JP4664838B2 - 映像オブジェクト追跡装置および映像オブジェクト追跡プログラム - Google Patents
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(第1実施形態)
[ボール追跡装置の構成]
図1は、本発明の第1実施形態に係るボール追跡装置の構成例を示した機能ブロック図である。ボール追跡装置(映像オブジェクト追跡装置)1は、サッカーボール(オブジェクト)を図示しないカメラで撮像して生成された映像中のボール(映像オブジェクト)を追跡する装置であって、図1に示すように、入力手段2と、記憶手段3と、2値画像生成手段4と、ボール候補選定手段5と、粒子更新判定手段6と、粒子生成手段7と、重み更新手段8と、状態量更新手段9と、粒子再生成手段10と、期待値演算手段11と、出力手段12とを備えている。
入力手段2は、図示しないカメラで撮像されたボールの映像(以下、単に、ボールという)を、2値画像生成手段4およびボール候補選定手段5に入力する入力インターフェースである。この入力手段2は、図示しないカメラの位置座標を含むカメラパラメータ(詳細は後記する)を、粒子生成手段7および重み更新手段8に出力する。なお、入力手段2は、操作者の操作によるコマンドやデータなどボール追跡装置1に必要な情報も入力する。
記憶手段3は、例えば、ROM(Read Only Memory)31と、RAM(Random Access Memory)32と、HDD(Hard Disk Drive)33とを備え、HDD33に後記する粒子記憶部331を有している。
2値画像生成手段4と、ボール候補選定手段5と、粒子更新判定手段6と、粒子生成手段7と、重み更新手段8と、状態量更新手段9と、粒子再生成手段10と、期待値演算手段11と(以下、制御部という)は、例えば、CPU(Central Processing Unit)が記憶手段3のROM31等に格納された所定のプログラムをRAM32に展開して実行することにより実現されるものである。各手段の詳細は後記する。
出力手段12は、期待値演算手段11で算出された期待値に含まれる位置情報を、図示しない出力装置に出力する出力インターフェースである。なお、出力装置は、例えば、液晶ディスプレイ等の表示装置である。
<2値画像生成手段>
2値画像生成手段4は、入力画像の各画素を背景画像および前景画像に分類した2値画像を生成し、ボール候補選定手段5に出力するものである。以下では、2値画像をB、対応する入力画像をIと表記する。この2値画像生成手段4は、入力画像Iの画像座標(X,Y)における画素値I(X,Y)に基づいて、入力画像Iの各画素が前景と背景のいずれであるかを判定し、2値画像Bの画像座標(X,Y)における画素値B(X,Y)を出力する。この処理を全画素に亘って実行することで2値画像Bを得ることができる。
また、画素値B(X,Y)は、2値をとり得るものであり、例えば、前景の画素に対しては値「1」をとり、背景の画素に対しては値「0」をとるものとすることができる。
ボール候補選定手段(映像オブジェクト候補選定手段)5は、2値画像Bのうちで、前景画像の形状に基づく画像特徴量と、入力画像Iにおいて前景画像を形成する画素に関する画素情報に基づく画像特徴量とのうちの少なくとも1つに関して予め定められた条件を満たす領域を、ボール候補として選定するものである。
ボール候補選定手段5は、ラベリング手段51と、画像特徴量値抽出手段52(52a〜52d)と、画像特徴量フィルタ手段53と、重心演算手段54とを備える。
本実施形態では、前景単連結領域は、2値画像BにおいてB(X,Y)=1なる領域(前景領域)を構成する隣接した画素を連結した領域である。
ラベリング手段51は、例えば、図5(a)に示す2値画像Bには3個の前景単連結領域が存在するので、図5(b)に示すように、3個の前景単連結領域それぞれに対して、ラベルFn(n=1,2,3)を付与する。なお、前景単連結領域が1つしか存在しない場合や、まったく存在しない場合もある。
画像特徴量値抽出手段52aは、画像特徴量として面積Snの値を抽出する。面積Snは、前景単連結領域Fnの大きさに関するものであり、例えば、前景単連結領域内に含まれる総画素数(ピクセル数)である。
縦横比Anは、前景単連結領域Fnの形状に関するものであり、例えば、前景単連結領域Fnの高さを幅で除した値である。
