JP7608826B2 - 動画生成装置、動画生成方法、プログラム、記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、動画生成装置、動画生成方法、プログラム、及び、記憶媒体に関する。

全天球画像等のパノラマ画像に対して仮想的なカメラ（以下、仮想カメラという）のカメラワークを作成し通常画角の動画を生成する技術が従来から知られている。カメラワークとは、時系列に変化する仮想カメラのカメラパラメータ（位置、姿勢、焦点距離等）である。カメラワークにより様々な視点からパノラマ画像を見た場合の動画を情報処理装置などが表示することができる。

特許文献１には、マルチカメラで撮影した動画から一つの動画を作成する技術が開示されている。

特許文献２には、パノラマ画像から被写体をトラッキングした動画を生成する技術が開示されている。

特許文献３には、全方位動画からの動画切り出しによって、所定経路に沿って移動する視点から見た視界を動画として提示する技術が開示されている。

特許文献４には、１枚の全天球画像から重要領域を抽出し、重要領域を遷移する形で動画を生成する技術が開示されている。

これらの技術は、複数のパノラマ画像に対して通常動画を生成するために、パノラマ動画を複数のパノラマ静止画の集合と捉えて、パノラマ動画に対する動画を生成する手法である。

しかしながら、従来のパノラマ画像から作成された通常画角の動画においては、カメラワークについて、各パノラマ画像に対する適合度やパノラマ画像間の相互関係という観点による品質という観点で改善の余地があった。

本発明は、上記課題に鑑み、パノラマ画像から品質が高い通常画角の動画を生成することができる動画生成装置を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明は、複数のパノラマ画像から前記パノラマ画像よりも画角が狭い動画を生成する動画生成装置であって、複数のパノラマ画像に対して、前記パノラマ画像の各領域の重要度分布に応じて仮想カメラのカメラワークタイプの適合度を算出する適合度算出部と、前記適合度及び各カメラワークタイプの出現頻度に基づいて前記複数のパノラマ画像へのカメラワークタイプの割り当てを決定するタイプ割り当て部と、割り当てられたカメラワークタイプで前記複数のパノラマ画像から前記パノラマ画像よりも画角が狭い動画を作成する動画符号化部と、を備えることを特徴とする。

パノラマ画像から品質が高い通常画角の動画を生成することができる動画生成装置を提供することができる。

カメラパラメータとカメラワークを説明する図である。 動画生成装置のハードウェア構成図の一例である。 動画生成装置が有する機能をブロック状に示す機能ブロック図の一例である。 動画生成装置がカメラワークを生成する手順を示すフローチャート図の一例である（第一の実施形態）。 カメラワークタイプの一例を示す図である。 混合von Mises－Fisher分布の一例を可視化した図である。 第二の実施形態における動画生成装置が有する機能をブロック状に示す機能ブロック図の一例である。 動画生成装置がカメラワークを生成する手順を示すフローチャート図の一例である（第二の実施形態）。 第二の実施形態におけるカメラワークタイプの一例を示す図である。 第三の実施形態における動画生成装置が有する機能をブロック状に示す機能ブロック図の一例である。 動画生成装置がカメラワークを生成する手順を示すフローチャート図の一例である（第三の実施形態）。 第四の実施形態における動画生成装置が有する機能をブロック状に示す機能ブロック図の一例である。 動画生成装置がカメラワークを生成する手順を示すフローチャート図の一例である（第四の実施形態）。 CAGNにおいてカメラワークタイプとパノラマ画像から出力される適合度を模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態の一例として、動画生成装置と動画生成装置が行う動画生成方法について説明する。

＜用語について＞
始めに本実施形態で使用される用語について説明する。

カメラパラメータとは、三次元空間において仮想カメラの視点を決定する情報であり、例えば、仮想カメラの位置、姿勢、焦点距離、アスペクト比、又は、レンズ歪み等の１つ以上をいう。

カメラワークとはカメラパラメータを時系列に並べたものである。

仮想カメラとは、実際に存在するカメラでなく、規定されたカメラパラメータで撮影画像を生成する仮想的に存在するカメラである。

適合度はその画像の審美性や対象物体の認識性などを反映したもので、人間によって主観的に設定されたものであり、人間が好ましいと感じるほど高い値を示すことが好ましい。

＜本実施形態の概略＞
従来の技術は、複数のパノラマ画像に対して通常動画を生成するために、パノラマ動画を複数のパノラマ静止画の集合と捉えて、パノラマ動画に対する動画を生成する手法である。

しかし、一般的な複数のパノラマ画像はシーンが連続していないため、動画生成装置が、フレーム間の画像の滑らかな変化を仮定する従来のパノラマ動画に対する動画生成手法を採用することは困難である。

また、従来の単一のパノラマ静止画像に対して動画を生成する手法を各画像に適用して、生成された動画をつなぎ合わせる手法もある。しかしこの手法では、各パノラマ画像に対して独立に処理が施されるため、同じようなカメラワークが連続し、単調な動画が生成されるおそれがある。

そこで、本実施形態では、パノラマ画像に対して仮想的なカメラワークを作成し通常画角の動画を生成する際に、各パノラマ画像に対する適合度とパノラマ画像間の相互関係を考慮することで、同じようなカメラワークタイプが連続しないようにする。これにより、パノラマ画像から品質の高い通常画角の動画を生成することができる。

［第１の実施形態］
第一の実施形態として、動画生成装置が、複数の固定のカメラワークを各パノラマ画像に適応的に割り当てて１つの動画を生成する例を説明する。まず、動画生成装置の処理を説明するに際し、前提条件を説明する。

パノラマ画像とは広角撮影された画像を指し、広角撮影とは出力される動画の画角よりも広く撮影されていることを意味する。たとえば、画角が６０度の場合でも出力される動画の画角が６０度未満であれば、本実施形態においては元の画像はパノラマ画像と捉える。また、水平360度、垂直180度の全方位を撮影した全天球画像もパノラマ画像である。

