JP4538426B2 - Movement vector detection apparatus, movement vector detection method, and movement vector detection program - Google Patents

Movement vector detection apparatus, movement vector detection method, and movement vector detection program Download PDF

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本発明は、輝度変動が著しい連続する時系列画像から移動対象の移動ベクトルを安定かつロバストに推定する技術に関する。   The present invention relates to a technique for stably and robustly estimating a movement vector of a movement target from continuous time-series images with significant luminance fluctuations.

現在、時系列画像から物体の動き(オプティカルフロー)を推定する研究は、コンピュータビジョン分野において重要な位置を占めており、日々盛んに研究が進められている。   At present, research for estimating object motion (optical flow) from time-series images occupies an important position in the field of computer vision, and research is actively conducted every day.

動きを検出する最も基本的な方法は、連続する2枚の画像間における高い類似性を利用する相互相関法(CC法)であり、MPEGに代表される符号化の分野において良く知られている。具体的には、2枚の時系列画像において輝度変化がないことを前提とし、画像間の類似性を相互相関関数などにより評価して類似する領域を画像間の移動ベクトルとみなす方法である。推定精度を向上させるために、画像を複数のブロックに分割してサブブロック単位で移動ベクトルを求める方法も用いられている。   The most basic method for detecting motion is a cross-correlation method (CC method) that uses high similarity between two consecutive images, and is well known in the field of coding represented by MPEG. . Specifically, on the premise that there is no luminance change in two time-series images, the similarity between images is evaluated by a cross-correlation function or the like, and a similar region is regarded as a movement vector between images. In order to improve estimation accuracy, a method is also used in which an image is divided into a plurality of blocks and a movement vector is obtained in units of sub-blocks.

一方、コンピュータビジョン分野では、オプティカルフロー法を利用して動きを検出する方法が知られている。このオプティカルフロー法は、動画像から各点の動きを求める手法の一つで、画像輝度の空間的変化と時間的変化を調べ、各点がどちらへどんな速さで移動したかを求める方法である。具体的には、連続する2枚以上の画像から正則化と呼ばれる枠組みで対象の動き速度を推定する方法であり、2枚の時系列画像に基づいて目的関数として定義された式から変分法(もしくは、オイラー・ラグランジュ法)に従って非線形連立方程式を得る。この非線形連立方程式を計算する動作を緩和法により反復誤差が小さくなるまで繰り返す。このようにして収束した解が、2枚の画像間における移動対象の速度ベクトルとなる。なお、画像の輝度値,強度値または濃淡値の意味するところは全て等価であり、計算する際に使用される画像データは画像の濃淡値である。   On the other hand, in the computer vision field, a method for detecting motion using an optical flow method is known. This optical flow method is one of the methods to determine the movement of each point from a moving image. It is a method to check the spatial change and temporal change of the image brightness and determine how fast each point has moved. is there. Specifically, it is a method for estimating the motion speed of a target from a sequence of two or more images in a framework called regularization, and a variational method based on an expression defined as an objective function based on two time-series images. A nonlinear simultaneous equation is obtained according to (or Euler-Lagrange method). This operation of calculating the nonlinear simultaneous equations is repeated until the iteration error is reduced by the relaxation method. The solution converged in this way becomes a velocity vector to be moved between the two images. It should be noted that the meanings of the luminance value, intensity value, and gray value of the image are all equivalent, and the image data used in the calculation is the gray value of the image.

従来のオプティカルフロー法では、画像の一定領域内における流量の出入が保存されること、つまり、輝度変動は一定であることを前提に式(1)を導き、この式(1)を計算することにより速度ベクトルが求められていた。
In the conventional optical flow method, equation (1) is derived on the assumption that the flow rate in and out of a certain region of the image is preserved, that is, the luminance fluctuation is constant, and this equation (1) is calculated. Therefore, the velocity vector was obtained.

式(1)中、Eは2次元画像(x,y)の時間tにおける輝度(濃淡)を表すものである。vは速度ベクトルである。左辺第一項は、微小時間における輝度変化の関数、第二項は、輝度の発散量の関数を示すものであり、右辺をゼロとすることで輝度変動を一定とすることを表している。   In Expression (1), E represents the luminance (lightness / darkness) of the two-dimensional image (x, y) at time t. v is a velocity vector. The first term on the left side represents a function of luminance change in a minute time, and the second term represents a function of the amount of luminance divergence, and represents that the luminance variation is constant by setting the right side to zero.

次に、この式(1)を微分演算の規則により展開することで、式(2)を得ることができる。
Next, Formula (2) can be obtained by expanding Formula (1) according to the rules of differential operation.

さらに、画像中の流動体の移動変位ベクトルdは、離散時間幅Δtと速度ベクトルvにより、式(3)で定義することができる。
Furthermore, the moving displacement vector d of the fluid in the image can be defined by Equation (3) by the discrete time width Δt and the velocity vector v.

式(2)および式(3)を用いて、時間に関する積分計算を行うことにより、式(4)および式(5)を容易に得ることができる。
Expression (4) and Expression (5) can be easily obtained by performing integral calculation with respect to time using Expression (2) and Expression (3).

式(4)は、時間に関する一次微分方程式であり、この式(4)を解析的に解くことにより一般解である式(5)を得ることができる。なお、式(4)の右側に記述された式(∀u∈(t,t+Δt))は、離散時間Δtの間にx軸方向の速度uが全て含まれていることを表している。   Equation (4) is a first-order differential equation with respect to time, and equation (5), which is a general solution, can be obtained by analytically solving equation (4). Note that the equation (∀uε (t, t + Δt)) described on the right side of the equation (4) represents that the velocity u in the x-axis direction is all included in the discrete time Δt.

この式(5)に対し、テイラー展開を通じて輝度に関する輝度変動方程式が式(6)のように導かれる。この式(6)を最小化問題として収束計算することにより、速度ベクトルを推定する。
For this equation (5), a luminance variation equation relating to luminance is derived as shown in equation (6) through Taylor expansion. The velocity vector is estimated by performing convergence calculation using Equation (6) as a minimization problem.

しかしながら、式(6)のみによる計算では解を収束させることができないので、式(6)に対して一定の条件を導入して計算を行う。ここで、流体力学的な拘束条件として、発散度および渦度を考慮した拘束条件を式(7)で定義する。
However, since the solution cannot be converged by calculation using only equation (6), a certain condition is introduced into equation (6) for calculation. Here, as a hydrodynamic constraint condition, a constraint condition considering the divergence and vorticity is defined by Equation (7).

右辺の第一項および第二項が発散度方程式であり、第一項のξおよび第二項は収束計算を行うための発散度に関する誤差を考慮したものである。右辺の第三項と第四項が渦度方程式であり、第三項のζおよび第四項は収束計算上を行うための渦度に関する誤差を考慮したものである。   The first term and the second term on the right side are divergence equations, and the first term ξ and the second term consider errors related to the divergence for performing the convergence calculation. The third term and the fourth term on the right side are vorticity equations, and the third term ζ and the fourth term consider errors related to vorticity for performing convergence calculation.

式(6)および式(7)から目的関数を式(8)を導出する。αは、正則化パラメータである。なお、d=(u,v)の式における左辺のdは移動速度ベクトルであり、右辺の(u,v)は単位時間あたりのx軸およびy軸の速度ベクトルである。
Equation (8) is derived from the equations (6) and (7) as the objective function. α is a regularization parameter. In the equation d = (u, v), d on the left side is a moving speed vector, and (u, v) on the right side are x-axis and y-axis speed vectors per unit time.

