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JP6196597B2 - Physical motion estimation method and apparatus - Google Patents
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Description

本発明は、移動する物体の動きを推定する方法及び装置に関し、より詳細には、人、車、川及び海などの監視映像において、移動する物体の動きの特徴と状況変化を画像処理により推定する方法および装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for estimating the movement of a moving object, and more specifically, by using image processing to estimate the movement characteristics and status changes of a moving object in a monitoring image of a person, a car, a river, and the sea. Relates to a method and apparatus.

実環境において、環境の状況を理解するために、遠隔で移動する物体の移動及び変形の時間変化を、移動対象物体を撮影したカメラ画像などを通じて、解析することは重要な手段の一つとなっている。一方で、移動対象物体の中には、センサを装着できないもの、不定特定多数の人、車及び雲、波といった自然現象、体内の細胞、赤血球など、多くの対象が存在する。特に、剛体系が重心の追従が可能であるのに対して、流体系は重心をもたないため、表面の形状、テクスチャの変化を精度よく検出することが課題となっている。剛体系についても単体から多数の移動体が視線上、折り重なって見える場合は個々の動きよりも全体としての流れに関心が移るため、ダイナミック・テクスチャと呼ばれるように、流体系と同様に扱われることが多い。   In order to understand the situation of the environment in the real environment, it is one of the important means to analyze the time change of the movement and deformation of the remotely moving object through the camera image etc. which photographed the moving target object. Yes. On the other hand, among moving objects, there are many objects such as those that cannot be equipped with sensors, a large number of unspecified people, cars and clouds, natural phenomena such as waves, cells in the body, and red blood cells. In particular, the rigid system can follow the center of gravity, whereas the fluid system does not have a center of gravity. Therefore, it is a problem to accurately detect changes in the shape and texture of the surface. As for the rigid system, if a large number of moving bodies appear to be folded on the line of sight, attention is transferred to the flow as a whole rather than individual movements, so it is treated in the same way as a fluid system, called dynamic texture. There are many.

J.L. Barron, D.J. Fleet, and S.S. Beauchemin, “Performance of optical flow techniques”, IJCV, vol. 12, no. 1, pp. 43-77, 1994.J.L.Barron, D.J.Fleet, and S.S.Beauchemin, “Performance of optical flow techniques”, IJCV, vol. 12, no. 1, pp. 43-77, 1994. 堀川清司,[新編]“海岸工学”,東京大学出版会,1981.Seiji Horikawa, [New] “Coastal Engineering”, University of Tokyo Press, 1981.

推定される画像上の見かけの動きベクトルはオプティカルフローあるいはフロー(flow)とも言われている。オプティカルフローの多くのモデルは滑らかな流れにおいてフローを推定することは可能であるが、分岐、すれ違い、及び衝突などにおいて生じる不連続的な流れについては、フローの平滑化処理のために、分岐などがわかるようなオプティカルフローモデルが得られにくいという課題があった。   The apparent motion vector on the estimated image is also referred to as an optical flow or a flow. Many models of optical flow can estimate the flow in a smooth flow, but for the discontinuous flow that occurs in bifurcation, passing, collision, etc. There is a problem that it is difficult to obtain an optical flow model that understands.

従来より流体モデルに基づいたオプティカルフローの推定方法が数多く示されてきている。具体的には、数値シミュレーションで一般的に用いられているナビエ・ストークス(NS)方程式や連続方程式などがある。しかし、NS式は連続的な流れ、不連続的な流れの速度を計算の解として導くことができる一方で、フローを推定するときの目的関数の最小化問題においては、解として不連続的なフローが得られない。これは、最小化問題において、反復計算において解が収束していくための条件に、NS式の解がなるべく滑らかになることが含まれているためである。NS式は、特に、流体特性を示すレイノイズ数(Re)が数千程度までを弱い乱流までを許容するモデルである。そのため、自然現象に見られるようなReが5000以上の強い乱流を伴った動き(オプティカルフロー)を安定かつ精度よく推定することが課題の一つであった。また、広く用いられている画像の輝度の時系列的な変化が一定という拘束条件は、適用範囲が限定的であるという問題があった。   Many methods for estimating an optical flow based on a fluid model have been shown. Specifically, there are Navier-Stokes (NS) equations and continuous equations that are generally used in numerical simulations. However, NS can derive continuous and discontinuous flow velocities as a computational solution, while the objective function minimization problem when estimating flow is discontinuous as a solution. The flow cannot be obtained. This is because, in the minimization problem, the condition for the solution to converge in the iterative calculation includes that the NS equation solution is as smooth as possible. The NS formula is a model that permits a turbulent flow up to a few thousand Ray Ray numbers (Re) indicating fluid characteristics. Therefore, it has been one of the problems to stably and accurately estimate a motion (optical flow) accompanied by a strong turbulent flow with Re of 5000 or more as seen in a natural phenomenon. Further, the constraint condition that the time-series change in luminance of an image that is widely used is constant has a problem that the application range is limited.

移動する物体の動き推定は、コンピュータビジョン(CV)においても重要な位置を占めている。別の基本的な動き検出方法として、MPEGに代表される符号化の分野で用いられている相互相関(CC)法(パターンマッチング法)が知られている(例えば非特許文献1)。CC法は、連続する2枚の画像間の類似性を相互相関関数などにより評価し、類似する領域を画像間の移動距離(ベクトル)とみなすものである。精度をあげるために、画像を複数のブロックに分割して、それぞれのブロックの移動距離を求める。ここで、CC法は、類似する画像間で輝度変動がないことが前提条件となっている。しかし実際には、屋外において移動対象の表面が見かけの輝度が変形とともに変化するため、画像間において単純な対応づけができなくなることが知られている。   Motion estimation of moving objects occupies an important position in computer vision (CV). As another basic motion detection method, a cross-correlation (CC) method (pattern matching method) used in the field of encoding typified by MPEG is known (for example, Non-Patent Document 1). In the CC method, similarity between two consecutive images is evaluated by a cross-correlation function or the like, and a similar region is regarded as a movement distance (vector) between images. In order to improve accuracy, the image is divided into a plurality of blocks, and the movement distance of each block is obtained. Here, the CC method is premised on that there is no luminance variation between similar images. However, in practice, it is known that since the apparent brightness of the surface of the moving object changes with deformation outdoors, it is not possible to simply associate images.

移動する物体の動き(オプティカルフロー)を推定する際の問題において、数多くの拘束条件が提案され、用いられている(非特許文献1参照)。その多くは、フローの滑らかさに関するものであり、滑らかさの程度は、適用する対象の違い、画像領域、テクスチャに関わらず、同一のもの、固定化されたものである。具体的には、拘束条件として、オプティカルフローモデルの空間一次微分、二次微分を行うこと等が代表的である。そのため、従来において、画像内における動きの推定精度を向上させるには、限界があった。特に、不連続的な動き推定に難があった。   Numerous constraint conditions have been proposed and used in the problem of estimating the motion (optical flow) of a moving object (see Non-Patent Document 1). Most of them relate to the smoothness of the flow, and the degree of smoothness is the same or fixed regardless of the difference in the application target, the image area, and the texture. Specifically, as a constraint condition, it is typical to perform spatial primary differentiation and secondary differentiation of the optical flow model. Therefore, conventionally, there has been a limit to improving the accuracy of motion estimation in an image. In particular, there was difficulty in discontinuous motion estimation.

