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JP3570862B2 - Method and apparatus for detecting object in image and recording medium - Google Patents
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JP3570862B2 - Method and apparatus for detecting object in image and recording medium - Google Patents

Method and apparatus for detecting object in image and recording medium Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像における物体の検出方法及び装置並びに記録媒体に関し、特に、形状に変化のある物体の検出のための画像処理に適用される。
【0002】
カメラで撮影された画像からその中に映っている物体を検出することは、画像処理における基本的な技術であり、様々な応用を持つ。例えば、人間の顔を撮影して得られた画像から、その中に映っている目、口、鼻などの形状又は位置を確認することができれば、人間の表情又は姿勢を機械が認識することが可能となり、人間と機械のコミュニケーションにとって極めて有用である。
【0003】
このような状況から、形状に変化のある物体の検出を精度よく短時間で実行する方法が望まれている。
【0004】
【従来の技術】
従来より、画像の中から対象となる物体を検出する方法として、物体を表すテンプレートを画像上で走査し、両者の一致度の高い位置を探すことにより物体を検出するテンプレートマッチングが用いられている。
【0005】
例えば図19に示すように、画像FGの左上端から右下端まで、物体BJを表すテンプレートTPを横方向に移動させ且つ縦方向に順次ずらせていき、その間に一致度の最も高い物体bjの位置を検出する。
【0006】
この場合において、物体bjが、例えばボルト、ナット、ドリルの穴などのように、固定した形状のものである場合には、物体BJを表すテンプレートTPも固定した形状のものでよい。
【0007】
しかし、物体bjが、例えば目、口、鼻などのように、同じ人物であっても表情によってそれらの形状が変化するものである場合には、物体BJを表すテンプレートTPも可変形状のものを用いる必要がある。また、形状自体は固定している物体であっても、その物体の撮影方向が変化する場合にはそれに応じて見かけの形状が変化するので、同様に可変形状のテンプレートTPを用いる必要がある。
【0008】
可変形状のテンプレートTPを用いた場合には、画像FG上でテンプレートTPを走査する際に、それぞれの位置においてテンプレートTPの形状を変化させ、一致度の最も高い物体BJの位置及びテンプレートTPの形状を検出する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の可変形状のテンプレートTPを用いるテンプレートマッチングの技術において、物体bjの形状の変化を予想してテンプレートTPを作成する必要がある。そのようなテンプレートTPには、従来は人為的に作成されたものが用いられていた。そのため、テンプレートTPを対象となる物体bjの形状変化に必ずしも追従させることができず、検出精度の低下を招いていた。
【0010】
また、画像FG上でテンプレートTPを走査しながら、変化する物体BJの形状の総てについて照合を行い、一致度の最も高い位置及び形状を検出することとした場合には、情報処理の量が膨大となって検出に多大の時間を要し実用的でないという問題がある。
【0011】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、画像の中から形状の変化する物体を精度よく且つ短時間で検出することのできる方法及び装置並びにそのような処理を実行させるための記録媒体を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明に係る方法は、画像の中から形状に変化のある物体を検出する方法であって、前記物体が含まれる複数の画像から物体形状を表す数値化された特徴量である物体特徴量を抽出する第1のステップと、前記物体特徴量を主成分分析の手法を用いて分析する第2のステップと、与えられた画像から所定の方法により画像特徴量を抽出する第3のステップと、前記分析された物体特徴量から物体の形状を少数の主成分の値で表現し、前記画像特徴量と可変形状のテンプレートマッチングで照合を行なう第4のステップと、照合結果に応じて前記物体の形状及び位置を出力する第5のステップと、を有してなる方法である。
【0013】
請求項2の発明に係る方法は、前記画像特徴量として、複数の特徴点の座標値を用い、前記第1のステップにおいて、前記物体についての形状の類似する複数のそれぞれの画像に対し複数の特徴点を指定し、その指定された特徴点の座標値を求める。
【0014】
請求項の発明に係る方法は、前記第4のステップにおいて、前記分析された物体特徴量の各主成分の値を変化させ、前記分析された物体特徴量と前記画像特徴量とがよく一致するときの各主成分の値の組を照合結果とする。
【0015】
請求項の発明に係る方法は、前記第4のステップにおいて、前記分析された物体特徴量の一部と前記画像特徴量の一部とが一致するように各主成分の値を調整し、調整された各主成分の値の複数の組のうち、前記分析された物体特徴量と前記画像特徴量とがよく一致するときの各主成分の値の組を照合結果とする。
【0016】
請求項の発明に係る方法は、前記第4のステップにおいて、最もよく一致する各主成分の値の組が複数存在する場合に、各主成分の値の絶対値の最も小さい組を照合結果とする。
【0017】
請求項の発明に係る方法は、前記第4のステップにおいて、前記分析された物体特徴量と前記画像特徴量との不一致度及び各主成分の値の絶対値をそれぞれ変数とする評価関数に最小値を与える各主成分の値の組を照合結果とする。
【0018】
請求項の発明に係る方法は、前記第5のステップにおいて、前記照合結果である各主成分の値によって定まる物体の形状を出力する。
請求項の発明に係る装置は、画像の中から形状に変化のある物体を検出する装置であって、前記物体が含まれる複数の画像から物体形状を表す数値化された特徴量である物体特徴量を抽出する第1の手段と、前記物体特徴量を主成分分析の手法を用いて分析する第2の手段と、与えられた画像から所定の方法により画像特徴量を抽出する第3の手段と、前記分析された物体特徴量から物体の形状を少数の主成分の値で表現し、前記画像特徴量と可変形状のテンプレートマッチングで照合を行なう第4の手段と、照合結果に応じて前記物体の形状及び位置を出力する第5の手段と、を有して構成される。
【0019】
請求項の発明に係る記録媒体は、画像の中から形状に変化のある物体を検出するために、前記物体が含まれる複数の画像から物体形状を表す数値化された特徴量である物体特徴量を抽出する第1のステップと、前記物体特徴量を主成分分析の手法を用いて分析する第2のステップと、与えられた画像から所定の方法により画像特徴量を抽出する第3のステップと、前記分析された物体特徴量から物体の形状を少数の主成分の値で表現し、前記画像特徴量と可変形状のテンプレートマッチングで照合を行なう第4のステップと、照合結果に応じて前記物体の形状及び位置を出力する第5のステップと、をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータが読み取り可能な記録媒体である。
【0020】
本発明の検出方法においては、形状の変化する物体の形状データが統計学で用いられる主成分分析の手法で分析される。その分析結果に基づいて可変形状のテンプレートを設計することにより、画像中の物体の形状変化に追従した検出が行なわれる。
【0021】
本発明の検出装置は、例えばパーソナルコンピュータ又はワークステーションを用いて実現される。本発明に係る方法を実行するためのプログラムは、半導体メモリ、ハードディスク、CD−ROM、フロッピーディスク、又は光磁気ディスクなどの記録媒体に格納される。記録媒体に格納されたプログラムは、主メモリ上に適時ローディングされ、処理装置によって実行される。その際に、CD−ROMドライブ、フロッピーディスクドライブ、又は光磁気ディスクドライブなどのドライブ装置が必要に応じて用いられる。記録媒体がネットワークなどの通信回線で結ばれたサーバに設けられている場合には、通信回線を介してサーバからプログラムが読み取られ又はダウンロードされる。また、プログラムが通信回線を介して処理装置に転送される場合には、通信回線自体も記録媒体に相当する。プログラムは、種々のOS、プラットホーム、システム環境、又はネットワーク環境の下で動作するように供給可能である。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係る検出方法の処理の流れを示すフローチャートである。
図1において、物体特徴量を抽出し(#1)、抽出した物体特徴量を分析し(#2)、画像特徴量を抽出し(#3)、照合処理を行い(#4)、その結果を出力する(#5)。物体特徴量の抽出及び分析、画像特徴量の抽出は、照合処理よりも前であればそれらの順序及びタイミングは任意である。
【0023】
以下において、最初に、物体BJの形状の表現方法について説明し、これによってステップ#1及び2の物体特徴量の抽出と分析の処理内容の例を示す。次いで画像FGSの特徴量の算出方法の例について説明し、これによってステップ#3の画像特徴量の抽出の処理内容の例を示す。その次に、ステップ#4の照合処理について説明する。
【0024】
まず、物体BJの表現方法について説明する。
本発明において、形状の変化する物体BJについて、その形状データをいくつかの特徴量で表す。特徴量として、例えば特徴点の座標値を用いる。以下の説明においては、特徴量として特徴点の座標値を用いるが、本発明は物体の形状を何らかの数値で表現すれば適用可能であるので、それ以外の特徴量を用いることも可能である。
【0025】
図2は対象となる物体BJ1を5つの特徴点CP1〜5で表現した物体画像FGA1の例を示す図である。
図2(A)において、物体BJ1は、形状についての5つの特徴点CP1〜5によって代表されている。この場合には、物体BJ1は各特徴点CP1〜5を頂点とする多角形として表現される。各特徴点CP1〜5は、図2(B)に示すように、物体画像FGA1の座標系における座標値により表される。物体画像FGA1の左上端が原点(0,0)であり、原点から右方へ正のX座標が、原点から下方へ正のY座標が、それぞれ延びる。各特徴点CP1〜5の座標値はメモリに格納される。
【0026】
