JP2006520055A - 2次元画像からの3次元オブジェクトの不変視点検出および識別 - Google Patents
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Abstract
Description
、または
が、点xjの投影位置である。ここで、αは投影角である。剛体変換が、xc=0を中心とする
という形式であると仮定する。全体を通じて、次のデータ構造が定義される。
(式1)
3×3回転要素Oの接線における基底ベクトルZ1、Z2、Z3、は、次のように定義される。
(式2)
(式3)
(式4)
(式5)
ここで、(・)tは行列転置を示している。
という形態の剛体変換(中心xc=0を中心とする)が与えられれば、正の(すなわち、z>0)場合の投影点が
により与えられる。
による正の(すなわち、z>0)マッピングの場合、単位行列
を用いて3×9行列
が計算され、次の式が得られる。
(式6)
コスト関数が余すところなく評価されて最小値が選択され、
(式7)
この最小値においてのみ並進が決められる。ここで、
である。この最小値は、総当り検索により、あるいは収束するまで検索アルゴリズムを実行することにより得られる。
(式8)
(式9)
ここで、
である。
という形態の剛体変換(xc=0を中心とする)が与えられれば、回転と並進
のMMSEは次の式を満たす。
(式10)
3×9行列Mと3×1列ベクトルが次のように計算される。
(式11)
次に、収束するまで総当り検索または勾配検索アルゴリズムを実行することにより、最小値Oにおける並進
が得られる。
勾配検索:(式13)
ここで、αnewがコスト関数の方向微分係数である指数表現におけるOoldの接線において、式9および式13の基底ベクトルZ1、Z2、Z3への投影が定義される。
により指標付けされた一連のピクセルであるとする。ここで、投影マッピング点は
である。ここで、
であり、nは視角の余接であり、wとhはアスペクト比を決める幅と高さである。色(R,G,B)テンプレートで投影画像平面においてピクセルが不連続に設定されている場合、観測される投影II(p)は(R,G,B)ベクトルである。投影行列は、投影行列
に従って点
に対して作用する
になる。ここで、点x(p)は、画像平面において点pに投影される3D CADモデル上の点である。次に、テンプレート値の投影座標pにおける(R,G,B)成分上の差分から得られる、投影されたテンプレート行列が導出され、ノルムが成分毎に解釈される。
(式14)
(式15)
(式16)
当業者が理解しているように、前方差分、後方差分、または平衡差分を用いて、画像平面における微分係数を表すことができる。大文字での表記は、回転の再配置された行列O=(o11,o12,o13,...,o31,o32,o33)を示すために用いられ、そして、
となる。全体にわたって、以下の行列が必要とされる。
(式17)
(式18)
単一のソース画像を用いたアバターの並進と回転の推定プロセスは、以下のとおりである。ユークリッド変換の下で生じる投影平均フィールドを用いて、所定の画像
がモデル化される。
(式19)
問題は、以下のように回転と並進o,bを推定することである。
(式20)
まず、上記の行列と調整された点
が計算される。次に、最適化する回転/並進
が以下のように解かれる。
(式21)
(式22)
対象が画像の1系列において追跡されるような状況や、単一の画像しか利用できないような場合には、対象の中心位置に関する情報を利用できることが多い。対象位置を中心位置0に配置することにより、この情報を組み込むことができる。ユークリッド変換の下で画像
が与えられれば、最小化問題を以下のように表すことができる。
(式23)
平均位置がゼロではなくμである場合、bが
と再定義され、μを加算することにより位置bの推定が調整されて、真の最適な並進推定
が与えられる。
(式24)
最適化する回転/並進
が以下のように解かれる。
(式25)
(式26)
他の場合には、対象の顔の表情の変化を除いて類似している画像の1系列を利用してもよい。このような変化を追跡するために、あるいは単一フレームにおいて表情が変化した顔を探索するためにも、「笑う」、「眉を上げる」、またはその他の表情に関連する、顔における点の動きを記述する関数として、表情基底関数E1,E2,...を用いて動きをパラメータ的に定義してもよい。変化した表情により変換された画像
が与えられた場合、問題は、以下のように各表情の大きさを記述する係数e1,e2,...を推定することである。
(式27)
上述のように確定された最適な剛体運動について、最適な表情を計算するか、あるいは最適な表情と剛体運動を同時に計算することができるため、上述の手法を用いて最適な
