JP6202937B2 - 画像認識装置、画像認識方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents
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例えば、特許文献1には、照明の変動に対してロバストな特徴量を生成するために、或る局所領域内で、中央の画素値と周囲の画素値との大小関係に基づいて2値化処理を行う技術が開示されている。図16は、特許文献1に記載の技術における2値化処理の手法の一例を説明する図である。図16に示すように、特許文献1に記載の技術では、3×3の画素の領域の中央の画素の画素値Icと、その周辺の画素の画素値In(n=1〜8)と、の夫々の大小関係を比較する。そして、(中央の画素値Ic−周辺の画素値In)が所定の閾値Th以上であるならば「1」、それ以外は「0」とする2値化処理を実施し、2値化した画素値を連結することでバイナリーコードを生成する。
例えば、非特許文献1には、特許文献1に示されているようなバイナリーコードから、横軸をバイナリーコード、縦軸を頻度としたヒストグラムを生成し、生成したヒストグラムを利用して表情の認識をする技術が提案されている。このようなヒストグラムを、Local Binary Pattern(LBP)ヒストグラムと称する。
また、このようなバイナリーコード以外にも、非特許文献2のようにしてヒストグラムを生成して人体を認識する技術が提案されている。かかる技術では、まず、或る注目画素の上下左右の位置にある画素の画素値を使用して、輝度勾配と輝度方向とを求める。そして、横軸を輝度勾配の方向、縦軸を輝度勾配の強度和としたヒストグラムを生成し、生成したヒストグラムを利用して人体を検出する。更に非特許文献2では、輝度勾配の強度をヒストグラムビンに投票する際、1つのビンに対して投票せずに、輝度勾配の方向に基づいて2つのビンに対して重み付けをし、それに基づいて、輝度勾配の強度を分配して各ビンに投票することも提案されている。
しかしながら、特許文献1に記載の技術のように、中央の画素の輝度値とその周辺の画素の輝度値との大小関係に基づいてコード変換し、ヒストグラムを生成する方法では、照明等の変動要因の影響で輝度値が変化する。このため、照明等の変動要因の有無で、図17のように異なるコード(投票値)が生成される可能性がある。図17(a)、(b)は、特許文献1に記載の技術によりバイナリー変換を行った結果の第1、第2の例を示す図である。図17に示す例では、閾値Thを「0(ゼロ)」とする。そうすると、図17(a)では、中央の画素の輝度値(=125)から、その上の画素の輝度値(124)を引いた値(=1)は閾値Th以上となるので、2値化処理の結果は「1」となる。一方、図17(b)に示す例では、中央の画素の輝度値(=125)から、その上の画素の輝度値(126)を引いた値(=−1)は閾値Th以上とならないので、2値化処理の結果は「0」となる。このように輝度値が僅かにしか異ならないのにもかかわらず、2値化処理の結果が異なることになる。
以上述べた問題は、個人を特定する個人認証の他に、顔の表情を認識する表情認識、更には顔以外の特定の物体を検出する物体検出でも同様である。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、照明等の変動要因があっても安定した画像認識を実現することができるようにすることを目的とする。
(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態について説明する。
本実施形態では、発明が解決しようとする課題で説明したLocal Binary Pattern(LBP)ヒストグラムを生成する際に生じる問題を解決するために、画像を構成する2つの画素値の大小関係に基づいて、投票数を適応的に変化させる。以下に、本実施形態の詳細を述べる。
画像認識装置1000は、画像取得部100、物体位置検出部200、画像正規化部300、領域設定部400、適応的符号化コード生成部500、ヒストグラム特徴生成部600、及び属性認識部700を備えて構成される。図2は、画像認識装置1000の全体処理の一例を説明するフローチャートである。以下では、図2を参照しながら、画像認識装置1000の全体処理の一例を説明する。
ステップS201において、画像取得部100は、レンズ等の集光素子、光を電気信号に変換するCMOSセンサやCCD等の撮像素子、アナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器、を通過することによって得られたデジタル画像データを取得する。また、画像取得部100は、このステップS201において、間引き処理等を行うことによって、例えば、VGA(640×480[pixel])やQVGA(320×240[pixel])に変換した顔画像を取得することも可能である。このように、本実施形態では、画像認識装置1000が撮像装置である場合を一例として示す。
ステップS204に進むと、画像正規化部300は、ステップS202で得られた、顔の中心座標(x,y)と、左右の眼の中心座標(x,y)と、口の中心座標(x,y)とを使用して画像の切り出しと正規化処理とを行う。尚、本実施形態では、正規化処理には、アフィン変換を使用する。この正規化処理によって、例えば、左右の眼の中心座標間の距離が50[pixcel]となり、且つ、左右の眼の中心座標を結ぶ直線が水平方向になる(つまり、顔が正立するようになる)。以下の説明では、画像正規化部300により正規化処理が行われたデジタル画像データを必要に応じて正規化画像と称する。
