parameter space (voting space) It is an enormous amount of calculation. In the present invention, the amount of calculation is reduced by obtaining intersection points from a minimum point sequence from which parameters can be determined, obtaining intersection points for other point sequences, and detecting peaks from the group of these intersection points. .

本発明が従来のHough変換と異なる点は、Hough変換の高次元化・多変数化を行なうことである。これまで述べた通り、Hough変換の考え方は円や楕円などの解析的図形や距離画像、法線ベクトル画像からの3次元平面、曲面の検出にも容易に拡張できる。しかし、これらの形状を表す方程式には多くのパラメータが含まれ、単純な方法ではメモリ量、計算量が膨大となる。
従来の方法では変換された式の軌跡全てに投票を行なうため、パラメータ空間の配列は無限大となり、いくら大きな配列を用意しても十分とは言えず通常ρ−θ表現でパラメータ空間を有限とさせる方法を用いてきた。
The present invention is different from the conventional Hough transform in that the Hough transform is increased in dimension and multi-variable. As described above, the concept of the Hough transform can be easily extended to detection of analytical figures such as circles and ellipses, distance images, three-dimensional planes and curved surfaces from normal vector images. However, equations representing these shapes include many parameters, and a simple method requires a large amount of memory and calculation.
In the conventional method, since all the trajectories of the converted expression are voted, the array of the parameter space becomes infinite, and it cannot be said that a large array is prepared. Has been used.

本発明の構成を、図1に示す。
本発明の画像データ処理装置(7)は、n次元の画像データから複数のエッジ点を取得する抽出手段(1)と、取得されたエッジ点からm個を選び出す選定手段(2)と、特定形状を表す方程式にn個のパラメータを与えるとともにm個の方程式からなる連立方程式を作る作成手段(3)と、作成された連立方程式の解としてk個のパラメータからなる交点を得る演算手段(4)と、k個のパラメータからなる交点をk次元のパラメータ空間(投票空間)に投票し、少なくとも一部が異なる、さらなるm個のエッジ点についてもk個のパラメータからなる交点をパラメータ空間に投票する投票手段(5)と、複数の交点が蓄積された段階で、そのピークを求める選出手段(6)とからなる。10は画像データを取得するためのカメラ,MRIなどの撮像装置、11は処理結果を表示する表示装置である。
その動作は、概ね次のとおりである。
画像空間において、エッジ点の群から任意の2点(抽出対象の図形が直線の場合)をとる。この2点から求められる直線のパラメータをパラメータ空間へ交点として投票する。他の2点(1点は重複してもよい)をとり、同様に求めたパラメータをパラメータ空間へ投票する。ある程度のサンプル数が得られたら、パラメータ空間におけるピーク点を重心演算などの統計的手法により求める。これが画像空間においてエッジ点が属する図形のパラメータである。
The configuration of the present invention is shown in FIG.
The image data processing device (7) of the present invention includes an extraction means (1) for acquiring a plurality of edge points from n-dimensional image data, a selection means (2) for selecting m from the acquired edge points, and a specification A creation means (3) for giving n parameters to an equation representing a shape and creating a simultaneous equation consisting of m equations, and a computing means (4) for obtaining an intersection consisting of k parameters as a solution of the created simultaneous equations ) And the intersection of k parameters to a k-dimensional parameter space (voting space), and the intersection of k parameters for at least a part of m edge points, which are at least partially different, is voted in the parameter space. The voting means (5) for performing the determination and the selection means (6) for obtaining the peak at the stage where a plurality of intersections are accumulated. Reference numeral 10 denotes a camera for acquiring image data, an imaging device such as an MRI, and 11 denotes a display device for displaying a processing result.
The operation is generally as follows.
In the image space, two arbitrary points (when the figure to be extracted is a straight line) are taken from the group of edge points. The straight line parameters obtained from these two points are voted as intersections in the parameter space. The other two points (one point may be duplicated) are voted in the same way for the parameter obtained. When a certain number of samples are obtained, a peak point in the parameter space is obtained by a statistical method such as centroid calculation. This is a parameter of the graphic to which the edge point belongs in the image space.