特徴点CP1〜5は、物体画像FGA1をディスプレイ装置の画面に表示した状態で、オペレータがそれぞれの特徴点CP1〜5をマウスなどのポインティングデバイスで指定することによって決定される。特徴点CP1〜5の指定によってそれらの座標値が取得され、メモリに格納される。特徴点CP1〜5の指定に当たって、オペレータは自身の判断基準に基づいて特徴点CP1〜5と思われる点を選択すればよいが、物体BJ1の外観形状の変曲点を選択することが多い。なお、画面に表示された物体画像FGA1の中から特徴点CP1〜5を指定するのではなく、オペレータが特徴点CP1〜5の座標値をキーボードなどから入力するようにしてもよい。
【0027】
上述のような操作及び処理を、同じ物体BJ1に対し、図3に示すような形状の異なる多数の物体画像FGA2〜4について行う。例えば物体BJ1が「口」又は「唇」である場合に、同一人物の口又は唇について撮影した多数のバリエーション画像について、それぞれの特徴点CP1〜5を選択して座標値を取得する。また、異なる人物のそれぞれの口を撮影した画像について、それぞれの特徴点CP1〜5を選択して座標値を取得する。つまり、この処理によって、同一の物体BJ1について、形状の異なる物体画像FGA2〜4の各特徴点CP1〜5の座標値がメモリに格納される。なお、同一人物についての画像であるか又は異なる人物についての画像であるかなど、どのような画像を用いるかは、物体検出の目的に依って決めればよい。
【0028】
このようにして得られた総ての物体画像FGA1〜4をテンプレートとしてテンプレートマッチングを行なえば、原理的には物体の形状変化に追従した物体検出が可能であるが、そうした場合には情報処理の量が膨大となって多大の処理時間が必要となり実用的でない。そこで、本実施形態においては、特徴量の変化を分析してそれら多数の物体画像FGA1〜4を整理することを考える。なお、本実施形態において、物体画像FGA1と物体画像FGA3とは同一であるので、物体画像FGA2〜4のみについて考える。
【0029】
図3に示される物体画像FGA2〜4の場合には、3つの物体画像FGA2〜4における特徴点CP1〜5の変化は、図4の矢印に示すように、右上方の特徴点CP4の位置が直線的に移動しているだけであり、他の特徴点CP1〜3,5は変化していないものと分析できる。
【0030】
そこで、統計学の主成分分析の手法を用い、このような分析を機械的に行なう。主成分分析とは、多数のデータについて、それらの各特徴量を平均値及び平均値からの代表的なずれの和の形で表現する手法である。具体的には、特徴量を確率変数と見なしたときの共分散行列の固有ベクトルを求める操作又は処理となる。特徴量として特徴点の座標値を用いる場合には、各特徴点の座標値を平均位置とその平均位置からの代表的なずれの和とで表現したものとなる。最も代表的なずれを第1主成分、2番目に代表的なずれを第2主成分と呼称し、以下同様に第3主成分、第4主成分…と呼称する。図4の特徴点列に対して主成分分析を適用すると、第1主成分として右上の特徴点CP4のみが移動するものが得られ、第2主成分以下は0(移動しない)となる。
【0031】
主成分分析について実例を上げて説明する。
図5及び図6は主成分分析の手法を説明するための図であり、図5は2枚の物体画像FGB1,2が入力された場合を示す図、図6は図5における平均値及び主成分ベクトルを数値で示す図である。なお、これらの例において、各物体画像FGBはそれぞれ2つの特徴点CP1,2の座標値によって表現されている。
【0032】
図5において、物体画像FGB1と物体画像FGB2とにおいて、各特徴点CP1,2のX座標は変化がなく、Y座標のみが変化している。各特徴点CP1,2の平均値(平均位置)は、各特徴点CP1,2のX座標又はY座標のそれぞれの平均値である。主成分ベクトルは、第1主成分についてのみ存在し、特徴点CP1についてはY軸に沿って負の方向(上方向)に向かう大きさ「50」のベクトルであり、特徴点CP2についてはY軸に沿って正の方向(下方向)に向かう大きさ「50」のベクトルである。つまり、各特徴点CP1,2の平均値及び主成分ベクトルは、全部の物体画像FGB1,2に対して共通である。これに対して、各主成分ベクトルに係る倍率(主成分の値)は、入力される物体画像FGB1,2毎に変化する。図5及び図6に示す例では、各物体画像FGB1,2の第1主成分の値は、それぞれ「1.0」「−1.0」となっている。
【0033】
図5に示す例では2枚の物体画像FGB1,2が入力されたが、例えば3枚の物体画像FGB1〜3が入力された場合には、第2主成分ベクトル及び第2主成分の値が存在する。一般に、複数枚の物体画像FGBが入力された場合において、各特徴点1,2,…の座標位置は、各特徴点の平均値、各主成分の値、及び各主成分ベクトルを用いて次のように表される。
【0034】
特徴点1のX座標=特徴点1のX座標の平均値+(第1主成分の値×第1主成分ベクトルの特徴点1のX座標成分)+(第2主成分の値×第2主成分ベクトルの特徴点1のX座標成分)+……
特徴点1のY座標=特徴点1のY座標の平均値+(第1主成分の値×第1主成分ベクトルの特徴点1のY座標成分)+(第2主成分の値×第2主成分ベクトルの特徴点1のY座標成分)+……
特徴点2のX座標=特徴点2のX座標の平均値+(第1主成分の値×第1主成分ベクトルの特徴点2のX座標成分)+(第2主成分の値×第2主成分ベクトルの特徴点2のX座標成分)+……
特徴点2のY座標=特徴点2のY座標の平均値+(第1主成分の値×第1主成分ベクトルの特徴点2のY座標成分)+(第2主成分の値×第2主成分ベクトルの特徴点2のY座標成分)+……
平均値及び主成分ベクトルは、計算機の内部ではこれらの式の数字を並べた図6に示すような配列として表現される。
【0035】
主成分分析の結果得られる物体BJの各特徴点CPの座標の平均値、主成分ベクトル、及び主成分の値が、物体BJについての分析された特徴量である。これらの各特徴点CPの座標の平均値及び主成分ベクトルを用いると、各主成分の値を変化させることによって物体BJの様々な形状を表現することができる。主成分ベクトルは平均値からの代表的なずれを表しているので、主要な少数の主成分ベクトルを考慮するだけで、物体BJの形状を精度良く表現することが可能である。したがって、主成分分析を行った特徴量を用いて物体検出を行うことにより、処理量が少なくなって短時間で精度の良い検出を行うことができる。なお、主成分分析の詳細に関しては、例えば「画像解析ハンドブック 第4版 第40〜44頁 東京大学出版会 1992年7月15日」を参照することができる。
【0036】
次に、画像FGSの特徴量の算出方法の例について説明する。
画像FGSは、一般的には、カメラなどにより撮影された濃淡画像である。濃淡画像である画像FGSは、負でない整数によって画素毎に明るさが表された2次元配列として表現される。
【0037】
図7は画像FGS1の例を示す図である。
図7において、各枡目は画素を示し、各枡目内の数値はその画素の濃度値を示す。この画像FGS1から特徴量を算出する。以下において、特徴量として特徴点の座標値を用いる場合の処理について説明する。
【0038】
画像FGSから特徴点を算出する方法の1つに、画像FGSを微分し、予め定めた設定値よりも大きな微分値を有する点(画素)を特徴点とする方法がある。これは、明るさの変化が激しい物体境界上の総ての点を特徴点と見なすものである。この方法を用いた特徴点算出の手順を以下に説明する。
(1)初期化
注目画素を、画像FGSの左上端から右下方に一画素分離れた位置に設定する。
(2)X微分値の計算
図8(A)に示すX微分ウインドウの中央の枡目を画像FGSの注目画素の位置に置き、ウインドウの各枡目に記述された数値とその位置の画素値とをそれぞれ掛け合わせ、9個の画素についてのそれぞれの結果を加算し、それを注目画素についてのX微分値とする。
(3)Y微分値の計算
図8(B)に示すY微分ウインドウの中央の枡目を画像FGSの注目画素の位置に置き、ウインドウの各枡目に記述された数値とその位置の画素値とをそれぞれ掛け合わせ、9個の画素についてのそれぞれの結果を加算し、それを注目画素についてのY微分値とする。
(4)微分値の計算
注目画素について、X微分値とY微分値との絶対値の和を求める。
(5)特徴点の出力
注目画素について、求められた微分値を予め定めたしきい値と比較し、微分値が設定値以上であるならば、注目画素の座標値を特徴点座標として出力する。
(6)画素の移動
注目画素を一画素分右に移動する。注目画素が画像FGSの右端の1つの手前まで来ている場合には、1画素分下へ移動させ且つ左端から一画素分右の画素に移動させる。それより下に移動できないときは終了する。
(7)繰り返し
X微分値の計算のステップに戻ってそれ以降を繰り返す。
【0039】
図9は図7に示す画像FGS1を図8に示すX微分ウインドウ及びY微分ウインドウによって微分した結果を示す図である。但し、最も外側の1行1列は除かれている。図9に示す微分結果に対して、しきい値が例えば「12」である場合には、中央の画素を除いた枠状に繋がる8個の画素の座標値が、画像FGS1の特徴点CQとして出力される。
【0040】
このように、画像FGS1を微分することによって検出された物体BJの輪郭(エッジ)を特徴量とすることができる。これによって、画像FGSが例えば人間の顔である場合に、その画像FGSに含まれる目、口、鼻などの輪郭を特徴量とすることができる。なお、例えば目が二重瞼の場合には、その輪郭が2画素分以上の幅を有することがある。そのような場合には、例えば最も外側の輪郭のみを特徴量とすればよい。
【0041】
なお、画像FGSの特徴量を抽出するために、例えばオペレータが画像FGSに含まれる輪郭をなぞって指定するなど、他の種々の方法を用いることが可能である。
【0042】
次に、画像FGSの特徴量と分析された物体BJの特徴量との照合処理を行って画像FGSから物体BJを検出する方法について説明する。
上述したように、主成分分析によって物体BJの形状を少数の変換(主成分の値)で表現することが可能となったので、それを可変形状のテンプレートマッチングによる画像FGSからの物体検出に適用する。
【0043】
図10は照合処理の例を示すフローチャート、図11は照合処理における座標系を説明する図である。
図11に示すように、主成分分析が行われた物体画像FGAの座標系を「テンプレート座標系」又は「物体座標系」、検出の対象となる画像FGSの座標系を「画像座標系」と言うことがある。
【0044】
図10において、位置の初期化を行い、テンプレート座標系の原点を画像座標系の原点に合わせる(#11)。ここでは各画像の左上端を原点とする。
形状検出処理を行う(#12)。形状検出処理では、その時点における座標系の位置対応で、画像FGSの特徴点CQと物体画像FGAの特徴点CPとが最も良く一致するように、各主成分の値を調節する。一致度が十分高い場合には、例えば一致度がしきい値Shを越える場合には(#13でイエス)、物体BJがその位置に存在すると判断し、調整された各主成分の値で定まる形状を出力する(#5)。
【0045】
一致度が十分高くない場合には(#13でノー)、物体画像を1画素分移動する(#14)。それより右へ移動できないときは1画素分下の左端へ移動させる。そしてステップ#12以降を繰り返す。それより右にも下にも移動できないときは終了する(#15でイエス)。
【0046】
