JPWO2005086089A1 - 物体の姿勢推定及び照合システム、物体の姿勢推定及び照合方法、並びにそのためのプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
このような構成を有する従来の物体姿勢推定システムは次のように動作する。3次元物体モデル記憶部45には、複数の物体を計測して生成した複数の3次元物体モデルが予め記憶されている。姿勢推定部25は、画像入力部10から入力された入力画像と3次元物体モデル記憶部45から読み出された3次元物体モデルとを比較することにより姿勢推定を行う。
具体的には、最初に姿勢候補決定部30が複数の姿勢候補を生成し、比較画像生成部40に出力する。比較画像生成部40は、生成された姿勢候補に応じて、3次元物体モデルを2次元の画像に射影しつつ照明条件などが入力画像に近い比較画像を複数個生成し、相違度計算部55に出力する。相違度計算部55は、画像入力部10からの入力画像と比較画像生成部40からの比較画像とを比較して比較画像毎に相違度を算出し、算出した相違度を判定部56に出力する。判定部56は算出された相違度に基づいて複数の比較画像の中から入力画像に最も近い比較画像を選出して最適な姿勢を推定し、推定結果を出力する。
上記の従来技術には、以下のような問題点がある。対象となる3次元物体モデルの物体と入力画像の物体が同じであっても、3次元物体モデルから推定された姿勢が入力画像の物体の姿勢と合っていない場合、入力画像と比較画像の相違度が十分小さくなり(または類似度が十分大きくなり)、誤った姿勢推定結果を生じることがある。あるいはまた、対象となる3次元物体モデルの物体と入力画像の物体が異なっている場合でも、入力画像と比較画像の相違度が十分小さくなり、誤った姿勢推定結果を生じることがある。
その理由は、従来技術では、3次元物体モデルから入力画像に近い比較画像をいくつか生成し、入力画像といくつかの比較画像との比較のみにより入力画像に最も近い比較画像を選出し姿勢推定を行っているためである。つまり、3次元物体モデルから推定された姿勢が入力画像の物体の姿勢と合っていない場合、入力画像と同程度の鮮明度の比較画像が生成されるとエッジ部等の位置が違うため比較的相違度は高い。しかし、入力画像より鮮明度の低い比較画像が生成されると比較画像のエッジ部の誤差が低減される。この場合、入力画像と比較画像との相違度は比較的小さくなり、入力画像と誤った姿勢の比較画像との相違度がわずかなノイズ等によって最も小さくなってしまうことがある。
一方、物体の照合を行う場合、照合は各3次元物体モデルから求められた最適な比較画像と入力画像との相違度が最も小さい物体を選出することにより実行される。しかしながら、入力画像と比較画像との比較のみにより相違度を求めると、誤った物体の場合でも相違度が十分小さくなることがあり、誤った照合結果を生じることがある。
本発明の目的は、様々な姿勢や照明の条件下で撮影された物体の画像に対して、高精度に姿勢推定や照合を行うことができる物体の姿勢推定及び照合システム並びに物体の姿勢推定及び照合方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、様々な照明の条件下で撮影された物体の画像に対して、高精度に照合ができる物体照合システム及び物体照合方法を提供することにある。
本発明の第2の態様によれば、上記の姿勢推定システムを用いた姿勢推定及び照合システムが提供される。本姿勢推定及び照合システムにおいては、判定部が更に、推定した最適姿勢の最小加重相違度をあらかじめ定められたしきい値と比較することにより物体照合をも行う。
本発明の第3の態様によれば、入力画像と物体モデルとを比較して物体の照合を行う照合システムが提供される。本照合システムは、物体モデルから入力画像に近い比較画像を複数個生成する比較画像生成部と、複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する第1の鮮明度特徴抽出部とを含む。照合システムは更に、入力画像と比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する加重相違度計算部と、計算された複数の加重相違度をあらかじめ設定したしきい値と比較することにより物体の照合を行う判定部とを備える。
第1〜第3の態様のいずれにおいても、更に、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出する第2の鮮明度特徴抽出部を備えても良い。この場合、加重相違度計算部は、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を加重した複数の加重相違度を計算する。
本発明の第4の態様によれば、入力画像と3次元物体モデルとを比較して物体の姿勢推定を行う姿勢推定方法が提供される。本姿勢推定方法においては、少なくとも1つの姿勢候補を生成し、生成された姿勢候補に応じて、3次元物体モデルを2次元の画像に射影しつつ入力画像に近い比較画像を複数個生成する。本姿勢推定方法においてはまた、複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出し、入力画像と比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する。
本発明の第5の態様によれば、上記第4の態様による姿勢推定方法を用いた姿勢推定及び照合方法が提供される。本姿勢推定及び照合方法においては更に、複数の加重相違度の中から最小の加重相違度を持つ比較画像を選出し、選出された比較画像に基づいて最適な姿勢を推定する。
第4、第5の態様のいずれにおいても、更に、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出するようにしても良い。この場合、加重相違度計算においては、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を加重した複数の加重相違度を計算する。
