KR101210866B1 - An object tracking system based on a PTZ(Pan-Tilt-Zoom) camera using Mean-shift algorithm - Google Patents

An object tracking system based on a PTZ(Pan-Tilt-Zoom) camera using Mean-shift algorithm Download PDF

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KR101210866B1 KR1020110009671A KR20110009671A KR101210866B1 KR 101210866 B1 KR101210866 B1 KR 101210866B1 KR 1020110009671 A KR1020110009671 A KR 1020110009671A KR 20110009671 A KR20110009671 A KR 20110009671A KR 101210866 B1 KR101210866 B1 KR 101210866B1
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Abstract

회전줌 카메라를 이용하여 실시간으로 감시 대상 영역을 모니터링하여 객체를 실시간으로 추적하되, 이전 프레임으로부터 다음 프레임의 객체의 위치를 평균이동 알고리즘으로 구하는 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템에 있어서, 회전줌 카메라로부터 감시대상 영역의 촬영 영상을 수신하는 영상입력부; 촬영 영상을 전처리하는 전처리부; 촬영 영상으로부터 객체를 추출하는 객체추출부; 평균이동 알고리즘를 이용하여, 객체가 이동한 이동지점을 계산하는 객체추적부; 및, 회전줌 카메라의 초점을 이동지점으로 맞추는 카메라 제어부를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 시스템에 의하여, 회전줌 카메라를 이용하여 빠른 추적이 가능하고 실시간 처리가 가능하며, 넓은 감시 지역에서의 지속적인 객체 추적이 가능하며 효율적인 영상 감시 시스템에 활용될 수 있다.
In the object tracking system using a zoom camera-based average movement algorithm that tracks an object to be monitored in real time using a rotation zoom camera and tracks the object in real time, and obtains the position of the object of the next frame from the previous frame by an average movement algorithm. An image input unit configured to receive a captured image of a surveillance target area from a rotation zoom camera; A preprocessor for preprocessing the captured image; An object extracting unit extracting an object from the captured image; An object tracking unit which calculates a moving point to which the object has moved using an average moving algorithm; And a camera controller for setting the focus of the rotation zoom camera to the moving point.
By the system as described above, it is possible to use a rotating zoom camera for fast tracking, real-time processing, continuous object tracking in a large surveillance area, and can be utilized in an efficient video surveillance system.

Description

회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템 { An object tracking system based on a PTZ(Pan-Tilt-Zoom) camera using Mean-shift algorithm }An object tracking system based on a PTZ (Pan-Tilt-Zoom) camera using Mean-shift algorithm}

본 발명은 회전줌 카메라를 이용하여 실시간으로 감시 대상 영역을 모니터링하여 객체를 실시간으로 추적하되, 이전 프레임으로부터 다음 프레임의 객체의 위치를 평균이동 알고리즘으로 구하는 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템에 관한 것이다.
The present invention monitors an object to be monitored in real time by using a zoom camera to track an object in real time, and tracks an object using a zoom zoom camera-based average movement algorithm that obtains a position of an object of a next frame from a previous frame using an average moving algorithm. It's about the system.

일반적으로, 영상 객체를 검출하고 추적하는 기술은 수년간 연구되어 온 분야임에도 불구하고 정확하고 안정적이며 높은 성능을 기대하는 것은 여전히 어려운 문제이다.In general, although the technology of detecting and tracking image objects has been studied for many years, it is still difficult to expect accurate, stable and high performance.

추적 기술은 객체와 주변 환경을 어떻게 정의 하느냐에 따라 그 문제가 크게 달라진다. 추적하고자 하는 대상의 형태나 고유의 색, 그리고 특징들을 얼마나 지속하고 있는가에 따라 달라질 수 있고 객체의 이동이나 변화에 따라 달라질 수 있다. 그리고 대부분 추적이 되는 객체의 대상은 움직임을 가지고 있기 때문에 주변 환경의 영향을 받게 된다. 즉, 카메라의 이동, 객체의 가려짐, 조명 및 주변 환경의 변화 등에 매우 민감하다.Tracking techniques vary greatly in how they define objects and their surroundings. It can vary depending on the shape of the object you want to track, how unique the color is, and how long you keep the features, and how the object moves or changes. And most of the objects that are tracked are affected by the environment because they have movement. That is, it is very sensitive to camera movement, object obstruction, change of lighting and surrounding environment.

