JP5567448B2 - Image area dividing apparatus, image area dividing method, and image area dividing program - Google Patents
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Description
本発明は、画像領域分割装置、画像領域分割方法および画像領域分割プログラムに関し、特に、1枚の画像を類似した特徴(特に似た色)を持つ複数の領域に分割し、画像に含まれる個々のオブジェクトを分離するための、画像領域分割装置、画像領域分割方法および画像領域分割プログラムに関する。 The present invention relates to an image region dividing device, an image region dividing method, and an image region dividing program, and in particular, an image is divided into a plurality of regions having similar characteristics (especially similar colors), and each image is included in an image. The present invention relates to an image region dividing device, an image region dividing method, and an image region dividing program for separating objects.
画像を解析し、内容を詳細に把握するためには、事前に画像に含まれる個々のオブジェクトを分離し、それぞれを抽出する領域分割処理が重要である。このような処理を実現する従来技術として、各種の手法により、1枚の画像を複数の領域に分割し、画像に含まれる個々のオブジェクトの分離を可能とした画像領域分割装置がある。これらは、図12に示す通り、(a)に示す入力画像を(b)に示すように3つの領域に分割し、(b1)(b2)(b3)にそれぞれ示すオブジェクトに分離する装置である。 In order to analyze the image and grasp the contents in detail, it is important to divide each object included in the image in advance and extract the regions. As a conventional technique for realizing such processing, there is an image area dividing apparatus that can divide an image into a plurality of areas by various methods and separate individual objects included in the image. As shown in FIG. 12, these are devices that divide the input image shown in (a) into three regions as shown in (b) and separate them into objects shown in (b1), (b2), and (b3), respectively. .
特に、下記の特許文献1(本発明者らによる先願:画像領域分割装置、画像領域分割方法および画像領域分割プログラム)に記載された装置は、図13および図14に示す通り、入力画像を色特徴に基づいて複数の小領域に過剰分割する小領域分割部1と、該過剰分割された複数の小領域の各々に対して、前記入力画像において該小領域に属する内部領域と該小領域に属さない外部領域とを対応付けて出力する対象領域選択部2と、前記外部領域のうち対応する前記内部領域と色特徴が類似する領域を該内部領域と統合して小領域拡張領域として出力する小領域拡張部30と、前記小領域拡張領域同士のペアの領域類似度を算出する領域類似度算出部6と、前記小領域のペアのうち、対応する小領域拡張領域ペアの前記領域類似度が所定基準を満たす小領域ペア同士を全て同一オブジェクトに属すると判定して統合し、前記所定基準を満たさない小領域ペア同士は異なるオブジェクトに属すると判定することによって前記各オブジェクトを得る小領域統合部7とを備え、入力画像に含まれる各オブジェクトを分離抽出する画像領域分割装置であった。 In particular, the device described in the following Patent Document 1 (prior application by the present inventors: an image region dividing device, an image region dividing method, and an image region dividing program) is shown in FIG. 13 and FIG. A small area dividing unit 1 that excessively divides into a plurality of small areas based on color characteristics, and an internal area belonging to the small area in the input image and the small areas for each of the plurality of excessively divided small areas A target area selection unit 2 that outputs an external area that does not belong to the area, and an area similar in color to the corresponding internal area of the external area is integrated with the internal area and output as a small area expansion area A small region expansion unit 30 that performs the region similarity calculation unit 6 that calculates the region similarity of the pair of the small region expansion regions, and the region similarity of the corresponding small region expansion region pair among the small region pairs. The degree meets a predetermined standard A small region integration unit 7 that obtains the respective objects by determining that all the small region pairs belong to the same object and integrating them, and determining that the small region pairs that do not satisfy the predetermined standard belong to different objects; And an image area dividing device that separates and extracts each object included in the input image.
特許文献1に記載の画像領域分割装置は、以下の通り大きく分けて、(1)小領域分割部10、(2)対象領域選択部2、(3)小領域拡張部30、(4)領域類似度算出部6、(5)小領域統合部7、の5つの機能ブロックにより、画像内に含まれるオブジェクトの抽出を実現する。各部の機能概要は次の通りである。 The image region dividing device described in Patent Literature 1 is roughly divided as follows: (1) a small region dividing unit 10, (2) a target region selecting unit 2, (3) a small region expanding unit 30, and (4) a region. The five functional blocks of the similarity calculation unit 6 and (5) small region integration unit 7 realize the extraction of objects included in the image. The function outline of each part is as follows.
(1)小領域分割部10
色や輝度等の画像信号の性質の類似性に基づいて画像を実際に画像内に含まれるオブジェクトの数よりも格段に多くの小領域に分割する。
(1) Small area dividing unit 10
Based on the similarity of the properties of the image signal such as color and brightness, the image is actually divided into much smaller areas than the number of objects actually included in the image.
(2)対象領域選択部2
過剰分割された画像内から着目する小領域を一つ選択する。
(2) Target area selection unit 2
One small region of interest is selected from the excessively divided image.
(3)小領域拡張部30
着目する小領域内の輝度および色の分布を統計的にモデル化し、画像内のそれ以外の場所で元の小領域と同様の輝度および色の分布モデルに従う画素を特定し、元の小領域に結合して拡張領域を得る。対象領域選択部と組み合わせることにより、過剰分割により得られた小領域のそれぞれに対して拡張領域が一つずつ得られる。
(3) Small area expansion unit 30
Statistically model the luminance and color distribution in the small area of interest, identify pixels that follow the same luminance and color distribution model as the original small area elsewhere in the image, Combine to get extended area. By combining with the target area selection unit, one extended area is obtained for each of the small areas obtained by the excessive division.
(4)領域類似度算出部4
拡張領域間の類似性を一致する画素が含まれる割合として測定し、数値化する。ここで小領域拡張領域間の領域類似度S(R1, R2)は次式(数1)から算出する。
(4) Area similarity calculation unit 4
The similarity between the extended regions is measured as a ratio including matching pixels and digitized. Here, the region similarity S (R 1 , R 2 ) between the small region expansion regions is calculated from the following equation (Equation 1).
数1において分子E1∩E2は小領域ペアR1およびR2に対応する小領域拡張領域E1およびE2の両方に属する画素の個数を、分母E1∪E2は小領域拡張領域領域E1またはE2のいずれかに属する画素の個数を示す。また、0≦S(E1, E2)≦1であり、領域E1およびE2が完全に一致していればS(E1, E2)=1を、全く一致する画素がなければS(E1, E2)=0を示す。領域類似度は大きいほど領域(形状・位置などを含む)間が類似していることを示す。 In Equation 1, the numerator E 1 ∩E 2 represents the number of pixels belonging to both the small region expansion regions E 1 and E 2 corresponding to the small region pair R 1 and R 2 , and the denominator E 1 ∪E 2 represents the small region expansion region. The number of pixels belonging to either region E 1 or E 2 is shown. In addition, 0 ≦ S (E 1 , E 2 ) ≦ 1, and S (E 1 , E 2 ) = 1 if the regions E 1 and E 2 completely match, and if there are no pixels that match at all S (E 1 , E 2 ) = 0 is shown. A larger region similarity indicates that regions (including shape and position) are more similar.
(5)小領域統合部5
算出された拡張領域間の類似度があらかじめ設定したしきい値を超えた場合、両拡張領域は互いに似ていると判定し、それらの拡張領域の元の小領域間が同じオブジェクトに属していると判定して、同一グループへと統合する。
(5) Small area integration unit 5
If the calculated similarity between extended areas exceeds a preset threshold, both extended areas are determined to be similar to each other, and the original small areas of those extended areas belong to the same object And decide to integrate them into the same group.
特許文献1に記載の画像領域分割装置における上述のような統合処理は、画像に含まれるオブジェクトはそれぞれ特徴的な色の分布を有しており、同一のオブジェクト内であれば部分的に見て色分布が大きく変わることはない、という特性に基づいて行われるものである。したがって、ある一定の色分布を選択された2つの小領域のそれぞれの色分布に基づいて出力された拡張領域同士に重複する領域が多い場合(位置・形状などの一致度が大きい場合を含む)は、選択された小領域が同じ色分布を持っており、選択された2つの小領域(選択された1つの小領域ペア)は同一のオブジェクトの一部である可能性が高いと考えて統合する。 In the integration process as described above in the image region dividing device described in Patent Document 1, each object included in an image has a characteristic color distribution. This is based on the characteristic that the color distribution does not change significantly. Therefore, when there are many overlapping areas in the extended areas output based on the color distribution of each of the two small areas selected for a certain color distribution (including cases where the degree of coincidence of position, shape, etc. is large) The selected subregions have the same color distribution and the two selected subregions (one selected subregion pair) are likely to be part of the same object To do.
図15に、先行技術の領域分割装置の領域似度算出部6と小領域統合部7とによる処理の概要を示す。すなわち、(1)小領域分割部1により過剰分割された結果(a)から、(2)対象領域選択部2によって選択された(b)小領域R1および(d)小領域R2のそれぞれを、(3)小領域拡張部30により拡張して(c)拡張領域E1および(e)拡張領域E2を得た場合の例である。(4)領域類似度算出部6により拡張領域E1および拡張領域E2で一致する画素の割合から類似度が0.92と算出され、所定のしきい値0.90を超えるため、(5)小領域統合部7により元の小領域1および小領域2を統合する。 FIG. 15 shows an outline of processing performed by the region similarity calculation unit 6 and the small region integration unit 7 of the prior art region dividing apparatus. That is, (1) From the result (a) of being excessively divided by the small area dividing unit 1, (2) (b) the small area R1 and (d) the small area R2 selected by the target area selecting unit 2 are (3) This is an example of the case where (c) the expansion region E1 and (e) the expansion region E2 are obtained by expansion by the small region expansion unit 30. (4) Since the similarity is calculated as 0.92 from the ratio of the pixels that match in the expansion region E1 and the expansion region E2 by the region similarity calculation unit 6, and exceeds a predetermined threshold value 0.90, (5) the small region integration unit 7 The original small area 1 and small area 2 are merged.
図15のようにして(5)小領域統合部7が入力画像の小領域ペア全てにつき領域類似度を求め、小領域を各オブジェクトに対応するグループに分けていく例を図16に示す。入力画像を(1)小領域分割部1によって小領域分割した結果、17個の小領域R1〜R17が生成され、番号を与えて識別されている。各小領域に対して、(2)対象領域選択部2および(3)小領域拡張部30の処理によって対応する小領域拡張領域E1〜E17が得られる。小領域拡張領域の全ペアの領域類似度を求め、所定しきい値を上回るかもしくはそれ以下である判定を行った結果、小領域拡張領域の3グループ[(E14, E15, E16, E17), (E5, E6, E7, E8, E9, E10, E11, E12, E13), (E1, E2, E3, E4)]が得られる。この3グループは各グループ内の小領域拡張領域ペアは全て領域類似度が所定値を上回り、各グループ外のペアでは全て所定値以下となるようなグループ分けとなっている。よってこの3グループから対応する元の小領域の3グループ[グループ1(R14, R15, R16, R17), グループ2(R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13), グループ3(R1, R2, R3, R4)]を得る。各グループは各オブジェクトの一部であるとみなされ、先の図12に示した(b1)〜(b3)に対応する。 FIG. 16 shows an example in which the (5) small area integration unit 7 obtains the area similarity for all the small area pairs of the input image and divides the small areas into groups corresponding to the respective objects as shown in FIG. As a result of (1) the small area dividing unit 1 dividing the input image into small areas, 17 small areas R1 to R17 are generated and identified by numbers. For each small region, corresponding small region expansion regions E1 to E17 are obtained by the processing of (2) the target region selection unit 2 and (3) the small region expansion unit 30. As a result of obtaining the area similarity of all pairs of the small area expansion area and determining whether it is above or below the predetermined threshold, three groups of small area expansion areas [(E14, E15, E16, E17), (E5, E6, E7, E8, E9, E10, E11, E12, E13), (E1, E2, E3, E4)] are obtained. The three groups are grouped so that all the small region extended region pairs in each group have a region similarity higher than a predetermined value, and all pairs outside each group have a predetermined value or less. Therefore, from these 3 groups, the corresponding 3 groups of the original small area [Group 1 (R14, R15, R16, R17), Group 2 (R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13), Group 3 (R1, R2, R3, R4)]. Each group is regarded as a part of each object, and corresponds to (b1) to (b3) shown in FIG.
以上で示した通り、特許文献1に記載された画像領域分割装置は、画像を一度過剰数の小領域に分割してから、各小領域に対する拡張領域間の類似性に基づいて、小領域単位で統合判定を行い、画像内に含まれるオブジェクトの抽出を実現する装置であった。 As described above, the image area dividing device described in Patent Document 1 divides an image into an excessive number of small areas once, and then, based on the similarity between extended areas for each small area, This is an apparatus that performs integration determination and realizes extraction of objects included in an image.
しかしながら、特許文献1に記載された画像領域分割装置が行う、拡張領域間の類似性に基づいて小領域単位で統合する手順では、画像内からオブジェクトを正しく抽出できない場合があった。 However, in the procedure performed by the image region dividing device described in Patent Document 1 for integration in units of small regions based on the similarity between extended regions, there are cases where objects cannot be correctly extracted from the image.
特許文献1に記載された画像領域分割装置は、最初に画像を過剰分割し、得られた小領域単位で類似性を判定して、類似していると判定されたら同じオブジェクトに属するとみなして統合する。ここで、小領域間の類似性の判定すなわち2つの小領域を統合するか否かは、一度各小領域を拡張させ、拡張領域間の形状の類似性から判定する。したがって、小領域の拡張がうまく作用せず、類似形状の拡張領域が形成されなかった場合に、小領域は統合されないため、小領域拡張部30の性能の良し悪しにより、小領域統合部7の精度は影響を受ける。 The image region dividing device described in Patent Document 1 first over-divides an image, determines similarity in units of obtained small regions, and if it is determined to be similar, it is regarded as belonging to the same object Integrate. Here, the determination of the similarity between the small areas, that is, whether or not to integrate the two small areas is determined from the similarity of the shape between the expanded areas once each small area is expanded. Accordingly, when the expansion of the small area does not work well and the extended area having a similar shape is not formed, the small areas are not integrated. Therefore, the performance of the small area expanding unit 30 is improved. Accuracy is affected.
