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JP7290602B2 - LEARNING DEVICE, METHOD AND PROGRAM - Google Patents
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Description

本発明は、画像よりランドマークを自動推定するモデルを学習する学習装置、方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a learning device, method, and program for learning a model for automatically estimating landmarks from images.

測位技術等の関連技術として、ランドマークに関する技術がある。 As related technology such as positioning technology, there is technology related to landmarks.

特許文献1では、ランドマークの名称などのメタ情報に基づいて画像の分類および検索を行なうことができ、ユーザが撮影した画像の整理および検索の利便性を高める。特許文献2では、ランドマークを検索する際に、撮影条件が類似しているものから検索し処理負荷を軽減する。特許文献3では、位置分散及び輝度分散を考慮して頑健なランドマークを選定できるランドマーク選定装置が提供される。 In Patent Document 1, images can be classified and searched based on meta information such as the name of a landmark, and the convenience of organizing and searching images taken by the user is enhanced. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-100001, when searching for landmarks, landmarks with similar photographing conditions are searched first to reduce the processing load. Patent Literature 3 provides a landmark selection device capable of robustly selecting landmarks in consideration of positional dispersion and luminance dispersion.

特開2011-010171号広報Japanese Patent Application Publication No. 2011-010171 特開2019-052904号広報Japanese Patent Application Publication No. 2019-052904 特開2019-053462号広報Japanese Patent Application Publication No. 2019-053462

しかしながら、以上のような従来技術においてはランドマークを利用するために、事前にメタ情報等を手動で登録しておく手間が発生するという課題があった。 However, in the conventional technology as described above, there is a problem that it takes time and effort to manually register meta information and the like in advance in order to use landmarks.

ランドマークを選定する際に、画像としてランドマークの優劣を判定するものはあるが、それが類似物が多かったり、ほとんど見つからないものとなる可能性があった。ランドマーク学習は、手動でアノテーションした一般的なものしかなかった。(手動アノテーションとして例えば、オックスフォードやパリなどのオープンデータがある。)例えば屋内はその施設それぞれのランドマークがあるため、このような一般的なデータでは対処できず、それぞれ手動でアノテーションして作成する手間が発生してしまう課題があった。 When selecting a landmark, there is an image that judges the superiority of the landmark, but there is a possibility that it will have many similarities or will be almost impossible to find. Landmark learning was only generic with manual annotation. (For manual annotation, there are open data such as Oxford and Paris.) For example, indoors have landmarks for each facility, so general data like this cannot be handled, and each is manually annotated and created. There was a problem that was time-consuming.

上記従来技術の課題に鑑み、本発明は、測位や地図作成において一般的に利用されている点群を利用して、手動によるアノテーション等の手間を発生させることなく、画像よりランドマークを自動推定するモデルを学習する学習装置、方法及びプログラムを提供することを目的とする。 In view of the problems of the prior art described above, the present invention utilizes point clouds that are commonly used in positioning and map creation to automatically estimate landmarks from images without the need for manual annotation. An object of the present invention is to provide a learning device, method, and program for learning a model that

上記目的を達成するため、本発明は学習装置であって、フィールドを撮影した複数の画像を取得する画像取得部と、前記画像の各々より特徴点を検出し、画像間での特徴点の対応関係を求めることにより、前記フィールドの点群を構築する点群構築部と、前記点群において、点の密度が高いと判定され、且つ、点に対応する画像の撮影方向の範囲が広いと判定される領域を、ランドマーク候補領域として設定する決定部と、各ランドマーク候補領域に識別子を付与して、前記画像において識別子が付与されたランドマーク候補領域を当該識別子で指定される物体領域であるものとしてアノテーション付与した学習データによる学習を行い、前記学習の結果において、物体領域の識別性能が高いと判定されるランドマーク候補領域についての識別モデルを得る学習部と、を備えることを特徴とする。また、前記学習装置に対応する方法及びプログラムであることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention is a learning device comprising: an image acquisition unit for acquiring a plurality of images of a field; A point cloud construction unit that constructs a point cloud of the field by obtaining the relationship, and in the point cloud, it is determined that the density of the points is high and that the shooting direction range of the image corresponding to the points is wide. a determination unit for setting the area to be marked as a landmark candidate area; assigning an identifier to each landmark candidate area; a learning unit that performs learning using learning data annotated as a certain landmark, and obtains a discrimination model for a landmark candidate area that is determined to have high discrimination performance for an object area in the learning result. do. Moreover, it is characterized by being the method and program corresponding to the said learning apparatus.

本発明によれば、点群を構築してその密度が高く且つ対応する撮影方向の範囲が広いと自動判定される領域をランドマーク候補領域として設定し、画像においてランドマーク候補領域がなす物体領域の区別が付与されたものをアノテーション付与された学習データとして識別モデルの学習を行い、この結果のうち物体領域の識別性能が高いと判定されるランドマーク候補領域についての識別モデルを得ることにより、手動によるアノテーション等の手間を発生させることなく、画像よりランドマークを自動推定するモデルを学習することが可能となる。 According to the present invention, a point cloud is constructed, an area automatically determined to have a high density and a wide range of corresponding shooting directions is set as a landmark candidate area, and an object area formed by the landmark candidate area in an image is determined. A discrimination model is trained using an annotated learning data, and a discrimination model is obtained for a landmark candidate area that is determined to have high discrimination performance for an object area among the results, It is possible to learn a model that automatically estimates landmarks from images without the need for manual annotation.

一実施形態に係る点群処理システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a point cloud processing system according to an embodiment; FIG. 一実施形態に係る点群処理システムの機能ブロック図である。1 is a functional block diagram of a point cloud processing system according to one embodiment; FIG. 一実施形態に係る点群処理システムの動作のフローチャートである。4 is a flowchart of the operation of a point cloud processing system according to one embodiment; 学習装置において手動の手間なくランドマーク検出モデルを生成することができる根拠となる、点群とランドマークとの関係の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between point groups and landmarks, which is the basis for enabling the learning device to generate a landmark detection model without manual effort. 算出する視野範囲r(i,j,k)の模式的な例を2次元断面として示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a schematic example of a visual field range r(i,j,k) to be calculated as a two-dimensional cross section; 手順2におけるマッピングを模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing mapping in Procedure 2; 一般的なコンピュータにおけるハードウェア構成を示す図である。It is a figure which shows the hardware constitutions in a common computer.

