(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キーフレームのデータを入力する画像入力部と、
ふたつのキーフレームがシーンチェンジを挟むときこれを検出するシーンチェンジ検出部と、
シーンチェンジを挟まないふたつのキーフレーム間について対応情報データを生成する対応情報生成部と、
シーンチェンジを挟まないふたつのキーフレーム間については前記対応情報データを組み込み、シーンチェンジを挟むふたつのキーフレームについては対応禁止を示すデータを組み込むことによりデータストリームを形成するストリーム生成部と、
を含み、
前記対応禁止を示すデータは、シーンチェンジを挟むふたつのキーフレームとそのシーンチェンジの時間的な位置関係を示す比率データをさらに含むことを特徴とする画像符号化装置。
【請求項２】
前記対応情報データと前記対応禁止を示すデータの一部のデータ値を異ならせて両者の識別を可能に前記データストリームが形成される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記対応情報生成部は、それぞれのキーフレームにおいて特異点を抽出し、それらの特異点どうしの対応関係をもとに画素ベースでマッチング計算を行う請求項１、２のいずれかに記載の装置。
【請求項４】
前記対応情報生成部は、それぞれのキーフレームを、特異点を抽出することによって多重解像度し、解像度の荒いレベルから順に特異点どうしの対応関係を特定する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記対応情報生成部は、多重解像度特異点フィルタを作用させることによりキーフレーム間のマッチングを計算する請求項１、２のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
ふたつのキーフレームがシーンチェンジを挟むときこれを検出する工程と、
シーンチェンジを挟まないふたつのキーフレーム間について対応情報データを生成する工程と、
シーンチェンジを挟むふたつのキーフレーム間について対応禁止を示すデータを生成する工程と、
を含み、
前記対応禁止を示すデータは、シーンチェンジを挟むふたつのキーフレームとそのシーンチェンジの位置関係を示す比率データを含むよう生成されることを特徴とする画像符号化方法。
【請求項７】
前記対応情報データおよび前記対応禁止を示すデータを組み込んでデータストリームを形成する工程をさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記対応情報データおよび前記対応禁止を示すデータが識別可能に生成される請求項６、７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
少なくともキーフレーム間の対応情報データを含むデータストリームを入力するストリーム入力部と、
入力されたデータストリームに含まれる対応情報データとキーフレームのデータをもとに中間フレームを生成する中間画像生成部と、
画像符号化装置において、キーフレーム間にシーンチェンジが検出されたとき前記入力されたデータストリームに挿入されるべき対応禁止データを検出するシーンチェンジ検出部とを含み、
前記中間画像生成部は、前記対応禁止データが検出された場合には中間フレームの生成を停止し、
前記シーンチェンジ検出部は、前記対応禁止データに含まれる、シーンチェンジを挟むふたつのキーフレームに対する当該シーンチェンジの時間的な位置を示す比率データを検出することを特徴とする画像復号装置。
【請求項１０】
前記シーンチェンジ検出部は、前記対応情報データと前記対応禁止データを、それらのデータ構造の違いをもとに識別する請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記中間画像生成部は、前記シーンチェンジを挟むふたつのキーフレームが前記比率データに基づくタイミングで切り替えられて表示されるよう制御する請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
データストリームに含まれる対応情報データとキーフレームのデータをもとに中間フレームを生成する工程と、
画像符号化装置において、キーフレーム間にシーンチェンジが検出されたとき前記データストリームに挿入されるべき対応禁止データを検出する工程とを含み、
前記対応禁止データが検出された場合には中間フレームの生成が停止され、
前記対応禁止データに含まれる、シーンチェンジを挟むふたつのキーフレームに対する当該シーンチェンジの時間的な位置を示す比率データを検出する工程をさらに含むことを特徴とする画像復号方法。
【請求項１３】
前記対応情報データと前記対応禁止データは、それらのデータ構造の違いをもとに識別される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記シーンチェンジを挟むふたつのキーフレームを前記比率データに基づくタイミングで切り替えて表示する工程をさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
ふたつのキーフレームがシーンチェンジを挟むときこれを検出する工程と、
シーンチェンジを挟まないふたつのキーフレーム間について対応情報データを生成する工程と、
シーンチェンジを挟むふたつのキーフレーム間について対応禁止を示すデータを、シーンチェンジを挟むふたつのキーフレームとそのシーンチェンジの位置関係を示す比率データを含むよう生成する工程と、
をコンピュータに実行せしめることを特徴とするプログラム。
【請求項１６】
前記対応情報データおよび前記対応禁止を示すデータを組み込んでデータストリームを形成する工程をさらにコンピュータに実行せしめる請求項１５に記載のプログラム。
【請求項１７】
データストリームに含まれる対応情報データとキーフレームのデータをもとに中間フレームを生成する工程と、
画像符号化装置において、キーフレーム間にシーンチェンジが検出されたとき前記データストリームに挿入されるべき対応禁止データを検出する工程と、
前記対応禁止データが検出された場合には中間フレームの生成を停止する工程と、
前記対応禁止データに含まれる、シーンチェンジを挟むふたつのキーフレームに対する当該シーンチェンジの時間的な位置を示す比率データを検出する工程と、
をコンピュータに実行せしめることを特徴とするプログラム。
【請求項１８】
前記対応情報生成部は、キーフレームを再生すべきタイミングを示す時刻データを含める形で対応情報データを生成する請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
対応情報データは、キーフレームを再生すべきタイミングを示す時刻データを含むよう生成される請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像処理技術に関し、とくに動画の圧縮を中心とする画像の符号化および復号方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
動画圧縮の事実上の世界標準であるＭＰＥＧ（Motion Picture Expert Group）は、ＣＤなどストレージメディアからネットワークや放送などの伝送メディアへとそのターゲットエリアが広がった。放送のデジタル化はＭＰＥＧを中心とする圧縮符号化技術なしに考えることはできない。放送と通信の垣根が崩れ、サービス事業者の多様化は必須になり、ブロードバンド時代にデジタル文化がいかなる進展を遂げるか、予測がつきにくい状況にある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そうした混沌の中でも、動画の圧縮技術に関する方向性について確かなことがある。すなわち、より高い圧縮率と画質の両立である。ＭＰＥＧは周知のごとく高圧縮化をブロック歪みが阻むことがある。
【０００４】
この発明はそうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、良好な動画の圧縮技術を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明の画像復号技術および画像符号化技術は、主に動画について説明するが、モーフィング、ウォークスルーなどの映像効果など、用途は動画に限られない。
【０００６】
本発明のある態様は画像符号化装置に関する。この装置は、キーフレームのデータを入力する画像入力部と、ふたつのキーフレームがシーンチェンジを挟むときこれを検出するシーンチェンジ検出部と、シーンチェンジを挟まないふたつのキーフレーム（以下これらを「通常キーフレーム対」ともいう）間について対応情報データを生成する対応情報生成部と、シーンチェンジを挟まないふたつのキーフレーム間については前記対応情報データを組み込み、シーンチェンジを挟むふたつのキーフレーム（以下これらを「特殊キーフレーム対」ともいう）については対応禁止を示すデータ（以下「対応禁止データ」ともいう）を組み込むことによりデータストリームを形成するストリーム生成部とを含む。
【０００７】
「フレーム」は画像の単位ではあるが、以下特に必要がない限り、これと「画像」を区別しない。「シーンチェンジ」は必ずしも客観的に決まるものではなく、ある程度画像に差がある場合にシーンチェンジがあったと考えてよい。別の観点では、対応情報をもとにキーフレーム間を補間等して中間フレームを生成しないほうが再生画像が良好と考えられるとき、シーンチェンジがあったといういいかたをしてもよい。この態様によれば、符号化側の判断で対応情報の利用による中間フレームの生成を禁止し、または少なくとも推奨しない旨を表示できる。
【０００８】
対応情報データと対応禁止データの一部、例えばヘッダのデータ値を異ならせて両者の識別を可能にデータストリームが形成されてもよい。たとえば、所定位置のビット値によって両者を区別することができる。
【０００９】
対応情報生成部は、それぞれのキーフレームにおいて特異点を抽出し、それらの特異点どうしの対応関係をもとに画素ベースでマッチング計算を行ってもよい。その際、対応情報生成部は、それぞれのキーフレームを、特異点を抽出することによって多重解像度し、解像度の荒いレベルから順に特異点どうしの対応関係を特定してもよい。
【００１０】
本発明の別の態様は画像符号化方法に関する。この方法は、ふたつのキーフレームがシーンチェンジを挟むときこれを検出する工程と、シーンチェンジを挟まないふたつのキーフレーム間について対応情報データを生成する工程と、シーンチェンジを挟むふたつのキーフレーム間について対応禁止データを生成する工程とを含む。