従い、速度ベクトル(u,v)は、式(8)の発散度の誤差ξ,および渦度の誤差ζが小さくなるまで収束計算を行うことで計算することができる。   Accordingly, the velocity vector (u, v) can be calculated by performing convergence calculation until the divergence error ξ and the vorticity error ζ in Equation (8) become small.

具体的には、式(8)は汎関数であるので、変分法の枠組みによりオイラー・ラグランジュ方程式を介して3つの変数(Δd,ξ,ζ)についての非線形連立方程式を容易に得ることができる。ここで、離散化された計算格子として、2次元画像の画素の位置を(i,j)で定義した場合、発散度および渦度は、有限差分法により離散化された式(9)で記述することができる。
Specifically, since Equation (8) is a functional, a nonlinear simultaneous equation for three variables (Δd, ξ, ζ) can be easily obtained via the Euler-Lagrange equation by the framework of the variational method. it can. Here, when the position of the pixel of the two-dimensional image is defined by (i, j) as a discretized calculation grid, the divergence and vorticity are described by the equation (9) discretized by the finite difference method. can do.

また、この非線形連立方程式を計算する際に用いる非線形ロバスト関数として、Leclerc関数を用いる。これは、急峻な輝度変化による不安定な計算を抑制するためである。σは分散を表している。
Further, a Leclerc function is used as a nonlinear robust function used when calculating the nonlinear simultaneous equations. This is to suppress unstable calculation due to a steep luminance change. σ represents dispersion.

故に、速度ベクトル(u,v)は、上述した非線形連立方程式,式(9),式(10),および2次元画像の位置(i,j)における画像の濃淡値を利用することにより、誤差ξ,ζが小さくなるまで収束計算を行うことで計算することができる。計算効率上、3つの変数(Δd,ξ,ζ)の初期値をいずれもゼロと設定し、これら3つのうち1つを変数、残り2つを固定値とみなして繰り返し収束計算をすることで、速度ベクトル(u,v)を推定する。   Therefore, the velocity vector (u, v) is obtained by using the above-described nonlinear simultaneous equations, the equations (9), (10), and the gray value of the image at the position (i, j) of the two-dimensional image. It can be calculated by performing convergence calculation until ξ and ζ become small. In terms of calculation efficiency, the initial values of the three variables (Δd, ξ, ζ) are all set to zero, and one of these three is regarded as a variable and the remaining two are regarded as fixed values. Estimate the velocity vector (u, v).

なお、ここで用いている定式化は、非特許文献1乃至3に従っている。
J.L. Barron、他2名、「Performance of Optical Flow Techniques」、IJCV、1994、vol.12、no.1、p.43-77 Richard P. Wildes、他3名、「Recovering Estimates of Fluid Flow from Image Sequence Data」、CVIU、2000、vol.80、p.246-266 Thomas Corpetti、他2名、「Dense Estimation of Fluid Flows」、IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE、2002年3月、vol.24、no.3、p.365-381
The formulation used here is in accordance with Non-Patent Documents 1 to 3.
JL Barron, two others, "Performance of Optical Flow Techniques", IJCV, 1994, vol.12, no.1, p.43-77 Richard P. Wildes, 3 others, "Recovering Estimates of Fluid Flow from Image Sequence Data", CVIU, 2000, vol.80, p.246-266 Thomas Corpetti, 2 others, “Dense Estimation of Fluid Flows”, IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE, March 2002, vol.24, no.3, p.365-381

オプティカルフロー法を用いて動きを検出する場合、上記にて説明したように、一般的には輝度変動を一定とする前提条件を考慮した場合が多い。つまり、突発的に発生する輝度変化を考慮することなく、画像の動きは常に滑らかであると仮定し、速度の1次微分や2次微分が近似的にゼロになるように設定して動きを推定している。   When motion is detected using the optical flow method, as described above, in general, in many cases, a precondition that the luminance variation is constant is considered. In other words, it is assumed that the motion of the image is always smooth without considering the sudden luminance change, and the motion is set by setting the first and second derivatives of velocity to approximately zero. Estimated.

しかしながら、我々の周辺に存在する実際の環境では、オクルージョンや陰影による局所的な輝度変動や、気象レーダパターンおよび衛星画像パターンから観測される雲や雨などの急峻な発達,衰退,分裂,融合,消失など複雑な輝度変動が常に発生している。   However, in the actual environment around us, local brightness fluctuations due to occlusion and shadows, steep developments such as clouds and rain observed from weather radar patterns and satellite image patterns, decline, division, fusion, Complex brightness fluctuations such as disappearance are always occurring.

つまり、従来のオプティカルフロー法では、渦度や発散度と呼ばれる数値流体力学の分野で定式化されている方程式を拘束条件として適用しているが、渦の発達や衰退といった流体本来の特徴を有する輝度変動を考慮していないので、気象レーダパターンから推測される雲などの動きは不自然な乱れとして検出され、動きを推定する精度は低いという問題がある。   In other words, in the conventional optical flow method, an equation formulated in the field of numerical fluid dynamics called vorticity and divergence is applied as a constraint, but it has the original characteristics of fluid such as vortex development and decay. Since luminance fluctuations are not taken into account, there is a problem that the movement of clouds or the like estimated from the weather radar pattern is detected as an unnatural disturbance and the accuracy of estimating the movement is low.

また、衛星画像のような流体状パターンでは、気象レーダパターンと比べて流体のエッジ構造が明瞭ではなく、画像間の輝度変動は比較的小さいので、渦などが観測された場合であっても一定の動きに対しては一定の精度を得ることができるが、集中豪雨や雷雲などのように対流現象の周期が極めて短い場合には大きな輝度変化が発生するので、輝度変動が常に発生しないと仮定して流体状の動きを推定すると、上記と同様に不自然なものとなり、結果として推定精度が低いという問題がある。   Also, fluid-like patterns such as satellite images are not clear in the edge structure of fluids compared to weather radar patterns, and brightness fluctuations between images are relatively small, so even if vortices are observed, they are constant. It is possible to obtain a certain degree of accuracy with respect to the movement of the image, but it is assumed that the luminance fluctuation does not always occur because a large luminance change occurs when the period of the convection phenomenon is extremely short such as torrential rain or thundercloud If the fluid motion is estimated, it becomes unnatural as described above, resulting in a problem that the estimation accuracy is low.

本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、輝度変動を生ずる映像から移動対象の動き(速度)ベクトルを推定する精度の安定化と高精度化を行うことを課題とする。   The present invention has been made in view of the above, and it is an object of the present invention to stabilize and improve the accuracy of estimating a motion (speed) vector of a moving target from a video that causes luminance fluctuations.

