JP5058010B2 - シーン中に置き去りにされた物体を検出する方法 - Google Patents
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Description
主概念は、画像シーケンス101を複数の時間スケール102で解析する場合、短期静止物体10を背景及び前景の両方から分割することができることである。本発明の適応的な背景更新(120)は、適応の遅い背景画素及び適応の速い前景画素をビデオから除去する。残った画素は、動きが背景よりも速いか又は頻繁であるが、前景よりは遅い物体クラスに属するため、置き去り物体に対応する画素のみが動き画像103に残る。
シーン背景は、期間設定に応じて長時間、例えば数十分にわたって統計的に一貫した情報を抽出するモデルにより表される。断続的な前景画素は、その画素が短期であるという証拠値を動き画像103中に保持することによって置き去り物体10と区別される。したがって、本発明では、シーン中の動きを複数の時間スケール102で解析し、2つの部分から成る2つの背景モデルを構築する。
本発明では前景モデルも判定する(130)(図2を参照)。このモデルもまた2つの部分、すなわち、長期前景(FL)マスク201及び短期前景(FS)マスク202を有する。マスクの画素FS(x,y)及びFL(x,y)は0又は1であり得る。すなわち、マスクは2値画像である。FLマスクは、現画像に関して、以前の画像ではそこになかったシーンの変化、例えば、移動物体、一時的な静止物体、動く人影、背景モデルが適応できない突然の劇的な照明の変化、例えばノイズを示す。FSマスクは、移動していて、その後に短時間だけ静止した物体に対応する。画素もまたFLマスクと同様に、ノイズによる突然の変化を示し得る。
証拠規則151に従って前景マスクから4つの仮説を立てることができる。
1)FL(x,y)=0且つFS(x,y)=0である。画素(x,y)は背景に対応し、現画像中の対応する画素I(x,y)はBLモデル及びBSモデルの両方で表される。
2)FL(x,y)=1且つFS(x,y)=1である。画素(x,y)は移動物体に対応し、BLモデル又はBSモデルのいずれでも表されない。
3)FL(x,y)=0且つFS(x,y)=1である。画素(x,y)はシーン背景に対応し、現画像の画素I(x,y)はBLモデルでのみ表される。
4)FL(x,y)=1且つFS(x,y)=0である。画素(x,y)は置き去り物体に対応する可能性があり、BLモデルで表され得る。
上述のように、本発明の背景モデルは、ガウス分布の混合を用いる。モデルには統計的信頼値が関連付けられる。比較的短時間のみにわたって強度変化がある画素の場合、BLモデルの信頼度もBSモデルの信頼度も、それらの画素を有効な背景画素とするのに十分に上がらない。したがって、それらの画素は前景と判定される(130)。BSモデルが画素を背景に「ブレンドする」にもかかわらず、BLモデルがなおそれらの画素を前景としてマーキングする場合、その画素は置き去り物体の画素と見なされる。画素強度の変化により時間がかかる場合、両モデルはそれらの画素を背景と見なす。
検出感度に時間的制約を課すと共に、ノイズによるアーティファクトを除去するために、証拠規則151を用いて画素毎の証拠値を動き画像M(x,y)103中で以下のように増減すること(200)によって、画像毎の検出結果を動き画像103中に保持する(200)。
画素毎に、動き画像M103は、置き去り物体の証拠値を保持する。この証拠値が閾値maxe203よりも大きい場合(すなわちM(x,y)>maxe230)、その画素を置き去り物体の画素としてマーキングし、オプションの警報信号を生成する(240)。証拠閾値maxe203は、連続する画像数、すなわち時間に関して定められる。この閾値は、本発明の方法の所望の応答性及びノイズ特性に依存し得る。画像がノイズで汚染されている場合、高い値のmaxeが好ましい。このような高い値はまた、誤警報率を下げる。
背景モデルの長期部分及び短期部分はベイズ更新手順により適応させられる(図3を参照)。ベイズ更新は、Tuzel他による2006年11月23日付で公開された米国特許出願第20060262959号「ベイズ推定による低フレームレートビデオのモデル化(Modeling low frame rate videos with Bayesian estimation)」(参照により本明細書中に援用される)により詳細に記載されている。