【００１１】
本発明のさらに別の態様は、画像復号装置に関する。この装置は、少なくともキーフレーム間の対応情報データを含むデータストリームを入力するストリーム入力部と、入力されたデータストリームに含まれる対応情報データとキーフレームのデータをもとに中間フレームを生成する中間画像生成部と、画像符号化装置において、キーフレーム間にシーンチェンジが検出されたとき前記入力されたデータストリームに挿入されるべき対応禁止データを検出するシーンチェンジ検出部とを含む。この構成にて、中間画像生成部は、対応禁止データが検出された場合には中間フレームの生成を停止する。
【００１２】
シーンチェンジ検出部は、対応情報データと対応禁止データをそれらのデータ構造の違いをもとに識別してもよい。また、対応禁止データに含まれる前述の比率データを検出してもよい。
【００１３】
中間画像生成部は、特殊キーフレーム対が比率データに基づくタイミングで切り替えられて表示されるよう制御してもよい。このため、例えば表示制御部が存在すればそれに対して比率データをそのまま通知してもよいし、前記のタイミングまで特殊キーフレーム対の一枚目のキーフレームを繰り返し出力し、そのタイミング以降は二枚目のキーフレームを繰り返し出力してもよい。
【００１４】
本発明のさらに別の態様は、画像復号方法に関する。この方法は、データストリームに含まれる対応情報データとキーフレームのデータをもとに中間フレームを生成する工程と、画像符号化装置において、キーフレーム間にシーンチェンジが検出されたとき前記データストリームに挿入されるべき対応禁止データを検出する工程とを含む。この構成にて、対応禁止データが検出された場合には中間フレームの生成が停止される。
【００１５】
本発明のさらに別の態様は、画像符号化装置に関する。この装置は、キーフレームのデータを入力する画像入力部と、シーンチェンジをそれぞれ前後から挟む第１のキーフレームと第２のキーフレームを検出するシーンチェンジ検出部と、任意のふたつのキーフレーム間について対応情報データを生成する対応情報生成部とを含む。この構成にて、第１のキーフレームと第２のキーフレームが検出されたとき、それぞれがそのシーンチェンジの前後にあり、かつそれらの間隔が第１のキーフレームと第２のキーフレームの間隔より狭い関係にある第３のキーフレームと第４のキーフレームが対応情報生成部へ投入され、第１のキーフレームと第３のキーフレームの間、および第２のキーフレームと第４のキーフレームの間で対応情報データが生成される。
【００１６】
この態様によれば、シーンチェンジの前後では、より間隔を詰めて対応情報データが生成される。したがって、対応情報データがシーンチェンジを跨ぐとき無効と扱われる場合でも、それぞれシーンチェンジの前後でより詳細な対応情報データが得られているので、後に復号側にて、シーンチェンジ間際まで良好な再生画像を得やすくなる。
【００１７】
シーンチェンジ検出部は第３のキーフレームと第４のキーフレームを当該画像符号化装置内の任意の個所、例えば記憶装置から取得するための要求を発してもよいし、当該画像符号化装置外部から取得するための要求を発してもよい。第１のキーフレームと第２のキーフレームの間隔が所定値を超えたときに限り、第３のキーフレームと第４のキーフレームが投入されてもよい。
【００１８】
本発明のさらに別の態様は、画像符号化方法に関する。この方法は、動画データにおいてシーンチェンジを検出する工程と、シーンチェンジ以外の部分において設定されたキーフレームとは別に、シーンチェンジの前後にふたつのキーフレームを設定する工程と、前記設定する工程の後、隣接するキーフレーム間において対応情報データを生成する工程とを含む。
【００１９】
以上の各態様において、対応情報を導く技術は、本出願人が先に特許第２９２７３５０号にて提案した特異点を用いるマッチング技術（以下「前提技術」という）の応用でもよい。
【００２０】
以上の各構成、工程を任意に入れ替えたり、方法と装置の間で表現を一部または全部入れ替え、または追加したり、表現をコンピュータプログラム、記録媒体等に変更したものもまた、本発明として有効である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
はじめに、実施の形態で利用する多重解像度特異点フィルタ技術とそれを用いた画像マッチング処理を「前提技術」として詳述する。これらの技術は本出願人がすでに特許第２９２７３５０号を得ている技術であり、本発明との組合せに最適である。ただし、実施の形態で採用可能な画像マッチング技術はこれに限られない。図１８以降、前提技術を利用した画像データ符号化および復号技術を具体的に説明する。
[前提技術の背景]
最初に［１］で前提技術の要素技術の詳述し、［２］で処理手順を具体的に説明する。さらに［３］で実験の結果を報告する。
［１］要素技術の詳細
［１．１］イントロダクション
特異点フィルタと呼ばれる新たな多重解像度フィルタを導入し、画像間のマッチングを正確に計算する。オブジェクトに関する予備知識は一切不要である。画像間のマッチングの計算は、解像度の階層を進む間、各解像度において計算される。その際、粗いレベルから精細なレベルへと順に解像度の階層を辿っていく。計算に必要なパラメータは、人間の視覚システムに似た動的計算によって完全に自動設定される。画像間の対応点を人手で特定する必要はない。
【００２２】
本前提技術は、例えば完全に自動的なモーフィング、物体認識、立体写真測量、ボリュームレンダリング、少ないフレームからの滑らかな動画像の生成などに応用できる。モーフィングに用いる場合、与えられた画像を自動的に変形することができる。ボリュームレンダリングに用いる場合、断面間の中間的な画像を正確に再構築することができる。断面間の距離が遠く、断面の形状が大きく変化する場合でも同様である。
【００２３】
［１．２］特異点フィルタの階層
前提技術に係る多重解像度特異点フィルタは、画像の解像度を落としながら、しかも画像に含まれる各特異点の輝度及び位置を保存することができる。ここで画像の幅をＮ、高さをＭとする。以下簡単のため、Ｎ＝Ｍ＝２ｎ（ｎは自然数）と仮定する。また、区間［０，Ｎ］⊂ＲをＩと記述する。（ｉ，ｊ）における画像の画素をｐ（ｉ，ｊ）と記述する（ｉ，ｊ∈Ｉ）。
【００２４】
ここで多重解像度の階層を導入する。階層化された画像群は多重解像度フィルタで生成される。多重解像度フィルタは、もとの画像に対して二次元的な探索を行って特異点を検出し、検出された特異点を抽出してもとの画像よりも解像度の低い別の画像を生成する。ここで第ｍレベルにおける各画像のサイズは２ｍ×２ｍ（０≦ｍ≦ｎ）とする。特異点フィルタは次の４種類の新たな階層画像をｎから下がる方向で再帰的に構築する。
【数１】
0003889233.tif 000002
ただしここで、
【数２】
0003889233.tif 000003
とする。以降これら４つの画像を副画像（サブイメージ）と呼ぶ。ｍｉｎｘ≦ｔ≦ｘ＋１、ｍａｘｘ≦ｔ≦ｘ＋１をそれぞれα及びβと記述すると、副画像はそれぞれ以下のように記述できる。
【００２５】
Ｐ（ｍ，０）＝α（ｘ）α（ｙ）ｐ（ｍ＋１，０）
Ｐ（ｍ，１）＝α（ｘ）β（ｙ）ｐ（ｍ＋１，１）
Ｐ（ｍ，２）＝β（ｘ）α（ｙ）ｐ（ｍ＋１，２）
Ｐ（ｍ，３）＝β（ｘ）β（ｙ）ｐ（ｍ＋１，３）
すなわち、これらはαとβのテンソル積のようなものと考えられる。副画像はそれぞれ特異点に対応している。これらの式から明らかなように、特異点フィルタはもとの画像について２×２画素で構成されるブロックごとに特異点を検出する。その際、各ブロックのふたつの方向、つまり縦と横について、最大画素値または最小画素値をもつ点を探索する。画素値として、前提技術では輝度を採用するが、画像に関するいろいろな数値を採用することができる。ふたつの方向の両方について最大画素値となる画素は極大点、ふたつの方向の両方について最小画素値となる画素は極小点、ふたつの方向の一方について最大画素値となるとともに、他方について最小画素値となる画素は鞍点として検出される。
【００２６】
特異点フィルタは、各ブロックの内部で検出された特異点の画像（ここでは１画素）でそのブロックの画像（ここでは４画素）を代表させることにより、画像の解像度を落とす。特異点の理論的な観点からすれば、α（ｘ）α（ｙ）は極小点を保存し、β（ｘ）β（ｙ）は極大点を保存し、α（ｘ）β（ｙ）及びβ（ｘ）α（ｙ）は鞍点を保存する。
【００２７】
はじめに、マッチングをとるべき始点（ソース）画像と終点（デスティネーション）画像に対して別々に特異点フィルタ処理を施し、それぞれ一連の画像群、すなわち始点階層画像と終点階層画像を生成しておく。始点階層画像と終点階層画像は、特異点の種類に対応してそれぞれ４種類ずつ生成される。
【００２８】
この後、一連の解像度レベルの中で始点階層画像と終点階層画像のマッチングがとれらていく。まずｐ（ｍ，０）を用いて極小点のマッチングがとられる。次に、その結果に基づき、ｐ（ｍ，１）を用いて鞍点のマッチングがとられ、ｐ（ｍ，２）を用いて他の鞍点のマッチングがとられる。そして最後にｐ（ｍ，３）を用いて極大点のマッチングがとられる。
【００２９】
図１（ｃ）と図１（ｄ）はそれぞれ図１（ａ）と図１（ｂ）の副画像ｐ（５，０）を示している。同様に、図１（ｅ）と図１（ｆ）はｐ（５，１）、図１（ｇ）と図１（ｈ）はｐ（５，２）、図１（ｉ）と図１（ｊ）はｐ（５，３）をそれぞれ示している。これらの図からわかるとおり、副画像によれば画像の特徴部分のマッチングが容易になる。まずｐ（５，０）によって目が明確になる。目は顔の中で輝度の極小点だからである。ｐ（５，１）によれば口が明確になる。口は横方向で輝度が低いためである。ｐ（５，２）によれば首の両側の縦線が明確になる。最後に、ｐ（５，３）によって耳や頬の最も明るい点が明確になる。これらは輝度の極大点だからである。
【００３０】
特異点フィルタによれば画像の特徴が抽出できるため、例えばカメラで撮影された画像の特徴と、予め記録しておいたいくつかのオブジェクトの特徴を比較することにより、カメラに映った被写体を識別することができる。
【００３１】
［１．３］画像間の写像の計算
