JP5340228B2 - State estimation device, state estimation method, and program - Google Patents
State estimation device, state estimation method, and program Download PDFInfo
- Publication number
- JP5340228B2 JP5340228B2 JP2010140961A JP2010140961A JP5340228B2 JP 5340228 B2 JP5340228 B2 JP 5340228B2 JP 2010140961 A JP2010140961 A JP 2010140961A JP 2010140961 A JP2010140961 A JP 2010140961A JP 5340228 B2 JP5340228 B2 JP 5340228B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- probability distribution
- state
- appearance
- observation
- information
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Description
本発明は、観測対象の状態変化の過去の履歴に基づき、未来の状態変化を推定する状態推定装置、状態推定方法、およびプログラムに関するものである。 The present invention relates to a state estimation device, a state estimation method, and a program for estimating a future state change based on a past history of a state change of an observation target.
観測対象の状態変化により未来の状態変化を推定するための手法として、パーティクルフィルタ(Particle Filter)がある。典型的なパーティクルフィルタの処理では、例えば、(1)現時刻までの過去の観測対象の状態を示す情報に基づき、次の時刻における状態の事前確率分布を推定し、(2)推定された事前確率分布が示す推定される観測対象の状態と、次時刻において観測される観測対象の実際の状態とを比較することで、事後確率分布を求める。この2つの処理を繰り返すことで、動的に変化する観測対象の状態を逐次的に推定することができる。 There is a particle filter as a method for estimating a future state change based on a state change of an observation target. In typical particle filter processing, for example, (1) the prior probability distribution of the state at the next time is estimated based on information indicating the state of the past observation target up to the current time, and (2) the estimated prior The posterior probability distribution is obtained by comparing the estimated state of the observation target indicated by the probability distribution with the actual state of the observation target observed at the next time. By repeating these two processes, it is possible to sequentially estimate the state of the observation object that dynamically changes.
しかしながら、上記非特許文献1、2に記載されているパーティクルフィルタでは、初期化時に観測対象のテンプレートとして正面顔を用いてテンプレートを作成する。そして、事後確率分布を推定する際にはこの正面顔のテンプレートを用いる。正面顔のテンプレートを、事前確率分布を表わすパーティクルによって指定される回転・並進により変形したものと、次時刻において観測される画像と比較し、この比較結果に基づき、事後確率分布を作成する。
このため、例えば、観測対象の姿勢が大きく変わることにより、今まで見えていた部分が徐々に隠れ、今まで見えなかった部分が現れることで、その観測対象の外観形態が大きく変化する。これにより、正面顔のテンプレートとの照合では、観測対象の実際の状況と照合が十分できない場合が生じるという問題があった。
However, in the particle filter described in
For this reason, for example, when the posture of the observation target changes greatly, the portion that has been seen until now gradually disappears, and the portion that has not been seen until then appears, so that the appearance of the observation target changes greatly. As a result, there is a problem that the matching with the front face template may not be sufficiently matched with the actual situation of the observation target.
本発明は、上記課題を解決するものであり、観測対象の姿勢が大きく変わる場合であっても、その姿勢の変化に対応した高精度な状態推定を行うことができる状態推定装置、状態推定方法、およびプログラムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problem, and is a state estimation device and a state estimation method capable of performing highly accurate state estimation corresponding to a change in posture even when the posture of an observation target changes greatly And to provide a program.
上述の課題を鑑み、本発明に係る状態推定装置は、過去の時刻における観測対象の位置と姿勢を示す状態情報と、当該時刻における前記観測対象の外観形態を示すアピアランス情報と、当該時刻において前記観測対象が前記状態情報の示す状態となる確率を示す時間的再現確率を、それぞれ対応付けるテーブルを記憶する履歴蓄積装置と、過去の前記状態情報および前記時間的再現確率に基づき、未来の前記観測対象の位置と姿勢を示す状態を複数のパーティクルにより表わす状態事前確率分布を作成するとともに、前記状態情報と対応付けられている前記アピアランス情報に基づき、未来の前記観測対象の外観形態を表わすアピアランス事前確率分布を作成する事前確率分布予測部と、外部の観測装置が測定する前記観測対象に関する観測情報を入力し、当該観測情報と前記アピアランス事前確率分布とを照合してこの照合誤差に基づいて観測尤度を算出し、当該観測尤度に応じた重み付けを前記状態事前確率分布に行い事後確率分布を作成する事後確率分布推定部と、前記事後確率分布が示す前記状態情報を前記履歴蓄積装置に更新して蓄積する履歴蓄積部とを備えることを特徴とする。 In view of the above-described problems, the state estimation device according to the present invention includes state information indicating the position and orientation of an observation target at a past time, appearance information indicating an appearance form of the observation target at the time, and the time at the time. Based on the history storage device that stores a table for associating temporal reproduction probabilities indicating the probability that the observation target is in the state indicated by the state information, the past state information and the temporal reproduction probability, A state prior probability distribution representing a state indicating the position and orientation of the object by a plurality of particles, and an appearance prior probability representing an appearance form of the observation object in the future based on the appearance information associated with the state information Observations related to the observation target measured by an external observation device and a prior probability distribution prediction unit that creates a distribution Information is input, the observation information is collated with the appearance prior probability distribution, the observation likelihood is calculated based on the collation error, and the state prior probability distribution is weighted according to the observation likelihood and the posterior probability is calculated. A posterior probability distribution estimation unit that creates a distribution, and a history storage unit that updates and stores the state information indicated by the posterior probability distribution in the history storage device.
また、上述の状態推定装置は、前記時間的再現確率が、前記過去の経時的な前記観測対象の状態の変化と、直前の前記状態情報の類似性に基づいて算出されることを特徴とする。 Further, the state estimation device described above is characterized in that the temporal reproduction probability is calculated based on a change in the state of the observation target over time in the past and the similarity of the state information immediately before. .
また、上述の状態推定装置は、事前確率分布予測部が、前記状態事前確率分布を表わす前記パーティクルと類似する前記状態情報を選択し、当該状態情報と対応付けられている前記アピアランス情報に基づき、前記アピアランス事前確率分布を作成することを特徴とする。 In the above state estimation device, the prior probability distribution prediction unit selects the state information similar to the particles representing the state prior probability distribution, and based on the appearance information associated with the state information, The appearance prior probability distribution is created.
また、上述の課題を鑑み、本発明に係る状態推定方法は、過去の時刻における観測対象の位置と姿勢を示す状態情報と、当該時刻における前記観測対象の外観形態を示すアピアランス情報と、当該時刻において前記観測対象が前記状態情報の示す状態となる確率を示す時間的再現確率を、それぞれ対応付けるテーブルを記憶する履歴蓄積装置を備える状態推定装置における状態推定方法であって、過去の前記状態情報および前記時間的再現確率に基づき、未来の前記観測対象の位置と姿勢を示す状態を複数のパーティクルにより表わす状態事前確率分布を作成するとともに、前記状態情報と対応付けられている前記アピアランス情報に基づき、未来の前記観測対象の外観形態を表わすアピアランス事前確率分布を作成する事前確率分布予測ステップと、外部の観測装置が測定する前記観測対象に関する観測情報を入力し、当該観測情報と前記アピアランス事前確率分布とを照合してこの照合誤差に基づいて観測尤度を算出し、当該観測尤度に応じた重み付けを前記状態事前確率分布に行い事後確率分布を作成する事後確率分布推定ステップと、前記事後確率分布が示す前記状態情報を前記履歴蓄積装置に更新して蓄積する履歴蓄積ステップと、を備えることを特徴とする。 Further, in view of the above-described problems, the state estimation method according to the present invention includes state information indicating the position and orientation of an observation target at a past time, appearance information indicating the appearance form of the observation target at the time, and the time A state estimation method in a state estimation device including a history storage device that stores a table for associating temporal reproduction probabilities indicating the probability that the observation target is in the state indicated by the state information, the past state information and Based on the temporal reproduction probability, creating a state prior probability distribution representing a state indicating the position and orientation of the future observation target by a plurality of particles, and based on the appearance information associated with the state information, Prior probability distribution predictions for creating an appearance prior probability distribution that represents the appearance of the observation object in the future And observation information on the observation target measured by an external observation device, and the observation information and the appearance prior probability distribution are collated to calculate an observation likelihood based on the collation error, and the observation A posteriori probability distribution estimating step for creating a posteriori probability distribution by performing weighting according to likelihood on the condition prior probability distribution, and history storage for updating and storing the state information indicated by the posteriori probability distribution in the history storage device And a step.