第1の本発明に係る移動ベクトル検出装置は、移動対象を含む画像を入力する画像入力手段と、入力された前記画像を時系列に蓄積する画像蓄積手段と、蓄積された前記画像を読み出して、前記画像毎に異なる空間解像度を有する階層画像を生成して階層画像蓄積手段に蓄積する階層画像生成手段と、画像上の位置の輝度値を自己回帰モデルまたは多項式回帰モデルに適用し、時系列画像間の輝度変動量(=(∂E(x)/∂t)+∇E(x)・Δt・v(x,t))(但し、vは位置xにおける時刻tでの速度ベクトル、Eは位置xの輝度値、Δtは離散化した時間幅)が当該自己回帰モデルまたは当該多項式回帰モデルに従うとした輝度変動方程式F を導出し、当該式F に対して前記画像上の位置の輝度の発散度および渦度を拘束条件に用いた式F を定義し、前記式F と前記式F との和を最小化することを目的とした目的関数を導出して目的関数格納手段に格納する目的関数導出手段と、格納された前記目的関数を読み出して、連続する2枚の前記画像に対する前記階層画像のうち空間解像度の低い2枚の前記階層画像の輝度値を前記目的関数に代入し、当該目的関数の前記発散度の誤差および前記渦度の誤差が収束するまで繰り返し演算することで前記移動対象の速度ベクトルを仮推定して速度ベクトル格納手段に格納する速度ベクトル仮推定手段と、格納された前記目的関数と前記速度ベクトルとを読み出して、当該速度ベクトルと次に空間解像度の高い2枚の前記階層画像の輝度値とを前記目的関数に代入し、当該目的関数の前記発散度の誤差および前記渦度の誤差が収束するまで繰り返し演算することで前記移動対象の前記速度ベクトルを推定して速度ベクトル格納手段に格納する速度ベクトル推定手段と、を有することを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a moving vector detection device, an image input unit for inputting an image including a moving object, an image storage unit for storing the input image in time series, and reading the stored image. Applying a luminance value at a position on the image to an autoregressive model or a polynomial regression model, generating a hierarchical image having a different spatial resolution for each image and storing the hierarchical image in the hierarchical image accumulating unit; Luminance fluctuation amount between images (= (∂E (x) / ∂t) + ∇E (x) · Δt · v (x, t)) (where v is a velocity vector at time t at position x, E the luminance value of the position x, Delta] t derives a luminance variation equation F 1 which discretized time width) has to follow the autoregressive model or the polynomial regression model, the position on the image with respect to the formula F 1 Constraining brightness divergence and vorticity And the objective function deriving unit that stores the objective function storing means to define an expression F 2, to derive the objective function aims to minimize the sum of the formula F 1 and the formula F 2 used for, Reading the stored objective function, substituting the objective function for the brightness value of the two hierarchical images having a low spatial resolution among the hierarchical images for the two consecutive images, and the divergence of the objective function Speed vector temporary estimation means for temporarily estimating the speed vector of the moving object by repeatedly calculating until the error of the degree and the error of the vorticity converge, and storing the speed vector in the speed vector storage means, and the stored objective function reads said velocity vector, by substituting the luminance value of the velocity vector and the next higher spatial resolution two of the hierarchical image to the objective function, the divergence of the error and the vortex of the objective function Error is characterized by having a a velocity vector estimation means for storing the velocity vector storage means to estimate the velocity vector of the moving object by calculating repeatedly until convergence.

本発明にあっては、輝度変動量を自己回帰モデルまたは多項式回帰モデルとする方程式から輝度変動方程式を導いて速度ベクトルを推定するので、実環境を映像でセンシングした時に観測される渦などの強い非線形な動きと大きな輝度変動を伴っている場合であっても、移動対象の動きを確実に追随することができ、その動き(速度)ベクトルの安定化かつ高精度化を実現することができる。   In the present invention, since the velocity vector is estimated by deriving the luminance variation equation from the equation in which the luminance variation amount is an autoregressive model or a polynomial regression model, a strong vortex or the like observed when sensing the real environment with an image. Even when there is a non-linear motion and a large luminance variation, the motion of the moving object can be reliably followed, and the motion (speed) vector can be stabilized and highly accurate.

また、異なる空間解像度を有する複数の階層画像を連続する2枚の画像に対してそれぞれ生成し、生成された複数の階層画像のうち空間解像度の低い2枚の階層画像を用いて速度ベクトルを仮推定し、この速度ベクトルと次に空間解像度の高い2枚の階層画像とを用いて速度ベクトルを推定する。これにより、階層画像の面積および空間解像度を低くして計算量を減らすことができるので、速度ベクトルの収束計算の速度を向上させることができ、確実に収束させることができる。   In addition, a plurality of hierarchical images having different spatial resolutions are respectively generated for two consecutive images, and a velocity vector is temporarily calculated using two hierarchical images having a low spatial resolution among the generated hierarchical images. The velocity vector is estimated using the velocity vector and two hierarchical images having the next highest spatial resolution. As a result, the area and spatial resolution of the hierarchical image can be reduced to reduce the amount of calculation, so that the speed vector convergence calculation speed can be improved and the convergence can be ensured.

上記移動ベクトル検出装置において、前記速度ベクトル推定手段は、当該速度ベクトル推定手段により格納された前記速度ベクトルと前記速度ベクトル推定手段で用いた前記2枚の階層画像の次に空間解像度の高い2枚の前記階層画像の輝度値とを前記目的関数に代入して前記速度ベクトルを推定することを繰り返し、当該速度ベクトルを前記速度ベクトル格納手段に格納することを特徴とする。 In the movement vector detection apparatus, the speed vector estimation means includes two images having the next highest spatial resolution after the speed vector stored by the speed vector estimation means and the two hierarchical images used by the speed vector estimation means. Substituting the brightness value of the hierarchical image in the objective function into the objective function to repeatedly estimate the velocity vector, and storing the velocity vector in the velocity vector storage means.

本発明にあっては、速度ベクトル推定手段により推定された速度ベクトルと速度ベクトル推定手段で用いた2枚の階層画像の次に空間解像度の高い2枚の階層画像の輝度値とを用いて速度ベクトルを推定することを繰り返すことにより、画像間の移動対象の速度ベクトルを推定することができるので、上記と同様に、階層画像の面積および空間解像度を低くして計算量を減らすことができ、速度ベクトルの収束計算の速度を向上させることができる。 In the present invention, the velocity vector is estimated using the velocity vector estimated by the velocity vector estimating means and the luminance values of the two hierarchical images having the next highest spatial resolution after the two hierarchical images used by the velocity vector estimating means. By repeating the estimation of the vector, it is possible to estimate the velocity vector of the moving object between the images, and similarly to the above, the area and spatial resolution of the hierarchical image can be reduced to reduce the calculation amount, The speed of the speed vector convergence calculation can be improved.

上記移動ベクトル検出装置において、前記速度ベクトル仮推定手段および前記速度ベクトル推定手段は、前記目的関数を演算する際に用いる非線形ロバスト関数として、ローレンツ関数を用いることを特徴とする。   In the movement vector detection apparatus, the velocity vector temporary estimation unit and the velocity vector estimation unit use a Lorentz function as a nonlinear robust function used when calculating the objective function.

本発明にあっては、ローレンツ関数を非線形ロバスト関数として適用することにより、速度ベクトルの収束計算の速度をより高速に行うことができる。   In the present invention, by applying the Lorentz function as a nonlinear robust function, the speed vector convergence calculation speed can be increased.

