JP5162512B2 - Multidimensional time series data analysis apparatus and multidimensional time series data analysis program - Google Patents

Multidimensional time series data analysis apparatus and multidimensional time series data analysis program Download PDF

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Description

本発明は、多次元時系列データ分析装置及び多次元時系列データ分析プログラムに関する。   The present invention relates to a multidimensional time series data analysis apparatus and a multidimensional time series data analysis program.

多次元時系列データは、多次元で起こる現象を一定の時間間隔で観測して記録した多次元の時系列データである。多次元時系列データとしては、人や物体等の動きを表す動きデータ、映像のデータ、複数のマイクロホンで集音した音声データ、複数の株価の推移を表すデータ、複数の地域で観測した気温データなどがある。ある時刻の多次元データは、フレーム(Frame)と呼ばれる。
多次元時系列データからパターンを抽出するために、各パターンの境界を判定することを、パターン境界判定という。例えば、人の動きを示す多次元時系列データである人体スケルトン(Skeleton、骨格)型動きデータのパターン境界判定においては、歩行や走行など複数の動きのパターンを含む動きデータから各動きのパターンの開始時刻と終了時刻とを判定する。
Multidimensional time-series data is multidimensional time-series data obtained by observing and recording phenomena that occur in multiple dimensions at regular time intervals. Multi-dimensional time-series data includes motion data representing movements of people and objects, video data, audio data collected by multiple microphones, data representing changes in multiple stock prices, and temperature data observed in multiple regions. and so on. Multidimensional data at a certain time is called a frame.
Determining the boundary between patterns in order to extract a pattern from multidimensional time-series data is called pattern boundary determination. For example, in the pattern boundary determination of human skeleton type motion data, which is multidimensional time series data indicating human motion, each motion pattern is extracted from motion data including multiple motion patterns such as walking and running. A start time and an end time are determined.

人体スケルトン型動きデータからパターン境界を判定する方法として、例えば、非特許文献1および2に示される方法が知られている。非特許文献1では、パターン境界を判定する3つの方法が示されている。方法1では人体スケルトン型動きデータに対して主成分分析を行う際に生じる誤差の変化量に基づいて、パターンの境界を判定する。方法2では人体スケルトン型動きデータに対して主成分分析を行って動きデータの各フレーム間の類似度を評価して、動きパターンの境界を判定する。方法3では連続するフレームが同じガウス混合モデル(Gaussian Mixture Model)に含まれない場合に、その箇所を動きパターンの境界であると判定する。非特許文献2では、サポートベクターマシン(Support Vector Machine: SVM)で動きのパターン境界を判定する方法が示されている。
人間の動作を表現する人体スケルトン型動きデータは、通常、多くの自由度を有するが、各ジョイント間には強い関連性がある。そこで、人体スケルトン型動きデータの次元削減のために主成分分析を行うことが有効である。主成分分析の方法としては、例えば、非特許文献3および非特許文献4に示される方法がある。これらの方法では、人体スケルトン型動きデータ全体を主成分分析し、動きに対する寄与率の高い幾つかの主成分を抽出する。
As a method for determining a pattern boundary from human skeleton-type motion data, for example, methods disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 are known. Non-Patent Document 1 shows three methods for determining a pattern boundary. In Method 1, a pattern boundary is determined based on a change amount of an error that occurs when principal component analysis is performed on human body skeleton type motion data. In Method 2, principal component analysis is performed on the human skeleton type motion data to evaluate the similarity between the frames of the motion data, and determine the boundary of the motion pattern. In Method 3, when consecutive frames are not included in the same Gaussian Mixture Model, it is determined that the position is the boundary of the motion pattern. Non-Patent Document 2 discloses a method of determining a motion pattern boundary using a support vector machine (SVM).
Human body skeleton type motion data representing human motion usually has many degrees of freedom, but there is a strong relationship between each joint. Therefore, it is effective to perform principal component analysis to reduce the dimension of human skeleton type motion data. As a method of principal component analysis, for example, there are methods shown in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4. In these methods, the entire human body skeleton type motion data is subjected to principal component analysis, and some principal components having a high contribution rate to motion are extracted.

J. Barbic、他5名,"Segmenting Motion Capture Data into Distinct Behaviors",Proceedings of Graphics Interface 2004,2004年,Vol. GI04,p.185-194J. Barbic and 5 others, "Segmenting Motion Capture Data into Distinct Behaviors", Proceedings of Graphics Interface 2004, 2004, Vol. GI04, p.185-194 O. Arikan、他2名,"Motion synthesis from annotations",ACM Transactions on Graphics,2003年7月,vol.22(3),p.402-408O. Arikan and two others, "Motion synthesis from annotations", ACM Transactions on Graphics, July 2003, vol.22 (3), p.402-408 L. M. Tanco、他1名,"Realistic synthesis of novel human movements from a database of motion capture examples",IEEE Workshop on Human Motion,200年,p.137-142L. M. Tanco and 1 other, "Realistic synthesis of novel human movements from a database of motion capture examples", IEEE Workshop on Human Motion, 200, p.137-142 P. Glardon、他2名,"PCA-based Walking Engine Using Motion Capture Data",Computer Graphics International,2004年,p.292-298P. Glardon and two others, "PCA-based Walking Engine Using Motion Capture Data", Computer Graphics International, 2004, p.292-298

しかしながら、上述した非特許文献1の方法1および方法2では、フレームを一定数ずつ増やすごとに主成分分析を行い、各回の主成分分析結果の違いに基づいてパターン境界を判定するため繰り返し主成分分析を行う必要があり、計算量が膨大になる。
また、方法3では、予めガウス混合モデルのパラメータ値を決定することは困難である。さらに、事前の訓練が必要なため、オンライン処理には適用できないという問題もある。また、非特許文献2の方法では、ユーザが訓練用データを作成し、サポートベクターマシンが判別を間違えた場合はユーザが正解を示す必要がある。
However, in the method 1 and method 2 of Non-Patent Document 1 described above, the principal component analysis is performed every time the number of frames is increased by a certain number, and the repeated principal component is used to determine the pattern boundary based on the difference in the principal component analysis results of each time. It is necessary to perform analysis, and the calculation amount becomes enormous.
In Method 3, it is difficult to determine the parameter value of the Gaussian mixture model in advance. Furthermore, since prior training is required, there is a problem that it cannot be applied to online processing. In the method of Non-Patent Document 2, when the user creates training data and the support vector machine makes a mistake, it is necessary for the user to indicate the correct answer.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガウス混合モデルのパラメータ値を決定することや事前の訓練やユーザによる訓練データの作成やユーザによる正解の提示が不要であり、かつ、より少ない計算量でパターン境界を判定できる多次元時系列データ分析装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is not to determine parameter values of a Gaussian mixture model, pre-training, creation of training data by the user, or presentation of correct answers by the user. Another object of the present invention is to provide a multidimensional time series data analysis apparatus capable of determining a pattern boundary with a smaller calculation amount.

[1]この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による多次元時系列データ分析装置は、複数時刻のそれぞれにおける多次元データを時系列に従い配置してなる多次元時系列データを記憶する多次元時系列データ記憶部と、主成分行列を記憶する主成分行列記憶部と、前記多次元時系列データ記憶部から読み出される前記多次元時系列データに対して主成分分析を行うことによって主成分行列を生成し前記主成分行列記憶部に書き込む主成分分析部と、前記主成分行列中のある1行に含まれる複数の要素を主成分として選択する主成分選択部と、前記主成分選択部が選択した前記主成分を前記主成分行列記憶部から読み出し、当該主成分の値の分布の中心と分布幅を決定し、前記主成分の値と前記分布の中心とのずれが前記分布幅よりも大きくなる点に基づいて前記多次元時系列データのパターン境界を決定して出力する境界判定部とを具備することを特徴とする。 [1] The present invention has been made to solve the above-described problems, and a multidimensional time-series data analysis device according to an aspect of the present invention arranges multidimensional data at each of a plurality of times according to a time series. A multidimensional time series data storage unit that stores multidimensional time series data, a principal component matrix storage unit that stores a principal component matrix, and the multidimensional time series data read from the multidimensional time series data storage unit A principal component analysis unit that generates a principal component matrix by performing principal component analysis and writes the principal component matrix to the principal component matrix storage unit , and a principal component that selects a plurality of elements included in one row in the principal component matrix as principal components Read out the principal component selected by the selection unit and the principal component selection unit from the principal component matrix storage unit, determine the distribution center and distribution width of the principal component value, and determine the principal component value and the distribution center Shift is characterized by comprising a boundary determining unit that determines and outputs the pattern boundary of the multi-dimensional time-series data on the basis of the point where greater than the distribution width of.

[2]また、本発明の一態様による多次元時系列データ分析装置は、上述の多次元時系列データ分析装置であって、前記境界判定部は、前記主成分の極点の各々について、当該極点以前の所定期間における前記主成分の値の平均値である前方平均値と当該極点以後の前記所定期間における前記主成分の値の平均値である後方平均値とを算出し、該前方平均値に基づいて、前記極点毎に前記分布の中心と前記分布幅とを決定し、前記後方平均値と前記分布の中心との差を前記ずれとすることを特徴とする。   [2] A multidimensional time-series data analysis apparatus according to an aspect of the present invention is the multidimensional time-series data analysis apparatus described above, wherein the boundary determination unit is configured to determine the extreme points for each of the extreme points of the principal component. A forward average value that is an average value of the principal component values in a previous predetermined period and a backward average value that is an average value of the principal component values in the predetermined period after the extreme point are calculated, and the forward average value On the basis of this, the center of the distribution and the distribution width are determined for each of the extreme points, and the difference between the backward average value and the center of the distribution is defined as the deviation.

[3]また、本発明の一態様による多次元時系列データ分析装置は、上述の多次元時系列データ分析装置であって、前記主成分分析部は、前記多次元時系列データに基づく処理対象行列から該処理対象行列の時間方向の平均値の行列を減算して変動データ行列を生成し、該変動データ行列に対して特異値分解を行うことによって主成分行列を生成することを特徴とする。   [3] A multidimensional time series data analysis apparatus according to an aspect of the present invention is the multidimensional time series data analysis apparatus described above, wherein the principal component analysis unit is a processing target based on the multidimensional time series data. A variation data matrix is generated by subtracting a matrix of average values in the time direction of the processing target matrix from a matrix, and a principal component matrix is generated by performing singular value decomposition on the variation data matrix .