また、上述の課題を鑑み、本発明に係るプログラムは、コンピュータに、過去の時刻における観測対象の位置と姿勢を示す状態情報と、当該時刻における前記観測対象の外観形態を示すアピアランス情報と、当該時刻において前記観測対象が前記状態情報の示す状態となる確率を示す時間的再現確率を、それぞれ対応付けるテーブルを記憶する履歴記憶手段、過去の前記状態情報および前記時間的再現確率に基づき、未来の前記観測対象の位置と姿勢を示す状態を複数のパーティクルにより表わす状態事前確率分布を作成するとともに、前記状態情報と対応付けられている前記アピアランス情報に基づき、未来の前記観測対象の外観形態を表わすアピアランス事前確率分布を作成する事前確率分布予測手段、外部の観測装置が測定する前記観測対象に関する観測情報を入力し、当該観測情報と前記アピアランス事前確率分布とを照合してこの照合誤差に基づいて観測尤度を算出し、当該観測尤度に応じた重み付けを前記状態事前確率分布に行い事後確率分布を作成する事後確率分布推定手段、前記事後確率分布が示す前記状態情報を前記履歴記憶手段に更新して蓄積する履歴蓄積手段、として機能させるためのプログラムであることを特徴とする。 Further, in view of the above-described problems, the program according to the present invention causes a computer to store state information indicating the position and orientation of an observation target at a past time, appearance information indicating an appearance form of the observation target at the time, Based on the history storage means for storing a table for associating each of the temporal reproduction probabilities indicating the probability that the observation target becomes the state indicated by the state information at the time, the past state information and the temporal reproduction probability, A state prior probability distribution that represents a state indicating the position and orientation of the observation target by a plurality of particles is created, and an appearance that represents the appearance of the observation target in the future based on the appearance information associated with the state information Prior probability distribution prediction means for creating a prior probability distribution, the view measured by an external observation device Input observation information about the object, collate the observation information with the appearance prior probability distribution, calculate an observation likelihood based on the collation error, and weight the state prior probability distribution according to the observation likelihood. A program for functioning as a posterior probability distribution estimating means for creating a posterior probability distribution, and a history accumulating means for updating and accumulating the state information indicated by the posterior probability distribution in the history storage means, To do.
本発明によれば、観測対象の姿勢が大きく変わり、それに伴ってアピアランスが大きく変化する場合であっても、姿勢とアピアランスの同時事前確率分布を予測することができる。 According to the present invention, it is possible to predict the simultaneous prior probability distribution of the posture and appearance even when the posture of the observation target changes greatly and the appearance changes accordingly.
[第1実施形態]
本実施形態に係る状態推定装置1は、パーティクルフィルタとして機能する装置であって、事前確率分布を予測のために、過去の状態推定結果の履歴を保持し、この過去の履歴が再び現れる確率(時間的再現確率)に基づいて事前確率分布を推定するものである。また、本実施形態に係る状態推定装置1は、観測対象の状態推定値と、カメラなどにより観測される外観形態を示す観測値(以下、アピアランス値という)との組を履歴情報として蓄積し、蓄積された履歴情報に基づいて、状態推定値とアピアランス値の同時事前確率分布を求めることで、姿勢の大きな変化に伴うアピアランス(観測対象の外観形態)の大きな変化に対して頑健な追跡を実現するものである。
なお、本実施形態に係る状態推定装置1は、パーティクルフィルタの枠組みで、事前確率分布および事後確率分布をパーティクルの集合によって表わす。状態空間中で、高い確率分布を持つ位置には多くのパーティクルが生成される。
[First Embodiment]
The
The
以下、本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る状態推定装置1の一例を示すブロック図である。
図1に示す通り、状態推定装置1は、事前確率分布予測部11、事後確率分布推定部12、推定結果算出部13、追跡安定性判定部14、履歴蓄積装置15、形状モデル蓄積装置16、履歴蓄積部17、推定対象時刻設定部18、終了判定部19を有する。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an example of a
As shown in FIG. 1, the
履歴蓄積装置15は、追跡開始時刻1から現在時刻Tまでの過去の状態推定結果を示す状態推定値と、後述するアピアランス値とを、時刻毎に対応付けた履歴テーブルD1を保持する。
この履歴テーブルD1は、時刻tに、過去の状態推定値である状態推定値ベクトルxtと、当該時刻tに対応するアピアランス値Atを、時刻に対応付けたテーブルであり、その一例を図2に示す。なお、状態推定値ベクトルxtとアピアランス値Atとを組み合わせて履歴情報Xtといい、ここでは、履歴情報Xt=(xt,At)と示す。
ここで、状態推定値ベクトルxtは、ある時刻tにおける状態推定値であり、状態推定値ベクトルxTは、現在時刻Tにおける状態推定値である。この状態推定値ベクトルxtは、後述する事後確率分布推定部12によって算出される状態推定値である。
アピアランス値Atは、追跡対象であるオブジェクトの外見(外観形態)を表す情報であって、例えば、追跡対象の領域の画素値の集合をアピアランスとして用いることができる。
The
The history table D1 is the time t, the state estimate vector x t is the past state estimation value, the appearance values A t corresponding to the time t, a table associating the time, figure an example It is shown in 2. Incidentally, referred to as history information X t in combination with state estimate vector x t and appearance values A t, where the historical information X t = (x t, A t) shown as.
Here, the state estimate vector x t, a state estimation value at a certain time t, the state estimate vector x T, a state estimation value at the current time T. The state estimated value vector xt is a state estimated value calculated by the posterior probability
Appearance values A t is information indicating the appearance of a tracked object (exterior form), for example, can be used a set of pixel values in the region of the tracking target as appearance.
また、履歴蓄積装置15は、過去の履歴が再び現れる確率(時間的再現確率)ptと時刻を対応付けた時間的再現確率テーブルD2を記憶する。この時間的再現確率(Temporal Recurrent Probabilyty:TRP)は、過去の時刻tの姿勢や位置(状態)が再び現れる確率を示し、時間軸上の関数として定義される。言い換えると、時間的再現確率とは、過去の状態が将来に再び起こる確率をモデル化したものである。
この時間的再現確率テーブルD2は、例えば、図3に示すような、時刻tと、時刻tの姿勢が再び現れる時間的再現確率ptとの組である情報を含む。
Further, the
The temporal reproduction probability table D2 includes, for example, information that is a set of a time t and a temporal reproduction probability p t at which the posture at the time t appears again as shown in FIG.
形状モデル蓄積装置16は、追跡対象のおおまかな形状を示す形状モデル情報D3を記憶する。この形状モデル情報D3は、状態推定値に基づき算出される所定量だけ回転あるいは並進させることで、例えば、現在の入力画像上での対象の領域を特定して、アピアランスを求めることができる情報である。
The shape
事前確率分布予測部11は、履歴蓄積装置15に蓄積されている過去の履歴テーブルD1から履歴情報Xt=(xt,At)を読み出すとともに、時間的再現確率ptを算出する。なお、時間的再現確率ptは、現在の状態が分かった時(例えば、事後確率分布推定部12に入力した画像が示す現在の状態が事前確率分布予測部11に入力するものであってもよい)に、事前確率分布予測部11によって計算されるものである。この事前確率分布予測部11は、この履歴情報Xt=(xt,At)および時間的再現確率ptに基づいて、事前確率分布を推定する。なお、パーティクルフィルタでは、事前確率分布をパーティクルの集合により表わす。つまり、事前確率分布予測部11は、現状態から起こりうる次の時刻における状態を多数のパーティクル(粒子)と見立て、事前確率分布をパーティクルの集合により表わす。
The prior probability
例えば、事前確率分布推定部11におけるパーティクル生成方法については、非特許文献1、2を利用可能であり、過去の履歴に基づいて、過去の状態が繰り返し現れることを仮定する。事前確率分布推定部11は、この時間的再現確率に従ったサンプリングに基づいて事前分布を表わすパーティクルを生成する。
For example, for the particle generation method in the prior probability
本発明では事前確率分布を、以下の式(1)で表す。 In the present invention, the prior probability distribution is expressed by the following equation (1).
