JP2004054960A - 映像視覚情報を結合してリアルタイムで複数の顔を検出して追跡する顔検出・追跡システム及びその方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 入力映像から背景映像を除去して動きのある領域を抽出する背景除去部、顔皮膚色モデルから生成された皮膚色確率マップPskin及び全域的確率マップPglobalを利用し、動く領域から顔が位置しうる候補領域を抽出する候補領域抽出部、候補領域からICA特徴を抽出し、学習されたSVM分類器を用いて候補領域が顔領域であるか否かを判断する顔領域判断部及び皮膚色確率マップに基づき、次のフレームで顔の位置する確率を示す方向指向性カーネルにより顔領域を追跡する顔領域追跡部を含むシステム。
【選択図】 図2
Description
しかし、このような既存の方法は演算量及び演算の複雑度がかなり高くて現在一般的なパソコンの計算能力では顔検出をリアルタイムで適用することは不可能である。
また、SVMに基づいた顔検出器の正確性を高めるために、入力される映像をそのまま使用せず、独立要素分析法(ICA:Independent Component Analysis)により特徴ベクトルを映像から抽出し、それをSVMに印加して顔を判別する方法が提案された。しかし、この方法は映像パターンを使用して信頼性は保証されるが、映像パターンを画素単位に移動しつつパターンを比較して検索を行う方法を使用するために演算に長時間がかかるので、リアルタイム具現が必要である問題がある。
特に、抽出された動きのある領域のうち皮膚色と似ていて相対的に上に示される領域に確率を高く与えて顔が存在する候補領域を捜し出し、抽出された候補領域についてICA特徴ベクトルを生成し、特徴ベクトルを学習されたSVMに印加し、現在領域に顔の存在いかんを判断することにより、より信頼性ある顔検出が可能である。
併せて、顔候補領域を探すために使われる皮膚色モデルは顔追跡結果から継続的に更新されることにより、照明変化に対応できる。
図1は本発明の望ましい実施例によるシステムの構成を図示するブロック図である。
本発明のシステムは入力映像から背景映像を除去して動きのある領域を抽出する背景除去部10、顔皮膚色モデル80を利用して動きのある領域について皮膚色確率マップPskinを生成する皮膚色確率マップ生成部20、動きのある領域の複数の最上位点を抽出し、複数の最上位点から所定距離に中心座標を設定し、中心座標から距離による位置に顔の位置する確率を計算する全域的確率マップ生成部30、皮膚色確率マップと全域的確率マップPglobalとを乗算し、顔の位置する多重スケール確率マップを生成し、生成された多重スケール確率マップの確率値が所定の臨界値以上である領域を顔の位置する候補領域として抽出する多重スケール確率マップ生成部40、抽出された顔の候補領域についてICAを行って特徴を抽出するICA特徴抽出部50、学習顔映像にICAを行って得られた特徴と顔ではない映像にICAを行って得られた特徴とを顔検出モデル90から学習したSVMに、前記候補領域のICA特徴を印加し、候補領域が顔であるか否かを判断する顔判断部60及び皮膚色確率マップに基づき、次のフレームで顔が位置する確率を示す方向指向性カーネルにより顔領域を追跡する顔領域追跡部70を含む。
入力映像が本発明のシステムの背景除去部10に入力されれば、背景除去部10は入力映像からあらかじめ保存された背景映像(参照映像)の差を利用し、背景ではない動く物体を感知し、入力映像から背景映像を除外した領域を出力する(S200)。
従って、本発明の背景除去部10は映像間の明るさ差だけではなくカラー差も同時に使用し、漸進的に背景映像を自動更新することにより環境変化に強靭に背景映像を除去できる。
その後、図3(b)で分離されたそれぞれの領域の中心をシードとし、前記シードを含む図3(c)の領域を背景ではない領域と決定することにより、ノイズに強靭に入力映像から背景映像を除去して現在動いている領域を抽出できる。