上述の照合処理において、ステップ#11及びステップ#14,15は、従来からのテンプレートマッチングで用いられている処理である。上述の例では、画像FGS上で物体画像を1画素分ずつ移動させながら形状検出を行ったが、テンプレート座標系と画像座標系との位置対応が予め分かっている場合、又はそれらの位置対応が別の手段で定められる場合には、形状検出処理のみを行なえばよい。
【0047】
ステップ#12の形状検出処理において、画像FGSから抽出された(又は算出された)特徴点CQは一般には多数個存在するので、物体形状を表す特徴点CPと一致するか否かを照合してその一致の度合いを判断することは容易ではなく、処理に時間を要する。
【0048】
なお、特徴点CQと特徴点CPとが一致するとは、それぞれの点の画素が互いに完全に一致する場合、つまりそれぞれの点の画素の座標値が互いに等しい場合を含むことは当然であるが、それぞれの点の画素間の距離がX方向又はY方向に定められた画素数以内であるときを含めることができる。例えば、特徴点CQの1つの点と特徴点CPの1つの点とがX方向又はY方向にn画素以内であれば一致するものとし、nを例えば1、2、3、4、5、6…などの数値から選択して定めておけばよい。
【0049】
次に、形状検出処理における2つの検出照合方法について説明する。
図12は第1の検出照合方法を示すフローチャート、図13は第1の検出照合方法を説明する図、図14は第2の検出照合方法を示すフローチャート、図15は第2の検出照合方法を説明する図である。なお、これらのフローチャートは、図10のステップ#12と完全に対応している訳ではない。
【0050】
第1の検出照合方法では、図13に示すように、物体BJの特徴点CPにおける主成分の値を調節し、その特徴点CPを画像FGSの特徴点CQと最も良く一致するようにする。
【0051】
図12において、各主成分の値を「0」とする(#21)。各主成分の値を「0」とすることによって、物体BJの特徴点CPの平均値から検出照合を開始することとなる。
【0052】
その時点における主成分の値で定まる物体BJの特徴点CPの座標を算出し、画像FGSの特徴点CQとの一致度を算出する(#22)。一致度の算出に当たっては、例えば、物体BJの特徴点CPの個数のうち、画像FGSの特徴点CQと一致する点の割合を一致度とする。図2〜4に示す物体BJ1においては、特徴点CPが5個であるから、そのうちの3個が画像FGSの特徴点CQと一致した場合には、一致度は3/5となる。算出した一致度が前回までよりも大きいときには、今回の一致度及び主成分の値をメモリに記憶しておく。メモリには一致度を保持するための変数が設けられている。
【0053】
一致度が予め設定されたしきい値Shよりも大きくなった場合には終了する(#23でイエス)。一致度が小さいときには、主成分の値を微少変化させ(#24)、再度一致度を算出する(#22)。
【0054】
なお、主成分の値を微少変化させるに当たっては、例えば、一致度が良くなっている場合には、前回に微少変化させた方向と同じ方向に微少変化させ、一致度が悪くなっている場合には、前回に微少変化させた方向と逆の方向に微少変化させる。
【0055】
第2の検出照合方法では、図15に示すように、画像FGSの多数の特徴点CQのうちから選択された特徴点CQが物体BJの特徴点CPと一致するように主成分の値を計算し、一致度の良いものを探す。特徴点CQの選択に当たっては、例えば、主成分ベクトルが第n次まである場合に、n/2個の特徴点CQを選択する。つまり主成分ベクトルが第2次まである場合には、1個の特徴点CQを選択する。
【0056】
図14において、まず初期化を行う(#31)。初期化では、例えば画像FGSから抽出された特徴点CQを一列に並べる。また、算出された一致度及び主成分の値を保持するための変数をメモリ内に設ける。
【0057】
そして、特徴点CQのうちのいくつかをランダムに選択し、選択された特徴点CQと物体BJの特徴点CPとが一致するような主成分の値を計算する(#32)。つまり、特徴点CQ及び特徴点CPについて、主成分の値を未知数とし、X座標同士及びY座標同士をそれぞれ等しいと置いた連立方程式を解くことによって、主成分の値を計算する。この計算は、多元連立1次方程式を解くことに帰着されるので、簡単に実行することができる。
【0058】
その主成分の値によって定まる物体BJの特徴点CPの座標を算出し、それらの中で画像FGSから抽出された特徴点CQと一致するものの割合を一致度とする(#33)。
【0059】
一致度が予め設定されたしきい値Shよりも大きくなった場合には終了する(#34でイエス)。一致度が小さいときには、特徴点CQを変えて再度ステップ#32以降を繰り返す。
【0060】
さて、主成分の値を変化させたとき、画像FGSと物体画像FGAとの一致度が最大になるような主成分の値の組は1つとは限らない。上述した第1及び第2の検出照合方法においては、それまで算出した範囲で最大の一致度を与える主成分の値の組を求めるものであり、最大の一致度を与える主成分の値の組が複数存在する場合には、最初に見つかった組が選択されて出力される。
【0061】
そこで、次に説明するように、第1又は第2の検出照合方法のそれぞれに対し、付加的な評価基準を考慮することにより、最大の一致度を与える主成分の値のいずれかを優先させて出力することが可能となる。なお、その場合には、上述した検出照合方法の終了条件(ステップ#23,34)を変更し、例えば、繰り返し処理を一定回数行った場合に終了させればよい。
【0062】
まず第1の方法は、それまで算出した範囲での最大の一致度と、その一致度を与えた主成分の値をメモリなどに保持しておき、最大の一致度を与えた主成分の値の組が複数現れた時点で、それらのいずれかを優先させるものである。優先の評価基準は、例えば主成分の値の絶対値の総和、つまり(第1主成分の値の絶対値+第2主成分の絶対値+…)が小さい方を優先させる。この評価基準によると、特徴点CPが平均値に近い方を優先させることになり、物体BJの形状として無難なものを選択することを意味する。
【0063】
第2の方法は、画像FGSと物体画像FGAとの不一致度及び平均値からの遠さの重み付きの和を評価基準とし、この評価基準を最小値とする主成分の値を求める方法である。換言すれば、画像FGSと物体画像FGA,FGBとの不一致度及び各主成分の値の絶対値をそれぞれ変数とする評価関数に最小値を与える各主成分の値の組を求めて出力する方法である。
【0064】
ここで言う不一致度は、例えば一致度の正負の符号を逆にしたものである。平均値からの遠さとしては、例えば主成分の値の絶対値の総和、つまり(第1主成分の値の絶対値+第2主成分の絶対値+…)を用いる。この第2の方法を用いる場合には、第1及び第2の検出照合方法において、「一致度」の代わりに「評価基準」を使用し、「最大の一致度」とするところを「最小の評価基準値」と置き換えればよい。この評価基準も、平均値に近いものを優先させる効果がある。
【0065】
次に、上述した検出方法を実施するための検出装置1の例を説明する。
図16は本発明に係る検出装置1の構成の例を示すブロック図である。
図16において、検出装置1は、処理装置11、カメラ12、前処理部13、磁気ディスク装置14、CD−ROM装置15、フロッピィディスク装置16、ディスプレイ装置17、プリンタ18、キーボード19、マウス20、通信回線21などから構成されている。
【0066】
カメラ12によって対象物を撮影し、前処理部13によって種々の画像処理又は編集処理を行った後、処理装置11に対して画像FGSとして入力する。
磁気ディスク装置14には、上述の検出方法を実行するためのプログラム、画像FGA,FGB,FGS、特徴点CQ,CPの座標、平均値、主成分ベクトル、主成分の値などが格納されている。
【0067】
処理装置11にはメモリが設けられており、上述の種々のプログラム及びデータが必要に応じてロードされ又は生成させて記憶される。処理装置11がプログラムを実行することにより、上述した検出方法が遂行される。つまり、処理装置11は、本発明における第1〜第5の手段に相当する。検出方法を実行するためのプログラムは、例えば、CD−ROM又はフロッピィディスクなどの記録媒体に記録されて供給される。又は、通信回線21を介してオンラインロードされる。
【0068】
ディスプレイ装置17には画像FGA,FGB,FGSなどが表示され、キーボード19又はマウス20を操作して特徴点CQ,CPを指定することができる。
【0069】
このような検出装置1は、例えば適当なプログラムが格納されたワークステーション又はパーソナルコンピュータなどによって実現することができる。
図17は検出装置1の検出機能のみを示すブロック図である。
【0070】
図17において、検出装置1は、画像入力部51、特徴算出部52、分析部53、照合部54、出力部55などを有している。
画像入力部は、与えられた画像FGSを読み込む。特徴算出部52は、読み込まれた画像FGSから特徴点CQを求める。分析部53は、予め人手で入力された物体の特徴点CPを主成分分析の手法を用いて分析し、分析結果をメモリに格納しておく。照合部54は、画像FGSの特徴点CQと最も合うように、分析された特徴点CPの各主成分の値を調節する。出力部55は、各主成分の値により定まる物体の形状及び位置を出力する。
【0071】
出力部55からの出力は、画像FGSにおける物体BJの位置、物体BJの形状、又は物体BJの位置と形状などである。物体BJの位置は、例えば画像FGS中における画像FGAの原点の座標位置であり、物体BJの形状は、主成分の値、又はその主成分の値による特徴点CPの座標である。
【0072】
また、検出装置1において種々の応用プログラムを実行するように構成しておき、その応用プログラムの実行のために出力部55からの出力を用いるようにしてもよい。
【0073】
図18は本発明に係る方法を実行するためのプログラムの記録媒体STの形態の例を示す図である。
図18に示すように、処理装置PSに設けられた主メモリ、RAM、ROM、若しくはハードディスクなどの記憶装置STA、CD−ROM、フロッピーディスク、若しくは光磁気ディスクなどの可搬媒体STB、ネットワーク若しくは通信回線STDで結ばれたサーバ若しくはDASDなどの回線先媒体STC、又は通信回線STDそれ自体が、記録媒体STとして利用可能である。
【0074】
上述の実施形態において、検出装置1の全体又は各部の構成、処理の内容又は順序などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。
【0075】
【発明の効果】
請求項1乃至請求項の発明によると、画像の中から形状の変化する物体を精度よく且つ短時間で検出することができる。
【0076】
請求項の発明によると、画像特徴量として複数の特徴点の座標値を用いることにより、処理がより簡単となる。
請求項及び請求項の発明によると、最大の一致度を与える主成分の値のいずれかを優先させて出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る検出方法の処理の流れを示すフローチャートである。
【図2】対象となる物体を5つの特徴点で表現した物体画像の例を示す図である。