パノラマ画像を撮影したカメラの内部パラメータやレンズ歪みは別手段により校正済みであり、パノラマ画像の各画素の三次元空間中の相対的な投影方向は既知であるものとする。この時、パノラマ画像は二次元単位球面に再投影することが可能である。形式的に書けば、画素iの投影方向を(xi,yi,zi)∈R³（ただしxi²+yi²+zi²=1）として、画素iの画素値を二次元単位球面の位置(xi,yi,zi)に割り当てれば良い。画素の位置は離散的であるが、動画生成装置は、最近傍法、バイリニア法、バイキュービック法などを使用して補間することで、二次元単位球面上に連続的に画素値を割り当てることができる。この二次元単位球面を以下では「画像球面」と呼ぶ。

次にカメラワークを定義する。カメラワークとはパノラマ画像を部分的な透視投影画像に変換する仮想カメラのパラメータの時系列データを指す。

図１は、カメラパラメータとカメラワークを説明する図である。動画生成装置は、パノラマ画像を画像球面に投影し、この画像球面を仮想カメラで撮影平面に投影する形で部分的な透視投影画像を得る。図１（ａ）に示すように、仮想カメラのパラメータには投影中心、光軸方向、光軸回転、及び、焦点距離などがある。他にもアスペクト比やレンズ歪み係数などが仮想カメラのパラメータに含まれていてもよい。典型的には、投影中心を画像球中心と一致させることで、歪みのない自然な透視投影画像を得ることができる。投影中心が画像球面上に存在し、かつ、画像球中心が光軸上に存在する場合はステレオ投影法となり、180度以上の視野を一つの平面画像に効果的に収めることができる。

また、図１（ｂ）に示すように、カメラワークタイプとは、画像に対してカメラワークを生成する際のパラメータのことである。形式的には、画像集合をX、パラメータ集合をZ、カメラワーク集合をY、カメラワーク生成の写像をG:X×Z→Yとした時、パラメータ集合Zの元をカメラワークタイプと呼ぶ。第一の実施形態では、パラメータ集合Zは有限個の元からなり、Gがパラメータ集合Zの元をカメラワーク集合Yの1つ元に対応させる場合を扱う（したがって、カメラワークタイプは画像には依存しない。）。

＜構成例＞
図２は、動画生成装置１００のハードウェア構成図の一例を示す。図２に示すように、動画生成装置１００は、ＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、入力部１４、表示部１５、及び、接続Ｉ/Ｆ１６を有する。

ＣＰＵ１１は、動画生成装置１００の動作を統括的に制御する。ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１３の所定の領域を作業領域として、ＲＯＭ１２に記憶されている各種制御プログラムを実行して、動画生成装置１００が有する各種の機能を実現させる。動画生成装置１００が有する機能の具体的な内容については後述する。

ＲＯＭ１２は、動画生成装置１００に関わるプログラムや各種設定情報などを記憶する不揮発性のメモリ（書き換え不可能なメモリ）である。ＲＡＭ１３は、例えばＳＤＲＡＭなどの記憶手段であって、ＣＰＵ１１の作業エリアとして機能し、プログラムや各種のデータを一時的に記憶する。

入力部１４は、ユーザからの入力（キーボード、マウス、音声などの操作）を受け付けるための周辺機器である。表示部１５は、動画生成装置１００に関する各種の情報を表示する部品又は外付けの周辺機器であり、例えば液晶ディスプレイなどで構成される。なお、表示部１５と入力部１４とが一体的に構成されるタッチパネル等の形態であってもよい。接続Ｉ/Ｆ１６は、外部機器と接続するためのインタフェースである。例えば、接続Ｉ/Ｆ１６は、ＵＳＢなどの汎用的なインタフェースでもよいし、有線又は無線で外部の機器と通信する通信インタフェースでもよい。

＜動画生成装置の機能＞
次に、図３を用いて本実施形態における動画生成装置１００が有する機能について説明する。図３は、動画生成装置１００が有する機能をブロック状に示す機能ブロック図の一例である。動画生成装置１００は、画像取得部１０１、重要度算出部１０２、適合度算出部１０３、タイプ割り当て部１０４、及び、動画符号化部１０５を有する。動画生成装置１００が有するこれらの各機能は、図２に示したＲＯＭ１２からＲＡＭ１３に展開されたプログラムをＣＰＵ１１が実行することにより実現されている機能又は手段である。なお、このプログラムは、プログラム配信用のサーバから配信されてもよいし、ＵＳＢメモリや光記憶媒体などのコンピュータ読み取りが可能な記憶媒体に記憶された状態で配布されてもよい。

また、図３に示す記憶装置２０は、パノラマ画像を記憶する装置である。記憶装置２０は、例えば、ＵＳＢメモリ、外付けのＨＤＤ、ＮＡＳ（Network Attached Storage）、又は、サーバなどであるが、パノラマ画像を記憶していればよい。また、記憶装置２０は動画生成装置１００の内部に存在してもよい。

動画生成装置１００の各機能は図４に示すフローチャート図の各ステップと対応しているため、動画生成装置１００の各機能についてはフローチャート図を参照して説明する。

図４は本実施形態において動画生成装置１００がカメラワークを生成する手順を示すフローチャート図の一例である。以下、図４のフローチャート図に従って説明する。

（処理ステップＳ１０１）
処理ステップＳ１０１では、画像取得部１０１が記憶装置２０から複数の処理対象のパノラマ画像を取得する。

（処理ステップＳ１０２）
処理ステップＳ１０２では、取得したパノラマ画像中の各領域の重要度を重要度算出部１０２が算出する。重要度算出部１０２は好ましくは各画素について重要度を算出するが、サブピクセル精度で算出してもよいし、特定の領域ごとに算出してもよい。

