JP4729632B2 - Vanishing point estimation device, vanishing point estimation method, and vanishing point estimation program - Google Patents

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Description

本発明は、撮影画像の消失点を推定する消失点推定装置、消失点推定方法及び消失点推定プログラムに関する。   The present invention relates to a vanishing point estimation device, a vanishing point estimation method, and a vanishing point estimation program for estimating a vanishing point of a captured image.

被写体及び/又はカメラの移動中に撮影された画像は、カメラレンズの収差によって引き起こされる幾何学的な歪みが静止時よりも顕著に発生し、奥行方向のある1点に向かう放射状の歪みが生じることが知られている。   An image taken while the subject and / or the camera is moving has a more noticeable geometric distortion caused by the aberration of the camera lens than when it is stationary, causing a radial distortion toward a certain point in the depth direction. It is known.

現在では、その撮影画像を用いて、歪みによって消失した消失点を検出する様々な方法が存在している。具体的には、消失点周辺の画像構造を把握し、消失点に向かう直線線分の交錯点を消失点として推定する方法や、被写体やカメラの移動方向や移動量から消失点を推定する方法が用いられている(非特許文献1参照)。   At present, there are various methods for detecting a vanishing point that has disappeared due to distortion using the captured image. Specifically, grasping the image structure around the vanishing point and estimating the intersection point of the straight line segment toward the vanishing point as the vanishing point, or estimating the vanishing point from the moving direction and moving amount of the subject or camera Is used (see Non-Patent Document 1).

皆川明洋、外1名、“時間変動を有する消失点系列の逐次的検出法”、電子情報通信学会論文誌 D-II、Vol. J86-D-II、No. 6、2003年6月、p.856-868Akihiro Minagawa, 1 other, “Sequential detection method of vanishing point sequence with time variation”, IEICE Transactions D-II, Vol. J86-D-II, No. 6, June 2003, p. .856-868 “Lucas-Kanade Optical Flow Method”、[online]、[平成21年5月11日検索]、インターネット<http://en.wikipedia.org/wiki/Lucas_Kanade_method>“Lucas-Kanade Optical Flow Method”, [online], [Search May 11, 2009], Internet <http://en.wikipedia.org/wiki/Lucas_Kanade_method> Chiao-Fe Shu and Ramesh C. Jain、”Vector field analsys for oriented patterns”、IEEE Trans. PAMI、vol.16、no.9、1994年、p.946-950Chiao-Fe Shu and Ramesh C. Jain, “Vector field analsys for oriented patterns”, IEEE Trans. PAMI, vol.16, no.9, 1994, p.946-950

しかしながら、視野が不明瞭で濃淡値の変化が乏しい状況で撮影された場合には、画像中の構造物や道路等について被写体の特徴を検出することが不安定となるため、消失点の推定が難しいという問題があった。具体的には、低コントラスト、降雪、大雨の悪天候下で撮影した場合には、消失点の検出が阻害されやすくなる。また、潜水艦で海中潜行撮影を行った場合には、マリンスノーと呼ばれる微生物や浮遊物が降雨のように発散状にカメラの前を流れ去っていくため、消失点の検出は非常に困難であり、これまで海中撮影での消失点の検出は殆ど行われていない。   However, if the field of view is unclear and the change in the gray value is poor, it is unstable to detect the characteristics of the subject for structures, roads, etc. in the image. There was a problem that it was difficult. Specifically, when shooting under bad weather such as low contrast, snowfall, and heavy rain, detection of the vanishing point is likely to be hindered. Also, when underwater photography is taken with a submarine, it is very difficult to detect the vanishing point because microorganisms and suspended matter called marine snow diverge in front of the camera like rain. So far, vanishing points have not been detected in underwater photography.

また、非特許文献1に開示された方法では、消失点の推定精度を高めるには数十枚以上の画像を必要とするため、急峻に変化する消失点を適時に推定することは困難であるという問題もあった。   In addition, in the method disclosed in Non-Patent Document 1, several tens or more images are required to improve the estimation accuracy of vanishing points, and therefore it is difficult to estimate vanishing points that change sharply in a timely manner. There was also a problem.

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、天候変化に耐性のある消失点推定装置、消失点推定方法及び消失点推定プログラムを提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of the said subject, and makes it a subject to provide the vanishing point estimation apparatus, vanishing point estimation method, and vanishing point estimation program which are resistant to a weather change.

請求項1に記載の本発明は、被写体及び/又はカメラの移動中に撮影された画像の歪みによって消失した消失点を推定する消失点推定装置において、時系列画像を入力する画像入力手段と、入力された前記時系列画像を記憶する画像記憶手段と、前記時系列画像のうち時間的に連続する2枚の画像を前記画像記憶手段から読み出して、各画素の速度ベクトルを推定する速度ベクトル推定手段と、時間微分をゼロとする停留点を特異点として計算する線形システム方程式に前記速度ベクトルを代入して、当該線形システム方程式のパラメータを推定する推定式を導出し、当該推定式を非線形システム方程式に適用して前記パラメータを求め、求めたパラメータを前記線形システム方程式に代入して計算された前記特異点を消失点として推定する消失点推定手段と、を有することを特徴とする。   The present invention described in claim 1 is a vanishing point estimation device that estimates a vanishing point that has disappeared due to distortion of an image captured during movement of a subject and / or a camera, and an image input unit that inputs a time-series image; Image storage means for storing the input time-series image, and velocity vector estimation for reading out two temporally continuous images from the image storage means and estimating the velocity vector of each pixel Means and a linear system equation that calculates a stationary point with a time derivative of zero as a singular point, and substitutes the velocity vector to derive an estimation equation for estimating parameters of the linear system equation, and the estimation equation is derived from a nonlinear system. The parameter is obtained by applying it to an equation, and the singular point calculated by substituting the obtained parameter into the linear system equation is estimated as a vanishing point. It characterized by having a a cannonball estimating means.

