JP4654347B2 - Abnormal operation monitoring device - Google Patents

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Description

本発明は、立体高次局所自己相関(CHLAC)技術を利用した異常動作監視装置に関する。   The present invention relates to an abnormal operation monitoring apparatus using a three-dimensional higher-order local autocorrelation (CHLAC) technique.

現在、駐車場や店舗内等において、カメラによる監視システムが多く導入されている。しかし、従来の監視システムでは、カメラ映像を常に監視する必要がある上、問題が発生した際にあらかじめ録画して撮り溜めておいた映像から、該当のシーンを人間が目視で見つけ出している。このため、従来システムでは、監視に要する労力も多大になり、見逃すこともある等ヒューマン・エラーも起こりがちとなっていた。また、実際に不具合が発生した際に迅速に対応することも難しく、コンピュータによる省力化が望まれてきた。この問題を解決する手法として、特許公開2006−79272(特許文献1)が提案されている。   Currently, many surveillance systems using cameras have been introduced in parking lots and stores. However, in the conventional monitoring system, it is necessary to constantly monitor the camera video, and when a problem occurs, a human being visually finds the corresponding scene from the video that has been recorded and collected in advance. For this reason, in the conventional system, the labor required for monitoring is increased, and human errors such as being overlooked tend to occur. In addition, it is difficult to respond quickly when a problem actually occurs, and it has been desired to save labor by a computer. As a technique for solving this problem, Patent Publication 2006-79272 (Patent Document 1) has been proposed.

特許文献1で提案されている手法は大きく二つに分かれる。一方は、問題の無い通常の動作が記録されているフレームデータから、特許文献2に示されたCHALC特徴を抽出し、主成分分析により求まった固有ベクトルにより張られる空間(以下、固有ベクトルにより張られる空間を通常動作の部分空間と呼ぶ)を予め計算しておき、監視時にはその通常動作の部分空間を用いてそこからの逸脱の度合いとして異常値を求めるオフライン学習型の異常監視手法である。他方は、監視しながら部分空間の更新も行うオンライン学習型の異常監視手法である。部分空間の更新には、非特許文献1に記載されている様な主成分分析の近似を用いることができる。オンライン学習型の異常監視手法により、一日の日照条件等の監視環境の変動に自動で追従する事が可能になり、更なる省力化が図られる。
特許公開2006−79272 特許公開2005−92346 Juyang Weng, Yilu Zhang andWey-Shiuan Hwang, "Candid Covariance-Free Incremental Principal ComponentAnalysis",IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence,Vol.25, No.8, pp.1034-1040, 2003 大津展之、“判別および最小2乗規準に基づく自動しきい値選定法”電子通信学会論文誌D、J63-D-4、P349-356、1980年。
The method proposed in Patent Document 1 is roughly divided into two. On the other hand, a CHALC feature disclosed in Patent Document 2 is extracted from frame data in which a normal operation having no problem is recorded, and a space spanned by eigenvectors obtained by principal component analysis (hereinafter, space spanned by eigenvectors). This is an offline learning type abnormality monitoring method that calculates an abnormal value as a degree of deviation from the normal operation partial space at the time of monitoring. The other is an on-line learning type abnormality monitoring method that updates a partial space while monitoring. For updating the subspace, approximation of principal component analysis as described in Non-Patent Document 1 can be used. The online learning-type abnormality monitoring method can automatically follow changes in the monitoring environment such as the day's sunshine conditions, thereby further saving labor.
Patent Publication 2006-79272 Patent Publication 2005-92346 Juyang Weng, Yilu Zhang and Wey-Shiuan Hwang, "Candid Covariance-Free Incremental Principal Component Analysis", IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence, Vol.25, No.8, pp.1034-1040, 2003 Noriyuki Otsu, “Automatic threshold selection method based on discriminant and least-squares criteria” IEICE Transactions D, J63-D-4, P349-356, 1980.

特許文献1にも記載されている非特許文献1記載の手法(以下、CCIPCAとよぶ)を用いたオンライン学習型の異常監視を行うことで、オフライン学習型の異常監視の諸問題を解決する事は可能であるが、CCIPCAは直接固有値問題を解かずに近似的に解を求めているため、計算精度が低下してしまうという新たな問題点があった。   By solving online learning type abnormality monitoring using the method described in Non-Patent Document 1 (hereinafter referred to as CCIPCA) described in Patent Document 1, various problems of offline learning type abnormality monitoring can be solved. However, since CCIPCA seeks an approximate solution without directly solving the eigenvalue problem, there is a new problem that the calculation accuracy is lowered.

さらに、CCIPCAを用いたオンライン学習型の異常監視では、オンラインで追従したい環境変動の速さ(季節の変化、一日の日照条件の変化、突然の豪雨等の急激な天候変化等)を明示的に指定する事が困難であった。たとえば急激な天候の変化に対応したい場合は、環境変動に即座に対応し新しい通常動作を学習する必要があるが、その反作用として過去の通常動作を忘れやすくなってしまう。逆に、緩やかな季節の変化に対応したい場合は、過去の通常動作を長期間忘れないようにする必要があるが、その反作用として急激な環境変動には対応できなくなってしまう。このように、追従したい環境変動の速さに応じて、学習条件も明示的に指定できる必要があるが、CCIPCAはサンプル分布が定常状態である事を前提にしているため、それが難しい。   Furthermore, in online learning-type abnormality monitoring using CCIPCA, the speed of environmental changes (seasonal changes, changes in daily sunshine conditions, sudden weather changes such as sudden torrential rain, etc.) that you want to follow online are explicitly indicated. It was difficult to specify. For example, when it is desired to cope with a sudden change in weather, it is necessary to immediately respond to environmental changes and learn a new normal operation, but as a reaction, it becomes easy to forget past normal operations. Conversely, when it is desired to cope with a gradual seasonal change, it is necessary not to forget the past normal operation for a long period of time, but as a reaction, it becomes impossible to cope with a rapid environmental change. As described above, it is necessary to explicitly specify the learning condition according to the speed of the environmental fluctuation to be followed. However, since CCIPCA assumes that the sample distribution is in a steady state, this is difficult.

なお、オンライン学習の際にCCIPCAを用いずに、厳密解を解くことも考えられる。しかし、厳密解による通常動作の部分空間の更新には計算時間がかかり、単一の中央演算装置の逐次処理による計算では更新の最中には監視動作を中断せざるを得ない場合もあり、リアルタイム性を損なう問題もあった。   It is also conceivable to solve the exact solution without using CCIPCA during online learning. However, the update of the subspace of the normal operation by the exact solution takes a calculation time, and in the calculation by the sequential processing of a single central processing unit, the monitoring operation may be interrupted during the update, There was also a problem that impaired real-time performance.

本発明の異常動作監視装置は、リアルタイムで入力された動画像フレームデータをメモリに蓄積する手段と、
前記動画像フレームデータからフレーム間差分データを生成する手段と、
前記フレーム間差分データから立体高次局所自己相関によって特徴データを抽出する手段と、
前記特徴データを用いて更新行列を生成する手段と、
前記更新行列を追加して、共有メモリ上の自己相関行列を更新する手段と、
共有メモリ上から異常検知に利用する固有ベクトルを読み込む手段と、
前記特徴データと共有メモリから読み込んだ前記固有ベクトルから異常値を求め、該異常値が閾値より大きいか小さいかの判定を行い、大きい場合に異常と判定する手段と、
前記異常判定手段が異常と判定した場合に判定結果を出力する手段と、
を実行する第1中央演算装置と、
主成分分析により前記共有メモリ上の自己相関行列から固有ベクトルを生成する手段と、
生成した固有ベクトルを共有メモリ上に保存し更新処理を行う手段と、
を実行する第2中央演算装置と、
を備える。
The abnormal operation monitoring device of the present invention includes means for storing moving image frame data input in real time in a memory,
Means for generating inter-frame difference data from the moving image frame data;
Means for extracting feature data from the inter-frame difference data by three-dimensional higher order local autocorrelation;
Means for generating an update matrix using the feature data;
Means for adding the update matrix and updating the autocorrelation matrix on the shared memory;
Means for reading eigenvectors used for anomaly detection from shared memory;
Means for obtaining an abnormal value from the characteristic data and the eigenvector read from the shared memory, determining whether the abnormal value is larger or smaller than a threshold,
Means for outputting a determination result when the abnormality determination means determines an abnormality;
A first central processing unit for executing
Means for generating eigenvectors from the autocorrelation matrix on the shared memory by principal component analysis;
Means for storing the generated eigenvector in the shared memory and performing an update process;
A second central processing unit for executing
Is provided.

