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JPH05199514A - System for estimating two-dimensional moving field from time sequential image - Google Patents

System for estimating two-dimensional moving field from time sequential image

Info

Publication number
JPH05199514A
JPH05199514A JP4007237A JP723792A JPH05199514A JP H05199514 A JPH05199514 A JP H05199514A JP 4007237 A JP4007237 A JP 4007237A JP 723792 A JP723792 A JP 723792A JP H05199514 A JPH05199514 A JP H05199514A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
motion field
gradient
brightness gradient
variance
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP4007237A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naoki Takegawa
直樹 武川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP4007237A priority Critical patent/JPH05199514A/en
Publication of JPH05199514A publication Critical patent/JPH05199514A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Image Analysis (AREA)
  • Compression Or Coding Systems Of Tv Signals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 画像の局所的な性質により変化する観測雑音
に適応して、評価関数の最小化のための適切な制御を行
ない、精度の高い二次元速度場を得る。 【構成】 空間および時間輝度勾配と、二画面間での画
像の動き場とからなる評価条件に基づき、動画像の適切
な見かけの動き場を推定する二次元動き場推定システム
に、空間・時間輝度勾配とに基づき、観測系の雑音の分
散値を抽出する分散推定回路と、この分散値と空間・時
間輝度勾配とに基づく動き場の抽出と、この抽出した動
き場と分散値と空間・時間輝度勾配とを用いた評価条件
に基づく上記抽出した動き場の妥当性の判定とを繰返
し、適切な見かけの動き場を抽出する動き場抽出回路と
を設けて構成する。
(57) [Abstract] [Purpose] The two-dimensional velocity field with high accuracy is obtained by adapting to the observation noise that changes depending on the local property of the image and performing appropriate control for minimizing the evaluation function. [Structure] A two-dimensional motion field estimation system that estimates an appropriate apparent motion field of a moving image based on an evaluation condition consisting of a spatial and temporal brightness gradient and a motion field of an image between two screens has a space and time. A variance estimation circuit that extracts the variance value of the noise of the observation system based on the brightness gradient, the extraction of the motion field based on this variance value and the space / time brightness gradient, and the extracted motion field, the variance value, and the space value. A motion field extraction circuit for extracting an appropriate apparent motion field by repeating the determination of the validity of the extracted motion field based on the evaluation condition using the temporal brightness gradient is provided.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、テレビジョンなど、二
次元平面に投影された動画像から、その二次元平面上の
見かけの動き場(動きベクトル場)を推定する技術に係
わり、特に、観測雑音の局所的な性質に適応して、精度
の高い二次元速度場を得るのに好適な時系列画像からの
二次元動き場推定システムに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for estimating an apparent motion field (motion vector field) on a two-dimensional plane from a moving image projected on a two-dimensional plane such as a television, and more particularly, The present invention relates to a two-dimensional motion field estimation system from a time series image suitable for obtaining a highly accurate two-dimensional velocity field by adapting to the local property of observation noise.

【0002】[0002]

【従来の技術】動画シーケンスから、二次元の見かけの
動き場を推定することは、コンピュータビジョンや、画
像認識において、基本的な技術である。動き場が正確に
求まれば、二次元画像から、三次元運動を推定すること
や、奥行きを含む三次元構造を推定することが可能とな
る。これは、「機械による目」を実現するのに必要な基
本的な技術である。
2. Description of the Related Art Estimating a two-dimensional apparent motion field from a moving image sequence is a basic technique in computer vision and image recognition. If the motion field is accurately obtained, it is possible to estimate the three-dimensional motion and the three-dimensional structure including the depth from the two-dimensional image. This is the basic technology needed to achieve the "machine eye."

【0003】従来、二次元動き場を求める技術には、例
えば、B.Horn and B.Schunck,
“Determining optical flo
w”,Artificial Intelligenc
e 17,1981,pp.185〜203に記載のよ
うに、画像の輝度の空間および時間勾配と、動きの関係
を用いる勾配法がある。すなわち、x−y平面からなる
1枚の画面の時刻tにおける点(i,j)の輝度を、I
(i,j,t)と記述する。ここで、iはx軸の、ま
た、jはy軸の空間的位置を示す。また、時間間隔Tに
おける動き量を、u,v(x方向の動きをu、y方向の
動きをv)とすると、時刻t+Tにおいて、対応する画
素の位置は、(i+u,j+v,t+T)で与えられ、
Conventional techniques for obtaining a two-dimensional motion field include, for example, B. Horn and B. Schunkk,
"Determining optical flo
w ", Artificial Intelligenc
e 17, 1981, pp. 185-203, there is a gradient method that uses the relationship between the spatial and temporal gradients of image brightness and motion. That is, the brightness of the point (i, j) at time t on one screen composed of the xy plane is I
Described as (i, j, t). Here, i indicates the spatial position on the x axis and j indicates the spatial position on the y axis. If the amount of movement in the time interval T is u, v (the movement in the x direction is u, the movement in the y direction is v), the position of the corresponding pixel at time t + T is (i + u, j + v, t + T). Given,

【数1】 となる。[Equation 1] Becomes

【0004】この輝度Iをテイラー展開すると、次式が
成り立つ。
Taylor expansion of the brightness I yields the following equation.