例えば、含まれる画素数の少ない小領域を(3)小領域拡張部30により拡張する場合、輝度や色の分布のモデル化が十分に行われず、領域が拡大しない場合が多々生じる。図17を用いて説明すると、R17の小領域はエリアサイズが小さいため、色分布を十分にモデル化できず、小領域を拡張できない場合がある。このとき、小領域R17の拡張領域はE'17のように、元の小領域と同一となる。この場合、E14〜E16の拡張領域と比較すると、類似度算出式の分母は大きい値を持ち分子は小さい値を示すため、類似度は極端に低下することになる。したがって、R17 はR14〜R16とは別のオブジェクトとみなされ、統合されない。このときの領域分割結果は、図18の(b1)〜(b4)に示す通り、4グループ[グループ1(R14, R15, R16), グループ2(R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13), グループ3(R1, R2, R3, R4)、グループ4(R17)]を得る。正しくは同一グループに統合すべき小領域も、拡張領域が多領域との類似性が低いため、小領域R17の部分が空いた領域分割結果が得られることになる。 For example, when a small area including a small number of pixels is expanded by (3) the small area expansion unit 30, modeling of luminance and color distribution is not sufficiently performed, and the area often does not expand. Referring to FIG. 17, since the small area of R17 has a small area size, the color distribution cannot be sufficiently modeled, and the small area may not be expanded. At this time, the extended region of the small region R17 is the same as the original small region, as in E'17. In this case, as compared with the expanded region E14 to E16, the denominator of the similarity calculation formula has a large value and the numerator indicates a small value, so the similarity is extremely lowered. Therefore, R17 is regarded as a separate object from R14 to R16 and is not integrated. As shown in (b1) to (b4) of FIG. 18, the region division results at this time are 4 groups [group 1 (R14, R15, R16), group 2 (R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13), group 3 (R1, R2, R3, R4), and group 4 (R17)]. Correctly, since the small area to be integrated into the same group has a low similarity between the extended area and the multiple areas, an area division result in which the small area R17 is vacant is obtained.
当該領域分割結果は、「この小領域を統合するか否か」といった2値判定が行われるためである。そして、小領域統合の時点で本来は統合すべき小領域ではあるが、領域拡張が正しく行われなかったため正しく統合されなかったために発生した誤判定は、図18の例で示したように、そのまま最終的な領域分割結果に直接的に影響する。以上に述べたように、画像内に含まれるオブジェクトの分離を「(4)領域類似度算出部と(5)小領域統合部により行われる小領域単位での統合」という処理方法で実現するには、入力映像の種類などによっては、問題がある場合もあった。 This is because the region division result is a binary determination such as “whether or not to integrate these small regions”. Then, although it is a small area that should be integrated at the time of small area integration, the erroneous determination that occurred because the area was not correctly integrated because the area expansion was not performed correctly, as shown in the example of FIG. It directly affects the final region segmentation result. As described above, separation of objects included in an image is realized by the processing method “(4) Integration in small areas performed by the area similarity calculation unit and (5) small area integration unit”. However, depending on the type of input video, there was a problem.
本発明は、先行装置の(1)小領域分割および(2)小領域拡張というフレームワークを継承し、より高精度に安定して画像に含まれる個々のオブジェクトの分離を可能とした画像領域分割装置、画像領域分割方法及び画像領域分割プログラムを提供することを目的とする。 The present invention inherits the framework of (1) small area division and (2) small area expansion of the preceding apparatus, and enables image area division that enables separation of individual objects included in an image with higher accuracy and stability. It is an object to provide an apparatus, an image region dividing method, and an image region dividing program.
上記目的を達成するため、本発明は、入力画像に含まれる各オブジェクトを分離抽出する画像領域分割装置であって、入力画像を色特徴に基づいて複数の小領域に過剰分割する小領域分割部と、該過剰分割された複数の小領域の各々に対して、前記入力画像において該小領域に属する内部領域と該小領域に属さない外部領域とを対応付けて出力する対象領域選択部と、前記外部領域のうち対応する前記内部領域と色特徴が類似する領域を該内部領域と統合して小領域拡張領域として出力する小領域拡張部と、前記小領域拡張領域の各々に対して、その輪郭上の画素を抽出し、該抽出された輪郭上の画素を識別する情報である輪郭情報を求める輪郭抽出部と、前記各々に対して求められた輪郭情報を用いて、入力画像の各画素に対して、当該画素の位置が輪郭となった頻度を測定して輪郭集中頻度を求める輪郭集中頻度測定部と、入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定するオブジェクト間境界判定部と、前記オブジェクト間境界候補を構成する領域から閉領域を抽出してオブジェクト間境界とし、該オブジェクト間境界によって分離される入力画像の各領域を前記各オブジェクトとして得る閉領域抽出部とを備えることを第1の特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention is an image region dividing device for separating and extracting each object included in an input image, and a small region dividing unit that excessively divides an input image into a plurality of small regions based on color features. A target area selection unit that outputs, in an associated manner, an internal area that belongs to the small area and an external area that does not belong to the small area in the input image, for each of the plurality of subdivided small areas; For each of the small region expansion regions, a small region expansion unit that outputs a region similar in color characteristic to the corresponding internal region among the external regions and outputs the small region expansion region. A pixel on the contour is extracted by using a contour extracting unit for extracting contour information, which is information for identifying the extracted pixel on the contour, and the contour information obtained for each of the pixels. Against A contour concentration frequency measuring unit that calculates a frequency of contour concentration by measuring the frequency at which the position of the image becomes a contour, and among the pixels of the input image, a pixel that satisfies the predetermined standard for the contour concentration frequency is an inter-object boundary candidate An object boundary determination unit for determining, and a closed region is extracted from the regions constituting the object boundary candidates to obtain an object boundary, and each region of the input image separated by the object boundary is obtained as each object. It is a first feature that an area extraction unit is provided.
また、前記小領域拡張部が、前記内部領域に含まれる画素の色の分布から色分布モデルを生成する色分布モデル化部と、前記色分布モデルを用いて、前記内部領域に対応する外部領域を該内部領域との第1の色特徴類似性および該外部領域内の局所領域内の第2の色特徴類似性に基づいて二分割するのに必要なエネルギーを求める、該二分割の領域を変数としたエネルギー関数を生成する分割エネルギー算出部と、前記エネルギー関数を用いて前記エネルギーを最小とする分割二領域を求め、該分割二領域のうち前記内部領域と色特徴の類似性があると判定された領域を前記内部領域と統合して前記小領域拡張領域として出力する二領域分割・統合部とを備えることを第2の特徴とする。 A color distribution modeling unit configured to generate a color distribution model from a color distribution of pixels included in the internal region; and an external region corresponding to the internal region using the color distribution model. Determining the energy required to bisect the region based on a first color feature similarity with the inner region and a second color feature similarity within the local region within the outer region A divided energy calculation unit that generates an energy function as a variable, and obtains a divided two region that minimizes the energy using the energy function, and among the divided two regions, there is a similarity in color characteristics with the internal region. A second feature includes a two-region division / integration unit that integrates the determined region with the internal region and outputs the integrated region as the small region expansion region.
また、前記分割エネルギー算出部が、前記第2の色特徴類似性を求めるに際して前記外部領域内の局所領域内の画素値を用いて求め、且つ当該画素値を、入力画像全体内における局所領域内の色特徴類似性に基づいて正規化した値として用いて前記第2の色特徴類似性を求めることを第3の特徴とする。 Further, the division energy calculation unit obtains the second color feature similarity by using a pixel value in a local area in the external area, and calculates the pixel value in a local area in the entire input image. The third feature is to obtain the second color feature similarity using a value normalized based on the color feature similarity of the second color feature.
また、前記二領域分割・統合部が、前記エネルギー関数を用いて前記エネルギーを最小とする分割二領域を求めるに際して、前記外部領域内に含まれる前記過剰分割された小領域単位でに前記エネルギーを最小とする領域を求めることを第4の特徴とする。 In addition, when the two-region division / integration unit obtains a divided two region that minimizes the energy using the energy function, the energy is applied to each of the excessively divided small regions included in the outer region. The fourth feature is to obtain the area to be minimized.
また、前記色分布モデルに混合正規分布モデル(GMM)を用いることを第5の特徴とする。 The fifth feature is that a mixed normal distribution model (GMM) is used for the color distribution model.
また、前記色分布モデルにヒストグラムを用いることを第6の特徴とする。 The sixth feature is that a histogram is used for the color distribution model.
また、前記小領域分割部が、入力画像を減色して減色画像に変換する量子化部と、前記減色画像の領域境界尤度を所定サンプリング密度の画素単位で算出する領域境界尤度算出部と、前記領域境界尤度の分布から前記領域境界尤度を算出された各画素が領域境界に属するか領域に属するかを判定し、領域に属する場合は領域番号を付与する領域番号付与部と、前記領域境界に属するか領域に属するかを判定された画素以外の残りの画素に対して、前記領域番号を付与された画素の局所分布に基づいて領域に属すると判定される画素に領域番号を付与し、前記入力画像全体における前記領域番号を付与された画素の連結領域として前記複数の小領域の各々を得る領域拡大部とを備えることを第7の特徴とする。 Further, the small region dividing unit subtracts the input image and converts it into a reduced color image, and a region boundary likelihood calculating unit that calculates the region boundary likelihood of the reduced color image in units of pixels of a predetermined sampling density; A region number assigning unit that determines whether each pixel for which the region boundary likelihood is calculated from the region boundary likelihood distribution belongs to a region boundary or a region, and assigns a region number if the pixel belongs to a region; With respect to the remaining pixels other than the pixels determined to belong to the region boundary or the region, the region number is assigned to the pixel determined to belong to the region based on the local distribution of the pixel assigned the region number. And a region enlargement unit that obtains each of the plurality of small regions as a connected region of the pixels to which the region number is assigned in the entire input image.
また、前記小領域分割部が、前記入力画像の画素間の色特徴の類似性を示す類似度行列および該類似度行列の対角行列を算出する画素間類似度行列算出部と、前記類似度行列および前記対角行列を用いて、色特徴の類似度の高い画素同士が同じ小領域に分割されるための評価基準行列を作成する評価基準作成部と、前記評価基準行列の固有ベクトルを固有値昇順に所定数求める固有ベクトル算出部と、前記固有ベクトルおよび前記対角行列を用いて、前記入力画像の各画素が所定数の小領域のいずれに属するかを示す小領域番号行列を算出し、該小領域番号行列を参照して前記複数の小領域の各々を得る小領域算出部とを備えることを第8の特徴とする。 The small region dividing unit includes a similarity matrix indicating similarity of color features between pixels of the input image and an inter-pixel similarity matrix calculating unit that calculates a diagonal matrix of the similarity matrix, and the similarity An evaluation criterion creation unit for creating an evaluation criterion matrix for dividing pixels having high color feature similarity into the same small region using the matrix and the diagonal matrix, and eigenvalues in ascending order of eigenvalues of the evaluation criterion matrix A small area number matrix indicating which of the predetermined number of small areas each pixel of the input image belongs to by using the eigenvector calculation unit for obtaining a predetermined number in the eigenvector and the diagonal matrix, An eighth feature includes a small area calculation unit that obtains each of the plurality of small areas with reference to a number matrix.
また、前記輪郭集中頻度測定部が、前記測定した頻度を正規化して前記輪郭集中頻度を求め、前記オブジェクト境界判定部が、入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定の閾値基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定することを第9の特徴とする。 Further, the contour concentration frequency measurement unit obtains the contour concentration frequency by normalizing the measured frequency, and the object boundary determination unit determines that the contour concentration frequency is a predetermined threshold reference among the pixels of the input image. A ninth feature is that a pixel that satisfies the condition is determined as an inter-object boundary candidate.
また、前記輪郭集中頻度測定部が、入力画像の各画素に対して前記測定した頻度のうちの最大値を用いて該測定した頻度を割った値として、前記輪郭集中頻度を求め、前記オブジェクト境界判定部が、入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定の閾値基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定することを第10の特徴とする。 The contour concentration frequency measuring unit obtains the contour concentration frequency as a value obtained by dividing the measured frequency using the maximum value of the measured frequencies for each pixel of the input image, and the object boundary A tenth feature is that the determination unit determines, among the pixels of the input image, a pixel whose contour concentration frequency satisfies a predetermined threshold criterion as an inter-object boundary candidate.
また、前記輪郭集中頻度測定部が、前記小領域分割部により前記過剰分割された小領域の数を用いて、前記測定した頻度を割った値として、前記輪郭集中頻度を求め、前記オブジェクト境界判定部が、入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定の閾値基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定することを第11の特徴とする。 Further, the contour concentration frequency measuring unit obtains the contour concentration frequency as a value obtained by dividing the measured frequency using the number of the small regions excessively divided by the small region dividing unit, and the object boundary determination An eleventh feature is that the unit determines that a pixel satisfying a predetermined threshold criterion among the pixels of the input image is a boundary candidate between objects.
また、上記目的を達成するため、本発明は、入力画像に含まれる各オブジェクトを分離抽出する画像領域分割方法であって、入力画像を色特徴に基づいて複数の小領域に過剰分割する小領域分割ステップと、該過剰分割された複数の小領域の各々に対して、前記入力画像において該小領域に属する内部領域と該小領域に属さない外部領域とを対応付けて出力する対象領域選択ステップと、前記外部領域のうち対応する前記内部領域と色特徴が類似する領域を該内部領域と統合して小領域拡張領域として出力する小領域拡張ステップと、前記小領域拡張領域の各々に対して、その輪郭上の画素を抽出し、該抽出された輪郭上の画素を識別する情報である輪郭情報を求める輪郭抽出ステップと、前記各々に対して求められた輪郭情報を用いて、入力画像の各画素に対して、当該画素の位置が輪郭となった頻度を測定して輪郭集中頻度を求める輪郭集中頻度測定ステップと、入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定するオブジェクト間境界判定ステップと、前記オブジェクト間境界候補を構成する領域から閉領域を抽出してオブジェクト間境界とし、該オブジェクト間境界によって分離される入力画像の各領域を前記各オブジェクトとして得る閉領域抽出ステップとを備えることを第12の特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides an image region dividing method for separating and extracting each object included in an input image, wherein the input image is divided into a plurality of small regions based on color characteristics. A division step, and a target region selection step of outputting an internal region belonging to the small region and an external region not belonging to the small region in the input image in association with each of the plurality of excessively divided small regions A small area expansion step of integrating an area similar in color characteristic to the corresponding internal area in the external area with the internal area and outputting it as a small area expansion area, and for each of the small area expansion areas A contour extracting step for extracting contour information, which is information for identifying pixels on the extracted contour, and for identifying the extracted pixels on the contour; For each pixel of the image, a contour concentration frequency measuring step for determining a contour concentration frequency by measuring the frequency at which the position of the pixel becomes an outline, and among the pixels of the input image, the contour concentration frequency is determined based on a predetermined reference. An inter-object boundary determining step for determining that a pixel to be satisfied is an inter-object boundary candidate, and an input image that is separated by the inter-object boundary by extracting a closed region from the region constituting the inter-object boundary candidate And a closed region extracting step for obtaining each region as the object.