第2の本発明に係る移動ベクトル検出方法は、移動対象を含む画像を画像入力手段により入力する第1ステップと、入力された前記画像を画像蓄積手段により時系列に蓄積する第2ステップと、蓄積された前記画像を読み出して、前記画像毎に異なる空間解像度を有する階層画像を生成して階層画像生成手段により階層画像蓄積手段に蓄積する第3ステップと、画像上の位置の輝度値を自己回帰モデルまたは多項式回帰モデルに適用し、時系列画像間の輝度変動量(=(∂E(x)/∂t)+∇E(x)・Δt・v(x,t))(但し、vは位置xにおける時刻tでの速度ベクトル、Eは位置xの輝度値、Δtは離散化した時間幅)が当該自己回帰モデルまたは当該多項式回帰モデルに従うとした輝度変動方程式F を導出し、当該式F に対して前記画像上の位置の輝度の発散度および渦度を拘束条件に用いた式F を定義し、前記式F と前記式F との和を最小化することを目的とした目的関数を導出して目的関数導出手段により目的関数格納手段に格納する第4ステップと、格納された前記目的関数を読み出して、連続する2枚の前記画像に対する前記階層画像のうち空間解像度の低い2枚の前記階層画像の輝度値を前記目的関数に代入し、当該目的関数の前記発散度の誤差および前記渦度の誤差が収束するまで繰り返し演算することで前記移動対象の速度ベクトルを仮推定して速度ベクトル仮推定手段により速度ベクトル格納手段に格納する第5ステップと、格納された前記目的関数と前記速度ベクトルとを読み出して、当該速度ベクトルと次に空間解像度の高い2枚の前記階層画像の輝度値とを前記目的関数に代入し、当該目的関数の前記発散度の誤差および前記渦度の誤差が収束するまで繰り返し演算することで前記移動対象の前記速度ベクトルを推定して速度ベクトル推定手段により速度ベクトル格納手段に格納する第6ステップと、を有することを特徴とする。 The movement vector detection method according to the second aspect of the present invention includes a first step of inputting an image including a moving object by an image input unit, a second step of storing the input image in time series by an image storage unit, reading the stored image; a third step of storing the hierarchical image storage unit by the hierarchical image generating means to generate a hierarchical image having different spatial resolutions for each of the images, the luminance values of the position on the image self Applied to regression model or polynomial regression model, luminance fluctuation amount between time series images (= (∂E (x) / ∂t) + ∇E (x) · Δt · v (x, t)) (where v Is the velocity vector at time t at position x, E is the luminance value at position x, Δt is the discretized time width) and derives the luminance variation equation F 1 assuming that it follows the autoregressive model or the polynomial regression model, in the equation F 1 Purpose of the divergence and vorticity of the luminance of the position on the image to define an expression F 2 used for the constraint conditions, aimed at minimizing the sum of the formula F 1 and the formula F 2 A fourth step of deriving a function and storing the objective function in the objective function storage means by the objective function deriving means; and reading out the stored objective function to obtain a low spatial resolution 2 of the hierarchical images for the two consecutive images Substituting the brightness values of the layer images into the objective function, the velocity vector of the moving object is temporarily estimated by repeatedly calculating until the divergence error and the vorticity error of the objective function converge The fifth step of storing in the speed vector storage means by the speed vector temporary estimation means, and reading out the stored objective function and the speed vector, and the speed vector and the next two images having the next higher spatial resolution Substituting the luminance value of the hierarchical image to the objective function, to estimate the velocity vector of the moving object in the repeated computation that until the error of the divergence of the error and the vorticity of the objective function converges And a sixth step of storing in the speed vector storing means by the speed vector estimating means.

上記移動ベクトル検出方法において、前記第6ステップは、前記速度ベクトル推定手段により格納された前記速度ベクトルと前記第6ステップで用いた前記2枚の階層画像の次に空間解像度の高い2枚の前記階層画像の輝度値とを前記目的関数に代入して前記速度ベクトルを推定することを繰り返し、当該速度ベクトルを前記速度ベクトル推定手段により前記速度ベクトル格納手段に格納することを特徴とする。 In the movement vector detection method, the sixth step includes the two vectors having the next highest spatial resolution after the velocity vector stored by the velocity vector estimation means and the two hierarchical images used in the sixth step. Substituting the brightness value of the hierarchical image into the objective function to repeatedly estimate the speed vector, and storing the speed vector in the speed vector storage means by the speed vector estimation means.

上記移動ベクトル検出方法において、前記第5ステップおよび前記第6ステップは、前記目的関数を演算する際に用いる非線形ロバスト関数として、ローレンツ関数を用いることを特徴とする。   In the movement vector detection method, the fifth step and the sixth step use a Lorentz function as a nonlinear robust function used when calculating the objective function.

第3の本発明に係る移動ベクトル検出プログラムは、上記移動ベクトル検出方法に記載の移動ベクトル検出方法における各ステップをコンピュータによって実行させることを特徴とする。   A moving vector detection program according to a third aspect of the present invention causes a computer to execute each step in the moving vector detection method described in the moving vector detection method.

本発明によれば、輝度変動を生ずる映像から移動対象の動き(速度)ベクトルを推定する精度の安定化と高精度化を行うことができる。   According to the present invention, it is possible to stabilize and improve the accuracy of estimating a motion (speed) vector of a moving object from a video that causes luminance fluctuations.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態に係る移動ベクトル検出装置を示した構成図である。図1に示すように、移動ベクトル検出装置10は、画像を入力する画像入力部100、画像を時系列画像として蓄積する画像蓄積部110、画像毎に異なる空間解像度を有する複数の階層画像を生成する階層画像生成部120、目的関数を導出する目的関数導出部130、速度ベクトルを推定する速度ベクトル推定部140、および移動ベクトル表示部150を備えた構成である。   FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a movement vector detection apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the movement vector detection apparatus 10 generates an image input unit 100 that inputs an image, an image storage unit 110 that stores an image as a time-series image, and a plurality of hierarchical images having different spatial resolutions for each image. A hierarchical image generating unit 120, an objective function deriving unit 130 for deriving an objective function, a velocity vector estimating unit 140 for estimating a velocity vector, and a movement vector display unit 150.

上記移動ベクトル検出装置10は、コンピュータ本体を構成するCPU,メモリ,ハードディスクなどにより実現される。また、次に説明する各ステップ(S1〜S6)の動作処理はプログラムで実行され、画像蓄積部110,階層画像蓄積部,目的関数格納部,および速度ベクトル格納部は、メモリまたはハードディスクにより構成される。   The moving vector detection device 10 is realized by a CPU, a memory, a hard disk, and the like constituting a computer main body. In addition, operation processing of each step (S1 to S6) described below is executed by a program, and the image storage unit 110, the hierarchical image storage unit, the objective function storage unit, and the velocity vector storage unit are configured by a memory or a hard disk. The

上記にて説明した移動ベクトル検出装置10の動作処理について説明する。   An operation process of the movement vector detection device 10 described above will be described.

最初に、画像入力部100には、移動対象が記録された複数の画像が入力される(S1)。この移動対象とは、例えば、気象レーダなどにより撮影された雲などの流動体を示すものである。   First, a plurality of images in which movement targets are recorded are input to the image input unit 100 (S1). This moving object indicates, for example, a fluid such as a cloud photographed by a weather radar or the like.

次に、画像蓄積部110には、画像入力部100により入力された複数の画像が時系列に蓄積される(S2)。時系列とは、時間とともに変動する現象の観測値を時間とともに記録した並びを意味するものである。   Next, a plurality of images input by the image input unit 100 are stored in the image storage unit 110 in time series (S2). The time series means a sequence in which observed values of phenomena that change with time are recorded with time.

続いて、階層画像生成部120は、画像蓄積部110により蓄積された複数の時系列画像のうち、連続する2枚の蓄積画像を画像蓄積部110から読み出して、その2枚の蓄積画像それぞれに対して、蓄積画像よりも空間解像度の低い(粗い)複数の階層画像を生成し、階層画像蓄積部に蓄積する(S3)。   Subsequently, the hierarchical image generation unit 120 reads two consecutive stored images from the plurality of time-series images stored by the image storage unit 110 from the image storage unit 110, and stores each of the two stored images. On the other hand, a plurality of hierarchical images having a lower (rougher) spatial resolution than the stored image are generated and stored in the hierarchical image storage unit (S3).