このような問題及び課題を解決するために、本発明の第1の態様は、移動する物体の連続及び不連続な動きを同時に推定する方法であって、データ入力部により移動する物体の時系列画像を取り込むステップと、前記時系列画像の画像データをデータ蓄積部に保存するステップと、前記移動する物体のモデルパラメータを推定するステップであって、前記モデルパラメータは、画像の輝度の時系列的な変化を表す波生成方程式と、画像処理における動き推定モデルであるオプティカルフローモデルとを統合した、連続及び不連続な動きを含む波現象の特性を表現する波に関する数理モデルの目的関数により推定され、前記目的関数は、波の分散関係式による拘束条件を含み、前記推定するステップは、第一の最適化部において、前記画像データのノイズの影響を緩和するためのロバスト関数を前記目的関数に適用して、前記目的関数の最小化問題の枠組みで前記モデルパラメータを粗く推定する第一の最適化ステップと、第二の最適化部において、前記波生成方程式の項の数及び目的関数を適用する画像領域の大きさであるモデルパラメータを第一の最適計算で推定されるパラメータの統計量に基づいて最適化する第二の最適化ステップとを含む、ステップと、収束判定部において、前記推定されたモデルパラメータに基づいてパラメータに関する頻度分布を求め、事前に設定された統計モデルと照らし合わせを行うことにより前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性を判定するステップと、前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性が高いと判断した場合、前記モデルパラメータが所定の精度に達したものと判定して、前記モデルパラメータの最終結果を表示部において表示するステップと、前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性が低いと判定した場合、前記波生成方程式の項の数及び前記目的関数を適用する画像領域の大きさであるモデルパラメータを変更した上で、前記第一の最適化ステップに戻るステップとを含むことを特徴とする。   In order to solve such problems and problems, a first aspect of the present invention is a method for simultaneously estimating continuous and discontinuous movements of a moving object, the time series of the object moving by a data input unit A step of capturing an image, a step of storing image data of the time-series image in a data storage unit, and a step of estimating a model parameter of the moving object, wherein the model parameter is a time-series of luminance of the image It is estimated by an objective function of a mathematical model for waves that expresses the characteristics of wave phenomena including continuous and discontinuous motion, which integrates the wave generation equation that expresses various changes and the optical flow model that is a motion estimation model in image processing. The objective function includes a constraint condition based on a wave dispersion relational expression, and the estimating step includes the step of estimating the image data in a first optimization unit. A first optimization step for roughly estimating the model parameters in the framework of a minimization problem of the objective function by applying a robust function for mitigating the influence of noise to the objective function, and a second optimization A second optimization that optimizes the number of terms of the wave generation equation and a model parameter that is a size of an image area to which the objective function is applied based on a parameter statistic estimated by the first optimization calculation. And a convergence determination unit that obtains a frequency distribution related to the parameter based on the estimated model parameter, and compares the parameter with the statistical model set in advance. Determining similarity with the model, and determining that the similarity between the model parameter and the statistical model is high, If it is determined that the model parameter has reached a predetermined accuracy, the step of displaying the final result of the model parameter on the display unit, and it is determined that the similarity between the model parameter and the statistical model is low, the wave And changing the number of terms of the generation equation and the model parameter which is the size of the image area to which the objective function is applied, and then returning to the first optimization step.

また、本発明の第2の態様は、第1の態様の方法であって、前記モデルパラメータは、オプティカルフローの縦及び横の成分と、波数と、周波数と、位相とが含まれることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the method according to the first aspect, wherein the model parameter includes vertical and horizontal components of an optical flow, a wave number, a frequency, and a phase. And

また、本発明の第3の態様は、第1又は第2の態様であって、前記拘束条件の式の項数は、前記目的関数の項数に連動して変化することを特徴とする。   A third aspect of the present invention is the first or second aspect, characterized in that the number of terms in the constraint condition expression changes in conjunction with the number of terms in the objective function.

また、本発明の第4の態様は、第1乃至第3のいずれか1つの態様であって、前記収束判定部において、移動する対象ごとに特化した動きに関する特徴を統計分布モデルとして用いることを特徴とする。   In addition, a fourth aspect of the present invention is any one of the first to third aspects, wherein the convergence determination unit uses, as a statistical distribution model, a feature relating to movement specialized for each moving object. It is characterized by.

また、本発明の第5の態様は、移動する物体の連続及び不連続な動きを同時に推定する装置であって、移動する物体の時系列画像を取り込むデータ入力部と、前記時系列画像の画像データを保存するデータ蓄積部と、前記移動する物体のモデルパラメータを推定する最適化部であって、前記モデルパラメータは、画像の輝度の時系列的な変化を表す波生成方程式と、画像処理における動き推定モデルであるオプティカルフローモデルとを統合した、連続及び不連続な動きを含む波現象の特性を表現する波に関する数理モデルの目的関数により推定され、前記目的関数は、波の分散関係式による拘束条件を含み、前記最適化部は、画像データのノイズの影響を緩和するためのロバスト関数を前記目的関数に適用して、前記目的関数の最小化問題の枠組みで前記モデルパラメータを粗く推定する第一の最適化部と、前記波生成方程式の項の数及び目的関数を適用する画像領域の大きさであるモデルパラメータを第一の最適計算で推定されるパラメータの統計量に基づいて最適化する第二の最適化部とを含む、最適化部と、前記推定されたモデルパラメータに基づいてパラメータに関する頻度分布を求め、事前に設定された統計モデルと照らし合わせを行うことにより前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性を判定する収束判定部であって、前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性が低いと判定した場合、前記波生成方程式の項の数及び前記目的関数を適用する画像領域の大きさであるモデルパラメータを変更した上で、前記第一の最適化部に前記移動する物体のモデルパラメータを推定させる、収束判定部と、収束判定部において、前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性が高いと判断した場合、前記モデルパラメータが所定の精度に達したものと判定して最終結果を表示する表示部と、を含むことを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an apparatus for simultaneously estimating continuous and discontinuous movements of a moving object, a data input unit for capturing a time-series image of the moving object, and an image of the time-series image. A data storage unit that stores data, and an optimization unit that estimates a model parameter of the moving object, the model parameter including a wave generation equation representing a time-series change in luminance of an image, and image processing It is estimated by the objective function of a mathematical model for waves that expresses the characteristics of wave phenomena including continuous and discontinuous motion, integrated with the optical flow model, which is a motion estimation model. The optimization unit includes a constraint condition, and the optimization unit applies a robust function for reducing the influence of noise of the image data to the objective function, thereby minimizing the objective function. A first optimization unit that roughly estimates the model parameters in a framework, and a model parameter that is the size of an image region to which the number of terms of the wave generation equation and an objective function are applied is estimated by a first optimal calculation A second optimization unit that optimizes based on a parameter statistic, and obtains a frequency distribution related to the parameter based on the estimated model parameter, and compares it with a statistical model set in advance. A convergence determination unit that determines the similarity between the model parameter and the statistical model by performing matching, and when determining that the similarity between the model parameter and the statistical model is low, the term of the wave generation equation And the model parameter, which is the size of the image area to which the objective function is applied, is changed, and the moving object model is moved to the first optimization unit. When the convergence determination unit and the convergence determination unit determine that the model parameter and the statistical model are highly similar, the final determination is made that the model parameter has reached a predetermined accuracy. And a display unit for displaying the result.

また、本発明の第6の態様は、第5の態様であって、前記モデルパラメータは、オプティカルフローの縦及び横の成分と、波数と、周波数と、位相とが含まれることを特徴とする。   The sixth aspect of the present invention is the fifth aspect, wherein the model parameter includes vertical and horizontal components of an optical flow, a wave number, a frequency, and a phase. .

また、本発明の第7の態様は、第5又は第6の態様であって、前記拘束条件の式の項数は、前記目的関数の項数に連動して変化することを特徴とする。   The seventh aspect of the present invention is the fifth or sixth aspect, wherein the number of terms in the constraint condition expression changes in conjunction with the number of terms in the objective function.

また、本発明の第8の態様は、第5乃至第7のいずれかひとつの態様であって、前記収束判定部において、移動する対象ごとに特化した動きに関する特徴を統計分布モデルとして用いることを特徴とする。   In addition, an eighth aspect of the present invention is any one of the fifth to seventh aspects, wherein the convergence determination unit uses, as a statistical distribution model, a feature relating to a movement specialized for each moving object. It is characterized by.

