JP2004348741A - 画像の比較方法、方法を実行するためのプログラムを記憶するコンピュータ可読記憶媒体、および方法を実行する装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 DCT係数を用いた画像の比較方法を提供する。
【解決手段】 DCT係数を用いて画像間の類似度を判定することにより、空間ドメインで画素の比較を行うときなどに、DCT符号化された画像を復号化する操作を不要とする。本方法は、画像領域ペアのDCT係数を比較することであって、それによって画像領域間の類似度を判定する、比較することを含み、この比較は少なくとも1つのAC係数を含み、類似度の判定における少なくとも1つのAC係数の影響が重み付けされる。
【選択図】 図3
【解決手段】 DCT係数を用いて画像間の類似度を判定することにより、空間ドメインで画素の比較を行うときなどに、DCT符号化された画像を復号化する操作を不要とする。本方法は、画像領域ペアのDCT係数を比較することであって、それによって画像領域間の類似度を判定する、比較することを含み、この比較は少なくとも1つのAC係数を含み、類似度の判定における少なくとも1つのAC係数の影響が重み付けされる。
【選択図】 図3
Description
本発明は、画像処理方法に関し、より具体的には画像間または画像の領域間の類似度を判定する方法に関する。本方法は例えば、動きの検出またはビデオを構成する画像のシーケンスにおけるシーン変化の検出に特に有用である。本発明はまた、これに対応する装置に関する。
動きの検出が重要である用途の例にビデオ監視システムがある。例えば、ビデオ監視システムのカメラは、常態では動きのないシーンに向けられる場合があり、そのシステムでは、動きの検出が関心の対象となる。カメラが取り込んだ画像は通常、早期の段階で符号化される。これは、圧縮された画像データをシステムの他の部分に転送すれば効率が良くなるためである。
JPEGやMPEGなどの一般的な符号化技法は、高いデータ圧縮比を実現することにより記憶および転送要件を低減する離散コサイン変換(以下DCT)の使用を伴う。
画像間の変化を検出する既知の方法は、画像ペアの間で画素毎に差の計算を行うものである。しかしながら、例えば上述のようなDCTを伴う技法を用いて画像が符号化されている場合、画素の比較を実行する前にまず画像を復号化する必要がある。復号化、特に逆DCTと、画素の比較を伴う動き検出アルゴリズムとはどちらも計算集約的(computationally intensive)であるため、利用可能な処理パワーに対する要求は高くなる。
検索や取り出しのためにビデオなどの画像シーケンスに索引を付けるには、画像シーケンスを、例えば1シーンまたは1回のカメラ動作(パンなど)に対応する「ショット」に分割することが有用である場合がある。こうした分割を行うための様々な技法が既知であり、通常は画像ペアの間の類似度を検出し、小さい類似度をシーンまたはショット変化の表れとして解釈することを伴う。
論文「一般化したシーケンストレースを用いたビデオシーンの変化の検出(C. TaskiranおよびE. J. Delp著、Video scene change detection using the generalized sequence trace)」(Proceedings of IEEE Int'l Conference on Acoustic, Speech and Signal Processing, May 1998 pp. 2961-2964)は、MPEGシーケンスにおける1フレームのDCTのDC係数を用いて、連続するフレームペアを比較し、よってシーン変化を検出する方法を開示している。より具体的には、ペアのフレームの各々についてdc画像(1フレームのDCTのDC係数により形成される画像)と、各dc画像の輝度ヒストグラムとを得る。輝度ヒストグラムに基づく計算を用いて特徴ベクトルを導き出し、この特徴ベクトルを次のフレームペアの対応する特徴ベクトルと比較する。