前記更新行列更新手段は、前記異常判定手段が異常と判定した特徴データのみを用いて更新行列を生成することを特徴とする。   The update matrix update unit generates the update matrix using only the feature data determined to be abnormal by the abnormality determination unit.

前記自己相関行列更新手段は、追加する更新行列と自己相関行列の加重平均を計算し、追加する更新行列の加重値が一定値以下にならないことを特徴とする。   The autocorrelation matrix update means calculates a weighted average of the update matrix to be added and the autocorrelation matrix, and the weight value of the update matrix to be added does not fall below a certain value.

前記自己相関行列更新手段は、前記固有ベクトルを用いて学習用データの更新処理を行うことを特徴とする。   The autocorrelation matrix update means updates the learning data using the eigenvector.

前記第1中央演算装置は、共有メモリ上の固有ベクトルが前記第2中央演算装置によって更新されていない場合に、共有メモリからの読み込みを行わず、既に読み込みを行った古い固有ベクトルを用いて前記異常値計算を行うことを特徴とする。   The first central processing unit does not read from the shared memory when the eigenvector on the shared memory is not updated by the second central processing unit, and uses the old eigenvector that has already been read. It is characterized by performing a calculation.

前記特徴データ抽出手段は、フレームCHLACデータの計算を行い、現在の特徴データに最新のフレームCHLACデータを加算し、所定期間以上古いフレームCHLACデータを減算する手段を備えることを特徴とする。   The feature data extracting means includes means for calculating frame CHLAC data, adding the latest frame CHLAC data to the current feature data, and subtracting the frame CHLAC data older than a predetermined period.

前記異常値計算は、前記特徴データと前記固有ベクトルによって張られる通常動作の部分空間との垂直距離または角度を求めることを特徴とする。   The abnormal value calculation is characterized in that a vertical distance or an angle between the feature data and a partial space of a normal motion spanned by the eigenvector is obtained.

前記第1中央演算装置及び第2中央演算装置が一体として構成されている事を特徴とする。   The first central processing unit and the second central processing unit are integrally configured.

本発明では、オンライン学習型で主成分分析を行う際に用いる自己相関行列において、既存のデータと新規に追加するデータに対して明示的に重み付けを行う。新規に追加するデータに対する重み付けを大きくすると新規に学習した動作の重要度を増す事になり、急激な環境変動に対しても自動追従が可能になる。また、新規に追加するデータに対する重み付けを小さくすると、既存のデータの重要度が増す事になり、環境変動に対する追従は緩やかなものになる。   In the present invention, existing data and newly added data are explicitly weighted in an autocorrelation matrix used when principal component analysis is performed in an online learning type. When the weight for newly added data is increased, the importance of the newly learned operation is increased, and automatic tracking can be performed even for a sudden environmental change. Also, if the weighting for newly added data is reduced, the importance of existing data increases, and the follow-up to environmental changes becomes gradual.

本発明では、異常値の高いCHLAC特徴のみを用いて通常動作の部分空間の更新を行う方法も提案する。この処理により十分に学習した動作に対するCHLAC特徴は学習対象から除外されるため、効率的に部分空間の更新を行うことができる。さらに、本来は生起確率で重み付けするところを、本発明で提案する重み付けを行う事で環境変動により迅速に追従可能となる。   The present invention also proposes a method for updating a subspace of normal operation using only CHLAC features having high abnormal values. Since the CHLAC feature for the operation sufficiently learned by this processing is excluded from the learning target, the subspace can be updated efficiently. Furthermore, by originally performing weighting based on the probability of occurrence, weighting proposed in the present invention can be quickly followed by environmental fluctuations.

近年のPCはマルチプロセッサ化が進み、一台のPCに複数の中央演算装置(以下、中央演算装置をCPUと言う)が搭載されているような場合が多くなっている。そこで本発明では通常動作の部分空間の更新において、近似式を用いるのではなく、厳密解を求めることとする。またこれを複数のCPUを用いて並列分散処理する事により、厳密解の計算時間がかかったとしても監視動作を中断することなくリアルタイムに異常監視を可能とする仕組みを提案する。これによりオンライン学習時の、近似式による監視精度の悪化も解決しオフライン学習時と同等の精度で監視することができる。   In recent years, PCs have become multiprocessors, and there are many cases where a plurality of central processing units (hereinafter, the central processing units are referred to as CPUs) are mounted on one PC. Therefore, in the present invention, in the update of the subspace of normal operation, an exact solution is used instead of using an approximate expression. In addition, we propose a mechanism that enables real-time abnormality monitoring without interrupting the monitoring operation even if it takes a long time to calculate the exact solution by performing parallel and distributed processing using a plurality of CPUs. Thereby, the deterioration of the monitoring accuracy due to the approximate expression during online learning can be solved, and monitoring can be performed with the same accuracy as during offline learning.

図1は、定期的に通常動作の部分空間の更新を行う手法を従来手法と本発明で行う際の比較図である。通常動作の部分空間の更新にはハイスペックのPCでも最低で100ミリ秒近く更新に時間を要すため、テレビ映像などのフレーム間隔の場合、図1の左図のように最低3フレーム〜5フレーム程度の欠落が従来手法では発生する。本発明では、通常動作の部分空間の更新は異常か正常の判定を行うCPUとは別のCPUで行うので、図1の右図のようにフレームの欠落は発生しない。通常動作の部分空間の更新処理が別CPUで行われている間は、更新処理が始まる直前まで利用していた通常動作の部分空間を利用して異常監視を行う。このため、ハイスペックのPCを用いずとも監視動作が中断されることなく、主成分分析を用いた通常動作の部分空間の更新が可能となる。   FIG. 1 is a comparison diagram between the conventional method and the present invention in which a method for periodically updating a partial space for normal operation is performed. Since the update of the subspace for normal operation requires a minimum of nearly 100 milliseconds even for a high-spec PC, in the case of a frame interval such as a TV image, at least 3 frames to 5 as shown in the left figure of FIG. Frame loss is caused by the conventional method. In the present invention, the update of the partial space for normal operation is performed by a CPU different from the CPU that determines whether it is abnormal or normal, so that no frame is lost as shown in the right diagram of FIG. While the update process of the partial space for normal operation is being performed by another CPU, abnormality monitoring is performed using the partial space for normal operation that has been used until immediately before the update process starts. For this reason, it is possible to update the partial space of the normal operation using the principal component analysis without interrupting the monitoring operation without using a high-spec PC.

本発明では通常動作の部分空間の計算を、異常監視を行うCPUとは別のCPU上で実行する。さらに、別CPUにて通常動作の部分空間を計算している間は、更新前の自己相関行列を用いて既に計算されている通常動作の部分空間を用いて異常値の計算を行う。   In the present invention, the calculation of the subspace of the normal operation is executed on a CPU different from the CPU that performs abnormality monitoring. Further, while the sub-space of normal operation is being calculated by another CPU, the abnormal value is calculated using the sub-space of normal operation that has already been calculated using the autocorrelation matrix before update.

図2は本発明による異常監視システムのシステム構成図の一例である。
カメラ10は対象となる人や装置の動画像フレームデータをリアルタイムで出力する。カメラ10はモノクロでもよいしカラーカメラであってもよい。また、カメラとPC11の接続方法はUSB、IEEE1394、ネットワーク接続等どのような接続方式でも問題ない。PC11は市販されている通常のPC等で問題ない。最新のPCはマルチコアCPUを搭載しており、CPU12とCPU13の様に一つのLSIに複数のCPUを搭載している。
FIG. 2 is an example of a system configuration diagram of the abnormality monitoring system according to the present invention.
The camera 10 outputs moving image frame data of a target person or device in real time. The camera 10 may be monochrome or a color camera. Further, the connection method between the camera and the PC 11 may be any connection method such as USB, IEEE 1394, network connection or the like. PC11 is a normal PC or the like that is commercially available. The latest PC is equipped with a multi-core CPU, and a plurality of CPUs are mounted on one LSI like the CPUs 12 and 13.

図3はCPU12とCPU13の動作概要である。CPU12では、処理1としてカメラ映像の読み込みを行う。次に処理2としてCHLAC特徴の計算を行う。さらに処理3で自己相関行列の更新を行い、処理4で異常か正常の判断を行う。CPU13では処理5として異常か正常の判断を行うのに必要な通常動作の部分空間をCPU12で求めた自己相関行列から生成する。CPU13で通常動作の部分空間の計算が完了するまでの間、CPU12では過去に計算された通常動作の部分空間を用いて異常監視を行う。   FIG. 3 shows an outline of the operation of the CPU 12 and the CPU 13. The CPU 12 reads the camera video as process 1. Next, as a process 2, a CHLAC feature is calculated. Further, the autocorrelation matrix is updated in the process 3, and the abnormality is determined in the process 4 as normal. In the CPU 13, a partial space for normal operation necessary for determining whether the process is abnormal or normal is generated from the autocorrelation matrix obtained by the CPU 12. Until the CPU 13 completes the calculation of the subspace for normal operation, the CPU 12 performs abnormality monitoring using the subspace for normal operation calculated in the past.