図1は、一実施形態に係る点群処理システムの構成図であり、点群処理システム100はインターネット等のネットワークNWを介して相互に通信可能とされる少なくとも1つの端末1及び少なくとも1つのサーバ2を備える。端末1は、スマートフォン等のモバイルデバイス又は車載装置等として構成することができる移動体であり、点群処理システム100において処理する対象となる点群を、映像として撮影する等によって端末1の周辺環境から取得するものである。一実施形態では点群処理システム100には端末1のみが含まれサーバ2が含まれない構成により、端末1が単独で点群に関する処理を行うようにしてもよい。一実施形態では点群処理システム100は端末1及びサーバ2を含み、端末1及びサーバ2で処理を分担しながら点群に関する処理を担うようにしてもよい。 FIG. 1 is a configuration diagram of a point cloud processing system according to one embodiment. The point cloud processing system 100 includes at least one terminal 1 and at least one server that can communicate with each other via a network NW such as the Internet. Have 2. The terminal 1 is a mobile device that can be configured as a mobile device such as a smartphone or an in-vehicle device. It is obtained from In one embodiment, the point cloud processing system 100 includes only the terminal 1 and does not include the server 2, so that the terminal 1 alone may process the point cloud. In one embodiment, the point cloud processing system 100 includes a terminal 1 and a server 2, and the terminal 1 and the server 2 may share the processing and handle the processing related to the point cloud.

図2は、一実施形態に係る点群処理システム100の機能ブロック図である。点群処理システム100は、学習装置10及び推定装置20を備える。学習装置10は画像取得部11、点群構築部12、決定部13、学習部14及びモデルDB(データベース)15を備え、決定部13はさらにボクセル分割部131、密度評価部132、視野評価部133及び候補決定部134を備える。推定装置20は画像撮影部21及び推定部22を備える。 FIG. 2 is a functional block diagram of the point cloud processing system 100 according to one embodiment. A point cloud processing system 100 includes a learning device 10 and an estimating device 20 . The learning device 10 includes an image acquisition unit 11, a point cloud construction unit 12, a determination unit 13, a learning unit 14, and a model DB (database) 15. The determination unit 13 further includes a voxel division unit 131, a density evaluation unit 132, and a visual field evaluation unit. 133 and a candidate determination unit 134 are provided. The estimating device 20 includes an image capturing section 21 and an estimating section 22 .

なお、学習装置10及び推定装置20の各々に関して、図1に示される端末1(及びサーバ2)として構成することができる。学習装置10を移動体として構成する端末1と、推定装置20を移動体として構成する端末1とは別の端末であってもよい。 Note that each of the learning device 10 and the estimation device 20 can be configured as the terminal 1 (and the server 2) shown in FIG. The terminal 1 configuring the learning device 10 as a mobile device and the terminal 1 configuring the estimation device 20 as a mobile device may be different terminals.

学習装置10を移動体として構成する端末1には少なくとも画像取得部11が備わり、端末1自身の周辺環境の撮影を行うことにより映像を取得するが、画像取得部11以外の学習装置10の構成はサーバ2に備わることで、処理をサーバ2に委ねるようにしてもよい。推定装置20を移動体として構成する端末1には少なくとも画像撮影部21が備わり、端末1自身の周辺環境の撮影を行うことにより画像を取得するが、画像撮影部21以外の推定装置20の構成はサーバ2に備わることで、処理をサーバ2に委ねるようにしてもよい。 The terminal 1, which constitutes the learning device 10 as a mobile body, is equipped with at least an image acquisition unit 11, and acquires an image by photographing the surrounding environment of the terminal 1 itself. may be provided in the server 2 so that the processing may be entrusted to the server 2. The terminal 1 that configures the estimating device 20 as a mobile object is equipped with at least an image capturing unit 21, and acquires an image by capturing an image of the surrounding environment of the terminal 1 itself. may be provided in the server 2 so that the processing may be entrusted to the server 2.

図3は、一実施形態に係る点群処理システム100の動作のフローチャートである。点群処理システム100の全体的な動作として、図3のステップS1~S6において学習装置10が学習によりモデル構築を行い構築されたモデル(画像からランドマークを検出するモデル)をモデルDB15に保存した後に、モデルDB15に保存されたモデルを推定装置20が参照して利用することにより、図3のステップS7において位置推定を行うことができる。 FIG. 3 is a flowchart of the operation of the point cloud processing system 100 according to one embodiment. As the overall operation of the point group processing system 100, the learning device 10 builds a model by learning in steps S1 to S6 of FIG. Later, position estimation can be performed in step S7 of FIG. 3 by the estimation device 20 referring to and using the model stored in the model DB 15. FIG.

図4は、学習装置10において手動の手間なくランドマーク検出モデルを生成することができる根拠となる、点群とランドマークとの関係の例を示す図である。図4の点群PGは、移動軌跡Cに沿って屋内空間を移動するカメラにより撮影された映像より、当該屋内空間の環境を表現するものとして構築されたものをフィールド内の一部分に関して示すものである。図4では例EX1にこの点群PGを、フィールドの上面視(上空側から地面側を見る視点)において示しており、例EX2においてこの点群PGをフィールドの側面視(地面に垂直に立って水平方向に見る視点)において示している。この点群PGのうち、ランドマークに好適な箇所となっている例が2つの箇所P1及びP2である。これら2つの箇所P1及びP2はいずれも、点群の点が密集しており密度が高く、且つ、点群の点が見える方向(すなわち、点群を構成する点が抽出された映像内のフレーム画像におけるカメラ方向)が広範囲に渡る、という特徴を有するものである。なお図4中にはP1,P2以外にも同様のランドマーク候補を含むが、説明のための例示として箇所P1,P2を示した。 FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between point clouds and landmarks, which is the basis for enabling the learning device 10 to generate a landmark detection model without manual effort. The point cloud PG in FIG. 4 shows a part of the field constructed to express the environment of the indoor space from the images taken by the camera moving in the indoor space along the movement trajectory C. be. In Fig. 4, this point group PG is shown in example EX1 from a top view of the field (viewpoint looking at the ground side from the sky), and in example EX2 this point group PG is shown from a side view of the field (perpendicular to the ground). horizontal view). In this point group PG, two locations P1 and P2 are examples of locations suitable for landmarks. Both of these two points P1 and P2 are densely packed with points of the point cloud and have a high density, and the direction in which the points of the point cloud can be seen (that is, the frame in the video from which the points constituting the point cloud are extracted) It has a feature that the camera direction in the image extends over a wide range. Although FIG. 4 includes similar landmark candidates other than P1 and P2, locations P1 and P2 are shown as examples for explanation.