請求項2に記載の本発明は、前記推定式が、以下のzで表現され、前記非線形システム方程式は、以下のE(a,b,c,d,e,f)で表現されることを特徴とする。
The present invention according to claim 2 is that the estimation formula is expressed by the following z, and the nonlinear system equation is expressed by the following E (a, b, c, d, e, f). Features.

請求項3に記載の本発明は、求めた前記パラメータを線形システム方程式に代入して各画素の速度ベクトルを再度推定する速度ベクトル再推定手段と、再推定された速度ベクトルから前記被写体及び/又は前記カメラの動きを推定する動き推定手段と、推定された前記被写体の動きを表示する表示手段と、を更に有することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, speed vector re-estimating means for re-estimating a speed vector of each pixel by substituting the obtained parameters into a linear system equation, and the subject and / or the re-estimated speed vector The image processing apparatus further includes motion estimation means for estimating the motion of the camera and display means for displaying the estimated motion of the subject.

請求項4に記載の本発明は、前記速度ベクトル推定手段が、相互相関法又はオプティカルフロー法を用いて、各画素の速度ベクトルを推定することを特徴とする。   The present invention according to claim 4 is characterized in that the velocity vector estimating means estimates a velocity vector of each pixel using a cross-correlation method or an optical flow method.

請求項5に記載の本発明は、被写体及び/又はカメラの移動中に撮影された画像の歪みによって消失した消失点を推定する消失点推定装置により、時系列画像を入力する第1のステップと、入力された前記時系列画像を画像記憶手段に記憶する第2のステップと、前記時系列画像のうち時間的に連続する2枚の画像を前記画像記憶手段から読み出して、各画素の速度ベクトルを推定する第3のステップと、時間微分をゼロとする停留点を特異点として計算する線形システム方程式に前記速度ベクトルを代入して、当該線形システム方程式のパラメータを推定する推定式を導出し、当該推定式を非線形システム方程式に適用して前記パラメータを求め、求めたパラメータを前記線形システム方程式に代入して計算された前記特異点を消失点として推定する第4のステップと、を有することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, a first step of inputting a time-series image by a vanishing point estimation device that estimates a vanishing point that has disappeared due to distortion of an image captured during movement of a subject and / or a camera. A second step of storing the input time-series image in the image storage means; and reading out two temporally continuous images of the time-series images from the image storage means; Substituting the velocity vector into a linear system equation that calculates a stationary point with a time derivative of zero as a singular point, and deriving an estimation equation for estimating parameters of the linear system equation, The parameter is obtained by applying the estimation formula to a nonlinear system equation, and the singular point calculated by substituting the obtained parameter into the linear system equation is defined as a vanishing point. A fourth step of estimating, and having a.

請求項6に記載の本発明は、前記推定式は、以下のzで表現され、前記非線形システム方程式は、以下のE(a,b,c,d,e,f)で表現されることを特徴とする。
The present invention according to claim 6 is that the estimation equation is expressed by the following z, and the nonlinear system equation is expressed by the following E (a, b, c, d, e, f). Features.

請求項7に記載の本発明は、求めた前記パラメータを線形システム方程式に代入して各画素の速度ベクトルを再度推定するステップと、再推定された速度ベクトルから前記被写体及び/又は前記カメラの動きを推定するステップと、推定された前記被写体の動きを表示するステップと、を更に有することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, the obtained parameter is substituted into a linear system equation to re-estimate the velocity vector of each pixel, and the motion of the subject and / or the camera from the re-estimated velocity vector And a step of displaying the estimated movement of the subject.

請求項8に記載の本発明は、前記第3のステップが、相互相関法又はオプティカルフロー法を用いて、各画素の速度ベクトルを推定することを特徴とする。   The present invention according to claim 8 is characterized in that the third step estimates a velocity vector of each pixel using a cross-correlation method or an optical flow method.

請求項9に記載の本発明は、請求項5乃至8のいずれか1つに記載した各ステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。   The present invention described in claim 9 is characterized by causing a computer to execute each step described in any one of claims 5 to 8.

本発明によれば、天候変化に耐性のある消失点推定装置、消失点推定方法及び消失点推定プログラムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the vanishing point estimation apparatus, vanishing point estimation method, and vanishing point estimation program which are resistant to a weather change can be provided.