【図3】形状の異なる多数の物体画像の例を示す図である。
【図4】物体画像の特徴点の変化の様子を示す図である。
【図5】2枚の物体画像が入力された場合を示す図である。
【図6】図5に示す物体の特徴点の平均値及び主成分ベクトルのデータを示す図である。
【図7】入力された画像の例を濃度値で示す図である。
【図8】微分ウインドウの例を示す図である。
【図9】図7に示す画像を図8に示す微分ウインドウによって微分した結果を示す図である。
【図10】照合処理の例を示すフローチャートである。
【図11】照合処理における座標系を説明する図である。
【図12】第1の検出照合方法を示すフローチャートである。
【図13】第1の検出照合方法を説明する図である。
【図14】第2の検出照合方法を示すフローチャートである。
【図15】第2の検出照合方法を説明する図である。
【図16】本発明に係る検出装置の構成の例を示すブロック図である。
【図17】検出装置の検出機能のみを示すブロック図である。
【図18】プログラムの記録媒体の形態の例を示す図である。
【図19】従来のテンプレートマッチングの手法を説明する図である。
【符号の説明】
1 検出装置
11 処理装置(第1の手段、第2の手段、第3の手段、第4の手段、第5の手段)
12 カメラ
51 画像入力部
52 特徴算出部(第3の手段)
53 分析部(第2の手段)
54 照合部(第4の手段)
55 出力部(第5の手段)
BJ 物体
FGS 画像
FGA,FGB 物体画像
CP 特徴点(物体特徴量)
CQ 特徴点(画像特徴量)
STA,STB,STC,STD 記録媒体
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for detecting an object in an image and a recording medium, and more particularly, to an image processing for detecting an object having a change in shape.
[0002]
Detecting an object reflected in an image captured by a camera is a basic technique in image processing, and has various applications. For example, if the shape or position of the eyes, mouth, nose, etc. reflected in an image obtained by photographing a human face can be confirmed, the machine can recognize the human expression or posture. Enabled and extremely useful for human-machine communication.
[0003]
Under such circumstances, a method for accurately detecting an object having a change in shape in a short time is desired.
[0004]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method of detecting a target object from an image, template matching that scans a template representing the object on the image and searches for a position having a high degree of matching between the two to detect the object has been used. .
[0005]
For example, as shown in FIG. 19, the template TP representing the object BJ is moved in the horizontal direction and sequentially shifted in the vertical direction from the upper left end to the lower right end of the image FG, and the position of the object bj having the highest degree of coincidence during that time. Is detected.
[0006]
In this case, when the object bj has a fixed shape such as a bolt, a nut, or a hole of a drill, the template TP representing the object BJ may have a fixed shape.
[0007]
However, if the object bj is the same person, such as eyes, mouth, nose, etc., the shape of which changes depending on the expression, the template TP representing the object BJ must also have a variable shape. Must be used. Further, even if the shape itself is a fixed object, if the imaging direction of the object changes, the apparent shape changes accordingly, so it is necessary to use a variable-shaped template TP.
[0008]
When the template TP having a variable shape is used, the shape of the template TP is changed at each position when the template TP is scanned on the image FG, and the position of the object BJ having the highest matching degree and the shape of the template TP are changed. Is detected.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional template matching technique using the variable-shaped template TP, it is necessary to create the template TP in anticipation of a change in the shape of the object bj. Conventionally, an artificially created template is used for such a template TP. Therefore, the template TP cannot always follow the shape change of the target object bj, and the detection accuracy is reduced.
[0010]
In addition, when the template TP is scanned on the image FG and all the shapes of the changing object BJ are collated and the position and the shape having the highest matching degree are detected, the amount of information processing is reduced. There is a problem that it is enormous and takes a lot of time for detection and is not practical.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has a method and apparatus capable of accurately and quickly detecting an object whose shape changes from an image and a recording for executing such processing. The purpose is to provide a medium.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The method according to claim 1 is a method for detecting an object having a change in shape from an image, wherein the object has a shape. Digitized representing the object shape from multiple images containing A first step of extracting an object feature amount that is a feature amount, a second step of analyzing the object feature amount using a principal component analysis method, From a given image by a predetermined method A third step of extracting image features; Expressing the shape of the object with a small number of principal component values from the analyzed object feature amount, The image feature quantity and With variable shape template matching Collation Do A fourth step, wherein the shape and shape of the object Position A fifth step of outputting the position.
