JP6742221B2 - オブジェクト追跡装置及びそのプログラム - Google Patents
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Description
オブジェクト追跡装置は、履歴データ生成部によって、軌跡毎に、軌跡生成からの経過時間、赤外光領域の検出成否、及び、赤外光領域の検出位置を表した履歴データを生成する。
オブジェクト追跡装置は、検出成功回数判定部によって、経過時間が遅延時間に等しい場合、履歴データの検出成否に基づいて軌跡生成からの検出成功回数を算出し、算出した検出成功回数が予め設定した閾値以上であるか否かを判定する。
オブジェクト追跡装置は、軌跡描画部によって、遅延させた可視画像に対して、経過時間が遅延時間を超える軌跡と、検出成功回数が閾値以上の軌跡とを履歴データの検出位置に描画する。
本発明に係るオブジェクト追跡装置は、オブジェクトにセンサを付けることなく、高速で移動するオブジェクトを確実に追跡し、正確な軌跡を描画することができる。これにより、本発明に係るオブジェクト追跡装置は、様々なシーンにおけるオブジェクトの軌跡描画が可能になると共に、軌跡描画の品質を向上させることができる。
[オブジェクト追跡システムの概略]
図1を参照し、本発明の第1実施形態に係るオブジェクト追跡システム1の概略について説明する。
以後の各実施形態では、フェンシングにおいて、選手(第2オブジェクト)が持つ剣先(オブジェクト)を追跡対象として説明する。フェンシングの最中、両選手の剣先は、高速で移動することが多い。
図2に示すように、この赤外光投光器10が投光した赤外光は、両選手の剣先90に付けた反射テープ(赤外光マーカ)91で反射され、後記する可視・赤外同軸光カメラ20で撮影される。
なお、図1では、左側の選手が持つ剣先90の軌跡T1を破線で図示し、右側の選手が持つ剣先90の軌跡T2を一点鎖線で図示した。
図3を参照し、オブジェクト追跡装置30の構成について説明する。
図3に示すように、オブジェクト追跡装置30は、赤外光検出・識別手段31と、履歴データ解析手段33と、軌跡描画手段35と、を備える。
なお、赤外光検出部311は、静止しているノイズブロブの発生を抑えるために2値赤外差分画像Sxy tを生成したが、赤外画像Itで輝度が高い領域を候補ブロブとして抽出してもよい。
図4を参照し、軌跡生成部313による軌跡Tの接続を説明する。
図4に示すように、各軌跡T(T1,T2)には、赤外画像Itにおける予測位置pT(pT1,pT2)と、探索範囲AT(AT1,AT2)とが設定されている。ここで、前フレームt−1の処理を行った際、後記する位置予測部317が、現フレームtの予測位置pT及び探索範囲ATを算出し、軌跡生成部313に出力する。
なお、軌跡生成部313は、予め設定した時間(フレーム数)、ある軌跡Tに検出ブロブBが接続されなかった場合、その軌跡Tを消去する。
剣先方向識別部315は、検出ブロブBに基づいて可視画像Vtに可視光領域を設定し、設定した可視光領域の画像特徴量を算出し、算出した画像特徴量の機械学習により検索90の方向を識別するものである。ここで、剣先方向識別部315は、検出ブロブBが軌跡生成部313から入力され、現フレームtの可視画像Vtが可視画像蓄積部351から入力される。
なお、剣先方向識別部315は、動領域に限定するため、2値可視差分画像Ktから可視光領域を切り出したが、可視画像Vtから可視光領域を切り出してもよい。
走査線毎の左右輝度比は、下記の式(3)で表される。ここで、Fyは、可視光領域で垂直座標yに位置する走査線における左右輝度比である。また、sumKy L,sumKy Rはそれぞれ、走査線yにおける左半分の輝度総和、右半分の輝度総和である。
LBPは、テクスチャ解析で用いられるパターンベースの特徴量であり、識別精度が高く、計算コストが低い(参考文献1参照)。このLBPは、ラスタスキャンのように注目画素を移動させながら、下記の式(4)を用いて算出する。
参考文献1:寺島他、“勾配情報を用いたLocal Binary Pattern の改良”、DEIM Forum 2014, F5-4
なお、P,Rの値は、前記した例に限定されないことは言うまでもない。
座標(i,j)における画像f(i,j)の(p+q)次モーメントmpqは、下記の式(5)で定義される。2値画像の場合、0次モーメントm00は、面積を表す。また、m10/m00及びm01/m00は、重心座標G(iG,jG)を表す。