さらに、上記目的を達するため、本発明は、入力画像に含まれる各オブジェクトを分離抽出する画像領域分割プログラムであって、コンピュータに、入力画像を色特徴に基づいて複数の小領域に過剰分割する小領域分割ステップと、該過剰分割された複数の小領域の各々に対して、前記入力画像において該小領域に属する内部領域と該小領域に属さない外部領域とを対応付けて出力する対象領域選択ステップと、前記外部領域のうち対応する前記内部領域と色特徴が類似する領域を該内部領域と統合して小領域拡張領域として出力する小領域拡張ステップと、前記小領域拡張領域の各々に対して、その輪郭上の画素を抽出し、該抽出された輪郭上の画素を識別する情報である輪郭情報を求める輪郭抽出ステップと、前記各々に対して求められた輪郭情報を用いて、入力画像の各画素に対して、当該画素の位置が輪郭となった頻度を測定して輪郭集中頻度を求める輪郭集中頻度測定ステップと、入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定するオブジェクト間境界判定ステップと、前記オブジェクト間境界候補を構成する領域から閉領域を抽出してオブジェクト間境界とし、該オブジェクト間境界によって分離される入力画像の各領域を前記各オブジェクトとして得る閉領域抽出ステップとを実行させることを第13の特徴とする。 Furthermore, in order to achieve the above object, the present invention is an image region dividing program for separating and extracting each object included in an input image, and causes the computer to excessively divide the input image into a plurality of small regions based on color features. A target area for outputting a small area dividing step and an internal area belonging to the small area and an external area not belonging to the small area in the input image for each of the plurality of excessively divided small areas For each of the selection step, a small region expansion step of integrating a region similar in color characteristic to the corresponding internal region in the external region with the internal region and outputting the integrated region as a small region expansion region, On the other hand, a contour extraction step for extracting the pixels on the contour and obtaining contour information which is information for identifying the extracted pixels on the contour; Using the contour information, for each pixel of the input image, the contour concentration frequency measuring step for determining the frequency of contour concentration by measuring the frequency at which the position of the pixel becomes the contour, and among the pixels of the input image, An inter-object boundary determining step for determining a pixel whose contour concentration frequency satisfies a predetermined criterion as an inter-object boundary candidate; and extracting a closed region from an area constituting the inter-object boundary candidate to form an inter-object boundary; A thirteenth feature is that a closed region extraction step of obtaining each region of the input image separated by the boundary as each object is executed.
前記第1、第2又は第3の特徴によれば、人手不要で自動的に画像の領域分割を実現できるようになる。且つ、従来よりも高精度に安定して画像に含まれる個々のオブジェクトの分離が可能となる。 According to the first, second, or third feature, it is possible to automatically realize image segmentation without the need for human intervention. In addition, it is possible to separate individual objects included in an image with higher accuracy and stability than in the past.
前記第4の特徴によれば、エネルギー最小領域の算出を外部領域全体よりも狭い各小領域に対して行うので、算出における計算負荷を減らすことができる。 According to the fourth feature, since the calculation of the minimum energy region is performed for each small region that is narrower than the entire external region, the calculation load in the calculation can be reduced.
前記第5の特徴によれば、色分布のモデル化の精度が高くなり、精度良く画像を領域分割できるようになる。 According to the fifth feature, the accuracy of color distribution modeling increases, and the image can be segmented with high accuracy.
前記第6の特徴によれば、色分布のモデル化に使用する画素数が少ない場合でも色分布をモデル化できるようになる。 According to the sixth feature, the color distribution can be modeled even when the number of pixels used for modeling the color distribution is small.
前記第7又は第8の特徴によれば、色特徴が類似した小領域に分割されるため、小領域には系統の異なる色が含まれず、後段の小領域拡張部において小領域の色特徴を詳細に反映した領域・形状として小領域拡張領域が得られ、小領域統合部において同一オブジェクトに属するかどうかの判断を高い精度で行うことができる。 According to the seventh or eighth feature, since the color features are divided into similar small regions, the small regions do not include colors of different systems, and the color features of the small regions are determined by the small region expansion unit in the subsequent stage. A small region expansion region is obtained as a region / shape reflected in detail, and it can be determined with high accuracy whether the small region integration unit belongs to the same object.
前記第9、第10又は第11の特徴によれば、扱う画像が異なっても、しきい値の値を同じ範囲で統一的な基準で、オブジェクト環境判定部に設定できるようになる。 According to the ninth, tenth, or eleventh feature, even if different images are handled, the threshold value can be set in the object environment determination unit based on a uniform standard within the same range.
前記第12の特徴によれば、人手不要で自動的に画像の領域分割を実現できるようになる。且つ、従来よりも高精度に安定して画像に含まれる個々のオブジェクトの分離が可能となる。 According to the twelfth feature, it is possible to automatically realize image segmentation without human intervention. In addition, it is possible to separate individual objects included in an image with higher accuracy and stability than in the past.
前記第13の特徴によれば、人手不要で自動的に画像の領域分割を実現できるようになる。且つ、従来よりも高精度に安定して画像に含まれる個々のオブジェクトの分離が可能となる。 According to the thirteenth feature, it is possible to automatically realize image segmentation without human intervention. In addition, it is possible to separate individual objects included in an image with higher accuracy and stability than in the past.
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図1に本発明の画像領域分割装置の第1実施形態を、図2にその第2実施形態の機能ブロック図を示す。図1と図2との両実施形態に共通の流れとして、大きく分けて、(1)小領域分割部1、(2)対象領域選択部2、(3)小領域拡張部30、(4)輪郭抽出部8、(5)輪郭集中頻度測定部9、(6)オブジェクト間境界判定部10、(7)閉領域抽出部20、の7つの機能ブロックを本発明の画像領域分割装置が備えることにより、画像内に含まれるオブジェクトの抽出を実現する。(1)〜(3)は特許文献1に記載の先行の領域分割装置と同じである。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of an image area dividing apparatus of the present invention, and FIG. 2 shows a functional block diagram of the second embodiment. The flow common to both the embodiments of FIG. 1 and FIG. 2 is broadly divided into (1) a small region dividing unit 1, (2) a target region selecting unit 2, (3) a small region expanding unit 30, and (4). The image region dividing apparatus of the present invention includes seven functional blocks: a contour extracting unit 8, (5) contour concentration frequency measuring unit 9, (6) inter-object boundary determining unit 10, and (7) closed region extracting unit 20. Thus, the extraction of the object included in the image is realized. (1) to (3) are the same as the preceding area dividing device described in Patent Document 1.
本発明の画像領域分割装置は、概要的には上記のような構成を取ることで、特許文献1の先行技術の装置同様に、拡張領域が示す形状の類似性に着目して機能する。しかしながら、小領域を拡張させ、拡張領域間の類似性から元の小領域同士を統合する先行の装置とは異なり、本発明では、拡張領域の輪郭が高い確率で画像に含まれるオブジェクト間の境界に位置する点に着目し、画像内の小領域から拡張されたそれぞれの拡張領域の輪郭が集中する位置とその集中度合いに基づいて、オブジェクト間の境界を決定する。当該差異の部分が、上記(4)〜(7)に対応する。 The image region dividing device of the present invention generally functions as described above, focusing on the similarity of the shape indicated by the extended region, like the prior art device of Patent Document 1. However, unlike the previous device that expands the small area and integrates the original small areas based on the similarity between the extended areas, the present invention has a high probability that the outline of the extended area is a boundary between objects included in the image. The boundary between objects is determined based on the position where the contour of each extended area expanded from the small area in the image is concentrated and the degree of concentration. The part of the difference corresponds to the above (4) to (7).
次に、上記(1)〜(7)の各処理の概略を説明する。 Next, the outline of each process of (1) to (7) will be described.
(1)小領域分割部10
色や輝度等の、画像信号の性質の類似性に基づいて画像を実際に画像内に含まれるオブジェクトの数よりも格段に多くの小領域に分割する。
(1) Small area dividing unit 10
Based on the similarity of the properties of the image signal, such as color and brightness, the image is divided into much smaller areas than the number of objects actually included in the image.
(2)対象領域選択部2
過剰分割された画像内から着目する小領域を一つ選択する。
(2) Target area selection unit 2
One small region of interest is selected from the excessively divided image.
(3)小領域拡張部30
着目する小領域内の輝度および色の分布を統計的にモデル化し、画像内のそれ以外の場所で元の小領域と同様の輝度および色の分布モデルに従う画素を特定し、元の小領域に結合して拡張領域を得る。対象領域選択部と組み合わせることにより、過剰分割により得られた小領域のそれぞれに対して拡張領域が一つずつ得られる。
(3) Small area expansion part 30
Statistically model the luminance and color distribution in the small area of interest, identify pixels that follow the same luminance and color distribution model as the original small area elsewhere in the image, Combine to get extended area. By combining with the target area selection unit, one extended area is obtained for each of the small areas obtained by the excessive division.
(4)輪郭抽出部8
得られた拡張領域から輪郭を抽出し、輪郭情報として出力する。
(4) Outline extraction unit 8
A contour is extracted from the obtained extended region and output as contour information.
(5)輪郭集中頻度測定部9
各拡張領域に対して得られた二領域間の輪郭から画像内の各画素位置で、その画素位置が輪郭となった頻度を測定して、輪郭集中頻度を求める。
(5) Contour concentration frequency measurement unit 9
The frequency at which each pixel position in the image becomes the contour is measured from the contour between the two regions obtained for each extended region, and the contour concentration frequency is obtained.
(6)オブジェクト間境界判定部10
求められた輪郭集中頻度から、各画素位置においてその画素がオブジェクト間の境界であるか否かを、設定されたしきい値により判定し、オブジェクト境界候補とする。
(6) Inter-object boundary determination unit 10
From the obtained contour concentration frequency, whether or not the pixel is a boundary between objects at each pixel position is determined based on a set threshold value, and set as an object boundary candidate.
(7)閉領域抽出部20
判定されたオブジェクト境界候補の中には閉領域を構成しない境界線が含まれる可能性がある。オブジェクト境界候補から閉領域を抽出し、オブジェクト境界とする。当該境界によって分割される画像の各領域が、本発明の画像領域分割装置の抽出する各オブジェクトとなる。
(7) Closed region extraction unit 20
The determined object boundary candidate may include a boundary line that does not constitute a closed region. A closed region is extracted from the object boundary candidates and set as an object boundary. Each area of the image divided by the boundary becomes each object extracted by the image area dividing apparatus of the present invention.
以上のように、本発明は、処理(1)において1枚の画像を類似した特徴(特に似た色)を持つ複数の小領域に過剰分割し、処理(2)(3)において過剰分割された小領域の中から同一オブジェクトに含まれると推定された小領域同士を統合することによって、画像に含まれる個々のオブジェクトを分離するための前処理を行い、処理(4)〜(7)において輪郭情報を利用して実際にオブジェクトを分離することを特徴としている。 As described above, according to the present invention, one image is excessively divided into a plurality of small regions having similar characteristics (particularly similar colors) in the process (1), and is excessively divided in the processes (2) and (3). In the processes (4) to (7), pre-processing for separating individual objects included in the image is performed by integrating the small areas estimated to be included in the same object from the small areas. It is characterized by actually separating objects using contour information.
図3に本発明の画像領域分割装置に関する領域分割の流れの概要を示す。同図(a)の入力画像から色特徴に基づいて小領域分割画像(b)を得る。同図(b)の小領域はオブジェクトへの分割としては過剰分割されている。そこで同一オブジェクトに属すると判定される小領域間の領域統合を行って、さらに輪郭情報を利用してオブジェクトを抽出することで、最終的に同図(c)の通り、3つのオブジェクトへの領域分割結果を得る。なお図3の(b)(c)間の処理である輪郭情報の利用については図3では示されていないが、図7ないし図10などを用いて後述する。 FIG. 3 shows an outline of the flow of area division related to the image area dividing apparatus of the present invention. A small area divided image (b) is obtained from the input image of FIG. The small area in FIG. 5B is excessively divided into objects. Therefore, by integrating the areas between the small areas that are determined to belong to the same object, and extracting the objects using the contour information, the area for the three objects is finally obtained as shown in FIG. Get the split result. The use of the contour information, which is the process between (b) and (c) in FIG. 3, is not shown in FIG. 3, but will be described later with reference to FIGS.
入力画像から過剰分割された小領域を得る方法としては後述のJSEGによる場合[A1](図1に機能ブロックを示した第1の実施形態)と、Normalized Cutsによる場合[A2](図2に機能ブロックを示した第2の実施形態)とを説明するが、例えばSuper Pixelによる過剰分割等により同等の結果が得られる任意の方法が適用可能である。そして小領域への過剰分割以降の統合処理[B]は共通である。 As a method of obtaining an excessively divided small area from an input image, a case using JSEG described later [A1] (first embodiment showing functional blocks in FIG. 1) and a case using Normalized Cuts [A2] (FIG. 2). The second embodiment showing functional blocks) will be described, but any method that can obtain an equivalent result by, for example, excessive division by Super Pixel or the like can be applied. The integration process [B] after excessive division into small areas is common.
なお図3(d)では各オブジェクトに異なる色を塗って(異なる濃淡で表現して)、同図(c)における適切にオブジェクトに分けられた領域を分かり易く示した。なおまた同図(a)の入力画像例は後方に柵(主に白灰色)がある牧場で山羊(主に白色)が草(主に緑色)を食べている画像であり、本発明を説明する各図において共通に例として用いられる。同図の(a)は、カラー画像の原画を白黒画像で表したものであり、白黒の濃淡からわかるように、前記柵、山羊、草の色は一様ではなく、これらの部分、部分で色の濃淡や色合いが異なる。 In FIG. 3D, each object is painted in a different color (represented by different shades), and the area appropriately divided into objects in FIG. In addition, the input image example in Fig. 11 (a) is an image in which a goat (mainly white) eats grass (mainly green) on a ranch with a fence (mainly white gray) at the back, explaining the present invention. In each figure, it is used as an example in common. (A) in the figure shows the original color image as a black and white image, and as can be seen from the shades of black and white, the colors of the fence, goat and grass are not uniform. Color shades and shades are different.