を計算することができる。
を満たす
による大きな変形に対応する。マッピング
を構築するCADモデルの変形が生成される。
(式28)
剛体運動を大きな変形と組み合わせるために、変換
が、剛体運動により既に変換されている座標に関して定義される。これは、各変換が構成されて、あるいは式27のように各変換が同時に変形されて、一緒に最適化されることを意味している。
を表示することができる。この基底は、すべての可能な照明を変化させ、変動の手法を用いて主成分を計算することにより、CADモデル上の主成分を使用して計算される。投影されたテクスチャフィールド(以下、IIとする)は、テクスチャフィールド
を用いて画像全体に指標付けされた
としてモデル化される。変換o、b、e、vが恒等変換として初期化され、以下の反復が実行される。第1に、次のd×d行列が計算される。
(式29)
第2に、投影された基底Pφを用いて、各(o,b,e,v)について最適値t1,t2,...が計算される。
(式30)
第3に、上述の手法を用いて、o、b、e、vが変更されて最小のコスト上のマッチングが生成される。これら3つのステップが、収束するまで反復される。
が与えられる。解析される個人の画像を最も代表するアバターモデルを選択し、頭部の未知の回転と並進の両方を組み込む必要がある。候補アバターα=1,...,Aのそれぞれが、投影されたテクスチャフィールドIIαを有している。通常の実装においては、投影のために各テクスチャフィールドIIαが最初にレンダリングバッファにロードされる。候補アバターを写真に最適にマッチングさせる回転、並進、および照明の各パラメータが、上述の適切な不変姿勢検索を用いて計算され、各アバターについて、最良マッチングまたはコスト関数の最小値が以下のように解かれる。
(式31)
最小コスト
を持つアバター
が、最も密にマッチングするアバターとして選択される。ランドマークが、使用可能なp1,p2,...である場合、余分な項
を含むようにコストが調整される。
が得られ、最小値が選択される。
本発明は、対象顔における様々な表情によるソース画像の変化を考慮することができる。アバターモデルの集合
と、対象顔の測定済み写真Iが1つ与えられている場合、解析される個人の写真を最も代表するアバターモデルのIDを選択し、回転と並進の両方、および顔の表情からもたらされる可能なジオメトリの変化を組み込む必要がある。投影のために各候補アバターα=1,...,Aが最初にレンダリングバッファにロードされる。候補アバターを写真に最適にマッチングさせる回転、並進、表情、および照明が、上述の適切な手法を用いて計算され、各アバターについて最小コストが以下のように解かれる。
(式32)
最小コスト
を持つアバター
が、最も密にマッチングするアバターとして選択される。複数の写真I(v),v=1,...,Vを利用できる場合、各アバターについて一連のコスト
が得られ、最小値が選択される。
例えば、顎粒子の流れが、
に従って固定された顎軸を中心とした回転に追従するように、顎の動きの表情が大きな変形に対応してもよい。ここで、Oは、顎軸γを中心として顎点を回転させる。大きな変形に対応する極端な表情の場合、
が
を満たす。CADモデルの変形とマッピング
の構築により、コスト関数が与えられる。
(式33)
式32に示したコスト関数計算に、回転と並進を含めることもできる。
と、対象顔の測定済み写真Iが1つ与えられている場合、本発明は、解析される個人の写真を最もよく代表するアバターモデルのIDを選択し、回転、並進、および表情と、可能なジオメトリの小さい変化を組み込む必要がある。ジオメトリの小さい変化は、
を満たす
および大きな変形
を用いて表される。投影のために各候補アバターα=1,...,Aが最初にレンダリングバッファにロードされる。候補アバターを写真に最適にマッチングさせる回転、並進、表情、および照明が、適切な従来の発明を用いて計算され、各アバターについて最小コストが以下のように解かれる。
(式34)
最小コスト
を持つアバター
が、最も密にマッチングするアバターとして選択される。複数の写真I(v),v=1,...,VからのIDの場合、各アバターについて一連のコスト
が得られ、最小値が選択される。
大きな変形の場合、式34のコスト関数が、大きな変形
に対応できるように調整される。
全体にわたる指標付けプロセスを進めてもよい。この場合、テンプレートIIは2D投影幾何へのオブジェクトの投影を表すのではなく、回転/並進、表情、変形、および照明の各パラメータo、b、e、v、tの3D表現である。上記の手法は、以下のように、3D格子指標全体にわたって直接計算することにより調整される。
