JP2006072691A - Image analysis device, image analysis program and image analysis method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image analysis device, an image analysis method and an image analysis program for accurately extracting movement of an image while requiring a small amount of prior knowledge. <P>SOLUTION: An image acquisition part 11 acquires image data as a processing object, a pre-processing part 12 and a clustering part 13 use a Potts model to handle each pixel of the image data as a particle, and cluster the movement of the image in a super paramagnetic state of the particles by a statistical method, and a movement extraction part 14 extracts the cluster of the movement in the image based on the clustering result. Hereat, the clustering part 13, by explicitly using the movement of cluster, uses the interaction between defined pixels to cluster the movement of the image. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、画像の動きを解析する画像解析装置、画像解析プログラム及び画像解析方法に関するものである。   The present invention relates to an image analysis apparatus, an image analysis program, and an image analysis method for analyzing image motion.

映像中の画像の動きを抽出して分類することは、画像認識技術の中核であり、応用範囲も広く、交通監視、侵入者の検出、人物の認識、テレビ映像の切り出しの前処理に必須である。また、画像の動きから対象物体の3次元形状を推定するStructure from Motionと呼ばれる手法にも深くかかわっている。   Extracting and classifying image motion in video is the core of image recognition technology and has a wide range of applications, and is essential for traffic monitoring, intruder detection, human recognition, and pre-processing of TV video segmentation. is there. It is also deeply related to a technique called Structure from Motion that estimates the three-dimensional shape of the target object from the motion of the image.

このような画像の動きを解析する研究の歴史は長く、1980年代からオプティカルフロー解析として知られ、例えば、非特許文献1には、各画素の明るさ情報からBCC(Brightness Constant Constraint)と呼ばれる拘束条件を導き出し、動きの推定を行うことが開示されている。   Research on the analysis of such image movement has a long history, and has been known as optical flow analysis since the 1980s. For example, Non-Patent Document 1 describes a constraint called BCC (Brightness Constant Constraint) based on the brightness information of each pixel. It is disclosed that conditions are derived and motion estimation is performed.

また、非特許文献2には、Pottsモデルを利用した画像解析の研究として、画像中にちりばめられた点群を磁性体の粒子に見立て、点間の局所的な相互作用の集積により、大局的なクラスタを生成することが開示されている。このPottsモデルは、Isingモデルを多値に拡張したものであり、Pottsモデルでは、温度と局所的な相互作用を変化させることによりクラスタの結果が異なってくる。この非特許文献2では、温度を連続的に変化させ、システムが強磁性から超常磁性そして常磁性の状態に変化していくことを、システムの磁化率を監視しながら検出し、超常磁性の状態が、最もよいクラスタが得られると結論付けている。   In addition, Non-Patent Document 2 describes, as a study of image analysis using the Potts model, a group of points interspersed in an image as magnetic particles and accumulation of local interactions between the points. Generating a secure cluster is disclosed. The Potts model is an extension of the Ising model to multiple values. In the Potts model, the result of the cluster differs by changing the temperature and local interaction. In this Non-Patent Document 2, the temperature is continuously changed, and the system changes from a ferromagnetic state to a superparamagnetic state and a paramagnetic state while detecting the system susceptibility, and the superparamagnetic state is detected. Concludes that the best cluster is obtained.

上記のようにPottsモデルを画像における動きのクラスタリングに利用するためには、局所的な相互作用を定義する必要があるが、BCCだけでは動きを一意に決定することはできず、非特許文献2に使用された相互作用の定義をそのまま流用することはできない。このため、本願発明者らは、画像の輝度をI(x,y,t)、I(x,y,t)の偏微分をbf=(fx,fy,ft)、その画素の動きベクトルをbu=(u,v)としたとき、画素iの近傍にある画素j のそれぞれの動きベクトルbuiとbujとが同じであるなら、対応する拘束直線は同じであるという仮定に基づき、画素iと画素jとの動きの類似度をdij=‖bfi×bfj‖/‖bfi‖‖bfj‖と規定し、この類似度を用いて画素間の相互作用を算出して画像の動きをクラスタリングする方法を提案した(非特許文献3参照)。
ビー ホーン(B. Horn)他、「オプティカルフローの決定」(Determining optical flow)、アーティフィシャル・インテリジェンス(Artificial Intelligence)、1981年、17:185−203 エム ブラット(M. Blatt)他、「Pottsモデルアナロジーを用いたデータクラスタリング」(Clustering data through an analogy to the potts mode)、ニューラル・インフォメーション・プロセッシング・システム(Neural Information Processing Systems)、1995年、NIPS,Vol.8、p.416−p.422 木下敬介他、「Pottsモデルによる動画像のクラスタリング」、情報処理学会研究報告、2003年、2003−CVIM−138、p.193−p.200
As described above, in order to use the Potts model for motion clustering in an image, it is necessary to define a local interaction. However, a motion cannot be uniquely determined only by BCC. The interaction definition used in the above cannot be used as is. Therefore, the present inventors, the luminance of the image I (x, y, t) , I (x, y, t) the partial differential of bf = (f x, f y , f t), the pixel Assuming that the motion vector bu = (u, v) and the motion vector bu i and bu j of the pixel j adjacent to the pixel i are the same, the corresponding constraint line is the same. Based on this, the similarity of motion between the pixel i and the pixel j is defined as d ij = ‖bf i × bf j ‖ / fbf i ‖‖bf j 、, and the interaction between the pixels is calculated using this similarity Thus, a method for clustering image motion has been proposed (see Non-Patent Document 3).
B. Horn et al., "Determining optical flow", Artificial Intelligence, 1981, 17: 185-203. M. Blatt et al., “Clustering data through an analogy to the potts mode”, Neural Information Processing Systems, 1995, NIPS, Vol. 8, p. 416-p. 422 Keisuke Kinoshita et al., “Clustering of Moving Images Using Potts Model”, Information Processing Society of Japan Research Report, 2003, 2003-CVIM-138, p. 193-p. 200

しかしながら、非特許文献3に開示される画素iと画素jとの動きの類似度を用いたのでは、超常磁性の状態が明確に現れないため、画像の動きを高精度に抽出することができない。また、従来の画像の動き解析方法としては、動きのモデルを予め与えてこれに適合する動きを推定するという手法が主であり、この場合、剛体運動や動きの滑らかさ拘束といった動きのモデルが必要になり、事前知識が膨大となる。   However, if the similarity of motion between the pixel i and the pixel j disclosed in Non-Patent Document 3 is used, the superparamagnetic state does not appear clearly, so that the motion of the image cannot be extracted with high accuracy. . In addition, as a conventional image motion analysis method, there is mainly a method in which a motion model is given in advance and a motion that conforms to the motion model is estimated. In this case, a motion model such as rigid body motion or motion smoothness constraint is used. It becomes necessary and prior knowledge becomes enormous.

本発明の目的は、事前知識を少なくすることができるとともに、画像の動きを高精度に抽出することができる画像解析装置、画像解析方法及び画像解析プログラムを提供することである。   An object of the present invention is to provide an image analysis apparatus, an image analysis method, and an image analysis program capable of reducing prior knowledge and extracting an image motion with high accuracy.