2次元において、2次曲線の抽出を行う場合を例にして説明する。
まず、画像中のエッジ点をランダムに並べた配列{(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),……,(xi,yi)}を用意し、これを順に2次方程式
y=ax+bx+c …(b1)
に代入する。
3つのエッジ点(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)から
A case where a quadratic curve is extracted in two dimensions will be described as an example.
First, an array {(x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ), (x 3 , y 3 ),..., (X i , y i )} in which edge points in the image are arranged at random Prepared, and in turn, a quadratic equation y = ax 2 + bx + c (b1)
Assign to.
From three edge points (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ), (x 3 , y 3 )

1=a・x1 +b・x1+c …(b2),
2=a・x2 +b・x2+c …(b3),
3=a・x3 +b・x3+c …(b4)
の3つの方程式が得られる。
この3つの方程式から1つの交点(a1,b1,c1)が求まる。
ここで、この交点をパラメータ空間(この場合3次元a-b-c空間)に投票する(図2)。
次に、エッジ点(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)から同様に1つの交点(a2,b2,c2)を求め、パラメータ空間に投票する。すべてのエッジ点から求めた交点の投票が終わると、この例では(i−2)点の交点が投票されている。そこで、あるしきい値以上の投票があった空間のパラメータ(a-b-c)を最初の2次方程式y=ax+bx+cに代入すると、これが画像中に存在する2次曲線となる。
y 1 = a · x 1 2 + b · x 1 + c (b2),
y 2 = a · x 2 2 + b · x 2 + c (b3),
y 3 = a · x 3 2 + b · x 3 + c (b4)
The following three equations are obtained.
One intersection (a 1 , b 1 , c 1 ) is obtained from these three equations.
Here, this intersection is voted on the parameter space (in this case, the three-dimensional abc space) (FIG. 2).
Next, one intersection point (a 2 , b 2 , c 2 ) is similarly obtained from the edge points (x 2 , y 2 ), (x 3 , y 3 ), (x 4 , y 4 ), and is obtained in the parameter space. Vote. When the voting of the intersection obtained from all the edge points is completed, the intersection of the (i-2) point is voted in this example. Therefore, when a parameter (abc) of a space where a vote exceeds a certain threshold value is substituted into the first quadratic equation y = ax 2 + bx + c, this becomes a quadratic curve existing in the image.

すべてのエッジ点から求めた交点の投票が終わる前であっても、ある空間にあるしきい値以上の投票があった場合には、途中で打ち切ってもよい。このようにすれば、計算量が少なくて済む。しきい値を低く設定すると雑音の検出、高く設定すると短い線分が検出されないというケースが考えられるため、Hough変換においてこのしきい値設定は非常に重要な部分となる。しきい値は、まず画像中のエッジ点の数との関係(点の数の数%,√点の数など、種々考えられる)から仮のしきい値を設定し、その後、何度かのテストをくり返すことでしきい値を修正する。
あるしきい値以上の投票があった空間は1つとは限らず、複数存在することもある。これは元の画像中に複数の2次曲線が存在することを意味している。
Even before the voting of the intersections obtained from all the edge points is completed, if there is a voting exceeding a threshold value in a certain space, it may be terminated halfway. In this way, the calculation amount can be reduced. The threshold setting is a very important part in the Hough transform because it is possible to detect noise when the threshold is set low, and short lines are not detected when the threshold is set high. First, set a temporary threshold value based on the relationship with the number of edge points in the image (a few percent of the number of points, the number of √points, etc.), and then several times Correct the threshold by repeating the test.
There is not necessarily one space where there are votes above a certain threshold, and there may be multiple spaces. This means that there are a plurality of quadratic curves in the original image.

パラメータ空間(投票空間)はエッジ点の揺らぎを考慮し、範囲に幅を持たせて区切られている(例えばa=…,−Δa,0,+Δa,+2Δa,……の値で升目を区切る。または有効桁2桁として下位桁を無視する)。
また、ここでは3つのエッジ点を一部重複して選定したが、重複せずにエッジ点(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)の次にエッジ点(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6)とすること、あるいはすべての組み合わせとして選定することなど、種々の変形が考えられるが、本質的なことではないので適宜、最適な選定を採用すればよい。
The parameter space (voting space) is demarcated with a range having a width in consideration of fluctuations of edge points (for example, cells are delimited by values of a =..., −Δa, 0, + Δa, + 2Δa,...). Or ignore the lower digits as 2 significant digits).
In this example, the three edge points are partially overlapped and selected, but the edge points (x4, y4) are next to the edge points (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3) without overlapping. ), (X5, y5), (x6, y6), or various combinations such as selecting all combinations are conceivable, but this is not essential, so the optimum selection should be adopted as appropriate. That's fine.