本実施形態では、画像特徴量値抽出手段52は、例えば、図5(b)に示した3個の前景単連結領域F1〜F3から、図5(c)に示すデータ(画像特徴量値)を抽出する。図5(c)に示す記憶構造は、項目として、前景単連結領域501と、面積502と、平均色503と、縦横比504と、円形度505とを含んでなり、前景単連結領域Fnごとに、4種類の画像特徴量値が格納されている。
粒子更新判定手段(離散変数更新判定手段)6は、ボール候補選定手段5で選定されたボール侯補の候補数Lに基づいて、粒子記憶部331に記憶された粒子を更新するか否かを判定するものである。この粒子更新判定手段6は、候補数Lに基づいて粒子記憶部331に記憶された粒子を更新する(以下、粒子を初期化すると言う)と判定した場合には、その旨を示すトリガを粒子生成手段7に出力する。
(第1条件)候補数Lの現在の値が「1」である。
(第2条件)前回に粒子を初期化して以来、候補数Lの値が「0」である状態が所定時間数T’を超えて継続している。なお、所定時間数T’は例えばフレーム数である。
粒子生成手段(離散変数生成手段)7は、粒子更新判定手段6で初期化を行う(粒子記憶部331に記憶された粒子を更新する)と判定された場合に、ボール候補選定手段5から取得したボール侯補の画像座標[CX,CY]Tに基づいて、粒子を所定数生成して粒子記憶部331に記憶された前記所定数の粒子を更新するものである。
また、粒子生成手段7は、P0個の粒子を画像平面に投影したときの像の座標が、画像座標[CX,CY]Tと一致するように、P0個の粒子の状態量を決定する。ここで、「粒子を画像平面に投影する」とは、粒子の状態量に含まれる実空間における位置情報(例えば、(qx,qy,qz))を画像平面に投影することを意味する。
図10に示すように、撮像系の投影中心1001から、画像座標[CX,CY]T1003を通る半直線1004を生成し、状態量が半直線1004上に存在するような粒子を生成する場合に、その粒子の状態量の位置(以下、粒子位置という)を一意に定めるために、例えば、z=hで示される平面1005を仮定し、平面1005と半直線1004との交点を粒子位置1006と定義することにする。このように定義すると、式(4)に示すように、画像座標を[CX,CY]T、カメラの撮像素子の画素ピッチをλX×λY、焦点距離をf、カメラ設置位置をT、カメラ姿勢の回転行列をRとしたときに、粒子位置sを決定することが可能である。ただし、粒子位置sのz成分がh(平面1005のz座標)となるように、係数kを定める。また、カメラ設置位置Tと、カメラ姿勢の回転行列Rの具体例は後記する。
r〜N(0,r0 2) …式(5)
ここで、N(0,r0 2)は、期待値0、標準偏差r0の正規分布を示し、maxは引数のうち大きい方の値を選択する関数を示す。
重み更新手段(観測更新手段)8は、ボール候補選定手段5から取得したボール侯補の画像座標[CX,CY]Tに基づいて、粒子記憶部331に記憶された粒子に含まれる重みwを更新するものである。なお、この重み更新手段8の説明では、簡単のため、添字pを省略する。
重み更新手段8は、分離手段81と、投影変換手段82と、係数演算手段83と、重み変更手段84と、多重化手段85とを備える。
状態量更新手段9は、ボールの予め定められた運動モデルに基づいて、粒子記憶部331に記憶された粒子の状態量xを更新するものである。
具体的には、状態量更新手段9は、時刻tにおいて粒子記憶部331に記憶されている粒子の状態量x(t)を、所定の確率密度分布Φ(χ(t+τ)|χ(t))にしたがって遷移させ、時刻(t+τ)における新たな状態量x(t+τ)に変化させる。このように、粒子の状態量x(t)が、状態量x(t+τ)に変化することを「状態遷移」という。状態量更新手段9は、粒子記憶部331に記憶されている全粒子(P個)を状態遷移させる処理(状態遷移処理)を実行する。そのため、状態量xの添字pは省略して表記した。また、状態量更新手段9は、各粒子の重みwについては変化させないものとする。ここで、確率密度分布Φに含まれるχ(t+τ)およびχ(t)は、状態量x(t+τ)および状態量x(t)に対する確率変数を示す。