本発明に係る画像解析装置は、処理対象となる画像データを取得する取得手段と、スピンの状態を多値に拡張した磁性体のスピンモデルを用いて取得手段により取得された画像データの各画素を粒子として取扱い、粒子が超常磁性となる状態における画像の動きを統計的手法によりクラスタリングするクラスタリング手段と、クラスタリング手段によるクラスタリング結果を基に画像における動きのクラスタを抽出する抽出手段とを備え、クラスタリング手段は、クラスタの動きを陽に使用することにより規定された画素間の相互作用を用いて画像の動きをクラスタリングするものである。   The image analysis apparatus according to the present invention includes an acquisition unit that acquires image data to be processed, and each pixel of the image data acquired by the acquisition unit using a spin model of a magnetic material in which a spin state is expanded to multiple values. Clustering means that uses a statistical method to cluster image motion in a state where particles are superparamagnetic, and an extraction means that extracts motion cluster in the image based on the clustering result of the clustering means. The means is to cluster the image motion using the interaction between pixels defined by explicitly using the cluster motion.

本発明に係る画像解析装置では、処理対象となる画像データを取得し、スピンの状態を多値に拡張した磁性体のスピンモデルを用いて、画像データの各画素を粒子として取扱い、粒子が超常磁性となる状態における画像の動きを統計的手法によりクラスタリングし、クラスタリング結果を基に画像における動きのクラスタを抽出し、このクラスタリング処理において、クラスタの動きを陽に使用することにより規定された画素間の相互作用を用いて、画像の動きをクラスタリングしているので、超常磁性の状態が明確に現われ、超常磁性となる状態における画像の動きをクラスタリングして画像の動きを高精度に抽出することができる。また、局所的な相互作用を定義するだけで大局的な動きをクラスタリングすることができるので、事前知識を少なくすることができる。この結果、事前知識を少なくすることができるとともに、画像の動きを高精度に抽出することができる。   In the image analysis apparatus according to the present invention, image data to be processed is acquired, and each pixel of the image data is treated as a particle using a spin model of a magnetic material in which the spin state is expanded to multiple values. The motion of the image in a magnetic state is clustered by a statistical method, and a cluster of motion in the image is extracted based on the clustering result. In this clustering process, the cluster motion is defined by using the cluster motion explicitly. Since the motion of the image is clustered using the interaction, the superparamagnetic state appears clearly, and the motion of the image in the superparamagnetic state can be clustered to extract the motion of the image with high accuracy. it can. Moreover, since global movements can be clustered simply by defining local interactions, prior knowledge can be reduced. As a result, prior knowledge can be reduced and the motion of the image can be extracted with high accuracy.

クラスタリング手段は、画像の輝度をI(x,y,t)、I(x,y,t)の偏微分をbf=(fx,fy,ft)、画素iが属しているクラスタの動きベクトルをBUi=(Ui,Vi)としたとき、下記式(1)に示す画素iと画素jとの動きの類似度dijを用いて、下記式(2)に示す粒子iと粒子jとの相互作用Jij(ここで、Kは近傍の画素数の平均、aはdijの平均)を算出し、算出した相互作用Jijを用いて画像の動きをクラスタリングすることが好ましい。この場合、超常磁性の状態がより明確に現われ、超常磁性となる状態における画像の動きをクラスタリングして画像の動きをより高精度に抽出することができる。 Clustering means, the brightness of the image I (x, y, t) , I (x, y, t) the partial differential bf = a (f x, f y, f t), cluster pixel i belongs When the motion vector is BU i = (U i , V i ), the particle i shown in the following equation (2) is used by using the motion similarity d ij between the pixel i and the pixel j shown in the following equation (1). and (where, K is the average of the number of pixels in the neighborhood, a is the average of d ij) interaction J ij between the particle j that is calculated and clustering the movement of an image by using the calculated interaction J ij preferable. In this case, the superparamagnetic state appears more clearly, and the image motion in the superparamagnetic state can be clustered to extract the image motion with higher accuracy.

クラスタリング手段は、モンテカルロ法を用いて画像の動きをクラスタリングすることが好ましい。この場合、クラスタリング処理を高速に行うことができる。   The clustering means preferably clusters the motion of the image using the Monte Carlo method. In this case, the clustering process can be performed at high speed.

クラスタリング手段は、Swendsen−Wangアルゴリズムを用いて、各画素にランダムにスピン値を割り当て、注目画素と近傍画素とのリンクを下記式(3)、(4)で示す確率に従って切断又は結合し、結合されたリンクを有する画素群をクラスタとし、各クラスタにおける動きベクトルBUiを算出し、同じクラスタに属する画素に同一スピン値が割り当てられるように各画素にランダムにスピン値を割り当てる処理を所定回数だけ反復処理することにより画像の動きをクラスタリングすることが好ましい。この場合、各画素(粒子)別個にランダムにスピンの状態を割り当てるのではなく、クラスタに属する画素にまとめて同じスピンの状態を割り当てることができるので、クラスタリング処理をより高速に行うことができる。 The clustering means assigns a spin value to each pixel at random using the Swendsen-Wang algorithm, cuts or combines the link between the target pixel and the neighboring pixel according to the probabilities shown in the following formulas (3) and (4), and combines them. A group of pixels having the linked links is defined as a cluster, and a motion vector BU i in each cluster is calculated, and a process of randomly assigning a spin value to each pixel so that the same spin value is assigned to pixels belonging to the same cluster is performed a predetermined number of times. It is preferable to cluster image motion by iterative processing. In this case, since the spin state is not randomly assigned to each pixel (particle) separately, but the same spin state can be assigned to the pixels belonging to the cluster, the clustering process can be performed at higher speed.

クラスタリング手段は、温度をスイープさせたときに、画素間の相互作用を用いて算出された磁化率が所定範囲内の値をとる温度を粒子が超常磁性となる状態の温度として決定し、決定した温度における画像の動きをクラスタリングすることが好ましい。この場合、超常磁性の状態となる温度を正確に決定することができるので、画像の動きをより高精度に抽出することができる。   The clustering means determines the temperature at which the magnetic susceptibility calculated using the inter-pixel interaction takes a value within a predetermined range when the temperature is swept as the temperature at which the particles are superparamagnetic. It is preferable to cluster image motion at temperature. In this case, since the temperature at which the superparamagnetic state is achieved can be determined accurately, the motion of the image can be extracted with higher accuracy.

本発明に係る画像解析プログラムは、処理対象となる画像データを取得する取得手段と、スピンの状態を多値に拡張した磁性体のスピンモデルを用いて取得手段により取得された画像データの各画素を粒子として取扱い、粒子が超常磁性となる状態における画像の動きを統計的手法によりクラスタリングするクラスタリング手段と、クラスタリング手段によるクラスタリング結果を基に画像における動きのクラスタを抽出する抽出手段としてコンピュータを機能させ、クラスタリング手段は、クラスタの動きを陽に使用することにより規定された画素間の相互作用を用いて画像の動きをクラスタリングするものである。   The image analysis program according to the present invention includes an acquisition unit that acquires image data to be processed, and each pixel of the image data acquired by the acquisition unit using a spin model of a magnetic material in which a spin state is expanded to multiple values. Clustering means to cluster image motion in a state where particles are superparamagnetic using a statistical method, and a computer to function as an extraction means to extract the motion cluster in the image based on the clustering result of the clustering means The clustering means clusters the motion of the image using the interaction between the pixels defined by explicitly using the motion of the cluster.