(式35)
3D測定値における大きな変形に対応できるように、小さい加法的変換を用いるのではなく、変換
がこの式に含められる。
が与えられており、In+1(P)がユークリッド変換の下で生じる平均場(Field)IIn(p)(o(n)・+b(n))を有している場合、一連の回転と並進o(t)とb(t)または同様に「速度」v(・,n)=(o−id)・+b,n=1,2,...が推定される。
(式36)
各nについて、事前の対象位置情報とスケール情報を含む上述の手法を用いて、上記の式35のように回転、並進、スケール、および表情を最適化に含めることにより、
(すなわち、最適な回転、並進、スケール、および表情)を生成してもよい。同様に、投影ランドマーク点Pin,Pin,…,n>0,i=1,2…、を利用できる場合、上述のように、コストがマッチング用のランドマークコストに転換される。
のチェックと、本発明明細書に提示したアバターを利用する手法を用いたアバターのフィルタリングとにIDが限定される。
Claims (48)
- 複数の特徴を含むソースオブジェクトの少なくとも1つの2Dソース投影に対応する、複数の特徴を含むオブジェクトを識別する方法であって、
a. 複数の特徴を含む候補オブジェクトの3D表現を複数提供するステップと、
b. 画像における前記2Dソース投影を検出するステップと、
c. 当該の3D候補表現の不変視点検索を実行して、前記少なくとも1つの2Dソース投影に最も似ている2D投影を有する前記3D候補表現を探索するステップと、
d. 前記少なくとも1つの2Dソース投影をステップc.において探索された前記3D候補表現と比較して、前記候補が当該のソースに対応するかどうかを決定するステップを含む方法。 - 前記2Dソース画像において視点および照明が不変である特徴項目を探索することにより、前記2Dソース投影の検出が実行される、請求項1に記載の方法。
- 前記検出がほぼリアルタイムで実行される、請求項2に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法であって、
(i) 前記ソース画像が捕捉されたときに支配的であるソースオブジェクト照明条件にマッチングするための複数の概念的照明の範囲;および
(ii) 複数変形の範囲;
のうちの少なくとも一方の範囲にわたって各前記3D候補表現を検索することを前記検索ステップはさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記変形が小さな変形である、請求項4に記載の方法。
- 前記小さな変形が前記ソースオブジェクトの部分の動きに適合するようにした、請求項5に記載の方法。
- 前記変形が大きな変形である、請求項4に記載の方法。
- 前記大きな変形が前記ソースオブジェクトの永続的変化に関連している、請求項7に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法であって、実際に投影を生成することなく、前記3D表現に係わる可能な2D投影の範囲にわたって各前記3D候補表現を検索することを前記検索ステップはさらに含む、方法。
- 請求項9に記載の方法であって、少なくとも1つの前記2D投影における、前記複数の特徴を含むソースオブジェクトの視点に最適に一致適合する前記3D候補表現の剛体運動を計算することが、当該の可能な2D投影の範囲にわたって検索することに含まれる方法。
- 請求項10に記載の方法であって、
a. 前記3D候補表現に関連する3D座標空間における点、曲線、面、およびサブボリュームを含んでおり、前記少なくとも1つの2Dソース投影における特徴項目と投影的に一致適合する特徴項目の条件付き平均を推定すること;
b. 前記3D候補表現の剛体運動について、前記投影された特徴項目の条件付き平均推定と前記3D候補表現における対応する特徴項目との間の最小平均2乗誤差推定を生成すること;および、
c. 前記3D候補表現の前記投影の部分を前記2Dソース表現における対応する部分と比較すること;
により適合の質を決め、かつ、前記最適な剛体運動を最良の適合の質に対応するものと定義することにより前記最適な剛体運動が決められる、方法。 - 請求項1に記載の方法であって、前記ステップd.における前記比較により、前記3D表現の前記投影と前記2Dソース画像とのマッチング度が所定のしきい値を上回ると、前記ソースオブジェクトに関連付けて前記3D候補表現が肯定的に識別される、方法。
- ソース顔の2Dソース投影の少なくとも1つに対応する3Dアバターを識別する方法であって、
a. 3D候補アバターの3D表現を複数提供するステップと、
b. 画像において顔の前記2Dソース投影を検出するステップと、