例えば、図13(a)に示すボールの落下時に対応した運動モデルでは、時刻tでボールが地面に向かって落下し始め、地面に到達した後、仮に、仮想的ボール位置1301で示す位置にまで到達したものとする。実際には、ボールは地面でバウンドして時刻(t+τ)に、バウンド後のボール位置1302に達する。地面からボール位置1302までの距離と、地面から仮想的ボール位置1301までの距離とは等しいものとする。地面の位置を原点にして空中を「正」とすれば、仮想的ボール位置1301は「負」の領域となる。この「負」の領域の仮想的ボール位置1301を「正」の領域に反転させる処理を行うことで、ボールが地面でバウンドする(反発運動)ことを考慮することができる。そして、この反転させる処理を行う関数をbとしたときに、ボールの落下時の運動モデルは、式(16)〜式(20)に示すように、粒子の落下時の運動モデルとして構築することができる。
また、例えば、図13(c)に示すように、ボールが空中にあって放物運動をしている運動モデルでは、時刻tでボールが上昇し、時刻(t+τ)で下降している。
そして、ボールが、地面に近い高さにあるか否かによって異なる抵抗を与える処理を行う関数をfとしたときに、ボールの転がり時および浮遊中の運動モデルは、式(21)〜式(28)に示すように、粒子の転がり時および浮遊中の運動モデルとして構築することができる。
また、式(28)で示したUは、「行」が水平面(x,y)に対応した2行で、「列」が状態量xの9次元に対応した2×9行列である。
なお、式(21)中の関数bは、前記した式(16)に示したものであり、式(22)および式(23)は、前記した式(17)および式(18)と同じものである。
粒子再生成手段(離散変数再生成手段)10は、粒子記憶部331から読み込んだ粒子の重みwが同一となるように粒子を再編し、かつ、読み込んだ粒子の状態量xを有する再編後の粒子の生成個数を、再編前の粒子の重みwの値に対して確率としてみたときに比例するように再編(再標本化)することにより、状態量wごとに0個以上の粒子を再生成するものである。この再編された粒子によって、粒子記憶部331の内容が上書き更新される。
再編前のp番目の粒子の状態量をxp、重みをwpとし、再編後のq番目の粒子の状態量をxq (new)、重みをwq (new)とおく。ただし、p=1,2,…,P、q=1,2,…,Qとする。なお、典型的には、Q=Pとする。
粒子再生成手段10は、直線Wp=ωqと、軌跡1401との交点Ωqを求める。換言すると、式(29)を満たす
を求める。
は、交点Ωqのp座標の小数点以下を切り上げた結果(整数値)を意味する。
番目の粒子の状態量と等しいことを意味している。また、式(31)は、再編後のq番目の粒子の重みは、一様乱数ωqの発生回数Qの逆数と等しいことを意味している。
粒子再生成手段10は、一様乱数ωq(0<ωq≦Wp)をQ回発生させて前記した再編処理をそれぞれ実行することで、最終的に再編後の粒子をQ個取得し、この再編後のQ個の粒子で、粒子記憶部331に記憶された再編前のP個の粒子を置き換える。
期待値演算手段(オブジェクト位置推定手段)11は、粒子記憶部331に記憶されたすべての粒子の状態量xの期待値を演算することにより、ボールの位置を推定するものである。この期待値演算手段11は、式(32)に示すように、P個の粒子の状態量xpに対してそれぞれ重みwpにより重み付けを行った加重平均を計算することで粒子の状態量xの期待値
を求める。
(第2a条件)分散値Vが所定のしきい値V1を超えた状態が所定時間数T’以上継続していたこと。
(第2b条件)共分散行列Vのトレースが所定のしきい値V1を超えた状態が所定時間数T’以上継続していたこと。
図15を参照(適宜図1参照)して、図1に示したボール追跡装置の動作について説明する。図15は、図1に示したボール追跡装置の動作の一例を示すフローチャートである。ボール追跡装置1は、まず、粒子更新判定手段6によって、カウンタとしての変数Eに初期値「0」をセットする(E←0:ステップS1)。そして、ボール追跡装置1は、2値画像生成手段4によって、入力画像Iから2値画像Bを生成し(ステップS2)、ボール候補選定手段5によって、ボール候補を抽出する(ステップS3)。
図16は、本発明の第2実施形態に係るボール追跡装置の構成例を示した機能ブロック図である。図16に示したボール追跡装置1Aは、重み更新手段8Aの機能が異なる点を除いて、図1に示したボール追跡装置1と同一の構成である。したがって、図1の構成と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。また、図1のボール追跡装置1と同一な動作の説明は省略する。