本発明に係る画像解析方法は、取得手段、クラスタリング手段及び抽出手段として機能するコンピュータを用いて画像の動きを解析する画像解析方法であって、取得手段が、処理対象となる画像データを取得する第1のステップと、クラスタリング手段が、スピンの状態を多値に拡張した磁性体のスピンモデルを用いて取得手段により取得された画像データの各画素を粒子として取扱い、粒子が超常磁性となる状態における画像の動きを統計的手法によりクラスタリングする第2のステップと、抽出手段が、クラスタリング手段によるクラスタリング結果を基に画像における動きのクラスタを抽出する第3のステップとを含み、第2のステップは、クラスタの動きを陽に使用することにより規定された画素間の相互作用を用いて画像の動きをクラスタリングするステップを含むものである。   An image analysis method according to the present invention is an image analysis method for analyzing image motion using a computer that functions as an acquisition unit, a clustering unit, and an extraction unit, and the acquisition unit acquires image data to be processed. A state in which the first step and the clustering unit treat each pixel of the image data acquired by the acquiring unit as a particle using a spin model of a magnetic material in which the spin state is expanded to multiple values, and the particle becomes superparamagnetic A second step of clustering the motion of the image in the statistical method by a statistical method, and a third step of the extraction means extracting a motion cluster in the image based on the clustering result by the clustering means. , Use the cluster motion explicitly to define the image motion using the inter-pixel interaction It is intended to include the step of rastering.

本発明によれば、クラスタリング処理において、クラスタの動きを陽に使用することにより規定された画素間の相互作用を用いて画像の動きがクラスタリングされるので、超常磁性の状態が明確に現われ、超常磁性となる状態における画像の動きをクラスタリングして画像の動きを高精度に抽出することができるとともに、局所的な相互作用を定義するだけで大局的な動きをクラスタリングすることができるので、事前知識を少なくすることができる。   According to the present invention, in the clustering process, since the motion of the image is clustered using the interaction between the pixels defined by explicitly using the motion of the cluster, the superparamagnetic state clearly appears and the superparamagnetic state appears. Since it is possible to extract image motion with high accuracy by clustering image motion in a magnetic state, global motion can be clustered simply by defining local interaction, so prior knowledge Can be reduced.

以下、本発明の一実施の形態による画像解析装置について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施の形態による画像解析装置の構成を示すブロック図である。   Hereinafter, an image analysis apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an image analysis apparatus according to an embodiment of the present invention.

図1に示す画像解析装置は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータ装置等から構成され、入力装置1、ROM(リードオンリメモリ)2、CPU(中央演算処理装置)3、RAM(ランダムアクセスメモリ)4、I/F(インターフェース)部5、外部記憶装置6、表示装置7及び記録媒体駆動装置8を備える。各ブロックは内部のバスに接続され、このバスを介して種々のデータ等が各ブロック間で入出力され、CPU3の制御の下、種々の処理が実行される。   The image analysis apparatus shown in FIG. 1 includes a computer device such as a personal computer, and includes an input device 1, ROM (read only memory) 2, CPU (central processing unit) 3, RAM (random access memory) 4, I / F (interface) unit 5, external storage device 6, display device 7, and recording medium drive device 8. Each block is connected to an internal bus, and various data and the like are input / output between the blocks via this bus, and various processes are executed under the control of the CPU 3.

入力装置1は、キーボード、マウス等から構成され、ユーザが種々の操作指令を入力するために用いられる。ROM2には、システムプログラム等が予め記憶される。外部記憶装置6は、ハードディスクドライブ等から構成され、後述する画像解析プログラム等を記憶している。CPU3は、外部記憶装置6から画像解析プログラム等を読み出し、後述する画像解析処理等を実行して各ブロックの動作を制御する。RAM4は、CPU3の作業領域等として用いられる。表示装置7は、CRT(陰極線管)又は液晶表示装置等から構成され、CPU3の制御の下、種々の画面を表示する。また、I/F部5は、画像キャプチャボード等から構成され、画像出力装置10は、テレビジョン、ビデオカメラ、DVDレコーダ等の画像データを出力可能な機器から構成される。I/F部5は、画像出力装置10と接続され、画像出力装置10から出力される画像データをCPU3等へ出力する。   The input device 1 includes a keyboard, a mouse, and the like, and is used for a user to input various operation commands. The ROM 2 stores a system program and the like in advance. The external storage device 6 is composed of a hard disk drive or the like, and stores an image analysis program and the like which will be described later. The CPU 3 reads an image analysis program or the like from the external storage device 6 and executes an image analysis process or the like described later to control the operation of each block. The RAM 4 is used as a work area for the CPU 3. The display device 7 includes a CRT (cathode ray tube), a liquid crystal display device, or the like, and displays various screens under the control of the CPU 3. The I / F unit 5 includes an image capture board and the like, and the image output apparatus 10 includes devices capable of outputting image data such as a television, a video camera, and a DVD recorder. The I / F unit 5 is connected to the image output device 10 and outputs image data output from the image output device 10 to the CPU 3 or the like.

なお、画像解析プログラムは、CD−ROM、DVD等から構成されるコンピュータ読み取り可能な記録媒体9に記録するようにしてもよい。この場合、CD−ROMドライブ、DVDドライブ等から構成される記録媒体駆動装置8を用いて記録媒体9から読み出された画像解析プログラムが外部記憶装置6にインストール等される。また、画像解析装置が外部との通信を制御する通信装置を有し、ネットワークを介して接続されている他のコンピュータ等に画像解析プログラム等が記憶されている場合、当該コンピュータ等からネットワークを介して画像解析プログラム又は処理対象となる画像データ等をダウンロードするようにしてもよい。   The image analysis program may be recorded on a computer-readable recording medium 9 composed of a CD-ROM, a DVD, or the like. In this case, the image analysis program read from the recording medium 9 is installed in the external storage device 6 using the recording medium driving device 8 constituted by a CD-ROM drive, a DVD drive or the like. In addition, when the image analysis apparatus has a communication device that controls communication with the outside, and an image analysis program or the like is stored in another computer or the like connected via the network, the computer or the like via the network Thus, an image analysis program or image data to be processed may be downloaded.

次に、上記のように構成された画像解析装置の主要な機能について説明する。図2は、図1に示す画像解析装置の主要機能ブロック図である。   Next, main functions of the image analysis apparatus configured as described above will be described. FIG. 2 is a main functional block diagram of the image analysis apparatus shown in FIG.

図2に示すように、画像解析装置は、CPU3等が画像解析プログラム等を実行することにより、画像取得部11、前処理部12、クラスタリング部13、動き抽出部14及び画像処理部15として機能する。   As shown in FIG. 2, the image analysis apparatus functions as an image acquisition unit 11, a preprocessing unit 12, a clustering unit 13, a motion extraction unit 14, and an image processing unit 15 when the CPU 3 or the like executes an image analysis program or the like. To do.

画像取得部11は、入力装置1及びI/F部5等から構成され、例えば、ユーザが画像データ取得指令を入力すると、画像出力装置10から処理対象となる画像データを取得する。前処理部12は、CPU3等から構成され、処理対象となる画像データにスムージング処理、解像度変換処理等の前処理を施し、画像データをクラスタリング処理に適した解像度等を有する画像データに変換する。   The image acquisition unit 11 includes the input device 1 and the I / F unit 5. For example, when the user inputs an image data acquisition command, the image acquisition unit 11 acquires image data to be processed from the image output device 10. The preprocessing unit 12 includes a CPU 3 and the like, and performs preprocessing such as smoothing processing and resolution conversion processing on image data to be processed, and converts the image data into image data having a resolution suitable for clustering processing.