本発明によれば、従来の動き推定法では得られなかった分岐のある流れ、衝突時の反射のある流れ、及び渦の回転のある流れなど、連続的な動きに加えて、不連続的な動きを伴うような流れのある時系列画像における動きを推定することができる。   According to the present invention, in addition to continuous motion, such as a flow with a branch, a flow with a reflection at the time of collision, and a flow with a vortex rotation, which are not obtained by the conventional motion estimation method, a discontinuous motion is obtained. It is possible to estimate a motion in a time-series image having a flow that accompanies motion.

本発明の1実施形態に係る動き推定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the motion estimation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の1実施形態に係る動き推定方法の処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a process of the motion estimation method which concerns on one Embodiment of this invention. 移動対象を写した連続した2枚の画像((a)及び(b))から波物理モデルに基づいた対応づけを行う方法に関する概念を示す図である。(a)及び(b)は移動対象の連続する2つの画像であり、(c)は(a)の画像におけるフローベクトルの基底を示す図であり、(d)は(b)の画像におけるフローベクトルを示す画像である。It is a figure which shows the concept regarding the method of matching based on a wave physical model from two continuous images ((a) and (b)) which copied the moving object. (A) and (b) are two continuous images to be moved, (c) is a diagram showing the basis of a flow vector in the image of (a), and (d) is a flow in the image of (b). It is an image which shows a vector. 本発明における移動する物体の画像において分割された画像を示す図である。(a)物体の画像において分割された画像を示し、(b)は分割部分のフローベクトルを示す画像である。It is a figure which shows the image divided | segmented in the image of the moving object in this invention. (A) The image divided | segmented in the image of an object is shown, (b) is an image which shows the flow vector of a division part. 本実施形態における収束判定において使用されるヒストグラム分布を示す図である。(a)はブレッドシュナイダーのエネルギースペクトラム分布の実験データ(a)を示す図である。(b)はフロー推定においてMを変えたときのヒストグラム分布を示す図である。It is a figure which shows the histogram distribution used in the convergence determination in this embodiment. (A) is a figure which shows the experimental data (a) of energy spectrum distribution of a bread schneider. (B) is a figure which shows histogram distribution when M is changed in flow estimation. 左方より右方へ数千以上の高いレイノイズ数を乱流を画像で撮影し、流れが途中の障害物に衝突したときの様子を示す図である。(a)は従来法による動き推定、(b)は本発明による動き推定を示している。It is a figure which shows a mode when a turbulent flow is image | photographed with the image of the ray noise of several thousand or more from the left to the right, and the flow collided with the obstacle in the middle. (A) shows motion estimation by the conventional method, and (b) shows motion estimation by the present invention. 渦状の時系列画像における動き推定を示す図である。(a)は従来法における動き推定、(b)は本発明における動き推定を示している。It is a figure which shows the motion estimation in a spiral time series image. (A) shows motion estimation in the conventional method, and (b) shows motion estimation in the present invention. 従来法と本発明法とによるフローの推定誤差評価の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the estimation error evaluation of the flow by the conventional method and this invention method.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る動き推定装置100の構成を示すブロック図である。動き推定装置100は、画像データ入力部110と、画像データ入力部100からの画像データを蓄積する画像データ蓄積部120とを備える。また、動き推定装置100は、画像データ蓄積部120に蓄積された画像データと、移動する物体の動きを推定するための流体モデルとを使用して、動き推定を行うために流体モデルのモデルパラメータを粗く推定する第一の最適化部130と、第一の最適化部130によリ推定されたモデルパラメータを基にモデルパラメータの更なる最適化を行う第二の最適化部140とを備える。また、動き推定装置100は、第二の最適化部130において最適化されたモデルパラメータが所定の制度に達したか否かを判定する収束判定部150と、所定の精度に達したモデルパラメータの値を表示する表示部160と、第二の最適化部130において最適化されたモデルパラメータが所定の制度に達していない場合に、再度動き推定を行うためにモデルパラメータの値を変更するパラメータ変更部170とを備える。なお、画像データ入力部110は、カメラ115に接続されている。カメラ115は、動き推定装置100内に含まれていても、外部に接続されていてもよい。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a motion estimation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. The motion estimation apparatus 100 includes an image data input unit 110 and an image data storage unit 120 that stores image data from the image data input unit 100. In addition, the motion estimation apparatus 100 uses the image data stored in the image data storage unit 120 and the fluid model for estimating the motion of the moving object, and performs model estimation of the fluid model to perform motion estimation. And a second optimization unit 140 that further optimizes the model parameters based on the model parameters estimated by the first optimization unit 130. . In addition, the motion estimation apparatus 100 includes a convergence determination unit 150 that determines whether the model parameter optimized by the second optimization unit 130 has reached a predetermined system, and a model parameter that has reached a predetermined accuracy. Parameter change for changing the value of the model parameter in order to perform motion estimation again when the model parameter optimized by the display unit 160 for displaying the value and the second optimization unit 130 does not reach a predetermined system Unit 170. The image data input unit 110 is connected to the camera 115. The camera 115 may be included in the motion estimation device 100 or may be connected to the outside.

図2は本発明の1実施形態に係る動き推定方法の処理の流れを示すフローチャートである。本実施形態は、まず、ステップ210において、カメラやセンサから取得して得られる対象物の時系列画像、又は動画等の画像データを、データ入力部110から取り込む。ステップ220において、取り込んだ画像データをデータ蓄積部120に保存する。   FIG. 2 is a flowchart showing a process flow of the motion estimation method according to the embodiment of the present invention. In this embodiment, first, in step 210, image data such as a time-series image or a moving image of an object obtained by acquisition from a camera or a sensor is captured from the data input unit 110. In step 220, the captured image data is stored in the data storage unit 120.

次に、ステップ230において、移動する物体の動きを推定するための流体モデルを定義する。ここで、本実施形態における流体モデルは、連続及び不連続な動きを含む波現象の特性を表現する波に関する数理モデルであり、画像の輝度の時系列的な変化が複数の三角関数の項の和からなる波生成方程式と、画像処理における動き推定モデルである、オプティカルフローモデルとを統合して目的関数として定義した。流体モデルについては、まず、画像の輝度の時系列的な変化が複数の三角関数の項の和からなる波生成方程式を定義する。次に、定義した波生成方程式をオプティカルフローモデルに適用し、解の安定性、フローベクトル推定の精度の向上を図るための波の分散関係式による拘束条件と、画像データのノイズや外れ値の影響を緩和するロバスト関数を適用して、目的関数を定義する。   Next, in step 230, a fluid model for estimating the motion of the moving object is defined. Here, the fluid model in the present embodiment is a mathematical model relating to a wave that expresses characteristics of a wave phenomenon including continuous and discontinuous motion, and a time-series change in the luminance of an image is a term of a plurality of trigonometric functions. The wave generation equation consisting of the sum and the optical flow model, which is a motion estimation model in image processing, are integrated and defined as an objective function. For the fluid model, first, a wave generation equation is defined in which a time-series change in luminance of an image is made up of the sum of a plurality of trigonometric terms. Next, the defined wave generation equation is applied to the optical flow model, and the constraint condition by the wave dispersion relational expression for improving the stability of the solution and the accuracy of the flow vector estimation, and the noise and outlier of the image data Define an objective function by applying a robust function that mitigates the effects.

次に、ステップ240において、第一段階の最適化を行う。第一段階の最適化においては、第一の最適化部130において、ステップ220において取り込んだ画像データに目的関数を適用して、目的関数の最小化問題の枠組みにより、画像データのノイズや外れ値の影響を緩和して、モデルパラメータを粗く推定する。具体的には、オプティカルフローモデルのフローベクトルの縦横の成分、更には一定画像領域の波の波数、周波数、位相、及び見かけの厚さを推定する。   Next, in step 240, the first stage of optimization is performed. In the first stage optimization, the first optimization unit 130 applies the objective function to the image data captured in step 220, and the noise and outliers of the image data are applied according to the framework of the objective function minimization problem. The model parameters are estimated roughly. Specifically, the vertical and horizontal components of the flow vector of the optical flow model, as well as the wave number, frequency, phase, and apparent thickness of a wave in a fixed image region are estimated.