本発明の第6の態様によれば、入力画像と物体モデルとを比較するための物体相違度計算方法が提供される。本物体相違度計算方法においては、物体モデルから入力画像に近い比較画像を複数個生成し、複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出し、入力画像と比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する。
本物体相違度計算方法においては、更に、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出しても良い。この場合、加重相違度計算においては、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を加重した複数の加重相違度を計算する。
本発明の第7の態様によれば、上記物体相違度計算方法を用いた物体照合方法が提供される。本物体照合方法においては、更に、計算された複数の加重相違度の比較を行うことにより物体照合を行うことができる。
本発明の第8の態様によれば、コンピュータに、入力画像と3次元物体モデルとを比較して物体の姿勢推定を実行させるための姿勢推定プログラムが提供される。本姿勢推定プログラムにおいては、少なくとも1つの姿勢候補を生成する姿勢候補決定処理と、生成された姿勢候補に応じて、3次元物体モデルを2次元の画像に射影しつつ入力画像に近い比較画像を複数個生成する比較画像生成処理と、複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する第1の鮮明度特徴抽出処理とが実行される。本姿勢推定プログラムにおいてはまた、入力画像と比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する加重相違度計算処理と、複数の加重相違度の中から最小の加重相違度を持つ比較画像を選出し、選出された比較画像に基づいて最適な姿勢を推定する姿勢推定処理とが実行される。
本発明の第9の態様によれば、上記の姿勢推定プログラムを用いた姿勢推定及び照合プログラムが提供される。本姿勢推定及び照合プログラムにおいては、姿勢推定処理において更に、推定した最適姿勢の最小加重相違度をあらかじめ定められたしきい値と比較することにより物体照合が行われる。
本発明の第10の態様によれば、コンピュータに、入力画像と物体モデルとを比較して物体の照合を実行させるための照合プログラムが提供される。本照合プログラムにおいては、物体モデルから入力画像に近い比較画像を複数個生成する比較画像生成処理と、複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する第1の鮮明度特徴抽出処理と、入力画像と比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する加重相違度計算処理と、計算された複数の加重相違度の比較を行うことにより照合を行う照合処理とが実行される。
第8〜第10の態様のいずれにおいても、更に、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出する第2の鮮明度特徴抽出処理が実行されても良い。この場合、加重相違度計算処理においては、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を加重した複数の加重相違度を計算する。
図2は、本発明の第1の実施形態による物体の姿勢推定及び照合システムの構成を示すブロック図である。
図3は、第1の実施形態による物体の姿勢推定の動作を説明するためのフローチャート図である。
図4は、第1の実施形態による1対1照合の動作を説明するためのフローチャート図である。
図5は、第1の実施形態による1対N照合の動作を説明するためのフローチャート図である。
図6は、第1の実施形態における3次元物体モデルの具体例を説明するための図である。
図7は、第1の実施形態における入力画像の具体例を説明するための図である。
図8は、第1の実施形態における比較画像の具体例を説明するための図である。
図9は、本発明の第2の実施形態による物体の姿勢推定及び照合システムの構成を示すブロック図である。
図10は、第2の実施形態による物体の姿勢推定の動作を説明するためのフローチャート図である。
図11は、本発明の第3の実施形態による物体照合システムの構成を示すブロック図である。
図12は、第3の実施形態による1対1照合の動作を説明するためのフローチャート図である。
図13は、本発明の第4の実施形態による物体照合システムの構成を示すブロック図である。
図14は、第4の実施形態による1対1照合の動作を説明するためのフローチャート図である。
図2は、本発明による物体の姿勢推定及び照合システムの第1の実施形態を示す。図2において、図1で説明した要素と同じ要素には同一番号を付している。物体の姿勢推定及び照合システムは、ビデオカメラ等による画像入力部10と、3次元物体モデル記憶部45と、姿勢推定及び照合部20とから構成されている。姿勢推定及び照合部20は、姿勢候補決定部30、比較画像生成部40、鮮明度特徴抽出部(第1の鮮明度特徴抽出部)60、加重相違度計算部50、判定部52を含む。
3次元物体モデル記憶部45には、複数の物体の3次元物体モデルが予め記憶されている。3次元物体モデルは、例えば特開2001−12925号公報に開示された3次元形状計測装置を用いることにより生成することができる。あるいは、3次元物体モデルは、特開平9−91436号公報に開示された、多数のカメラで撮影された複数画像から3次元形状を復元する装置を用いることにより生成することができる。いずれにしても、3次元物体モデルの生成方法は本発明の要旨ではないので詳しい説明は省略する。