クラスタリング部13は、CPU3等から構成され、スピンの状態を多値に拡張した磁性体のスピンモデルであるPottsモデルを用いて前処理部12から出力される画像データの各画素を粒子として取扱い、粒子が超常磁性となる状態における画像の動きを統計的手法によりクラスタリングする。このとき、クラスタリング部13は、クラスタの動きを陽に使用することにより規定された画素間の相互作用を用いて画像の動きをクラスタリングする。例えば、クラスタリング部13は、画像の輝度をI(x,y,t)、I(x,y,t)の偏微分をbf=(fx,fy,ft)、画素iが属しているクラスタの動きベクトルをBUi=(Ui,Vi)としたとき、下記式(1)に示す画素iと画素jとの動きの類似度dijを用いて、下記式(2)に示す粒子iと粒子jとの相互作用Jij(ここで、Kは近傍の画素数の平均、aはdijの平均)を算出し、算出した相互作用Jijを用いて画像の動きをクラスタリングする。この場合、超常磁性の状態がより明確に現われ、超常磁性となる状態における画像の動きをクラスタリングして画像の動きをより高精度に抽出することができる。なお、近傍の画素数としては、種々の値を用いることができ、例えば、注目画素の上下、左右、斜めの直近に位置する8個の画素を用いることができる。 The clustering unit 13 is configured by the CPU 3 and the like, and handles each pixel of the image data output from the preprocessing unit 12 as particles using a Potts model that is a spin model of a magnetic material in which the spin state is expanded to multiple values. The motion of images in a state where particles are superparamagnetic are clustered by a statistical method. At this time, the clustering unit 13 clusters the motion of the image using the interaction between pixels defined by explicitly using the motion of the cluster. For example, the clustering unit 13, the luminance of the image I (x, y, t) , I (x, y, t) the partial differential bf = a (f x, f y, f t), the pixel i belongs When the motion vector of the existing cluster is BU i = (U i , V i ), the following equation (2) is used by using the motion similarity d ij between the pixel i and the pixel j shown in the following equation (1). The interaction J ij (where K is the average of the number of neighboring pixels and a is the average of d ij ) is calculated, and the motion of the image is clustered using the calculated interaction J ij. To do. In this case, the superparamagnetic state appears more clearly, and the image motion in the superparamagnetic state can be clustered to extract the image motion with higher accuracy. Note that various values can be used as the number of neighboring pixels. For example, eight pixels positioned in the immediate vicinity of the upper, lower, left, and right sides of the target pixel can be used.

上記のクラスタリング処理において、クラスタリング部13は、モンテカルロ法を用いて画像の動きをクラスタリングする。具体的には、クラスタリング部13は、Swendsen−Wangアルゴリズム(R. Swendsen and J-S. Wang. Nonuniversal critical dynamics in monte carlo simulation. Physics Review Letters, 58(2):86.88, 1987.等を参照)を用いて、各画素にランダムにスピン値を割り当て、注目画素と近傍画素とのリンクを下記式(3)、(4)で示す確率に従って切断又は結合し、結合されたリンクを有する画素群をクラスタとし、各クラスタにおける動きベクトルBUiを算出し、同じクラスタに属する画素に同一スピン値が割り当てられるように各画素にランダムにスピン値を割り当てる処理を所定回数だけ反復処理することにより画像の動きをクラスタリングする。この場合、各画素別個にランダムにスピンの状態を割り当てるのではなく、クラスタに属する画素にまとめて同じスピンの状態を割り当てることができるので、クラスタリング処理をより高速に行うことができる。 In the clustering process described above, the clustering unit 13 clusters image motion using the Monte Carlo method. Specifically, the clustering unit 13 uses the Swendsen-Wang algorithm (see R. Swendsen and JS. Wang. Nonuniversal critical dynamics in monte carlo simulation. Physics Review Letters, 58 (2): 86.88, 1987.). Then, a spin value is randomly assigned to each pixel, and the link between the target pixel and neighboring pixels is cut or combined according to the probability expressed by the following formulas (3) and (4), and a pixel group having the linked links is defined as a cluster. Then, the motion vector BU i in each cluster is calculated, and the process of assigning the spin value randomly to each pixel is repeatedly processed a predetermined number of times so as to assign the same spin value to the pixels belonging to the same cluster, thereby clustering the motion of the image To do. In this case, since the spin state is not randomly assigned to each pixel, but the same spin state can be assigned to the pixels belonging to the cluster collectively, the clustering process can be performed at a higher speed.

なお、クラスタリング処理に用いられるモンテカルロ法は、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能であり、例えば、Metropolis、Gibbs sampling等のマルコフ鎖モンテカルロ法を用いてもよい。   Note that the Monte Carlo method used for the clustering process is not particularly limited to the above example, and various modifications are possible. For example, a Markov chain Monte Carlo method such as Metropolis, Gibbs sampling may be used.

また、上記のクラスタリング処理において、クラスタリング部13は、温度をスイープさせたときに、画素間の相互作用を用いて算出された磁化率が所定範囲内の値をとる温度を粒子が超常磁性となる状態の温度として決定し、決定した温度における画像の動きをクラスタリングする。この場合、超常磁性の状態となる温度を正確に決定することができるので、画像の動きをより高精度に抽出することができる。   In the clustering process described above, when the temperature is swept, the clustering unit 13 becomes superparamagnetic at a temperature at which the magnetic susceptibility calculated using the interaction between pixels takes a value within a predetermined range. The temperature of the state is determined, and image motion at the determined temperature is clustered. In this case, since the temperature at which the superparamagnetic state is achieved can be determined accurately, the motion of the image can be extracted with higher accuracy.

動き抽出部14は、CPU3等から構成され、クラスタリング部13のクラスタリング結果を基に画像における動きのクラスタを抽出する。画像処理部15は、CPU3等から構成され、抽出されたクラスタを基に種々の画像処理を画像データに対して施し、例えば、交通監視、侵入者の検出、人物の認識、テレビ映像の切り出し等の種々のアプリケーションに用いられる画像処理等を行う。なお、単に画像の動きを解析する場合は、画像処理部15を省略してもよい。   The motion extraction unit 14 includes a CPU 3 and the like, and extracts a motion cluster in the image based on the clustering result of the clustering unit 13. The image processing unit 15 is composed of the CPU 3 and the like, and performs various image processing on the image data based on the extracted cluster. For example, traffic monitoring, intruder detection, person recognition, TV video clipping, etc. It performs image processing used for various applications. Note that the image processing unit 15 may be omitted when simply analyzing the motion of the image.

本実施の形態では、画像取得部11が取得手段の一例に相当し、前処理部12及びクラスタリング部13がクラスタリング手段の一例に相当し、動き抽出部14が抽出手段の一例に相当する。   In the present embodiment, the image acquisition unit 11 corresponds to an example of an acquisition unit, the preprocessing unit 12 and the clustering unit 13 correspond to an example of a clustering unit, and the motion extraction unit 14 corresponds to an example of an extraction unit.

次に、本実施の形態に用いられるPottsモデルについて詳細に説明する。図3は、Isingモデル及びPottsモデルの模式図であり、図中の矢印はスピンの方向を示している。図3の(b)に示すPottsモデルは、図3の(a)に示す磁性体のスピンモデルであるIsingモデルのスピンの状態を2値(+1,−1)から多値(1,…,q)に拡張したものであり、磁性体のスピンモデルとして知られている(F.Y.Wu. The potts model. Review of Modern Physics, 54(1):235-268, 1984.等を参照)。各粒子には、q個の状態(1,…,q)のうちの一つが割り当てられる。粒子i に割り当てられたスピンの状態をσiで表すと、システムのハミルトニアンは、下記式(5)で表される。 Next, the Potts model used in this embodiment will be described in detail. FIG. 3 is a schematic diagram of the Ising model and the Potts model, and the arrows in the figure indicate the direction of spin. The Potts model shown in (b) of FIG. 3 changes the spin state of the Ising model, which is the spin model of the magnetic material shown in (a) of FIG. 3, from a binary (+1, −1) to a multivalue (1,. It is an extension to q) and is known as a spin model of a magnetic material (see FYWu. The potts model. Review of Modern Physics, 54 (1): 235-268, 1984., etc.). Each particle is assigned one of q states (1,..., Q). When the state of the spin assigned to the particle i is represented by σ i , the Hamiltonian of the system is represented by the following formula (5).

