(57)【要約】【課題】物体の姿勢に拘わらず物体の正面領域を追跡する物体検出装置を提供する。【解決手段】  静止画像と複数のフレーム画像からなる動画像とを取得することができる画像取得部２，５を有し、姿勢を変えた物体を検出する物体検出装置１であって、画像取得部２で撮影された物体の静止画像からテンプレートとしてのヒストグラムを作成する参照情報作成部４と、画像取得部５で撮影された動画像を構成する複数のフレーム画像の内、探索対象のフレーム画像と参照情報作成部４で作成されたテンプレートとに基づいて、探索対象のフレーム画像から物体領域を検出する検出処理部６と、を備えている。【選択図】図１
2013003860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止画像と複数のフレーム画像からなる動画像とを取得することができる画像取得部を有し、姿勢を変えた物体を検出する物体検出装置であって、
上記画像取得部で撮影された物体の静止画像からテンプレートとしてのヒストグラムを作成する参照情報作成部と、
上記画像取得部で撮影された動画像を構成する複数のフレーム画像の内、探索対象のフレーム画像と上記参照情報作成部で作成されたテンプレートとに基づいて、探索対象のフレーム画像から物体領域を検出する検出処理部と、を備え、
上記検出処理部が遺伝的アルゴリズムに基づいて以下の処理(α１)〜(α４)を行うことを特徴とする、物体検出装置。
(α１)探索対象の画像の中で物体領域を特定するパラメータを含む個体をＮ個生成する。
(α２)各個体の染色体のパラメータで特定される物体領域のヒストグラムをそれぞれ作成し、これらのヒストグラムと参照情報作成部で作成されたテンプレートとの一致度を適応度関数によって評価する。
(α３)Ｎ個の個体に対する選択，交叉，突然変異に基づいた遺伝的操作によって新たな個体をＮ個生成する。
(α４)世代交代限度まで、上記（α２）と（α３）とを繰り返し、最終世代の個体の内、適応度が最も高い個体のパラメータを解とし、当該解によって特定される領域を物体領域と判断する。
【請求項２】
前記検出処理部は、次のフレーム画像について前記遺伝的アルゴリズムの処理を開始する際、前のフレーム画像についての前記遺伝的アルゴリズムの処理で得られたＮ個の個体の染色体を利用することを特徴とする、請求項１に記載の物体検出装置。
【請求項３】
前記テンプレートを別のテンプレートに更新する参照情報更新部をさらに備えたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の物体検出装置。
【請求項４】
前記参照情報更新部は複数のフレーム画像に亘って物体領域のヒストグラムが同じか又はその差が小さいときに、当該ヒストグラムを前記テンプレートに設定することを特徴とする、請求項３に記載の物体検出装置。
【請求項５】
前記ヒストグラムは、赤色の色差を表すＣｒ表色系に基づいて作成されることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の物体検出装置。
【請求項６】
姿勢を変えた物体を検出する物体検出プログラムであって、
コンピュータを、
画像取得部で撮影された物体の静止画像からテンプレートとしてのヒストグラムを作成する参照情報作成部、
画像取得部で撮影された動画像を構成する複数のフレーム画像の内、探索対象のフレーム画像と上記参照情報作成部で作成されたテンプレートとに基づいて、探索対象のフレーム画像から物体領域を検出する検出処理部、
として機能させ、
上記検出処理部は遺伝的アルゴリズムに基づいて以下の処理(α１)〜(α４)を行うことを特徴とする、物体検出プログラム。
(α１)探索対象の画像の中で物体領域を特定するパラメータを含む個体をＮ個生成する。
(α２)各個体の染色体のパラメータで特定される物体領域のヒストグラムをそれぞれ作成し、これらのヒストグラムと参照情報作成部で作成されたテンプレートとの一致度を適応度関数によって評価する。
(α３)Ｎ個の個体に対する選択，交叉，突然変異に基づいた遺伝的操作によって新たな個体をＮ個生成する。
(α４)世代交代限度まで、上記（α２）と（α３）とを繰り返し、最終世代の個体の内、適応度が最も高い個体のパラメータを解とし、当該解によって特定される領域を物体領域と判断する。
【請求項７】
前記検出処理部は、次のフレーム画像について前記遺伝的アルゴリズムの処理を開始する際、前のフレーム画像についての前記遺伝的アルゴリズムの処理で得られたＮ個の個体の染色体を利用することを特徴とする、請求項６に記載の物体検出プログラム。
【請求項８】
前記コンピュータを、さらに
前記テンプレートを別のテンプレートに更新する参照情報更新部、
として機能させることを特徴とする、請求項６又は７に記載の物体検出プログラム。
【請求項９】
前記参照情報更新部は複数のフレーム画像に亘って物体領域のヒストグラムが同じか又はその差が小さいときに、当該ヒストグラムを前記テンプレートに設定することを特徴とする、請求項８に記載の物体検出プログラム。
【請求項１０】
前記ヒストグラムは、赤色の色差を表すＣｒ表色系に基づいて作成されることを特徴とする、請求項６〜９の何れかに記載の顔追跡プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動画像から顔や標識などの物体を検出する装置に係り、特に物体の姿勢が変化した場合でも当該物体を検出し得る物体検出装置及び物体検出プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多くの民生用のディジタルカメラに顔検出機能が搭載されている。従来の顔検出の手法として非特許文献１にはHaar−like特徴を用いてAdaBoostに基づいた手法が開示されている。この手法はカスケード型に構成した識別器を使用する。具体的には、任意の弱識別器を組み合わせてより性能の高い強識別器を構築するAdaBoost法（非特許文献２）を基調とし、複数の識別器を直列的に接続して構築されている。
【０００３】
また、特許文献１には、顔の特定領域を抽出する画像内特定領域抽出方法が開示されている。この抽出方法は、遺伝的アルゴリズムを用いて特定のテンプレートとのマッチングを利用した技術で、動画を対象として探索画像から特定の領域を抽出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２０９３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】P. Viola, and M. Jones: “Rapid Object Detection using a Boosted Cascade of Simple Features”, Proc. IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pp.511-518 (2001).