특히, 최근에 감시 카메라로 많이 이용되고 있는 PTZ(Pan-Tilt-Zoom) 카메라 환경에서, 이러한 문제가 더욱 부각되고 있다. PTZ 카메라 감시 시스템에서는 감시영역 안에 자세하게 보고 싶은 대상물에 카메라의 시선을 향하여 줌인하여 상세한 영상을 얻을 수 있다. PTZ 카메라는 단일 고정식 카메라에 비해 수평, 수직, 회전이 가능하므로 전 방향을 감지할 수 있고 균일한 해상도를 가진다는 장점을 가지고 있다.In particular, in the Pan-Tilt-Zoom (PTZ) camera environment, which has recently been widely used as a surveillance camera, this problem is more prominent. In the PTZ camera surveillance system, a detailed image can be obtained by zooming in to the camera's gaze at an object to be viewed in detail in the surveillance area. PTZ cameras have the advantage of being able to detect all directions and have a uniform resolution compared to a single fixed camera.

그러나 현재 PTZ 카메라 감시 시스템에서는 전제 조건으로 대상물이 거의 정지되어 있어야 한다. 왜냐하면 줌인 함으로써 카메라의 화각이 매우 좁아지기 때문에 대상물의 움직임에 따라 격렬한 영상의 흔들림이 발생하거나 대상물이 카메라 시야 밖에 이동해 버린다는 우려도 있다. 그렇기 때문에 PTZ 카메라 감시 시스템에서는 대상물의 움직임에 맞추어 PTZ 카메라의 방향을 항상 조정할 필요가 있다.However, in current PTZ camera surveillance systems, the object must be almost stationary as a prerequisite. Because zooming in makes the camera's field of view very narrow, there is a concern that intense image shaking may occur as the object moves, or the object may move out of the camera's field of view. Therefore, in PTZ camera surveillance system, it is always necessary to adjust the direction of PTZ camera according to the movement of the object.

따라서 PTZ(Pan-Tilt-Zoom) 카메라를 이용하여 실시간으로 감시 대상 영역을 모니터링하며 객체의 실시간 추적이 가능한 시스템을 구현하는 기술이 필요하다. 특히, 이러한 추적 시스템은 실시간 추적을 위해, 빠른 추적이 가능해야 한다.
Therefore, there is a need for a technology for implementing a system that monitors an area to be monitored in real time using a PTZ (Pan-Tilt-Zoom) camera and enables real-time tracking of an object. In particular, such a tracking system must be capable of fast tracking for real-time tracking.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전줌 카메라를 이용하여 실시간으로 감시 대상 영역을 모니터링하여 객체를 실시간으로 추적하되, 이전 프레임으로부터 다음 프레임의 객체의 위치를 평균이동 알고리즘으로 구하는 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to solve the problems described above, by monitoring the monitoring target area in real time using a rotation zoom camera to track the object in real time, the average moving algorithm of the position of the object of the next frame from the previous frame It is to provide an object tracking system using the average zoom algorithm based on the zoom camera.

즉, 본 발명은 커널함수를 일부 변형한 평균이동(Mean shift) 추적 알고리즘을 적용하여 실시간으로 객체를 검출하고 추적하는 시스템을 제안한다. 제안 시스템은 PTZ 프로토콜과 RS-485 통신을 이용하여 카메라를 이용하여 카메라를 제어하는 방법으로 화면상의 객체의 위치를 화면 가운데에 위치하게 함으로써 실시간 추적을 하게 한다.
That is, the present invention proposes a system for detecting and tracking an object in real time by applying a mean shift tracking algorithm which is partially modified with a kernel function. The proposed system uses the PTZ protocol and RS-485 communication to control the camera using the camera so that the position of the object on the screen is located in the center of the screen for real-time tracking.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 회전줌 카메라를 이용하여 실시간으로 감시 대상 영역을 모니터링하여 객체를 실시간으로 추적하는 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템에 관한 것으로서, 상기 회전줌 카메라로부터 감시대상 영역의 촬영 영상을 수신하는 영상입력부; 상기 촬영 영상을 전처리하는 전처리부; 상기 촬영 영상으로부터 객체를 추출하는 객체추출부; 평균이동 알고리즘를 이용하여, 상기 객체가 이동한 이동지점을 계산하는 객체추적부; 및, 상기 회전줌 카메라의 초점을 상기 이동지점으로 맞추는 카메라 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to an object tracking system using a rotation zoom camera-based average moving algorithm that tracks an object in real time by monitoring a monitoring target area in real time using a rotation zoom camera. An image input unit configured to receive a captured image of a surveillance target area; A preprocessor configured to preprocess the captured image; An object extracting unit extracting an object from the captured image; An object tracking unit for calculating a moving point to which the object has moved using an average moving algorithm; And a camera controller for adjusting the focus of the rotation zoom camera to the moving point.

또, 본 발명은 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템에 있어서, 상기 전처리부는 상기 촬영 영상의 이미지에 배경 차분 방법을 적용하고, 적용된 이미지에 모폴로지 연산과 라벨링을 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is an object tracking system using a rotation zoom camera-based average moving algorithm, the pre-processing unit is characterized by applying a background difference method to the image of the captured image, and performs a morphology calculation and labeling on the applied image .