以下に、本発明の第1実施形態の画像領域分割装置および画像領域分割方法について説明する。この第1実施形態は入力画像をJSEGを用いて過剰分割し、続いて統合処理するものである。 Hereinafter, an image region dividing device and an image region dividing method according to the first embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, an input image is excessively divided using JSEG, and subsequently integrated.
[A1]JSEGを用いた過剰分割
まず、前述の小領域への過剰分割に既存の領域分割方法であるJSEGにつき、詳細を述べる。該領域分割の装置構成の機能ブロック図は前述のとおり図1に示されている。図1の小領域分割部1では、一実施形態としてJSEGを用いて過剰分割が行われる。この場合、小領域分割部1は図1に示すように量子化部11、領域境界尤度算出部12、領域番号付与部13および領域拡大部14を含む構成となる。また小領域分割部1(JSEG利用の場合)にて画像が処理されていく例を図5に示す。なお、JSEGは次の文献で提案されている。
[A1] Over-division using JSEG First, details of JSEG, which is an existing area division method for the above-described over-division into small areas, will be described. A functional block diagram of the area division apparatus configuration is shown in FIG. 1 as described above. In the small area dividing unit 1 of FIG. 1, overdivision is performed using JSEG as one embodiment. In this case, the small region dividing unit 1 includes a quantization unit 11, a region boundary likelihood calculating unit 12, a region number assigning unit 13, and a region expanding unit 14, as shown in FIG. FIG. 5 shows an example in which an image is processed by the small area dividing unit 1 (when JSEG is used). JSEG has been proposed in the following document.
Y. Deng, B. S. Manjunath, "Unsupervised Segmentation of Color-Texture Regions in Images and Video", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence (PAMI '01), vol. 23, no. 8, pp. 800-810, Agustus 2001. Y. Deng, BS Manjunath, "Unsupervised Segmentation of Color-Texture Regions in Images and Video", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence (PAMI '01), vol. 23, no. 8, pp. 800-810, Agustus 2001.
図1の量子化部11では、入力された画像を減色する。例えば入力画像がRGB各成分8ビットで示される計24ビットの多値カラー画像の場合、1つの画素は1667万色で表現されるが、量子化部11によりC色(JSEGではC=10〜20が用いられる)に減色される。 In the quantization unit 11 in FIG. 1, the input image is reduced in color. For example, if the input image is a 24-bit multi-valued color image represented by 8 bits for each RGB component, one pixel is represented by 16.67 million colors, but the quantization unit 11 uses C color (C = 10 to JSEG). 20 is used).
量子化部11における減色処理は図4に模式的に示すような公知技術のk-meansを用いてなされる。すなわち、入力画像の全画素を、図4に示すように、RGBの3次元空間上にプロットする(図4における各×点が画素である)。なお、図4ではRGB空間のうちRGの2次元空間のみを便宜的に示し、またk-meansは次元数によらず適用可能である。k-meansを用いることで図4に示すように空間をクラスタリングして、各クラスタに属する画素の点を各クラスタのセントロイド(図4における○×点がセントロイドである)が示す色へと減色する。k-meansにおけるクラスタ数kは所定数を任意に設定できるので、k-meansをJSEGにおける量子化部11として利用する場合は減色される色数Cを設定する。こうして減色後は色数C=kとなる。 The color reduction processing in the quantization unit 11 is performed using k-means of a known technique as schematically shown in FIG. That is, all the pixels of the input image are plotted on a three-dimensional RGB space as shown in FIG. 4 (each x point in FIG. 4 is a pixel). In FIG. 4, only the two-dimensional RG space of the RGB space is shown for convenience, and k-means can be applied regardless of the number of dimensions. By using k-means, the space is clustered as shown in FIG. 4, and the points of the pixels belonging to each cluster are changed to the colors indicated by the centroid of each cluster (the XX points in FIG. 4 are centroids). Reduce color. Since the number of clusters k in k-means can be arbitrarily set, a number C of colors to be reduced is set when k-means is used as the quantization unit 11 in JSEG. Thus, after color reduction, the number of colors C = k.
k-meansによるクラスタリングは具体的には、以下の(1)〜(4)の手順により行われる
(1)データを指定された任意の数であるk個のクラスタに分割する。
(2)各クラスタについて重心を計算する。
(3)全てのデータについて、重心との距離を最小にするクラスタを求め、各データを最小のクラスタに割り当てる。
(4)前回のクラスタから変化がなければ終了する。変化がある場合は、(2)に戻る
Specifically, k-means clustering is performed by the following procedures (1) to (4).
(1) The data is divided into k clusters, which is an arbitrary number.
(2) Calculate the center of gravity for each cluster.
(3) For all data, find a cluster that minimizes the distance from the center of gravity, and assign each data to the smallest cluster.
(4) Terminate if there is no change from the previous cluster. If there is a change, go back to (2)
このようにして量子化部11の処理が行われると、例えば図5(a)のような入力画像は図5(b)のような減色画像となる。なお図5(b)の減色画像内において同一色を示す画素が視認できるよう便宜的に画素の値を変換し、における入力画像(a)から(b)が減色されていることを見やすくした画像が図5(b2)である。 When the process of the quantization unit 11 is performed in this way, for example, an input image as shown in FIG. 5A becomes a reduced color image as shown in FIG. 5B. In addition, the value of the pixel is converted for convenience so that the pixel showing the same color can be visually recognized in the reduced color image of FIG. 5B, and the image in which it is easy to see that the input image (a) to (b) is reduced. Is FIG. 5 (b2).
領域境界尤度算出部12では、以下に示す手順により、量子化部11を経て減色された入力画像のある着目画素を中心とする局所領域からオブジェクトの境界らしさを示す領域境界尤度Jを算出する。領域境界尤度Jは画素単位で算出され、画像に含まれるオブジェクトの境界で大きな値を取る。(なおJSEGの名称は領域境界尤度Jに由来する。) The region boundary likelihood calculating unit 12 calculates a region boundary likelihood J indicating the likelihood of an object boundary from a local region centered on a pixel of interest in the input image that has been reduced in color through the quantization unit 11 according to the following procedure. To do. The region boundary likelihood J is calculated in units of pixels, and takes a large value at the boundary between objects included in the image. (The name of JSEG is derived from the region boundary likelihood J.)
減色された入力画像内の着目画素z=(x,y)の位置座標(x,y)について、次式に示すように重心m(数式1)からの分散ST(数式2)を算出する。なお、数式1,2において着目画素中心の局所領域がZであり、Zに含まれる画素のうち領域境界尤度Jの算出に用いるもの(計算効率・負荷の都合上、局所領域Z内で例えば縦・横方向共に2画素おきでサンプリングする)の個数がN個である。 For the position coordinate (x, y) of the pixel of interest z = (x, y) in the reduced color input image, calculate the variance S T (Equation 2) from the center of gravity m (Equation 1) as shown in the following equation: . Note that in Equations 1 and 2, the local region at the center of the target pixel is Z, and among the pixels included in Z, the one used for calculating the region boundary likelihood J (for example, within the local region Z for convenience of calculation efficiency and load) Sampling is performed every two pixels in the vertical and horizontal directions).
また数式1,2における着目画素中心の局所領域Zに属する画素を、色数Cに減色された各色別に分類した画素の集合をZi(i=1,2,…,C)とする。つまりZiの各i(i=1,2,…,C)の和集合が局所領域Zとなり、各Ziも局所領域Zと同様にZの中心である着目画素毎に定まる。画素集合Ziの重心mi(数式3)からの分散Siの総和SW(数式4)を算出する。なお数式3,4においてNiを画素集合Ziに含まれる画素数とする。 Also, let Z i (i = 1, 2,..., C) be a set of pixels obtained by classifying pixels belonging to the local region Z at the center of the pixel of interest in Equations 1 and 2 for each color reduced to the number of colors C. That is, the union of each i (i = 1, 2,..., C) of Z i becomes the local region Z, and each Z i is also determined for each pixel of interest that is the center of Z as with the local region Z. A total sum S W (Formula 4) of the variance S i from the center of gravity m i (Formula 3) of the pixel set Z i is calculated. Note the number of pixels included the N i to pixel set Z i in Equation 3 and 4.
次式(数式5)に示す通り、算出された分散STとSWから局所領域内の中心に位置する着目画素の領域境界尤度Jを算出する。図5(b)の減色画像をこのように領域境界尤度算出部12で処理して領域境界尤度Jを算出し、領域境界尤度Jを可視化(Jが大きいほど白色に近づくとして可視化)した画像を図5(c)に示す。 As shown in the following equation (Equation 5), calculates the area boundary likelihood J of the pixel of interest located at the center of the local area from the calculated dispersion S T and S W. The color boundary image of FIG. 5B is thus processed by the region boundary likelihood calculating unit 12 to calculate the region boundary likelihood J, and the region boundary likelihood J is visualized (visualized as closer to white as J is larger). The obtained image is shown in FIG.
領域番号付与部13では、局所領域(領域境界尤度算出部12の場合と同様の領域およびサンプリング)における領域境界尤度Jの分布の平均μと分散σ2(および分散σ2の平方根として算出される標準偏差σ)を算出し、次式(数式6)に示す通り、しきい値Tを決定する。ただし、αは調整を要するパラメータであり、予備実験等を行って、有効に作用する値を予め決定する。αの値は例えば0.1程度に設定すると有効に作用する。 The region number assigning unit 13 calculates the mean μ of the distribution of the region boundary likelihood J and the variance σ 2 (and the square root of the variance σ 2 in the local region (the same region and sampling as in the region boundary likelihood calculating unit 12). Standard deviation σ) is calculated, and the threshold value T is determined as shown in the following formula (formula 6). However, α is a parameter that needs to be adjusted, and a value that works effectively is determined in advance by conducting a preliminary experiment or the like. For example, when the value of α is set to about 0.1, it works effectively.
設定されたしきい値Tを下回る領域境界尤度Jを持った画素は領域境界ではないと判定して領域番号を付与する。この際、隣接画素(局所領域内の計算に用いた画素での隣接画素)でも領域境界ではないと判定された場合は同一の領域番号を付与する。 A pixel having a region boundary likelihood J that is less than the set threshold T is determined not to be a region boundary and is assigned a region number. At this time, if it is determined that the adjacent pixel (the adjacent pixel in the pixel used in the calculation in the local region) is not the region boundary, the same region number is assigned.
図5(c)の領域境界尤度Jを可視化した画像(領域境界尤度Jが算出された画像)を領域番号付与部13で処理し、しきい値Tを上回る画素(境界領域であると判定された画素)を白で、しきい値Tを下回る画素(境界領域ではないと判定され領域番号を付与された画素)を黒で表示した画像を図5(d)に示した。 An image obtained by visualizing the region boundary likelihood J in FIG. 5 (c) (an image in which the region boundary likelihood J is calculated) is processed by the region number assigning unit 13, and a pixel exceeding the threshold T (if it is a boundary region) FIG. 5 (d) shows an image in which the determined pixels) are white and the pixels below the threshold value T (pixels that are determined not to be boundary regions and assigned region numbers) are displayed in black.
領域拡大部14では、計算効率の都合上、所定サンプリング密度である程度まばらに算出された領域境界尤度Jの結果から得られた、ある程度まばらな境界領域/領域番号判定を残る全画素に渡って補う処理を行う。すなわち、領域番号が付与された画素の領域番号を、その画素に隣接する領域番号がまだ付与されていない画素(局所領域においてサンプリングされなかった画素)でありかつ境界領域の画素には隣接しない画素に対して拡大して付与し、領域番号が付いていない画素(境界領域と判定されたために領域番号が付いてない画素は除く)が無くなるまで拡大処理を繰り返す。また、各局所領域で付与した領域番号を画像全体での領域番号として矛盾がないよう(領域番号が付与された領域が連結なら共通の領域番号とするなど)、それらの付与番号を調整する。こうして最終的に各領域番号の付与された画素の全体を各小領域として、図5(e)の領域分割結果(小領域分割結果)が得られる。 In the region enlargement unit 14, for the sake of calculation efficiency, a somewhat sparse boundary region / region number determination obtained from the result of the region boundary likelihood J calculated to some extent at a predetermined sampling density is applied to all remaining pixels. Perform supplementary processing. That is, the area number of a pixel to which an area number is assigned is a pixel that has not been assigned an area number adjacent to that pixel (a pixel that has not been sampled in the local area) and is not adjacent to a pixel in the boundary area And the enlargement process is repeated until there are no pixels with no area number (excluding pixels with no area number because they are determined to be boundary areas). In addition, the area numbers assigned in each local area are adjusted as the area numbers in the entire image so that there is no contradiction (for example, if the areas to which the area numbers are assigned are connected, a common area number is used). Thus, finally, the entire pixel to which each area number is assigned is regarded as each small area, and the area division result (small area division result) shown in FIG. 5E is obtained.
なお領域分割結果として過剰分割して得られる小領域を統合してオブジェクトを得るためさらに後述の対象領域選択部2以降で処理するにあたっては、小領域の各画素は入力画像を参照して量子化部11で減色される前の画素値に戻すものとする。この処理は領域拡大部14において行っても、対象領域選択部2において行ってもよい。なお、後述の[A2]Normalized Cutsによる小領域分割では減色されないため、減色前の元の画素値に戻す処理は必要ない。 In addition, in order to obtain an object by integrating the small areas obtained by overdivision as a result of area division, each pixel in the small area is quantized with reference to the input image when processing in the target area selection unit 2 and later described later. It is assumed that the pixel value before the color reduction in the unit 11 is restored. This process may be performed in the region enlargement unit 14 or in the target region selection unit 2. Note that color reduction is not performed in small area division by [A2] Normalized Cuts, which will be described later, and therefore it is not necessary to return to the original pixel value before color reduction.
以上、JSEGで小領域分割部1を実施して入力画像から小領域分割結果を得るまでを説明した。 In the foregoing, the description has been given of the execution of the small area dividing unit 1 in JSEG until the small area dividing result is obtained from the input image.