【非特許文献２】Y. Freund, and R. E. Schapire, “A Decision-Theoretic Generalization of on-Line Learning and an Application to Boosting”, Journal of Computer and System Sciences, Vol.55, pp.119-139 (1997).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
AdaBoost法は複雑な背景下でも高精度な検出が可能であるが、一般的に、学習した対象物の特定の姿勢に限定されてしまう。この問題に対して対象の複数の姿勢を学習し、その結果である識別器を複数使用する手法が提案されている。しかし、すべての姿勢を学習することは困難である。また、識別器を増やすことで全方向の顔検出に対応することができる反面、学習に時間が必要であるという点や、計算コストが高いという問題点がある。
【０００７】
また、特許文献１の手法では、テンプレートとして特定領域内に含まれる複数の画素を、探索対象の画像中の同じサイズの領域内の複数の画素とそれぞれ一対一で比較して適合性を評価するため、観察対象の被験者が横を向いた場合には顔領域のサイズが変わって当該顔領域を構成する画素数が変わるため、横向きの場合の顔領域を抽出することができなかった。
【０００８】
さらに近年では、多くの民生用のディジタルカメラに顔検出機能が搭載されているが、本発明者等の知る限り、顔の向き、つまりカメラの光軸からずれた方向へ顔を向けた姿勢にロバストに対応できている製品はない。また、エンタテイメント分野やセキュリティ分野においても、顔検出技術は重要な要素技術である。実用的な顔検出を実現するためには、顔の向きにロバストな顔探索が必要である。
【０００９】
このような問題を解決するために、本発明は、物体の姿勢に拘わらず物体領域を検出する物体検出装置及び物体検出プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の第１の構成は、静止画像と複数のフレーム画像からなる動画像とを取得することができる画像取得部を備え、姿勢を変えた物体を検出する物体検出装置であって、上記画像取得部で撮影された物体の静止画像からテンプレートとしてのヒストグラムを作成する参照情報作成部と、上記画像取得部で撮影された動画像を構成する複数のフレーム画像の内、探索対象のフレーム画像と上記参照情報作成部で作成されたテンプレートとに基づいて、探索対象のフレーム画像から物体領域を検出する検出処理部と、を備え、上記検出処理部は遺伝的アルゴリズムに基づいて以下の処理(α１)〜(α４)を行うことを特徴としている。
(α１)探索対象の画像の中で物体領域を特定するパラメータを含む個体をＮ個生成する。
(α２)各個体の染色体のパラメータで特定される物体領域のヒストグラムをそれぞれ作成し、これらのヒストグラムと参照情報作成部で作成されたテンプレートとの一致度を適応度関数によって評価する。
(α３)Ｎ個の個体に対する選択，交叉，突然変異に基づいた遺伝的操作によって新たな個体をＮ個生成する。
(α４)世代交代限度まで、上記（α２）と（α３）とを繰り返し、最終世代の個体の内、適応度が最も高い個体のパラメータを解とし、当該解によって特定される領域を物体領域と判断する。
ここで、物体とは、人の顔、体の一部に限らず、動物、昆虫、魚類などの生物の他、土地に定着した看板や標識などの不動産、その物自体可搬自在な車やテレビなどの動産を含む。
【００１１】
本発明の物体検出装置において、前記検出処理部は、次のフレーム画像について前記遺伝的アルゴリズムの処理を開始する際、前のフレーム画像についての前記遺伝的アルゴリズムの処理で得られたＮ個の個体の染色体を利用する。
【００１２】
本発明の物体検出装置は、好ましくは、前記テンプレートを別のテンプレートに更新する参照情報更新部をさらに備え、例えば前記参照情報更新部は複数のフレーム画像に亘って物体領域のヒストグラムが同じか又はその差が小さいときに、当該ヒストグラムを前記テンプレートに設定する。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の第２の構成は、姿勢を変えた物体を検出する物体検出プログラムであって、コンピュータを、画像取得部で撮影された物体の静止画像からテンプレートとしてのヒストグラムを作成する参照情報作成部、画像取得部で撮影された動画像を構成する複数のフレーム画像の内、探索対象のフレーム画像と上記参照情報作成部で作成されたテンプレートとに基づいて、探索対象のフレーム画像から物体領域を検出する検出処理部、として機能させ、上記検出処理部は遺伝的アルゴリズムに基づいて以下の処理(α１)〜(α４)を行うことを特徴とする。
(α１)探索対象の画像の中で物体領域を特定するパラメータを含む個体をＮ個生成する。
(α２)各個体の染色体のパラメータで特定される物体領域のヒストグラムをそれぞれ作成し、これらのヒストグラムと参照情報作成部で作成されたテンプレートとの一致度を適応度関数によって評価する。
(α３)Ｎ個の個体に対する選択，交叉，突然変異に基づいた遺伝的操作によって新たな個体をＮ個生成する。
(α４)世代交代限度まで、上記（α２）と（α３）とを繰り返し、最終世代の個体の内、適応度が最も高い個体のパラメータを解とし、当該解によって特定される領域を物体領域と判断する。
【００１４】
本発明の物体検出プログラムにおいて、前記検出処理部は、次のフレーム画像について前記遺伝的アルゴリズムの処理を開始する際、前のフレーム画像についての前記遺伝的アルゴリズムの処理で得られたＮ個の個体の染色体を利用する。
【００１５】
本発明の物体検出プログラムは、好ましくは、、前記テンプレートを別のテンプレートに更新する参照情報更新部として前記コンピュータを機能させ、例えば、前記参照情報更新部は複数のフレーム画像に亘って物体領域のヒストグラムが同じか又はその差が小さいときに、当該ヒストグラムを前記テンプレートに設定する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ヒストグラムテンプレートを用いたマッチングによって顔を追跡することができる。特に、顔の姿勢によらず、顔のヒストグラムが一定であることから、実時間処理で顔領域の追跡を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る顔検出装置のブロック図である。