ここで、X^1:T={(x^1,A^1),・・・,(x^T,A^T)}は、状態推定値ベクトルx^1と、アピアランス値A^tの時刻1から時刻Tまでの履歴情報を表す。また、A^1:T={A^1,・・・,A^T}は、アピアランス値の時刻1から時刻Tまでの履歴情報を表す。さらに、関数π()は、現在時刻TからΔt時刻分だけ将来での姿勢とアピアランスの同時事前分布を、姿勢とアピアランスの過去の履歴と、Δtとに基づいて予測することを表わす。
なお、ztは、時刻tにおける観測ベクトル、z1:T={z1,・・・,zT}は、観測ベクトルの時刻1から時刻Tまでの系列を表わす。また、xtは、時刻tにおける履歴の状態推定値ベクトルを表わし、状態推定値ベクトルx1:T={x1,・・・,xT}は、履歴の状態推定値ベクトルの時刻1から時刻Tまでの系列を表わす。さらに、Xtは、時刻tにおける履歴情報を表わし、状態推定値ベクトルxtとアピアランス値Atを含む履歴情報X1:T={X1,・・・,XT}は、履歴情報の時刻1から時刻Tまでの系列を表わす。
つまり、現在時刻TのΔt時刻後の事前分布を、現在までの履歴情報X1:Tと、予測時間先Δtとから求めるものとして定義している。
Here, X ^ 1: T = {(x ^ 1 , A ^ 1 ), ..., (x ^ T , A ^ T )} is a state estimated value vector x ^ 1 and an appearance value A ^ t. Represents the history information from
Here, z t is an observation vector at time t, and z 1: T = {z 1 ,..., Z T } represents a sequence from
That is, the prior distribution after Δt time of the current time T is defined as being obtained from the history information X 1: T up to the present and the predicted time ahead Δt.
また、上記式(1)は、状態推定値(対象の位置と姿勢を表わす情報)とアピアランス値(対象の外観形態を示すアピアランスを表わす情報)の同時事前分布を、未来の位置や姿勢を示す状態推定値ベクトルxT+Δtと、過去の位置や姿勢を示す状態推定値ベクトルの履歴x^1:T、および、過去のアピアランス値A^1:Tが与えられた条件でのアピアランスの条件付き確率を用いて以下の通り定義する。 Further, the above equation (1) shows the simultaneous prior distribution of the state estimated value (information indicating the position and orientation of the object) and the appearance value (information indicating the appearance indicating the appearance form of the object), and the future position and orientation. Conditional probability of appearance under the condition given state estimated value vector xT + Δt , history estimated value vector history x ^ 1: T indicating past position and posture, and past appearance value A ^ 1: T Is defined as follows.
上述の式(2)の前半部分は、位置や姿勢の事前確率分布(状態事前確率分布)に相当する。ここでは、Δt時刻後の位置や姿勢を示す状態推定値ベクトルxT+Δtがアピアランス値A^1:Tに依存しないこと、つまり姿勢のダイナミクスはアピアランス値には依存しないことと仮定している。後半部分は、姿勢の事前分布が与えられた条件でのアピアランスの条件付き確率分布(アピアランス事前確率分布)に相当する。
ここでは、Δt時刻後のアピアランス値AT+Δtは、Δt時刻後の位置や姿勢を示す状態推定値ベクトルxT+Δt、過去の位置や姿勢を示す状態推定値ベクトルの履歴x^1:T、およびアピアランス値A1:Tに依存し、予測時間先Δtには依存しないことと仮定している。
The first half of the above equation (2) corresponds to a prior probability distribution (state prior probability distribution) of position and orientation. Here, it is assumed that the state estimated value vector x T + Δt indicating the position and posture after the time Δt does not depend on the appearance value A ^ 1: T , that is, the posture dynamics does not depend on the appearance value. The latter half corresponds to an appearance conditional probability distribution (appearance prior probability distribution) under a condition given a posture prior distribution.
Here, the appearance value A T + Δt after the time Δt is the state estimated value vector x T + Δt indicating the position and posture after the time Δt , the history x ^ 1: T of the state estimated value vector indicating the past position and posture, and the appearance. It is assumed that it depends on the value A 1: T and not on the predicted time ahead Δt.
また、式(2)後半部分のアピアランスの条件付き確率を定めるため、アピアランス値の変化が主に姿勢の変動によりもたらされると仮定する。ただし、姿勢とアピアランスには1対1の確定的な関係があるわけではなく、それらの関係には不確定性が含まれることを仮定する。これは以下の様な観察による。
まず、物体の回転により、物体の今まで見えていた部分が見えなくなり、また見えなかった部分が現れることで、アピアランスが大きく変化する。しかし、アピアランスは照明変化や非剛体変形などによっても変化する。また、アピアランスの変化そのものをモデル化することは困難である。なぜなら、アピアランスは非常に高次元であり複雑に変化するためである。
上記の仮定と観測に基づき、本実施形態では姿勢とアピアランスとの関係を一種の確率分布として捉えるアプローチを採用する。ここで、ある姿勢が与えられた場合、その姿勢に対応するアピアランスはある幅を持った分布となり、逆にあるアピアランスが与えられた場合、それに対応する姿勢もある幅を持った分布となる。本実施形態では、このような不確定性をベイジアンフィルタの枠組みにより扱うことができる。
Also, in order to determine the conditional probability of appearance in the latter half of the equation (2), it is assumed that the change in appearance value is mainly caused by the change in posture. However, there is no one-to-one deterministic relationship between posture and appearance, and it is assumed that these relationships include uncertainty. This is due to the following observations.
First, due to the rotation of the object, the part of the object that has been visible until now disappears and the part that has not been visible appears, and the appearance changes greatly. However, the appearance also changes due to illumination changes and non-rigid deformation. In addition, it is difficult to model the appearance change itself. This is because the appearance is very high-dimensional and changes in a complex manner.
Based on the above assumptions and observations, this embodiment adopts an approach that captures the relationship between posture and appearance as a kind of probability distribution. Here, when a certain posture is given, the appearance corresponding to the posture has a distribution having a certain width, and when given a certain appearance, the posture corresponding to the appearance has a distribution having a certain width. In this embodiment, such an uncertainty can be handled by a Bayesian filter framework.
次に、事前確率分布推定部11について、より詳細に説明する。事前確率分布推定部11は、位置と姿勢で表わす状態とアピアランスの同時事前分布を表すパーティクル集合{(x*(1),A*(1)),・・・,(x*(N),A*(N))}を、それらの過去の履歴を用いて生成する。なお、Nは、パーティクルの数である。
ここでは、上述の式(2)の同時事前分布が、対象の位置や姿勢の事前分布π(xT+Δt|x^1:T,Δt)と、それが与えられた下でのアピアランスの条件付き確率分布π(AT+Δt|xT+Δt,x^1:T,A^1:T)の積で表されることに着目し、事前確率分布推定部11を、位置・姿勢の事前分布を表すパーティクルの集合を求め、各パーティクルについてアピアランスを求めるという2段階の構成を有するものとする。ここでは、現在時刻をTとし、現在からΔt時刻後の状態を予測するものとする。また、時刻1からTに至る姿勢の履歴x^1:Tおよびアピアランスの履歴A^1:Tを既に保持しているものとする。
Next, the prior probability
Here, the simultaneous prior distribution of the above equation (2) is subject to the prior distribution π ( xT + Δt | x ^ 1: T , Δt) of the position and orientation of the object and the condition of the appearance under which it is given Focusing on the fact that it is represented by the product of the probability distribution π (A T + Δt | x T + Δt , x 1: T , A 1: T ), the prior probability
<ステップ1 位置や姿勢の事前確率分布の生成>
事前確率分布推定部11は、上述の通り、現時刻の事後確率分布の点推定値と過去の姿勢推定値(状態推定値)の履歴を用いて、時刻T+Δtにおける位置や姿勢の事前確率分布を表すパーティクル集合{x*(1),・・・,x*(N)}を得る。これは式(2)の前半部分に相当するものである。
<
As described above, the prior probability
<ステップ2 アピアランスの事前確率分布の生成>
事前確率分布推定部11は、アピアランスの事前確率分布を表すパーティクルを生成するために、式(2)の後半部分の条件付き事前分布π(AT+Δt|xT+Δt,x^1:T,A^1:T)からのランダムサンプリングを行う。これによりステップ1で求められた位置や姿勢の事前確率分布を表すパーティクル{x*(1),・・・,x*(N)}の各々について対応するアピアランス{A*(1),・・・,A*(N)}を生成する。
ここで、必要とされるのは、位置や姿勢x*(i)が与えられた条件でのアピアランスの分布p(A|x*(i))である。事前確率分布推定部11は、このアピアランスの分布を求めるため、x*(i)と類似した過去の姿勢x^tにおけるアピアランス値A^tの混合により算出する。
これにより事前確率分布推定部11は、x*(i)と類似した姿勢x^tを履歴から取得し、x*(i)と過去の類似の姿勢x^tとの差によるアピアランスの差を埋めるため、過去のアピアランス値A^tに対して幾何学変形を施す。ここでは、アピアランスの事前分布p(A|x*(i))を、以下に示す式(3)と定義する。
<Step 2 Generation of appearance prior probability distribution>
The prior probability
Here, what is required is an appearance distribution p (A | x * (i) ) under the condition where the position and orientation x * (i) are given. Prior probability
As a result, the prior probability
ここで、f(・)は幾何学変形、δ(・)はディラックデルタ関数、w(t)はx*(i)とx^tにより定まる重みである。またαは、 Here, f (•) is a geometric deformation, δ (•) is a Dirac delta function, and w (t) is a weight determined by x * (i) and x ^ t . Α is
そして、事前確率分布推定部11は、式(3)に基づいて、w(t)により重み付けされた過去のアピアランスのランダムサンプリングによってアピアランスの事前確率分布を表すパーティクル集合を生成する。
ここでは、w(t)を履歴選択確率(history selection probability)とする。これは、時間軸上の関数として定義され、アピアランス推定対象の姿勢x*(i)と過去の履歴に含まれる姿勢x^t(t=1,・・・,T)とが類似するほど高い値を示す。
ここでは、位置や姿勢を表わす状態とアピアランスの関係の不確定性を過去の履歴の集合を用いて表現しており、履歴選択確率を用いた履歴からのランダムサンプリングにより、任意の姿勢に対応したアピアランスの分布が得られることを期待している。以下にステップ2の具体的手順を示す。
Then, the prior probability
Here, w (t) is assumed to be a history selection probability. This is defined as a function on the time axis, and is higher as the posture x * (i) of the appearance estimation target is similar to the posture x ^ t (t = 1,..., T) included in the past history. Indicates the value.