すなわち、このような箇所P1やP2に存在する対象物は、(固定的に配置された物体等によって遮られることなく)広範囲から可視の状態にあり、且つ、点群の点の数も多い(すなわち、画像より特徴点として検出される点の数も多い)という定量的な特徴のみにより、自動で優れたランドマークであると推定することが可能となる。本実施形態の学習装置10では点群におけるこのような定量的な特徴を利用して、手動アノテーション等の手間を発生させることなく、ランドマーク検出モデルを自動で学習することが可能となる。 In other words, the objects existing in such places P1 and P2 are visible from a wide range (without being blocked by fixedly arranged objects, etc.), and the number of points in the point cloud is large ( In other words, it is possible to automatically estimate that a landmark is an excellent landmark based on only the quantitative feature that the number of points detected as feature points is larger than that of the image. In the learning device 10 of the present embodiment, it is possible to automatically learn a landmark detection model by using such quantitative features of the point cloud without requiring manual annotation or the like.

以下、図3の各ステップの詳細を説明しながら、学習装置10及び推定装置20の各機能部の処理の詳細を説明する。 Hereinafter, the details of the processing of each functional unit of the learning device 10 and the estimation device 20 will be described while describing the details of each step in FIG.

図3のフローが開始されると、ステップS1では、画像取得部11が、この学習装置10(の点群構築部12)においてフィールド内の点群を構築するための映像を取得してから、ステップS2へと進む。画像取得部11はハードウェアとしてはカメラで構成され、移動体である端末1に備わることでこの移動体と共にフィールド内を移動しながら撮影を行うことにより、ステップS1での映像が取得される。画像取得部11で取得した映像(各時刻t=1,2,3…でのフレーム画像F(t))は点群構築部12及び学習部14へと出力される。 When the flow of FIG. 3 is started, in step S1, the image acquisition unit 11 acquires an image for building a point cloud in the field in (the point cloud construction unit 12 of) the learning device 10, and then Proceed to step S2. The image acquisition unit 11 is configured by a camera as hardware, and is provided in the terminal 1, which is a mobile object, so that the image in step S1 is acquired by performing shooting while moving in the field with this mobile object. The video (frame image F(t) at each time t=1, 2, 3, .

ステップS2では、ステップS1で得られた各フレーム画像F(t)(t=1,2,3,…)を利用して点群構築部12が点群PGを構築し、且つ、点群PGに属する各点(3次元世界座標における点)に対して、対応するフレーム画像F(t)の特徴点を紐付けた結果を点群PGの情報として決定部13へと出力してから、ステップS3へと進む。 In step S2, the point group construction unit 12 constructs the point group PG using each frame image F(t) (t=1, 2, 3, . . . ) obtained in step S1, and the point group PG For each point (point in the three-dimensional world coordinates) belonging to , the result of linking the feature points of the corresponding frame image F(t) is output to the determination unit 13 as information of the point group PG, and then step Proceed to S3.

ここで、フレーム画像F(t) (t=1,2,3,…)から点群PGを構築する手法としては、SfM(Structure from Motion)等の任意の既存手法を利用してよい。SfMにおいては、例えばSIFT特徴等により各画像から特徴点及び局所特徴量を求め、画像間での特徴点の対応(局所特徴量が一致すると判定される特徴点同士の対応)を利用して三角測量等の原理により、各特徴点の3次元世界座標の情報を得ることで、点群PGを構築することができる。フレーム画像F(t)の特徴点と点群PGとの紐付けに関しては、点群PGを構成する各点(3次元世界座標の点)がいずれのフレーム画像F(t)のいずれの特徴点(2次元画像座標の点)及び局所特徴量に対応しているかの情報(点群PGを構築する際にこの情報は得られている)を与えることで、紐付けを行うことができる。 Here, any existing method such as SfM (Structure from Motion) may be used as a method for constructing the point group PG from the frame image F(t) (t=1, 2, 3, . . . ). In SfM, for example, feature points and local feature values are obtained from each image using SIFT features, etc., and the correspondence between feature points between images (correspondence between feature points determined to match the local feature values) is used to calculate triangulation. A point group PG can be constructed by obtaining information on the three-dimensional world coordinates of each feature point according to the principle of surveying. Regarding the linkage between the feature points of the frame image F(t) and the point group PG, each point (point in three-dimensional world coordinates) that constitutes the point group PG corresponds to any feature point of any frame image F(t). By giving (two-dimensional image coordinate point) and information on whether it corresponds to the local feature amount (this information is obtained when constructing the point group PG), linkage can be performed.

ステップS3では、ステップS2で得た点群PGをボクセル分割部131がボクセルに分割してから、ステップS4へと進む。ボクセル分割部131では、点群PGが定義される3次元世界座標を予め所定のボクセル(直方体又は立方体の格子)に区切っておくことで、点群PGをボクセル分割することができる。説明のため、ボクセル分割部131により点群PGがボクセル分割された結果のうち、3次元世界座標のXYZ座標において、X,Y,Z方向にi,j,k番目(それぞれ整数)のボクセルV(i,j,k)に属する点群を点群PG(i,j,k)と表記する。 In step S3, the voxel dividing unit 131 divides the point group PG obtained in step S2 into voxels, and then the process proceeds to step S4. The voxel division unit 131 can divide the point group PG into voxels by previously dividing the three-dimensional world coordinates defining the point group PG into predetermined voxels (rectangular parallelepiped or cubic lattice). For the sake of explanation, among the results of voxel division of the point group PG by the voxel division unit 131, in the XYZ coordinates of the three-dimensional world coordinates, the voxel V A point group belonging to (i, j, k) is denoted as point group PG(i, j, k).

