KR20050063991A - 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 영상 피라미드를 사용하여 정합속도를 향상시키고 정합의 신뢰성을 향상시키기 위하여 양방향 정합과 정합의 과대오차를 제거하는 영상 정합 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명의 방법은 대상 영상의 공간해상도를 반복적으로 축소하여 영상 피라미드를 제작하는 제1 단계; 영상 피라미드의 최저해상도 영상에서 영상정합을 수행하여 대상 영상 사이의 기하학적 관계를 구하는 제2 단계; 및 영상 피라미드의 임의 해상도 영상에서 영상정합을 수행할 때, 영상 피라미드의 이전 해상도에서 정합된 공액점을 이용한 수학적 모델링을 통하여 탐색영역을 제한하여 영상정합을 수행하는 제3 단계를 포함한다. 따라서 본 발명은 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법에서 양방향 정합과 대상영상의 기하학적 위치관계를 이용하여 잘못 정합된 공액점을 제거하는 방법을 부가시킴으로써, 영상정합의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 영상 피라미드의 각 레벨마다 특징점을 추출하여 결과적으로 최고해상도 레벨에서도 많은 수의 공액점을 확보할 수 있으며, 영상 피라미드의 한 레벨에서 영상정합에 실패할 경우 하부 영상 피라미드로 이동하여 다시 정합을 수행하므로 영상정합의 신뢰성을 높일 수 있다.
Description
본 발명은 영상 정합방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영상 피라미드를 사용하여 정합속도를 향상시키고, 정합의 신뢰성을 향상시키기 위하여 양방향 정합과 정합의 과대오차를 제거하는 영상정합 방법, 장치 및 그 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
일반적으로, 영상정합이란 물리적으로 유사한 영상 내의 영역들을 기하학적으로 일치시키는 처리로서, 대상 영상의 회전, 수평과 수직 위치, 크기를 변환하면서 두 영상의 유사성이 최대가 되는 인자를 추출한다. 최근까지 다양한 영상정합 알고리즘이 개발되었는데, 정합방법은 크게 모델 대 영상정합과 영상 대 영상정합으로 분류할 수 있다. 또한 영상정합은 프레임 기반 정합, 표식기반 정합, 표면정보기반 정합, 영상정보기반 정합으로 구분할 수도 있다.
한편, 영상 피라미드(image pyramid)를 이용한 영상정합 처리방법은 사진측량, 원격탐사 분야, GIS, 컴퓨터 비젼 분야에서 디지털 모자이크 영상제작이나 자동 상호표정 등에 사용되는 영상정합 처리방법이며, 대용량의 영상을 처리하기 위해서 필수적인 처리방법이다.
그러나 상기한 종래기술은 영상 피라미드를 이용한 자세한 방법을 공개하고 있지 않아서, 대용량의 영상에 대하여 영상정합 처리를 수행하는데, 많은 전산자원과 시간을 소요된다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법에 양방향 정합과 대상 영상의 기하학적 위치관계를 이용하여 잘못 정합된 공액점(conjugate point)을 제거하여 영상정합의 신뢰성을 향상시킨 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 영상 피라미드의 각 레벨마다 특징점을 추출하여 결과적으로 최고해상도 레벨에서도 많은 수의 공액점을 확보할 수 있으며, 최소한의 특징점으로 영상정합을 수행하고 정합된 공액점의 수가 대상 영상의 기하학적 위치관계를 판단하기에 불충분할 경우 특징점을 추가하여 영상정합을 수행하므로 처리 시간의 개선할 수 