[4]また、本発明の一態様による多次元時系列データ分析装置は、上述の多次元時系列データ分析装置であって、前記主成分選択部は、前記主成分行列の第1行の各要素を主成分として選択し、前記境界判定部が該主成分を用いてパターン境界の位置を判定できなかった場合は、前記主成分行列の第2行の各要素を主成分として選択し、以下、前記境界判定部がパターン境界の位置を判定できない毎に、前記主成分行列中の上からK行目(Kは1以上かつ主成分行列の行数以下の任意の整数)までの部分行列である判定対象主成分中の上の行から順に1行中の各要素を主成分として選択することを特徴とする。   [4] A multidimensional time-series data analysis apparatus according to an aspect of the present invention is the multidimensional time-series data analysis apparatus described above, wherein the principal component selection unit includes each of the first row of the principal component matrix. When an element is selected as a principal component and the boundary determination unit cannot determine the position of the pattern boundary using the principal component, each element in the second row of the principal component matrix is selected as a principal component, and Each time the boundary determination unit cannot determine the position of the pattern boundary, it is a submatrix from the top to the Kth row (K is an arbitrary integer not less than 1 and not more than the number of rows of the principal component matrix) in the principal component matrix. Each element in one row is selected as a main component in order from the top row in a certain determination target main component.

[5]また、本発明の一態様による多次元時系列データ分析装置は、上述の多次元時系列データ分析装置であって、多次元時系列データを多次元時系列データ記憶部に保存し、古い順にN個(Nは任意の正の整数)の時刻分のデータを前記多次元時系列データ記憶部から読み出すよう前記主成分分析部に指示し、前記境界判定部がパターン境界の位置を判定し出力した場合に該パターン境界の位置以後の多次元時系列データ中から古い順にN個の時刻分のデータを前記多次元時系列データ記憶部から読み出すよう前記主成分分析部に指示するデータ取得部と、判定対象主成分に含まれる全ての主成分について前記境界判定部がパターン境界の位置を判定できなかった場合に、前記主成分分析部が主成分分析を行ったフレームと該フレームよりも新しいフレーム中から古い順にP個(Pは任意の正の整数)のフレームとを前記多次元時系列データ記憶部から読み出すよう前記主成分分析部に指示するデータ追加部とをさらに具備することを特徴とする。   [5] A multidimensional time series data analysis apparatus according to an aspect of the present invention is the above-described multidimensional time series data analysis apparatus, which stores multidimensional time series data in a multidimensional time series data storage unit, The principal component analysis unit is instructed to read out data for N times (N is an arbitrary positive integer) from the multi-dimensional time-series data storage unit in chronological order, and the boundary determination unit determines the position of the pattern boundary. Data acquisition instructing the principal component analysis unit to read from the multi-dimensional time-series data storage unit the data for N times in chronological order from the multi-dimensional time-series data after the position of the pattern boundary. And the frame in which the principal component analysis unit has performed principal component analysis when the boundary determination unit cannot determine the position of the pattern boundary for all the principal components included in the determination target principal component and the frame A data addition unit for instructing the principal component analysis unit to read out P frames (P is an arbitrary positive integer) from the new frame in the oldest order from the multidimensional time-series data storage unit; Features.

[6]また、本発明の一態様による多次元時系列データ分析装置は、複数時刻のそれぞれにおける多次元データを時系列に従い配置してなる多次元時系列データを記憶する多次元時系列データ記憶部と、主成分行列を記憶する主成分行列記憶部と、前記多次元時系列データ記憶部から読み出される前記多次元時系列データに対して主成分分析を行うことによって主成分行列を生成し前記主成分行列記憶部に書き込む主成分分析部と、前記主成分行列中のある1行に含まれる複数の要素を主成分として選択する主成分選択部と、前記主成分選択部が選択した前記主成分を前記主成分行列記憶部から読み出し、当該主成分の値の分布の中心と分布幅を決定し、前記主成分の値と前記分布の中心とのずれが前記分布幅よりも大きくなる点が存在する場合に前記主成分の値の自己相関を算出し、該自己相関の値が極大となる時刻に基づいてパターン境界の位置を判定して出力する境界判定部とを具備することを特徴とする。 [6] In addition, the multidimensional time-series data analysis apparatus according to one aspect of the present invention stores multidimensional time-series data stored by storing multidimensional time-series data in which multidimensional data at each of a plurality of times is arranged according to the time series. parts and the main component matrix storage unit for storing the main component matrix, produced the principal component matrix by performing principal component analysis on the multi-dimensional time-series data read out from the multi-dimensional time series data storage unit A principal component analysis unit that writes to the principal component matrix storage unit , a principal component selection unit that selects a plurality of elements included in one row in the principal component matrix as principal components, and the principal component selected by the principal component selection unit The component is read from the principal component matrix storage unit, the distribution center and distribution width of the principal component value are determined, and the difference between the principal component value and the distribution center is larger than the distribution width. Exist Calculating an autocorrelation value of the main component in engagement, characterized by comprising a boundary determination unit for determining and outputting the position of the pattern boundary based on the time value of the autocorrelation is maximum.

[7]また、本発明の一態様による多次元時系列データ分析プログラムは、複数時刻のそれぞれにおける多次元データを時系列に従い配置してなる多次元時系列データを記憶する多次元時系列データ記憶部から読み出される前記多次元時系列データに対して主成分分析を行うことによって主成分行列を生成し主成分行列記憶部に書き込む主成分分析ステップと、前記主成分行列中のある1行に含まれる複数の要素を主成分として選択する主成分選択ステップと、前記主成分選択ステップが選択した前記主成分を前記主成分行列記憶部から読み出し、当該主成分の値の分布の中心と分布幅を決定し、前記主成分の値と前記分布の中心とのずれが前記分布幅よりも大きくなる点に基づいて前記多次元時系列データのパターン境界を判定して出力する境界判定ステップとをコンピュータに実行させるための多次元時系列データ分析プログラムであることを特徴とする。 [7] A multidimensional time series data analysis program according to an aspect of the present invention is a multidimensional time series data storage that stores multidimensional time series data in which multidimensional data at a plurality of times is arranged according to a time series. A principal component analysis step of generating a principal component matrix by performing principal component analysis on the multi-dimensional time series data read out from the component and writing the principal component matrix into the principal component matrix storage unit , and included in one row of the principal component matrix A principal component selection step that selects a plurality of elements as principal components, and the principal component selected by the principal component selection step is read from the principal component matrix storage unit, and the distribution center and distribution width of the principal component values are read out. And determining and outputting a pattern boundary of the multi-dimensional time series data based on a point where a deviation between the value of the principal component and the center of the distribution is larger than the distribution width. Characterized in that it is a multi-dimensional time-series data analysis program for executing the boundary determining step in the computer.

この発明によれば、多次元時系列データ分析装置において、ガウス混合モデルのパラメータ値を決定することや事前の訓練やユーザによる訓練データの作成やユーザによる正解の提示が不要であり、かつ、より少ない計算量でパターン境界を判定することができる。   According to the present invention, in the multidimensional time series data analysis apparatus, it is not necessary to determine the parameter value of the Gaussian mixture model, to prepare the training data by the user in advance or to provide the correct answer by the user, and more The pattern boundary can be determined with a small amount of calculation.

この発明の一実施形態による多次元時系列データ分析装置1の構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the multidimensional time series data analysis apparatus 1 by one Embodiment of this invention. 人体スケルトン型動きデータの定義に用いられる人体のスケルトンモデルの例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example of the skeleton model of the human body used for the definition of a human body skeleton type | mold motion data. 同実施形態において多次元時系列データ分析装置1がパターン境界判定を行う際に、主成分から算出した各値の例を示すグラフである。5 is a graph showing examples of values calculated from principal components when the multidimensional time-series data analysis apparatus 1 performs pattern boundary determination in the embodiment. 同実施形態において多次元時系列データ分析装置1の処理手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the process sequence of the multidimensional time series data analysis apparatus 1 in the embodiment. 同実施形態において境界判定部41が行う、図4のステップSa4における処理の手順を示すフロー図である。FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure in step Sa4 of FIG. 4 performed by a boundary determination unit 41 in the same embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図1は、この発明の一実施形態による多次元時系列データ分析装置1の構成を示す概略ブロック図である。同図において、多次元時系列データ分析装置1は、データ取得部11と、データメモリ(多次元時系列データ記憶部)12と、主成分分析部21と、主成分行列記憶部(図示せず)と、主成分選択部31と、境界判定部41と、データ追加部51とを含んで構成される。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic block diagram showing a configuration of a multidimensional time series data analysis apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. In the figure, a multidimensional time series data analysis apparatus 1 includes a data acquisition unit 11, a data memory (multidimensional time series data storage unit) 12, a principal component analysis unit 21, and a principal component matrix storage unit (not shown). ), A principal component selection unit 31, a boundary determination unit 41, and a data addition unit 51.

本実施形態では、多次元時系列データの一例として人体のスケルトンモデル(Skeleton Model、骨格の型)で定義された人体スケルトン型動きデータを用いる。スケルトン型動きデータは、スケルトン型が定義された対象物であるスケルトン型対象物の各ジョイントの動きを記録したデータである。スケルトン型対象物としては例えば、人体や動物やロボットなどがある。   In the present embodiment, human skeleton type motion data defined by a human skeleton model (skeleton type) is used as an example of multidimensional time-series data. The skeleton type motion data is data in which the motion of each joint of the skeleton type object, which is an object for which the skeleton type is defined, is recorded. Examples of the skeleton type object include a human body, an animal, and a robot.