ステップS4では、各ボクセルV(i,j,k)につき、密度評価部132がその点群PG(i,j,k)の密度d(i,j,k)を評価し、且つ、視野評価部133がその点群P(i,j,k)の視野範囲r(i,j,k)を評価してから、ステップS5へと進む。 In step S4, for each voxel V(i,j,k), the density evaluation unit 132 evaluates the density d(i,j,k) of the point group PG(i,j,k), and also evaluates the visual field. After the unit 133 evaluates the viewing range r(i,j,k) of the point cloud P(i,j,k), it proceeds to step S5.

密度評価部132では、ボクセルV(i,j,k)の体積をvol(i,j,k)とし、ボクセルV(i,j,k)内に属する点群PG(i,j,k)における点の個数をnum(i,j,k)とすると、d(i,j,k)=num(i,j,k)/vol(i,j,k)として密度d(i,j,k)を求めることができる。各ボクセルV(i,j,k)のサイズが共通であり、体積vol(i,j,k)も一定値である場合は、d(i,j,k)=num(i,j,k)として、点の個数num(i,j,k)を密度d(i,j,k)の値としてそのまま用いるようにしてもよい。 In the density evaluation unit 132, the volume of the voxel V(i,j,k) is defined as vol(i,j,k), and the point group PG(i,j,k) belonging to the voxel V(i,j,k) Let num(i,j,k) be the number of points in k) can be obtained. If the size of each voxel V(i,j,k) is common and the volume vol(i,j,k) is also constant, d(i,j,k)=num(i,j,k) ), the number of points num(i,j,k) may be used as it is as the value of the density d(i,j,k).

視野評価部133では例えば、ボクセルの点群PG(i,j,k)に属する各点p(p∈PG(i,j,k))に対応する特徴点が取得された2つ以上(N個とする。N=N(p)である(個数Nは点pごとに一般に異なる)が、以下では単にNと書くこととする。)のフレーム画像のカメラ位置をCp1,Cp2,…,CpNとすると、点pを頂点として、対応するN個のカメラ位置Cp1,Cp2,…,CpNによって囲まれる底面B(p)を有する錐体Cone(p)を考え、ボクセルV(i,j,k)の中心位置を中心とする単位球の表面(面積1の全天周)からこの錐体Cone(p)が切り取る領域をs(p)とすると、ボクセル点群PG(i,j,k)に属する全ての点pによる領域s(p)の和集合∪s(p)の面積として、視野範囲r(i,j,k)を算出してよい。 In the visual field evaluation unit 133, for example, two or more (N N=N(p) (the number N is generally different for each point p, but hereinafter simply written as N). , consider a cone Cone(p) with a base B(p) bounded by N corresponding camera positions Cp1, Cp2, . ), the voxel point group PG(i,j,k) The viewing range r(i,j,k) may be calculated as the area of the union ∪s(p) of the regions s(p) by all the points p belonging to .

図5は上記のようにして算出する視野範囲r(i,j,k)の模式的な例を2次元断面として示す図であり、視野範囲を評価する対象となるボクセルVが3つの点p,q,rを有する場合に、点pが対応する少なくとも2つのカメラ位置Cp1,Cp2による錐体Cone(p)によって単位球Eから領域s(p)が切り取られ、点qが対応する少なくとも2つのカメラ位置Cq1,Cq2による錐体Cone(q)によって単位球Eから領域s(q)が切り取られ、点rが対応する少なくとも2つのカメラ位置Cr1,Cr2による錐体Cone(r)によって単位球Eから領域s(r)が切り取られることで、図5の例では相互に重複しない領域s(p),s(r),s(q)の面積の総和として視野範囲r(i,j,k)が定まる。 FIG. 5 is a diagram showing a schematic example of the visual field range r(i,j,k) calculated as described above as a two-dimensional cross section. , q, r, a region s(p) is clipped from the unit sphere E by a cone Cone(p) by at least two camera positions Cp1, Cp2 to which point p corresponds, and at least two A region s(q) is cut from the unit sphere E by a cone Cone(q) by two camera positions Cq1,Cq2, and a cone Cone(r) by at least two camera positions Cr1,Cr2 to which a point r corresponds. By cutting the area s(r) from E, in the example of FIG. 5, the visual field range r(i,j, k) is determined.

視野評価部133では上記の手法に限らず、ボクセルの点群PG(i,j,k)に属する各点p(p∈PG(i,j,k))が対応するカメラ位置Cp1,Cp2,…,CpNの方向(点p又はボクセルV(i,j,k)の中心から見た際の方向)のばらつきが大きいほど点pによる視野範囲が広いものとして、点pの視野範囲を評価して、ボクセル点群PG(i,j,k)の全ての点pによるこのような視野範囲の全体が広いほど値が大きくなるように、視野範囲r(i,j,k)を算出することができる。 In the visual field evaluation unit 133, the camera positions Cp1, Cp2, …, CpN (the direction when viewed from the center of point p or voxel V(i,j,k)) varies widely, the viewing range of point p is assumed to be wide, and the viewing range of point p is evaluated. Then, the visual field range r(i, j, k) is calculated so that the wider the overall visual field range by all the points p of the voxel point group PG (i, j, k) is, the larger the value becomes. can be done.

例えば、単位球などは設定せずに、単純に直方体又は立方体として構成されるボクセルV(i,j,k)の各面(6つの面)について、ボクセル点群VG(i,j,k)に属する少なくとも1つの点pとカメラ位置Cp1,Cp2,…,CpNとを結ぶ直線のうち少なくとも1本が通過するか否かを判定し、6つの面のそれぞれについて1本でもこのような直線が通過すれば評価値を1とし、このような直線が通過しない場合には評価値を0として、6つの面での評価値の総和(0以上6以下)として簡易に視野範囲r(i,j,k)を算出するようにしてもよい。 For example, for each surface (six surfaces) of a voxel V(i,j,k) that is simply configured as a rectangular parallelepiped or cube without setting a unit sphere, etc., the voxel point group VG(i,j,k) and the camera positions Cp1, Cp2, . . . , CpN. If it passes, the evaluation value is set to 1, and if such a straight line does not pass, the evaluation value is set to 0, and the sum of the evaluation values for the six surfaces (0 to 6) is simply calculated as the visual field range r (i, j , k) may be calculated.

