JPH0676047A

JPH0676047A - 画像処理装置

Info

Publication number: JPH0676047A
Application number: JP4228267A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yagi; 稔八木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-08-27
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1994-03-18

Abstract

(57)【要約】【目的】しきい値をより信頼性良く設定すると共に環
境変化に応じて自動的に更新させることにより、画像中
のノイズと目標物とを正確に識別できる画像処理装置を
提供すること。【構成】光学像を撮像入力するための画像入力手段
と、この画像入力手段により時系列的に得られた複数枚
の画像の統計量を計算し背景画像としての平均輝度値及
びしきい値を求めるしきい値計算手段と、新たに撮像入
力された画像と前記平均輝度値との差を求め該差が前記
しきい値より大きい部分を変化領域とする変化領域検出
手段と、前記新たに撮像入力された画像に応じて前記平
均輝度値及びしきい値を更新する更新手段とを具備した
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮像入力した画像から
侵入者の検知を自動的に行なう画像監視装置で使われる
画像処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、銀行やオフィスなどで、侵入者を
自動的に検知するといった目的で使用される画像監視装
置の開発が盛んである。このような画像監視装置では、
撮影した画像から侵入者だけを目標物として抽出する画
像処理技術が必要となる。ここで目標物を検出する方法
としては、（１）時間的に連続した画像間の差異を調べて、画像中
の差異のある領域を目標物とする方法

【０００３】（２）目標物を含まない状態で撮影した複
数枚の画像の輝度値の平均を、基準となる画像（背景画
像）の対応する各画素の輝度値とし、次に、目標物を含
む画像を撮影し、背景画像との差異のある箇所を目標物
とする、という方法が代表的である。

【０００４】しかし、照明の変化や蛍光灯のちらつき、
日の光の明るさの変化などによって、画像の輝度が時々
刻々変化する。前記２つの方法では、目標物の検出に画
像間の差異を利用するため、この変化がノイズとなって
しまう。そこで、これらのノイズを除去し、目標物を検
出する手段が必要となる。

【０００５】（１）では、蛍光灯のちらつきなどにより
画像間で輝度値の変化があると、輝度値の差をとった時
に、その変化のあった位置に差によって消去できない輝
度がノイズとして残る。これを除去するために、しきい
値をあらかじめ設定しておいて、画像間の差異がこれよ
り大きいものを目標物とする手段が開発された。しか
し、最適なしきい値を設定するという問題が解決されて
おらず、経験値、あるいは特定の環境下での実験値が用
いられている。そのため、撮影対象となる環境が変わる
と人手でしきい値を設定し直さなければならなかった
り、照明の変化がしきい値よりも大きければノイズが残
るなどして、誤認の原因となっている。

【０００６】（２）では、新しく撮影した画像と先に求
めた背景画像との対応する画素間で、固定した重みづけ
をして平均を求め、改めて背景画像の輝度値とするとい
う手段を開発している。基準となる画像を更新すること
によって、画像内の照明の変化などに対応する。しか
し、更新によって照明の明るさの緩やかな変化には対応
できるものの、蛍光灯のちらつきなどによる輝度のばら
つきには対応しきれず、十分にノイズを除くことができ
ない。そこで、（１）のしきい値処理と同様の手段を使
用しているが、しきい値設定の問題を抱えている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この様に従来の方式で
は、予め設定したしきい値が環境の変化に対応できない
ため、画像中のノイズと目標物とを正確に識別できない
という欠点が有った。

