JP2011090488A - Object tracking device, object tracking program, and camera - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被写体追尾装置、被写体追尾プログラム、およびカメラに関する。 The present invention relates to a subject tracking device, a subject tracking program, and a camera.
次のような追跡装置が知られている。この追跡装置は、過去の被写体の動き情報等から、次フレームの被写体位置を予測して被写体を追跡する(例えば、特許文献1)。 The following tracking devices are known. The tracking device tracks the subject by predicting the subject position of the next frame from the motion information of the subject in the past (for example, Patent Document 1).
しかしながら、従来の追跡装置では、低フレームレートで隣接フレーム間の相関が乏しい場合には、被写体位置の予測精度が低下して、追跡性能が低下する可能性があった。 However, in the conventional tracking device, when the correlation between adjacent frames is poor at a low frame rate, the prediction accuracy of the subject position is lowered, and the tracking performance may be lowered.
本発明による被写体追尾装置は、時系列で入力されるフレーム間の情報に基づいて、被写体の遷移先を特定する遷移先特定手段と、テンプレートマッチングを行って、フレーム内の各画素と被写体追尾用のテンプレートとの第1の類似度を算出する第1の類似度算出手段と、遷移先特定手段により特定された被写体の遷移先からの距離に応じて、第1の類似度算出手段によって算出された各画素の第1の類似度に対して重み付けを行って、第2の類似度を算出する第2の類似度算出手段と、第2の類似度算出手段によって算出された第2の類似度に基づいて、フレーム内における被写体位置を特定する被写体位置特定手段とを備えることを特徴とする。
本発明では、遷移先特定手段は、フレーム間での被写体の動きを示す動きベクトルを算出することによって、被写体の遷移先を特定するようにしてもよい。
被写体位置特定手段によって特定された被写体位置近傍領域内の画像を用いて動きベクトルを算出するための動き探索用のテンプレートを更新するテンプレート更新手段をさらに備えるようにしてもよい。
遷移先特定手段は、同一フレームに基づいて異なる解像度の複数枚の画像を生成し、低解像度の画像から順番に動き探索用のテンプレートを用いたテンプレートマッチング処理を行って動きベクトルを算出するようにしてもよい。
本発明による被写体追尾プログラムは、コンピュータに、時系列で入力されるフレーム間の情報に基づいて、被写体の遷移先を特定する遷移先特定手順と、テンプレートマッチングを行って、フレーム内の各画素と被写体追尾用のテンプレートとの第1の類似度を算出する第1の類似度算出手順と、遷移先特定手順で特定した被写体の遷移先からの距離に応じて、第1の類似度算出手順で算出した各画素の前記第1の類似度に対して重み付けを行って、第2の類似度を算出する第2の類似度算出手順と、第2の類似度算出手順で算出した第2の類似度に基づいて、フレーム内における被写体位置を特定する被写体位置特定手順とを実行させることを特徴とする。
本発明によるカメラは、上記いずれかの被写体追尾装置を備えることを特徴とする。
The subject tracking device according to the present invention performs transition matching with a transition destination specifying unit that specifies a transition destination of a subject based on information between frames input in time series, and performs pixel matching for each pixel in the frame and subject tracking Calculated by the first similarity calculating means according to the distance from the transition destination of the subject specified by the transition destination specifying means and the first similarity calculating means for calculating the first similarity with the template. A second similarity calculation unit that calculates the second similarity by weighting the first similarity of each pixel, and the second similarity calculated by the second similarity calculation unit And a subject position specifying means for specifying the subject position in the frame.
In the present invention, the transition destination specifying means may specify the transition destination of the subject by calculating a motion vector indicating the motion of the subject between frames.
You may make it further provide the template update part which updates the template for a motion search for calculating a motion vector using the image in the to-be-photographed object position vicinity area | region specified by the object position specifying means.
The transition destination specifying means generates a plurality of images with different resolutions based on the same frame, and performs a template matching process using a motion search template in order from the low resolution images to calculate a motion vector. May be.
