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JP6430987B2 - Reference point position determination device - Google Patents
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Description

本発明は、参照点位置決定装置に係り、特に、入力物体画像における参照点の位置を決定する参照点位置決定装置に関する。   The present invention relates to a reference point position determination device, and more particularly to a reference point position determination device that determines the position of a reference point in an input object image.

従来、対象者の顔を撮影して取得した2次元の顔画像を登録された顔画像と照合することで、その対象者を認証する顔画像認証装置が提案されている。このような顔画像認証装置は、事前に取得した対象者本人の登録顔画像と、利用時に取得した入力顔画像とを照合して類似度を算出し、類似度を用いた一致判定を行った結果に基づいて認証の可否を決定する。そのため、登録顔画像と入力顔画像との間に、顔の向きや表情などにおいて差異が生じていると類似度が低くなり、認証の誤り率が高くなる。   Conventionally, there has been proposed a face image authentication apparatus that authenticates a target person by collating a two-dimensional face image acquired by photographing the face of the target person with a registered face image. Such a face image authentication device compares the registered face image of the subject person acquired in advance with the input face image acquired at the time of use to calculate the similarity, and performs a match determination using the similarity Whether to authenticate is determined based on the result. For this reason, if there is a difference in facial orientation or facial expression between the registered face image and the input face image, the degree of similarity is lowered and the authentication error rate is increased.

登録顔画像と入力顔画像とを照合して本人確認を行う方法としては、非特許文献1に開示されているように、大きさと位置を正規化した顔画像中の各画素の輝度値列からなる特徴ベクトルの部分空間を主成分分析により生成し、入力顔画像と登録顔画像との特徴ベクトルを前記部分空間上に射影して類似度を算出し、照合判定を行う固有顔(Eigenface)法が広く知られている。   As a method for verifying the identity by collating the registered face image and the input face image, as disclosed in Non-Patent Document 1, from the luminance value sequence of each pixel in the face image whose size and position are normalized. A unique space (Eigenface) method for generating a feature vector subspace by principal component analysis, projecting the feature vector of the input face image and the registered face image onto the partial space, calculating similarity, and performing matching determination Is widely known.

非特許文献1の従来技術によれば、顔の向きや表情の変化によって顔画像中に部分的なゆがみが生じ、登録顔画像と入力顔画像との間で特徴ベクトルの各要素に対応する画素の位置関係が変わると、類似度が低くなり認証の可否が正しく判定できない問題があった。   According to the prior art of Non-Patent Document 1, partial distortion occurs in a face image due to changes in face orientation and facial expression, and pixels corresponding to each element of a feature vector between a registered face image and an input face image When the positional relationship between the two changes, the degree of similarity becomes low, and there is a problem that whether or not authentication is possible cannot be correctly determined.

こうした問題に対し、目鼻口といった器官の端や輪郭上に特徴点を設定し、登録顔画像と入力顔画像の双方から特徴点を抽出して特徴点周辺の画素情報から特徴ベクトルを求め、当該特徴ベクトルの比較によって類似度を算出し、照合判定を行う方法が、非特許文献2で開示されている。   For these problems, feature points are set on the edges and contours of organs such as the eyes and nose and mouth, feature points are extracted from both the registered face image and the input face image, and feature vectors are obtained from pixel information around the feature points. Non-patent document 2 discloses a method of calculating similarity by comparing feature vectors and performing collation determination.

非特許文献2の従来技術によれば、目鼻口といった器官の端や輪郭には特徴的な画像特徴が現れる為、顔の向きや表情の変化に追従して特徴点を抽出することが可能であり、これによって、登録顔画像と入力顔画像との間で、特徴ベクトルを算出する位置の対応関係を保つことができ、非特許文献1の従来技術の問題点を緩和することができる。   According to the prior art of Non-Patent Document 2, since characteristic image features appear at the edges and contours of organs such as the eyes and nose and mouth, it is possible to extract feature points following changes in facial orientation and facial expressions. With this, it is possible to maintain the correspondence of the position where the feature vector is calculated between the registered face image and the input face image, and to alleviate the problems of the prior art of Non-Patent Document 1.

M. Turk and A. Pentland, “Face Recognition using Eigenfaces”, IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Maui, HI, June 1991.M. Turk and A. Pentland, “Face Recognition using Eigenfaces”, IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Maui, HI, June 1991. Wiskott, L et al., “Face Recognition by Elastic Bunch Graph Matching”, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 19, p.775-779, 1997Wiskott, L et al., “Face Recognition by Elastic Bunch Graph Matching”, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 19, p.775-779, 1997

しかし、特徴点の位置が目鼻口といった特徴的な画像特徴が現れる器官の周辺に限定される為、上記非特許文献2の従来技術では、頬や額等の肌部分から特徴ベクトルを求めることができない、すなわち顔全体から特徴ベクトルを求めることができないという問題があった。   However, since the position of the feature point is limited to the periphery of an organ where a characteristic image feature such as an eye-nose mouth appears, the conventional technology of Non-Patent Document 2 described above can obtain a feature vector from a skin portion such as a cheek or forehead. There was a problem that feature vectors could not be obtained from the entire face.

本発明は、物体の向きに依らずに、物体全体から特徴を抽出するための参照位置を安定して決定することができる参照点位置決定装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a reference point position determination device that can stably determine a reference position for extracting features from the entire object regardless of the direction of the object.

上記の目的を達成するために本発明に係る参照点位置決定装置は、物体を撮像した入力物体画像における複数の参照点の各々の位置を決定する参照点位置決定装置であって、三次元の物体モデルにおける複数の特徴点の各々の三次元位置を表す複数の基準3D特徴点と、前記三次元の物体モデルにおける複数の参照点の各々の三次元位置を表す複数の基準3D参照点とを予め記憶した記憶手段と、前記入力物体画像から抽出した複数の抽出特徴点と前記複数の基準3D特徴点との二次元空間及び三次元空間の少なくとも一方におけるずれが最小となるように、前記入力物体画像が表す物体の三次元形状の向き及び形状の少なくとも一方を補正するパラメータを位置合わせパラメータとして求める位置合わせ手段と、前記位置合わせパラメータを用いて前記入力物体画像に、前記複数の基準3D参照点を射影して、前記入力物体画像の複数の参照点の各々の位置を求める参照点位置決定手段と、を含んで構成されている。   In order to achieve the above object, a reference point position determination apparatus according to the present invention is a reference point position determination apparatus that determines the position of each of a plurality of reference points in an input object image obtained by imaging an object. A plurality of standard 3D feature points representing each three-dimensional position of a plurality of feature points in the object model, and a plurality of standard 3D reference points representing each three-dimensional position of the plurality of reference points in the three-dimensional object model. The input means so that a shift in at least one of the two-dimensional space and the three-dimensional space between the storage means stored in advance and the plurality of extracted feature points extracted from the input object image and the plurality of reference 3D feature points is minimized. Alignment means for obtaining a parameter for correcting at least one of the direction and shape of the three-dimensional shape of the object represented by the object image as an alignment parameter; and the alignment parameter The input object image using the plurality of projecting the reference 3D reference points, is configured to include a, a reference point position determining means for determining the position of each of the plurality of reference points of the input object image.

本発明に係る位置合わせ手段は、前記パラメータを用いて前記基準3D特徴点を前記入力物体画像に射影した基準2D特徴点と、該基準2D特徴点に対応する前記抽出特徴点との画像上における位置ずれが最小となるよう前記位置合わせパラメータを求めることができる。   The alignment unit according to the present invention includes a reference 2D feature point obtained by projecting the reference 3D feature point onto the input object image using the parameter, and the extracted feature point corresponding to the reference 2D feature point on the image. The alignment parameter can be obtained so that the positional deviation is minimized.

本発明に係る位置合わせ手段は、前記パラメータを用いて前記抽出特徴点を三次元空間に逆投影した直線と、該抽出特徴点に対応する前記基準3D特徴点と、の三次元空間における距離の総和を用いて、前記ずれが最小となるよう前記位置合わせパラメータを求めることができる。   The alignment means according to the present invention provides a distance in a three-dimensional space between a straight line obtained by back projecting the extracted feature point into a three-dimensional space using the parameter and the reference 3D feature point corresponding to the extracted feature point. Using the sum, the alignment parameter can be determined so that the deviation is minimized.

本発明に係る位置合わせ手段は、予め定められた3次元形状モデル上に配置した、前記複数の基準3D特徴点に対応する複数の3D特徴点と、前記複数の3D特徴点の各々の部位画像情報とに基づいて、前記複数の3D特徴点の各々に対し、前記パラメータを用いて前記3D特徴点を前記入力物体画像上に投影した位置での画像情報と、前記3D特徴点の前記部位画像情報とに基づいて算出される、前記3D特徴点の適合度を表す局所尤度の総和が最大となるよう、当該3D特徴点の各々の三次元位置を前記複数の抽出特徴点の各々の三次元位置として求めると共に、前記位置合わせパラメータを求めることができる。   The alignment means according to the present invention includes a plurality of 3D feature points corresponding to the plurality of reference 3D feature points and a part image of each of the plurality of 3D feature points arranged on a predetermined three-dimensional shape model. Based on the information, image information at a position where the 3D feature points are projected on the input object image using the parameters for each of the plurality of 3D feature points, and the part image of the 3D feature points The 3D position of each of the plurality of extracted feature points is determined as a three-dimensional position of each of the 3D feature points so that the sum of local likelihoods representing the degree of fitness of the 3D feature points calculated based on the information is maximized. In addition to obtaining the original position, the alignment parameter can be obtained.