Here, the uncertainties in the relationship between the state representing the position and posture and the appearance are expressed using a set of past histories, and the random sampling from the history using the history selection probability corresponds to any posture. We expect to see a distribution of appearances. The specific procedure of step 2 is shown below.
<ステップ2−1 履歴のサンプリング>
事前確率分布推定部11は、パーティクルx*(i)と類似した姿勢の履歴をサンプリングする。例えば、事前確率分布推定部11は、x*(i)に対してひとつの過去の姿勢x^t,t〜w(t)を履歴選択確率に基づいてサンプリングする。これは、多くのサンプルx*(i),(i=1,・・・,N)を用いるため、各パーティクルについて、ひとつのアピアランスであってもアピアランスの多様性を十分に表現可能なためである。
ここでは、履歴選択確率w(t)として、アピアランス推定対象の姿勢x*(i)と、各時刻tの履歴における姿勢x^t(t<T)のユークリッド距離の逆数に比例する関数を用いる。
<Step 2-1 History sampling>
Prior probability
Here, as the history selection probability w (t), a function proportional to the reciprocal of the Euclidean distance between the posture x * (i ) of the appearance estimation target and the posture x ^ t (t <T) in the history at each time t is used. .
ここで,βは Where β is
<ステップ2−2 アピアランスの推定>
サンプリングされた姿勢x^tとアピアランスの推定対象パーティクルの姿勢x*(i)との差を考慮して、A^tに対して、式(5)の幾何学変形を施すことで、A*(i)を求める。
<Step 2-2 Estimation of appearance>
In consideration of the difference between the sampled posture x ^ t and the posture x * (i) of the appearance estimation target particle, A * t is subjected to the geometrical transformation of Equation (5) to obtain A *. (I) is determined.
ここでは、微小な姿勢変化による微小なアピアランスの変化に関しては幾何学変形により良く予測できることを仮定している。 Here, it is assumed that a minute change in appearance due to a minute posture change can be predicted well by geometric deformation.
例えば、事前確率分布推定部11は、(1)時間的再現確率を求め、(2)時間的再現確率から時間的なサンプリングを行い、(3)サンプリングされた過去の時刻における状態推定値を参照し、さらに不確定性を考慮したカーネル分布を重畳し、事前分布を求める。事前確率分布推定部11は、この事前確率分布から、空間的なサンプリングを行うことで、事前確率分布を表わすパーティクルの集合を得る。
For example, the prior probability distribution estimation unit 11 (1) obtains a temporal reproduction probability, (2) performs temporal sampling from the temporal reproduction probability, and (3) refers to a state estimation value at a sampled past time. In addition, a prior distribution is obtained by superimposing kernel distributions taking uncertainty into consideration. The prior probability
事後確率分布推定部12は、事前確率分布推定11によって推定的に算出される事前確率分布とその観測尤度とを用いて、事後確率分布を推定的に算出する。この事後確率分布推定部12は、パーティクルフィルタの枠組みで、観測尤度により重み付けされたパーティクルの集合により、事後確率分布を表わす。
従って、事後確率分布推定部12は、事前確率分布を表わすパーティクルの集合のそれぞれについて、照合誤差を求め、この照合誤差に基づいて観測尤度を計算する。つまり、事後確率分布推定部12は、事前確率分布推定部11によって算出されたアピアランス値Aを用いて観測尤度を求める。
The posterior probability
Therefore, the posterior probability
そして、全パーティクルの観測尤度に基づいた重み付け平均を次状態として予測しながら追跡を行っていく。そのため、各パーティクルについて観測尤度から重みを求め、重み付きパーティクル集合を得る。
この事後確率分布は、以下の式(6)で表すことができる。
Then, tracking is performed while predicting the weighted average based on the observation likelihood of all particles as the next state. Therefore, a weight is obtained from the observation likelihood for each particle to obtain a weighted particle set.
This posterior probability distribution can be expressed by the following equation (6).
ここで,ktは、正規化項である。また、p(zt|xt)は、観測尤度である。 Here, k t is a normalization term. Moreover, p (z t | x t ) is an observation likelihood.
なお、観測尤度とは、事前確率分布予測部11によって算出された事前確率分布が、観測結果からみて推定された位置に近いか否かを表わすものである。例えば、追跡対象をカメラで撮影した画像データと、テンプレートを各パーティクルの状態により変形(回転・並進)したものを照合することで、各パーティクルの状態がどの程度尤もらしいか判定を行うことができる。事後確率分布推定部12では追跡対象に関する観測情報(入力画像など)と事前確率分布に基づき観測尤度を算出する。この事後確率分布推定部12は、事前確率分布を表わすパーティクルの集合のそれぞれについて、照合誤差を求め、この照合誤差に基づいて観測尤度を計算する。ここで、xtは時刻tにおける位置や姿勢パラメータを表す姿勢推定値(状態パラメータ)である。ptは、過去の時刻tの姿勢が再び現れる確率を示す時間的再現確率である。
また、事後確率分布推定部12は、算出した観測尤度に応じたスコアで重み付けされたパーティクルの集合を算出して、これを事後確率分布として推定結果算出部13に出力する。
Note that the observation likelihood represents whether or not the prior probability distribution calculated by the prior probability
Further, the posterior probability
推定結果算出部13は、事後確率分布推定部12によって算出された事後確率分布を表す重み付きパーティクル集合を用いて、推定結果情報D4を算出する。この推定結果算出部13は、例えば、事後確率分布を表すパーティクルの重み付き平均、あるいは、最大観測尤度を持つパーティクルの姿勢などにより推定結果情報D4を求める。言い換えると、推定結果算出部13は、例えば、観測尤度の重みにより重み付けしたパーティクルの状態の平均を推定結果情報D4として得る。
The estimation
また、推定結果算出部13は、形状モデル蓄積装置16から追跡対象のおおまかな形状を示す形状モデル情報D3を読み出すとともに、履歴蓄積装置15から姿勢推定値の履歴テーブルD1から状態推定値ベクトルxtを読み出し、この形状モデル情報D3と状態推定値ベクトルxtに基づき、アピアランスの推定結果を示す時刻tに対応するアピアランス値Atを算出する。
この推定結果算出部13は、例えば、形状モデル情報D3を、履歴テーブルD1の状態推定値ベクトルxtに応じた変化量で形状モデルを回転・並進させることで、現在の入力画像上での対象の領域を特定して、アピアランスを求める。ここで、アピアランスとは、オブジェクトの外見を表す情報である。例えば、追跡対象の領域の画素値の集合をアピアランスとして用いることができる。
In addition, the estimation
The estimation
この推定結果算出部13によるアピアランスの求め方は、手法に依存する。追跡対象の領域の画素の集合をアピアランスとする手法では、推定結果算出部13が、その領域の画素値をアピアランスとする。また、追跡対象の領域から予め決められた特徴を示す特徴点を抽出する処理により注目点(特徴点)を選択してアピアランスとする手法では、推定結果算出部13が、特定された追跡対象の領域に対して、同様の処理を行い、アピアランスを求める。
The method of obtaining the appearance by the estimation
追跡安定性判定部14は、現在の推定結果情報D4の信頼性について判定を行う。この追跡安定性判定部14は、現在の推定結果情報D4が信頼できると判定した場合、推定対象時刻設定部18へ処理を移す。一方、追跡安定性判定部14は、現在の状態推定結果情報D2が信頼できないと判定した場合、現在の状態推定結果情報D2を履歴蓄積装置15に蓄積させることなく削除する。つまり、追跡安定性判定部14は、信頼できると判断した場合、推定対象時刻設定部18に対して対象時刻を設定する処理を指示する。
なお、追跡安定性判定部14による信頼性の判定については、重みの最大のパーティクルの重みをしきい値処理することで求めることができる。追跡安定性判定部14は、重みが予め定められたしきい値Rよりも大きい場合、その状態推定結果情報D2は信頼できるものと判定する。
The tracking
The reliability determination by the tracking
履歴蓄積部17は、追跡安定性判定部14から出力される推定結果情報D4を、履歴テーブルD1の時刻と対応付けて、履歴蓄積装置15に蓄積する。
推定対象時刻設定部18は、追跡対象の時刻をインクリメントする。
終了判定部19は、状態推定を継続するか否かを判断する。継続する場合、終了判定部19は、事前確率分布予測部11に対して、再び状態推定を行うことを指示する。
The
The estimation target
The
次に、図4を参照して、本実施形態に係る状態推定方法の一例について説明する。図4は、本実施形態に係る状態推定方法の一例について説明する図である。本発明では、推定対象の状態として、位置や姿勢に加えて、アピアランスを含め、両者の事前確率分布を過去の履歴に基づいて推定する。
図4に示す通り、本発明の状態推定方法は、事前確率分布を予測する事前確率分布予測ステップST10と事後確率分布を推定する事後確率分布推定ステップST20と、推定結果を算出する推定結果算出ステップST30と、追跡の安定性を判定する追跡安定性判定ステップST40と、履歴を蓄積する履歴蓄積ステップST50と、状態推定対象時刻を設定する対象時刻設定ステップST60と、終了したかどうかを判定する終了判定ステップST70とを有する。
Next, an example of the state estimation method according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining an example of the state estimation method according to the present embodiment. In the present invention, as the state of the estimation target, in addition to the position and orientation, the prior probability distribution of both including the appearance is estimated based on the past history.
