KR100955044B1 - Apparatus and method for estimating a subpixel resolution - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 추정은, 시간적으로 연속된 두 영상을 입력받아 픽셀 해상도의 MRF 상에서 반복적 신뢰도 전달 연산을 통해 원본 영상에 대한 픽셀 단위의 옵티컬 플로우 벡터를 추정하고, 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터를 이용하여 서브 픽셀 해상도의 MRF 상에서 원본 영상의 서브 픽셀 해상도의 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터를 추정한 후 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터와 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터를 이용하여 원본 영상에 대한 서브 픽셀 해상도를 가지는 최종 옵티컬 플로우 벡터를 계산한다.
이와 같이, 본 발명은 기존의 픽셀 기반의 옵티컬 플로우와 달리 옵티컬 플로우를 서브 픽셀 해상도까지 측정함으로써, 기존의 전역적 방법들에서 흔히 나타나는 제한된 숫자의 변위 상태에 의한 양자화 오차를 크게 줄일 수 있다.
옵티컬 플로우, 서브 픽셀, 데이터 코스트
In the optical flow estimation of the subpixel resolution according to the present invention, an optical flow vector of a pixel unit for an original image is estimated by receiving two temporally successive images and performing an iterative reliability transfer operation on an MRF of pixel resolution. The optical flow vector of the subpixel resolution of the subpixel resolution of the original image is estimated on the MRF of the subpixel resolution using the optical flow vector, and then the optical flow vector of the pixel resolution and the optical flow vector of the subpixel resolution are applied to the original image. Compute the final optical flow vector with sub pixel resolution for.
As described above, the present invention can significantly reduce the quantization error due to the limited number of displacement states that are common in the existing global methods, by measuring the optical flow up to the sub-pixel resolution unlike the conventional pixel-based optical flow.
Optical flow, subpixel, data cost
Description
본 발명은 옵티컬 플로우(Optical Flow) 추정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터를 이용하여 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우를 추정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to optical flow estimation, and more particularly, to an apparatus and a method for estimating an optical flow of sub-pixel resolution using an optical flow vector of pixel resolution.
옵티컬 플로우는 시간 상에서 연속된 두 영상을 비교하여 영상 픽셀의 시간적인 변위 벡터를 추정하는 기술로써, 모션 추정이나 영상 압축 등에 널리 사용되는 컴퓨터 비전 기술이다. Optical flow is a technique of estimating the temporal displacement vector of an image pixel by comparing two consecutive images in time, and is a computer vision technique widely used for motion estimation and image compression.
이러한 옵티컬 플로우를 추정하기 위해서는 두 영상 사이의 대응점을 찾는 과정이 필요한데, 대응점을 탐색하는 문제는 "ill-posed problem"의 한 종류로서 필요로 하는 연산 복잡도가 매우 높다. 옵티컬 플로우 추정 기술에 있어서 상기한 연산 복잡도의 문제는 실제 구현 시 하드웨어 높은 복잡도와 느린 연산 시간으로 나타난다. 이는 비디오 감시나 차량용 비전 시스템과 같은 실시간 처리가 중요한 응용 분야에서 옵티컬 플로우 추정 기술의 적용을 어렵게 하는 가장 주요한 원인이다.In order to estimate such an optical flow, a process of finding a correspondence point between two images is required. The problem of searching for a correspondence point is a kind of "ill-posed problem", which requires very high computational complexity. The problem of computational complexity in the optical flow estimation technique is represented by hardware high complexity and slow computation time in actual implementation. This is a major cause of difficulty in applying optical flow estimation techniques in applications where real-time processing is important, such as video surveillance or automotive vision systems.
옵티컬 플로우 추정을 위해서 일반적으로 연속된 두 영상의 대응점의 밝기가 일정하다는 가정을 한다. 이는 기준 영상의 픽셀에 해당하는 비교 영상의 대응점이 동일한 밝기를 갖는다는 가정이다. 상기한 가정 하에서 연속된 영상 픽셀의 밝기 차이는 순수하게 물체나 카메라의 상대적인 움직임에 의해서만 발생한다. For optical flow estimation, it is generally assumed that the brightness of the corresponding point of two consecutive images is constant. This assumes that corresponding points of the comparison image corresponding to the pixels of the reference image have the same brightness. Under the above assumptions, the difference in brightness of consecutive image pixels is purely caused by the relative movement of the object or camera.