検出された曲線の余計な線を取り除くためには、抽出された交点を求める際に使用されたエッジ点を順に並べたときの両端の座標を検出曲線の範囲とし、線分で表す。
また、誤った検出を防ぐために、検出された曲線が実際にエッジ点の上を通っているかを確認する。抽出された交点を求める際に使用されたエッジ点{(x,y),…}との距離(誤差)を算出する。計算方法は、エッジ点から検出曲線への垂線の長さを求めるものであるが、簡略化すれば
誤差=y−(a・x +b・x+c) …(b5)
となる。この誤差または誤差の自乗を抽出された交点を求める際に使用されたエッジ点すべてに対して求め、その平均値がしきい値を越える場合、誤った検出をしたと判断し、この曲線の検出は無効とする。
In order to remove unnecessary lines of the detected curve, the coordinates of both ends when the edge points used for obtaining the extracted intersection are arranged in order are set as the range of the detection curve, and are represented by line segments.
Further, in order to prevent erroneous detection, it is confirmed whether the detected curve actually passes over the edge point. The distance (error) from the edge points {(x i , y i ),...] Used when obtaining the extracted intersection points is calculated. The calculation method is to obtain the length of the perpendicular from the edge point to the detection curve, but if simplified, error = y i − (a 0 · x i 2 + b 0 · x i + c 0 ) (b5)
It becomes. This error or the square of the error is calculated for all the edge points used to determine the extracted intersection, and if the average value exceeds the threshold value, it is determined that a false detection has occurred, and this curve is detected. Is invalid.

また、交点の投票に関しても物体の形状を曲線で正確に表すことが難しいことや、画像取得の際の雑音の混入や正確なエッジ検出の難しさから全く同じ交点が複数存在することは難しい。そこで、たとえば交点の有効数字2桁部分まで一致すれば同じ交点と見なす判断手法を採用する。その場合、抽出された交点には多少のずれがある。そこで抽出された交点の値の平均値をとり、これを集積点としている。
以上が、2次曲線検出の原理である。図3にこの検出アルゴリズムを示す。
Also, regarding the voting of intersections, it is difficult to accurately represent the shape of an object with a curve, and it is difficult to have a plurality of exactly the same intersections due to the mixing of noise during image acquisition and the difficulty of accurate edge detection. Therefore, for example, a determination method is adopted in which if the two significant digits of the intersection coincide with each other, they are regarded as the same intersection. In that case, the extracted intersections are slightly shifted. Therefore, an average value of the extracted intersection points is taken and used as an accumulation point.
The above is the principle of quadratic curve detection. FIG. 3 shows this detection algorithm.

同様に3次曲線を検出するにはエッジ点4つの組合せ(x,y),(xi+1,yi+1),(xi+2,yi+2),(xi+3,yi+3)を3次方程式
y=a・x+b・x+c・x+d …(b5)
に代入し、4式から1つの交点(a,b,c,d)を求め、記憶・投票する。
このように、交点のみを記憶・投票することでメモリ量を緩和できる上、ρ−θ表現を用いるCHTに比べて集積点が抽出しやすい。そしてより多くの変数を必要とする高次曲線パターンは
y=A・x+A・xm−1+A・xm−2+……+A …(b6)
交点は(A,A,A……A)
で表され、交点の配列を増やすだけで容易に対応することができる。もちろん楕円や球面といった形状の検出も同じように考えられる。
これら連立方程式が解を持つためには、各パラメータの線形結合すなわち一次関数として特定形状の方程式を定義することが好ましい。
Similarly, in order to detect a cubic curve, a combination of four edge points (x i , y i ), (x i + 1 , y i + 1 ), (x i + 2 , y i + 2 ), (x i + 3 , y i + 3 ) is represented by a cubic equation. y = a · x 3 + b · x 2 + c · x + d (b5)
Substituting into (4), one intersection (a i , b i , c i , d i ) is obtained from equation 4, and stored and voted.
As described above, the memory amount can be reduced by storing and voting only the intersections, and the accumulation points can be easily extracted as compared with the CHT using the ρ-θ expression. A higher-order curve pattern that requires more variables is y = A 1 · x m + A 2 · x m−1 + A 3 · x m−2 + ... + A m (b6)
The intersection is (A 1 , A 2 , A 3 ...... A m )
It can be easily handled simply by increasing the array of intersections. Of course, detection of a shape such as an ellipse or a spherical surface can be considered in the same way.
In order for these simultaneous equations to have a solution, it is preferable to define an equation of a specific shape as a linear combination of parameters, that is, as a linear function.