また、重要度とは、視聴者がその領域を視聴する重要性を示す指標であり、次の手法で近似的に算出される。一つは視覚的顕著性検出を用いる方法である。視覚的顕著性検出には、エッジや孤立点などに高い顕著性を設定するといった個々のルールをボトムアップ的に積み上げる手法や、ニューラルネットワークやサポートベクターマシン等の機械学習手法を用いて入力された画像からトップダウンで推定する手法などがある。本実施形態においてはいずれの手法も用いることができる。また、視覚的顕著性とは別の方法として、担当者が予め重要度の高い物体カテゴリを定めておき（たとえば、人物、顔、動物、自動車、など）、物体検出アルゴリズムによりその物体が検出された領域の重要度が高いとすることもできる。あるいは、重要度算出部１０２がパノラマ画像中のシーンのレイアウト推定を行い、シーンの放射構図、三分割構図、又は、水平構図などが得られる方向の重要度を高いと推定してもよい。あるいは、重要度算出部１０２は、ニューラルネットワークのアテンション機構で得られるアテンションを重要度として用いてもよい。アテンション機構とは、主に機械翻訳や画像処理等を目的としたEncoder－Decoderモデルに導入される要素ごとの関係性、又は、注意箇所を学習する機構である。

なお、上記の視覚的顕著性検出、物体検出、レイアウト推定、及び、アテンションの各手法を組み合わせて用いることもできる。本ステップにより、方向v∈S²（S²は二次元単位球面）の重要度I(v)∈Rが得られる。以下ではI:S²→Rを重要度分布Iと呼ぶ。
１．重要度分布は複数の確率分布の組み合わせで構成される。
２．重要度分布を構成する個々の確率分布を要素分布と表現する。

（処理ステップＳ１０３）
処理ステップＳ１０３では、適合度算出部１０３がパノラマ画像の重要度分布Iから事前に用意されたカメラワークタイプの適合度を算出する。

図５はカメラワークタイプの一例を示す。たとえば図５に示すように、カメラワークには、
(a) 投影中心を画像球中心に一致させた上で光軸方向を水平方向にパノラマ画像の端から端まで移動させるもの（全周画像の場合は一回転）、
(b) 光軸方向を重力方向に固定してステレオ投影法で光軸回転するもの、
(c) 光軸方向を重力と逆方向に固定してステレオ投影法で光軸回転するもの、
などがある。

これらのカメラワークタイプはそれぞれ特長が異なっており、(a)は水平方向に広く視聴する動画生成に、(b)(c)は垂直方向の広い視野を俯瞰する動画生成に、向いている。

適合度算出部１０３は、各パノラマ画像に対して、重要度分布Iに応じて各カメラワークタイプの適合度を算出する。具体的な手法の一つとして、重要度分布Iを混合von Mises－Fisher分布でモデル化し、そのモデルのパラメータからカメラワークタイプの適合度を算出することができる。混合von Mises－Fisher分布とは、確率変数v∈S²に対して式（１）の確率密度関数を持つ確率分布である。

各係数は以下のとおりである。

Kは要素分布の個数
α_K∈[0,1]はk番目の要素分布の混合率（Σ^K _K=1α_K＝１）
μ_K∈S²はk番目の要素分布の平均方向
κ_K∈R(≧0)はk番目の要素分布の集中度（κはカッパ）
<・,・>は内積（R³の標準内積）
C(κ_k)∈Rは式（２）を満たす正規化定数

図６は、混合von Mises－Fisher分布の一例を可視化した図を示す。図６では、極座標に対して濃淡で確率密度を表現した。

混合von Mises－Fisher分布では{α_k, μ_k, κ_k}^K _k=1がパラメータとなる。適合度算出部１０３はこのパラメータを、重要度分布Iに対して最尤推定で求める。具体的には適合度算出部１０３は、式（３）の対数尤度を最大化する{α_k, μ_k, κ_k}^K _k=1を求める。

式（３）の対数尤度の最大化はＥＭアルゴリズム（Expectation Maximization Algorithm）により効率的な計算が可能である。適合度算出部１０３は、このようにして求めた{α_k, μ_k, κ_k}^K _k=1から各カメラワークタイプの適合度を算出する。たとえば、水平移動のカメラワークタイプ(a)の適合度としては、平均方向μ_k,と重力方向g∈S²の内積の平均を1から引いたもの（水平方向に重要度の分布が広がっているほど値が大きくなる）が適合度である。重力方向ステレオ投影回転(b)では、平均方向μ_k,と重力方向g∈S²の内積の平均（要素分布が重力方向に広がっているほど値が大きくなる）が適合度である。重力逆方向ステレオ投影回転(c)では、平均方向μ_k,と重力逆方向－g∈S²の内積の平均（要素分布が重力逆方向に広がっているほど値が大きく成る）が適合度である。

適合度の算出方法はこれらに限るものではなく、重要度の分布に沿った形でカメラワークタイプを評価できるものであればよい。以上のようにして求めたｎ番目のパノラマ画像に対するｍ番目のカメラワークタイプの適合度をDnmと表記する。

（処理ステップＳ１０４）
処理ステップＳ１０４では、タイプ割り当て部１０４が算出されたカメラワークタイプの適合度{Dnm}^N,M _n=1,m=1を用いて各パノラマ画像に対してカメラワークタイプを割り当てる。ここで、Nはパノラマ画像の数、Mはカメラワークタイプの個数である。同じタイプのカメラワークが多く出現すると、全体の動画として変化に乏しいものとなるため、担当者が各タイプのカメラワークの最低出現回数B（各タイプのカメラワークの出現頻度）を予め決めておく。

カメラワークタイプの出現頻度を考慮した上で各画像への適合度の最適化を図ることで、特定のカメラワークタイプに偏ることなく、各画像に対して適したカメラワークタイプを割り当てることができます。たとえば本実施形態によって、画像1は単体で見るとカメラワークタイプＡが適しているものの、画像２は画像１よりもよりカメラワークタイプＡの適合度が高いので、同じカメラワークタイプが連続しないように、カメラワークタイプＡの割り当てはより適合度が高い画像2に譲って、画像１にはカメラワークタイプＢを割り当てる、といった相互作用が働く。各パノラマ画像に対する適合度とパノラマ画像間の相互関係を考慮するができる。

その上で、タイプ割り当て部１０４は適合度の和が最大となるようなパノラマ画像に対するカメラワークタイプの割り当てを求める。割り当ては、n番目のパノラマ画像にm番目のカメラワークタイプを割り当てる時に1、そうでない場合に0を取る変数τ_nmを導入して、次の整数計画問題として定式化することができる（式（４））。