図2は、人体スケルトン型動きデータ(以下、単に「動きデータ」と称する)の定義に用いられる人体のスケルトンモデルの例を示す概略図である。人体のスケルトンモデルは、人の骨格を基に、骨及び骨の連結点(ジョイント、Joint)を用い、ある1つのジョイントを根(ルート、Root)とし、ルートからジョイント経由で順次連結される骨の構造を木(ツリー、Tree)構造として構成される。図5において、ジョイント100は腰の部分であり、ルートである。ジョイント101は左腕の肘の部分、ジョイント102は左腕の手首の部分、ジョイント103は右腕の肘の部分、ジョイント104は右腕の手首の部分、ジョイント105は左足の膝の部分、ジョイント106は左足の足首の部分、ジョイント107は右足の膝の部分、ジョイント108は右足の足首の部分である。なお、肩の部分のジョイントなどを含むより複雑なスケルトンモデルを用いてもよい。   FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a human skeleton model used for defining human skeleton type motion data (hereinafter simply referred to as “motion data”). The human skeleton model uses bone and bone connection points (joints) based on the human skeleton, with one joint as the root, and bones that are sequentially connected from the root via the joint. Is configured as a tree structure. In FIG. 5, the joint 100 is a waist portion and a root. Joint 101 is the elbow portion of the left arm, Joint 102 is the wrist portion of the left arm, Joint 103 is the elbow portion of the right arm, Joint 104 is the wrist portion of the right arm, Joint 105 is the knee portion of the left foot, and Joint 106 is the left foot portion. The ankle portion, the joint 107 is the knee portion of the right foot, and the joint 108 is the ankle portion of the right foot. A more complicated skeleton model including a joint at the shoulder may be used.

動きデータは、各ジョイントの位置情報または角度情報または速度情報または加速度情報あるいはこれらの組み合わせで表現することが可能である。本実施形態の多次元時系列データ分析装置は、人体スケルトン型角度情報データや人体スケルトン型加速度情報データなど、様々な表現形式の動きデータに対してパターン境界判定を行うことができる。
人体スケルトン型角度情報データは、人の一連の動きを複数の姿勢(ポーズ、Pose)の連続により示すものであり、人の基本ポーズ(Neutral Pose)を示す基本ポーズデータと、実際の人の動きの中の各ポーズを示すポーズ毎のフレームデータとを含む。基本ポーズデータは、基本ポーズにおけるルートの位置及び各ジョイントの位置、並びに各骨の長さなどの情報を含む。基本ポーズデータにより基本ポーズが特定される。フレームデータは、基本ポーズからの移動量をジョイント毎に表す。ここでは、移動量として角度情報を利用する。各フレームデータにより、基本ポーズに対して各移動量が加味された各ポーズが特定される。これにより、各フレームデータによって特定される各ポーズの連続として、人の一連の動きが特定される。なお、人体スケルトン型動きデータは、人の動きをカメラ撮影した映像からモーションキャプチャ(Motion Capture)処理によって生成する、或いは、キーフレームアニメーション(Key Frame Animation)の手法を用いて生成することができる。
人体スケルトン型加速度情報データは、人の各ジョイントの加速度をポーズ毎のフレームデータと複数のポーズの連続により表すものである。なお、人体スケルトン型加速度情報データは、加速度計で記録したり、映像や動きデータから算出したりすることができる。
The motion data can be expressed by position information, angle information, velocity information, acceleration information, or a combination of each joint. The multidimensional time-series data analysis apparatus according to the present embodiment can perform pattern boundary determination on motion data in various representation formats such as human skeleton-type angle information data and human skeleton-type acceleration information data.
Human body skeleton-type angle information data indicates a series of movements of a person by a series of multiple poses (poses, poses), and includes basic pose data indicating a person's basic poses (Neutral Pose) and actual human movements. Frame data for each pose indicating each pose. The basic pose data includes information such as the position of the root and the position of each joint in the basic pose, and the length of each bone. The basic pose is specified by the basic pose data. The frame data represents the amount of movement from the basic pose for each joint. Here, angle information is used as the movement amount. Each frame data identifies each pose in which each movement amount is added to the basic pose. Thereby, a series of movements of a person is specified as a continuation of each pose specified by each frame data. The human skeleton-type motion data can be generated by a motion capture process from video captured by a camera, or can be generated using a key frame animation technique.
The human body skeleton type acceleration information data represents the acceleration of each joint of a person by continuous frame data for each pose and a plurality of poses. The human skeleton-type acceleration information data can be recorded by an accelerometer, or calculated from video and motion data.

図1に戻って各部の機能について説明する。
データメモリ12は、複数時刻のそれぞれにおいて多次元データを時系列に従い配置してなる多次元時系列データを記憶する。以下では、多次元データメモリ12に記憶される多次元時系列データの行列をXで示す。
主成分行列記憶部(図示せず)は、主成分分析部21が生成する主成分行列Yを記憶する。
データ取得部11は一定期間ごとの複数の時刻において動きデータを取得する。以下では、データ取得部11が動きデータを取得する時刻を古い順に、時刻1,時刻2,時刻3,…で示す。データ取得部11は取得した動きデータのうちルートの自由度を除いた他の自由度に対応するデータをデータメモリ12に時系列順に書き込む。すなわち、データ取得部11は、入力される多次元時系列データ(以下では、データ取得部11に入力される多次元時系列データの行列をX’で示す)からルートの自由度を除いた多次元時系列データの行列Xをデータメモリ12に書き込む。以下では、データメモリ12に書き込まれる、時刻ごとの多次元データをフレームという。i番目に古い時刻にフレームに番号iを付して各フレームを区別する。なお、データ取得部11は取得した動きデータからルートの自由度を除かずにそのままのデータをデータメモリ12に保存してもよい。
また、データ取得部11はN個のフレームを主成分分析部21に対してN個のフレームを読み出すよう指示する。ここで、Nは予め定められた定数である。多次元時系列データ分析装置1がパターン境界の判定を開始するときには、データ取得部11は、第1フレームの番号「1」と第Nフレームの番号Nとを主成分分析部21に出力する。ここで、Nは任意の正の整数である。一方、境界判定部41がパターン境界の位置を判定した場合は、データ取得部11はパターン境界の位置と判定された第Qフレーム以降に取得されたフレームの中から古い順にN個のフレームを示す、最初のフレームの番号Qと最後のフレームの番号Q+N−1とを主成分分析部21に出力する。つまり、データ取得部11は、まず古い順にN個の時刻分のデータを多次元時系列データ記憶部(データメモリ)12から読み出すよう主成分分析部21に指示し、境界判定部41がパターン境界の位置を判定し出力した場合に該パターン境界の位置以後の多次元時系列データの行列X中から古い順にN個の時刻分のデータを多次元時系列データ記憶部(データメモリ)12から読み出すよう主成分分析部21に指示する。なお、フレームの個数を示すNの値を変更可能としてもよい。例えば、境界判定部41がパターン境界の位置を判定して処理を終了した時点で変更することができる。
Returning to FIG. 1, the function of each part will be described.
The data memory 12 stores multidimensional time series data in which multidimensional data is arranged in time series at each of a plurality of times. In the following, a matrix of multidimensional time series data stored in the multidimensional data memory 12 is indicated by X.
The principal component matrix storage unit (not shown) stores the principal component matrix Y generated by the principal component analysis unit 21.
The data acquisition unit 11 acquires motion data at a plurality of times at regular intervals. In the following, the time when the data acquisition unit 11 acquires motion data is indicated by time 1, time 2, time 3,. The data acquisition unit 11 writes data corresponding to other degrees of freedom excluding the degree of freedom of the route in the acquired motion data in the data memory 12 in chronological order. That is, the data acquisition unit 11 removes the degree of freedom of the route from the input multidimensional time series data (hereinafter, the matrix of the multidimensional time series data input to the data acquisition unit 11 is indicated by X ′). The matrix X of the dimension time series data is written into the data memory 12. Hereinafter, multidimensional data for each time written in the data memory 12 is referred to as a frame. Each frame is distinguished by assigning a number i to the frame at the i-th oldest time. The data acquisition unit 11 may store the data as it is in the data memory 12 without removing the degree of freedom of the route from the acquired motion data.
In addition, the data acquisition unit 11 instructs the principal component analysis unit 21 to read out N frames of N frames. Here, N is a predetermined constant. When the multidimensional time-series data analysis device 1 starts determining the pattern boundary, the data acquisition unit 11 outputs the number “1” of the first frame and the number N of the Nth frame to the principal component analysis unit 21. Here, N is an arbitrary positive integer. On the other hand, when the boundary determination unit 41 determines the position of the pattern boundary, the data acquisition unit 11 indicates N frames in chronological order from the frames acquired after the Qth frame determined as the pattern boundary position. The first frame number Q and the last frame number Q + N−1 are output to the principal component analysis unit 21. That is, the data acquisition unit 11 first instructs the principal component analysis unit 21 to read data for N times from the multi-dimensional time-series data storage unit (data memory) 12 in order from the oldest, and the boundary determination unit 41 sets the pattern boundary. Are read out from the multi-dimensional time-series data storage unit (data memory) 12 in the chronological order from the matrix X of the multi-dimensional time-series data after the position of the pattern boundary. The principal component analysis unit 21 is instructed. Note that the value of N indicating the number of frames may be changeable. For example, it can be changed when the boundary determination unit 41 determines the position of the pattern boundary and ends the processing.

主成分分析部21は、データ取得部11から入力されたフレームの番号に従ってデータメモリ12からN個のフレームを読み出し、M行N列の多次元時系列データの行列X=(x(1),x(2),…x(N))を生成する。ここで、Mは各フレームに含まれるデータの個数、x(i)は第iフレームのデータ縦ベクトルで表したものを示す。主成分分析部21は、以下の手順に従って多次元時系列データの行列Xから主成分行列Yを生成する。つまり、主成分分析部21は、データメモリ(多次元時系列データ記憶部)12から読み出される多次元時系列データであるN個のフレームに対して以下の手順で主成分分析を行うことによって主成分行列Yを生成する。   The principal component analysis unit 21 reads out N frames from the data memory 12 according to the frame number input from the data acquisition unit 11, and a matrix X = (x (1), x (2),... x (N)) are generated. Here, M represents the number of data included in each frame, and x (i) represents the data vertical vector of the i-th frame. The principal component analysis unit 21 generates a principal component matrix Y from the matrix X of multidimensional time series data according to the following procedure. That is, the principal component analysis unit 21 performs principal component analysis on N frames, which are multidimensional time series data read from the data memory (multidimensional time series data storage unit) 12, by the following procedure. A component matrix Y is generated.

手順1:式(1)を用いて、多次元時系列データの行列Xから該多次元時系列データの平均値の行列を減算したN行M列の変動データ行列Dを生成する。   Procedure 1: Using equation (1), an N-row and M-column variation data matrix D is generated by subtracting a matrix of average values of multidimensional time series data from a matrix X of multidimensional time series data.