次に、3次元において、球面の抽出を行う場合を例にして説明する。
まず、画像中のエッジ点をランダムに並べた配列{(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),……,(xi,yi,zi)}を用意し、これを順に球の方程式(x−a)+(y−b)+(z−c)=rに代入する。
4つのエッジ点(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),(x4,y4,z4)から
Next, a case where spherical extraction is performed in three dimensions will be described as an example.
First, an array {(x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3),..., (Xi, yi, zi)} in which edge points in the image are arranged at random. Prepare this and substitute it into the equation (xa) 2 + (y−b) 2 + (z−c) 2 = r 2 in order.
From four edge points (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3), (x4, y4, z4)

(x1−a)+(y1−b)+(z1−c)=r ……(c1),
(x2−a)+(y2−b)+(z2−c)=r ……(c2),
(x3−a)+(y3−b)+(z3−c)=r ……(c3),
(x4−a)+(y4−b)+(z4−c)=r ……(c4)の4つの方程式が得られる。
この4つの方程式から1つの交点(a1,b1,c1,r1)が求まる。
ここで、この交点をパラメータ空間(この場合4次元a-b-c-r空間)に投票する。
以下、これまでの例と同様に交点の数のピークが存在するパラメータ(この場合a-b-c-r)を求めて、このパラメータ(a-b-c-r)を最初の球の方程式(x−a)+(y−b)+(z−c)=rに代入すると、これが画像中に存在する球面となる。
この場合において、交点を求めるための球の方程式を(x−a)+(y−b)+(z−c)=rとして説明したが、パラメータの線形結合であるax+bx+cy+dy+ez+fz+g=0と定義することにより、解を求めることが容易になる。
(x1−a) 2 + (y1−b) 2 + (z1−c) 2 = r 2 (c1),
(x2−a) 2 + (y2−b) 2 + (z2−c) 2 = r 2 (c2),
(x3−a) 2 + (y3−b) 2 + (z3−c) 2 = r 2 (c3),
Four equations (x4−a) 2 + (y4−b) 2 + (z4−c) 2 = r 2 (c4) are obtained.
One intersection (a1, b1, c1, r1) is obtained from these four equations.
Here, this intersection is voted on the parameter space (in this case, the four-dimensional abcr space).
Hereinafter, as in the previous examples, a parameter (abbcr) in which the number of intersection points exists is obtained, and this parameter (abbcr) is calculated as the first sphere equation. If (x−a) 2 + (y−b) 2 + (z−c) 2 = r 2 is substituted, this becomes a spherical surface existing in the image.
In this case, the spherical equation for obtaining the intersection point is described as (x−a) 2 + (y−b) 2 + (z−c) 2 = r 2 , but ax 2 + bx + cy which is a linear combination of parameters. By defining 2 + dy + ez 2 + fz + g = 0, it is easy to obtain a solution.

以上、2次元及び3次元の例により説明したが、これがn次元においても適用できることは明らかである。
従来のハフ変換では、パラメータ空間においてハフ曲線を構成する点列のすべてを投票していたので、計算時間を多く必要とした。本発明においてはハフ曲線を描くのではなく、交点座標を直接求め、この座標をパラメータ空間において投票することにより計算量を減らすことができる。
As described above, the description has been given using the two-dimensional and three-dimensional examples, but it is obvious that this can be applied to the n-dimension.
In the conventional Hough transform, since all the point sequences constituting the Hough curve are voted in the parameter space, a lot of calculation time is required. In the present invention, instead of drawing a Hough curve, it is possible to reduce the amount of calculation by directly obtaining the intersection coordinates and voting these coordinates in the parameter space.

画像空間において、エッジ点の群から任意の2点(抽出対象の図形が直線の場合)をとる。この2点から求められる直線のパラメータをパラメータ空間へ投票する。他の2点(1点は重複してもよい)をとり、同様に求めたパラメータをパラメータ空間へ投票する。ある程度のサンプル数が得られたら、パラメータ空間においてこれら複数の点から最小自乗法により1点を算出する。この1点のパラメータから画像空間において図形を描画する。最小自乗法の適用にあたっては、予め点密度情報により他の図形に属する点を排除しておくことが望ましい。   In the image space, two arbitrary points (when the figure to be extracted is a straight line) are taken from the group of edge points. The parameters of the straight line obtained from these two points are voted to the parameter space. The other two points (one point may be duplicated) are voted in the same way for the parameter obtained. When a certain number of samples are obtained, one point is calculated from the plurality of points in the parameter space by the least square method. A figure is drawn in the image space from this one-point parameter. In applying the method of least squares, it is desirable to exclude points belonging to other figures in advance based on point density information.