또, 본 발명은 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템에 있어서, 상기 평균이동 알고리즘은 상기 촬영 영상의 직전 이미지에서 추적한 객체 모델과 다음 이미지에서의 후보 객체 모델 간의 유사도가 가장 큰 위치를 찾는 것을 목적으로 하는 평균이동 벡터를 이용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is an object tracking system using a rotation zoom camera-based average moving algorithm, the average moving algorithm is the position where the similarity between the object model tracked in the previous image of the captured image and the candidate object model in the next image is the largest It is characterized by using an average shift vector for the purpose of finding.

또, 본 발명은 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템에 있어서, 상기 평균이동 벡터는 [수식 1]인 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is an object tracking system using a rotation zoom camera-based average movement algorithm, the average movement vector is characterized in that [Equation 1].

[수식 1][Equation 1]

Figure 112011007824119-pat00001
Figure 112011007824119-pat00001

또, 본 발명은 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템에 있어서, 상기 평균이동 알고리즘에서 사용하는 커널함수는 [수식 2]인 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is an object tracking system using a rotation zoom camera-based average movement algorithm, the kernel function used in the average movement algorithm is characterized in that [Equation 2].

[수식 2][Equation 2]

Figure 112011007824119-pat00002
Figure 112011007824119-pat00002

단, σ는 커널함수의 상수임.
Where σ is a constant of the kernel function.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템에 의하면, 회전줌 카메라를 이용하여 빠른 추적이 가능하고 실시간 처리가 가능하며, 넓은 감시 지역에서의 지속적인 객체 추적이 가능하며 효율적인 영상 감시 시스템에 활용될 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the object tracking system using the rotation zoom camera-based average movement algorithm according to the present invention, it is possible to quickly track and real-time processing using the rotation zoom camera, continuous tracking of objects in a large surveillance area Possible and effective effects are obtained for the video surveillance system.

즉, 본 발명에 따른 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템에 의하면, 평균이동(Mean shift) 추적 알고리즘을 이용함으로써, 빠르고 안정적인 성능으로 실시간 추적에 적합하며, 객체의 이동이나 회전 등에도 강건하게 추적을 할 수 있는 효과가 얻어진다.
That is, according to the object tracking system using a rotation zoom camera-based average movement algorithm according to the present invention, by using a mean shift tracking algorithm, it is suitable for real-time tracking with fast and stable performance, and also to move or rotate objects A robust tracking effect is obtained.

도 1은 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템의 구성에 대한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 회전줌 카메라의 모터를 제어하기 위한 전송 패킷의 포맷과 프로토콜의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 객체추적 시스템의 실험에 사용한 회전줌 카메라 및 개발환경을 설명한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 PTZ 카메라를 제어하기 위해 패킷을 전송하는 PTZ 제어 프로그램의 화면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 PTZ 카메라 상에서의 객체 추적 실험 영상이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 회전줌 카메라 20 : 컴퓨터 단말
30 : 객체추적 시스템 31 : 영상입력부
32 : 전처리부 33 : 객체추출부
34 : 객체추적부 35 : 카메라 제어부
40 : 촬영 영상
1 is a diagram showing a configuration of an overall system for carrying out the present invention.
2 is a block diagram of a configuration of an object tracking system using a rotation zoom camera-based average moving algorithm according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary diagram of a format and a protocol of a transport packet for controlling a motor of a rotation zoom camera according to an embodiment of the present invention.
4 is a view illustrating a rotation zoom camera and a development environment used in the experiment of the object tracking system of the present invention.
5 is a screen of a PTZ control program for transmitting a packet to control a PTZ camera according to an embodiment of the present invention.
6 is an object tracking experiment image on a PTZ camera according to an embodiment of the present invention.

Description of the Related Art [0002]
10: zoom camera 20: computer terminal
30: object tracking system 31: video input unit
32: preprocessing unit 33: object extraction unit
34: object tracking unit 35: camera control unit
40: recording video

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
In addition, in describing this invention, the same code | symbol is attached | subjected and the repeated description is abbreviate | omitted.

먼저, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.First, the structure of the whole system for implementing this invention is demonstrated with reference to FIG.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템은 회전줌 카메라(10), 컴퓨터 단말(20), 및, 객체추적 시스템(30)으로 구성되고, 상기 회전줌 카메라(10)와 상기 컴퓨터 단말(20)은 통신 라인을 통해 서로 데이터 통신을 한다.As shown in Figure 1, the whole system for implementing the present invention is composed of a zoom camera 10, a computer terminal 20, and the object tracking system 30, the zoom camera 10 and the The computer terminals 20 communicate data with each other via a communication line.