ステップ240においてモデルパラメータを粗く推定した後、ステップ250において、第二段階の最適化を行う。第二段階の最適化は、第二の最適化部140において波生成方程式の項の数や目的関数を適用する画像領域の大きさなどといったモデルパラメータを第一段階の最適化において推定されるモデルパラメータ、特に周波数などの統計量に基づいて更に最適化する。   After roughly estimating the model parameters in step 240, a second stage of optimization is performed in step 250. In the second stage optimization, the second optimization unit 140 estimates model parameters such as the number of wave generation equation terms and the size of the image area to which the objective function is applied in the first stage optimization. Further optimization is based on parameters, especially statistics such as frequency.

ステップ260において、推定されたモデルパラメータに基づいてパラメータに関する頻度分布を求める。   In step 260, a frequency distribution for the parameter is obtained based on the estimated model parameter.

その後、ステップ270において、収束判定を行う。収束判定部150において、ステップ260において求められたパラメータに関する頻度分布と、事前に設定された統計モデルと照らし合わせを行って、推定されたモデルパラメータと事前に設定された統計モデルとの類似性を判定する。   Thereafter, in step 270, convergence determination is performed. In the convergence determination unit 150, the frequency distribution related to the parameter obtained in step 260 is compared with the statistical model set in advance, and the similarity between the estimated model parameter and the statistical model set in advance is determined. judge.

ステップ270において、推定されたモデルパラメータと統計モデルとの類似性が高いと判定された場合、ステップ280において、モデルパラメータが所定の精度に達したものと判定してモデルパラメータの最終結果を表示部160に表示する。   If it is determined in step 270 that the similarity between the estimated model parameter and the statistical model is high, it is determined in step 280 that the model parameter has reached a predetermined accuracy, and the final result of the model parameter is displayed on the display unit. 160.

一方で、ステップ270において推定されたモデルパラメータと統計モデルとの類似性が低いと判定された場合は、ステップ290において画像領域の大きさや項数といったモデルパラメータを変更した上で、再度、ステップ240に戻り、第一の最適化及び第二の最適化を行い、モデルパラメータを最適化する。繰り返し最適化計算を行うことで、連続的及び不連続的な波を含むフローを同時に推定することができる。   On the other hand, when it is determined that the similarity between the model parameter estimated in step 270 and the statistical model is low, the model parameter such as the size of the image area and the number of terms is changed in step 290 and then step 240 is performed again. Returning to step 1, the first optimization and the second optimization are performed to optimize the model parameters. By performing the optimization calculation repeatedly, it is possible to simultaneously estimate flows including continuous and discontinuous waves.

上記において、モデルパラメータには、オプティカルフローの縦横の成分に加えて、波数、周波数及び位相が含まれている。また、拘束条件の項数が目的関数の項数に連動して大小に変化すること、さらに、収束判定部において、移動する対象ごとに特化した動きに関する特徴を統計分布モデルとして用いることができる。   In the above, the model parameter includes the wave number, frequency, and phase in addition to the vertical and horizontal components of the optical flow. In addition, the number of terms in the constraint condition changes in conjunction with the number of terms in the objective function, and furthermore, the convergence determination unit can use a feature relating to movement specialized for each moving object as a statistical distribution model. .

図3は、移動対象を写した連続した2枚の画像から波物理モデルに基づいた対応づけを行う方法に関する概念を示す図である。図3において、移動対象は水面における波を例としている。図2のステップ210において、カメラやセンサから取得して得られる対象物の時系列画像、又は動画等の画像データを、データ入力部から取り込む。取り込んだ画像のうち、連続する2枚の画像が、図3の(a)(時刻t−1)及び(b)(時刻t)である。図2のステップ220において、取り込んだ連続する2枚の画像である図3の(a)及び(b)の画像データをデータ蓄積部に保存する。   FIG. 3 is a diagram illustrating a concept regarding a method for performing association based on a wave physical model from two consecutive images in which a moving object is copied. In FIG. 3, the moving object is exemplified by waves on the water surface. In step 210 of FIG. 2, image data such as a time-series image or a moving image of an object obtained by acquisition from a camera or a sensor is captured from the data input unit. Among the captured images, two consecutive images are (a) (time t-1) and (b) (time t) in FIG. In step 220 in FIG. 2, the image data of FIGS. 3A and 3B, which are two consecutive images that have been captured, are stored in the data storage unit.

次に、図2のステップ230において、取り込んだ画像内の移動する物体の動きベクトル(フローベクトル)を推定するための流体モデルを定義する。本実施形態の流体モデルは、連続及び不連続な動きを含む波現象の特性を表現する波に関する数理モデルであり、波物理現象(非特許文献2参照)に関する数理モデル(波生成方程式)と、画像処理又はコンピュータビジョン(CV)の枠組みにおける動き推定モデルである、オプティカルフローモデルとを統合させた目的関数であることを特徴としている。カメラ視線からみた移動対象については、時間の変化と共に変形を伴うことも少なくない。特に、自然現象において、雲、波及び煙などは、変形を伴う移動対象の典型的な例である。これらの移動対象は、見かけの表面のテクスチャ、輪郭線などが時間ごとに変化するために、移動対象を画像間の対応づけ、フローベクトルの推定を行うためには、モデルが必要である。   Next, in step 230 of FIG. 2, a fluid model for estimating a motion vector (flow vector) of a moving object in the captured image is defined. The fluid model of the present embodiment is a mathematical model related to a wave that expresses characteristics of a wave phenomenon including continuous and discontinuous movements, and includes a mathematical model (wave generation equation) related to a wave physical phenomenon (see Non-Patent Document 2), It is an objective function integrated with an optical flow model, which is a motion estimation model in the framework of image processing or computer vision (CV). The moving object viewed from the camera line of view is often accompanied by deformation with time. In particular, in natural phenomena, clouds, waves, smoke, and the like are typical examples of moving objects with deformation. Since the apparent surface texture, contour line, and the like of these moving objects change with time, a model is required to associate the moving objects between images and to estimate a flow vector.

そこで、画像内における移動、変形をする対象について、剛体、流体に関わらず、2次元位置(x,y)、時間tにおける見かけの移動対象の高さ(画像の輝度)を、H(x,y,t)とする。また、ある画像領域における波は、異なった波数、周波数、位相をさまざまな波が線形に重なり合ったものと近似する。すると、ある時間tにおける波の画像の輝度は、   Therefore, regarding the object to be moved or deformed in the image, the height (image brightness) of the apparent moving object at the two-dimensional position (x, y) and time t is set to H (x, y, t). In addition, waves in a certain image region approximate different wave numbers, frequencies, and phases as a linear overlap of various waves. Then, the luminance of the wave image at a certain time t is

という波生成方程式により表現される。ここで、Mは線形和の項数である。また、aは第m番目の波の振幅、(kx,m,ky,m)は第m番目の波の波数、fは第m番目の波の周波数、θは第m番目の波の位相である。項数Mの決定方法は後述する。 It is expressed by the wave generation equation. Here, M is the number of terms of the linear sum. A m is the amplitude of the m-th wave, (k x, m , k y, m ) is the wave number of the m-th wave, f m is the frequency of the m-th wave, and θ m is the m-th wave. Is the phase of the wave. A method for determining the number of terms M will be described later.