n個のエッジ点から求まる直線はn(n−1)/2本あるため、すべてのエッジ点の対から求めた解をパラメータ空間へ投票することは、計算時間を多く必要とする。そこで、まず画像空間において、疎なる密度をもってエッジ点を抽出し、その対から直線を求め、パラメータ空間へ投票する。パラメータ空間において点の密集するところを仮の解として、画像空間へ投影(描画)する。画像空間へ投影された図形の近傍の点をエッジ点として、密なる密度をもって抽出し、これらの解をパラメータ空間へ投票する。パラメータ空間において、解の密集するところから最小自乗法、重心法や最大密度法などにより、真の解を求める。   Since there are n (n−1) / 2 straight lines obtained from n edge points, voting a solution obtained from all pairs of edge points to the parameter space requires much calculation time. Therefore, first, edge points are extracted with a sparse density in the image space, a straight line is obtained from the pair, and voted to the parameter space. Projecting (drawing) the image in the image space as a temporary solution where the points are dense in the parameter space. Points close to the figure projected onto the image space are extracted as dense points with high density, and these solutions are voted on to the parameter space. In the parameter space, the true solution is obtained by the least square method, the centroid method, the maximum density method, etc. from the densely packed solution.

求める図形が曲線である場合、上記の手法において、仮の解における曲線の曲率により、エッジ点抽出の密度を変化させる。すなわち、曲率半径の小さい箇所では高密度で、曲率半径の大きい箇所では低密度でエッジ点を抽出する。これにより、精度向上と計算時間短縮との調和を図る。   When the figure to be obtained is a curve, in the above method, the density of edge point extraction is changed according to the curvature of the curve in the temporary solution. That is, edge points are extracted at a high density at a portion with a small curvature radius and at a low density at a portion with a large curvature radius. As a result, harmony is achieved between accuracy improvement and calculation time reduction.

1.医学的3次元データ(CT,MRIなど)から、特定のパターンを抽出できる。
2.移動ロボットなどへ適用すれば、計測された3次元データに対して、外接するパターンや内接するパターンを作成可能である。これにより移動計画の設定あるいは対象物の認識が行える。
3.多次元データにおいて特定のパターンを抽出する、すなわち多変量のデータにおいて特定の変化を抽出することができる。
たとえば、移動する物体から撮影した3次元データ(実質的に4次元データとなる)から、円筒形を抽出して、ある物体の動きを抽出することができる。
1. A specific pattern can be extracted from medical three-dimensional data (CT, MRI, etc.).
2. When applied to a mobile robot or the like, a circumscribed pattern or an inscribed pattern can be created for the measured three-dimensional data. Thereby, a movement plan can be set or an object can be recognized.
3. A specific pattern can be extracted from multidimensional data, that is, a specific change can be extracted from multivariate data.
For example, it is possible to extract a cylindrical shape from three-dimensional data (substantially four-dimensional data) taken from a moving object and extract a motion of a certain object.

装置の構成を示す図Diagram showing the configuration of the device 2次曲線検出の投票(エッジ点3点から1つの交点を求めてa-b-c空間に投票)を示す図A diagram showing voting for quadratic curve detection (voting to abc space by finding one intersection from three edge points) 2次曲線検出のアルゴリズムを示す図Diagram showing quadratic curve detection algorithm ハフ(Hough)変換の原理を示す図Diagram showing the principle of the Hough transform

符号の説明Explanation of symbols

1 抽出手段
2 選定手段
3 作成手段
4 演算手段
5 投票手段
6 選出手段
7 画像データ処理装置
10 撮像装置
11 表示装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Extraction means 2 Selection means 3 Creation means 4 Calculation means 5 Voting means 6 Selection means 7 Image data processing apparatus 10 Imaging apparatus 11 Display apparatus