이와 같은 가정을 통해 옵티컬 플로우 연산의 복잡도를 줄일 수 있다.This assumption reduces the complexity of the optical flow operation.
옵티컬 플로우 추정을 위한 기존의 대응점 탐색들은 크게 두 가지로 분류할 수 있는데, 즉 지역적 방법(local method)과 전역적 방법(global method)을 들 수 있다.Existing correspondence points for optical flow estimation can be classified into two types, that is, a local method and a global method.
먼저, 지역적 방법은 영상 픽셀 주변의 일부 영역에 대한 정보를 사용하여 대응점을 탐색하는 기술로써, SAD(Sum of Absolute Difference)나 NCC(Normalized Cross Correlation) 등과 같이 픽셀 마스크를 기반으로 하는 기법이나 영상을 작은 블록으로 분할하여 이들의 대응 관계를 찾아내는 블록 정합 기법 등이 주로 사용된다. First, the local method is a technique of searching for a corresponding point by using information on a part of an area around an image pixel, and using a pixel mask-based technique or an image such as sum of absolute difference (SAD) or normalized cross correlation (NCC). A block matching technique for dividing into small blocks to find their correspondence is mainly used.
대표적인 지역 옵티컬 플로우 추정 기법들로는 "B.D.Lucas and T.Kanade. "An iterative image registration technique with an application to stereo vision." Proceedings of Imaging understanding workshop, pp 121-130, 1981."과 "B.K.P.Horn, and B.G.Schunck, "Determining optical flow." Artificial Intelligence, vol 17, pp 185-203, 1981."의 문헌을 들 수 있다. 이들 기법들은 비교적 단순한 구현과 빠른 연산 속도를 특징으로 한다.Representative local optical flow estimation techniques include "BDLucas and T.Kanade." An iterative image registration technique with an application to stereo vision. " Proceedings of Imaging understanding workshop , pp 121-130, 1981." and "BKPHorn, and BGSchunck," Determining optical flow. " Artificial Intelligence , vol 17, pp 185-203, 1981.". These techniques are characterized by relatively simple implementation and high computational speed.
옵티컬 플로우 추정을 위한 전역적 방법은 "J. Xiao and M. Shah. "Motion layer extraction in the presence of occlusion using graph cuts." IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol, 27, no. 10, pp. 1644-1659, 2005." 학술 논문과 "P.F.Felzenswalb and D.R.Huttenlocher. "Efficient belief propagation for early vision." In Proceedings of the 2004 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, no.1, pp.1261-1268, 2004." 학술 논문에 기재되어 있다.Global methods for optical flow estimation are described in "J. Xiao and M. Shah." Motion layer extraction in the presence of occlusion using graph cuts. " IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligence , vol, 27, no. 10, pp. 1644-1659, 2005. ""PFFelzenswalb and DRHuttenlocher." Efficient belief propagation for early vision. " In Proceedings of the 2004 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition , no.1, pp.1261-1268, 2004." Described in academic papers.
이러한 전역적 방법은 영상 전체의 정보를 이용하여 전역적으로 최적화된 결과를 추정하는 기법으로써, 그 예로 마르코프 랜덤 필드(Markov Random Field, 이하 'MRF'라고 한다.) 모델을 기반으로 하는 최적화 알고리즘 중 그래프 절단(Graph cut)이나 신뢰도 전달(Belief propagation) 알고리즘은 낮은 오차율을 나타내며, 데이터의 불연속성이나 가려짐 현상 등에 대해서 효과적으로 대응하기 때문에 옵티컬 플로우 추정이나 스테레오 비전 등의 컴퓨터 비전 영역의 차세대 기술로써 각광 받고 있다.This global method is a technique for estimating a globally optimized result using information of the entire image. For example, among the optimization algorithms based on the Markov Random Field (MRF) model, Graph cut and Belief propagation algorithms have low error rates and effectively cope with data discontinuities or obstructions, making them popular as next-generation technologies in computer vision, such as optical flow estimation and stereo vision. have.