論文「ビデオの解析、検索および閲覧:統合的かつコンテントベースの解決策(Video parsing, retrieval and browsing: An integrated and content-based solution)」(Zhang、Low、SmoliarおよびWu著、Proceedings ACM Multimedia '95)もまた、連続したカメラショット間の境界の検出を伴う画像シーケンスの時間的なセグメント化について記載しており、コンテントの比較およびセグメント化のためのDCT係数および動きベクトルの使用に言及している。
論文「圧縮データを用いたビデオの解析および閲覧(Video parsing and browsing using compressed data)」(Zhang、LowおよびSmoliar著、Multimedia Tools and Applications, Vol. 1 - 1995, pages 89-111)は、フレーム間の差、したがってショット境界を検出するためのDCT係数の使用を論じている。第1のアルゴリズムは、フレーム中のブロックのサブセットのDCT係数のサブセットを用いて各フレームのベクトル表現を作成する。次に、そのような2つのベクトル表現の内積を伴う差の評価尺度(metric)を用いてフレームペアを比較する。第2のアルゴリズムは、連続するビデオフレームの対応するブロックのDCT係数(全部で64個の係数)間の差の総和を出し、その結果を閾値と比較する。この結果が閾値を上回る場合、そのブロックは2つのフレーム間で変化したと言える。ブロックの全てのDCT係数を用いるのではなく、係数およびブロックのサブセットのみを用いる。
上述の論文のいくつかのように、DCT係数を用いて画像間の類似度を判定することにより、空間ドメインで画素の比較を行うときなどに、DCT符号化された画像を復号化する必要がなくなる。
本発明は既知の技法に改良を施す。
本発明の態様を、本明細書に付随する請求項に示す。
概して、本発明の第1の態様は、それぞれの画像領域について少なくとも1つのAC係数を含むDCT係数を比較し、画像領域間の類似度を判定することによって画像領域を比較する。類似度を判定する際のあるAC係数の影響は、他のDCT係数(DC係数や他のAC係数など)の影響とは異なる。言い換えれば、類似度の判定においてそのAC係数、AC係数の一部または全部の影響を重み付けする。この重み付けは、例えば特定のAC係数に関連する重みによって、あるいは閾値によって行うことができる。類似度の比較は、1つのAC係数またはいくつかのAC係数を伴う可能性があり、DC係数を伴っても伴わなくてもよい。またDC係数は、重み付けしてもしなくてもよい。重み付けは、類似度を検出する際のそれぞれの係数の信頼度を反映する。この信頼度は例えば実験によって判定することができる。
本発明の1実施形態によれば、画像領域間の類似度の計算は、画像領域ペアの対応するDCT係数ペアの間の差の、少なくとも1つのAC係数を含む複数のDCT係数にわたる重み付き総和に基づく。重み付き総和の結果を1つまたは複数の閾値と比較する。
別の実施形態によれば、画像領域ペアの対応するDCT係数ペアの間の差を、少なくとも1つのAC係数を含む複数のDCT係数について計算する。これらの差の各々を、それぞれのDCT係数に関連するそれぞれの閾値と比較する。係数の一部は複数の閾値と関連しており、この閾値の選択は別の係数の閾値比較の結果に応じて行う。
上記の実施形態を組み合わせてもよい。
本発明の別の態様では、類似度の判定において、画像領域のDCT係数を個別にすなわち互いに独立して比較する。例えば、1つの領域の1つのDCT係数を別の領域の対応するDCT係数と比較して評価し、この第1の評価とは別に、第1の領域の別のDCT係数を第2の領域の対応するDCT係数と比較して評価する。全体的な評価または類似度の判定では第1および第2の評価(ならびに任意の他の評価)の結果を併せて考えることができる。
本発明の1実施形態による方法は例えば、画像シーケンスにおいて動きを検出するために用いるか、または、シーケンスにおける変化(ショット変化またはシーン変化など)を検出することによって画像シーケンスを時間的にセグメント化するため、あるいは動きを含む領域と動きを含まない領域とを分けるために用いることができる。