一実施の形態に係る消失点推定装置の機能構成を示す図である。It is a figure which shows the function structure of the vanishing point estimation apparatus which concerns on one embodiment. マリンスノー、降雪、大雨の実環境下で移動するカメラにより撮影したときの様子(一画面)、及び動き速度場の推定結果を示す図である。It is a figure which shows the mode (one screen) when it image | photographs with the camera which moves in the real environment of marine snow, snowfall, and heavy rain, and the estimation result of a motion speed field. 被写体やカメラの移動速度を推定する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method to estimate the moving speed of a to-be-photographed object or a camera. 再推定された速度ベクトルについて説明する図である。It is a figure explaining the re-estimated velocity vector. カメラが回転しながら移動しているときの消失点の推定例である。It is an example of estimation of a vanishing point when the camera is moving while rotating. 降雪、大雨、マリンスノーの悪天候下において移動するカメラが得た消失点の推定例である。This is an estimation example of vanishing points obtained by a camera moving under bad weather such as snowfall, heavy rain, and marine snow.

<消失点推定装置の機能構成について>
図1は、一実施の形態に係る消失点推定装置の機能構成を示す図である。本消失点推定装置1は、画像入力部11と、画像記憶部12と、速度ベクトル推定部13と、消失点推定部14と、速度ベクトル再推定部15と、動き推定部16と、表示部17とを備えている。この消失点推定装置1は、CPU等の演算処理装置やメモリ等の記憶装置を備えたコンピュータにより構成可能であって、各機能部の処理はプログラムによって実行される。また、このプログラムは記憶装置に記憶されており、記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。以下、各部における機能及び処理について詳細に説明する。
<Functional configuration of vanishing point estimation device>
FIG. 1 is a diagram illustrating a functional configuration of a vanishing point estimation apparatus according to an embodiment. The vanishing point estimation apparatus 1 includes an image input unit 11, an image storage unit 12, a velocity vector estimation unit 13, a vanishing point estimation unit 14, a velocity vector re-estimation unit 15, a motion estimation unit 16, and a display unit. 17. The vanishing point estimation device 1 can be configured by a computer including an arithmetic processing device such as a CPU and a storage device such as a memory, and the processing of each functional unit is executed by a program. This program is stored in a storage device, and can be recorded on a recording medium or provided through a network. Hereinafter, functions and processes in each unit will be described in detail.

画像入力部11は、時間的に連続する複数の画像からなる時系列画像を入力する機能を有し、画像記憶部12は、入力された時系列画像を記憶する機能を有する。この時系列画像は、被写体及び/又はカメラの移動中に撮影された画像である。海中で撮影された場合を一例に説明すれば、カメラを固定した状態で流れる海流を撮影した画像であり、海流が流れていない状態でカメラを移動させながら撮影した画像でもよく、更にカメラと海流の両者が移動している際に撮影された画像であってもよい。   The image input unit 11 has a function of inputting a time series image composed of a plurality of temporally continuous images, and the image storage unit 12 has a function of storing the input time series image. This time-series image is an image taken while the subject and / or the camera is moving. For example, when taken in the sea, it is an image of the ocean current that flows while the camera is fixed, and it may be an image that is taken while moving the camera while the ocean current is not flowing. It may be an image taken when both of them are moving.

速度ベクトル推定部13は、画像記憶部12に記憶された時系列画像から時間的に連続する2枚の画像を読み出して、その画像に撮影されている被写体の動き速度場(即ち、各画素の速度ベクトル)を推定する機能を有する。具体的な推定計算については後述する。   The speed vector estimation unit 13 reads two temporally continuous images from the time-series images stored in the image storage unit 12, and the motion speed field of the subject photographed in the images (that is, for each pixel). (Velocity vector) is estimated. Specific estimation calculation will be described later.

消失点推定部14は、時間微分をゼロとする停留点を特異点として計算する線形システム方程式に、速度ベクトル推定部13で推定された速度ベクトルを代入して、その線形システム方程式のパラメータを推定する推定式を導出し、導出した推定式を非線形システム方程式に適用して上記パラメータを求め、求めたパラメータを先の線形システム方程式に代入して計算された特異点を消失点として推定する機能を有する。具体的な推定計算については後述する。   The vanishing point estimation unit 14 substitutes the velocity vector estimated by the velocity vector estimation unit 13 into a linear system equation that calculates a stationary point with a time derivative of zero as a singular point, and estimates parameters of the linear system equation. A function to estimate the singular point as a vanishing point by substituting the calculated parameter into the previous linear system equation by calculating the above parameter and applying the derived estimation formula to the nonlinear system equation. Have. Specific estimation calculation will be described later.

速度ベクトル再推定部15は、消失点推定部14で求めたパラメータを線形システム方程式に代入して各画素の速度ベクトルを再度推定する機能を有する。   The velocity vector re-estimation unit 15 has a function of substituting the parameters obtained by the vanishing point estimation unit 14 into the linear system equation and estimating the velocity vector of each pixel again.

動き推定部16は、速度ベクトル再推定部15で再推定された速度ベクトルから被写体及び/又はカメラの動きを推定する機能を有する。   The motion estimation unit 16 has a function of estimating the motion of the subject and / or the camera from the speed vector re-estimated by the speed vector re-estimation unit 15.