The subject tracking program according to the present invention performs a transition destination identification procedure for identifying a transition destination of a subject on the basis of information between frames input in time series to a computer, performs template matching, and sets each pixel in the frame. In accordance with the first similarity calculation procedure for calculating the first similarity with the template for tracking the subject and the distance from the transition destination of the subject specified in the transition destination specification procedure, the first similarity calculation procedure A second similarity calculation procedure for calculating a second similarity by weighting the first similarity of each calculated pixel, and a second similarity calculated by the second similarity calculation procedure And a subject position specifying procedure for specifying a subject position in the frame based on the degree.
A camera according to the present invention includes any one of the subject tracking devices described above.
本発明によれば、高精度に被写体位置を特定することができる。 According to the present invention, the subject position can be specified with high accuracy.
図1は、本実施の形態におけるカメラの一実施の形態の構成を示すブロック図である。カメラ100は、操作部材101と、レンズ102と、撮像素子103と、制御装置104と、メモリカードスロット105と、モニタ106とを備えている。操作部材101は、使用者によって操作される種々の入力部材、例えば電源ボタン、レリーズボタン、ズームボタン、十字キー、決定ボタン、再生ボタン、削除ボタンなどを含んでいる。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an embodiment of a camera according to the present embodiment. The
レンズ102は、複数の光学レンズから構成されるが、図1では代表して1枚のレンズで表している。撮像素子103は、例えばCCDやCMOSなどのイメージセンサーであり、レンズ102により結像した被写体像を撮像する。そして、撮像によって得られた画像信号を制御装置104へ出力する。
The
制御装置104は、CPU、メモリ、およびその他の周辺回路により構成され、カメラ100を制御する。なお、制御装置104を構成するメモリには、SDRAMやフラッシュメモリが含まれる。SDRAMは、揮発性のメモリであって、CPUがプログラム実行時にプログラムを展開するためのワークメモリとして使用されたり、データを一時的に記録するためのバッファメモリとして使用される。また、フラッシュメモリは、不揮発性のメモリであって、制御装置104が実行するプログラムのデータや、プログラム実行時に読み込まれる種々のパラメータなどが記録されている。
The
この制御装置104は、撮像素子103から入力された画像信号に基づいて所定の画像形式、例えばJPEG形式の画像データ(以下、「本画像データ」と呼ぶ)を生成する。また、制御装置104は、生成した本画像データに基づいて、表示用画像データ、例えばサムネイル画像データを生成する。制御装置104は、生成した本画像データとサムネイル画像データとを含み、さらにヘッダ情報を付加した画像ファイルを生成してメモリカードスロット105へ出力する。
The
メモリカードスロット105は、記憶媒体としてのメモリカードを挿入するためのスロットであり、制御装置104から出力された画像ファイルをメモリカードに書き込んで記録する。また、メモリカードスロット105は、制御装置104からの指示に基づいて、メモリカード内に記憶されている画像ファイルを読み込む。
The
モニタ106は、カメラ100の背面に搭載された液晶モニタ(背面モニタ)であり、当該モニタ106には、メモリカードに記憶されている画像やカメラ100を設定するための設定メニューなどが表示される。また、制御装置104は、使用者によってカメラ100のモードが撮影モードに設定されると、撮像素子103から時系列で取得した画像信号に基づいて生成した表示用画像データをモニタ106に出力する。これによってモニタ106にはスルー画が表示される。