この階層画像生成について、図2を用いて説明する。図2は、ある時間tにおける蓄積画像200と時間tに連続する時間t+1における蓄積画像210とにおける階層画像を示した模式図である。階層画像生成部120は、蓄積画像200を用いて、この蓄積画像200よりも空間解像度の低い解像度を有する縮小された階層画像201を生成し、さらに、階層画像201よりも空間解像度の低い解像度を有する縮小された階層画像202を生成する。蓄積画像210についても同様に、階層画像生成部120は、この蓄積画像210よりも空間解像度の低い解像度を有する縮小された階層画像211を生成し、さらに、階層画像211よりも空間解像度の低い解像度を有する縮小された階層画像212を生成する。なお、1つの蓄積画像から3つ以上の階層画像を生成することも可能である。   This hierarchical image generation will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing a hierarchical image in the accumulated image 200 at a certain time t and the accumulated image 210 at a time t + 1 that is continuous with the time t. The hierarchical image generation unit 120 uses the stored image 200 to generate a reduced hierarchical image 201 having a resolution lower than that of the stored image 200, and further to a resolution lower than that of the hierarchical image 201. A reduced hierarchical image 202 is generated. Similarly for the accumulated image 210, the hierarchical image generation unit 120 generates a reduced hierarchical image 211 having a lower spatial resolution than the accumulated image 210, and further has a lower spatial resolution than the hierarchical image 211. To generate a reduced hierarchical image 212. It is also possible to generate three or more hierarchical images from one stored image.

そして、目的関数導出部130は、輝度変動量を自己回帰モデルまたは多項式回帰モデルとする方程式から輝度変動方程式を導き、この輝度変動方程式と発散度に関する発散度方程式と渦度に関する渦度方程式とから速度ベクトルと発散度の誤差と渦度の誤差に関する目的関数を導出し、目的関数格納部に格納する(S4)。目的関数の具体的な導出方法については後述する。なお、ここで説明したS4は、S3の後の動作に限られるものではなく、上記S1〜S3の間もしくはS1より前であってもよい。   Then, the objective function deriving unit 130 derives a luminance variation equation from an equation having the luminance variation amount as an autoregressive model or a polynomial regression model, and from the luminance variation equation, the divergence equation related to divergence, and the vorticity equation related to vorticity. An objective function related to the velocity vector, the divergence error, and the vorticity error is derived and stored in the objective function storage unit (S4). A specific method for deriving the objective function will be described later. Note that S4 described here is not limited to the operation after S3, and may be between S1 to S3 or before S1.

その後、速度ベクトル推定部140は、目的関数格納部から目的関数を読み出して、階層画像生成部120により生成された複数の階層画像をその目的関数に代入することで速度ベクトルを推定し、速度ベクトル格納部に格納する(S5)。   Thereafter, the velocity vector estimation unit 140 reads the objective function from the objective function storage unit, substitutes a plurality of hierarchical images generated by the hierarchical image generation unit 120 for the objective function, estimates the velocity vector, and Store in the storage unit (S5).

具体的には、初期値をゼロとする速度ベクトルと複数の階層画像のうち最も空間解像度の低い階層画像202および階層画像212とを用いて速度ベクトルを仮推定する。これにより仮推定されたその速度ベクトルと次に空間解像度の高い階層画像201および階層画像211とを用いて第1の速度ベクトルを推定する。そして、この第1の速度ベクトルと階層画像を生成する元の画像である蓄積画像200および蓄積画像210を用いて、第2の速度ベクトルを推定する。この第2の本速度ベクトルが、連続する画像間における移動対象の速度ベクトルとなる。   Specifically, the velocity vector is temporarily estimated using the velocity vector whose initial value is zero and the hierarchical image 202 and the hierarchical image 212 having the lowest spatial resolution among the plurality of hierarchical images. Thus, the first velocity vector is estimated using the temporarily estimated velocity vector and the hierarchical image 201 and the hierarchical image 211 having the next highest spatial resolution. Then, the second velocity vector is estimated using the first velocity vector and the accumulated image 200 and the accumulated image 210 which are the original images for generating the hierarchical images. This second main velocity vector becomes a velocity vector to be moved between successive images.

なお、1つの蓄積画像から3つ以上の階層画像が生成される場合であっても、最も空間解像度の低い2枚の階層画像から順番に、上記と同様に、階層画像を生成した元の2枚の画像(上記の場合、蓄積画像200および蓄積画像210)を用いて速度ベクトルを推定するまで同様の計算を繰り返し行うことにより、連続する2枚の画像間における移動対象の速度ベクトルを推定することができる。なお、具体的な速度ベクトルの推定方法については後述する。   Even when three or more hierarchical images are generated from one stored image, the two original hierarchical images generated in the same manner as described above in order from the two hierarchical images having the lowest spatial resolution. By repeating the same calculation until the velocity vector is estimated using the images (accumulated image 200 and accumulated image 210 in the above case), the velocity vector of the moving object between the two consecutive images is estimated. be able to. A specific velocity vector estimation method will be described later.

最後に、移動ベクトル表示部150は、速度ベクトル推定部140により推定された速度ベクトルを用いて、移動対象の移動ベクトルを矢印記号として画面に表示する(S6)。   Finally, the movement vector display unit 150 displays the movement vector to be moved on the screen as an arrow symbol using the velocity vector estimated by the velocity vector estimation unit 140 (S6).

次に、本実施の形態におけるオプティカルフロー法を用いた速度ベクトルの推定方法について説明する。   Next, a velocity vector estimation method using the optical flow method in the present embodiment will be described.

本来、背景技術にて説明した式(1)の右辺はゼロではなく、単位流量Qとして定義されている。つまり、従来の推定方法の場合、対流セルに見られるような発達と衰退を考慮しているが、一定領域内での流量の出入が保存されることを前提とする不自然なものであり、急峻に発達と衰退のそれぞれの量が異なる場合でのモデル化とはなっていないものであった。   Originally, the right side of the equation (1) described in the background art is not zero but is defined as a unit flow rate Q. In other words, in the case of the conventional estimation method, considering the development and decline as seen in the convection cell, it is unnatural assuming that the flow rate in and out of a certain area is preserved, It was not modeled when the amount of steep development and decline were different.

ここで、流動体の急峻な発達と衰退は、時系列的に連続する画像上の移動対象の輝度変化に相当すること仮定することができる。つまり、従来の推定方法は、式(1)の右辺をゼロとする輝度変化一定モデルであったが、本実施の形態は、式(1)に代えて、自己回帰モデルを適用する式(11)、または、多項式モデルを適用する式(12)を利用して明瞭に画像間の輝度変動を表現することにより速度ベクトルを推定する。
Here, it can be assumed that the steep development and decline of the fluid correspond to the luminance change of the moving object on the time-sequential images. In other words, the conventional estimation method is a constant luminance change model in which the right side of Equation (1) is zero, but this embodiment replaces Equation (1) with Equation (11) that applies an autoregressive model. ) Or the velocity vector is estimated by clearly expressing the luminance fluctuation between images using the equation (12) applying the polynomial model.

αは自己回帰定数、βは多項式回帰定数、εは残差である。式(11)に対し、テイラー展開を通じて輝度に関する輝度変動方程式が式(13)のように導かれる。この式(13)を最小化問題として解析することにより、速度ベクトルを推定する。
α is an autoregressive constant, β is a polynomial regression constant, and ε is a residual. For equation (11), a luminance variation equation regarding luminance is derived as in equation (13) through Taylor expansion. By analyzing the equation (13) as a minimization problem, the velocity vector is estimated.