表示部17は、動き推定部16で推定された被写体の動きを表示する機能を有する。   The display unit 17 has a function of displaying the motion of the subject estimated by the motion estimation unit 16.

<速度ベクトル推定部の処理について>
速度ベクトル推定部13の推定計算方法について説明する。図2(a)は、マリンスノー、降雪、大雨の実環境下で移動するカメラにより撮影したときの様子(一画面)を示す図である。図2(a)には、降雪や大雨等が発散状に横切っている状態が示されている。
<Processing of the velocity vector estimation unit>
An estimation calculation method of the velocity vector estimation unit 13 will be described. FIG. 2A is a diagram showing a state (one screen) taken with a camera that moves in an actual environment of marine snow, snowfall, and heavy rain. FIG. 2A shows a state where snowfall, heavy rain, etc. cross in a divergent manner.

速度ベクトル推定部13は、撮影された時系列画像のうち時間的に連続する2枚の画像から、相互相関法やオプティカルフロー法(非特許文献2参照)を用いて、画像に撮影されている被写体の大まかな動き(速度ベクトル)を推定する。例えば、オプティカルフロー法を用いて推定する場合には、以下の式(1)を、速度ベクトルを推定計算する目的関数として用いる。なお、I,Iは、画像の画像輝度をIとした場合におけるx,yについての空間一次微分であり、Iは、時間一次微分である。また、u,vは、推定される速度ベクトルである。
The velocity vector estimation unit 13 is photographed as an image from two temporally continuous images among the photographed time-series images using a cross-correlation method or an optical flow method (see Non-Patent Document 2). Estimate the rough movement (velocity vector) of the subject. For example, when the estimation is performed using the optical flow method, the following equation (1) is used as an objective function for estimating and calculating the velocity vector. Incidentally, I x, I y is x in a case where the image luminance of the image was I, the spatial first derivative of y, I t is the time first derivative. U and v are estimated velocity vectors.

式(1)を、未知数(u,v)についての最小化問題として解くことにより、被写体の動きを画素の速度ベクトルとして計算することができ、図2(b)に示すような動き速度場の推定結果を得ることが可能となる。なお、式(1)を計算する際における最小化の必要条件は、(∂E/∂u)=(∂E/∂v)=0である。この場合、線形の連立方程式になるため、画素数に応じた数の方程式が立つことになる。   By solving Equation (1) as a minimization problem for unknowns (u, v), the motion of the subject can be calculated as the velocity vector of the pixel, and the motion velocity field as shown in FIG. An estimation result can be obtained. Note that the necessary condition for minimization when calculating the equation (1) is (∂E / ∂u) = (∂E / ∂v) = 0. In this case, since it becomes a linear simultaneous equation, the equation of the number according to the number of pixels stands.

<消失点推定部の処理について>
次に、消失点推定部14の推定計算方法について説明する。消失点推定部14は、線形システム方程式を用いて消失点を推定するが、消失点の推定過程において副次的に推定される線形システム方程式のパラメータを非線形システム方程式を用いて計算する。従来、このパラメータを推定する場合にも線形システム方程式を用いて計算していたが、本消失点推定部14は、非線形システム方程式を用いて計算するため、パラメータを計算する速度を高めることができ、天候変化が急峻な場合であっても、より正確に消失点を推定することが可能となる。
<About processing of vanishing point estimation unit>
Next, the estimation calculation method of the vanishing point estimation unit 14 will be described. The vanishing point estimator 14 estimates the vanishing point using the linear system equation, but calculates the parameters of the linear system equation, which are secondarily estimated in the vanishing point estimation process, using the nonlinear system equation. Conventionally, even when estimating this parameter, it was calculated using a linear system equation, but since the vanishing point estimation unit 14 is calculated using a nonlinear system equation, the speed of calculating the parameter can be increased. Even when the weather changes suddenly, the vanishing point can be estimated more accurately.

まず、求める特異点を(x,y)とし、特異点xの一次微分x^(xの上にドット“・”)についての時変システムをP、特異点yの一次微分y^(yの上にドット“・”)についての時変システムをQとする(式(2)及び式(3)参照)。
First, let the singular point to be found be (x, y), P is the time-varying system for the first derivative x ^ of the singular point x (dot “•” on x), and the first derivative y ^ (y of y Let Q be the time-varying system for the dot “•” above (see equations (2) and (3)).

消失点に相当する理論上の特異点は停留点を計算すればよいので、式(4)及び式(5)に示すように、P,Qの時間変化をゼロとする。
Since the theoretical singularity corresponding to the vanishing point may be calculated as a stationary point, the time variations of P and Q are set to zero as shown in equations (4) and (5).

ここで、式(2)及び式(3)を、式(6)及び式(7)のような線形モデルとする。なお、V,Vは、x,y成分の速度であり、速度ベクトル推定部13で推定された速度ベクトル(u,v)に対応する。また、x,yは、平衡点であり、a,b,c,d(及び、後述するe,f)は、パラメータである。
Here, Equations (2) and (3) are linear models like Equations (6) and (7). V x and V y are the speeds of the x and y components, and correspond to the speed vector (u, v) estimated by the speed vector estimation unit 13. X 0 and y 0 are equilibrium points, and a, b, c, and d (and e and f described later) are parameters.