参考文献2:西山, “カルマンフィルタ”、電子情報通信学会「知識ベース」-1群(信号・システム)-5編(信号理論)-6章,2011.3.4
なお、位置予測部317は、位置予測アルゴリズムとして、計算コストが高くなるが、精度の高いパーティクルフィルタを用いることもできる。
履歴データ生成部319は、軌跡T毎に履歴データを生成するものである。本実施形態では、履歴データ生成部319は、図7に示すように、軌跡T1,T2の履歴データをそれぞれ生成する。
軌跡生成からの経過時間(以後、「経過時間」)は、軌跡Tを生成してからのフレーム数を表す。
検出ブロブBの検出位置(以後、「検出位置」)は、検出ブロブBを検出した画像座標(x,y)を表す。つまり、検出位置をフレーム順に並べると、軌跡Tとなる。
検出ブロブBの検出成否(以後、「検出成否」)は、検出ブロブBの検出の成否を表す。
例えば、検出成否は、検出ブロブBの検出が成功した場合に‘1’、検出ブロブBの検出が失敗した場合に‘0’となる。
剣先90の方向(以後、「剣先方向」)は、識別した剣先90の方向を表す。例えば、剣先方向は、剣先90が左向きの場合に‘−1’、剣先90が右向きの場合に‘1’となる。
なお、1〜3行目の経過時間が‘0’なので、この間は軌跡90が存在しないことを表す。また、5行目の検出成否が‘0’なので検出失敗を表す。つまり、累計フレーム数が‘011505’のフレームが欠落している。
履歴データ解析手段33は、履歴データを参照し、欠落したフレームの補間、ノイズブロブの消去、軌跡Tの平滑化、軌跡Tと選手との対応付けを行う。この履歴データ解析手段33は、履歴データ補間部331と、遅延時間判定部333と、消去判定部(検出成功回数判定部)335と、選手判定部(第2オブジェクト判定部)337と、を備える。
前記したように、剣先90が高速に動いた場合、激しいモーションブラーにより、30fpsのカメラでは、剣先90を正確に捉えきれず、検出ブロブBの検出失敗が多発する。そこで、履歴データ補間部331は、欠落したフレームの検出位置を曲線補間又は線形補間することで、フレームの欠落がない履歴データとする。
本実施形態では、曲線補間アルゴリズムとして、以下で説明するラグランジュ補間を利用する。
ここで、互いに異なるn+1個の点x0,x1,…,xnに対して、関数値f(x0),f(x1),…,f(xn)が与えられているとする。このとき、pn(xi)=f(xi)を満たすxのn次多項式pn(x)を下記の式(9)で求め、これを用いてf(x)の補間を行うことをラグランジュ補間という。
また、遅延時間判定部333は、履歴データの経過時間dが遅延時間mに等しい場合、消去判定部335に履歴データを出力する。
また、遅延時間判定部333は、履歴データの経過時間dが遅延時間m未満の場合、軌跡Tを描画しないので、何の処理も行わない。つまり、軌跡Tを描画するまでにあえて遅延時間mを設け、ノイズの抑制や軌跡Tの描画品質の向上を図っている。
一方、消去判定部335は、検出成功回数nが閾値N以上の場合、選手判定部337に履歴データを出力する。
図8を参照し、履歴データ解析手段33の処理例について説明する(適宜図3参照)。
図8では、履歴データにおいて、検出ブロブBの検出に成功したフレームを‘●’で図示し、検出ブロブBの検出に失敗した欠落フレームを‘○’で図示した。また、遅延時間m=15、閾値N=8とする。また、各軌跡を生成した時刻t−mから現フレームtまでの経過時間dが遅延時間mに等しいこととする。
軌跡描画手段35は、履歴データを参照し、軌跡Tを描画すると共に、描画した軌跡Tを可視画像Vに合成するものである。この軌跡描画手段35は、可視画像蓄積部(可視画像遅延部)351と、軌跡描画部353と、を備える。
図10,図11を参照し、オブジェクト追跡装置30の動作について説明する(適宜図3参照)。
図10に示すように、赤外光検出部311は、2値赤外差分画像(It−It−1)を生成し、抽出した候補ブロブにモルフォロジ処理を施す(ステップS1)。
履歴データ生成部319は、軌跡T毎に、経過時間、検出成否及び検出位置を表す履歴データを生成する(ステップS6)。
履歴データ補間部331は、履歴データで欠落したフレームを、欠落したフレームに前後するフレームの検出位置に基づいて補間する(ステップS7)。
経過時間dが遅延時間mに等しい場合(ステップS9でd=m)、消去判定部335は、検出成功回数nを算出し、検出成功回数nが閾値N以上であるか否かを判定する(ステップS10)。