【数2】 但し、点(i,j,t)における画像のx方向の輝度勾
配を、Ix=∂I(i,j)/∂xとし、y方向の輝度
勾配を、Iy=∂I(i,j)/∂yとする。また、O
(2)は、2次以上の誤差項を表す。一方、フレーム間
差分、
[Equation 2] However, the brightness gradient in the x direction of the image at the point (i, j, t) is Ix = ∂I (i, j) / ∂x, and the brightness gradient in the y direction is Iy = ∂I (i, j). / ∂y Also, O
(2) represents an error term of second order or higher. On the other hand, the difference between frames,

【数3】 を用いると、1次近似として、数2の式は、[Equation 3] As a first-order approximation,

【数4】 と表せる。Ix、Iy、Itは、画像から計算できるの
で、数4の式は、未知数2個の線形方程式になる。
[Equation 4] Can be expressed as Since Ix, Iy, and It can be calculated from the image, the equation of Equation 4 becomes a linear equation with two unknowns.

【0005】しかし、1つの式に対して、2つの未知数
があることから、この式だけでは、原理的に、輝度の勾
配方向の動きしか求めることができない。そこで、勾配
方向に垂直な成分を求めるために、二次元動き場の空間
的変動の滑らかさを仮定する手法が提案されている。こ
れは、時間間隔Tだけ離れた2フレームを用いて、画面
内の二次元動き場の空間的変動(滑らかさ)のパワーの
評価関数Epと、二次元動き場の輝度勾配と、動き場の
拘束条件である数4の式からの誤差のパワーの評価関数
Edを定義し、EpとEdの和が、最小となる動き場を
求めるものである。すなわち、動き場u(i,j)、v
(i,j)のx方向、y方向微分を、ux=∂u(i,
j)/∂xと、vx=∂v(i,j)/∂xと、uy=
∂u(i,j)/∂yと、vy=∂v(i,j)/∂y
とすると、この時の評価関数Eは、
However, since there are two unknowns with respect to one equation, in principle, only the movement of the luminance in the gradient direction can be obtained only by this equation. Therefore, in order to obtain the component perpendicular to the gradient direction, a method has been proposed which assumes smoothness of spatial variation of the two-dimensional motion field. This is performed by using two frames separated by the time interval T, the evaluation function Ep of the power of the spatial variation (smoothness) of the two-dimensional motion field in the screen, the luminance gradient of the two-dimensional motion field, and the motion field The evaluation function Ed of the power of the error from the equation of the constraint condition (4) is defined, and the motion field where the sum of Ep and Ed is minimized is obtained. That is, the motion field u (i, j), v
The differential of (i, j) in the x and y directions is ux = ∂u (i,
j) / ∂x and vx = ∂v (i, j) / ∂x and uy =
∂u (i, j) / ∂y and vy = ∂v (i, j) / ∂y
Then, the evaluation function E at this time is

【数5】 を最小化するu(i,j)、v(i,j)を求める問題
として定式化できる。
[Equation 5] Can be formulated as a problem to obtain u (i, j) and v (i, j) that minimize

【0006】従来技術においては、数5の式の重み係数
λは、Ed項の観測データのS/Nに比例するように選
択する。また、Epは、解が、空間的に滑らかに変化す
るという条件を表し、Edは、最終的な解が、測定結果
に近いという条件を記述する。そこで、Edが信頼でき
ないときは、Epによる平滑効果を大きくするため、重
み係数λを小さくする。逆に、信頼できるデータのとき
は、重み係数λを大きくする。
In the prior art, the weighting factor λ of the equation (5) is selected so as to be proportional to the S / N of the observation data of the Ed term. Ep represents the condition that the solution changes spatially and smoothly, and Ed describes the condition that the final solution is close to the measurement result. Therefore, when Ed is unreliable, the weighting factor λ is reduced in order to increase the smoothing effect by Ep. Conversely, if the data is reliable, the weighting factor λ is increased.

【0007】以下、動き場推定における数5の式の正則
化の定式化について調べるため、観測システムについて
検討する。勾配の観測過程は、
The observation system will be examined below in order to investigate the formulation of the regularization of the equation (5) in motion field estimation. The process of observing the gradient is

【数6】 で与えられる。ここで、rは観測雑音である。今、観測
雑音rの分散が、画面全体に渡って一定であると仮定す
ると、従来の数5の式により、良好な推定結果を得るこ
とができる。すなわち、従来技術では、観測雑音の分散
が一定であることが仮定されていることになる。
[Equation 6] Given in. Here, r is observation noise. Now, assuming that the variance of the observation noise r is constant over the entire screen, a good estimation result can be obtained by the conventional equation (5). That is, in the prior art, it is assumed that the variance of observation noise is constant.