【０００８】本発明は上述した従来の欠点を除去し、し
きい値をより信頼性良く設定すると共に環境変化に応じ
て自動的に更新させることにより、画像中のノイズと目
標物とを正確に識別できる画像処理装置を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、あらかじめ設
定した枚数だけ撮像した目標物を含まない画像の輝度値
に基づいて平均値と標準偏差を求める。次に平均値を用
いて背景画像を推定し、新しく入力した画像と背景画像
との輝度値の差をとる。又、目標偏差に基づいてしきい
値を求め、輝度値の差としきい値との比較から差が背景
画像の輝度値のばらつきによる確率を求める。これが、
必要な検出誤差率よりも小さい場合は目標物と判定す
る。背景画像を推定するための画像の撮影時間は、平均
値、または、標準偏差に要求する信頼度から決めた画像
数と画像の撮影間隔から決定する。目標物と判定した場
合は、目標物の領域を求め、それ以外の領域の輝度値と
上記背景画像の輝度値から、次の背景画像の輝度値とし
きい値を推定する。目標物ではないと判断した場合はそ
の画像の輝度値と、背景画像の輝度値とにより次の背景
画像としきい値を推定する。

【００１０】

【作用】本発明では、標準偏差を用いることにより、し
きい値が背景画像のばらつきの度合いを基に設定される
から、例えば照明のちらつきなどによる輝度値の変化が
原因となっているノイズを除去し、目標物による輝度値
の変化を検出できる。

【００１１】また、新しい画像に応じて背景画像、また
は、しきい値を更新することで、日のかげりなどによる
輝度値のゆっくりとした変化に対応した適切なしきい値
を使用できる。

【００１２】

【実施例】以下に、図面を参照して、本発明の一実施例
について説明する。

【００１３】図１に全体の構成を示す。画像処理装置は
画像を撮影する撮像装置１、撮影した画像をデジタル化
して画像メモリ３に記録する画像入力回路２、画像から
初期背景画像と初期標準偏差を計算する初期背景画像・
偏差計算回路４、画像と背景画像と輝度値の標準偏差か
ら変化領域を検出する変化領域検出回路５、前記画像と
前記背景画像から輝度値の平均を、前記画像と前記標準
偏差から輝度値の標準偏差を更新する背景画像・偏差更
新回路６、変化領域を出力する画像出力装置７からな
る。以下に、各構成装置を説明する。

【００１４】図２に初期背景画像・偏差計算回路４の構
成を示す。又、図３は連続画像の輝度値の頻度分布を示
すグラフである。時間的に連続して撮影した画像の各画
素ごとに輝度値の頻度分布をとると、照明のちらつきな
どのために、図３に摸式的に示したように、平均値と幅
を持って分布する。つまり、輝度値はこの頻度分布を確
率分布としている。この分布にあてはまらない輝度値が
得られた時に、それは何かしら環境にはない物体が撮影
されたと考える。そこで、この輝度値の分布を得るため
に、記録した画像の輝度値の平均を輝度値として持つ背
景画像と画素ごとの輝度値の標準偏差を推定するが、推
定とそれに必要な画像の枚数は、例えば以下に説明する
ように平均の検定を利用して決める。以下の推定では画
素ごとの輝度値の平均値と標準偏差は次の式にしたがっ
て求める。

【００１５】

【数１】

【００１６】

【数２】 p[i,t]＝時刻順位撮影したｔ番目の画像中、ｉ番目の画
素の輝度値（背景画像の輝度値） [i,N]＝t=1 番目からt=N 番目の画像の、ｉ番目の画
素の輝度値の平均値 σ[i,t] ＝t=0 番目からｔ番目の画像の、ｉ番目の画素
の輝度値の標準偏差

【００１７】背景画像を推定するために必要な画像の枚
数をＴとする。Ｔを偶数2mとして、グループ分け回路８
で、画像を２つのグループａ、ｂに分ける。撮影した番
号にしたがって偶数番の画像をａグループ、奇数番の画
像をｂグループとする。それぞれのグループで、輝度値
平均・標準偏差計算回路９で、平均[i,T]a 、[i,
T]と分散S[i,T]a 、S[i,T]b を求める。２つのグループ
それぞれの確率分布を考えると、グループの間で母平均
と母分散は等しいと考えられる。そこで、母平均が等し
いという仮説を立てて、グループに新たな画像を追加し
ながら平均と分散を求めて、仮説検定回路１０で仮説の
検定を行ない、それを棄却しなくなるまでの画像を背景
画像の推定に使用する。すなわち、その時のｍの２倍を
Ｔとする。以下にこの方法の詳細を示す。前記２グルー
プの平均と分散については

