JP4451122B2 - ビデオ追跡システム及び方法 - Google Patents
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Description
I1、I2
と符号付けられる。
I1 1、I2 1、I1 2、I2 2
と符号付けられる。個々の画像について単一のサブ・サンプルのみが取得される場合、サブ・サンプルは、
I1 1、I1 2
と符号付けられる。これらのサンプルは、代わりに、1I1、1I2とも符号付けられる。
当初、カメラは静止して、特定の位置の動く目標物を監視し得る。システム20は、プロセッサ60が新しいフレームを取り込む度に、最新の二つの画像間の画像の差異を計算することにより、動く目標物を探す。画像の差異は、個々の画像の関連付けられたピクセル間の差異の絶対値をとることにより計算される。画像I1及びI2が位置調整される場合、カメラ22は個々の画像を同じFOVで撮影するために、又は、画像のうちの一つが第二の画像にマップされるために、画像の差異Δは、
Δ=|I2-I1|
に従って計算される。
動きを検出した後、動く目標物の図心(centroid)に対応する注目点(POI)が識別される。任意の次数のソーベル演算子により畳み込みを計算することにより、ソーベル・エッジ検出マスクは水平及び垂直方向のエッジを探し、該情報を本技術分野において知られる単一の距離関数に結合する。より具体的には、個々のピクセルにおいてソーベルX演算子及びソーベルY演算子は、当該ピクセルのグラジエント値を生成するために利用される。それらはそれぞれgx及びgyと符号付けられる。次いで、エッジの強さが、
動く目標物のエッジは大きなエッジの強さの値を持ち、これらの値は目標物のエッジを決定するために利用される。目標物又は動きの領域の図心は、動きが検出された領域のメジアン及びシグマ値を利用することにより発見される。注目点即ちPOIである図心は、フレーム及び(x(0),y(0))及び(x(1)y(1))として記憶される画像位置座標において発見される。
カメラ22がパン角α及びティルト角βによりそれぞれ決定された方向を指している場合、これらの角度により決定される回転マトリックスRは、以下の数式により与えられる。即ち、
Pw=RPc
により与えられ、ワールド座標と画像投射座標(x、y)との関係は、
ただし、fはカメラの焦点距離であり、(x、y)はPOIの現在の画像投射座標であり、(x0、y0)はPOIの以前の画像投射座標である。上記の数式を利用すると、
目標物が平均的な身長の人であると想定すると、身長は一定であると考えられ(即ち、Z(0)=Zは一定である)、数式(3a)及び(3b)は、容易に解くことができる二つの未知数(X(0)、Y(0))を有する線形系を表わす。第二の画像におけるPOIの位置(X(1)、Y(1))は、同様の方法で計算され得、目標物のx及びy方向への実世界の速度であるX’及びY’は、それぞれ、
X'=X(1)-X(0) (3c)
Y'=Y(1)-Y(0) (3d)
により求められ得る。
D(k)=cf(k)
を利用することにより焦点距離ユニットとして表わされるように保つことが望ましい。ただし、f(k)は時刻ステップkにおけるカメラの焦点距離であり、cは定数である。個々の時刻ステップにおける焦点距離は、以下の数式、即ち、
目標物を追跡するためのカメラ22の制御に利用され得る値であって目標物の属性を表わす目標値を決定する代わりの方法は、画像I1及びI2のコーナーを検出する工程を含む。コーナーは、近接する地点と大きく異なる強さを有する画像上の地点である。二つの画像からそのようなコーナーを識別し突き合わせる様々な方法が、本技術分野において知られている。
R=min(rA,rB)
