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JP7093935B2 - Estimating system, estimation device, estimation method and computer program - Google Patents
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JP7093935B2 - Estimating system, estimation device, estimation method and computer program - Google Patents

Estimating system, estimation device, estimation method and computer program Download PDF

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JP7093935B2 JP2020147859A JP2020147859A JP7093935B2 JP 7093935 B2 JP7093935 B2 JP 7093935B2 JP 2020147859 A JP2020147859 A JP 2020147859A JP 2020147859 A JP2020147859 A JP 2020147859A JP 7093935 B2 JP7093935 B2 JP 7093935B2
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Description

本発明は、推定システム、推定装置、推定方法及びコンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to an estimation system, an estimation device, an estimation method and a computer program.

従来、静止している人間の頭部が写っているカラー映像からその人間が注視している方向を推定する技術がある(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, there is a technique of estimating the direction in which a person is gazing from a color image showing a stationary human head (see, for example, Non-Patent Document 1).

Petr Kellnhofer, Adria Recasens, Simon Stent, Wojciech Matusik, and Antonio Torralba,“Gaze360: Physically Unconstrained Gaze Estimation in the Wild”Petr Kellnhofer, Adria Recasens, Simon Stent, Wojciech Matusik, and Antonio Torralba, “Gaze360: Physically Unconstrained Gaze Estimation in the Wild”

しかしながら、従来の技術では通行人の注視方向を推定することはできるが、注視を開始する実空間上の位置を推定することはできず、首の可動域としてもありえない推定結果を推定してしまうことがある。そのため、推定精度が低下してしまうという問題があった。 However, although the conventional technique can estimate the gaze direction of a passerby, it cannot estimate the position in the real space where the gaze starts, and it estimates the estimation result which is impossible even as the range of motion of the neck. Sometimes. Therefore, there is a problem that the estimation accuracy is lowered.

上記事情に鑑み、本発明は、通行人の注視開始位置及び注視方向の推定精度を向上させることができる技術の提供を目的としている。 In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a technique capable of improving the estimation accuracy of the gaze start position and the gaze direction of a passerby.

本発明の一態様は、通行人の身体部位を含む領域を撮影して、1枚以上の第1の画像を生成する第1の撮影装置と、前記通行人の身体部位を含む領域を撮影して、奥行き方向の距離の情報が格納された1枚以上の第2の画像を生成する第2の撮影装置と、人物領域の情報及び前記人物領域に対応する3次元データを入力として前記人物領域で示される人物の注視開始位置及び注視方向の情報を出力するように学習された学習済みモデルに対して、前記第1の画像から抽出される人物領域の情報と、前記第2の画像から生成される3次元データである点群データ又は深度画像とを入力として、前記通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する推定部と、を備える推定システムである。 One aspect of the present invention is to photograph a region including a body part of a passerby, a first imaging device that generates one or more first images, and a region including the body part of the passerby. A second photographing device that generates one or more second images in which information on the distance in the depth direction is stored, and the person area by inputting information on the person area and three-dimensional data corresponding to the person area. Generated from the information of the person area extracted from the first image and the second image for the trained model trained to output the information of the gaze start position and the gaze direction of the person indicated by. It is an estimation system including an estimation unit that estimates a gaze start position and a gaze direction of the passerby by inputting point group data or a depth image which are three-dimensional data.

本発明の一態様は、上記の推定システムであって、前記第2の画像から人物領域を抽出する深度画像切取部と、抽出された前記人物領域に基づいて前記3次元データを復元する復元部と、をさらに備える。 One aspect of the present invention is the estimation system, in which a depth image cutting unit that extracts a person area from the second image and a restoration unit that restores the three-dimensional data based on the extracted person area. And further prepare.

本発明の一態様は、上記の推定システムであって、前記通行人の身体部位を含む領域は、前記通行人の腰の位置より上の身体部位を含む領域であり、前記第1の画像から前記通行人の身体部位を含む領域を検出する身体部位検出部と、検出された前記通行人の身体部位を含む領域のうち、少なくとも人物の頭と肩の領域を含む部分領域を前記第1の画像から抽出する画像切取部と、をさらに備え、前記深度画像切取部は、検出された前記通行人の身体部位を含む領域のうち、少なくとも人物の身体部分を含む部分領域を前記第2の画像から抽出する。 One aspect of the present invention is the estimation system described above, wherein the region including the body portion of the passerby is a region including the body portion above the position of the waist of the passerby, from the first image. The first portion of the body part detection unit that detects the area including the body part of the passerby and the detected area including the body part of the passerby, including at least the head and shoulder areas of the person. The depth image cutting section further includes an image cutting section for extracting from an image, and the depth image cutting section includes a partial region including at least a body part of a person among the detected body parts of the passerby as the second image. Extract from.

本発明の一態様は、上記の推定システムであって、人物領域の情報及び前記人物領域に対応する前記3次元データと、注視開始位置及び注視方向の情報とを対応付けた教師データを入力として、前記学習済みモデルを生成する学習部をさらに備える。 One aspect of the present invention is the above estimation system, in which information on a person area and the three-dimensional data corresponding to the person area are input with teacher data in which information on a gaze start position and gaze direction is associated with each other. Further, a learning unit for generating the trained model is provided.

本発明の一態様は、通行人の身体部位を含む領域が撮影された1枚以上の第1の画像と、前記通行人の身体部位を含む領域に関する奥行き方向の距離の情報が格納された1枚以上の第2の画像とを取得する取得部と、人物領域の情報及び前記人物領域に対応する3次元データを入力として前記人物領域で示される人物の注視開始位置及び注視方向の情報を出力するように学習された学習済みモデルに対して、前記取得部によって取得された前記第1の画像から抽出される人物領域の情報と、前記第2の画像から生成される3次元データである点群データ又は深度画像とを入力として、前記通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する推定部と、を備える推定装置である。 One aspect of the present invention stores one or more first images of a region including a passerby's body part and information on the distance in the depth direction with respect to the region including the passerby's body part1. An acquisition unit that acquires two or more second images, information on the person area, and three-dimensional data corresponding to the person area are input, and information on the gaze start position and gaze direction of the person indicated in the person area is output. For the trained model trained to do so, the information of the person area extracted from the first image acquired by the acquisition unit and the three-dimensional data generated from the second image . It is an estimation device including an estimation unit that estimates the gaze start position and gaze direction of the passerby by inputting group data or a depth image .

本発明の一態様は、通行人の身体部位を含む領域が撮影された1枚以上の第1の画像と、前記通行人の身体部位を含む領域に関する奥行き方向の距離の情報が格納された1枚以上の第2の画像とを取得する取得ステップと、人物領域の情報及び前記人物領域に対応する3次元データを入力として前記人物領域で示される人物の注視開始位置及び注視方向の情報を出力するように学習された学習済みモデルに対して、前記取得部によって取得された前記第1の画像から抽出される人物領域の情報と、前記第2の画像から生成される3次元データである点群データ又は深度画像とを入力として、前記通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する推定ステップと、を備える推定方法である。 One aspect of the present invention stores one or more first images of a region including a passerby's body part and information on the distance in the depth direction with respect to the region including the passerby's body part1. The acquisition step of acquiring two or more second images, the information of the person area and the three-dimensional data corresponding to the person area are input, and the information of the gaze start position and the gaze direction of the person shown in the person area is output. For the trained model trained to do so, the information of the person area extracted from the first image acquired by the acquisition unit and the three-dimensional data generated from the second image . It is an estimation method including an estimation step for estimating a gaze start position and a gaze direction of the passerby by inputting group data or a depth image .

本発明の一態様は、通行人の身体部位を含む領域が撮影された1枚以上の第1の画像と、前記通行人の身体部位を含む領域に関する奥行き方向の距離の情報が格納された1枚以上の第2の画像とを取得する取得ステップと、人物領域の情報及び前記人物領域に対応する3次元データを入力として前記人物領域で示される人物の注視開始位置及び注視方向の情報を出力するように学習された学習済みモデルに対して、前記取得部によって取得された前記第1の画像から抽出される人物領域の情報と、前記第2の画像から生成される3次元データである点群データ又は深度画像とを入力として、前記通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する推定ステップと、をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムである。 One aspect of the present invention stores one or more first images of a region including a passerby's body part and information on the distance in the depth direction with respect to the region including the passerby's body part1. The acquisition step of acquiring two or more second images, the information of the person area and the three-dimensional data corresponding to the person area are input, and the information of the gaze start position and the gaze direction of the person shown in the person area is output. For the trained model trained to do so, the information of the person area extracted from the first image acquired by the acquisition unit and the three-dimensional data generated from the second image . It is a computer program for causing a computer to perform an estimation step of estimating a gaze start position and a gaze direction of the passerby by inputting group data or a depth image .

本発明により、通行人の注視開始位置及び注視方向の推定精度を向上させることが可能となる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to improve the estimation accuracy of the gaze start position and the gaze direction of a passerby.