始点画像の位置（ｉ，ｊ）の画素をｐ（ｎ）（ｉ，ｊ）と書き、同じく終点画像の位置（ｋ，ｌ）の画素をｑ（ｎ）（ｋ，ｌ）で記述する。ｉ，ｊ，ｋ，ｌ∈Ｉとする。画像間の写像のエネルギー（後述）を定義する。このエネルギーは、始点画像の画素の輝度と終点画像の対応する画素の輝度の差、及び写像の滑らかさによって決まる。最初に最小のエネルギーを持つｐ（ｍ，０）とｑ（ｍ，０）間の写像ｆ（ｍ，０）：ｐ（ｍ，０）→ｑ（ｍ，０）が計算される。ｆ（ｍ，０）に基づき、最小エネルギーを持つｐ（ｍ，１）、ｑ（ｍ，１）間の写像ｆ（ｍ，１）が計算される。この手続は、ｐ（ｍ，３）とｑ（ｍ，３）の間の写像ｆ（ｍ，３）の計算が終了するまで続く。各写像ｆ（ｍ，ｉ）（ｉ＝０，１，２，…）を副写像と呼ぶことにする。ｆ（ｍ，ｉ）の計算の都合のために、ｉの順序は次式のように並べ替えることができる。並べ替えが必要な理由は後述する。
【００３２】
【数３】
0003889233.tif 000004
ここでσ（ｉ）∈｛０，１，２，３｝である。
【００３３】
［１．３．１］全単射
始点画像と終点画像の間のマッチングを写像で表現する場合、その写像は両画像間で全単射条件を満たすべきである。両画像に概念上の優劣はなく、互いの画素が全射かつ単射で接続されるべきだからである。しかしながら通常の場合とは異なり、ここで構築すべき写像は全単射のディジタル版である。前提技術では、画素は格子点によって特定される。
【００３４】
始点副画像（始点画像について設けられた副画像）から終点副画像（終点画像について設けられた副画像）への写像は、ｆ（ｍ，ｓ）：Ｉ／２ｎ−ｍ×Ｉ／２ｎ−ｍ→Ｉ／２ｎ−ｍ×Ｉ／２ｎ−ｍ（ｓ＝０，１，…）によって表される。ここで、ｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）＝（ｋ，ｌ）は、始点画像のｐ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）が終点画像のｑ（ｍ，ｓ）（ｋ，ｌ）に写像されることを意味する。簡単のために、ｆ（ｉ，ｊ）＝（ｋ，ｌ）が成り立つとき画素ｑ（ｋ，ｌ）をｑｆ（ｉ，ｊ）と記述する。
【００３５】
前提技術で扱う画素（格子点）のようにデータが離散的な場合、全単射の定義は重要である。ここでは以下のように定義する（ｉ，ｉ’，ｊ，ｊ’，ｋ，ｌは全て整数とする）。まず始めに、始点画像の平面においてＲによって表記される各正方形領域、
【数４】
0003889233.tif 000005
を考える（ｉ＝０，…，２ｍ−１、ｊ＝０，…，２ｍ−１）。ここでＲの各辺（エッジ）の方向を以下のように定める。
【数５】
0003889233.tif 000006
この正方形は写像ｆによって終点画像平面における四辺形に写像されなければならない。ｆ（ｍ，ｓ）（Ｒ）によって示される四辺形、
【数６】
0003889233.tif 000007
は、以下の全単射条件を満たす必要がある。
【００３６】
１．四辺形ｆ（ｍ，ｓ）（Ｒ）のエッジは互いに交差しない。
２．ｆ（ｍ，ｓ）（Ｒ）のエッジの方向はＲのそれらに等しい（図２の場合、時計回り）。
３．緩和条件として収縮写像（リトラクション：retractions）を許す。
【００３７】
何らかの緩和条件を設けないかぎり、全単射条件を完全に満たす写像は単位写像しかないためである。ここではｆ（ｍ，ｓ）（Ｒ）のひとつのエッジの長さが０、すなわちｆ（ｍ，ｓ）（Ｒ）は三角形になってもよい。しかし、面積が０となるような図形、すなわち１点または１本の線分になってはならない。図２（Ｒ）がもとの四辺形の場合、図２（Ａ）と図２（Ｄ）は全単射条件を満たすが、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｅ）は満たさない。
【００３８】
実際のインプリメンテーションでは、写像が全射であることを容易に保証すべく、さらに以下の条件を課してもよい。つまり始点画像の境界上の各画素は、終点画像において同じ位置を占める画素に写影されるというものである。すなわち、ｆ（ｉ，ｊ）＝（ｉ，ｊ）（ただしｉ＝０，ｉ＝２ｍ−１，ｊ＝０，ｊ＝２ｍ−１の４本の線上）である。この条件を以下「付加条件」とも呼ぶ。
【００３９】
［１．３．２］写像のエネルギー
［１．３．２．１］画素の輝度に関するコスト
写像ｆのエネルギーを定義する。エネルギーが最小になる写像を探すことが目的である。エネルギーは主に、始点画像の画素の輝度とそれに対応する終点画像の画素の輝度の差で決まる。すなわち、写像ｆ（ｍ，ｓ）の点（ｉ，ｊ）におけるエネルギーＣ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）は次式によって定まる。
【数７】
0003889233.tif 000008
ここで、Ｖ（ｐ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ））及びＶ（ｑ（ｍ，ｓ）ｆ（ｉ，ｊ））はそれぞれ画素ｐ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）及びｑ（ｍ，ｓ）ｆ（ｉ，ｊ）の輝度である。ｆのトータルのエネルギーＣ（ｍ，ｓ）は、マッチングを評価するひとつの評価式であり、つぎに示すＣ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）の合計で定義できる。
【数８】
0003889233.tif 000009
［１．３．２．２］滑らかな写像のための画素の位置に関するコスト
滑らかな写像を得るために、写像に関する別のエネルギーＤｆを導入する。このエネルギーは画素の輝度とは関係なく、ｐ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）およびｑ（ｍ，ｓ）ｆ（ｉ，ｊ）の位置によって決まる（ｉ＝０，…，２ｍ−１，ｊ＝０，…，２ｍ−１）。点（ｉ，ｊ）における写像ｆ（ｍ，ｓ）のエネルギーＤ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）は次式で定義される。
【数９】
0003889233.tif 000010
ただし、係数パラメータηは０以上の実数であり、また、
【数１０】
0003889233.tif 000011
【数１１】
0003889233.tif 000012
とする。ここで、
【数１２】
0003889233.tif 000013
であり、ｉ’＜０およびｊ’＜０に対してｆ（ｉ’，ｊ’）は０と決める。Ｅ０は（ｉ，ｊ）及びｆ（ｉ，ｊ）の距離で決まる。Ｅ０は画素があまりにも離れた画素へ写影されることを防ぐ。ただしＥ０は、後に別のエネルギー関数で置き換える。Ｅ１は写像の滑らかさを保証する。Ｅ１は、ｐ（ｉ，ｊ）の変位とその隣接点の変位の間の隔たりを表す。以上の考察をもとに、マッチングを評価する別の評価式であるエネルギーＤｆは次式で定まる。
【数１３】
0003889233.tif 000014
［１．３．２．３］写像の総エネルギー
写像の総エネルギー、すなわち複数の評価式の統合に係る総合評価式はλＣ（ｍ，ｓ）ｆ＋Ｄ（ｍ，ｓ）ｆで定義される。ここで係数パラメータλは０以上の実数である。目的は総合評価式が極値をとる状態を検出すること、すなわち次式で示す最小エネルギーを与える写像を見いだすことである。
【数１４】
0003889233.tif 000015
λ＝０及びη＝０の場合、写像は単位写像になることに注意すべきである（すなわち、全てのｉ＝０，…，２ｍ−１及びｊ＝０，…，２ｍ−１に対してｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）＝（ｉ，ｊ）となる）。後述のごとく、本前提技術では最初にλ＝０及びη＝０の場合を評価するため、写像を単位写像から徐々に変形していくことができる。仮に総合評価式のλの位置を変えてＣ（ｍ，ｓ）ｆ＋λＤ（ｍ，ｓ）ｆと定義したとすれば、λ＝０及びη＝０の場合に総合評価式がＣ（ｍ，ｓ）ｆだけになり、本来何等関連のない画素どうしが単に輝度が近いというだけで対応づけられ、写像が無意味なものになる。そうした無意味な写像をもとに写像を変形していってもまったく意味をなさない。このため、単位写像が評価の開始時点で最良の写像として選択されるよう係数パラメータの与えかたが配慮されている。
【００４０】
オプティカルフローもこの前提技術同様、画素の輝度の差と滑らかさを考慮する。しかし、オプティカルフローは画像の変換に用いることはできない。オブジェクトの局所的な動きしか考慮しないためである。前提技術に係る特異点フィルタを用いることによって大域的な対応関係を検出することができる。
【００４１】
［１．３．３］多重解像度の導入による写像の決定
最小エネルギーを与え、全単射条件を満足する写像ｆｍｉｎを多重解像度の階層を用いて求める。各解像度レベルにおいて始点副画像及び終点副画像間の写像を計算する。解像度の階層の最上位（最も粗いレベル）からスタートし、各解像度レベルの写像を、他のレベルの写像を考慮に入れながら決定する。各レベルにおける写像の候補の数は、より高い、つまりより粗いレベルの写像を用いることによって制限される。より具体的には、あるレベルにおける写像の決定に際し、それよりひとつ粗いレベルにおいて求められた写像が一種の拘束条件として課される。
【００４２】
まず、
【数１５】
0003889233.tif 000016
が成り立つとき、ｐ（ｍ−１，ｓ）（ｉ’，ｊ’）、ｑ（ｍ−１，ｓ）（ｉ’，ｊ’）をそれぞれｐ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）、ｑ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）のｐａｒｅｎｔと呼ぶことにする。［ｘ］はｘを越えない最大整数である。またｐ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）、ｑ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）をそれぞれｐ（ｍ−１，ｓ）（ｉ’，ｊ’）、ｑ（ｍ−１，ｓ）（ｉ’，ｊ’）のｃｈｉｌｄと呼ぶ。関数ｐａｒｅｎｔ（ｉ，ｊ）は次式で定義される。
【数１６】
0003889233.tif 000017
ｐ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）とｑ（ｍ，ｓ）（ｋ，ｌ）の間の写像ｆ（ｍ，ｓ）は、エネルギー計算を行って最小になったものを見つけることで決定される。ｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）＝（ｋ，ｌ）の値はｆ（ｍ−１，ｓ）（ｍ＝１，２，…，ｎ）を用いることによって、以下のように決定される。まず、ｑ（ｍ，ｓ）（ｋ，ｌ）は次の四辺形の内部になければならないという条件を課し、全単射条件を満たす写像のうち現実性の高いものを絞り込む。
【数１７】
0003889233.tif 000018
ただしここで、