【図２】（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る参照情報作成部が特定する顔領域、（Ｂ）〜（Ｄ）はヒストグラムテンプレートである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る画像取得部が生成する動画像情報を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る個体の染色体の構造を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る検出処理部を示すブロック図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る顔検出装置の動作について説明する図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る顔検出装置の動作について説明する図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の第１実施形態に係るテンプレート画像取得部と参照情報作成部との動作を説明するための図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る顔検出装置の動作について説明する図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る顔検出装置によって特定した顔領域の、枠で表示したディスプレイの画面例を示す図である。
【図１１】（Ａ）はテンプレートの画像、（Ｂ）〜（Ｋ）は各個体で特定される領域とその領域のヒスグラムを示す図である。
【図１２】（Ａ）はテンプレートの画像、（Ｂ）は（Ａ）の矩形領域のヒストグラム、（Ｃ）は検出処理で特定された矩形領域、（Ｄ）は（Ｃ）の矩形領域のヒストグラムを示す図である。
【図１３】（ａ）〜（ｉ）はＣｒ成分を使用した画像追跡結果を示す図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る顔検出装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［Ａ．第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る顔検出装置１のブロック図である。顔検出装置１は、第１画像取得部２と、記憶部３と、参照情報作成部４と、第２画像取得部５と、検出処理部６と、を備えている。
【００１９】
第１画像取得部２は、顔追跡に必要な画像情報を取得する。具体的には、テンプレート画像取得部２は、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像装置として構成されており、追跡対象の顔の静止画像を、例えば１枚取得する。第１画像取得部２で撮影された画像は、後述するヒストグラムテンプレートＴＰを作成するための参照用画像として記憶部３に保存される。
【００２０】
参照情報作成部４は、記憶部３から参照用画像を読み出し、この参照用画像を処理して正面顔を検出する。この場合の顔検出の手法では、Haar−like特徴を用いたAdaBoost法に基づくカスケード型識別器を利用する。正面顔として画像から矩形の領域を抽出した後、さらにそれより狭い図２（Ａ）に示す矩形の顔領域（以下、矩形領域と呼ぶ場合がある。）ＡＲを抽出する。
【００２１】
参照情報作成部４は、このように得られた顔領域ＡＲからヒストグラムを取得する。本実施形態では、使用する画像データはＲＧＢ表色系ではなく、ＹＣｒＣｂ表色系を利用する。ここで、Ｙは輝度、Ｃｒは赤色の色差、Ｃｂは青色の色差を表している。ＹＣｒＣｂ表色系はＲＧＢ表色系と異なり、輝度と色が分離している。従って、輝度の変化に対応することができることからＹＣｒＣｂ表色系を利用する。
【００２２】
図２（Ｂ）は顔領域ＡＲに関するＹ成分のヒストグラム、図２（Ｃ）は顔領域ＡＲに関するＣｂ成分のヒストグラム、図２（Ｄ）は顔領域ＡＲに関するＣｒ成分のヒストグラムを表している。これらのヒストグラムを、以下、ヒストグラムテンプレートＴＰと呼ぶ。
【００２３】
第２画像取得部５は追跡対象の画像をリアルタイムに撮像する。具体的には、第２画像取得部５は、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像装置として構成されており、追跡対象の顔の動画像、即ち複数のフレーム画像を取得する。図３に示すように、複数のフレーム画像Ｆからなる動画像情報を以下、ビデオシーケンスＶＳと呼ぶ。なお、本実施形態は、一つの撮像装置が第２画像取得部５と第１画像取得部２とを兼ねて利用に供されるように構成されてもよい。
【００２４】
検出処理部６は、第２画像取得部５で作成されたビデオシーケンスＶＳを構成する各フレーム画像Ｆ、つまり撮像対象が静止した状態のターゲット画像の中で、追跡対象の顔の位置を特定する。具体的には、ターゲット画像の中の顔領域（図１０のＡＲ′参照）の位置を特定する。なお、ターゲット画像の中の顔領域（以下、矩形領域と呼ぶ場合がある。）については、ヒストグラムテンプレートＴＰの作成時に利用する矩形領域ＡＲ（図２（Ａ）参照）と区別するため、異なる符合ＡＲ′を付して、以下説明する。
【００２５】
検出処理部６は、第２画像取得部５で作成されたフレーム画像Ｆと記憶部３に保存されているヒストグラムテンプレートＴＰとに基づいて、顔の検出処理を行う。詳細は後述するが、検出処理部６は遺伝的アルゴリズム（以下、ＧＡと呼ぶ場合がある。）に基づいて検出処理を行う。
【００２６】
本実施形態の検出処理では、ターゲット画像上の顔の領域、つまり画像中の追跡すべき顔領域ＡＲ′をパラメータで表し、このパラメータで特定される顔領域ＡＲ′とのテンプレートマッチングを最適化問題として解決する。具体的には、パラメータで特定される顔領域ＡＲ′のヒストグラムとヒストグラムテンプレートＴＰとのマッチングを評価する。