共有メモリ14はPCに搭載されているメモリを指し、CPU12とCPU13でデータの受け渡しを行う場合には共有メモリ14を用いて行う。キーボード15とマウス16は本発明による異常監視システムを制御するのに利用する。モニタ17は本発明による異常監視システムの出力情報を表示するのに用いる。PC11に作成したプログラムをインストールして起動することにより実現される。   The shared memory 14 indicates a memory mounted on the PC. When data is transferred between the CPU 12 and the CPU 13, the shared memory 14 is used. The keyboard 15 and mouse 16 are used to control the abnormality monitoring system according to the present invention. The monitor 17 is used to display output information of the abnormality monitoring system according to the present invention. This is realized by installing and starting the created program on the PC 11.

図4は図3の処理の詳細を記述したものである。CPU12において工程1-0ではPCに接続されたカメラからフレームデータの入力が完了するまで待つ。ここで、フレームデータとは動画像の1フレーム分の画像である。また、フレームデータはカメラから直接取り込むのではなく、カメラ映像を予め録画しておいて読み込む事も可能である。   FIG. 4 describes details of the processing of FIG. In step 1-0, the CPU 12 waits until the input of frame data from the camera connected to the PC is completed. Here, the frame data is an image for one frame of a moving image. Further, the frame data is not directly captured from the camera, but it is also possible to record and read the camera video in advance.

工程1-1では、フレームデータをメモリに読み込む。このときのフレームデータは例えば256階調のグレースケールデータやRGBのカラーデータである。   In step 1-1, the frame data is read into the memory. The frame data at this time is, for example, 256 gray scale data or RGB color data.

工程1-2では、フレームデータから動きに着目した情報を抽出しフレーム間差分データとする。情報の抽出は1-1で取得した連続する二つのフレームデータから差分画像を生成する事で行う。フレーム間差分データの一例として、フレーム間差分の後にピクセル値を2値化する差分二値画像が上げられる。差分二値画像の具体的な抽出方法を説明する。
差分の取り方としては、隣接するフレーム間の同じ位置の画素の輝度の変化を抽出するフレーム間差分方式を採用するが、フレーム内における輝度の変化部分を抽出するエッジ差分、あるいは両方を採用してもよい。なお、画素毎にRGBのカラーデータを持っている場合には、2つの画素の差分データとして、2つのRGBカラーベクトル間の距離を算出してもよい。
In step 1-2, information focusing on the movement is extracted from the frame data and used as inter-frame difference data. Information extraction is performed by generating a difference image from two consecutive frame data acquired in 1-1. As an example of inter-frame difference data, a differential binary image that binarizes pixel values after inter-frame differences is raised. A specific method for extracting the difference binary image will be described.
As a method of taking the difference, an inter-frame difference method that extracts a change in luminance of a pixel at the same position between adjacent frames is adopted, but an edge difference that extracts a luminance change portion in a frame or both are adopted. May be. If each pixel has RGB color data, the distance between the two RGB color vectors may be calculated as difference data between the two pixels.

さらに、「動き」とは無関係な色情報やノイズ等の余計な情報を除去する為に差分画像を二値化し差分二値化画像を求める。二値化の方法としては、例えば一定閾値、非特許文献2に開示されている判別最小二乗自動閾値法、閾値0及びノイズ処理方式(濃淡画像において差が0以外を全て動き有り=1とし、公知のノイズ除去法によってノイズを除去する方法)を採用可能である。以上の前処理により入力動画データは画素値に「動いた(1)」「動かない(0)」の論理値をもつフレームデータ(二値画像)の列となる。
なお、本実施例ではフレーム間差分データとして差分二値画像を用いたが二値化の変わりにグレースケール化(差分値の絶対値をとる)を行った、グレースケール差分画像を用いてもかまわない。
Further, in order to remove extraneous information such as color information and noise unrelated to “movement”, the difference image is binarized to obtain a difference binarized image. As a binarization method, for example, a fixed threshold value, a discrimination least square automatic threshold value method disclosed in Non-Patent Document 2, a threshold value 0 and a noise processing method (with a difference other than 0 in a grayscale image, all having motion = 1) It is possible to employ a method for removing noise by a known noise removing method. By the above preprocessing, the input moving image data becomes a column of frame data (binary image) having logical values of “moved (1)” and “not moved (0)” in the pixel values.
In the present embodiment, the difference binary image is used as the inter-frame difference data. However, a gray scale difference image obtained by performing gray scale (taking the absolute value of the difference value) instead of binarization may be used. Absent.

工程2-1では、1フレーム毎の立体画素データに関する相関パターンを計算してCHLAC特徴を計算する。CHLACの二値画像の立体画素データに関する相関パターンは2次までの相関を考慮した場合は、251種類存在する。本実施例では、これに伴いCHLACデータは251次元の特徴量とする。CHLACデータの具体的な計算方法は従来発明に示した特許文献2の処理を用いて行う。   In step 2-1, a correlation pattern related to stereoscopic pixel data for each frame is calculated to calculate a CHLAC feature. There are 251 types of correlation patterns related to the stereoscopic pixel data of the CHLAC binary image in consideration of the correlation up to the second order. In the present embodiment, accordingly, the CHLAC data is a 251-dimensional feature amount. A specific calculation method of the CHLAC data is performed using the processing of Patent Document 2 shown in the conventional invention.

工程2-2で異常監視を行う際には、工程2-1で計算したCHLACデータではなく、Nフレーム分のCHLACデータの平均を特徴量として利用する。これをCHLAC特徴と呼ぶ。Nは認識しようとする動作の1周期と等しいか、より長い時間が望ましい。この処理により、CHLAC特徴(ベクトル)を平滑化する事でノイズに対してより頑健な値に変換する。   When performing abnormality monitoring in Step 2-2, the average of CHLAC data for N frames is used as the feature amount, not the CHLAC data calculated in Step 2-1. This is called a CHLAC feature. N is preferably equal to or longer than one cycle of the operation to be recognized. By this processing, the CHLAC feature (vector) is smoothed to convert the noise into a more robust value.

なお、平均のとり方は図5の様にCHLACデータを時系列に並べた列に時間窓を設定し、窓を1データずつシフトさせながらCHLACデータの和を求める。求まったCHLACデータの和をNで割ったものをCHLAC特徴と呼ぶ。
なお、効率的な計算方法としては時間窓のシフトにより除去されるCHLACデータをCHLACデータの和から減算し、時間窓のシフトにより追加されるCHLACデータをCHLACデータの和に加算する方法が特許文献2に示されている。
As shown in FIG. 5, a time window is set in a column in which CHLAC data is arranged in time series as shown in FIG. 5, and the sum of the CHLAC data is obtained while shifting the window one data at a time. A sum of the obtained CHLAC data divided by N is called a CHLAC feature.
As an efficient calculation method, there is a method of subtracting CHLAC data removed by time window shift from the sum of CHLAC data and adding CHLAC data added by time window shift to the sum of CHLAC data. 2.

工程4-3で、異常か正常の判定を行うのに通常動作の部分空間を用いる。これは、   In step 4-3, a subspace of normal operation is used to determine whether it is abnormal or normal. this is,

Figure 0004654347
Figure 0004654347

式1の固有値問題を解くこと(主成分分析)により求まる固有値Λ、固有ベクトルUにより定められる。工程3-1では、自己相関行列と呼ばれる式中のRを求める計算を行う。ここでは非特許文献1の近似は行わず、自己相関行列Rから式1により直接固有ベクトルを求めているので計算精度は低下しない。自己相関行列Rを求める計算は、大きく二段階に分けて処理を行う。一段目は、一定期間CHLAC特徴をサンプリングしながら自己相関行列Rを更新するための行列r(更新行列)を生成する。二段目は一段目で求めた更新行列rを用いて自己相関行列Rの更新を行う。   It is determined by the eigenvalue Λ and eigenvector U obtained by solving the eigenvalue problem of Equation 1 (principal component analysis). In step 3-1, calculation for obtaining R in an equation called an autocorrelation matrix is performed. Here, the approximation of Non-Patent Document 1 is not performed, and the eigenvector is obtained directly from the autocorrelation matrix R by Equation 1, so that the calculation accuracy does not deteriorate. The calculation for obtaining the autocorrelation matrix R is roughly divided into two stages. The first stage generates a matrix r (update matrix) for updating the autocorrelation matrix R while sampling the CHLAC features for a certain period. In the second stage, the autocorrelation matrix R is updated using the update matrix r obtained in the first stage.