新しい背景映像R’(x,y)は既存背景映像R(x,y)と、現在映像との差により得られる二進化映像B(x,y)との組み合わせで得られ、新しい背景映像の各画素値は次の(1)式により計算される。
入力映像から背景映像が除去された映像、すなわち背景ではない映像及び動く映像は皮膚色確率マップ生成部20及び全域的確率マップ生成部30に入力され、多重スケール確率マップ生成部40は皮膚色確率マップ生成部20で生成された皮膚色確率マップと全域的確率マップ生成部30で生成された全域的確率マップとを乗算してマルチスケール確率マップPtotalを生成することにより顔が位置しうる候補領域を抽出する(S210)。
及びΣは皮膚色モデルガウス分布の平均及び分散をそれぞれ示す。
皮膚色2次元ガウスモデル、すなわち皮膚色の色相と彩度の平均と分散値は最終的に顔検出が成功すれば、検出された顔領域のカラーから更新され、本発明のシステムは照明変化に強靭に対応できる。
一般的な監視環境にて人々は立っている姿勢で映像に捉えられるために、候補領域で顔は上側に存在する確率が高い。この事実を反映して背景が除去された映像のうち上位部分に顔が検出される確率を高く付与することによりさらに正確で速い顔検出が可能である。
最上位点Mijから全域的確率をガウス混合でモデリングするが、全域的確率マップは次の(3)式により生成される。
は顔が存在する候補領域の中心座標を、Σは分散マトリックスを、mi(mix,miy)は最上位点に含まれる座標を、
はmiにおける法線ベクトルをそれぞれ示し、これらは、以下の(4)式及び(5)式で表現される。
は、まず最上位点で背景除去部10から検出された背景領域の境界に直交する法線ベクトルを求めた後、法線ベクトルの方向に顔の長さのnだけの距離に該当する座標を示す。
生成された皮膚色確率マップと全域的確率マップとは多重スケール確率マップ生成部40に出力される。
多重スケール確率マップ生成部40は皮膚色確率マップと全域的確率マップとを乗算して次の(6)式で表現される多重スケール確率マップPtotalを生成し、
その後、検出された顔候補領域はICA特徴抽出部50に出力され、ICA特徴抽出部50は入力された顔候補領域からICA特徴(ベクトル)を抽出する(S222)。
すなわち、顔判断部60はこの学習顔映像のICA特徴と顔ではない映像のICA特徴とを利用してSVMを事前に学習させておき、現在抽出されたICA特徴を学習されたSVMに印加して顔であるか否かを判断した後、顔であると判断された領域の映像を顔領域追跡部70に出力する。
図5を参照すれば、g()は図5(a)に示されたような2次元ガウスカーネルであり、顔の中心位置(μx,μy)と分散とは次の(7)式ないし(9)式により計算される。
次のフレームで顔の中心が位置する座標と分散とをそれぞれ(μx,μy)及び(σx,σy)とする。また、
である時、顔の位置する確率を下の(10)式のように表現する。
と表現される。このように構成された方向指向性カーネルは図5(c)に示されたように動きベクトル方向に偏向されている。顔領域追跡部70はこの方向指向性カーネルを利用して検出された顔領域を次のフレームでも追跡できる。
また、顔領域追跡部70は次のフレームで前述の如く顔領域を追跡しつつ、追跡中の顔領域のカラー分布から適応的な顔皮膚色モデル80を更新できる(S240)。更新された皮膚色カラーモデル80は顔候補領域を探すために必要な皮膚色確率マップの生成と追跡とに再使用される。
顔候補領域でない領域を顔候補領域として検出した回数はカウントされていないが、顔パターンでない領域を顔パターンと認識した回数は7回であることが分かる。
図7は既存の単純動き量を測定することにより保存する映像量と本発明により保存する映像量との差を示す。既存の監視システムでは監視対象になる人の顔が画面に検出された否かとは関係なく動きのある全ての映像を貯蔵したが、監視システムで関心ある映像は一般的に人の顔が保存された映像であるから、本発明の顔検出・追跡システムでは人の顔が検出された映像だけを保存し、特に顔領域の映像だけを保存することにより、似たような監視効果で貯蔵容量を大きく減らせる。
。