【００２７】
パラメータとして、探索目標である矩形領域ＡＲ′の中心を表す座標、大きさ、回転角度を利用する。検出処理では、当初の矩形領域ＡＲを、或いはこれに基づいた矩形領域ＡＲ′を、パラメータを用いてターゲット画像上で幾何学変換し、新たに矩形領域ＡＲ′を特定する。そして、変換結果の矩形領域ＡＲ′上の画素のヒストグラムと、ヒストグラムテンプレートＴＰとのマッチングの最適化の解決手法として、本実施形態では遺伝的アルゴリズムを利用する。
【００２８】
遺伝的アルゴリズムにおける各個体の染色体構造として、本実施形態の染色体ＣＨは、図４に示すように、当初の矩形領域ＡＲの或いは変換前の矩形領域ＡＲ′の中心座標（ｃx,ｃy）と、矩形を画する枠のｘ軸とｙ軸方向の拡大縮小倍率ｍx，ｍyと、矩形を画する枠の回転角度angleの情報を持つとする。これらは最終的に求める解であり、探索対象のターゲット画像上で、顔領域として特定する矩形領域ＡＲ′の位置、サイズ、回転角度を表すパラメータである。これらのパラメータの起こり得る範囲は、本実施形態では以下の（１）〜（３）ように選定されている。
【数１】
2013003860.tif 000003
拡大縮小倍率はテンプレートの大きさから考慮して決定し、回転角度については日常生活で顔の曲がり得る角度を考慮して決定した。本実施形態で各パラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleをそれぞれ８bitで表し、一つの個体の染色体ＣＨは合計の４０bitで表される。
【００２９】
検出処理部６は、これらのパラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleをそれぞれ遺伝情報（以下、遺伝子と呼ぶ場合がある。）として取り扱う。特に最適化問題を解くために、検出処理部６はこれらのパラメータを遺伝情報として引き継いだ次世代の個体を遺伝的アルゴリズムによって適宜生成する。そして、検出処理部６は、生成された次世代の個体で特定される、つまり個体の染色体ＣＨを構成する各遺伝子（パラメータ）ｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleで特定される矩形領域ＡＲ′のヒストグラムを、ヒストグラムテンプレートＴＰと比較して、解としての各パラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleの適性を評価する。
【００３０】
このため図５に示すように、検出処理部６は、前処理部６１と、遺伝操作部６２と、座標変換部６３と、適応度計算部６４と、判断部６５と、を備えている。
【００３１】
前処理部６１は、Ｎ個の個体、つまりＮ個の染色体ＣＨ（図４参照）を生成する。ここで、各染色体ＣＨを構成する各パラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleの数値は、上記（１）〜（３）の範囲内でランダムに選定される。本実施形態では、個体数Ｎを１０に設定するが、その数に限定されるものではない。
【００３２】
遺伝操作部６２は、Ｎ個の個体の内、１個を選択した後に操作して、あるいは選択した２個の個体を操作して、新たな個体をＮ個生成する。具体的には、遺伝操作部６２は、個体に対する遺伝的操作として、選択（淘汰、再生）、交叉、突然変異の3つの操作を行う。
【００３３】
ここで、交叉とは、個体の染色体（図４参照）を構成する各遺伝情報、つまりパラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleを入れ替える操作であり、具体的には選択された２つの親個体の遺伝情報を相互に入れ替える操作である。ある。突然変異とは、染色体を構成する遺伝情報の一部、つまりパラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleの一部を変える操作であり、具体的には別の数値に変える操作である。突然変異によってパラメータを特定する数値はランダムに選定される。
【００３４】
本実施形態では、交叉率は０．７、突然変異率は０．０５に選定されているが、それらの数値に限定されるものではない。また、交叉方法は一様交叉とし、選択方法はルーレット選択とし、エリート保存戦略を基調として、遺伝的アルゴリズムを設定しているが、交叉方法や選択方法等はこれに限定されるものではい。なお、本実施形態では、エリート保存戦略として、後述する適応度が最も高い一つの個体（以下、エリート個体と呼ぶ。）を次世代に残すこととする。
【００３５】
遺伝情報の操作は、第２画像取得部５で撮像されたターゲット画像、つまり一つのフレーム画像Ｆ当たり４０回を限度とするが、世代交代数Ｇは４０回に限定されるものではない。
【００３６】
ここで、遺伝操作部６２によって生成された個体、つまり当該個体の染色体ＣＨを構成するパラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleに基づいて特定される矩形領域ＡＲ′の座標は、以下の座標変換として表される。ここで、全ての幾何学変換を変換行列の複雑化を軽減するため、同次座標を用いる。点Ｐを変換前の画像上の顔領域の座標、点Ｐ＊を生成された個体によって特定される変換後の点Ｐの座標とすると、これらの点を同次座標で表すと、以下の式（４）、（５）で表される。
【数２】
2013003860.tif 000004
【数３】
2013003860.tif 000005
【００３７】
さらに、点Ｐ＊は以下の式（６）よって表される。
【数４】
2013003860.tif 000006
【００３８】
座標変換部６３は、変換前の座標点Ｐを式（６）に基づいて変換して、ターゲット画像中で探索目標の矩形領域ＡＲ′の位置を特定する。なお、点Ｐは、初めの１フレーム目の場合には図１の第１画像取得部２で取得した参照用画像から抽出した矩形領域ＡＲ（図２の（Ａ）参照）の座標であり、次フレーム目からは前のフレーム画像で特定される矩形領域ＡＲ′の座標である。
【００３９】