As shown in FIG. 4, the state estimation method of the present invention includes a prior probability distribution prediction step ST10 for predicting a prior probability distribution, a posterior probability distribution estimation step ST20 for estimating a posterior probability distribution, and an estimation result calculating step for calculating an estimation result. ST30, tracking stability determination step ST40 for determining tracking stability, history storage step ST50 for storing history, target time setting step ST60 for setting state estimation target time, and end for determining whether or not the processing has ended Determination step ST70.
事前確率分布予測ステップST10では、事前確率分布予測部11が、履歴蓄積装置15に蓄積された過去の履歴テーブルD1と時間的再現確率テーブルD2を参考にして事前確率分布を算出する。
事前確率分布予測部11は、状態の事前確率分布を予測する。ここで状態は、位置や姿勢およびアピアランスを含む。パーティクルフィルタの枠組みでは、確率分布をパーティクルの集合で表わす。そのため、事前確率分布予測部11は、位置や姿勢とアピアランスの同時事前分布を表すパーティクルの集合を求める。
In the prior probability distribution prediction step ST10, the prior probability
The prior probability
事後確率分布推定ステップST20では、事後確率分布推定部12が、事前確率分布推定ステップST10において事前確率分布予測部11によって推定された事前確率分布と、その観測尤度とを用いて事後確率分布を算出する。例えば、事後確率分布推定部12は、事前確率分布が表わすパーティクルの集合それぞれについて、照度誤差を求め、照度誤差に基づいて観測尤度を計算し、各パーティクルについて観測尤度に応じた重みに基づき、重み付きパーティクル集合を、事後確率分布として得る。
In the posterior probability distribution estimation step ST20, the posterior probability
推定結果算出ステップST30では、推定結果算出部13が、事後確率分布推定部12によって算出された事後確率分布を表す重み付きパーティクル集合を用いて姿勢の推定結果(状態推定結果値D5)を算出するとともに、アピアランスの推定結果(アピアランス推定結果値D6)を算出する。なお、上述の推定結果情報D4は、状態推定結果値D5と、アピアランス推定結果値D6とを含む。
具体的にいうと、推定結果算出部13は、事後確率分布を表すパーティクルの重み付き平均、あるいは、最大尤度を持つパーティクルの姿勢などにより姿勢の推定結果(状態推定結果値D3)を算出する。また、推定結果算出部13は、形状モデル蓄積装置16に蓄積された、追跡対象のおおまかな形状と姿勢推定値とからアピアランスの推定結果(アピアランス推定結果値D6)を算出する。
In the estimation result calculation step ST30, the estimation
Specifically, the estimation
追跡安定性判定ステップST40では、追跡安定性判定部14が、現在の状態推定結果の信頼性について判定を行う。この追跡安定性判定部14は、現在の状態推定結果が信頼できると判定された場合、状態推定対象時刻設定ステップST60へ処理を移す。一方、信頼できないと判定された場合、追跡安定性判定部14は、履歴蓄積ステップST50へ処理を移す。
In the tracking stability determination step ST40, the tracking
履歴蓄積ステップST50では、追跡安定性判定部14から出力される状態推定結果値D5およびアピアランス推定結果値D6を、時刻tごとに、それぞれ、履歴テーブルD1の状態推定値ベクトルxtおよびアピアランス値Atとして、履歴蓄積装置15に蓄積する。
In the history storage step ST50, the state estimation result value D5 and appearance estimation result value D6 outputted from the tracking
推定対象時刻設定ステップST60では、推定対象時刻設定部18が、追跡対象の時刻をインクリメントする。
終了判定ステップST70では、終了判定部19が、状態推定を継続するか否かを判断する。継続する場合はステップST10へ移行する。
In the estimation target time setting step ST60, the estimation target
In the end determination step ST70, the
<事前確率分布予測方法1>
次に、図5を参照して、図4に示した事前確率分布予測ステップST10の一例についてさらに詳しく説明する。図5は、事前確率分布予測ステップST10に含まれるステップを説明するためのフローチャートである。
ステップST101で、事前確率分布予測部11は、姿勢の事前確率分布からのランダムサンプリングによって、姿勢の事前確率分布を表す1つのパーティクルを得る。なお、事前確率分布予測部11による姿勢の事前確率分布の取得方法は、パーティクルフィルタの枠組みで頻繁に用いられる、直前の事後確率分布からのランダムウォークなどが利用可能である。ただし、これに限らず、非特許文献1、2に記載の時間的再現確率を用いる方法等であってもよい。
<Advance Probability
Next, an example of the prior probability distribution prediction step ST10 shown in FIG. 4 will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart for explaining the steps included in the prior probability distribution prediction step ST10.
In step ST101, the prior probability
ステップST102で、事前確率分布予測部11は、ステップST101において得られた姿勢の事前確率分布を表わす1つのパーティクルに対して、過去の履歴を用いてアピアランスを求める。例えば、類似した過去の姿勢のアピアランスを用いるなどの方法が考えられる。
ステップST103で、事前確率分布予測部11は、ステップST101において得られた姿勢とステップST102において推定されたアピアランスの組をパーティクルの集合に加える。
事前確率分布予測部11は、このステップST101〜103をあらかじめ定められた規定のパーティクル数に達するまで繰り返す。
In step ST102, the prior probability
In step ST103, the prior probability
Prior probability
<事前確率分布予測方法2>
次に、図6を参照して、図4に示した事前確率分布予測ステップST10の他の例についてさらに詳しく説明する。図6は、事前確率分布予測ステップST10に含まれるステップを説明するためのフローチャートである。
ステップST121で、事前確率分布予測部11は、姿勢の事前確率分布からのランダムサンプリングによって、姿勢の事前確率分布を表わす1つのパーティクルを取得し、これを、ランダムノイズを加えて姿勢の事前分布を表すパーティクルとする。
この事前確率分布予測部11は、パーティクルフィルタの枠組みでしばしば用いられるように、直前の事後確率分布からランダムウォークによって姿勢の事前確率分布を求めることができる。また、事前確率分布予測部11は、非特許文献1、2のように、過去の履歴が時間的再現確率に従って再びあらわれることを仮定して姿勢の事前確率分布を求めるものであっても良い。
<Advance Probability Distribution Prediction Method 2>
Next, another example of the prior probability distribution prediction step ST10 shown in FIG. 4 will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart for explaining the steps included in the prior probability distribution prediction step ST10.