Figure 0005162512
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手順2:式(2)を用いて、変動データ行列Dに対して特異値分解(Singular Value Decomposition)を行う。   Procedure 2: A singular value decomposition (Singular Value Decomposition) is performed with respect to the fluctuation | variation data matrix D using Formula (2).

Figure 0005162512
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但し、Uは、N行N列のユニタリ行列である。Σは、N行M列の負でない対角要素を降順にもつ対角行列であり、主成分空間における座標の分散を示す。Vは、M行M列のユニタリ行列であり、主成分に対する係数(Principal Component)である。   However, U is a unitary matrix of N rows and N columns. Σ is a diagonal matrix having N rows and M columns of non-negative diagonal elements in descending order, and indicates the distribution of coordinates in the principal component space. V is a unitary matrix of M rows and M columns, and is a coefficient (Principal Component) for the principal component.

手順3:式(3)を用いて、主成分空間上のM行N列の主成分行列Yを生成する。つまり、主成分分析部21は、変動データ行列Dに対して特異値分解を行うことによって主成分行列Yを生成する。
主成分分析部21は、主成分行列Yを主成分行列記憶部(図示せず)に書き込む。また主成分分析部21は、データ取得部11から入力された最初のフレームの番号と最後のフレームの番号とを主成分選択部31に出力する。
Procedure 3: Generate a principal component matrix Y of M rows and N columns in the principal component space using Equation (3). That is, the principal component analysis unit 21 generates the principal component matrix Y by performing singular value decomposition on the variation data matrix D.
The principal component analysis unit 21 writes the principal component matrix Y in a principal component matrix storage unit (not shown). The principal component analysis unit 21 outputs the first frame number and the last frame number input from the data acquisition unit 11 to the principal component selection unit 31.

Figure 0005162512
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主成分選択部31は、主成分行列Yの中から1行分の要素を主成分として選択し、選択した主成分の番号を境界判定部41に出力する。つまり、主成分選択部31は主成分行列Y中のある1行に含まれる複数の要素を主成分として選択する。併せて、主成分選択部31は、主成分分析部21から入力された最初のフレームの番号と最後のフレームの番号とを境界判定部41に出力する。
主成分選択部31は、以下の3つの場合に応じて主成分を選択する。
ケース1:主成分分析部21から主成分行列Yが入力された後最初に境界判定部41に主成分を出力する場合、主成分選択部31は、主成分行列Yの第1行の各要素を主成分として選択する。以下、行列Yの第1行の各要素を第1主成分という。第1主成分はフレーム毎のデータ値の変化が大きく、境界判定が適切に行われることが期待されるが、フレームによっては他の行のほうがデータ値の変化が大きい場合もある。
ケース2:境界判定部41が第1主成分を用いてパターン境界が無いと判定した場合、つまりパターン境界の位置を判定出来なかった場合は、主成分行列Yの第2行の各要素を主成分として選択する。以下、行列Yの第2行の各要素を第2主成分という。
ケース3:境界判定部41が、第2主成分を用いた判定でパターン境界が無いと判定した場合は、主成分行列Yの第3行の各要素を主成分として選択する。以下、行列Yの第3行の各要素を第3主成分という。なお、主成分選択部が選択する主成分は第1主成分から第3主成分までに限らず、第K主成分(Kは1以上かつ主成分行列の行数以下の任意の整数)までを上記のように順次選択もよい。つまり、主成分選択部21は、境界判定部41がパターン境界の位置情報を判定できない毎に、主成分行列Y中の上からK行列目までの部分行列である判定対象主成分中の上の行から順に1行中の各要素を主成分として選択する。
以下では、主成分選択部31が選択した主成分を、行列Yでの順番、すなわち時系列順に従ってy(1)、y(2)、…、y(N)で示す。
The principal component selection unit 31 selects an element for one row from the principal component matrix Y as the principal component, and outputs the selected principal component number to the boundary determination unit 41. That is, the principal component selection unit 31 selects a plurality of elements included in one row in the principal component matrix Y as principal components. In addition, the principal component selection unit 31 outputs the first frame number and the last frame number input from the principal component analysis unit 21 to the boundary determination unit 41.
The principal component selection unit 31 selects a principal component according to the following three cases.
Case 1: When the principal component is first output to the boundary determination unit 41 after the principal component matrix Y is input from the principal component analysis unit 21, the principal component selection unit 31 selects each element in the first row of the principal component matrix Y. As the main component. Hereinafter, each element in the first row of the matrix Y is referred to as a first principal component. The first principal component has a large change in the data value for each frame, and it is expected that the boundary determination is appropriately performed. However, depending on the frame, the change in the data value may be larger in other rows.
Case 2: When the boundary determination unit 41 determines that there is no pattern boundary using the first principal component, that is, when the position of the pattern boundary cannot be determined, each element in the second row of the principal component matrix Y is mainly used. Select as an ingredient. Hereinafter, each element of the second row of the matrix Y is referred to as a second principal component.
Case 3: When the boundary determination unit 41 determines that there is no pattern boundary in the determination using the second principal component, each element in the third row of the principal component matrix Y is selected as the principal component. Hereinafter, each element in the third row of the matrix Y is referred to as a third principal component. The principal components selected by the principal component selection unit are not limited to the first principal component to the third principal component, but the K principal component (K is an arbitrary integer not less than 1 and not more than the number of rows of the principal component matrix). Sequential selection may be performed as described above. That is, every time the boundary determination unit 41 cannot determine the position information of the pattern boundary, the principal component selection unit 21 moves over the determination target principal component that is a partial matrix from the top of the principal component matrix Y to the Kth matrix. Each element in one row is selected as a principal component in order from the row.
In the following, the principal components selected by the principal component selection unit 31 are denoted by y (1), y (2),..., Y (N) according to the order in the matrix Y, that is, the time series order.

境界判定部41は、主成分選択部31から入力された主成分の番号に従って、主成分選択部31が選択した主成分を主成分行列記憶部(図示せず)から読み出す。また、境界判定部41は主成分行列Yの中から主成分選択部31が選択した境界判定部41は主成分を用いて、判定対象のNフレーム中にパターン境界があるか否かを判定する。境界判定部41は、パターン境界があると判定した場合は該パターン境界の位置として、先のパターンの終了時刻と後のパターンの開始時刻とを判定する。境界判定部41は主成分の極点(値が極大または極小となる点)における該主成分の値を用いて、後述する一連の式で示される予め定められた条件を主成分が満たすか否かを判定することによってパターン境界の有無を判定する。境界判定部41は、以下の手順に従い判定を行う。
手順1:式(4)を用いて主成分の極点を求める。以下では、主成分が極点をとる時刻(以下、極点の時刻または単に時刻という)を古い順にc(1),c(2),c(3),…で示す。
The boundary determination unit 41 reads out the principal component selected by the principal component selection unit 31 from the principal component matrix storage unit (not shown) according to the principal component number input from the principal component selection unit 31. The boundary determination unit 41 uses the principal component to determine whether or not the boundary determination unit 41 selected by the principal component selection unit 31 from the principal component matrix Y has a pattern boundary in the determination target N frame. . When it is determined that there is a pattern boundary, the boundary determination unit 41 determines the end time of the previous pattern and the start time of the subsequent pattern as the position of the pattern boundary. The boundary determination unit 41 uses the value of the principal component at the extreme point of the principal component (the point at which the value is maximized or minimized) to determine whether or not the principal component satisfies a predetermined condition represented by a series of formulas described later. By determining whether or not there is a pattern boundary. The boundary determination unit 41 performs determination according to the following procedure.
Procedure 1: Find the poles of the main component using equation (4). In the following, the time at which the principal component takes a pole (hereinafter referred to as the pole time or simply the time) is indicated by c (1), c (2), c (3),.

Figure 0005162512
Figure 0005162512

手順2:以下の初期化を行う。最初の2個の極点の時刻c(1)およびc(2)について、式(5)を用いて前方平均値fm(1)および前方平均値fm(2)を算出する。   Procedure 2: Perform the following initialization. For the times c (1) and c (2) of the first two extreme points, the forward average value fm (1) and the forward average value fm (2) are calculated using Equation (5).

Figure 0005162512
Figure 0005162512

手順3:パターン境界の有無を判定するための特徴量として、時刻c(j)における前方平均値fm(j)を、式(5)を用いて算出する。
また、パターン境界の有無を判定するための特徴量として、時刻c(j+1)とc(j+2)における後方平均値bm(j+1)とbm(j+2)とを、式(6)を用いて算出する。
Procedure 3: A forward average value fm (j) at time c (j) is calculated using Expression (5) as a feature quantity for determining the presence or absence of a pattern boundary.
Further, the backward average values bm (j + 1) and bm (j + 2) at the times c (j + 1) and c (j + 2) are calculated using the equation (6) as the feature amount for determining the presence / absence of the pattern boundary. .

Figure 0005162512
Figure 0005162512

手順4:式(7)を用いて時刻c(j)における前方平均値の平均値mm(j)を算出する。   Procedure 4: The average value mm (j) of the forward average value at time c (j) is calculated using equation (7).

Figure 0005162512
Figure 0005162512

式(8)を用いて時刻c(j)における前方平均値の標準偏差stdm(j)を算出する。   The standard deviation stdm (j) of the forward average value at time c (j) is calculated using Equation (8).

Figure 0005162512
Figure 0005162512

式(9)を用いて時刻c(j+1)における後方平均値bm(j+1)と前方平均値の平均値mm(j)との大きさの差diff1(j)と、時刻c(j+2)における後方平均bm(j+2)と前方平均値の平均値mm(j)との大きさの差diff2(j)とを算出する。   Using equation (9), the difference diff1 (j) between the rear average value bm (j + 1) at the time c (j + 1) and the average value mm (j) of the front average value, and the rear at the time c (j + 2) A difference diff2 (j) between the average bm (j + 2) and the average value mm (j) of the forward average value is calculated.

Figure 0005162512
Figure 0005162512

式(10)成立する場合はパターン境界があると判定し、成立しない場合はパターン境界が無いと判定する。   When Expression (10) is established, it is determined that there is a pattern boundary, and when it is not established, it is determined that there is no pattern boundary.