適応度計算部６４は、座標変換部６３によって場所を移動させられた矩形領域ＡＲ′内にある画素によって特定されるヒストグラムと、ヒストグラムテンプレートＴＰと、のマッチング処理を行う。具体的には、ターゲット画像上の矩形領域ＡＲ′のヒストグラムを算出して、矩形領域ＡＲ′のヒストグラムとテンプレートＴＰのヒストグラムとの適応度、つまり両者の類似の度合いを判断する。なお、画像の倍率を変えた場合に矩形領域ＡＲ′がヒストグラムテンプレートＴＰの作成の基になった顔領域ＡＲのサイズと異なることになるが、矩形領域ＡＲ′のヒストグラムを作成する際に利用する矩形領域ＡＲ′の画素数は、ヒストグラムテンプレートＴＰの作成の基になった顔領域ＡＲに含まれる画素の数に合わせる。例えば、顔領域ＡＲが１０×１０pixelであり、矩形領域ＡＲ′が２０×２０pixelである場合、矩形領域ＡＲ′のヒストグラムは、４００個の画素を全て利用するのではなく、例えば１個置きに配置される画素を利用して顔領域ＡＲの画素数と同じ１００個の画素を利用して作成される。
矩形領域ＡＲ′のヒストグラムとテンプレートＴＰのヒストグラムとの適応度fitnessは次に示す適応度関数（７）、（８）を用いて表される。
【数５】
2013003860.tif 000007
【数６】
2013003860.tif 000008
【００４０】
ρiは表色系の各成分（ｉ＝１がＹ成分、ｉ＝２がＣｂ成分、ｉ＝３がＣｒ成分を表す。）におけるヒストグラムの類似度、ｍはヒストグラムのビンの数、ｐはヒストグラムテンプレートＴＰのヒストグラム、ｑはターゲット画像（観察対象のフレーム画像）上で矩形領域ＡＲ′のヒストグラム、ＮはヒストグラムテンプレートＴＰ作成の元になった矩形領域ＡＲの画素数を表している。適応度が大きい程、テンプレートＴＰのヒストグラムに類似しているということとなる。なお、（７）式のヒストグラムの類似度の計算ではBhattacharyya係数を用いている。
【００４１】
判断部６５は、Ｎ個の個体のそれぞれについて適応度計算部６４で算出された結果から、どの個体が最も追跡対象の顔領域を特定しているか判断する。具体的には、判断部６５は、適応度が最も大きい個体がどれかを判断する。エリート保存戦略に基づいて適応度が最も大きい個体は次世代にそのままの遺伝情報で継承される。また、世代交代数Ｇが最大限、例えば本実施形態の４０回目の場合、適応度が最も大きい個体が追跡対象の顔領域を特定していると判断する。このように最終的に選ばれた個体の染色体ＣＨを構成するパラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleに基づいて、目標の顔領域ＡＲ′を特定する。
【００４２】
以上の顔検出装置１は例えばコンピュータから構成される。このコンピュータは、前もってインストールされたソフトウェアとしての顔追跡プログラムを実行することで、上記の手法、即ち顔の検出処理を実現する。具体的には、コンピュータが検出処理プログラムを実行することで、コンピュータが前述の参照情報作成部４、検出処理部６、特に前処理部６１、遺伝操作部６２、座標変換部６３、適応度計算部６４、判断部６５として機能する。
【００４３】
なお、複数のコンピュータをＬＡＮやインターネット、公衆網等を介して相互に接続して、参照情報作成部４、検出処理部６、特に前処理部６１、遺伝操作部６２、座標変換部６３、適応度計算部６４、判断部６５との動作を複数のパーソナルコンピュータによって分散処理させてもよい。コンピュータは、従来公知の構成のものを使用することができ、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ハードディスクなどの記憶装置と、キーボード，ポインティング・デバイスなどの操作装置と、操作装置等からの指示により記憶装置に格納されたデータやソフトウェアを処理する中央処理装置（ＣＰＵ）と、処理結果等を表示するディスプレイなどを備えている。このコンピュータは汎用の装置でも、専用の装置として構成されたものであってもよい。
【００４４】
次に、本実施形態に係る顔検出装置１の動作について説明する。
顔検出装置１が検出処理を行うための事前処理として、図６に示すステップＳ１で参照情報としてのヒストグラムテンプレートＴＰを取得する。この処理は、具体的には図７に示すように、ステップＳ１１で第１画像取得部２が顔追跡に必要な入力画像Ｆ１（図８（Ａ）参照）を取得する。ステップＳ１２では、参照情報作成部４がこの入力画像Ｆ１、つまり参照用画像を処理して、つまりHaar−like特徴を用いたAdaBoost法に基づいて正面顔Ｒ（図８（Ｂ）参照）を検出する。さらに、参照情報作成部４は、ステップＳ１３で正面顔Ｒとしての矩形の領域より狭い矩形の顔領域ＡＲ（図８（Ｃ）参照）をAdaBoost法によって抽出し、当該顔領域ＡＲのヒストグラム（図８（Ｄ）参照）を計算して、ヒストグラムテンプレートＴＰを作成する（ステップＳ１４）。
【００４５】
上記の事前処理が終了した後、顔検出装置１は検出処理を実行する。先ず、図６に示すように、ステップＳ２で前処理部６１が遺伝的アルゴリズムの初期化を行う。この初期化設定は、顔検出装置１が検出処理を開始する際にだけ行われる。この初期化設定では、矩形領域ＡＲ′を特定する各パラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleを遺伝情報とするＮ個（例えばＮ＝１０である。）の個体を生成する。各個体の染色体を構成するそれぞれのパラメータは上記の（１）〜（３）の範囲内でランダムに数値が選択される。
【００４６】
次に、ステップ３で第２画像取得部５が探索対象の画像情報Ｆ（図３参照）を取得して、ステップＳ４で検出処理部６がＧＡによるヒストグラムテンプレートＴＰのマッチングを行う。
【００４７】
ＧＡによるヒストグラムテンプレートＴＰのマッチングでは、先ず図９に示すように、ステップＳ４１で、前処理部６１が生成したＮ個の各個体を評価する。具体的には、前処理部６１が生成した個体の染色体ＣＨの各遺伝情報、つまり各パラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleで特定される矩形領域ＡＲ′内のヒストグラムを算出し、このヒストグラムとヒストグラムテンプレートＴＰとのマッチング度合いを算出する。このとき、式（７）及び（８）に示す適応度関数に基づいて、適応度を算出する。
【００４８】