있는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 영상 피라미드의 한 레벨에서 영상정합에 실패할 경우 하위 레벨의 영상 피라미드로 이동하여 다시 정합을 수행하므로 영상정합의 신뢰성을 높일 수 있는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 영상정합 처리에 필요한 전산자원과 처리시간을 단축하며, 정확한 영상정합을 수행할 수 있도록 하는 영상정합 처리방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 제 1원시영상으로부터 영상 피라미드를 생성하는 제 1영상 피라미드 생성부; 제 2원시영상으로부터 영상 피라미드를 생성하는 제 2영상 피라미드 생성부; 상기 제 1영상의 피라미드와 상기 제 2영상의 미라미드를 이용하여 영상 피라미드의 최상위 레벨에서 대상 영상의 기하학적 위치관계의 초기값을 계산하고, 하부 피라미드에서 상관계수 영상정합을 이용한 공액점을 추출하는 초기값 및 공액점 추출부; 및 영상 피라미드의 최고해상도 영상에서 최소제곱 영상정합을 수행하여 공액점을 추출하는 최소제곱 영상정합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 대상영상의 공간해상도를 반복적으로 축소하여 영상 피라미드를 제작하는 제 1단계; 영상 피라미드의 최저해상도 영상에서 영상정합을 수행하여 대상 영상 사이의 기하학적 관계를 구하는 제 2단계; 및 영상 피라미드의 임의 해상도 영상에서 영상정합을 수행할 때, 영상 피라미드의 이전 해상도에서 정합된 공액점을 이용한 수학적 모델링을 통하여 탐색영역을 제한하여 영상정합을 수행하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에 적용되는 영역 기준 정합(Area Based Matching)을 간단히 설명하면 다음과 같다. 영역 기준 정합(Area Based Matching)은 정합의 대상이 영상의 밝기값이고, 제 1영상의 일정한 영역을 기준영역으로 설정한 후 이에 해당하는 제 2영상의 영역을 일정한 범위 내에서 이동시키면서 밝기값이 유사한 영역을 찾아내는 원리를 이용하는 기법이다. 이러한 영역 기준 정합에는 상관계수 영상정합과, 최소제곱 영상정합이 있다.
상관계수 영상정합은 제 1영상에서 정의된 기준영역을 제 2영상의 탐색영역에서 한 점씩 이동하면서 상관계수를 계산하여 유사성을 판단하는 것이다. 상관계수 영상정합에서의 상관계수는 다음 수학식 1로 계산된다.
수학식1에서, ρ는 상관계수로서 -1≤ ρ ≥1의 값을 가진다. 그리고 σLR은 L과 R영상의 영역의 밝기값의 공분산이고, σL은 L영상의 영역의 밝기값의 표준편차이며, σR은 R영상의 영역의 밝기값의 표준편차이다.
그리고 상기 L영상의 표준편차(σL)와, R영상의 표준편차(σR), 및 공분산(σLR)은 다음 수학식 2와 같이 표현된다.
한편, 최소제곱 영상정합은 다음 수학식 3과 같이 대상 영상의 기하학적 왜곡과 방사 왜곡을 보정하여 영상의 정합점을 찾는 방법이며, 기준영역과 정합 대상 영역 사이의 밝기값의 차를 최소화하는 것을 기본개념으로 한다.
수학식3에서, (xt,yt)는 기준영역에서의 좌표이고, (xs,ys)는 찾고자 하는 탐색점의 좌표이며, n은 노이즈이다. 수학식3을 최소제곱법으로 계산하면 다음 수학식 4와 같이, 이동량(△x, △y)를 구할 수 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 영상 피라미드를 도시한 도면으로서, 최하위 레벨의 L0영상부터 최상위레벨의 LH까지의 영상 피라미드(102)가 도시되어 있다. 영상 피라미드(102)에서 해상도는 상위 레벨(정점)로 갈수록 낮아지고 하위 레벨(바닥)로 갈수록 높아진다.