[0013]
The method according to claim 2 uses coordinate values of a plurality of feature points as the image feature amount. I In the first step, a plurality of images having similar shapes of the object are Shidu Specify number of feature points And that specified The coordinates of the feature points Request You.
[0014]
Claim 3 The method according to the invention is characterized in that, in the fourth step, the value of each principal component of the analyzed object feature is changed, and the analyzed object feature and the image feature are well matched. A set of values of each principal component is set as a matching result.
[0015]
Claim 4 In the method according to the present invention, in the fourth step, the value of each principal component is adjusted so that a part of the analyzed object feature and a part of the image feature are matched, and the adjustment is performed. Among a plurality of sets of values of each principal component, a set of values of each principal component when the analyzed object feature value and the image feature value match well is defined as a matching result.
[0016]
Claim 5 In the method according to the invention, in the fourth step, when there are a plurality of sets of the values of the principal components that best match, the set having the smallest absolute value of the values of the principal components is determined as the matching result.
[0017]
Claim 6 In the method according to the invention, in the fourth step, a minimum value is set to an evaluation function having a degree of inconsistency between the analyzed object feature amount and the image feature amount and an absolute value of each principal component value as variables. A set of the values of each principal component to be given is set as a matching result.
[0018]
Claim 7 In the method according to the invention, in the fifth step, the shape of the object determined by the value of each principal component as the matching result is output.
Claim 8 An apparatus according to the invention of the above is an apparatus for detecting an object having a change in shape from an image, wherein the object Digitized representing the object shape from multiple images containing First means for extracting an object feature amount as a feature amount, second means for analyzing the object feature amount using a principal component analysis technique, From a given image by a predetermined method Third means for extracting an image feature amount; Expressing the shape of the object with a small number of principal component values from the analyzed object feature amount, The image feature quantity and With variable shape template matching Collation Do Fourth means, and the shape and shape of the object according to the result of the verification. Position And a fifth means for outputting the position.
[0019]
Claim 9 The recording medium according to the invention is configured to detect an object having a shape change from an image. Digitized representing the object shape from multiple images containing A first step of extracting an object feature amount that is a feature amount, a second step of analyzing the object feature amount using a principal component analysis method, From a given image by a predetermined method A third step of extracting image features; Expressing the shape of the object with a small number of principal component values from the analyzed object feature amount, The image feature quantity and With variable shape template matching Collation Do A fourth step, wherein the shape and shape of the object Position And a computer-readable recording medium storing a program for causing a computer to execute the fifth step of outputting the position.
[0020]
In the detection method of the present invention, shape data of an object whose shape changes is analyzed by a principal component analysis method used in statistics. By designing a template having a variable shape based on the analysis result, the detection following the shape change of the object in the image is performed.
[0021]
The detection device of the present invention is realized using, for example, a personal computer or a workstation. A program for executing the method according to the present invention is stored in a recording medium such as a semiconductor memory, a hard disk, a CD-ROM, a floppy disk, or a magneto-optical disk. The program stored in the recording medium is loaded onto the main memory as appropriate, and is executed by the processing device. At that time, a drive device such as a CD-ROM drive, a floppy disk drive, or a magneto-optical disk drive is used as necessary. When the recording medium is provided in a server connected by a communication line such as a network, the program is read or downloaded from the server through the communication line. When the program is transferred to the processing device via a communication line, the communication line itself also corresponds to a recording medium. The program can be supplied to operate under various OSs, platforms, system environments, or network environments.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a flowchart showing the flow of the processing of the detection method according to the present invention.
In FIG. 1, an object feature is extracted (# 1), the extracted object feature is analyzed (# 2), an image feature is extracted (# 3), and a matching process is performed (# 4). Is output (# 5). The order and timing of the extraction and analysis of the object feature amount and the extraction of the image feature amount are arbitrary as long as they are before the collation processing.
[0023]
Hereinafter, a method of expressing the shape of the object BJ will be described first, and an example of the contents of the extraction and analysis of the object feature amounts in steps # 1 and # 2 will be described. Next, an example of a method of calculating the feature amount of the image FGS will be described, and thereby an example of the processing content of the image feature amount extraction in step # 3 will be described. Next, the collation processing in step # 4 will be described.
[0024]
First, a method of expressing the object BJ will be described.
In the present invention, the shape data of the object BJ whose shape changes is represented by some feature amounts. As the feature amount, for example, a coordinate value of a feature point is used. In the following description, the coordinate value of a feature point is used as a feature value. However, the present invention is applicable as long as the shape of an object is represented by some numerical value, and thus other feature values can be used.
[0025]
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an object image FGA1 in which a target object BJ1 is expressed by five feature points CP1 to CP5.
In FIG. 2A, the object BJ1 is represented by five characteristic points CP1 to CP5 of the shape. In this case, the object BJ1 is represented as a polygon having the feature points CP1 to CP5 as vertices. Each of the feature points CP1 to CP5 is represented by a coordinate value in the coordinate system of the object image FGA1, as shown in FIG. The upper left end of the object image FGA1 is the origin (0, 0), and a positive X coordinate extends rightward from the origin and a positive Y coordinate extends downward from the origin. The coordinate values of each of the feature points CP1 to CP5 are stored in the memory.
[0026]
The feature points CP1 to CP5 are determined by the operator designating each of the feature points CP1 to CP5 with a pointing device such as a mouse while the object image FGA1 is displayed on the screen of the display device. The coordinate values are obtained by designating the feature points CP1 to CP5 and stored in the memory. In specifying the feature points CP1 to CP5, the operator may select points that are considered to be the feature points CP1 to CP5 based on his or her own criteria, but often select an inflection point of the appearance shape of the object BJ1. Instead of specifying the feature points CP1 to CP5 from the object image FGA1 displayed on the screen, the operator may input the coordinate values of the feature points CP1 to CP5 from a keyboard or the like.
[0027]
The above-described operation and processing are performed on the same object BJ1 for many object images FGA2 to 4 having different shapes as shown in FIG. For example, when the object BJ1 is a "mouth" or a "lip", for each of a large number of variation images taken of the mouth or lips of the same person, the respective feature points CP1 to CP5 are selected and coordinate values are acquired. In addition, for images obtained by photographing the mouths of different persons, the respective feature points CP1 to CP5 are selected to acquire coordinate values. That is, by this processing, the coordinate values of the respective feature points CP1 to CP5 of the object images FGA2 to FGA4 having different shapes are stored in the memory for the same object BJ1. What kind of image to use, such as whether the image is for the same person or an image for a different person, may be determined depending on the object detection purpose.
[0028]
If template matching is performed using all the object images FGA1 to FGA4 obtained as templates as templates, it is possible in principle to detect an object following a change in the shape of the object. The volume is enormous, requiring a great deal of processing time, which is not practical. Therefore, in the present embodiment, it is considered that changes in the feature amount are analyzed to arrange these many object images FGA1 to FGA4. In the present embodiment, since the object images FGA1 and FGA3 are the same, only the object images FGA2 to FGA4 will be considered.
[0029]
In the case of the object images FGA2 to FGA4 shown in FIG. 3, the change of the feature points CP1 to CP5 in the three object images FGA2 to F4 is, as shown by the arrow in FIG. It can be analyzed that the other characteristic points CP1 to 3 and 5 have not changed since they are only moving linearly.
[0030]
Therefore, such analysis is performed mechanically using a principal component analysis technique of statistics. Principal component analysis is a method of expressing, for a large number of data, their respective feature amounts in the form of an average value and a sum of typical deviations from the average value. Specifically, it is an operation or a process of obtaining an eigenvector of a covariance matrix when the feature amount is regarded as a random variable. When the coordinate values of the feature points are used as the feature amounts, the coordinate values of each feature point are represented by an average position and a sum of representative deviations from the average position. The most typical deviation is referred to as a first principal component, the second most representative deviation is referred to as a second principal component, and similarly, a third principal component, a fourth principal component, and so on. When the principal component analysis is applied to the feature point sequence in FIG. 4, the first principal component in which only the upper right feature point CP4 moves is obtained, and the second principal component and below are 0 (do not move).
[0031]
Principal component analysis will be described with an actual example.
5 and 6 are diagrams for explaining the principal component analysis method. FIG. 5 is a diagram showing a case where two object images FGB1 and FGB2 are input, and FIG. 6 is a diagram showing the average value and main data in FIG. It is a figure which shows a component vector with a numerical value. In these examples, each object image FGB is represented by the coordinate values of two feature points CP1 and CP2.