この整数計画問題の解法として、分枝限定法やメタヒューリスティクス（シミュレーティッドアニーリング、遺伝的アルゴリズム、タブーサーチなど）を用いることができる。特殊なケースとして、N=M,B=1の時にはハンガリー法により厳密解を求めることができる。

（処理ステップＳ１０５）
処理ステップＳ１０５では、動画符号化部１０５が設定されたカメラワークタイプで指定されるカメラワークに従って、各パノラマ画像から部分的な透視投影の動画を作成し1つの動画としてエンコーディングして出力する。以上で、パノラマ画像から品質の高い通常画角の動画を生成することができた。

＜処理のバリエーション＞
以下では、第一の実施形態において好適な処理のバリエーションを説明する。

（処理ステップＳ１０３）
処理ステップＳ１０３における混合von Mises－Fisher分布のパラメータ推定において、ベイズ推定を用いることで推定結果を安定化させることもできる。すなわち、適合度算出部１０３は、パラメータ{α_k, μ_k, κ_k}^K _k=1に対して事前分布を設定して、パラメータの事後分布を求める。これは変分ベイズ法を用いることで、近似計算が可能である。また、分布のパラメータ推定を経由せず、重要度分布からカメラワークタイプの適合度を直接算出することもできる。たとえば、水平移動のカメラワークタイプ(a)の場合、適合度算出部１０３は、方向v∈S²の重要度I(v)を式（５）のように重力方向g∈S²との内積に関する重みを使って積算して適合度を算出してもよい。

同様の考え方は、重力（逆）方向ステレオ投影回転のカメラワークタイプ(b)(c)でも用いることができ、重力（逆）方向の内積で重み付けして重要度を積算すればよい。

処理ステップS103では評価関数に重み{w_nm∈R}^N,M _n=1,m=1を導入して、選択されるカメラワークタイプを調整することも可能である。具体的には式（４）の評価関数を式（６）のように置き換える。

式（６）の評価関数によれば、重み{w_nm∈R}^N,M _n=1,m=1を調整することで、特定のカメラワークタイプの出現頻度を高めたり、画像の出現順序に対してカメラワークタイプの出現頻度を変えたりすることができる。また制約条件についても、同じカメラワークタイプが連続しないように、式（７）の制約を加えることも有用である。

また、適合度の算出について、上の例では適合度算出部１０３はヒューリスティックに設計を行なっていた。しかし人手で設計するのは手間がかかり、かつ精度にも限界があるため、適合度算出関数を機械学習によって求めても良い。そのためには、担当者が、事前に作成した画像とカメラワークタイプのセットで生成した動画を被験者に提示し、被験者に適合度の値を付けてもらい、複数の{画像、カメラワークタイプ、適合度}の組を持つデータセットを構築する。そして、{画像、カメラワークタイプ}から適合度を推定する回帰モデルＤを学習するという方法を取ることができる。回帰には線形回帰、ロジスティック回帰、サポートベクトル回帰、勾配ブースティング、又は、ニューラルネットワークなどを用いることができる。

以上説明した第一の実施形態によれば、カメラワークタイプの適合度と出現頻度を元に各パノラマ画像にカメラワークタイプの割り当てを行うことで、複数のパノラマ画像に対して、多様なタイプのカメラワークによる動画を生成することができる。

また、動画生成装置は、カメラワークタイプの出現頻度を制約条件又は評価関数に組み込み、カメラワークタイプの適合度の和が最大となるように、各パノラマ画像へのカメラワークタイプの割り当てを決定する。これにより、特定のカメラワークタイプの偏りを抑えた上で適切なカメラワークを各パノラマ画像に対して生成することができる。

また、画像中の重要度の分布に応じてカメラワークのタイプの適合度を算出することで、画像の内容に適応的なカメラワークを生成することができる。

［第２の実施形態］
第二の実施形態として、カメラワーク生成のモジュール（後述するカメラワーク生成部２０５）に与えるパラメータのセットの分類でカメラワークタイプを規定し、複数のパノラマ画像から１つの動画を生成する動画生成装置について説明する。

第一の実施形態ではカメラワークタイプに対してカメラワークは一つに固定されていたが、本実施形態ではカメラワークタイプが同じでも、パノラマ画像の内容に応じて異なるカメラワークが生成される。

図７は、第二の実施形態における動画生成装置１００が有する機能をブロック状に示す機能ブロック図の一例である。本実施形態の動画生成装置１００は、図３の動画生成装置１００に対してカメラワーク生成部２０５を有している。これらの機能について図８に基づいて説明する。

図８は、動画生成装置１００がカメラワークを生成する手順を示すフローチャート図の一例である。図４と比較すると、ステップＳ２０３が異なり、ステップＳ２０５が追加されている。以下では、図４との相違を主に説明する。ステップＳ２０１、Ｓ２０２は図４のステップＳ１０１、Ｓ１０２と同様でよい。

（処理ステップＳ２０３）
処理ステップＳ２０３では、適合度算出部２０３がパノラマ画像の重要度分布Iから事前に用意されたカメラワークのタイプの適合度を算出する。第二の実施形態におけるカメラワークのタイプとは、重要度分布からカメラワークを生成するカメラワーク生成部２０５におけるパラメータ（以降、生成パラメータという）を定めるものである。

同一の重要度分布に対して生成パラメータの違いによって異なるカメラワークが生成され、生成パラメータには中間構図数、経路補間方法、及び、加減速規則などが含まれる。

図９は、第二の実施形態におけるカメラワークタイプの一例を示す。以下の３つのカメラワークタイプを例にして説明する。
(d) 適合度算出部２０３が、１つの中間構図に対して微小変動を与えた経路を生成しその経路上を等速でカメラを動かす。
(e) 適合度算出部２０３が、２つの中間構図に対して線形補間で移動経路を生成し、仮想カメラをその経路上で加減速を伴い動かす。
(f) 適合度算出部２０３が、３つの中間構図に対してスプライン補間で移動経路を生成し、仮想カメラをその経路上で等速に動かす。