更に、式(6)及び式(7)を、e,fのパラメータを用いて、式(8)及び式(9)のように展開する。なお、F(x,y),G(x,y)は、系全体を線形システムとした場合の関数を示す。
Furthermore, Expression (6) and Expression (7) are expanded as Expression (8) and Expression (9) using the parameters of e and f. F (x, y) and G (x, y) indicate functions when the entire system is a linear system.

ここで、(x,y)点におけるベクトルの角度をθとし、そのベクトルの大きさをmとする場合に、角度θ及び大きさmは、式(8)及び式(9)から、式(10)及び式(11)で表現することができる。
Here, when the angle of the vector at the point (x, y) is θ and the magnitude of the vector is m, the angle θ and the magnitude m are obtained from the equations (8) and (9) from the equation (8). 10) and equation (11).

また、式(10)を式(12)のように展開する。なお、ζは実数値であり、式(6)及び式(7)に示された(V,V)=(u,v)の関係から、速度ベクトル推定部13で推定された速度ベクトルのy成分をx成分で除算することにより計算することができる。
Further, Expression (10) is expanded as Expression (12). Ζ is a real value, and the velocity vector estimated by the velocity vector estimation unit 13 from the relationship (V x , V y ) = (u, v) shown in the equations (6) and (7). Can be calculated by dividing the y component of x by the x component.

その後、式(12)を用いて、式(2)〜式(12)に示された線形システム方程式のパラメータ(a,b,c,d,e,f)を推定する推定式を、式(13)に示すように導出する。
Thereafter, using equation (12), an estimation equation for estimating the parameters (a, b, c, d, e, f) of the linear system equations shown in equations (2) to (12) Derived as shown in 13).

そして、式(13)を、式(14)で示す目的関数と、式(15)で示すローレンツ型ロバスト関数とを用いて評価計算することにより、6つのパラメータを推定する。なお、nは画素数であり、μはa,b,c,dのパラメータに対する拘束条件であり、σは分散値である。
Then, the six parameters are estimated by evaluating and calculating Expression (13) using the objective function represented by Expression (14) and the Lorentzian robust function represented by Expression (15). Note that n is the number of pixels, μ is a constraint condition for the parameters a, b, c, and d, and σ is a variance value.

なお、式(14)の目的関数は非線形関数となるため、式(16)に示すように必要条件を課し、式(17)に示すように最急降下法を用いて6つのパラメータについて反復計算する。πは、a,b,c,d,e,fのいずれかのパラメータであるため、式(17)は各パラメータにそれぞれ対応する6つの式となる。各パラメータの初期値については、例えば0を与えることができる。ηは調整係数であり、例えば0.0001を与えることができる。pは、反復回数である。
Since the objective function of Equation (14) is a nonlinear function, a necessary condition is imposed as shown in Equation (16), and iterative calculation is performed for six parameters using the steepest descent method as shown in Equation (17). To do. Since π is a parameter of any one of a, b, c, d, e, and f, Expression (17) is six expressions corresponding to each parameter. For example, 0 can be given as the initial value of each parameter. η is an adjustment coefficient and can be given, for example, 0.0001. p is the number of iterations.

その後、推定されたパラメータを式(8)及び式(9)に代入し、(x^,y^)=(0,0)とすることにより、停留点における特異点(x,y)についての連立一次方程式が得らることができる。消失点推定部14は、この連立一次方程式を解くことにより求められた特異点を消失点とする。   After that, the estimated parameters are substituted into the equations (8) and (9), and (x ^, y ^) = (0, 0), so that the singular point (x, y) at the stationary point is obtained. Simultaneous linear equations can be obtained. The vanishing point estimation unit 14 uses a singular point obtained by solving the simultaneous linear equations as a vanishing point.

なお、パラメータを推定することにより、Node(a)〜Spiral(f)についての条件下で、それをもつ渦度curl、発散度div、行列式defを計算することが可能となる。Vは、速度ベクトルである。
In addition, by estimating the parameters, it is possible to calculate the vorticity curl, the divergence div, and the determinant def having the parameters under the conditions of Node (a) to Spiral (f). V e is a velocity vector.

以上が非線形システム方程式を用いてパラメータを推定し、その推定結果に基づいて消失点を推定する方法であるが、式(13)〜式(17)に代えて、従来の線形システム方程式を用いてパラメータを推定する方法について説明する。まず、式(12)を式(18)の形式に変形する。
The above is a method for estimating a parameter using a nonlinear system equation and estimating a vanishing point based on the estimation result. Instead of the equations (13) to (17), a conventional linear system equation is used. A method for estimating parameters will be described. First, equation (12) is transformed into the equation (18).

そして、式(19)を用いて、最小二乗法によりパラメータを推定する。なお、式(19)の拘束条件は、式(14)の右辺の第2項に相当している。
And a parameter is estimated by the least squares method using Formula (19). Note that the constraint condition in Expression (19) corresponds to the second term on the right side of Expression (14).