상기 회전줌 카메라(10)는 PTZ(Pan-Tilt-Zoom) 카메라 등 수평 또는 수직 회전이 가능하여 전 방향을 촬영할 수 있는 카메라이고, 상기 컴퓨터 단말(20)은 PC, 노트북, 넷북 등 컴퓨터 기능을 가진 단말 장치이다.The rotation zoom camera 10 is a camera capable of horizontally or vertically rotating such as a PTZ (Pan-Tilt-Zoom) camera to shoot all directions, the computer terminal 20 is a computer function such as a PC, notebook, netbook Terminal device.

객체추적 시스템(30)은 영상제어용 소프트웨어(S/W)로 구현되어, 상기 컴퓨터 단말에 설치되어 실행될 수 있다. 다른 실시예로서, 객체추적 시스템(30)은 범용 마이크로프로세서와 프로그램으로 일체화되어 구현될 수도 있고, ASIC(주문형 반도체) 등 일체형 반도체로 구현될 수도 있다.The object tracking system 30 may be implemented by software for image control (S / W) and installed and executed in the computer terminal. In another embodiment, the object tracking system 30 may be integrated into a general purpose microprocessor and a program, or may be implemented as an integrated semiconductor such as an ASIC.

객체추적 시스템(30)은 1대의 PTZ(Pan-Tilt-Zoom) 카메라를 통하여 영상을 받아, 컴퓨터 단말(PC 등)의 프로그램 상에서 객체를 추출하고 이동을 감지한다. 그리고 객체추적 시스템(30)은 카메라에게 명령 패킷을 보내어 화면상에 객체가 가운데 위치하도록 카메라의 모터를 움직이게 한다. PC프로그램 상에서 명령은 RS-232 통신을 RS-485통신으로 시리얼 컨버터(Serial Converter)를 이용해 변환하여 전송한다.
The object tracking system 30 receives an image through one pan-tilt-zoom (PTZ) camera, extracts an object on a program of a computer terminal (PC, etc.), and detects movement. The object tracking system 30 sends a command packet to the camera to move the motor of the camera so that the object is centered on the screen. Command in PC program converts RS-232 communication into RS-485 communication using serial converter and transmits it.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 객체추적 시스템(30)의 구성을 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Next, the configuration of the object tracking system 30 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 2.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 객체추적 시스템(30)은 영상입력부(31), 전처리부(32), 객체추출부(33), 객체추적부(34), 및, 카메라 제어부(35)로 구성된다.As shown in FIG. 2, the object tracking system 30 according to an exemplary embodiment of the present invention includes an image input unit 31, a preprocessor 32, an object extractor 33, an object tracker 34, and Camera control unit 35.

영상입력부(31)는 회전줌 카메라(10)로부터 감시대상 영역의 촬영 영상(40)을 수신한다.The image input unit 31 receives the captured image 40 of the surveillance region from the rotation zoom camera 10.

전처리부(32)는 상기 촬영 영상을 전처리한다. 특히, 전처리부(32)는 상기 촬영 영상의 이미지에 배경 차분 방법을 적용하고, 적용된 이미지에 모폴로지 연산과 라벨링을 수행한다. 이렇게 함으로써, 객체의 형태를 보완할 수 있다.The preprocessor 32 preprocesses the photographed image. In particular, the preprocessor 32 applies a background difference method to the image of the captured image, and performs morphology calculation and labeling on the applied image. In this way, the shape of the object can be complemented.

객체추출부(33)는 상기 촬영 영상으로부터 객체를 추출한다. 특히, 객체추출부(33)는 객체의 영역을 나타내 주는 이진 영상을 현재 영상의 화소값에 AND 연산을 하여, 상기 촬영 영상으로부터 상기 객체를 추출한다.The object extractor 33 extracts an object from the captured image. In particular, the object extracting unit 33 performs an AND operation on the pixel value of the current image, which is a binary image representing the area of the object, to extract the object from the captured image.

객체추적부(34)는 평균이동 알고리즘를 이용하여, 상기 객체가 이동한 이동지점을 계산한다. The object tracking unit 34 calculates a moving point to which the object moves by using an average moving algorithm.

객체추적부(34)는 객체의 특징값의 선택에 따라 컬러 기반, 움직임 기반, 모델 기반 등으로 추적할 수 있다.The object tracker 34 may track the color based, the motion based, the model based, etc. according to the selection of the feature value of the object.

하나의 일실시예로서, 제안하는 객체추적부(34)는 객체의 컬러 분포를 특징으로 하여 객체의 컬러 분포를 히스토그램으로 나타내고 이를 평균이동(Mean shift) 알고리즘으로 반복적으로 적용한다. 즉, 다음 프레임의 확률 분포상 객체와 가장 유사한 후보 영역을 찾아내는 방법을 사용한다.As one embodiment, the proposed object tracking unit 34 is characterized by the color distribution of the object to represent the color distribution of the object as a histogram and apply it repeatedly with a mean shift algorithm. That is, the method finds the candidate region most similar to the object in the probability distribution of the next frame.

