IFSを利用した画像補完法に関する考察
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(2) . 北海道教育大 を紀要 (自然科学編) 第5 3巻 第1号 lo fHokka i i do Un i i fEduca ISc i ) Vo l 1 Journa t t tura ver s on (Na ences yo .53 . ,No. 4年 9 月 平 成1 Sept ember .2002. 工FSを利用した画像補間法に関する考察 本. 多. 博. 之. 1 北海道教育大学斜 1路校技術教室. Review oflmage 工nterpolat ion us ing 工FS. HiroyukiHonda DepartmentofTechno l i ogy ro Campus ,Kush , Hokka ido Un ivers i i K h i ty ofEducat 0 8 5 8 580 on u s r o ‐ ,. Abst ract 工n thi linterpolat ionsfor naturalimages are revi l ly,l inearinterpo racta s paper,f ion lat ewed .Genera ineinterpo i lat lat i andspl l on are usedf i l orimageinterpo on atedby convent ona .However ,animageinterpo f igina limage methodlosessome high‐ requency com ponents ofan or ‐The errors oftheinterpolatedim‐ larged by theloss. Thereduct i ages are en l i ingthef iona IBrownian mo onofthelossi srea zed by us ract ‐. i ion‐Thi t i i on(FBM)i ldimens n a process oftheinterpolat s method usesacharacter st cthatthef racta 1on isstrongly correlated wi th a sense ofroughness. However,errors oftheinterpolatedimages are1n‐ i ibut i creased whenthe d i ingi on ofthe powerspectrum di任erf str rom l/アβ ter onsus .工nimageinterpolat ionsystemsdFS atedfunct l ) ‐ ,though errors caused bytheabove problem aresmal ,errorsoftheinterpo latedimageobta ined by工Fs arelargerthantheinterpo latedimageobta inedbythe FB入江 s paper .1nthi , ingsoftheIFs and eva luat ion methodforinterpolatedimages are changed Andtheef t set f icienc iesof ‐ i lat ing工Fs are revi theinterpo on us ewed .. 1. はじめに. ラクタJし性を有する事が報告され, また, 心理実 験 によ り, そ の 特 徴量 であ る フラ ク タ ル次元 が人. 1970年 代 に提 唱 さ れ た フ ラ ク タ ル 幾 何 学[1 ]は. 間の知覚する 「粗さ」 の尺度と強い相関を持つ事. 現 在, 様々 な 分野 に応 用 さ れて いる. 特 に, 画 像. が 報 告 さ れ て い る[ 2 ]. フ ラ ク タ ル 画 像 処 理 は,. 生成, 画像解析・認識, 画像符号化への応用が盛. フラク タ ル 集 合 が持つ 自 己相 似性 と フラク タ ル 次. ん に行 わ れ, 多く の研 究 が 行 わ れ て いる[ 2 ][ 3 ].. フラクタルとは, 狭義には自己相似性を有する集. 元の性質を利用して行われる‐ 従来, 画素補間法としては線形補間やスプラン. 合, 広 義 に は Hausdor廿 次 元 が位 相 次 元よ り も 大. 補 間 が主 に用 い ら れている が, こ れ らの手 法 で は. き い集 合 と して 定義さ れる‐ フ ラク タ ル集 合 は非. 高周波成分 が失われ高精度な補間が不可能である. 整 数の Hausdo r廿 次元 (フ ラク タ ル次 元) を持 ち,. その集合は無限の繰り返し構造を持っ た自己相似. ことから, 文献[ 4 ]で, 画像の自己相似性を利用 した自然画像補間法を提案した. この手法では,. 集 合 である. こ れま で, 自 然界 の多く のも の がフ. 補間対象画像からフラクタル次元を推定後, フラ.