姿勢推定及び照合部20は、画像入力部10より得られる入力画像と3次元物体モデル記憶部45より得られる3次元物体モデルとを比較することにより物体の姿勢推定及び物体照合を行う。
具体的には、はじめに姿勢候補決定部30は、少なくとも1つの姿勢候補を生成する。姿勢候補は複数個生成されるのが好ましく、以下では姿勢候補が複数個生成される場合について説明する。比較画像生成部40は、画像入力部10から入力画像を受ける。比較画像生成部40はまた、生成された複数の姿勢候補に応じて、3次元物体モデル記憶部45より得られる3次元物体モデルを2次元の画像に射影しつつ照明条件などが入力画像に近い比較画像を複数個生成する。鮮明度特徴抽出部60は、生成された各比較画像から鮮明度を反映した特徴量を鮮明度特徴(以下、第1の鮮明度特徴量と呼ぶ)として抽出する。加重相違度計算部50は、画像入力部10からの入力画像と比較画像生成部40で生成された比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した相違度(以下、加重相違度と呼ぶ)を比較画像毎に計算する。判定部52は、計算された複数の加重相違度に基いて複数の比較画像の中から入力画像に最も近い(つまり、最小相違度)比較画像を選出し、選出した比較画像から最適な姿勢を推定する。
後に詳しく説明するように、判定部52は、1つの物体(3次元物体モデル)との照合処理である1対1照合と、複数の3次元物体モデルから入力画像に最も近い物体を検索する1対N物体照合とを行うことができる。判定部52は、1対1照合を行う場合は、最小相違度をあらかじめ設定されているしきい値と比較して、同一物体であるか否かを判定する。一方、判定部52は、1対N照合を行う場合には、複数の3次元物体モデルについて得られる複数の最小相違度のうち最も小さい3次元物体モデルを選出し、物体照合を行う。
次に、図2及び図3を参照して第1の実施形態の姿勢推定における全体の動作について詳細に説明する。ここでは、入力画像と3次元物体モデルCkとを比較する場合について説明する。
図3において、はじめに画像入力部10により入力画像が得られる(ステップ100)。次に、姿勢候補決定部30において、複数の姿勢候補{ej}が決定される(ステップ110)。次に、比較画像生成部40は、決定された姿勢候補{ej}に応じて、3次元物体モデル記憶部45より得られる3次元物体モデルCkを2次元の画像に射影しつつ入力画像に近い比較画像を複数個生成する(ステップ120)。次に、鮮明度特徴抽出部60は、生成された各比較画像から鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する(ステップ130)。加重相違度計算部50は、第1の鮮明度特徴量を用い、入力画像と生成された比較画像との加重相違度D(1) kjを比較画像毎に計算する(ステップ140)。判定部52は、計算された加重相違度D(1) kjに基づいて、複数の比較画像から最小相違度Dk=minD(1) kjを持つ比較画像を選出することにより、最適な姿勢ejを求める(ステップ150)。なお、図2において、加重相違度計算部50から姿勢候補決定部30に向かう線は以下のことを示している。上記の動作では決定された複数の姿勢候補{ej}の中から相違度の最も小さい姿勢を選択しているが、姿勢候補決定部30に戻って順次姿勢候補を変化させながら、相違度の最も小さい姿勢を探索してもよい。
次に、図2及び図4を参照して第1の実施形態の1対1照合における全体の動作について詳細に説明する。
図4のステップ100から150は、図3におけるステップ100から150と同一の処理である。ステップ150に続く最後のステップ165において、判定部52は、最小相違度Dkとあらかじめ決められたしきい値とを比較して、3次元モデルCkの物体と入力画像の物体とが同一であるか否かを判定する。つまり、最小相違度Dkがあらかじめ決められたしきい値より小さければ両者は同一物体であると判定する。
次に、図2及び図5を参照して第1の実施形態の1対N照合における全体の動作について詳細に説明する。
はじめに、画像入力部10により入力画像が得られる(ステップ100)。次に、3次元物体モデルのモデル番号kが1とされる(ステップ160)。ステップ110から150は、図3におけるステップ110から150と同一の処理である。ステップ150の後に、判定部52は、モデル番号kを1増やす(ステップ161)。続いて、ステップ162に移行し、判定部52は、増やされたモデル番号kがあらかじめ決められたモデル数Mに達したかどうかを判別する。増やされたモデル番号kがモデル数M以下の場合は、ステップ110に戻り、ステップ110から150が実行される。これにより、モデル番号(k+1)の3次元物体モデルの最小相違度が求められる。ステップ162において、増やされたモデル番号kがモデル数Mに達していれば、ステップ163に移行し、判定部52はM個の最小相違度Dkのうちの最も小さい最小相違度Dkが得られた3次元物体モデルCkを照合結果として出力する。
次に、第1の実施形態の効果について説明する。
第1の実施形態では、3次元物体モデルから生成された比較画像の鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を、入力画像と比較画像との相違度計算に加重するように構成されている。このため、3次元物体モデルの姿勢や物体が入力画像の姿勢や物体に合っていない場合には大きな相違度が生じやすくなり、高精度に姿勢推定や照合ができる。
次に、具体的な実施例を用いて第1の実施形態の姿勢推定における動作を説明する。なお、本実施例では、人物の顔を例として説明するが、他の物体にも適用できることは言うまでも無い。