表１はカメラワークタイプ(d)～(e)の特徴を比較して示す。

適合度算出部２０３はこれらのカメラワークタイプに対して重要度分布から適合度を算出する。まず、適合度算出部２０３は、処理ステップS103と同様に混合von Mises－Fisher分布で重要度分布をモデリングし、そのパラメータ{α_k, μ_k, κ_k}^K _k=1を最尤推定によって得る。

ここで要素分布数Kは想定するカメラワークタイプの中間構図数の最大値の３に合わせる。

カメラワークタイプ(d)に対しては、混合率{α_k}^K _k=1の最大値とそれ以外の平均の差分を適合度とする。すなわち、１つの要素分布に重要度が集中しているほど適合度が高いものとする。

カメラワークタイプ(e)に対しては、混合率{α_k}^K _k=1の平均と最小値の差分を適合度とする。すなわち、２つの要素分布に重要度が集中しているほど適合度が高いものとする。

カメラワークタイプ(f)に対しては、混合率{α_k}^K _k=1の分散をσ²としてexp(－σ²)を適合度とする。すなわち、混合率のバラツキが少ないほど適合度が高いものとする。

以上のようにして求めたn番目のパノラマ画像に対するm番目のカメラワークの適合度をAnmとする。

（処理ステップＳ２０４）
処理ステップＳ２０４では、タイプ割り当て部２０４が算出されたカメラワークの適合度｛Dnm}^N,M _n=1,m=1を用いて各パノラマ画像に対してカメラワークを割り当てる。この処理は第一の実施形態における処理ステップS104と同様である。

（処理ステップＳ２０５）
処理ステップＳ２０５では、カメラワーク生成部２０５が割り当てられたカメラワークタイプに基づいて、各パノラマ画像に対してカメラワークを生成する。ここでは、処理ステップＳ２０２で求めた混合von Mises－Fisher分布のパラメータ{α_k, μ_k, κ_k}^K _k=1を用いてカメラワーク生成部２０５がカメラワークを生成する例を述べる。

すなわち、カメラワーク生成部２０５はパノラマ画像の各領域の重要度分布に関するパラメータ及びパノラマ画像を入力としてカメラワークを生成する。カメラワーク生成部は、タイプ割り当て部が割り当てたカメラワークタイプに応じてパラメータを設定する。

カメラワークタイプ(d)に関しては、カメラワーク生成部２０５が、まず混合率{α_k}^K _k=1が最大となる要素分布kを選択する。要素分布の平均方向μ_kを仮想カメラの光軸方向cとし、カメラワーク生成部２０５は集中度κ_kから仮想カメラの画角γを決定する。集中度κから仮想カメラの画角γの算出式として、たとえば式（８）を用いることができる。

η∈(0,1)はハイパーパラメータである。ηが大きいほどγが大きくなり、γ→0(η→0),γ→2π(η→1)である。なお、この定式化はvon Mises－Fisher分布の中心角に対する累積密度関数の関係式から導出したものである。

カメラワーク生成部２０５は、光軸方向cと画角γに微小変動を与えて（c_１,γ₁),（c₂,γ₂)を得る。そして、カメラワーク生成部２０５はこの二点を線形補間してカメラワークの経路c(s),γ(s)を生成する。すなわち、カメラワーク生成部２０５は光軸方向と画角をペアとして異なるペアの光軸方向と画角の間を仮想カメラのパラメータが遷移するカメラワークを生成する。

ここでs∈[0,1]である。カメラワークタイプ(d)では仮想カメラが等速運動を行うので、時刻t=0,1,…,Tに対してsを式（１０）のように設定する。

次にカメラワークタイプ(e)に関しては、カメラワーク生成部２０５が、まず、混合率{α_k}^K _k=1の大きい方から2つの要素分布k₁,k₂を選択する。カメラワーク生成部２０５は、それぞれの要素分布の平均方向μ_k1,μ_k2を仮想カメラの光軸方向c₁,c₂とし、集中度κ_k1,κ_k2から仮想カメラの画角γ₁,γ₂を式（８）で算出する。

中間構図１を（c_１,γ₁)、中間構図２を（c₂,γ₂)とする。カメラワーク生成部２０５は式（９）を用いて、２つの中間構図間を線形補間によって遷移する経路を生成する。次に、カメラワーク生成部２０５は時刻tに対するsを決定する。ここでは加減速のモデルとして躍度最小モデルを用いて、式（１１）のように設定する。

躍度最小モデルとは、二点間の軌道を加速度の微分である躍度の二乗の積分値が最小となるように生成するモデルである。躍度最小モデルは人間の手の運動を良好に再現することが知られている。なお、加減速のモデルは躍度最小モデルに限らず任意のモデルを用いることができる。

最後にカメラワークタイプ(f)に関して、カメラワーク生成部２０５は、まず、それぞれの要素分布の平均方向{μ_k}^K _k=1を仮想カメラの光軸方向{c_k}^K _k=1とし、集中度{κ_k}^K _k=1から仮想カメラの画角{γ_k}^K _k=1を式（８）で算出する。これらを中間構図として、カメラワーク生成部２０５は中間構図を通るカメラパラメータの経路をスプライン補間で生成し、その経路上を仮想カメラが等速運動で動くものとする。

（処理ステップＳ２０６）
処理ステップＳ２０６では動画符号化部２０６が設定されたカメラワークに従って、各パノラマ画像から部分的な透視投影の動画を作成し1つの動画としてエンコーディングして出力する。

＜処理のバリエーション＞
以下では、第二の実施形態において好適な処理のバリエーションを説明する。

まず、第一の実施形態と同様に、混合von Mises－Fisher分布のパラメータ推定への変分ベイズ法の適用、重要度分布からの適合度の直接計算、及び、評価関数の重み付けが可能である。

更に、第一の実施形態の固定カメラワークを第二の実施形態のカメラワークに混在させても良い。カメラワークタイプは、中間構図の数、中間構図数、経路補間方法、及び、加減速規則の組み合わせで様々なものを想定することができる。これ以外にも任意のカメラワークタイプを取ることができる（ただしカメラワークタイプの数が多い場合は不都合が生じ、不都合の解決には次の第三の実施形態を適用することが好ましい）。