평균이동(Mean shift) 알고리즘은 샘플 점들의 분포에서 주요한 모드(최빈값)를 찾기 위한 비모수적(non-parametric) 확률밀도함수(probability density function pdf)의 모드를 찾는 방법이다. 여기서 확률밀도함수는 컬러공간에서의 이미지 픽셀들의 컬러분포를 의미한다. 주어진 픽셀주변(공간)에서 컬러 값들 중에서 현재의 픽셀과 유사한 컬러분포를 갖는 픽셀들의 평균위치와 컬러공간에서의 평균값을 계산하고, 이 점으로 이동하여서 다시 같은 작업을 반복하여 시행하면 관심영역의 크기(커널 윈도우의 크기, bandwidth)내에 극대값이 존재하는 경우에 그 점을 수렴하게 된다.Mean shift algorithm is a method of finding the mode of non-parametric probability density function pdf to find the main mode (mode) in the distribution of sample points. Here, the probability density function means a color distribution of image pixels in the color space. Calculate the average position and average value in the color space of pixels with similar color distribution to the current pixel among the color values around the given pixel (space). If there is a maximum in (kernel window size, bandwidth), it will converge.

찾고자 하는 객체의 pdf 모델을 q로 정의하고 다음 프레임에서 찾고자 하는 후보 객체의 pdf 모델을 p라고 하면 [수학식 1]과 같이 정의할 수 있다.If we define q as the pdf model of the object we want to find and p as the pdf model of the candidate object we want to find in the next frame, we can define it as [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112011007824119-pat00003

Figure 112011007824119-pat00003

Figure 112011007824119-pat00004
는 다음 프레임의 위치 y에서의 후보 pdf모델을 나타낸다. 객체 모델 q와 후보 모델 p간의 유사도를 측정하기 위하여 유사도를 측정함수를 [수학식 2]와 같이
Figure 112011007824119-pat00005
로 정의 한다. 유사도 측정함수
Figure 112011007824119-pat00006
는 Bhattacharyya Coefficient를 사용한다. 다음 프레임에서 객체 모델과 가장 유사한 후보 모델을 찾는 것이 목적이므로
Figure 112011007824119-pat00007
값을 최대로 갖는 위치 y를 찾아야 한다.
Figure 112011007824119-pat00004
Denotes a candidate pdf model at position y of the next frame. In order to measure the similarity between the object model q and the candidate model p, the similarity measurement function is expressed as [Equation 2].
Figure 112011007824119-pat00005
It is defined as Similarity Measurement Function
Figure 112011007824119-pat00006
Uses the Bhattacharyya Coefficient. The goal is to find the candidate model that most closely resembles the object model in the next frame.
Figure 112011007824119-pat00007
We need to find the position y that has the maximum value.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112011007824119-pat00008

Figure 112011007824119-pat00008

두 모델 간 유사도 측정 함수

Figure 112011007824119-pat00009
는 객체 모델과 후보 모델간의 거리(distance)를 정의한다. 이는 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있으며,
Figure 112011007824119-pat00010
값을 최대화 하는 것은 d(y)값을 최소화 하는 문제로 나타낼 수 있다.Similarity measurement function between two models
Figure 112011007824119-pat00009
Defines the distance between the object model and the candidate model. This can be expressed as [Equation 3],
Figure 112011007824119-pat00010
Maximizing the value can be seen as a problem of minimizing the d (y) value.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112011007824119-pat00011

Figure 112011007824119-pat00011

유사도 측정 함수

Figure 112011007824119-pat00012
는 Bhattacharyya coefficient를 사용하고 계산의 복잡도를 줄이기 위하여 [수학식 4]와 같이 Taylor expansion을 수행한다. Similarity Measure Function
Figure 112011007824119-pat00012
Uses the Bhattacharyya coefficient and performs Taylor expansion as shown in [Equation 4] to reduce the complexity of the calculation.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112011007824119-pat00013

Figure 112011007824119-pat00013

[수학식 4]에 y와 연관된 항은 두 번째 항이고 이 항의 값이 최대가 되는 위치 y가 객체 모델과 유사도가 최대로 되는 후보 모델의 위치가 된다. 이는 두 모델 사이의 거리 d를 최소화하는 위치이기도 하다. 두 번째 항에 각 단계마다 반복적으로 지역 최대값을 찾아가는 평균이동(Mean shift) 알고리즘을 적용하면 현재의 사람 위치