영상 피라미드(102)는 이미지의 해상도를 개념적으로 보여주는 것으로서, 대개 원시 이미지에서 특징 벡터를 추출하려면 처리해야 하는 데이터량이 매우 방대하여 많은 처리시간이 필요한 문제점을 해결하기 위하여 이미지가 가지고 있는 특성을 유지하면서 처리 이미지의 크기를 축소하는 방법으로 널리 사용된다. 영상 피라미드(102)는 피라미드의 형태로 정렬된 감소하는 해상도 이미지의 집합으로, 모든 레벨의 반의 면적을 선형차원으로 쌓아 올린 것이다. 따라서 제일 밑바닥의 영상(L0)은 원시 이미지 혹은 최고해상도의 이미지를 나타내고, 정점의 영상(LH)은 최저해상도의 이미지를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 양방향 정합 및 공액점을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 동일한 대상을 중복 촬영하여 얻은 영상정합의 대상이 되는 제 1영상(110)과 제 2영상(120)이 있다. 이러한 두 영상(110,120)은 각 영상의 피라미드에 속한 영상이다.
먼저, 제 1영상(110)에서 특징점을 찾는다. 제 1영상의 특징점은 "×"로 표시되어 있다. 그리고 제 1영상의 특징점을 제 2영상(120)으로 정합(1방향 정합)시켜 제 1영상의 특징점에 대응하는 제 2영상의 정합점을 찾는다. 제 2영상의 정합점은 "○"으로 표시되어 있다.
이어, 제 2영상의 정합점으로부터 역방향(2방향)으로 제 1영상(110)에 대해 정합을 수행하여 정합점을 찾는다. 제 1영상의 정합점은 "○"으로 표시된다. 이때 제 1영상의 정합점과 특징점이 일치하는 경우에 이를 공액점이라 한다. 즉, 공액점은 양방향으로 정합을 수행하여 일치하는 특징점이고, 제1 영상(110)에서 "ⓧ"로 표시되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리 장치를 도시한 블럭구성도이다.
본 발명의 영상정합 처리장치는 제 1원시영상으로부터 영상 피라미드를 생성하는 제 1영상 피라미드 생성부(310-1)와, 제 2원시영상으로부터 영상 피라미드를 생성하는 제 2영상 피라미드 생성부(310-2), 제 1영상의 피라미드와 제 2영상의 미라미드를 이용하여 영상 피라미드의 최상위 레벨에서 대상 영상의 기하학적 위치관계의 초기값을 계산하고, 하부 피라미드에서 상관계수 영상정합을 이용한 공액점을 추출하는 초기값 및 공액점 추출부(320)와, 영상 피라미드의 최고해상도 영상에서 최소제곱 영상정합을 수행하여 공액점을 추출하는 최소제곱 영상정합부(330)로 이루어져 대상 영상의 공액점을 출력한다. 그리고 초기값 및 공액점 추출부(320)는 제 1영상의 특징점을 추출하는 특징점 추출부(322)와, 추출된 특징점을 이용하여 제 2영상과 상관계수 영상정합을 양방향으로 수행하여 공액점을 찾는 상관계수 영상정합부(324), 기하학적 위치관계를 모델링하여 오차가 소정 픽셀 이상인 공액점을 제거하는 모델링부(326)로 이루어진다. 여기서, 기하학적 위치관계란 대상 영상간의 회전, 수직 및 수평방향의 이동 등을 의미한다.
도 4는 본 발명의 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리를 수행하는 전체 절차를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에서 영상의 기하학적 위치관계의 초기값 계산과 하부 피라미드에서 상관계수 영상정합을 이용한 공액점 추출과정을 보다 구체적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명은 먼저 대상 영상에 대하여 영상 피라미드를 제작한다(401). 앞서 설명한 바와 같이, 영상 피라미드는 피라미드의 최상위 레벨(최저해상도 영상)에서 영상정합이 가능한 정보를 가질 때가지 축소 제작한다. 영상 피라미드의 최상위 레벨에서 대상 영상의 기하학적 위치관계의 초기값을 계산하고, 하부 피라미드에서 상관계수 영상정합을 이용한 공액점을 추출한다(402,403). 이러한 과정을 최고해상도 영상까지 반복한다(404).
대상 영상의 기하학적 위치관계의 초기값을 계산하는 과정 및 공액점을 구하는 세부적인 과정은 도 5에 도시된 바와 같다.