(3) . 本 多 博 之. ク タ ル ブラ ウ ン 運 動 (FBM) を 生 成 して 補 間 に. 利用することで, 従来法で失われていた高周波成. )-EB ◎)/ ー て くめ - α の g((EB(工+て. ( ) 1. 分を保持した高精度な補間を可能している. しか. を 満 た す 確 率 過 程 と し て 定 義 さ れ る‐ こ こ で,. し, この手 法 で は, 補 間 に FBM を利用 する た め,. 0<互< 1 で あ り G は平均0, 分散 〆の正規分. 補間対 象画 像の パ ワース ペ ク トラム の 分布 が ・/プβと大きく異なる場合は良好な補間結果を期. 布 関 数 と す る. 通 常 の ブラ ウ ン運 動 は 互=1/2の. 待できない. 一方, 自己相似性を利用した補間法. f+て )- 万目ま指数 互 場合である. 定義からIFB( の 自 己相 似 過 程 と な っ て い る. ま た, FBM は確. ion System : と して 反 復 関 数系 Qt ted Funct era. 率積分の形で以下のように表すことができる.. ][ ] 6 5 工FS )を利用した補間法が提案されており[ , FBM が不得意とする箇所において良好な補間が 可能であると考えられるが, 画像全体では数値的 6 ]. そ こ で, 本 に 良好 な結 果 は 得 ら れ て い な い[. 6 ]における工FSの設定ならびに, 実 文では文献[ 験結 果 に対 する 評価 方 法 につ い て 見 直 し, 工FS を ] 6 利用した補間法に対する再 検討を行う. 文献[. (2). 万(0)=0. . /欄 ( / 2-( ず 1 I ) . に 納 戸‐ s +孟′(』 ド 触 り]. ( 3 ). で は, エFS と して 画 像 符号 化 法 に用 い ら れる 手 法. を用い評価を行っているが, 画像補間では符号量. )に 関 す る 積 分 は 微 小 時 間 の ブラ ウ こ こ で, β( s. を問題にしないことから, 本文では一番単純な 工FS を用いて評価を行う. また, 補間結果の評価. )-β( ン運 動 の 変 化 (β( s s z- ) の重み付き和の z. については画像全体に対する評価のみでなく, 小. 極限である. FBM は 〃 が小さい時激しく振動す る軌跡を示し, 大きくなるに従い隣接値間の相関. ブロ ッ ク 毎 の 評価 を行う こ と によ り, 工FS による. が高く なる.. 補間が有効に行われる領域を調べる‐ なお, 比較 6 ]と同様に DCT に よ 対象とする補間法は文献[. とすると, S(/ )と/には以下の関係が成り立つ. る 補 間法 を用 いる. 本 文 の 結 果 を通 じ, 工FS によ. 7 [ ]‐. る補間法の有効性を検討するとともに, 新たな画 像補間法に関する検討を行う.. )の パ ワ ース ペ ク トラ ム を S(刀 式( 1 )中 の FB(z. sのα☆,糎 劃 脚 廿H. ( 4 ). 4 ]で 用 い ら れ て い る FBM お 第2 章 で は 文 献[ よ び, こ れを利 用 した補 間法 につ いて簡 単 に説 明. こ こ で, D は フ ラ ク タ ル 次 元, 刃 は 定 義 域 の. する. 第3 章お よ び第4 章 で は本 文 で用 いる工FS. 次元 数を示 して おり, 画 像の場 合 は N=2 と なる.. を用いた補間法ならびに DCT を用いた補間法に. ), ’ 離 散 信 号 /(粥,’ z 7 2=0 2=0 ‐ ‐ . ,N ,1 ,”. ,1 , ,肌,7. つ い て 簡 単 に 説 明 す る. 第 5 章 で は工FS に よ る. 補間法と DCT による補間法 を比較 し考察を行. → ′- ▼-I 1ノ J. ( !α 伽 ぎ 2 ″節 F( にの =Z Z ′(粥,め ず 伽に す 加 (5) 二0 ″=0 ″ ヱ. つ.. 2. の DFT F俵J )は. 4 ] FBM を利用 した補間法[. 4 )の 関係 を満 足する た め に は 次式 の 関 なの で, 式(. 係が成立する必要がある.. 本章 で は FBM と こ れを 利用 した 補 間 法 につ い. て簡単に述べる‐ 一次元FBM は ブ ラ ウ ン運動 の )) であり, 一般化にあたる確率過程 (=EBQ. 2 ‘ ) β,夙に - , 吋 み. ,. (6).