In step ST121, the prior probability
The prior probability
なお、非特許文献1による場合、(1)時間的再現確率に従って過去の履歴を1つ選択し、(2)選択された過去の履歴の姿勢にガウシアンノイズを加え、パーティクルの姿勢とする。ただし、時間的再現確率は、予測時間先(何時刻先を予測しているかを示す情報)、過去の姿勢の履歴と、直前の姿勢推定値との類似性に基づいて計算される。現在の状態と類似した姿勢に続く履歴は再び現れる可能性が高いと仮定し、時間的再現確率が大きな値をとる。
In the case of
ステップST122で、事前確率分布予測部11は、パーティクルの姿勢と類似した姿勢の履歴を選択する。
ステップST123で、事前確率分布予測部11は、履歴のアピアランスを、パーティクルの姿勢と、選択された履歴の姿勢に基づいて幾何変形し、パーティクルのアピアランスを推定する。幾何変形は、3次元回転などが考えられる。
ステップST124で、事前確率分布予測部11は、ステップST121で得られた姿勢と、ステップST123で得られたアピアランスの組を、事前分布を表すパーティクル集合に加える。
In step ST122, the prior probability
In step ST123, the prior probability
In step ST124, the prior probability
なお、事前分布予測手順ステップST122で、事前確率分布予測部11は、パーティクルの姿勢と類似した姿勢を確率的に選択する。この事前確率分布予測部11は、例えば、パーティクルの姿勢と過去の履歴の姿勢との差の逆数に比例した確率に従うことができる。あるいは、事前確率分布予測部11は、パーティクルの姿勢と過去の履歴の姿勢との差をdとして、以下の式に従う確率としてもよい。
Note that in the prior distribution prediction procedure step ST122, the prior probability
ここで、σは、あらかじめ定められた定数であり、選択される確率の分散を示す。分散σが大きい場合、パーティクルの姿勢との差が大きな過去の履歴が選択される確率が高まる。 Here, σ is a predetermined constant and indicates the variance of the selected probability. When the variance σ is large, the probability that a past history having a large difference from the particle posture is selected increases.
また、本発明によれば、事前確率分布推定部11は、すべてのパーティクルについて、ステップST10で位置や姿勢に加えてアピアランスを推定している。そのため、ステップST20で、事後確率分布推定部12が、推定されたアピアランスと入力画像とを照合することで、照合誤差を求め、照合誤差に基づいて観測尤度を計算し、それを各パーティクルの重みとする。この重み付けされたパーティクルの集合が事後確率分布を表す。
Further, according to the present invention, the prior probability
ここで、アピアランスの例として、追跡対象領域内のピクセル値の集合、あるいは、追跡対象の注目点の座標とその画素値の集合などが考えられる。
また、照合誤差の計算方法として、画素値の絶対誤差の和、画素値の絶対誤差eに対してロバスト関数を適用したものg(e)=e/(e+1)などが利用可能であるが、本発明はこれに限られない。
Here, as an example of the appearance, a set of pixel values in the tracking target region, or a set of coordinates of the attention point of the tracking target and the pixel values thereof can be considered.
In addition, as a method for calculating a matching error, a sum of absolute errors of pixel values, a g (e) = e / (e + 1) obtained by applying a robust function to an absolute error e of pixel values, and the like can be used. The present invention is not limited to this.
ステップST30で、推定結果算出部13は、事後確率分布に基づいて推定結果を求める。まず、推定結果算出部13は、各パーティクルが保持する姿勢と重みを用いて、重み付け平均で姿勢の推定結果を求める。
この推定結果算出部13は、アピアランスの推定結果の算出において、追跡対象の形状モデルを姿勢推定結果によって回転・並進することで、対象の画面上での位置を求め、その領域のアピアランスを、推定結果のアピアランスとして得る。物体は姿勢が変化すると観測される外見は変化する。
本発明では、形状モデル蓄積装置16に蓄積された既知の形状モデルを、姿勢推定結果に応じて回転・並進させることで、現在観測できる外見(外観形態)を特定する。特定された追跡対象の領域からアピアランスを取得する。
In step ST30, the estimation
In calculating the appearance estimation result, the estimation
In the present invention, a known shape model stored in the shape
アピアランスの例として、追跡対象の領域の画素値の集合や、追跡対象の領域から何らかの注目点検出をした結果の座標値と画素値の集合などが考えられる。 As an example of appearance, a set of pixel values of a tracking target region, a set of coordinate values and pixel values as a result of detecting a certain point of interest from the tracking target region, and the like can be considered.
ステップST40で、追跡安定性判定部14は、追跡が安定しているか否かを判定する。これは、パーティクルの最大尤度などにより判断でき、最大尤度がしきい値より大きい場合、追跡が安定していると考える。その他、パーティクルの分散・尖度・歪度などの指標を用いてもかまわない。追跡が安定している場合にはステップST50へ移行する。そうでない場合にはステップST60へ移行する。
ステップST50で、履歴蓄積部17は、履歴を蓄積する。本発明における履歴は、ステップST30で求められる過去の姿勢推定値(状態推定値)とアピアランス値の組である。これを履歴蓄積装置15に蓄積する。
In step ST40, the tracking
In step ST50, the
[第2実施形態]
本実施形態に係る状態推定装置2は、カメラによって撮影される映像中に映る人物の顔姿勢の追跡を行う。この状態推定装置2は、図7に示す通り、上述の状態推定装置1にカメラ21と画像処理部22とをさらに備える構成である。ここでは各構成の詳細については、第1実施形態と同一の符号を付すことで、その説明を省略する。
この顔状態の追跡とは、顔の画面上での位置および向き(姿勢)を推定することである。本発明では、追跡対象の位置と姿勢x(画面上での顔の中心(mx,my)と3軸中心回転(rx,ry,rz)を含むベクトル)とアピアランス値Aを推定対象の状態を示す情報とする。
[Second Embodiment]
The state estimation device 2 according to the present embodiment tracks the face posture of a person shown in a video shot by a camera. As shown in FIG. 7, the state estimation device 2 is configured to further include a
The tracking of the face state is to estimate the position and orientation (posture) of the face on the screen. In the present invention, the position and orientation x of the tracking target (a vector including the center (m x , m y ) of the face on the screen and the three-axis center rotation (r x , r y , r z )) and the appearance value A The information indicates the state of the estimation target.
ステップST901で、状態推定装置1は、初期化を行う。初期化ステップでは、画像処理部22は、カメラ21によって撮影された追跡対称の顔の画像データに基づき、正面顔検出手法により、正面顔を検出する。なお、初期化時の顔は、位置(0,0)、姿勢(0,0,0)とする。
In step ST901, the
ステップST902で、画像処理部22は、カメラ21から出力された画像データに基づき、フレーム画像を読み込む。また、画像処理部22は、映像ファイルに対して追跡処理を行う場合は、映像ファイルのフレーム画像を読み込む。なお、画像処理部22は、カメラ21に写る映像に対して追跡処理を行う場合では、カメラの1フレームを読み込む。
In step ST902, the
ステップST903で、事前確率分布予測部11は、事前確率分布を予測(算出)する。本実施例では、事前分布予測の第1段階として、事前確率分布予測部11は、姿勢の事前確率分布を求める。姿勢の事前確率分布は、直前の状態からのランダムウォークあるいは非特許文献1の過去の履歴を用いた手法、など様々な方法から求めることができる。この事前分布からのランダムサンプリングにより姿勢の事前分布を表すパーティクルの集合を得ることができる。
In step ST903, the prior probability
そして、事前分布予測の第2段階として、事前確率分布予測部11は、各パーティクルについて、アピアランスを推定する。
(2.1)第2段階では、まず、事前確率分布予測部11が、アピアランス推定対象のパーティクルの姿勢と類似した姿勢の過去の履歴を選択する。この選択は履歴選択確率に基づいて確率的に行う。履歴選択確率は、姿勢の類似性に基づいて、過去の時間軸上に定義される。本実施例では、パーティクルの姿勢と、各時刻における履歴の姿勢との差の逆数に比例する値をとるものとする。
Then, as the second stage of the prior distribution prediction, the prior probability
(2.1) In the second stage, first, the prior probability
(2.2)次いで、事前確率分布予測部11は、パーティクルの姿勢と、選択された履歴の姿勢との違いを考慮して、履歴のアピアランスの幾何学変形によりパーティクルの姿勢を推定(算出)する。本実施例では、幾何学変形として、3次元回転を用いる。
以上の2段階の処理により、事前確率分布予測部11は、姿勢とアピアランスの同時事前分布を表すパーティクルの集合を得ることができる。
(2.2) Next, the prior probability
By the above two-stage processing, the prior probability
ステップST904で、事後確率分布推定部12は、事後確率分布を推定する。本発明では、各パーティクルがアピアランスの推定値を保持している。そのため、事後確率分布推定では、各パーティクルのアピアランスと、入力画像とを照合することで照合誤差を求める。そして照合誤差に基づいて観測尤度を求め、観測尤度により重み付けられたパーティクルの集合が事後確率分布を表わす。
In step ST904, the posterior probability
事後確率分布推定部12は、例えば、アピアランスの注目点(特長点)における画素値の差に基づく値を用いて、アピアランスと入力画像との照合をする。この事後確率分布推定部12は、具体的には、以下の式に従って算出する。
The posterior probability
ステップST905で、推定結果算出部13は、推定結果を算出する。本実施例では、姿勢の推定値は、姿勢の重み付き平均により求める。アピアランスは、姿勢推定値と、人物顔平均モデルとから得る。まず、人物顔平均モデルを姿勢推定値により回転・並進させることで、顔領域を特定する。そして、特定された顔領域に対して、注目点抽出処理を行うことでアピアランスを取得する。
本実施例では、顔領域から、エッジ近傍および画素値の極大・極小点から約250点の注目点を選択し、注目点の座標とその画素値の集合をアピアランスとする。
In step ST905, the estimation
In this embodiment, about 250 points of interest are selected from the face region from the vicinity of the edge and the maximum and minimum points of the pixel value, and the coordinates of the point of interest and the set of the pixel values are set as appearances.