式(13)は、従来の式(6)に相当するものであり、この式(13)と式(7)の拘束条件式から式(8)の目的関数を導出する。速度ベクトル(u,v)は、式(8)の発散度の誤差ξ,および渦度の誤差ζが小さくなるまで収束計算を行うことで計算することができる。式(8)を用いた具体的な計算方法については、背景技術にて説明した方法と同様であるので、ここでは説明を省略する。但し、従来において用いられていた非線形ロバスト関数としてのLeclerc関数の式(10)を、ローレンツ関数の式(14)に代えて収束計算を行う。
Expression (13) corresponds to conventional Expression (6), and the objective function of Expression (8) is derived from the constraint condition expressions of Expression (13) and Expression (7). The velocity vector (u, v) can be calculated by performing convergence calculation until the divergence error ξ and the vorticity error ζ in Equation (8) become small. Since the specific calculation method using Expression (8) is the same as the method described in the background art, the description is omitted here. However, the convergence calculation is performed instead of the equation (10) of the Leclerc function as the nonlinear robust function used in the past, instead of the equation (14) of the Lorentz function.

次に、連続した2枚の時系列画像における画像パターンの変化について説明する。図3は、気象レーダにより撮影された国内上空の反射強度の時系列画像を示した図である。ある時間tにおける画像300の画像パターンおよび時間tに連続する時間t+1における画像310の画像パターンは、ともに流体状の模様を有しており、時間tから時間t+1への時間経過にともない、輪郭および模様が不定形に著しく変化している。なお、画像310に示された矢印は、本実施の形態における移動ベクトル検出装置10により、画像300から画像310へ変化する際の移動ベクトルを推定したものである。   Next, the change of the image pattern in two continuous time-series images will be described. FIG. 3 is a diagram showing a time-series image of the reflection intensity over the country taken by the weather radar. The image pattern of the image 300 at a certain time t and the image pattern of the image 310 at a time t + 1 subsequent to the time t both have a fluid-like pattern, and as the time elapses from the time t to the time t + 1, the contour and The pattern is remarkably changed to an irregular shape. Note that the arrows shown in the image 310 are obtained by estimating the movement vector when changing from the image 300 to the image 310 by the movement vector detection apparatus 10 in the present embodiment.

図4は、従来の速度ベクトルの推定方法を用いた場合(a)と本実施の形態の速度ベクトルの推定方法を用いた場合(b)の流動体の移動ベクトルを示した比較図である。本来、両画像の中心付近に存在する流動体は、衰退するとともに右回転しているが、図4(a)に示す従来の推定方法を用いた場合には渦成分の移動ベクトルが検出されず、流動体の中心から外側に衰退する成分を移動ベクトルとして推定する不自然なものとなっている。一方、図4(b)に示す本実施の形態の推定方法を用いた場合は、渦による右回転の回転ベクトルについても正しく検出されており、中心付近の流動体は右回転をしながら外側に衰退する移動ベクトルをより正確に表示している。   FIG. 4 is a comparison diagram showing a fluid movement vector when the conventional velocity vector estimation method is used (a) and when the velocity vector estimation method of the present embodiment is used (b). Originally, the fluid near the center of both images fades and rotates to the right. However, when the conventional estimation method shown in FIG. 4A is used, the movement vector of the vortex component is not detected. Therefore, it is unnatural to estimate a component that decays outward from the center of the fluid as a movement vector. On the other hand, when the estimation method of the present embodiment shown in FIG. 4B is used, the rotation vector of the right rotation due to the vortex is correctly detected, and the fluid near the center rotates outward while rotating right. The moving vector that declines is displayed more accurately.

図5は、従来の速度ベクトルの推定方法を用いた場合(破線)と本実施の形態の速度ベクトルの推定方法を用いた場合(実線)の移動ベクトルの推定精度の評価結果を示した図である。図5(a)は、横軸を輝度変動量とし、縦軸を流動体の動き誤差とする測定結果を示したものであり、図5(b)は、横軸を渦度および発散度とし、縦軸を流動体の動き誤差とする測定結果を示したものである。図5は、気象レーダにより観測された時系列に連続する人工衛星画像を用いて、従来の速度ベクトルの推定方法を用いた場合と本実施の形態の速度ベクトルの推定方法を用いた場合との輝度変動量もしくは渦度および発散度に対する移動ベクトルを測定し、その測定結果と人工衛星画像から得られる実際の移動ベクトルとの差異を動き誤差として表示したものである。図5(a)および図5(b)から、従来の場合と比較して本実施の形態の場合の動き誤差は小さいと認識することができる。従い、この測定結果により、本実施の形態における速度ベクトルの推定方法における推定精度は従来の方法に比べてより高精度であり、本実施の形態における移動ベクトル検出装置10は有効なものであることが示されている。   FIG. 5 is a diagram showing an evaluation result of the estimation accuracy of the movement vector when the conventional speed vector estimation method is used (broken line) and when the speed vector estimation method of the present embodiment is used (solid line). is there. FIG. 5A shows the measurement result with the horizontal axis as the luminance fluctuation amount and the vertical axis as the movement error of the fluid. FIG. 5B shows the vorticity and divergence as the horizontal axis. The measurement results with the vertical axis representing the movement error of the fluid are shown. FIG. 5 shows a case where a conventional velocity vector estimation method is used and a case where the velocity vector estimation method of the present embodiment is used, using time-sequential satellite images observed by a weather radar. The movement vector with respect to the luminance fluctuation amount or vorticity and divergence is measured, and the difference between the measurement result and the actual movement vector obtained from the artificial satellite image is displayed as a movement error. From FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b), it can be recognized that the motion error in the present embodiment is small compared to the conventional case. Therefore, based on the measurement result, the estimation accuracy in the velocity vector estimation method in the present embodiment is higher than that in the conventional method, and the moving vector detection device 10 in the present embodiment is effective. It is shown.

図6は、本実施の形態を用いた場合の血管内部に流れる血流の流れの移動ベクトルを示した図である。本実施の形態による移動ベクトル検出装置10によれば、血管の内部に小さい血栓が存在する場合、その血栓の周辺には血流の乱れや渦度が発生していることを検出することができる。   FIG. 6 is a diagram showing a movement vector of a blood flow flowing inside the blood vessel when this embodiment is used. According to the movement vector detection device 10 according to the present embodiment, when a small thrombus is present inside a blood vessel, it is possible to detect that blood flow disturbance or vorticity is generated around the thrombus. .

本実施形態によれば、輝度変動量を自己回帰モデルまたは多項式回帰モデルとする方程式から輝度変動方程式を導いて速度ベクトルを推定するので、実環境を映像でセンシングした時に観測される渦などの強い非線形な動きと大きな輝度変動を伴っている場合であっても、移動対象の動きを確実に追随することができ、その動き(速度)ベクトルの安定化かつ高精度化を実現することができる。   According to the present embodiment, the velocity vector is estimated by deriving the luminance variation equation from the equation in which the luminance variation amount is an autoregressive model or a polynomial regression model, so that a strong vortex or the like observed when sensing the real environment with video Even when there is a non-linear motion and a large luminance variation, the motion of the moving object can be reliably followed, and the motion (speed) vector can be stabilized and highly accurate.