The
本実施の形態におけるカメラ100では、制御装置104は、撮像素子103から入力されるスルー画の各フレーム(フレーム画像)に対して、あらかじめ用意したテンプレート画像を用いたテンプレートマッチング処理を行うことによって、フレーム内からテンプレート画像と類似する画像領域を特定する。そして、制御装置104は、特定した領域をフレーム間で追跡することによって、被写体追尾を行う。
In the
本実施の形態では、制御装置104は、テンプレートマッチングを行うに当たって、被写体のフレーム間での動きを探索する動き探索用のテンプレートと、被写体追尾用のテンプレートとの2つのテンプレートを用いて、被写体追尾を行う。以下、本実施の形態における被写体追尾処理の詳細を図2に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図2に示す処理は、撮像素子103から画像信号の入力が開始されると起動するプログラムとして、制御装置104によって実行される。
In the present embodiment, when performing template matching, the
ステップS1において、制御装置104は、撮像素子103から入力されるフレーム画像を取り込んで、ステップS2へ進む。ステップS2では、制御装置104は、ステップS1で取り込んだフレーム画像内から、所定範囲内の画像を動き探索用のテンプレート、および被写体追尾用のテンプレートを取得する。なお、動き探索用のテンプレート、および被写体追尾用のテンプレートは、ステップS1で取り込んだフレーム画像内において、使用者によって指定された範囲内の画像を切り出すことによって取得される。また、ステップS2で取得される初期の動き探索用のテンプレート、および被写体追尾用のテンプレートは、同じ画像であってもよいし、異なる画像であってもよい。
In step S1, the
その後、ステップS3へ進み、制御装置104は、ステップS1で取りこんだフレーム画像を対象として、ステップS2で取得した動き探索用のテンプレートを用いた動き探索処理を行う。例えば、制御装置104は、時系列で入力されるフレーム間の情報に基づいて、被写体の遷移先を特定する。具体的には、フレーム画像を対象として、テンプレートマッチング(ブロックマッチング)や勾配法等の方法により、動き探索用のテンプレートを用いた動き探索処理を行う。
Thereafter, the process proceeds to step S3, and the
この動き探索処理によって、フレーム間での被写体の遷移を示す動きベクトルが検出される。例えば、図3(a)に示すiフレーム目のフレーム画像における被写体2aが、図3(b)に示すi+1フレーム目のフレーム画像に示す位置に移動した場合には、動き探索処理によってフレーム間での被写体の動きを示す動きベクトル2bが検出される。
By this motion search process, a motion vector indicating the transition of the subject between frames is detected. For example, when the
なお、本実施の形態における動き探索処理では、制御装置104は、図4に示すように、階層的なテンプレートマッチング処理によって動きベクトルを検出することにより、動き探索処理を行う。具体的には、制御装置104は、任意の隣接フレーム、例えばiフレームとi+1フレームにおいて、図4に示すような階層構造の画像を作成する。この階層は2つ以上であり、図4に示す例では、iフレームが階層4a〜4c、i+1フレームが階層4d〜4fとそれぞれ3階層になっている。また、高解像側(4c側、4f側)からN番目の階層画像の1辺のサイズ比は1/2Nとなる。
In the motion search process according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, the
この場合、テンプレートはiフレームから抽出するものとし、具体的には、iフレームにおいて、点線の枠で示したように各階層でテンプレートが抽出される。このそれぞれのテンプレートを用いて、最も低解像な階層の画像、すなわちi+1フレームにおける画像4fから順番にテンプレートマッチング処理を行う。ここで、L−1階層でマッチングした座標値を2倍した座標をL階層の探索初期値にする。これは、マッチング座標をXend、探索初期座標をXiniとすると、次式(1)により表すことができる。
このような階層的なテンプレートマッチングを行うことにより、各階層で探索エリアを小さくしても、被写体の大きな動きを正確かつ高速に検出することができる。その後、ステップS4へ進む。 By performing such hierarchical template matching, even if the search area is reduced in each hierarchy, a large movement of the subject can be detected accurately and at high speed. Then, it progresses to step S4.