ここで、δσiσjは、粒子iと粒子jとの間の相関であり、Jijは粒子iと粒子jとの相互作用であり、これらの積の総和は、近傍領域<i,j>で定義される。いま、N個の粒子がある場合、σ=(σ1,…,σN)は、このシステムの状態を表しており、ある状態σhになる確率は、温度をTとして、下記式(6)で表される。ただし、zは正規化するための定数である。 Here, δσ i σ j is the correlation between the particle i and the particle j, J ij is the interaction between the particle i and the particle j, and the sum of these products is the neighborhood region <i, j It is defined by>. Now, if there are N particles, σ = (σ 1 ,..., Σ N ) represents the state of this system, and the probability of becoming a certain state σ h is expressed by the following equation (6) ). However, z is a constant for normalization.

図4は、強磁性、常磁性及び超常磁性の状態を説明するための模式図である。上記のシステムの温度Tを変化させると、相転移が起き、Tが小さい場合は図4の(a)に示す強磁性(ferromagnetism)を示し、Tが大きい場合は図4の(b)に示す常磁性(paramagnetism)となる。強磁性ではスピンは一方向に収束し、常磁性ではスピンはバラバラになり、秩序を持たないが、これらの間に図4の(c)に示す超常磁性(super-paramagnetism)が現れる場合がある。これは、磁区が小さくなり、磁化が熱的に揺らいでいる状態である。つまり、粒子がクラスタとなり、複数のクラスタが存在するようになる。このため、本実施の形態では、画素を粒子に見立てて、超常磁性となる温度を決定することにより画像の動きをクラスタリングする。   FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the states of ferromagnetism, paramagnetism, and superparamagnetism. When the temperature T of the system is changed, a phase transition occurs. When T is small, the ferromagnetism shown in FIG. 4A is shown, and when T is large, it is shown in FIG. 4B. It becomes paramagnetism. In ferromagnetism, the spin converges in one direction, and in paramagnetism, the spins fall apart and have no order, but the super-paramagnetism shown in Fig. 4 (c) may appear between them. . This is a state in which the magnetic domain is small and the magnetization is fluctuating thermally. That is, a particle becomes a cluster, and a plurality of clusters exist. For this reason, in the present embodiment, the motion of the image is clustered by determining the temperature at which superparamagnetism is obtained by regarding the pixel as a particle.

また、画像に動きがある場合、オプティカルフローが生じる。いま、画像の輝度をI(x,y,t)とする。二枚の画像間で、ある画素の移動前後の輝度が変化しないという仮定を置く。I(x,y,t)をx,y,tで偏微分したものをbf=(fx,fy,ft)、その画素の動きベクトルをbu=(u,v)とすると、下記式(7)に示す拘束式が得られる。 Further, when there is a motion in the image, an optical flow occurs. Now, let the luminance of the image be I (x, y, t). The assumption is made that the luminance before and after the movement of a certain pixel does not change between the two images. I (x, y, t) and x, y, a material obtained by partially differentiating t bf = (f x, f y, f t), when the motion vector of the pixel bu = (u, v) and, below The constraint equation shown in equation (7) is obtained.

これはBCC(Brightness Constant Constraint)と呼ばれ、動きベクトルは、画像上でbfで表される直線上に乗ることを示しているが、この拘束式だけからu,vを一意に求めることはできない。このため、本実施の形態では、クラスタの情報を陽に使用する方法を用いている。いま、画素iが属している仮のクラスタの動きをBUi=(Ui,Vi)とすると、画素iがこのクラスタに属しているなら、BUiは、上記の式(7)の拘束を満たすはずである。そこで、画素iと画素jとの動きの類似度の指標として、上記の式(1)に示す画素iと画素jとの動きの類似度dijを導入する。なお、式(1)のdiは、クラスタの動きベクトルBUiと、偏微分が表す拘束直線との距離を表している。 This is called BCC (Brightness Constant Constraint) and indicates that the motion vector rides on a straight line represented by bf on the image. However, u and v cannot be determined uniquely from this constraint equation alone. . For this reason, in the present embodiment, a method of explicitly using cluster information is used. Assuming that the motion of the temporary cluster to which the pixel i belongs is BU i = (U i , V i ), if the pixel i belongs to this cluster, BU i is the constraint of the above equation (7). Should meet. Therefore, the motion similarity d ij between the pixel i and the pixel j shown in the above equation (1) is introduced as an index of the motion similarity between the pixel i and the pixel j. In the equation (1), d i represents the distance between the cluster motion vector BU i and the constrained straight line represented by the partial differentiation.

このように、Pottsモデルでは、上記式(2)で表される粒子間の相互作用Jijが重要な働きを行い、本実施の形態では、画素のBCCに対して、その画素が属しているクラスタの動きベクトルが合致することを要求して相互作用Jijを決定することにより、上記式(1)で表される画素iと画素jとの動きの類似度dijに応じて相互作用Jijを定義している。 Thus, in the Potts model, the interaction J ij between the particles expressed by the above formula (2) plays an important role, and in this embodiment, the pixel belongs to the BCC of the pixel. By determining that the motion vectors of the clusters match and determining the interaction J ij , the interaction J depends on the motion similarity d ij between the pixel i and the pixel j represented by the above equation (1). ij is defined.

次に、上記のように構成された画像解析装置による画像解析処理について説明する。図5は、図2に示す画像解析装置による画像解析処理を説明するためのフローチャートである。   Next, image analysis processing by the image analysis apparatus configured as described above will be described. FIG. 5 is a flowchart for explaining image analysis processing by the image analysis apparatus shown in FIG.

まず、ユーザが画像データ取得指令を入力すると、ステップS1において、画像取得部11は、例えば、480×640画素からなる画像データを取得して前処理部12へ出力する。次に、ステップS2において、前処理部12は、ガウシアンフィルタを用いて画像データ全体にスムージング処理を施し、解像度を1/8に低下させてクラスタリング部13へ出力する。   First, when the user inputs an image data acquisition command, in step S <b> 1, the image acquisition unit 11 acquires image data including, for example, 480 × 640 pixels and outputs the image data to the preprocessing unit 12. Next, in step S <b> 2, the preprocessing unit 12 performs a smoothing process on the entire image data using a Gaussian filter, reduces the resolution to 1/8, and outputs the result to the clustering unit 13.

次に、ステップS3において、クラスタリング部13は、各画素の輝度の偏微分bf=(fx,fy,ft)を算出する。次に、ステップS4において、クラスタリング部13は、キュリー温度TCを算出し、算出したTCを基準に温度のスイープ範囲を設定する。次に、ステップS5において、クラスタリング部13は、設定した温度のスイープ範囲内で温度を設定する。 Next, in step S3, the clustering section 13, partial differential bf = the brightness of each pixel (f x, f y, f t) is calculated. Next, in step S4, the clustering unit 13 calculates the Curie temperature T C and sets a temperature sweep range based on the calculated T C. Next, in step S5, the clustering unit 13 sets the temperature within the set temperature sweep range.