종래의 옵티컬 플로우 추정 방법은 연속된 영상에서 발생하는 물체의 움직임에 따른 포즈의 변화와 이에 따른 모양의 변화, 그림자에 의한 조명차, 가려짐(occlusion) 현상 등에 의해서 대응점의 밝기가 일정하다는 가정이 위배되는 경우가 발생되기 때문에 추정된 옵티컬 플로우에 많은 에러를 포함하는 문제점이 있어 실제로 적용하기 힘들다.In the conventional optical flow estimation method, it is assumed that the brightness of the corresponding point is constant due to a change in pose according to the movement of an object occurring in a continuous image, a change in shape, an illumination difference due to a shadow, and an occlusion phenomenon. Since a violation occurs, the estimated optical flow includes a large number of errors, and thus it is difficult to apply.
옵티컬 플로우 추정을 위한 대응점 탐색 방법 중 지역적 방법은 "aperture problem"이나 가려짐 현상, 모호하거나 주기적인 영상 패턴 등에 의한 오차가 심하다는 단점이 있다.The local method among the corresponding point searching methods for optical flow estimation has a disadvantage in that an error due to an "aperture problem", an obstruction phenomenon, an obscure or periodic image pattern, etc. is severe.
옵티컬 플로우 추정을 위한 대응점 탐색 방법 중 전역적 방법은 영상 일부가 아닌 전체의 정보를 모두 다루기 때문에, 추정해야 할 데이터가 조금만 늘어나도 영상 복잡도가 크게 증가하여 제한된 숫자의 이산 상태 밖에 추정할 수 없는 단점이 있으며, 이는 옵티컬 플로우의 추적 결과에 큰 오차를 발생시키는 원인이 된다.Since the global method of the correspondence point search method for optical flow estimation covers all the information, not part of the image, even if the data to be estimated is increased little by little, the complexity of the image can be increased and only a limited number of discrete states can be estimated. This causes a large error in the tracking result of the optical flow.
본 발명은 기존의 픽셀 기반의 옵티컬 플로우와 달리 옵티컬 플로우를 서브 픽셀 해상도까지 측정함으로써, 기존의 전역적 방법들에서 흔히 나타나는 제한된 숫자의 변위 상태에 의한 양자화 오차를 크게 줄일 수 있다. Unlike conventional pixel-based optical flows, the present invention measures optical flows up to sub-pixel resolution, thereby greatly reducing quantization error due to a limited number of displacement states commonly found in conventional global methods.
또한, 본 발명은 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우의 효율적인 추정 방법을 사용하여 서브 픽셀 해상도로 인해 크게 증가하는 연산량을 효과적으로 감소시킨다. In addition, the present invention effectively reduces the amount of computation greatly increased due to the subpixel resolution by using an efficient estimation method of the optical flow of the subpixel resolution.
본 발명에 따른 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 상태 추정 장치는, 시간적으로 연속된 두 입력 영상 데이터에 대해 각 노드의 픽셀 해상도 및 서브 픽셀 해상도의 데이터 코스트를 계산하는 데이터 코스트 계산부와, 상기 서브 픽셀 및 픽셀 해상도의 데이터 코스트를 기반으로 각 노드간의 서브 픽셀 및 픽셀 해상도의 메시지를 계산한 후 이를 주변 노드에 전달하는 작업을 반복 수행하는 메시지 연산부와, 상기 반복 수행이 종료된 후 상기 데이터 코스트와 메시지를 기반으로 해당 노드의 옵티컬 플로우 상태를 추정하는 결과 출력부를 포함하며, 상기 데이터 코스트 계산부, 메시지 연산부 및 결과 출력부는, 상기 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 상태를 이용하여 상기 서브 픽셀 해상도의 데이터 코스트 및 메시지를 계산하고, 상기 계산된 서브 픽셀의 메시지와 데이터 코스트를 기반으로 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 상태를 추정하는 것을 특징으로 한다.In accordance with another aspect of the present invention, an apparatus for estimating an optical flow state at a subpixel resolution includes a data cost calculator configured to calculate a pixel cost and a data cost of a subpixel resolution of each node with respect to two consecutive input image data in time; A message operation unit that calculates a subpixel and a pixel resolution message between each node based on a pixel resolution data cost, and transfers the message to neighboring nodes; and after the repetition is finished, the data cost and message And a result output unit for estimating an optical flow state of a corresponding node based on the data cost calculator, the message calculator, and the result output unit, based on the optical flow state of the pixel resolution. Calculate, the calculated subpixel It based on the message and the data cost is characterized by estimating the optical flow state of the sub-pixel resolution.