【数１８】
0003889233.tif 000019
である。こうして定めた四辺形を、以下ｐ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）の相続（inherited）四辺形と呼ぶことにする。相続四辺形の内部において、エネルギーを最小にする画素を求める。
【００４３】
図３は以上の手順を示している。同図において、始点画像のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの画素は、第ｍ−１レベルにおいてそれぞれ終点画像のＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’へ写影される。画素ｐ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）は、相続四辺形Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の内部に存在する画素ｑ（ｍ，ｓ）ｆ（ｍ）（ｉ，ｊ）へ写影されなければならない。以上の配慮により、第ｍ−１レベルの写像から第ｍレベルの写像への橋渡しがなされる。
【００４４】
先に定義したエネルギーＥ０は、第ｍレベルにおける副写像ｆ（ｍ，０）を計算するために、次式に置き換える。
【数１９】
0003889233.tif 000020
また、副写像ｆ（ｍ，ｓ）を計算するためには次式を用いる。
【数２０】
0003889233.tif 000021
こうしてすべての副写像のエネルギーを低い値に保つ写像が得られる。式２０により、異なる特異点に対応する副写像が、副写像どうしの類似度が高くなるように同一レベル内で関連づけられる。式１９は、ｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）と、第ｍ−１レベルの画素の一部と考えた場合の（ｉ，ｊ）が射影されるべき点の位置との距離を示している。
【００４５】
仮に、相続四辺形Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の内部に全単射条件を満たす画素が存在しない場合は以下の措置をとる。まず、Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の境界線からの距離がＬ（始めはＬ＝１）である画素を調べる。それらのうち、エネルギーが最小になるものが全単射条件を満たせば、これをｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）の値として選択する。そのような点が発見されるか、またはＬがその上限のＬ（ｍ）ｍａｘに到達するまで、Ｌを大きくしていく。Ｌ（ｍ）ｍａｘは各レベルｍに対して固定である。そのような点が全く発見されない場合、全単射の第３の条件を一時的に無視して変換先の四辺形の面積がゼロになるような写像も認め、ｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）を決定する。それでも条件を満たす点が見つからない場合、つぎに全単射の第１及び第２条件を外す。
【００４６】
多重解像度を用いる近似法は、写像が画像の細部に影響されることを回避しつつ、画像間の大域的な対応関係を決定するために必須である。多重解像度による近似法を用いなければ、距離の遠い画素間の対応関係を見いだすことは不可能である。その場合、画像のサイズはきわめて小さなものに限定しなければならず、変化の小さな画像しか扱うことができない。さらに、通常写像に滑らかさを要求するため、そうした画素間の対応関係を見つけにくくしている。距離のある画素から画素への写像のエネルギーは高いためである。多重解像度を用いた近似法によれば、そうした画素間の適切な対応関係を見いだすことができる。それらの距離は、解像度の階層の上位レベル（粗いレベル）において小さいためである。
【００４７】
［１．４］最適なパレメータ値の自動決定
既存のマッチング技術の主な欠点のひとつに、パレメータ調整の困難さがある。大抵の場合、パラメータの調整は人手作業によって行われ、最適な値を選択することはきわめて難しい。前提技術に係る方法によれば、最適なパラメータ値を完全に自動決定することができる。
【００４８】
前提技術に係るシステムはふたつのパレメータ、λ及びηを含む。端的にいえば、λは画素の輝度の差の重みであり、ηは写像の剛性を示している。これらのパラメータの値は初期値が０であり、まずη＝０に固定してλを０から徐々に増加させる。λの値を大きくしながら、しかも総合評価式（式１４）の値を最小にする場合、各副写像に関するＣ（ｍ，ｓ）ｆの値は一般に小さくなっていく。このことは基本的にふたつの画像がよりマッチしなければならないことを意味する。しかし、λが最適値を超えると以下の現象が発生する。
【００４９】
１．本来対応すべきではない画素どうしが、単に輝度が近いというだけで誤って対応づけられる。
２．その結果、画素どうしの対応関係がおかしくなり、写像がくずれはじめる。
【００５０】
３．その結果、式１４においてＤ（ｍ，ｓ）ｆが急激に増加しようとする。
４．その結果、式１４の値が急激に増加しようとするため、Ｄ（ｍ，ｓ）ｆの急激な増加を抑制するようｆ（ｍ，ｓ）が変化し、その結果Ｃ（ｍ，ｓ）ｆが増加する。
したがって、λを増加させながら式１４が最小値をとるという状態を維持しつつＣ（ｍ，ｓ）ｆが減少から増加に転じる閾値を検出し、そのλをη＝０における最適値とする。つぎにηを少しづつ増やしてＣ（ｍ，ｓ）ｆの挙動を検査し、後述の方法でηを自動決定する。そのηに対応してλも決まる。
【００５１】
この方法は、人間の視覚システムの焦点機構の動作に似ている。人間の視覚システムでは、一方の目を動かしながら左右両目の画像のマッチングがとられる。オブジェクトがはっきりと認識できるとき、その目が固定される。
【００５２】
［１．４．１］λの動的決定
λは０から所定の刻み幅で増加されていき、λの値が変わる度に副写像が評価される。式１４のごとく、総エネルギーはλＣ（ｍ，ｓ）ｆ＋Ｄ（ｍ，ｓ）ｆによって定義される。式９のＤ（ｍ，ｓ）ｆは滑らかさを表すもので、理論的には単位写像の場合に最小になり、写像が歪むほどＥ０もＥ１も増加していく。Ｅ１は整数であるから、Ｄ（ｍ，ｓ）ｆの最小刻み幅は１である。このため、現在のλＣ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）の変化（減少量）が１以上でなければ、写像を変化させることによって総エネルギーを減らすことはできない。なぜなら、写像の変化に伴ってＤ（ｍ，ｓ）ｆは１以上増加するため、λＣ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）が１以上減少しない限り総エネルギーは減らないためである。
【００５３】
この条件のもと、λの増加に伴い、正常な場合にＣ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）が減少することを示す。Ｃ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）のヒストグラムをｈ（ｌ）と記述する。ｈ（ｌ）はエネルギーＣ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）がｌ２である画素の数である。λｌ２≧１が成り立つために、例えばｌ２＝１／λの場合を考える。λがλ１からλ２まで微小量変化するとき、
【数２１】
0003889233.tif 000022
で示されるＡ個の画素が、
【数２２】
0003889233.tif 000023
のエネルギーを持つより安定的な状態に変化する。ここでは仮に、これらの画素のエネルギーがすべてゼロになると近似している。この式はＣ（ｍ，ｓ）ｆの値が、
【数２３】
0003889233.tif 000024
だけ変化することを示し、その結果、
【数２４】
0003889233.tif 000025
が成立する。ｈ（ｌ）＞０であるから、通常Ｃ（ｍ，ｓ）ｆは減少する。しかし、λが最適値を越えようとするとき、上述の現象、つまりＣ（ｍ，ｓ）ｆの増加が発生する。この現象を検出することにより、λの最適値を決定する。
【００５４】
なお、Ｈ（ｈ＞０）及びｋを定数とするとき、
【数２５】
0003889233.tif 000026
と仮定すれば、
【数２６】
0003889233.tif 000027
が成り立つ。このときｋ≠−３であれば、
【数２７】
0003889233.tif 000028
となる。これがＣ（ｍ，ｓ）ｆの一般式である（Ｃは定数）。
【００５５】
λの最適値を検出する際、さらに安全を見て、全単射条件を破る画素の数を検査してもよい。ここで各画素の写像を決定する際、全単射条件を破る確率をｐ０と仮定する。この場合、
【数２８】
0003889233.tif 000029
が成立しているため、全単射条件を破る画素の数は次式の率で増加する。
【数２９】
0003889233.tif 000030
従って、
【数３０】
0003889233.tif 000031
は定数である。仮にｈ（ｌ）＝Ｈｌｋを仮定するとき、例えば、
【数３１】
0003889233.tif 000032
は定数になる。しかしλが最適値を越えると、上の値は急速に増加する。この現象を検出し、Ｂ０λ３／２＋ｋ／２／２ｍの値が異常値Ｂ０ｔｈｒｅｓを越えるかどうかを検査し、λの最適値を決定することができる。同様に、Ｂ１λ３／２＋ｋ／２／２ｍの値が異常値Ｂ１ｔｈｒｅｓを越えるかどうかを検査することにより、全単射の第３の条件を破る画素の増加率Ｂ１を確認する。ファクター２ｍを導入する理由は後述する。このシステムはこれら２つの閾値に敏感ではない。これらの閾値は、エネルギーＣ（ｍ，ｓ）ｆの観察では検出し損なった写像の過度の歪みを検出するために用いることができる。
【００５６】
なお実験では、副写像ｆ（ｍ，ｓ）を計算する際、もしλが０．１を越えたらｆ（ｍ，ｓ）の計算は止めてｆ（ｍ，ｓ＋１）の計算に移行した。λ＞０．１のとき、画素の輝度２５５レベル中のわずか「３」の違いが副写像の計算に影響したためであり、λ＞０．１のとき正しい結果を得ることは困難だったためである。
【００５７】
［１．４．２］ヒストグラムｈ（ｌ）
Ｃ（ｍ，ｓ）ｆの検査はヒストグラムｈ（ｌ）に依存しない。全単射及びその第３の条件の検査の際、ｈ（ｌ）に影響を受けうる。実際に（λ，Ｃ（ｍ，ｓ）ｆ）をプロットすると、ｋは通常１付近にある。実験ではｋ＝１を用い、Ｂ０λ２とＢ１λ２を検査した。仮にｋの本当の値が１未満であれば、Ｂ０λ２とＢ１λ２は定数にならず、ファクターλ（１−ｋ）／２に従って徐々に増加する。ｈ（ｌ）が定数であれば、例えばファクターはλ１／２である。しかし、こうした差は閾値Ｂ０ｔｈｒｅｓを正しく設定することによって吸収することができる。