図4のステップS401において、適応的符号化コード生成部500は、ステップS205で設定されたヒストグラム生成領域のそれぞれに対して、より細かな複数の局所領域を設定する。図5は、ヒストグラム生成領域に対して設定された局所領域を設定して符号化コードを生成する方法の一例を説明する図である。図5に示す例では、正規化画像(輝度画像)に対して設定されたヒストグラム生成領域に対して3×3の局所領域を設定する場合を例に挙げて示す。
次に、ステップS404において、適応的符号化コード生成部500は、ステップS402で設定された全てのヒストグラム生成領域に対してLBPコードを取得したか否かを判定する。この判定の結果、LBPコードを取得していないヒストグラム生成領域がある場合には、ステップS401に戻る。
1つのLBPコードを取得するのに、例えば、図5のように3×3の局所領域を用いる。局所領域の中央の画素の輝度値1105と、その画素の周辺の画素の輝度値との大小(すなわち、局所領域の基準となる画素とその他の画素との大小)を比較することで、当該周辺の画素の輝度値を「0」又は「1」にバイナリー変換(符号化)する。その後、当該周辺の画素のうち、所定の1画素1106を起点として、当該周辺の画素の符号化後の値を順次連結することで、バイナリーコードを得る。例えば、図5の3×3の局所領域からは8ビットのバイナリーコード(00011110)を得ることができ、8ビットのバイナリーコード(00011110)がヒストグラムの生成時の1投票値となる。
尚、本実施形態では、3×3の局所領域から8ビットのバイナリーコードを生成する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、5×5等の局所領域を設定しても良い。また、コード変換は2値に限定されるわけではなく、3値等、多値に変換しても良い。
図6に示すように、中央の画素の画像値と、その周辺の画素の画素値との差が小さい場合に、変動の有無で異なるバイナリーコードが生成されると、それらのバイナリーコードは別々のヒストグラムビンに投票されてしまう。このため、形状の異なるヒストグラムが生成される。その結果、画像認識率の低下に繋がる可能性がある。
図8は、ステップS402におけるバイナリー変換の方法の詳細の第1の例を説明するフローチャートである。
まず、ステップS801において、適応的符号化コード生成部500は、局所領域の中央の画素の画素値Icと、その周囲の画素の画素値Inとのペアを1つ選択する。
尚、「0」を割り当てる第1の閾値−Thと、「1」を割り当てる第2の閾値Thの絶対値|Th|を同じにする必要はなく、閾値Th1と、閾値−Th2といったように別の値を設定するようにしても良い。また、局所領域の中央の画素の周囲の画素の画素値Inから、局所領域の中央の画素の画素値Icを引いた値を用いたが、局所領域の中央の画素の画素値Icから、局所領域の中央の画素の周囲の画素の画素値Inを引いた値を用いてもよい。すなわち、局所領域の中央の画素の周囲の画素の画素値Inと、局所領域の中央の画素の画素値Icの一方から他方を引いた値を用いればよい。
このように、中央の画素の画素値Icと、その周囲の画素の画素値Inとの差が大きい領域については、投票数が少なくなる一方で、中央の画素の画素値Icと、その周囲の画素の画素値Inとの差が小さい領域については、投票数が多くなるようにしている。
次に、ステップS208において、ヒストグラム特徴生成部600は、対象となる全てのヒストグラム生成領域に対してヒストグラムを生成したか否かを判定する。この判定の結果、対象となる全てのヒストグラム生成領域に対してヒストグラムを生成していない場合には、ステップS204に戻る。一方、対象となる全てのヒストグラム生成領域に対してヒストグラムを生成した場合には、ステップS209に進む。
尚、本実施形態では、顔の表情を認識する場合を例に挙げて示しているが、年齢、性別、人種、更には個人を認識するようにしても良く、物体の属性を認識していれば、認識する対象は、どのようなものであってもよい。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第1の実施形態では、ヒストグラム生成領域の大きさに関わらず、ヒストグラムへの投票値の数を適応的に変化させるようにした。これに対し、本実施形態では、Local Binary Pattern(LBP)ヒストグラムを生成する際に生じる問題を解決するために、ヒストグラム生成領域の面積が小さい場合に、ヒストグラムへの投票値の数を適応的に変化させる。このように本実施形態と第1の実施形態とは、適応的符号化コード生成処理(図2のステップS206の処理)の詳細が主として異なる。したがって、本実施形態の説明において、第1の実施形態と同一の部分については、図1〜図11に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
ステップS401では、第1の実施形態と同様に、適応的符号化コード生成部500は、ステップS205で設定されたヒストグラム生成領域に対して、より細かな局所領域を設定する。