【００１８】

【数３】が、自由度2m-2のｔ分布にしたがう。そこで、あらかじ
め危険率βを決め、τが棄却域に入らなくなったら、２
グループの平均と分散から背景画像と、標準偏差を推定
する。推定した背景画像と、標準偏差をそれぞれ、背景
画像メモリ１１と偏差メモリ１２に記録する。

【００１９】

【数４】[i,T]=([i,t]a+[it]b)/2

【００２０】

【数５】

【００２１】なお、背景画像および標準偏差を推定する
方法は上記に限らない。例えば、時系列順に撮影した画
像ｔ枚の輝度値平均[i,t]と、あらたにもう一枚画像
を加えて求めた平均値[i,t+1]との差Δｐを求める。
これと[i,t]あるいは[i,t+1]との比Δp/ をと
り、これがあらかじめ決めた変化率γよりも小さいとき
のｔあるいはt+1 をＴとして、使用した画像から背景画
像と標準偏差を推定してもよい。また、この方法で平均
値ではなく標準偏差を用いても良い。あるいは、平均値
における比と標準偏差における比との積あるいは和を求
めて、これを変化率と比較してもよい。その他、背景画
像と標準偏差と推定は本発明の要旨を逸脱しない限りに
おいて種々の方法で実施することができる。

【００２２】図４に変化領域検出回路５の構成を示す。
新たに撮影した画像をメモリ３から得て、画素ごとに輝
度計算回路１３により、背景画像メモリ１１から得た背
景画像との輝度差をとる。計算式は次の通りとする。

【００２３】

【数６】δ[i,t']=p[i,t']-[i,T] δ[i,t']＝t'番目の画像のｉ番目の画素とＴ番目までの
画像から求めた背景画像のｉ番目の画素の輝度値との差

【００２４】図５（ａ）に摸式的に示したように、新画
像の輝度値p[i,t'] の確率分布の平均値と標準偏差を、
直前に求めた平均[i,T]と標準偏差σ[i,T] で近似す
る。つまり、δ[i,t']の確率分布を図５（ｂ）に示した
ように０を平均、σ[i,T] を標準偏差として近似する。
そこで、しきい値計算回路１４により、偏差メモリ１２
から得たσ[i,T] を使ってしきい値を決め、しきい値処
理回路１５により、輝度差の絶対値が前記標準偏差より
も大きい領域を取り出し、これを変化領域として出力装
置７によって出力する。Ｔ番目の画像に続いて撮影され
たt'番目の画像について、これは例えば次のようなアル
ゴリズムで行なわれる。 IF{ δ[i,t']> δ(MAX)[i,t']OR δ[i,t']<-δ(MAX)[i,t']}THEN flag[i]=change ELSE flag[i]=unchange

【００２５】flag[i] はｉ番目の画素が変化領域である
（change）か、そうではないか（unchange）を示す。こ
のアルゴリズムでは変化領域の判定結果flag[i] を新た
な画像を得る度に書き換えているが、flag[i,t']として
画像ごとの変化領域を記録してもよい。

【００２６】また、δ(MAX)[i,t'] はｉ番めの画素に対
するしきい値で、図５（ｂ）の確率分布においてδ[i,
t']がδ(MAX)[i,t'] 以上、または、−δ(MAX)[i,t']
以下である確率が必要な値P1であるように設定する。例
えば、P1を0.01とする時には、δ(MAX)[i,t'] を2.576
σ[i,T] のように設定する。また、次で述べる背景画像
と標準偏差の更新で使用するために、しきい値を越えた
画素の数を重み計算回路１８に出力する。

【００２７】図６に背景画像・偏差更新回路６の構成を
示す。図７は平均輝度値と標準偏差の時間変化を示すグ
ラフである。図７に摸式的に示したように、例えば日の
かげりで画素の輝度値の平均 と標準偏差σが時間的
に変化する。そこで、前記背景画像と前記画像の変化領
域以外の画素値とから、重みｗを用いて、輝度値平均計
算回路１６によって平均値を、輝度値偏差計算回路１７
によって標準偏差を求め、時間変化に応じた新たな背景
画像と標準偏差として背景画像メモリ１１と偏差メモリ
１２に記録する。