[B]小領域の統合処理
次に、小領域分割結果(および入力画像)に対して、(2)対象領域選択処理、(3)小領域拡張処理、(4)輪郭抽出処理、(5)輪郭集中頻度測定処理、(6)オブジェクト間境界判定処理および(7)閉領域抽出処理を行って領域分割結果を得るまでの段階を説明する。本段階のうち、第1実施形態に係る図1(または後述の第2実施形態に係る図2でも同様)の(2)対象領域選択部2、(3)小領域拡張部30(色分布モデル化部3、分割エネルギー算出部4および二領域分割・統合部5を含む)によって画像が処理されていく例を図6に示す。また本段階のうち、図1(または図2)の(4)輪郭抽出処理、(5)輪郭集中頻度測定処理、(6)オブジェクト間境界判定処理および(7)閉領域抽出処理によって画像が処理されていく例を図7に示す。
[B] Small region integration processing Next, for the small region division result (and input image), (2) target region selection processing, (3) small region expansion processing, (4) contour extraction processing, (5) The steps until the contour division result is obtained by performing the contour concentration frequency measurement processing, (6) inter-object boundary determination processing, and (7) closed region extraction processing will be described. Among these stages, (2) target area selection unit 2 and (3) small area expansion unit 30 (color distribution model) in FIG. 1 according to the first embodiment (or in FIG. 2 according to the second embodiment described later). FIG. 6 shows an example in which an image is processed by the conversion unit 3, the division energy calculation unit 4, and the two-region division / integration unit 5). In this stage, the image is processed by (4) contour extraction processing, (5) contour concentration frequency measurement processing, (6) inter-object boundary determination processing, and (7) closed region extraction processing in FIG. 1 (or FIG. 2). An example of this is shown in FIG.
(2)対象領域選択部2では、小領域分割結果から小領域を選択し、選択された各小領域ごとに該小領域を識別するための処理番号を付与して出力すると同時に、入力画像から選択された小領域の内部領域と外部領域をそれぞれ抽出する。なお小領域の内部領域とは小領域自身であり、外部領域と区別するための用語である。外部領域とは入力画像全体の領域から内部領域を除いた領域である。小領域の内部に(小領域に属さない)穴の領域がある場合、穴は内部領域ではない。小領域が連結でない場合、その各部分が内部領域である。 (2) The target area selection unit 2 selects a small area from the small area division result, outputs a process number for identifying the small area for each selected small area, and simultaneously outputs it from the input image. The internal area and external area of the selected small area are extracted. The internal area of the small area is the small area itself, and is a term for distinguishing from the external area. The external area is an area obtained by removing the internal area from the entire input image. If there is a hole area (not belonging to a small area) inside the small area, the hole is not an internal area. When a small area is not connected, each part is an internal area.
図6に示す例では、同図(a)に示す小領域分割結果の画像の中から左寄りの緑色の草の領域が選択された場合、選択された小領域の内部領域は同図(b)、選択された小領域の外部領域は同図(c)のように出力される。同図(b)、(c)では該当しない領域は黒色で塗りつぶして表示した。 In the example shown in FIG. 6, when the green grass region on the left side is selected from the image of the small region division result shown in FIG. 6A, the internal region of the selected small region is the same as FIG. The external area of the selected small area is output as shown in FIG. In (b) and (c) of the figure, the non-applicable areas are displayed in black.
なお各小領域が前述のJSEGの場合のように(1)小領域分割部1にて途中で減色されるなどしている場合(かつ分割結果を得てから小領域分割部1内で減色前の画素値に戻されていない場合)は、(2)対象領域選択部2において元の入力画像を参照して画素値を元に戻してもよい。 Note that each small area is subtracted in the middle of the small area dividing unit 1 as in the case of the above-described JSEG (and after subdivision in the small area dividing unit 1 after obtaining the division result) (2) The target area selection unit 2 may refer back to the original input image and return the pixel value to the original value.
(3)小領域拡張部30は、以下に述べる色分布モデル化部3、分割エネルギー算出部4および二領域分割・統合部5を含む。ここでは内部領域の色特徴を抽出し、外部領域のうち内部領域と色特徴が類似していると判定される領域(色特徴類似領域)を選出し、色特徴類似領域と対応する内部領域(=小領域)とを統合して小領域拡張領域を得る。図6に示す例では、同図(b)、(c)から(d)を出力するのが(3)小領域拡張部30である。 (3) The small area expanding unit 30 includes a color distribution modeling unit 3, a divided energy calculating unit 4, and a two-region dividing / integrating unit 5 described below. Here, the color feature of the internal region is extracted, and the region (color feature similar region) that is determined to be similar to the internal region is selected from the external region, and the internal region corresponding to the color feature similar region ( = Small area) to obtain a small area expansion area. In the example shown in FIG. 6, (3) the small region expansion unit 30 outputs (b), (c) to (d).
色分布モデル化部3では、選択された小領域内部に含まれる画素の色の分布をモデル化する。例えば図6の場合、同図(b)が選択された小領域の内部領域であるため、これに含まれる画素の色分布をモデル化する。この場合、主に草の緑色の分布がモデル化されることになる。この際、色分布のモデル化には、例えば混合正規分布モデル(GMM)もしくはヒストグラムを用いることができる。 The color distribution modeling unit 3 models the color distribution of pixels included in the selected small area. For example, in the case of FIG. 6, since (b) in FIG. 6 is an internal region of the selected small region, the color distribution of the pixels included therein is modeled. In this case, the green distribution of grass is mainly modeled. At this time, for example, a mixed normal distribution model (GMM) or a histogram can be used for modeling the color distribution.
画素の信号値をFとした場合、混合数Mの混合正規分布モデル(GMM)の密度関数g[F]は、平均μm、共分散行列Σmで決定されるM個の正規分布Nm(μm、Σm)の重み付き線形和として定義される(数式7)。ただし、Fは画素の信号値、λmは各正規分布に割り当てられる重みを示す。 If the signal value of the pixel was set to F, the density function g [F] of a mixed normal distribution model of the number of mixture M (GMM) has an average mu m, the covariance matrix sigma M number of normal distributions is determined by m N m It is defined as a weighted linear sum of (μ m , Σ m ) (Formula 7). Here, F represents a pixel signal value, and λ m represents a weight assigned to each normal distribution.
色の分布を混合正規分布モデル(GMM)によりモデル化する場合は、選択された小領域内に含まれる画素の信号値Fを用いて、公知の技術であるEMアルゴリズム(期待値最大化法)により、各正規分布Nm(μm、Σm)に割り当てられる重みλmと同時に平均μmおよび共分散行列Σmを決定する。 When modeling the color distribution using a mixed normal distribution model (GMM), the EM algorithm (expected value maximization method), which is a well-known technique, uses the signal value F of the pixels contained in the selected small region. Thus, the mean μ m and covariance matrix Σ m are determined simultaneously with the weight λ m assigned to each normal distribution N m (μ m , Σ m ).
色の分布をヒストグラムによりモデル化する場合は、画素の取りうる信号値Fの適切な区間を各階級として、選択された小領域内に含まれる画素の信号値Fの相対頻度を測定することによりヒストグラムθ[F]を算出する。ヒストグラムの値θ[F]は信号値Fの各区間の相対頻度であり規格化されているので、次式(数式8)に示すとおり、全信号値Fの区間に渡ってその和を取ると1となる。 When the color distribution is modeled by a histogram, by measuring the relative frequency of the signal value F of the pixels included in the selected small area, with each section as an appropriate section of the signal value F that can be taken by the pixel. A histogram θ [F] is calculated. Since the histogram value θ [F] is the relative frequency of each section of the signal value F and is standardized, as shown in the following equation (Formula 8), if the sum is taken over the section of all signal values F, 1
分割エネルギー算出部4では、外部領域を内部領域と色特徴が類似すると判定される領域と類似しないと判定される領域とに分割するのに必要なエネルギー(エネルギーが小さいほど色特徴に基づく分割が妥当な分割であると判定される)を算出するエネルギー関数を生成する。このため、まず色分布モデル化部3にて生成された色分布モデルを用いて、入力画像内で選択された小領域以外の領域に含まれる個々の画素pが、どの程度選択された小領域内の画素の色分布と類似しているかを、画素pの信号値F(p)から尤度L[F(p)]として算出する。 In the split energy calculation unit 4, the energy required to divide the outer area into an area determined to be similar to the inner area and an area determined not to be similar to the inner area (the smaller the energy, the lower the division based on the color characteristics. Generate an energy function that calculates (determined to be a reasonable partition). For this reason, first, the color distribution model generated by the color distribution modeling unit 3 is used to determine how small each pixel p included in the area other than the small area selected in the input image is selected. It is calculated as the likelihood L [F (p)] from the signal value F (p) of the pixel p whether it is similar to the color distribution of the pixels in the pixel p.
色の分布を混合正規分布モデル(GMM)の密度関数g[F]によりモデル化する場合は、尤度L[F(p)]= g[F(p)]とする。また、色の分布をヒストグラムθ[F]によりモデル化する場合は、尤度L[F(p)]=θ[F(p)]とする。 When the color distribution is modeled by the density function g [F] of the mixed normal distribution model (GMM), the likelihood is L [F (p)] = g [F (p)]. When the color distribution is modeled by the histogram θ [F], the likelihood L [F (p)] = θ [F (p)] is set.
尤度L[F(p)]すなわち内部領域との各画素の色特徴の類似性の指標に加えて、隣接する画素間の色特徴の類似性から入力画像内で選択された小領域以外の領域で指定された画像を二領域に分割する際に必要となるエネルギーを求め、分割の仕方を変数としたエネルギー関数Eを次式(数式9)に従い生成する。 Likelihood L [F (p)], that is, in addition to an index of the similarity of the color feature of each pixel with the inner region, the color feature similarity between adjacent pixels, other than the small region selected in the input image The energy required for dividing the image specified in the region into two regions is obtained, and an energy function E with the division method as a variable is generated according to the following equation (Equation 9).
なお、数式9においてe[l(p),l(q)]は次(数式10)のとおりである。 In Equation 9, e [l (p), l (q)] is as follows (Equation 10).
ただし、qは画素pの近傍にある画素とし、l(p)は選択された小領域以外の領域に含まれる画素pが選択された小領域内の画素の色特徴に類似していると判定した場合1を、そうでない場合0とする(すなわち分割の仕方を定めるとl(p)の値が全ての画素pにつき定まり、エネルギー関数Eの値が定まる)。ηおよびκは調整を要する正の定数、dist(p,q)は画素p、q間の距離である。 However, q is a pixel in the vicinity of the pixel p, and l (p) is determined that the pixel p included in the region other than the selected small region is similar to the color characteristics of the pixels in the selected small region. In this case, 1 is set, otherwise 0 is set (that is, when the division method is determined, the value of l (p) is determined for all the pixels p, and the value of the energy function E is determined). η and κ are positive constants that require adjustment, and dist (p, q) is the distance between the pixels p and q.
なお、定数κについては、次(数式11)のように入力画像から適応的に自動決定してもよい。すなわち、入力画像内の画素pとその近傍にある画素qとの持つ信号値Fから、 The constant κ may be adaptively automatically determined from the input image as in the following (Formula 11). That is, from the signal value F of the pixel p in the input image and the pixel q in the vicinity thereof,
なおまた、(数式 11)による当該κの利用は、(数式 10)に代入すれば明らかなように、各画素値F(p),F(q)を、(数式11)の平方根を定数として掛けることによって正規化したうえで、(数式 10)のe[l(p),l(q)]を求めることに相当する。そして当該正規化は、上記演算記号<・>の意味より、画素pで表される入力画像全体内における、画素qで表される局所領域内の色特徴類似性に基づいた正規化である。 In addition, the use of κ by (Equation 11) is, as is clear from substituting (Equation 10), for each pixel value F (p), F (q) with the square root of (Equation 11) as a constant. This is equivalent to finding e [l (p), l (q)] in (Equation 10) after normalization by multiplication. The normalization is normalization based on the color feature similarity in the local region represented by the pixel q in the entire input image represented by the pixel p, based on the meaning of the operation symbol <•>.
二領域分割・統合部5では、まず二領域分割処理として選択された小領域以外の領域に含まれる画素pが選択された小領域内の画素の色特徴に類似していると判定した場合はl(p)=1とし、そうでない場合l(p)=0として、生成されたエネルギー関数Eからエネルギーを最小とする分割二領域を決定する。分割二領域の各々は連結である場合も連結でない場合も、穴がある場合もない場合もありえる。次に統合処理として、分割二領域のうちl(p)=1で内部領域(小領域)の色特徴に類似していると判定された領域を対応する(色特徴の類似性の判定元となる)内部領域と統合して、小領域拡張領域として出力する。 When the two-region division / integration unit 5 first determines that the pixel p included in the region other than the small region selected as the two-region division processing is similar to the color characteristics of the pixels in the selected small region. If l (p) = 1, otherwise l (p) = 0, the divided two regions that minimize the energy are determined from the generated energy function E. Each of the divided two regions may be connected, not connected, or may not have a hole. Next, as an integration process, corresponding to the regions determined to be similar to the color features of the inner region (small region) with l (p) = 1 in the divided two regions (the color feature similarity determination source and It is integrated with the internal area and output as a small area expansion area.
エネルギー最小化による二領域分割とこれにより得られる色特徴類似領域の内部領域への統合の結果、小領域拡張領域として例えば図6(d)に示すような画像が得られる。なお図6(d)では外部領域内において類似していると判定されなかった領域(小領域拡張領域以外の領域)は黒塗りで示している。 As a result of the two-region division by energy minimization and the integration of the color feature similar regions obtained thereby into the inner region, an image as shown in FIG. 6D, for example, is obtained as a small region expansion region. In FIG. 6D, areas that are not determined to be similar in the external area (areas other than the small area expansion area) are shown in black.
なお、数式9の第1項は色特徴に関連する項であり、選択された小領域内部で画素pの信号値F(p)が使われているほど値が小さくなるため、この場合画素pが選択された小領域内の画素の色特徴に類似していると判定するのがエネルギー最小化で好まれることとなる。 Note that the first term of Equation 9 is a term related to the color feature, and the value becomes smaller as the signal value F (p) of the pixel p is used inside the selected small region. It is preferable for energy minimization to determine that is similar to the color characteristics of the pixels in the selected small region.