なお、点pに対応するN個のカメラ位置Cp1,Cp2,…,CpNの情報は、点群構築部12において点群PGを構築した際に既知となっている。すなわち、点群PGに属する各点pに対応するフレーム画像の特徴点が紐づいていることから、各点pに対応するN個のフレーム画像の情報が紐づいており、さらに、このN個のフレーム画像について撮影した際のカメラ位置の情報(点群PGを算出する際にこのカメラ位置の情報も算出されている)として、カメラ位置Cp1,Cp2,…,CpNの情報も、点群PGに紐づけて保持しておくことが可能である。 Information on the N camera positions Cp1, Cp2, . That is, since the feature point of the frame image corresponding to each point p belonging to the point group PG is linked, the information of N frame images corresponding to each point p is linked. As the information of the camera positions when the frame images were shot (this camera position information is also calculated when calculating the point group PG), the information of the camera positions Cp1, Cp2, ..., CpN is also obtained from the point group PG It is possible to hold it by linking it to .

ステップS5では、候補決定部134が、各ボクセルV(i,j,k)につき、ステップS4で密度評価部132が算出した密度d(i,j,k)及び視野評価部133が算出した視野範囲r(i,j,k)に基づいて、当該ボクセルV(i,j,k)が候補ボクセルに該当するか否かを決定し、決定結果を学習部14へと出力してから、ステップS6へと進む。 In step S5, the candidate determination unit 134 determines the density d(i,j,k) calculated by the density evaluation unit 132 in step S4 and the visual field calculated by the visual field evaluation unit 133 for each voxel V(i,j,k). Based on the range r(i, j, k), determine whether or not the voxel V(i, j, k) corresponds to the candidate voxel, output the determination result to the learning unit 14, and then step Proceed to S6.

候補決定部134では具体的に以下のように、密度d(i,j,k)が所定の密度閾値THdよりも大きく、且つ、視野範囲r(i,j,k)が所定の視野範囲閾値THrよりも大きいと判定されるようなボクセルV(i,j,k)を、候補ボクセルに該当するものとして決定することができる。
d(i,j,k)>THd 且つ r(i,j,k)>THr
Specifically, the candidate determination unit 134 determines that the density d(i,j,k) is greater than a predetermined density threshold THd and the visual field range r(i,j,k) is a predetermined visual field range threshold value. Those voxels V(i,j,k) that are determined to be greater than THr can be determined as qualifying candidate voxels.
d(i,j,k)>THd and r(i,j,k)>THr

このように決定される候補ボクセルとは、対応するボクセルV(i,j,k)の点群PG(i,j,k)が、図4で箇所P1やP2として模式的に示したような特徴を有するランドマークに由来するものである候補であることを意味するものである。すなわち、当該ボクセルV(i,j,k)内にランドマークが存在する可能性があることを、候補ボクセルは意味している。 The candidate voxels determined in this way are the point groups PG(i,j,k) of the corresponding voxels V(i,j,k) such as those schematically shown as points P1 and P2 in FIG. It means that it is a candidate that is derived from a landmark having a characteristic. That is, a candidate voxel means that there is a possibility that a landmark exists within the voxel V(i,j,k).

ステップS6では学習部14が、画像取得部11で取得した映像(各フレーム画像F(t))及び候補決定部134で決定した候補ボクセルの情報を利用して学習を行うことにより、画像からランドマーク領域を自動検出する深層学習モデルを得て、この深層学習モデルをモデルDB15に保存してから、ステップS7へと進む。 In step S6, the learning unit 14 performs learning using the video (each frame image F(t)) acquired by the image acquisition unit 11 and the information of the candidate voxels determined by the candidate determination unit 134, thereby performing land acquisition from the image. After obtaining a deep learning model for automatically detecting the mark area and storing this deep learning model in the model DB 15, proceed to step S7.

ステップS6において学習部14は具体的に以下の手順1~手順3により、モデルを学習することができる。 In step S6, the learning unit 14 can specifically learn the model according to procedures 1 to 3 below.

(手順1) 候補決定部134で決定した候補ボクセルに対して、連結領域ラベリング等を適用することにより、隣接(連結)しているボクセル(連結成分を構成しているボクセル)を1つの塊にまとめ、共通のIDを付与する。説明のため、このようにして得られた連結候補ボクセル群が合計でK個あるものとし、これらをVc1,Vc2,…,VcK(={Vck|k=1,2,…,K})と表記する。 (Procedure 1) Adjacent (connected) voxels (voxels constituting connected components) are grouped into one cluster by applying connected region labeling or the like to the candidate voxels determined by the candidate determination unit 134. In summary, assign a common ID. For the sake of explanation, it is assumed that there are a total of K concatenated candidate voxel groups obtained in this way, and these are Vc1, Vc2, ..., VcK (= {Vck|k = 1, 2, ..., K}). write.

(手順2) 各連結候補ボクセル群Vck(k=1,2,…,K)を、フレーム画像F(t)(t=1,2,3,…)へと透視投影によりマッピングすることで、各フレーム画像F(t)内において各連結候補ボクセル群Vckの占める領域R(t,k)の情報を取得する。(なお、t,kの組み合わせによっては、そもそも投影されない場合(R(t,k)が空集合となる場合)もありうる。) (Procedure 2) Each connection candidate voxel group Vck (k = 1, 2, ..., K) is mapped onto the frame image F (t) (t = 1, 2, 3, ...) by perspective projection, Information on the area R(t,k) occupied by each concatenated candidate voxel group Vck in each frame image F(t) is acquired. (In addition, depending on the combination of t, k, it may not be projected in the first place (R(t, k) is an empty set).)