本発明の実施形態における推定システムの構成を表す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the estimation system in embodiment of this invention. 本実施形態における学習装置の機能構成の具体例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the specific example of the functional structure of the learning apparatus in this embodiment. 本実施形態で用いられる学習モデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the learning model used in this embodiment. 本実施形態における推定装置の機能構成の具体例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the specific example of the functional structure of the estimation apparatus in this embodiment. 本実施形態における推定装置の推定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 the estimation process of the estimation device in this embodiment.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態における推定システム100の構成を表す構成図である。推定システム100は、通行人の注視開始位置及び注視方向を推定するシステムである。本発明における通行人とは、室内の通路を通っている人物である。注視開始位置は、通行人が注視している方向を推定するための基準となる位置である。例えば、注視開始位置は、人物の眉間の位置である。注視方向は、通行人が注視している方向である。なお、注視は、目の角度を測定しない点で視線と意味合いが異なる。また、注視は、見ているか否かを考慮しない点で顔向きと意味合いが異なる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an estimation system 100 according to an embodiment of the present invention. The estimation system 100 is a system that estimates the gaze start position and gaze direction of a passerby. The passerby in the present invention is a person passing through an indoor passage. The gaze start position is a reference position for estimating the direction in which the passerby is gaze. For example, the gaze start position is the position between the eyebrows of a person. The gaze direction is the direction in which a passerby is gaze. It should be noted that gaze has a different meaning from gaze in that the angle of the eyes is not measured. In addition, gaze has a different meaning from face orientation in that it does not consider whether or not it is being viewed.

推定システム100は、学習装置10、画像センサ20(第1の撮影装置)、深度センサ30(第2の撮影装置)及び推定装置40を備える。学習装置10と、推定装置40とは、有線又は無線により通信可能に接続される。画像センサ20及び深度センサ30と、推定装置40とはそれぞれ、有線又は無線により通信可能に接続される。画像センサ20及び深度センサ30は、同一方向であって、通行人の身体部位を含む領域が撮影可能に設置されている。通行人の身体部位を含む領域は、通行人の腰の位置より上の身体部位を含む領域であり、例えば少なくとも通行人の顔及び肩の領域を含む。通行人の腰より上の領域は、例えば人物の両肩の中点の位置、首の位置、腰の位置を結ぶ線分に基づいて、腰の位置より3/4以上の領域であればよい。なお、画像センサ20及び深度センサ30は、近接して配置されることがより好ましい。通行人の身体部位を含む領域は、通行人の全身を含む領域であってもよい。 The estimation system 100 includes a learning device 10, an image sensor 20 (first imaging device), a depth sensor 30 (second imaging device), and an estimation device 40. The learning device 10 and the estimation device 40 are communicably connected by wire or wirelessly. The image sensor 20, the depth sensor 30, and the estimation device 40 are connected to each other so as to be communicable by wire or wirelessly. The image sensor 20 and the depth sensor 30 are installed in the same direction so that an area including a body part of a passerby can be photographed. The area including the body part of the passerby is the area including the body part above the position of the waist of the passerby, and includes, for example, at least the area of the face and shoulders of the passerby. The area above the waist of a passerby may be an area 3/4 or more from the position of the waist, for example, based on the line segment connecting the position of the midpoint of both shoulders of the person, the position of the neck, and the position of the waist. .. It is more preferable that the image sensor 20 and the depth sensor 30 are arranged close to each other. The region including the body part of the passerby may be the region including the whole body of the passerby.

学習装置10は、教師データを入力として、学習モデルを学習することによって学習済みモデルを生成する。教師データは、教師有り学習に用いられる学習用のデータであり、入力データと、その入力データに対して相関性を有すると想定される出力データとの組み合わせによって表されるデータである。学習装置10に入力される教師データは、通行人の腰より上の領域が撮影されたカラー画像及び点群データと、通行人の注視開始位置及び注視方向の情報とを対応付けたデータである。教師データにおける通行人の注視開始位置の情報は、人物の眉間の位置(x,y,z)で表現される開始ベクトルである。教師データにおける通行人の注視方向の情報は、人物の注視方向(x,y,z)で表現される方向ベクトルである。 The learning device 10 generates a trained model by learning a learning model by inputting teacher data. The teacher data is data for learning used for supervised learning, and is data represented by a combination of input data and output data that is assumed to have a correlation with the input data. The teacher data input to the learning device 10 is data in which a color image and a point cloud data in which an area above the waist of a passerby is photographed are associated with information on a gaze start position and a gaze direction of the passerby. .. The information on the gaze start position of a passerby in the teacher data is a start vector represented by the position (x, y, z) between the eyebrows of the person. The information on the gaze direction of a passerby in the teacher data is a direction vector represented by the gaze direction (x, y, z) of the person.

学習装置10は、カラー画像及び点群データを学習モデルに入力して、通行人の注視開始位置及び注視方向の情報を出力するように学習された学習済みモデルを生成する。ここで、学習とは、機械学習モデルで利用される係数を最適化することである。例えば、学習とは、機械学習モデルで利用される係数を、損失関数が最小となるように調整することである。機械学習モデルで利用される係数は、例えば重みの値やバイアスの値である。 The learning device 10 inputs a color image and a point cloud data to the learning model, and generates a trained model trained to output information on a passerby's gaze start position and gaze direction. Here, learning is optimizing the coefficients used in the machine learning model. For example, learning is adjusting the coefficients used in a machine learning model so that the loss function is minimized. The coefficients used in the machine learning model are, for example, weight values and bias values.

教師データにおけるカラー画像及び点群データの座標系は、画素単位で事前に対応付けられているものとする。カラー画像及び点群データは、同一の人物を同一方向から撮影して得られた情報であることが望ましい。 It is assumed that the coordinate systems of the color image and the point cloud data in the teacher data are associated in advance on a pixel-by-pixel basis. It is desirable that the color image and the point cloud data are information obtained by photographing the same person from the same direction.

画像センサ20は、通行人の身体部位を含む領域を撮影することによってカラー画像(第1の画像)を生成する。画像センサ20は、生成したカラー画像を推定装置40に出力する。カラー画像には、撮影した時刻に関する時刻情報が含まれる。 The image sensor 20 generates a color image (first image) by photographing an area including a body part of a passerby. The image sensor 20 outputs the generated color image to the estimation device 40. The color image contains time information regarding the time when the image was taken.

深度センサ30は、通行人の身体部位を含む領域を撮影することによって深度画像(第2の画像)を生成する。深度画像とは、画像の各画素値に、計測デバイス(例えば、カメラ)からの奥行き方向の距離の情報が格納された画像である。深度センサ30は、生成した深度画像を推定装置40に出力する。深度画像には、撮影した時刻に関する時刻情報が含まれる。 The depth sensor 30 generates a depth image (second image) by photographing an area including a body part of a passerby. The depth image is an image in which information on the distance in the depth direction from a measuring device (for example, a camera) is stored in each pixel value of the image. The depth sensor 30 outputs the generated depth image to the estimation device 40. The depth image contains time information about the time when the image was taken.

推定装置40は、学習装置10から出力された学習済みモデルと、画像センサ20によって生成されたカラー画像と、深度センサ30によって生成された深度画像とを用いて、画像に撮像されている人物の注視開始位置及び注視方向を推定する。推定装置40は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置を用いて構成される。 The estimation device 40 uses the trained model output from the learning device 10, the color image generated by the image sensor 20, and the depth image generated by the depth sensor 30 to capture a person imaged in the image. Estimate the gaze start position and gaze direction. The estimation device 40 is configured by using an information processing device such as a personal computer.

図2は、本実施形態における学習装置10の機能構成の具体例を示すブロック図である。
学習装置10は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)やメモリや補助記憶装置などを備え、プログラムを実行する。学習装置10は、プログラムの実行によって学習モデル記憶部11、教師データ入力部12及び学習部13を備える装置として機能する。なお、学習装置10の各機能の全て又は一部は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field-Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM(Read Only Memory)、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
FIG. 2 is a block diagram showing a specific example of the functional configuration of the learning device 10 in the present embodiment.
The learning device 10 includes a CPU (Central Processing Unit), a memory, an auxiliary storage device, and the like connected by a bus, and executes a program. The learning device 10 functions as a device including a learning model storage unit 11, a teacher data input unit 12, and a learning unit 13 by executing a program. All or part of each function of the learning device 10 may be realized by using hardware such as ASIC (Application Specific Integrated Circuit), PLD (Programmable Logic Device), FPGA (Field-Programmable Gate Array), and the like. .. The program may be recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium is, for example, a flexible disk, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM (Read Only Memory) or a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built in a computer system. The program may be transmitted over a telecommunication line.