본 발명에 따른 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 상태 추정 방법은, 시간적으로 연속된 두 영상을 입력받아 픽셀 해상도의 MRF 상에서 반복적 신뢰도 전달 연산을 통해 원본 영상에 대한 픽셀 단위의 옵티컬 플로우 벡터를 추정하는 단계와, 상기 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터를 이용하여 서브 픽셀 해상도의 MRF 상에서 상기 원본 영상의 서브 픽셀 해상도의 상기 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터를 추정하는 단계와, 상기 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터와 상기 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터를 이용하여 상기 원본 영상에 대한 서브 픽 셀 해상도를 가지는 최종 옵티컬 플로우 벡터를 계산하는 단계를 포함한다.The optical flow state estimation method of the subpixel resolution according to the present invention comprises the steps of estimating the optical flow vector per pixel for the original image by receiving two temporally consecutive images and performing an iterative reliability transfer operation on the MRF of the pixel resolution; Estimating the optical flow vector of the subpixel resolution of the subpixel resolution of the original image on the MRF of the subpixel resolution using the optical flow vector of the pixel resolution, and the optical flow vector of the pixel resolution and the subpixel Calculating a final optical flow vector having a sub-pixel resolution for the original image using the optical flow vector of the resolution.
본 발명에서는 전역적 방법을 기반으로 하기 때문에 가려짐이나 물체의 경계선 등에 의해서 발생하는 불연속점에 의한 오차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 메시지 전달과 같은 병렬 연산을 사용하여 연산 복잡도를 줄일 수 있기 때문에 에러율을 최소화시킬 수 있는 시스템을 구현할 수 있다. In the present invention, since the global method is used, the error rate is reduced because the error due to the discontinuity caused by the obstruction or the boundary of the object can be reduced, and the complexity of the operation can be reduced by using parallel operation such as message passing. A system that can be minimized can be implemented.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 옵티컬 플로우 추정 시스템을 도시한 블록도로서, 데이터 코스트 계산부(100), 메시지 연산부(110) 및 결과 출력부(120)를 포함한다. 1 is a block diagram illustrating an optical flow estimation system according to an exemplary embodiment of the present invention, which includes a
데이터 코스트 연산부(100)는 시간적으로 연속된 두 입력 영상()에 대해 각 노드의 픽셀 해상도 및 서브 픽셀 해상도의 데이터 코스트를 계산하며, 계산된 데이터 코스트를 메시지 연산부(110)에 제공하는 수단으로서, 각 노드의 픽셀값을 기반으로 픽셀 해상도의 데이터 코스트를 계산하는 픽셀 단위 데이터 코스트 연 산기(102)와, 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 상태를 토대로 서브 픽셀 해상도의 데이터 코스트를 계산하는 서브 픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(104)와, 픽셀 단위 및 서브 픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(102, 104)의 출력 값을 저장하는 데이터 코스트 메모리(106)를 구비한다. 여기서, 데이터 코스트는 시간적으로 연속된 입력된 영상 데이터의 원본 픽셀과 비교 픽셀간 밝기 차이의 절대치이다.The
픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(102)는 시간적으로 연속된 입력 영상 을 받아들여 픽셀의 위치 u에 해당하는 도 2에 도시된 MRF 상의 노드 p의 변위 상태 에 대해 아래의 수학식 1을 사용하여 데이터 코스트를 계산한다. The pixel-by-pixel
위의 수학식1에서 알 수 있듯이, 픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(102)는 상기의 수학식 1에 기재된 바와 같이, 연속된 두 입력 영상() 데이터에서 원본 영상의 픽셀 밝기값과 비교 영상의 픽셀 밝기값간 차의 절대치를 계산하여 픽셀 해상도의 데이터 코스트를 계산한다.As can be seen from
서브 픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(104)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 결과 출력부(120)에서 출력되는 픽셀 해상도의 MRF 상에서 옵티컬 플로우 상태, 즉 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터와 이에 대응하는 원본 픽셀 좌표를 합한 위치에 있는 비교 영상의 픽셀 주변을 오버샘플링하여 픽셀 밝기값을 산출하는 오버샘플 러(300) 및 산출된 픽셀 밝기값과 원본 영상의 픽셀 밝기값간의 절대치를 계산하는 절대치 계산기(302)로 구성된다. 즉, 서브 픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(104)는 원본 영상에 존재하지 않는 픽셀 사이의 정보를 이용한다. 원본 영상의 픽셀 u에 해당하는 노드 p에 대한 서브 픽셀 데이터 코스트를 구하기 위해서는 픽셀 해상도에서의 신뢰도 전달 알고리즘의 추정 결과를 합한 위치, 즉 원본 픽셀 좌표와 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 벡터를 합친 위치에 있는 비교 영상의 주변 픽셀값에 보간법(Interpolation)을 적용하여 영상을 오버샘플링하는데, 이때 오버샘플링의 정도는 서브 픽셀 해상도에 따라 결정된다. 오버샘플링된 비교 영상의 픽셀값 와 원본 영상의 픽셀값 에 대해서 변위 상태 일 때 서브픽셀 데이터 코스트는 아래의 수학식 2를 이용하여 계산된다. 여기서, 신뢰도 전달 알고리즘은 반복적 연산을 통해 MRF 상의 최적 해를 찾아내는 기법이다.As shown in FIG. 3, the sub-pixel unit
즉, 서브 픽셀 데이터 코스트 연산기(104)의 오버샘플러(300)는 비교 영상()와 노드 p의 옵티컬 플로우 벡터인 변위 상태()를 입력으로 하여 비교 영상의 픽셀값 을 출력한다. That is, the
절대치 계산기(302)는 오버샘플러(300)에서 출력되는 픽셀 밝기값과 원본 영상의 픽셀 밝기값간 차의 절대치를 계산하여 서브 픽셀의 데이터 코스트를 산출한 다.The
픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(102) 및 서브 픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(104)에 의해 계산된 데이터 코스트는 데이터 코스트 메모리(106)에 저장된다.The data cost calculated by the pixel-based
데이터 코스트의 계산이 종료되면, 메시지 연산부(110)는 MRF상의 각 노드에 대한 각각의 변위 상태와 주변 노드의 정보를 포함한 확률적 정보를 의미하는 메시지(message) 값을 계산하여 인접한 노드에 전달하는데, 픽셀 해상도의 MRF 상 각 노드간의 메시지를 계산하는 픽셀 단위 메시지 연산기(112) 및 픽셀 해상도의 메시지 계산이 완료된 후 서브 픽셀 해상도의 MRF 상 각 노드간의 메시지를 계산하는 서브 픽셀 단위 메시지 연산기(114)를 구비한다.When the calculation of the data cost is finished, the
메시지 연산부(110)는 노드 p의 상태 에서 인접한 노드 q의 상태 로 전달되는 메시지를 평탄비용함수(smoothness cost)와 데이터 코스트를 통해서 계산한다. 픽셀 기반의 신뢰도 전달 알고리즘에서 메시지는 수학식 3을 통해서 계산된다.The
상기 수학식 4는 픽셀 기반의 신뢰도 전달 알고리즘의 평탄비용함수를 의미 한다. 각 노드가 이산 상태를 가지고 있을 때 평탄비용함수는 상태의 차이의 제곱 형태로 나타난다. 는 평탄 비용의 상한선이 되는 상수이며, 상태의 차이가 지나치게 클 경우 메시지 값이 지나치게 커지는 것을 방지하는 역할을 한다. Equation 4 refers to the flat cost function of the pixel-based reliability transfer algorithm. When each node has a discrete state, the flat cost function is expressed as the square of the difference of states. Is a constant that is the upper limit of the flat cost, and prevents the message value from becoming too large when the state difference is too large.