Pottsモデルにおいては、システムの挙動は温度Tと相互作用Jijとによって決まる。本実施の形態では、上記式(2)に示すJijを用い、温度Tに関しては、低い温度から高い温度までTをスイープし、適切な温度を探る。一般に、強磁性から常磁性への相転移はキュリー温度TCで起こるとされ、キュリー温度TCは下記式(8)で近似できる。 In the Potts model, the behavior of the system is determined by the temperature T and the interaction J ij . In the present embodiment, J ij shown in the above equation (2) is used, and the temperature T is swept from a low temperature to a high temperature to find an appropriate temperature. In general, the phase transition from ferromagnetic to paramagnetic is to occur at the Curie temperature T C, the Curie temperature T C is approximated by the following equation (8).

超常磁性もこの近辺で現れると考えられるので、本実施の形態では、温度Tを0<T<4TCの範囲でスイープする。また、各温度での磁化率χを、相転移がどのように変化したかの指標として用いる。 It is considered that even superparamagnetic appearing in the vicinity this, in this embodiment, the sweep range of the temperature T 0 <T <4T C. The magnetic susceptibility χ at each temperature is used as an index of how the phase transition has changed.

次に、ステップS6において、クラスタリング部13は、Swendsen−Wang(SW)アルゴリズムによるクラスタリング処理を実行する。図6は、図5に示すステップS6のクラスタリング処理を説明するためのフローチャートである。   Next, in step S <b> 6, the clustering unit 13 performs a clustering process using a Swendsen-Wang (SW) algorithm. FIG. 6 is a flowchart for explaining the clustering process in step S6 shown in FIG.

まず、ステップS21において、クラスタリング部13は、画像中の各画素を粒子に見立て、σi(i=1,…,N)にスピンの状態(1,…,q)をランダムに割り当てる。次に、ステップS22において、クラスタリング部13は、各画素にクラスタを設定し、クラスタの動きベクトルにランダムな値を設定する。したがって、各画素が画素数1のクラスタとなり、クラスタの総数はNとなる。 First, in step S21, the clustering unit 13 regards each pixel in the image as a particle, and randomly assigns spin states (1,..., Q) to σ i (i = 1,..., N). Next, in step S22, the clustering unit 13 sets a cluster for each pixel, and sets a random value for the motion vector of the cluster. Therefore, each pixel is a cluster having 1 pixel, and the total number of clusters is N.

次に、ステップS23において、クラスタリング部13は、全ての画素の直近8近傍領域において、上記の式(1)に示す画素iと画素jとの動きの類似度dijを用いて式(2)に示す粒子iと粒子jとの相互作用Jijを算出する。次に、ステップS24において、クラスタリング部13は、上記の式(3)、(4)で示す確率に従って近傍の画素とのリンクを切断又は結合する。ただし、結合はσi=σjの場合のみに限定する。 Next, in step S23, the clustering unit 13 uses Equation (2) using the motion similarity d ij between the pixel i and the pixel j shown in Equation (1) in the nearest eight neighboring regions of all the pixels. The interaction J ij between the particle i and the particle j shown in FIG. Next, in step S24, the clustering unit 13 cuts or joins the links with the neighboring pixels according to the probabilities shown in the above formulas (3) and (4). However, the coupling is limited only to σ i = σ j .

次に、ステップS25において、クラスタリング部13は、結合されたリンクを有する画素の集合をクラスタとして設定する。次に、ステップS26において、クラスタリング部13は、クラスタに含まれる画素の拘束式(7)を連立させて各クラスタの動きベクトルBUを計算する。なお、クラスタに含まれる画素数が少ない場合や拘束式(7)を連立させても解が不定になる場合は、BUにランダムな値を格納する。次に、ステップS27において、クラスタリング部13は、各画素にランダムにスピン値を割り当てる。ただし、同じクラスタに属する画素には同じスピン値を割り当てる。   Next, in step S25, the clustering unit 13 sets a set of pixels having combined links as a cluster. Next, in step S26, the clustering unit 13 calculates the motion vector BU of each cluster by combining the constraint equations (7) for the pixels included in the cluster. When the number of pixels included in the cluster is small, or when the solution becomes indefinite even if the constraint equation (7) is coupled, a random value is stored in BU. Next, in step S27, the clustering unit 13 randomly assigns a spin value to each pixel. However, the same spin value is assigned to pixels belonging to the same cluster.

次に、ステップS28において、クラスタリング部13は、上記のステップS23〜S27の処理を予めモンテカルロ法の反復回数だけ行ったか否かを判断し、反復回数に達していない場合はステップS23〜S27の処理を繰り返し、反復回数に達した場合は反復処理を終了して図5に示すステップS7へ処理を移行する。   Next, in step S28, the clustering unit 13 determines whether or not the processing of steps S23 to S27 has been performed in advance for the number of iterations of the Monte Carlo method. If the number of iterations has not been reached, the processing of steps S23 to S27 is performed. When the number of iterations is reached, the iteration process is terminated and the process proceeds to step S7 shown in FIG.

再び、図5を参照して、ステップS7において、クラスタリング部13は、以下のようにして磁化率等を算出する。まず、クラスタリング部13は、画素iと画素jとが同一クラスタに属する場合はcijを1、その他の場合はcijを0とし、熱的平均として、モンテカルロ法のすべてのステップの平均<cij>を計算する。次に、クラスタリング部13は、この<cij>を用いて画素iと画素jとが同一のクラスタに属する確率<δij>=((q−1)<cij>+1)/qを計算する。次に、クラスタリング部13は、<δij>>θ(ここで、θはクラスタを決定する際の閾値)である画素のリンクを結合し、結合を持つ画素の集合をクラスタとする。これがステップS5で設定した温度Tにおけるクラスタリングの結果となる。最後に、クラスタリング部13は、磁化mの分散を用いて、磁化率χ=N(<m2>−<m>2)/Tを計算する。なお、磁化mは、各モンテカルロ法のステップで、m=(qNmax−N)/(N(q−1))として計算する。ただし、Nmax=max(N1,…,Nq)であり、各スピン値をとる画素数の最大となるものである。 Referring to FIG. 5 again, in step S7, the clustering unit 13 calculates the magnetic susceptibility and the like as follows. First, the clustering unit 13 sets c ij to 1 when the pixel i and the pixel j belong to the same cluster, sets c ij to 0 in other cases, and sets the average of all steps of the Monte Carlo method as <c> Calculate ij >. Next, the clustering unit 13 uses this <c ij > to calculate the probability <δ ij > = ((q−1) <c ij > +1) / q that the pixel i and the pixel j belong to the same cluster. To do. Next, the clustering unit 13 combines the links of pixels that are <δ ij >> θ (where θ is a threshold for determining a cluster), and sets a set of pixels having the connection as a cluster. This is the result of clustering at the temperature T set in step S5. Finally, the clustering unit 13 calculates the magnetic susceptibility χ = N (<m 2 > − <m> 2 ) / T using the dispersion of the magnetization m. The magnetization m is calculated as m = (qN max −N) / (N (q−1)) in each Monte Carlo method step. However, N max = max (N 1 ,..., N q ), which is the maximum number of pixels taking each spin value.

次に、ステップS8において、クラスタリング部13は、上記のステップS4で設定したスイープ範囲に対してステップS5〜S7の処理を実行したか否かを判断し、全てのスイープ範囲に対する処理が終了していない場合はステップS5において温度Tを所定値だけ変化させてステップS6〜S7の処理を繰り返し、全てのスイープ範囲に対する処理が終了した場合はステップS9へ処理を移行する。   Next, in step S8, the clustering unit 13 determines whether or not the processing in steps S5 to S7 has been executed for the sweep range set in step S4 above, and the processing for all the sweep ranges has been completed. If not, the temperature T is changed by a predetermined value in step S5 and the processes in steps S6 to S7 are repeated. If the processes for all the sweep ranges are completed, the process proceeds to step S9.

上記のようにして、温度をスイープしながら処理を繰り返すと、磁化率χは、温度が低いとき、つまり強磁性の状態ではほぼ0であり、その後、キュリー温度TC近辺で急激に上昇する。さらに温度を上昇させると、磁化率χは下落し、しばらく変化しない範囲が表れる。これが超常磁性の状態であり、この状態がクラスタリングに適した温度である。その後は、急激に0に低下し、常磁性の状態となる。 As described above, when the process is repeated while sweeping the temperature, the magnetic susceptibility chi, when the temperature is low, i.e. approximately 0 in the state of ferromagnetic, then rises sharply in the vicinity Curie temperature T C. When the temperature is further increased, the magnetic susceptibility χ decreases, and a range that does not change for a while appears. This is a superparamagnetic state, which is a temperature suitable for clustering. After that, it suddenly drops to 0 and becomes paramagnetic.

したがって、ステップS9において、クラスタリング部13は、磁化率χが上記のように変化して所定範囲内の値をとる温度を、例えば、磁化率χの変化量が所定値以内になる温度のうち中間の温度を粒子が超常磁性となる状態の温度として決定する。次に、ステップS10において、クラスタリング部13は、決定した温度における画像の動きのクラスタリング結果を動き抽出部14へ出力する。   Accordingly, in step S9, the clustering unit 13 sets the temperature at which the magnetic susceptibility χ changes as described above to take a value within a predetermined range, for example, the intermediate temperature among the temperatures at which the change amount of the magnetic susceptibility χ falls within a predetermined value. Is determined as the temperature at which the particles become superparamagnetic. Next, in step S <b> 10, the clustering unit 13 outputs the clustering result of the image motion at the determined temperature to the motion extracting unit 14.

次に、ステップS11において、動き抽出部14は、クラスタリング部13のクラスタリング結果を基に処理対象となった画像における動きのクラスタを抽出する。最後に、ステップS12において、画像処理部15は、抽出されたクラスタを基に所定の画像処理を実行して画像の動きを抽出したり、画像の動きを分類し、画像解析処理が終了する。   Next, in step S <b> 11, the motion extraction unit 14 extracts a motion cluster in the image to be processed based on the clustering result of the clustering unit 13. Finally, in step S12, the image processing unit 15 executes predetermined image processing based on the extracted cluster to extract image motion or classify image motion, and the image analysis processing ends.

図7は、動きの前後を表す画像の一例を示す図であり、図8は、図7に示す画像間のfx,fy,ftを示す図である。図7に示す2枚の画像を用いて上記の画像の動きのクラスタリングする画像解析処理を行った結果、図8の(a)〜(c)に示す画像間のfx,fy,ftが得られた。ここで、処理条件としては、図7に示す元の画像は480×640画素であるが、fx,fy,ftを計算するに当たり、まずガウシアンフィルタで画像全体を事前にスムージング処理して解像度を1/8にし、近傍領域として画素のまわり8近傍を用い、スピン値をq=11とした。また、モンテカルロ法の反復回数は4000回とし、クラスタを決定する際のパラメータθは0.5とした。 Figure 7 is a diagram showing an example of an image representing the front and rear motion, FIG. 8 is a diagram showing the f x, f y, f t between the images shown in FIG. Using two images shown in FIG. 7 result of the image analysis processing for clustering movement of the image, f x between the images shown in (a) ~ (c) of FIG. 8, f y, f t was gotten. Here, the processing conditions, but the original image shown in FIG. 7 is a 480 × 640 pixels, f x, f y, In calculating f t, and first pre-smoothing the entire image Gaussian filter The resolution was set to 1/8, the neighborhood of 8 pixels was used as the neighborhood region, and the spin value was set to q = 11. In addition, the number of iterations of the Monte Carlo method was 4000, and the parameter θ for determining a cluster was 0.5.

図9は、図7に示す画像に対する画像解析処理により得られた磁化率χと温度Tとの関係を示す図であり、図10は、温度T=0.25のときのクラスタリング結果の一例を示す図である。図9に示すように、T=0.25の近辺で磁化率χの変化が少なくなり、超常磁性の状態であることがわかった。このときのクラスタリングの結果が図10に示すものであり、頭と胴部がほぼ同じ動きをし、右腕はこれと異なる動きをしていることがわかり、画像の動きを高精度に抽出することができた。   FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the magnetic susceptibility χ obtained by the image analysis processing on the image shown in FIG. 7 and the temperature T, and FIG. 10 shows an example of the clustering result when the temperature T = 0.25. FIG. As shown in FIG. 9, it was found that the change in magnetic susceptibility χ decreased near T = 0.25, indicating a superparamagnetic state. The clustering result at this time is shown in FIG. 10, and it can be seen that the head and the torso move almost the same, and the right arm moves differently, and the motion of the image is extracted with high accuracy. I was able to.

上記の処理により、本実施の形態では、Pottsモデルを用いて画像データの各画素を粒子として取扱い、Swendsen−Wangアルゴリズムを用いた統計的手法により粒子が超常磁性となる状態における画像の動きをクラスタリングし、このクラスタリング結果を基に画像における動きのクラスタを抽出し、このクラスタリング処理において、上記の式(1)に示す画素iと画素jとの動きの類似度dijを用いて規定される式(2)に示す粒子iと粒子jとの相互作用Jijを用いて画像の動きをクラスタリングしているので、超常磁性の状態が明確に現われ、このときの画像の動きをクラスタリングして画像の動きを高精度に抽出することができる。また、上記のように局所的な相互作用を定義するだけで大局的な動きをクラスタリングすることができるので、事前知識を少なくすることができる。 Through the above processing, in the present embodiment, each pixel of image data is treated as a particle using the Potts model, and the motion of the image in a state where the particle becomes superparamagnetic is clustered by a statistical method using the Sendsen-Wang algorithm. Then, a motion cluster in the image is extracted based on the clustering result, and in this clustering process, an expression defined using the motion similarity d ij between the pixel i and the pixel j shown in the expression (1) above. Since the motion of the image is clustered using the interaction J ij between the particle i and the particle j shown in (2), the superparamagnetic state appears clearly, and the motion of the image at this time is clustered. Movement can be extracted with high accuracy. Moreover, since global movements can be clustered simply by defining local interactions as described above, prior knowledge can be reduced.

なお、上記の説明では、本発明による画像解析処理をソフトウエアを用いて行う例を説明したが、一部又は全てを専用のハードウエアを用いて構成してもよく、この場合、より高速に処理を実行することができる。   In the above description, the example in which the image analysis processing according to the present invention is performed using software has been described. However, part or all of the image analysis processing may be configured using dedicated hardware. Processing can be executed.

本発明の一実施の形態による画像解析装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the image analysis apparatus by one embodiment of this invention. 図1に示す画像解析装置の主要機能ブロック図である。It is a main functional block diagram of the image analysis apparatus shown in FIG. Isingモデル及びPottsモデルの模式図である。It is a schematic diagram of an Ising model and a Potts model. 強磁性、常磁性及び超常磁性の状態を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the state of ferromagnetism, paramagnetism, and superparamagnetism. 図2に示す画像解析装置による画像解析処理を説明するためのフローチャートである。3 is a flowchart for explaining image analysis processing by the image analysis apparatus shown in FIG. 2. 図5に示すステップS6のクラスタリング処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the clustering process of step S6 shown in FIG. 動きの前後を表す画像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the image showing the back and front of a motion. 図7に示す画像間のfx,fy,ftを示す図である。F x between the image shown in FIG. 7 is a diagram showing the f y, f t. 図7に示す画像に対する画像解析処理により得られた磁化率χと温度Tとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnetic susceptibility χ obtained by the image analysis process with respect to the image shown in FIG. 温度T=0.25のときのクラスタリング結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the clustering result in case temperature T = 0.25.

符号の説明Explanation of symbols

11 画像取得部
12 前処理部
13 クラスタリング部
14 動き抽出部
15 画像処理部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Image acquisition part 12 Pre-processing part 13 Clustering part 14 Motion extraction part 15 Image processing part

Claims (7)

処理対象となる画像データを取得する取得手段と、
スピンの状態を多値に拡張した磁性体のスピンモデルを用いて前記取得手段により取得された画像データの各画素を粒子として取扱い、粒子が超常磁性となる状態における画像の動きを統計的手法によりクラスタリングするクラスタリング手段と、
前記クラスタリング手段によるクラスタリング結果を基に画像における動きのクラスタを抽出する抽出手段とを備え、
前記クラスタリング手段は、クラスタの動きを陽に使用することにより規定された画素間の相互作用を用いて画像の動きをクラスタリングすることを特徴とする画像解析装置。
Acquisition means for acquiring image data to be processed;
Each pixel of the image data acquired by the acquisition means is treated as a particle using a spin model of a magnetic material in which the spin state is expanded to multiple values, and the motion of the image in a state in which the particle is superparamagnetic by a statistical method Clustering means for clustering;
Extracting means for extracting a motion cluster in the image based on the clustering result by the clustering means;
The image analysis apparatus characterized in that the clustering means clusters the movement of an image using an interaction between pixels defined by explicitly using the movement of the cluster.
前記クラスタリング手段は、画像の輝度をI(x,y,t)、I(x,y,t)の偏微分をbf=(fx,fy,ft)、画素iが属しているクラスタの動きベクトルをBUi=(Ui,Vi)としたとき、下記式(1)に示す画素iと画素jとの動きの類似度dijを用いて、下記式(2)に示す粒子iと粒子jとの相互作用Jij(ここで、Kは近傍の画素数の平均、aはdijの平均)を算出し、算出した相互作用Jijを用いて画像の動きをクラスタリングすることを特徴とする請求項1記載の画像解析装置。
Cluster The clustering means, the brightness of the image I (x, y, t) , I (x, y, t) partially differentiated bf = of (f x, f y, f t), and the pixel i belongs When the motion vector of BU i = (U i , V i ) is used, particles represented by the following formula (2) are used by using the motion similarity d ij between the pixel i and the pixel j represented by the following formula (1). calculating the interaction J ij between i and the particle j (where K is the average number of neighboring pixels, a is the average of d ij ), and clustering the image motion using the calculated interaction J ij The image analysis apparatus according to claim 1.
前記クラスタリング手段は、モンテカルロ法を用いて画像の動きをクラスタリングすることを特徴とする請求項2記載の画像解析装置。   The image analysis apparatus according to claim 2, wherein the clustering means clusters image motion using a Monte Carlo method. 前記クラスタリング手段は、Swendsen−Wangアルゴリズムを用いて、各画素にランダムにスピン値を割り当て、注目画素と近傍画素とのリンクを下記式(3)、(4)で示す確率に従って切断又は結合し、結合されたリンクを有する画素群をクラスタとし、各クラスタにおける動きベクトルBUiを算出し、同じクラスタに属する画素に同一スピン値が割り当てられるように各画素にランダムにスピン値を割り当てる処理を所定回数だけ反復処理することにより画像の動きをクラスタリングすることを特徴とする請求項3記載の画像解析装置。
The clustering means assigns a spin value to each pixel at random using the Swendsen-Wang algorithm, and cuts or joins the link between the target pixel and the neighboring pixel according to the probability expressed by the following formulas (3) and (4). A group of pixels having linked links is used as a cluster, a motion vector BU i in each cluster is calculated, and a process of assigning a spin value randomly to each pixel so that the same spin value is assigned to a pixel belonging to the same cluster a predetermined number of times The image analysis apparatus according to claim 3, wherein the motion of the image is clustered by performing iterative processing only.
前記クラスタリング手段は、温度をスイープさせたときに、画素間の相互作用を用いて算出された磁化率が所定範囲内の値をとる温度を粒子が超常磁性となる状態の温度として決定し、決定した温度における画像の動きをクラスタリングすることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の画像解析装置。   The clustering means determines the temperature at which the magnetic susceptibility calculated using the interaction between pixels takes a value within a predetermined range when the temperature is swept, as the temperature at which the particles are superparamagnetic. The image analysis apparatus according to claim 1, wherein the movement of the image at the determined temperature is clustered. 処理対象となる画像データを取得する取得手段と、
スピンの状態を多値に拡張した磁性体のスピンモデルを用いて前記取得手段により取得された画像データの各画素を粒子として取扱い、粒子が超常磁性となる状態における画像の動きを統計的手法によりクラスタリングするクラスタリング手段と、
前記クラスタリング手段によるクラスタリング結果を基に画像における動きのクラスタを抽出する抽出手段としてコンピュータを機能させ、
前記クラスタリング手段は、クラスタの動きを陽に使用することにより規定された画素間の相互作用を用いて画像の動きをクラスタリングすることを特徴とする画像解析プログラム。
Acquisition means for acquiring image data to be processed;
Each pixel of the image data acquired by the acquisition means is treated as a particle using a spin model of a magnetic material in which the spin state is expanded to multiple values, and the motion of the image in a state in which the particle is superparamagnetic by a statistical method Clustering means for clustering;
Causing the computer to function as an extracting means for extracting a cluster of motion in an image based on the clustering result by the clustering means;
The clustering means clusters an image motion using an interaction between pixels defined by explicitly using a cluster motion.
取得手段、クラスタリング手段及び抽出手段として機能するコンピュータを用いて画像の動きを解析する画像解析方法であって、
前記取得手段が、処理対象となる画像データを取得する第1のステップと、
前記クラスタリング手段が、スピンの状態を多値に拡張した磁性体のスピンモデルを用いて前記取得手段により取得された画像データの各画素を粒子として取扱い、粒子が超常磁性となる状態における画像の動きを統計的手法によりクラスタリングする第2のステップと、
前記抽出手段が、前記クラスタリング手段によるクラスタリング結果を基に画像における動きのクラスタを抽出する第3のステップとを含み、
前記第2のステップは、クラスタの動きを陽に使用することにより規定された画素間の相互作用を用いて画像の動きをクラスタリングするステップを含むことを特徴とする画像解析方法。
An image analysis method for analyzing the movement of an image using a computer that functions as an acquisition unit, a clustering unit, and an extraction unit,
A first step in which the acquisition means acquires image data to be processed;
The clustering means treats each pixel of the image data acquired by the acquisition means as a particle using a spin model of a magnetic material in which the spin state is expanded to multiple values, and the image motion in a state where the particle is superparamagnetic A second step of clustering with statistical methods;
The extraction means includes a third step of extracting a motion cluster in the image based on a clustering result by the clustering means;
The image analysis method according to claim 2, wherein the second step includes a step of clustering the motion of the image using the interaction between the pixels defined by explicitly using the motion of the cluster.
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