次に、ステップS402において、適応的符号化コード生成部500は、コード変換としてバイナリー変換を行う。図12を参照しながら、ステップS402の詳細について説明する。
次に、ステップS1202において、適応的符号化コード生成部500は、ステップS205で設定されたヒストグラム生成領域の面積が所定値以上であるか否かを判定する。この判定の結果、ヒストグラム生成領域の面積が所定値以上である場合には、ステップS1203に進む。
ステップS1203に進むと、適応的符号化コード生成部500は、局所領域の中央の画素の周囲の画素の画素値Inから、局所領域の中央の画素の画素値Icを引いた値が、所定の閾値Th以上であるか否かを判定する。この判定の結果、局所領域の中央の画素の周囲の画素の画素値Inから、局所領域の中央の画素の画素値Icを引いた値が、閾値Th以上である場合には、ステップS1204に進む。ステップS1204に進むと、適応的符号化コード生成部500は、ステップS1201で選択した画素値のペアに対応するコードとして「1」を割り当てる。そして、図12のフローチャートによる処理を終了する。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。本実施形態では、Local Binary Pattern(LBP)ヒストグラムを生成する際に生じる問題を解決するために、顔領域を複数の領域に分割し、分割した領域毎に、図10の影領域1107のような領域が存在するかどうかを判定する。そして、その判定結果に基づいて、ヒストグラムへの投票値の数を適応的に変化させる。このように本実施形態は、第1の実施形態に対し、不安定な領域であるか否かを判定する構成を付加し、これに応じて、適応的符号化コード生成処理(図2のステップS206の処理)の詳細を変更したものである。したがって、本実施形態の説明において、第1の実施形態と同一の部分については、図1〜図11に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
ステップS206における適応的符号化コード生成処理は、第1の実施形態と同様に、図4に示したフローチャートにより実現される。ただし、図4のステップS402におけるバイナリー変換の方法の詳細の一部が第1の実施形態と異なる。
図15は、ステップS402におけるバイナリー変換の方法の詳細の第3の例を説明するフローチャートである。
次に、ステップS1502において、適応的符号化コード生成部500は、ステップS1401での判定の結果を参照し、ステップS1501で選択した画素の領域が、影のない安定している領域であるか否かを判定する。
この判定の結果、ステップS1501で選択した画素の領域が、影のない安定している領域でない場合には、ステップS1503に進む。
ステップS1503に進むと、適応的符号化コード生成部500は、局所領域の中央の画素の周囲の画素の画素値Inから、局所領域の中央の画素の画素値Icを引いた値が、所定の閾値Th以上であるか否かを判定する。この判定の結果、局所領域の中央の画素の周囲の画素の画素値Inから、局所領域の中央の画素の画素値Icを引いた値が、閾値Th以上である場合には、ステップS1504に進む。ステップS1504に進むと、適応的符号化コード生成部500は、ステップS1501で選択した画素値のペアに対応するコードとして「1」を割り当てる。そして、図15のフローチャートによる処理を終了する。
尚、第2の実施形態と第3の実施形態とを組み合わせることができる。例えば、図12のステップS1202でYESと判定された後に、図15のステップS1502〜S1510の処理を行うことができる。また、例えば、図15のステップS1502でYESと判定された後に、図12のステップS1202〜S1210の処理を行うことができる。
本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、まず、以上の実施形態の機能を実現するソフトウェア(コンピュータプログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給する。そして、そのシステム或いは装置のコンピュータ(又はCPUやMPU等)が当該コンピュータプログラムを読み出して実行する。
Claims (15)
- 物体を含む画像を取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段により取得された前記画像に対してヒストグラム生成領域を設定する領域設定手段と、
前記ヒストグラム生成領域における2つの画素の画素値のペアに対応する少なくとも1つのコードを生成し、生成した前記コードから符号化コードを生成する符号化コード生成手段と、
前記符号化コード生成手段により生成された前記符号化コードを投票値としてヒストグラムを生成するヒストグラム生成手段と、
前記ヒストグラム生成手段により生成された前記ヒストグラムに基づいて前記物体の属性を認識する属性認識手段と、
前記符号化コード生成手段は、前記2つの画素の画素値の一方から他方を引いた値が、第1の閾値から第2の閾値までの間にある場合に、当該2つの画素の画素値のペアに対応するコードとして複数のコードを生成することを特徴とする画像認識装置。 - 前記ヒストグラム生成領域の面積が所定の値よりも小さいか否かを判定する面積判定手段をさらに有し、