これにより、例えば、血流の流れを移動ベクトルとして可視化し、渦度や発散度といった特異点を自動的に解析することで、血栓などによる血流の不規則な流れを容易に把握することができ、診断時における病巣の見逃しを防ぐことができる。医学の分野においては、超音波画像による血流の流れの可視化が行われているが、超音波画像から血栓周辺の不規則な血流の流れを瞬時に判断することは難しいため経験者による診察が中心であるが、実務経験が比較的浅い医者などであっても容易に病巣を把握することができる。その他、流体実験における粒子を流し込むことによる流れの可視化を通じて、動き解析を必要とする流体力学,医学,航空力学分野においても適用することができる。   As a result, for example, by visualizing the flow of blood flow as a movement vector and automatically analyzing singular points such as vorticity and divergence, it is possible to easily grasp the irregular flow of blood flow due to thrombus, etc. It is possible to prevent oversight of the lesion at the time of diagnosis. In the medical field, visualization of blood flow using ultrasound images has been performed, but it is difficult to instantly determine the irregular blood flow around the thrombus from ultrasound images. However, even a doctor who has relatively little practical experience can easily grasp the lesion. In addition, it can be applied to the fields of fluid dynamics, medicine, and aerodynamics that require motion analysis through flow visualization by flowing particles in fluid experiments.

また、異なる空間解像度を有する複数の階層画像を連続する2枚の画像に対してそれぞれ生成し、生成された複数の階層画像のうち空間解像度の低い2枚の階層画像を用いて速度ベクトルを仮推定し、この速度ベクトルを次に空間解像度の高い階層画像を用いて速度ベクトルを推定する。この速度ベクトルの推定を、階層画像を生成した元の画像である2枚の蓄積画像を用いるまで繰り返すことにより、連続する2枚の画像間における移動対象の速度ベクトルを推定する。これにより、階層画像の面積および空間解像度を低くして計算量を減らすことができるので、速度ベクトルの収束計算の速度を向上させることができ、確実に収束させることができる。例えば、非線形連立方程式を計算する際の演算量は、画像の面積にほぼ比例するので、階層画像の1辺が蓄積画像の半分である場合には、約4(2×2)倍で高速演算することが可能となる。   In addition, a plurality of hierarchical images having different spatial resolutions are respectively generated for two consecutive images, and a velocity vector is temporarily calculated using two hierarchical images having a low spatial resolution among the generated hierarchical images. Then, the velocity vector is estimated using a hierarchical image having a higher spatial resolution. By repeating this estimation of the velocity vector until the two accumulated images that are the original images from which the hierarchical images are generated are used, the velocity vector to be moved between the two consecutive images is estimated. As a result, the area and spatial resolution of the hierarchical image can be reduced to reduce the amount of calculation, so that the speed vector convergence calculation speed can be improved and the convergence can be ensured. For example, the amount of calculation when calculating the nonlinear simultaneous equations is almost proportional to the area of the image. Therefore, when one side of the hierarchical image is half of the accumulated image, the calculation is about 4 (2 × 2) times faster. It becomes possible to do.

さらに、目的関数を演算する際に用いる非線形ロバスト関数として、ローレンツ関数を用いることにより、速度ベクトルの収束計算の速度をより高速に行うことができる。   Furthermore, by using the Lorentz function as the nonlinear robust function used when calculating the objective function, the speed vector convergence calculation speed can be increased.

本発明の実施の形態に係る移動ベクトル検出装置を示した構成図である。It is the block diagram which showed the movement vector detection apparatus which concerns on embodiment of this invention. ある時間tにおける蓄積画像と時間tに連続する時間t+1における蓄積画像とにおける階層画像を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the hierarchical image in the accumulation image in a certain time t, and the accumulation image in the time t + 1 following the time t. 気象レーダにより撮影された国内上空の反射強度の時系列画像を示した図である。It is the figure which showed the time-sequential image of the reflection intensity of the domestic sky image | photographed with the weather radar. 従来の速度ベクトルの推定方法を用いた場合と本実施の形態の速度ベクトルの推定方法を用いた場合の流動体の移動ベクトルを示した比較図である。It is the comparison figure which showed the movement vector of the fluid at the time of using the estimation method of the conventional velocity vector, and the estimation method of the velocity vector of this Embodiment. 従来の速度ベクトルの推定方法を用いた場合と本実施の形態の速度ベクトルの推定方法を用いた場合の移動ベクトルの推定精度の評価結果を示した図である。It is the figure which showed the evaluation result of the estimation accuracy of the movement vector at the time of using the estimation method of the conventional velocity vector, and the velocity vector estimation method of this Embodiment. 本実施の形態を用いた場合の血管内部に流れる血流の流れの移動ベクトルを示した図である。It is the figure which showed the movement vector of the flow of the blood flow which flows into the blood vessel at the time of using this Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10…移動ベクトル検出装置
100…画像入力部
110…画像蓄積部
120…階層画像生成部
130…目的関数導出部
140…速度ベクトル推定部
150…表示ベクトル推定部
200,210…蓄積画像
201,202,211,212…階層画像
300,310…画像
S1〜S6…ステップ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Moving vector detection apparatus 100 ... Image input part 110 ... Image storage part 120 ... Hierarchical image generation part 130 ... Objective function derivation part 140 ... Speed vector estimation part 150 ... Display vector estimation part 200,210 ... Accumulated image 201,202, 211, 212 ... Hierarchical image 300, 310 ... Image S1-S6 ... Step

Claims (7)