を用いて計算される。ただし、RはCRF値であり、rAは水平方向の強度の変数であり、rBは垂直方向の強度の変数である。MIC法は、三つのステップの処理を用いる。第一のステップは、低解像度画像の個々のピクセルに対するCRFを計算する工程を含む。第一のしきい値T1以上のCRFを有するピクセルは、コーナーの可能性があるものとして識別される。この最初のステップは、画像の大幅な領域を、コーナーが無いものとして効率的に除外する。低解像度の画像では、CRFの計算を必要とするピクセル数が限定されるからである。第二のステップは、完全な解像度の画像を用いてコーナーの可能性のあるピクセルについてCRFを計算する工程を含む。結果としてのCRFが第二のしきい値T2より小さい場合、当該ピクセルはコーナーではない。第二のしきい値T2を満たすCRFを有するピクセルについて、当該ピクセルの強度の変数を決定するために、もう一つのピクセル間の近似値が計算され、例えばT2であるしきい値と比較され得る。結果がしきい値以下である場合、当該ピクセルはコーナーではない。第三のステップは、ローカルで最大のCRF値を有するピクセルの位置を特定し、コーナーとして標識付ける工程を含む。比較的高いがローカルの最大値ではないCRF値を有する近隣のピクセルは、コーナーとして標識付けられない。画像I1及びI2それぞれの検出されたコーナーのリストであるPCL1及びPCL2は、まとめられ、比較される。二つの画像におけるコーナーは、本技術分野において知られる標本相互相関(NCC)係数のような相似測定を用いて比較/突合せされる。
p'=sQRQ-1p=Mp (6)
により決定される。ただし、p及びp’は第一及び第二の画像の同じワールド点のホモグラフィ画像座標を示し、sは拡大縮小画像(カメラの焦点距離に対応する)を示し、Qは内部のカメラ校正マトリックスであり、Rは二つのカメラ位置間の回転マトリックスである。
従って、画像の位置調整の主な問題は、マトリックスMを決定することである。s、Q及びRが与えられれば、数式(6)からマトリックスMを決定することは、理論的に容易である。しかし、実際には、一般に、s、Q及びRの正確な値は知られない。数式(6)は、カメラの中心と回転の中心が同じであると想定しており、それは、典型的には、近似的にのみ正しい。加えて、カメラ設定の正確な値、即ち、Rを決定するためのパン値及びティルト値及びsを決定するためのズーム値を取り出すため、カメラは止まらなければならないが、それにより不自然な動きが生まれ、カメラ設定を取り出すシステムによっては、かなりの長さの時間がかかり得る。
滑らかなカメラの動きを作り出すため、カメラ22は、カメラ22が常に動き続けることを可能とするような方法で制御される。POIが視野の中心より左側にある場合、プロセッサ60は、カメラ22を特定のパン速度即ち調整速度で左にパンさせる命令を、カメラ22に伝達する。パン速度は、画像の中心からPOIまでの距離により決定される。選択されたパン速度と最近取得された画像の中心からPOIまでの水平即ちx方向の距離との間には、線形の関係がある。同様に、カメラ22のティルトの速度及び方向は、POIと最近取得された画像の中心との垂直方向の距離、即ちy方向の距離により決定される。カメラから目標物までの距離を補償するために、比例係数も適用される。
Xvel=(xdelta/xhigh)*sin(ティルト角)
Yvel=(ydelta/yhigh)*sin(ティルト角)
である。ただし、Xvelはパン角が調整される速度又は速さであり、Yvelはティルト角が調整される速度又は速さであり、xdeltaはPOIと画像の中心とのx方向の距離であり、ydeltaはPOIと画像の中心とのy方向の距離であり、xhigh及びyhighは正規化係数であり、sin(ティルト角)は、カメラの(水平面について測定された)ティルト角のサイン値であって、カメラから目標物までの距離を補償するために利用される比例係数を提供する。結果としての値Xvel及びYvelは、上記のように、画像の中心からPOIへの距離及びカメラから対象物までの距離を用いて計算され、画像の中心からPOIへの距離は、一定の時刻値における目標物の動きに関連する。従って、値Xvel及びYvelは目標物のいくつかの属性、即ち、実世界におけるカメラに対する位置、及び、目標物の速度及び加速度の関数であるFOV内の目標物の図心の位置の関数であり、従って、値Xvel及びYvelもまた、目標物の速度及び加速度の関数である。