学習モデル記憶部11は、磁気記憶装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。学習モデル記憶部11は、機械学習における学習モデルを予め記憶している。ここで、学習モデルとは、入力データと出力データとの関係性を学習する際に使用する機械学習アルゴリズムを示す情報である。本実施形態では、機械学習の学習モデルとして多層パーセプトロン等のニューラルネットワークを用いる。本実施形態ではニューラルネットワークの一例として、例えばResNet(Residual Network)及びPointNetを用いる。 The learning model storage unit 11 is configured by using a storage device such as a magnetic storage device or a semiconductor storage device. The learning model storage unit 11 stores the learning model in machine learning in advance. Here, the learning model is information indicating a machine learning algorithm used when learning the relationship between the input data and the output data. In this embodiment, a neural network such as a multi-layer perceptron is used as a learning model for machine learning. In this embodiment, for example, ResNet (Residual Network) and PointNet are used as an example of the neural network.

教師データ入力部12は、教師データを入力する機能を有する。本実施形態では、通行人の腰より上の領域が撮影されたカラー画像及び点群データとの組み合わせを入力データとし、画像に撮像されている通行人の注視開始位置と注視方向の情報を出力データとする。そして、それらの入力データと出力データとの組み合わせたものを1つのサンプルデータとし、複数のサンプルデータの集合を教師データとして事前に生成する。 The teacher data input unit 12 has a function of inputting teacher data. In the present embodiment, the combination of the color image and the point cloud data captured in the area above the waist of the passerby is used as the input data, and the information on the gaze start position and the gaze direction of the passerby captured in the image is output. Let it be data. Then, a combination of the input data and the output data is used as one sample data, and a set of a plurality of sample data is generated in advance as teacher data.

例えば、教師データ入力部12は、このようにして生成された教師データを記憶している外部装置(図示せず)と通信可能に接続され、その通信インタフェースを介して外部装置から教師データを入力する。また例えば、教師データ入力部12は、予め教師データを記憶している記録媒体から教師データを読み出すことによって教師データを入力するように構成されてもよい。教師データ入力部12は、このようにして入力した教師データを学習部13に出力する。 For example, the teacher data input unit 12 is communicably connected to an external device (not shown) that stores the teacher data generated in this way, and inputs teacher data from the external device via the communication interface. do. Further, for example, the teacher data input unit 12 may be configured to input teacher data by reading the teacher data from a recording medium that stores the teacher data in advance. The teacher data input unit 12 outputs the teacher data input in this way to the learning unit 13.

図3は、本実施形態で用いられる学習モデル53の一例を示す図である。
学習モデル53は、第1特徴抽出ネットワーク531、第2特徴抽出ネットワーク532、全結合層533~538で構成される。学習モデル53は、学習モデル記憶部11に記憶されている。学習モデル53は、教師データであるカラー画像51及び点群データ52を入力として、注視開始位置及び注視方向の情報を出力する。なお、学習前の状態では、学習モデル53には、ランダム値で初期化された係数が設定される。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the learning model 53 used in the present embodiment.
The learning model 53 is composed of a first feature extraction network 531, a second feature extraction network 532, and fully connected layers 533 to 538. The learning model 53 is stored in the learning model storage unit 11. The learning model 53 takes the color image 51 and the point cloud data 52, which are teacher data, as inputs, and outputs information on the gaze start position and the gaze direction. In the state before learning, a coefficient initialized with a random value is set in the learning model 53.

第1特徴抽出ネットワーク531は、ResNetと同様の構成を有する畳み込みニューラルネットワークである。第1特徴抽出ネットワーク531は、例えばResNet18と呼ばれるネットワークである。ResNet18は、Residual blockという層が18層で構成されており、カラー画像を並べた情報(4階のテンソル)を入力として、特徴量(1階のテンソル)を出力する。以下、第1特徴抽出ネットワーク531で抽出された特徴量を第1の特徴量と記載する。学習前の状態では、第1特徴抽出ネットワーク531には、ランダム値で初期化された係数が設定される。 The first feature extraction network 531 is a convolutional neural network having the same configuration as ResNet. The first feature extraction network 531 is, for example, a network called ResNet18. ResNet18 has a layer called Residual block composed of 18 layers, and outputs a feature amount (tensor on the first floor) by inputting information (tensor on the fourth floor) in which color images are arranged. Hereinafter, the feature amount extracted by the first feature extraction network 531 will be referred to as a first feature amount. In the state before learning, a coefficient initialized with a random value is set in the first feature extraction network 531.

第2特徴抽出ネットワーク532は、PointNetと同様の構成を有する畳み込みニューラルネットワークである。PointNetは点群データ(3階のテンソル)を入力として、特徴量(1階のテンソル)を出力する。本実施形態において第2特徴抽出ネットワーク532は、PointNetにおけるglobal featureを特徴量として利用する。以下、第2特徴抽出ネットワーク532で抽出された特徴量を第2の特徴量と記載する。学習前の状態では、第2特徴抽出ネットワーク532には、ランダム値で初期化された係数が設定される。 The second feature extraction network 532 is a convolutional neural network having a configuration similar to that of PointNet. PointNet takes point cloud data (third-order tensor) as input and outputs features (first-order tensor). In the present embodiment, the second feature extraction network 532 utilizes the global feature in PointNet as a feature quantity. Hereinafter, the feature amount extracted by the second feature extraction network 532 will be referred to as a second feature amount. In the state before learning, a coefficient initialized with a random value is set in the second feature extraction network 532.

第1特徴抽出ネットワーク531から抽出された第1の特徴量と、第2特徴抽出ネットワーク532から抽出された第2の特徴量は、それぞれ全結合層533及び全結合層536に入力される。全結合層533~535は、注視開始位置を求めるために利用される。全結合層536~538は、注視方向を求めるために利用される。 The first feature amount extracted from the first feature extraction network 531 and the second feature amount extracted from the second feature extraction network 532 are input to the fully connected layer 533 and the fully connected layer 536, respectively. The fully connected layers 533 to 535 are used to determine the gaze start position. The fully connected layers 536 to 538 are used to determine the gaze direction.

全結合層533及び全結合層536は、入力された第1の特徴量及び第2の特徴量を結合する。全結合層533の後段には、全結合層533を組み合わせて注視開始位置を求めるために、全結合層534及び535が接続される。そして、全結合層535から注視開始位置(1階のテンソル)が求められる。このように、全結合層535の出力は、推定により得られた注視開始位置の情報を表す推定開始ベクトルである。推定開始ベクトルは、学習モデル53により推定される人物の眉間の位置(x,y,z)で表現される開始ベクトルである。 The fully-bonded layer 533 and the fully-bonded layer 536 bind the input first feature amount and the second feature amount. The fully connected layers 534 and 535 are connected to the subsequent stage of the fully connected layer 533 in order to combine the fully connected layers 533 to determine the gaze start position. Then, the gaze start position (first-order tensor) is obtained from the fully connected layer 535. As described above, the output of the fully connected layer 535 is an estimation start vector representing the information of the gaze start position obtained by estimation. The estimation start vector is a start vector represented by the position (x, y, z) between the eyebrows of the person estimated by the learning model 53.

全結合層536の後段には、全結合層536を組み合わせて注視方向を求めるために、全結合層537及び538が接続される。そして、全結合層538から注視方向(1階のテンソル)が求められる。このように、全結合層538の出力は、推定により得られた注視方向の情報を表す推定方向ベクトルである。推定方向ベクトルは、学習モデル53により推定される注視方向(x,y,z)で表現される方向ベクトルである。学習前の状態では、全結合層533~538には、ランダム値で初期化された係数が設定される。 The fully connected layers 537 and 538 are connected to the subsequent stage of the fully connected layer 536 in order to combine the fully connected layers 536 to determine the gaze direction. Then, the gaze direction (first-order tensor) is obtained from the fully connected layer 538. As described above, the output of the fully connected layer 538 is an estimated direction vector representing the information of the gaze direction obtained by the estimation. The estimation direction vector is a direction vector represented by the gaze direction (x, y, z) estimated by the learning model 53. In the state before learning, a coefficient initialized with a random value is set in the fully connected layers 533 to 538.

上記のように、学習モデル53は、ResNet及びPointNetにおいて入力から特徴を抽出し、そこから全結合層で特徴に対する出力を学ぶように設計されている。 As mentioned above, the learning model 53 is designed to extract features from the inputs in ResNet and PointNet, from which the outputs to the features are learned in the fully connected layer.

図2に戻って学習装置10の構成についての説明を続ける。
学習部13は、教師データ入力部12から出力される教師データを学習モデルに基づいて学習することにより学習済みモデルを生成する。生成された学習済みモデルは推定装置40に入力される。なお、推定装置40に対する学習済みモデルの入力は、学習装置10と推定装置40との通信を介して行われてもよいし、学習済みモデルを記録した記録媒体を介して行われてもよい。
Returning to FIG. 2, the description of the configuration of the learning device 10 will be continued.
The learning unit 13 generates a trained model by learning the teacher data output from the teacher data input unit 12 based on the learning model. The generated trained model is input to the estimation device 40. The input of the trained model to the estimation device 40 may be performed via communication between the learning device 10 and the estimation device 40, or may be performed via a recording medium on which the trained model is recorded.