【0008】しかしながら、一般に、雑音の性質は、局
所的に変化するため、この仮定は正しいとはいえない。
例えば、輝度勾配が小さく、その変化の小さい領域で
は、観測雑音rの分散の期待値も小さいと考えられる。
一方、勾配の大きい領域では、数6の式の各観測値I
x,Iy,Itの値の誤差が大きくなり、観測雑音rの
分散も大きくなる。また、輝度の極値の領域では、輝度
の空間勾配が、フレーム間で変化するため、観測誤差
は、非常に大きくなるものと考えられる。このように、
観測雑音は、画像の局所的な性質により変化することが
分かる。従って、従来のように、ペナルティ汎関数と、
安定化汎関数のバランスを示す単一の係数λを用いたの
では、評価関数Eの最小化のための適切な制御を行なっ
ているとはいえない。
However, since the nature of noise generally changes locally, this assumption cannot be said to be correct.
For example, in the region where the brightness gradient is small and the change is small, the expected value of the variance of the observation noise r is considered to be small.
On the other hand, in the region where the gradient is large, each observed value I of the equation (6) is
The error in the values of x, Iy, and It becomes large, and the variance of the observation noise r also becomes large. In the region of the extreme value of the brightness, the spatial gradient of the brightness changes from frame to frame, so the observation error is considered to be very large. in this way,
It can be seen that the observation noise changes due to the local nature of the image. Therefore, as in the past, the penalty functional and
If a single coefficient λ indicating the balance of the stabilizing functional is used, it cannot be said that appropriate control for minimizing the evaluation function E is performed.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、観測雑音が、画像の局所的な性質により変化する
ために、従来の技術では、評価関数Eの最小化のための
適切な制御を行なうことができず、正確な二次元動き場
を求めることができない点である。本発明の目的は、こ
れら従来技術の課題を解決し、テレビジョンなどの二次
元平面に投影された動画像から、正確な二次元動き場を
求めることを可能とし、ロボットビジョンにおける対象
物の速度検知や、テレビジョン信号のフレーム間符号化
における動き補償予測などの精度を向上させることを可
能とする時系列画像からの二次元動き場推定システムを
提供することである。
The problem to be solved is that the observation noise changes due to the local nature of the image. Therefore, in the conventional technique, an appropriate control for minimizing the evaluation function E is performed. It is not possible to obtain a precise two-dimensional motion field. The object of the present invention is to solve these problems of the prior art, to enable to obtain an accurate two-dimensional motion field from a moving image projected on a two-dimensional plane such as a television, and to determine the speed of an object in robot vision. A two-dimensional motion field estimation system from a time-series image that can improve the accuracy of detection and motion compensation prediction in interframe coding of television signals.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の時系列画像からの二次元動き場推定システ
ムは、動画像の二画面の輝度データに基づき、推定対象
の空間輝度勾配および時間輝度勾配を算出する勾配演算
回路を具備し、この勾配演算回路で算出した空間輝度勾
配および時間輝度勾配と、二画面間での画像の見かけの
動き場とからなる評価条件に基づき、二次元平面に投影
された動画像から、この二次元平面上の適切な見かけの
動き場を推定する二次元動き場推定システムにおいて、
勾配演算回路で算出した空間輝度勾配と時間輝度勾配と
に基づき、画像の局所的な性質により変化する観測系の
雑音の分散値を抽出する分散推定回路と、この分散推定
回路および勾配演算回路で抽出した分散値と空間輝度勾
配と時間輝度勾配とに基づく動き場の抽出と、この抽出
した動き場と分散値と空間輝度勾配と時間輝度勾配とを
用いた評価条件に基づく抽出した動き場の妥当性の判定
とを繰返し、適切な見かけの動き場を抽出する動き場抽
出回路とを設けることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a two-dimensional motion field estimation system from a time-series image of the present invention uses a spatial luminance gradient of an estimation target and a spatial luminance gradient of an estimation target based on luminance data of two screens of a moving image. It is equipped with a gradient calculation circuit that calculates the temporal brightness gradient, and based on the evaluation conditions consisting of the spatial brightness gradient and temporal brightness gradient calculated by this gradient calculation circuit, and the apparent motion field of the image between the two screens, two-dimensional In a two-dimensional motion field estimation system that estimates an appropriate apparent motion field on this two-dimensional plane from a moving image projected on a plane,
Based on the spatial brightness gradient and temporal brightness gradient calculated by the gradient calculation circuit, a variance estimation circuit that extracts the variance value of the noise of the observation system that changes depending on the local characteristics of the image, and this variance estimation circuit and gradient calculation circuit Extraction of the motion field based on the extracted variance value, spatial brightness gradient, and temporal brightness gradient, and extraction of the motion field based on the evaluation conditions using the extracted motion field, variance value, spatial brightness gradient, and temporal brightness gradient. It is characterized by providing a motion field extraction circuit for repeating appropriateness determination and extracting an appropriate apparent motion field.