図6は、手順2におけるマッピングを模式的に示す図であり、3次元世界座標系内に存在する、ある連結候補ボクセル群Vckが、あるフレーム画像F(t)の2次元画像座標に透視投影された領域として領域R(t,k)が定まることが模式的に示されている。すでに説明したように、フレーム画像F(t)は点群PGを求めた際に、そのカメラの外部パラメータに相当するカメラ位置(及び向き)が3次元世界座標系におけるものとして定まっているので、この情報(及び既知のカメラの内部パラメータの情報)を用いて、図6に示すような透視投影を行うことが可能となる。 FIG. 6 is a diagram schematically showing the mapping in procedure 2. A certain connection candidate voxel group Vck existing in the three-dimensional world coordinate system is perspectively projected onto the two-dimensional image coordinates of a certain frame image F(t). It is schematically shown that a region R(t,k) is defined as a region defined by the As already explained, when the point group PG is obtained for the frame image F(t), the camera position (and orientation) corresponding to the extrinsic parameters of the camera is determined in the three-dimensional world coordinate system. Using this information (and known camera intrinsic parameter information), it is possible to perform a perspective projection as shown in FIG.

(手順3) 少なくとも1つの領域R(t,k)がマッピングして投影されているフレーム画像F(t)を自動アノテーションが付与された学習データとして利用して、深層学習による物体検出やインスタンスセグメンテーションなどの学習を実施する。ここで、フレーム画像F(t)内の領域R(t,k)は、K個存在する連結候補ボクセル群Vck(k=1,2,…,K)、すなわち、K個のランドマーク候補のうちk番目のランドマークの対象物の領域に該当するものとして、自動アノテーションが付与された学習データとして利用することができる。すなわち、当該自動アノテーション付与された学習データにおいては、ランドマークの対象物が具体的に何であるか(人間により何の物体として認識されうるか)の情報は明示的には与えられないが、K個のランドマーク候補のうちいずれのk番目のランドマークであるかという、ランドマークの識別子が、アノテーションとして付与されていることとなる。 (Procedure 3) Object detection and instance segmentation by deep learning using frame images F(t) in which at least one region R(t,k) is mapped and projected as training data with automatic annotations. and other learning. Here, the region R(t,k) in the frame image F(t) is a group of K connected candidate voxels Vck (k=1, 2, . . . , K), that is, Among them, it can be used as learning data to which an automatic annotation is given as corresponding to the target area of the k-th landmark. In other words, in the learning data automatically annotated, information about what the target of the landmark is specifically (what object can be recognized by humans) is not explicitly given, but K A landmark identifier indicating which of the k-th landmarks is the landmark candidate is attached as an annotation.

この自動アノテーション付与された学習データを用いた学習は以下の手順3-1~手順3-3のようにすればよい。 Learning using this automatically annotated learning data can be performed in the following procedure 3-1 to procedure 3-3.

(手順3-1) 学習用データ(上記のように自動アノテーション付与されたもの)から、識別子k=1,2,…,Kで区別される各ランドマーク候補(説明のためランドマーク候補L(k)とする)についての正誤及び確度の評価結果を得る。(すなわち、学習用データの一部を訓練用、残りの一部を検証用とし、訓練用データで訓練しながら定期的に検証用データで学習状況を検証して評価結果を得るようにする。)なお、確度は一般的な指標(recall, precision, F値など)で評価すればよく、指標として、IoU(Intersection over Union)により領域の重なり具合の推定の正確さを評価してもよいし、複数の物体検知をまとめて評価する指標としてmAP(mean Average Precision)を用いてもよい。 (Procedure 3-1) Each landmark candidate distinguished by identifier k = 1, 2, ..., K (landmark candidate L( k)) to obtain the evaluation results of correctness and accuracy. (That is, part of the learning data is used for training and the remaining part is for verification, and while training is performed using the training data, the learning state is periodically verified using the verification data to obtain evaluation results. ) The accuracy can be evaluated by general indices (recall, precision, F value, etc.), and as an index, IoU (Intersection over Union) can be used to evaluate the accuracy of the estimation of the overlap of regions. Alternatively, mAP (mean Average Precision) may be used as an index for collectively evaluating multiple object detections.

(手順3-2) 上記の手順3-1の評価結果において、確度が低い、及び間違った推定をした、されたランドマーク候補L(k)は、ユニーク性が低いとして、すなわち、ランドマークとして設定して用いるには不適切であるものとして、候補から除外する。 (Procedure 3-2) In the evaluation result of the above procedure 3-1, the landmark candidate L(k) with low accuracy and erroneous estimation is regarded as having low uniqueness, that is, as a landmark It is excluded from the candidates as inappropriate for setting and using.

(手順3-3) 上記の手順3-2で候補から除外されなかったランドマーク候補L(k)を、候補ではなくランドマークL(k)であるものとして確定させ、手順3-1において既に学習済みのモデルと、ランドマークの位置(元の候補ボクセル群Vckの位置として与えられる3次元世界座標における位置)とを紐づけてモデルDB15に保存する。(なお、手順3-2で候補から除外されたランドマーク候補に関しては、学習データにおいては自動アノテーション付与がなされなかったものとして学習データを更新し、再度、手順3-1と同様の学習を行って得られる学習モデル及びランドマーク位置を、モデルDB15に保存するようにしてもよい。) (Procedure 3-3) The landmark candidate L(k), which was not excluded from the candidates in the above procedure 3-2, is confirmed as a landmark L(k) instead of a candidate. The learned model and the position of the landmark (the position in the three-dimensional world coordinates given as the position of the original candidate voxel group Vck) are linked and stored in the model DB15. (In addition, regarding the landmark candidates excluded from the candidates in procedure 3-2, the learning data is updated as if automatic annotation was not given in the learning data, and the same learning as in procedure 3-1 is performed again. The learning model and landmark positions obtained by

以上の通り、図3のステップS6を終えるとステップS7へと進む。ステップS7では推定装置10において新たな画像の撮影を行い、ステップS6で得られてモデルDB15に保存されているモデルを利用することにより、この画像を撮影したカメラ(画像撮影部21を構成するカメラ)の位置を推定して、図3のフローは終了する。 As described above, after completing step S6 in FIG. 3, the process proceeds to step S7. In step S7, the estimating device 10 captures a new image, and by using the model obtained in step S6 and stored in the model DB 15, the camera that captured this image (the camera that constitutes the image capture unit 21 ) is estimated, and the flow of FIG. 3 ends.