c. 前記3D候補アバターの不変視点検索を実行して、前記少なくとも1つの2Dソース投影に最も似ている2D投影を有する前記3D候補アバターを探索するステップと、
d. 前記少なくとも1つの2Dソース投影をステップc.において探索された前記3D候補アバターと比較して、前記候補が前記ソースに対応するかどうかを決定するステップを含む方法。 - 前記2Dソース画像において視点と照明が不変である特徴項目を探索することにより、顔の前記2D投影の検出を実行する、請求項13に記載の方法。
- 前記検出がほぼリアルタイムで実行される、請求項14に記載の方法。
- 請求項13に記載の方法であって、
(i) 前記ソース顔が捕捉されたときに支配的であるソースオブジェクト照明条件にマッチングするための複数の概念的照明の範囲;および
(ii)複数変形の範囲;
のうちの少なくとも一方の範囲にわたって各前記3D候補アバターを検索することを前記検索ステップはさらに含む、方法。 - 前記変形が小さな変形である、請求項16に記載の方法。
- 前記小さな変形が顔の動きに適合できる、請求項17に記載の方法。
- 前記変形が大きな変形である、請求項16に記載の方法。
- 前記大きな変形が前記ソース顔の永続的変化に関連している、請求項19に記載の方法。
- 前記検索ステップは、実際に投影を生成することなく、前記3Dアバターに可能な2D投影の範囲にわたって各前記3D候補アバターを検索することを含む、請求項13に記載の方法。
- 請求項21に記載の方法であって、少なくとも1つの前記2D投影における前記ソース顔の視点に最適に一致適合する前記3D候補アバターの剛体運動を計算することが、当該の可能な2D投影の範囲にわたって検索することに含まれる、方法。
- 請求項22に記載の方法であって、
a. 前記3D候補アバターに関連する3D座標空間における点、曲線、面、およびサブボリュームを含んでおり、前記少なくとも1つの2Dソース投影における特徴項目と投影的に一致適合する特徴項目の条件付き平均を推定すること;および
b. 前記3D候補表現の剛体運動について、前記投影された特徴項目の条件付き平均推定と前記3D候補アバターにおける対応する特徴項目との間の最小平均2乗誤差推定を生成すること;および、
c. 前記3D候補アバターの前記投影の部分を前記2Dソース表現における対応する部分と比較することにより適合の質を決め、かつ、前記最適な剛体運動を前記最良の適合の質に対応するものと定義すること;
により前記最適な剛体運動を決める、方法。 - 請求項13に記載の方法であって、前記ステップd.における前記比較により、前記3Dアバターの前記投影と前記2Dソース画像とのマッチング度が所定のしきい値を上回ると、前記ソース顔に関連付けて前記3D候補アバターが肯定的に識別される、方法。
- 複数の特徴を含むソースオブジェクトの2Dソース投影の少なくとも1つに対応する、複数の特徴を含むオブジェクトを識別するシステムであって、
a. 複数の特徴を含む候補オブジェクトの3D表現を複数含むデータベース;
b. 画像において前記2Dソース投影を検出する検出モジュール;および
c. アナライザ;
を備え、該アナライザは、(i)前記3D候補表現の不変視点検索を実行して、前記少なくとも1つの2Dソース投影に最も似ている2D投影を有する前記3D候補表現を探索し、(ii)前記少なくとも1つの2Dソース投影を前記探索された3D候補表現と比較して、前記候補が前記ソースに対応するかどうかを決定するシステム。 - 前記検出モジュールは、前記2Dソース画像において視点と照明が不変である特徴項目を探索することにより、前記2Dソース投影を検出する、請求項25に記載のシステム。
- 前記検出モジュールが前記検出をほぼリアルタイムで実行する、請求項26に記載のシステム。
- 請求項25に記載のシステムであって、前記アナライザは拡散マッチングモジュールをさらに備え、該拡散マッチングモジュールは、
(i) 前記ソース画像が捕捉されたときに支配的であるソースオブジェクト照明条件にマッチングするための複数の概念的照明の範囲;および、
(ii) 複数変形の範囲;
のうちの少なくとも一方の範囲から生成される前記3D候補表現の2D投影を検索するものである、システム。 - 前記変形が小さな変形である、請求項28に記載のシステム。
- 前記小さな変形が前記ソースオブジェクトの部分の動きに適合できる、請求項29に記載のシステム。
- 前記変形が大きな変形である、請求項28に記載のシステム。
- 前記大きな変形が前記ソースオブジェクトの永続的変化に関連している、請求項31に記載のシステム。