Figure 0005162512
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境界判定部41は、式(10)の成否に応じて以下を行う。
ケース1:式(10)が不成立の場合、すなわちパターン境界が無いと判定した場合は、判定対象の時刻c(j)の極点から時間方向に3個後の時刻c(j+3)の極点が存在するかを判定する。時刻c(j+1)の極点が存在すると判定した場合は、時刻c(j+1)の極点以降について手順3以降を繰り返す。
時刻c(j+3)の極点が存在しないと判定した場合は、用いた主成分が第何主成分かを判断する。第1主成分または第2主成分の場合は、主成分選択部31に、主成分の番号と最初のフレームの番号と最後のフレームの番号とを出力する。第3主成分の場合は、データ追加部51に最初のフレームの番号と最後のフレームの番号とを出力する。
ケース2:式(10)が成立する場合、すなわちパターン境界があると判定した場合は、具体的な境界位置を判定する。判定の対象となっている時刻c(j)の極点から順に、式(9)のdiff1(j)とdiff2(j)とを算出し、式(11)の成否を判定する。式(11)が成立する最初の極点の時刻を先のパターンの終了時刻と判定し、次の極点の時刻を次のパターンの開始時刻と判定し、これらの時刻を境界データとして出力する。つまり、境界判定部41は主成分の極点の各々について、当該極点以前の所定期間における主成分の値の平均値である前方平均値と当該極点以後の所定期間における主成分の値の平均値である後方平均値とを算出し、前方平均値に基づいて、主成分の極点毎に主成分の値の分布の中心と分布幅とを決定し、後方平均値と分布の中心との差を主成分の値と分布の中心とのずれとして、該ずれが分布幅よりも大きくなる点に基づいて多次元時系列データX’のパターン境界を判定して出力する。主成分の値と分布の中心とのずれを算出する際に主成分の値として後方平均値を用いるのは、主成分の値が局所的に大きくまたは小さくなる、いわばノイズによる極点をパターン境界と判定しないためである。式(11)が成立する極点が存在しない場合は、パターン境界が無いとの判定に変更する。
The boundary determination unit 41 performs the following according to the success or failure of the expression (10).
Case 1: When the formula (10) is not established, that is, when it is determined that there is no pattern boundary, there is a pole at the time c (j + 3) three times in the time direction from the pole at the time c (j) to be determined. Judge whether to do. If it is determined that the pole at time c (j + 1) exists, the procedure 3 and subsequent steps are repeated after the pole at time c (j + 1).
When it is determined that there is no extreme point at time c (j + 3), it is determined how many principal components are used. In the case of the first principal component or the second principal component, the principal component number, the first frame number, and the last frame number are output to the principal component selection unit 31. In the case of the third principal component, the first frame number and the last frame number are output to the data adding unit 51.
Case 2: When Formula (10) is satisfied, that is, when it is determined that there is a pattern boundary, a specific boundary position is determined. The diff1 (j) and diff2 (j) of the equation (9) are calculated in order from the pole at the time c (j) that is the object of the determination, and the success or failure of the equation (11) is determined. The time of the first extreme point where equation (11) is established is determined as the end time of the previous pattern, the time of the next extreme point is determined as the start time of the next pattern, and these times are output as boundary data. That is, the boundary determination unit 41 uses, for each of the extreme points of the principal component, a forward average value that is an average value of the principal component values in a predetermined period before the extreme point and an average value of the principal component values in a predetermined period after the extreme point. A certain backward average value is calculated, and based on the forward average value, the distribution center and distribution width of the principal component value are determined for each principal component extreme point, and the difference between the backward average value and the distribution center is mainly determined. As the deviation between the component value and the distribution center, the pattern boundary of the multi-dimensional time-series data X ′ is determined and output based on the point where the deviation is larger than the distribution width. When calculating the deviation between the principal component value and the center of the distribution, the backward average value is used as the principal component value because the principal component value is locally large or small, that is, the extreme point due to noise is regarded as the pattern boundary. This is because it is not judged. If there is no extreme point where equation (11) holds, the determination is made that there is no pattern boundary.

Figure 0005162512
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図3は、多次元時系列データ分析装置1がパターン境界判定を行う際に、主成分から算出した各値の例を示すグラフである。境界判定部41は、時刻c(3)から順にパターン境界の有無を判定する。ここで、説明のために式(10)を式(12)と変形する。   FIG. 3 is a graph showing an example of each value calculated from the principal components when the multidimensional time-series data analysis apparatus 1 performs pattern boundary determination. The boundary determination unit 41 determines the presence / absence of a pattern boundary in order from time c (3). Here, Equation (10) is transformed to Equation (12) for explanation.

Figure 0005162512
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同図において、bm(5)≦mm(3)+TH1・stdm(3)かつbm(5)≧mm(3)−TH1・stdm(3)であり、式(12)は成立しないので式(10)も成立しない。したがって、境界判定部41は、手順4においてパターン境界が無いと判定し、次の極点について判定を行う。同様に時刻c(4)〜c(14)では式(10)は成立しない。したがって、境界判定部41はパターン境界が無いと判定し、次の極点について判定を行う。時刻c(15)では式(12)が成立するので式(10)が成立する。境界判定部41は、手順4においてパターン境界があると判定し、具体的な境界位置の判定を行う。時刻c(15)において式(11)は成立するので、境界判定部41は、時刻c(15)を先のパターンの終了時刻、時刻c(16)を次のパターンの開始時刻と判定する。   In the same figure, bm (5) ≦ mm (3) + TH1 · stdm (3) and bm (5) ≧ mm (3) −TH1 · stdm (3), and equation (12) does not hold, so equation (10) ) Also does not hold. Therefore, the boundary determination unit 41 determines in step 4 that there is no pattern boundary, and determines the next extreme point. Similarly, equation (10) does not hold at times c (4) to c (14). Therefore, the boundary determination unit 41 determines that there is no pattern boundary, and determines the next extreme point. Since the equation (12) is established at the time c (15), the equation (10) is established. The boundary determination unit 41 determines that there is a pattern boundary in step 4 and determines a specific boundary position. Since Expression (11) is established at time c (15), the boundary determination unit 41 determines time c (15) as the end time of the previous pattern and time c (16) as the start time of the next pattern.

なお、手順4で式(10)が成立した場合、すなわち境界判定部41がパターン境界があると判定した場合、以下のように主成分の値の自己相関を算出し、該自己相関に基づいてパターン境界の位置を求めてもよい。
まず、境界判定部41は主成分座標y(t)の自己相関R(τ)を、式(13)を用いて算出する。
In addition, when Expression (10) is established in step 4, that is, when the boundary determination unit 41 determines that there is a pattern boundary, the autocorrelation of the principal component value is calculated as follows, and based on the autocorrelation The position of the pattern boundary may be obtained.
First, the boundary determination unit 41 calculates the autocorrelation R (τ) of the principal component coordinates y (t) using Expression (13).

Figure 0005162512
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次に、境界判定部41は自己相関R(τ)が極大となる点のうち、時刻τ=0を除いて最大値R(τ)をとる時刻τを算出し、時刻τの直前の極点の時刻c(j)と直後の極点の時刻c(j+1)をそれぞれ先のパターンの終了時刻と次のパターンの開始時刻と判定する。 Next, the boundary determination unit 41 calculates a time τ * that takes the maximum value R (τ * ) except for the time τ = 0 among the points where the autocorrelation R (τ) becomes maximum, and immediately before the time τ * . The extreme point time c (j) and the immediately following extreme point time c (j + 1) are determined as the end time of the previous pattern and the start time of the next pattern, respectively.

手順5:手順4までを行った境界判定部41は、以下の各場合に応じて処理を終了する。
ケース1:手順4でパターン境界が存在すると判定した場合、先のパターンの終了時刻と次のパターンの開始時刻とをパターン境界の位置として出力し、データ取得部11に次のパターンの開始時刻を出力する。
ケース2:第3主成分を用いて判定を行い、手順4でパターン境界が無いと判定した場合、主成分選択部31から入力された最初のフレームの番号および最後のフレームの番号をデータ追加部51に出力する。
ケース3:他の場合(第1主成分または第2主成分を用いて判定を行い、手順4でパターン境界が無いと判定した場合)、主成分選択部31から入力された主成分の番号を主成分選択部31に出力する。
なお、上記主成分選択部31の説明において説明したように、境界判定部が用いる主成分は第1主成分から第3主成分までに限らず、第K主成分(Kは1以上かつ主成分行列の行数以下の任意の整数)までを順次用いて判定を行ってもよい。
Step 5: The boundary determination unit 41 that has performed up to step 4 ends the processing in accordance with the following cases.
Case 1: When it is determined in step 4 that a pattern boundary exists, the end time of the previous pattern and the start time of the next pattern are output as the position of the pattern boundary, and the start time of the next pattern is sent to the data acquisition unit 11 Output.
Case 2: When a determination is made using the third principal component and it is determined in step 4 that there is no pattern boundary, the data addition unit uses the first frame number and the last frame number input from the principal component selection unit 31. To 51.
Case 3: In other cases (when determination is made using the first principal component or the second principal component and it is determined that there is no pattern boundary in step 4), the principal component number input from the principal component selection unit 31 is Output to the principal component selector 31.
Note that, as described in the description of the principal component selection unit 31, the principal component used by the boundary determination unit is not limited to the first principal component to the third principal component, but the K principal component (K is 1 or more and the principal component). The determination may be made by sequentially using up to an arbitrary integer equal to or less than the number of rows of the matrix.

データ追加部51は、境界判定部41が第3行の各要素で構成される第3主成分を用いてパターン境界が無いと判定した場合に、主成分分析部21が主成分分析を行う対象とするフレームにP個(Pは任意の正の整数)のフレームを追加する。なお、データ追加部51が追加するフレーム数は変更可能としてもよい。   The data addition unit 51 is a target on which the principal component analysis unit 21 performs the principal component analysis when the boundary determination unit 41 determines that there is no pattern boundary using the third principal component configured by each element of the third row. To P frames (P is an arbitrary positive integer). The number of frames added by the data adding unit 51 may be changeable.