서브 픽셀 단위 메시지 연산기(114)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 노드의 각 상태의 데이터 코스트와 이전 단계의 메시지를 합산하는 가산기(400), 서브 픽셀 해상도에서 계산된 메시지에 픽셀 해상도의 MRF에서 해당 노드와 주변 노드의 추정된 옵티컬 플로우 벡터 사이의 위치 관계를 반영하여 메시지 값을 할당하는 동정 상태 할당 연산기(402) 및 동적 상태 할당 연산기(402)의 결과에 각 노드 상의 평탄 비용 함수를 합하여 서브 픽셀 해상도의 최종 메시지값을 산출하는 메시지 연산기(404)를 포함한다.As shown in FIG. 4, the
메시지 연산부(110)의 서브 픽셀 단위 메시지 연산기(114)는 픽셀 해상도에 대한 상태 추정이 종료됨에 따라 구동되는데, 즉 추정된 상태를 이용하여 서브 픽셀 해상도의 최종 메시지 값을 계산한 후 이를 토대로 서브픽셀 해상도에 대한 상태 추정을 수행한다. The
이와 같이 서브 픽셀 해상도에 대한 상태 추정은 크게 3단계의 과정을 거쳐 진행되는데, 먼저 노드의 각 상태 의 데이터 코스트와 이전 단계에서 들어온 메시지 값을 아래의 수학식 5와 같이 합쳐준다. 여기서, 이전 단계에서 들어온 메시지 값은 메시지 값을 계산하고자 하는 노드의 주변 노드로부터 제공받는 메시지 값으로서, 예컨대 도 2의 q 노드에 대한 메시지 값을 계산한다는 과정에서 q 노드 가 전달하고자 하는 방향의 노드를 제외한 적어도 하나 이상의 이웃 노드로부터 전달받는 메시지 값을 의미한다.In this way, the state estimation for the sub-pixel resolution proceeds in three steps. The data cost of and the message value from the previous step are combined as shown in Equation 5 below. Here, the message value received in the previous step is a message value provided from the neighboring node of the node for which the message value is to be calculated. A message value received from at least one neighbor node except for.
상기의 수학식 5에서 는 반복 연산에 의한 데이터의 오버플로우를 방지하는 정규화(normalization)를 위한 상수이다. 두 번째 단계에서는 첫 번째 단계에서 계산된 데이터 코스트와 메시지 합의 값의 영향을 픽셀 해상도에서 추정된 상태를 사용하여 계산한다. 즉, 두 노드 p와 q는 서로 다른 이산 상태 를 가지고 있기 때문에, 서브 픽셀 해상도에서 계산하는 메시지 값에 상기한 이산 상태의 차이를 반영해 줄 필요가 있다. 이는 수학식 6과 같은 형태로 수행된다.In Equation 5 above Is a constant for normalization that prevents the overflow of data by iterative operations. In the second step, the influence of the data cost and the message sum value calculated in the first step is calculated using the state estimated at the pixel resolution. That is, two nodes p and q are different discrete states Because of this, it is necessary to reflect the difference of the discrete state in the message value calculated at the subpixel resolution. This is performed in the form of Equation 6.
도 5a 내지 도 5c에는 1차원 MRF상에서 상기한 기법을 예시하고 있으며, 본 발명에서는 상기의 기법을 동적 상태 할당(dynamic state allocation) 기법이라 명명한다. 5A to 5C illustrate the above technique on the one-dimensional MRF. In the present invention, the above technique is called a dynamic state allocation technique.
세 번째 단계에서는 두 번째 단계에서 계산된 값과 평탄 비용 함수를 사용하여 수학식 7, 수학식 8을 이용하여 최종적인 메시지 값을 계산한다.In the third step, the final message value is calculated using Equation 7, Equation 8, using the value calculated in the second step and the flat cost function.