(4) . IFSを利用した画像補間法に関する考察. )の 関係 を満足 す る 信 号 を生 成 した が っ て, 式( 6 す る こ と で フ ラ ク タ ル次 元 D を 有 す る BM を生 成 可 能 である. FB M. は山岳形状の再構成等に応用されてお. り, 2次元信号形式のデータから写実的な任意解 像度の3次元形状を作成する補間処理に適用され. る. 工FSを利用した補間法ではこの性質を利用す る.. IFS を利用 し 刃 ×~画素の画像を 財 x ÷ 旧画素 (た だ し, 肌 >亙, 財/刃 は 整 数) の 画 像 に 拡 大. する場合の手順を以下に示す‐ 1. 対 象画 像 (N‐XN 画素) を ドメイ ン ブロ ッ. ている. 人物 像等 の 自然画 像 に対 し 2 次元の BM を適用 し画像補間を行う手法[ 4 ]の手順は. ク (DXD 画 素) お よ び レ ン ジ ブ ロ ッ ク. 以 下 の通 り となる.. (尺x尺 画 素) に分割 する. 2. 全 ドメ イ ン ブロ ッ ク をア フィ ン変換 によ り. I. 補間対象となる原画像を β×B 画素 のブ. 縮 小 し,縮小 ドメイ ン ブロ ッ ク を生成 する.. ロ ッ ク に 分割 後, ブロ ッ ク 毎 にフ ラク タ ル. 3. 各 レン ジ ブロ ッ ク を最 適 に近 似す る縮 小 ド. 次元を推定する‐ 原画像の平均値を求める.. メイ ン ブロ ッ ク を 探索 し, 対 応す る ドメイ. 手順 1. で求 め た フラク タ ル次 元 か ら原 画. メ ー タ を各 レン ジ ブロ ッ ク に対 して保持す. 像 を元 に2 次 元 FBM を生 成する. た だ し,. る.. ン ブロ ッ ク の座標 値と ア フィ ン変換 の パ ラ. FBM に よ る オ フ セ ッ トを 加 える 際, 線 形. 4. 上記 手 順3 で得 ら れる パ ラメ ー タ を用 い,. 補間値が平均値よりも大きい場合はオ フ. 工FS によ る 画 像 再 生 を 行う. こ の 時, レ ン. セ ッ ト値 を正, 逆 に小さ けれ ば負 とす る.. ジ ブロ ッ ク と ドメ イ ン ブロ ッ ク のサイ ズを. 同値の場合はオフセッ トを加えず線形補間. 縦横共に 肌/N倍する.. 値 を用 いる. 上 記 手順 か ら確 認 できる よう に, 手順 4. 以 外 式( 1 )~ 式( 6 )の 関 係 か ら 明 ら か な よ う に, FBM. は, 符号 化 時 に行 わ れる 手 順と 同 一 である.. .. を利用した補間法では対象画像のパワースペクト ラムが 1/プβと大きく異なる場合に, 補間が良好. 前述のように, IFSでは画像に部分的自己相似 性が存在するという仮定でパラメータ決定が行わ. に行 わ れな い. 工FS によ る 補 間 法 で は, そ の 手 法 の 違 い か ら, パ ワース ペ ク トラム の ず れによる 影. れるため, 補間対象画像の画素間隔が大きな場合 でも比較的容易に対応可能であるが, 明らかに自. 響が少なく, FBM による良好な補間が可能 であ. 己相似性が成り立たない個所については, 求めら. る と考 え ら れる.. れた パ ラメ ー タ によ り生 成 さ れる 再 生 画 像の 誤差. が大きくなるため, 補間も良好には行われない. 3 ー FS を利用 した補間法 主 に フ ラ ク タ ル 画 像 符 号 化 で 用 い ら れ る 工FS. 4. DCT を利用 した補間法. では符号化対象画像に部分的自 己相似性を仮定. 本 章 で は 文 献[ 6 ]に て工FS と の比 較 の た め に用. し, 工FS に 必 要 と さ れ る パ ラメ ー タ を 決 定 した 後, こ の パ ラメ ー タ を符 号 化 する. こ の よう に符. い ら れ て い る 離 散 コ サイ ン 変 換 (DCT) に よ る. 号化の過程で自己相似性を 仮定していることか. 号 化 に用 い ら れ て い る が, 逆 DCT( IDCT) 時 に. ら, 再生時の画像サイズを符号化時の画像サイ ズ よりも拡大して再生を行うことで生成される再生. 対象とする DCT 係数の数を変更することで, 画. 画像は, 細部を表現可能であるという性質を有す. を 肌 x財 画素の画像に拡大する場合の手順を下. 補 間 法 につ い て 簡 単 に 説 明 す る. DCT は主に符. 像の拡大縮小が可能 である. N x刃 画素の画像. 3.