次に、ステップＳ４２で、検出処理部６の判断部６５が、各個体が終了条件を満たしているか、判断する。具体的には、個体に対する遺伝的操作、つまり世代交代の回数が最大の回数Ｇに至っているか判断する。最大の世代交代数Ｇに至っている場合、最終世代のＮ個の個体の内で、最も適応度が大きい個体を選択し、その個体の遺伝情報、つまりパラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleを求める解として取り扱う。
【００４９】
このような終了条件を満たさない場合、ステップＳ４３で遺伝操作部６２が各個体に基づいて遺伝的操作、言い換えればパラメータの交換を行う。遺伝操作部６２は、Ｎ個の個体に対して、選択（淘汰、再生）、交差、突然変異をある確率で生じさせて新たな個体をＮ個生成する。また、エリート保存戦略に基づいて、エリート個体は次世代にそのまま残す。
【００５０】
このようにして、遺伝操作部６２が新たにＮ個の個体を生成する。そして、新たに生成した個体が終了条件を満たすか判断する（ステップＳ４３からステップＳ４２へ）。その際、新たな個体に関しても、矩形領域ＡＲ′内のヒストグラムを算出し、このヒストグラムとヒストグラムテンプレートＴＰとのマッチング度合いを、式（７）及び（８）に示す適応度関数に基づいて算出する。
【００５１】
ステップＳ４２で終了条件が満たされるまで、ステップＳ４３の遺伝的操作と適応度の評価とを繰り返す。なお、本実施形態では、画像情報としての１フレームあたりの世代交代数Ｇを４０回に設定している。
【００５２】
このように遺伝的操作を行った世代交代を繰り返して終了条件を満たした場合、最終世代の個体群の内で、適応度が最も大きい個体のパラメータｃx，ｃy，ｍｘ，ｍｙ，angleを求める解として取り扱い、当該パラメータで特定される矩形領域ＡＲ′をディスプレイ上に、例えば図１０に示すように表示する。
【００５３】
なお、最終世代のＮ個の個体の各情報は、次のフレーム画像Ｆの処理開始時にそのまま利用されるよう、記憶部３に保存される。
【００５４】
このように、１フレームの画像情報について顔追跡の処理が完了、つまり顔領域と推定する領域を矩形枠で囲うことができたら、動画像として記憶部３に格納されているビデオシーケンスから次のフレーム画像Ｆ（図３参照）を画像情報として読み出し、この次フレーム画像Ｆについて検出処理を行う（図６のステップＳ４からステップＳ３へ）。次フレーム画像Ｆについて検出処理を開始する際、固体の初期化を行わず、つまりＮ個の個体を改めて作り直すことを行わずに、前フレーム画像の検出処理で最終世代として作成したＮ個の個体を、次フレーム画像における第１世代の個体群として利用する。
【００５５】
このように本実施形態に係る顔検出装置１によれば、ヒストグラムテンプレートＴＰを用いたマッチングによって顔を追跡することができる。特に、顔検出装置１では、顔の姿勢によらず、顔のヒストグラムが一定であることから、実時間処理で顔領域ＡＲ′の追跡を行うことが可能である。さらに、個体の初期化は初期フレームの１度のみ実施すると共に、前フレームにおいて進化した個体、適応度を確定する遺伝情報である各パラメータを次フレームへ継承することによって、個体数および世代交代数を減らすことができ、計算コスト削減と精度向上が可能となる。
【００５６】
［Ｂ．実験例］
本発明の実施形態について、ヒストグラムと各表色系の有効性について以下説明する。
【００５７】
Ｂ１：実験１．ヒストグラムの有効性
［Ｂ１−１．実験内容］
顔検出処理が抽出したターゲット画像の矩形領域ＡＲ′のヒストグラムと、ヒストグラムテンプレートＴＰとの類似性を確認し、その類似度合いと顔追跡との関係を調査する。
【００５８】
［Ｂ１−２．システムの設定］
実験で使用するＧＡのパラメータを以下のように設定した。個体数は１０個体，交叉率は０．７で、交叉方法は一様交叉、突然変異率は０．０５、選択方法はルーレット選択とし、エリート保存戦略を用いた。また、１フレーム画像における世代交代回数を４０回とした。実験には３．２ＧＨｚのＣＰＵを搭載した計算機を使用した。
【００５９】
［Ｂ１−３．評価方法］
本システムの顔検出装置１が取得した１フレームの矩形領域ＡＲ′に関して、当該矩形領域ＡＲ′のヒストグラムとテンプレートヒストグラムＴＰとの類似性を確認し、ヒストグラムのパターンが似通っているか評価する。また、ヒストグラムのマッチング度合いとシステムが特定した顔領域の位置とヒストグラムとの関係を、システムが作成した画像から評価する。
【００６０】
［Ｂ１−４．実験結果］
図１１（Ａ）はヒストグラムテンプレートＴＰを示す。図１１（Ｂ）〜（Ｋ）はシステムがフレームを処理した結果、つまりフレーム画像に関する検出処理で最終世代として残った１０個体（第１の個体〜第１０の個体）を示す結果であり、図の右側領域がシステムで特定された矩形領域ＡＲ′を示し、左側がその矩形領域ＡＲ′のヒストグラムを示す。
【００６１】
図１１（Ａ）のヒストグラムテンプレートＴＰと図１１（Ｃ）のヒストグラムとを比較すると、ほぼヒストグラムのパターンが類似していることが確認できる。図１１（Ｃ）の右側領域に示されるように、ほぼ正確に被験者の顔の領域に矩形領域ＡＲ′が選択されている。
一方、図１１（Ｂ）の第１の個体のヒストグラムを図１１（Ａ）のヒストグラムテンプレートＴＰと比較すると、両者のヒストグラムのパターンの形状は異なり、類似した形状部位が見当たらない。このように形状が相違する場合、図１１（Ｂ）の右側領域に示すように、被験者の顔の領域と矩形領域ＡＲ′とがずれている。さらに、テンプレートＴＰのパターンと大きく形状が異なるヒストグラムを有する第８の個体では、図１１（Ｇ）に示すように、システムが設定した矩形領域ＡＲ′は被験者の顔から大きくずれた位置にある。
ここで、下記の表１は、システムが取得した各個体ＣＨのヒストグラムとヒストグラムテンプレートＴＰとの類似度合を評価する距離を表している。
【表１】
2013003860.tif 000009
この距離は、二つのヒストグラムの類似性を距離ｄとして表す以下の式（９）から算出した。距離が短いほど類似し、距離が長いほど非類似であることを表す。
【数７】
2013003860.tif 000010
ここで、Ｈ1は個体のヒストグラム、Ｈ2はテンプレートＴＰのヒストグラム、Iはビン数である。