図4は多次元時系列データ分析装置1の処理手順を示すフロー図である。多次元時系列データ分析装置1がパターン境界判定を開始すると、まず、予め定められた複数の時刻においてデータ取得部11が動きデータをフレームとして取得してデータメモリ12に記憶する。データ取得部11は、N個のフレームの番号として最初のフレームの番号「1」と最後のフレームの番号Nとを主成分分析部21に出力する(ステップSa1)。主成分分析部21は、第1フレームから第Nフレームまでをデータメモリ12から読み出して主成分分析を行い、主成分空間の行列Yを生成して主成分行列記憶部(図示せず)に書き込む。主成分分析部21は、最初のフレームの番号「1」と最後のフレームの番号Nとを主成分選択部31へ出力する(ステップSa2)。主成分選択部31は、第1主成分であることを示す数字「1」と最初のフレームの番号「1」と最後のフレームの番号Nとを境界判定部41へ出力する(ステップSa3)。なお、以下では第何主成分であるかを示す数字を主成分の番号という。 FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure of the multidimensional time series data analysis apparatus 1. When the multidimensional time-series data analysis device 1 starts pattern boundary determination, first, the data acquisition unit 11 acquires motion data as frames at a plurality of predetermined times and stores them in the data memory 12. The data acquisition unit 11 outputs the first frame number “1” and the last frame number N as the N frame numbers to the principal component analysis unit 21 (step Sa1). The principal component analysis unit 21 reads the first frame to the Nth frame from the data memory 12 to perform principal component analysis, generates a matrix Y of the principal component space, and writes it to a principal component matrix storage unit (not shown). . The principal component analyzing unit 21 outputs the first frame number “1” and the last frame number N to the principal component selecting unit 31 (step Sa2). The principal component selection unit 31 outputs the number “1” indicating the first principal component, the number “1” of the first frame, and the number N of the last frame to the boundary determination unit 41 (step Sa3). In the following, the number indicating the number of the main component is referred to as the main component number.

境界判定部41は、第1主成分を主成分行列記憶部(図示せず)から読み出し、該第1主成分を用いてN個のフレーム中にパターン境界があるか否かを判定し、パターン境界があると判定した場合には、前のパターンの終了時刻と次のパターンの開始時刻とを境界データとして出力する(ステップSa4)。また、パターン境界があると判定した場合は、境界判定部41は、次のパターンの開始時刻Qをデータ取得部11に出力する(ステップSa4−境界有り)。データ取得部11は、入力された次のパターンの開始時刻以降の残りフレーム数を調べ(ステップSa21)、N個以上無い場合は多次元時系列データ分析装置1の処理を終了する(ステップSa21−Nフレーム未満)。一方、N個以上ある場合は(ステップSa21−Nフレーム以上)、データ取得部11は、最初のフレームの番号Qと、最後のフレームの番号Q+N−1とを主成分分析部21に出力する(ステップSa1)。以降、多次元時系列データ分析装置1はステップSa2以下を繰り返す。
なお、データ取得部11は、多次元時系列データ分析装置1の処理開始時に全データを取得しておく必要はなく、各部の処理と並行してデータを取得してもよい。この場合、フレーム数の判定は、フレームを取得予定の回数を既に取得しているフレームの個数と足し合わせた数を用いて行う。または、データ取得が終了しているか否かの情報を取得して、データ取得が終了している場合かつ残りデータ数が足りない場合に処理を終了してもよい。
The boundary determination unit 41 reads the first principal component from the principal component matrix storage unit (not shown), determines whether or not there is a pattern boundary in N frames using the first principal component, and determines the pattern. If it is determined that there is a boundary, the end time of the previous pattern and the start time of the next pattern are output as boundary data (step Sa4). If it is determined that there is a pattern boundary, the boundary determination unit 41 outputs the start time Q of the next pattern to the data acquisition unit 11 (step Sa4—with boundary). The data acquisition unit 11 checks the number of remaining frames after the start time of the next input pattern (step Sa21), and when there are not more than N, ends the processing of the multidimensional time series data analysis device 1 (step Sa21-). Less than N frames). On the other hand, when there are N or more (step Sa21−N frames or more), the data acquisition unit 11 outputs the number Q of the first frame and the number Q + N−1 of the last frame to the principal component analysis unit 21 ( Step Sa1). Thereafter, the multidimensional time series data analysis apparatus 1 repeats step Sa2 and the subsequent steps.
Note that the data acquisition unit 11 does not need to acquire all data at the start of processing of the multidimensional time-series data analysis device 1, and may acquire data in parallel with the processing of each unit. In this case, the determination of the number of frames is performed using the number obtained by adding the number of frames scheduled to be acquired to the number of frames already acquired. Alternatively, information on whether or not the data acquisition is completed may be acquired, and the process may be ended when the data acquisition is completed and the remaining number of data is insufficient.

ステップSa4において、パターン境界が無いと判定した場合は、境界判定部41は主成分の番号「1」を主成分選択部31に出力する(ステップSa4−判定途中)。主成分選択部31は、第1主成分の次の第2主成分(行列Yの第2行のデータ)と、主成分の番号「2」とを境界判定部41へ出力する(ステップSa3)。境界判定部41は、第2主成分を用いてステップSa4を繰り返す(ステップSa4)。第2主成分についてもパターン境界が無いと判定した場合は、境界判定部41は主成分の番号「2」を主成分選択部31に出力する(ステップSa4−判定途中)。主成分選択部31は、第2主成分の次の第3主成分(行列Yの第3行のデータ)と、主成分の番号「3」とを境界判定部41へ出力する(ステップSa3)。境界判定部41は、第3主成分を用いてステップSa4を繰り返す(ステップSa4)。
第3主成分についてもパターン境界が無いと判定した場合は、境界判定部41はデータ追加部51に最初のフレームの番号「1」と最後のフレームの番号Nとを出力する(ステップSa4−境界無し)。データ追加部51は、データメモリ12を参照して全フレームの個数を調べ、P個以上残りがあるか判定する(ステップSa31)。P個以上残りが無い場合は、多次元時系列データ分析装置1は処理を終了する(ステップSa31−P個未満)。P個以上残りがある場合は(ステップSa31−P個以上)、データ追加部51はP個のフレームを追加する、すなわち最初のフレームの番号「1」と最後のフレームの番号N+Pとを主成分分析部21へ出力する(ステップSa32)。以降、多次元時系列データ分析装置1はステップSa2以下を繰り返す。
If it is determined in step Sa4 that there is no pattern boundary, the boundary determination unit 41 outputs the principal component number “1” to the principal component selection unit 31 (step Sa4—during determination). The principal component selection unit 31 outputs the second principal component next to the first principal component (data in the second row of the matrix Y) and the principal component number “2” to the boundary determination unit 41 (step Sa3). . The boundary determination unit 41 repeats Step Sa4 using the second principal component (Step Sa4). If it is determined that there is no pattern boundary for the second principal component, the boundary determination unit 41 outputs the principal component number “2” to the principal component selection unit 31 (step Sa4—during determination). The principal component selection unit 31 outputs the third principal component (the data in the third row of the matrix Y) next to the second principal component and the principal component number “3” to the boundary determination unit 41 (step Sa3). . The boundary determination unit 41 repeats Step Sa4 using the third principal component (Step Sa4).
If it is determined that there is no pattern boundary for the third principal component, the boundary determination unit 41 outputs the first frame number “1” and the last frame number N to the data addition unit 51 (step Sa4—Boundary). None). The data adding unit 51 refers to the data memory 12 to check the number of all frames, and determines whether there are P or more remaining (step Sa31). If there are no more than P remaining, the multidimensional time-series data analysis device 1 ends the process (step Sa31—less than P). If there are P or more remaining (step Sa31-P or more), the data adding unit 51 adds P frames, that is, the first frame number “1” and the last frame number N + P are the main components. It outputs to the analysis part 21 (step Sa32). Thereafter, the multidimensional time series data analysis apparatus 1 repeats step Sa2 and the subsequent steps.

図5は境界判定部41が行う、図4のステップSa4における処理の手順を示すフロー図である。
主成分選択部31から主成分の番号と最初のフレームの番号と最後のフレームの番号との入力を受けると、境界判定部41は主成分の極点を求める(ステップSb1)。次に、境界判定部41は、初期化として、最初の2個の極点の時刻c(1)とc(2)とについて前方平均値fm(1)とfm(2)とを算出する(ステップSb2)。次に、境界判定部41は、境界の有無を判定するための特徴量として、3番目の極点の時刻c(3)における前方平均値fm(3)と、4番目および5番目の極点の時刻c(4)およびc(5)における後方平均値bm(4)およびbm(5)とを算出する(ステップSb3)。境界判定部41は、算出した特徴量を用いて時刻c(3)についてパターン境界の有無を判定する(ステップSb4)。パターン境界が無いと判定した場合は(ステップSb4−境界無し)、判定対象の極点から時間方向に3個後の極点が存在するか(ここでは時刻c(6)の極点が存在するか)を判定する(ステップSb21)。該極点が存在すると判定した場合は(ステップSb21−有り)、パターン境界の有無を判定した極点の時刻c(3)の次の極点の時刻c(4)以降について順次ステップSb3以降を繰り返す。ステップSb4において極点が存在しないと判定した場合は(ステップSb21−無し)、用いた主成分が第何主成分かを判断する(Sb22)。第1主成分または第2主成分の場合は(Sb22−第1、2主成分)、主成分の番号と最初のフレームの番号と最後のフレームの番号とを主成分選択部31に出力し(ステップSb31)、処理を終了する。第3主成分の場合は(Sb22−第3主成分)、データ追加部51に最初のフレームの番号と最後のフレームの番号とを出力し(ステップSb41)、処理を終了する。
ステップSb4において境界があると判定した場合は(ステップSb4−境界有り)、具体的な境界位置として、先のパターンの終了時刻と次のパターンの開始時刻とを決定する(ステップSb51)。これらの時刻を決定できた場合は(ステップSb52−境界位置決定)、先のパターンの終了時刻と次のパターンの開始時刻とを境界データとして出力する。また、次のパターンの開始時刻をデータ取得部11に出力し(ステップSb61)、処理を終了する。具体的な境界位置を決定できなかった場合は(ステップSb52−境界位置決定せず)、パターン境界が無いとの判定に変更してステップSb22以下を行う。
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the process in step Sa4 of FIG.
When the principal component number, the first frame number, and the last frame number are input from the principal component selection unit 31, the boundary determination unit 41 obtains the extreme points of the principal component (step Sb1). Next, the boundary determination unit 41 calculates, as initialization, forward average values fm (1) and fm (2) for the times c (1) and c (2) of the first two extreme points (step) Sb2). Next, the boundary determination unit 41 uses the forward average value fm (3) at the time c (3) of the third extreme point and the times of the fourth and fifth extreme points as feature quantities for determining the presence or absence of the boundary. The rear average values bm (4) and bm (5) in c (4) and c (5) are calculated (step Sb3). The boundary determination unit 41 determines the presence / absence of a pattern boundary at time c (3) using the calculated feature amount (step Sb4). If it is determined that there is no pattern boundary (step Sb4—no boundary), whether there is a third extreme point in the time direction from the determination target extreme point (in this case, whether there is an extreme point at time c (6)). Determination is made (step Sb21). If it is determined that the extreme point exists (step Sb21-present), step Sb3 and subsequent steps are sequentially repeated after time c (4) of the next extreme point after time c (3) of the extreme point at which the presence / absence of the pattern boundary is determined. If it is determined in step Sb4 that no pole exists (step Sb21-None), it is determined what number of principal components is used (Sb22). In the case of the first principal component or the second principal component (Sb22—first and second principal components), the principal component number, the first frame number, and the last frame number are output to the principal component selector 31 ( Step Sb31), the process is terminated. In the case of the third principal component (Sb22—third principal component), the first frame number and the last frame number are output to the data adding unit 51 (step Sb41), and the process is terminated.
If it is determined in step Sb4 that there is a boundary (step Sb4-boundary), the end time of the previous pattern and the start time of the next pattern are determined as specific boundary positions (step Sb51). If these times can be determined (step Sb52—boundary position determination), the end time of the previous pattern and the start time of the next pattern are output as boundary data. In addition, the start time of the next pattern is output to the data acquisition unit 11 (step Sb61), and the process ends. If a specific boundary position cannot be determined (step Sb52—no boundary position determination), the determination is made that there is no pattern boundary, and step Sb22 and subsequent steps are performed.