また、数式9の第2項は色特徴および(色特徴に基づく)分割の仕方に関連する項であり、画素p、q間の信号値が近い画素であれば大きなエネルギーが発生するためl(p)およびl(q)が異なる(すなわちp,qは色特徴が異なり分割二領域の異なる領域に属する)という判定は下され難いが、画素値の差が大きい境界部分では大きなエネルギーが発生しないため、l(p)およびl(q)が異なるという判定が好まれる。前述のように数式11を利用する場合、当該分割二領域の区別判定にあたって、入力画像全体における色特徴の異なりの度合いに基づいた正規化を施してから判定を下すこととなる。 The second term of Equation 9 is a term related to the color feature and how to divide (based on the color feature), and a large energy is generated if the signal value between the pixels p and q is close to l ( p) and l (q) are different (i.e., p and q have different color characteristics and belong to different areas of the divided two areas), but a large amount of energy is not generated at the boundary where the difference in pixel values is large Therefore, the determination that l (p) and l (q) are different is preferred. As described above, when Expression 11 is used, the determination based on the degree of difference in color characteristics in the entire input image is performed in the determination of the distinction between the two divided areas.
また二領域分割・統合部5は、上記のように生成されたエネルギー関数Eからエネルギーを最小とする分割二領域を決定するにあたって、外部領域全体を変数として一度に決定するのではなく、外部領域に含まれるその他の(該当する内部領域以外の)小領域(小領域分割部1で分割された小領域)ごとにそれぞれエネルギー最小の領域を決定してもよい。またこの場合、各小領域から得られるエネルギー最小の領域が小領域の所定の割合(例えば含まれる画素数の半分)を超えるか否かによって、各小領域の全体を小領域拡張領域に加えるもしくは加えないような処理を行ってもよい。 The two-region division / integration unit 5 does not determine the entire external region as a variable at the same time, but determines the external region from the energy function E generated as described above. A region with the minimum energy may be determined for each of the other small regions (other than the corresponding internal region) (small regions divided by the small region dividing unit 1) included in. Also, in this case, depending on whether or not the minimum energy area obtained from each small area exceeds a predetermined ratio of the small area (for example, half of the number of pixels included), the whole of each small area is added to the small area expansion area or You may perform the process which is not added.
以上で述べた通り、(3)小領域拡張処理は選択された小領域と同じ統計情報に従う画素を画像内から特定し、元の小領域を拡大した領域を抽出する働きがある。小領域が画像内のあるオブジェクトに属する部分領域として適切に選択された場合、その小領域は同じ統計的性質を有する帰属オブジェクトの形状へと正しく拡大されると考えられる。 As described above, (3) the small area expansion process has a function of identifying a pixel in the image according to the same statistical information as the selected small area and extracting an area obtained by enlarging the original small area. If a small region is properly selected as a partial region belonging to an object in the image, it is considered that the small region is correctly expanded to the shape of the belonging object having the same statistical properties.
後述の通り、(1)小領域分割処理によって様々に分割された小領域を使ってそれぞれ(3)小領域拡張処理を適用した場合、得られた拡大領域の中には画像内に含まれる真のオブジェクトと同一形状を示すものがいくつか重複して含まれることが頻繁にある。そこで、本発明ではこの拡大領域の形状が重複する特性を利用し、オブジェクトを抽出する。 As will be described later, when (3) the small area expansion process is applied using (1) the small areas divided in various ways by the small area dividing process, the true area included in the image is included in the obtained enlarged area. Often, several objects having the same shape as the object are included. Therefore, in the present invention, an object is extracted using the characteristic that the shapes of the enlarged regions overlap.
すなわち、本発明では、重複を考慮して拡張領域をまとめ上げるために、拡張領域の輪郭に注目する。拡大領域の輪郭が集中する画素は、画像内に含まれる真のオブジェクトの境界線上にあると考えられるので、それらを抽出することによって多値領域分割を実現する。これにより、形状の類似した拡大領域の重複度合いに基づいて確率的に画像内に含まれる真のオブジェクトを抽出できる。 That is, in the present invention, attention is paid to the outline of the extension area in order to collect the extension areas in consideration of overlap. Since the pixels where the contours of the enlarged region are concentrated are considered to be on the boundary line of the true object included in the image, multi-value region division is realized by extracting them. Thereby, the true object included in the image can be extracted probabilistically based on the overlapping degree of the enlarged regions having similar shapes.
なお、本発明の画像領域分割装置における上述の処理(3)の拡張・統合処理は、画像に含まれるオブジェクトはそれぞれ特徴的な色の分布を有しており、また同一のオブジェクト内であれば部分的に見て色分布が大きく変わることがない、という特性に基づいて行われるものである。したがって、ある一定の色分布を選択された2つの小領域のそれぞれの色分布に基づいて出力された小領域拡張領域同士に重複する領域が多い場合(位置・形状などの一致度が大きい場合を含む)は、選択された小領域が同じ色分布を持っており、選択された2つの小領域(選択された1つの小領域ペア)は同一のオブジェクトの一部である可能性が高いと考えて統合する。
(4)輪郭抽出部8
得られた拡張領域から輪郭を抽出し、輪郭情報、すなわち各画素が各拡張領域の輪郭を構成する画素であるか否かを識別する情報、として出力する。図7に示す通り、(1)小領域分割処理により(a)小領域分割された画像から、(2)対象領域選処理により(b)選択されたある小領域R1は、(3)小領域拡張処理により(c)拡張領域E1へと拡張される。そして、当該(4)輪郭抽出処理によって、得られた拡張領域E1から輪郭を抽出し、(d)輪郭情報C1として出力する。
Note that in the expansion / integration process of the above-described process (3) in the image region dividing apparatus according to the present invention, the objects included in the image each have a characteristic color distribution and are within the same object. This is based on the characteristic that the color distribution does not change significantly when viewed partially. Therefore, when there are many overlapping areas between the small area expansion areas that are output based on the color distribution of each of the two small areas selected for a certain color distribution (when the degree of coincidence of position, shape, etc. is large). The selected subregions have the same color distribution, and the two selected subregions (one selected subregion pair) are likely to be part of the same object. And integrate.
(4) Outline extraction unit 8
A contour is extracted from the obtained extension region, and is output as contour information, that is, information for identifying whether or not each pixel is a pixel constituting the contour of each extension region. As shown in FIG. 7, (1) a small area R1 selected by (2) target area selection processing from (a) small area divided image by (1) small area division processing is (3) small area By the extension process, (c) it is extended to the extension area E1. Then, by (4) contour extraction processing, a contour is extracted from the obtained extended region E1, and is output as (d) contour information C1.
図7の例の場合、選択された小領域R1である草の一部から、画像内の草の領域(主に緑色)へと領域が拡張され、拡張領域E1を得る。輪郭情報C1は、山羊と柵との各オブジェクト間の境界部分を正しく示している。 In the case of the example in FIG. 7, the region is expanded from a part of the grass that is the selected small region R <b> 1 to the grass region (mainly green) in the image, and an expanded region E <b> 1 is obtained. The contour information C1 correctly indicates the boundary portion between each object of the goat and the fence.
同様に、(e)選択されたある小領域R2から拡張された(f)拡張領域E2からは、その輪郭である(g)輪郭情報C2が抽出される。小領域R2は山羊の体の一部であり、拡張領域E2は山羊の体全体(主に白色)を示す。輪郭情報C2は、草と柵との各オブジェクト間の境界部分を正しく示している。 Similarly, (g) contour information C2, which is the contour, is extracted from (e) the expanded region E2 expanded from the selected small region R2. The small region R2 is a part of the goat's body, and the extended region E2 shows the entire goat's body (mainly white). The contour information C2 correctly shows the boundary between the grass and fence objects.
なお、輪郭情報の抽出、すなわち各画素が輪郭であるか否かの判定を行うには、例えば次のようにすればよい。その手順を図8に示す。輪郭上の画素であるか否かは、(a)に示すように、得られた拡張領域画像上を左から右、上から下のラスタースキャン順に走査して、着目画素を一画素ずつ判定していく。着目画素は左上に位置する。右・右下・下の三方向の画素が着目位置と同一領域であるか否かをそれぞれ判定する。一つでも違う領域を含んでいれば、着目位置を輪郭上の画素と判定する。 In order to extract contour information, that is, determine whether each pixel is a contour, for example, the following may be performed. The procedure is shown in FIG. Whether or not it is a pixel on the contour is determined by scanning the obtained extended region image in order of raster scanning from left to right and from top to bottom as shown in FIG. To go. The pixel of interest is located in the upper left. It is determined whether the pixels in the three directions of right, lower right, and lower are in the same region as the target position. If at least one different area is included, the target position is determined as a pixel on the contour.
図8の例の(b2)に示す画素位置βでは、山羊の背中左上部分の輪郭付近の4画素を抽出した。着目位置βは拡張領域には含まれていない背景画素(図中「B」と表記)であり、その他右・右下・下の画素は拡張領域内に含まれる画素(図中「F」と表記)であったとする。この場合、着目位置と周辺3画素との領域は異なるため、(c2)に示すように、着目位置βを輪郭上の画素と判定する。また逆に、図8の例の(b1)に示す画素位置αでは、α自身もその他右・右下・下の画素も全て背景画素であるので、(c1)に示すように、着目位置αは輪郭でないと判定する。このようにして、背景と山羊との境界部分の画素が輪郭として抽出される。 At the pixel position β shown in (b2) of the example of FIG. 8, four pixels near the contour of the upper left part of the goat's back were extracted. The position of interest β is a background pixel (noted as “B” in the figure) that is not included in the extended area, and the other pixels on the right, lower right, and lower are pixels (“F” in the figure) that are included in the extended area. Notation). In this case, since the region of the target position and the surrounding three pixels are different, the target position β is determined as a pixel on the contour as shown in (c2). Conversely, at the pixel position α shown in (b1) of the example of FIG. 8, since α itself and other right, lower right, and lower pixels are all background pixels, as shown in (c1), the target position α Is determined not to be a contour. In this way, pixels at the boundary between the background and the goat are extracted as contours.
(5)輪郭集中頻度測定部9
各拡張領域に対して得られた二領域間の輪郭から画像内の各画素位置で、その画素位置が輪郭となった頻度を測定する。すなわち、各領域に対して得られた輪郭情報の総和を取ることで、画像内の各画素位置が輪郭となった頻度を求める。そして、当該総和として求められた頻度を正規化することで、輪郭集中頻度を得る。
(5) Contour concentration frequency measurement unit 9
The frequency at which the pixel position becomes the contour is measured at each pixel position in the image from the contour between the two regions obtained for each extended region. That is, the frequency at which each pixel position in the image becomes a contour is obtained by taking the sum of the contour information obtained for each region. Then, the contour concentration frequency is obtained by normalizing the frequency obtained as the sum.
図9(a)に示す通り、(1)小領域分割部10により計17個の小領域Rが得られたとする。同図(b)(c)(d)に示す通り、このそれぞれの小領域Rを(2)対象領域選択部2により選択し、(3)小領域拡張部30により拡張させたとき、得られた拡大領域Eの中には画像内に含まれる真のオブジェクトと同一形状を示すものがいくつか重複して含まれることが確認できる。 As shown in FIG. 9A, it is assumed that (1) a total of 17 small regions R are obtained by the small region dividing unit 10. As shown in (b), (c), and (d) in the figure, each of these small regions R is obtained by (2) selecting by the target region selecting unit 2 and (3) expanding by the small region expanding unit 30. It can be confirmed that the enlarged region E includes several overlapping objects that show the same shape as the true object included in the image.
なお、(b)(c)(d)の図内の番号は(a)の小領域番号に対応している。同図(c)の拡張領域には画像内に含まれる真のオブジェクトと同じ形状を示す拡大領域が存在し,さらに類似した形状の拡大領域が重複して得られていることが確認できる。例えば,小領域番号R1,R2,R3,R4にそれぞれ対応する拡張領域E1,E2,E3,E4はいずれも柵オブジェクトへ,また小領域番号R5,R7,R10,R12,R13にそれぞれ対応する拡張領域E5,E7,E10,E12,E13はいずれも草オブジェクトへ,さらに小領域番号R14,R16にそれぞれ対応する拡張領域E14,E16はいずれも山羊オブジェクトへと領域が拡大されている。 The numbers in the diagrams (b), (c), and (d) correspond to the small area numbers in (a). It can be confirmed that there are enlarged regions having the same shape as the true object included in the image in the extended region in FIG. For example, the extended areas E1, E2, E3, and E4 corresponding to the small area numbers R1, R2, R3, and R4 are all the fence objects, and the extended areas corresponding to the small area numbers R5, R7, R10, R12, and R13, respectively. The areas E5, E7, E10, E12, and E13 are all expanded to grass objects, and the expanded areas E14 and E16 corresponding to the small area numbers R14 and R16 are all expanded to goat objects.
(5)輪郭集中頻度測定部9では領域拡大により生成したオブジェクト候補の中から真のオブジェクトを抽出するために、拡大領域の輪郭に着目し、先行技術において類似形状を示す拡大領域の重複度合いを用いる代わりに、本発明の特徴である、拡大領域の輪郭の集中度を用いる。このように重複度合いを輪郭の集中度に置き換えて計測することで、オブジェクト抽出の精度が向上するという効果がある。 (5) In order to extract the true object from the object candidates generated by the area enlargement, the contour concentration frequency measuring unit 9 pays attention to the outline of the enlarged area, and determines the overlapping degree of the enlarged area showing a similar shape in the prior art. Instead of using, the degree of concentration of the outline of the enlarged region, which is a feature of the present invention, is used. Thus, the accuracy of object extraction is improved by replacing the degree of overlap with the degree of contour concentration and measuring.
例えば図9では、類似した形状で重複している拡張領域が存在するため、柵・草・山羊オブジェクトの外周上にある画素が、画像内に含まれる真のオブジェクト間の境界線と判定される確率が高くなる。画像内の様々なシードを領域拡大させて求められたオブジェクト候補の輪郭が集中した頻度をカウントすることで、その画素が境界線上の画素であるか否かを確率的に決定する。 For example, in FIG. 9, there are overlapping extended areas with similar shapes, and therefore pixels on the outer periphery of the fence / grass / goat object are determined to be the boundary lines between the true objects included in the image. Probability increases. By counting the frequency at which the contours of the object candidates obtained by enlarging the various seeds in the image are concentrated, it is determined probabilistically whether the pixel is a pixel on the boundary line.