20 皮膚色確率マップ生成部
30 全域的確率マップ生成部
40 多重スケール確率マップ生成部
50 ICA特徴抽出部
60 顔判断部
70 顔領域追跡部
80 顔皮膚色モデル
90 顔検出モデル
Claims (21)
- 入力映像からリアルタイムで複数の顔を検出して追跡する顔検出・追跡システムであり、
入力映像から背景映像を除去して動きのある領域を抽出する背景除去部と、
顔皮膚色モデルから生成された皮膚色確率マップPskin及び全域的確率マップPglobalを利用し、前記動きのある領域から顔が位置しうる候補領域を抽出する候補領域抽出部と、
前記候補領域から独立成分分析(ICA)特徴を抽出し、前記候補領域が顔領域であるか否かを判断する顔領域判断部と、
前記皮膚色確率マップに基づき、次のフレームで顔の位置する確率を示す方向指向性カーネルにより顔領域を追跡する顔領域追跡部と、
を含むことを特徴とする顔検出・追跡システム。 - 前記候補領域抽出部は、
顔皮膚色モデルを利用して前記動きのある領域について皮膚色確率マップPskinを生成する皮膚色確率マップ生成部と、
前記動きのある領域の複数の最上位点を抽出し、前記複数の最上位点から所定の距離に中心座標を設定し、前記中心座標から任意の距離内に顔の位置する確率を計算して全域的確率マップPglobalを生成する全域的確率マップ生成部と、
前記皮膚色確率マップと前記全域的確率マップPglobalとを乗算し、顔の位置する多重スケール確率マップを生成し、生成された多重スケール確率マップの確率値が所定の臨界値以上である領域を顔の位置する候補領域として抽出する多重スケール確率マップ生成部と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の顔検出・追跡システム。 - 前記皮膚色確率マップ生成部は、
前記動きのある領域の各画素のカラーを色相と彩度とに変換し、あらかじめ多様な皮膚色で学習された2次元ガウスモデルである顔皮膚色モデルに適用し、動きのある領域のカラーが皮膚色である確率を示す皮膚色確率マップを生成することを特徴とする請求項2に記載の顔検出・追跡システム。 - 前記動きのある領域の(i,j)座標での色相をHue(i,j)、彩度をSat(i,j)、前記ガウス分布の平均を
、前記ガウス分布の分散をΣ、検出しようとする顔の大きさをnとする時、前記皮膚色確率マップPskin(x,y,n)は、
により生成されることを特徴とする請求項3に記載の顔検出・追跡システム。 - 前記全域的確率マップ生成部は、
前記候補領域の中心座標を
、分散マトリックスをΣ、顔領域の大きさをn、各局所領域iの座標を(xi,yi)、前記最上位点の集合に含まれる座標をmi(mix,miy)、miにおける法線ベクトルを
とする時、全域的確率マップPglobal(x,y,n)は、
により生成され、前記
、Σ、xi及びyiそれぞれは、
を満足することを特徴とする請求項2に記載の顔検出・追跡システム。 - 前記顔領域判断部は、
前記抽出された顔の候補領域についてICAを行って特徴を抽出するICA特徴抽出部と、
学習顔映像にICAを行って得られた特徴と顔ではない映像にICAを行って得られた特徴とを学習したサポートベクターマシン(SVM)に前記候補領域のICA特徴を印加し、前記候補領域が顔であるか否かを判断する顔判断部と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の顔検出・追跡システム。 - 次のフレームで顔の中心が位置する座標と分散とをそれぞれ(μx,μy)及び(σx,σy)とし、
である時、顔の位置する確率を
とすると、
前記方向指向性カーネルは前記顔領域が動く方向ではf(x,y,σx,σy)と、前記顔領域が動く方向と反対方向では
と表現されることを特徴とする請求項1に記載の顔検出・追跡システム。 - 前記背景除去部は、
前記入力映像とあらかじめ保存された背景映像間の明るさ差を利用した背景ではない第1領域及びカラー差を利用した背景ではない第2領域を求め、前記背景ではない第2領域に含まれる複数の副領域のうち、前記背景ではない第1領域に含まれた各副領域の中心を含む副領域を背景ではない領域として抽出することにより、入力映像から背景映像を除去して動きのある領域を抽出することを特徴とする請求項1に記載の顔検出・追跡システム。 - 前記背景除去部は、
既存の背景映像をR(x,y)、前記入力映像から動きのある領域が除去された二進化された映像をB(x,y)、βを更新定数とする時、
R’(x,y)=βR(x,y)+(1−β)B(x,y)
により新しい背景映像R’(x,y)を更新することを特徴とする請求項8に記載の顔検出・追跡システム。 - 入力映像からリアルタイムで複数の顔を検出して追跡するシステムであり、
入力映像とあらかじめ保存された背景映像間の明るさ差を利用した背景ではない第1領域及びカラー差を利用した背景ではない第2領域を求め、前記背景ではない第2領域に含まれる複数の副領域のうち、前記背景ではない第1領域に含まれた各副領域の中心を含む副領域を背景ではない領域として抽出することにより、入力映像から背景映像を除去して動きのある領域を抽出する背景除去部と、
顔皮膚色モデルを利用して前記動きのある領域について皮膚色確率マップPskinを生成する皮膚色確率マップ生成部と、
前記動きのある領域の複数の最上位点を抽出し、前記複数の最上位点から所定距離に中心座標を設定し、前記中心座標から所定距離内に顔の位置する確率を計算して全域的確率マップPglobalを生成する全域的確率マップ生成部と、
前記皮膚色確率マップと前記全域的確率マップPglobalとを乗算し、顔の位置する多重スケール確率マップを生成し、生成された多重スケール確率マップの確率値が所定の臨界値以上である領域を顔の位置する候補領域として抽出する多重スケール確率マップ生成部と、
前記候補領域からICA特徴を抽出し、学習顔映像にICAを行って得られた特徴と顔ではない映像にICAを行って得られた特徴とを学習したSVMに前記候補領域のICA特徴を印加し、前記候補領域が顔領域であるか否かを判断する顔領域判断部と、
前記皮膚色確率マップに基づき、次のフレームで顔の位置する確率を示す方向指向性カーネルにより顔領域を追跡する顔領域追跡部と、
を含むことを特徴とする顔検出・追跡システム。 - 入力映像からリアルタイムで複数の顔を検出して追跡する顔検出・追跡方法であり、
(a)入力された映像から背景映像を除去して動きのある領域を抽出する段階と、
(b)顔皮膚色モデルから生成された皮膚色確率マップPskin及び全域的確率マップPglobalを利用し、前記動きのある領域から顔が位置しうる候補領域を抽出する段階と、
(c)抽出された前記候補領域からICA特徴を抽出し、前記候補領域に顔が存在しているか否かを判断する段階と、
(d)前記皮膚色確率マップに基づき、次のフレームで顔の位置する確率を示す方向指向性カーネルにより顔が存在すると判断された顔領域を追跡する段階と、
を含むことを特徴とする顔検出・追跡方法。 - 前記(b)段階は、
(b1)顔皮膚色モデルを利用して前記動きのある領域について皮膚色確率マップPskinを生成する段階と、
(b2)前記動きのある領域の複数の最上位点を抽出し、前記複数の最上位点から所定距離に中心座標を設定し、前記中心座標から所定距離内に顔の位置する確率を計算して全域的確率マップPglobalを生成する段階と、
(b3)前記皮膚色確率マップと前記全域的確率マップとを乗算し、顔の位置する多重スケール確率マップを生成し、生成された多重スケール確率マップの確率値が所定の臨界値以上である領域を顔の位置する候補領域として抽出する段階と、
を含むことを特徴とする請求項11に記載の顔検出・追跡方法。 - 前記(b1)段階は、
前記動きのある領域の各画素のカラーを色相と彩度とに変換し、あらかじめ多様な皮膚色で学習された2次元ガウスモデルである顔皮膚色モデルに適用し、動きのある領域のカラーが皮膚色である確率を示す皮膚色確率マップを生成することを特徴とする請求項12に記載の顔検出・追跡方法。 - 前記動きのある領域の(i,j)座標での色相をHue(i,j)、彩度をSat(i,j)、前記ガウス分布の平均を
、前記ガウス分布の分散をΣ、検出しようとする顔の大きさをnとする時、前記皮膚色確率マップPskin(x,y,n)は、
により生成されることを特徴とする請求項13に記載の顔検出・追跡方法。 - 前記(b2)段階は、
前記候補領域の中心座標を
、分散マトリックスをΣ、顔領域の大きさをn、各局所領域iの座標を(xi,yi)、前記最上位点の集合に含まれる座標をmi(mix,miy)、miにおける法線ベクトルを
とする時、全域的確率マップPglobal(x,y,n)は、
により生成され、前記
、Σ、xi及びyiそれぞれは、
を満足することを特徴とする請求項12に記載の顔検出・追跡方法。 - 前記(c)段階は、
前記抽出された顔の候補領域についてICAを行って特徴を抽出する段階と、
学習顔映像にICAを行って得られた特徴と顔ではない映像にICAを行って得られた特徴とを学習したSVMに前記候補領域のICA特徴を印加し、前記候補領域が顔であるか否かを判断する段階と、
を含むことを特徴とする請求項11に記載の顔検出・追跡方法。 - 次のフレームで顔の中心が位置する座標と分散とをそれぞれ(μx,μy)及び(σx,σy)とし、
である時、顔の位置する確率を
とすると、
前記方向指向性カーネルは前記顔領域が動く方向ではf(x,y,σx,σy)と、前記顔領域が動く方向と反対方向では
と表現されることを特徴とする請求項11に記載の顔検出・追跡方法。 - 前記(a)段階は、
前記入力映像とあらかじめ保存された背景映像間の明るさ差を利用した背景ではない第1領域及びカラー差を利用した背景ではない第2領域を求め、前記背景ではない第2領域に含まれる複数の副領域のうち、前記背景ではない第1領域に含まれた各副領域の中心を含む副領域を背景ではない領域として抽出することにより、入力映像から背景映像を除去して動きのある領域を抽出することを特徴とする請求項11に記載の顔検出・追跡方法。 - 前記(a)段階は、
既存の背景映像をR(x,y)、前記入力映像から動きのある領域が除去された二進化された映像をB(x,y)、βを更新定数とする時、
R’(x,y)=βR(x,y)+(1−β)B(x,y)
により新しい背景映像R’(x,y)を更新することを特徴とする請求項18に記載の顔検出・追跡方法。 - 入力映像の視覚情報を結合してリアルタイムで複数の顔を検出して追跡する方法であり、
入力映像とあらかじめ保存された背景映像間の明るさ差を利用した背景ではない第1領域及びカラー差を利用した背景ではない第2領域を求め、前記背景ではない第2領域に含まれる複数の副領域のうち、前記背景ではない第1領域に含まれた各副領域の中心を含む副領域を背景ではない領域として抽出することにより、入力映像から背景映像を除去して動きのある領域を抽出する段階と、
顔皮膚色モデルを利用して前記動きのある領域について皮膚色確率マップPskinを生成する段階と、
前記動きのある領域の複数の最上位点を抽出し、前記複数の最上位点から所定距離に中心座標を設定し、前記中心座標から所定距離内に顔の位置する確率を計算して全域的確率マップPglobalを生成する段階と、
前記皮膚色確率マップと前記全域的確率マップとを乗算し、顔の位置する多重スケール確率マップを生成し、生成された多重スケール確率マップの確率値が所定の臨界値以上である領域を顔の位置する候補領域として抽出する段階と、
前記候補領域からICA特徴を抽出し、学習顔映像にICAを行って得られた特徴と顔ではない映像にICAを行って得られた特徴とを学習したSVMに前記候補領域のICA特徴を印加し、前記候補領域が顔領域であるか否かを判断する段階と、
前記皮膚色確率マップに基づき、次のフレームで顔の位置する確率を示す方向指向性カーネルにより顔領域を追跡する段階と、
を含むことを特徴とする顔検出・追跡方法。 - 前記請求項11ないし20のうちいずれか1項に記載の方法をコンピュータで実行可能なプログラムコードで記録した記録媒体。
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