ここで、式(19)の解法としては、式(21)〜式(23)に示すように、パラメータを含む2つのベクトルL2,L4とλ(ラグランジュ乗数)とに関して、式(20)に示す目的関数Γを最小化するための必要条件を課して式を整理することにより得られる連立方程式を用いて、パラメータを計算することができる。なお、λは経験係数であり、例えば0.001を与えることができる。また、Ψは行列である。
Here, as a method of solving the equation (19), as shown in the equations (21) to (23), two vectors L2 and L4 including parameters and λ (Lagrange multiplier) are represented by the equation (20). The parameters can be calculated using simultaneous equations obtained by arranging the equations by imposing necessary conditions for minimizing the objective function Γ. Note that λ is an empirical coefficient and can be given, for example, 0.001. Ψ is a matrix.

以上が従来の線形システム方程式を用いてパラメータを推定する方法であるが、式(20)に示すように、目的関数Γを計算する際に行列を計算する必要がある。その行列を構成している成分数は多く複雑で、計算結果を得るのにかなりの時間を必要とすることが容易に把握できる。一方、本消失点推定部14は、消失点を推定する際に必要となるパラメータを推定する際において、従来法のように式(19)〜式(23)の線形システム方程式よりも簡易的な式(14)〜式(17)の非線形システム方程式を用いるので、従来よりも高速かつ精度の高いパラメータを推定することができ、結果的には、より正確に消失点を推定することが可能となる。また、速度ベクトル推定部13で推定された速度ベクトルのバラツキが大きい場合には、従来の最小二乗法ではハズレ値の影響によりパラメータへの信頼性が大幅に低下することが知られているが(非特許文献3参照)、本消失点推定部14は最小二乗法を用いていないため、推定されたパラメータへの信頼性の低下を防止することができる。   The above is a method for estimating parameters using a conventional linear system equation. However, as shown in equation (20), it is necessary to calculate a matrix when calculating the objective function Γ. The number of components constituting the matrix is large and complicated, and it can be easily understood that a considerable time is required to obtain the calculation result. On the other hand, the vanishing point estimation unit 14 is simpler than the linear system equations of Equations (19) to (23) as in the conventional method when estimating the parameters necessary for estimating the vanishing point. Since the nonlinear system equations of Expressions (14) to (17) are used, it is possible to estimate parameters with higher speed and accuracy than in the past, and as a result, it is possible to estimate the vanishing point more accurately. Become. In addition, when the variation of the velocity vector estimated by the velocity vector estimation unit 13 is large, it is known that the reliability of the parameter is greatly reduced by the influence of the loss value in the conventional least square method ( Since the vanishing point estimation unit 14 does not use the least square method, the reliability of the estimated parameter can be prevented from being lowered.

<動き推定部の処理について>
続いて、動き推定部16の動きの推定計算方法について説明する。図3は、被写体やカメラの動き(移動速度)を推定する方法を説明する図である。既に説明したように、連続した2枚の画像から消失点が推定され、同時に、線形システム方程式のパラメータが推定されている。また、速度ベクトル再推定部15により、それを用いて速度場を再構成することができる。ここで、再構成された速度場のうち1つの速度ベクトルを図3に示す。このとき、消失点付近においては、再構成された速度ベクトルの結果は左右上下で対称形となる。このことを利用して、一つの速度ベクトルがx軸となす角度を計算する。カメラの移動速度が大きいほど、隣接する角度は小さくなる傾向にあるため、計算した角度の大きさからカメラの移動速度を推定することができる。実際は、被写体も移動していることがあるため、被写体とカメラ運動との相対的な速度として推定することができる。
<About the processing of the motion estimation unit>
Next, a motion estimation calculation method of the motion estimation unit 16 will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining a method of estimating the movement of the subject or camera (moving speed). As already described, the vanishing point is estimated from two consecutive images, and at the same time, the parameters of the linear system equation are estimated. Moreover, the velocity vector can be reconstructed by using the velocity vector re-estimator 15. Here, one velocity vector in the reconstructed velocity field is shown in FIG. At this time, in the vicinity of the vanishing point, the result of the reconstructed velocity vector is symmetrical in the left, right, up and down directions. Using this, the angle formed by one velocity vector and the x axis is calculated. As the moving speed of the camera increases, the adjacent angle tends to be smaller, so the moving speed of the camera can be estimated from the calculated angle. Actually, since the subject may also be moving, it can be estimated as the relative speed between the subject and the camera motion.

また、カメラが静止した場合には発散状のオプティカルフローにはならないが、発散しているか発散していないかの判別は、Node(a)〜Spiral(f)についての条件に基づいて判別することができる。   In addition, when the camera is stationary, the divergent optical flow does not occur, but whether the light is diverging or not diverging is determined based on the conditions for Node (a) to Spiral (f). Can do.

なお、映像がカメラ視線と垂直に平行移動する場合には消失点は存在しない。この場合は、速度ベクトルをそのまま用いればカメラの移動を推定することができる。   Note that there is no vanishing point when the video moves parallel to the camera line of sight. In this case, if the velocity vector is used as it is, the movement of the camera can be estimated.