表１から、ヒストグラムのパターンが殆ど似ていない個体番号６の個体（図１１（Ｇ）参照）については、距離ｄが一番長いことが確認できた。一方、ヒストグラムのパターンがほぼ似通っている個体番号２の個体（図１１（Ｃ）参照）については、距離が一番短いことが確認できた。
以上のことから、ヒストグラムテンプレートＴＰのマッチングによる顔認識が有効であること、つまりヒストグラムテンプレートＴＰが有効であることが確認できた。
【００６２】
Ｂ２：  各表色系の有効性
［Ｂ２−１．実験内容］
ターゲット画像は、Ｗｅｂカメラを使用して被験者が当該Ｗｅｂカメラに対して顔を上下左右に振ることで得られた動画像シーケンスとする。ターゲット画像のサイズは３２０×２４０pixelであり、総フレーム数は１８０である。また、ヒストグラムテンプレートＴＰの取得に使用した正面顔は同一被験者の画像として、１６×２１pixelの画像を利用した。
【００６３】
本実施形態では、ヒストグラムを使用するため、表色系成分の組み合わせによって結果が大きく左右されることが考えられる。したがってＹＣｂＣｒ，ＹＣｒ，ＹＣｂ，ＣｂＣｒ，Ｙ，Ｃｒ，Ｃｂ，ＨＳＶ，ＨＳ，ＨＶ，ＳＶ，Ｈ，Ｓ，Ｖの表色系成分の組み合わせ１４パターンの実験によって各表色系成分に関する検出の有効性を確認する。
【００６４】
評価基準は、あらかじめ目視によって、ターゲット画像上で顔の中心座標を正解座標として決定する。実験結果である検出された矩形領域ＡＲ′の中心座標と正解座標の距離を用いて正誤判定を行う。
【００６５】
［Ｂ２−２．システムの設定］
実験で使用するＧＡのパラメータを以下のように設定した。個体数は１０個体，交叉率は０．７で、交叉方法は一様交叉、突然変異率は０．０５、選択方法はルーレット選択とし、エリート保存戦略を用いた。また、１フレーム画像における世代交代回数を４０回とした。実験には３．２ＧＨｚのＣＰＵを搭載した計算機を使用した。
【００６６】
［Ｂ２−３．評価方法］
事前にターゲット画像に対して顔の中心と判断できる座標、つまり正解座標を目視で決定する。そして、実験結果で検出された矩形領域ＡＲ′の中心座標、つまり結果座標を正解座標と比較して正誤判定を行う。
【００６７】
正解座標と結果座標の距離は，顔の大きさに影響されるため，単純な距離ではなくヒストグラムテンプレートＴＰ作成の元になった顔領域ＡＲの画像のサイズに応じて正規化を行った。計算式は以下の式（１０）を利用する。
【数８】
2013003860.tif 000011
【００６８】
ここで、Ａは正解座標、Ｒは結果座標、width，heightはヒストグラムテンプレートＴＰ作成の元になった顔領域ＡＲの画像の幅，高さを表している。実験ではターゲット画像の顔領域の高さ（あごから眉毛までの距離）がおよそ５０pixelであったことに加えて、肌色である首元まで検出した場合に検出失敗とするために結果座標と正解座標との距離が１０pixel以内であれば正解という判定基準を定めた。
【００６９】
［Ｂ２−４．実験結果］
図１２（Ａ）のテンプレートの画像である矩形領域ＡＲのヒストグラム（図１２（Ｂ））と図１２（Ｃ）の顔検出処理で特定された矩形領域ＡＲ′のヒストグラム（図１２（Ｄ））とを比較すると、図１２に示すように、３つの成分、つまりＹ成分、Ｃｒ成分、Ｃｂ成分のヒストグラム形状が類似していることがわかる。このことからも本実施形態で提案するＧＡがヒストグラムを評価してマッチングを行えることが判明した。
【００７０】
また、同じ乱数種を使用して、１４パターンすべてを用いて実験を実施した。その結果、７０％以上の精度が得られた上位６パターンに対して、乱数種をさらに４種類追加して実験を実施した。その結果を下記の表２に示す。
【表２】
2013003860.tif 000012
【００７１】
上位の４パターンはＣｒ，ＹＣｒ，ＣｒＣｂ，ＹＣｒＣｂの成分、或いは組み合わせであり、これらは１４パターンの中でＣｒ成分が含まれているパターンである。このことから、Ｃｒ成分が重要であることがわかる。もっとも精度が高いのは、Ｃｒ成分のみを使用した結果であった。
Ｃｒ成分を使用した結果画像を図１３（ａ）〜（ｉ）に示す。真横に向いた場合など大きな顔向きの変化にロバストであることが確認できた。
【００７２】
［Ｃ．第２実施形態］
図１４は本発明の第２実施形態に係る顔検出装置１Ａを示すブロック図である。顔検出装置１Ａは、前述の第１実施形態に係る顔検出装置１の構成に加えて、図１４に示すように、参照情報更新部７を備えている。前述の第１実施形態の構成と同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００７３】
本実施形態では、最初のフレーム画像から最終フレーム画像までの追跡の処理で同じヒストグラムテンプレートＴＰを使用するのではなく、場合により、ヒストグラムテンプレートＴＰを途中で別のヒストグラムテンプレートＴＰに更新、つまり換えることを特徴としている。
【００７４】
このため、本実施形態では、参照情報更新部７を備えている。
参照情報更新部７は、撮像対象である被験者が数フレーム画像に亘って同じ姿勢であることを確認できた場合に、その姿勢で抽出できるヒストグラムを以後の追跡の際に利用するヒストグラムテンプレートＴＰに設定する。
参照情報更新部７は、１０フレームに亘ってヒストグラムが同じである場合に、ヒストグラムテンプレートＴＰを交換する。ヒストグラムが同じとは、一致する場合のほか後述するようにその差が小さい場合が該当する。
【００７５】
参照情報更新部７は、前述の式（９）の距離ｄに基づいて、前後のフレーム画像のヒストグラムの類似性を評価する。具体的には、前後のフレーム画像のヒストグラム同士の距離ｄを算出し、さらに次のフレーム画像とその次のフレーム画像との距離ｄが前のフレーム画像同士の距離ｄと同じであるか判断する。この同一性の判断は、本実施形態では、例えば誤差±０．０５の範囲を同じと評価する。誤差の範囲はこの数値に限定されるものではなく、例えば有効数字を設定して数値の完全一致を同じと評価してもよい。参照情報更新部７が、１０フレームに亘ってヒストグラムが同じであると判断した場合、１０フレーム前のフレーム画像に関するＧＡ処理の最終世代で選ばれた個体によって特定される矩形領域ＡＲ′のヒストグラムをヒストグラムテンプレートＴＰとして以後取り扱う。
【００７６】