(5) . 本 多 博 之. 表1 工FSとDCTによる補間結果の比較. を 決 定 した. 図2 に, 両手法の補間後の画像の比. なお, 表中の比較結 果は肌SEDcr>肌SEmsとなる ブロ ッ クの割合を示 している.. 較結果を示す. 図2 で は工FS に よ る 補 間 結 果 が. 1画 像T LENA. 。. 〒-. % ] l * 結果[. 良好 と なる個 所 を調 べる た め, ブロ ッ ク サイ ズ を 4 x 4 画素 と し, 可 変 ブロ ッ ク サイ ズ 等 を行 わ な. 118. 135. 36. い 一 番 単 純 な タイ プ の工FS を 用 い て ブロ ッ ク 毎 に DCT による補間結果と工 FSによる補間結果の. BOAT. 584. 579. 61. PEPPERS. 830. 785. 74. MANDRILL. 601. 618. 48. 誤 差 を 比 較 し て い る. 図 2 中, 左 列 は 肌SEDcr > 肌SEms となる ブロ ッ ク の み を 表示 して お り,. 記に示す.. 右列 は, 表示 さ れて いる ブロ ッ ク の 誤差 の 大きさ を示 して いる. 図 中, 輝 度値 が高 い (白 い) ブロ ッ. 1. N x刃 画 素 の 画 像 に対 し DCT を 行 い, N. 6] ク ほ ど誤 差 が 小 さ い こ と を 示 して い る. 文 献[. 2. 上 記 手 順 1. で求 め ら れ た DCT 係 数 の 高. では,画像全体に対する評価しか行われておらず, その有効性があまり評価されてないが, 本実験で. 周波成 分に零値を挿入し, 新たに 朋 xM. ブロ ッ ク 単 位 での 評価 を行 い, そ の結 果 を確 認 し. 個 の DCT 係 数を 生 成する.. て み る と, 多 く の 部 分 で工FS に よ る 補 間 が 良 好. XN 個 の DCT 係 数 を 求める.. 3. 上 記 手 順 2. の 財 x÷M‐個 の DCT 係数に 対 し工DCT を ほ どこ し, Mrx財 画 素 の 画 像 を生 成 する.. な 結 果 を 得 て い る こ と が 確 認 さ れ, 特 に, BOAT と PEPPERS においては非常に良好な結 果 と な っ て い る. 図2 の比 較 結 果 か ら, 工FS で の. 表現が容易と考えられる単純な形状のエッ ジ部で DCT による画像補間は, 符号化に組合せて用. 良好な補間結果が得られていることが確認され,. いる こ と が で き, ま た, 補 間 後 の画 像も比 較 的 良. BOAT な ら び に PEPPERS で は, こ の 影 響 が 大. 好な結果が得られるが, 高周波成分を零値で埋め るため,高周波成分が失われ,誤差が大きくなる‐. きく現れたものと考えられる. また, 補間後の画 像を確認すると工FS に よ る 補 間 結 果 は 若 干 コ ン トラ ス ト が 良好 で, DCT によ る 補 間 結 果 で 目 立. 5 補間結果の比較 本 文 で は, DCT によ る 補 間 法 と工FS に よ る 補. つ 平 坦 部 のノ イ ズ に つ い て も工FS に よ る 結 果 の. 