本発明に係る参照点位置決定手段は、前記位置合わせ手段によって求められた前記複数の抽出特徴点の各々の三次元位置と、前記複数の基準3D特徴点の各々の三次元位置とに基づいて、前記複数の基準3D参照点に対応する、前記入力物体画像が表す物体の三次元形状における複数の3D参照点を求め、前記位置合わせパラメータを用いて前記入力物体画像に、前記複数の3D参照点を射影して、前記入力物体画像の複数の参照点の位置を求めることができる。   The reference point position determining unit according to the present invention is based on the three-dimensional position of each of the plurality of extracted feature points obtained by the positioning unit and the three-dimensional position of each of the plurality of reference 3D feature points. , Obtaining a plurality of 3D reference points in the three-dimensional shape of the object represented by the input object image corresponding to the plurality of reference 3D reference points, and using the alignment parameter, the plurality of 3D references By projecting points, the positions of a plurality of reference points of the input object image can be obtained.

本発明に係る複数の基準3D参照点を、前記物体の全体に略均等に配置されるように設定することができる。   A plurality of reference 3D reference points according to the present invention can be set so as to be arranged substantially evenly over the entire object.

本発明に係る複数の基準3D参照点は、前記三次元の物体モデルの略正対する位置にある平面上に均等間隔に配置した点を前記三次元の物体モデルの三次元形状に逆投影することにより得られることができる。   The plurality of reference 3D reference points according to the present invention are back-projected onto the three-dimensional shape of the three-dimensional object model by arranging points arranged at equal intervals on a plane that is substantially opposite the three-dimensional object model. Can be obtained.

本発明に係る複数の基準3D参照点を、前記物体の画像特徴が変動することが予め予想される位置については前記基準3D参照点を配置しないように設定することができる。   A plurality of reference 3D reference points according to the present invention can be set so that the reference 3D reference points are not arranged at positions where image characteristics of the object are predicted to change in advance.

本発明に係る参照点位置決定手段によって求められた前記複数の参照点の位置に基づいて、前記入力物体画像から、登録物体画像と照合するための特徴量を抽出する特徴量抽出手段を更に含むことができる。   Further included is a feature quantity extraction means for extracting a feature quantity for matching with a registered object image from the input object image based on the positions of the plurality of reference points obtained by the reference point position determination means according to the present invention. be able to.

以上説明したように、本発明の参照点位置決定装置によれば、入力物体画像から抽出した複数の抽出特徴点と複数の基準3D特徴点との二次元空間又は三次元空間の少なくとも一方におけるずれが最小となるよう求めた位置合わせパラメータを用いて、入力物体画像に、複数の基準3D参照点を射影して、入力物体画像の複数の参照点の位置を求めることにより、物体の向きに依らずに、物体全体から特徴を抽出するための参照位置を安定して決定することができる、という効果が得られる。   As described above, according to the reference point position determination apparatus of the present invention, the deviation in at least one of the two-dimensional space or the three-dimensional space between the plurality of extracted feature points extracted from the input object image and the plurality of reference 3D feature points. By projecting a plurality of standard 3D reference points to the input object image using the alignment parameter obtained so that the minimum is determined, the positions of the plurality of reference points of the input object image are obtained, and the position depends on the direction of the object. In addition, it is possible to stably determine a reference position for extracting features from the entire object.

本発明の実施の形態に係る出入管理システムの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the entrance / exit management system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る顔画像認証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 face image authentication apparatus which concerns on embodiment of this invention. 標準的な人物顔の3次元形状上に配置した基準3D特徴点の模式図である。It is a schematic diagram of the reference | standard 3D feature point arrange | positioned on the three-dimensional shape of a standard human face. 正面を向いた標準的な人物顔の3次元形状に対して基準3D特徴点を配置した例を示す図である。It is a figure which shows the example which has arrange | positioned the reference | standard 3D feature point with respect to the three-dimensional shape of the standard person face which faced the front. 正面を向いた標準的な人物顔の3次元形状に対して基準3D参照点を配置した例を示す図である。It is a figure which shows the example which has arrange | positioned the reference | standard 3D reference point with respect to the three-dimensional shape of the standard person face which faced the front. 画像特徴が変動することが予想される顔部位については基準3D参照点を配置しないようにした例を示す図である。It is a figure which shows the example which did not arrange | position a reference | standard 3D reference point about the face part where an image characteristic is anticipated to fluctuate. 顔領域画像から抽出した顔特徴点と、基準3D特徴点を顔領域画像に位置合わせパラメータで射影した基準2D特徴点の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the reference | standard 2D feature point which projected the face feature point extracted from the face area image and the reference | standard 3D feature point to the face area image with the alignment parameter. 顔領域画像の顔向きに合わせて配置された2D参照点の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the 2D reference point arrange | positioned according to the face direction of the face area image. 顔領域画像の顔特徴点の各々の三次元位置である3D特徴点と、位置合わせパラメータを用いて座標変換した基準3D特徴点との例を示す図である。It is a figure which shows the example of the 3D feature point which is each three-dimensional position of the face feature point of a face area image, and the reference | standard 3D feature point coordinate-transformed using the alignment parameter. 個人の特徴点位置に合わせた摂動3D参照点の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the perturbation 3D reference point matched with the individual feature point position. 基準3D特徴点、基準3D参照点、3D特徴点、及び摂動3D参照点の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a reference | standard 3D feature point, a reference | standard 3D reference point, a 3D feature point, and a perturbation 3D reference point. 本発明の実施の形態に係る顔画像認証装置による認証処理の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement of the authentication process by the face image authentication apparatus which concerns on embodiment of this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、出入管理システムに本発明を適用した場合を例に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, a case where the present invention is applied to an access control system will be described as an example.

<システム構成>
以下、部屋の入口の出入を管理するための出入管理システム100の設置例を模式的に示した図1と、本発明を適用した出入管理システム100の概略構成を示した図2を参照し、本発明の実施の形態の構成を説明する。
<System configuration>
Hereinafter, referring to FIG. 1 schematically showing an installation example of the entrance / exit management system 100 for managing entrance / exit of the room entrance and FIG. 2 showing a schematic configuration of the entrance / exit management system 100 to which the present invention is applied, The configuration of the embodiment of the present invention will be described.

(出入管理システム100)
出入管理システム100は、撮像装置1、電気錠制御装置2、および顔画像認証装置3を有する。図1に示す模式図では、撮像装置1、電気錠制御装置2、および顔画像認証装置3が部屋の出入口付近に配置されている。図1に示すように、撮像装置1は、入口101に通じる通路を撮影領域として撮影できるように入口101の近傍の壁面または天井に、撮影方向をやや下方へ向け、入口101に通ずる通路側へ向けた状態で取り付けられる。これにより、撮像装置1は、進行方向102に沿って入口101に向かう人物110を撮像することができる。
(Access control system 100)
The access management system 100 includes an imaging device 1, an electric lock control device 2, and a face image authentication device 3. In the schematic diagram shown in FIG. 1, the imaging device 1, the electric lock control device 2, and the face image authentication device 3 are arranged in the vicinity of the entrance / exit of the room. As shown in FIG. 1, the imaging apparatus 1 has a shooting direction directed slightly downward on a wall surface or ceiling near the entrance 101 so that the passage leading to the entrance 101 can be taken as a shooting area, and toward the passage side leading to the entrance 101. It is attached in the state of facing. Thereby, the imaging device 1 can image the person 110 heading toward the entrance 101 along the traveling direction 102.

顔画像認証装置3は、電気錠制御装置2を介して電気錠104を制御することにより部屋の入口101の出入を管理する。入口101には、扉103が設けられ、扉103には電気錠104が設けられる。電気錠104は、顔画像認証装置3により施錠及び解錠の制御が可能となっている。電気錠104は、扉103を常時施錠しており、顔画像認証装置3にて通行が許可された人物であると認証できれば一定時間(例えば5秒)のみ解錠される。なお、電気錠104は、解錠され扉が開けられた後、扉が閉じて一定時間が経過すると、自動的に施錠される。   The face image authentication device 3 manages the entrance / exit of the entrance 101 of the room by controlling the electric lock 104 via the electric lock control device 2. The entrance 101 is provided with a door 103, and the door 103 is provided with an electric lock 104. The electric lock 104 can be locked and unlocked by the face image authentication device 3. The electric lock 104 always locks the door 103, and is unlocked only for a fixed time (for example, 5 seconds) if it can be authenticated that the face image authentication device 3 is permitted to pass. The electric lock 104 is automatically locked when the door is closed and the door is closed and a predetermined time elapses after the door is opened.

以下、図2を参照して、顔画像認証装置3について詳細に説明する。図2は、本発明を適用した出入管理システム100の概略構成を示す図である。   Hereinafter, the face image authentication device 3 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the access control system 100 to which the present invention is applied.