なお、本実施形態ではデータ取得部11は、取得した動きデータからルートの自由度を除いた他の自由度のデータを各フレームのデータとしたが、人体スケルトン型角度情報の入力を受けて各ジョイントの相対位置を算出し、これを各フレームのデータとしてもよい。この場合、データ取得部11は、人体スケルトン型角度情報データとして基本ポーズデータとフレームデータとの入力を受け、各ジョイントの位置を算出する。ここで、基本ポーズデータは、基本ポーズとして定められたあるポーズにおけるルートの位置及び各ジョイントの角度、並びに各骨の長さなど、基本ポーズを特定するデータである。フレームデータは、各データ測定時刻における各ジョイントの基本ポーズからの移動量を示す。ここでは、移動量として角度情報を用いる。
データ取得部11は、データ測定時刻tにおけるi−1番目のジョイントから見たi番目のジョイントの相対位置M(t)を、式(14)を用いて算出する。
In the present embodiment, the data acquisition unit 11 uses data of other degrees of freedom obtained by removing the degree of freedom of the route from the acquired motion data as data of each frame. The relative position of the joint may be calculated and used as data for each frame. In this case, the data acquisition unit 11 receives the basic pose data and the frame data as human body skeleton angle information data, and calculates the position of each joint. Here, the basic pose data is data for specifying the basic pose, such as the position of the root in each pose defined as the basic pose, the angle of each joint, and the length of each bone. The frame data indicates the amount of movement of each joint from the basic pose at each data measurement time. Here, angle information is used as the movement amount.
The data acquisition unit 11 calculates the relative position M i (t) of the i-th joint viewed from the (i−1) -th joint at the data measurement time t using Expression (14).

Figure 0005162512
Figure 0005162512

データ取得部11は、データ測定時刻tにおけるk番目のジョイントの位置p(t)を、式(15)を用いて算出する。p(t)は3次元座標で示される。以下では、時刻tは、0,1,2,・・・,T−1の値をとるものとし、時刻tをフレームデータのインデックスとしても扱う。ここで、Tは、データ取得部11に入力されるフレームデータの個数である。 The data acquisition unit 11 calculates the position p k (t) of the k-th joint at the data measurement time t using Expression (15). p k (t) is indicated in three-dimensional coordinates. In the following description, time t takes values of 0, 1, 2,..., T−1, and time t is also handled as an index of frame data. Here, T is the number of frame data input to the data acquisition unit 11.

Figure 0005162512
Figure 0005162512

但し、0番目(i=0)のジョイントはルートである。行列Raxis i−1,i(t)は、基本ポーズにおけるi番目のジョイントとその親ジョイント(「i−1」番目のジョイント)との位置関係を示す行列であり、基本ポーズデータに含まれる。各ジョイントにはローカル座標系が設定されており、行列Raxis i−1,i(t)は、親子関係にあるジョイント間のローカル座標系の対応関係を示す。R(t)は、i番目のジョイントについて設定されたローカル座標系を用いてi番目のジョイントの角度情報を示す行列であり、フレームデータに含まれる。T(t)は、i番目のジョイントとその親ジョイントとの間の遷移を示す行列、具体的にはi番目のジョイントとその親ジョイント間の骨の長さを示す行列であり、基本ポーズデータに含まれる。
データ取得部11は式(16)を用いて、時刻tにおけるルートに対するk番目のジョイントの相対位置(ジョイント相対位置)p’(t)を算出する。
However, the 0th (i = 0) joint is the root. The matrix R axis i−1, i (t) is a matrix indicating the positional relationship between the i-th joint and its parent joint (“i−1” -th joint) in the basic pose, and is included in the basic pose data. . A local coordinate system is set for each joint, and the matrix R axis i−1, i (t) indicates the correspondence of the local coordinate system between joints in a parent-child relationship. R i (t) is a matrix indicating angle information of the i-th joint using the local coordinate system set for the i-th joint, and is included in the frame data. T i (t) is a matrix indicating the transition between the i-th joint and its parent joint, specifically, a matrix indicating the bone length between the i-th joint and its parent joint, and the basic pose. Included in the data.
The data acquisition unit 11 calculates the relative position (joint relative position) p ′ k (t) of the k-th joint with respect to the route at time t using Expression (16).

Figure 0005162512
Figure 0005162512

但し、proot(t)は時刻tにおけるルート(0番目のジョイント)の位置(p(t))である。データ取得部11は式(17)を用いて時刻tのフレームx(t)を、x(t)=(p’(t),p’(t),・・・,p’(t))と生成する。但し、Kは、ルートを除いたジョイントの個数である。 Here, p root (t) is the position (p 0 (t)) of the route (0th joint) at time t. The data acquisition unit 11 uses the expression (17) to convert the frame x (t) at time t into x (t) = (p ′ 1 (t), p ′ 2 (t),..., P ′ K ( t)). K is the number of joints excluding the root.

なお、データ取得部11は、人体スケルトン型加速度情報データの入力を受けて、各時刻における各ジョイントのジョイント相対速度を算出し、これを各フレームのデータとしてもよい。この場合、データ取得部11は、まず、各ジョイントの初期速度の入力を受ける。次に、データ取得部11は、式(17)を用いて、時刻tにおけるk番目のジョイントの速度v(t)を算出する。式(17)では、加速度の積分値を初期速度に加算している。 The data acquisition unit 11 may receive the input of human body skeleton type acceleration information data, calculate the joint relative velocity of each joint at each time, and use this as the data of each frame. In this case, the data acquisition unit 11 first receives an input of the initial speed of each joint. Next, the data acquisition unit 11 calculates the velocity v k (t) of the k-th joint at time t using Equation (17). In equation (17), the integrated value of acceleration is added to the initial speed.

Figure 0005162512
Figure 0005162512

但し、v はk番目のジョイントの初期速度である。a(τ)は時刻τにおけるk番目のジョイントの加速度であり、データ取得部11に入力される人体スケルトン型加速度情報データに含まれる。
次いで、データ取得部11は、式(18)を用いて、時刻tにおけるk番目のジョイントの位置p(t)を算出する。
Where v 0 k is the initial speed of the k-th joint. a k (τ) is the acceleration of the k-th joint at time τ, and is included in the human skeleton-type acceleration information data input to the data acquisition unit 11.
Next, the data acquisition unit 11 calculates the position p k (t) of the k-th joint at time t using Expression (18).

Figure 0005162512
Figure 0005162512

なお、データ取得部11は、上記の式(16)を用いて、時刻tにおけるジョイント相対位置p’(t)を算出してもよい。 Note that the data acquisition unit 11 may calculate the joint relative position p ′ k (t) at time t using the above equation (16).

以上のように、本実施形態の多次元時系列データ分析装置1は、ガウス混合モデルやパターン学習の手法を用いてパターン境界の判定を行う多次元時系列データ分析装置とは異なり、ガウス混合モデルのパラメータ値を予め決定することや事前の訓練やユーザによる訓練データの作成やユーザによる正解の提示が不要である。また、本実施形態の多次元時系列データ分析装置1は、判定対象であるNフレーム内のパターン境界の判定を、1回の主成分分析によって得られる各時刻における主成分を用いて行う。したがって、フレームを一定数ずつ増やすごとに主成分分析を行い、各回の主成分分析結果の違いに基づいてパターン境界を判定する多次元時系列データ分析装置と比べて主成分分析の回数が少なくて済むので、より少ない計算量でパターン境界を判定できる。   As described above, the multidimensional time series data analysis apparatus 1 of the present embodiment is different from the multidimensional time series data analysis apparatus that performs pattern boundary determination using a Gaussian mixture model or pattern learning technique. It is not necessary to predetermine the parameter values of these, to prepare in advance, to create training data by the user, or to present correct answers by the user. In addition, the multidimensional time-series data analysis apparatus 1 of the present embodiment performs determination of the pattern boundary in the N frame that is the determination target, using the principal component at each time obtained by one principal component analysis. Therefore, the principal component analysis is performed every time the frame is increased by a certain number, and the number of principal component analysis is less than that of the multi-dimensional time series data analysis device that determines the pattern boundary based on the difference in the result of each principal component analysis. Therefore, the pattern boundary can be determined with a smaller calculation amount.

なお、図1におけるデータ取得部11と、主成分分析部21と、主成分選択部31と、境界判定部41との機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。   In addition, the program for realizing the functions of the data acquisition unit 11, the principal component analysis unit 21, the principal component selection unit 31, and the boundary determination unit 41 in FIG. 1 is recorded on a computer-readable recording medium, Processing of each unit may be performed by causing a computer system to read and execute a program recorded on the recording medium. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices.