移動対象を含む画像を入力する画像入力手段と、
入力された前記画像を時系列に蓄積する画像蓄積手段と、
蓄積された前記画像を読み出して、前記画像毎に異なる空間解像度を有する階層画像を生成して階層画像蓄積手段に蓄積する階層画像生成手段と、
画像上の位置の輝度値を自己回帰モデルまたは多項式回帰モデルに適用し、時系列画像間の輝度変動量(=(∂E(x)/∂t)+∇E(x)・Δt・v(x,t))(但し、vは位置xにおける時刻tでの速度ベクトル、Eは位置xの輝度値、Δtは離散化した時間幅)が当該自己回帰モデルまたは当該多項式回帰モデルに従うとした輝度変動方程式F を導出し、当該式F に対して前記画像上の位置の輝度の発散度および渦度を拘束条件に用いた式F を定義し、前記式F と前記式F との和を最小化することを目的とした目的関数を導出して目的関数格納手段に格納する目的関数導出手段と、
格納された前記目的関数を読み出して、連続する2枚の前記画像に対する前記階層画像のうち空間解像度の低い2枚の前記階層画像の輝度値を前記目的関数に代入し、当該目的関数の前記発散度の誤差および前記渦度の誤差が収束するまで繰り返し演算することで前記移動対象の速度ベクトルを仮推定して速度ベクトル格納手段に格納する速度ベクトル仮推定手段と、
格納された前記目的関数と前記速度ベクトルとを読み出して、当該速度ベクトルと次に空間解像度の高い2枚の前記階層画像の輝度値とを前記目的関数に代入し、当該目的関数の前記発散度の誤差および前記渦度の誤差が収束するまで繰り返し演算することで前記移動対象の前記速度ベクトルを推定して速度ベクトル格納手段に格納する速度ベクトル推定手段と、
を有することを特徴とする移動ベクトル検出装置。
An image input means for inputting an image including a moving object;
Image storage means for storing the input image in time series;
A hierarchical image generation unit that reads out the stored image, generates a hierarchical image having a different spatial resolution for each image, and stores the hierarchical image in the hierarchical image storage unit;
The luminance value at the position on the image is applied to the autoregressive model or the polynomial regression model, and the amount of luminance fluctuation between time series images (= (∂E (x) / ∂t) + ∇E (x) · Δt · v ( x, t)) (where v is the velocity vector at time t at position x, E is the luminance value at position x, Δt is the discretized time width) and the luminance that the autoregressive model or the polynomial regression model follows deriving a fluctuation equation F 1, the divergence and vorticity of the luminance of the position on the image to define an expression F 2 used for the constraint condition with respect to the expression F 1, the formula F 1 in the formula F 2 An objective function deriving means for deriving an objective function for minimizing the sum of the objective function and storing the objective function in the objective function storing means;
Reading the stored objective function, substituting the objective function for the brightness value of the two hierarchical images having a low spatial resolution among the hierarchical images for the two consecutive images, and the divergence of the objective function Speed vector temporary estimation means for temporarily estimating the speed vector of the moving object by repeatedly calculating until the error of the degree and the error of the vorticity converge, and storing them in the speed vector storage means,
Reading the stored objective function and the velocity vector, substituting the velocity vector and the luminance values of the next two hierarchical images with the highest spatial resolution into the objective function, and the divergence of the objective function Speed vector estimation means for estimating the speed vector of the moving object by repeatedly calculating until the error of the vorticity and the error of the vorticity converge, and storing the speed vector in the speed vector storage means,
A moving vector detection apparatus comprising:
前記速度ベクトル推定手段は、当該速度ベクトル推定手段により格納された前記速度ベクトルと前記速度ベクトル推定手段で用いた前記2枚の階層画像の次に空間解像度の高い2枚の前記階層画像の輝度値とを前記目的関数に代入して前記速度ベクトルを推定することを繰り返し、当該速度ベクトルを前記速度ベクトル格納手段に格納することを特徴とする請求項1に記載の移動ベクトル検出装置。 The velocity vector estimation means includes the velocity vector stored in the velocity vector estimation means and the luminance values of the two hierarchical images having the next highest spatial resolution after the two hierarchical images used in the velocity vector estimation means. 2. The movement vector detecting apparatus according to claim 1, wherein the speed vector is repeatedly estimated by substituting and into the objective function, and the speed vector is stored in the speed vector storage means. 前記速度ベクトル仮推定手段および前記速度ベクトル推定手段は、前記目的関数を演算する際に用いる非線形ロバスト関数として、ローレンツ関数を用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の移動ベクトル検出装置。   The movement vector detection apparatus according to claim 1, wherein the temporary velocity vector estimation unit and the velocity vector estimation unit use a Lorentz function as a nonlinear robust function used when calculating the objective function. 移動対象を含む画像を画像入力手段により入力する第1ステップと、
入力された前記画像を画像蓄積手段により時系列に蓄積する第2ステップと、
蓄積された前記画像を読み出して、前記画像毎に異なる空間解像度を有する階層画像を生成して階層画像生成手段により階層画像蓄積手段に蓄積する第3ステップと、
画像上の位置の輝度値を自己回帰モデルまたは多項式回帰モデルに適用し、時系列画像間の輝度変動量(=(∂E(x)/∂t)+∇E(x)・Δt・v(x,t))(但し、vは位置xにおける時刻tでの速度ベクトル、Eは位置xの輝度値、Δtは離散化した時間幅)が当該自己回帰モデルまたは当該多項式回帰モデルに従うとした輝度変動方程式F を導出し、当該式F に対して前記画像上の位置の輝度の発散度および渦度を拘束条件に用いた式F を定義し、前記式F と前記式F との和を最小化することを目的とした目的関数を導出して目的関数導出手段により目的関数格納手段に格納する第4ステップと、
格納された前記目的関数を読み出して、連続する2枚の前記画像に対する前記階層画像のうち空間解像度の低い2枚の前記階層画像の輝度値を前記目的関数に代入し、当該目的関数の前記発散度の誤差および前記渦度の誤差が収束するまで繰り返し演算することで前記移動対象の速度ベクトルを仮推定して速度ベクトル仮推定手段により速度ベクトル格納手段に格納する第5ステップと、
格納された前記目的関数と前記速度ベクトルとを読み出して、当該速度ベクトルと次に空間解像度の高い2枚の前記階層画像の輝度値とを前記目的関数に代入し、当該目的関数の前記発散度の誤差および前記渦度の誤差が収束するまで繰り返し演算することで前記移動対象の前記速度ベクトルを推定して速度ベクトル推定手段により速度ベクトル格納手段に格納する第6ステップと、
を有することを特徴とする移動ベクトル検出方法。
A first step of inputting an image including a moving object by an image input means;
A second step of storing the input image in time series by the image storage means;
A third step of reading the stored image, generating a hierarchical image having a different spatial resolution for each image, and storing it in the hierarchical image storage means by the hierarchical image generation means;
The luminance value at the position on the image is applied to the autoregressive model or the polynomial regression model, and the amount of luminance fluctuation between time series images (= (∂E (x) / ∂t) + ∇E (x) · Δt · v ( x, t)) (where v is the velocity vector at time t at position x, E is the luminance value at position x, Δt is the discretized time width) and the luminance that the autoregressive model or the polynomial regression model follows deriving a fluctuation equation F 1, the divergence and vorticity of the luminance of the position on the image to define an expression F 2 used for the constraint condition with respect to the expression F 1, the formula F 1 in the formula F 2 A fourth step of deriving an objective function for the purpose of minimizing the sum of and the objective function deriving means and storing the objective function in the objective function storage means;
Reading the stored objective function, substituting the objective function for the brightness value of the two hierarchical images having a low spatial resolution among the hierarchical images for the two consecutive images, and the divergence of the objective function A fifth step of temporarily estimating the velocity vector of the moving object by repeatedly calculating until the error of degree and the error of vorticity converge, and storing the velocity vector in the velocity vector storage means by the velocity vector temporary estimation means;
Reading the stored objective function and the velocity vector, substituting the velocity vector and the luminance values of the next two hierarchical images with the highest spatial resolution into the objective function, and the divergence of the objective function A sixth step of estimating the velocity vector of the moving object by repeatedly calculating until the error of vorticity and the error of the vorticity converge and storing the velocity vector in the velocity vector storage means by the velocity vector estimation means;
A moving vector detection method characterized by comprising:
前記第6ステップは、前記速度ベクトル推定手段により格納された前記速度ベクトルと前記第6ステップで用いた前記2枚の階層画像の次に空間解像度の高い2枚の前記階層画像の輝度値とを前記目的関数に代入して前記速度ベクトルを推定することを繰り返し、当該速度ベクトルを前記速度ベクトル推定手段により前記速度ベクトル格納手段に格納することを特徴とする請求項4に記載の移動ベクトル検出方法。 In the sixth step, the velocity vector stored by the velocity vector estimation means and the luminance values of the two layer images having the next highest spatial resolution after the two layer images used in the sixth step are used. 5. The movement vector detection method according to claim 4, wherein the velocity vector is repeatedly estimated by substituting in the objective function, and the velocity vector is stored in the velocity vector storage unit by the velocity vector estimation unit. . 前記第5ステップおよび前記第6ステップは、前記目的関数を演算する際に用いる非線形ロバスト関数として、ローレンツ関数を用いることを特徴とする請求項4又は5に記載の移動ベクトル検出方法。   6. The movement vector detection method according to claim 4, wherein the fifth step and the sixth step use a Lorentz function as a nonlinear robust function used when calculating the objective function. 請求項4乃至6のいずれか1項に記載の移動ベクトル検出方法における各ステップをコンピュータによって実行させることを特徴とする移動ベクトル検出プログラム。   A motion vector detection program that causes a computer to execute each step in the motion vector detection method according to any one of claims 4 to 6.
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