【００５８】
ここで次式のごとく始点画像を中心が（ｘ０，ｙ０）、半径ｒの円形のオブジェクトであると仮定する。
【数３２】
0003889233.tif 000033
一方、終点画像は、次式のごとく中心（ｘ１，ｙ１）、半径がｒのオブジェクトであるとする。
【数３３】
0003889233.tif 000034
ここでｃ（ｘ）はｃ（ｘ）＝ｘｋの形であるとする。中心（ｘ０，ｙ０）及び（ｘ１，ｙ１）が十分遠い場合、ヒストグラムｈ（ｌ）は次式の形となる。
【数３４】
0003889233.tif 000035
ｋ＝１のとき、画像は背景に埋め込まれた鮮明な境界線を持つオブジェクトを示す。このオブジェクトは中心が暗く、周囲にいくに従って明るくなる。ｋ＝−１のとき、画像は曖昧な境界線を持つオブジェクトを表す。このオブジェクトは中心が最も明るく、周囲にいくに従って暗くなる。一般のオブジェクトはこれらふたつのタイプのオブジェクトの中間にあると考えてもさして一般性を失わない。したがって、ｋは−１≦ｋ≦１として大抵の場合をカバーでき、式２７が一般に減少関数であることが保障される。
【００５９】
なお、式３４からわかるように、ｒは画像の解像度に影響されること、すなわちｒは２ｍに比例することに注意すべきである。このために［１．４．１］においてファクター２ｍを導入した。
【００６０】
［１．４．３］ηの動的決定
パラメータηも同様の方法で自動決定できる。はじめにη＝０とし、最も細かい解像度における最終的な写像ｆ（ｎ）及びエネルギーＣ（ｎ）ｆを計算する。つづいて、ηをある値Δηだけ増加させ、再び最も細かい解像度における最終写像ｆ（ｎ）及びエネルギーＣ（ｎ）ｆを計算し直す。この過程を最適値が求まるまで続ける。ηは写像の剛性を示す。次式の重みだからである。
【数３５】
0003889233.tif 000036
ηが０のとき、Ｄ（ｎ）ｆは直前の副写像と無関係に決定され、現在の副写像は弾性的に変形され、過度に歪むことになる。一方、ηが非常に大きな値のとき、Ｄ（ｎ）ｆは直前の副写像によってほぼ完全に決まる。このとき副写像は非常に剛性が高く、画素は同じ場所に射影される。その結果、写像は単位写像になる。ηの値が０から次第に増えるとき、後述のごとくＣ（ｎ）ｆは徐々に減少する。しかしηの値が最適値を越えると、図４に示すとおり、エネルギーは増加し始める。同図のＸ軸はη、Ｙ軸はＣｆである。
【００６１】
この方法でＣ（ｎ）ｆを最小にする最適なηの値を得ることができる。しかし、λの場合に比べていろいろな要素が計算に影響する結果、Ｃ（ｎ）ｆは小さく揺らぎながら変化する。λの場合は、入力が微小量変化するたびに副写像を１回計算しなおすだけだが、ηの場合はすべての副写像が計算しなおされるためである。このため、得られたＣ（ｎ）ｆの値が最小であるかどうかを即座に判断することはできない。最小値の候補が見つかれば、さらに細かい区間を設定することによって真の最小値を探す必要がある。
【００６２】
［１．５］スーパーサンプリング
画素間の対応関係を決定する際、自由度を増やすために、ｆ（ｍ，ｓ）の値域をＲ×Ｒに拡張することができる（Ｒは実数の集合）。この場合、終点画像の画素の輝度が補間され、非整数点、
【数３６】
0003889233.tif 000037
における輝度を持つｆ（ｍ，ｓ）が提供される。つまりスーパーサンプリングが行われる。実験では、ｆ（ｍ，ｓ）は整数及び半整数値をとることが許され、
【数３７】
0003889233.tif 000038
は、
【数３８】
0003889233.tif 000039
によって与えられた。
【００６３】
［１．６］各画像の画素の輝度の正規化
始点画像と終点画像がきわめて異なるオブジェクトを含んでいるとき、写像の計算に元の画素の輝度がそのままでは利用しにくい。輝度の差が大きいために輝度に関するエネルギーＣ（ｍ，ｓ）ｆが大きくなりすぎ、正しい評価がしずらいためである。
【００６４】
例えば、人の顔と猫の顔のマッチングをとる場合を考える。猫の顔は毛で覆われており、非常に明るい画素と非常に暗い画素が混じっている。この場合、ふたつの顔の間の副写像を計算するために、まず副画像を正規化する。すなわち、最も暗い画素の輝度を０、最も明るいそれを２５５に設定し、他の画素の輝度は線形補間によって求めておく。
【００６５】
［１．７］インプリメンテーション
始点画像のスキャンに従って計算がリニアに進行する帰納的な方法を用いる。始めに、１番上の左端の画素（ｉ，ｊ）＝（０，０）についてｆ（ｍ，ｓ）の値を決定する。次にｉを１ずつ増やしながら各ｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）の値を決定する。ｉの値が画像の幅に到達したとき、ｊの値を１増やし、ｉを０に戻す。以降、始点画像のスキャンに伴いｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）を決定していく。すべての点について画素の対応が決まれば、ひとつの写像ｆ（ｍ，ｓ）が決まる。
あるｐ（ｉ，ｊ）について対応点ｑｆ（ｉ，ｊ）が決まれば、つぎにｐ（ｉ，ｊ＋１）の対応点ｑｆ（ｉ，ｊ＋１）が決められる。この際、ｑｆ（ｉ，ｊ＋１）の位置は全単射条件を満たすために、ｑｆ（ｉ，ｊ）の位置によって制限される。したがって、先に対応点が決まる点ほどこのシステムでは優先度が高くなる。つねに（０，０）が最も優先される状態がつづくと、求められる最終の写像に余計な偏向が加わる。本前提技術ではこの状態を回避するために、ｆ（ｍ，ｓ）を以下の方法で決めていく。
【００６６】
まず（ｓ ｍｏｄ ４）が０の場合、（０，０）を開始点としｉ及びｊを徐々に増やしながら決めていく。（ｓ ｍｏｄ ４）が１の場合、最上行の右端点を開始点とし、ｉを減少、ｊを増加させながら決めていく。（ｓ ｍｏｄ ４）が２のとき、最下行の右端点を開始点とし、ｉ及びｊを減少させながら決めていく。（ｓｍｏｄ ４）が３の場合、最下行の左端点を開始点とし、ｉを増加、ｊを減少させながら決めていく。解像度が最も細かい第ｎレベルには副写像という概念、すなわちパラメータｓが存在しないため、仮にｓ＝０及びｓ＝２であるとしてふたつの方向を連続的に計算した。
【００６７】
実際のインプリメンテーションでは、全単射条件を破る候補に対してペナルティを与えることにより、候補（ｋ，ｌ）の中からできる限り全単射条件を満たすｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）（ｍ＝０，…，ｎ）の値を選んだ。第３の条件を破る候補のエネルギーＤ（ｋ、ｌ）にはφを掛け、一方、第１または第２の条件を破る候補にはψを掛ける。今回はφ＝２、ψ＝１０００００を用いた。
【００６８】
前述の全単射条件のチェックのために、実際の手続として（ｋ，ｌ）＝ｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）を決定する際に以下のテストを行った。すなわちｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）の相続四辺形に含まれる各格子点（ｋ，ｌ）に対し、次式の外積のｚ成分が０以上になるかどうかを確かめる。
【数３９】
0003889233.tif 000040
ただしここで、
【数４０】
0003889233.tif 000041
【数４１】
0003889233.tif 000042
である（ここでベクトルは三次元ベクトルとし、ｚ軸は直交右手座標系において定義される）。もしＷが負であれば、その候補についてはＤ（ｍ，ｓ）（ｋ，ｌ）にψを掛けることによってペナルティを与え、できるかぎり選択しないようにする。
【００６９】
図５（ａ）、図５（ｂ）はこの条件を検査する理由を示している。図５（ａ）はペナルティのない候補、図５（ｂ）はペナルティがある候補をそれぞれ表す。隣接画素（ｉ，ｊ＋１）に対する写像ｆ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ＋１）を決定する際、Ｗのｚ成分が負であれば始点画像平面上において全単射条件を満足する画素は存在しない。なぜなら、ｑ（ｍ，ｓ）（ｋ，ｌ）は隣接する四辺形の境界線を越えるためである。
【００７０】
［１．７．１］副写像の順序
インプリメンテーションでは、解像度レベルが偶数のときにはσ（０）＝０、σ（１）＝１、σ（２）＝２、σ（３）＝３、σ（４）＝０を用い、奇数のときはσ（０）＝３、σ（１）＝２、σ（２）＝１、σ（３）＝０、σ（４）＝３を用いた。このことで、副写像を適度にシャッフルした。なお、本来副写像は４種類であり、ｓは０〜３のいずれかである。しかし、実際にはｓ＝４に相当する処理を行った。その理由は後述する。
【００７１】
［１．８］補間計算
始点画像と終点画像の間の写像が決定された後、対応しあう画素の輝度が補間される。実験では、トライリニア補間を用いた。始点画像平面における正方形ｐ（ｉ，ｊ）ｐ（ｉ＋１，ｊ）ｐ（ｉ，ｊ＋１）ｐ（ｉ＋１，ｊ＋１）が終点画像平面上の四辺形ｑｆ（ｉ，ｊ）ｑｆ（ｉ＋１，ｊ）ｑｆ（ｉ，ｊ＋１）ｑｆ（ｉ＋１，ｊ＋１）に射影されると仮定する。簡単のため、画像間の距離を１とする。始点画像平面からの距離がｔ（０≦ｔ≦１）である中間画像の画素ｒ（ｘ，ｙ，ｔ）（０≦ｘ≦Ｎ−１，０≦ｙ≦Ｍ−１）は以下の要領で求められる。まず画素ｒ（ｘ，ｙ，ｔ）の位置（ただしｘ，ｙ，ｔ∈Ｒ）を次式で求める。
【数４２】
0003889233.tif 000043
つづいてｒ（ｘ，ｙ，ｔ）における画素の輝度が次の式を用いて決定される。
【数４３】
0003889233.tif 000044
ここでｄｘ及びｄｙはパラメータであり、０から１まで変化する。
【００７２】
［１．９］拘束条件を課したときの写像
いままでは拘束条件がいっさい存在しない場合の写像の決定を述べた。しかし、始点画像と終点画像の特定の画素間に予め対応関係が規定されているとき、これを拘束条件としたうえで写像を決定することができる。
【００７３】
基本的な考えは、まず始点画像の特定の画素を終点画像の特定の画素に移す大まかな写像によって始点画像を大まかに変形し、しかる後、写像ｆを正確に計算する。
【００７４】
まず始めに、始点画像の特定の画素を終点画像の特定の画素に射影し、始点画像の他の画素を適当な位置に射影する大まかな写像を決める。すなわち、特定の画素に近い画素は、その特定の画素が射影される場所の近くに射影されるような写像である。ここで第ｍレベルの大まかな写像をＦ（ｍ）と記述する。