参照情報更新部７がヒストグラムテンプレートＴＰを交換した後、検出処理部６は新たに設定されたヒストグラムテンプレートＴＰに基づいてヒストグラムのマッチング処理を行う。
【００７７】
以上の顔検出装置１Ａは例えばコンピュータから構成される。このコンピュータは、前もってインストールされたソフトウェアとしての顔追跡プログラムを実行することで、上記の手法、即ち顔検出処理を実現する。具体的には、コンピュータが顔検出処理プログラムを実行することで、コンピュータが前述の参照情報作成部４、検出処理部６、特に前処理部６１、遺伝操作部６２、座標変換部６３、適応度計算部６４、判断部６５、参照情報更新部７として機能する。
【００７８】
このように本発明の第２実施形態に係る顔検出処理装置１Ａによれば、参照情報更新部７によってヒストグラムテンプレート７を使用環境に応じたテンプレートに交換することができる。例えば、撮像対象の被験者のまわりが暗く或いは明るくなった場合、その明暗度に応じて被験者の顔領域のヒストグラムが変わるので、参照情報としてのヒストグラムパターンＴＰを使用環境に応じたものに調整することができる。これにより、顔の追跡精度を向上することができる。
【００７９】
［Ｄ．その他の実施形態］
以上詳述したが、本発明は発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施をすることができる。
上記実施形態では、参照情報更新部がHaar−like特徴を用いたAdaBoost法に基づくカスケード型識別器を利用して、自動で顔領域ARのヒストグラムを作成し、このヒストグラムをテンプレートＴＰとして利用しているが、テンプレートのヒストグラムは必ずしも、被験者の正面顔に限定されるものではない。例えば、初期設定時のテンプレートＴＰを横顔、上向きの顔、下向きの顔などから自動で作成してもよいことは勿論である。この場合、それらの顔の向き、つまり被験者の姿勢に応じて、ヒストグラムを作成するよう、参照情報更新部を構成するカスケード型識別器を構築する。
染色体を構成する上記パラメータの範囲（１）〜（３）を規定する数値は例示である。
上記説明では、検出処理装置が計算結果として顔領域を枠でディスプレイ上に表示するが、このようなディスプレイ上の表示を省略してもよい。
また、染色体を構成する遺伝情報としてのパラメータは上記に限定されるものではなく、それらの一部を省略し、さらに、三次元的な回転と言った情報を遺伝情報として活用してもよい。
また遺伝的操作において、選択はルーレット選択に限らず、ランキング選択、トーナメント選択を利用し、交叉方法は一様交叉に限らず、一点交叉、二点交叉、多点交叉を利用してもよい。
染色体を表すビット数は４０ビットに限定されるものではない。
上記実施形態では、ヒストグラムとして３要素、つまりＹ成分、Ｃｒ成分、Ｃｂ成分を活用したが、Ｃｒ成分だけのヒストグラムを利用して、顔追跡におけるヒストグラムのマッチングを行ってもよい。
第２実施形態の参照情報更新部でのヒスグラムの同一性の判断において、ヒストグラムテンプレートＴＰの交換条件として、同じヒストグラムが連続するフレーム数は１０フレームに限定されるものではない。また、同一性の判断は、時間で処理してもよい。例えば数秒間ヒストグラムが同じ場合に交換してもよい。
前述の第１実施形態及び第２実施形態では、追跡対象を撮像対象である被験者の顔と特定したが、撮像対象は人だけでなく、動物などの生物の他、土地に定着した看板や標識などの不動産、その物自体可搬自在な車やテレビなどの動産であってもよく、何れも物としての正面や側面が存在する物を対象とすることができる。このように観察対象が変われば、画像特徴量としての色成分が変わるため、物の正面の色に応じて表色系を変える。
前述の実施形態では、終了条件を満たすまで遺伝的操作を繰り返し行う構成を説明したが、終了条件として、ある個体の適応度が所定の値を超えた場合を条件としてもよい。例えば、最大世代交代数Ｇに至る前の第５世代で、個体群の中に適応度がある閾値を超える個体がある場合、世代交代、つまり以後の遺伝的操作を行わず、第５世代の個体の内、適応度が最も高い個体の遺伝情報を解として取り扱い、第５世代のＮ個の個体を次フレーム画像の第１世代の個体として取り扱う。
本発明は動画像から顔などの物体の正面領域を抽出する処理を行うが、動画像を構成するフレームを順次、処理する場合に限らず、例えば数フレーム置きに検出処理を行うように構成してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１，１Ａ  顔検出装置
２        第１画像取得部
３        記憶部
４        参照情報作成部
５        第２画像取得部
６        検出処理部
７        参照情報更新部
６１      前処理部
６２      遺伝操作部
６３      座標変換部
６４      適応度計算部
６５      判断部
ＡＲ，ＡＲ′  顔領域
ＣＨ      染色体
cx        中心座標のＸ成分
cy        中心座標のＹ税分
ｍｘ      ｘ軸方向の枠の拡大縮小倍率
ｍｙ      ｙ軸方向の枠の拡大縮小倍率
Angle    矩形を画する枠の回転角度
Ｆ        フレーム
Ｐ        変換前の座標
P＊        変換後の座標
ＴＰ      ヒストグラムテンプレート
ＶＳ      ビデオシーケンス
【図１】
2013003860.tif 000013
【図２】
2013003860.tif 000014
【図３】
2013003860.tif 000015
【図４】
2013003860.tif 000016
【図５】
2013003860.tif 000017
【図６】
2013003860.tif 000018
【図７】
2013003860.tif 000019
【図８】
2013003860.tif 000020
【図９】
2013003860.tif 000021
【図１０】
2013003860.tif 000022
【図１１】
2013003860.tif 000023
【図１２】
2013003860.tif 000024
【図１３】
2013003860.tif 000025
【図１４】
2013003860.tif 000026