(撮像装置1)
撮像装置1は、図1に示したように所定の撮影領域を撮影する監視カメラである。撮像装置1は、顔画像認証装置3と接続され、取得した入力画像を顔画像認証装置3へ出力する。
(Imaging device 1)
The imaging device 1 is a surveillance camera that captures a predetermined imaging region as shown in FIG. The imaging device 1 is connected to the face image authentication device 3 and outputs the acquired input image to the face image authentication device 3.

(電気錠制御装置2)
電気錠制御装置2は、顔画像認証装置3と接続され、顔画像認証装置3からの信号に従って、電気錠104を施錠又は解錠する。
(Electric lock control device 2)
The electric lock control device 2 is connected to the face image authentication device 3, and locks or unlocks the electric lock 104 according to a signal from the face image authentication device 3.

(顔画像認証装置3)
顔画像認証装置3は、CPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro−Processing Unit)、周辺回路、端子、及び各種メモリなどから構成され、撮像装置1が撮影した人物の顔画像を認証し、入口101の通行を許可された人物であると認証されれば電気錠制御装置2に対して電気錠104の制御信号を出力する。顔画像認証装置3は、機能的には、顔画像取得部10、出力部20、記憶部30、及び画像処理部40から構成される。以下、顔画像認証装置3の各部について詳細に説明する。
(Face image authentication device 3)
The face image authentication device 3 includes a CPU (Central Processing Unit), an MPU (Micro-Processing Unit), peripheral circuits, terminals, and various memories. The face image authentication device 3 authenticates a person's face image captured by the imaging device 1, and If it is authenticated that the person is permitted to pass 101, the control signal of the electric lock 104 is output to the electric lock control device 2. The face image authentication device 3 is functionally composed of a face image acquisition unit 10, an output unit 20, a storage unit 30, and an image processing unit 40. Hereinafter, each part of the face image authentication device 3 will be described in detail.

(顔画像取得部10)
顔画像取得部10は撮像装置1と接続され、撮像装置1が撮影した入力画像から、人物の顔を含む顔領域画像を抽出し、画像処理部40に出力する。前記入力画像に複数の人物顔が撮影されている場合は、順次顔領域画像を抽出し、画像処理部40に出力する。
(Face image acquisition unit 10)
The face image acquisition unit 10 is connected to the imaging device 1, extracts a face area image including a human face from an input image captured by the imaging device 1, and outputs it to the image processing unit 40. When a plurality of human faces are photographed in the input image, face area images are sequentially extracted and output to the image processing unit 40.

なお、顔領域画像の抽出方法は従来から多数提案されており、適宜公知の方法を採用すれば良い。例えば、顔画像を学習した識別器と呼ばれるフィルタにて抽出する方法や、入力画像の二値化エッジ画像を生成し、当該エッジ画像において顔の形状である楕円形状部分を顔領域画像とする方法を採用すれば良い。   Many face area image extraction methods have been proposed in the past, and known methods may be employed as appropriate. For example, a method of extracting a face image with a filter called a discriminator that has learned, a method of generating a binarized edge image of an input image, and making an elliptical portion that is the shape of the face in the edge image as a face area image Should be adopted.

(出力部20)
出力部20は、外部の接続機器である電気錠制御装置2と接続されたインターフェース及びその制御回路である。出力部20は、画像処理部40から人物についての認証成功を示す信号を受け取ると、接続されている電気錠制御装置2に対して認証成功の旨を示す信号を出力する。
(Output unit 20)
The output unit 20 is an interface connected to the electric lock control device 2 that is an external connection device and a control circuit thereof. When the output unit 20 receives a signal indicating that the person has been successfully authenticated from the image processing unit 40, the output unit 20 outputs a signal indicating that the authentication has been successful to the connected electric lock control device 2.

(記憶部30)
記憶部30は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等の半導体メモリ、又は磁気記録媒体及びそのアクセス装置若しくは光記録媒体及びそのアクセス装置などを有する。記憶部30は、顔画像認証装置3を制御するためのコンピュータプログラム及び各種データを記憶し、画像処理部40との間でこれらの情報を入出力する。各種データには、基準3D特徴点31、基準3D参照点32、及び入口101の通行を許可されている登録者の登録顔画像33が含まれる。
(Storage unit 30)
The storage unit 30 includes a semiconductor memory such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory), or a magnetic recording medium and its access device or an optical recording medium and its access device. The storage unit 30 stores a computer program and various data for controlling the face image authentication device 3, and inputs / outputs such information to / from the image processing unit 40. The various data includes a standard 3D feature point 31, a standard 3D reference point 32, and a registered face image 33 of a registrant permitted to pass the entrance 101.

(基準3D特徴点31)
基準3D特徴点31は、人物の顔の器官である「右目」、「左目」、「鼻」、及び「口」と、それぞれの器官に対応した「目尻」、「目頭」、「上瞼中心」、及び「下瞼中心」など、標準的な人物顔の3次元形状上の位置である。
(Standard 3D feature point 31)
The reference 3D feature points 31 are “right eye”, “left eye”, “nose”, and “mouth” which are organs of a person's face, and “eye corners”, “eyes”, “center of upper eyelids” corresponding to each organ. ”And“ center of the lower eyelid ”, and the like, are positions on a three-dimensional shape of a standard human face.

図3に、標準的な人物顔の3次元形状300上に配置した基準3D特徴点31の模式図を示す。例えば、図3のように、標準的な人物顔の3次元形状300の重心を原点とし、水平軸であるX軸301、鉛直軸であるY軸302、及び奥行き軸であるZ軸303を備えた直交座標系を採用し、部位として「右目」の特徴たる「目尻」の3次元座標(x1、y1、z1)を、「右目」及び「目尻」と対応付けて基準3D特徴点31として記憶部30に記憶している。なお、標準的な人物顔の3次元形状300が、物体モデルの一例である。 FIG. 3 is a schematic diagram of the reference 3D feature points 31 arranged on the three-dimensional shape 300 of a standard human face. For example, as shown in FIG. 3, the center of gravity of a standard three-dimensional shape 300 of a human face is set as an origin, and an X axis 301 that is a horizontal axis, a Y axis 302 that is a vertical axis, and a Z axis 303 that is a depth axis are provided. The 3D coordinates (x 1 , y 1 , z 1 ) of the “eye corner”, which is the feature of the “right eye”, are associated with the “right eye” and the “eye corner” as reference parts. 31 is stored in the storage unit 30. A standard three-dimensional shape 300 of a human face is an example of an object model.

基準3D特徴点31の数について特に制限はないが、人物の顔の器官の端や輪郭上などの2次元顔画像においても特徴的な画像特徴が得られる位置に配置する。図4に、正面を向いた標準的な人物顔の3次元形状300(前記X軸301、Y軸302、Z軸303に対する回転角が0°の状態)に対して基準3D特徴点を配置した例を示す。この例では、20点の基準3D特徴点が配置されている。   The number of the reference 3D feature points 31 is not particularly limited, but the reference 3D feature points 31 are arranged at positions where characteristic image features can be obtained even in a two-dimensional face image such as an edge or outline of a human face organ. In FIG. 4, reference 3D feature points are arranged with respect to a three-dimensional shape 300 of a standard human face facing the front (the rotation angle with respect to the X axis 301, the Y axis 302, and the Z axis 303 is 0 °). An example is shown. In this example, 20 reference 3D feature points are arranged.

なお、前記標準的な人物顔の3次元形状300については、基準3D特徴点31を求める際にのみ用意されていればよく、記憶部30に常時記憶しておく必要はない。   Note that the standard three-dimensional shape 300 of the human face need only be prepared when the reference 3D feature point 31 is obtained, and need not always be stored in the storage unit 30.

(基準3D参照点32)
基準3D参照点32は、前記標準的な人物顔の3次元形状300上に、均等かつ顔全体に配置された点の位置である。
(Standard 3D reference point 32)
The reference 3D reference point 32 is a position of a point that is uniformly and entirely arranged on the three-dimensional shape 300 of the standard human face.

図5に、正面を向いた標準的な人物顔の3次元形状300(前記X軸301、Y軸302、Z軸303に対する回転角が0°の状態)に対して、X軸301の方向とY軸302の方向で規定される平面、すわなち、標準的な人物顔の3次元形状300の略正対する位置にある平面上に、例えば1cm間隔で均等かつ顔全体に配置した点を、標準的な人物顔の3次元形状300に射影することにより得られた、基準3D参照点32の例を示す。この例では160点の基準3D参照点が配置されている。例えば、左上の基準3D参照点を第1番目として、右下に向けてラスタ走査順にシリアル番号を付与し、第n番目たる基準3D参照点の3次元座標(Xn、Yn、Zn)を、シリアル番号nと対応付けて基準3D参照点32として記憶する。基準3D参照点32の数については特に制限はないが、基準3D特徴点31が配置されている顔の器官周辺だけでなく、頬の部分等、人物の顔の器官が存在しない場所にも配置することが望ましい。例えば、器官周辺の基準3D特徴点31の補間点や補外点にも、基準3D特徴点31を配置するようにしてもよい。 FIG. 5 shows the direction of the X axis 301 with respect to a standard three-dimensional shape 300 of a human face facing the front (the rotation angle with respect to the X axis 301, the Y axis 302, and the Z axis 303 is 0 °). On the plane defined by the direction of the Y-axis 302, that is, on the plane that is substantially opposite to the three-dimensional shape 300 of the standard human face, for example, points that are arranged evenly at intervals of 1 cm and over the entire face, An example of a standard 3D reference point 32 obtained by projecting onto a standard three-dimensional shape 300 of a human face is shown. In this example, 160 standard 3D reference points are arranged. For example, the upper left reference 3D reference point is the first, serial numbers are assigned in the raster scan order toward the lower right, and the three-dimensional coordinates (X n , Y n , Z n ) of the n th reference 3D reference point are given. Is stored as the reference 3D reference point 32 in association with the serial number n. The number of the reference 3D reference points 32 is not particularly limited, but is arranged not only around the facial organ where the reference 3D feature point 31 is arranged, but also in a place where a human facial organ does not exist, such as a cheek. It is desirable to do. For example, the reference 3D feature points 31 may be arranged also at the interpolation points and extrapolation points of the reference 3D feature points 31 around the organ.