ボール追跡装置1Aは、図16に示すように、重み更新手段8Aに対して、ボール候補選定手段5から出力されるボール候補の画像座標[CX,CY]Tのほかに、入力画像Iや2値画像Bが入力可能に構成されている。
重み更新手段8Aは、図17に示すように、係数演算手段83Aに対して、ボール候補の画像座標[CX,CY]Tのほかに、入力画像Iや2値画像Bが入力可能に構成されている。
例えば、係数演算手段83Aが、画像座標[CX,CY]Tと、入力画像Iと、2値画像Bとのうち入力画像Iのみを活用する場合には、係数演算手段83Aは、投影変換手段82で算出された画像座標[X,Y]Tの位置を参照して、入力画像Iにおけるその位置(X,Y)の画素値I(X,Y)に基づいて、重み係数dの値を定めることができる。例えば、カラー値である画素値I(X,Y)が、特定の色範囲にある場合には、重み係数dを「d11」とし、この特定の色範囲の外にある場合には、重み係数dを「d00」としてもよい。なお、特定の色範囲にある(ボールらしい)か否かの判定は、例えば、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色成分に対するしきい値処理により実行できる。また、d11およびd00は予め定められた定数とする。好適にはd11>d00とすることにより、画素値I(X,Y)がボールらしいと判定された場合に重み係数dを大きくすることができる。
また、例えば、係数演算手段83Aが、画像座標[CX,CY]Tと、入力画像Iと、2値画像Bとのうち2値画像Bのみを活用する場合には、係数演算手段83Aは、投影変換手段82で算出された画像座標[X,Y]Tの位置を参照して、2値画像Bにおけるその位置(X,Y)の画素値B(X,Y)に基づいて、重み係数dの値を定めることができる。例えば、画素値B(X,Y)が「1」である場合には、重み係数dを「d11」とし、それ以外の場合には、重み係数dを「d00」とすることができる。なお、2値画像Bから得られた重み係数dを、あらためて係数dBと表記することとする。
第2実施形態では、係数演算手段83Aは、少なくとも入力画像Iと2値画像Bとのうち一方の画像を活用して、最終的な重み係数dを定める。例えば、画像座標[CX,CY]Tと、入力画像Iと、2値画像Bとの3種類の画像をすべて活用する場合には、式(35)に示すように、3種類の係数dCと、係数dIと、係数dBとの平均値を、最終的に重み係数dとして定めるようにしてもよい。また、式(36)に示すように、係数dCと、係数dIと、係数dBとのうちの最大値を、最終的に重み係数dとして定めてもよい。さらに、式(37)に示すように、これらの最小値を最終的な重み係数dとして定めてもよい。その他、係数dIと係数dBとのいずれか一方のみを最終的な重み係数dとして定めてもよい。
さらに、各実施形態では、映像オブジェクトとしてボールを追跡するものとして説明したが、これは一例であって、例えば、スポーツ選手のユニフォームを介してプレイヤ(人物)を追跡するようにしてもよい。
2 入力手段
3 記憶手段
331 粒子記憶部(離散変数記憶手段)
4 2値画像生成手段
5 ボール候補選定手段(ボールオブジェクト候補選定手段)
51 ラベリング手段
52(52a〜52d) 画像特徴量値抽出手段
53 画像特徴量フィルタ手段
54 重心演算手段
6 粒子更新判定手段(離散変数更新判定手段)
7 粒子生成手段(離散変数生成手段)
8(8A) 重み更新手段(観測更新手段)
81 分離手段
82 投影変換手段
83(83A) 係数演算手段
84 重み変更手段
85 多重化手段
9 状態量更新手段
10 粒子再生成手段(離散変数再生成手段)
11 期待値演算手段(オブジェクト位置推定手段)
12 出力手段
701 ボール候補領域
1001 投影中心
1002 画像平面
1003 画像座標
1004 半直線
1005 平面
1006 粒子位置
1007 地面
1101 粒子
1102 粒子位置
1103 状態量の速度成分
1301 仮想的ボール位置
1302 バウンド後のボール位置
1401 軌跡
1402 交点
Claims (10)
- オブジェクトをカメラで撮像して生成された映像中の映像オブジェクトを追跡する映像オブジェクト追跡装置であって、
入力画像の各画素を背景画像および前景画像に分類した2値画像として生成する2値画像生成手段と、
前記2値画像のうちで、前記前景画像の形状に基づく画像特徴量と、前記入力画像において前記前景画像を形成する画素に関する画素情報に基づく画像特徴量とのうちの少なくとも1つに関して予め定められた条件を満たす領域を、映像オブジェクト候補として選定する映像オブジェクト候補選定手段と、
前記オブジェクト候補の位置に対応して生成された位置座標を含む状態量と、重みとを有した情報である離散変数を映像オブジェクト侯補別に記憶する離散変数記憶手段と、
前記選定された映像オブジェクト侯補の個数に基づいて、前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数を更新するか否かを判定する離散変数更新判定手段と、
前記離散変数を更新すると判定された場合に、前記映像オブジェクト侯補の画像座標に基づいて、前記離散変数を所定数生成して前記離散変数記憶手段に記憶された前記所定数の離散変数を更新する離散変数生成手段と、
前記映像オブジェクト侯補の画像座標に基づいて、前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数の重みまたは状態量の少なくとも一方を更新する観測更新手段と、
前記オブジェクトの予め定められた運動モデルに基づいて、前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数の状態量を更新する状態量更新手段と、
前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数の状態量の期待値を演算することにより前記オブジェクトの位置を推定するオブジェクト位置推定手段とを備えることを特徴とする映像オブジェクト追跡装置。 - 前記離散変数生成手段は、
前記映像オブジェクト侯補の画像座標に対応させて実空間における点を始点とする半直線を算出し、算出した半直線上に配されて位置が乱数で決定された1以上の点の位置座標を求め、求めた位置座標を前記状態量の成分とした離散変数を1以上生成することを特徴とする請求項1に記載の映像オブジェクト追跡装置。 - 前記状態量更新手段は、
前記オブジェクトの運動を規定する物理量として、重力加速度と、前記オブジェクトと地面との反発係数と、前記オブジェクトと地面との動摩擦係数と、のいずれか1つ以上を含む運動モデルに基づいて、前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数の状態量を更新することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の映像オブジェクト追跡装置。 - 前記離散変数更新判定手段は、
前記映像オブジェクト侯補が所定時間選定されなかった後に唯一の映像オブジェクト候補が選定された場合に、前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数を更新すると判定し、前記離散変数生成手段に前記離散変数の生成を指示することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の映像オブジェクト追跡装置。 - 前記オブジェクト位置推定手段は、
前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数の重みを含む状態量の分散値または共分散行列のトレースを演算し、前記演算した結果を前記離散変数更新判定手段に出力し、
前記離散変数更新判定手段は、
唯一の映像オブジェクト候補が選定されており、かつ、前記演算結果が予め定められたしきい値を超えた状態が所定時間以上継続した場合に、前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数を更新すると判定し、前記離散変数生成手段に前記離散変数の生成を指示することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の映像オブジェクト追跡装置。 - 前記観測更新手段は、
前記映像オブジェクト侯補に対して、前記離散変数記憶手段から読み出した離散変数の状態量と重みとを分離する分離手段と、
前記分離された状態量に含まれる位置座標を、前記カメラの位置座標を含むカメラパラメータを介して透視投影により画像座標にマッピングする投影変換手段と、
前記映像オブジェクト侯補の画像座標と、前記入力画像と、前記2値画像とのうちの1つと、前記投影変換手段によってマッピングされた画像座標との位置関係に基づいて、前記分離された重みを更新するための重み係数を算出する係数演算手段と、
前記重み係数を用いて、前記分離された重みを更新する重み変更手段と、
前記更新された重みと、前記分離された状態量とを多重化した離散変数により、前記読み出した離散変数を更新する多重化手段とを備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の映像オブジェクト追跡装置。 - 前記係数演算手段は、
前記映像オブジェクト侯補の画像座標と、前記入力画像と、前記2値画像とをそれぞれ用いて算出される、第1の係数と、第2の係数と、第3の係数とを求め、求められた3つの係数から算出される平均値、最大値、最小値のいずれかを前記重み係数と定めることを特徴とする請求項6に記載の映像オブジェクト追跡装置。 - 前記離散変数記憶手段から読み込んだ離散変数の重みが同一となるように前記離散変数を再編し、かつ、前記読み込んだ離散変数の状態量を有する再編後の離散変数の生成個数を、前記再編前の離散変数の重みの値に比例させるように再編することにより、前記状態量ごとに0個以上の離散変数を再生成する離散変数再生成手段をさらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項7いずれか一項に記載の映像オブジェクト追跡装置。
- 前記映像オブジェクト候補選定手段は、
前記2値画像の前記前景画像に含まれる隣接した画素を連結した領域である前景単連結領域を識別するためのラベルを前記前景単連結領域に付与するラベリング手段と、
前記ラベルが付与された前景単連結領域の画像特徴量として、大きさ、色、形状のうちの少なくとも1つに関する値を抽出する画像特徴量値抽出手段と、
前記抽出された画像特徴量値が、所定の上限値および下限値の間にあるか否かを判別することにより、前記ラベルが付与された前景単連結領域をフィルタリングして前記映像オブジェクト候補を選定すると共に、選定した映像オブジェクト候補のラベルおよび個数を出力する画像特徴量フィルタ手段と、
前記映像オブジェクト候補として選定された前景単連結領域の画像座標における重心位置を演算し、前記選定された映像オブジェクト侯補の画像座標として出力する重心演算手段とを備えることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の映像オブジェクト追跡装置。 - オブジェクトをカメラで撮像して生成された映像中の映像オブジェクトを追跡するために、コンピュータを、
入力画像の各画素を背景画像および前景画像に分類した2値画像を生成する2値画像生成手段、
前記2値画像のうちで、前記前景画像の形状に基づく画像特徴量と、前記入力画像において前記前景画像を形成する画素に関する画素情報に基づく画像特徴量とのうちの少なくとも1つに関して予め定められた条件を満たす領域を、映像オブジェクト候補として選定する映像オブジェクト候補選定手段、
前記オブジェクト候補の位置に対応して生成された位置座標を含む状態量と、重みとを有した情報である離散変数を映像オブジェクト侯補別に記憶する離散変数記憶手段に記憶された離散変数を、前記選定された映像オブジェクト侯補の個数に基づいて、更新するか否かを判定する離散変数更新判定手段、
前記離散変数を更新すると判定された場合に、前記映像オブジェクト侯補の画像座標に基づいて、前記離散変数を所定数生成して前記離散変数記憶手段に記憶された前記所定数の離散変数を更新する離散変数生成手段、
前記映像オブジェクト侯補の画像座標に基づいて、前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数の重みまたは状態量の少なくとも一方を更新する観測更新手段、
前記オブジェクトの予め定められた運動モデルに基づいて、前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数の状態量を更新する状態量更新手段、
前記離散変数記憶手段に記憶された離散変数の状態量の期待値を演算することにより前記オブジェクトの位置を推定するオブジェクト位置推定手段、
として機能させることを特徴とする映像オブジェクト追跡プログラム。
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