本発明の1実施形態による方法はコンピュータなどの適当な装置により、画像データに対応する信号を処理することによって実施される。
本明細書において、画像領域という用語は、画素のグループなどの画像の領域を意味し、画像全体または画像の一部分に相当する場合がある。比較される画像領域は同一画像のものであっても別の画像のものであってもよい。
本発明における、画像間または画像の領域間の類似度を判定する方法は、例えば、動きの検出またはビデオを構成する画像のシーケンスにおけるシーン変化の検出に特に有用である。
次に添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の実施形態による方法を実施する、本発明の1実施形態による装置の概略図である。
図1の装置は、モニタ2と、プロセッサ4と、2つの記憶手段6および8とを含むコンピュータの形態である。キーボードやマウスなどの他の標準的な構成要素(図示せず)も含まれる。
一方の記憶手段6は、本発明の1実施形態による方法を実施するコンピュータプログラムを記憶する。他方の記憶手段8は画像データを記憶する。2つの別個の記憶手段を設ける必要はなく、その代わりに例えば単一の記憶手段を使用してもよい。記憶手段は、ハードディスク、フロッピー(登録商標)ディスクまたはDVDなどの任意の既知のタイプの記憶装置であってよい。プログラムは、ソフトウェアの形態で実施する必要はなく、その代わりに例えば専用チップなどのハードウェア形態であってもよい。
プロセッサ4は後述のように、記憶手段6に記憶されているプログラムを用いて、記憶手段8に記憶されている画像データを操作する。
この実施形態において、画像データは空間ドメインに記憶される。言い換えれば、各画像は、複数の画素を表すデータの形態で記憶され、各画素はその色を表す値をRGB、HSV、YUVなどの既知の形式で有する。これを図2に示す。図2は、画素20に分割された画像10(ビデオシーケンスのフレームまたはフィールドなど)を示す。代替的な実施形態では、画像データをDCTドメインに記憶してもよい(以下を参照)。
図2に示すような空間ドメインの画像データは、DCTを用いて周波数ドメインに変換される。DCTは様々な技法(JPEGやMPEGなど)における画像データの圧縮でよく知られているため、詳細な説明は行わない。しかしながら、簡単に概略を述べる。
DCTを行うために、画像の画像データは画素ブロックに分割される。この実施形態において、画像は図2に示すような8×8画素ブロックに分割される。他のサイズのブロック(M×N)を用いてもよい。
各ブロックにDCT変換を施す。その結果、そのブロックについて、ブロックを周波数ドメインで表す複数のDCT係数が得られる。より具体的には、DCTの結果、ブロックにおける画素の平均値に実質的に対応する1つのDC係数と、63個のAC係数とが得られる。DCT係数は通常、図3に示すような配列の形式で表され、この配列は、左から右に向かって水平方向の周波数の増加に相当し、上から下に向かって垂直方向の周波数の増加に相当する。図3に示すように、係数にはジグザグの順番で番号を付ける。以下では、図3に示すような画像領域のDCT係数の配列をDCTブロックとして説明する。画像領域のDCTブロックペアに対応するDCT係数は、配列において同じ位置を占めるDCT係数を意味する。
次に、DCTを用いて符号化した画像ペアを後述のように比較する。
次に画像領域ペアのDCTブロックを比較して、原画像領域間の類似度を判定する。この実施形態において、画像中の1つの位置(例えば左上の角)にある画像領域のDCTブロックを、同じ画像領域の別の位置にあるDCTブロックと比較する。この比較は、動きの検出、または画像領域における著しい変化(ビデオなどの画像シーケンスにおけるシーン変化を示す可能性がある)の検出などの様々な理由で有用である可能性がある。
しかしながら、本発明は異なる画像中の領域の比較に限定されず、用途によっては同じ画像中の別の領域の比較に有用である可能性がある。
本実施形態では、現画像と基準画像からなる画像ペアにおける対応する画像領域のDCTブロックを、以下に式(1)で示す重み付き総和を用いて比較する。
ここで、Wiは係数iの重みであり、
は、現画像の領域のi番目の係数の値であり、