本実施形態によれば、複数のパノラマ画像に対して、その画像の内容に応じて多様なカメラワークを生成することができる。

カメラワーク生成部が、パノラマ画像の各領域の重要度分布に関するパラメータ及びパノラマ画像を入力としてカメラワークを生成することで、カメラワークタイプの偏りを抑えた上で画像の内容に適応的なカメラワークを生成することができる。

パノラマ画像における重要度分布を、複数の分布を要素とする確率分布の混合分布（要素分布）とみなして、要素分布のパラメータに応じてカメラワークを生成することで、ロバストに画像の内容に適応的なカメラワークを生成することができる。

［第３の実施形態］
第三の実施形態として、カメラワークタイプの数が入力画像数に対して非常に大きい場合、極端なケースではカメラワークタイプが無限個ある場合に、各パノラマ画像にカメラワークタイプを割り当て、カメラワークを生成し動画を出力する動画生成装置について説明する。

このようなケースでは、異なるパノラマ画像に対して類似するカメラワークタイプが割り当てられて同じようなカメラワークが続く動画が生成されるという不都合が生じる可能性がある。

第三の実施形態では、動画生成装置が、カメラワークタイプ間の距離を規定し、その距離を制約条件、又は、評価関数に組み込むことで、多様なタイプのカメラワークを生成する。

図１０は、第三の実施形態における動画生成装置１００が有する機能をブロック状に示す機能ブロック図の一例である。本実施形態の動画生成装置１００は、図７の動画生成装置１００と同様である。ただし、適合度算出部３０３、及び、タイプ割り当て部３０４の処理の内容が異なっている。これらの機能について図１１に基づいて説明する。

図１１は、動画生成装置１００がカメラワークを生成する手順を示すフローチャート図の一例である。図１１は図８と同様であるが、ステップＳ３０３、Ｓ３０４の内容が異なる。以下では、図８との相違を主に説明する。

（処理ステップＳ３０３）
処理ステップＳ３０３では、適合度算出部３０３がパノラマ画像の重要度分布Iからカメラワークタイプの適合度を算出する。ここでは例として、第二の実施形態の(f)のカメラワークタイプを用い、式（１０）における動画長Tを変数としてカメラワークタイプを分ける（たとえばT=300とT=500は異なるカメラワークタイプである）。

カメラワークタイプを分ける際、重要度分布の広がり具合を用いることを考える。たとえば、処理ステップＳ１０３と同様に、適合度算出部１０３が重要度分布Iに対して混合von Mises－Fisher分布のパラメータ{α_k, μ_k, κ_k}^K _k=1を最尤推定によって得る。{μ_k}^K _k=1の分散をカメラワークタイプの適合度とする。以下では、n番目のパノラマ画像に対するカメラワークタイプmの適合度をDnmと表記する（上記の例ではm＝Tと考える）。

（処理ステップＳ３０４）
処理ステップＳ３０４では、タイプ割り当て部３０４が算出されたカメラワークの適合度Dnmを用いて各パノラマ画像に対してカメラワークを割り当てる。ここでは、タイプ割り当て部３０４は、カメラワークタイプm,m'間の距離d(m,m')を用いる。この距離が制約条件であり、典型的にはL2,L1などを用いることができる。

n番目のパノラマ画像に割り当てるカメラワークタイプをm_nとして、式（１２）の最適化問題を構成する。

タイプ割り当て部３０４はこの最適化問題を求解し、割り当て{m_n}^N _n=1を求める。最適化問題の解法としては、上記の例でm＝Tとした場合は整数計画問題となり、分枝限定法やメタヒューリスティクスで解く（線形緩和して次の方法で解いて良い）。m_nが実数である場合は、ペナルティ関数法、ラグランジュの未定乗数法、及び、一般化簡約勾配法など制約付き非線形計画法によって求解する。

（処理ステップＳ３０５）
処理ステップＳ３０５では、カメラワーク生成部３０５が割り当てられたカメラワークタイプに基づいて、各パノラマ画像に対してカメラワークを生成する。この処理は第二の実施形態における処理ステップＳ２０５と同様である。

（処理ステップＳ３０６）
処理ステップＳ３０６では動画符号化部３０６が設定されたカメラワークに従って、各パノラマ画像から部分的な透視投影の動画を作成し1つの動画としてエンコーディングして出力する。

＜処理のバリエーション＞
処理ステップＳ３０４の制約条件として、カメラワークタイプ間の距離を制約条件とするのでなく、式（１３）に示すように、評価関数に距離を組み込むこともできる。

式（１３）において、λは適合度とカメラワークタイプ間の距離のバランスを調整するハイパーパラメータである。この最適化問題を制約なしの非線形計画法（最急降下法、ニュートン法、共役勾配法、滑降シンプレックス法、等）で求解してカメラワークタイプの割り当てを求めても良い。

また、第三の実施形態ではカメラワークタイプとして動画長Tを用いたがこれに限るものではなく、カメラワークタイプの適合度とカメラワークタイプ間の距離を定義できれば何を用いても良い。たとえば、中間構図数、又は、式（８）の画角変換を決めるハイパーパラメータη、などをカメラワークタイプとして用いることができ、また、それらを組み合わせて用いてもよい。

本実施形態によれば、カメラワークタイプが多い場合でも、複数のパノラマ画像に対して多様かつ高品位のカメラワークを生成することを実現する。なお、高品位とは、各パノラマ画像に対する適合度が高く、また、パノラマ画像間の相互関係に関連性があるという観点による品質が高いことをいう。

動画生成装置は、カメラワークタイプ間の距離を制約条件又は評価関数に組み込み、カメラワークタイプの適合度の和が最大となるように、各パノラマ画像へのカメラワークタイプの割り当てを決定する。これにより、類似するカメラワークタイプの偏りを抑えた上で適切なカメラワークを各パノラマ画像に対して生成することができる。

［第４の実施形態］
第四の実施形態として、カメラワーク生成に条件付き敵対的生成ネットワーク（Conditional Generative Adversary Network, 以下CGANと略記）を用いる例を示す。CGANの枠組みでは、生成関数Gにパノラマ画像xと潜在変数zを入力して、カメラワークy=G(x,z)を得ることができる。潜在変数zによってカメラワークのバリエーションを得ることができるので、潜在変数zは第四の実施形態におけるカメラワークタイプとみなすことができる。