目標距離=カメラの高さ/Sin(ティルト角)
である。ただし、ティルト角は水平面に関して決定される。カメラ22は既知の高さで据付けられ、この高さはシステム20の設置期間に追跡ユニット50に入力される。次に、解像度が限定されたFOV幅(R−L FOV幅)が計算される。即ち、
R−L FOV幅=有効ピクセル数/侵入者を識別するために要求される解像度線数
である。ただし、有効ピクセル数は、NTSCビデオ画像では768(H)、PALビデオ画像では752(H)であり、侵入者を識別するための解像度線数は、1フィート当りの解像度線数で表わすと、例としての実施の形態においては、例えば1フィート当り16本である。次いで、目標物の追跡を続けるために十分な解像度線数を提供する所望の焦点距離が計算される。即ち、
所望の焦点距離=フォーマット*目標距離(ft)/R−L FOV幅
である。ただし、フォーマットは、カメラにより用いられるCCD(電荷結合素子)のmm単位での水平方向の幅であり、例えばカメラ22では3.6mmである。図示された実施の形態において、カメラ22は、所望の焦点距離値に焦点距離を変えることにより焦点距離設定を調整するように指示される。カメラ22の焦点距離調節は、焦点距離の二地点間調整である。しかし、代わりの実施の形態においては、カメラ22は、単に所与のズーム設定に移るよう命令されるだけではなく、パン及びティルトの調整が為されたのと同様の方法で、現在の焦点距離と所望の焦点距離との差異に基づいて選択された調整速度で動くように命令され得る。カメラ22は、次いで、プロセッサ60が焦点距離調整の速度又は方向を変化させる第二の命令を伝達するまで、特定の速度(及び選択された方向、即ち、カメラの焦点距離を伸ばす又は縮める方向で)で焦点距離を調整し続ける。そのような第二の命令は、変化の速度を、一定の焦点距離値に対応する0へ変え得る。
・追跡器の初期化:カメラの位置を決め、動く目標物がカメラのFOVに入るのを待つように追跡器を初期化する。
・背景減算:背景を減算し動く目標物を検出するように画像を比較する。
・コーナー検出及び突き合わせ:画像取得の間のカメラ位置の変更を予測するために、背景のコーナー特徴を識別し突き合わせる。
・ワープ:異なる視野により撮られた画像を位置調整し、画像内の動く目標物を検出するために、画像を幾何学的にゆがませる。
・部分の位置特定及び抽出:目標物に対応する画像部分の位置特定及び抽出を含めて、個々の新しいフレームにおける目標物の位置を特定する。
・注目点(POI)計算:目標物及びその図心の単純化された表示を、画像の二次元のフレームワーク内に位置付ける。
・PTZカメラの調整速度の計算:カメラのパン、ティルト及び焦点距離調整速度を決定し、カメラに命令を伝達する。
増分でズーム・アウトする。より詳細には、カメラは20%ズームアウトして、新しいFOVにおいて約10秒間、目標を探索する。カメラは、目標が再捕捉されるか、又は、カメラが最小ズーム(0%)設定に到達するまで、10秒間隔で20%ずつズームアウトし続ける。最小ズーム設定で10秒間過ぎた後に目標物が再捕捉されていない場合、追跡ユニット50の状態は「目標探索中」に変わり、カメラ22の位置は予め決められた位置又は「ツアー」に戻り、カメラの位置制御は操作者又はカメラ22内に埋め込まれたコントローラーに戻る。
Claims (12)
- ビデオ追跡システムであって、
視野を有するビデオカメラであって、連続的且つ選択的に調整可能なカメラ速度を有し、前記視野がカメラの調整によって変化されるビデオカメラと、