도 5를 참조하면, 제 1영상의 영상전체에서 M개의 특징점을 추출한다(501,502). 여기서, M은 현재 영상 피라미드 레벨에서 추출 가능한 의미있는 특징점의 수이다. 추출된 특징점들을 영상 전체에 골고루 분포가 되도록 순서를 정하고, P번째 특징점부터 Q번째 특징점까지 영상정합을 수행한다.
영상 피라미드의 최저해상도 레벨에서의 P는 0이고, Q는 대상 영상의 기하학적 위치관계를 모델링하는데 필요한 공액점의 수 N개를 추출하기 위해 필요한 특징점의 수이다(503~506). 제 1영상의 P번째 특징점부터 제 2영상 전체에 대하여 상관계수 영상정합을 수행하여 정합점을 찾는다(507,508).
다시 제 2영상의 정합점에서 제 1영상 전체에 대하여 상관계수 영상정합을 수행하여 제 1영상의 정합점을 찾는다(509,510). 그 결과 제 1영상의 정합점과 제1영상의 특징점의 좌표가 같으면, 공액점으로 판단한다(511,512). 이와 같은 과정을 Q번째 특징점까지 반복하여 수행한다(513). 추출된 공액점의 수가 대상 영상의 기하학적 위치관계를 모델링하는데 필요한 공액점의 수 N개보다 작으면, 공액점의 수가 N보다 크거나 같을 때까지 P번째 특징점부터 Q번째 특징점까지 영상정합 과정을 반복수행한다(514,515,519). 여기서, P는 이전 과정의 Q이고, Q는 Q+Q이다.
구해진 공액점의 수가 N보다 크거나 같으면, 추출된 전체 공액점으로 기하학적 위치관계를 수학적으로 모델링한다(516). 이때, 간단하게는 2차원 평면변환식을 이용할 수 있으며, 항공사진 측량의 상호 표정인 경우에는 상호 표정요소 계산을 통하여 모델공간을 모델링하여 이용할 수 있다. 모델링 결과와 공액점과의 오차가 허용할 수 있는 오차인 K픽셀 이상인 공액점을 제거한다(517). 다시 공액점의 수가 N보다 작으면, P번째 특징점부터 Q번째 특징점까지 영상정합 과정을 반복 수행한다(518,519). 여기서, M개의 특징점에 대하여 영상정합을 수행하였음에도 대상 영상의 기하학적 위치관계를 모델링할 수 없으면, 하부 영상 피라미드로 이동하여 전체 과정을 다시 수행한다(505,506).
만일, 최고해상도 단계에서도 대상 영상의 기하학적 위치관계를 모델링할 수 없으면 에러 메시지를 출력한다(521). 이와 같은 과정을 수행하여 대상 영상의 기하학적 위치관계의 초기값이 계산되면, 하부 피라미드로 이동하여 같은 과정을 반복하여 수행한다. 이 경우에는 영상정합 시에는 탐색공간을 제한할 수 있어서, 정합속도를 높일 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 영상 피라미드의 최고해상도 레벨까지 상기 과정을 반복하여 수행하고, 최고해상도 영상에서는 최소제곱 영상정합을 수행하여 부영상소(서브픽셀) 단위의 영상정합 정확도를 가지는 공액점을 획득한다(405).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 종래의 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법에 양방향 정합과 대상 영상의 기하학적 위치관계를 이용하여 잘못 정합된 공액점을 제거하는 방법을 부가시킴으로써, 영상정합의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 영상 피라미드의 각 레벨마다 특징점을 추출하여 결과적으로 최고해상도 레벨에서도 많은 수의 공액점을 확보할 수 있으며, 최소한의 특징점으로 영상정합을 수행하고 정합된 공액점의 수가 대상영상의 기하학적 위치관계를 판단하기에 불충분할 경우, 특징점을 추가하여 영상정합을 수행하므로 처리 시간을 개선할 수 있다. 그리고 영상 피라미드의 한 레벨에서 영상정합에 실패할 경우, 하부 영상 피라미드로 이동하여 다시 정합을 수행하므로 영상정합의 신뢰성을 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 적용되는 영상 피라미드를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 양방향 정합 및 공액점을 설명하기 위한 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리 장치를 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리 방법을 도시한 전체 순서도,