Figure 112011007824119-pat00014
에서 새로운 위치
Figure 112011007824119-pat00015
으로의 이동을 [수학식 5]와 같이 정의할 수 있다. 여기서 커널
Figure 112011007824119-pat00016
이다. 기울기 벡터는
Figure 112011007824119-pat00017
가 되고
Figure 112011007824119-pat00018
Figure 112011007824119-pat00019
보다 작을 때까지 반복하여 객체를 추적한다. In Equation 4, the term associated with y is the second term, and the position y where the value of the term is maximum is the position of the candidate model whose maximum similarity with the object model. This is also the position to minimize the distance d between the two models. In the second term, we apply the mean shift algorithm that repeatedly searches for the local maximum at each step.
Figure 112011007824119-pat00014
New location in
Figure 112011007824119-pat00015
The movement to can be defined as shown in [Equation 5]. Where kernel
Figure 112011007824119-pat00016
to be. Slope vector
Figure 112011007824119-pat00017
Become
Figure 112011007824119-pat00018
this
Figure 112011007824119-pat00019
Iterate through the objects until they're smaller.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112011007824119-pat00020

Figure 112011007824119-pat00020

일반적으로 많이 사용되고 있는 커널함수는 연속적이고 단순 감소함수 형태인 Epanechnikov 커널을 사용한다. 이는 [수학식 6]과 같이 정의된다.Commonly used kernel functions use the Epanechnikov kernel, which is a continuous and simple reduction function. This is defined as shown in [Equation 6].

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112011007824119-pat00021

Figure 112011007824119-pat00021

Figure 112011007824119-pat00022
이므로 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있고
Figure 112011007824119-pat00023
는 Uniform 커널이 된다.
Figure 112011007824119-pat00022
Since it can be expressed as [Equation 7]
Figure 112011007824119-pat00023
Becomes the Uniform Kernel.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112011007824119-pat00024

Figure 112011007824119-pat00024

이를 [수학식 5]에 적용하면 [수학식 8]과 같이 간단한 가중 평균 형태로 나타낼 수 있다.If this is applied to [Equation 5], it can be expressed as a simple weighted average form as shown in [Equation 8].

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112011007824119-pat00025

Figure 112011007824119-pat00025

정리하면 추적하고자 하는 객체 모델 q와 다음 프레임에서 후보 모델 p간의 유사도가 가장 큰 위치 y를 찾는 것이 목적이고 이를 반복적으로 지역 최대값을 찾아 가는평균이동(Mean shift) 벡터를 사용하여 찾는다.In summary, the objective is to find the position y with the greatest similarity between the object model q to be traced and the candidate model p in the next frame, and find it using a mean shift vector that repeatedly searches for the local maximum.

한편, Parzen 윈도우를 사용한 커널함수의 대표적인 것은 다음과 같다.Meanwhile, representative kernel functions using the Parzen window are as follows.

다음 [수학식 9]와 같이, normal 함수가 있다.As shown in [Equation 9], there is a normal function.

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure 112011007824119-pat00026

Figure 112011007824119-pat00026

다음 [수학식 10]과 같이, Epanechnikov 함수가 있다.As shown in Equation 10, there is an Epanechnikov function.

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure 112011007824119-pat00027

Figure 112011007824119-pat00027

본 발명에서 사용하는 커널함수는 다음 [수학식 11]과 같다.The kernel function used in the present invention is as shown in [Equation 11].

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure 112011007824119-pat00028
Figure 112011007824119-pat00028

단, σ는 커널함수의 상수임.Where σ is a constant of the kernel function.

[수학식 11]에서 보는 바와 같이, 커널함수의 지수함수 내의 x의 1차 함수인 것을 알 수 있다. 즉, 1차 함수이므로 계산량은 상당량 줄어드는 반면, 정확도는 떨어질 수 있다.As shown in Equation 11, it can be seen that it is a linear function of x in the exponential function of the kernel function. In other words, since it is a linear function, the amount of calculation can be reduced considerably, while the accuracy can be reduced.

[수학식 5]에서 보는 바와 같이, normal 또는 Epanechinikov의 커널을 이용하면, 지수함수 내의 x가 2차 함수이므로 계산량이 매우 많기 때문에 실시간으로 계산하기 어렵다. 따라서 본원발명은 커널함수를 x의 1차 함수로 이용함으로써 계산량을 줄여 실시간으로 계산할 수 있다.As shown in [Equation 5], using the kernel of normal or Epanechinikov, since x in the exponential function is a quadratic function, it is difficult to calculate in real time because the calculation amount is very large. Therefore, the present invention can be calculated in real time by reducing the amount of calculation by using the kernel function as a linear function of x.

한편, 앞서 본 바와 같이, 배경 등을 제외하는 등 전처리를 하기 때문에, 1차 함수를 이용함으로써 발생할 수 있는 정확성 문제를 해결할 수 있다. 또한, 감시 카메라를 통해 이동하는 물체의 이미지를 녹화하여 저장하는 것이 주된 목적이므로, 약간의 오차가 있다하더라도 문제되지 않는다.
On the other hand, as described above, since the pre-processing, such as excluding the background, etc., it is possible to solve the accuracy problem that may occur by using the first order function. In addition, since the main purpose is to record and store the image of the object moving through the surveillance camera, even if there is a slight error does not matter.