【００７５】
大まかな写像Ｆは以下の要領で決める。まず、いくつかの画素について写像を特定する。始点画像についてｎｓ個の画素、
【数４４】
0003889233.tif 000045
を特定するとき、以下の値を決める。
【数４５】
0003889233.tif 000046
始点画像の他の画素の変位量は、ｐ（ｉｈ，ｊｈ）（ｈ＝０，…，ｎｓ−１）の変位に重み付けをして求められる平均である。すなわち画素ｐ（ｉ，ｊ）は、終点画像の以下の画素に射影される。
【数４６】
0003889233.tif 000047
ただしここで、
【数４７】
0003889233.tif 000048
【数４８】
0003889233.tif 000049
とする。
【００７６】
つづいて、Ｆ（ｍ）に近い候補写像ｆがより少ないエネルギーを持つように、その写像ｆのエネルギーＤ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）を変更する。正確には、Ｄ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）は、
【数４９】
0003889233.tif 000050
である。ただし、
【数５０】
0003889233.tif 000051
であり、κ，ρ≧０とする。最後に、前述の写像の自動計算プロセスにより、ｆを完全に決定する。
【００７７】
ここで、ｆ（ｍ，ｓ）（i,j)がＦ（ｍ）（i,j）に十分近いとき、つまりそれらの距離が、
【数５１】
0003889233.tif 000052
以内であるとき、Ｅ２（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）が０になることに注意すべきである。そのように定義した理由は、各ｆ（ｍ，ｓ）（i,j）がＦ（ｍ）（i,j）に十分近い限り、終点画像において適切な位置に落ち着くよう、その値を自動的に決めたいためである。この理由により、正確な対応関係を詳細に特定する必要がなく、始点画像は終点画像にマッチするように自動的にマッピングされる。
［２］具体的な処理手順
［１］の各要素技術による処理の流れを説明する。
図６は前提技術の全体手順を示すフローチャートである。同図のごとく、まず多重解像度特異点フィルタを用いた処理を行い（Ｓ１）、つづいて始点画像と終点画像のマッチングをとる（Ｓ２）。ただし、Ｓ２は必須ではなく、Ｓ１で得られた画像の特徴をもとに画像認識などの処理を行ってもよい。
【００７８】
図７は図６のＳ１の詳細を示すフローチャートである。ここではＳ２で始点画像と終点画像のマッチングをとることを前提としている。そのため、まず特異点フィルタによって始点画像の階層化を行い（Ｓ１０）、一連の始点階層画像を得る。つづいて同様の方法で終点画像の階層化を行い（Ｓ１１）、一連の終点階層画像を得る。ただし、Ｓ１０とＳ１１の順序は任意であるし、始点階層画像と終点階層画像を並行して生成していくこともできる。
【００７９】
図８は図７のＳ１０の詳細を示すフローチャートである。もとの始点画像のサイズは２ｎ×２ｎとする。始点階層画像は解像度が細かいほうから順に作られるため、処理の対象となる解像度レベルを示すパラメータｍをｎにセットする（Ｓ１００）。つづいて第ｍレベルの画像ｐ（ｍ，０）、ｐ（ｍ，１）、ｐ（ｍ，２）、ｐ（ｍ，３）から特異点フィルタを用いて特異点を検出し（Ｓ１０１）、それぞれ第ｍ−１レベルの画像ｐ（ｍ−１，０）、ｐ（ｍ−１，１）、ｐ（ｍ−１，２）、ｐ（ｍ−１，３）を生成する（Ｓ１０２）。ここではｍ＝ｎであるため、ｐ（ｍ，０）＝ｐ（ｍ，１）＝ｐ（ｍ，２）＝ｐ（ｍ，３）＝ｐ（ｎ）であり、ひとつの始点画像から４種類の副画像が生成される。
【００８０】
図９は第ｍレベルの画像の一部と、第ｍ−１レベルの画像の一部の対応関係を示している。同図の数値は各画素の輝度を示す。同図のｐ（ｍ，ｓ）はｐ（ｍ，０）〜ｐ（ｍ，３）の４つの画像を象徴するもので、ｐ（ｍ−１，０）を生成する場合には、ｐ（ｍ，ｓ）はｐ（ｍ，０）であると考える。［１．２］で示した規則により、ｐ（ｍ−１，０）は例えば同図で輝度を記入したブロックについて、そこに含まれる４画素のうち「３」、ｐ（ｍ−１，１）は「８」、ｐ（ｍ−１，２）は「６」、ｐ（ｍ−１，３）を「１０」をそれぞれ取得し、このブロックをそれぞれ取得したひとつの画素で置き換える。したがって、第ｍ−１レベルの副画像のサイズは２ｍ−１×２ｍ−１になる。
【００８１】
つづいてｍをデクリメントし（図８のＳ１０３）、ｍが負になっていないことを確認し（Ｓ１０４）、Ｓ１０１に戻ってつぎに解像度の粗い副画像を生成していく。この繰り返し処理の結果、ｍ＝０、すなわち第０レベルの副画像が生成された時点でＳ１０が終了する。第０レベルの副画像のサイズは１×１である。
【００８２】
図１０はＳ１０によって生成された始点階層画像をｎ＝３の場合について例示している。最初の始点画像のみが４つの系列に共通であり、以降特異点の種類に応じてそれぞれ独立に副画像が生成されていく。なお、図８の処理は図７のＳ１１にも共通であり、同様の手順を経て終点階層画像も生成される。以上で図６のＳ１による処理が完了する。
【００８３】
前提技術では、図６のＳ２に進むためにマッチング評価の準備をする。図１１はその手順を示している。同図のごとく、まず複数の評価式が設定される（Ｓ３０）。［１．３．２．１］で導入した画素に関するエネルギーＣ（ｍ，ｓ）ｆと［１．３．２．２］で導入した写像の滑らかさに関するエネルギーＤ（ｍ，ｓ）ｆがそれである。つぎに、これらの評価式を統合して総合評価式を立てる（Ｓ３１）。［１．３．２．３］で導入した総エネルギーλＣ（ｍ，ｓ）ｆ＋Ｄ（ｍ，ｓ）ｆがそれであり、［１．３．２．２］で導入したηを用いれば、
ΣΣ（λＣ（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）＋ηＥ０（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ）＋Ｅ１（ｍ，ｓ）（ｉ，ｊ））  （式５２）
となる。ただし、総和はｉ、ｊについてそれぞれ０、１…、２ｍ−１で計算する。以上でマッチング評価の準備が整う。
【００８４】
図１２は図６のＳ２の詳細を示すフローチャートである。［１］で述べたごとく、始点階層画像と終点階層画像のマッチングは互いに同じ解像度レベルの画像どうしでとられる。画像間の大域的なマッチングを良好にとるために、解像度が粗いレベルから順にマッチングを計算する。特異点フィルタを用いて始点階層画像および終点階層画像を生成しているため、特異点の位置や輝度は解像度の粗いレベルでも明確に保存されており、大域的なマッチングの結果は従来に比べて非常に優れたものになる。
【００８５】
図１２のごとく、まず係数パラメータηを０、レベルパラメータｍを０に設定する（Ｓ２０）。つづいて、始点階層画像中の第ｍレベルの４つの副画像と終点階層画像中の第ｍレベルの４つの副画像のそれぞれの間でマッチングを計算し、それぞれ全単射条件を満たし、かつエネルギーを最小にするような４種類の副写像ｆ（ｍ，ｓ）（ｓ＝０，１，２，３）を求める（Ｓ２１）。全単射条件は［１．３．３］で述べた相続四辺形を用いて検査される。この際、式１７、１８が示すように、第ｍレベルにおける副写像は第ｍ−１レベルのそれらに拘束されるため、より解像度の粗いレベルにおけるマッチングが順次利用されていく。これは異なるレベル間の垂直的参照である。なお、いまｍ＝０であってそれより粗いレベルはないが、この例外的な処理は図１３で後述する。
一方、同一レベル内における水平的参照も行われる。［１．３．３］の式２０のごとく、ｆ（ｍ，３）はｆ（ｍ，２）に、ｆ（ｍ，２）はｆ（ｍ，１）に、ｆ（ｍ，１）はｆ（ｍ，０）に、それぞれ類似するように決める。その理由は、特異点の種類が違っても、それらがもともと同じ始点画像と終点画像に含まれている以上、副写像がまったく異なるという状況は不自然だからである。式２０からわかるように、副写像どうしが近いほどエネルギーは小さくなり、マッチングが良好とみなされる。
【００８６】
なお、最初に決めるべきｆ（ｍ，０）については同一のレベルで参照できる副写像がないため、式１９に示すごとくひとつ粗いレベルを参照する。ただし、実験ではｆ（ｍ，３）まで求まった後、これを拘束条件としてｆ（ｍ，０）を一回更新するという手続をとった。これは式２０にｓ＝４を代入し、ｆ（ｍ，４）を新たなｆ（ｍ，０）とすることに等しい。ｆ（ｍ，０）とｆ（ｍ，３）の関連度が低くなり過ぎる傾向を回避するためであり、この措置によって実験結果がより良好になった。この措置に加え、実験では［１．７．１］に示す副写像のシャッフルも行った。これも本来特異点の種類ごとに決まる副写像どうしの関連度を密接に保つ趣旨である。また、処理の開始点に依存する偏向を回避するために、ｓの値にしたがって開始点の位置を変える点は［１．７］で述べたとおりである。
【００８７】
図１３は第０レベルにおいて副写像を決定する様子を示す図である。第０レベルでは各副画像がただひとつの画素で構成されるため、４つの副写像ｆ（０，ｓ）はすべて自動的に単位写像に決まる。図１４は第１レベルにおいて副写像を決定する様子を示す図である。第１レベルでは副画像がそれぞれ４画素で構成される。同図ではこれら４画素が実線で示されている。いま、ｐ（１，ｓ）の点ｘの対応点をｑ（１，ｓ）の中で探すとき、以下の手順を踏む。
【００８８】
１．第１レベルの解像度で点ｘの左上点ａ、右上点ｂ、左下点ｃ、右下点ｄを求める。
２．点ａ〜ｄがひとつ粗いレベル、つまり第０レベルにおいて属する画素を探す。図１４の場合、点ａ〜ｄはそれぞれ画素Ａ〜Ｄに属する。ただし、画素Ａ〜Ｃは本来存在しない仮想的な画素である。
３．第０レベルですでに求まっている画素Ａ〜Ｄの対応点Ａ’〜Ｄ’をｑ（１，ｓ）の中にプロットする。画素Ａ’〜Ｃ’は仮想的な画素であり、それぞれ画素Ａ〜Ｃと同じ位置にあるものとする。
４．画素Ａの中の点ａの対応点ａ’が画素Ａ’の中にあるとみなし、点ａ’をプロットする。このとき、点ａが画素Ａの中で占める位置（この場合、右下）と、点ａ’が画素Ａ’の中で占める位置が同じであると仮定する。
５．４と同様の方法で対応点ｂ’〜ｄ’をプロットし、点ａ’〜ｄ’で相続四辺形を作る。
６．相続四辺形の中でエネルギーが最小になるよう、点ｘの対応点ｘ’を探す。対応点ｘ’の候補として、例えば画素の中心が相続四辺形に含まれるものに限定してもよい。図１４の場合、４つの画素がすべて候補になる。
【００８９】