[0032]
In FIG. 5, in the object image FGB1 and the object image FGB2, the X coordinate of each of the characteristic points CP1 and CP2 does not change, and only the Y coordinate changes. The average value (average position) of each feature point CP1, CP2 is the average value of the X coordinate or Y coordinate of each feature point CP1, CP2. The principal component vector exists only for the first principal component. The feature point CP1 is a vector having a size of “50” in the negative direction (upward) along the Y axis, and the feature point CP2 is the Y axis. Is a vector having a size of “50” heading in the positive direction (downward) along. That is, the average value and the principal component vector of each of the feature points CP1 and CP2 are common to all the object images FGB1 and FGB2. On the other hand, the magnification (principal component value) of each principal component vector changes for each of the input object images FGB1 and FGB2. In the examples shown in FIGS. 5 and 6, the values of the first principal components of the object images FGB1 and FGB2 are “1.0” and “−1.0”, respectively.
[0033]
In the example shown in FIG. 5, two object images FGB1 and FGB2 are input. For example, when three object images FGB1 to 3 are input, the values of the second principal component vector and the second principal component are changed. Exists. In general, when a plurality of object images FGB are input, the coordinate position of each of the feature points 1, 2,... Is calculated using the average value of each feature point, the value of each principal component, and each principal component vector. Is represented as
[0034]
X coordinate of feature point 1 = average value of X coordinate of feature point 1+ (value of first principal component × X coordinate component of feature point 1 of first principal component vector) + (value of second principal component × second value (X coordinate component of feature point 1 of principal component vector) + ...
Y coordinate of feature point 1 = average value of Y coordinate of feature point 1+ (value of first principal component × Y coordinate component of feature point 1 of first principal component vector) + (value of second principal component × second value Y coordinate component of feature point 1 of principal component vector) + ...
X coordinate of feature point 2 = average value of X coordinate of feature point 2+ (value of first principal component × X coordinate component of feature point 2 of first principal component vector) + (value of second principal component × second value X coordinate component of feature point 2 of principal component vector) + ...
Y coordinate of feature point 2 = average value of Y coordinate of feature point 2+ (value of first principal component × Y coordinate component of feature point 2 of first principal component vector) + (value of second principal component × second value Y coordinate component of feature point 2 of principal component vector) + ...
The average value and the principal component vector are represented inside the computer as an array as shown in FIG.
[0035]
The average value of the coordinates of each feature point CP of the object BJ obtained as a result of the principal component analysis, the principal component vector, and the value of the principal component are analyzed feature amounts of the object BJ. By using the average value of the coordinates of these feature points CP and the principal component vector, it is possible to express various shapes of the object BJ by changing the value of each principal component. Since the principal component vector represents a typical deviation from the average value, it is possible to accurately represent the shape of the object BJ only by considering a small number of principal component vectors. Therefore, by performing object detection by using the feature amount subjected to the principal component analysis, the amount of processing is reduced, and accurate detection can be performed in a short time. For details of the principal component analysis, see, for example, "Image Analysis Handbook, 4th Edition, pp. 40-44, University of Tokyo Press, July 15, 1992".
[0036]
Next, an example of a method of calculating the feature amount of the image FGS will be described.
The image FGS is generally a grayscale image captured by a camera or the like. The image FGS, which is a grayscale image, is represented as a two-dimensional array in which the brightness is represented for each pixel by a non-negative integer.
[0037]
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the image FGS1.
In FIG. 7, each cell indicates a pixel, and the numerical value in each cell indicates the density value of the pixel. The feature amount is calculated from the image FGS1. In the following, a process in the case of using the coordinate values of the feature points as the feature amounts will be described.
[0038]
One method of calculating a feature point from the image FGS is to differentiate the image FGS and use a point (pixel) having a derivative value larger than a predetermined set value as a feature point. This regards all points on the object boundary where the brightness changes drastically as feature points. The procedure of feature point calculation using this method will be described below.
(1) Initialization
The target pixel is set at a position separated by one pixel from the upper left end of the image FGS to the lower right.
(2) Calculation of X derivative
The grid at the center of the X differential window shown in FIG. 8A is placed at the position of the pixel of interest in the image FGS, and the numerical value described in each grid of the window is multiplied by the pixel value at that position to obtain 9 grids. Are added to each other, and the result is used as the X differential value for the pixel of interest.
(3) Calculation of Y differential value
The grid at the center of the Y differential window shown in FIG. 8B is placed at the position of the pixel of interest in the image FGS, and the numerical value described in each grid of the window is multiplied by the pixel value at that position to obtain nine pixels. Are added to each other, and the result is used as the Y differential value for the pixel of interest.
(4) Calculation of differential value
For the pixel of interest, the sum of the absolute values of the X differential value and the Y differential value is determined.
(5) Output of feature points
For the target pixel, the obtained differential value is compared with a predetermined threshold value, and if the differential value is equal to or larger than the set value, the coordinate value of the target pixel is output as the feature point coordinates.
(6) Pixel movement
The target pixel is moved right by one pixel. If the pixel of interest is located just before the right end of the image FGS, it is moved down by one pixel and moved to the right one pixel from the left end. If it cannot move below it, it ends.
(7) Repeat
The process returns to the step of calculating the X differential value, and the subsequent steps are repeated.
[0039]
FIG. 9 is a diagram showing the result of differentiating the image FGS1 shown in FIG. 7 with the X differential window and the Y differential window shown in FIG. However, the outermost one row and one column are excluded. When the threshold value is, for example, “12” with respect to the differentiation result shown in FIG. 9, the coordinate values of eight pixels connected in a frame shape excluding the center pixel are set as feature points CQ of the image FGS1. Is output.
[0040]
As described above, the contour (edge) of the object BJ detected by differentiating the image FGS1 can be used as the feature amount. Thus, when the image FGS is, for example, a human face, the contours of the eyes, mouth, nose, and the like included in the image FGS can be used as the feature amounts. For example, when the eyes are double eyelids, the outline may have a width of two pixels or more. In such a case, for example, only the outermost contour may be used as the feature amount.
[0041]
Note that various other methods can be used to extract the feature amount of the image FGS, such as, for example, the operator tracing and specifying a contour included in the image FGS.
[0042]
Next, a method for detecting the object BJ from the image FGS by performing a matching process between the feature amount of the image FGS and the analyzed feature amount of the object BJ will be described.
As described above, since the shape of the object BJ can be expressed by a small number of transformations (principal component values) by the principal component analysis, it is applied to the object detection from the image FGS by the template matching of the variable shape. I do.
[0043]
FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of the matching process, and FIG. 11 is a diagram illustrating a coordinate system in the matching process.
As shown in FIG. 11, the coordinate system of the object image FGA on which the principal component analysis has been performed is “template coordinate system” or “object coordinate system”, and the coordinate system of the image FGS to be detected is “image coordinate system”. I have something to say.
[0044]
In FIG. 10, the position is initialized, and the origin of the template coordinate system is matched with the origin of the image coordinate system (# 11). Here, the upper left end of each image is set as the origin.
A shape detection process is performed (# 12). In the shape detection processing, the value of each principal component is adjusted so that the feature point CQ of the image FGS and the feature point CP of the object image FGA best match with the position of the coordinate system at that time. When the degree of coincidence is sufficiently high, for example, when the degree of coincidence exceeds the threshold value Sh (Yes in # 13), it is determined that the object BJ exists at that position, and is determined by the adjusted values of the principal components. The shape is output (# 5).
[0045]
If the degree of coincidence is not sufficiently high (No in # 13), the object image is moved by one pixel (# 14). If it cannot be moved further to the right, it is moved to the left end one pixel below. Then, step # 12 and subsequent steps are repeated. If it is not possible to move to the right or below, the process ends (Yes in # 15).
[0046]
In the above-described collation processing, Step # 11 and Steps # 14 and # 15 are processing used in conventional template matching. In the above example, the shape detection was performed while moving the object image by one pixel on the image FGS. However, when the positional correspondence between the template coordinate system and the image coordinate system is known in advance, or when the positional correspondence between them is determined. If determined by another means, only the shape detection process needs to be performed.
[0047]
In the shape detection process in step # 12, since there are generally many feature points CQ extracted (or calculated) from the image FGS, it is checked whether or not the feature point CQ matches the feature point CP representing the object shape. It is not easy to judge the degree of the coincidence, and it takes time for processing.
[0048]
Note that the coincidence between the feature point CQ and the feature point CP naturally includes a case where the pixels of the respective points completely match each other, that is, a case where the coordinate values of the pixels of the respective points are equal to each other. The case where the distance between the pixels of each point is within the number of pixels determined in the X direction or the Y direction can be included. For example, if one point of the feature point CQ and one point of the feature point CP are within n pixels in the X direction or the Y direction, it is assumed that they match, and n is set to, for example, 1, 2, 3, 4, 5, 6, It may be determined by selecting from numerical values such as ....