【0011】[0011]

【作用】本発明においては、従来の勾配法は、輝度勾配
がゆるやかな領域では、数6の式の観測誤差rは小さい
が、輝度の勾配の大きい領域や、極値の周辺の領域で
は、観測誤差が大きくなることに着目し、勾配の値に基
づいて、観測誤差の分散を推定したうえで、評価関数を
最小化する。このことにより、より精度の高い動き場が
推定できる。
According to the present invention, in the conventional gradient method, the observation error r of the equation (6) is small in the region where the luminance gradient is gentle, but in the region where the luminance gradient is large or the region around the extreme value, Focusing on the fact that the observation error becomes large, the variance of the observation error is estimated based on the value of the gradient, and then the evaluation function is minimized. This makes it possible to estimate a motion field with higher accuracy.

【0012】[0012]

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面により詳細に
説明する。図1は、本発明を施した時系列画像からの二
次元動き場推定システムの本発明に係わる構成の一実施
例を示すブロック図である。本図において、1は、動き
の推定の対象となる動画像データを入力する動画像入力
端子、2は、動画像入力端子1からのアナログデータ
(動画像データ)をディジタルデータに変換する標本化
量子化回路(図中、A/Dと記載)、3は、標本化量子
化回路2でディジタル変換された動画像データを、一画
面毎に記憶する第一のフレームメモリ、4は、第一のフ
レームメモリ3から転送される前画面のデータを記憶す
る第二のフレームメモリ、5は、第一のフレームメモリ
3のデータと第二のフレームメモリ4のデータに基づ
き、推定対象の空間輝度勾配および時間輝度勾配を算出
する勾配演算回路、6は、本発明に係わり、勾配演算回
路5からの輝度勾配値に基づき、画像の局所的な性質に
より変化する観測雑音を推定する分散推定回路、7は、
二画面間のデータに基づいて得られた動き場を、順次に
入替えて記憶する二次元動き場メモリ、8は、分散推定
回路6からの推定分散値と、勾配演算回路5からの輝度
勾配値と、二次元動き場メモリ7からの二次元動き場に
基づいて、二次元動き場を修正する二次元動き場演算回
路、9は、分散推定回路6からの推定分散値と、勾配演
算回路5の輝度勾配値と、二次元動き場演算回路8から
の二次元動き場に基づいて、評価値を算出し、かつ、算
出した評価値と所定の閾値との比較に基づき、評価値の
妥当性を判定する評価値演算回路、10は、評価値演算
回路9の判定結果に基づき、二次元動き場演算回路8か
らの二次元動き場を、最終演算結果として取り込み、出
力端子13を介して出力するラッチ、11は、二次元動
き場メモリ7に、二次元動き場の初期値を入力する初期
動き場入力端子、12は、二次元動き場メモリ7への入
力接続先を切替るスイッチ、そして、13は、ラッチ1
0の取り込んだ二次元動き場を出力する動き場出力端子
である。尚、二次元動き場メモリ7と、二次元動き場演
算回路8と、評価値演算回路9、および、ラッチ10と
により、本発明の動き場抽出回路を構成する。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a configuration according to the present invention of a two-dimensional motion field estimation system from time series images according to the present invention. In the figure, 1 is a moving image input terminal for inputting moving image data that is a target of motion estimation, and 2 is a sampling for converting analog data (moving image data) from the moving image input terminal 1 into digital data. Quantization circuit (denoted as A / D in the figure), 3 is a first frame memory for storing the moving image data digitally converted by the sampling and quantization circuit 2 for each screen, and 4 is a first frame memory. The second frame memory 5 for storing the data of the previous screen transferred from the frame memory 3 of No. 2 is based on the data of the first frame memory 3 and the data of the second frame memory 4, and the spatial luminance gradient to be estimated. And a gradient calculation circuit 6 for calculating the temporal brightness gradient, and 6 relates to the present invention, and a variance estimation circuit 7 for estimating the observation noise that changes depending on the local property of the image based on the brightness gradient value from the gradient calculation circuit 5. ,
A two-dimensional motion field memory that sequentially switches and stores motion fields obtained based on data between two screens, and 8 is an estimated variance value from the variance estimation circuit 6 and a brightness gradient value from the gradient calculation circuit 5. And a two-dimensional motion field arithmetic circuit that corrects the two-dimensional motion field based on the two-dimensional motion field from the two-dimensional motion field memory 7. Reference numeral 9 denotes the estimated variance value from the variance estimation circuit 6 and the gradient arithmetic circuit 5. The evaluation value is calculated based on the brightness gradient value of 1 and the two-dimensional motion field from the two-dimensional motion field calculation circuit 8, and the validity of the evaluation value is calculated based on the comparison between the calculated evaluation value and a predetermined threshold value. Based on the determination result of the evaluation value calculation circuit 9, the evaluation value calculation circuit 10 that determines the two-dimensional motion field from the two-dimensional motion field calculation circuit 8 is taken in as the final calculation result and output via the output terminal 13. Latch 11 for the two-dimensional motion field memory 7, Initial motion field input terminal for inputting an initial value of the dimension motion field, 12, two-dimensional motion field input destination toggle its switch to the memory 7, and, 13, the latch 1
This is a motion field output terminal that outputs a two-dimensional motion field in which 0 is captured. The two-dimensional motion field memory 7, the two-dimensional motion field calculation circuit 8, the evaluation value calculation circuit 9, and the latch 10 constitute a motion field extraction circuit of the present invention.

