CN110930411A - 一种基于深度相机的人体分割方法及系统 - Google Patents
一种基于深度相机的人体分割方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于深度相机的人体分割方法,所述方法包括:对获取的前N帧深度图像进行求平均,得到一平均深度图像;对当前帧的深度图像进行平面检测,获取到对应的地面模型;根据所述平均深度图像、地面模型以及当前帧的深度图像,获取所述当前帧的深度图像对应的前景图以及对应的投影深度图;在所述投影深度图中进行像素点遍历,得到一局部极值点集合;对所述投影深度图进行流形聚类算法,以所述局部极值点集合作为初始聚类中心,获取所述投影深度图中的人体分割信息。相应的,本发明还公开了基于深度相机的人体分割系统。通过本发明,提供鲁棒性好准确率高的人体分割技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及计算机视觉技术领域,尤其涉及一种基于深度相机的人体分割方法及系统。
背景技术
传统的人体分割的方案一般是基于2D图像实现的。比较通用的实现技术方案是人工特征结合图像分割算法,人工特征主要有颜色特征、SIFT(Scale-invariant FeatureTransform)、LBP(Local Binary Pattern)特征、HOG(Histogram of Orient Gradient)特征等。图像分割算法的主要思路是使用人工特征定义像素间的相似度,然后通过求解图的最小分割问题得到分割的结果。这种思路简单容易实施,但计算开销非常大,很难满足实时性,并且精度也很难保证。
随着深度学习技术的快速发展,申请公布号为CN108198192A的专利提出了使用深度学习的技术方案来改善人体分割的精度,该方案根据人体的统计比例确定输入图像的尺寸,采用定制化的对称神经网络---卷积网络和反卷积网络,通过学习大量人体细节的图像进行训练来得到人体图像分割的能力。该方案理论上会提高分割的精度,但基于深度学习的方案泛化特性很难保证,很容易出现在训练集上精度很高但在实际场景中效果很差的情况,并且在环境非常拥挤导致大量的人体被遮挡的情况下,很难有效的进行人体的分割。
区别于传统2D图像的思路,深度相机能提供场景的3D深度信息,能有效的解决2D方案中很难解决的出现人体遮挡的情况。申请公布号为CN07204000A的专利提出了基于Kinect深度相机的人体分割方法,其在图优化的框架下联合利用RGBD信息和骨架信息来产生更好的分割结果。但该方案依赖于骨骼信息的提取,在复杂场景下人体的骨骼信息很难准确全部提取出来,实际的效果也因此很难保证。另外采用图优化的方式联合RGBD信息和骨骼信息会导致计算的成本非常高,在一般的边缘计算设备上不具备实时运行的可行性。
和传统的人工特征结合图像分割算法,现有技术中基于深度学习的技术方案存在如下技术问题:
(1)、鲁棒性差,在场景很复杂的情况下(比如出现大量的遮挡或头发、皮肤、背景等很相似的情况)分割精度的退化非常严重;
(2)、计算成本非常大,人工特征的提取、深度学习的多层卷积、人体骨骼信息的提取等都是计算量非常大的操作,很难在一般的边缘计算设备上实时运行;
(3)、泛化特性差,尤其是深度学习的技术方案严重依赖训练集的规模和覆盖度,经常会出现在训练集效果很好而在实际场景中运行时效果很差的情况。
发明内容
基于此,本发明的目的在于提供一种基于深度相机的人体分割方法及系统,解决上述技术问题,提供鲁棒性好准确率高的人体分割技术方案。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于深度相机的人体分割方法,所述方法包括:
S1、对获取的前N帧深度图像进行求平均,得到一平均深度图像;