ステップS4では、制御装置104は、被写体追尾用のテンプレートを用いて、フレーム画像を対象としたテンプレートマッチングを行い、フレーム画像の各画素に対して被写体追尾用のテンプレートとの類似度を算出する。本実施の形態では、このステップS4で各画素について算出される類似度を第1類似度と呼ぶ。なお、被写体追尾用のテンプレートを用いたテンプレートマッチングの方法は公知であるため詳細な説明は省略するが、一般的には、SAD(Sum of Absolute Difference)やSSD(Sum of Squared Difference)等の方法が用いられる。
In step S <b> 4, the
その後、ステップS5へ進み、制御装置104は、ステップS3における動き探索処理によって得られた主要被写体の遷移先からの距離に応じて、各画素の第1類似度の重み付けを行うことにより、第2類似度を算出する。具体的には、制御装置104は、次式(2)によって第2類似度を算出する。
第2類似度 = 第1類似度×距離情報による重み ・・・(2)
Thereafter, the process proceeds to step S5, where the
2nd similarity = 1st similarity x weight based on distance information (2)
なお、式(2)において、距離情報による重み付けとしては、次式(3)に示すガウシアン関数や、次式(4)に示す線形関数を用いた重み付けが挙げられる。
ここで、ステップS3における動き探索処理からステップS5における第2類似度の算出までのイメージを図5を用いて説明する。図5(a)に示すように、ステップS3における動き探索処理によって、追尾対象である被写体5aの動きベクトル5bが算出される。なお、図5(a)に示す例では、被写体5aのiフレームにおける被写体位置が点線で示す枠内であったのに対して、i+1フレームでは実線で示す枠内に移動したことにより、動きベクトル5bが算出されている。
Here, an image from the motion search process in step S3 to the calculation of the second similarity in step S5 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5A, the
図5(b)は、ステップS5で、ステップS3における動き探索処理によって得られた主要被写体の遷移先5cからの距離に応じて、各画素の第1類似度の重み付けを行う場合の重み付けイメージを示す図である。この図5(b)に示す主要被写体の遷移先5cは、図5(a)に示したi+1フレームにおける被写体5aの位置に相当し、この遷移先5cを中心に近い画素ほど重みを高くし、中心から遠ざかるに従って重みを低くする。すなわち、図5(b)に示す例では、色が濃いほど重みが高く、色が薄くなるに従って重みが低くなっている。
FIG. 5B shows a weighted image when weighting the first similarity of each pixel according to the distance from the
図5(c)は、ステップS4で算出される第1類似度のイメージを示した図である。この例では、図5(a)における追尾対象の被写体5aに対応する第1類似度成分5eに加えて、他の被写体5cに対応する第1類似度成分5fや被写体5dに対応する第1類似度成分5gが算出されている。
FIG. 5C is a diagram showing an image of the first similarity calculated in step S4. In this example, in addition to the
図5(d)は、ステップS5において、第1類似度成分を動き探索処理によって得られた主要被写体の遷移先からの距離に応じて重み付けを行うことによって算出される第2類似度のイメージを示した図である。この図5(d)に示す例では、図5(b)に示した重み付けに基づいて、主要被写体の遷移先5cからの距離が近い、追尾対象の被写体5aに対応する第1類似度成分5eに対して大きな重み付けがなされた結果、被写体5aに対応する第2類似度成分5hが算出されている。
FIG. 5D shows an image of the second similarity calculated by weighting the first similarity component according to the distance from the transition destination of the main subject obtained by the motion search process in step S5. FIG. In the example shown in FIG. 5D, the
その後、ステップS6へ進み、制御装置104は、フレーム画像内でステップS5で算出した第2類似度の値が最小となる位置、すなわち第2類似度が最も高い位置を特定して抽出する。制御装置104は、ここで抽出した位置をフレーム画像内における追尾対象の被写体位置として特定することにより、フレーム間での被写体追尾を行う。その後、ステップS7へ進む。
Thereafter, the process proceeds to step S6, and the
ステップS7では、制御装置104は、次のフレーム画像に対する動き探索処理のために、ステップS6で抽出した第2類似度が最も高い位置の近傍領域から新たな動き探索用テンプレートを取得して、動き探索用のテンプレートの更新を行なって、ステップS8へ進む。
In step S7, the
ステップS8では、制御装置104は、ステップS6で特定した最も高い第2類似度、すなわち最良類似度があらかじめ定められた所定の閾値より大きいか否かを判断する。ステップS8で肯定判断した場合には、ステップS9へ進み、制御装置104は、次のフレーム画像に対するテンプレートマッチング処理のために、ステップS6で抽出した第2類似度が最も高い位置の近傍領域から新たな被写体追尾用のテンプレートを取得して、被写体追尾用のテンプレートの更新を行なって、ステップS10へ進む。これに対して、ステップS8で否定判断した場合には、そのままステップS10へ進む。
In step S8, the
このように、本実施の形態では、動き探索用のテンプレートは毎フレーム更新を行なうのに対して、被写体追尾用のテンプレートは、毎フレーム更新を行なうとは限らず、ステップS8の条件を満たしたときのみ更新を行なうこととする。これによって、動き探索用のテンプレートは、常に最新の被写体の形状を反映させたテンプレートとすることができるため、最新の被写体の形状を捉えて動きベクトルを算出できる。一方、被写体追尾用のテンプレートは、類似度が高い場合にのみ更新を行うため、誤マッチングの場合にテンプレートが更新されるのを防ぐことができ、高い精度でテンプレートマッチングを継続することができる。 As described above, in this embodiment, the motion search template is updated every frame, whereas the subject tracking template is not always updated every frame, and satisfies the condition of step S8. Update only when As a result, the motion search template can always be a template that reflects the latest shape of the subject, so that the motion vector can be calculated by capturing the latest shape of the subject. On the other hand, since the subject tracking template is updated only when the similarity is high, the template can be prevented from being updated in the case of incorrect matching, and the template matching can be continued with high accuracy.