【0013】このような構成により、本実施例の二次元
動き場推定システムは、勾配演算回路5で算出される勾
配値に基づき、観測誤差の分散を推定したうえで、評価
関数を最小化することにより、精度の高い動き場の推定
を行なう。以下、このような構成による二次元動き場推
定システムの動作を説明する。
With such a configuration, the two-dimensional motion field estimation system of this embodiment minimizes the evaluation function after estimating the variance of the observation error based on the gradient value calculated by the gradient calculation circuit 5. By doing so, highly accurate estimation of the motion field is performed. The operation of the two-dimensional motion field estimation system having such a configuration will be described below.

【0014】まず、演算の開始時には、初期動き場入力
端子11より、二次元初期動き場が入力され、動き場メ
モリ7に、スイッチ12を介して書き込まれる。初期値
は、全て「0」でも、二画面間のデータに基づいて得ら
れた動き場でも良い。また、スイッチ12は、初期デー
タ入力後、動き場演算回路8側に切替られる。アナログ
の動画像が入力端子1より入力され、続いて、標本化量
子化回路2でディジタルデータに変換される。標本化量
子化回路2で変換されたデータは、一画面毎に、第一の
フレームメモリ3に書き込まれ、一フレーム分書き込ま
れると、第二のフレームメモリ4に転送される。従っ
て、第一のフレームメモリ3には、現フレームの輝度デ
ータが、第二のフレームメモリ4には、前フレームの輝
度データが記憶されている。第一のフレームメモリ3と
第二のフレームメモリ4に、それぞれ記憶されている二
画面の輝度データは、勾配演算回路5に入力され、勾配
演算回路5で、空間輝度勾配と、二画面間の輝度差(時
間輝度勾配)を算出する。このようにして、算出された
輝度勾配値は、分散推定回路6と、動き場演算回路8、
および、評価値演算回路9に入力される。
First, at the start of calculation, a two-dimensional initial motion field is input from the initial motion field input terminal 11 and written in the motion field memory 7 via the switch 12. The initial values may be all "0" or a motion field obtained based on data between two screens. Also, the switch 12 is switched to the motion field calculation circuit 8 side after the initial data is input. An analog moving image is input from the input terminal 1 and subsequently converted into digital data by the sampling and quantizing circuit 2. The data converted by the sampling and quantizing circuit 2 is written in the first frame memory 3 for each screen, and when one frame is written, the data is transferred to the second frame memory 4. Therefore, the first frame memory 3 stores the brightness data of the current frame, and the second frame memory 4 stores the brightness data of the previous frame. The luminance data of the two screens respectively stored in the first frame memory 3 and the second frame memory 4 are input to the gradient calculation circuit 5, and the gradient calculation circuit 5 calculates the spatial luminance gradient and the difference between the two screens. The brightness difference (temporal brightness gradient) is calculated. The brightness gradient value calculated in this way is distributed to the variance estimation circuit 6, the motion field calculation circuit 8,
It is also input to the evaluation value calculation circuit 9.

【0015】従来の勾配法は、輝度勾配がゆるやかな領
域では、数6の式の観測誤差rは小さいが、輝度の勾配
の大きい領域や、極値の周辺の領域では、観測誤差が大
きくなる。そこで、本実施例の二次元動き場推定システ
ムにおいては、以下に述べるように、勾配の値に基づい
て、観測誤差の分散を推定したうえで、評価関数を最小
化することにより、より精度の高い動き場を推定する。
In the conventional gradient method, the observation error r of the equation (6) is small in the region where the luminance gradient is gentle, but the observation error becomes large in the region where the luminance gradient is large or the region around the extreme value. .. Therefore, in the two-dimensional motion field estimation system of the present embodiment, as described below, based on the value of the gradient, the variance of the observation error is estimated, and then the evaluation function is minimized to improve the accuracy. Estimate a high motion field.