画像データ、すなわち画素強度は、平均μ及び共分散Σを有する正規分布であると仮定する。平均及び分散は未知であり、ランダム変数としてモデル化される。ベイズ理論を用いて、同時事後密度を次のように書くことができる。
normal−inverse−Wishart(θt,Λt/κt;νt,Λt)
となり、パラメータは次のように更新される。
本発明の方法を、画素毎にk個の層で初期化する。例えば、シーンの動態及び複雑性に応じて、kは3〜5である。より多くの層を用いることもできる。本発明では、新たなサンプルを画素毎に処理する際に、本発明の背景モデルのパラメータを更新する。本発明のモデルの最も信頼度の高い層から更新を始める。観測サンプルが現モデルの99%信頼区間内にある場合、式(7)、(8)及び(9)に表されるようにモデルのパラメータを更新する。信頼度の低いモデルは更新しない。背景のモデル化には、以前の観測値ほどモデルに及ぼす影響が小さくなるような「忘却」メカニズムを設けることが有用である。忘却は、不一致モデルの以前の観測値数のパラメータを減らすことによって行われる。現サンプルが信頼区間内にない場合、以前の測定値数のパラメータを次のように更新し、
κt=κt−1−n (16)
次に信頼度の高い層の更新に進む。本発明では、κtを初期値である10未満にはしない。どのモデルも更新されない場合、最も信頼度の低い層を削除し、現サンプルを有する新たなモデルを平均及び初期分散として初期化する。
背景統計値を用いて、シーンの変化した領域、例えば前景物体を検出する。画素を表すために必要な層数は事前には分からない。したがって、背景は、必要であるよりも多い数の層で初期化される。本発明では、信頼度を用いて、いくつの層が各画素に対して重要であるかを判定する。式(14)の信頼度に従って層を順序付け、所定の層閾値Tcを超える信頼値を有する層を選択する。本明細書中では、これらの層を信頼層と呼ぶ。
本発明では、連結成分解析を動き画像に適用して、物体のサイズ又はパターン(形状)を求めることもできる。例えば本方法を、小さな物体(例えば鞄若しくは人物)又は大きな物体(置き去り車両等)のみを検出するように調整することができる。置き去り物体が検出されたら、物体認識を画像シーケンスに適用することもできる。
この二重前景方法を試験するために、いくつかの公的に利用可能なデータセット、例えば、PETS2006及びAVSS2007から入手可能なよく知られた監視ビデオを用いた。試験したシーケンスの総数は32であった。テストデータは様々な画素解像度、例えば、180×144、320×240、640×480、及び720×576を含む。シナリオは、昼食室から地下鉄の駅まで様々であった。ほとんどのシーケンスは小さな(10×10画素の)置き去り物体を含む。いくつかのシーケンスは複数の置き去り物体を有する。シーケンスの半分は、比較的少数(例えば3人まで)の人物がいるシーンに対応する。シーケンスの残り半分は、複数の座っている人、立っている人、歩いている人がいるより複雑なシナリオを有する。いずれの場合にも、人物は可変速度を示す。物体は、様々な時間、例えば10秒間〜2分間にわたって置き去りにされる。
Claims (21)
- 各背景モデルは、長期背景モデルB L 及び短期背景モデルB S を含み、ベイズ推定を用いて短期から長期にわたる異なる時間スケールで更新され、カメラによりシーンに関して取得された画像シーケンスを用いて各前記背景モデルを更新するステップであって、前記ベイズ推定を用いて前記背景モデルを更新するときに、動き画像の各画素を複数の層として定義し、各層の平均及び分散の確率分布を推定する、ステップと、
前記背景モデルの更新後に、シーンの変化した領域を前景物体として検出することにより、前記シーケンスの特定の画像に関して各背景モデルから前景マスクを判定するステップと、
動き画像の各画素は、当該画素の値である証拠値Mを有し、
各前景マスクは、長期前景マスクF L 及び短期前景マスクF S を含み、