[수학식 11]의 커널함수는 지수 형태로 되어 있고 좌우대칭 형태이며, normal 함수 및 Epanechnikov 함수 보다 덜 민감하지만 객체 추적하는데 걸리는 시간은 감소될 수 있고 원심방향으로 수렴하는(radial) 커널의 특성을 유지하고 있어 실시간 객체추적에 있어 계산량이 종래의 커널함수보다 작아서 속도면에서 유리하다.
The kernel function in Equation (11) is exponential and bilaterally symmetric, and is less sensitive than the normal and Epanechnikov functions, but the time required to track an object can be reduced and the characteristics of the radially converging kernel can be reduced. Since the computation is smaller than the conventional kernel function in real time object tracking, it is advantageous in terms of speed.

카메라 제어부(35)는 회전줌 카메라(10)의 초점을 상기 이동지점으로 맞추도록 제어한다. 즉, 객체가 이동을 하게 되면 카메라 제어부(35)에 의해 PTZ 카메라(10)의 모터를 제어하게 되어 객체의 이동(또는 이동지점)에 따라 카메라가 움직이게 된다.The camera controller 35 controls to adjust the focus of the rotation zoom camera 10 to the moving point. That is, when the object moves, the camera control unit 35 controls the motor of the PTZ camera 10 so that the camera moves according to the movement (or moving point) of the object.

추출한 이동 객체가 이동하였을 경우 객체추적 시스템(30)에서 이를 판단하고 카메라(10)의 모터를 움직이기 위하여 명령 패킷을 RS-485 통신 을 통하여 카메라에게 전송한다. 카메라(10)의 모터가 움직여서 객체를 화면상의 가운데에 위치하게 함으로써 객체의 추적이 가능하게 된다.When the extracted moving object moves, the object tracking system 30 determines this and transmits a command packet to the camera through RS-485 communication to move the motor of the camera 10. By moving the motor of the camera 10 to position the object in the center of the screen it is possible to track the object.

도 3a 및 도 3b는 각각 PTZ 카메라(10)의 모터를 제어하기 위한 전송 패킷의 포맷과 프로토콜 예시이다. 도 3b와 같은 명령을 회전줌 카메라(10)에게 전송하였을 경우 오른쪽으로 팬이 34의 속도로 이동하게 된다.
3A and 3B are examples of formats and protocols of a transport packet for controlling a motor of the PTZ camera 10, respectively. When the command shown in FIG. 3B is transmitted to the rotation zoom camera 10, the fan moves to the right at a speed of 34.

다음으로, 본 발명에 따른 객체추적 시스템(30)에 의해 수행된 객체 추적 실험 결과를 도 4 내지 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Next, the results of the object tracking experiment performed by the object tracking system 30 according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 4 to 6.

도 4a에서 보는 바와 같이, 실험은 다양한 실내 환경에서 삼성테크윈 사 SPD-1000 PTZ 돔 카메라를 사용하였다. 영상의 한 프레임의 크기는 320 * 240인 동영상 데이터를 사용하였다. 또한, 실험한 PC 개발환경은 도 4b와 같다. 도 5는 PTZ 카메라를 제어하기 위해 패킷을 전송하는 PTZ 제어 프로그램의 화면이다.As shown in Figure 4a, the experiment used a Samsung Techwin SPD-1000 PTZ dome camera in a variety of indoor environments. The size of one frame of video is 320 * 240 video data. In addition, the experimental PC development environment is shown in Figure 4b. 5 is a screen of a PTZ control program for transmitting a packet to control a PTZ camera.

실험 데이터 촬영은 PTZ 카메라 환경에서 여러 실험 객체 대상을 바꾸어 실험 하였다. 도 6은 PTZ 카메라 상에서의 객체 추적 실험 영상이다.Experimental data shooting was performed by changing the targets of several test objects in a PTZ camera environment. 6 is an object tracking experiment image on a PTZ camera.

도 6a는 5프레임 간격으로 저장한 영상의 프레임 데이터이다. 프레임의 순서는 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래쪽의 순서로 배열되고 있다.6A illustrates frame data of an image stored at five frame intervals. The frames are arranged in order from left to right, top to bottom.

도 6b는 도 6a의 영상을 대상으로 처리한 결과를 보여주는 도면이다. 즉, 배경을 제거한 뒤에 전처리 단계를 거친 후 클러스터링된 형태이다. 도 6b의 각 결과는 도 6a의 영상에 대응된다. 즉, 6b의 이미지 순서도 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래쪽의 순서로 배열되고 있다.FIG. 6B is a diagram illustrating a result of processing the image of FIG. 6A. In other words, the background is clustered after removing the background and performing a preprocessing step. Each result of FIG. 6B corresponds to the image of FIG. 6A. That is, the image sequence of 6b is also arranged from left to right and top to bottom.