以上がある点ｘの対応点の決定手順である。同様の処理を他のすべての点について行い、副写像を決める。第２レベル以上のレベルでは、次第に相続四辺形の形が崩れていくと考えられるため、図３に示すように画素Ａ’〜Ｄ’の間隔が空いていく状況が発生する。
【００９０】
こうして、ある第ｍレベルの４つの副写像が決まれば、ｍをインクリメントし（図１２のＳ２２）、ｍがｎを超えていないことを確かめて（Ｓ２３）、Ｓ２１に戻る。以下、Ｓ２１に戻るたびに次第に細かい解像度のレベルの副写像を求め、最後にＳ２１に戻ったときに第ｎレベルの写像ｆ（ｎ）を決める。この写像はη＝０に関して定まったものであるから、ｆ（ｎ）（η＝０）と書く。
【００９１】
つぎに異なるηに関する写像も求めるべく、ηをΔηだけシフトし、ｍをゼロクリアする（Ｓ２４）。新たなηが所定の探索打切り値ηｍａｘを超えていないことを確認し（Ｓ２５）、Ｓ２１に戻り、今回のηに関して写像ｆ（ｎ）（η＝Δη）を求める。この処理を繰り返し、Ｓ２１でｆ（ｎ）（η＝ｉΔη）（ｉ＝０，１，…）を求めていく。ηがηｍａｘを超えたときＳ２６に進み、後述の方法で最適なη＝ηｏｐｔを決定し、ｆ（ｎ）（η＝ηｏｐｔ）を最終的に写像ｆ（ｎ）とする。
【００９２】
図１５は図１２のＳ２１の詳細を示すフローチャートである。このフローチャートにより、ある定まったηについて、第ｍレベルにおける副写像が決まる。副写像を決める際、前提技術では副写像ごとに最適なλを独立して決める。
【００９３】
同図のごとく、まずｓとλをゼロクリアする（Ｓ２１０）。つぎに、そのときのλについて（および暗にηについて）エネルギーを最小にする副写像ｆ（ｍ，ｓ）を求め（Ｓ２１１）、これをｆ（ｍ，ｓ）（λ＝０）と書く。異なるλに関する写像も求めるべく、λをΔλだけシフトし、新たなλが所定の探索打切り値λｍａｘを超えていないことを確認し（Ｓ２１３）、Ｓ２１１に戻り、以降の繰り返し処理でｆ（ｍ，ｓ）（λ＝ｉΔλ）（ｉ＝０，１，…）を求める。λがλｍａｘを超えたときＳ２１４に進み、最適なλ＝λｏｐｔを決定し、ｆ（ｍ，ｓ）（λ＝λｏｐｔ）を最終的に写像ｆ（ｍ，ｓ）とする（Ｓ２１４）。
【００９４】
つぎに、同一レベルにおける他の副写像を求めるべく、λをゼロクリアし、ｓをインクリメントする（Ｓ２１５）。ｓが４を超えていないことを確認し（Ｓ２１６）、Ｓ２１１に戻る。ｓ＝４になれば上述のごとくｆ（ｍ，３）を利用してｆ（ｍ，０）を更新し、そのレベルにおける副写像の決定を終了する。
【００９５】
図１６は、あるｍとｓについてλを変えながら求められたｆ（ｍ，ｓ）（λ＝ｉΔλ）（ｉ＝０，１，…）に対応するエネルギーＣ（ｍ，ｓ）ｆの挙動を示す図である。［１．４］で述べたとおり、λが増加すると通常Ｃ（ｍ，ｓ）ｆは減少する。しかし、λが最適値を超えるとＣ（ｍ，ｓ）ｆは増加に転じる。そこで本前提技術ではＣ（ｍ，ｓ）ｆが極小値をとるときのλをλｏｐｔと決める。同図のようにλ＞λｏｐｔの範囲で再度Ｃ（ｍ，ｓ）ｆが小さくなっていっても、その時点ではすでに写像がくずれていて意味をなさないため、最初の極小点に注目すればよい。λｏｐｔは副写像ごとに独立して決めていき、最後にｆ（ｎ）についてもひとつ定まる。
【００９６】
一方、図１７は、ηを変えながら求められたｆ（ｎ）（η＝ｉΔη）（ｉ＝０，１，…）に対応するエネルギーＣ（ｎ）ｆの挙動を示す図である。ここでもηが増加すると通常Ｃ（ｎ）ｆは減少するが、ηが最適値を超えるとＣ（ｎ）ｆは増加に転じる。そこでＣ（ｎ）ｆが極小値をとるときのηをηｏｐｔと決める。図１７は図４の横軸のゼロ付近を拡大した図と考えてよい。ηｏｐｔが決まればｆ（ｎ）を最終決定することができる。
【００９７】
以上、本前提技術によれば種々のメリットが得られる。まずエッジを検出する必要がないため、エッジ検出タイプの従来技術の課題を解消できる。また、画像に含まれるオブジェクトに対する先験的な知識も不要であり、対応点の自動検出が実現する。特異点フィルタによれば、解像度の粗いレベルでも特異点の輝度や位置を維持することができ、オブジェクト認識、特徴抽出、画像マッチングに極めて有利である。その結果、人手作業を大幅に軽減する画像処理システムの構築が可能となる。
【００９８】
なお、本前提技術について次のような変形技術も考えられる。
（１）前提技術では始点階層画像と終点階層画像の間でマッチングをとる際にパラメータの自動決定を行ったが、この方法は階層画像間ではなく、通常の２枚の画像間のマッチングをとる場合全般に利用できる。
【００９９】
たとえば２枚の画像間で、画素の輝度の差に関するエネルギーＥ０と画素の位置的なずれに関するエネルギーＥ１のふたつを評価式とし、これらの線形和Ｅｔｏｔ＝αＥ０＋Ｅ１を総合評価式とする。この総合評価式の極値付近に注目してαを自動決定する。つまり、いろいろなαについてＥｔｏｔが最小になるような写像を求める。それらの写像のうち、αに関してＥ１が極小値をとるときのαを最適パラメータと決める。そのパラメータに対応する写像を最終的に両画像間の最適マッチングとみなす。
【０１００】
これ以外にも評価式の設定にはいろいろな方法があり、例えば１／Ｅ１と１／Ｅ２のように、評価結果が良好なほど大きな値をとるものを採用してもよい。総合評価式も必ずしも線形和である必要はなく、ｎ乗和（ｎ＝２、１／２、−１、−２など）、多項式、任意の関数などを適宜選択すればよい。
【０１０１】
パラメータも、αのみ、前提技術のごとくηとλのふたつの場合、それ以上の場合など、いずれでもよい。パラメータが３以上の場合はひとつずつ変化させて決めていく。
（２）本前提技術では、総合評価式の値が最小になるよう写像を決めた後、総合評価式を構成するひとつの評価式であるＣ（ｍ，ｓ）ｆが極小になる点を検出してパラメータを決定した。しかし、こうした二段回処理の代わりに、状況によっては単に総合評価式の最小値が最小になるようにパラメータを決めても効果的である。その場合、例えばαＥ０＋βＥ１を総合評価式とし、α＋β＝１なる拘束条件を設けて各評価式を平等に扱うなどの措置を講じてもよい。パラメータの自動決定の本質は、エネルギーが最小になるようにパラメータを決めていく点にあるからである。
（３）前提技術では各解像度レベルで４種類の特異点に関する４種類の副画像を生成した。しかし、当然４種類のうち１、２、３種類を選択的に用いてもよい。例えば、画像中に明るい点がひとつだけ存在する状態であれば、極大点に関するｆ（ｍ，３）だけで階層画像を生成しても相応の効果が得られるはずである。その場合、同一レベルで異なる副写像は不要になるため、ｓに関する計算量が減る効果がある。
（４）本前提技術では特異点フィルタによってレベルがひとつ進むと画素が１／４になった。例えば３×３で１ブロックとし、その中で特異点を探す構成も可能であり、その場合、レベルがひとつ進むと画素は１／９になる。
（５）始点画像と終点画像がカラーの場合、それらをまず白黒画像に変換し、写像を計算する。その結果求められた写像を用いて始点のカラー画像を変換する。それ以外の方法として、ＲＧＢの各成分について副写像を計算してもよい。
【０１０２】
［画像符号化および復号に関する実施の形態］
前提技術ではキーフレーム間のマッチングをとって対応情報を生成し、この対応情報をもとに中間フレームを生成した。したがって、この技術は動画の圧縮に利用でき、現実に実験ではＭＰＥＧを超える画質と圧縮率の両立が確認されはじめている。以下、前提技術を利用した画像符号化および復号技術を説明する。この技術は動画のシーンチェンジを考慮するもので、前提技術のように、キーフレーム間に相当の時間間隔をおいても良好な画像が再生できる技術にとって、重要な要素技術となる。
（符号化側）
図１８は実施の形態の係る画像符号化装置１０の構成を示す。画像符号化装置１０は、キーフレームＫＦｉのデータを入力する画像入力部１２、キーフレームどうしの間でマッチング計算を行い、対応情報ファイルＣｉ，ｊを生成するマッチングプロセッサ１４、キーフレームのデータと対応情報ファイルを組み込んで符号化データストリームＣＢＳ（Coded Bit Stream: 以下単にデータストリームという）を生成するストリーム生成部１６を含む。データストリームは必要に応じて保存部１８へ格納される。シーンチェンジ検出部２０はキーフレーム間にシーンチェンジがあったときこれを検出し、マッチングプロセッサ１４およびストリーム生成部１６へ通知する。
【０１０３】
シーンチェンジはいろいろな方法で検出できるが、ここでは単純にふたつのキーフレームの差が大きいときシーンチェンジがあったと判定する。差は、例えば両キーフレームの位置的に対応しあう画素値の差の絶対値や二乗の総和の大きさと所定のしきい値を比べて判定される。
【０１０４】
キーフレームは例えば動画のフレームを０．５秒おきに抽出することで定められ、キーフレーム間のフレーム、すなわち中間フレームは復号側にて対応情報ファイルをもとに補間計算で生成される。なお、画像入力部１２はすでに存在するキーフレームを入力してもよいし、それ自体がデジタルカメラ等の画像撮影装置であってもよい。
【０１０５】
マッチングプロセッサ１４は前提技術に基づき、または別の任意の技術に基づき、特異点その他をもとに画素単位でふたつのキーフレーム間のマッチングをとる。前提技術と異なり、シーンチェンジ検出部２０からシーンチェンジの検出通知を受けると、そのシーンチェンジを挟むキーフレーム、すなわち「特殊キーフレーム対」については対応情報の生成をスキップする。シーンチェンジ前後で補間画像を生成すると、その美的効果は別として、一般には無意味なモーフィング画像が得られるためである。
【０１０６】
図１９は、シーンチェンジがあるキーフレームの流れを示す。ここでは、非負整数をｉとし、キーフレームをＫＦｉと表記し、ＫＦｉとＫＦｊの間に求められる対応情報ファイルをＣｉ，ｊと表記する。ここではＫＦ２とＫＦ３の間にシーンチェンジがあり、Ｃ２，３の生成が取りやめになっている。また、シーンチェンジはＫＦ２とＫＦ３の時間的な間隔をｓ：（１−ｓ）に内分する位置にあることが示されている。
【０１０７】
図２０は、ストリーム生成部１６によって図１９の状況が考慮され生成されたデータストリームＣＢＳの構成を示す。このストリームは具体的に、
ＫＦ０，ＫＦ１，Ｃ０，１，ＫＦ２，Ｃ１，２，ＫＦ３，Ｄ２，３，ＫＦ４，Ｃ３，４，・・・
となる。「Ｄ２，３」は通常の対応情報ファイルＣ２，３に代わって挿入されるシーンチェンジ専用のファイルであり、以下「対応禁止ファイル」ともよぶ。キーフレームのデータと対応情報ファイルは関連しあうものは近接しているほうがメモリ使用効率の面では有利である。一方が得られたのち他方を待つ間バッファメモリ等にデータを保持する必要があるためである。ただし、いずれの配列をとるかには当然自由度がある。
【０１０８】