方が目立たない‐ 他の画像における結果も同様の 傾向となるが, 画像全体の誤差については若干の. 間 法 を用 い. 画 像 LENA, BOAT, PEPPERS ,. ば ら つ き を 生 ず る. 本 実 験 で用 い た工FS は一番. Z Z階調) MANDR工LL (い ず れも256x256画素 x8b. 単純なタイ プであるにも関わらず, DCT よりも. を縦横2倍に拡大し, 補間結果の比較を行った. 両手法の補間結果を図1およ び表1に示す. 2乗. 良好な補間結果が得られている事から,工FSの写 像関数を変更し再生画像の誤差を削減するととも. 1 2x512画 素 の 原 平均誤差 (MSE) は各画像の5 画 像との 誤差 を 計算 して いる. なお, 前述 したよ. に, 特に補間が良好な部位を調 べることでさらに 良好な補間が期待できる‐ また, 他の補間法と容. ]で は, フ ラ ク タ ル 符 号 化 の 手 法 と う に, 文 献[6. 易 に組 み 合 わせ が容易 な こ と か ら, こ れによる 改. して提 案さ れて いる ア ル ゴリ ズム を用 いて 補 間を. 善効果も期待できる.. 行い, 補間結果の比較・評価を行っ ているが, 符 号 化 と は違い, 補 間の 際 はパ ラメ ー タ 数の増加 は. 6. ま と め. 問題 にな らない こと か ら, 本文 で は拡 大前 の レ ン ジ ブロ ッ ク サイ ズを 2 x 2 画 素, ドメ イ ン ブロ ッ. クサイ ズを 4 x 4 画 素 と して工FS の パ ラ メ ー タ. 4. 本文では, 画像の自己相似性を利用した新たな 補間法を検討すべく, フラクタル画像符号化で用.
(6) . . IFSを利用した画像補間法に関する考察. .- . ・ ・. ・. ・ . . ・. が. ′ ・ へ◆‘ ′ ● ● ′ r. ・ ′ ・′ ′ ・’ ′ r r.} .・.. も. ′ 鮫響 』 1そ 議 g 謀. … ぎ 尋. ‐. ). ‐ ‐ 十 慾 熟 豊 キ ー. 圭三. 驚きき ざ ! と 〆. *騒ぎ. が ‘ ,. ゞ ;. 響も 二 ≦~ ど を き . 十 .. 講ぜ ′ . ‐. … ′ .. メド. - , : , ‐ 社 ● 毒 ・三 , ”, , , . . .‐ ′. ( )工FS ( 1 35 ) a2. ( l ) DCT ( 118 ) a ( ) LENA a. ▼淋鮎← 「. . ,、 ‘崎 三 灘 ‐. 象 に. ( bl ) DCT ( 584 ). ( b2 )IFS ( 579 ) ( b ) BOAT. . 穿き 誓 ず三 〆‐ 。 , . : ‐ モ ▲ … ネ 二 製 糖 一 ; ; . . : r .. ‘. ,. ー鳥羽 ‐ 轟 表 三 三尋 き . … ・蔓. ( ) DCT ( 8 30 ) cl. ( 2 )IFS ( 785 ) c ( ) PEPPERS c. 図1. 補間結果 (括弧内の数値は2乗平均誤差:MSE). 5.