도 5는 도 4의 기하학적 위치관계의 초기값 및 공액점을 산출하는 과정을 보다 상세하게 도시한 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
310-1,310-2: 피라미드 생성부 320: 초기값 및 공액점 추출부
322: 특징점 추출부 324: 상관계수 영상정합부
326: 모델링부 330: 최소제곱 영상정합부
L0~LH: 영상 피라미드의 계층
Claims (10)
- 제 1원시영상으로부터 영상 피라미드를 생성하는 제 1영상 피라미드 생성부;제 2원시영상으로부터 영상 피라미드를 생성하는 제 2영상 피라미드 생성부;상기 제 1영상의 피라미드와 상기 제 2영상의 미라미드를 이용하여 영상 피라미드의 최상위 레벨에서 대상 영상의 기하학적 위치관계의 초기값을 계산하고, 하부 피라미드에서 상관계수 영상정합을 이용한 공액점을 추출하는 초기값 및 공액점 추출부; 및영상 피라미드의 최고해상도 영상에서 최소제곱 영상정합을 수행하여 공액점을 추출하는 최소제곱 영상정합부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 초기값 및 공액점 추출부는,제 1영상의 특징점을 추출하는 특징점 추출부와, 추출된 특징점을 이용하여 제 2영상과 상관계수 영상정합을 양방향으로 수행하여 공액점을 찾는 상관계수 영상정합부와, 기하학적 위치관계를 모델링하여 오차가 소정 픽셀 이상인 공액점을 제거하는 모델링부로 구성된 것을 특징으로 하는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리장치.
- 대상영상의 공간해상도를 반복적으로 축소하여 영상 피라미드를 제작하는 제1단계;영상 피라미드의 최저해상도 영상에서 영상정합을 수행하여 대상 영상 사이의 기하학적 관계를 구하는 제 2단계; 및영상 피라미드의 임의 해상도 영상에서 영상정합을 수행할 때, 영상 피라미드의 이전 해상도에서 정합된 공액점을 이용한 수학적 모델링을 통하여 탐색영역을 제한하여 영상정합을 수행하는 제 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 제 3단계는제 1영상의 임의의 제 1점에서 영상정합한 제 2영상의 제 2정합점을 다시 역으로 영상정합을 수행하여 제 1영상에서 제 3정합점을 구하여 제 1점과 제 3점이 같은 점일 경우에만 두 점을 공액점으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 제 3단계는중복영역 전체에 골고루 분포된, 대상영상의 기하학적 위치관계를 판단할 수 있는 최소한의 공액점을 획득할 수 있는 일정 수의 특징점만으로 영상정합을 수행하는 단계와,영상정합 처리결과의 공액점의 수가 대상영상의 기하학적 위치관계를 판단하기에 불충분할 경우, 필요한 수의 공액점이 획득될 때까지 일정 수의 특징점을 추가하여 영상정합을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 제 3단계는영상 피라미드의 한 레벨에서 대상영상의 기하학적 위치관계를 판단하기에 필요한 수의 공액점의 획득에 실패한 경우, 하부 영상 피라미드의 고해상도 영상으로 이동하여 처리를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 제 3단계는영상정합 처리결과 획득된 공액점들을 이용하여 대상영상의 기하학적 관계를 모델링하여 허용오차 이상인 공액점들을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 제 3단계는영상 피라미드의 각 레벨마다 중복영역에서 영상정합에 사용될 특징점을 다시 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 영상정합 처리방법은,영상 피라미드의 최고해상도 영상에서 최소제곱 영상정합을 실행하여 공액점을 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법.
- 제 3항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 기재된 영상 피라미드를 이용한 영상정합 처리방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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