具体的にステップS7ではまず、画像撮影部21が画像を撮影して、この画像を推定部22へと出力する。次いで、推定部22は、この画像に対してモデルDB15に保存されている学習済みモデルによる物体認識を適用し、いずれのランドマークL(k)(候補ではない)が画像内のいずれの領域に撮影されているかの認識結果を得て、当該認識されたランドマークの位置及び大きさより、画像の位置推定結果を得る。ここで、ランドマークの位置及び大きさは、画像におけるもの(2次元画像座標での位置及び大きさ)として推定したうえで、3次元世界座標におけるものとして画像の位置を推定すればよい。具体的には例えば以下のように(1)、(2)の場合分けに従って推定すればよい。 Specifically, in step S7, first, the image capturing unit 21 captures an image and outputs this image to the estimating unit 22. FIG. Next, the estimating unit 22 applies object recognition to this image using a trained model stored in the model DB 15, and determines which landmark L(k) (not a candidate) is located in which region in the image. A result of recognizing whether or not the image is captured is obtained, and a position estimation result of the image is obtained from the position and size of the recognized landmark. Here, the position and size of the landmark are estimated as those in the image (position and size in two-dimensional image coordinates), and then the position of the image is estimated as those in three-dimensional world coordinates. Specifically, for example, it may be estimated according to the cases (1) and (2) as follows.

(1)まず、撮影した画像にランドマークが3つ以上ある場合には、その位置関係からカメラ画像の3次元位置を計算することができる。また、その際に、検知した2次元画像座標での大きさも考慮することで、3次元位置の精度を高めるようにしてよい。(1a)またその3次元位置を推定した後、より精度を高めるために、推定したカメラ画像位置の近くの画像を抽出し、点群マッチングして位置推定するという手法を用いてもよい。(2)一方、撮影した画像に2つ以下のランドマークがある場合、そのランドマークが写っている画像を通常のVPSの点群のマッチング候補となる画像として利用し、通常の点群マッチングで3次元位置推定を行うようにすればよい。 (1) First, when there are three or more landmarks in the captured image, the three-dimensional position of the camera image can be calculated from the positional relationship. In addition, at that time, the accuracy of the three-dimensional position may be improved by also considering the size of the detected two-dimensional image coordinates. (1a) After estimating the three-dimensional position, a method of extracting an image near the estimated camera image position and estimating the position by point cloud matching may be used in order to further improve accuracy. (2) On the other hand, if there are two or less landmarks in the captured image, use the image containing the landmark as a matching candidate image for the point cloud of the normal VPS, and use the normal point cloud matching Three-dimensional position estimation may be performed.

以上、本実施形態の学習装置によれば、測位や地図作成において一般的に利用されている点群を利用して、手動によるアノテーション等の手間を発生させることなく、画像よりランドマークを自動推定するモデルを学習することが可能となる。以下、種々の補足説明を行う。 As described above, according to the learning device of the present embodiment, landmarks can be automatically estimated from images using point clouds that are generally used in positioning and map creation, without the need for manual annotation. It is possible to learn a model that Various supplementary explanations are given below.

(A) 図3のステップS1にて画像取得部11は、単一の移動体としての端末1においてフィールド内を移動しながら撮影した映像の各フレーム画像を取得するものとして説明したが、本実施形態を適用可能な画像群はこのように映像として取得されたものに限定されない。ステップS1にて画像取得部11は、点群構築の対象となるフィールドを、複数の移動体における各カメラによって様々な位置姿勢において撮影された画像群を取得するようにしてもよい。また、移動体のカメラに限らず、様々な位置の固定カメラから撮影された画像群を取得するようにしてもよい。このように取得する場合、画像取得部11はハードウェアとしてカメラとして構成されることに代えて、または加えて、様々なカメラで撮影された画像をネットワーク上から取得するための通信インタフェースとして構成されるものであってよい。 (A) In step S1 of FIG. 3, the image acquisition unit 11 acquires each frame image of a video captured while moving within the field by the terminal 1 as a single moving object. A group of images to which the form can be applied is not limited to those acquired as videos in this way. In step S1, the image acquisition unit 11 may acquire a group of images of the field to be constructed of the point cloud, captured in various positions and orientations by each camera of a plurality of moving bodies. In addition, a group of images captured by fixed cameras at various positions may be acquired, instead of being limited to mobile cameras. When acquiring in this way, the image acquisition unit 11 is configured as a communication interface for acquiring images captured by various cameras from the network instead of or in addition to being configured as a camera as hardware. can be anything.

(B) 図7は、一般的なコンピュータ装置70におけるハードウェア構成の例を示す図である。点群処理システム100における学習装置10及び推定装置20を構成する端末1及びサーバ2はそれぞれ、このような構成を有する1台以上のコンピュータ装置70として実現可能である。なお、2台以上のコンピュータ装置70で学習装置10又は推定装置20実現する場合、ネットワーク経由で処理に必要な情報の送受を行うようにしてよい。コンピュータ装置70は、所定命令を実行するCPU(中央演算装置)71、CPU71の実行命令の一部又は全部をCPU71に代わって又はCPU71と連携して実行する専用プロセッサとしてのGPU(グラフィックス演算装置)72、CPU71(及びGPU72)にワークエリアを提供する主記憶装置としてのRAM73、補助記憶装置としてのROM74、通信インタフェース75、ディスプレイ76、マウス、キーボード、タッチパネル等によりユーザ入力を受け付ける入力インタフェース77、画像取得部11及び画像撮影部21をハードウェアとして構成するカメラ78と、これらの間でデータを授受するためのバスBSと、を備える。前述の通り、画像取得部11を構成するハードウェアは、通信インタフェース75であってもよい。 (B) FIG. 7 is a diagram showing an example of a hardware configuration in a general computer device 70. As shown in FIG. Each of the terminal 1 and the server 2 constituting the learning device 10 and the estimation device 20 in the point cloud processing system 100 can be implemented as one or more computer devices 70 having such a configuration. When the learning device 10 or the estimation device 20 is realized by two or more computer devices 70, information necessary for processing may be transmitted and received via a network. The computer device 70 includes a CPU (central processing unit) 71 that executes predetermined instructions, and a GPU (graphics processing unit) as a dedicated processor that executes part or all of the execution instructions of the CPU 71 instead of the CPU 71 or in cooperation with the CPU 71. ) 72, RAM 73 as a main storage device that provides a work area to CPU 71 (and GPU 72), ROM 74 as an auxiliary storage device, communication interface 75, display 76, input interface 77 that accepts user input by mouse, keyboard, touch panel, etc. A camera 78 having the image acquiring unit 11 and the image photographing unit 21 as hardware, and a bus BS for exchanging data therebetween are provided. As described above, the hardware configuring the image acquisition unit 11 may be the communication interface 75 .