【0016】まず、分散推定回路6において、輝度勾配
値に基づいて、観測雑音を推定する。すなわち、輝度勾
配が小さく、その空間変化の小さい領域では、分散値を
小さく、また、勾配の大きい領域では、分散を大きく、
さらに、輝度の極値の領域では、輝度の空間勾配がフレ
ーム間で変化するため、分散を大きくする。この対応
は、オフラインで設計しておき、回路動作時には、読み
だし専用メモリにより実現できる。
First, the variance estimation circuit 6 estimates the observation noise based on the brightness gradient value. That is, in a region where the brightness gradient is small and the spatial change is small, the variance value is small, and in a region where the gradient is large, the variance is large,
Further, in the region of the extreme value of the luminance, the spatial gradient of the luminance changes between frames, so the variance is increased. This correspondence is designed off-line and can be realized by a read-only memory when the circuit is operating.

【0017】次に、動き場演算回路8においては、この
ようにして得られた分散推定回路6からの推定分散値
と、勾配演算回路5で算出された輝度勾配値と、二次元
動き場メモリ7より入力される二次元動き場に基づい
て、二次元動き場を修正する。この動き場演算回路8
は、加減乗除演算だけで実現され、得られた二次元動き
場修正値は、評価値演算回路9とラッチ10に、また、
スイッチ12を介して二次元動き場メモリ7に入力され
る。以下、このような動き場演算回路8の動作を、さら
に詳しく説明する
Next, in the motion field calculation circuit 8, the estimated variance value thus obtained from the variance estimation circuit 6, the brightness gradient value calculated by the gradient calculation circuit 5, and the two-dimensional motion field memory. The two-dimensional motion field is corrected based on the two-dimensional motion field input from 7. This motion field calculation circuit 8
Is realized only by the addition, subtraction, multiplication and division calculation, and the obtained two-dimensional motion field correction value is stored in the evaluation value calculation circuit 9 and the latch 10.
It is input to the two-dimensional motion field memory 7 via the switch 12. Hereinafter, the operation of the motion field calculation circuit 8 will be described in more detail.

【0018】画像Iについての観測系は、The observation system for image I is

【数7】 で与えられる。尚、rは画像Iに関する観測系の雑音で
ある。ここで、観測雑音rの分散σrは、輝度勾配値に
基づいて推定できる。すなわち、輝度勾配が小さく、そ
の空間変化の小さい領域では、分散値が小さく、勾配の
大きい領域では、分散が大きく、また、輝度の極値の領
域では、輝度の空間勾配が、フレーム間で変化するた
め、分散が大きいと推定できる。すると、数5の式は、
一般化した評価関数
[Equation 7] Given in. Note that r is noise of the observation system regarding the image I. Here, the variance σr of the observation noise r can be estimated based on the brightness gradient value. That is, in a region where the brightness gradient is small and the spatial variation is small, the variance value is small, in a region where the gradient is large, the variance is large, and in the region where the brightness is extreme, the spatial gradient of the brightness changes between frames. Therefore, it can be estimated that the variance is large. Then, the formula of Equation 5 becomes
Generalized evaluation function

【数8】 で表される。ここで、λは、シーンにおける事前の知識
に基づいて決定されるパラメタである。
[Equation 8] It is represented by. Here, λ is a parameter determined based on prior knowledge in the scene.

【0019】二次元動き場u、vは、このパラメタλを
事前に与えた後、観測雑音rの分散σrを評価し、輝度
値Iを観測しながら、上述の評価関数Evを最小にする
ことにより得られる。この最小化問題は、数8の式を、
二次元動き場u、vについて偏微分して、零とする連立
方程式を解けば良い。これは、緩和法を用いて求めるこ
とができる。すなわち、第n回目のステップにおける画
素(i,j,t)の動き場のx成分Aと、y成分Bは、
For the two-dimensional motion fields u and v, after the parameter λ is given in advance, the variance σr of the observation noise r is evaluated, and the above-mentioned evaluation function Ev is minimized while observing the brightness value I. Is obtained by This minimization problem is
It suffices to partially solve the two-dimensional motion fields u and v to solve the simultaneous equations that are zero. This can be determined using the relaxation method. That is, the x component A and the y component B of the motion field of the pixel (i, j, t) in the n-th step are

【数9】 を繰返し用いることにより、動き場のx成分Aと、y成
分Bが、最終解に近づいていき、推定値が得られる。但
し、ここで、
[Equation 9] By repeatedly using, the x component A and the y component B of the motion field approach the final solution, and the estimated value is obtained. However, here

【数10】 である。[Equation 10] Is.