輪郭集中頻度Lpは0〜1(0以上1以下)の範囲の値を持つように、輪郭情報の総和として測定された頻度の値を正規化して求める。具体的には、画像内の最大の値で各画素の頻度を割ることで、輪郭集中頻度Lpを求める。もしくは、小領域分割数(図9の例であれば当該分割数は17)で画像内の各画素の頻度を割って、輪郭集中頻度Lpを得ることもできる。 The contour concentration frequency Lp is obtained by normalizing the frequency value measured as the sum of the contour information so as to have a value in the range of 0 to 1 (from 0 to 1). Specifically, the contour concentration frequency Lp is obtained by dividing the frequency of each pixel by the maximum value in the image. Alternatively, the contour concentration frequency Lp can be obtained by dividing the frequency of each pixel in the image by the small region division number (in the example of FIG. 9, the division number is 17).
各画素について拡大領域の輪郭となった頻度を測定して正規化し、輪郭集中頻度を求め、その画像内での分布を可視化したものを図9(e)に示す。輝度の明るい(白い)画ほど、拡大領域の輪郭となった頻度が高いことを示す。 FIG. 9E shows a frequency obtained by measuring and normalizing the frequency of the contour of the enlarged region for each pixel, obtaining the contour concentration frequency, and visualizing the distribution in the image. A brighter (white) image indicates that the frequency of the outline of the enlarged region is higher.
(6)オブジェクト間境界判定部10
求められた輪郭集中頻度から、各画素位置においてその画素がオブジェクト間の境界候補であるか否かを、設定されたしきい値により判定する。拡大領域の輪郭のたどり着く頻度の高い画素を、画像内に含まれる真のオブジェクト間の境界線上の画素候補と判定する。したがって、しきい値T(0≦T≦1)によりL_p≧Tであれば画素を画像内に含まれる真のオブジェクト間の境界線上にある画素候補と判定する。
(6) Inter-object boundary determination unit 10
From the obtained contour concentration frequency, it is determined by a set threshold value whether or not the pixel is a boundary candidate between objects at each pixel position. Pixels with a high frequency of reaching the contour of the enlarged region are determined as pixel candidates on the boundary line between true objects included in the image. Therefore, if L_p ≧ T according to the threshold T (0 ≦ T ≦ 1), the pixel is determined as a pixel candidate on the boundary line between true objects included in the image.
実際に、図10(c)に示す輪郭集中頻度からしきい値Tを設定して判定した境界線を同図(d)に示す。人間の判断による領域分割結果に含まれるオブジェクトの境界線に近い結果が再現できていることが分かる。 Actually, the boundary line determined by setting the threshold value T from the contour concentration frequency shown in FIG. 10C is shown in FIG. It can be seen that a result close to the boundary line of the object included in the region division result by human judgment can be reproduced.
(7)閉領域抽出部20
判定されたオブジェクト境界候補には閉領域を構成しない境界線が含まれる可能性がある。オブジェクト境界候補から閉領域を抽出して、オブジェクト境界を得る。当該オブジェクト境界により画像が分割される領域として、本発明の画像領域分割装置における最終的な、多領域へ分割結果としてのオブジェクトが得られる。閉領域の抽出処理は、画像処理の分野では公知である。既存の閉領域抽出方法を適用できる。
(7) Closed region extraction unit 20
The determined object boundary candidate may include a boundary line that does not constitute a closed region. A closed region is extracted from the object boundary candidates to obtain an object boundary. As an area into which an image is divided by the object boundary, an object as a result of division into multiple areas in the image area dividing apparatus of the present invention is obtained. The closed region extraction processing is known in the field of image processing. Existing closed region extraction methods can be applied.
例えば、図10(d)に示したオブジェクト境界線候補には、画像左下の山羊の体から閉領域の構成に関係の無い、開領域を形成する境界線が得られている。これを消し去るために、(7)閉領域抽出部20により、画素単位の探索により、隣接画素間の連結性を調べて領域番号を付与し、境界線候補上の画素の両側で同一の領域番号が振られているものは、開領域を構成する境界線上の画素と考えて、削除する。 For example, in the object boundary line candidate shown in FIG. 10 (d), a boundary line that forms an open region that is not related to the configuration of the closed region is obtained from the goat body at the lower left of the image. In order to eliminate this, (7) the closed region extraction unit 20 examines the connectivity between adjacent pixels by searching in units of pixels and assigns region numbers, and the same region on both sides of the pixel on the boundary line candidate. Those numbered are considered to be pixels on the boundary line constituting the open area and are deleted.
この結果、図10(e)に示す通り、山羊・草・柵の3つのオブジェクトの領域分割結果が得られる。これらの一連の処理は、ユーザ自らがシードを指定する等の手動操作を必要としない。与えられた画像から自動で最終の多領域分割結果が得られる。 As a result, as shown in FIG. 10 (e), a region division result of three objects of goat, grass, and fence is obtained. These series of processes do not require manual operations such as the user specifying a seed. The final multi-region division result is automatically obtained from the given image.
次に、本発明の第2の実施形態の画像領域分割装置および画像領域分割方法について説明する。この第2の実施形態は、入力画像をNormalized Cutsを用いて過剰分割する点で、第1の実施形態と異なるが、統合処理は共通である。よって以下ではNormalized Cutsを用いた過剰分割処理についてのみ説明し、小領域の統合処理の説明は省略する。 Next, an image region dividing device and an image region dividing method according to the second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is different from the first embodiment in that the input image is excessively divided using Normalized Cuts, but the integration process is common. Therefore, only the excessive division process using Normalized Cuts will be described below, and the description of the small area integration process will be omitted.
[A2]Normalized Cutsを用いた過剰分割
Normalized Cutsを利用して、本発明の画像領域分割装置における小領域分割部1を実現する場合について詳細を述べる。該画像領域分割装置の機能ブロック図は前述のとおり、図2に示されている。また、本構成で小領域に分割する処理の流れを図11に示す。なお、Normalized Cutsは次の文献で提案されているように既知である。
[A2] Excessive division using Normalized Cuts
The case where the small area dividing unit 1 in the image area dividing apparatus of the present invention is realized using Normalized Cuts will be described in detail. As described above, the functional block diagram of the image area dividing apparatus is shown in FIG. Further, FIG. 11 shows a flow of processing for dividing into small areas in this configuration. Normalized Cuts are known as proposed in the following document.
Jianbo Shi and Jitendra Malik, "Normalized Cuts and Image Segmentation," IEEE Transactions on PAMI, Vol. 22, No. 8, pp.888-905, Aug. 2000. Jianbo Shi and Jitendra Malik, "Normalized Cuts and Image Segmentation," IEEE Transactions on PAMI, Vol. 22, No. 8, pp.888-905, Aug. 2000.
画素間類似度行列算出部101では、画像内の任意の2画素の組み合わせ全てに対し、画素間の色特徴の類似性を示した類似度行列Wを算出する。縦NR画素、横NC画素、全NRNC画素の入力画像内の画素をラスタースキャン順に数え上げて、第i番目の画素の信号値をF(i)、位置座標をX(i)、第j番目の画素の信号値をF(j)、位置座標をX(j)とする。ただし、i,j=1,2,…, NRNCである。NRNC行、NRNC列の類似度行列Wの第i行第j列の要素wijは次の通り算出される(数式12)。 The inter-pixel similarity matrix calculation unit 101 calculates a similarity matrix W indicating the similarity of color features between pixels for all combinations of two arbitrary pixels in the image. The pixels in the input image of vertical N R pixels, horizontal N C pixels, and all N R N C pixels are counted in raster scan order, the signal value of the i-th pixel is F (i), and the position coordinate is X (i) The signal value of the jth pixel is F (j) and the position coordinate is X (j). However, i, j = 1, 2,..., N R N C. The element w ij of the i-th row and the j-th column of the similarity matrix W of N R N C rows and N R N C columns is calculated as follows (Formula 12).
数式12においてrは距離しきい値で調整を要するパラメータである。σI 2およびσx 2はそれぞれ入力画像内の画素の信号値Fの分散および位置座標Xの分散から求める。r以上の距離が離れた画素間は類似性を0とすることを意味する。 In Equation 12, r is a parameter that needs to be adjusted with the distance threshold. σ I 2 and σ x 2 are obtained from the variance of the signal value F of the pixel in the input image and the variance of the position coordinate X, respectively. This means that the similarity is 0 between pixels that are separated by a distance of r or more.
算出された類似度行列Wから、画素間類似度行列算出部101は同じくNRNC行、NRNC列の対角行列Dを次式の通り算出する(数式13)。ただし、対角行列Dの第i行第j列の要素dijとする。 From the calculated similarity matrix W, the inter-pixel similarity matrix calculation unit 101 similarly calculates a diagonal matrix D of N R N C rows and N R N C columns as follows (Formula 13). However, the element d ij in the i-th row and j-th column of the diagonal matrix D is used.
評価基準作成部102では、算出された類似度行列Wおよびその対角行列Dから色特徴の類似度の高い画素同士が同じ小領域に分割されるための評価基準行列Aを次式の通り作成する(数式14)。評価基準行列AもまたNRNC行、NRNC列の行列となる。 The evaluation criterion creation unit 102 creates an evaluation criterion matrix A for dividing pixels with high color feature similarity into the same small area from the calculated similarity matrix W and its diagonal matrix D as follows: (Formula 14). The evaluation criterion matrix A is also a matrix of N R N C rows and N R N C columns.
固有ベクトル算出部103では、評価基準行列Aの固有ベクトルvpを固有値の小さいものから昇順にP個算出する(p=1,2,...,P)。固有ベクトルvpはNRNC行、1列の行列となる。 The eigenvector calculation unit 103 calculates P eigenvectors v p of the evaluation criterion matrix A in ascending order from the smallest eigenvalue (p = 1, 2,..., P). The eigenvector v p is a matrix with N R N C rows and one column.
小領域算出部104では、算出されたP個の固有ベクトルvpを固有値の小さいものから順次列方向に並べた固有ベクトル行列V=[v1,v2,…,vP]と、類似度行列Wの対角行列Dから次式に示す行列Bを算出する。 In the small region calculation unit 104, an eigenvector matrix V = [v 1 , v 2 ,..., V P ] in which the calculated P eigenvectors v p are sequentially arranged in the column direction from the smallest eigenvalue, and a similarity matrix W A matrix B shown in the following equation is calculated from the diagonal matrix D.
行列BはNRNC行、P列の行列となる。行列B内の要素を行方向に抽出し、NRNC個の行ベクトルur (r=1,2,…,NRNC)を生成する。すなわち行ベクトルur(r=1,2,…,NRNC)は行列Bの第r行に一致する1行P列の行列であり、行ベクトル(行列)urの1行j列(j=1,2,..,P)成分は行列Bのr行j列成分に等しい。 The matrix B is a matrix of N R N C rows and P columns. The elements of the matrix B is extracted in the row direction, N R N C-number of row vectors u r (r = 1,2, ... , N R N C) to produce a. That row vector u r (r = 1,2, ... , N R N C) is a matrix of one row P string identical to the first r rows of the matrix B, 1 row j-th column of the row vector (matrix) u r The (j = 1, 2,..., P) component is equal to the r row j column component of the matrix B.
NRNC個の行ベクトルurの集合が分布するP次元空間を前述のk-meansによりQ個にクラスタリングする。ただし、Qは分割させたい小領域の数を設定する。クラスタリングの結果、NRNC個の行ベクトルurのそれぞれに1からQまでの小領域番号が付与される。付与された小領域番号を要素とするNRNC行、1列の行列を小領域番号行列hとして算出する。小領域番号行列hの要素は、入力画像のラスタースキャン順に対応して順番で、Q個に分割された小領域の番号が記述される。すなわち小領域行列hのi行1列の要素(iは1,2,…,NRNCのいずれか)がQi(Qiは1,…,Qのいずれか)であれば、入力画像におけるラスタースキャン順に数え上げた順番がiの画素は小領域番号Qiの小領域に属している。こうして小領域行列hの各要素を参照することで入力画像のNRNC画素が各々どの小領域に属するか決まり、小領域分割結果を得る。 N R N sets of the C row vector u r to clustering P-dimensional space distributed into Q by the above-described k-means clustering. However, Q sets the number of small areas to be divided. Result of the clustering, N R N C subregions number from 1 to each row vector u r until Q is given. A matrix of N R N C rows and one column having the assigned small region number as an element is calculated as a small region number matrix h. The elements of the small area number matrix h describe the numbers of the small areas divided into Q in order corresponding to the raster scan order of the input image. That element of i rows and one column of small area matrix h (i is 1, 2, ..., N R either N C) is Qi (Qi is 1, ..., one of Q) if, in the input image The pixel with the order i counted up in the raster scan order belongs to the small area with the small area number Qi. In this way, by referring to each element of the small area matrix h, it is determined which small area each of the N R N C pixels of the input image belongs, and a small area division result is obtained.
なお、本発明の画像領域分割装置(第1の実施形態および第2の実施形態を含む)は入力画像を入力する入力部と、処理中の画像データを記憶する主記憶部と、プログラムを格納する記録部と、プログラムを実行する中央演算部と、処理結果を表示する表示部とを備えるパーソナルコンピュータ(PC)に対して図1、図2の各種処理を行うプログラムをインストールすることで構築してもよい。 Note that the image region dividing apparatus (including the first and second embodiments) of the present invention stores an input unit for inputting an input image, a main storage unit for storing image data being processed, and a program. 1 and 2 are installed on a personal computer (PC) equipped with a recording unit for executing the program, a central processing unit for executing the program, and a display unit for displaying the processing results. May be.
本発明により画像関連の新しいサービスを提供できるようになる。すなわち、本発明の画像領域分割装置により、画像に含まれる個々のオブジェクトを分離できるようになる。そのため抽出された個々のオブジェクトを別々に切り替えて表示することができるようになる。また画像符号化・伝送サービスにも役立つ。すなわち重要なオブジェクトを優先して高画質で符号化することにより、限定された符号レート下での符号化において画像の主観画質を改善するのに役立つ。さらに画像認識サービスにも役立つ。すなわち個々のオブジェクトを抽出することによって、オブジェクトが混在した画像を全体的に解析するよりも、画像内容をより詳細に解析および理解することができるようになる。 According to the present invention, a new image-related service can be provided. That is, the image area dividing apparatus of the present invention can separate individual objects included in an image. For this reason, the extracted individual objects can be switched and displayed separately. It is also useful for image coding and transmission services. That is, it is useful to improve the subjective image quality of an image in encoding under a limited code rate by preferentially encoding important objects with high image quality. It is also useful for image recognition services. That is, by extracting individual objects, it is possible to analyze and understand the image contents in more detail than when analyzing an image in which objects are mixed as a whole.