は、基準画像の領域のi番目の係数の値であり、
nは、用いる係数の個数である。
nは、用いる係数の個数である。
インデックスIはi番目のDCT係数を示し、i=0はDC係数に相当する。
重み付き総和の結果は以下のように閾値と比較される。
DがT1を上回る場合、それは画像領域が非類似であることの表れであり、この場合は動きの表れとして解釈する。DがT1以下である場合、それは画像領域が類似していること、言い換えれば動きがないことを示す。
nを変化させると、ある一定の個数(例えば25個)までのAC係数のみを重み付き総和に用いることができる。好ましくはn=2、5または9である。特定の値のiについてWiをゼロに設定すると、DCT係数の他のサブセットを用いることができる。例えば、W0をゼロに設定するとDC係数が除外される。しかしながら、総和にはそれぞれ少なくとも1つのAC係数が含まれる。
好ましくは、右上から左下へ向かう、ある斜めの線上にあるAC係数のいずれかが重み付き総和に関係する場合、周波数成分に関してバランスを取るために(for balance)、その斜めの線上のAC係数全てを含める。例えば図3を参照して、6番目から9番目までのAC係数のいずれかを含める場合、その全てを含める。あるいは図4に示すように、左上から右下への対角線上にある全てのDCT係数、すなわちDC係数とAC係数4、12、24、39、51、59および63を含め、他のAC係数は全て除外してもよい。
類似度を判定する際の各係数の信頼度を示す重みは、実験に基づいて事前に決められるのが好ましい。通常、DC係数および低い(lower)AC係数の信頼度が最も高く、好ましくは、低いAC係数の一部または全てを総和に含める。
重みおよび閾値は用途、あるいは解析中の画像データのタイプに応じて変えることができる。
次に本発明による方法の第2の実施形態を説明する。
第1の実施形態と同様に、画像ペア(現画像と基準画像)のブロックのDCT係数を得る。
現画像と基準画像における対応する画像領域のDCTブロックを比較する。
まず最初にDCTブロックペアのDC係数を比較する。より具体的には、上記で説明した表記を用い、以下の式(3)を用いてDC係数の値の差の絶対値を得る。
同様に、DCTブロックペアの1番目のAC係数の値の差の絶対値、ならびに2番目のAC係数の値の差の絶対値も得る。
これにより次の3つの値が得られる。
Dd.c.、Da.c.1、Da.c.2
Dd.c.、Da.c.1、Da.c.2
初めに、以下の式(5)を用いてDd.c.を所定の閾値T2と比較する。
これは実質的に、サブサンプリングした画像の差を計算することに等しい。
Dd.cが閾値より大きい場合、それは画像領域DC係数間の差の程度が高いことを示す。Dd.cが閾値より小さい場合、それは画像領域が類似していることを示す。
Da.c.1とDa.c.2もそれぞれ閾値と比較する。しかしながら、DC係数と異なり、各DC係数Da.c.1およびDa.c.2はそれぞれ2つの閾値T1.1、T1.2およびT2.1、T2.2と関連付けられる。閾値の選択は上記の式(5)の結果に応じて行われる。
より具体的には、DC係数の比較が、画像領域が類似していること(Dd.c≦T2)を示した場合、AC係数の比較には高いほうの閾値を用いる。言い換えれば、DC係数が既に類似を示している場合、非類似を示すためにAC係数にはより厳密でより厳しいテストが用いられる。同様に、Dd.c>T2であり、画像領域が相違していることを示す場合、AC係数には低いほうの閾値が用いられ、したがって類似を証明するためのより厳しいテストが用いられる。
1番目のAC係数についてより詳しく言えば、Da.c.1は2つの閾値T1.1およびT1.2を有し、ここでT1.1<T1.2である。Dd.c≦T2である場合はDa.c.1をT1.2と比較するが、Dd.c>T2である場合はDa.c.1をT1.1と比較する。同様に、Da.c.2は2つの閾値T2.1およびT2.2を有し、Dd.c≦T2である場合はDa.c.2をT2.2と比較するが、Dd.c>T2である場合はDa.c.2をT2.1と比較する。
Da.c.1>T1.2である場合、T1.2が高い閾値であることを考えると、それは、DC係数間の類似度にもかかわらず、画像領域が実際にはかなり相違している可能性があることを示す。