도 6b에서 빨간색 큰 화살표는 클러스터의 무게중심이다. 도 6b에서 보는 바와 같이, 이동평균(mean shift) 알고리즘을 적용하면 여러 개의 클러스터가 나온다. 예를 들어, 목 부분, 몸체 부분 등이다. 여기서 클러스터가 정해진 크기 이상만 남겨두고, 나머지 클러스터는 제거한다.In Figure 6b, the large red arrow is the center of gravity of the cluster. As shown in FIG. 6B, when the mean shift algorithm is applied, several clusters are produced. For example, the neck part, the body part and the like. In this case, leave clusters larger than a fixed size and remove the remaining clusters.

도 6c는 도 6b의 전처리된 영상을 이용하여, 객체의 움직임의 궤적을 추적한 도면이다. 즉, 도 6c는 2차원 이미지 평면에서의 객체 움직임의 궤적으로서, 좌에서 우로 움직이는 것을 확인할 수 있다. 즉, 카메라의 팬이 좌에서 우로 움직이면서 틸트값이 조금 반영된 것이다.
FIG. 6C is a diagram of tracking the trajectory of the movement of an object using the preprocessed image of FIG. 6B. That is, FIG. 6C shows that the object moves in the two-dimensional image plane and moves from left to right. In other words, as the pan of the camera moves from left to right, the tilt value is slightly reflected.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.As mentioned above, although the invention made by this inventor was demonstrated concretely according to the Example, this invention is not limited to an Example and can be variously changed in the range which does not deviate from the summary.

본 발명은 회전줌(PTZ) 카메라를 이용하여 실시간으로 감시 대상 영역을 모니터링하여 객체를 실시간으로 추적하는 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템을 개발하는 데 유용하다.
The present invention is useful for developing an object tracking system using a rotation zoom camera-based average moving algorithm that tracks an object in real time by monitoring a monitoring target area in real time using a rotation zoom (PTZ) camera.

Claims (5)

회전줌 카메라를 이용하여 실시간으로 감시 대상 영역을 모니터링하여 객체를 실시간으로 추적하는 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템에 있어서,
상기 회전줌 카메라로부터 감시대상 영역의 촬영 영상을 수신하는 영상입력부;
상기 촬영 영상을 전처리하는 전처리부;
상기 촬영 영상으로부터 객체를 추출하는 객체추출부;
평균이동 알고리즘를 이용하여, 상기 객체가 이동한 이동지점을 계산하는 객체추적부; 및,
상기 회전줌 카메라의 초점을 상기 이동지점으로 맞추는 카메라 제어부를 포함하고,
상기 평균이동 알고리즘은 상기 촬영 영상의 직전 이미지에서 추적한 객체 모델과 다음 이미지에서의 후보 객체 모델 간의 유사도가 가장 큰 위치를 찾는 것을 목적으로 하는 평균이동 벡터를 이용하고,
상기 평균이동 알고리즘에서 사용하는 커널함수 Kp(x)는 [수식 2]인 것을 특징으로 하는 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템.
[수식 2]
Figure 112012049975326-pat00040

단, σ는 커널함수의 상수임.
In an object tracking system using a rotation zoom camera-based average movement algorithm that monitors an object to be monitored in real time using a rotation zoom camera,
An image input unit configured to receive a captured image of a surveillance target region from the rotation zoom camera;
A preprocessor configured to preprocess the captured image;
An object extracting unit extracting an object from the captured image;
An object tracking unit for calculating a moving point to which the object has moved using an average moving algorithm; And
A camera controller for focusing the rotating zoom camera to the moving point;
The average shift algorithm uses an average shift vector for the purpose of finding a position having the greatest similarity between the object model tracked in the previous image of the captured image and the candidate object model in the next image.
Kernel function K p (x) used in the average movement algorithm is an object tracking system using a rotation zoom camera based average movement algorithm, characterized in that [Equation 2].
[Equation 2]
Figure 112012049975326-pat00040

Where σ is a constant of the kernel function.
제1항에 있어서,
상기 전처리부는 상기 촬영 영상의 이미지에 배경 차분 방법을 적용하고, 적용된 이미지에 모폴로지 연산과 라벨링을 수행하는 것을 특징으로 하는 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템.
The method of claim 1,
The preprocessing unit applies a background difference method to the image of the photographed image, and performs a morphology calculation and labeling on the applied image object tracking system using a mean zoom algorithm based on a zoom camera.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 평균이동 벡터는 [수식 1]인 것을 특징으로 하는 회전줌 카메라 기반 평균이동 알고리즘을 이용한 객체추적 시스템.
[수식 1]
Figure 112012049975326-pat00029

The method of claim 1,
The average movement vector is an object tracking system using a rotation zoom camera-based average movement algorithm, characterized in that [Equation 1].
[Equation 1]
Figure 112012049975326-pat00029

삭제delete
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