메시지의 반복적인 전달과 업데이트 과정이 모두 종료된 후, 결과 출력부(120)는 메시지 연산부(110)에서 출력되는 메시지 값과 데이터 코스트를 토대로 픽셀 및 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 상태를 추정하여 출력한다. 즉, 결과 출력부(120)는 픽셀 해상도의 MRF에서 각 노드의 데이터 코스트와 메시지값을 이용하여 픽셀 단위의 옵티컬 플로우 벡터 결과를 추정하는 픽셀 단위 결과 출력기(122)와, 서브 픽셀 해상도의 MRF에서 각 노드의 데이터 코스트와 메시지 값을 이용하여 서브 픽셀 단위의 옵티컬 플로우 벡터 결과를 추정하는 서브 픽셀 단위 결과 출력기(124) 및 픽셀 단위 결과와 서브 픽셀 단위 결과를 사용하여 각 노드의 최종 옵티컬 플로우 벡터 결과를 출력하는 최종 출력기(126)를 포함한다.After the repetitive delivery and update of the message are all completed, the
즉, 각 노드 p의 최종 상태 는 해당 노드의 데이터 코스트와 주변 노드의 메시지 값을 취합하여 수학식 9와 같이 추정될 수 있다. That is, the final state of each node p May be estimated by Equation 9 by combining the data cost of the node and the message value of the neighboring node.
이와 같이, 본 발명은 2단계의 반복 알고리즘을 사용하여 최종적인 서브 픽셀 해상도의 상태를 추정해내는데, 즉 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 기존의 신뢰도 전달 알고리즘과 동일하게 시간적으로 연속된 두 영상 데이터에 대한 픽셀 단위의 변위 상태를 추정한 후, 도 6c에 도시된 바와 같이 추정된 픽셀 단위의 변위 상태 정보를 이용하여 획득한 서브 픽셀 단위의 정보를 획득하고, 추정된 픽셀 단위의 변위 상태 정보와 서브 픽셀 단위의 정보를 이용하여 서브 픽셀 해상도의 변위 상태를 최종으로 추정한다.As such, the present invention uses a two-step iterative algorithm to estimate the state of the final sub-pixel resolution, i.e., as shown in FIGS. 6A and 6B, the time sequence is the same as the conventional reliability transfer algorithm. After estimating the displacement state in pixel units for the two image data, as shown in FIG. 6C, the obtained sub-pixel unit information is obtained using the estimated displacement state information in pixel units, and the estimated pixel unit displacement is obtained. Finally, the displacement state of the subpixel resolution is estimated using the state information and the information of the subpixel unit.
상기와 같은 구성을 갖는 옵티컬 플로우 추정 장치가 동작하는 과정에 대해 도 7을 참조하여 설명한다.The operation of the optical flow estimating apparatus having the above configuration will be described with reference to FIG. 7.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 옵티컬 플로우 추정 과정을 도시한 흐름도이며, 7 is a flowchart illustrating an optical flow estimating process according to an exemplary embodiment of the present invention.
먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 시간적으로 연속된 영상() 데이터가 입력(S700)됨에 따라 데이터 코스트 계산부(100)의 픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(102)는 픽셀의 위치 u에 해당하는 MRF 상의 노드 p의 변위 상태()에 대한 데이터 코스트()를 계산(S702)한다. 이때, 데이터 코스트()는 상기의 수학식 1에 의거하여 산출될 수 있다. First, as shown in FIG. 7, a temporally continuous image ( As the data is input (S700), the pixel-based
메시지 연산부(110)의 픽셀 단위 메시지 연산기(112)는 픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(102)에 의해 산출된 픽셀 해상도의 데이터 코스트()를 이용하 여 메시지를 계산(S704)하는데, 즉 상기 수학식 4의 평탄화 비용 함수와 데이터 코스트()를 수학식 3에 적용하여 노드 p의 상태 에서 인접한 노드 q의 상태 로 전달되는 메시지를 계산한다.The pixel
MRF 상의 각 노드에 대한 메시지 계산 과정이 종료되면(S706), 픽셀 단위 결과 출력기(122)는 픽셀 해상도에 대한 옵티컬 플로우 상태 추정, 즉 옵티컬 플로우 벡터를 산출한다(S708).When the message calculation process for each node on the MRF is finished (S706), the pixel-by-pixel result output unit 122 calculates an optical flow state estimation, that is, an optical flow vector for the pixel resolution (S708).