1…小領域分割部、2…対象領域選択部、30…小領域拡張部、3…色分布モデル化部、4…分割エネルギー算出部、5…二領域分割・統合部、8…輪郭抽出部、9…輪郭集中頻度測定部、10…オブジェクト間境界判定部、20…閉領域抽出部、11…量子化部、12…領域境界尤度算出部、13…領域番号付与部、14…領域拡大部、101…画素間類似度行列算出部、102…評価基準作成部、103…固有ベクトル算出部、104…小領域算出部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Small area division part, 2 ... Target area selection part, 30 ... Small area expansion part, 3 ... Color distribution modeling part, 4 ... Divided energy calculation part, 5 ... Two area division | segmentation / integration part, 8 ... Contour extraction part , 9 ... Contour concentration frequency measuring unit, 10 ... Inter-object boundary determining unit, 20 ... Closed region extracting unit, 11 ... Quantizing unit, 12 ... Region boundary likelihood calculating unit, 13 ... Region number assigning unit, 14 ... Region expansion 101: Inter-pixel similarity matrix calculation unit, 102 ... Evaluation criterion creation unit, 103 ... Eigen vector calculation unit, 104 ... Small region calculation unit
Claims (13)
入力画像を色特徴に基づいて複数の小領域に過剰分割する小領域分割部と、
該過剰分割された複数の小領域の各々に対して、前記入力画像において該小領域に属する内部領域と該小領域に属さない外部領域とを対応付けて出力する対象領域選択部と、
前記外部領域のうち対応する前記内部領域と色特徴が類似する領域を該内部領域と統合して小領域拡張領域として出力する小領域拡張部と、
前記小領域拡張領域の各々に対して、その輪郭上の画素を抽出し、該抽出された輪郭上の画素を識別する情報である輪郭情報を求める輪郭抽出部と、
前記各々に対して求められた輪郭情報を用いて、入力画像の各画素に対して、当該画素の位置が輪郭となった頻度を測定して輪郭集中頻度を求める輪郭集中頻度測定部と、
入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定するオブジェクト間境界判定部と、
前記オブジェクト間境界候補を構成する領域から閉領域を抽出してオブジェクト間境界とし、該オブジェクト間境界によって分離される入力画像の各領域を前記各オブジェクトとして得る閉領域抽出部とを備えることを特徴とする画像領域分割装置。 An image region dividing device for separating and extracting each object included in an input image,
A small area dividing unit that excessively divides an input image into a plurality of small areas based on color features;
A target area selection unit that outputs, in an associated manner, an internal area that belongs to the small area and an external area that does not belong to the small area in the input image, for each of the plurality of small areas that are excessively divided;
A small area expansion unit that integrates an area similar in color characteristic to the corresponding internal area in the external area and outputs the area as a small area expansion area;
For each of the small region expansion regions, a contour extraction unit that extracts the pixels on the contour and obtains contour information that is information for identifying the extracted pixels on the contour;
Using the contour information obtained for each of the above, for each pixel of the input image, a contour concentration frequency measuring unit that determines the frequency of contour concentration by measuring the frequency at which the position of the pixel becomes the contour;
Among the pixels of the input image, an inter-object boundary determination unit that determines that a pixel satisfying a predetermined criterion for the contour concentration frequency is an inter-object boundary candidate;
A closed region extracting unit that extracts a closed region from a region constituting the candidate boundary between objects as an inter-object boundary and obtains each region of an input image separated by the inter-object boundary as the object. An image area dividing device.
前記内部領域に含まれる画素の色の分布から色分布モデルを生成する色分布モデル化部と、
前記色分布モデルを用いて、前記内部領域に対応する外部領域を該内部領域との第1の色特徴類似性および該外部領域内の局所領域内の第2の色特徴類似性に基づいて二分割するのに必要なエネルギーを求める、該二分割の領域を変数としたエネルギー関数を生成する分割エネルギー算出部と、
前記エネルギー関数を用いて前記エネルギーを最小とする分割二領域を求め、該分割二領域のうち前記内部領域と色特徴の類似性があると判定された領域を前記内部領域と統合して前記小領域拡張領域として出力する二領域分割・統合部とを備えることを特徴とする請求項1に記載の画像領域分割装置。 The small area extension is
A color distribution modeling unit that generates a color distribution model from the color distribution of pixels included in the internal region;
Using the color distribution model, an outer region corresponding to the inner region is determined based on a first color feature similarity with the inner region and a second color feature similarity with a local region in the outer region. A split energy calculation unit for obtaining an energy function using the two split regions as variables, and obtaining energy required for splitting;
The energy function is used to obtain a divided two region that minimizes the energy, and a region that is determined to have a color feature similarity with the inner region of the divided two regions is integrated with the inner region. The image region dividing apparatus according to claim 1, further comprising a two-region dividing / merging unit that outputs the region as an extended region.
前記第2の色特徴類似性を求めるに際して前記外部領域内の局所領域内の画素値を用いて求め、且つ当該画素値を、入力画像全体内における局所領域内の色特徴類似性に基づいて正規化した値として用いて前記第2の色特徴類似性を求めることを特徴とする請求項2に記載の画像領域分割装置。 The split energy calculation unit
The second color feature similarity is obtained using a pixel value in the local region in the outer region, and the pixel value is normalized based on the color feature similarity in the local region in the entire input image. The image area dividing apparatus according to claim 2, wherein the second color feature similarity is obtained using the converted value.
前記エネルギー関数を用いて前記エネルギーを最小とする分割二領域を求めるに際して、 前記外部領域内に含まれる前記過剰分割された小領域単位でに前記エネルギーを最小とする領域を求めることを特徴とする請求項2または3に記載の画像領域分割装置。 The two-region division / integration unit
When obtaining the divided two regions that minimize the energy using the energy function, a region that minimizes the energy is obtained for each of the excessively divided small regions included in the outer region. The image area dividing device according to claim 2 or 3.
入力画像を減色して減色画像に変換する量子化部と、
前記減色画像の領域境界尤度を所定サンプリング密度の画素単位で算出する領域境界尤度算出部と、
前記領域境界尤度の分布から前記領域境界尤度を算出された各画素が領域境界に属するか領域に属するかを判定し、領域に属する場合は領域番号を付与する領域番号付与部と、
前記領域境界に属するか領域に属するかを判定された画素以外の残りの画素に対して、前記領域番号を付与された画素の局所分布に基づいて領域に属すると判定される画素に領域番号を付与し、前記入力画像全体における前記領域番号を付与された画素の連結領域として前記複数の小領域の各々を得る領域拡大部とを備えることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の画像領域分割装置。 The small region dividing unit is
A quantization unit that reduces the color of the input image and converts it to a reduced color image;
A region boundary likelihood calculating unit that calculates a region boundary likelihood of the color-reduced image in units of pixels of a predetermined sampling density;
A region number assigning unit that determines whether each pixel from which the region boundary likelihood is calculated from the region boundary likelihood distribution belongs to a region boundary or a region;
With respect to the remaining pixels other than the pixels determined to belong to the region boundary or the region, the region number is assigned to the pixel determined to belong to the region based on the local distribution of the pixel assigned the region number. And a region enlarging unit that obtains each of the plurality of small regions as a connected region of pixels assigned with the region number in the entire input image. Image region dividing apparatus.
前記入力画像の画素間の色特徴の類似性を示す類似度行列および該類似度行列の対角行列を算出する画素間類似度行列算出部と、
前記類似度行列および前記対角行列を用いて、色特徴の類似度の高い画素同士が同じ小領域に分割されるための評価基準行列を作成する評価基準作成部と、
前記評価基準行列の固有ベクトルを固有値昇順に所定数求める固有ベクトル算出部と、
前記固有ベクトルおよび前記対角行列を用いて、前記入力画像の各画素が所定数の小領域のいずれに属するかを示す小領域番号行列を算出し、該小領域番号行列を参照して前記複数の小領域の各々を得る小領域算出部とを備えることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の画像領域分割装置。 The small region dividing unit is
A similarity matrix indicating similarity of color features between pixels of the input image and a pixel-to-pixel similarity matrix calculating unit that calculates a diagonal matrix of the similarity matrix;
Using the similarity matrix and the diagonal matrix, an evaluation criterion creation unit that creates an evaluation criterion matrix for dividing pixels having high similarity in color features into the same small region;
An eigenvector calculation unit for obtaining a predetermined number of eigenvectors of the evaluation criterion matrix in ascending order of eigenvalues;
Using the eigenvector and the diagonal matrix, calculate a small area number matrix indicating which of the predetermined number of small areas each pixel of the input image belongs to, and refer to the small area number matrix The image area dividing device according to claim 1, further comprising a small area calculation unit that obtains each of the small areas.
前記オブジェクト境界判定部が、入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定の閾値基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定することを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の画像領域分割装置。 The contour concentration frequency measurement unit obtains the contour concentration frequency by normalizing the measured frequency,
9. The object boundary determination unit according to claim 1, wherein a pixel satisfying a predetermined threshold criterion among the pixels of the input image is determined as an inter-object boundary candidate. An image area dividing device according to claim 1.
前記オブジェクト境界判定部が、入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定の閾値基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定することを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の画像領域分割装置。 The contour concentration frequency measuring unit obtains the contour concentration frequency as a value obtained by dividing the measured frequency using the maximum value of the measured frequencies for each pixel of the input image,
9. The object boundary determination unit according to claim 1, wherein a pixel satisfying a predetermined threshold criterion among the pixels of the input image is determined as an inter-object boundary candidate. An image area dividing device according to claim 1.
前記オブジェクト境界判定部が、入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定の閾値基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定することを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の画像領域分割装置。 The contour concentration frequency measuring unit obtains the contour concentration frequency as a value obtained by dividing the measured frequency by using the number of the small regions excessively divided by the small region dividing unit,
9. The object boundary determination unit according to claim 1, wherein a pixel satisfying a predetermined threshold criterion among the pixels of the input image is determined as an inter-object boundary candidate. An image area dividing device according to claim 1.
入力画像を色特徴に基づいて複数の小領域に過剰分割する小領域分割ステップと、
該過剰分割された複数の小領域の各々に対して、前記入力画像において該小領域に属する内部領域と該小領域に属さない外部領域とを対応付けて出力する対象領域選択ステップと、
前記外部領域のうち対応する前記内部領域と色特徴が類似する領域を該内部領域と統合して小領域拡張領域として出力する小領域拡張ステップと、
前記小領域拡張領域の各々に対して、その輪郭上の画素を抽出し、該抽出された輪郭上の画素を識別する情報である輪郭情報を求める輪郭抽出ステップと、
前記各々に対して求められた輪郭情報を用いて、入力画像の各画素に対して、当該画素の位置が輪郭となった頻度を測定して輪郭集中頻度を求める輪郭集中頻度測定ステップと、
入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定するオブジェクト間境界判定ステップと、
前記オブジェクト間境界候補を構成する領域から閉領域を抽出してオブジェクト間境界とし、該オブジェクト間境界によって分離される入力画像の各領域を前記各オブジェクトとして得る閉領域抽出ステップとを備えることを特徴とする画像領域分割方法。 An image region dividing method for separating and extracting each object included in an input image,
A small area dividing step of excessively dividing the input image into a plurality of small areas based on color features;
A target area selecting step for outputting an associated internal area belonging to the small area and an external area not belonging to the small area in the input image for each of the plurality of subdivided small areas;
A small region expansion step of integrating a region similar in color characteristic to the corresponding internal region in the external region with the internal region and outputting as a small region expansion region;
For each of the small area expansion regions, a contour extraction step for extracting contour pixels that are information for extracting pixels on the contour and identifying the pixels on the extracted contour;
Using the contour information obtained for each of the above, for each pixel of the input image, the contour concentration frequency measuring step for measuring the frequency at which the position of the pixel becomes the contour and obtaining the contour concentration frequency;
Among the pixels of the input image, an inter-object boundary determination step for determining, as an inter-object boundary candidate, a pixel whose contour concentration frequency satisfies a predetermined criterion;
A closed region extracting step of extracting a closed region from a region constituting the inter-object boundary candidate as an inter-object boundary, and obtaining each region of the input image separated by the inter-object boundary as each object. An image region dividing method.
入力画像を色特徴に基づいて複数の小領域に過剰分割する小領域分割ステップと、
該過剰分割された複数の小領域の各々に対して、前記入力画像において該小領域に属する内部領域と該小領域に属さない外部領域とを対応付けて出力する対象領域選択ステップと、
前記外部領域のうち対応する前記内部領域と色特徴が類似する領域を該内部領域と統合して小領域拡張領域として出力する小領域拡張ステップと、
前記小領域拡張領域の各々に対して、その輪郭上の画素を抽出し、該抽出された輪郭上の画素を識別する情報である輪郭情報を求める輪郭抽出ステップと、
前記各々に対して求められた輪郭情報を用いて、入力画像の各画素に対して、当該画素の位置が輪郭となった頻度を測定して輪郭集中頻度を求める輪郭集中頻度測定ステップと、
入力画像の各画素のうち、前記輪郭集中頻度が所定基準を満たす画素をオブジェクト間境界候補であるとして判定するオブジェクト間境界判定ステップと、
前記オブジェクト間境界候補を構成する領域から閉領域を抽出してオブジェクト間境界とし、該オブジェクト間境界によって分離される入力画像の各領域を前記各オブジェクトとして得る閉領域抽出ステップとを実行させるためのプログラム。 An image region segmentation program that separates and extracts each object included in an input image.
A small area dividing step of excessively dividing the input image into a plurality of small areas based on color features;
A target area selecting step for outputting an associated internal area belonging to the small area and an external area not belonging to the small area in the input image for each of the plurality of subdivided small areas;
A small region expansion step of integrating a region similar in color characteristic to the corresponding internal region in the external region with the internal region and outputting as a small region expansion region;
For each of the small area expansion regions, a contour extraction step for extracting contour pixels that are information for extracting pixels on the contour and identifying the pixels on the extracted contour;
Using the contour information obtained for each of the above, for each pixel of the input image, the contour concentration frequency measuring step for measuring the frequency at which the position of the pixel becomes the contour and obtaining the contour concentration frequency;
Among the pixels of the input image, an inter-object boundary determination step for determining, as an inter-object boundary candidate, a pixel whose contour concentration frequency satisfies a predetermined criterion;
A closed region extraction step for extracting a closed region from regions constituting the inter-object boundary candidate to obtain an inter-object boundary, and obtaining each region of an input image separated by the inter-object boundary as each object. program.
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