3次元物体モデル記憶部45には、図6に示すような、物体kの3次元物体モデルが記憶されている。図6は3次元物体モデル記憶部45に記憶されている複数の3次元物体モデルの一つの例のみを示している。3次元物体モデルは、物体表面の3次元空間(x,y,z)内での形状PQ(x,y,z)とテクスチャTQ(R,G,B)を情報として持っている。Qは物体表面上の点のインデックスを表し、例えば物体の重心を中心とした球体へ物体表面上の点を重心から射影した点Q(s,t)の座標に対応している。推定の効率化のために、予め3次元物体モデルから様々な照明条件による学習用CG画像をコンピュータグラフィックスにより生成し、当該学習用CG画像を主成分分析することにより基底画像群を求めておく。
まず、画像入力部10により図7に示すような入力画像I(r)が得られるものとする(図3のステップ100)。ここで、rは画素を表す。
次に、姿勢候補決定部30において、複数の姿勢候補{ej}を決定する(ステップ110)。姿勢候補{ej}は、入力画像に関係なく予め設定しておいてもよいが、以下のようにしてもよい。例えば、入力画像及び3次元物体モデルから目、鼻、口などの特徴点を手動または自動で抽出する。続いて、抽出された特徴点に基づいて周知の物体の位置及び向きを計算する方法によりおおよその姿勢を推定し、推定された姿勢の近辺で姿勢候補{ej}を生成する。上記の物体の位置及び向きを計算する方法は、例えば前述した特許文献3に開示されている。
次に、比較画像生成部40は、生成された姿勢候補{ej}に応じて3次元物体モデルを2次元の画像に射影しつつ入力画像の照明条件に近い比較画像Gkj(r)を複数個生成する(ステップ120)。ここで、入力画像の照明条件に近い比較画像の生成は、以下のようにして行われる。予め求められている基底画像群を各姿勢候補に基づいて座標変換し、当該座標変換した基底画像の線形和が当該入力画像に近くなるように、線形和の係数を最小二乗法で求める。図7の入力画像に対して生成された比較画像の例を図8に示すが、濃淡情報は図示していない。
次に、鮮明度特徴抽出部60は、比較画像Gkj(r)から鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量Skjを抽出する(ステップ130)。鮮明度特徴量は、画像の輝度(色)の変化の度合いを表す量である。例えば、画像G(r)の第1の鮮明度特徴量Sは、画像G(r)のエッジ画像G’(r)におけるエッジ強度がしきい値以上である画素数Eeの全画素数Eに対する割合Ee/Eで定義できる。なお、第1の鮮明度特徴量Sは、画像のコントラスト(輝度値の範囲)や輝度値の分散などを用いて表しても良い。
次に、加重相違度計算部50は、第1の鮮明度特徴量Skjを用いて、入力画像I(r)と比較画像Gkj(r)との加重相違度D(1) kjを求める(ステップ140)。加重相違度は、比較画像から抽出された第1の鮮明度特徴量が大きい場合に相違度が小さくなるように設定される。例えば、入力画像I(r)と比較画像Gkj(r)との相違度D(0) kjにユークリッド距離を用いる場合、以下の式により計算される。
D(0) kj=Σr{I(r)−Gkj(r)}2
また、加重相違度D(1) kjは、以下の式により計算される。
D(1) kj=D(0) kj/{1+aSkj}(但し、aは重み係数)
次に、判定部52は、複数の比較画像の中から最小相違度D(1) k=minjD(1) kjを持つ比較画像を選出することにより、最適な姿勢ejを求める(ステップ150)。
例えば、図8の場合、姿勢e1(比較画像Gk1)が最適姿勢である。ここで、各比較画像と入力画像の相違度D(0) kjがノイズ等によりD(0) kj={100,95,120}となった場合でも、各比較画像の第1の鮮明度特徴量SkjがSkj={0.5,0.3,0.2}となったとすると、加重相違度D(1) kjは重み係数a=1の場合、D(1) kj={67,73,100}となる。その結果、比較画像Gk1が選出され、姿勢e1が最適姿勢となる。
なお、上記の説明は、物体の姿勢推定及び照合システムとして適用する場合であるが、照合を行わない物体姿勢推定システムあるいは姿勢推定を伴わない物体照合システムとしての適用も可能であることは言うまでも無い。これは後述される第2の実施形態においても同様である。
次に、本発明の第2の実施形態について詳細に説明する。
図9を参照して、本発明の第2の実施形態による、物体の姿勢推定及び照合システムは、画像入力部10と、第2の鮮明度特徴抽出部61と、3次元物体モデル記憶部45と、姿勢推定及び照合部21とから構成されている。姿勢推定及び照合部21は、姿勢候補決定部30と、比較画像生成部40と、鮮明度特徴抽出部(第1の鮮明度特徴抽出部)60と、加重相違度計算部51と、判定部52とを含む。
画像入力部10と、3次元物体モデル記憶部45と、姿勢候補決定部30と、比較画像生成部40と、鮮明度特徴抽出部60は、図2で説明したのと同じ処理を実行する。
第2の鮮明度特徴抽出部61は、画像入力部10より得られる入力画像の鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出する。
姿勢推定及び照合部21は、画像入力部10より得られる入力画像と第2の鮮明度特徴抽出部61より得られる入力画像の第2の鮮明度特徴量とを用い、3次元物体モデル記憶部45より得られる3次元物体モデルと比較することにより姿勢推定及び照合を行う。
具体的には、姿勢候補決定部30は、複数の姿勢候補を生成する。比較画像生成部40は、生成された姿勢候補に応じて、3次元物体モデルを2次元の画像に射影しつつ照明条件などが入力画像に近い比較画像を複数個生成する。鮮明度特徴抽出部60は、生成された各比較画像から第1の鮮明度特徴量を抽出する。加重相違度計算部51は、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量の相違度とを加重した加重相違度を比較画像毎に計算する。判定部52は、計算された加重相違度に基いて複数の比較画像の中から入力画像に最も近い、つまり、最小相違度を持つ比較画像を選出することにより最適な姿勢を推定する。なお、判定部52は、1対1照合の場合は、最小相違度とあらかじめ定められたしきい値とを比較して、3次元物体モデルの物体と入力画像の物体とが同一であるか否かを判定する。一方、1対N照合の場合は、判定部52は、図5で説明したように、M個の3次元物体モデルの中から最小相違度の最も小さい3次元物体モデルを選出する。