【００２８】ｗは、例えば次のようにして重み計算回路
１８により決める。図８は輝度値の確率分布を示すグラ
フである。図８に示すように、平均[i,T]、標準偏差
σ[i,T] の確率分布で輝度値ｐが[i,T]- δp と
[i,T]+ δp を境界とする範囲にある確率が、あらかじ
め設定した値P2であるようにδｐを決める。新画像の画
素中で輝度値が範囲の上限[i,T]+ δp よりも大きい
値を持つ画素の割合をw(+)、下限[i,T]- δp よりも
小さい値を持つ画素の割合をw(-)として

【００２９】

【図７】w=w(+)-w(-) とする。輝度値の平均と標準偏差は次の式で求める。

【００３０】

【数８】[i,t']=w ・p[i,t']+(1-w) ・[i,T]

【００３１】

【数９】σ[i,t']² =w・p[i,t'] ² -[i,t']² -(1-w)
( σ[i,T] ² -[i,T] ) ²

【００３２】なお、本実施例では画像に基づいて計算し
た標準偏差と、新たに撮影した画像と背景画像との差異
に基づいて標準偏差を更新することでしきい値の更新を
行なっているが、しきい値の更新はこれに限るものでは
ない。経験的に決めたしきい値を上記の標準偏差とみな
して上記の重みづけによる更新を行なってもよい。ま
た、照明にはちらつきがあるが、その明るさやちらつき
の幅が安定しているような環境では背景画像、または、
しきい値の更新を行なわなくてもよい。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で変形を実施できる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、標準偏差からしきい値
を決定するから、照明の変化による輝度値の変化という
自然現象のばらつきを考慮した自然なしきい値を設定で
きる。そこで、照明の変化による輝度値の変化と目標物
による変化との誤認を減少し、区別の信頼性を向上させ
て、画像監視装置や画像識別装置の信頼性を向上するこ
とができる。

【００３４】また、新しい入力画像に応じて背景画像、
または、しきい値を更新することで、日のかげりなどに
よる輝度値のゆっくりとした変化と目標物による変化と
の誤認を減少し、区別の信頼性を向上させて、画像監視
装置や画像識別装置の信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体構成図。

【図２】本発明の一実施例による初期背景画像・偏差
計算回路の構成図。

【図３】連続画像の輝度値の頻度分布を示す図。

【図４】本発明の一実施例による変化領域検出回路の
構成図。

【図５】背景画像の平均輝度値と標準偏差を示す図及
び新画像と背景画像との輝度値差の確率分布を示す図。

【図６】本発明の一実施例による背景画像・偏差更新
回路の構成図。

【図７】平均輝度値と標準偏差の時間変化を示す図。

【図８】輝度値の確率分布を示す図。

【符号の説明】

１…撮像装置２…画像入力回路３…画像メモリ４…初期背景画像・偏差計算回路５…変化領域検出回路６…背景画像・偏差更新回路７…画像出力装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学像を撮像入力するための画像入力手段
と、この画像入力手段より時系列的に得られた複数枚の
画像の統計量を計算し背景画像としての平均輝度値及び
しきい値を求めるしきい値計算手段と、新たに撮像入力
された画像と前記平均輝度値との差を求め該差が前記し
きい値より大きい部分を変化領域とする変化領域検出手
段と、前記新たに撮像入力された画像に応じて前記平均
輝度値及びしきい値を更新する更新手段とを具備したこ
とを特徴とする画像処理装置。
【請求項２】前記しきい値計算手段は、統計量として複
数枚の画像の対応する画素の標準偏差を計算し、該標準
偏差に基づいてしきい値を求めるものである請求項１記
載の画像処理装置。
【請求項３】前記更新手段は、前記差と標準偏差に基づ
いて前記平均輝度値及びしきい値を更新するものである
請求項２記載の画像処理装置。