ステップS10では、制御装置104は、処理を終了するか否かを判断する。例えば、制御装置104は、撮像素子103からのフレーム画像の入力が停止したときに、処理を終了すると判断する。ステップS10で否定判断した場合には、ステップS3へ戻って処理を繰り返す。これに対して、ステップS10で肯定判断した場合には、処理を終了する。
In step S10, the
以上説明した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を得ることができる。
(1)制御装置104は、動き探索処理を行なって、時系列で入力されるフレーム間の情報に基づいて被写体の遷移先を特定し、テンプレートマッチングを行って、フレーム内の各画素と被写体追尾用のテンプレートとの第1の類似度を算出する。そして、動き探索処理によって特定された被写体の遷移先からの距離に応じて、各画素の第1の類似度に対して重み付けを行って第2の類似度を算出し、第2の類似度に基づいて、フレーム内における被写体位置を特定するようにした。このように、被写体の遷移先からの距離に応じて第1の類似度を重み付けして得た第2の類似度に基づいて被写体位置を特定することにより、精度高く被写体位置を特定することができる。
According to the present embodiment described above, the following operational effects can be obtained.
(1) The
(2)制御装置104は、フレーム間での被写体の動きを示す動きベクトルを算出することによって被写体の遷移先を特定するようにした。これによって、被写体の遷移先を精度高く特定することができる。
(2) The
(3)制御装置104は、第2類似度が最も高い位置の近傍領域から新たな動き探索用テンプレートを取得して、動き探索用のテンプレートの更新を行なうようにした。これによって、動き探索用のテンプレートは、常に最新の被写体の形状を反映させたテンプレートとすることができるため、最新の被写体の形状を捉えて動きベクトルを算出できる。
(3) The
(4)制御装置104は、動き探索処理では、階層的なテンプレートマッチング処理によって動きベクトルを検出することにより、動き探索処理を行うようにした。これによって、各階層で探索エリアを小さくしても、被写体の大きな動きを正確かつ高速に検出することができる。
(4) In the motion search process, the
―変形例―
なお、上述した実施の形態のカメラは、以下のように変形することもできる。
(1)上述した実施の形態では、制御装置104は、スルー画を対象として被写体追尾を行う例について説明した。しかしながら、カメラ100が動画撮影機能を備えている場合には、制御装置104は、スルー画ではなく、撮影済みの動画のフレーム間で被写体追尾を行うようにしてもよい。
-Modification-
The camera of the above-described embodiment can be modified as follows.
(1) In the above-described embodiment, the
(2)上述し実施の形態では、カメラ100が供える制御装置104がテンプレートマッチング処理を行って被写体追尾を行う例について説明した。しかしながら、テンプレートマッチング処理を実行するためのプログラムをパソコンなどその他の端末に記録して、それらの端末上で処理を実行することも可能である。この場合、カメラで撮影した動画像データを被写体追尾装置として機能する端末側に取り込んで、これを対象に処理を行うようにすれば、動画のフレーム間で被写体追尾を行うことが可能となる。また、本発明はカメラ付き携帯電話などに適用することも可能である。
(2) In the above-described embodiment, the example in which the
なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、本発明は、上述した実施の形態における構成に何ら限定されない。また、上述の実施の形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。 Note that the present invention is not limited to the configurations in the above-described embodiments as long as the characteristic functions of the present invention are not impaired. Moreover, it is good also as a structure which combined the above-mentioned embodiment and a some modification.