工程3-1ではその一段目を実行しrの更新を行う。通常、CHLAC特徴から更新行列rは、 In step 3-1, the first step is executed to update r. Usually, the update matrix r from the CHLAC feature is

Figure 0004654347
の式にて計算される。ここでnは更新行列rを構成するCHLAC特徴のサンプル数を指し、xiはCHLAC特徴を指す。L次元のCHLAC特徴を以下のように表す。
Figure 0004654347
It is calculated by the following formula. Here, n indicates the number of CHLAC feature samples constituting the update matrix r, and xi indicates the CHLAC feature. The L-dimensional CHLAC features are expressed as follows:

Figure 0004654347
なお、本実施例ではL=251であるため、更新行列rは251×251の正方行列となる。式2をそのまま解くと計算量がサンプル数に比例して増大していく。
Figure 0004654347
Note that since L = 251 in the present embodiment, the update matrix r is a 251 × 251 square matrix. If Equation 2 is solved as it is, the amount of calculation increases in proportion to the number of samples.

そこで、本発明ではサンプル数に関わらず一定の計算量で更新行列rが求まるような計算方法を用いる。具体的にはn個のCHLAC特徴のサンプルで構成されている更新行列rに対して、新たなCHLAC特徴のサンプルxが追加される更新を下記式にて行う。   Therefore, in the present invention, a calculation method is used in which the update matrix r is obtained with a constant calculation amount regardless of the number of samples. Specifically, for the update matrix r composed of n CHLAC feature samples, an update in which a new CHLAC feature sample x is added is performed by the following equation.

Figure 0004654347
これにより1ステップごとに計算量を割り振れるため、更新行列rの生成をより少ない計算量で行うことができる。
Figure 0004654347
As a result, a calculation amount can be allocated for each step, so that the update matrix r can be generated with a smaller calculation amount.

工程3-2では、通常動作の部分空間の更新する条件を満たしているか否かの判定を行う。条件を満たしている場合、自己相関行列Rを更新するための2段目の処理を行う。判定の条件としては、例えば上記式のnが一定値を超えた場合、つまり更新行列を構成するCHLAC特徴が一定量を超えた場合等が上げられる。   In Step 3-2, it is determined whether or not the condition for updating the partial space for normal operation is satisfied. If the condition is satisfied, the second stage process for updating the autocorrelation matrix R is performed. As a condition for determination, for example, a case where n in the above formula exceeds a certain value, that is, a case where the CHLAC feature constituting the update matrix exceeds a certain amount is raised.

工程3-3では、自己相関行列Rを更新するための2段目の処理を行う。具体的には、自己相関行列Rに対して更新行列rを追加する。更新行列rの追加は以下の式で行う事が出来る。   In step 3-3, a second stage process for updating the autocorrelation matrix R is performed. Specifically, an update matrix r is added to the autocorrelation matrix R. The update matrix r can be added using the following formula.

Figure 0004654347
Figure 0004654347

ここで、NはRを構成するCHLAC特徴のサンプル数、Mは更新行列rを構成するCHLAC特徴のサンプル数である。これにより、3−1で記述したとおりRの更新をサンプル数に関わらず一定の計算量で行う事が可能である。また、常時膨大なCHLAC特徴をメモリ上に保持する必要がなくなるため、少ないメモリでも異常監視を行う事が可能となる。
上記式5では、Nの値が十分に大きくなると、新たに追加する更新行列rが自己相関行列Rに及ぼす影響が小さくなり、急激な環境の変動に追従するのが難しくなる。
Here, N is the number of samples of the CHLAC feature constituting R, and M is the number of samples of the CHLAC feature constituting the update matrix r. Thereby, as described in 3-1, it is possible to update R with a constant calculation amount regardless of the number of samples. In addition, since it is not necessary to always store an enormous amount of CHLAC features in the memory, it is possible to perform abnormality monitoring with a small amount of memory.
In the above equation 5, when the value of N becomes sufficiently large, the influence of the newly added update matrix r on the autocorrelation matrix R becomes small, and it becomes difficult to follow a rapid environmental change.

本発明では、これらの問題を解決するため新たに追加する更新行列rが自己相関行列Rに対して及ぼす影響が一定以下にならない仕組みを用意した。この仕組みを利用する場合、自己相関行列Rの更新は下記式で行う。 In the present invention, in order to solve these problems, a mechanism has been prepared in which the effect of the newly added update matrix r on the autocorrelation matrix R does not become below a certain level. When this mechanism is used, the autocorrelation matrix R is updated by the following equation.

Figure 0004654347
式5.0中のk0は[0 1]の実数である。
Figure 0004654347
K0 in Equation 5.0 is a real number of [0 1].

図6はk0の制御により新規に追加する更新行列rが自己相関行列Rに及ぼす割合の様子を図示したものである。k0の導入により新規に追加する更新行列rが自己相関行列Rに及ぼす割合の下限が一定に保たれる事がわかる。
k0の値を大きくとると、新規に追加する更新行列rの影響が強くなり、急激な環境変動に対しても自動追従が可能になる。逆にk0の値を小さくとると、既存の自己相関行列Rの重要度が増す事になり、環境変動に対する追従は緩やかなものになる。
FIG. 6 illustrates the ratio of the update matrix r newly added under the control of k0 to the autocorrelation matrix R. It can be seen that the lower limit of the ratio of the newly added update matrix r to the autocorrelation matrix R is kept constant by introducing k0.
If the value of k0 is increased, the influence of the newly added update matrix r becomes stronger, and automatic tracking can be performed even for sudden environmental changes. Conversely, if the value of k0 is reduced, the importance of the existing autocorrelation matrix R increases, and the follow-up to environmental changes becomes gradual.

工程3-4では、共有メモリ上にある自己相関行列Rの値を更新する。共有メモリとは別CPUと共有するデータを保存するメモリの事をさす。共有メモリの更新後、更新行列rを零行列で初期化する。   In step 3-4, the value of the autocorrelation matrix R on the shared memory is updated. Shared memory refers to memory that stores data shared with another CPU. After updating the shared memory, the update matrix r is initialized with a zero matrix.

工程4-1では、共有メモリ上の固有ベクトルが更新されているか確認を行う。この固有ベクトルで張られた空間が異常監視に用いる通常動作の部分空間となる。更新の確認方法の一例としては、通常動作の部分空間を計算するCPU13からCPU12に対して、実行状態(待機中、計算中、計算完了等)を通知する方法が挙げられる。
共有メモリ上の固有ベクトルが更新されていた場合、工程4-2に推移して通常動作の部分空間の更新処理を行う。共有メモリ上の通常動作の部分空間が更新されていない場合、工程4-3に推移して異常値の計算を行う。その際に用いる通常動作の部分空間は、図1で示した様に古い自己相関行列を用いて既に計算された通常動作の部分空間を用いて異常監視を続行する。
なお、通常動作の部分空間の計算方法は別プロセス上で並列処理にて行うため、通常動作の部分空間の導出方法は後述する。
In step 4-1, it is confirmed whether the eigenvector on the shared memory has been updated. The space spanned by this eigenvector becomes a partial space for normal operation used for abnormality monitoring. As an example of the update confirmation method, there is a method in which the CPU 13 that calculates the partial space for normal operation notifies the CPU 12 of the execution state (waiting, calculating, completion of calculation, etc.).
If the eigenvector on the shared memory has been updated, the process proceeds to step 4-2, and the normal operation partial space is updated. If the normal operation partial space on the shared memory has not been updated, the process proceeds to step 4-3 to calculate an abnormal value. The normal operation subspace used at that time continues the abnormality monitoring using the normal operation subspace already calculated using the old autocorrelation matrix as shown in FIG.
In addition, since the calculation method of the subspace of normal operation is performed by parallel processing on different processes, the method of deriving the subspace of normal operation will be described later.

通常動作の部分空間の更新間隔がフレーム間隔程度の周期であれば、自己相関行列Rに新規に追加されるCHLAC特徴は多くても100サンプル程度なので更新行列rの追加前後の誤差は極めて小さいので、更新前後の通常動作の部分空間に大きな性能差は発生しない。そのため、通常動作の部分空間を更新しているわずかな期間を更新前の通常動作の部分空間を用いて異常監視を行っても問題は無い。この発明により、通常動作の部分空間を計算している最中も異常監視を行う事が可能となる。   If the update interval of the subspace of normal operation is a period of about the frame interval, the CHLAC feature newly added to the autocorrelation matrix R is about 100 samples at most, so the error before and after the addition of the update matrix r is extremely small. A large performance difference does not occur in the partial space of normal operation before and after the update. Therefore, there is no problem even if abnormality monitoring is performed using the partial space for normal operation before the update for a short period during which the partial space for normal operation is updated. According to the present invention, it is possible to perform abnormality monitoring even during calculation of a partial space for normal operation.