- 前記アナライザは、実際に投影を生成することなく、前記3D表現に係わる可能な2D投影の範囲にわたって各前記3D候補表現を検索する、請求項25に記載のシステム。
- 前記アナライザは、少なくとも1つの前記2D投影における、前記複数の特徴を含むソースオブジェクトの視点に最適に一致適合する前記3D候補表現の最適な剛体運動を計算する、請求項33に記載のシステム。
- 請求項34に記載のシステムであって、
a. 前記3D候補表現に関連する3D座標空間における点、曲線、面、およびサブボリュームを含んでおり、前記少なくとも1つの2Dソース投影における特徴項目と投影的に一致適合する特徴項目の条件付き平均を推定すること;
b. 前記3D候補表現の剛体運動について、前記投影された特徴項目の条件付き平均推定と前記3D候補表現における対応する特徴項目との間の最小平均2乗誤差推定を生成すること;および、
c. 前記3D候補表現の前記投影の部分を前記2Dソース表現における対応する部分と比較すること;
により適合の質を決め、かつ、前記最適な剛体運動を最良の適合の質に対応するものと定義することとにより、前記アナライザは前記最適な剛体運動を決めるように構成されている、システム。 - 前記アナライザは、前記3D表現の前記投影と前記2Dソース画像とのマッチング度が所定のしきい値を上回ると、前記ソースオブジェクトに関連付けての前記3D候補表現の肯定的な識別を出力する、請求項25に記載のシステム。
- ソース顔の2Dソース投影の少なくとも1つに対応する3Dアバターを識別するシステムであって、
a. 3D候補アバターの3D表現を複数含むデータベース;
b. 画像において顔の前記2Dソース投影を検出する検出モジュール;および、
c. (i)前記3D候補アバターの不変視点検索を実行して、前記少なくとも1つの2Dソース投影に最も似ている2D投影を有する前記3D候補アバターを探索し、(ii)前記少なくとも1つの2Dソース投影を前記探索された3D候補アバターと比較して、前記候補が前記ソースに対応するかどうかを決定するアナライザ;
を備えるシステム。 - 前記検出モジュールは、前記2Dソース画像において視点と照明が不変である特徴項目を探索することにより、顔の前記2D投影を検出する、請求項37に記載のシステム。
- 前記検出モジュールが前記検出をほぼリアルタイムで実行する、請求項38に記載のシステム。
- 請求項37に記載のシステムであって、前記アナライザは、拡散マッチングモジュールをさらに備え、該拡散マッチングモジュールは、
(i) 前記ソース画像が捕捉されたときに支配的であるソース頭部照明条件にマッチングするための複数の概念的照明の範囲;および、
(ii) 複数変形の範囲;
のうちの少なくとも一方の範囲から生成される前記3D候補アバターの2D投影を検索するものである、システム。 - 前記変形が小さな変形である、請求項40に記載のシステム。
- 前記小さな変形が顔の動きに適合できる、請求項41に記載のシステム。
- 前記変形が大きな変形である、請求項40に記載のシステム。
- 前記大きな変形が前記ソース顔の永続的変化に関連している、請求項43に記載のシステム。
- 前記アナライザは、実際に投影を生成することなく、前記3Dアバターの、可能な2D投影の範囲にわたって各前記3D候補アバターを検索する、請求項37に記載のシステム。
- 前記アナライザは、少なくとも1つの前記2D投影における前記ソース顔の視点に最適に一致適合する前記3D候補アバターの最適な剛体運動を計算する、請求項45に記載のシステム。
- 請求項46に記載のシステムであって、
a. 前記3D候補アバターに関連する3D座標空間における点、曲線、面、およびサブボリュームを含んでおり、前記少なくとも1つの2Dソース投影における特徴項目と投影的に一致適合する特徴項目の条件付き平均を推定すること;
b. 前記3D候補表現の剛体運動について、前記投影された特徴項目の条件付き平均推定と前記3D候補アバターにおける対応する特徴項目との間の最小平均2乗誤差推定を生成すること;および、
c. 前記3D候補アバターの前記投影の部分を前記2Dソース表現における対応する部分と比較すること;
により適合の質を決め、かつ、前記最適な剛体運動を最良の適合の質に対応するものと定義することとにより、前記アナライザは、前記最適な剛体運動を決めるように構成されている、システム。 - 前記アナライザは、前記3Dアバターの前記投影と前記2Dソース画像とのマッチング度が所定のしきい値を上回ると、前記ソース顔に関連付けての前記3D候補アバターの肯定的な識別を出力するように構成されている、請求項37に記載のシステム。
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