なお、図6に示すように、装飾品の着脱や表情変動によって画像特徴が変動することが予想される顔部位については参照点を配置しない構成にしても良い。図6の例では、眼鏡の着脱、および口の開閉を想定し、目の周辺および口の中心部分に参照点を配置していない。   In addition, as shown in FIG. 6, you may make it the structure which does not arrange | position a reference point about the facial region where it is estimated that an image characteristic will change by attachment or detachment of an ornament, or expression change. In the example of FIG. 6, it is assumed that the eyeglasses are attached and detached and the mouth is opened and closed, and no reference points are arranged around the eyes and at the center of the mouth.

(登録顔画像33)
登録顔画像33は、予め出入を許可された人物の顔画像であり、入力された顔画像との認証に使用する。1枚または複数枚の顔画像が記憶される。
(Registered face image 33)
The registered face image 33 is a face image of a person permitted to enter and exit in advance, and is used for authentication with the input face image. One or more face images are stored.

(画像処理部40)
画像処理部40は、メモリ、その周辺回路及びそのマイクロプロセッサなどのいわゆるコンピュータにより構成され、顔画像取得部10から取得した顔画像に対し記憶部30を参照しながら各種処理を実行し、その処理結果を出力部20に出力する。画像処理部40は、位置合わせ手段41、参照点位置決定手段42、及び顔照合手段43を有する。画像処理部40の各手段は、マイクロプロセッサ上で動作するソフトウェアにより実現される機能モジュールである。
(Image processing unit 40)
The image processing unit 40 is configured by a so-called computer such as a memory, a peripheral circuit thereof, and a microprocessor thereof, and executes various processes on the face image acquired from the face image acquisition unit 10 while referring to the storage unit 30. The result is output to the output unit 20. The image processing unit 40 includes an alignment unit 41, a reference point position determination unit 42, and a face matching unit 43. Each means of the image processing unit 40 is a functional module realized by software operating on a microprocessor.

(位置合わせ手段41)
位置合わせ手段41は、顔画像取得部10にて取得した顔領域画像の顔特徴点位置と、記憶部30に記憶している基準3D特徴点31の位置合わせを行う。
(Positioning means 41)
The alignment unit 41 aligns the face feature point position of the face area image acquired by the face image acquisition unit 10 with the reference 3D feature point 31 stored in the storage unit 30.

具体的には、位置合わせ手段41は、前記顔領域画像の顔特徴点と、基準3D特徴点31を前記顔領域画像に射影した基準2D特徴点が十分に近くなるように、前記直交座標系内で標準的な3次元形状300の位置や顔向きなどを調整し、少なくとも前記X軸301、Y軸302、及びZ軸303に対する並進(Tx,Ty,Tz)と回転角(Rx,Ry,Rz)とスケーリングパラメータsを、前記顔領域画像の位置合わせパラメータとして得る。 Specifically, the alignment means 41 is arranged so that the face feature point of the face area image and the reference 2D feature point obtained by projecting the reference 3D feature point 31 onto the face area image are sufficiently close to each other. The position of the standard three-dimensional shape 300, the orientation of the face, and the like are adjusted, and at least the translation (T x , T y , T z ) and the rotation angle (R) with respect to the X axis 301, the Y axis 302, and the Z axis 303 x , Ry , Rz ) and a scaling parameter s are obtained as alignment parameters for the face area image.

基準3D特徴点31の前記顔領域画像への射影については、一般的な方法を採用すれば良い。例えばピンホールカメラモデルであれば、第n番目の基準3D特徴点31の3次元座標を(xn、yn、zn)とすると、第n番目の基準3D特徴点31を前記顔領域画像に射影した位置(xn´、yn´)は、並進(Tx,Ty,Tz)と回転角(Rx,Ry,Rz)とスケーリングパラメータsとを用いて、式(1)で表すことができる。 A general method may be adopted for projecting the reference 3D feature point 31 onto the face area image. For example, in the case of a pinhole camera model, assuming that the three-dimensional coordinates of the nth reference 3D feature point 31 are (x n , y n , z n ), the nth reference 3D feature point 31 is the face region image. The position (x n ′, y n ′) projected onto is calculated by using the translation (T x , T y , T z ), the rotation angle (R x , R y , R z ), and the scaling parameter s. 1).


(1)
ただし、

ここで、Tは、転置を表す。

(1)
However,

Here, T represents transposition.

図7は、顔領域画像700から抽出した顔特徴点701と、基準3D特徴点31を顔領域画像に位置合わせパラメータ

で射影した基準2D特徴点702の例を示す。ここで、顔特徴点701は、個人の顔画像から抽出した特徴点となる為、標準的な人物顔の3次元形状300上に配置された基準3D特徴点31を射影した基準2D特徴点702とは、完全に一致した位置とはならない。したがって、前記位置合わせパラメータ

は、顔特徴点701と基準2D特徴点702の位置ずれを最小にするパラメータとして求められる。
FIG. 7 shows a parameter for aligning the facial feature point 701 extracted from the facial region image 700 and the reference 3D feature point 31 with the facial region image.

The example of the reference | standard 2D feature point 702 projected by FIG. Here, since the face feature point 701 is a feature point extracted from the individual face image, the reference 2D feature point 702 obtained by projecting the reference 3D feature point 31 arranged on the three-dimensional shape 300 of the standard human face. Is not an exact match. Therefore, the alignment parameter

Is obtained as a parameter that minimizes the positional deviation between the face feature point 701 and the reference 2D feature point 702.

位置ずれについては、公知の様々な方法で定量化すれば良く、例えば、顔特徴点701と基準2D特徴点702の対応する各々の特徴点間で距離を求め、距離の総和を、位置ずれとしても良い。また、顔領域画像700から抽出した顔特徴点701と、基準3D特徴点31との三次元空間における位置ずれが最小となるように位置合わせパラメータを求めても良く、この場合には、例えば、顔特徴点701を3次元空間に逆投影した直線と、対応する基準3D特徴点31との距離の総和を位置ずれとしても良い。   The misregistration may be quantified by various known methods. For example, the distance between the corresponding feature points of the face feature point 701 and the reference 2D feature point 702 is obtained, and the sum of the distances is determined as the misalignment. Also good. Further, the alignment parameter may be obtained so that the positional deviation between the face feature point 701 extracted from the face area image 700 and the reference 3D feature point 31 in the three-dimensional space is minimized. The sum of the distances between the straight line obtained by back projecting the face feature point 701 in the three-dimensional space and the corresponding reference 3D feature point 31 may be used as the positional deviation.

また、前記顔領域画像の顔特徴点を抽出する為には、公知の様々な手法を用いることができる。例えば、前記顔領域画像に対してエッジ抽出処理を行って周辺画素との輝度差が大きいエッジ画素を抽出し、エッジ画素の位置、及びパターンなどに基づいて求めた特徴量が、目、鼻、及び口などの部位について予め定められた条件を満たすか否かを調べて各部位の位置を特定することにより、各顔特徴点を抽出することができる。また、エッジ抽出処理を行ってエッジ画素を抽出する代わりに、ガボール変換処理あるいはウェーブレット変換処理を行って、異なる複数の空間周波数帯域で局所的に変化の大きい画素を抽出してもよい。さらに、顔の各部位に相当するテンプレートと顔領域画像700とのテンプレートマッチングを行って顔の各部位の位置を特定することにより、顔特徴点を抽出してもよい。   Various known methods can be used to extract the facial feature points of the face area image. For example, an edge extraction process is performed on the face area image to extract edge pixels having a large luminance difference from surrounding pixels, and the feature amount obtained based on the position and pattern of the edge pixels is the eye, nose, Each face feature point can be extracted by checking whether or not a predetermined condition is satisfied for a part such as a mouth and the like and specifying the position of each part. Further, instead of performing edge extraction processing to extract edge pixels, Gabor transform processing or wavelet transform processing may be performed to extract pixels having large local changes in a plurality of different spatial frequency bands. Furthermore, the face feature points may be extracted by performing template matching between the template corresponding to each part of the face and the face region image 700 to specify the position of each part of the face.