Claims (6)

n次元の画像データから複数のエッジ点を取得する抽出ステップと、取得されたエッジ点からm個を選び出す選定ステップと、特定形状を表す方程式にn個のパラメータを与えるとともにm個の方程式からなる連立方程式を作る作成ステップと、作成された連立方程式の解としてk個のパラメータからなる交点を得る演算ステップと、k個のパラメータからなる交点をk次元のパラメータ空間に投票し、少なくとも一部が異なる、さらなるm個のエッジ点についてもk個のパラメータからなる交点をパラメータ空間に投票する投票ステップと、複数の交点が蓄積された段階で、そのピークを求める選出ステップとからなるn次元のハフ変換による画像データ処理方法。   An extraction step for acquiring a plurality of edge points from n-dimensional image data, a selection step for selecting m from the acquired edge points, n parameters for an equation representing a specific shape, and m equations A creation step for creating simultaneous equations, an operation step for obtaining an intersection point of k parameters as a solution of the created simultaneous equations, and voting the intersection point of k parameters to a k-dimensional parameter space, at least a part of which is An n-dimensional Hough comprising a voting step for voting intersections composed of k parameters for different m edge points to a parameter space, and a selection step for obtaining a peak when a plurality of intersections are accumulated. Image data processing method by conversion. 前記作成ステップにおける特定形状を表す方程式は、形状を特徴づけるk個のパラメータの一次関数として表されることを特徴とする請求項1記載の画像データ処理方法。   2. The image data processing method according to claim 1, wherein the equation representing the specific shape in the creating step is expressed as a linear function of k parameters characterizing the shape. 前記選出ステップによりピークを求めた後、そのピークに属する交点群から最小自乗法により真の交点を求めるステップをさらに備えてなる請求項1記載の画像データ処理方法。   2. The image data processing method according to claim 1, further comprising a step of obtaining a true intersection by a least square method from a group of intersections belonging to the peak after obtaining the peak by the selecting step. 前記選出ステップにより求めたピークに基づき画像空間に図形を描画するステップをさらに備え、前記抽出ステップにおいて疎なる密度をもってエッジ点を抽出し、これらのエッジ点から求めたピークに基づき画像空間に図形を描画し、該図形近傍のエッジ点を密なる密度をもって抽出し、これらのエッジ点から再度ピークを求めることを特徴とする請求項1記載の画像データ処理方法。   The method further comprises the step of drawing a graphic in the image space based on the peak obtained in the selection step, extracting edge points with a sparse density in the extraction step, and drawing the graphic in the image space based on the peak obtained from these edge points. 2. The image data processing method according to claim 1, wherein drawing is performed, edge points in the vicinity of the figure are extracted with a dense density, and a peak is obtained again from these edge points. 前記選出ステップにより求めたピークに基づき画像空間に図形を描画するステップをさらに備え、前記抽出ステップにおいて第1の疎なる密度をもってエッジ点を抽出し、これらのエッジ点から求めたピークに基づき画像空間に図形を描画し、該図形の曲率半径の小さい箇所では図形近傍のエッジ点を密なる密度をもって抽出し、該図形の曲率半径の大きい箇所では図形近傍のエッジ点を第2の疎なる密度をもって抽出し、これらのエッジ点から再度ピークを求めることを特徴とする請求項1記載の画像データ処理方法。   The method further comprises a step of drawing a figure in an image space based on the peak obtained by the selection step, extracting edge points with a first sparse density in the extraction step, and based on the peaks obtained from these edge points. When the figure has a small radius of curvature, the edge points near the figure are extracted with a dense density, and when the figure has a large radius of curvature, the edge points near the figure have a second sparse density. 2. The image data processing method according to claim 1, wherein a peak is extracted again from these edge points. n次元の画像データから複数のエッジ点を取得する抽出手段と、取得されたエッジ点からm個を選び出す選定手段と、特定形状を表す方程式にn個のパラメータを与えるとともにm個の方程式からなる連立方程式を作る作成手段と、作成された連立方程式の解としてk個のパラメータからなる交点を得る演算手段と、k個のパラメータからなる交点をk次元のパラメータ空間に投票し、少なくとも一部が異なる、さらなるm個のエッジ点についてもk個のパラメータからなる交点をパラメータ空間に投票する投票手段と、複数の交点が蓄積された段階で、そのピークを求める選出手段とからなるn次元のハフ変換による画像データ処理装置。   An extraction unit that acquires a plurality of edge points from n-dimensional image data, a selection unit that selects m from the acquired edge points, n parameters are given to an equation representing a specific shape, and m equations are included. A creation means for creating simultaneous equations, an arithmetic means for obtaining an intersection point of k parameters as a solution of the created simultaneous equations, and voting the intersection point of k parameters to a k-dimensional parameter space, at least partly An n-dimensional Hough comprising voting means for voting intersections composed of k parameters for different m edge points to a parameter space, and selection means for obtaining a peak when a plurality of intersections are accumulated. Image data processing device by conversion.
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