【0020】評価値演算回路9では、勾配演算回路5よ
り得られた勾配値と、分散推定回路6において算出され
た分散値、および、動き場演算回路8で修正された二次
元動き場の値を用いて、数8の式で示す評価値を算出す
る。この評価値演算回路9は、乗算器と累算器により構
成される。そして、算出した評価値を、所定の閾値と較
べ、評価値が、閾値より小さくなると、繰返し演算を中
止すると共に、ラッチ10にタイミング信号を出力す
る。そして、ラッチ10は、動き場演算回路8からの二
次元動き場を入力し、評価値演算回路9からのタイミン
グ信号に応じて、最終演算結果としての二次元動き場デ
ータを、出力端子13を介して出力する。
In the evaluation value calculation circuit 9, the gradient value obtained from the gradient calculation circuit 5, the variance value calculated in the variance estimation circuit 6, and the two-dimensional motion field value corrected in the motion field calculation circuit 8. Is used to calculate the evaluation value represented by the equation (8). The evaluation value calculation circuit 9 is composed of a multiplier and an accumulator. Then, the calculated evaluation value is compared with a predetermined threshold value, and when the evaluation value becomes smaller than the threshold value, the iterative calculation is stopped and a timing signal is output to the latch 10. Then, the latch 10 inputs the two-dimensional motion field from the motion field calculation circuit 8 and outputs the two-dimensional motion field data as the final calculation result to the output terminal 13 according to the timing signal from the evaluation value calculation circuit 9. Output through.

【0021】このようにして、本実施例の二次元動き場
推定システムでは、勾配の値に基づいて、画像の局所的
な性質により変化する観測誤差の分散を推定したうえ
で、評価関数を最小化することにより、観測雑音の局所
的な性質に適応して、精度の高い二次元速度場を得るこ
とができる。そして、ロボットビジョンにおける対象物
の速度検知、テレビジョン信号のフレーム間符号化にお
ける動き補償予測などに適用することができる。
In this way, in the two-dimensional motion field estimation system of this embodiment, the variance of the observation error that changes depending on the local property of the image is estimated based on the value of the gradient, and then the evaluation function is minimized. By adapting it, it is possible to obtain a highly accurate two-dimensional velocity field by adapting to the local property of observation noise. Then, it can be applied to speed detection of an object in robot vision, motion compensation prediction in interframe coding of a television signal, and the like.

【0022】図2は、図1における二次元動き場推定シ
ステムの本発明に係わる動作の一実施例を示すフローチ
ャートである。まず、画面中の二次元動き場の初期値を
設定する(ステップ201)。続いて、画面中の各点
(i,j)について、空間輝度勾配Ix,Iyと、時間
輝度勾配Itを計算し、これらのIx,Iy,Itに基
づき、観測雑音の分散(σr)2を算出する(ステップ
202)。この後、繰返し演算を開始する。この繰返し
演算の各ステップは、2つのプロセスに分けることがで
きる。まず、数9の式を用いて、数8の式の評価値を、
前回のステップの時より小さくするu,vを、全ての画
素について求める(ステップ203)。次に、数9の評
価式を計算し(ステップ204)、その値の現象の度合
いが、設定レベルより小さくなった時点(ステップ20
5)で、演算を終了する。それ以外では、初めのステッ
プに戻る(ステップ206)。
FIG. 2 is a flow chart showing an embodiment of the operation of the two-dimensional motion field estimation system in FIG. 1 according to the present invention. First, the initial value of the two-dimensional motion field on the screen is set (step 201). Subsequently, for each point (i, j) on the screen, spatial brightness gradients Ix, Iy and temporal brightness gradient It are calculated, and the variance (σr) 2 of the observation noise is calculated based on these Ix, Iy, It. Calculate (step 202). After that, the repetitive calculation is started. Each step of this iterative operation can be divided into two processes. First, using the formula of the formula 9, the evaluation value of the formula of the formula 8 is
U and v, which are smaller than those in the previous step, are obtained for all pixels (step 203). Next, the evaluation formula of Expression 9 is calculated (step 204), and when the degree of the phenomenon of the value becomes smaller than the set level (step 20).
At 5), the calculation ends. Otherwise, the process returns to the first step (step 206).

【0023】以上、図1、および、図2を用いて説明し
たように、本実施例の時系列画像からの二次元動き場推
定システムでは、輝度勾配の値に基づいて、観測誤差の
分散を推定したうえで、評価関数を最小化する。このこ
とにより、観測雑音の局所的な性質に適応して、精度の
高い二次元速度場を得ることができる。尚、本発明は、
図1、および、図2を用いて説明した実施例に限定され
るものではなく、輝度勾配の値に基づいて、観測誤差の
分散を推定したうえで、評価関数を最小化するものであ
れば良い。
As described above with reference to FIGS. 1 and 2, in the two-dimensional motion field estimation system from time series images of this embodiment, the variance of the observation error is calculated based on the value of the brightness gradient. Estimate and then minimize the evaluation function. This makes it possible to obtain a highly accurate two-dimensional velocity field by adapting to the local property of observation noise. The present invention is
The present invention is not limited to the embodiment described with reference to FIG. 1 and FIG. 2, and if the variance of the observation error is estimated based on the value of the brightness gradient and then the evaluation function is minimized. good.