工程4-2では、共有メモリ上から、別プロセスで計算された固有ベクトルを通常動作の部分空間として読み込む。   In step 4-2, the eigenvector calculated by another process is read from the shared memory as a partial space for normal operation.

工程4-3では、工程2-2で求めたCHLAC特徴と工程4-2で共有メモリから読み込んだ通常動作の部分空間から異常か正常の指針となる異常値を計算する。具体的には、CHLAC特徴と通常動作の部分空間の垂直距離d⊥を求め異常値とする。   In step 4-3, an abnormal value serving as a guideline for abnormality or normality is calculated from the CHLAC feature obtained in step 2-2 and the normal operation partial space read from the shared memory in step 4-2. Specifically, the vertical distance d⊥ between the CHLAC feature and the normal operation subspace is obtained and used as an abnormal value.

垂直距離d⊥の計算をするための第一ステップとして、主成分分析によって求まった固有ベクトルUK=[u1,...,uK] によって張られた部分空間への射影子Pおよびそれに対する直交補空間への射影子P⊥を下記の式から計算する。   As a first step for calculating the vertical distance d⊥, a projector P to a subspace spanned by eigenvectors UK = [u1,..., UK] obtained by principal component analysis and its orthogonal complement space Projector P⊥ to is calculated from the following equation.

Figure 0004654347
式中のU'は行列Uの転置行列であり、IMはM次の単位行列である。直交補空間での2乗距離、即ち、部分空間Uへの垂線の2乗距離d2⊥は下記式で表現する。
Figure 0004654347
U ′ in the equation is a transposed matrix of the matrix U, and IM is an M-th unit matrix. The square distance in the orthogonal complement space, that is, the square distance d2⊥ of the perpendicular to the subspace U is expressed by the following equation.

Figure 0004654347
Figure 0004654347

本実施例においては、この垂直距離d⊥を異常であるか否かの指標である異常値とする。また、上記のような方法の他にCHLAC特徴と通常動作の部分空間のなす角度を異常値とする様な手法をとっても良い。   In the present embodiment, this vertical distance d と す る is an abnormal value that is an indicator of whether or not it is abnormal. In addition to the above method, a method may be used in which an angle formed by the CHLAC feature and the normal operation subspace is an abnormal value.

工程4-4では、工程4-3で求めた異常値が閾値より大きいか小さいかの判定を行う。   In Step 4-4, it is determined whether the abnormal value obtained in Step 4-3 is larger or smaller than the threshold value.

工程4-5では、工程4-4で異常値が閾値より小さい場合の処理である。この処理で該当するフレームを通常動作が記録されているフレームと判定する。   Step 4-5 is processing when the abnormal value is smaller than the threshold value in Step 4-4. In this process, the corresponding frame is determined as a frame in which the normal operation is recorded.

工程4-6では、工程4-4で異常値が閾値より大きい場合の処理である。この処理で該当するフレームを異常動作が記録されているフレームと判定する。   Step 4-6 is processing when the abnormal value is larger than the threshold value in Step 4-4. In this process, the corresponding frame is determined as a frame in which an abnormal operation is recorded.

工程4-7では、異常か正常の判定結果をディスプレイ等に出力する。   In Step 4-7, an abnormality or normality determination result is output to a display or the like.

工程4-8では、異常監視を終了するか否かの判定を行う。例えば、ユーザが異常監視を終了するような処理を行った場合、異常監視を終了する。
異常監視を続行する場合は、工程1-0に戻り処理を続行する。
In Step 4-8, it is determined whether or not abnormality monitoring is to be terminated. For example, when the user performs a process to end the abnormality monitoring, the abnormality monitoring is ended.
If abnormality monitoring is to be continued, return to step 1-0 and continue processing.

CPU13のフローチャートは通常動作の部分空間の更新を行うためのフローチャートである。この処理は、上記で説明した異常監視の処理とは別のプロセス上で行う。別のプロセスとは、例えばマルチコアCPUにおいて別のコアで実施するような状態を指す。なお、CPU12のフローチャートとCPU13のフローチャートは独立して動作するのであれば装置として問題無いため、マルチコアではない単一CPU上でそれぞれのフローチャートを独立して動かすという手法も考えられる。   The flowchart of the CPU 13 is a flowchart for updating the partial space for normal operation. This process is performed on a process different from the abnormality monitoring process described above. Another process refers to a state in which, for example, a multi-core CPU executes with another core. If the flowchart of the CPU 12 and the flowchart of the CPU 13 operate independently, there is no problem as a device. Therefore, a method of independently operating each flowchart on a single CPU that is not multi-core is also conceivable.

工程5-1においては、CPU12上の処理3-4によって自己相関行列Rが更新されたかを確認する。更新の確認方法の一例としては、通常動作の部分空間を計算するCPU12からCPU13に対して、実行状態(待機中、計算中、計算完了等)を通知する方法が挙げられる   In step 5-1, it is confirmed whether or not the autocorrelation matrix R has been updated by the process 3-4 on the CPU 12. As an example of the update confirmation method, there is a method in which the CPU 12 that calculates the partial space for normal operation notifies the CPU 13 of the execution state (standby, calculating, completion of calculation, etc.).

工程5-2では、主成分分析手法を用いて工程5-1で取得した自己相関行列から通常動作の部分空間を求める。
主成分分析は先に記述したとおり
In step 5-2, a subspace of normal operation is obtained from the autocorrelation matrix acquired in step 5-1 using a principal component analysis method.
Principal component analysis as described above

Figure 0004654347
の固有問題を解く事で求まる。式中の自己相関行列Rは本実施例に置いては251×251の行列で表現されている。
式中のUは主成分ベクトル(固有ベクトル)を列に並べた行列であり下記の様に表現する。
Figure 0004654347
It is obtained by solving the eigenproblem of. In the present embodiment, the autocorrelation matrix R in the equation is represented by a 251 × 251 matrix.
U in the equation is a matrix in which principal component vectors (eigenvectors) are arranged in columns, and is expressed as follows.

Figure 0004654347
uは主成分分析によって求まった固有ベクトルである。本実施例ではL=251となる。Λは固有値行列を指し下記式で表現する。
Figure 0004654347
u is an eigenvector obtained by principal component analysis. In this embodiment, L = 251. Λ indicates an eigenvalue matrix and is expressed by the following equation.

Figure 0004654347
ここで、λは主成分分析で求まった固有ベクトルに対応する固有値である。
Figure 0004654347
Here, λ is an eigenvalue corresponding to the eigenvector obtained by principal component analysis.

さらに第K固有値までの累積寄与率ηK は、以下の様な式で表す。   Further, the cumulative contribution rate ηK up to the Kth eigenvalue is expressed by the following equation.

Figure 0004654347
ここでηKがある一定の値(例えばηK=0.99)になるまでK個の固有ベクトルを列にならべた下記行列を通常動作の部分空間とする。
Figure 0004654347
Here, the following matrix in which K eigenvectors are arranged in columns until ηK reaches a certain value (for example, ηK = 0.99) is defined as a subspace of normal operation.

Figure 0004654347
Figure 0004654347

なお、累積寄与率ηKの最適値は監視対象や検出精度にも依存するものと考えられるので実験等により決定する。以上の計算を行うことにより、通常動作の部分空間が生成される。   Note that the optimum value of the cumulative contribution rate ηK is determined by an experiment or the like because it is considered to depend on the monitoring target and the detection accuracy. By performing the above calculation, a partial space for normal operation is generated.

工程5-3では、工程5-2で求まった固有ベクトルを共有メモリ上に保存する。この固有ベクトルによって張る空間が通常動作の部分空間になる。   In step 5-3, the eigenvector obtained in step 5-2 is stored in the shared memory. The space spanned by this eigenvector becomes a subspace of normal operation.

工程5-4では、工程4-8と同様の異常監視の終了判定を行う。ただし、異常監視を続行する場合は工程5-1に戻るものとする。   In step 5-4, the same end determination of abnormality monitoring as in step 4-8 is performed. However, if abnormality monitoring is continued, the process returns to step 5-1.