次に、図9及び図10を参照して第2の実施形態の姿勢推定における全体の動作について詳細に説明する。なお、1対1照合の動作の場合、図10のステップ151の後に図4のステップ165が実行されることは明らかである。一方、1対N照合の動作の場合、図10のステップ110の前に図5のステップ160が実行され、図10のステップ151の後に図5のステップ161から163が実行されることも明白である。それ故、図10のステップ151以降の動作説明は省略する。
まず、画像入力部10により入力画像が得られる(図10のステップ100)。次に、第2の鮮明度特徴抽出部61は、入力画像の第2の鮮明度特徴量を抽出する(ステップ101)。次に、姿勢候補決定部30において、複数の姿勢候補{ej}を決定する(ステップ110)。次に、比較画像生成部40は、決定された姿勢候補に応じて、3次元物体モデルCkを2次元の画像に射影しつつ入力画像に近い比較画像を複数個生成する(ステップ120)。次に、鮮明度特徴抽出部60は、生成された比較画像から第1の鮮明度特徴量を抽出する(ステップ130)。加重相違度計算部51は、入力画像と生成された比較画像及び入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量を用いた加重相違度D(2) kjを比較画像毎に求める(ステップ141)。
例えば、入力画像と比較画像との相違度をD(0) kj、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度をD(e) kjとした場合、加重相違度D(2) kjは以下の式で計算される。
D(2) kj=D(0) kj+bD(e) kj(但し、bは重み係数)
第1、第2の鮮明度特徴量の相違度は、ユークリッド距離等により計算できる。判定部52は、複数の比較画像の中から最小相違度を持つ比較画像を選出することにより、最適な姿勢ejを求める(ステップ151)。
次に、第2の実施形態の効果について説明する。
第2の実施形態では、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を入力画像と比較画像との相違度計算に加重するように構成されている。このため、3次元物体モデルの姿勢や物体が入力画像の姿勢や物体と合っていない場合には大きな相違度が生じやすくなり、高精度に姿勢推定や照合ができる。
次に、本発明の第3の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図11を参照して、本発明の第3の実施形態による物体照合システムは、画像入力部10と、物体モデル記憶部46と、照合部22とから構成されている。照合部22は、比較画像生成部41と、鮮明度特徴抽出部60と、加重相違度計算部50と、判定部54とを含む。
第3の実施形態は、物体の姿勢変動が少ない場合の照合を考慮して、第1の実施形態における姿勢候補決定部30を省略している。物体の姿勢変動が少ない場合の照合というのは、例えば物体を正面から撮影した画像のみについて照合を行う場合である。
画像入力部10と、鮮明度特徴抽出部60は、図2に示したものと同じ処理を実行する。
物体モデル記憶部46には、複数の物体の物体モデルが予め記憶されている。物体モデルは、物体を撮影した時の様々な画像変動の情報を含む。例えば、各物体の様々な照明条件での正面顔画像を予め用意し、当該正面顔画像を主成分分析することにより基底画像群を求めておけば、比較画像生成部41において、当該基底画像群の合成により入力画像に近い比較画像を生成することができる。
照合部22は、画像入力部10より得られる入力画像と物体モデル記憶部46より得られる物体モデルとを比較することにより照合を行う。
具体的には、比較画像生成部41は、物体モデル記憶部46より得られる物体モデルから照明条件などが入力画像に近い比較画像を生成する。鮮明度特徴抽出部60は、生成された比較画像から鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する。加重相違度計算部50は、入力画像と生成された比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した加重相違度を計算する。なお、判定部54は、1対1照合の場合は、計算された加重相違度とあらかじめ設定されたしきい値とを比較して、物体モデルの物体と入力画像の物体が同一であるか否かを判定する。一方、1対N照合の場合は、判定部54は、複数の物体モデルの中から最も小さい最小相違度を持つ物体モデルを選出する。
次に、図11及び図12を参照して第3の実施形態の1対1照合における全体の動作について詳細に説明する。
まず、画像入力部10により入力画像が得られる(図12のステップ100)。次に、比較画像生成部41は、物体モデル記憶部46より得られる物体モデルCkから入力画像に近い比較画像を複数個生成する(ステップ121)。次に、鮮明度特徴抽出部60は、各比較画像から鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する(ステップ130)。加重相違度計算部50は、入力画像と比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した加重相違度Dk=D(1) kを比較画像毎に計算する(ステップ142)。最後に、判定部54は、計算された加重相違度とあらかじめ設定されたしきい値とを比較して、物体モデルの物体と入力画像の物体が同一であるか否かを判定する(ステップ165)。つまり、計算された加重相違度があらかじめ設定されたしきい値より小さい場合に同一であると判定する。