ここで、軌跡Tが1本も存在しない場合(軌跡数が0の場合)、選手判定部337は、剣先方向の多数決により選手を判定する。
一方、軌跡Tが1本のみ存在する場合(軌跡数が1の場合)、選手判定部337は、存在する軌跡Tに対応した選手と対戦相手の選手と判定する。つまり、選手判定部337は、フェンシングでは選手が二人しかいないので、残った選手と判定する(ステップS11)。
経過時間dが遅延時間mを超える場合(ステップS9でd>m)、又は、ステップS12の処理に続いて、軌跡描画部353は、選手ID毎に異なる色で軌跡Tを描画し(ステップS13)、処理を終了する。
経過時間dが遅延時間m未満の場合(ステップS9でd<m)、オブジェクト追跡装置30は、処理を終了する。
本発明の第1実施形態に係るオブジェクト追跡装置30は、剣先90にセンサを付けることなく、高速で移動する剣先90を確実に追跡し、正確な軌跡Tを描画することができる。これにより、オブジェクト追跡装置30は、フェンシングにおける剣先90の軌跡描画が可能になると共に、軌跡描画の品質を向上させることができる。
さらに、オブジェクト追跡装置30は、遅延時間分の履歴データを利用することで、軌跡Tを滑らかに描画することができる。
図12を参照し、本発明の第2実施形態に係るオブジェクト追跡システム1Bについて、第1実施形態と異なる点を説明する。
オブジェクト追跡システム1Bは、フェンシングの試合状況に応じて、軌跡Tの描画を制御するものである。例えば、オブジェクト追跡システム1Bは、一方の選手がポイントを取得した場合、その選手の剣先90の軌跡Tのみを表示する。
なお、オブジェクト追跡装置30Bの詳細は、後記する。
図13を参照し、オブジェクト追跡装置30Bの構成について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図13に示すように、オブジェクト追跡装置30Bは、赤外光検出・識別手段31と、履歴データ解析手段33と、軌跡描画手段35Bと、を備える。なお、赤外光検出・識別手段31及び履歴データ解析手段33は、第1実施形態と同様のため、説明を省略する。
前記したように、審判器用カメラ50は、同一画角で電気審判器40を撮影する。従って、色領域画像では、図14に示すように、ライト41R,41Gが同一の位置に映っている。
また、閾値TRは、ライト41Rが点灯しているときの平均画素値Rxy tより低く、ライト41Rが点灯していないときの平均画素値Rxy tより高くなるように、予め設定する(閾値TGも同様)。
識別信号生成部355は、電気審判器40から識別信号が入力された場合、入力された識別信号をそのまま軌跡描画部353Bに出力する。
軌跡描画部353Bは、識別信号生成部355から識別信号が入力された場合、予め設定した軌跡描画処理を行うものである。ここで、軌跡描画部353Bは、識別信号が表す選手に対応する軌跡Tの描画停止や、その軌跡Tの消去を行う。また、軌跡描画部353Bは、識別信号が表す選手以外の他の選手に対応する軌跡Tの強調を行う。
図16,図17を参照し、オブジェクト追跡装置30Bの動作について説明する(適宜図13参照)。
なお、図16のステップS1〜S8、図17のステップS9〜S14の処理は、第1実施形態と同様のため、説明を省略する。
識別信号が入力されていない場合(ステップS15でNo)、オブジェクト追跡装置30Bは、処理を終了する。
本発明の第2実施形態に係るオブジェクト追跡装置30Bは、第1実施形態と同様の効果を奏する。さらに、オブジェクト追跡装置30Bは、ポイントを失った選手に対応する軌跡Tの描画停止や消去、ポイントを取得した選手に対応する軌跡Tの強調といった、軌跡描画処理を行うことができる。これにより、オブジェクト追跡装置30Bは、視聴者がフェンシングの試合状況をより把握し易くなる。
以上、本発明の各実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
可視・近赤外同時撮影カメラは、RGBに加えIR(近赤外光)を分光する4波長分光プリズムを用いて、それぞれの波長毎のセンサ、合計4枚のセンサで撮影するカメラである。この可視・近赤外同時撮影カメラは、RGBセンサによる可視画像、及び、IRセンサによる赤外画像を個別に出力することが可能である。つまり、オブジェクト追跡装置は、第1実施形態と同様、可視・近赤外同時撮影カメラから可視画像及び赤外画像を取得し、軌跡合成画像を出力できる。