前記符号化コード生成手段は、前記面積判定手段により、前記ヒストグラム生成領域の面積が所定の値よりも小さいと判定された場合であって、前記2つの画素の画素値の一方から他方を引いた値が、第1の閾値から第2の閾値までの間にある場合に、当該2つの画素の画素値のペアに対応するコードとして複数のコードを生成することを特徴とする請求項1に記載の画像認識装置。 - 前記2つの画素の画素値の領域が、エッジ強度が弱い不安定な領域であるか否かを判定する安定領域判定手段をさらに有し、
前記符号化コード生成手段は、前記安定領域判定手段により、前記2つの画素の画素値の領域が、エッジ強度が弱い不安定な領域であると判定された場合であって、当該2つの画素の画素値の一方から他方を引いた値が、第1の閾値から第2の閾値までの間にある場合に、当該2つの画素の画素値のペアに対応するコードとして複数のコードを生成することを特徴とする請求項1又は2に記載の画像認識装置。 - 前記符号化コード生成手段は、前記2つの画素の画素値のペアに対応するコードを1つずつ組み合わせたものを前記符号化コードとして生成することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の画像認識装置。
- 前記符号化コード生成手段は、前記ヒストグラム生成領域における基準となる画素とその他の画素を前記2つの画素として、当該2つの画素の画素値のペアに対応するコードを生成することを、前記ヒストグラム生成領域における前記その他の画素の全てについて行った結果から、前記2つの画素の画素値のペアに対応するコードを生成することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の画像認識装置。
- 前記符号化コード生成手段により生成される前記符号化コードは、LBP(Local Binary Pattern)コードであることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の画像認識装置。
- 前記物体は、顔であることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の画像認識装置。
- 物体を含む画像を取得する画像取得工程と、
前記画像取得工程により取得された前記画像に対してヒストグラム生成領域を設定する領域設定工程と、
前記ヒストグラム生成領域における2つの画素の画素値のペアに対応する少なくとも1つのコードを生成し、生成した前記コードから符号化コードを生成する符号化コード生成工程と、
前記符号化コード生成工程により生成された前記符号化コードを投票値としてヒストグラムを生成するヒストグラム生成工程と、
前記ヒストグラム生成工程により生成された前記ヒストグラムに基づいて前記物体の属性を認識する属性認識工程と、
前記符号化コード生成工程は、前記2つの画素の画素値の一方から他方を引いた値が、第1の閾値から第2の閾値までの間にある場合に、当該2つの画素の画素値のペアに対応するコードとして複数のコードを生成することを特徴とする画像認識方法。 - 前記ヒストグラム生成領域の面積が所定の値よりも小さいか否かを判定する面積判定工程をさらに有し、
前記符号化コード生成工程は、前記面積判定工程により、前記ヒストグラム生成領域の面積が所定の値よりも小さいと判定された場合であって、前記2つの画素の画素値の一方から他方を引いた値が、第1の閾値から第2の閾値までの間にある場合に、当該2つの画素の画素値のペアに対応するコードとして複数のコードを生成することを特徴とする請求項8に記載の画像認識方法。 - 前記2つの画素の画素値の領域が、エッジ強度が弱い不安定な領域であるか否かを判定する安定領域判定工程をさらに有し、
前記符号化コード生成工程は、前記安定領域判定工程により、前記2つの画素の画素値の領域が、エッジ強度が弱い不安定な領域であると判定された場合であって、当該2つの画素の画素値の一方から他方を引いた値が、第1の閾値から第2の閾値までの間にある場合に、当該2つの画素の画素値のペアに対応するコードとして複数のコードを生成することを特徴とする請求項8又は9に記載の画像認識方法。 - 前記符号化コード生成工程は、前記2つの画素の画素値のペアに対応するコードを1つずつ組み合わせたものを前記符号化コードとして生成することを特徴とする請求項8〜10の何れか1項に記載の画像認識方法。
- 前記符号化コード生成工程は、前記ヒストグラム生成領域における基準となる画素とその他の画素を前記2つの画素として、当該2つの画素の画素値のペアに対応するコードを生成することを、前記ヒストグラム生成領域における前記その他の画素の全てについて行った結果から、前記2つの画素の画素値のペアに対応するコードを生成することを特徴とする請求項8〜11の何れか1項に記載の画像認識方法。
- 前記符号化コード生成工程により生成される前記符号化コードは、LBP(Local Binary Pattern)コードであることを特徴とする請求項8〜12の何れか1項に記載の画像認識方法。
- 前記物体は、顔であることを特徴とする請求項8〜13の何れか1項に記載の画像認識方法。
- 請求項8〜14の何れか1項に記載の画像認識方法の各工程をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
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