各比較の結果は、「相違」または「類似」のいずれかに分類することができる。
この例で、Dd.c≦T2であると仮定すると、結果は「類似」となる。
次に、AC係数1には閾値T1.2を選択し、AC係数2には閾値T2.2を選択する。
Da.c.1>T1.2である場合、比較結果は「相違」である。
Da.c.1≦T1.2である場合、結果は「類似」である。 (6)
Da.c.2>T2.2である場合、結果は「相違」である。
Da.c.2≦T2.2である場合、結果は「類似」である。 (7)
Da.c.1>T1.2である場合、比較結果は「相違」である。
Da.c.1≦T1.2である場合、結果は「類似」である。 (6)
Da.c.2>T2.2である場合、結果は「相違」である。
Da.c.2≦T2.2である場合、結果は「類似」である。 (7)
次に式(5)、(6)および(7)の結果を組み合わせる。この例では、3つの係数の各々の決定に基づいて多数決を取る。
この例で、式(5)および(7)の結果が「類似」であって式(6)の結果が「相違」であると仮定すると、総合的な結果は「類似」となる。
この例で使用する係数は3つだけであり、それらは最初の3つの係数であるが、任意の係数および任意数の係数(偶数であれ奇数であれ)を使用してよい。好ましくは、第1の実施形態に関して説明したように、選択される係数は配列に関してバランスが取れている。上記の例において、DC係数を含む係数は全て多数決に用いられる。あるいは、例えば奇数個のAC係数がある場合、多数決はAC係数の結果を用いて行ってもよい。例えば、単純な場合では、DC係数比較の結果が1番目のAC係数の比較の閾値を決め、1番目のAC係数の比較の結果が類似度を示すものとして用いられる(1つのAC係数に基づく多数決)。AC係数についての多数決の結果は、任意選択で、DC係数テストの結果と比較してもよい。第1の実施形態と同様に、係数の信頼度(すなわちテストにおける係数の有用性)は実験によって判定することができる。同様に、閾値も実験によって求めることができる。この例では2つの閾値のみを用いるが、各係数について2つより多いかまたは2つより少ない閾値があってもよい。上記の例の変形において、係数の一部または全部は関連する閾値を1つしか持たないものであってもよい。全ての係数が閾値を1つしか持たない場合、単純な多数決となる。上記の例において、AC係数の閾値は全てDC係数の結果に基づいて求める。しかしながら、例えば他の係数の一部または全部((DCT配列に関して)先行するAC係数全てなど)の比較結果を用いて、より複雑な方法で閾値を求めてもよい。
上記の画像領域の比較方法は、画像全体を比較するために、画像ペアの画像ブロックの一部または全部について実施してもよい。画像全体の間の類似度の決定は領域間の類似度に基づいて、例えば同じく多数決を用いて行うことができる。類似している領域よりも相違している領域のほうが多い場合、それは画像どうしが相違していることを示し、また逆の場合も同じである。別法として、所定数の領域が相違している場合(例えば1個または2個)、それは差を示すものとして解釈してもよい。これは例えば、精度が重要であるビデオ監視システムにおける動きの検出に有用である可能性がある。ビデオなどの画像シーケンスにおける、索引付けの目的でビデオをショットにセグメント化するためのシーン変化の検出などの他の用途では通常、シーン変化を示すには1つまたは2つよりも多い領域が相違している必要がある。上記の例において、各比較の結果は「相違」または「類似」である。別法として、結果には例えば数値を与え、次に総合的な決定におけるそれぞれの係数の重要度に従って重み付けすることができる。
本発明の実施形態を実施する装置の別の実施形態を図5に示す。この装置は図1の装置と同様であるが、画像を取り込むためのカメラ12も含む。このカメラは送信機14を含み、取り込んだ画像を、受信機16を含むコンピュータに送信する。受信機は、取り込んだ画像を画像データ記憶手段6に送る。
この実施形態において、カメラ12は、画像を取り込み、DCTを伴うJPEGまたはMPEGなどの技法を用いて画像を符号化し、続いてさらなる符号化を行ってから、符号化したデータをコンピュータへ送信する。符号化されたデータは記憶手段6に記憶されてから、プロセッサによって処理される。この実施形態において、プロセッサは、送信されてきたデータストリームを復号化してDCT係数を得た後で、カメラが生成したDCT係数を操作する。言い換えれば、プロセッサは、以前の例のような画像の画素データではなく既に生成されたDCT係数を操作する。これにより処理速度を上げることができる。画像領域ペアを比較するためのDCT係数の操作は上記の通りである。
図5に示す装置の用途の例には、ビデオ監視システムにおけるものがある。
2 モニタ、4 プロセッサ、6および8 記憶手段、10 画像、12 カメラ、14 送信機、16 受信機、20 画素。
Claims (18)
- 画像領域ペアのDCT係数を比較することであって、それによって前記画像領域間の類似度を判定する、比較することを含む、
画像の比較方法であって、
前記比較は少なくとも1つのAC係数を含み、
前記類似度の前記判定における少なくとも1つのAC係数の影響が重み付けされる、
画像の比較方法。 - 前記画像領域ペアの対応するAC係数の少なくとも1つのペアの間の差を計算することと、
前記差を重み付けすることと
を含む請求項1に記載の画像の比較方法。 - 前記画像領域ペアのDCT係数の複数の対応するペアの重み付けした差を計算すること
を含み、さらに、
前記重み付けした差を総和すること
を含む請求項2に記載の画像の比較方法。 - 重み付けした差または重み付けした差の総和を閾値と比較することであって、それによって類似度を判定する、比較することを含む請求項2または請求項3に記載の画像の比較方法。
- 画像領域ペアのDCT係数を比較することであって、それによって前記画像領域間の類似度を判定する、比較することを含む、
画像の比較方法であって、
第1の画像領域の第1のDCT係数が第2の画像領域の対応するDCT係数と比較され、
前記第1の画像領域の第2のDCT係数が前記第2の画像領域の第2のDCT係数と比較され、
前記比較の各々の結果が前記類似度の判定に個別に用いられる、
画像の比較方法。 - ひとつのAC係数を含む少なくとも1つの比較の影響が前記類似度の判定において重み付けされる請求項5に記載の画像の比較方法。
- 対応するAC係数の少なくとも1つのペアの間の差を計算することと、
前記差を閾値と比較することと
を含む請求項1、請求項5または請求項6に記載の画像の比較方法。 - 対応するDCT係数の複数のペアの差を計算することと、
前記差の各々をそれぞれの閾値と比較することと
を含む請求項7に記載の画像の比較方法。 - 少なくとも1つのAC係数には複数の閾値が関連付けられている請求項7または請求項8に記載の画像の比較方法。
- DCT係数の閾値の選択が別のDCT係数の閾値との前記比較の結果に応じて行われる請求項9に記載の画像の比較方法。
- AC係数の閾値の選択がDC係数の閾値との前記比較の結果に応じて行われる請求項10に記載の画像の比較方法。
- 類似度が多数決により、1つまたは複数のDCT係数の前記閾値との前記比較の結果を用いて判定される請求項7ないし11のいずれか1項に記載の画像の比較方法。
- 複数のAC係数を含み、
前記複数のAC係数は、DCT配列の左上から右下への対角線上の係数のみを含むか、 または、前記DCT配列の前記左上から右下への対角線に直交する1つまたは複数の斜めの線上の全ての係数を含む
ことによって、DCT周波数ドメインにおいてバランスが取られている、請求項1ないし12のいずれか1項に記載の画像の比較方法。 - 請求項1ないし13のいずれか1項に記載の方法を実行するためのプログラムを記憶するコンピュータ可読記憶媒体。
- 請求項1ないし13のいずれか1項に記載の方法を実行するように適合した装置。
- データプロセッサと、請求項14に記載の記憶媒体とを備える請求項15に記載の装置。
- 画像データソースを備える請求項15または請求項16に記載の装置。
- ビデオ監視システムである請求項15ないし17のいずれか1項に記載の装置。
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