S2、对当前帧的深度图像进行平面检测,获取到对应的地面模型;
S3、根据所述平均深度图像、地面模型以及当前帧的深度图像,获取所述当前帧的深度图像对应的前景图以及对应的投影深度图;
S4、在所述投影深度图中进行像素点遍历,得到一局部极值点集合;
S5、对所述投影深度图进行流形聚类算法,以所述局部极值点集合作为初始聚类中心,获取所述投影深度图中的人体分割信息。
优选的,所述步骤S1包括:
获取所述前N帧深度图像中每一帧深度图像中的深度数据,根据公式(1),计算得到所述平均深度图像;
其中,i、j为图像坐标系下的横坐标和纵坐标,Da(i,j)为所述平均深度图像在图像坐标系中i、j处的深度值,Dl(i,j)为第l帧深度图像在图像坐标系中i、j处的深度值。
优选的,所述步骤S2包括:
获取所述当前帧的深度图像中每一个像素点的3D坐标信息,所述坐标信息的计算公式为式(2),得到一3D坐标信息数据集;
其中,Xworld、Yworld、Zworld对应为单个像素点的3D坐标信息,x、y是图像坐标系下的横坐标和纵坐标,deep为图像坐标系下(x,y)点处的深度值,cx、cy分别为图像坐标系相机中心点处的x轴和y轴的坐标值,Tx、Ty分别为单个像素点x方向和y方向的大小(以毫米为单位),fx、fy分别为x方向和y方向上的焦距信息;
根据RANSAC算法和所述3D坐标信息数据集,计算得到所述当前帧的深度图像中的地面方程a*x+b*y+c*z+d=0中的a、b、c、d参数信息.
优选的,所述RANSAC算法的步骤具体包括:
从所述3D坐标信息数据集中随机选取若干组数据,根据所述若干组数据得到一初始地面方程;
根据所述初始地面方程,测试所述3D坐标信息数据集,并根据一预设的阈值信息,获取到对应的局内点和局外点信息;
重复迭代上述过程,得到包含最多局内点信息所对应的地面方程a*x+b*y+c*z+d=0;
根据所述地面方程,计算得到a、b、c、d参数信息。
优选的,所述步骤S3包括:
根据所述地面方程a*x+b*y+c*z+d=0、a、b、c、d参数信息以及所述平均深度图像,利用公式(3)得到所述当前帧的深度图像对应的前景图;
其中,F(i,j)为所述前景图在图像坐标系下(x,y)点处的像素值,Da(i,j)为所述平均深度图像在图像坐标系中i、j处的深度值,H和α为深度相机的安装高度和角度,所述H和α的计算公式为式(4);
其中,a、b、c、d为所述地面方程的参数信息。
优选的,所述步骤S3还包括:
基于所述地面方程和所述前景图,将所述当前帧的深度图像通过俯视角投影方法得到对应的投影深度图,所述俯视角投影方法的计算公式为式(5);
其中,Dp(i,j)为所述投影深度图图像坐标系下(x,y)点处的深度值,F(i,j)为所述前景图在图像坐标系下(x,y)点处的像素值,D(i,j)为所述当前帧的深度图像在图像坐标系下(x,y)点处的像素值。
优选的,所述步骤S4包括:
从所述投影深度图中的左上角开始遍历,以列优先的方式逐行逐列对每一个像素点进行遍历,计算当前遍历的像素点的深度值与该像素点相邻的L*L区域内的每一个像素点的深度值进行比较,若当前遍历的像素点的深度值比所述L*L区域内的每一个像素点的深度值均小,则将当前遍历的像素点作为极值点,以此类推,对每一个遍历的像素点进行计算,得到局部极值点集合。
优选的,所述步骤S4包括:
对所述局部极值点集合进行非极值压缩方法,得到约束后的局部极值点集合,其中,所述非极值压缩的步骤具体包括:
计算所述局部极值点集合中个的每一个点与该集合中的其它点的欧式距离,若所述欧式距离小于一预设距离阈值,则将值较小的点加入到约束后的局部极值点集合中;
若所述欧式距离大于所述距离阈值时,则将该点加入到约束后的局部极值点集合中。
优选的,所述步骤S5包括:
以所述约束后的局部极值点集合中的每一个聚类点集的初始中心点作为初始聚类中心,计算所述投影深度图中每一个像素点(xi,xj)与每一个聚类点集的初始中心点的流形距离,所述流形距离的计算公式为式(6);
其中,Pij表示述投影深度图上一条连接点Pi和Pj的路径;
将每一个像素点归入到其流形距离最小的所对应的聚类点集中;
更新每一个聚类点集的聚类中心;
重复上述步骤,当聚类误差的变化率小于误差阈值或者迭代次数达到一上限值时,结束迭代过程;
获取所述投影深度图中的各个聚类点集。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于深度相机的人体分割系统,所述系统包括:
平均模块,用于对获取的前N帧深度图像进行求平均,得到一平均深度图像;
地面模型模块,用于对当前帧的深度图像进行平面检测,获取到对应的地面模型;
投影深度图模块,用于根据所述平均深度图像、地面模型以及当前帧的深度图像,获取所述当前帧的深度图像对应的前景图以及对应的投影深度图;
局部极值点模块,用于在所述投影深度图中进行像素点遍历,得到一局部极值点集合;
聚类模块,用于对所述投影深度图进行流形聚类算法,以所述局部极值点集合作为初始聚类中心,获取所述投影深度图中的人体分割信息。
与现有技术相比,本发明一种基于深度相机的人体分割方法及系统,所带来的有益效果为:本发明具有很好的鲁棒性,能够在复杂的场景下,比如出现大量的遮挡或头发、皮肤、背景等很相似的情况,人体分割的效果依然很好;人体分割的准确率较高,基于3D深度图像的人体数据分析克服了传统2D图像数据分析所带来的歧义信息;其计算成本低,本发明提出的技术方案的计算成本非常的低,运行在主流的边缘计算设备上没有资源压力;具有泛化特性好,本发明不依赖于训练集获取图像分割的能力,适用于所有的场景。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的基于深度相机的人体分割方法的流程示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的基于深度相机的人体分割系统的系统示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述,但这些实施方式并不限制本发明,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示的本发明的一实施例,本发明提供一种基于深度相机的人体分割方法,所述方法包括:
S1、对获取的前N帧深度图像进行求平均,得到一平均深度图像;
S2、对当前帧的深度图像进行平面检测,获取到对应的地面模型;
S3、根据所述平均深度图像、地面模型以及当前帧的深度图像,获取所述当前帧的深度图像对应的前景图以及对应的投影深度图;
S4、在所述投影深度图中进行像素点遍历,得到一局部极值点集合;
S5、对所述投影深度图进行流形聚类算法,以所述局部极值点集合作为初始聚类中心,获取所述投影深度图中的人体分割信息。
在所述步骤S1中,利用深度相机采集深度图像,对采集到的前N帧深度图像进行求平均,得到一平均深度图像。根据本发明的一具体实施例,所述N取值为10。具体地,获取所述前N帧深度图像中每一帧深度图像中的深度数据,根据公式(1),计算得到所述平均深度图像,
其中,i、j为图像坐标系下的横坐标和纵坐标,Da(i,j)为所述平均深度图像在图像坐标系中i、j处的深度值,Dl(i,j)为第l帧深度图像在图像坐标系中i、j处的深度值。
在所述步骤S2中,对当前帧的深度图像进行平面检测,获取到对应的地面模型。具体地,获取所述当前帧的深度图像中每一个像素点的3D坐标信息,所述坐标信息的计算公式为式(2),得到一3D坐标信息数据集;