さらには、例えば特開2014−178862号公報で開示されている特徴点抽出方法を用いることで、前記顔領域画像の位置合わせパラメータとして、並進(Tx,Ty,Tz)と回転角(Rx,Ry,Rz)、スケーリングパラメータsだけでなく、前記顔領域画像が表す顔の3次元形状の形状パラメータを抽出し、顔領域画像の顔特徴点の各々の三次元位置を求める。 Further, for example, by using a feature point extraction method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-178862, translation (T x , T y , T z ) and a rotation angle ( Rx , Ry , Rz ), not only the scaling parameter s, but also the shape parameters of the three-dimensional shape of the face represented by the face area image are extracted, and the three-dimensional position of each face feature point of the face area image is obtained. .

具体的には、まず、個人の顔形状の違いと顔の向き変動を表現できる3次元形状モデル上に配置した、複数の基準3D特徴点に対応する3D特徴点と、3D特徴点毎の部位画像情報とを予め持つ。また、位置合わせパラメータである、並進(Tx,Ty,Tz)と回転角(Rx,Ry,Rz)、及びスケーリングパラメータsを用いて、3次元形状モデルのパラメータの初期値を設定する。 Specifically, first, a 3D feature point corresponding to a plurality of reference 3D feature points and a part for each 3D feature point, which are arranged on a three-dimensional shape model that can express differences in individual face shapes and face orientation variations. Image information in advance. Further, the initial values of the parameters of the three-dimensional shape model using the translation parameters (T x , T y , T z ), the rotation angles (R x , R y , R z ) and the scaling parameter s, which are alignment parameters. Set.

3D特徴点毎に、3次元形状モデルの形状パラメータおよび向きを用いて当該3D特徴点を顔領域画像上に投影した位置での画像情報と、当該3D特徴点の部位画像情報とを参照することで3D特徴点の適合度を表す局所尤度を算出し、その総和で全体の3D特徴点の適合度たる尤度を求める。3D特徴点の配置は、前記3次元形状モデルの形状パラメータ、および向きによって決定されるため、前記尤度が最大となるように前記3次元形状モデルの形状パラメータ、位置および向きを摂動させることで、2次元顔画像に尤も適合する3D特徴点の配置を求め、顔領域画像の顔特徴点の各々の三次元位置とし、また、このときの3次元形状モデルの形状パラメータ、位置および向きを取得する。   For each 3D feature point, refer to the image information at the position where the 3D feature point is projected on the face area image using the shape parameter and orientation of the 3D shape model, and the part image information of the 3D feature point. To calculate the local likelihood representing the degree of matching of the 3D feature points, and obtain the likelihood as the degree of matching of the entire 3D feature points by the sum of the local likelihoods. Since the arrangement of 3D feature points is determined by the shape parameter and orientation of the 3D shape model, the shape parameter, position, and orientation of the 3D shape model are perturbed so that the likelihood is maximized. The arrangement of 3D feature points that are most suitable for the 2D face image is obtained, and the 3D position of each face feature point of the face area image is obtained, and the shape parameters, position, and orientation of the 3D shape model at this time are acquired. To do.

(参照点位置決定手段42)
参照点位置決定手段42は、位置合わせ手段41が出力した位置合わせパラメータを用いて、記憶部30に記憶される基準3D参照点32を前記顔領域画像に射影し、前記顔領域画像上の2D参照点の位置を決定する。
(Reference point position determining means 42)
The reference point position determination unit 42 projects the reference 3D reference point 32 stored in the storage unit 30 onto the face region image using the alignment parameter output from the alignment unit 41, and 2D on the face region image. Determine the position of the reference point.

基準3D参照点32の前記顔領域画像への射影については、基準3D特徴点31の射影と同様に一般的な方法を採用すれば良い。例えばピンホールカメラモデルであれば、第n番目の基準3D参照点32の3次元座標を(Xn、Yn、Zn)とすると、第n番目の基準3D参照点32を前記顔領域画像に射影した2D参照点の位置(Xn´、Yn´)は、位置合わせ手段41で求めたと回転行列

と並進ベクトル

とスケーリングパラメータsを用いて式(2)で表すことができる。
As for the projection of the standard 3D reference point 32 onto the face area image, a general method may be adopted as in the projection of the standard 3D feature point 31. For example, if the pinhole camera model, the three-dimensional coordinates of the n-th reference 3D reference points 32 (X n, Y n, Z n) When the n-th reference 3D reference points 32 the facial area image The position (X n ′, Y n ′) of the 2D reference point projected onto the rotation matrix is calculated by the alignment means 41.

And translation vector

And the scaling parameter s can be expressed by Equation (2).


(2)
上記式(2)の右辺は、基準3D参照点32を、顔領域画像が表す顔の向きと大きさに合わせた三次元形状モデルの回転・並進位置における3D参照点に変換した結果を表している。すなわち、上記式(2)は、基準3D参照点32を、顔領域画像が表す顔の三次元形状における3D参照点に変換し、当該3D参照点を顔領域画像上に射影した2D参照点の位置を求めることを表している。

(2)
The right side of the above equation (2) represents the result of converting the standard 3D reference point 32 into a 3D reference point at the rotation / translation position of the three-dimensional shape model that matches the orientation and size of the face represented by the face area image. Yes. That is, the above equation (2) converts the standard 3D reference point 32 into a 3D reference point in the three-dimensional shape of the face represented by the face area image, and projects the 3D reference point onto the face area image. This represents obtaining the position.

図8は、位置合わせ手段41で求めた位置合わせパラメータ

を用いて、式(2)にて基準3D参照点32を顔領域画像700上に射影した2D参照点801の例を示す。図8に示すように、顔領域画像700の顔向きに合わせて2D参照点801が配置される。
FIG. 8 shows the alignment parameter obtained by the alignment means 41.

An example of a 2D reference point 801 obtained by projecting the standard 3D reference point 32 onto the face area image 700 using the formula (2) is shown. As illustrated in FIG. 8, 2D reference points 801 are arranged in accordance with the face orientation of the face area image 700.

なお、前記位置合わせ手段41において、例えば、特開2014−178862で開示されている特徴点抽出方法を用いることで、前記顔領域画像の位置合わせパラメータである並進(Tx,Ty,Tz)、回転角(Rx,Ry,Rz)、及びスケーリングパラメータsだけでなく、前記顔領域画像の顔特徴点の各々の三次元位置を求めている場合は、顔特徴点の各々の三次元位置と、形状パラメータ、位置、及び向きとを用いて、前記顔領域画像の特徴点位置にフィッティングした2D参照点の位置を求めるようにしてもよい。 The alignment means 41 uses, for example, a feature point extraction method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-178862, so that translation (T x , T y , T z) that is an alignment parameter of the face area image is used. ), Rotation angle (R x , R y , R z ), and scaling parameter s, as well as the three-dimensional position of each face feature point of the face area image, The position of the 2D reference point fitted to the feature point position of the face area image may be obtained using the three-dimensional position, the shape parameter, the position, and the orientation.

以下、前記顔領域画像の特徴点位置にフィッティングした2D参照点を得る手順を、図9及び図10の模式図を参照して説明する。図9は、顔領域画像の顔特徴点の各々の三次元位置である3D特徴点901と、位置合わせ手段41で位置合わせパラメータとして求めた並進(Tx,Ty,Tz)と回転角(Rx,Ry,Rz)を用いて座標変換した基準3D特徴点31を表している。ここで、3D特徴点901は、個人の顔画像から抽出した特徴点となる為、標準的な人物顔の3次元形状300上に配置された基準3D特徴点31とは、完全に一致した位置とはならない。 Hereinafter, a procedure for obtaining a 2D reference point fitted to the feature point position of the face area image will be described with reference to the schematic diagrams of FIGS. FIG. 9 shows a 3D feature point 901 that is a three-dimensional position of each face feature point of the face area image, a translation (T x , T y , T z ) and a rotation angle obtained as alignment parameters by the alignment means 41. A reference 3D feature point 31 that has been coordinate-transformed using (R x , R y , R z ) is shown. Here, since the 3D feature point 901 is a feature point extracted from an individual's face image, a position that completely matches the reference 3D feature point 31 arranged on the three-dimensional shape 300 of a standard human face. It will not be.

基準3D特徴点31と基準3D参照点32は、いずれも標準的な人物顔の3次元形状300上に配置された点であるので、基準3D特徴点31が前記3D特徴点901の位置に移動するように、薄板スプライン変換などの既知のワーピング手法を用いて基準3D参照点32を変位させると、図10に示すように個人の特徴点位置に合わせた摂動3D参照点1001が得られる。   Since the reference 3D feature point 31 and the reference 3D reference point 32 are both points arranged on the standard three-dimensional shape 300 of the human face, the reference 3D feature point 31 moves to the position of the 3D feature point 901. Thus, when the standard 3D reference point 32 is displaced using a known warping technique such as thin plate spline transformation, a perturbation 3D reference point 1001 that matches the individual feature point position is obtained as shown in FIG.

参照点の摂動の様子が分かりやすいように、顔向きを正面にして、すなわち並進及び回転角をいずれも0として示したワーピングによる参照点の変位結果を図11に示す。この図では、基準3D特徴点31、基準3D参照点32、3D特徴点901、及び摂動3D参照点1001の配置を示している。図11では特徴点、参照点の配置がわかりやすいように、目や鼻などの顔の器官を模式的に表したが、実際には、参照点位置決定手段42では基準3D特徴点31、基準3D参照点32、3D特徴点901、及び摂動3D参照点1001の各点情報のみが扱われる。   FIG. 11 shows the displacement result of the reference point by warping in which the face direction is the front, that is, the translation and the rotation angle are both set to 0 so that the perturbation of the reference point can be easily understood. In this figure, the arrangement of the standard 3D feature point 31, the standard 3D reference point 32, the 3D feature point 901, and the perturbation 3D reference point 1001 is shown. In FIG. 11, facial organs such as eyes and nose are schematically shown so that the arrangement of the feature points and reference points is easy to understand, but in actuality, the reference point position determination means 42 uses the standard 3D feature points 31 and the standard 3D. Only point information of the reference point 32, the 3D feature point 901, and the perturbation 3D reference point 1001 is handled.

図11に示した基準3D特徴点31と3D特徴点901の抽出結果を比較すると、標準的な人物顔の3次元形状よりも、眉毛と目の間隔がやや狭く、鼻がやや上に位置し、かつ、口もやや小さいという個人特徴があることがわかるが、前記ワーピング手法によって、基準3D特徴点31が前記3D特徴点901の位置に移動するようにワーピングさせることで、前記個人特徴を反映した摂動3D参照点1001が得られることが示されている。   When the extraction results of the reference 3D feature point 31 and the 3D feature point 901 shown in FIG. 11 are compared, the distance between the eyebrows and the eyes is slightly narrower and the nose is positioned slightly above the standard three-dimensional shape of the human face. In addition, it can be seen that there is an individual feature that the mouth is also slightly small, but the warping method reflects the individual feature by warping the reference 3D feature point 31 to move to the position of the 3D feature point 901. It is shown that a perturbed 3D reference point 1001 is obtained.

摂動3D参照点1001の前記顔領域画像への射影については、基準3D特徴点31の射影と同様に一般的な方法を採用すれば良い。例えばピンホールカメラモデルであれば、上記式(2)における第n番目の基準3D参照点32の3次元座標を(Xn、Yn、Zn)に代えて、第n番目の摂動3D参照点1001の3次元座標(Xn´´、Yn´´、Zn´´)を用い、回転行列

と並進ベクトル

とスケーリングパラメータsに代えて、3次元形状モデルの形状パラメータ、回転および並進から得られるものを用いることで、第n番目の摂動3D参照点1001を前記顔領域画像に射影した2D参照点の位置(Xn´、Yn´)を得ることができる。
As for the projection of the perturbation 3D reference point 1001 onto the face area image, a general method may be adopted in the same manner as the projection of the standard 3D feature point 31. For example, in the case of a pinhole camera model, the three-dimensional coordinates of the n-th standard 3D reference point 32 in the above equation (2) are replaced with (X n , Y n , Z n ), and the n-th perturbation 3D reference is referred. Using the three-dimensional coordinates (X n ″ , Y n ″ , Z n ″ ) of the point 1001, a rotation matrix

And translation vector

The position of the 2D reference point obtained by projecting the nth perturbation 3D reference point 1001 onto the face area image by using the shape parameter obtained from the shape parameter, rotation and translation of the three-dimensional shape model instead of the scaling parameter s. (X n ′, Y n ′) can be obtained.

(顔照合手段43)
顔照合手段43は、顔画像取得部10が抽出した顔領域画像と、記憶部30に記憶されている全ての登録顔画像33を照合する。
(Face matching means 43)
The face collating unit 43 collates the face area image extracted by the face image acquiring unit 10 with all the registered face images 33 stored in the storage unit 30.

以下、顔照合手段43における照合処理を詳細に説明する。顔照合手段43は、参照点位置決定手段42で決定した前記顔領域画像700上の2D参照点801と、記憶部30に記憶されている登録顔画像の2D参照点について、対応する参照点同士の類似度を求める。参照点同士の類似度は、当該参照点周辺の局所領域画像から特徴ベクトルを求め、その類似度をもって算出する。局所領域画像から特徴ベクトルを求め類似の程度を算出する方法については、例えば、局所領域内の各画素の輝度や色の相違度を用いるなど、種々様々な公知の方法が利用できるので、詳細の説明は省略する。そして、顔照合手段43は、対応する参照点同士の類似度の総和が最大となる登録顔画像を選択し、当該類似度の総和が認証閾値以上である場合に、顔領域画像700に写っている顔が当該登録顔画像に対応する登録者の顔であると判定する。   Hereinafter, the matching process in the face matching unit 43 will be described in detail. The face collating unit 43 uses the corresponding reference points for the 2D reference point 801 on the face area image 700 determined by the reference point position determining unit 42 and the 2D reference point of the registered face image stored in the storage unit 30. Find the similarity of. The similarity between reference points is calculated from the feature vector obtained from a local region image around the reference point. As for the method of obtaining the feature vector from the local region image and calculating the degree of similarity, for example, various known methods such as using the luminance and color difference of each pixel in the local region can be used. Description is omitted. Then, the face matching unit 43 selects a registered face image that maximizes the sum of the similarities between the corresponding reference points. If the sum of the similarities is equal to or greater than the authentication threshold, the face matching image 43 appears in the face area image 700. It is determined that the existing face is the face of the registrant corresponding to the registered face image.

なお、画像処理部40は、前記顔領域画像700から2D参照点801を決定するのと同様の方法で、位置合わせ手段41及び参照点位置決定手段42の各処理により、記憶部30に記憶されているすべての登録顔画像33についての2D参照点を決定しておく。あるいは、画像処理部40は、顔領域画像を照合する度に、前記顔領域画像700から2D参照点801を決定するのと同様の方法により、各登録顔画像についての参照点を決定してもよい。   The image processing unit 40 is stored in the storage unit 30 by the processes of the alignment unit 41 and the reference point position determination unit 42 in the same manner as the 2D reference point 801 is determined from the face area image 700. 2D reference points for all registered face images 33 are determined. Alternatively, the image processing unit 40 may determine a reference point for each registered face image by the same method as that for determining the 2D reference point 801 from the face area image 700 every time the face area image is collated. Good.

顔照合手段43は、登録者の顔であると判定すると、出力部20に認証成功を示す信号を出力し、電気錠制御装置2に対して解錠制御を行う信号を出力させる。   If the face collating means 43 determines that the face is the registrant's face, it outputs a signal indicating successful authentication to the output unit 20 and causes the electric lock control device 2 to output a signal for performing unlock control.

<顔画像認証装置の動作>
以下、図12に示したフローチャートを参照しつつ、本発明を適用した顔画像認証装置3による認証処理の動作を説明する。なお、以下に説明する動作は、入力画像を1つ取得するごとに実行される。また、記憶部30に記憶されているすべての登録顔画像33についての2D参照点が、予め決定されて、記憶部30に記憶されている場合を例に説明する。
<Operation of face image authentication device>
Hereinafter, the operation of the authentication process by the face image authentication apparatus 3 to which the present invention is applied will be described with reference to the flowchart shown in FIG. The operation described below is executed every time one input image is acquired. Further, an example will be described in which 2D reference points for all registered face images 33 stored in the storage unit 30 are determined in advance and stored in the storage unit 30.

最初に、顔画像認証装置3の顔画像取得部10は、撮像装置1が撮影した入力画像を取得する(ステップS101)。そして、顔画像取得部10は当該入力顔画像から顔領域画像を抽出する(ステップS102)。顔画像取得部10は、1つ以上の顔領域画像が抽出されたか否かを判定し(ステップS103)、顔領域が全く抽出されなかった場合には以降の処理を行わず、認証処理を終了する。一方、1つ以上の顔領域画像が抽出された場合、顔画像取得部10は、ステップS104に処理を移行させる。   First, the face image acquisition unit 10 of the face image authentication device 3 acquires an input image captured by the imaging device 1 (step S101). Then, the face image acquisition unit 10 extracts a face area image from the input face image (step S102). The face image acquisition unit 10 determines whether or not one or more face area images have been extracted (step S103). If no face area has been extracted, the authentication process ends without performing the subsequent processes. To do. On the other hand, when one or more face area images are extracted, the face image acquisition unit 10 shifts the processing to step S104.

以下のステップS104〜S109の処理は、顔画像取得部10が抽出した顔領域画像ごとに行われる。   The following steps S104 to S109 are performed for each face area image extracted by the face image acquisition unit 10.

位置合わせ手段41は、顔領域画像上の特徴点位置に基づき、基準3D特徴点31の位置合わせパラメータ

を求める(ステップS104)。次に、参照点位置決定手段42は、位置合わせ手段41が出力した位置合わせパラメータ

を用いて基準3D参照点32を顔領域画像上に射影し、2D参照点の位置を決定する(ステップS105)。
The alignment means 41 is based on the position of the feature point on the face area image, and the alignment parameter of the reference 3D feature point 31

Is obtained (step S104). Next, the reference point position determining unit 42 outputs the alignment parameter output from the alignment unit 41.

The standard 3D reference point 32 is projected onto the face area image using to determine the position of the 2D reference point (step S105).

次に、顔照合手段43は、参照点位置決定手段42が決定した2D参照点周辺の局所領域画像と、記憶部30に記憶された全ての登録顔画像の2D参照点周辺の局所領域画像からそれぞれ特徴ベクトルを求めて類似度を算出し(ステップS106)、局所領域画像の類似度の総和が最も高くなる登録顔画像を選択する(ステップS107)。選択された登録顔画像における局所領域画像の類似度の総和が認証閾値以上である場合(ステップS108)、顔領域画像に写る人物の顔は、当該登録顔画像に対応する登録者の顔であると判定し、出力部20に認証成功を示す信号を出力する(ステップS109)。認証成功を示す信号が出力部20に出力された場合、出力部20から電気錠制御装置2に対して解錠制御を行う信号が出力される。一方、選択された登録顔画像における局所領域画像の類似度の総和が認証閾値未満である場合、顔照合手段43は、特に処理を行わない。   Next, the face collating unit 43 uses the local region image around the 2D reference point determined by the reference point position determining unit 42 and the local region image around the 2D reference point of all the registered face images stored in the storage unit 30. Each feature vector is obtained to calculate the similarity (step S106), and the registered face image with the highest sum of the similarities of the local region images is selected (step S107). If the sum of the similarities of the local area images in the selected registered face image is equal to or greater than the authentication threshold (step S108), the face of the person in the face area image is the face of the registrant corresponding to the registered face image. And a signal indicating successful authentication is output to the output unit 20 (step S109). When a signal indicating successful authentication is output to the output unit 20, a signal for performing unlock control on the electric lock control device 2 is output from the output unit 20. On the other hand, when the sum of the similarities of the local area images in the selected registered face image is less than the authentication threshold, the face matching unit 43 does not perform any particular processing.

全ての顔領域画像についてステップS104〜109の処理が終わると、画像処理部40は、一連のステップを終了する。   When the processes of steps S104 to S109 are completed for all face area images, the image processing unit 40 ends a series of steps.

以上説明してきたように、本発明の実施の形態に係る顔画像認証装置は、入力画像から得られる顔領域画像から抽出した複数の抽出特徴点と複数の基準3D特徴点との二次元空間又は三次元空間の少なくとも一方における位置ずれが最小となるよう、位置合わせパラメータを求め、位置合わせパラメータを用いて顔領域画像に、複数の基準3D参照点を射影して、顔領域画像の複数の参照点の位置を求めることにより、顔向きに依らずに、顔領域画像全体から特徴を抽出するための参照位置を安定して決定することができる。   As described above, the face image authentication apparatus according to the embodiment of the present invention is a two-dimensional space of a plurality of extracted feature points extracted from a face area image obtained from an input image and a plurality of reference 3D feature points. A registration parameter is obtained so that a positional deviation in at least one of the three-dimensional spaces is minimized, and a plurality of reference 3D reference points are projected onto the face area image using the registration parameter, so that a plurality of reference of the face area image is obtained. By obtaining the position of the point, it is possible to stably determine the reference position for extracting the feature from the entire face area image regardless of the face direction.

また、顔領域画像の特徴ベクトルを算出する為の局所領域位置を決定する参照点を、当該顔領域画像の顔向きに合わせて決定することができる。さらには、目鼻口といった器官の周辺だけでなく、頬や額等の肌部分にも、顔向きに合わせて参照点を配置することができる。本発明の実施の形態によって決定した参照点周辺の局所領域画像から特徴ベクトルを求め、当該特徴ベクトルの類似度で入力顔画像と登録顔画像の照合を行うことで、正面向き以外の顔画像でも、目鼻口といった器官の周辺だけでなく、頬や額等の肌部分の類似の度合いを評価することが可能となり、精度良く認証を行うことができる。   Further, the reference point for determining the local region position for calculating the feature vector of the face region image can be determined according to the face direction of the face region image. Furthermore, the reference points can be arranged not only around the organs such as the eyes and nose and mouth but also on the skin such as the cheeks and the forehead according to the face direction. By obtaining a feature vector from the local region image around the reference point determined according to the embodiment of the present invention and collating the input face image and the registered face image with the similarity of the feature vector, even a face image other than the front direction It is possible to evaluate the degree of similarity not only in the vicinity of organs such as the eyes and nose and mouth but also in skin parts such as the cheeks and forehead, so that authentication can be performed with high accuracy.

<変形例>
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、顔画像取得部10は、撮像装置1が撮影した入力画像を処理して、画像処理部40へ出力するが、ハードディスク等の媒体から入力画像を取得し、顔領域画像を抽出した上で画像処理部40へ出力してもよい。
<Modification>
The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments. For example, in the present embodiment, the face image acquisition unit 10 processes the input image captured by the imaging device 1 and outputs the processed image to the image processing unit 40. However, the face image acquisition unit 10 acquires the input image from a medium such as a hard disk, May be extracted and output to the image processing unit 40.

また、本実施の形態では、認証結果を通行の可否に使用するので電気錠制御装置2へ認証結果を出力しているが、一般公衆回線や携帯電話回線などの通信回線を介して、認証結果を監視センタ装置などの外部装置へ出力してもよい。また、外部装置への出力とせずに、認証結果を表示するランプを顔画像認証装置3に設けておき、認証結果を通行者に知らせてもよい。   In this embodiment, since the authentication result is used to pass or not, the authentication result is output to the electric lock control device 2. However, the authentication result is transmitted via a communication line such as a general public line or a mobile phone line. May be output to an external device such as a monitoring center device. In addition, a lamp for displaying the authentication result may be provided in the face image authentication device 3 without outputting it to the external device, and the authentication result may be notified to the passerby.

また、本実施形態では、基準3D特徴点31として、眉毛について左右の眉中心、左目及び右目のそれぞれについて目頭、目尻、上瞼中心及び下瞼中心と、鼻について鼻尖点、鼻下点、及び左右の鼻側および鼻下側と、口について上唇中心上端、下唇中心下端、及び左右の口角点の20箇所を記憶するものとしたが、この例よりも少数または多くの特徴点を設定しても良い。   In the present embodiment, the reference 3D feature points 31 include the right and left eyebrows center for the eyebrows, the eyes, the corners of the eyes, the upper eyelid center, and the lower eyelid center for each of the left eye and the right eye, and the nose point, the nose point, The left and right nose sides and the lower nose side, and the upper lip center upper end, lower lip center lower end, and left and right mouth corner points of the mouth are stored in 20 locations, but fewer or more feature points are set than in this example. May be.

また、位置合わせ手段41で、位置合わせパラメータ

だけでなく、詳細な3D特徴点901が得られる場合には、参照点位置決定手段42において、基準3D特徴点31と3D特徴点901の位置関係に基づき、基準3D参照点32の位置を摂動させた摂動3D参照点1001を求め、摂動3D参照点1001を顔領域画像に射影することで2D参照点を決定しても良い。
In addition, the alignment means 41 performs alignment parameter

In addition, when the detailed 3D feature point 901 is obtained, the reference point position determination unit 42 perturbs the position of the reference 3D reference point 32 based on the positional relationship between the reference 3D feature point 31 and the 3D feature point 901. The perturbed 3D reference point 1001 may be obtained and the 2D reference point may be determined by projecting the perturbed 3D reference point 1001 onto the face area image.

また、本実施形態では、基準3D特徴点31、基準3D参照点32、3D特徴点901、摂動3D参照点1001の位置や、回転、並進を表す座標系として直交座標系を採用したが、基準3D特徴点31、基準3D参照点32、3D特徴点901、摂動3D参照点1001の位置や、回転、並進を表すことができれば、種々の座標系を採用できる。   In this embodiment, the orthogonal coordinate system is adopted as the coordinate system representing the position, rotation, and translation of the reference 3D feature point 31, the reference 3D reference point 32, the 3D feature point 901, and the perturbation 3D reference point 1001. If the position, rotation, and translation of the 3D feature point 31, the standard 3D reference point 32, the 3D feature point 901, and the perturbation 3D reference point 1001 can be expressed, various coordinate systems can be employed.

また、本実施形態では、位置合わせ手段41で、位置合わせパラメータ

を求めた後に、3次元形状モデルの形状パラメータ、位置および向きと、詳細な3D特徴点901とを得る場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。位置合わせパラメータ

を求めずに、特開2014−178862号公報で開示されている特徴点抽出方法を用いて、3次元形状モデルの形状パラメータ、位置および向きと、詳細な3D特徴点901とを得るようにしてもよい。更に、顔の向きが予め分かっている場合には、3次元形状モデルの形状パラメータ、位置と、詳細な3D特徴点901とだけを得るようにしてもよい。例えば、顔の向きが正面であることを予め分かっている場合である。
In the present embodiment, the alignment unit 41 uses the alignment parameter.

In the example described above, the shape parameter, position and orientation of the three-dimensional shape model and the detailed 3D feature point 901 are obtained. However, the present invention is not limited to this. Alignment parameters

The feature parameters, position and orientation of the three-dimensional shape model and detailed 3D feature points 901 are obtained using the feature point extraction method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-178862. Also good. Furthermore, when the orientation of the face is known in advance, only the shape parameters and positions of the three-dimensional shape model and detailed 3D feature points 901 may be obtained. For example, this is a case where the face orientation is known in advance.

また、顔照合手段43は、対応する参照点同士の類似度の総和が最大となる登録顔画像を選択し、顔領域画像700に写っている顔が当該登録顔画像に対応する登録者の顔であるか否かを判定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、顔照合手段43は、対応する参照点同士及び対応する特徴点同士の類似度の総和が最大となる登録顔画像を選択し、顔領域画像700に写っている顔が当該登録顔画像に対応する登録者の顔であるか否かを判定するようにしてもよい。   Further, the face collating means 43 selects a registered face image that maximizes the similarity between corresponding reference points, and the face shown in the face area image 700 is the face of the registrant corresponding to the registered face image. However, the present invention is not limited to this. For example, the face collating unit 43 selects a registered face image that maximizes the sum of the similarities between corresponding reference points and corresponding feature points, and the face reflected in the face area image 700 becomes the registered face image. You may make it determine whether it is a corresponding registrant's face.

また、顔画像認証装置に本発明を適用する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、入力された顔画像が表わす顔の状態を推定する装置に、本発明を適用してもよい。この場合、入力された顔画像について決定された2D参照点の特徴量から、顔の状態を推定するようにすればよい。   Moreover, although the case where this invention is applied to a face image authentication apparatus was demonstrated to the example, it is not limited to this. For example, the present invention may be applied to a device that estimates the state of the face represented by the input face image. In this case, the face state may be estimated from the feature amount of the 2D reference point determined for the input face image.

また、入力された顔画像の2D参照点を決定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、顔以外の形状を有する物体を表す画像の2D参照点を決定するようにしても良い。例えば、車を表す画像の2D参照点を決定するようにしても良い。   Further, the case where the 2D reference point of the input face image is determined has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the 2D reference point of the image representing the object having a shape other than the face is determined. May be. For example, a 2D reference point of an image representing a car may be determined.

以上のように、当業者は本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。   As described above, those skilled in the art can make various changes in accordance with the embodiment to be implemented within the scope of the present invention.

3 顔画像認証装置
31 基準3D特徴点
32 基準3D参照点
40 画像処理部
41 位置合わせ手段
42 参照点位置決定手段
43 顔照合手段
100 出入管理システム
700 顔領域画像
701 顔特徴点
702 基準2D特徴点
801 2D参照点
901 3D特徴点
1001 摂動3D参照点
3 Face Image Authentication Device 31 Standard 3D Feature Point 32 Standard 3D Reference Point 40 Image Processing Unit 41 Positioning Unit 42 Reference Point Position Determination Unit 43 Face Matching Unit 100 Access Control System 700 Face Area Image 701 Face Feature Point 702 Standard 2D Feature Point 801 2D reference point 901 3D feature point 1001 Perturbation 3D reference point

Claims (4)

物体を撮像した入力物体画像における複数の参照点の各々の位置を決定する参照点位置決定装置であって、
三次元の物体モデルにおける複数の特徴点の各々の三次元位置を表す複数の基準3D特徴点と、前記三次元の物体モデルにおける複数の参照点の各々の三次元位置を表す複数の基準3D参照点とを予め記憶した記憶手段と、
前記入力物体画像から抽出した複数の抽出特徴点と前記複数の基準3D特徴点との二次元空間及び三次元空間の少なくとも一方におけるずれが最小となるように、前記入力物体画像が表す物体の三次元形状の向き及び形状を補正するパラメータを位置合わせパラメータとして求めると共に前記複数の抽出特徴点の各々の三次元位置を求める位置合わせ手段と、
前記位置合わせ手段によって求められた前記複数の抽出特徴点の各々の三次元位置と、前記複数の基準3D特徴点の各々の三次元位置とに基づいて、前記複数の基準3D参照点に対応する、前記入力物体画像が表す物体の三次元形状における複数の3D参照点を求め、前記位置合わせパラメータを用いて前記入力物体画像に、前記複数の3D参照点を射影して、前記入力物体画像の複数の参照点の各々の位置を求める参照点位置決定手段と、
を含む参照点位置決定装置。
A reference point position determination device that determines the position of each of a plurality of reference points in an input object image obtained by imaging an object,
A plurality of standard 3D feature points representing the three-dimensional positions of the plurality of feature points in the three-dimensional object model, and a plurality of standard 3D references representing the three-dimensional positions of the plurality of reference points in the three-dimensional object model. Storage means for storing points in advance;
The cubic of the object represented by the input object image so that the deviation in at least one of the two-dimensional space and the three-dimensional space between the plurality of extracted feature points extracted from the input object image and the plurality of reference 3D feature points is minimized. and alignment means asking you to three-dimensional position of each of Rutotomoni the plurality of extracted feature points determined parameters for correcting the original shape orientation and shape of the alignment parameters,
Corresponding to the plurality of reference 3D reference points based on the three-dimensional position of each of the plurality of extracted feature points obtained by the alignment means and the three-dimensional position of each of the plurality of reference 3D feature points. , Obtaining a plurality of 3D reference points in the three-dimensional shape of the object represented by the input object image, projecting the plurality of 3D reference points onto the input object image using the alignment parameter, and Reference point position determining means for obtaining the position of each of the plurality of reference points;
A reference point position determining device including:
前記位置合わせ手段は、
予め定められた3次元形状モデル上に配置した、前記複数の基準3D特徴点に対応する複数の3D特徴点と、前記複数の3D特徴点の各々の部位画像情報とに基づいて、前記複数の3D特徴点の各々に対し、前記パラメータを用いて前記3D特徴点を前記入力物体画像上に投影した位置での画像情報と、前記3D特徴点の前記部位画像情報とに基づいて算出される、前記3D特徴点の適合度を表す局所尤度の総和が最大となるよう、当該3D特徴点の各々の三次元位置を前記複数の抽出特徴点の各々の三次元位置として求めると共に、前記位置合わせパラメータを求める請求項に記載の参照点位置決定装置。
The alignment means includes
Based on the plurality of 3D feature points corresponding to the plurality of reference 3D feature points and the part image information of each of the plurality of 3D feature points arranged on a predetermined three-dimensional shape model, the plurality of the plurality of 3D feature points For each 3D feature point, it is calculated based on the image information at the position where the 3D feature point is projected on the input object image using the parameters and the part image information of the 3D feature point. Obtaining the three-dimensional position of each of the 3D feature points as the three-dimensional position of each of the plurality of extracted feature points so that the sum of local likelihoods representing the fitness of the 3D feature points is maximized, and the alignment The reference point position determining apparatus according to claim 1 , wherein the parameter is obtained.
物体を撮像した入力物体画像における複数の参照点の各々の位置を決定する参照点位置決定装置であって、
三次元の物体モデルにおける複数の特徴点の各々の三次元位置を表す複数の基準3D特徴点と、前記三次元の物体モデルにおける複数の参照点の各々の三次元位置を表す複数の基準3D参照点とを予め記憶した記憶手段と、
前記入力物体画像から抽出した複数の抽出特徴点と前記複数の基準3D特徴点との二次元空間及び三次元空間の少なくとも一方におけるずれが最小となるように、前記入力物体画像が表す物体の三次元形状の向き及び形状の少なくとも一方を補正するパラメータを位置合わせパラメータとして求める位置合わせ手段と、
前記位置合わせパラメータを用いて前記入力物体画像に、前記複数の基準3D参照点を射影して、前記入力物体画像の複数の参照点の各々の位置を求める参照点位置決定手段と、
を含み、
前記複数の基準3D参照点を、前記物体の画像特徴が変動することが予め予想される位置については前記基準3D参照点を配置しないように設定されたものとした参照点位置決定装置。
A reference point position determination device that determines the position of each of a plurality of reference points in an input object image obtained by imaging an object,
A plurality of standard 3D feature points representing the three-dimensional positions of the plurality of feature points in the three-dimensional object model, and a plurality of standard 3D references representing the three-dimensional positions of the plurality of reference points in the three-dimensional object model. Storage means for storing points in advance;
The cubic of the object represented by the input object image so that the deviation in at least one of the two-dimensional space and the three-dimensional space between the plurality of extracted feature points extracted from the input object image and the plurality of reference 3D feature points is minimized. Alignment means for obtaining a parameter for correcting at least one of the orientation and shape of the original shape as an alignment parameter;
Reference point position determining means for projecting the plurality of reference 3D reference points onto the input object image using the alignment parameter to determine the position of each of the plurality of reference points of the input object image;
Only including,
The reference point position determination device in which the plurality of reference 3D reference points are set so that the reference 3D reference points are not arranged at positions where the image characteristics of the object are expected to fluctuate in advance .
前記参照点位置決定手段によって求められた前記複数の参照点の位置に基づいて、前記入力物体画像から、登録物体画像と照合するための特徴量を抽出する特徴量抽出手段を更に含む請求項1〜請求項の何れか一項に記載の参照点位置決定装置。 The feature amount extracting unit further extracts a feature amount for collating with a registered object image from the input object image based on the positions of the plurality of reference points obtained by the reference point position determining unit. The reference point position determination apparatus according to claim 3 .
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