可視・近赤外マルチ波長カメラは、RGB3色以外に近赤外領域で3つの波長を分光するマルチ波長分光プリズムを利用したカメラである。通常、カメラは、IRカットフィルタ又は可視光カットフィルタを装着して可視分光特性又は近赤外分光特性に示される波長を取り出し、可視光又は近赤外のみの画像を取得する。しかし、可視・近赤外マルチ波長カメラは、IRカットフィルタ及び可視光カットフィルタを装着せず、基本分光特性に示される波長全てを取り出すことで、可視光及び近赤外光を合成した可視・赤外合成画像を生成する。
前記した各実施形態では、フェンシングを一例として説明したが、オブジェクト追跡装置は、これに限定されない。つまり、オブジェクト追跡装置は、テニス、バドミントン、バレーボール等、選手の位置が入れ替わらないスポーツにも適用することができる。例えば、バドミントンの場合、オブジェクト追跡装置は、選手が持つラケットの方向を識別し、ラケットの軌跡に左右の選手を対応付けることで、両選手が持つラケットの軌跡を異なる色で描画することができる。
311 赤外光検出部
313 軌跡生成部
315 剣先方向識別部(オブジェクト方向識別部)
317 位置予測部
319 履歴データ生成部
331 履歴データ補間部
333 遅延時間判定部
335 消去判定部(検出成功回数判定部)
337 選手判定部(第2オブジェクト判定部)
351 可視画像蓄積部(可視画像遅延部)
353,353B 軌跡描画部
355 識別信号生成部
Claims (3)
- 赤外光マーカを付けて移動する1以上のオブジェクトを赤外光で撮影した赤外画像と、前記オブジェクトを可視光で撮影した可視画像とを用いて、前記オブジェクトを追跡するオブジェクト追跡装置であって、
前記赤外画像から前記赤外光マーカの領域を赤外光候補領域として抽出し、予め設定した面積及び形状特徴量の範囲内の前記赤外光候補領域を、予め設定した前記オブジェクトの数だけ前記赤外光候補領域の面積が広い順に赤外光領域として検出する赤外光検出部と、
前記赤外画像に前記オブジェクトを追跡した軌跡が存在しない場合、検出した前記赤外光領域を新たな前記軌跡として生成し、前記赤外画像に前記軌跡が存在する場合、前記赤外光マーカの予測位置を中心とした探索範囲内で前記予測位置に最も近い赤外光領域を、存在する前記軌跡に接続する軌跡生成部と、
位置予測アルゴリズムにより、前記検出した赤外光領域の位置から、次の前記赤外画像における前記赤外光マーカの予測位置及び探索範囲を算出する位置予測部と、
前記軌跡毎に、軌跡生成からの経過時間、前記赤外光領域の検出成否、及び、前記赤外光領域の検出位置を表した履歴データを生成する履歴データ生成部と、
前記軌跡毎に、前記履歴データの経過時間が予め設定した遅延時間を超えるか、及び、前記経過時間が前記遅延時間に等しいかを判定する遅延時間判定部と、
前記経過時間が前記遅延時間に等しい場合、前記履歴データの検出成否に基づいて前記軌跡生成からの検出成功回数を算出し、算出した前記検出成功回数が予め設定した閾値以上であるか否かを判定する検出成功回数判定部と、
前記赤外画像と同一光軸及び同一画素数の前記可視画像を前記遅延時間だけ遅延させる可視画像遅延部と、
遅延させた前記可視画像に対して、前記経過時間が前記遅延時間を超える軌跡と、前記検出成功回数が前記閾値以上の軌跡とを前記履歴データの検出位置に描画する軌跡描画部と、
を備えることを特徴とするオブジェクト追跡装置。 - 前記抽出した赤外光領域に基づいて前記可視画像に可視光領域を設定し、設定した前記可視光領域の画像特徴量を算出し、算出した前記画像特徴量の機械学習により予め設定した前記オブジェクトの方向を識別するオブジェクト方向識別部、をさらに備え、
前記履歴データ生成部は、前記履歴データに前記オブジェクトの方向を付加し、
前記履歴データのオブジェクト方向を多数決することで前記オブジェクトに対応する第2オブジェクトを判定し、判定した前記第2オブジェクトを前記軌跡に対応付ける第2オブジェクト判定部、をさらに備え、
前記軌跡描画部は、前記検出成功回数が前記閾値以上の軌跡を、当該軌跡に対応付けた第2オブジェクト毎に異なる色で描画することを特徴とする請求項1に記載のオブジェクト追跡装置。 - コンピュータを、請求項1又は請求項2に記載のオブジェクト追跡装置として機能させるためのオブジェクト追跡プログラム。
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