次に、学習部13の具体的な学習処理について説明する。まず学習部13は、教師データを学習モデルに入力して得られた注視開始位置(推定開始ベクトル)と、教師データに含まれる注視開始位置の情報(開始ベクトル)との開始位置誤差を算出する。次に、学習部13は、教師データを学習モデルに入力して得られた注視方向の情報(推定方向ベクトル)と、教師データに含まれる注視方向の情報(方向ベクトル)との方向誤差を算出する。そして、学習部13は、開始位置誤差と、方向誤差に基づいて定められる目的関数についての最小化問題を解くことにより、学習モデル53で利用される係数を更新する。具体的には、学習部13は、学習モデル53で利用される、第1特徴抽出ネットワーク531、第2特徴抽出ネットワーク532、全結合層533~538の係数を更新する。学習部13は、学習モデル53で利用される係数が最適化されるまで、又は、予め定められた回数だけ係数の更新を繰り返し行う。学習モデル53の係数は、誤差逆伝播法と確率的勾配降下法(SGD:Stochastic Gradient Descent)により推定される。なお、最適化の方法として、誤差逆伝播法と、以下の最適化アルゴリズムとの組み合わせであれば確率的勾配降下法以外の最適化アルゴリズムが用いられてもよい。確率的勾配降下法以外の最適化アルゴリズムとしては、例えばAdam、Adamax、Adagrad、RMSProp及びAdadelta等が挙げられる。 Next, a specific learning process of the learning unit 13 will be described. First, the learning unit 13 calculates a start position error between the gaze start position (estimated start vector) obtained by inputting the teacher data into the learning model and the gaze start position information (start vector) included in the teacher data. .. Next, the learning unit 13 calculates a direction error between the gaze direction information (estimated direction vector) obtained by inputting the teacher data into the learning model and the gaze direction information (direction vector) included in the teacher data. do. Then, the learning unit 13 updates the coefficient used in the learning model 53 by solving the minimization problem for the objective function determined based on the start position error and the direction error. Specifically, the learning unit 13 updates the coefficients of the first feature extraction network 531, the second feature extraction network 532, and the fully connected layers 533 to 538 used in the learning model 53. The learning unit 13 repeatedly updates the coefficients until the coefficients used in the learning model 53 are optimized, or a predetermined number of times. The coefficients of the learning model 53 are estimated by the error backpropagation method and the stochastic gradient descent method (SGD). As the optimization method, an optimization algorithm other than the stochastic gradient descent method may be used as long as the error back propagation method and the following optimization algorithm are combined. Optimization algorithms other than the stochastic gradient descent method include, for example, Adam, Adamax, Adagrad, RMSProp, Addaleta and the like.

学習部13は、上記の処理により得られた係数と、学習モデル53とを学習済みモデルとして推定装置40に出力する。 The learning unit 13 outputs the coefficient obtained by the above processing and the learning model 53 to the estimation device 40 as a trained model.

図4は、本実施形態における推定装置40の機能構成の具体例を示すブロック図である。
推定装置40は、通信部41、表示部42、操作部43、記憶部44及び制御部45を備える。
通信部41は、他の装置との間で通信を行う。他の装置は、例えば学習装置10、画像センサ20及び深度センサ30である。通信部41は、学習装置10から送信された学習済みモデルを受信する。通信部41は、画像センサ20から送信されたカラー画像を受信する。通信部41は、深度センサ30から送信された深度画像を受信する。なお、USBメモリやSDカード等の外部記録媒体に学習済みモデルが記録されている場合には、通信部41は外部記録媒体を介して学習済みモデルを受信する。
FIG. 4 is a block diagram showing a specific example of the functional configuration of the estimation device 40 in the present embodiment.
The estimation device 40 includes a communication unit 41, a display unit 42, an operation unit 43, a storage unit 44, and a control unit 45.
The communication unit 41 communicates with other devices. Other devices are, for example, a learning device 10, an image sensor 20, and a depth sensor 30. The communication unit 41 receives the trained model transmitted from the learning device 10. The communication unit 41 receives the color image transmitted from the image sensor 20. The communication unit 41 receives the depth image transmitted from the depth sensor 30. When the trained model is recorded on an external recording medium such as a USB memory or an SD card, the communication unit 41 receives the trained model via the external recording medium.

表示部42は、液晶ディスプレイ、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ、CRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイ等の画像表示装置である。表示部42は、ユーザの操作に応じて、推定結果を表示する。表示部42は、画像表示装置を推定装置40に接続するためのインタフェースであってもよい。この場合、表示部42は、推定結果を表示するための映像信号を生成し、自身に接続されている画像表示装置に映像信号を出力する。 The display unit 42 is an image display device such as a liquid crystal display, an organic EL (Electro Luminescence) display, and a CRT (Cathode Ray Tube) display. The display unit 42 displays the estimation result according to the operation of the user. The display unit 42 may be an interface for connecting the image display device to the estimation device 40. In this case, the display unit 42 generates a video signal for displaying the estimation result, and outputs the video signal to the image display device connected to the display unit 42.

操作部43は、キーボード、ポインティングデバイス(マウス、タブレット等)、タッチパネル、ボタン等の既存の入力装置を用いて構成される。操作部43は、ユーザの指示を推定装置40に入力する際にユーザによって操作される。例えば、操作部43は、推定処理の開始指示の入力を受け付ける。また、操作部43は、入力装置を推定装置40に接続するためのインタフェースであってもよい。この場合、操作部43は、入力装置においてユーザの入力に応じて生成された入力信号を推定装置40に入力する。 The operation unit 43 is configured by using existing input devices such as a keyboard, a pointing device (mouse, tablet, etc.), a touch panel, and buttons. The operation unit 43 is operated by the user when inputting the user's instruction to the estimation device 40. For example, the operation unit 43 receives an input of an instruction to start the estimation process. Further, the operation unit 43 may be an interface for connecting the input device to the estimation device 40. In this case, the operation unit 43 inputs the input signal generated in response to the user's input in the input device to the estimation device 40.

記憶部44には、学習済みモデル441、センサパラメータ442及び推定結果443が記憶されている。記憶部44は、磁気記憶装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。
学習済みモデル441は、学習装置10によって学習がなされた学習済みモデルである。学習済みモデルには、学習モデル53及び最新の係数の情報が対応付けられている。
The storage unit 44 stores the trained model 441, the sensor parameter 442, and the estimation result 443. The storage unit 44 is configured by using a storage device such as a magnetic storage device or a semiconductor storage device.
The trained model 441 is a trained model trained by the learning device 10. The trained model is associated with the training model 53 and the latest coefficient information.

センサパラメータ442は、深度センサ30のカメラパラメータである。具体的には、センサパラメータ442は、深度センサ30の内部パラメータ(x軸及びy軸のセンサの中心座標位置、歪みを補正するためのパラメータ)と、深度センサ30の外部パラメータ(世界座標系に対するセンサの三次元位置、センサの回転情報)である。 The sensor parameter 442 is a camera parameter of the depth sensor 30. Specifically, the sensor parameter 442 includes an internal parameter of the depth sensor 30 (center coordinate position of the x-axis and y-axis sensors, a parameter for correcting distortion) and an external parameter of the depth sensor 30 (relative to the world coordinate system). Three-dimensional position of the sensor, sensor rotation information).

推定結果443は、学習済みモデル441を用いて推定された通行人の注視開始位置及び注視方向の情報である。 The estimation result 443 is information on the gaze start position and gaze direction of the passerby estimated using the trained model 441.

制御部45は、推定装置40全体を制御する。制御部45は、CPU等のプロセッサやメモリを用いて構成される。制御部45は、プログラムを実行することによって、取得部451、身体部位検出部452、カラー画像切取部453、深度画像切取部454、点群復元部455及び推定部456の機能を実現する。 The control unit 45 controls the entire estimation device 40. The control unit 45 is configured by using a processor such as a CPU and a memory. By executing the program, the control unit 45 realizes the functions of the acquisition unit 451, the body part detection unit 452, the color image cutting unit 453, the depth image cutting unit 454, the point cloud restoration unit 455, and the estimation unit 456.

取得部451、身体部位検出部452、カラー画像切取部453、深度画像切取部454、点群復元部455及び推定部456の機能部のうち一部または全部は、ASICやPLD、FPGAなどのハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置などの非一時的な記憶媒体である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。 A part or all of the functional parts of the acquisition unit 451, the body part detection unit 452, the color image cutting unit 453, the depth image cutting unit 454, the point cloud restoration unit 455, and the estimation unit 456 are hardware such as ASIC, PLD, and FPGA. It may be realized by ware, or it may be realized by collaboration between software and hardware. The program may be recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium is a non-temporary storage medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM or a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built in a computer system. The program may be transmitted over a telecommunication line.