100 カメラ、101 操作部材、102 レンズ、103 撮像素子、104 制御装置、105 メモリカードスロット、106 モニタ 100 Camera, 101 Operation member, 102 Lens, 103 Image sensor, 104 Control device, 105 Memory card slot, 106 Monitor
Claims (6)
テンプレートマッチングを行って、フレーム内の各画素と被写体追尾用のテンプレートとの第1の類似度を算出する第1の類似度算出手段と、
前記遷移先特定手段により特定された前記被写体の遷移先からの距離に応じて、前記第1の類似度算出手段によって算出された各画素の前記第1の類似度に対して重み付けを行って、第2の類似度を算出する第2の類似度算出手段と、
前記第2の類似度算出手段によって算出された前記第2の類似度に基づいて、フレーム内における被写体位置を特定する被写体位置特定手段とを備えることを特徴とする被写体追尾装置。 A transition destination specifying means for specifying a transition destination of a subject based on information between frames input in time series;
First similarity calculation means for performing template matching to calculate a first similarity between each pixel in the frame and a template for subject tracking;
According to the distance from the transition destination of the subject specified by the transition destination specifying means, weighting is performed on the first similarity of each pixel calculated by the first similarity calculation means, A second similarity calculating means for calculating a second similarity;
A subject tracking device comprising: subject position specifying means for specifying a subject position in a frame based on the second similarity calculated by the second similarity calculating means.
前記遷移先特定手段は、フレーム間での被写体の動きを示す動きベクトルを算出することによって、前記被写体の遷移先を特定することを特徴とする被写体追尾装置。 The subject tracking device according to claim 1,
The subject tracking device characterized in that the transition destination specifying means specifies a transition destination of the subject by calculating a motion vector indicating the motion of the subject between frames.
前記被写体位置特定手段によって特定された被写体位置近傍領域内の画像を用いて前記動きベクトルを算出するための動き探索用のテンプレートを更新するテンプレート更新手段をさらに備えることを特徴とする被写体追尾装置。 The subject tracking device according to claim 2,
A subject tracking apparatus, further comprising a template update unit that updates a motion search template for calculating the motion vector using an image in a region near the subject position specified by the subject position specifying unit.
前記遷移先特定手段は、同一フレームに基づいて異なる解像度の複数枚の画像を生成し、低解像度の画像から順番に前記動き探索用のテンプレートを用いたテンプレートマッチング処理を行って前記動きベクトルを算出することを特徴とする被写体追尾装置。 The subject tracking device according to claim 3,
The transition destination specifying unit generates a plurality of images with different resolutions based on the same frame, and performs the template matching process using the motion search template in order from the low resolution images to calculate the motion vector. An object tracking device characterized by:
時系列で入力されるフレーム間の情報に基づいて、被写体の遷移先を特定する遷移先特定手順と、
テンプレートマッチングを行って、フレーム内の各画素と被写体追尾用のテンプレートとの第1の類似度を算出する第1の類似度算出手順と、
前記遷移先特定手順で特定した前記被写体の遷移先からの距離に応じて、前記第1の類似度算出手順で算出した各画素の前記第1の類似度に対して重み付けを行って、第2の類似度を算出する第2の類似度算出手順と、
前記第2の類似度算出手順で算出した前記第2の類似度に基づいて、フレーム内における被写体位置を特定する被写体位置特定手順とを実行させるための被写体追尾プログラム。 On the computer,
Based on information between frames input in time series, a transition destination specifying procedure for specifying a transition destination of a subject,
A first similarity calculation procedure for performing a template matching to calculate a first similarity between each pixel in the frame and a subject tracking template;
The first similarity of each pixel calculated in the first similarity calculation procedure is weighted according to the distance from the transition destination of the subject specified in the transition destination specification procedure, and a second A second similarity calculation procedure for calculating the similarity of
A subject tracking program for executing a subject position specifying procedure for specifying a subject position in a frame based on the second similarity calculated in the second similarity calculation procedure.
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