<再推定された速度ベクトル等について>
最後に、速度ベクトル再推定部15により再度推定された速度ベクトルについて説明する。図4(a)は、シミュレーションにより生成した速度場を示す図である。図4(b)は、図4(a)に対して人為的にノイズを加えた後の速度場を示す図である。図4(b)に示された速度場から、式(14)〜式(17)の非線形システム方程式を用いて1組のパラメータ(a,b,c,d,e,f)を推定し、この組を式(8)及び式(9)に画素毎に代入することにより、各画素上のベクトルが再構成される。図4(c)は、再構成された速度場を示す図である。図4(a)と図4(c)とを比較すると、速度場の誤差は0.001%となり、シミュレーションにより生成した速度場と略同じ速度場を再構成することが可能となった。
<About reestimated velocity vectors, etc.>
Finally, the velocity vector re-estimated by the velocity vector re-estimator 15 will be described. FIG. 4A shows a velocity field generated by simulation. FIG. 4B is a diagram showing a velocity field after artificially adding noise to FIG. From the velocity field shown in FIG. 4 (b), a set of parameters (a, b, c, d, e, f) is estimated using the nonlinear system equations of equations (14) to (17), By substituting this set into Equation (8) and Equation (9) for each pixel, the vector on each pixel is reconstructed. FIG. 4C is a diagram showing the reconstructed velocity field. Comparing FIG. 4A and FIG. 4C, the velocity field error was 0.001%, and it was possible to reconstruct a velocity field substantially the same as the velocity field generated by the simulation.

図5は、カメラが回転しながら移動しているときの消失点の推定例である。カメラが移動している場合には渦場が得られるが、このような複雑にカメラが移動する場合であっても、安定に消失点を推定することができる。   FIG. 5 is an example of vanishing point estimation when the camera is moving while rotating. When the camera is moving, a vortex field is obtained, but even when the camera moves in such a complicated manner, the vanishing point can be estimated stably.

図6は、降雪、大雨、マリンスノーの悪天候下において移動するカメラが得た消失点の推定例である。オプティカルフローは、ノイズや環境外乱の影響により乱れているが、消失点は、画像の中心付近に良好に得られているのがわかる。   FIG. 6 is an estimation example of vanishing points obtained by a camera that moves under bad weather such as snowfall, heavy rain, and marine snow. Although the optical flow is disturbed by the influence of noise and environmental disturbance, it can be seen that the vanishing point is well obtained near the center of the image.

なお、本消失点推定装置1は、マルチメディア分野、符号化分野、通信分野、カメラ分野、映像分野において、景観シーン解析を必要とする産業分野に幅広く用いることが可能である。   The vanishing point estimation apparatus 1 can be widely used in industrial fields that require landscape scene analysis in the multimedia field, coding field, communication field, camera field, and video field.

本実施の形態によれば、消失点推定部14が、時間微分をゼロとする停留点を特異点として計算する線形システム方程式に、速度ベクトル推定部13で推定された速度ベクトルを代入して、その線形システム方程式のパラメータを推定する推定式を導出し、導出した推定式を非線形システム方程式に適用して上記パラメータを求め、求めたパラメータを先の線形システム方程式に代入して計算された特異点を消失点として推定するので、消失点の推定過程において副次的に推定されるパラメータを高速かつロバストに推定することができ、急峻な天候変化のある画像であっても耐性のある消失点推定装置を提供することができる。また、推定された速度ベクトルが不完全であっても固有値問題として消失点を計算するため、消失点の推定精度を高めることができる。   According to the present embodiment, the vanishing point estimation unit 14 substitutes the velocity vector estimated by the velocity vector estimation unit 13 into a linear system equation that calculates a stationary point with a time derivative of zero as a singular point, Deriving an estimation formula that estimates the parameters of the linear system equation, applying the derived estimation formula to the nonlinear system equation to obtain the above parameters, substituting the calculated parameters into the previous linear system equation, and calculating the singular point Is estimated as a vanishing point, so it is possible to quickly and robustly estimate the parameters estimated secondary in the vanishing point estimation process, and tolerate vanishing point estimation even for images with steep weather changes. An apparatus can be provided. Moreover, since the vanishing point is calculated as an eigenvalue problem even if the estimated velocity vector is incomplete, the vanishing point estimation accuracy can be improved.

1…消失点推定装置
11…画像入力部
12…画像記憶部
13…速度ベクトル推定部
14…消失点推定部
15…速度ベクトル再推定部
16…動き推定部
17…表示部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vanishing point estimation apparatus 11 ... Image input part 12 ... Image memory | storage part 13 ... Speed vector estimation part 14 ... Vanishing point estimation part 15 ... Speed vector re-estimation part 16 ... Motion estimation part 17 ... Display part

Claims (9)