[0049]
Next, two detection matching methods in the shape detection processing will be described.
12 is a flowchart illustrating a first detection / collation method, FIG. 13 is a diagram illustrating the first detection / collation method, FIG. 14 is a flowchart illustrating a second detection / collation method, and FIG. 15 is a flowchart illustrating the second detection / collation method. FIG. These flowcharts do not completely correspond to step # 12 in FIG.
[0050]
In the first detection and matching method, as shown in FIG. 13, the value of the principal component at the characteristic point CP of the object BJ is adjusted so that the characteristic point CP best matches the characteristic point CQ of the image FGS.
[0051]
In FIG. 12, the value of each principal component is set to “0” (# 21). By setting the value of each principal component to “0”, detection and matching is started from the average value of the characteristic points CP of the object BJ.
[0052]
The coordinates of the feature point CP of the object BJ determined by the value of the principal component at that time are calculated, and the degree of coincidence with the feature point CQ of the image FGS is calculated (# 22). In calculating the degree of coincidence, for example, the proportion of points that coincide with the characteristic point CQ of the image FGS among the number of characteristic points CP of the object BJ is set as the degree of coincidence. Since the object BJ1 shown in FIGS. 2 to 4 has five feature points CP, if three of them match the feature point CQ of the image FGS, the matching degree is 3/5. If the calculated degree of coincidence is higher than the previous one, the present degree of coincidence and the value of the principal component are stored in the memory. The memory is provided with variables for holding the degree of coincidence.
[0053]
If the degree of coincidence is greater than the preset threshold value Sh, the process ends (Yes in # 23). When the degree of coincidence is small, the value of the principal component is slightly changed (# 24), and the degree of coincidence is calculated again (# 22).
[0054]
In addition, when the value of the main component is slightly changed, for example, when the coincidence is improved, the value is slightly changed in the same direction as the direction in which the previous minutely changed, and when the coincidence is deteriorated. Is slightly changed in the direction opposite to the direction in which it was slightly changed last time.
[0055]
In the second detection and matching method, as shown in FIG. 15, the values of the principal components are calculated such that the feature point CQ selected from the many feature points CQ of the image FGS matches the feature point CP of the object BJ. And search for a good match. In selecting the feature points CQ, for example, when the principal component vectors are up to the n-th order, n / 2 feature points CQ are selected. That is, when the principal component vectors are up to the second order, one feature point CQ is selected.
[0056]
In FIG. 14, first, initialization is performed (# 31). In the initialization, for example, the feature points CQ extracted from the image FGS are arranged in a line. Further, a variable for holding the calculated degree of coincidence and the value of the principal component is provided in the memory.
[0057]
Then, some of the feature points CQ are randomly selected, and the values of the principal components are calculated so that the selected feature point CQ and the feature point CP of the object BJ match (# 32). That is, for the feature point CQ and the feature point CP, the values of the principal components are calculated by solving simultaneous equations in which the values of the principal components are unknown and the X coordinates and the Y coordinates are set to be equal. This calculation can be easily performed because it is reduced to solving a system of linear equations.
[0058]
The coordinates of the feature point CP of the object BJ determined by the value of the principal component are calculated, and the proportion of those that match the feature point CQ extracted from the image FGS is defined as the matching degree (# 33).
[0059]
If the degree of coincidence is larger than the preset threshold value Sh, the process ends (Yes in # 34). If the degree of coincidence is low, the feature point CQ is changed and step # 32 and subsequent steps are repeated again.
[0060]
By the way, when the value of the principal component is changed, the set of the value of the principal component that maximizes the degree of coincidence between the image FGS and the object image FGA is not limited to one. In the above-described first and second detection / collation methods, a set of principal component values that gives the maximum matching degree in the range calculated so far is obtained, and a set of principal component values that gives the maximum matching degree is obtained. If there are a plurality of, the first set found is selected and output.
[0061]
Therefore, as described below, for each of the first and second detection / matching methods, by taking into account an additional evaluation criterion, one of the principal component values giving the maximum matching degree is prioritized. Output. In this case, the termination conditions (steps # 23 and # 34) of the above-described detection / collation method may be changed, and for example, may be terminated when the repetition processing is performed a certain number of times.
[0062]
First, in the first method, the maximum matching degree in the range calculated so far and the value of the principal component giving the matching degree are stored in a memory or the like, and the value of the principal component giving the maximum matching degree is stored. When a plurality of pairs appear, one of them is prioritized. The priority evaluation criterion gives priority to, for example, the smaller of the sum of the absolute values of the principal component values, that is, (the absolute value of the first principal component value + the absolute value of the second principal component +...). According to this evaluation criterion, the one in which the feature point CP is closer to the average value is prioritized, which means that a safe shape is selected as the shape of the object BJ.
[0063]
The second method is a method in which the weighted sum of the degree of inconsistency between the image FGS and the object image FGA and the distance from the average is used as an evaluation criterion, and the value of the principal component that minimizes this evaluation criterion is obtained. . In other words, a method of obtaining and outputting a set of values of each principal component that gives a minimum value to an evaluation function using the degree of inconsistency between the image FGS and the object images FGA and FGB and the absolute value of each principal component value as variables. It is.
[0064]
The degree of inconsistency referred to here is, for example, a sign obtained by reversing the sign of the degree of coincidence. As the distance from the average value, for example, the sum of the absolute values of the principal component values, that is, (the absolute value of the first principal component value + the absolute value of the second principal component +...) Is used. In the case of using the second method, in the first and second detection / collation methods, the “evaluation criterion” is used instead of the “matching degree”, and the place of “maximum matching degree” is changed to “minimum matching degree”. It may be replaced with “evaluation reference value”. This evaluation criterion also has an effect of giving priority to an evaluation value close to the average value.
[0065]
Next, an example of the detection device 1 for performing the above-described detection method will be described.
FIG. 16 is a block diagram showing an example of the configuration of the detection device 1 according to the present invention.
16, the detection device 1 includes a processing device 11, a camera 12, a pre-processing unit 13, a magnetic disk device 14, a CD-ROM device 15, a floppy disk device 16, a display device 17, a printer 18, a keyboard 19, a mouse 20, It comprises a communication line 21 and the like.
[0066]
The object is photographed by the camera 12, and various image processing or editing processing is performed by the preprocessing unit 13, and then input to the processing device 11 as an image FGS.
The magnetic disk device 14 stores programs for executing the above-described detection method, images FGA, FGB, FGS, coordinates of feature points CQ and CP, average values, principal component vectors, principal component values, and the like. .
[0067]
The processing device 11 is provided with a memory, and the above-described various programs and data are loaded or generated and stored as needed. When the processing device 11 executes the program, the above-described detection method is performed. That is, the processing device 11 corresponds to first to fifth means in the present invention. A program for executing the detection method is supplied by being recorded on a recording medium such as a CD-ROM or a floppy disk, for example. Alternatively, it is loaded online via the communication line 21.
[0068]
Images FGA, FGB, FGS, and the like are displayed on the display device 17, and the user can operate the keyboard 19 or the mouse 20 to specify the feature points CQ and CP.
[0069]
Such a detection device 1 can be realized by, for example, a workstation or a personal computer in which an appropriate program is stored.
FIG. 17 is a block diagram showing only the detection function of the detection device 1.
[0070]
17, the detection device 1 includes an image input unit 51, a feature calculation unit 52, an analysis unit 53, a collation unit 54, an output unit 55, and the like.
The image input unit reads the given image FGS. The feature calculation unit 52 obtains a feature point CQ from the read image FGS. The analysis unit 53 analyzes the characteristic points CP of the object manually input in advance by using the principal component analysis method, and stores the analysis result in a memory. The matching unit 54 adjusts the value of each principal component of the analyzed feature point CP so as to best match the feature point CQ of the image FGS. The output unit 55 outputs the shape and position of the object determined by the value of each principal component.
[0071]
The output from the output unit 55 is the position of the object BJ in the image FGS, the shape of the object BJ, or the position and shape of the object BJ. The position of the object BJ is, for example, the coordinate position of the origin of the image FGA in the image FGS, and the shape of the object BJ is the value of the principal component or the coordinates of the feature point CP based on the value of the principal component.
[0072]
Alternatively, the detection device 1 may be configured to execute various application programs, and the output from the output unit 55 may be used to execute the application programs.
[0073]
FIG. 18 is a diagram showing an example of a form of a recording medium ST of a program for executing the method according to the present invention.
As shown in FIG. 18, a storage device STA such as a main memory, a RAM, a ROM, or a hard disk provided in the processing device PS, a portable medium STB such as a CD-ROM, a floppy disk, or a magneto-optical disk, a network, or a communication device A line destination medium STC such as a server or DASD connected by the line STD, or the communication line STD itself can be used as the recording medium ST.