(7) . . . 本 多 博 之 、 r y - - ・ 1 1. -- - ・ 一 - - - - ・ - - -- - ー ・ - - .- . . , Y 雪 リ 」 , r い , , , , , ” “ ′ .. r 、 「 ÷ ÷ ÷ ÷ ・ r 「 { ゞ r、 . r \ , ・ . ‐ ▲ 一 ′. . 滋 よ▲ ・ . . ; … . ”. ), - ▼へ ・ “ . . . . 、 1 ・ . ー ご. r ′. ′. ‐・′. -ーーー .T一十. L : . . ▼ ” . . ー. 2 ( ) 誤差比較結果 a. (al 6%) ) 膿SEDcr〉順SEぽ 3. ( ) LENA a - - ーず 1. . . 憲 .. ・ 藷 ′ 」 - ◆ 1 -- Ji . . . ‘ r 、 ‐ . 1 1 1 1 .・ ●.・1 ′1 ′ ( 1 1. .・.. ー 、 .. t. 1 : 、.綿lrf鴎一寸 、 と● ●● . . . . ( b2 ) 誤差比較結果. (bl ) 肌SEDcr〉順SE択s(61%). ( ) BOAT b. . 圭 一. -. - 燃 “ 藷* ぎ ーぎー 『 . ‐r き ー. 1★ .rリ. 誓言対劉;などダ. - -ヱ だ可 キー , → ▼. 心. ー. ;. ◆ . キ. 雛「 ~ : ≦ ーf ・ 三. -. . . き ノ :‘. . し. . ,. . . . ., , ≧ , ▲.・ ‘. - - ’ ・ - , . ・ ] ・. i,ば. . 》 . ′ ′. - -. . ′ f 1111一一・ ・. = J L 1. . ぎ 凄 艶ー . , しずも き 書. h. . }ー : 二 : もー. な になゴ 「. r. : ・ 」 」. ′. . . ‐ . ( ) 誤差比較結果 c2. ( ) 肌SEDcr>肌SE択s(74%) cl. ( ) PEPPERS c 図2. 一. 補間結果の比 較 (輝度値が高い =白いほ ど誤差が小). l. . に U.
(8) . IFSを利用 した 画 像 補 間 法 に関 する 考 察. い ら れ て い る IFS を 利 用 した 補 間 法 に つ い て,. 文献[ 6 ]における設定ならびに評価方法について 見 直 し, 工FS による画像補完法について, 再度そ. の有効性の検討をおこなっ た. 実験結果から, IFS による補間が有効である個所が多 数確認さ れ, 他の手法との組み合わせによる補間結果の改 善が期待できることが確 認された. 本実験結果を ふまえ, 今後, 更なる補間結果の改善を行う予定 である.. 参考文献 ・ ・ [1] B.B. Mande lbrot ze力γ け 7m”″e . rたe方′解 放!ggの7 , Freeman ,1982 .. 2 [ ] P.Pentland,”Fractal‐baseddescriptionofnatural scenesr′EEE Tγの2s z pαrfgγ“ A’ zq′vsi s のzd .o7 順α 読 物e上 I 661- ’”〆/老β“”, VO ー6 .PA Mエ .6 ,No .pp. 674 .Nov .1984 . [3] A.E.Jacquin,”lmagecoding based on fractal iveimagetransform舎 theory ofi terated contract ” i ヱ EEE tons, rγのzsαcf Zのz s のzムフmgg pγoごess“zg, Vo l 1 N 1 1 8 3 0 1 J o ‐ a n p p ., .. . . , , 992. [ 4 ] H.Honda.M.Haseyamaand H.Kitaiima.“Fractal interpo lat i limagesrIEEE工nternat i onf ornatura on‐ IConferenceonlmage Process ing( ICIP‐99 a ) . ,oct 1999 . [5] M.F・Barns ley,Fγ僻IQ/ seりeγ“ 吻eγe , New York: Academi c . ,1988. 6 [ ] M.Gharavi‐A1khansari .R.DeNardo ,Y.Tendaand ” T.S lut i onenhancementofimagesus ‐ .Huang , Reso ingfractalcodingr sp工E VO I 3024 1089‐1100 . ,pp. , 1997 .. [ 7 ] H.-○.Peitgenand D.Saupe, 丁/ z e Z e 7 z ce ザ ル′解 放Z Z タ inger l フmge s -Ver ag ,SPr ・ ,1988. (釧路校講師). 7f.
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