図２１、図２２はそれぞれ対応情報ファイルと対応禁止ファイルのフォーマットを示す。ここではまず、先頭ビットがそれぞれ「０」「１」と記述され、両者が識別可能に構成されている。もちろん、この部分は一般にはある程度情報量のあるヘッダ部分に相当し、ヘッダ内のデータの相違によって両者を識別可能にしてもよい。つづいて、対応情報ファイルＣｉ，ｊの場合はキーフレーム間の対応情報が例えば画素ごとに記述されている。その後に、ＫＦｉとＫＦｊを再生または表示すべき時刻データが付加されている。キーフレームが固定間隔で選定される場合、この時刻データは不要であるが、この間隔が変化しうる場合、時刻データは必要である。この時刻データは、開始フレームであるＫＦ０やひとつ前のキーフレームからの経過時間などの表示であればよい。なお、時刻データはデータストリームＣＢＳの先頭に集めるなど、キーフレームのデータとかなり離れた位置にあってもよい。
【０１０９】
一方、対応禁止ファイルＤｉ，ｊにおいては、さきほどのシーンチェンジの相対位置を示すパラメータ「ｓ」が記述されている。このパラメータは省略可能で、その場合、復号側はｓ＝０，１／２，１などと解釈してもよい。このパラメータを省略する場合、対応禁止ファイル自体も削除可能で、そのときはすぐ後に来るキーフレーム、例えばＫＦｊ＋１のデータを詰め、かつそのヘッダ情報によってこれがキーフレームのデータであることを示し、その結果、対応禁止ファイルの省略を暗黙的に示せばよい。この場合でも現実には対応禁止の指示が明確に了解できるため、この場合も「対応禁止データ」が挿入されていると解釈する。
（復号側）
図２３は実施の形態に係る画像復号装置４０の構成図である。画像復号装置４０は、符号化されたデータストリームＣＢＳを入力するストリーム入力部４２と、そのストリームから前提技術に基づく補間によって中間フレームを生成する中間画像生成部４４と、キーフレームおよび中間フレームを動画として表示するための処理を行う画像表示部５０を含む。画像表示部５０で生成された表示データは表示装置へ出力され、画像が再生される。シーンチェンジ検出部４６は中間画像生成部４４の内部に設けられている。
【０１１０】
図２４は、中間画像生成部４４による中間フレームの生成の原理を示す。この処理自体は前提技術でも示されている。すなわち、ふたつのキーフレームＫＦ５、ＫＦ６とその対応情報主ファイルＣ５，６があるとき、まずこのファイルにより、キーフレームＫＦ５上の点ｐ０（ｘ０，ｙ０）が他方のキーフレームＫＦ６上の点ｐ１（ｘ１，ｙ１）に対応することが判明する。点は座標（ｘｉ，ｙｉ）と画素値ｐｉで特定される。したがって、これらのキーフレームの中間フレームＩＦ５，６（ｔ）の点ｐｔ（ｘｔ，ｙｔ）は座標および画素値を時間軸上で補間することで得られる。
【０１１１】
図２３に戻る。シーンチェンジ検出部４６は対応禁止ファイルを検出する。これが検出されたとき、対応情報ファイルによる中間フレームの生成はスキップされる。図２０のデータストリームの場合、ＫＦ２とＫＦ３の間で中間フレームは生成されない。その代わり、これらのキーフレームの間にシーンチェンジが設けられる。すなわち、Ｄ２，３が図２２に示す状態の場合、中間画像生成部４４はＫＦ２とＫＦ３の間をｓ：（１−ｓ）に分割し、その前半にＫＦ２を連続的に出力し、後半にＫＦ３を連続的に出力する。これにより、ほぼ所望のシーンチェンジが再現され、少なくとも、無意味なモーフィング画像を避けることができる。
【０１１２】
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこの実施の形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。
【０１１３】
そうした例として画像符号化装置１０の変形例を述べる。この変形例の構成はほぼ図１８と同じであるが、シーンチェンジ検出部２０が必要に応じ、外部から新たなキーフレームを取得するための要求を画像入力部１２に発する。画像入力部１２は要求されたキーフレームを図示しない外部の画像データ供給源に通知してそれを得る。
【０１１４】
図２５はその変形例の処理を示す。ここではシーンチェンジが検出された特殊キーフレーム対を「第１ＫＦ」および「第２ＫＦ」としている。画像入力部１２がデフォルトの設定でキーフレームを０．５秒おきなど一定間隔で取得する場合、特殊キーフレーム対の間隔もそれに縛られる。しかし、前述のごとく、シーンチェンジについては補間による中間フレームの生成をしないため、シーンチェンジの前後が静止画で表示される。
【０１１５】
ここでは静止画による表示期間を低減するか解消し、またはシーンチェンジ前後の再生画質の改善を図るために、シーンチェンジの前後にあるが、第１ＫＦと第２ＫＦよりも間隔の狭い第３ＫＦと第４ＫＦをシーンチェンジ検出部４６の要求によって取得する。この処理は、第１ＫＦと第２ＫＦの間隔が所定値を超えた場合のみ実施してもよい。しかる後、マッチングプロセッサ１４は第１ＫＦと第３ＫＦの間、および第２ＫＦおよび第４ＫＦの間でそれぞれ対応情報を計算し、ストリーム生成部１６はその結果を盛り込んでデータストリームを形成する。なお、この場合、ストリーム生成部１６は時刻データの生成時に第３ＫＦと第４ＫＦの存在を加味してデータを生成する。
【０１１６】
なお、画像符号化装置１０は当初よりすべてのフレームを得た後、それらの中から自らキーフレームを選定してもよい。この態様では、例えばシーンチェンジ検出部２０がプリプロセスによって予めシーンチェンジを検出し、なるべくその前後に近接するキーフレーム対を選定しておいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１（ａ）とは図１（ｂ）は、ふたりの人物の顔に平均化フィルタを施して得られる画像、図１（ｃ）と図１（ｄ）は、ふたりの人物の顔に関して前提技術で求められるｐ（５，０）の画像、図１（ｅ）と図１（ｆ）は、ふたりの人物の顔に関して前提技術で求められるｐ（５，１）の画像、図１（ｇ）と図１（ｈ）は、ふたりの人物の顔に関して前提技術で求められるｐ（５，２）の画像、図１（ｉ）と図１（ｊ）は、ふたりの人物の顔に関して前提技術で求められるｐ（５，３）の画像をそれぞれディスプレイ上に表示した中間調画像の写真である。
【図２】  図２（Ｒ）はもとの四辺形を示す図、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）、図２（Ｅ）はそれぞれ相続四辺形を示す図である。
【図３】  始点画像と終点画像の関係、および第ｍレベルと第ｍ−１レベルの関係を相続四辺形を用いて示す図である。
【図４】  パラメータηとエネルギーＣｆの関係を示す図である。
【図５】  図５（ａ）、図５（ｂ）は、ある点に関する写像が全単射条件を満たすか否かを外積計算から求める様子を示す図である。
【図６】  前提技術の全体手順を示すフローチャートである。
【図７】  図６のＳ１の詳細を示すフローチャートである。
【図８】  図７のＳ１０の詳細を示すフローチャートである。
【図９】  第ｍレベルの画像の一部と、第ｍ−１レベルの画像の一部の対応関係を示す図である。
【図１０】  前提技術で生成された始点階層画像を示す図である。
【図１１】  図６のＳ２に進む前に、マッチング評価の準備の手順を示す図である。
【図１２】  図６のＳ２の詳細を示すフローチャートである。
【図１３】  第０レベルにおいて副写像を決定する様子を示す図である。
【図１４】  第１レベルにおいて副写像を決定する様子を示す図である。
【図１５】  図１２のＳ２１の詳細を示すフローチャートである。
【図１６】  あるｆ（ｍ，ｓ）についてλを変えながら求められたｆ（ｍ，ｓ）（λ＝ｉΔλ）に対応するエネルギーＣ（ｍ，ｓ）ｆの挙動を示す図である。
【図１７】  ηを変えながら求められたｆ（ｎ）（η＝ｉΔη）（ｉ＝０，１，…）に対応するエネルギーＣ（ｎ）ｆの挙動を示す図である。
【図１８】  実施の形態に係る画像符号化装置の構成図である。
【図１９】  キーフレームの流れの中にシーンチェンジが含まれる状態を示す図である。
【図２０】  ストリーム生成部によって生成されるデータストリームの構成を示す図である。
【図２１】  マッチングプロセッサによって生成される対応情報ファイルの構成を示す図である。
【図２２】  マッチングプロセッサまたはシーンチェンジ検出部によって生成される対応禁止ファイルの構成を示す図である。
【図２３】  実施の形態に係る画像復号装置の構成図である。
【図２４】  画像復号装置の中間画像生成部による中間フレームの生成原理を示す図である。
【図２５】  画像符号化装置の変形例の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１０  画像符号化装置、  １２  画像入力部、  １４  マッチングプロセッサ、  １６  ストリーム生成部、  ２０  シーンチェンジ検出部、  ４０  画像復号装置、  ４２  ストリーム入力部、  ４４  中間画像生成部、  ４６  シーンチェンジ検出部。
【図１】
0003889233.tif 000053
【図２】
0003889233.tif 000054
【図３】
0003889233.tif 000055
【図４】
0003889233.tif 000056
【図５】
0003889233.tif 000057
【図６】
0003889233.tif 000058
【図７】
0003889233.tif 000059
【図８】
0003889233.tif 000060
【図９】
0003889233.tif 000061
【図１０】
0003889233.tif 000062
【図１１】
0003889233.tif 000063
【図１２】
0003889233.tif 000064
【図１３】
0003889233.tif 000065
【図１４】
0003889233.tif 000066
【図１５】
0003889233.tif 000067
【図１６】
0003889233.tif 000068
【図１７】
0003889233.tif 000069
【図１８】
0003889233.tif 000070
【図１９】
0003889233.tif 000071
【図２０】
0003889233.tif 000072
【図２１】
0003889233.tif 000073
【図２２】
0003889233.tif 000074
【図２３】
0003889233.tif 000075
【図２４】
0003889233.tif 000076
【図２５】
0003889233.tif 000077