学習装置10及び推定装置20の各機能部は、各部の機能に対応する所定のプログラムをROM74から読み込んで実行するCPU71及び/又はGPU72によって実現することができる。なお、CPU71及びGPU72は共に、演算装置(プロセッサ)の一種である。ここで、表示関連の処理が行われる場合にはさらに、ディスプレイ76が連動して動作し、データ送受信に関する通信関連の処理が行われる場合にはさらに通信インタフェース75が連動して動作する。点群処理システム100による処理結果等はディスプレイ76で表示して出力してよい。 Each functional unit of the learning device 10 and the estimating device 20 can be realized by the CPU 71 and/or the GPU 72 that reads and executes a predetermined program corresponding to the function of each unit from the ROM 74 . Both the CPU 71 and the GPU 72 are a kind of arithmetic unit (processor). Here, when display-related processing is performed, the display 76 further operates in conjunction, and when communication-related processing relating to data transmission/reception is performed, the communication interface 75 further operates in conjunction. The processing results and the like by the point cloud processing system 100 may be displayed on the display 76 and output.

100…点群処理システム、1…端末、2…サーバ
10…学習装置、11…画像取得部、12…点群構築部、13…決定部、14…学習部、15…モデルDB、131…ボクセル分割部、132…密度評価部、133…視野評価部、134…候補決定部
20…推定装置、21…画像撮影部、22…推定部
100…Point cloud processing system, 1…Terminal, 2…Server
10... Learning device, 11... Image acquisition unit, 12... Point group construction unit, 13... Determination unit, 14... Learning unit, 15... Model DB, 131... Voxel division unit, 132... Density evaluation unit, 133... Visual field evaluation unit , 134 ... candidate decision unit
20... estimating device, 21... image capturing unit, 22... estimating unit

Claims (6)

フィールドを撮影した複数の画像を取得する画像取得部と、
前記画像の各々より特徴点を検出し、画像間での特徴点の対応関係を求めることにより、前記フィールドの点群を構築する点群構築部と、
前記点群において、点の密度が高いと判定され、且つ、点に対応する画像の撮影方向の範囲が広いと判定される領域を、ランドマーク候補領域として設定する決定部と、
各ランドマーク候補領域に識別子を付与して、前記画像において識別子が付与されたランドマーク候補領域を当該識別子で指定される物体領域であるものとしてアノテーション付与した学習データによる学習を行い、
前記学習の結果において、物体領域の識別性能が高いと判定されるランドマーク候補領域についての識別モデルを得る学習部と、を備えることを特徴とする学習装置。
an image acquisition unit that acquires a plurality of images of a field;
a point cloud constructing unit that constructs a point cloud of the field by detecting feature points from each of the images and obtaining a correspondence relationship of the feature points between the images;
a determining unit that sets, as a landmark candidate area, an area determined to have a high density of points in the point group and a wide range of photographing directions of an image corresponding to the points;
assigning an identifier to each landmark candidate area, performing learning using learning data annotated as an object area specified by the identifier in the landmark candidate area assigned the identifier in the image;
a learning unit that obtains a discrimination model for a landmark candidate area that is determined to have high discrimination performance for an object area in the learning result.
前記決定部は、前記点群を所定のボクセルに分割し、ボクセル毎に前記ランドマーク候補領域を設定することを特徴とする請求項1に記載の学習装置。 2. The learning device according to claim 1, wherein the determining unit divides the point group into predetermined voxels and sets the landmark candidate area for each voxel. 前記学習部は、前記ランドマーク候補領域として設定されたボクセルの連結成分の各々に、ランドマーク候補領域の識別子を付与することを特徴とする請求項2に記載の学習装置。 3. The learning device according to claim 2, wherein the learning unit assigns a landmark candidate area identifier to each connected component of voxels set as the landmark candidate area. 前記学習部は、前記画像において識別子が付与されたランドマーク候補領域を3次元世界座標から当該画像の座標系に透視投影することにより、当該識別子で指定される物体領域を定めることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の学習装置。 The learning unit determines the object area specified by the identifier by perspectively projecting the landmark candidate area assigned the identifier in the image from the three-dimensional world coordinates onto the coordinate system of the image. 4. The learning device according to any one of claims 1 to 3. フィールドを撮影した複数の画像を取得する画像取得段階と、
前記画像の各々より特徴点を検出し、画像間での特徴点の対応関係を求めることにより、前記フィールドの点群を構築する点群構築段階と、
前記点群において、点の密度が高いと判定され、且つ、点に対応する画像の撮影方向の範囲が広いと判定される領域を、ランドマーク候補領域として設定する決定段階と、
各ランドマーク候補領域に識別子を付与して、前記画像において識別子が付与されたランドマーク候補領域を当該識別子で指定される物体領域であるものとしてアノテーション付与した学習データによる学習を行い、
前記学習の結果において、物体領域の識別性能が高いと判定されるランドマーク候補領域についての識別モデルを得る学習段階と、を備えることを特徴とする学習方法。
an image acquisition step of acquiring a plurality of images of the field;
a point cloud construction step of constructing a point cloud of the field by detecting feature points from each of the images and determining correspondences of the feature points between the images;
a determination step of setting, as a landmark candidate area, an area in the point cloud determined to have a high density of points and a wide range of shooting directions of an image corresponding to the point;
assigning an identifier to each landmark candidate area, performing learning using learning data annotated as an object area specified by the identifier in the landmark candidate area assigned the identifier in the image;
a learning step of obtaining a discrimination model for a landmark candidate area determined to have high discrimination performance for an object area in the learning result.
コンピュータを請求項1ないし4のいずれかに記載の学習装置として機能させることを特徴とするプログラム。 A program that causes a computer to function as the learning device according to any one of claims 1 to 4.
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