【0024】[0024]

【発明の効果】本発明によれば、画像の局所的な性質に
より変化する観測雑音を考慮に入れて、評価関数Eの最
小化のための適切な制御を行なうことができ、テレビジ
ョンなどの二次元平面に投影された動画像から、正確な
二次元動き場を求めることが可能となり、ロボットビジ
ョンにおける対象物の速度検知や、テレビジョン信号の
フレーム間符号化における動き補償予測など、様々な適
用技術の性能を向上させることが可能である。
According to the present invention, it is possible to perform appropriate control for minimizing the evaluation function E in consideration of the observation noise that changes depending on the local property of the image. It is possible to obtain an accurate 2D motion field from a moving image projected on a 2D plane, and it is possible to use various methods such as speed detection of an object in robot vision and motion compensation prediction in interframe coding of television signals. It is possible to improve the performance of the applied technology.

【0025】[0025]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明を施した時系列画像からの二次元動き場
推定システムの本発明に係わる構成の一実施例を示すブ
ロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a configuration according to the present invention of a two-dimensional motion field estimation system from a time series image according to the present invention.

【図2】図1における二次元動き場推定システムの本発
明に係わる動作の一実施例を示すフローチャートであ
る。
FIG. 2 is a flowchart showing an embodiment of the operation of the two-dimensional motion field estimation system in FIG. 1 according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 動画像入力端子 2 標本化量子化回路 3 第一のフレームメモリ 4 第二のフレームメモリ 5 勾配演算回路 6 分散推定回路 7 二次元動き場メモリ 8 二次元動き場演算回路 9 評価値演算回路 10 ラッチ 11 初期動き場入力端子 12 スイッチ 13 動き場出力端子 1 Moving Image Input Terminal 2 Sampling Quantization Circuit 3 First Frame Memory 4 Second Frame Memory 5 Gradient Calculation Circuit 6 Variance Estimation Circuit 7 Two-dimensional Motion Field Memory 8 Two-dimensional Motion Field Calculation Circuit 9 Evaluation Value Calculation Circuit 10 Latch 11 Initial motion field input terminal 12 Switch 13 Motion field output terminal

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 動画像の二画面の輝度データに基づき、
推定対象の空間輝度勾配および時間輝度勾配を算出する
勾配演算手段を具備し、該勾配演算手段で算出した空間
輝度勾配および時間輝度勾配と、上記二画面間での画像
の見かけの動き場とからなる評価条件に基づき、二次元
平面に投影された動画像から、該二次元平面上の適切な
見かけの動き場を推定する時系列画像からの二次元動き
場推定システムにおいて、上記勾配演算手段で算出した
空間輝度勾配と時間輝度勾配とに基づき、画像の局所的
な性質により変化する観測系の雑音の分散値を抽出する
分散推定手段と、該分散推定手段および上記勾配演算手
段で抽出した分散値と空間輝度勾配と時間輝度勾配とに
基づく動き場の抽出と、該抽出した動き場と上記分散値
と空間輝度勾配と時間輝度勾配とを用いた評価条件に基
づく上記抽出した動き場の妥当性の判定とを繰返し、上
記適切な見かけの動き場を抽出する動き場抽出手段とを
設けることを特徴とする時系列画像からの二次元動き場
推定システム。
1. Based on luminance data of two screens of a moving image,
The spatial brightness gradient and the temporal brightness gradient to be estimated are provided, and the spatial brightness gradient and the temporal brightness gradient calculated by the gradient calculation means and the apparent motion field of the image between the two screens are used. In a two-dimensional motion field estimation system from a time-series image that estimates an appropriate apparent motion field on the two-dimensional plane from a moving image projected on the two-dimensional plane based on the evaluation condition Based on the calculated spatial brightness gradient and temporal brightness gradient, a variance estimation unit that extracts the variance value of the noise of the observation system that changes depending on the local properties of the image, and the variance extracted by the variance estimation unit and the gradient calculation unit. Extraction of the motion field based on the value, the spatial brightness gradient, and the temporal brightness gradient, and the extraction based on the evaluation condition using the extracted motion field, the dispersion value, the spatial brightness gradient, and the temporal brightness gradient. Repeat the determination of validity of the feeder field, the appropriate apparent two-dimensional motion field estimation system from the image sequence and providing a motion field extracting means for extracting the motion field of.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012043841A1 (en) * 2010-09-29 2012-04-05 Sharp Kabushiki Kaisha Systems for producing a motion vector field

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012043841A1 (en) * 2010-09-29 2012-04-05 Sharp Kabushiki Kaisha Systems for producing a motion vector field
US8736767B2 (en) 2010-09-29 2014-05-27 Sharp Laboratories Of America, Inc. Efficient motion vector field estimation

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