1対N照合の場合は、図5で説明した1対N照合における3次元物体モデルが物体モデルに代わることを除けば、ほぼ同じであるので説明は省略する。
次に、第3の実施形態の効果について説明する。
第3の実施形態では、第1の鮮明度特徴量を入力画像と比較画像の相違度計算に加重するように構成されている。このため、物体モデルの物体と入力画像の物体が合っていない場合には大きな相違度が生じやすくなり、高精度に照合ができる。
次に、本発明の第4の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図13を参照して、本発明の第4の実施形態による物体照合システムは、画像入力部10と、第2の鮮明度特徴抽出部61と、物体モデル記憶部46と、照合部23とから構成されている。照合部23は、比較画像生成部41と、鮮明度特徴抽出部(第1の鮮明度特徴抽出部)60と、加重相違度計算部51と、判定部54とを含む。
第4の実施形態は、第3の実施形態と同様に、物体の姿勢変動が少ない場合の照合を考慮して、第2の実施形態における姿勢候補決定部30を省略した形態である。物体の姿勢変動が少ない場合の照合というのは、前述したように、例えば物体を正面から撮影した画像のみについて照合を行う場合である。
画像入力部10と、第2の鮮明度特徴抽出部61と、加重相違度計算部51は、図9で説明した第2の実施形態における各部と同じ処理を実行する。一方、物体モデル記憶部46と、比較画像生成部41と、鮮明度特徴抽出部60は、図11で説明した第3の実施形態における各部と同じ処理を実行する。
次に、図13及び図14を参照して第4の実施形態による1対1照合の全体の動作について詳細に説明する。
まず、画像入力部10により入力画像が得られる(図14のステップ100)。次に、第2の鮮明度特徴抽出部61は、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出する(ステップ101)。次に、比較画像生成部41は、物体モデル記憶部46より得られる物体モデルCkから入力画像に近い比較画像を複数個生成する(ステップ121)。次に、鮮明度特徴抽出部60は、生成された比較画像から鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する(ステップ130)。加重相違度計算部51は、入力画像と生成された比較画像及び入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量とを用いた加重相違度Dk=D(2) kを比較画像毎に計算する(ステップ143)。最後に、判定部54は、計算された加重相違度をあらかじめ設定されたしきい値と比較して、物体モデルの物体と入力画像の物体が同一であるか否かを判定する(ステップ165)。
1対N照合の場合は、図5で説明した1対N照合における3次元物体モデルが物体モデルに代わることを除けば、ほぼ同じであるので説明は省略する。
次に、第4の実施形態の効果について説明する。
第4の実施形態では、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量の相違度とを、入力画像と比較画像の相違度計算に加重するように構成されている。このため、物体モデルの物体と入力画像の物体が合っていない場合には大きな相違度が生じやすくなり、高精度に照合ができる。
前述した第2及び第4の実施形態では、鮮明度特徴量は1次元の特徴量としたが、より高次の特徴量でもよい。例えば、エッジ画像を高次の鮮明度特徴量として、画素毎または小領域毎に鮮明度特徴量の相違度を求めても良い。また、画像が鮮明でない場合は特徴点を安定に抽出できないため、鮮明度を反映した鮮明度特徴量として特徴点を用いても良い。特徴点は、顔の場合、目、鼻、口などの位置が一般的であり、周知の顔特徴抽出方法などを用いて自動的に抽出できる。顔特徴抽出方法は、例えば「顔特徴点の自動抽出と追跡」(稲田ら)2001年1月、電子情報通信学会信学技法、PRMU2000−151に開示されている。特徴点の相違度は、特徴点の座標値を特徴量として、ユークリッド距離等により計算できる。
更に、いずれの実施形態においても、抽出された特徴点数を鮮明度特徴量として用いても良い。
いずれの実施形態においても、3次元物体モデルあるいは物体モデルは予め記憶され、画像は画像入力部から入力される。しかし、本発明は、画像を予め記憶装置に記憶しておき、3次元物体モデルあるいは物体モデルを別の入力部を通して入力する場合にも適用可能である。本発明はまた、画像と3次元物体モデルあるいは物体モデルの双方を入力部を通して入力する場合にも適用可能である。
本発明による物体の姿勢推定及び照合システムは、構成要素である各部の機能をハードウェア的に実現できることは勿論である。一方、上記各部の機能をソフトウェア的に実現することもできる。これは、上記した各部の機能を実行する姿勢推定及び照合プログラム(アプリケーション)をコンピュータ処理装置のメモリにロードしておき、姿勢推定及び照合プログラムに基いてコンピュータ処理装置を制御することで実現することができる。この姿勢推定及び照合プログラムは、磁気ディスク、半導体メモリその他の記録媒体に格納され、その記録媒体からコンピュータ処理装置にロードされて、コンピュータ処理装置の動作を制御する。これにより、上述した各機能が実現される。これは、物体の姿勢推定プログラム、物体の照合プログラムについても同様である。
本発明によれば、以下の効果が得られる。