図3において、連続した2枚の波画像(時刻t−1及びt)を入力としたとき、波画像内の局所的なフローベクトルを推定するために、2枚の画像間において対応づけを行う。まず、時刻t−1において、取得した波画像(図3(a))の一部の領域内に複数の基底を与える(多重基底:図3(c))。次に時刻tにおいて取得した波画像(図3(b))において、図3(c)の基底に対応する位置における物体は、図3(a)に対して移動、変形する。ここで、図3(a)の基底と、図3(b)の基底に対応する位置との間のベクトルを推定されるフローベクトルとみなす(図3(d))。図3の波のような流体現象の場合は、移動対象の移動と変形のため、対応付けが乱れる問題があったが、式(1)に従って輝度が変化することを考慮した目的関数を加味することで、画像間の対応付けの乱れは緩和される。局所的な画像領域においても、式(1)に示すように複数の三角関数基底から構成されている数理モデルにより表現される。   In FIG. 3, when two continuous wave images (time t-1 and t) are input, in order to estimate a local flow vector in the wave image, the two images are associated with each other. . First, at time t−1, a plurality of bases are given in a partial region of the acquired wave image (FIG. 3A) (multiple bases: FIG. 3C). Next, in the wave image acquired at time t (FIG. 3B), the object at the position corresponding to the base in FIG. 3C moves and deforms with respect to FIG. Here, a vector between the base in FIG. 3A and a position corresponding to the base in FIG. 3B is regarded as an estimated flow vector (FIG. 3D). In the case of a fluid phenomenon such as a wave in FIG. 3, there is a problem that the association is disturbed due to the movement and deformation of the moving object. However, an objective function that takes into account that the luminance changes according to Equation (1) is added. As a result, the disturbance of association between images is alleviated. A local image region is also expressed by a mathematical model made up of a plurality of trigonometric function bases as shown in equation (1).

次に、式(1)の波生成方程式の特性をオプティカルフローモデルに取り入れるために、CVにおけるオプティカルフロー法の枠組みについて述べる。入力する画像1枚の輝度をI(x,y,t)で定義し、単位時間当たりの輝度の変化が一定ではないとする。すなわち、   Next, the framework of the optical flow method in CV will be described in order to incorporate the characteristics of the wave generation equation of equation (1) into the optical flow model. Assume that the luminance of one input image is defined by I (x, y, t), and the luminance change per unit time is not constant. That is,

である。続いて、輝度の変化量については、式(1)の数理モデルを用いると、 It is. Subsequently, for the amount of change in luminance, using the mathematical model of Equation (1),

と表される。ここで、推定されるフローベクトルを、 It is expressed. Here, the estimated flow vector is

とおく。“tr”はベクトルの転置を示す。式(3)の左辺において、テイラー展開をすると、 far. “Tr” indicates transposition of a vector. On the left side of equation (3), when Taylor expansion is performed,

となる。ここで、Ix、Iy、Itはそれぞれx、y、tに関する一次微分である。 It becomes. Here, Ix, Iy, and It are first-order derivatives with respect to x, y, and t, respectively.

以上より、式(3)を整理すると、   From the above, when formula (3) is organized,

を得る。ここで、 Get. here,

である。 It is.

数理モデル(波生成方程式)を下記の目的関数に組み入れる準備として、式(5)を2次形式の誤差関数として定義する。   In preparation for incorporating a mathematical model (wave generation equation) into the objective function described below, Equation (5) is defined as an error function of a quadratic form.

フローベクトルの推定において、フローベクトルに関する拘束条件を付加することにより、解の安定性やフローベクトル推定の精度の向上がなされることが知られている。そのため、本発明においてもフローベクトルに関する拘束条件を加味して目的関数を定義する。なお、式(1)の数理モデルにおいては、波の連続性と不連続性の両方の表現が含まれていることに注意する。そこで、速度に関する波物理特性として分散関係式を目的関数に導入する。この分散関係式は、波数が増加すると角周波数が増加することを示すものである。分散関係式は、   It is known that the stability of the solution and the accuracy of the flow vector estimation can be improved by adding a constraint condition related to the flow vector in the estimation of the flow vector. Therefore, also in the present invention, the objective function is defined in consideration of the constraint condition regarding the flow vector. Note that the mathematical model of Equation (1) includes both wave continuity and discontinuity expressions. Therefore, a dispersion relational expression is introduced into the objective function as wave physical characteristics related to velocity. This dispersion relational expression indicates that the angular frequency increases as the wave number increases. The dispersion relation is

で定義される。ここで、ωは角周波数、kは波数、hは見かけの厚さ、gは重力である。 Defined by Here, ω is an angular frequency, k is a wave number, h is an apparent thickness, and g is gravity.

なお、直接的に見かけの深さを見いだすのは困難であるが、後述する第一段階の最適化において、式(7)のk、h及びgの3つのパラメータがバランスをもつようにフローベクトルを推定していく。   Although it is difficult to find the apparent depth directly, in the first stage optimization described later, the flow vector is set so that the three parameters k, h, and g in Equation (7) are balanced. Will be estimated.

他の基本的な変数について、1/fは周期、L=2π/kは波長である。また、スカラー速度cはω=ckと表される。本発明では、式(7)においてtanh(x)を扱いやすくするために、テイラー展開   For other basic variables, 1 / f is the period and L = 2π / k is the wavelength. The scalar speed c is expressed as ω = ck. In the present invention, in order to make tanh (x) easy to handle in Equation (7), Taylor expansion is used.

により近似した。ただし、 Approximated by However,

である。 It is.

これにより、式(7)は、   Thus, equation (7) becomes

と定義できる。ここで、cはフローベクトルにより、 Can be defined. Where c is a flow vector,

と関係づけられる。以上、式(8)、(9)より、新しい速度に関する拘束条件として次を得た。 Related. As described above, the following is obtained as a constraint on the new speed from the equations (8) and (9).

ただし、 However,

ここで、 here,

は、ユークリッドノルムである。 Is the Euclidean norm.

第一段階の最適化(図2のステップ240)において、モデルパラメータを推定するが、データにはノイズが含まれている。したがって、この外れ値の影響を少なくするために、ロバスト推定法を適用して目的関数を定義する。本実施形態においては、ロバスト関数ρとしてローレンツ関数を選択した。σは形状パラメータと呼ばれており、5.0とおいた。また、式(6)と式(10)の影響具合について重み係数をηとおく。本実施形態では、このηを最適化する。さらに、2次元画像領域をΩとおく。以上より、本発明の最終的な目的関数は、   In the first stage optimization (step 240 in FIG. 2), model parameters are estimated, but the data contains noise. Therefore, in order to reduce the influence of this outlier, the objective function is defined by applying a robust estimation method. In the present embodiment, a Lorentz function is selected as the robust function ρ. σ is called a shape parameter and is set to 5.0. In addition, the weighting coefficient is set to η for the influence of the expressions (6) and (10). In this embodiment, this η is optimized. Further, the two-dimensional image area is set to Ω. From the above, the final objective function of the present invention is

となる。ただし、 It becomes. However,

である。 It is.

第一段階の最適化(図2のステップ240)において、画像データのノイズや外れ値の影響を緩和するためにロバスト関数を適用した目的関数(式(11))の最小化問題の枠組においてモデルパラメータを粗く推定する。具体的には、式(6)と式(10)より定義した目的関数(式(11))を使用して、8個の未知数を推定する。ここで、第一の最適化において推定する8つのパラメータは、u、v、k、k、f、θ、hである。連続した2枚の画像について、2枚の異なる時間の画像の対応する一定画像領域より複数の極所的なパラメータを算出し、それぞれ目的関数に代入していくことにより目的関数を最小化する。目的関数の最小化により、8つのパラメータがバランスよく推定されることになる。式(11)については、M、Ωの初期値を与えることで、最小化問題として解くことができ、画像データからフローベクトルをΩごとに推定することができる。 In the optimization of the first stage (step 240 in FIG. 2), a model is used in the framework of the minimization problem of the objective function (equation (11)) to which the robust function is applied in order to reduce the influence of noise and outliers of the image data. Estimate the parameters roughly. Specifically, eight unknowns are estimated using the objective function (Formula (11)) defined from Formula (6) and Formula (10). Here, the eight parameters estimated in the first optimization are u, v, k x , k y , f, θ, and h. For two consecutive images, a plurality of local parameters are calculated from corresponding constant image regions of two images at different times, and each is substituted into the objective function to minimize the objective function. By minimizing the objective function, the eight parameters are estimated in a well-balanced manner. Formula (11) can be solved as a minimization problem by giving initial values of M and Ω, and a flow vector can be estimated for each Ω from image data.