其中,Xworld、Yworld、Zworld对应为单个像素点的3D坐标信息,x、y是图像坐标系下的横坐标和纵坐标,deep为图像坐标系下(x,y)点处的深度值,cx、cy分别为图像坐标系深度相机中心点处的x轴和y轴的坐标值,Tx、Ty分别为单个像素点x方向和y方向的大小(以毫米为单位),fx、fy分别为x方向和y方向上的焦距信息;根据RANSAC(Random Sample Consensus,随机采用一致)算法和所述3D坐标信息数据集,计算得到所述当前帧的深度图像中的地面方程a*x+b*y+c*z+d=0中的a、b、c、d参数信息,所述RANSAC算法的步骤具体包括:从所述3D坐标信息数据集中随机选取若干组数据,根据所述若干组数据得到一初始地面方程;根据所述初始地面方程,测试所述3D坐标信息数据集,并根据一预设的阈值信息,获取到对应的局内点和局外点信息,重复迭代上述过程,得到包含最多局内点信息所对应的地面方程a*x+b*y+c*z+d=0;根据所述地面方程,计算得到a、b、c、d参数信息。
在所述步骤S3中,根据所述平均深度图像、地面模型以及当前帧的深度图像,获取所述当前帧的深度图像对应的前景图以及对应的投影深度图。具体地,根据所述地面方程a*x+b*y+c*z+d=0、a、b、c、d参数信息以及所述平均深度图像中每一个像素点的深度值信息,利用公式(3)得到所述当前帧的深度图像对应的前景图,
其中,F(i,j)为所述前景图在图像坐标系下(x,y)点处的像素值,Da(i,j)为所述平均深度图像在图像坐标系中i、j处的深度值,H和α为深度相机的安装高度和角度,所述H和α的计算公式为式(4),
其中,a、b、c、d为所述地面方程的参数信息。根据上述计算公式,得到没有地面的前景图。基于所述地面方程和前景图,将所述当前帧的深度图像通过俯视角投影方法得到对应的投影深度图,所述俯视角投影方法的计算公式为式(5),
其中,Dp(i,j)为所述投影深度图图像坐标系下(x,y)点处的深度值,F(i,j)为所述前景图在图像坐标系下(x,y)点处的像素值,D(i,j)为所述当前帧的深度图像在图像坐标系下(x,y)点处的像素值。根据地面方程信息和当前帧的深度图像中的每一个像素点的深度值信息,将前景图与当前帧的深度图像进行对应,得到投影深度图。
在所述步骤S4中,在所述投影深度图中进行像素点遍历,得到一局部极值点集合。具体地,从所述投影深度图中的左上角开始遍历,以列优先的方式逐行逐列对每一个像素点进行遍历,计算当前遍历的像素点的深度值与该像素点相邻的L*L区域内的每一个像素点的深度值进行比较,若当前遍历的像素点的深度值比所述L*L区域内的每一个像素点的深度值都小,则将当前遍历的像素点作为极值点,以此类推,对每一个遍历的像素点进行计算,得到局部极值点集合。比如,所述L值为15。所述局部极值点集合包括多个点集,与所述当前帧的深度图像中人体分类有关。
根据本发明的一具体实施例,对所述局部极值点集合进行非极值压缩方法,得到约束后的局部极值点集合,所述非极值压缩的步骤具体包括:计算所述局部极值点集合中个的每一个点与该集合中的其它点的欧式距离,若所述欧式距离小于一预设距离阈值,则将值较小的点加入到约束后的局部极值点集合中,若所述欧式距离大于所述距离阈值时,则将该点加入到约束后的局部极值点集合中。所述距离阈值取值为20。所述约束后的局部极值点集合包括多个点集。若当前帧的深度图像中有多个人体,则所述约束后的局部极值点集合具有多个点集。
在所述步骤S5中,对所述投影深度图进行流形聚类算法,以所述局部极值点集合作为初始聚类中心,获取所述投影深度图中的人体分割信息。根据本发明的一具体实施例,以所述约束后的局部极值点集合中的每一个聚类点集的初始中心点作为初始聚类中心,计算所述投影深度图中每一个像素点(xi,xj)与每一个聚类点集的初始中心点的流形距离,所述流形距离的计算公式为式(6),