様々な姿勢や照明の条件下で撮影された物体の画像に対して、高精度に姿勢推定や照合ができる。その第1の理由は、物体モデルから生成された複数の比較画像から鮮明度を反映する第1の鮮明度特徴量を抽出して、相違度計算に付加することにより、物体モデルの物体と入力画像の物体が合っていない場合には大きな相違度が生じやすくなるためである。比較画像を生成した物体モデルが入力画像と同じ物体であり、かつ推定姿勢が合っている場合、生成される比較画像は鮮明な画像となることが期待される。このため、鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を相違度計算に用いることにより、姿勢推定や照合精度が向上する。
第2の理由は、比較画像と入力画像からそれぞれ鮮明度を反映する第1、第2の鮮明度特徴量を抽出して相違度計算に付加することにより、同様に物体モデルの物体と入力画像の物体が合っていない場合には大きな相違度が生じやすくなるためである。比較画像を生成した物体モデルが入力画像と同じ物体であり、かつ推定姿勢が合っている場合、生成される比較画像の鮮明度は入力画像の鮮明度に近くなることが期待される。このため、鮮明度を反映した第1、第2の鮮明度特徴量を相違度計算に用いることにより、姿勢推定や照合精度が向上する。
Claims (29)
- 入力画像と3次元物体モデルとを比較して物体の姿勢推定を行う姿勢推定システムにおいて、
少なくとも1つの姿勢候補を生成する姿勢候補決定部と、
生成された姿勢候補に応じて、3次元物体モデルを2次元の画像に射影しつつ入力画像に近い比較画像を複数個生成する比較画像生成部と、
複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する第1の鮮明度特徴抽出部と、
入力画像と比較画像の相違度に前記第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する加重相違度計算部と、
複数の加重相違度の中から最小の加重相違度を持つ比較画像を選出し、選出された比較画像に基づいて最適な姿勢を推定する判定部と、
を備えたことを特徴とする姿勢推定システム。 - 請求項1に記載の姿勢推定システムにおいて、
更に、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出する第2の鮮明度特徴抽出部を備え、
前記加重相違度計算部は、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を加重した複数の加重相違度を計算する、
ことを特徴とする姿勢推定システム。 - 請求項1に記載の姿勢推定システムにおいて、
前記加重相違度計算においては、鮮明度が高い画像ほど加重が高くなることを特徴とする姿勢推定システム。 - 請求項2に記載の姿勢推定システムにおいて、
前記第1、第2の鮮明度特徴量は、エッジ強度がしきい値以上の画素数の比率、輝度値の範囲、輝度値の分散、または特徴点数であることを特徴とする姿勢推定システム。 - 請求項2に記載の姿勢推定システムにおいて、
前記第1、第2の鮮明度特徴量は、エッジ画像、または特徴点であることを特徴とする姿勢推定システム。 - 請求項1に記載の姿勢推定システムを用いた姿勢推定及び照合システムであって、
前記判定部は更に、推定した最適姿勢の最小加重相違度をあらかじめ定められたしきい値と比較することにより物体照合をも行うことを特徴とする姿勢推定及び照合システム。 - 請求項2に記載の姿勢推定システムを用いた姿勢推定及び照合システムであって、
前記判定部は更に、推定した最適姿勢の最小相違度をあらかじめ定められたしきい値と比較することにより物体照合をも行うことを特徴とする姿勢推定及び照合システム。 - 請求項6に記載の姿勢推定及び照合システムにおいて、
前記加重相違度計算においては、鮮明度が高い画像ほど加重が高くなることを特徴とする姿勢推定及び照合システム。 - 請求項7に記載の姿勢推定及び照合システムにおいて、
前記第1、第2の鮮明度特徴量は、エッジ強度がしきい値以上の画素数の比率、輝度値の範囲、輝度値の分散、または特徴点数であることを特徴とする姿勢推定及び照合システム。 - 請求項7に記載の姿勢推定及び照合システムにおいて、
前記第1、第2の鮮明度特徴量は、エッジ画像、または特徴点であることを特徴とする姿勢推定及び照合システム。 - 入力画像と物体モデルとを比較して物体の照合を行う照合システムにおいて、
物体モデルから入力画像に近い比較画像を複数個生成する比較画像生成部と、
複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する第1の鮮明度特徴抽出部と、
入力画像と比較画像の相違度に前記第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する加重相違度計算部と、
計算された複数の加重相違度をあらかじめ設定したしきい値と比較することにより物体の照合を行う判定部と、
を備えたことを特徴とする照合システム。 - 請求項11に記載の照合システムにおいて、
更に、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出する第2の鮮明度特徴抽出部を備え、
前記加重相違度計算部は、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を加重した複数の加重相違度を計算する、
ことを特徴とする照合システム。 - 請求項11に記載の照合システムにおいて、
前記加重相違度計算においては、鮮明度が高い画像ほど加重が高くなることを特徴とする照合システム。 - 請求項12に記載の照合システムにおいて、
前記第1、第2の鮮明度特徴量は、エッジ強度がしきい値以上の画素数の比率、輝度値の範囲、輝度値の分散、または特徴点数であることを特徴とする照合システム。 - 請求項12に記載の照合システムにおいて、
前記第1、第2の鮮明度特徴量は、エッジ画像、または特徴点であることを特徴とする照合システム。 - 入力画像と3次元物体モデルとを比較して物体の姿勢推定を行う姿勢推定方法において、