各前景マスクは、0及び1の画素値を有する2値画像であり、前記1の画素値は、前記画像シーケンス中のあり得る前景物体を表し、
F L (x,y)=0且つF S (x,y)=0である場合には、前記画素(x,y)は前記シーン中の背景に対応し、現画像中の対応する画素I(x,y)は対応する前記背景モデルB L 及びB S の両方で表され、
F L (x,y)=1且つF S (x,y)=1である場合には、前記画素(x,y)は前記シーン中の移動物体に対応し、前記背景モデルB L 又はB S のいずれでも表されず、
F L (x,y)=0且つF S (x,y)=1である場合には、前記画素(x,y)はシーン背景に対応し、前記現画像の前記画素I(x,y)は前記B L モデルでのみ表され、かつ
F L (x,y)=1且つF S (x,y)=0である場合には、前記画素(x,y)は前記置き去り物体に対応し得る、
という証拠規則に従った、長期前景マスクF L 及び短期前景マスクF S を用いた仮説を用いて、次式に従って、前記証拠値M(x,y)を求めることにより、前記動き画像を更新するステップと、
前記証拠値Mを証拠閾値max e と比較して、前記証拠値Mが証拠閾値max e よりも大きい場合に、前記シーン中に置き去りにされた物体を検出して知らせるステップと
を含む、シーン中に置き去りにされた物体を検出する方法。 - 前記検出は、経時的に進展する前記画像シーケンスの画素の強度の推測に基づく
請求項1記載の方法。 - 前記時間スケールは、前記画像シーケンスが処理されるフレームレートに基づく
請求項1記載の方法。 - 前記時間スケールは、前記シーケンス中の全画像が前記更新中に使用される場合には短期であり、前記時間スケールは、処理すべき前記画像が前記シーケンスからサブサンプリングされる場合には長期である
請求項3記載の方法。 - 前記時間スケールは、前記一組の背景モデルのパラメータが更新される学習速度である
請求項1記載の方法。 - 前記時間スケールは、前記画像シーケンスが処理されるフレームレートと、前記一組の背景モデルのパラメータが更新される学習速度とに基づく
請求項1記載の方法。 - 前記時間スケールは、対応する前記背景モデルが同一学習速度において前記長期の前記背景モデルよりも頻繁に更新される場合に短期である
請求項6記載の方法。 - 各背景モデルは一組の層として保持され、各層は多変量ガウス分布であり、パラメータが前記更新中の任意の時点の各ガウス分布を定義する
請求項1記載の方法。 - 前記ガウス分布は、多次元である
請求項8記載の方法。 - 前記時間スケールは、前記パラメータが更新されるレートである
請求項5記載の方法。 - 前記動き画像の前記更新は、適応の遅い背景画素及び適応の速い前景画素に対応する前記動き画像の画素を除去し、前記動き画像の残りの画素が前記置き去り物体に対応するようにする
請求項1記載の方法。 - 前記時間スケールは、用途に依存する
請求項1記載の方法。 - 前記一組の背景モデルの前記更新は、
各層の前記パラメータの平均及び分散の確率分布を推定することを含む、ベイズメカニズムを用いる
請求項8記載の方法。 - 前記平均及び分散の期待値を前記置き去り物体の検出に用い、前記平均の分散を前記証拠値の信頼度として用いる
請求項13記載の方法。 - 前記証拠閾値maxeは、前記シーケンスの[10,300]の連続画像の範囲内にある
請求項1記載の方法。 - k=maxeである
請求項1記載の方法。 - 前記背景モデルの一部は、前記シーケンス中のあらゆる画像に関して更新される
請求項10記載の方法。 - 各組の層数は、前記信頼度に従って適応される
請求項14記載の方法。 - 前記一組の背景モデルは、前記背景モデルが更新される前記時間スケールを除いて同一である
請求項1記載の方法。 - 前記動き画像の前記画素に連結成分解析を適用すると共に、サイズ制約に従って前記置き去り物体を検出して知らせるステップをさらに含む
請求項1記載の方法。 - 前記動き画像の前記画素に連結成分解析を適用すると共に、パターン制約に従って前記置き去り物体を検出して知らせるステップをさらに含む
請求項1記載の方法。
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