式(11)の第一項のρimg、第二項のρvelはそれぞれロバスト関数である。式(11)は、η=0でも解くことはできる。e及びe1,mはM項からなる複数の基底をもつ。eのFWは一定画像領域内において、異なる波数 In the equation (11), ρ img in the first term and ρ vel in the second term are robust functions, respectively. Equation (11) can be solved even when η = 0. e 0 and e 1, m have a plurality of bases composed of M terms. e 0 FW has different wavenumbers within a certain image area

と見かけの厚さhをM項含むため、e1,mの項数もMである。一方で、項数Mが推定された場合は、 To include M section thickness h m of the apparent and, e 1, the number of terms m also M. On the other hand, if the number of terms M is estimated,

の項数Mも変わる。画像領域の大きさは|Ω|は、次のように最適化した。第一の最適化において、式(11)は、初期値|Ω|とMが与えられると、共役勾配法(Conjugate Gradient(CG))より最小化させることができる。収束性を高めるため、ロバスト関数中のσは反復回数とともに、一定値から小さくした。式(11)において、9つの未知数に関してその一次微分値を用いた。反復計算は、反復誤差が0.001未満になるまで続けられた。第一段階の最適化においては、反復計算に際して、初期値として、|Ω|=10×10pixelと、M=3とを与えた。また、9つの未知数の初期値は0とおいた。 The number of terms M also changes. The size of the image area was optimized as follows. In the first optimization, Equation (11) can be minimized by a conjugate gradient method (CG) given an initial value | Ω | and M. In order to improve convergence, σ in the robust function was decreased from a constant value along with the number of iterations. In the equation (11), the first derivative values are used for nine unknowns. The iterative calculation was continued until the iteration error was less than 0.001. In the first stage optimization, | Ω | = 10 × 10 pixels and M = 3 were given as initial values in the iterative calculation. The initial values of the nine unknowns were set to 0.

計算を進めるためには、画像I(x,y,t)を計算空間内で離散化した。ここで、   In order to proceed with the calculation, the image I (x, y, t) was discretized in the calculation space. here,

とおいた。ただし、n=1,2,・・・と整数である。 I put it. However, n = 1, 2,...

Δx=Δy=Δt=1.0
I(x,y,t)のx,y,tの偏微分値は有限差分法により、
Δx = Δy = Δt = 1.0
The partial differential values of x, y, t of I (x, y, t) are obtained by the finite difference method.

とおいた。Mを除いて、すべての未知数は実数である。大きさ|Ω|pixelsは1枚の画像よりも小さく、計算を進めるときは、Ωを重複させながら行った。 I put it. Except for M, all unknowns are real numbers. The size | Ω | pixels is smaller than one image, and the calculation was performed while overlapping Ω.

第二段階の最適化(図2のステップ250)は、波生成方程式の項の数や目的関数を適用する画像領域の大きさなどといったモデルパラメータを、第一段階の最適化において推定される周波数などの統計量に基づいて最適化する。第二段階の最適化においては、M及び|Ω|の最適化のために、第1の最適化により推定される周波数の画像内での生起頻度数を与える。   In the second stage optimization (step 250 in FIG. 2), the model parameters such as the number of terms of the wave generation equation and the size of the image area to which the objective function is applied are determined by the frequency estimated in the first stage optimization. Optimize based on such statistics. In the second stage of optimization, for the optimization of M and | Ω |, the number of occurrence frequencies in the image of the frequency estimated by the first optimization is given.

図4は、本発明における移動する物体の画像において分割された画像を示す図である。図4において、渦を巻いているハリケーン画像を画像分割の例としている。   FIG. 4 is a diagram showing an image divided in an image of a moving object in the present invention. In FIG. 4, a hurricane image having a spiral is taken as an example of image division.

Mが大きい場合は、式(1)の多項式の項数が増える。多項式の項数の増加により、cos-sine基底の線形の重ね合わせを行うことができ、異なる画像の表面やテクスチャについて幅広く近似することが可能である。一方で、2次元画像領域Ωの大きさ|Ω|が大きくなる場合は、フローベクトルはより平滑化されたものになる。したがって、局所的な動きを得るためには、|Ω|を小さくする必要がある。それゆえに、M及び|Ω|のそれぞれの大きさを最適化することによりフローベクトルの推定精度は向上する。図4(a)のように渦を巻いているハリケーン画像においては、小さい画像|Ω|を複数重ね合わせている。また、図4(b)には、推定されるフローの一部を例として示している。   When M is large, the number of terms of the polynomial in equation (1) increases. By increasing the number of terms in the polynomial, linear superposition of cos-sine bases can be performed, and the surface and texture of different images can be approximated widely. On the other hand, when the size | Ω | of the two-dimensional image region Ω increases, the flow vector becomes smoother. Therefore, in order to obtain local motion, it is necessary to reduce | Ω |. Therefore, the flow vector estimation accuracy is improved by optimizing the magnitudes of M and | Ω |. In the hurricane image swirling as shown in FIG. 4A, a plurality of small images | Ω | FIG. 4B shows a part of the estimated flow as an example.

式(11)の目的関数において、波物理特性が2つの拘束条件として含められたが、M、|Ω|については、式(11)の目的関数(第一段階の最適化)だけでは最適化することが困難である。そこで本実施形態では、推定されたモデルパラメータについて、収束判定(図2のステップ270)を行う。収束判定は、波物理現象の枠組みにおいて、実環境のさまざまな方向性や大きき、スケールをもつ波現象を観測された統計モデルを利用して、推定されたモデルパラメータに基づいてパラメータに関する頻度分布を求めて(図2のステップ260)、事前に設定された統計モデルと比較することにより行う。このような統計モデルの一つに、ブレッドシュナイダー(Bredtschneider)のエネルギースペクトラム分布があり、   In the objective function of Equation (11), wave physical characteristics are included as two constraints, but M and | Ω | are optimized only by the objective function of Equation (11) (first stage optimization). Difficult to do. Therefore, in the present embodiment, a convergence determination (step 270 in FIG. 2) is performed for the estimated model parameter. Convergence determination is a frequency distribution of parameters based on estimated model parameters using a statistical model in which wave phenomena with various directions, sizes, and scales in the real environment are observed in the framework of wave physics. (Step 260 in FIG. 2) is performed by comparing with a preset statistical model. One such statistical model is the breadth Schneider energy spectrum distribution,

と記述される。ここで、H及びTは定数であり、Hは有義波高と、Tは有義周期と呼ばれている。 It is described. Here, H * and T * are constants, H * is called a significant wave height, and T * is called a significant period.

図5は、本実施形態における収束判定において使用されるヒストグラム分布を示す図である。図5(a)はブレッドシュナイダーのエネルギースペクトラム分布の実験データ(a)を示す図である。また、図5(b)はフロー推定においてMを変えたときのヒストグラム分布を示す図である。式(11)より推定された図5(a)が示すように、ブレッドシュナイダーのエネルギースペクトラム分布は単峰性であり、縦軸は無次元化周波数を、横軸はエネルギースペクトラムを示す。分布の帯域は広く、中心ピークはやや低周波数側にあるのが特徴である。時系列画像と式(11)の目的関数からは、複数のパラメータが推定されるが、周波数ごとにエネルギーが変わるものと仮定した。これについては、画像中、周波数ごとに得られる画素数より、ヒストグラムをつくる。これを|Ω|の局所的な画像領域ごとに得る。続いて、大局的なヒストグラムを得るために、すべての|Ω|に関して平均値を求めた。このとき、ヒストグラムの平均値の面積は1になるように正規化した。   FIG. 5 is a diagram showing a histogram distribution used in convergence determination in the present embodiment. FIG. 5A is a diagram showing experimental data (a) of the energy spectrum distribution of Bread Schneider. FIG. 5B is a diagram showing a histogram distribution when M is changed in flow estimation. As shown in FIG. 5A estimated from the equation (11), the energy spectrum distribution of the bread schneider is unimodal, the vertical axis indicates the dimensionless frequency, and the horizontal axis indicates the energy spectrum. The distribution band is wide and the central peak is slightly on the low frequency side. A plurality of parameters are estimated from the time-series image and the objective function of equation (11), but it is assumed that the energy changes for each frequency. For this, a histogram is created from the number of pixels obtained for each frequency in the image. This is obtained for each local image region of | Ω |. Subsequently, in order to obtain a global histogram, an average value was obtained for all | Ω |. At this time, normalization was performed so that the area of the average value of the histogram was 1.