其中,Pij表示述投影深度图上一条连接点Pi和Pj的路径;将每一个像素点归入到其流形距离最小的所对应的聚类点集中;更新每一个聚类点集的聚类中心,重复上述步骤,当聚类误差的变化率小于误差阈值或者迭代次数达到一上限值时,结束迭代过程,获取所述投影深度图中的各个聚类点集,每一个聚类点集构成一人体类型,进而获取所述投影深度图中的人体分割信息。比如,所述误差阈值为0.0001,迭代次数达到一上限值为300次。
根据该技术方案,能够在复杂的场景下,比如出现大量的遮挡或头发、皮肤、背景等很相似的情况,人体分割的效果依然很好,鲁棒性好;人体分割的准确率较高,基于3D深度图像的人体数据分析克服了传统2D图像数据分析所带来的歧义信息;具有泛化特性好,本发明不依赖于训练集获取图像分割的能力,适用于所有的场景。
如图2所示的本发明的一实施例,本发明提供一种基于深度相机的人体分割系统,所述系统包括:
平均模块20,用于对获取的前N帧深度图像进行求平均,得到一平均深度图像;
地面模型模块21,用于对当前帧的深度图像进行平面检测,获取到对应的地面模型;
投影深度图模块22,用于根据所述平均深度图像、地面模型以及当前帧的深度图像,获取所述当前帧的深度图像对应的前景图以及对应的投影深度图;
局部极值点模块23,用于在所述投影深度图中进行像素点遍历,得到一局部极值点集合;
聚类模块24,用于对所述投影深度图进行流形聚类算法,以所述局部极值点集合作为初始聚类中心,获取所述投影深度图中的人体分割信息。
所述平均模块利用深度相机采集深度图像,对采集到的前N帧深度图像进行求平均,得到一平均深度图像。具体地,获取所述前N帧深度图像中每一帧深度图像中的深度数据,根据上述方法步骤中公式(1),计算得到所述平均深度图像。
所述地面模型模块对当前帧的深度图像进行平面检测,获取到对应的地面模型。具体地,所述地面模型模块获取所述当前帧的深度图像中每一个像素点的3D坐标信息,根据公式(2),得到一3D坐标信息数据集。所述地面模型模块根据RANSAC算法和所述3D坐标信息数据集,计算得到所述当前帧的深度图像中的地面方程a*x+b*y+c*z+d=0中的a、b、c、d参数信息。
所述投影深度图模块根据所述地面方程a*x+b*y+c*z+d=0、a、b、c、d参数信息以及所述平均深度图像,利用公式(3)得到所述当前帧的深度图像对应的前景图。所述投影深度图模块根据a、b、c、d参数信息,将所述当前帧的深度图像通过俯视角投影方法得到对应的投影深度图。
所述局部极值点模块从所述投影深度图中的左上角开始遍历,以列优先的方式逐行逐列对每一个像素点进行遍历,计算当前遍历的像素点的深度值与该像素点相邻的L*L区域内的每一个像素点的深度值进行比较,若当前遍历的像素点的深度值比所述L*L区域内的每一个像素点的深度值都小,则将当前遍历的像素点作为极值点,以此类推,对每一个遍历的像素点进行计算,得到局部极值点集合。根据本发明的一具体实施例,所述局部极值点模块对所述局部极值点集合进行非极值压缩方法,得到约束后的局部极值点集合。
所述聚类模块以所述约束后的局部极值点集合中的每一个聚类点集的初始中心点作为初始聚类中心,计算所述投影深度图中每一个像素点(xi,xj)与每一个聚类点集的初始中心点的流形距离,所述流形距离的计算公式为式(6)。将每一个像素点归入到其流形距离最小的所对应的聚类点集中;更新每一个聚类点集的聚类中心,重复上述步骤,当聚类误差的变化率小于误差阈值或者迭代次数达到一上限值时,结束迭代过程,获取所述投影深度图中的各个聚类点集,进而获取所述投影深度图中的人体分割信息。
根据该技术方案,能够在复杂的场景下,人体分割的效果依然很好,其鲁棒性好;人体分割的准确率较高;具有泛化特性好。