少なくとも1つの姿勢候補を生成し、
生成された姿勢候補に応じて、3次元物体モデルを2次元の画像に射影しつつ入力画像に近い比較画像を複数個生成し、
複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出し、
入力画像と比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する、
ことを特徴とする姿勢推定方法。 - 請求項16に記載の姿勢推定方法において、
更に、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出し、
前記加重相違度計算においては、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を加重した複数の加重相違度を計算する、
ことを特徴とする姿勢推定方法。 - 請求項16に記載の姿勢推定方法を用いた姿勢推定及び照合方法であって、
更に、複数の加重相違度の中から最小の加重相違度を持つ比較画像を選出し、選出された比較画像に基づいて最適な姿勢を推定する、
ことを特徴とする姿勢推定及び照合方法。 - 請求項17に記載の姿勢推定方法を用いた姿勢推定及び照合方法であって、
更に、複数の加重相違度の中から最小の加重相違度を持つ比較画像を選出し、選出された比較画像に基づいて最適な姿勢を推定する、
ことを特徴とする姿勢推定及び照合方法。 - 入力画像と物体モデルとを比較するための物体相違度計算方法において、
物体モデルから入力画像に近い比較画像を複数個生成し、
複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出し、
入力画像と比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する、
ことを特徴とする物体相違度計算方法。 - 請求項20の物体相違度計算方法において、
更に、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出し、
前記加重相違度計算においては、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を加重した複数の加重相違度を計算する、
ことを特徴とする物体相違度計算方法。 - 請求項20に記載の物体相違度計算方法を用いた物体照合方法であって、
更に、計算された複数の加重相違度の比較を行うことにより照合を行う、
ことを特徴とする物体照合方法。 - 請求項21に記載の物体相違度計算方法を用いた物体照合方法であって、
更に、計算された複数の相違度の比較を行うことにより照合を行う、
ことを特徴とする物体照合方法。 - コンピュータに、入力画像と3次元物体モデルとを比較して物体の姿勢推定を実行させるための姿勢推定プログラムにおいて、
少なくとも1つの姿勢候補を生成する姿勢候補決定処理と、
生成された姿勢候補に応じて、3次元物体モデルを2次元の画像に射影しつつ入力画像に近い比較画像を複数個生成する比較画像生成処理と、
複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する第1の鮮明度特徴抽出処理と、
入力画像と比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する加重相違度計算処理と、
複数の加重相違度の中から最小の加重相違度を持つ比較画像を選出し、選出された比較画像に基づいて最適な姿勢を推定する姿勢推定処理と、
を実行することを特徴とする姿勢推定プログラム。 - 請求項24に記載の姿勢推定プログラムにおいて、
更に、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出する第2の鮮明度特徴抽出処理を実行し、
前記加重相違度計算処理においては、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を加重した複数の加重相違度を計算する、
ことを特徴とする姿勢推定プログラム。 - 請求項24に記載の姿勢推定プログラムを用いた姿勢推定及び照合プログラムであって、
前記姿勢推定処理においては更に、推定した最適姿勢の最小加重相違度をあらかじめ定められたしきい値と比較することにより物体照合をも行う、
ことを特徴とする姿勢推定及び照合プログラム。 - 請求項25に記載の姿勢推定プログラムを用いた姿勢推定及び照合プログラムであって、
前記姿勢推定処理においては更に、推定した最適姿勢の最小加重相違度をあらかじめ定められたしきい値と比較することにより物体照合をも行う、
ことを特徴とする姿勢推定及び照合プログラム。 - コンピュータに、入力画像と物体モデルとを比較して物体の照合を実行させるための照合プログラムにおいて、
物体モデルから入力画像に近い比較画像を複数個生成する比較画像生成処理と、
複数の比較画像のそれぞれから鮮明度を反映した第1の鮮明度特徴量を抽出する第1の鮮明度特徴抽出処理と、
入力画像と比較画像の相違度に第1の鮮明度特徴量を加重した複数の加重相違度を計算する加重相違度計算処理と、
計算された複数の加重相違度の比較を行うことにより照合を行う照合処理と、
を実行することを特徴とする照合プログラム。 - 請求項28に記載の照合プログラムにおいて、
更に、入力画像から鮮明度を反映した第2の鮮明度特徴量を抽出する第2の鮮明度特徴抽出処理を実行し、
前記加重相違度計算処理においては、入力画像と比較画像の相違度に、入力画像の第2の鮮明度特徴量と比較画像の第1の鮮明度特徴量との相違度を加重した複数の加重相違度を計算する、
ことを特徴とする物体照合プログラム。
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