これにより、式(12)のブレッドシュナイダー分布(図5(a))と、式(11)より推定されたヒストグラム分布(図5(b))との類似性を比較することができる。図5(b)には、M=1〜6まで変えた場合のヒストグラム分布をそれぞれ重ねて表示してある。図5(b)において、Mが大きくなるほど、図5(a)のグラフとのマッチングが良くなる。このとき、|Ω|は10×10pixelsの例である。図2のステップ270において、モデルパラメータと統計モデルとの類似性が高いと判定された場合、つまり、モデルパラメータと統計モデルとのズレが所定の範囲内に収まっている場合、所定の精度に達したものと判定する。一方で、モデルパラメータと統計モデルとの類似性が低いと判定された場合、つまり、モデルパラメータと統計モデルとのズレが所定の範囲内に収まっている場合、は、画像領域の大きさや項数といったモデルパラメータを変更した上で(図2のステップ290)、再度、第一段階の最適化(図2のステップ240)に戻り、目的関数を最適化する。このようにして、Mと|Ω|を一定範囲において変化させて、ヒストグラム分布の類似性をすべての組み合わせについて求める。   This makes it possible to compare the similarity between the Bread Schneider distribution of Expression (12) (FIG. 5A) and the histogram distribution estimated from Expression (11) (FIG. 5B). In FIG. 5B, the histogram distributions when M = 1 to 6 are changed are displayed in an overlapping manner. In FIG. 5B, the larger M is, the better the matching with the graph of FIG. At this time, | Ω | is an example of 10 × 10 pixels. In step 270 of FIG. 2, when it is determined that the similarity between the model parameter and the statistical model is high, that is, when the deviation between the model parameter and the statistical model is within a predetermined range, the predetermined accuracy is reached. It is determined that On the other hand, if it is determined that the similarity between the model parameter and the statistical model is low, that is, if the deviation between the model parameter and the statistical model is within a predetermined range, the size of the image area and the number of terms After changing the model parameters (step 290 in FIG. 2), the process returns to the first stage optimization (step 240 in FIG. 2) again to optimize the objective function. In this way, the similarity of the histogram distribution is obtained for all combinations by changing M and | Ω | within a certain range.

Est(f)M,|Ω|を、式(11)で推定されたヒストグラム分布とすると、ヒストグラム分布は、正規化相関係数CR(・,・)により評価できる。即ち、 Assuming that Est (f) M, | Ω | is the histogram distribution estimated by Expression (11), the histogram distribution can be evaluated by the normalized correlation coefficient CR (•, •). That is,

ただし、 However,

CR(・,・)が1.0に近づくほど、B(f)とEst(f)M,|Ω|は類似する値になる。一組の時系列画像ごとに、CR値が最大となるときの、Mと|Ω|が選択され、局所的にも大局的にも最適化され、フローの推定精度は向上する。 As CR (·, ·) approaches 1.0, B (f) and Est (f) M, | Ω | have similar values. For each set of time-series images, M and | Ω | when the CR value is maximized are selected and optimized locally and globally, and the accuracy of flow estimation is improved.

なお、収束判定においては、他の統計モデルを適用することもできる。特定の対象については、事前情報(知識)から統計モデルを作成して適用することもできる。   In the convergence determination, other statistical models can be applied. For a specific object, a statistical model can be created and applied from prior information (knowledge).

図6及び図7は、従来法と本発明法による時系列画像から動き(フロー)推定した結果を示す。このうち図6は、左方より右方へ数千以上の高いレイノイズ数を乱流を画像で撮影し、流れが途中の障害物に衝突したときの様子を示す図であり、(a)は従来法による動き推定、(b)は本発明による動き推定を示している。図6(a)に示す従来法の動き推定においては、やや滑らかなフローが推定されているが、図6(b)に示す本発明の動き推定においては、障害物の影響を受けたやや不連続なフローが得られた。   6 and 7 show the results of motion (flow) estimation from time-series images according to the conventional method and the method of the present invention. Among these, FIG. 6 is a diagram showing a state when a turbulent flow is imaged with a high number of ray noises of several thousand or more from the left to the right, and the flow collides with an obstacle in the middle, (a) Motion estimation according to the conventional method, (b) shows motion estimation according to the present invention. In the motion estimation of the conventional method shown in FIG. 6A, a slightly smooth flow is estimated. However, in the motion estimation of the present invention shown in FIG. A continuous flow was obtained.

次の例として、渦状の時系列画像における動き推定を図7に示す。図7の画像において、(a)は従来法における動き推定、(b)は本発明における動き推定を示している。図7(a)に示す従来法の動き推定よりも図7(b)における本発明における動き推定により推定されたフローベクトルの方が渦の流れ構造をよりはっきりと得るものとなった。渦の中心部ほど、局所的に不連続な動きを示すため、図7(a)に示す従来法の滑らかな動き拘束条件では十分にその特徴を細かく捉えることができなかったと考えられる。この渦のテクスチャのように、それぞれの場所において、表面の周波数が異なったパターンを示しているが、本発明では、三角関数の項数による近似が最適化において変化するために、周辺から渦中心までフローが得られたと考えられる。   As a next example, motion estimation in a spiral time-series image is shown in FIG. In the image of FIG. 7, (a) shows motion estimation in the conventional method, and (b) shows motion estimation in the present invention. The flow vector estimated by the motion estimation according to the present invention in FIG. 7B can obtain the vortex flow structure more clearly than the motion estimation of the conventional method shown in FIG. Since the central part of the vortex shows a locally discontinuous movement, it is considered that the characteristic could not be sufficiently captured under the smooth movement constraint condition of the conventional method shown in FIG. Like the texture of the vortex, the pattern of the surface frequency is different at each location. In the present invention, since the approximation by the number of terms of the trigonometric function changes in the optimization, the vortex center from the periphery It is thought that the flow was obtained.

図8は、従来法と本発明法とによるフローの推定誤差評価の結果を示す。渦や不連続性の動きにおいて時系列画像を数値シミュレーションにより生成し、従来法の平均誤差(正解フローと推定フローの一画素当りの平均誤差)と、本発明による比較評価をした結果、定量的にフロー推定誤差が改善された。なお、推定誤差を求めるときの正解のオプティカルフローは、数値シミュレーションで事前に動き情報が100%分かっているもの、又は実際の画像において目視で特定の狭い領域内の動きを拾ったものを用いている。   FIG. 8 shows the results of flow estimation error evaluation according to the conventional method and the method of the present invention. A time series image is generated by numerical simulation in the motion of vortex and discontinuity, and the average error of the conventional method (average error per pixel of correct flow and estimated flow) and comparison evaluation by the present invention are quantitative. The flow estimation error was improved. In addition, the correct optical flow for obtaining the estimation error is the one in which the motion information is 100% known in advance by numerical simulation, or the one in which an actual image is visually picked up in a specific narrow region. Yes.

本発明は、画像工学、医用画像工学、生物学、防災学、流体力学、土木工学、海洋学、河川学、及び災害監視等の分野に関して、移動する物体の動きの推定を行うことができる。   The present invention can estimate the movement of a moving object in fields such as image engineering, medical image engineering, biology, disaster prevention, fluid dynamics, civil engineering, oceanography, river science, and disaster monitoring.