尽管为示例目的,已经公开了本发明的优选实施方式,但是本领域的普通技术人员将意识到,在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下,各种改进、增加以及取代是可能的。
Claims (10)
1.一种基于深度相机的人体分割方法,其特征在于,所述方法包括:
S1、对获取的前N帧深度图像进行求平均,得到一平均深度图像;
S2、对当前帧的深度图像进行平面检测,获取到对应的地面模型;
S3、根据所述平均深度图像、地面模型以及当前帧的深度图像,获取所述当前帧的深度图像对应的前景图以及对应的投影深度图;
S4、在所述投影深度图中进行像素点遍历,得到一局部极值点集合;
S5、对所述投影深度图进行流形聚类算法,以所述局部极值点集合作为初始聚类中心,获取所述投影深度图中的人体分割信息。
3.如权利要求2所述的基于深度相机的人体分割方法,其特征在于,所述步骤S2包括:
获取所述当前帧的深度图像中每一个像素点的3D坐标信息,所述坐标信息的计算公式为式(2),得到一3D坐标信息数据集;
其中,Xworld、Yworld、Zworld对应为单个像素点的3D坐标信息,x、y是图像坐标系下的横坐标和纵坐标,deep为图像坐标系下(x,y)点处的深度值,cx、cy分别为图像坐标系深度相机中心点处的x轴和y轴的坐标值,Tx、Ty分别为单个像素点x方向和y方向的大小,fx、fy分别为x方向和y方向上的焦距信息;
根据RANSAC算法和所述3D坐标信息数据集,计算得到所述当前帧的深度图像中的地面方程a*x+b*y+c*z+d=0中的a、b、c、d参数信息。
4.如权利要求3所述的基于深度相机的人体分割方法,其特征在于,所述RANSAC算法的步骤具体包括:
从所述3D坐标信息数据集中随机选取若干组数据,根据所述若干组数据得到一初始地面方程;
根据所述初始地面方程,测试所述3D坐标信息数据集,并根据一预设的阈值信息,获取到对应的局内点和局外点信息;
重复迭代上述过程,得到包含最多局内点信息所对应的地面方程a*x+b*y+c*z+d=0;
根据所述地面方程,计算得到a、b、c、d参数信息。
7.如权利要求1所述的基于深度相机的人体分割方法,其特征在于,所述步骤S4包括:
从所述投影深度图中的左上角开始遍历,以列优先的方式逐行逐列对每一个像素点进行遍历;
计算当前遍历的像素点的深度值与该像素点相邻的L*L区域内的每一个像素点的深度值进行比较;
若当前遍历的像素点的深度值比所述L*L区域内的每一个像素点的深度值都小,则将当前遍历的像素点作为极值点;
以此类推,对每一个遍历的像素点进行计算,得到局部极值点集合。
8.如权利要求7所述的基于深度相机的人体分割方法,其特征在于,所述步骤S4包括:
对所述局部极值点集合进行非极值压缩方法,得到约束后的局部极值点集合,其中,所述非极值压缩的步骤具体包括:
计算所述局部极值点集合中个的每一个点与该集合中的其它点的欧式距离,若所述欧式距离小于一预设距离阈值,则将值较小的点加入到约束后的局部极值点集合中;
若所述欧式距离大于所述距离阈值时,则将该点加入到约束后的局部极值点集合中。
10.一种基于深度相机的人体分割系统,其特征在于,所述系统包括:
平均模块,用于对获取的前N帧深度图像进行求平均,得到一平均深度图像;地面模型模块,用于对当前帧的深度图像进行平面检测,获取到对应的地面模型;
投影深度图模块,用于根据所述平均深度图像、地面模型以及当前帧的深度图像,获取所述当前帧的深度图像对应的前景图以及对应的投影深度图;
局部极值点模块,用于在所述投影深度图中进行像素点遍历,得到一局部极值点集合;
聚类模块,用于对所述投影深度图进行流形聚类算法,以所述局部极值点集合作为初始聚类中心,获取所述投影深度图中的人体分割信息。
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