また、CGANでは学習の過程でカメラワークの識別関数Dが獲得されており、生成されたカメラワークyが訓練データに含まれるカメラワークに近いほどD(x,y)の値が大きくなる。そこで、このD(x,y)を第四の実施形態における適合度とみなす。

また、カメラワークタイプ間の距離としては潜在変数zの空間における距離を用いる。このようにして、CGANをカメラワーク生成法として使う場合でも、各パノラマ画像に対する適合度とパノラマ画像間の相互関係を考慮してカメラワークを生成することができる。

図１２は、第四の実施形態における動画生成装置１００が有する機能をブロック状に示す機能ブロック図の一例である。本実施形態の動画生成装置１００は、図１０の動画生成装置１００と同様であるが適合度算出部４０３の配置が異なっている。これらの機能について図１３に基づいて説明する。

図１３は、動画生成装置１００がカメラワークを生成する手順を示すフローチャート図の一例である。図１３は図１１と比較すると、適合度の算出ステップがない。以下では、図１１との相違を主に説明する。

（処理ステップＳ４０３）
処理ステップＳ４０３では、タイプ割り当て部４０４が各パノラマ画像に対してカメラワークを割り当てる。第三の実施形態と同様に適合度とカメラワークタイプ間の距離に関する最適化問題を求解することでカメラワークタイプの割り当てを行うのだが、第四の実施形態ではこの最適化問題を式（１４）のように構成する。

式（１４）では、画像の集合をΧ、カメラワークタイプの集合をZ⊂R^Dz、カメラワークの集合をYとして、x_n∈X,z_n∈Z(n=1,2,…,N)であり、生成関数G:X×Z→Ｙと識別関数D:X×Y→[0,1]が事前にCAGNにおける敵対的学習により得られているものとする。

識別関数Dは入力された画像とカメラワークの組が訓練データに近ければ1に、遠ければ0に近い値を出力するものである。これを、カメラワークタイプの適合度と見なす。

図１４はCAGNにおいてカメラワークタイプとパノラマ画像から出力される適合度を模式的に示す図である。生成関数Ｇ（符号２３）にパノラマ画像ｘ（符号２１）とカメラワークタイプｚ（符号２２）が入力され、カメラワークｙ（符号２４）が出力される。また、識別関数D（符号２５）にパノラマ画像ｘとカメラワークyが入力され、適合度（符号２６）を出力する。

また、潜在変数（カメラワークタイプ）の空間における距離dを制約に設ける。タイプ割り当て部４０４は距離ｄを制約条件として、適合度の和が最大となるようなパノラマ画像に対するカメラワークタイプの割り当てを求める。

この最適化問題を解くにはランダム探索、山登り法、又は、メタヒューリスティクスを用いることができる。第一、第二、第三の実施形態のように予めパノラマ画像とカメラワークタイプの組みに対して適合度を算出しておくことは計算コストが高いため（Zの濃度が無限だとそもそも計算不可能）、最適化のプロセスで識別関数Dの値が必要となる場合に、その都度、適合度算出部403がD(x_n,G(x_n,z_n)の計算を行う。

（処理ステップＳ４０４）
処理ステップＳ４０４では、カメラワーク生成部４０５が割り当てられたカメラワークタイプに基づいて、各パノラマ画像に対してカメラワークを生成する。すなわち最適化で得られたz_nに対してG(x_n,z_n)を計算する(n=1,2,…,N)。

（処理ステップＳ４０５）
処理ステップＳ４０５では動画符号化部４０６が定されたカメラワークに従って、各パノラマ画像から部分的な透視投影の動画を作成し1つの動画としてエンコーディングして出力する。

＜処理のバリエーション＞
生成関数G、識別関数Dには任意の構成を用いることができる。生成関数Gの構成例としては、カメラワークタイプを入力画像のチャンネル方向に結合した上で畳み込みネットワーク（Convolutional Neural Network; CNN）で処理して特徴量を算出し、Recurrent Neural Network (RNN), Gated Recurrent Unit (GRU), Long Short－Term Memory (LSTM),又は、Transformerにより時系列データであるカメラワークを出力する構成を取ることができる。

識別関数Dは画像データと時系列データを入力とする、画像データについてはCNNを、時系列データについてはRNN,GRU,LSTM,Transformerを使ってそれぞれ特徴量を抽出し、その特徴量を結合してから全結合層によって処理を行うことが好ましい。

上記の例ではカメラパラメータタイプの集合Zにユークリッド空間を仮定したがこの限りではない。集合Zを少数の可算個の元で構成する場合は第一、第二、第三の実施形態のように最適化計算の前に予め適合度を算出する構成を取ることもできる。

第四の実施形態によれば、複数のパノラマ画像に対する動画生成にCGANを用いることで、CGANではデータドリブンにカメラワーク生成関数と適合度算出関数（識別関数）を構成することができるので、十分な量の訓練データが存在すれば、多様かつ高品位のカメラワークを生成することができる。

＜その他の適用例＞
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、本実施形態は、３ＤＣＧの動画の生成、バーチャルリアリティシステム等に利用できる。本実施形態で生成された動画は広告にも適用できる。また、各種のＥＣサイトにおいて動画を配信することで、商品やサービスを視聴者に効果的に閲覧させることができる。

また、本実施形態では一部の処理を機械学習に実現した。機械学習とは、コンピュータに人のような学習能力を獲得させるための技術であり，コンピュータが，データ識別等の判断に必要なアルゴリズムを，事前に取り込まれる学習データから自律的に生成し，新たなデータについてこれを適用して予測を行う技術のことをいう。機械学習のための学習方法は、教師あり学習、教師なし学習、半教師学習、強化学習、深層学習のいずれかの方法でもよく、更に、これらの学習方法を組み合わせた学習方法でもよく、機械学習のための学習方法は問わない。