110 画像データ入力部
120 画像データ蓄積部
130 第一の最適化部
140 第二の最適化部
150 収束判定部
160 表示部
170 モデルパラメータ変更部
110 Image data input unit 120 Image data storage unit 130 First optimization unit 140 Second optimization unit 150 Convergence determination unit 160 Display unit 170 Model parameter change unit

Claims (8)

移動する物体の連続及び不連続な動きを同時に推定する方法であって、
データ入力部により移動する物体の時系列画像を取り込むステップと、
前記時系列画像の画像データをデータ蓄積部に保存するステップと、
前記移動する物体のモデルパラメータを推定するステップであって、前記モデルパラメータは、画像の輝度の時系列的な変化を表す波生成方程式と、画像処理における動き推定モデルであるオプティカルフローモデルとを統合した、連続及び不連続な動きを含む波現象の特性を表現する波に関する数理モデルの目的関数により推定され、前記目的関数は、波の分散関係式による拘束条件を含み、前記推定するステップは、
第一の最適化部において、前記画像データのノイズの影響を緩和するためのロバスト関数を前記目的関数に適用して、前記目的関数の最小化問題の枠組みで前記モデルパラメータを粗く推定する第一の最適化ステップと、
第二の最適化部において、前記波生成方程式の項の数及び目的関数を適用する画像領域の大きさであるモデルパラメータを第一の最適計算で推定されるパラメータの統計量に基づいて最適化する第二の最適化ステップと
を含む、ステップと、
収束判定部において、前記推定されたモデルパラメータに基づいてパラメータに関する頻度分布を求め、事前に設定された統計モデルと照らし合わせを行うことにより前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性を判定するステップと、
前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性が高いと判断した場合、前記モデルパラメータが所定の精度に達したものと判定して、前記モデルパラメータの最終結果を表示部において表示するステップと、
前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性が低いと判定した場合、前記波生成方程式の項の数及び前記目的関数を適用する画像領域の大きさであるモデルパラメータを変更した上で、前記第一の最適化ステップに戻るステップと
を含むことを特徴とする方法。
A method for simultaneously estimating continuous and discontinuous movement of a moving object, comprising:
Capturing a time-series image of the moving object by the data input unit;
Storing the image data of the time-series image in a data storage unit;
A step of estimating a model parameter of the moving object, the model parameter integrating a wave generation equation representing a time-series change in luminance of an image and an optical flow model which is a motion estimation model in image processing; Is estimated by an objective function of a mathematical model relating to a wave expressing characteristics of a wave phenomenon including continuous and discontinuous motion, and the objective function includes a constraint condition by a wave dispersion relational expression, and the estimating step includes:
In the first optimization unit, a robust function for reducing the influence of noise in the image data is applied to the objective function to roughly estimate the model parameter in the framework of the objective function minimization problem Optimization steps,
In the second optimization unit, the number of terms of the wave generation equation and the model parameter that is the size of the image area to which the objective function is applied are optimized based on the parameter statistics estimated in the first optimal calculation A second optimization step that includes: and
A step of determining a similarity between the model parameter and the statistical model by obtaining a frequency distribution related to the parameter based on the estimated model parameter and performing comparison with a statistical model set in advance in a convergence determination unit; When,
When determining that the similarity between the model parameter and the statistical model is high, determining that the model parameter has reached a predetermined accuracy, and displaying the final result of the model parameter on a display unit;
When it is determined that the similarity between the model parameter and the statistical model is low, after changing the number of terms of the wave generation equation and the model parameter that is the size of the image area to which the objective function is applied, Returning to one optimization step.
前記モデルパラメータは、オプティカルフローの縦及び横の成分と、波数と、周波数と、位相とが含まれることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the model parameters include vertical and horizontal components of optical flow, wave number, frequency, and phase. 前記拘束条件の式の項数は、前記目的関数の項数に連動して変化することを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the number of terms in the constraint condition expression changes in conjunction with the number of terms in the objective function. 前記収束判定部において、移動する対象ごとに特化した動きに関する特徴を統計分布モデルとして用いることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the convergence determination unit uses, as a statistical distribution model, a feature related to movement specialized for each moving object. 移動する物体の連続及び不連続な動きを同時に推定する装置であって、
移動する物体の時系列画像を取り込むデータ入力部と、
前記時系列画像の画像データを保存するデータ蓄積部と、
前記移動する物体のモデルパラメータを推定する最適化部であって、前記モデルパラメータは、画像の輝度の時系列的な変化を表す波生成方程式と、画像処理における動き推定モデルであるオプティカルフローモデルとを統合した、連続及び不連続な動きを含む波現象の特性を表現する波に関する数理モデルの目的関数により推定され、前記目的関数は、波の分散関係式による拘束条件を含み、前記最適化部は、
画像データのノイズの影響を緩和するためのロバスト関数を前記目的関数に適用して、前記目的関数の最小化問題の枠組みで前記モデルパラメータを粗く推定する第一の最適化部と、
前記波生成方程式の項の数及び目的関数を適用する画像領域の大きさであるモデルパラメータを第一の最適計算で推定されるパラメータの統計量に基づいて最適化する第二の最適化部と
を含む、最適化部と、
前記推定されたモデルパラメータに基づいてパラメータに関する頻度分布を求め、事前に設定された統計モデルと照らし合わせを行うことにより前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性を判定する収束判定部であって、前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性が低いと判定した場合、前記波生成方程式の項の数及び前記目的関数を適用する画像領域の大きさであるモデルパラメータを変更した上で、前記第一の最適化部に前記移動する物体のモデルパラメータを推定させる、収束判定部と、
収束判定部において、前記モデルパラメータと前記統計モデルとの類似性が高いと判断した場合、前記モデルパラメータが所定の精度に達したものと判定して最終結果を表示する表示部と、
を含むことを特徴とする装置。
An apparatus for simultaneously estimating continuous and discontinuous movement of a moving object,
A data input unit for capturing a time-series image of a moving object;
A data storage unit for storing image data of the time-series images;
An optimization unit that estimates a model parameter of the moving object, the model parameter including a wave generation equation that represents a time-series change in luminance of an image, an optical flow model that is a motion estimation model in image processing, and Is estimated by an objective function of a mathematical model relating to a wave that expresses characteristics of a wave phenomenon including continuous and discontinuous motion, and the objective function includes a constraint condition by a wave dispersion relational expression, and the optimization unit Is
Applying a robust function for mitigating the influence of noise of image data to the objective function, and a first optimization unit that roughly estimates the model parameter in the framework of the objective function minimization problem;
A second optimization unit for optimizing model parameters, which are the number of terms of the wave generation equation and the size of the image area to which the objective function is applied, based on a parameter statistic estimated by the first optimal calculation; Including an optimization unit,
A convergence determination unit that determines a frequency distribution related to a parameter based on the estimated model parameter and determines similarity between the model parameter and the statistical model by comparing with a statistical model set in advance. When determining that the similarity between the model parameter and the statistical model is low, after changing the number of terms of the wave generation equation and the model parameter that is the size of the image area to which the objective function is applied, A convergence determination unit that causes a first optimization unit to estimate model parameters of the moving object;
In a convergence determination unit, when it is determined that the similarity between the model parameter and the statistical model is high, a display unit that determines that the model parameter has reached a predetermined accuracy and displays a final result;
The apparatus characterized by including.
前記モデルパラメータは、オプティカルフローの縦及び横の成分と、波数と、周波数と、位相とが含まれることを特徴とする請求項5に記載の装置。   6. The apparatus of claim 5, wherein the model parameters include vertical and horizontal components of optical flow, wave number, frequency, and phase. 前記拘束条件の式の項数は、前記目的関数の項数に連動して変化することを特徴とする請求項5又は6に記載の装置。   The apparatus according to claim 5 or 6, wherein the number of terms in the constraint condition expression changes in conjunction with the number of terms in the objective function. 前記収束判定部において、移動する対象ごとに特化した動きに関する特徴を統計分布モデルとして用いることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の装置。   The apparatus according to any one of claims 5 to 7, wherein the convergence determination unit uses, as a statistical distribution model, a feature related to a movement specialized for each moving object.
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