本発明の別の実施例として、異常値の高いCHLAC特徴のみを用いて通常動作の部分空間の更新する実施例を記載する。システム構成例は実施例1の構成と同様である。
図7はCPU12とCPU13の動作概要である。CPU12では、処理1としてカメラ映像の読み込みを行う。次に処理2としてCHLAC特徴の計算を行う。次に処理3として異常か正常の判断を行う。さらに処理4で自己相関行列の更新を行う。自己相関行列の更新の際には、異常値の高いCHLAC特徴を未学習の通常動作に対するデータと仮定して、異常値の高いCHLAC特徴のみCHLAC特徴のみを用いる。CPU13では処理5として異常か正常の判断を行うのに必要な通常動作の部分空間をCPU12で求めた自己相関行列から生成する。CPU13で通常動作の部分空間の計算が完了するまでの間、CPU12では過去に計算された通常動作の部分空間を用いて異常監視を行う。
As another embodiment of the present invention, an embodiment will be described in which the normal operation subspace is updated using only the CHLAC features having high abnormal values. The system configuration example is the same as that of the first embodiment.
FIG. 7 shows an outline of the operation of the CPU 12 and the CPU 13. The CPU 12 reads the camera video as process 1. Next, as a process 2, a CHLAC feature is calculated. Next, as processing 3, it is determined whether it is abnormal or normal. Further, in the process 4, the autocorrelation matrix is updated. When updating the autocorrelation matrix, assuming that a CHLAC feature having a high abnormal value is data for an unlearned normal operation, only a CHLAC feature having a high abnormal value is used. In the CPU 13, a partial space for normal operation necessary for determining whether the process is abnormal or normal is generated from the autocorrelation matrix obtained by the CPU 12. Until the CPU 13 completes the calculation of the subspace for normal operation, the CPU 12 performs abnormality monitoring using the subspace for normal operation calculated in the past.

図8は図7の処理の詳細を記述したものである。CPU12において、工程a-0、a-1、a-2、b-1、b-2はそれぞれ、図6の工程1-0、1-1、1-2、2-1、2-2に対応しフレームデータの読み込みからCHLAC特徴の計算までを行う。
工程c-1、c-2、c-3、c-4、c-5、c-6、c-7はそれぞれ図6の工程4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6、4-7に対応し異常か正常の判定を行う。
FIG. 8 describes details of the processing of FIG. In the CPU 12, the steps a-0, a-1, a-2, b-1, b-2 are respectively changed to steps 1-0, 1-1, 1-2, 2-1 and 2-2 in FIG. Correspondingly, from the reading of the frame data to the calculation of the CHLAC feature.
Steps c-1, c-2, c-3, c-4, c-5, c-6, c-7 are steps 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 in FIG. Correspond to 4-5, 4-6, 4-7, and judge whether it is abnormal or normal.

d-1はb-2でもとめたCHLAC特徴をc-3で計算した異常値を元に通常動作の部分空間の更新に利用するか否かの判定を行う。
CHLAC特徴を通常動作の部分空間の更新に用いる場合、d-2に推移する。そうでない場合は、e-1に推移する。
具体的な判定条件の一例として、異常と判定された一連の動作から異常値が最大となるCHLAC特徴のみをサンプリングするという方式が考えられる。
一連の動作の定義方法として、例えば、図11のように異常値>thresholdを満たす異常値の集まりを一連の動作と定義する方法がある。thresholdの値の一例として、異常か正常の判定を行う際の閾値を設定してもよい。
この方式で通常動作の部分空間の更新に用いるCHLAC特徴を効率的にサンプリングする事が可能となる。
d-1 determines whether to use the CHLAC feature determined in b-2 for updating the subspace of the normal operation based on the abnormal value calculated in c-3.
When the CHLAC feature is used to update the subspace for normal operation, the process proceeds to d-2. Otherwise, transition to e-1.
As an example of specific determination conditions, a method of sampling only the CHLAC feature having the maximum abnormal value from a series of operations determined to be abnormal can be considered.
As a method of defining a series of operations, for example, there is a method of defining a collection of abnormal values satisfying abnormal value> threshold as a series of operations as shown in FIG. As an example of the threshold value, a threshold value for determining whether abnormality is normal or normal may be set.
With this method, it is possible to efficiently sample the CHLAC features used for updating the subspace in normal operation.

工程d-2では、d-1でサンプリング条件を満たすCHLAC特徴xを下記の式で表すCHLAC特徴群Faに追加する。   In step d-2, the CHLAC feature x satisfying the sampling condition in d-1 is added to the CHLAC feature group Fa represented by the following equation.

Figure 0004654347
Figure 0004654347

本実施例ではCHLAC特徴群Faを更新行列として扱う。
なお、本実施例ではCHLAC特徴の次元数Lを251とする。
工程c-3で、異常か正常の判定を行うのに通常動作の部分空間を用いる。これは、
In this embodiment, the CHLAC feature group Fa is treated as an update matrix.
In this embodiment, the dimension number L of the CHLAC feature is 251.
In step c-3, the normal operation subspace is used to determine whether the operation is abnormal or normal. this is,

Figure 0004654347
Figure 0004654347

式14の固有値問題を解く主成分分析という手法により求まる固有値行列Λ、固有ベクトルUから求まる。実施例1ではRにCHLAC特徴群から計算された自己相関行列を採用し、固有値行列Λ、固有ベクトルUを計算した。
このような方法の他に本実施例で示すような、既に求まっている通常動作の部分空間を利用して、自己相関行列Rを計算する方式をとってもよい。
本実施例で示す方式をとった場合、自己相関行列Rの行列サイズが縮小されるため、通常動作の部分空間を更新するのに要する時間を削減する事も可能である。
It is obtained from an eigenvalue matrix Λ and an eigenvector U obtained by a method called principal component analysis that solves the eigenvalue problem of Equation 14. In the first embodiment, the autocorrelation matrix calculated from the CHLAC feature group is adopted as R, and the eigenvalue matrix Λ and the eigenvector U are calculated.
In addition to such a method, a method of calculating the autocorrelation matrix R using a partial space of normal operation that has already been obtained, as shown in the present embodiment, may be used.
When the method shown in the present embodiment is adopted, since the matrix size of the autocorrelation matrix R is reduced, it is possible to reduce the time required to update the partial space for normal operation.

工程d-3では、通常動作の部分空間を更新するための条件を満たしているか否かの判定を行う。判定の条件としては、例えばd-2の記憶したCHLAC特徴のサンプル数が所定の値を超えた場合があげられる。この所定の値をnとする。   In step d-3, it is determined whether or not a condition for updating the partial space for normal operation is satisfied. As a determination condition, for example, a case where the number of stored CHLAC feature samples of d-2 exceeds a predetermined value can be cited. Let this predetermined value be n.

工程d-4では、通常動作の部分空間を更新するために必要な自己相関行列Rを求める。実施例1では、CHLAC特徴群から計算した自己相関行列Rを計算したが、本実施例ではd-2でサンプリングされたCHLAC特徴群Faと、現在通常動作の部分空間を張っている固有ベクトルUo、Uoを導出する際に求まった固有値Λoから以下のような式で求まる行列から自己相関行列Rを計算する。   In step d-4, an autocorrelation matrix R necessary for updating the subspace of normal operation is obtained. In the first embodiment, the autocorrelation matrix R calculated from the CHLAC feature group is calculated. However, in this embodiment, the CHLAC feature group Fa sampled at d-2 and the eigenvector Uo that currently spans the subspace of normal operation, An autocorrelation matrix R is calculated from a matrix obtained by the following equation from the eigenvalue Λo obtained when Uo is derived.

Figure 0004654347
Figure 0004654347

ここで、NはCHLAC特徴がnサンプル集まるまでに計算されたCHLAC特徴の総数である。
過去にサンプリングしたCHLAC特徴群は固有ベクトルUoを用いて代表される。通常動作の部分空間Uoの次元数が過去にサンプリングしたCHLAC特徴群の代表サンプル数になる。
Here, N is the total number of CHLAC features calculated until n samples of CHLAC features are collected.
The CHLAC feature group sampled in the past is represented using the eigenvector Uo. The number of dimensions of the subspace Uo of the normal operation becomes the representative sample number of the CHLAC feature group sampled in the past.

環境変動に追従するため、実施例1と同様に既存のデータであるUoと新規追加データであるFaの重み付け比の制御を行う。これにより新規に追加されるデータFaが自己相関行列R及ぼす影響が一定以上になる。重み付け比を制御したXの導出は例えば、下記の式で行う。   In order to follow environmental fluctuations, the weighting ratio between the existing data Uo and the newly added data Fa is controlled as in the first embodiment. As a result, the influence of the newly added data Fa on the autocorrelation matrix R becomes a certain level or more. The derivation of X with the weighted ratio controlled is performed by the following equation, for example.

Figure 0004654347
式4.0中のk0は[0 1]の実数である。
Figure 0004654347
K0 in Equation 4.0 is a real number of [0 1].