픽셀 해상도에 대한 옵티컬 플로우 상태 추정이 완료되면, 데이터 코스트 계산부(100)의 서브 픽셀 단위 데이터 코스트 연산기(104)는 S708에서 산출된 옵티컬 플로우 벡터와 이에 대응하는 원본 픽셀 좌표를 합한 위치의 주변 픽셀값에 보간법을 적용하여 영상을 오버샘플링한 후 오버샘플링된 비교 영상의 픽셀값 와 원본 영상의 픽셀값 에 대해서 변위 상태 에 대한 서브픽셀 데이터 코스트를 수학식 2를 이용하여 계산한다(S710).When the optical flow state estimation for the pixel resolution is completed, the sub-pixel
서브 픽셀 해상도의 데이터 코스트의 계산이 완료되면, 서브 픽셀 단위 메시지 연산기(114)의 가산기(300)는 계산된 데이터 코스트와 이전 단계의 메시지를 합한다(S712).When the calculation of the data cost of the sub pixel resolution is completed, the
그런 다음, 동적 상태 할당 연산기(302)는 가산기(300)에서 출력된 데이터에 픽셀 해상도의 MRF에서 해당 노드와 주변 노드의 추정된 옵티컬 플로우 벡터 사이의 위치 관계를 반영하여 값을 할당한다(S714).Then, the dynamic
이후, 메시지 연산기(304)는 동적 상태 할당 연산기(302)에서 출력되는 값에 각 노드 사이의 평탄 비용 함수를 적용하여 최종 메시지 값을 계산한다(S716).Thereafter, the message operator 304 calculates the final message value by applying a flat cost function between each node to the value output from the dynamic state assignment operator 302 (S716).
서브 픽셀 해상도에서의 모든 노드에 대한 최종 메시지 값이 계산되면(S718), 서브 픽셀 단위 결과 출력기(124)는 해당 노드의 데이터 코스트와 주변 노드의 최종 메시지 값을 토대로 각 노드에 대한 서브 픽셀 단위의 옵티컬 플로우를 추정한다(S720).When the final message value for all nodes at the subpixel resolution is calculated (S718), the subpixel unit result output unit 124 may determine the subpixel unit for each node based on the data cost of the node and the final message value of the neighboring nodes. The optical flow is estimated (S720).
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 먼저 픽셀 단위의 변위 상태를 추정한 다음 이를 이용하여 서브 픽셀 단위의 정보, 예컨대 데이터 코스트 및 메시지값을 계산하고, 이를 토대로 서브 픽셀 단위의 변위 상태를 최종적으로 추정함으로서, 서브 픽셀 해상도로 인해 연산량을 효과적으로 감소시킬 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, first, the displacement state of the pixel unit is estimated, and then information, such as data cost and message value, of the sub-pixel unit is calculated using this, and based on this, the displacement state of the sub-pixel unit is finally estimated. By doing so, the computation amount can be effectively reduced due to the sub pixel resolution.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.It has been described so far limited to one embodiment of the present invention, it is obvious that the technology of the present invention can be easily modified by those skilled in the art. Such modified embodiments should be included in the technical spirit described in the claims of the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 추정 장치를 도시한 블록도이며,1 is a block diagram illustrating an optical flow estimating apparatus having a sub pixel resolution according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 적용되는 MRF 구조를 도시한 도면이며,2 is a view showing an MRF structure applied to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 데이터 코스트 계산부의 구조를 도시한 블록도이며,3 is a block diagram showing the structure of a data cost calculator according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 메시지 연산부의 내부 구조를 도시한 블록도이며,4 is a block diagram showing the internal structure of a message operation unit according to the present invention;
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 동적 상태 할당 기법을 예시한 예시도이며,5A through 5C are exemplary diagrams illustrating a dynamic state allocation scheme according to the present invention.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따라 데이터 코스트 계산 과정 및 변위 상태 추정 과정을 설명하기 위한 도면이며,6A to 6C are diagrams for explaining a data cost calculation process and a displacement state estimation process according to the present invention;
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 서브 픽셀 해상도의 옵티컬 플로우 추정 과정을 도시한 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating an optical flow estimation process at a subpixel resolution according to an exemplary embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
100 : 데이터 코스트 계산부 110 : 메시지 연산부100: data cost calculator 110: message calculator
120 : 최종 출력부120: final output unit
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