前記カメラに動作可能に結合される少なくとも一つのプロセッサであって、
初期追跡分析サイクル後に順次のビデオ画像を前記カメラから受け取って、それぞれの順次の前記ビデオ画像を受け取る間に選択的に前記カメラの調整速度を計算し、前記それぞれの順次のビデオ画像のうちの第一画像の取得と、前記第一の画像の取得に続く第二の画像の取得との間の時間間隔の少なくとも一部の期間に、前記計算された調整速度に従って前記カメラの速度を調整し、
前記ビデオ画像内の動く目標物を検出し、それぞれの順次の前記ビデオ画像を受け取る間に前記目標物を追跡するよう前記カメラの速度を調整するようにプログラムされ、
複数の異なる調整速度で前記カメラを調整するプロセッサと、
を具備するシステム。 - 請求項1記載のビデオ追跡システムであって、前記プロセッサが、前記目標物の少なくとも一つの属性の関数である前記カメラの調整速度を選択するシステム。
- 請求項2記載のビデオ追跡システムであって、前記目標物の前記の少なくとも一つの属性が前記目標物の速度を含むシステム。
- 請求項2記載の追跡システムであって、前記プロセッサが、第一の画像及び第二の画像の分析に基づいて前記カメラの調整速度を選択するようにプログラムされ、前記第一の画像が第一の視野を区画するように調整された前記カメラにより取得され、前記第二の画像が第二の視野を区画するように調整された前記カメラにより取得されるシステム。
- 請求項4記載の追跡システムであって、前記第一の視野及び前記第二の視野が部分的に重なり、前記プロセッサにより選択された前記調整速度の決定が、前記第一の画像及び前記第二の画像のそれぞれに現れた少なくとも一つの共通の特徴を識別して位置調整する工程を含むシステム。
- 請求項1記載の追跡システムであって、前記カメラが、選択的に調整可能な焦点距離を有し、前記プロセッサが、前記カメラから前記目標物への距離の関数として、前記カメラの焦点距離を選択するシステム。
- 請求項1記載の追跡システムであって、前記プロセッサが第二の調整速度を選択し、前記第二の調整速度を前記カメラに伝達するまで、前記カメラが、第一の選択された調整速度で調整されるシステム。
- 請求項4記載の追跡システムであって、前記カメラが前記の選択された調整速度で調整される際に第三の視野を区画し、前記第三の視野を区画する際に第三の画像が前記カメラにより取得され、前記第一の画像、前記第二の画像及び前記第三の画像が前記プロセッサにより連続的に分析されるシステム。
- 請求項1記載の追跡システムであって、前記カメラが、前記カメラのパン方向と前記カメラのティルト方向とのうちの少なくとも一つを調整する際に、可変の速度において選択的に調整可能であるシステム。
- 請求項1記載の追跡システムであって、前記カメラの選択的調整が、x軸を決定する前記カメラの選択的なパン動作と、y軸を決定する前記カメラの選択的なティルト動作と、z軸を決定する前記カメラの選択的な焦点距離調整とを含み、前記x軸、前記y軸及び前記z軸が互いに垂直であるシステム。
- 請求項10記載の追跡システムであって、前記プロセッサが前記カメラを選択されたパン速度で調整し、前記選択されたパン速度が、前記x軸に沿った前記目標物の速度の関数であり、前記プロセッサが前記カメラを選択されたティルト速度で調整し、前記選択されたティルト速度が、前記y軸に沿った前記目標物の速度の関数であるシステム。
- 請求項1記載の追跡システムであって、更に、前記システムに動作可能に結合された表示装置及び入力装置を備え、操作者が前記表示装置上で前記ビデオ画像を見、前記入力装置を介して前記システムに命令又はデータを入力することができ、前記表示装置及び入力装置が前記カメラから離れた場所に置かれ得るシステム。
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