図6はk0の制御により新規に追加する更新行列が学習データXに及ぼす割合の様子を図示したものである。k0の導入により新規に追加する更新行列が学習データXに及ぼす割合の下限が一定に保たれる事がわかる。
k0の値を大きくとると、新規に追加する更新行列の影響が強くなり、急激な環境変動に対しても自動追従が可能になる。逆にk0の値を小さくとると、既存のデータの重要度が増す事になり、環境変動に対する追従は緩やかなものになる。
FIG. 6 illustrates the ratio of the update matrix newly added under the control of k0 to the learning data X. It can be seen that the lower limit of the ratio of the update matrix newly added to the learning data X is kept constant by introducing k0.
When the value of k0 is increased, the influence of a newly added update matrix becomes stronger, and automatic tracking can be performed even for a sudden environmental change. Conversely, if the value of k0 is reduced, the importance of the existing data will increase, and the follow-up to environmental changes will be gradual.

工程d-5では、工程d-4で生成した学習データXから主成分分析の計算に用いる自己相関行列Rの計算を行う。本実施例ではRは以下の式で計算する。   In step d-5, an autocorrelation matrix R used for calculation of principal component analysis is calculated from the learning data X generated in step d-4. In this embodiment, R is calculated by the following formula.

Figure 0004654347
Figure 0004654347

通常部分空間の更新に用いるCHLAC特徴群が少ない場合にこのような方式でRを計算すると、CHLAC特徴群から自己相関行列を計算するよりもRの行列のサイズは小さくなる。
例えば、通常動作の部分空間が5次元、更新に用いるCHLAC特徴のサンプル数が100サンプルだった場合にこのような方式をとった場合、自己相関行列Rは105×105の行列となり、行列サイズが小さくなる分、主成分分析の実行に要する時間は削減される。
When R is calculated in this way when there are few CHLAC feature groups used for updating the normal subspace, the R matrix size is smaller than the autocorrelation matrix calculated from the CHLAC feature groups.
For example, when this method is used when the subspace of normal operation is 5 dimensions and the number of samples of CHLAC features used for updating is 100 samples, the autocorrelation matrix R is a 105 × 105 matrix, and the matrix size is The time required for executing the principal component analysis is reduced by the smaller amount.

工程d-6では、共有メモリ上にある自己相関行列Rを更新する。共有メモリとは別CPUと共有するデータを保存するメモリの事をさす。共有メモリの更新後、更新行列を空にする。   In step d-6, the autocorrelation matrix R on the shared memory is updated. Shared memory refers to memory that stores data shared with another CPU. After updating the shared memory, empty the update matrix.

工程e-1では、異常監視を終了するか否かの判定を行う。例えば、ユーザが異常監視を終了するような処理を行った場合、異常監視を終了する。
異常監視を続行する場合は、工程a-0に戻り処理を続行する。
In step e-1, it is determined whether or not to stop the abnormality monitoring. For example, when the user performs a process to end the abnormality monitoring, the abnormality monitoring is ended.
When the abnormality monitoring is continued, the process returns to step a-0 to continue the processing.

CPU13のフローチャートは通常動作の部分空間の更新を行うための処理である。この処理は、上記で説明した異常監視の処理とは別のプロセス上で行う。別のプロセスとは、例えばマルチコアCPUにおいて別のコアで実施するような状態を指す。なお、CPU12のフローチャートとCPU13のフローチャートは独立して動作するのであれば装置として問題無いため、マルチコアではない単一CPU上でそれぞれのフローチャートを独立して動かすという手法も考えられる。   The flowchart of the CPU 13 is a process for updating the partial space for normal operation. This process is performed on a process different from the abnormality monitoring process described above. Another process refers to a state in which, for example, a multi-core CPU executes with another core. If the flowchart of the CPU 12 and the flowchart of the CPU 13 operate independently, there is no problem as a device. Therefore, a method of independently operating each flowchart on a single CPU that is not multi-core is also conceivable.

工程f-1においては、CPU12上のd-4の処理によって自己相関行列Rが更新されたかを確認する。更新の確認方法の一例としては、通常動作の部分空間を計算するCPU12からCPU13に対して、実行状態(待機中、計算中、計算完了等)を通知する方法が挙げられる。   In step f-1, it is confirmed whether the autocorrelation matrix R has been updated by the process of d-4 on the CPU 12. As an example of the update confirmation method, there is a method in which the CPU 12 that calculates the partial space for normal operation notifies the CPU 13 of the execution state (standby, calculating, completion of calculation, etc.).

工程f-3では、主成分分析手法を用いて工程f-2で計算した自己相関行列Rから通常動作の部分空間を求める。
主成分分析は先に記述したとおり
In step f-3, a subspace of normal operation is obtained from the autocorrelation matrix R calculated in step f-2 using the principal component analysis method.
Principal component analysis as described above

Figure 0004654347
の固有問題を解く事で求まる。
式中のUAは主成分ベクトル(固有ベクトル)を列に並べた行列であり下記の様に表現する。
Figure 0004654347
It is obtained by solving the eigenproblem of.
UA in the equation is a matrix in which principal component vectors (eigenvectors) are arranged in columns, and is expressed as follows.

Figure 0004654347
uは主成分分析によって求まった固有ベクトルである。lは学習データXのサンプル数である。ΛAは固有値行列を指し下記式で表現する。
Figure 0004654347
u is an eigenvector obtained by principal component analysis. l is the number of samples of the learning data X. ΛA indicates an eigenvalue matrix and is expressed by the following equation.

Figure 0004654347
ここで、λは主成分分析で求まった固有ベクトルに対応する固有値である。
さらに第K固有値までの累積寄与率ηK は、以下の様な式で表す。
Figure 0004654347
Here, λ is an eigenvalue corresponding to the eigenvector obtained by principal component analysis.
Further, the cumulative contribution rate ηK up to the Kth eigenvalue is expressed by the following equation.

Figure 0004654347
ここでηKがある一定の値(例えばηK=0.99)になるまでK個の固有ベクトルを列にならべた行列を
Figure 0004654347
Here, a matrix in which K eigenvectors are arranged in columns until ηK reaches a certain value (for example, ηK = 0.99).

Figure 0004654347
また、ηKがある一定の値(例えばηK=0.99)になるまでK個の固有値から求めた行列を、
Figure 0004654347
Further, a matrix obtained from K eigenvalues until ηK becomes a certain value (for example, ηK = 0.99),

Figure 0004654347
とした時、通常動作の部分空間を張る固有ベクトルUnは下記の式で求まる。
Figure 0004654347
Then, the eigenvector Un that spans the subspace of normal operation is obtained by the following equation.

Figure 0004654347
なお、累積寄与率ηKの最適値は監視対象や検出精度にも依存するものと考えられるので実験等により決定する。以上の計算を行うことにより、通常動作の部分空間が生成される。
Figure 0004654347
Note that the optimum value of the cumulative contribution rate ηK is determined by an experiment or the like because it is considered to depend on the monitoring target and the detection accuracy. By performing the above calculation, a partial space for normal operation is generated.

工程f-4では、工程f-3で求まった固有ベクトルUnを通常動作の部分空間として共有メモリ上に保存する。   In step f-4, the eigenvector Un obtained in step f-3 is stored on the shared memory as a partial space for normal operation.

工程f-5では、工程e-1と同様の異常監視の終了判定を行う。ただし、異常監視を続行する場合は工程f-1に戻るものとする。   In step f-5, the same abnormality monitoring end determination as in step e-1 is performed. However, when abnormality monitoring is continued, the process returns to step f-1.

なお実施例1及び実施例2では、1台のPC上にCPU12、CPU13が存在する事を想定しているが、ネットワーク上に分散する2台のPCをそれぞれCPU12、CPU13として利用するという構成も考えられる。このような構成で、自己相関行列や通常部分空間をCPU12、CPU13で送受信する場合、ネットワークを介してメモリの共有を行うなどの手法がある。
さらに、実施例1及び実施例2においてCPU13上で動作するフローチャートは異常監視を終了するまでループし続けているが、通常動作の更新を行う際に、CPU12から呼び出されるサブルーチンとして扱っても良い。
In the first and second embodiments, it is assumed that the CPU 12 and the CPU 13 exist on one PC. However, a configuration in which two PCs distributed on the network are used as the CPU 12 and the CPU 13, respectively. Conceivable. In such a configuration, when the CPU 12 and the CPU 13 transmit and receive the autocorrelation matrix and the normal partial space, there is a method of sharing the memory via the network.
Furthermore, in the first and second embodiments, the flowchart operating on the CPU 13 continues to loop until the abnormality monitoring is completed, but may be handled as a subroutine called from the CPU 12 when the normal operation is updated.