また、以上の実施形態で示した図３などの構成例は、動画生成装置１００の処理の理解を容易にするために、主な機能に応じて分割したものである。しかし、各処理単位の分割の仕方や名称によって本願発明が制限されることはない。動画生成装置１００は、処理内容に応じて更に多くの処理単位に分割することもできる。また、１つの処理単位が更に多くの処理を含むように分割することもできる。

上記で説明した実施形態の各機能は、一又は複数の処理回路によって実現することが可能である。ここで、本明細書における「処理回路」とは、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、上記で説明した各機能を実行するよう設計されたASIC（Application Specific Integrated Circuit）、DSP（digital signal processor）、FPGA（field programmable gate array）や従来の回路モジュール等のデバイスを含むものとする。

１００ 動画生成装置
１０１、２０１、３０１、４０１ 画像取得部
１０２、２０２、３０２、４０２ 重要度算出部
１０３、２０３、３０３、４０３ 適合度算出部
１０４、２０４、３０４、４０４ タイプ割り当て部
１０５、２０６、３０６、４０６ 動画符号化部
２０５、３０５、４０５ カメラワーク生成部

特許第6432029号公報 特開2004－241834号公報 特許第5861499号公報 特開2018－151887号公報

Claims (12)

1. 複数のパノラマ画像から前記パノラマ画像よりも画角が狭い動画を生成する動画生成装置であって、
   複数のパノラマ画像に対して、前記パノラマ画像の各領域の重要度分布に応じて仮想カメラのカメラワークタイプの適合度を算出する適合度算出部と、
   前記適合度及び各カメラワークタイプの出現頻度に基づいて前記複数のパノラマ画像へのカメラワークタイプの割り当てを決定するタイプ割り当て部と、
   割り当てられたカメラワークタイプで前記複数のパノラマ画像から前記パノラマ画像よりも画角が狭い動画を作成する動画符号化部と、
   を備えることを特徴とする動画生成装置。
2. 前記タイプ割り当て部は、カメラワークタイプの出現頻度を制約条件又は評価関数に組み込み、カメラワークタイプの適合度の和が最大となるように、前記複数のパノラマ画像へのカメラワークタイプの割り当てを決定することを特徴とする請求項１に記載の動画生成装置。
3. 前記タイプ割り当て部は、
   カメラワークタイプを構成するパラメータを軸とする空間にカメラワークタイプのパラメータ値を配置した場合の、前記空間における各カメラワークタイプ間の距離を算出し、
   前記カメラワークタイプ間の距離を制約条件又は評価関数に組み込み、カメラワークタイプの適合度の和が最大となるように、前記複数のパノラマ画像へのカメラワークタイプの割り当てを決定することを特徴とする請求項１に記載の動画生成装置。
4. 前記パノラマ画像の各領域の重要度を算出する重要度算出部を更に備え、
   前記適合度算出部は、前記パノラマ画像における重要度の分布に応じてカメラワークタイプの適合度を算出することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の動画生成装置。
5. 前記パノラマ画像の各領域の重要度分布に関するパラメータ及び前記パノラマ画像を入力としてカメラワークを生成するカメラワーク生成部を更に備え、
   前記カメラワーク生成部は、前記タイプ割り当て部が割り当てた前記カメラワークタイプに応じて前記パラメータを設定することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の動画生成装置。
6. 前記パノラマ画像の各領域の重要度を算出する重要度算出部を更に備え、
   前記カメラワーク生成部が、前記パノラマ画像における重要度分布を、複数の分布を要素とする確率分布の混合分布とみなして、前記混合分布のパラメータに応じてカメラワークを生成することを特徴とする請求項５に記載の動画生成装置。
7. 前記確率分布はvon Mises－Fisher分布であり、
   前記カメラワーク生成部は、要素分布の平均方向を仮想カメラの光軸方向とし、要素分布の集中度に応じて仮想カメラの画角を決定し、
   光軸方向と画角をペアとして異なるペアの光軸方向と画角の間を仮想カメラのパラメータが遷移するカメラワークを生成することを特徴とする請求項６に記載の動画生成装置。
8. 前記カメラワーク生成部は、条件付き敵対的生成ネットワークによって実現されており、
   前記条件付き敵対的生成ネットワークにおける潜在変数をカメラワークタイプとして、
   前記パノラマ画像、及び、カメラワークタイプを前記条件付き敵対的生成ネットワークの入力として、カメラワークを生成することを特徴とする請求項５に記載の動画生成装置。
9. 前記タイプ割り当て部は、前記潜在変数の空間における距離を制約条件又は評価関数に組み込み、
   生成されたカメラワークに対し識別関数が出力する適合度の和が最大となるように、前記複数のパノラマ画像へのカメラワークタイプの割り当てを決定することを特徴とする請求項８に記載の動画生成装置。
10. 複数のパノラマ画像から前記パノラマ画像よりも画角が狭い動画を生成する動画生成方法であって、
    適合度算出部が、複数のパノラマ画像に対して、前記パノラマ画像の各領域の重要度分布に応じて仮想カメラのカメラワークタイプの適合度を算出するステップと、
    タイプ割り当て部が、前記適合度及び各カメラワークタイプの出現頻度に基づいて前記複数のパノラマ画像へのカメラワークタイプの割り当てを決定するステップと、
    動画符号化部が、割り当てられたカメラワークタイプで前記複数のパノラマ画像から前記パノラマ画像よりも画角が狭い動画を作成するステップと、
    を備えることを特徴とする動画生成方法。
11. 複数のパノラマ画像から前記パノラマ画像よりも画角が狭い動画を生成する動画生成装置を、
    複数のパノラマ画像に対して、前記パノラマ画像の各領域の重要度分布に応じて仮想カメラのカメラワークタイプの適合度を算出する適合度算出部と、
    前記適合度及び各カメラワークタイプの出現頻度に基づいて前記複数のパノラマ画像へのカメラワークタイプの割り当てを決定するタイプ割り当て部と、
    割り当てられたカメラワークタイプで前記複数のパノラマ画像から前記パノラマ画像よりも画角が狭い動画を作成する動画符号化部、
    として機能させるためのプログラム。
12. 請求項１１に記載したプログラムを記憶するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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