また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used.
The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory in a computer system serving as a server or a client in that case, and a program that holds a program for a certain period of time are also included. The program may be a program for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system.

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention.

本発明は、多次元時系列データ分析装置に用いて好適である。なお、本発明は、上述した実施形態で扱った人の動きデータに限らず、要素が数値で示される様々な多次元時系列データに適用できる。   The present invention is suitable for use in a multidimensional time series data analysis apparatus. The present invention is not limited to the human motion data handled in the above-described embodiment, and can be applied to various multidimensional time series data in which elements are indicated by numerical values.

1…多次元時系列データ分析装置
11…データ取得部
12…データメモリ
21…主成分分析部
31…主成分選択部
41…境界判定部
51…データ追加部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Multidimensional time series data analyzer 11 ... Data acquisition part 12 ... Data memory 21 ... Principal component analysis part 31 ... Principal component selection part 41 ... Boundary determination part 51 ... Data addition part

Claims (7)

複数時刻のそれぞれにおける多次元データを時系列に従い配置してなる多次元時系列データを記憶する多次元時系列データ記憶部と、
主成分行列を記憶する主成分行列記憶部と、
前記多次元時系列データ記憶部から読み出される前記多次元時系列データに対して主成分分析を行うことによって主成分行列を生成し前記主成分行列記憶部に書き込む主成分分析部と、
前記主成分行列中のある1行に含まれる複数の要素を主成分として選択する主成分選択部と、
前記主成分選択部が選択した前記主成分を前記主成分行列記憶部から読み出し、当該主成分の値の分布の中心と分布幅とを決定し、前記主成分の値と前記分布の中心とのずれが前記分布幅よりも大きくなる時刻に基づいて前記多次元時系列データのパターン境界を判定して出力する境界判定部と
を具備することを特徴とする多次元時系列データ分析装置。
A multidimensional time series data storage unit for storing multidimensional time series data in which multidimensional data at each of a plurality of times is arranged according to a time series;
A principal component matrix storage unit for storing the principal component matrix;
A principal component analysis unit that generates a principal component matrix by performing principal component analysis on the multidimensional time series data read from the multidimensional time series data storage unit and writes the principal component matrix to the principal component matrix storage unit ;
A principal component selection unit that selects a plurality of elements included in one row in the principal component matrix as principal components;
The principal component selected by the principal component selection unit is read from the principal component matrix storage unit, the distribution center and distribution width of the principal component value are determined, and the principal component value and the distribution center are determined. A multi-dimensional time-series data analysis apparatus, comprising: a boundary determination unit that determines and outputs a pattern boundary of the multi-dimensional time-series data based on a time when the deviation becomes larger than the distribution width.
前記境界判定部は、前記主成分の極点の各々について、当該極点以前の所定期間における前記主成分の値の平均値である前方平均値と当該極点以後の前記所定期間における前記主成分の値の平均値である後方平均値とを算出し、該前方平均値に基づいて、前記極点毎に前記分布の中心と前記分布幅とを決定し、前記後方平均値と前記分布の中心との差を前記ずれとすることを特徴とする請求項1に記載の多次元時系列データ分析装置。   For each of the extreme points of the principal component, the boundary determination unit is configured to calculate a forward average value that is an average value of the principal component values in a predetermined period before the extreme point and a value of the principal component in the predetermined period after the extreme point. A rear average value that is an average value is calculated, and based on the front average value, the distribution center and the distribution width are determined for each of the extreme points, and a difference between the rear average value and the distribution center is calculated. The multi-dimensional time-series data analysis apparatus according to claim 1, wherein the shift is the shift. 前記主成分分析部は、前記多次元時系列データの行列から該多次元時系列データの時間方向の平均値の行列を減算して変動データ行列を生成し、該変動データ行列に対して特異値分解を行うことによって主成分行列を生成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の多次元時系列データ分析装置。   The principal component analysis unit generates a variation data matrix by subtracting a matrix of average values in the time direction of the multidimensional time series data from the matrix of the multidimensional time series data, and a singular value for the variation data matrix The multidimensional time series data analysis apparatus according to claim 1 or 2, wherein a principal component matrix is generated by performing decomposition. 前記主成分選択部は、前記主成分行列の第1行の各要素を主成分として選択し、前記境界判定部が該主成分を用いてパターン境界の位置を判定できなかった場合は、前記主成分行列の第2行の各要素を主成分として選択し、以下、前記境界判定部がパターン境界の位置を判定できない毎に、前記主成分行列中の上からK行目(Kは1以上かつ主成分行列の行数以下の任意の整数)までの部分行列である判定対象主成分中の上の行から順に1行中の各要素を主成分として選択することを特徴とする請求項3に記載の多次元時系列データ分析装置。   The principal component selection unit selects each element of the first row of the principal component matrix as a principal component, and when the boundary determination unit cannot determine the position of the pattern boundary using the principal component, Each element of the second row of the component matrix is selected as a principal component. Hereinafter, every time the boundary determination unit cannot determine the position of the pattern boundary, the K-th row from the top of the principal component matrix (K is 1 or more and 4. Each element in one row is selected as a principal component in order from the upper row in the principal component to be determined which is a sub-matrix up to an arbitrary integer equal to or less than the number of rows of the principal component matrix). The multidimensional time-series data analysis device described. 多次元時系列データを多次元時系列データ記憶部に保存し、古い順にN個(Nは任意の正の整数)の時刻分のデータを前記多次元時系列データ記憶部から読み出すよう前記主成分分析部に指示し、前記境界判定部がパターン境界の位置を判定し出力した場合に該パターン境界の位置以後の多次元時系列データ中から古い順にN個の時刻分のデータを前記多次元時系列データ記憶部から読み出すよう前記主成分分析部に指示するデータ取得部と、
判定対象主成分に含まれる全ての主成分について前記境界判定部がパターン境界の位置を判定できなかった場合に、前記主成分分析部が主成分分析を行ったフレームと該フレームよりも新しいフレーム中から古い順にP個(Pは任意の正の整数)のフレームとを前記多次元時系列データ記憶部から読み出すよう前記主成分分析部に指示するデータ追加部と
をさらに具備することを特徴とする請求項4に記載の多次元時系列データ分析装置。
The main component stores multi-dimensional time series data in the multi-dimensional time series data storage unit, and reads data for N times (N is an arbitrary positive integer) in chronological order from the multi-dimensional time series data storage unit. The analysis unit is instructed, and when the boundary determination unit determines and outputs the position of the pattern boundary, the data for N times in the oldest order from the multidimensional time series data after the position of the pattern boundary is A data acquisition unit that instructs the principal component analysis unit to read from the series data storage unit;
When the boundary determination unit cannot determine the position of the pattern boundary for all the principal components included in the determination target principal component, the frame in which the principal component analysis unit has performed the principal component analysis and a frame newer than the frame A data addition unit that instructs the principal component analysis unit to read out P frames (P is an arbitrary positive integer) from the oldest to the multidimensional time-series data storage unit. The multidimensional time series data analysis apparatus according to claim 4.
複数時刻のそれぞれにおける多次元データを時系列に従い配置してなる多次元時系列データを記憶する多次元時系列データ記憶部と、
主成分行列を記憶する主成分行列記憶部と、
前記多次元時系列データ記憶部から読み出される前記多次元時系列データに対して主成分分析を行うことによって主成分行列を生成し前記主成分行列記憶部に書き込む主成分分析部と、
前記主成分行列中のある1行に含まれる複数の要素を主成分として選択する主成分選択部と、
前記主成分選択部が選択した前記主成分を前記主成分行列記憶部から読み出し、当該主成分の値の分布の中心と分布幅を決定し、前記主成分の値と前記分布の中心とのずれが前記分布幅よりも大きくなる点が存在する場合に前記主成分の値の自己相関を算出し、該自己相関の値が極大となる時刻に基づいてパターン境界の位置を判定して出力する境界判定部と
を具備することを特徴とする多次元時系列データ分析装置。
A multidimensional time series data storage unit for storing multidimensional time series data in which multidimensional data at each of a plurality of times is arranged according to a time series;
A principal component matrix storage unit for storing the principal component matrix;
A principal component analysis unit that generates a principal component matrix by performing principal component analysis on the multidimensional time series data read from the multidimensional time series data storage unit and writes the principal component matrix to the principal component matrix storage unit ;
A principal component selection unit that selects a plurality of elements included in one row in the principal component matrix as principal components;
The principal component selected by the principal component selection unit is read from the principal component matrix storage unit, the distribution center and distribution width of the principal component value are determined, and the deviation between the principal component value and the distribution center is determined. Is calculated by calculating the autocorrelation of the principal component value when there is a point where the distribution width is larger than the distribution width, and determining and outputting the position of the pattern boundary based on the time when the autocorrelation value becomes maximum A multidimensional time-series data analysis apparatus comprising: a determination unit.
複数時刻のそれぞれにおける多次元データを時系列に従い配置してなる多次元時系列データを記憶する多次元時系列データ記憶部から読み出される前記多次元時系列データに対して主成分分析を行うことによって主成分行列を生成し主成分行列記憶部に書き込む主成分分析ステップと、
前記主成分行列中のある1行に含まれる複数の要素を主成分として選択する主成分選択ステップと、
前記主成分選択ステップが選択した前記主成分を前記主成分行列記憶部から読み出し、当該主成分の値の分布の中心と分布幅を決定し、前記主成分の値と前記分布の中心とのずれが前記分布幅よりも大きくなる点に基づいて前記多次元時系列データのパターン境界を判定して出力する境界判定ステップと
コンピュータに実行させるための多次元時系列データ分析プログラム。
By performing principal component analysis on the multidimensional time series data read from the multidimensional time series data storage unit that stores multidimensional time series data in which multidimensional data at each of a plurality of times is arranged according to the time series A principal component analysis step of generating a principal component matrix and writing it to the principal component matrix storage unit ;
A principal component selection step of selecting a plurality of elements included in one row in the principal component matrix as principal components;
The principal component selected in the principal component selection step is read from the principal component matrix storage unit, the distribution center and distribution width of the principal component value are determined, and the deviation between the principal component value and the distribution center is determined. A multidimensional time series data analysis program for causing a computer to execute a boundary determination step of determining and outputting a pattern boundary of the multidimensional time series data based on a point where becomes larger than the distribution width.
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