実施例1及び実施例2では更新行列に対する重みの下限値を固定値で与えていたが、異常の頻度によって適応的に求めても構わない。例えば、過去一定期間の異常の頻度を求めて、異常の頻度が大きかった場合、更新行列に対する重みの下限値を大きく設定し、異常の頻度が小さかった場合更新行列に対する重みの下限値を小さく設定する。   In the first embodiment and the second embodiment, the lower limit value of the weight for the update matrix is given as a fixed value, but it may be obtained adaptively depending on the frequency of abnormality. For example, when the frequency of abnormalities in the past fixed period is obtained, if the frequency of abnormalities is large, the lower limit value of the weight for the update matrix is set large, and if the frequency of abnormalities is small, the lower limit value of the weight for the update matrix is set small To do.

本発明を利用するメリットとして、既存システムと比較して導入が容易な点が上げられる。既存のオフライン型の監視システムは事前に通常動作を学習する必要があり、また、環境変動を考慮して通常動作映像を用意する必要があり、導入時及びセットアップ等に膨大なコストと時間を費やす必要があった。一方、従来のオンライン型の監視システムでも、明示的な環境変動への追従設定が困難なため環境変動に追従しきれず学習を一からやり直す必要があり、オフライン型の監視システムと同様に設置コストが飛躍的に増大するケースがあった。これに対して本発明により、短い更新間隔かつ高い計算精度で通常動作の更新が可能なオンライン学習型の異常監視システムが実現でき、製品の導入時のコスト及びセットアップ等に費やす時間を大幅に削減する事が可能となる。
本発明の具体的な利用方法として、マンションエントランスや工場の敷地内の様に定義すべき通常動作が多く、環境の変動が激しい場所への導入が考えられる。
As an advantage of using the present invention, it is easier to introduce compared to existing systems. Existing off-line monitoring systems need to learn normal operation in advance, and it is necessary to prepare normal operation images in consideration of environmental fluctuations, which requires enormous costs and time during installation and setup. There was a need. On the other hand, even with conventional online monitoring systems, it is difficult to follow up with explicit environmental fluctuations, so it is not possible to follow environmental fluctuations and learning must be performed from the beginning. There were cases where it increased dramatically. On the other hand, according to the present invention, it is possible to realize an on-line learning type abnormality monitoring system that can update normal operation with a short update interval and high calculation accuracy, and drastically reduce the cost at the time of product introduction and the time spent on the setup. It becomes possible to do.
As a concrete usage method of the present invention, there are many normal operations that should be defined as in a condominium entrance or factory premises, and introduction into a place where the environment fluctuates rapidly is conceivable.

本発明と従来手法の通常動作の部分空間の更新方法の比較図である。It is a comparison figure of the update method of the partial space of normal operation of the present invention and the conventional method. 本発明による異常監視システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the abnormality monitoring system by this invention. 本発明による第1の異常監視装置の動作を示す概略図である。It is the schematic which shows operation | movement of the 1st abnormality monitoring apparatus by this invention. 図3の本発明による第1の異常監視装置の動作を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows operation | movement of the 1st abnormality monitoring apparatus by this invention of FIG. 本発明による異常監視装置のCHLACデータを時系列に並べた列に時間窓を設定した図である。It is the figure which set the time window to the row | line | column which arranged the CHLAC data of the abnormality monitoring apparatus by this invention in time series. 新規に追加する更新行列が自己相関行列に及ぼす割合の様子を示す図示である。It is a figure which shows the mode of the ratio which the update matrix added newly adds to an autocorrelation matrix. 本発明による第2の異常監視装置の動作を示す概略図である。It is the schematic which shows operation | movement of the 2nd abnormality monitoring apparatus by this invention. 図7の本発明による第2の異常監視装置の動作を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows operation | movement of the 2nd abnormality monitoring apparatus by this invention of FIG. CHLAC特徴のサンプリング条件を満たすCHLAC特徴を示す図である。It is a figure which shows the CHLAC feature which satisfy | fills the sampling condition of a CHLAC feature.

符号の説明Explanation of symbols

10;カメラ
11;PC
12;CPU1
13;CPU2
14;共有メモリ
15;キーボード
16;マウス
17;モニタ
10; Camera 11; PC
12; CPU1
13; CPU2
14; shared memory 15; keyboard 16; mouse 17; monitor

Claims (8)

リアルタイムで入力された動画像フレームデータをメモリに蓄積する手段と、
前記動画像フレームデータからフレーム間差分データを生成する手段と、
前記フレーム間差分データから立体高次局所自己相関によって特徴データを抽出する手段と、
前記特徴データを用いて更新行列を生成する手段と、
前記更新行列を追加して、共有メモリ上の自己相関行列を更新する手段と、
共有メモリ上から異常検知に利用する固有ベクトルを読み込む手段と、
前記特徴データと共有メモリから読み込んだ前記固有ベクトルから異常値を求め、該異常値が閾値より大きいか小さいかの判定を行い、大きい場合に異常と判定する手段と、
前記異常判定手段が異常と判定した場合に判定結果を出力する手段と、
を実行する第1中央演算装置と、
主成分分析により前記共有メモリ上の自己相関行列から固有ベクトルを生成する手段と、
生成した固有ベクトルを共有メモリ上に保存し更新処理を行う手段と、
を実行する第2中央演算装置と、
を備える異常動作監視装置。
Means for storing moving image frame data input in real time in a memory;
Means for generating inter-frame difference data from the moving image frame data;
Means for extracting feature data from the inter-frame difference data by three-dimensional higher order local autocorrelation;
Means for generating an update matrix using the feature data;
Means for adding the update matrix and updating the autocorrelation matrix on the shared memory;
Means for reading eigenvectors used for anomaly detection from shared memory;
Means for obtaining an abnormal value from the characteristic data and the eigenvector read from the shared memory, determining whether the abnormal value is larger or smaller than a threshold,
Means for outputting a determination result when the abnormality determination means determines an abnormality;
A first central processing unit for executing
Means for generating eigenvectors from the autocorrelation matrix on the shared memory by principal component analysis;
Means for storing the generated eigenvector in the shared memory and performing an update process;
A second central processing unit for executing
An abnormal operation monitoring device comprising:
前記更新行列更新手段は、前記異常判定手段が異常と判定した特徴データのみを用いて更新行列を生成することを特徴とする請求項1記載の異常動作監視装置。   The abnormal operation monitoring apparatus according to claim 1, wherein the update matrix update unit generates an update matrix using only feature data determined to be abnormal by the abnormality determination unit. 前記自己相関行列更新手段は、追加する更新行列と自己相関行列の加重平均を計算し、追加する更新行列の加重値が一定値以下にならないことを特徴とする請求項1または2記載の異常動作監視装置。   3. The abnormal operation according to claim 1, wherein the autocorrelation matrix update unit calculates a weighted average of the update matrix to be added and the autocorrelation matrix, and the weight value of the update matrix to be added does not become a predetermined value or less. Monitoring device. 前記自己相関行列更新手段は、前記固有ベクトルを用いて学習用データの更新処理を行うことを特徴とする請求項1または2記載の異常動作監視装置。   The abnormal operation monitoring apparatus according to claim 1, wherein the autocorrelation matrix updating unit performs learning data update processing using the eigenvector. 前記第1中央演算装置は、共有メモリ上の固有ベクトルが前記第2中央演算装置によって更新されていない場合に、共有メモリからの読み込みを行わず、既に読み込みを行った古い固有ベクトルを用いて前記異常値計算を行うことを特徴とする請求項1または2記載の異常動作監視装置。   The first central processing unit does not read from the shared memory when the eigenvector on the shared memory is not updated by the second central processing unit, and uses the old eigenvector that has already been read. 3. The abnormal operation monitoring apparatus according to claim 1, wherein calculation is performed. 前記特徴データ抽出手段は、フレームCHLACデータの計算を行い、現在の特徴データに最新のフレームCHLACデータを加算し、所定期間以上古いフレームCHLACデータを減算する手段を備えることを特徴とする請求項1または2記載の異常動作監視装置。   2. The feature data extracting means comprises means for calculating frame CHLAC data, adding the latest frame CHLAC data to the current feature data, and subtracting the frame CHLAC data older than a predetermined period. Or the abnormal operation | movement monitoring apparatus of 2 description. 前記異常値計算は、前記特徴データと前記固有ベクトルによって張られる通常動作の部分空間との垂直距離または角度を求めることを特徴とする請求項1または2記載の異常動作監視装置。   The abnormal operation monitoring apparatus according to claim 1, wherein the abnormal value calculation obtains a vertical distance or angle between the feature data and a partial space of a normal operation stretched by the eigenvector. 前記第1中央演算装置及び第2中央演算装置が一体として構成されている事を特徴とする請求項1または2記載の異常動作監視装置。   The abnormal operation monitoring apparatus according to claim 1 or 2, wherein the first central processing unit and the second central processing unit are integrally configured.
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