被写体及び/又はカメラの移動中に撮影された画像の歪みによって消失した消失点を推定する消失点推定装置において、
時系列画像を入力する画像入力手段と、
入力された前記時系列画像を記憶する画像記憶手段と、
前記時系列画像のうち2枚の画像を前記画像記憶手段から読み出して、各画素の速度ベクトルを推定する速度ベクトル推定手段と、
時間微分をゼロとする停留点を特異点として計算する線形システム方程式に前記速度ベクトルを代入して、当該線形システム方程式のパラメータを推定する推定式を導出し、当該推定式を非線形システム方程式に適用して前記パラメータを求め、求めたパラメータを前記線形システム方程式に代入して計算された前記特異点を消失点として推定する消失点推定手段と、
を有することを特徴とする消失点推定装置。
In a vanishing point estimation device that estimates a vanishing point that has disappeared due to distortion of an image captured during movement of a subject and / or a camera,
Image input means for inputting time-series images;
Image storage means for storing the input time-series image;
Speed vector estimation means for reading out two images of the time-series images from the image storage means and estimating a speed vector of each pixel;
Substituting the velocity vector into a linear system equation that calculates a stationary point with a time derivative of zero as a singular point, derives an estimation equation that estimates the parameters of the linear system equation, and applies the estimation equation to a nonlinear system equation And the vanishing point estimating means for estimating the singularity calculated as a vanishing point by substituting the obtained parameter into the linear system equation,
The vanishing point estimation apparatus characterized by having.
前記推定式は、以下のzで表現され、
前記非線形システム方程式は、以下のE(a,b,c,d,e,f)で表現されることを特徴とする請求項1に記載の消失点推定装置。
The estimation formula is expressed by the following z,
The vanishing point estimation apparatus according to claim 1, wherein the nonlinear system equation is expressed by the following E (a, b, c, d, e, f).
求めた前記パラメータを線形システム方程式に代入して各画素の速度ベクトルを再度推定する速度ベクトル再推定手段と、
再推定された速度ベクトルから前記被写体及び/又は前記カメラの動きを推定する動き推定手段と、
推定された前記被写体の動きを表示する表示手段と、
を更に有することを特徴とする請求項1又は2に記載の消失点推定装置。
Speed vector re-estimation means for substituting the obtained parameter into a linear system equation and re-estimating the speed vector of each pixel;
Motion estimation means for estimating motion of the subject and / or the camera from the re-estimated velocity vector;
Display means for displaying the estimated movement of the subject;
The vanishing point estimation apparatus according to claim 1, further comprising:
前記速度ベクトル推定手段は、
相互相関法又はオプティカルフロー法を用いて、各画素の速度ベクトルを推定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の消失点推定装置。
The velocity vector estimation means includes
The vanishing point estimation apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein a velocity vector of each pixel is estimated using a cross-correlation method or an optical flow method.
被写体及び/又はカメラの移動中に撮影された画像の歪みによって消失した消失点を推定する消失点推定装置により、
時系列画像を入力する第1のステップと、
入力された前記時系列画像を画像記憶手段に記憶する第2のステップと、
前記時系列画像のうち2枚の画像を前記画像記憶手段から読み出して、各画素の速度ベクトルを推定する第3のステップと、
時間微分をゼロとする停留点を特異点として計算する線形システム方程式に前記速度ベクトルを代入して、当該線形システム方程式のパラメータを推定する推定式を導出し、当該推定式を非線形システム方程式に適用して前記パラメータを求め、求めたパラメータを前記線形システム方程式に代入して計算された前記特異点を消失点として推定する第4のステップと、
を有することを特徴とする消失点推定方法。
By a vanishing point estimation device that estimates a vanishing point that has disappeared due to distortion of an image taken while the subject and / or the camera is moving,
A first step of inputting a time-series image;
A second step of storing the input time-series image in an image storage means;
A third step of reading out two images of the time-series images from the image storage means and estimating a velocity vector of each pixel;
Substituting the velocity vector into a linear system equation that calculates a stationary point with a time derivative of zero as a singular point, derives an estimation equation that estimates the parameters of the linear system equation, and applies the estimation equation to a nonlinear system equation And calculating the parameter, and substituting the calculated parameter into the linear system equation to estimate the singular point calculated as a vanishing point;
A vanishing point estimation method characterized by comprising:
前記推定式は、以下のzで表現され、
前記非線形システム方程式は、以下のE(a,b,c,d,e,f)で表現されることを特徴とする請求項5に記載の消失点推定方法。
The estimation formula is expressed by the following z,
The vanishing point estimation method according to claim 5, wherein the nonlinear system equation is expressed by the following E (a, b, c, d, e, f).
求めた前記パラメータを線形システム方程式に代入して各画素の速度ベクトルを再度推定するステップと、
再推定された速度ベクトルから前記被写体及び/又は前記カメラの動きを推定するステップと、
推定された前記被写体の動きを表示するステップと、
を更に有することを特徴とする請求項5又は6に記載の消失点推定方法。
Substituting the obtained parameters into a linear system equation to re-estimate the velocity vector of each pixel;
Estimating the motion of the subject and / or the camera from the re-estimated velocity vector;
Displaying the estimated movement of the subject;
The vanishing point estimation method according to claim 5 or 6, further comprising:
前記第3のステップは、
相互相関法又はオプティカルフロー法を用いて、各画素の速度ベクトルを推定することを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の消失点推定方法。
The third step includes
The vanishing point estimation method according to any one of claims 5 to 7, wherein a velocity vector of each pixel is estimated using a cross-correlation method or an optical flow method.
請求項5乃至8のいずれか1つに記載した各ステップをコンピュータに実行させることを特徴とする消失点推定プログラム。   A vanishing point estimation program that causes a computer to execute the steps described in any one of claims 5 to 8.
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