ステップST906で、追跡安定性判定部14は、追跡が安定して行われているかの判断を行う。安定している場合にはステップST907へ移行する。そうでない場合にはステップST908へ移行する。
ステップST907で、履歴蓄積部17は、履歴を蓄積する。すなわちステップST905で得られた姿勢推定値(状態推定値)とアピアランスの組を履歴として蓄積する。
ステップST907で、推定対象時刻設定部18は、処理対象の時刻を1増やす。
ステップST909で、終了判定部19は、映像が終了したか判定を行い、終了していれば終了。終了していなければステップST902へ戻る。
In step ST906, the tracking
In step ST907, the
In step ST907, the estimation target
In step ST909, the
上述の通り、過去の追跡対象の状態の履歴に基づいて次の時刻における状態の事前確率分布を推定することにより、物体が激しい動きをしても、対称を追跡することができる。このとき、事前確率分布を推定するために、追跡対象の位置や姿勢を表わす状態の情報にくわえて、カメラにより観測されるアピアランス(外見、見た目、外観形態)をパラメータに含めて推定を行うことにより、位置や姿勢の大きな変化に伴うアピアランスの変化に対しても頑健に、対象を追跡することができる。 As described above, by estimating the prior probability distribution of the state at the next time based on the past history of the state of the tracking target, symmetry can be tracked even if the object moves vigorously. At this time, in order to estimate the prior probability distribution, the appearance (appearance, appearance, appearance form) observed by the camera should be included in the parameters in addition to the state information indicating the position and orientation of the tracking target Thus, the object can be tracked robustly against changes in appearance due to large changes in position and posture.
一方、本発明によらない場合、追跡対象のアピアランスの変化を考慮しておらず、初期化時に構築したテンプレートをアピアランスモデルとして保持し、このテンプレートを各パーティクルの状態により回転・並進させて入力画像と照合し、その照合誤差から観測尤度を求める。追跡対象の姿勢が大きく変化すると、テンプレートの単純な回転では、対象のアピアランスの変化を適切に表すことができなくなる。これは、回転によりテンプレートに含まれる正面顔が徐々に観測できなくなるためである。その結果、観測尤度を適切に求めることがこんなんとなり、しばしば追跡にしっぱいしてしまうという問題があった。上述の非文献文献1に記載されているM−PFを用いた顔姿勢追跡では首振り方向では、50度程度までの追跡が限界であった。
しかし、本発明によると、姿勢とアピアランスの同時事前確率分布を予測するよう拡張することで、M−PFの特長を保ちつつ追跡可能な姿勢の範囲を広げることができる。
On the other hand, if not according to the present invention, changes in the appearance of the tracking target are not taken into consideration, the template constructed at the time of initialization is held as an appearance model, and this template is rotated and translated according to the state of each particle to input images. And the observation likelihood is obtained from the matching error. When the posture of the tracking target changes greatly, a simple rotation of the template cannot appropriately represent the change in the appearance of the target. This is because the front face included in the template cannot be observed gradually due to the rotation. As a result, there has been a problem that it is difficult to obtain the observation likelihood appropriately, and tracking is often performed. In the face posture tracking using the M-PF described in the above-mentioned
However, according to the present invention, it is possible to expand the range of postures that can be tracked while maintaining the features of M-PF, by extending the prediction of the simultaneous prior probability distribution of posture and appearance.
なお、上述した第1〜2実施形態において、状態推定装置による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、制御してもよい。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であってもよい。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、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、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。 In the first and second embodiments described above, a program for realizing the function of the state estimation device is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read by a computer system, You may control by performing. Here, the “computer system” may include an OS and hardware such as peripheral devices. The “computer-readable recording medium” means a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, a writable nonvolatile memory such as a flash memory, a portable medium such as a CD-ROM, a hard disk built in a computer system, etc. This is a storage device.
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が送信された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(例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory))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、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。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い。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、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。 Further, the “computer-readable recording medium” means a volatile memory (for example, DRAM (Dynamic DRAM) in a computer system that becomes a server or a client when a program is transmitted through a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. Random Access Memory)), etc., which hold programs for a certain period of time. The program may be transmitted from a computer system storing the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium. Here, the “transmission medium” for transmitting the program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line. The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, what is called a difference file (difference program) may be sufficient.
11・・・事前確率分布予測部、12・・・事後確率分布推定部、13・・・推定結果算出部、14・・・追跡安定性判定部、15・・・履歴蓄積装置、16・・・形状モデル蓄積装置、17・・・履歴蓄積部、18・・・推定対象時刻設定部、19・・・終了判定部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
過去の前記状態情報および前記時間的再現確率に基づき、未来の前記観測対象の位置と姿勢を示す状態を複数のパーティクルにより表わす状態事前確率分布を作成するとともに、前記状態情報と対応付けられている前記アピアランス情報に基づき、未来の前記観測対象の外観形態を表わすアピアランス事前確率分布を作成する事前確率分布予測部と、
外部の観測装置が測定する前記観測対象に関する観測情報を入力し、当該観測情報と前記アピアランス事前確率分布とを照合してこの照合誤差に基づいて観測尤度を算出し、当該観測尤度に応じた重み付けを前記状態事前確率分布に行い事後確率分布を作成する事後確率分布推定部と、
前記事後確率分布が示す前記状態情報を前記履歴蓄積装置に更新して蓄積する履歴蓄積部と
を備えることを特徴とする状態推定装置。 State information indicating the position and orientation of the observation target at the past time, appearance information indicating the appearance form of the observation target at the time, and time indicating the probability that the observation target is in the state indicated by the state information at the time A history accumulator that stores a table for associating the respective reproduction probability with each other,
Based on the past state information and the temporal reproduction probability, a state prior probability distribution representing a state indicating the position and orientation of the future observation target by a plurality of particles is created and associated with the state information. Based on the appearance information, a prior probability distribution prediction unit that creates an appearance prior probability distribution representing an appearance form of the observation target in the future;
Input observation information on the observation target measured by an external observation device, collate the observation information with the appearance prior probability distribution, calculate the observation likelihood based on the collation error, and respond to the observation likelihood A posterior probability distribution estimator that performs weighting on the state prior probability distribution to create a posterior probability distribution;
A state estimation device comprising: a history storage unit that updates and stores the state information indicated by the posterior probability distribution in the history storage device.
前記過去の経時的な前記観測対象の状態の変化と、直前の前記状態情報の類似性に基づいて算出されることを特徴とする請求項1に記載の状態推定装置。 The time reproduction probability is
The state estimation apparatus according to claim 1, wherein the state estimation apparatus is calculated based on a change in the state of the observation target over time in the past and similarity of the state information immediately before.