取得部451、身体部位検出部452、カラー画像切取部453、深度画像切取部454、点群復元部455及び推定部456の機能の一部は、予め推定装置40に搭載されている必要はなく、追加のアプリケーションプログラムが推定装置40にインストールされることで実現されてもよい。 Some of the functions of the acquisition unit 451, the body part detection unit 452, the color image cutting unit 453, the depth image cutting unit 454, the point cloud restoration unit 455, and the estimation unit 456 do not need to be mounted on the estimation device 40 in advance. , An additional application program may be implemented by installing it in the estimation device 40.

取得部451は、各種データを取得する。例えば、取得部451は、学習済みモデルを取得する。また、例えば、取得部451は、カラー画像及び深度画像を取得する。 The acquisition unit 451 acquires various data. For example, the acquisition unit 451 acquires the trained model. Further, for example, the acquisition unit 451 acquires a color image and a depth image.

身体部位検出部452は、取得部451によって取得されたカラー画像から人物の身体部位(骨格モデルに基づく)をピクセル単位で検出する。具体的には、身体部位検出部452は、Semantic SegmentationにおけるBodyPix(参考文献1参照)を利用して、人物の身体部位をピクセル単位で検出する。以下、身体部位検出部452により検出された人物の身体部位の領域を身体部位領域と記載する。身体部位検出部452は、身体部位領域の情報をカラー画像切取部453及び深度画像切取部454に出力する。BodyPixは、事前に学習したニューラルネットワークを使い、周辺画素との関係性から身体の部位をピクセル単位で予測する技術である。
(参考文献1:“BodyPix の概要: ブラウザと TensorFlow.js によるリアルタイム人セグメンテーション”、<URL:https://developers-jp.googleblog.com/2019/04/bodypix-tensorflowjs.html>)
The body part detection unit 452 detects a person's body part (based on the skeleton model) in pixel units from the color image acquired by the acquisition unit 451. Specifically, the body part detection unit 452 detects a person's body part on a pixel-by-pixel basis by using BodyPix (see Reference 1) in the Semantic Segmentation. Hereinafter, the region of the body part of the person detected by the body part detection unit 452 will be referred to as the body part region. The body part detection unit 452 outputs the information of the body part region to the color image cutting unit 453 and the depth image cutting unit 454. BodyPix is a technique that predicts body parts on a pixel-by-pixel basis from the relationship with peripheral pixels using a neural network learned in advance.
(Reference 1: “Overview of BodyPix: Real-time human segmentation using a browser and TensorFlow.js”, <URL: https://developers-jp.googleblog.com/2019/04/bodypix-tensorflowjs.html>)

カラー画像切取部453は、取得部451によって取得されたカラー画像と、身体部位検出部452から出力された身体部位領域の情報とに基づいて、カラー画像から身体部位領域を抽出する。カラー画像切取部453が抽出する身体部位領域は、例えば通行人の腰より上の領域である。カラー画像切取部453は、矩形領域、例えば正方形の領域で身体部位領域を抽出する。これは、ResNetの処理では、背景を無視してくれるため、抽出された領域に背景部分が含まれていても問題ないためである。なお、カラー画像切取部453は、人物の身体に沿って領域を抽出してもよい。 The color image cutting unit 453 extracts the body part region from the color image based on the color image acquired by the acquisition unit 451 and the information of the body part region output from the body part detection unit 452. The body part region extracted by the color image cutting unit 453 is, for example, a region above the waist of a passerby. The color image cutting unit 453 extracts a body part region in a rectangular region, for example, a square region. This is because the background is ignored in the ResNet process, so there is no problem even if the extracted area contains the background portion. The color image cutting unit 453 may extract an area along the body of a person.

深度画像切取部454は、取得部451によって取得された深度画像と、身体部位検出部452から出力された身体部位領域の情報とに基づいて、深度画像から身体部位領域を抽出する。深度画像切取部454が抽出する身体部位領域は、例えば通行人の身体部分の領域を抽出する。通行人の身体部分の領域とは、人物の顔の領域を含まなくてもよく、少なくとも肩の領域が含まれていればよい。深度画像切取部454は、人物の身体に沿って領域を抽出する。これはPointNetの処理では、背景を無視できないためである。 The depth image cutting unit 454 extracts the body part region from the depth image based on the depth image acquired by the acquisition unit 451 and the information of the body part region output from the body part detection unit 452. The body part region extracted by the depth image cutting unit 454 extracts, for example, the region of the body part of a passerby. The area of the body part of the passerby does not have to include the area of the face of the person, and may include at least the area of the shoulder. The depth image cutting unit 454 extracts an area along the body of a person. This is because the background cannot be ignored in the PointNet process.

点群復元部455は、深度画像切取部454によって抽出された領域の情報と、センサパラメータ442とに基づいて点群データを復元する。点群の復元は、Deprojectionやbackprojectionと呼ばれる処理により実現される。 The point cloud restoration unit 455 restores the point cloud data based on the information of the region extracted by the depth image cutting unit 454 and the sensor parameter 442. Restoration of the point cloud is realized by a process called Deprojection or backprojection.

推定部456は、カラー画像切取部453によって抽出された通行人の腰より上の領域のカラー画像と、点群復元部455によって復元された点群データとを、学習済みモデル441に入力することによって、通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する。具体的には、推定部456は、通行人の注視開始位置及び注視方向の推定結果である推定開始ベクトル及び推定方向ベクトルを出力する。 The estimation unit 456 inputs the color image of the region above the waist of the passerby extracted by the color image cutting unit 453 and the point cloud data restored by the point cloud restoration unit 455 into the trained model 441. Estimates the gaze start position and gaze direction of passersby. Specifically, the estimation unit 456 outputs an estimation start vector and an estimation direction vector, which are estimation results of the gaze start position and the gaze direction of a passerby.

図5は、本実施形態における推定装置40の推定処理の流れを示すフローチャートである。
取得部451は、画像センサ20から出力されたカラー画像を取得する(ステップS101)。取得部451は、取得したカラー画像を身体部位検出部452及びカラー画像切取部453に出力する。取得部451は、深度センサ30から出力された深度画像を取得する(ステップS102)。例えば、取得部451は、カラー画像に含まれる時刻情報と同一時刻の深度画像を取得する。取得部451は、取得した深度画像を深度画像切取部454に出力する。
FIG. 5 is a flowchart showing a flow of estimation processing of the estimation device 40 in the present embodiment.
The acquisition unit 451 acquires a color image output from the image sensor 20 (step S101). The acquisition unit 451 outputs the acquired color image to the body part detection unit 452 and the color image cutting unit 453. The acquisition unit 451 acquires the depth image output from the depth sensor 30 (step S102). For example, the acquisition unit 451 acquires a depth image at the same time as the time information included in the color image. The acquisition unit 451 outputs the acquired depth image to the depth image cutting unit 454.

取得部451は、ステップS101及びステップS102の処理において、リアルタイム性が要求されない場合には、外部記録媒体に記憶されているカラー画像及び深度画像を取得してもよいし、カラー画像及び深度画像を記憶している他の装置からカラー画像及び深度画像を取得してもよい。 When real-time performance is not required in the processing of steps S101 and S102, the acquisition unit 451 may acquire a color image and a depth image stored in an external recording medium, or may acquire a color image and a depth image. Color images and depth images may be acquired from other stored devices.

身体部位検出部452は、取得部451によって取得されたカラー画像から人物の身体部位をピクセル単位で検出する(ステップS103)。身体部位検出部452は、検出した身体部位領域の情報をカラー画像切取部453及び深度画像切取部454に出力する。カラー画像切取部453は、取得部451によって取得されたカラー画像と、身体部位検出部452から出力された身体部位領域の情報とに基づいて、カラー画像から身体部位領域を抽出する(ステップS104)。 The body part detection unit 452 detects the body part of a person in pixel units from the color image acquired by the acquisition unit 451 (step S103). The body part detection unit 452 outputs the detected information of the body part region to the color image cutting unit 453 and the depth image cutting unit 454. The color image cutting unit 453 extracts the body part region from the color image based on the color image acquired by the acquisition unit 451 and the information of the body part region output from the body part detection unit 452 (step S104). ..

カラー画像切取部453が正方形の領域で身体部位領域をカラー画像から抽出する場合、抽出される正方形の領域のうち、身体部位領域の情報で示されるピクセルに対応する領域にはカラー画像のピクセルの画素値が割り当てられ、身体部位領域の情報で示されていないピクセルに対応する領域には0の値が割り当てられる。カラー画像切取部453は、抽出した身体部位領域の情報を深度画像切取部454及び推定部456に出力する。 When the color image cutting unit 453 extracts a body part area from a color image in a square area, the area corresponding to the pixel indicated by the information of the body part area in the extracted square area is the pixel of the color image. Pixel values are assigned, and a value of 0 is assigned to the area corresponding to the pixel not indicated by the information of the body part area. The color image cutting unit 453 outputs the information of the extracted body part region to the depth image cutting unit 454 and the estimation unit 456.

深度画像切取部454は、取得部451によって取得された深度画像と、身体部位検出部452から出力された身体部位領域の情報とに基づいて、深度画像から身体部位領域を抽出する(ステップS105)。深度画像切取部454によって抽出された身体部位領域には、画素値の代わりには奥行きの情報が割り当てられている。深度画像切取部454は、抽出した身体部位領域の情報を点群復元部455に出力する。 The depth image cutting unit 454 extracts the body part region from the depth image based on the depth image acquired by the acquisition unit 451 and the information of the body part region output from the body part detection unit 452 (step S105). .. Depth information is assigned to the body part region extracted by the depth image cutting unit 454 instead of the pixel value. The depth image cutting unit 454 outputs the information of the extracted body part region to the point cloud restoration unit 455.

点群復元部455は、深度画像切取部454によって抽出された身体部位領域の情報と、センサパラメータ442とに基づいて点群データを復元する(ステップS106)。点群復元部455は、復元した点群データを推定部456に出力する、推定部456は、カラー画像切取部453によって抽出された身体部位領域のカラー画像と、点群復元部455によって復元された点群データとを取り込む。推定部456は、取り込んだ身体部位領域のカラー画像と点群データとに基づいて、通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する(ステップS107)。 The point cloud restoration unit 455 restores the point cloud data based on the information of the body part region extracted by the depth image cutting unit 454 and the sensor parameter 442 (step S106). The point cloud restoration unit 455 outputs the restored point cloud data to the estimation unit 456, and the estimation unit 456 is restored by the color image of the body part region extracted by the color image cutting unit 453 and the point cloud restoration unit 455. Import the point cloud data. The estimation unit 456 estimates the gaze start position and gaze direction of the passerby based on the captured color image of the body part region and the point cloud data (step S107).

具体的には、まず推定部456は、記憶部44に記憶されている学習済みモデル441を読み出す。次に、推定部456は、読み出した学習済みモデル441に含まれる学習モデル53に対して身体部位領域のカラー画像と点群データとを入力する。例えば、推定部456は、身体部位領域のカラー画像を第1特徴抽出ネットワーク531に入力し、点群データを第2特徴抽出ネットワーク532に入力する。これにより、学習モデル53から、推定開始ベクトル及び推定方向ベクトルが出力される。推定部456は、学習モデル53から出力された推定開始ベクトル及び推定方向ベクトルを、注視開始位置及び注視方向の推定結果として取得する。 Specifically, first, the estimation unit 456 reads out the learned model 441 stored in the storage unit 44. Next, the estimation unit 456 inputs a color image of the body part region and point cloud data to the learning model 53 included in the read learned model 441. For example, the estimation unit 456 inputs a color image of the body part region to the first feature extraction network 531 and inputs the point cloud data to the second feature extraction network 532. As a result, the estimation start vector and the estimation direction vector are output from the learning model 53. The estimation unit 456 acquires the estimation start vector and the estimation direction vector output from the learning model 53 as the estimation results of the gaze start position and the gaze direction.

以上のように構成された推定システム100によれば、通行人の注視開始位置及び注視方向の推定精度を向上させることが可能となる。具体的には、推定システム100は、通行人の身体部位を含む領域を撮影してカラー画像を生成する画像センサ20と、通行人の身体部位を含む領域を撮影して、奥行き方向の距離の情報が格納された深度画像を生成する深度センサ30と、人物領域を含むカラー画像及び点群データを入力して、通行人の注視開始位置及び注視方向の情報を出力するように学習された学習済みモデルに対して、カラー画像から抽出される人物領域の情報と、深度画像から生成される点群データとを入力として、通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する推定部456とを備える。これにより、通行人の頭のみならず身体部位を含む領域を加味して注視推定を行うことができる。したがって、従来のように、首の可動域としてあり得ない方向を注視方向として推定してしまうことを軽減することができる。さらに、学習済みモデルを用いて通行人の注視開始位置及び注視方向を推定している。そのため、通行人の注視開始位置及び注視方向の推定精度を向上させることが可能になる。 According to the estimation system 100 configured as described above, it is possible to improve the estimation accuracy of the gaze start position and the gaze direction of a passerby. Specifically, the estimation system 100 captures an image sensor 20 that captures an area including a passerby's body part to generate a color image, and captures an area including a passerby's body portion to obtain a distance in the depth direction. Learning to input a depth sensor 30 that generates a depth image in which information is stored, a color image including a person area, and point group data, and output information on a passerby's gaze start position and gaze direction. The completed model is provided with an estimation unit 456 that estimates the gaze start position and gaze direction of a passerby by inputting information on a person area extracted from a color image and point group data generated from a depth image. .. This makes it possible to perform gaze estimation by taking into account not only the head of a passerby but also the region including the body part. Therefore, it is possible to reduce the estimation of the direction that is impossible as the range of motion of the neck as the gaze direction as in the conventional case. Furthermore, the trained model is used to estimate the gaze start position and gaze direction of passersby. Therefore, it is possible to improve the estimation accuracy of the gaze start position and the gaze direction of the passerby.

さらに、推定システム100では、深度画像から人物領域を抽出する深度画像切取部454と、抽出された人物領域に基づいて3次元データを復元する復元部455とを備える。これにより、背景部分を含まない人物領域のみの3次元データを学習済みモデルに入力することができる。したがって、背景部分を含めた3次元データを学習済みモデルに入力することによって生じる推定精度の低下を抑制することができる。そのため、通行人の注視開始位置及び注視方向の推定精度を向上させることが可能になる。 Further, the estimation system 100 includes a depth image cutting unit 454 that extracts a person area from a depth image, and a restoration unit 455 that restores three-dimensional data based on the extracted person area. As a result, it is possible to input the three-dimensional data of only the person area not including the background portion into the trained model. Therefore, it is possible to suppress a decrease in estimation accuracy caused by inputting three-dimensional data including a background portion into the trained model. Therefore, it is possible to improve the estimation accuracy of the gaze start position and the gaze direction of the passerby.

さらに、推定システム100では、通行人の身体部位を含む領域が、通行人の腰の位置より上の身体部位を含む領域であり、カラー画像から通行人の身体部位を含む領域を検出する身体部位検出部452と、検出された通行人の身体部位を含む領域のうち、少なくとも人物の頭と肩の領域を含む部分領域をカラー画像から抽出するカラー画像切取部453と、をさらに備える。そして、深度画像切取部454が、検出された通行人の身体部位を含む領域のうち、少なくとも人物の身体部分を含む部分領域を深度画像から抽出する。これにより、リアルタイムに撮影されたカラー画像から通行人の身体部位を含む領域を検出して抽出することができる。したがって、リアルタイムで、通行人の注視開始位置及び注視方向を推定することができる。そのため、利便性を向上させることが可能になる。 Further, in the estimation system 100, the region including the body portion of the passerby is the region including the body portion above the position of the waist of the passerby, and the region including the body portion of the passerby is detected from the color image. Further includes a detection unit 452 and a color image cutting unit 453 that extracts at least a partial region including a head and shoulder region of a person from a color image among the regions including the detected body parts of a passerby. Then, the depth image cutting unit 454 extracts from the depth image a partial region including at least the body portion of the person among the detected regions including the body portion of the passerby. This makes it possible to detect and extract a region including a passerby's body part from a color image taken in real time. Therefore, it is possible to estimate the gaze start position and gaze direction of a passerby in real time. Therefore, it becomes possible to improve convenience.

<変形例>
上記の実施形態では、通行人として室内の通路を通っている人物を例に説明したが、通行人は室外を歩いている人物を含んでもよい。
学習装置10と、推定装置40とは一体化されて構成されてもよい。例えば、推定装置40が、学習装置10の機能を備えるように構成されてもよい。このように構成される場合、推定装置40は、学習モードと推論モードとを有する。学習モードと推論モードとの切り替えは、操作部43により行われる。推定装置40が学習モードで動作する場合、推定装置40は学習装置10が行う処理を実行する。より具体的には、推定装置40は、学習モデルの学習を実行する。推定装置40が推論モードで動作する場合、推定装置40は図5に示す推論処理を実行する。
<Modification example>
In the above embodiment, a person who is passing through an indoor passage as a passerby has been described as an example, but the passerby may include a person walking outdoors.
The learning device 10 and the estimation device 40 may be integrated and configured. For example, the estimation device 40 may be configured to have the function of the learning device 10. When configured in this way, the estimation device 40 has a learning mode and an inference mode. Switching between the learning mode and the inference mode is performed by the operation unit 43. When the estimation device 40 operates in the learning mode, the estimation device 40 executes the process performed by the learning device 10. More specifically, the estimation device 40 performs learning of the learning model. When the estimation device 40 operates in the inference mode, the estimation device 40 executes the inference process shown in FIG.

上記の実施形態では、推定装置40が、1枚のカラー画像51及び点群データ52を入力して通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する構成を示した。推定装置40は、時間的に連続する複数のカラー画像51及び複数の点群データ52を入力して通行人の注視開始位置及び注視方向を推定するように構成されてもよい。時間的に連続する複数のカラー画像51とは、いわゆる動画を構成する時系列に並べられた複数のカラー画像である。このように構成される場合、学習装置10においても、カラー画像と、点群データとの組み合わせの系列データを入力して学習を行う。推定装置40は、入力された複数のカラー画像51及び複数の点群データ52を用いて、カラー画像51それぞれに撮像されている通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する。 In the above embodiment, the estimation device 40 inputs one color image 51 and point cloud data 52 to estimate the gaze start position and gaze direction of a passerby. The estimation device 40 may be configured to input a plurality of color images 51 and a plurality of point cloud data 52 that are continuous in time to estimate a gaze start position and a gaze direction of a passerby. The plurality of color images 51 that are continuous in time are a plurality of color images arranged in a time series constituting a so-called moving image. In this case, the learning device 10 also inputs the series data of the combination of the color image and the point cloud data to perform learning. The estimation device 40 uses the input plurality of color images 51 and the plurality of point cloud data 52 to estimate the gaze start position and gaze direction of the passerby imaged in each of the color images 51.

上記の実施形態では、第2特徴抽出ネットワーク532に対する入力データとして点群データを例に説明したが、メッシュ又はボクセルで表現された点群データが用いられてもよい。メッシュで表現された点群データを用いる場合、第2特徴抽出ネットワーク532としてPointNetの代わりにMeshNet(参考文献2参照)が用いられる。MeshNetを用いるには、メッシュで表現された点群データを生成する必要がある。メッシュで表現された点群データを生成するには、深度画像を点群データに復元した後、Meshingを行う必要がある。そのため、点群復元部455は、深度画像切取部454によって抽出された領域の情報と、センサパラメータ442とに基づいて点群データを復元した後にMeshingを行う。Meshingの具体的なアルゴリズムとして、参考文献3に記載のBall-Pivoting Algorithmの技術が用いられてもよい。
メッシュで表現された点群データを用いる場合、第2特徴抽出ネットワーク532に、生成されたメッシュで表現された点群データを入力して、出力として1階のテンソルを得た後にPointNetと同様に連結すればよい。
(参考文献2:Yutong Feng et al., “MeshNet: Mesh Neural Network for 3D Shape Representation”, AAAI 2019、<URL:https://arxiv.org/pdf/1811.11424.pdf>)
(参考文献3:Bernardini, F.; Mittleman, J.; Rushmeier, H.; Silva, C.; Taubin, G. “The ball-pivoting algorithm for surface reconstruction” Transactions on Visualization and Computer Graphics 1999, 5, 349‐359、<URL:https://www.cs.jhu.edu/~misha/Fall13b/Notes/Bernardini99.notes.pdf>)
In the above embodiment, the point cloud data has been described as an example as the input data for the second feature extraction network 532, but the point cloud data represented by a mesh or a voxel may be used. When the point cloud data represented by the mesh is used, MeshNet (see Reference 2) is used instead of PointNet as the second feature extraction network 532. In order to use MeshNet, it is necessary to generate point cloud data represented by a mesh. In order to generate the point cloud data represented by the mesh, it is necessary to perform meshing after restoring the depth image to the point cloud data. Therefore, the point cloud restoration unit 455 performs a meshing after restoring the point cloud data based on the information of the region extracted by the depth image cutting unit 454 and the sensor parameter 442. As a specific algorithm of Meshing, the technique of Ball-Pivoting Algorithm described in Reference 3 may be used.
When using the point cloud data represented by the mesh, the point cloud data represented by the generated mesh is input to the second feature extraction network 532, and after obtaining the first-order tensor as output, the same as PointNet. It may be connected.
(Reference 2: Yutong Feng et al., “MeshNet: Mesh Neural Network for 3D Shape Representation”, AAAI 2019, <URL: https://arxiv.org/pdf/1811.11424.pdf>)
(Reference 3: Bernardini, F .; Mittleman, J .; Rushmeier, H .; Silva, C .; Taubin, G. “The ball-pivoting algorithm for surface reconstruction” Transactions on Visualization and Computer Graphics 1999, 5, 349 -359, <URL: https://www.cs.jhu.edu/~misha/Fall13b/Notes/Bernardini99.notes.pdf>)

ボクセルで表現された点群データ場合を用いる場合、第2特徴抽出ネットワーク532としてPointNetの代わりに3D ShapeNet(参考文献4参照)が用いられる。3D ShapeNetを用いるには、ボクセルで表現された点群データを生成する必要がある。ボクセルで表現された点群データを生成するには、深度画像を点群データに復元した後、1cm角で離散化を行う必要がある。そのため、点群復元部455は、深度画像切取部454によって抽出された領域の情報と、センサパラメータ442とに基づいて点群データを復元した後に1cm角で離散化を行う。
ボクセルで表現された点群データを用いる場合、第2特徴抽出ネットワーク532に、生成されたボクセルで表現された点群データを入力して、出力として1階のテンソルを得た後にPointNetと同様に連結すればよい。
(参考文献4:Z. Wu et al., “3D ShapeNets: A Deep Representation for Volumetric Shape Modeling”. CVPR, 2015、<URL:https://pdfs.semanticscholar.org/3ed2/3386284a5639cb3e8baaecf496caa766e335.pdf>)
When using the point cloud data case represented by voxels, 3D ShipeNet (see Reference 4) is used instead of PointNet as the second feature extraction network 532. In order to use 3D ShapeNet, it is necessary to generate point cloud data expressed in voxels. In order to generate the point cloud data expressed by voxels, it is necessary to restore the depth image to the point cloud data and then perform discretization at 1 cm square. Therefore, the point cloud restoration unit 455 performs discretization at a 1 cm square after restoring the point cloud data based on the information of the region extracted by the depth image cutting unit 454 and the sensor parameter 442.
When using the point cloud data represented by voxels, the point cloud data represented by the generated voxels is input to the second feature extraction network 532, and after obtaining the first-order tensor as output, the same as PointNet. It may be connected.
(Reference 4: Z. Wu et al., “3D ShapeNets: A Deep Representation for Volumetric Shape Modeling”. CVPR, 2015, <URL: https://pdfs.semanticscholar.org/3ed2/3386284a5639cb3e8baaecf496caa766e335.pdf>)

上記の実施形態では、第2特徴抽出ネットワーク532としてPointNetを用いる構成を示した。この場合、第2特徴抽出ネットワーク532に対する入力データは、点群データとなる。第2特徴抽出ネットワーク532に対する入力データは、点群データに限らず、他の三次元データが用いられてもよい。他の三次元データは、例えば深度画像である。第2特徴抽出ネットワーク532に対する入力データとして、深度画像を用いる場合、推定装置40は点群復元部455を備えず、さらに学習モデル53における第2特徴抽出ネットワーク532としてDepth CNNs(参考文献5参照)を用いるように構成される。Depth CNNsでは、深度画像を入力として1階のテンソルを出力する。Depth CNNsを用いる場合、深度画像切取部454において深度画像をHHA(Horizontal disparity, Height above ground, and Angle with gravity)コーディングする。その後、深度画像切取部454は、HHAコーディングした深度画像を、第2特徴抽出ネットワーク532に入力する。そして、学習モデル53では、第2特徴抽出ネットワーク532により得られる1階のテンソル(参考文献5のFigure5に示される512fcに対応)を用いる。このように構成される場合、学習装置10には、教師データとしてカラー画像及び深度画像の組み合わせが用いられる。
(参考文献5:Xinhang Song et al., “Depth CNNs for RGB-D scene recognition: learning from scratch better than transferring from RGB-CNNs”, AAAI, 2017”、<URL:https://arxiv.org/pdf/1801.06797.pdf>)
In the above embodiment, the configuration using PointNet as the second feature extraction network 532 is shown. In this case, the input data for the second feature extraction network 532 is point cloud data. The input data for the second feature extraction network 532 is not limited to the point cloud data, and other three-dimensional data may be used. Other 3D data is, for example, a depth image. When a depth image is used as input data for the second feature extraction network 532, the estimation device 40 does not have a point cloud restoration unit 455, and as the second feature extraction network 532 in the learning model 53, Deepth CNNs (see Reference 5). Is configured to use. In Depth CNNs, the depth image is input and the first-order tensor is output. When Deep CNNs are used, the depth image is HHA (Horizontal disparity, Height above ground, and Angle with gravity) coding in the depth image cutting unit 454. After that, the depth image cutting unit 454 inputs the HHA-coded depth image to the second feature extraction network 532. Then, in the learning model 53, a first-order tensor (corresponding to 512 fc shown in Figure 5 of Reference 5) obtained by the second feature extraction network 532 is used. When configured in this way, the learning device 10 uses a combination of a color image and a depth image as teacher data.
(Reference 5: Xinhang Song et al., “Depth CNNs for RGB-D scene recognition: learning from scratch better than transferring from RGB-CNNs”, AAAI, 2017 ”, <URL: https://arxiv.org/pdf /1801.06797.pdf >))

上記の実施形態では、ニューラルネットワークの一例として、ResNet及びPointNetを用いる構成を示したが、利用されるニューラルネットワークはこれに限定されない。例えば、第1特徴抽出ネットワーク531として、ResNetに代えて、他の畳み込みニューラルネットワークが用いられてもよい。他の畳み込みニューラルネットワークとしては、例えばMobileNetV1,V2,V3、EfficientNet、NASNet(Neural Architecture Search Net)、MNASNet(Mobile Neural Architecture Search Net)等が挙げられる。
また、第2特徴抽出ネットワーク532として、PointNetに代えて、他のグラフニューラルネットワークが用いられてもよい。他のグラフニューラルネットワークとしては、例えばPointNet++、ShellNet等が挙げられる。
In the above embodiment, as an example of the neural network, a configuration using ResNet and PointNet is shown, but the neural network used is not limited to this. For example, as the first feature extraction network 531, another convolutional neural network may be used instead of ResNet. Examples of other convolutional neural networks include MobileNetV1, V2, V3, EffectNet, NASNet (Neural Architecture Search Net), MNASNet (Mobile Neural Architecture Search Net), and the like.
Further, as the second feature extraction network 532, another graph neural network may be used instead of PointNet. Examples of other graph neural networks include PointNet ++ and ShellNet.

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes designs and the like within a range that does not deviate from the gist of the present invention.

10…学習装置, 20…画像センサ, 30…深度センサ, 40…推定装置, 11…学習モデル記憶部, 12…教師データ入力部, 13…学習部, 41…通信部, 42…表示部, 43…操作部, 44…記憶部, 45…制御部, 451…取得部, 452…身体部位検出部, 453…カラー画像切取部, 454…深度画像切取部, 455…点群復元部, 456…推定部, 531…第1特徴抽出ネットワーク, 532…第2特徴抽出ネットワーク, 533~538…全結合層 10 ... learning device, 20 ... image sensor, 30 ... depth sensor, 40 ... estimation device, 11 ... learning model storage unit, 12 ... teacher data input unit, 13 ... learning unit, 41 ... communication unit, 42 ... display unit, 43 ... operation unit, 44 ... storage unit, 45 ... control unit, 451 ... acquisition unit, 452 ... body part detection unit, 453 ... color image cutting unit, 454 ... depth image cutting unit, 455 ... point group restoration unit, 456 ... estimation Part, 531 ... 1st feature extraction network, 532 ... 2nd feature extraction network, 533-538 ... Fully connected layer

Claims (7)

通行人の身体部位を含む領域を撮影して、1枚以上の第1の画像を生成する第1の撮影装置と、
前記通行人の身体部位を含む領域を撮影して、奥行き方向の距離の情報が格納された1枚以上の第2の画像を生成する第2の撮影装置と、
人物領域の情報及び前記人物領域に対応する3次元データを入力として前記人物領域で示される人物の注視開始位置及び注視方向の情報を出力するように学習された学習済みモデルに対して、前記第1の画像から抽出される人物領域の情報と、前記第2の画像から生成される3次元データである点群データ又は深度画像とを入力として、前記通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する推定部と、
を備える推定システム。
A first imaging device that captures an area including a passerby's body part and generates one or more first images.
A second photographing device that photographs an area including a body part of a passerby and generates one or more second images in which information on the distance in the depth direction is stored.
For the trained model trained to output the gaze start position and gaze direction information of the person indicated in the person area by inputting the information of the person area and the three-dimensional data corresponding to the person area, the first The gaze start position and gaze direction of the passerby are estimated by inputting the information of the person area extracted from the image 1 and the point group data or the depth image which is the three-dimensional data generated from the second image. And the estimation part to do
An estimation system equipped with.
前記第2の画像から人物領域を抽出する深度画像切取部と、
抽出された前記人物領域に基づいて前記3次元データを復元する復元部と、
をさらに備える、請求項1に記載の推定システム。
A depth image cutting unit that extracts a person area from the second image,
A restoration unit that restores the three-dimensional data based on the extracted person area, and
The estimation system according to claim 1, further comprising.
前記通行人の身体部位を含む領域は、少なくとも前記通行人の腰の位置より上の身体部位を含む領域であり、
前記第1の画像から前記通行人の身体部位を含む領域を検出する身体部位検出部と、
検出された前記通行人の身体部位を含む領域のうち、少なくとも人物の頭と肩の領域を含む部分領域を前記第1の画像から抽出する画像切取部と、をさらに備え、
前記深度画像切取部は、検出された前記通行人の身体部位を含む領域のうち、少なくとも人物の身体部分を含む部分領域を前記第2の画像から抽出する、請求項2に記載の推定システム。
The region including the body part of the passerby is a region including at least the body part above the position of the waist of the passerby.
A body part detection unit that detects a region including the body part of the passerby from the first image, and a body part detection unit.
Further provided with an image cutting portion for extracting at least a partial region including the head and shoulder regions of the person from the first image among the detected regions including the body parts of the passerby.
The estimation system according to claim 2, wherein the depth image cutting unit extracts a partial region including at least the body portion of the person from the detected region including the body portion of the passerby from the second image.
人物領域の情報及び前記人物領域に対応する前記3次元データと、注視開始位置及び注視方向の情報とを対応付けた教師データを入力として、前記学習済みモデルを生成する学習部をさらに備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の推定システム。 Further provided with a learning unit that generates the trained model by inputting teacher data in which the information of the person area and the three-dimensional data corresponding to the person area and the information of the gaze start position and the gaze direction are associated with each other. The estimation system according to any one of claims 1 to 3. 通行人の身体部位を含む領域が撮影された1枚以上の第1の画像と、前記通行人の身体部位を含む領域に関する奥行き方向の距離の情報が格納された1枚以上の第2の画像とを取得する取得部と、
人物領域の情報及び前記人物領域に対応する3次元データを入力として前記人物領域で示される人物の注視開始位置及び注視方向の情報を出力するように学習された学習済みモデルに対して、前記取得部によって取得された前記第1の画像から抽出される人物領域の情報と、前記第2の画像から生成される3次元データである点群データ又は深度画像とを入力として、前記通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する推定部と、
を備える推定装置。
One or more first images in which an area including a passerby's body part is captured, and one or more second images in which information on the distance in the depth direction with respect to the area including the passerby's body part is stored. And the acquisition department to acquire,
The acquisition of the trained model trained to output the gaze start position and gaze direction information of the person indicated in the person area by inputting the information of the person area and the three-dimensional data corresponding to the person area. Gaze of the passerby by inputting the information of the person area extracted from the first image acquired by the unit and the point group data or the depth image which is the three-dimensional data generated from the second image. An estimation unit that estimates the start position and gaze direction,
Estimator equipped with.
通行人の身体部位を含む領域が撮影された1枚以上の第1の画像と、前記通行人の身体部位を含む領域に関する奥行き方向の距離の情報が格納された1枚以上の第2の画像とを取得する取得ステップと、
人物領域の情報及び前記人物領域に対応する3次元データを入力として前記人物領域で示される人物の注視開始位置及び注視方向の情報を出力するように学習された学習済みモデルに対して、前記取得部によって取得された前記第1の画像から抽出される人物領域の情報と、前記第2の画像から生成される3次元データである点群データ又は深度画像とを入力として、前記通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する推定ステップと、
を備える推定方法。
One or more first images in which an area including a passerby's body part is captured, and one or more second images in which information on the distance in the depth direction with respect to the area including the passerby's body part is stored. And get the get steps and
The acquisition of the trained model trained to output the gaze start position and gaze direction information of the person indicated in the person area by inputting the information of the person area and the three-dimensional data corresponding to the person area. Gaze of the passerby by inputting the information of the person area extracted from the first image acquired by the unit and the point group data or the depth image which is the three-dimensional data generated from the second image. An estimation step for estimating the start position and gaze direction, and
Estimating method.
通行人の身体部位を含む領域が撮影された1枚以上の第1の画像と、前記通行人の身体部位を含む領域に関する奥行き方向の距離の情報が格納された1枚以上の第2の画像とを取得する取得ステップと、
人物領域の情報及び前記人物領域に対応する3次元データを入力として前記人物領域で示される人物の注視開始位置及び注視方向の情報を出力するように学習された学習済みモデルに対して、前記取得部によって取得された前記第1の画像から抽出される人物領域の情報と、前記第2の画像から生成される3次元データである点群データ又は深度画像とを入力として、前記通行人の注視開始位置及び注視方向を推定する推定ステップと、
をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
One or more first images in which an area including a passerby's body part is captured, and one or more second images in which information on the distance in the depth direction with respect to the area including the passerby's body part is stored. And get the get steps and
The acquisition of the trained model trained to output the gaze start position and gaze direction information of the person indicated in the person area by inputting the information of the person area and the three-dimensional data corresponding to the person area. Gaze of the passerby by inputting the information of the person area extracted from the first image acquired by the unit and the point group data or the depth image which is the three-dimensional data generated from the second image. An estimation step for estimating the start position and gaze direction, and
A computer program that lets your computer run.
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