[0074]
In the above-described embodiment, the configuration of the entire detection device 1 or each unit, the content or order of processing, and the like can be appropriately changed in accordance with the gist of the present invention.
[0075]
【The invention's effect】
Claim 1 to Claim 9 According to the invention, an object whose shape is changed can be accurately detected in an image in a short time.
[0076]
Claim 2 According to the present invention, the process is further simplified by using the coordinate values of a plurality of feature points as the image feature amount.
Claim 5 And claims 6 According to the invention, it is possible to prioritize and output any one of the values of the principal components giving the maximum coincidence.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a processing flow of a detection method according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an object image in which a target object is expressed by five feature points.
FIG. 3 is a diagram showing an example of many object images having different shapes.
FIG. 4 is a diagram showing a state of a change of a feature point of an object image.
FIG. 5 is a diagram illustrating a case where two object images are input.
FIG. 6 is a diagram showing average value of feature points and data of principal component vectors of the object shown in FIG. 5;
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an input image using density values.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a differentiation window.
9 is a diagram illustrating a result obtained by differentiating the image illustrated in FIG. 7 with a differentiation window illustrated in FIG. 8;
FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of a matching process.
FIG. 11 is a diagram illustrating a coordinate system in the matching processing.
FIG. 12 is a flowchart illustrating a first detection / collation method.
FIG. 13 is a diagram illustrating a first detection / collation method.
FIG. 14 is a flowchart illustrating a second detection / collation method.
FIG. 15 is a diagram illustrating a second detection / collation method.
FIG. 16 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a detection device according to the present invention.
FIG. 17 is a block diagram showing only a detection function of the detection device.
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a form of a recording medium of a program.
FIG. 19 is a diagram illustrating a conventional template matching method.
[Explanation of symbols]
1 Detector
11 processing apparatus (first means, second means, third means, fourth means, fifth means)
12 Camera
51 Image input unit
52 Feature calculation unit (third means)
53 Analysis unit (second means)
54 Collation Unit (Fourth Means)
55 output section (fifth means)
BJ object
FGS image
FGA, FGB object image
CP feature point (object feature amount)
CQ feature point (image feature amount)
STA, STB, STC, STD recording media

Claims (9)

画像の中から形状に変化のある物体を検出する方法であって、
前記物体が含まれる複数の画像から物体形状を表す数値化された特徴量である物体特徴量を抽出する第1のステップと、
前記物体特徴量を主成分分析の手法を用いて分析する第2のステップと、
与えられた画像から所定の方法により画像特徴量を抽出する第3のステップと、
前記分析された物体特徴量から物体の形状を少数の主成分の値で表現し、前記画像特徴量と可変形状のテンプレートマッチングで照合を行なう第4のステップと、
照合結果に応じて前記物体の形状及び位置を出力する第5のステップと、
を有してなることを特徴とする画像における物体の検出方法。
A method for detecting an object having a change in shape from an image,
A first step of extracting, from a plurality of images including the object, an object feature amount that is a digitized feature amount representing an object shape ;
A second step of analyzing the object feature using a principal component analysis technique;
A third step of extracting image features from a given image by a predetermined method ;
The shape of the object from the object feature amount said analysis represented by the value of a few main components, and a fourth step of performing matching in the template matching of the image feature amount and a variable shape,
A fifth step of outputting the shape及beauty position location of said object in accordance with the comparison result,
A method for detecting an object in an image, comprising:
前記画像特徴量として、複数の特徴点の座標値を用い、
前記第1のステップにおいて、前記物体についての形状の類似する複数のそれぞれの画像に対し複数の特徴点を指定し、その指定された特徴点の座標値を求める、
請求項1記載の画像における物体の検出方法。
As the image feature amount, you have use the coordinate values of a plurality of feature points,
In the first step, to specify multiple numbers of each Shi pair image multiple feature points similar shape for the object, Ru obtains the coordinates of the designated feature points,
The method for detecting an object in an image according to claim 1.
前記第4のステップにおいて、前記分析された物体特徴量の各主成分の値を変化させ、前記分析された物体特徴量と前記画像特徴量とがよく一致するときの各主成分の値の組を照合結果とする、
請求項1又は請求項に記載の画像における物体の検出方法。
In the fourth step, a value of each principal component of the analyzed object feature is changed, and a set of values of each principal component when the analyzed object feature and the image feature are well matched with each other. Is the matching result,
Detection method of an object in an image according to claim 1 or claim 2.
前記第4のステップにおいて、前記分析された物体特徴量の一部と前記画像特徴量の一部とが一致するように各主成分の値を調整し、調整された各主成分の値の複数の組のうち、前記分析された物体特徴量と前記画像特徴量とがよく一致するときの各主成分の値の組を照合結果とする、
請求項1又は請求項に記載の画像における物体の検出方法。
In the fourth step, the value of each principal component is adjusted so that a part of the analyzed object feature amount and a part of the image feature amount coincide with each other, and a plurality of adjusted principal component values are adjusted. Of the set, the set of the values of each principal component when the analyzed object feature amount and the image feature amount well match is set as a matching result.
Detection method of an object in an image according to claim 1 or claim 2.
前記第4のステップにおいて、最もよく一致する各主成分の値の組が複数存在する場合に、各主成分の値の絶対値の最も小さい組を照合結果とする、
請求項又は請求項記載の画像における物体の検出方法。
In the fourth step, when there are a plurality of sets of the values of the principal components that best match each other, the set having the smallest absolute value of the values of the principal components is set as the matching result.
Method of detecting objects in claim 3 or claim 4, wherein the image.
前記第4のステップにおいて、前記分析された物体特徴量と前記画像特徴量との不一致度及び各主成分の値の絶対値をそれぞれ変数とする評価関数に最小値を与える各主成分の値の組を照合結果とする、
請求項又は請求項記載の画像における物体の検出方法。
In the fourth step, the degree of inconsistency between the analyzed object feature amount and the image feature amount and the value of each principal component that gives a minimum value to an evaluation function that uses the absolute value of each principal component value as a variable are The set is the matching result,
Method of detecting objects in claim 3 or claim 4, wherein the image.
前記第5のステップにおいて、前記照合結果である各主成分の値によって定まる物体の形状を出力する、
請求項乃至請求項のいずれかに記載の画像における物体の検出方法。
In the fifth step, outputting a shape of an object determined by a value of each principal component as the matching result,
Detection method of an object in an image according to any one of claims 3 to 6.
画像の中から形状に変化のある物体を検出する装置であって、
前記物体が含まれる複数の画像から物体形状を表す数値化された特徴量である物体特徴量を抽出する第1の手段と、
前記物体特徴量を主成分分析の手法を用いて分析する第2の手段と、
与えられた画像から所定の方法により画像特徴量を抽出する第3の手段と、
前記分析された物体特徴量から物体の形状を少数の主成分の値で表現し、前記画像特徴量と可変形状のテンプレートマッチングで照合を行なう第4の手段と、
照合結果に応じて前記物体の形状及び位置を出力する第5の手段と、
を有してなることを特徴とする画像における物体の検出装置。
An apparatus for detecting an object having a shape change from an image,
First means for extracting, from a plurality of images including the object, an object feature amount which is a digitized feature amount representing an object shape ;
Second means for analyzing the object feature using a principal component analysis technique;
Third means for extracting an image feature from a given image by a predetermined method ,
And fourth means for performing said parsed from the object feature amount object shape expressed by the value of a small number of principal components, matching in the template matching of the image feature amount and a variable shape,
And fifth means for outputting a shape及beauty position location of said object in accordance with the comparison result,
A device for detecting an object in an image, comprising:
画像の中から形状に変化のある物体を検出するために、
前記物体が含まれる複数の画像から物体形状を表す数値化された特徴量である物体特徴量を抽出する第1のステップと、
前記物体特徴量を主成分分析の手法を用いて分析する第2のステップと、
与えられた画像から所定の方法により画像特徴量を抽出する第3のステップと、
前記分析された物体特徴量から物体の形状を少数の主成分の値で表現し、前記画像特徴量と可変形状のテンプレートマッチングで照合を行なう第4のステップと、
照合結果に応じて前記物体の形状及び位置を出力する第5のステップと、
をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータが読み取り可能な記録媒体。
In order to detect objects that change shape in the image,
A first step of extracting, from a plurality of images including the object, an object feature amount that is a digitized feature amount representing an object shape ;
A second step of analyzing the object feature using a principal component analysis technique;
A third step of extracting image features from a given image by a predetermined method ;
The shape of the object from the object feature amount said analysis represented by the value of a few main components, and a fourth step of performing matching in the template matching of the image feature amount and a variable shape,
A fifth step of outputting the shape及beauty position location of said object in accordance with the comparison result,
And a computer-readable recording medium storing a program for causing a computer to execute the program.
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