前記状態事前確率分布を表わす前記複数のパーティクルと類似する前記状態情報を選択し、当該状態情報と対応付けられている前記アピアランス情報に基づき、前記アピアランス事前確率分布を作成することを特徴とする請求項1あるいは2に記載の状態推定装置。 The prior probability distribution prediction unit
The state information similar to the plurality of particles representing the state prior probability distribution is selected, and the appearance prior probability distribution is created based on the appearance information associated with the state information. Item 3. The state estimation device according to Item 1 or 2.
過去の前記状態情報および前記時間的再現確率に基づき、未来の前記観測対象の位置と姿勢を示す状態を複数のパーティクルにより表わす状態事前確率分布を作成するとともに、前記状態情報と対応付けられている前記アピアランス情報に基づき、未来の前記観測対象の外観形態を表わすアピアランス事前確率分布を作成する事前確率分布予測ステップと、
外部の観測装置が測定する前記観測対象に関する観測情報を入力し、当該観測情報と前記アピアランス事前確率分布とを照合してこの照合誤差に基づいて観測尤度を算出し、当該観測尤度に応じた重み付けを前記状態事前確率分布に行い事後確率分布を作成する事後確率分布推定ステップと、
前記事後確率分布が示す前記状態情報を前記履歴蓄積装置に更新して蓄積する履歴蓄積ステップと、
を備えることを特徴とする状態推定方法。 State information indicating the position and orientation of the observation target at the past time, appearance information indicating the appearance form of the observation target at the time, and time indicating the probability that the observation target is in the state indicated by the state information at the time A state estimation method in a state estimation device including a history storage device that stores a table for associating each of the typical reproduction probabilities,
Based on the past state information and the temporal reproduction probability, a state prior probability distribution representing a state indicating the position and orientation of the future observation target by a plurality of particles is created and associated with the state information. A prior probability distribution prediction step of creating an appearance prior probability distribution representing an appearance form of the observation object in the future based on the appearance information;
Input observation information on the observation target measured by an external observation device, collate the observation information with the appearance prior probability distribution, calculate the observation likelihood based on the collation error, and respond to the observation likelihood A posteriori probability distribution estimating step of creating a posteriori probability distribution by performing weighting on the state prior probability distribution;
A history storage step of updating and storing the state information indicated by the posterior probability distribution in the history storage device;
A state estimation method comprising:
過去の時刻における観測対象の位置と姿勢を示す状態情報と、当該時刻における前記観測対象の外観形態を示すアピアランス情報と、当該時刻において前記観測対象が前記状態情報の示す状態となる確率を示す時間的再現確率を、それぞれ対応付けるテーブルを記憶する履歴記憶手段、
過去の前記状態情報および前記時間的再現確率に基づき、未来の前記観測対象の位置と姿勢を示す状態を複数のパーティクルにより表わす状態事前確率分布を作成するとともに、前記状態情報と対応付けられている前記アピアランス情報に基づき、未来の前記観測対象の外観形態を表わすアピアランス事前確率分布を作成する事前確率分布予測手段、
外部の観測装置が測定する前記観測対象に関する観測情報を入力し、当該観測情報と前記アピアランス事前確率分布とを照合してこの照合誤差に基づいて観測尤度を算出し、当該観測尤度に応じた重み付けを前記状態事前確率分布に行い事後確率分布を作成する事後確率分布推定手段、
前記事後確率分布が示す前記状態情報を前記履歴記憶手段に更新して蓄積する履歴蓄積手段、
として機能させるためのプログラム。 On the computer,
State information indicating the position and orientation of the observation target at the past time, appearance information indicating the appearance form of the observation target at the time, and time indicating the probability that the observation target is in the state indicated by the state information at the time History storage means for storing a table for associating the respective reproduction probabilities with each other,
Based on the past state information and the temporal reproduction probability, a state prior probability distribution representing a state indicating the position and orientation of the future observation target by a plurality of particles is created and associated with the state information. A prior probability distribution predicting means for creating an appearance prior probability distribution representing an appearance form of the observation object in the future based on the appearance information;
Input observation information on the observation target measured by an external observation device, collate the observation information with the appearance prior probability distribution, calculate the observation likelihood based on the collation error, and respond to the observation likelihood A posteriori probability distribution estimating means for creating a posteriori probability distribution by performing weighting on the state prior probability distribution,
History storage means for updating and storing the state information indicated by the posterior probability distribution in the history storage means;
Program to function as.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010140961A JP5340228B2 (en) | 2010-06-21 | 2010-06-21 | State estimation device, state estimation method, and program |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010140961A JP5340228B2 (en) | 2010-06-21 | 2010-06-21 | State estimation device, state estimation method, and program |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012003719A JP2012003719A (en) | 2012-01-05 |
JP5340228B2 true JP5340228B2 (en) | 2013-11-13 |
Family
ID=45535580
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010140961A Active JP5340228B2 (en) | 2010-06-21 | 2010-06-21 | State estimation device, state estimation method, and program |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5340228B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018139301A1 (en) * | 2017-01-24 | 2018-08-02 | 日本電気株式会社 | Information processing device, information processing method, and recording medium having information processing program recorded thereon |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5746078B2 (en) * | 2012-03-23 | 2015-07-08 | 日本電信電話株式会社 | Time reproduction probability estimation device, state tracking device, method, and program |
JP5791555B2 (en) * | 2012-03-23 | 2015-10-07 | 日本電信電話株式会社 | Status tracking apparatus, method, and program |
CN103839280B (en) * | 2014-03-21 | 2016-08-17 | 武汉科技大学 | A kind of human body attitude tracking of view-based access control model information |
JP6185879B2 (en) * | 2014-05-01 | 2017-08-23 | 日本電信電話株式会社 | Articulated object tracking device, articulated object tracking method, and program |
CN104156947B (en) * | 2014-07-23 | 2018-03-16 | 小米科技有限责任公司 | Image partition method, device and equipment |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2234062A4 (en) * | 2008-01-16 | 2011-06-01 | Asahi Chemical Ind | Face posture estimating device, face posture estimating method, and face posture estimating program |
-
2010
- 2010-06-21 JP JP2010140961A patent/JP5340228B2/en active Active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018139301A1 (en) * | 2017-01-24 | 2018-08-02 | 日本電気株式会社 | Information processing device, information processing method, and recording medium having information processing program recorded thereon |
JPWO2018139301A1 (en) * | 2017-01-24 | 2019-11-07 | 日本電気株式会社 | Information processing apparatus, information processing method, and recording medium on which information processing program is recorded |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2012003719A (en) | 2012-01-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5340228B2 (en) | State estimation device, state estimation method, and program | |
US11341738B2 (en) | Using a probabtilistic model for detecting an object in visual data | |
WO2020125623A1 (en) | Method and device for live body detection, storage medium, and electronic device | |
US9928443B2 (en) | Image processing apparatus and method for fitting a deformable shape model to an image using random forest regression voting | |
CN110490076B (en) | Living body detection method, living body detection device, computer equipment and storage medium | |
US8140458B2 (en) | Information processing apparatus, information processing method, and computer program | |
JP4093273B2 (en) | Feature point detection apparatus, feature point detection method, and feature point detection program | |
JP4469275B2 (en) | System and method for estimating pose angle | |
JP6161257B2 (en) | Event detection apparatus and method, operation recognition apparatus and method, and program | |
US20100185571A1 (en) | Information processing apparatus, information processing method, and program | |
US8103090B2 (en) | Behavior and pattern analysis using multiple category learning | |
JP2004199669A (en) | Face detection | |
JP2004192637A (en) | Face detection | |
WO2015186436A1 (en) | Image processing device, image processing method, and image processing program | |
JP4880805B2 (en) | Object position estimation apparatus, object position estimation method, and object position estimation program | |
JP2009140366A (en) | Information processor, information processing method, and computer program | |
JP2008243214A (en) | Method and computing device for automatic detection and tracking of multiple individuals using multiple cues, and computer-readable storage medium therefor | |
TWI707243B (en) | Method, apparatus, and system for detecting living body based on eyeball tracking | |
JP2009199417A (en) | Face tracking device and face tracking method | |
JP5087037B2 (en) | Image processing apparatus, method, and program | |
CN111753643A (en) | Character posture recognition method and device, computer equipment and storage medium | |
JP5674550B2 (en) | Status tracking apparatus, method, and program | |
CN108875549B (en) | Image recognition method, device, system and computer storage medium | |
US20120314904A1 (en) | Image collation system, image collation method and computer program | |
JP2018005357A (en) | Information processor and information processing method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20121029 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20130605 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130719 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20130725 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130730 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130806 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5340228 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |