テンプレートマッチング手法の天候・照明変化に対するロバスト性の評価
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[[太田研 公開用Wiki]]
*テンプレートマッチング手法の天候・照明変化に対するロバス...
#contents
*はじめに [#sc8a0b87]
**自律走行ロボットとは [#d31732d5]
近年、あらゆる分野で活躍するロボットのひとつに、自律走行...
自律走行ロボットとは、操作者を必要とすることなく、自ら思...
**自律走行ロボットが抱える問題 [#p91cf9fd]
このロボットが移動するためには、ロボット自身が自分の現在...
ロボットが自身の位置情報を、周囲の情報を元に推測すること...
この自己位置推定には、さまざまな手法が用いられるが、本研...
を用いて自己位置推定を行うロボットを考えることにする。~
まず経路上の特徴的な風景やランドマークを撮影し、その撮影...
この記憶させた画像をリファレンス画像という。~
ロボットは走行時にカメラで周囲の画像を撮影し、リファレン...
マッチングに成功すれば、リファレンス画像の撮影位置の情報...
しかしこのような方法では、ロボットが屋外を走行する際に問...
なぜならば、屋外の風景というのは、雨や雪などの天候条件だ...
リファレンス画像を撮影したときと、実際の走行時の天候・照...
マッチングがうまくいかなければ正しい自己位置推定もできな...
したがってこのような変化に影響されにくいマッチング手法を...
#ref(robot.jpg,center,593x276)
CENTER:図1 画像マッチングを用いた自律走行ロボットの動作
*研究目的 [#hd1d7e76]
上記のように、画像マッチングにより自己位置を推定するロボ...
画像マッチングの結果が天候・照明条件にかかわらず一定、つ...
そこで本研究では、既存手法の中から、どのようなマッチング...
屋外において自律走行ロボットが用いるべきマッチング手法を...
なお、本研究では数あるマッチング手法の中からテンプレート...
*研究手法 [#h2685831]
**準備 [#nbbb0fb4]
***使用する画像 [#g06e8a73]
市販のウェブカメラを用いて、撮影位置を変えることなく、屋...
これにより、照明・天候変化のある、約7200枚の画像を用意し...
#ref(im2011_06_09_12_13_12_0.jpg,center,620x512)
CENTER:図2 用意した画像の一例
***評価するテンプレート [#te82b9c0]
用意した画像の中から1枚を選択し、5箇所を切り取ってテンプ...
#ref(preparation.jpg,center,708x311)
CENTER:図3 テンプレート作成の流れ
本研究では、以下の5つのテンプレートについて、どのテンプレ...
-''窓枠''~
比較的近い位置にある構造物としての特徴を持つ。ほぼすべて...
-''遠方の建物''~
遠い位置にある構造物としての特徴を持つ。多くの部分が平面...
-''木''~
比較的近い位置にある自然物としての特徴を持つ。複雑な形状...
-''遠方の山''~
遠い位置にある自然物としての特徴を持つ。複雑な形状をして...
-''道路標示''~
路面としての特徴を持つ。すべて平面で構成される。
#ref(template.jpg,center,620x512)
CENTER:図4 テンプレートの切り出し位置
***評価するアルゴリズム [#kf223df7]
本研究では、以下の6つのアルゴリズムに対して、どのアルゴリ...
-''SSD''~
SSD（Sum of Squared Difference）は、入力画像とテンプレー...
-''SSD（正規化）''~
画像を正規化してからSSDを実行する。
-''NCC''~
NCCは（Normalized Cross-Correlation）、入力画像とテンプレ...
-''NCC（正規化）''~
画像を正規化してからNCCを実行する。
-''ZNCC''~
ZNCC（Zero-mean Normalized Cross-Correlation）は、入力画...
これにより、明るさの変化に対しても安定的に類似度を計算す...
-''ZNCC（正規化）''~
画像を正規化してからZNCCを実行する。
**実験1:アルゴリズムのロバスト性の評価 [#i615f47b]
入力画像全体とテンプレートとでマッチングを行い、最も類似...
このマッチング位置が、使用するテンプレートと同じ位置、つ...
窓枠テンプレートを用いた場合のマッチングの成功判定は下図...
#ref(jikken1.jpg,center,620x512)
CENTER:図5 窓枠テンプレートを用いた場合のマッチングの成功...
図左上の四角の位置にマッチした場合は成功、それ以外の位置...
1つのマッチングアルゴリズムを用いて上記のような操作を行い...
つまり、アルゴリズム・テンプレート画像の組み合わせを変え...
これにより、6種類のアルゴリズムのうち、どのアルゴリズムが...
使用するテンプレートにかかわらず成功率が高いほど、天候・...
#ref(jikken1_2.jpg,center,907x373)
CENTER:図6 実験1の流れ
**実験2:ランドマークのロバスト性の評価 [#da6920bc]
実験1では画像全体とマッチングを行ったのに対し、実験2では...
これを5種類のテンプレート画像について行う。~
アルゴリズムには、実験1の結果から、天候・照明変化に対して...
つまりここでは、テンプレートごとの、時間変化に対する類似...
これにより、どのような風景をランドマークに選択すべきかを...
日や時間帯に関係なく、安定して高い類似度を示すテンプレー...
#ref(jikken2.jpg,center,606x501)
CENTER:図7 実験2の流れ
*研究結果 [#l2fa537f]
**実験1 [#m9f96296]
5日間のマッチング成功率をあらわす表を以下に示す。表の数値...
#ref(jikken1_09.jpg,center,670x210)
CENTER:図8 6月9日のマッチング成功率
#br
#br
#ref(jikken1_10.jpg,center,670x210)
CENTER:図9 6月10日のマッチング成功率
#br
#br
#ref(jikken1_11.jpg,center,670x210)
CENTER:図10 6月11日のマッチング成功率
#br
#br
#ref(jikken1_12.jpg,center,670x210)
CENTER:図11 6月12日のマッチング成功率
#br
#br
#ref(jikken1_13.jpg,center,670x210)
CENTER:図12 6月13日のマッチング成功率
#br
#br
#ref(jikken1_total.jpg,center,670x210)
CENTER:図13 5日間通してのマッチング成功率
**実験2 [#xa212437]
実験1の結果から、ここではアルゴリズムにZNCCを用いている。~
各テンプレートの5日間の類似度変化を散布グラフで以下に示す...
グラフの横軸が時間を、縦軸が類似度を表す。~
類似度の最大値は1、最小値は0で、1に近いほど類似した画像で...
なお、テンプレートと同じ位置でマッチングを行っているため...
テンプレートごとの違いを分かりやすくするために、グラフ縦...
#ref(graph09.jpg,center,658x432)
CENTER:図14 6月9日の類似度変化
#br
#br
#ref(graph10.jpg,center,658x432)
CENTER:図15 6月10日の類似度変化
#br
#br
#ref(graph11.jpg,center,658x432)
CENTER:図16 6月11日の類似度変化
#br
#br
#ref(graph12.jpg,center,658x432)
CENTER:図17 6月12日の類似度変化
#br
#br
#ref(graph13.jpg,center,658x432)
CENTER:図18 6月13日の類似度変化
*考察 [#h49daa3e]
**実験1 [#nd29303b]
SSDは構造物や木に対しては高い正解率を示すものの、山の画像...
3つのアルゴリズムに共通することだが、画像を正規化してから...
正規化した場合のほうが格段に高い精度を示すことが分かった。~
成功判定にはある程度の誤差を許容しているが、わずかにずれ...
すべてのテンプレートで高い正解率を示しているのは、正規化...
SSDが苦手とする山の画像においても、かなり高い正解率を示し...
また、非常に僅差ではあるものの、NCCよりもZNCCがすべての場...
**実験2 [#w285e0fd]
全体的に見ると、最も安定して高い類似度を保っているのは窓...
逆に最も不安定なのは路面テンプレートで、他のテンプレート...
構造物と木や山などの自然物とを比較すると、構造物の方の類...
また同じ構造物でも、遠方に写るものよりも近くにある窓枠の...
各時間帯のランドマークに対する天候・照明変化による影響の...
***霧による影響 [#ha327d8b]
9日6時前後に山の類似度がやや低くなっている。~
これは山に霧がかかり、画像が全体的に白くなっていたことが...
別の日に関しても、朝の時間帯は山に霧がかかりやすく、山の...
他のテンプレート画像にはあまり影響が出ておらず、類似度の...
***強い日差しによる影響 [#me17dba2]
9日9時前後には山以外の類似度が下がっている．これは日差し...
一方で同じように日差しを受けたはずの山は高い類似度を保っ...
これについては，山の画像は比較的複雑で，さらに遠方に写っ...
全体としての明るさが比較的均一に保たれているからではない...
***雨による影響 [#z0d5f88a]
11日午前中には雨による影響で、全体の類似度が下がってしま...
一方で、窓枠はその影響をほとんど受けることなく高い類似度...
画像を見ると、窓枠に関しては雨によって画像がほとんど変化...
遠方に写るものほど、画像が白くぼやけてしまっていることが...
***路面への影響 [#ie1ea3f2]
5日間を通して路面の類似度にかなりばらつきがあった。~
これには建物の影が映ってしまう場合、路面が雨にぬれてしま...
そして今回用いた画像は高い位置から撮影したものであったた...
#ref(temp_and_fog.jpg,center,720x850)
CENTER:図19 テンプレート画像と霧の影響を受けた画像
#br
#br
#br
#br
#br
#ref(light_and_rain.jpg,center,720x850)
CENTER:図20 日差しの影響を受けた画像と雨の影響を受けた画像
*まとめ [#mf4746aa]
**実験1 [#h1373192]
実験1の結果から、今回調べた6種類のテンプレートマッチング...
天候・照明の変化に対して最も高い耐性を示すアルゴリズムはZ...
ZNCCは明るさの変化に影響を受けにくいとされているが、その...
**実験2 [#y2a68f36]
実験2の結果から、今回調べた5種類のテンプレートのうち、
天候・照明の変化に対して最も高い耐性を示すテンプレートは...
路面はその影響を受けやすく、単純にランドマークとして用い...
天候・照明変化に対しては、路面よりも自然物、自然物よりも...
また、ランドマークまでの距離に関しても、遠方のものよりも...
**まとめ [#h8b2a7f9]
以上のことから、屋外におけるテンプレートマッチングでは、~
-''アルゴリズムにZNCCを用いて''
-''近い位置にある構造物をランドマークに選択して''
マッチングを行うことで、ロバスト性の高い結果を得ることが...
自律走行ロボットがテンプレートマッチング手法を用いて自己...
終了行:
[[太田研 公開用Wiki]]
*テンプレートマッチング手法の天候・照明変化に対するロバス...
#contents
*はじめに [#sc8a0b87]
**自律走行ロボットとは [#d31732d5]
近年、あらゆる分野で活躍するロボットのひとつに、自律走行...
自律走行ロボットとは、操作者を必要とすることなく、自ら思...
**自律走行ロボットが抱える問題 [#p91cf9fd]
このロボットが移動するためには、ロボット自身が自分の現在...
ロボットが自身の位置情報を、周囲の情報を元に推測すること...
この自己位置推定には、さまざまな手法が用いられるが、本研...
を用いて自己位置推定を行うロボットを考えることにする。~
まず経路上の特徴的な風景やランドマークを撮影し、その撮影...
この記憶させた画像をリファレンス画像という。~
ロボットは走行時にカメラで周囲の画像を撮影し、リファレン...
マッチングに成功すれば、リファレンス画像の撮影位置の情報...
しかしこのような方法では、ロボットが屋外を走行する際に問...
なぜならば、屋外の風景というのは、雨や雪などの天候条件だ...
リファレンス画像を撮影したときと、実際の走行時の天候・照...
マッチングがうまくいかなければ正しい自己位置推定もできな...
したがってこのような変化に影響されにくいマッチング手法を...
#ref(robot.jpg,center,593x276)
CENTER:図1 画像マッチングを用いた自律走行ロボットの動作
*研究目的 [#hd1d7e76]
上記のように、画像マッチングにより自己位置を推定するロボ...
画像マッチングの結果が天候・照明条件にかかわらず一定、つ...
そこで本研究では、既存手法の中から、どのようなマッチング...
屋外において自律走行ロボットが用いるべきマッチング手法を...
なお、本研究では数あるマッチング手法の中からテンプレート...
*研究手法 [#h2685831]
**準備 [#nbbb0fb4]
***使用する画像 [#g06e8a73]
市販のウェブカメラを用いて、撮影位置を変えることなく、屋...
これにより、照明・天候変化のある、約7200枚の画像を用意し...
#ref(im2011_06_09_12_13_12_0.jpg,center,620x512)
CENTER:図2 用意した画像の一例
***評価するテンプレート [#te82b9c0]
用意した画像の中から1枚を選択し、5箇所を切り取ってテンプ...
#ref(preparation.jpg,center,708x311)
CENTER:図3 テンプレート作成の流れ
本研究では、以下の5つのテンプレートについて、どのテンプレ...
-''窓枠''~
比較的近い位置にある構造物としての特徴を持つ。ほぼすべて...
-''遠方の建物''~
遠い位置にある構造物としての特徴を持つ。多くの部分が平面...
-''木''~
比較的近い位置にある自然物としての特徴を持つ。複雑な形状...
-''遠方の山''~
遠い位置にある自然物としての特徴を持つ。複雑な形状をして...
-''道路標示''~
路面としての特徴を持つ。すべて平面で構成される。
#ref(template.jpg,center,620x512)
CENTER:図4 テンプレートの切り出し位置
***評価するアルゴリズム [#kf223df7]
本研究では、以下の6つのアルゴリズムに対して、どのアルゴリ...
-''SSD''~
SSD（Sum of Squared Difference）は、入力画像とテンプレー...
-''SSD（正規化）''~
画像を正規化してからSSDを実行する。
-''NCC''~
NCCは（Normalized Cross-Correlation）、入力画像とテンプレ...
-''NCC（正規化）''~
画像を正規化してからNCCを実行する。
-''ZNCC''~
ZNCC（Zero-mean Normalized Cross-Correlation）は、入力画...
これにより、明るさの変化に対しても安定的に類似度を計算す...
-''ZNCC（正規化）''~
画像を正規化してからZNCCを実行する。
**実験1:アルゴリズムのロバスト性の評価 [#i615f47b]
入力画像全体とテンプレートとでマッチングを行い、最も類似...
このマッチング位置が、使用するテンプレートと同じ位置、つ...
窓枠テンプレートを用いた場合のマッチングの成功判定は下図...
#ref(jikken1.jpg,center,620x512)
CENTER:図5 窓枠テンプレートを用いた場合のマッチングの成功...
図左上の四角の位置にマッチした場合は成功、それ以外の位置...
1つのマッチングアルゴリズムを用いて上記のような操作を行い...
つまり、アルゴリズム・テンプレート画像の組み合わせを変え...
これにより、6種類のアルゴリズムのうち、どのアルゴリズムが...
使用するテンプレートにかかわらず成功率が高いほど、天候・...
#ref(jikken1_2.jpg,center,907x373)
CENTER:図6 実験1の流れ
**実験2:ランドマークのロバスト性の評価 [#da6920bc]
実験1では画像全体とマッチングを行ったのに対し、実験2では...
これを5種類のテンプレート画像について行う。~
アルゴリズムには、実験1の結果から、天候・照明変化に対して...
つまりここでは、テンプレートごとの、時間変化に対する類似...
これにより、どのような風景をランドマークに選択すべきかを...
日や時間帯に関係なく、安定して高い類似度を示すテンプレー...
#ref(jikken2.jpg,center,606x501)
CENTER:図7 実験2の流れ
*研究結果 [#l2fa537f]
**実験1 [#m9f96296]
5日間のマッチング成功率をあらわす表を以下に示す。表の数値...
#ref(jikken1_09.jpg,center,670x210)
CENTER:図8 6月9日のマッチング成功率
#br
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#ref(jikken1_10.jpg,center,670x210)
CENTER:図9 6月10日のマッチング成功率
#br
#br
#ref(jikken1_11.jpg,center,670x210)
CENTER:図10 6月11日のマッチング成功率
#br
#br
#ref(jikken1_12.jpg,center,670x210)
CENTER:図11 6月12日のマッチング成功率
#br
#br
#ref(jikken1_13.jpg,center,670x210)
CENTER:図12 6月13日のマッチング成功率
#br
#br
#ref(jikken1_total.jpg,center,670x210)
CENTER:図13 5日間通してのマッチング成功率
**実験2 [#xa212437]
実験1の結果から、ここではアルゴリズムにZNCCを用いている。~
各テンプレートの5日間の類似度変化を散布グラフで以下に示す...
グラフの横軸が時間を、縦軸が類似度を表す。~
類似度の最大値は1、最小値は0で、1に近いほど類似した画像で...
なお、テンプレートと同じ位置でマッチングを行っているため...
テンプレートごとの違いを分かりやすくするために、グラフ縦...
#ref(graph09.jpg,center,658x432)
CENTER:図14 6月9日の類似度変化
#br
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#ref(graph10.jpg,center,658x432)
CENTER:図15 6月10日の類似度変化
#br
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#ref(graph11.jpg,center,658x432)
CENTER:図16 6月11日の類似度変化
#br
#br
#ref(graph12.jpg,center,658x432)
CENTER:図17 6月12日の類似度変化
#br
#br
#ref(graph13.jpg,center,658x432)
CENTER:図18 6月13日の類似度変化
*考察 [#h49daa3e]
**実験1 [#nd29303b]
SSDは構造物や木に対しては高い正解率を示すものの、山の画像...
3つのアルゴリズムに共通することだが、画像を正規化してから...
正規化した場合のほうが格段に高い精度を示すことが分かった。~
成功判定にはある程度の誤差を許容しているが、わずかにずれ...
すべてのテンプレートで高い正解率を示しているのは、正規化...
SSDが苦手とする山の画像においても、かなり高い正解率を示し...
また、非常に僅差ではあるものの、NCCよりもZNCCがすべての場...
**実験2 [#w285e0fd]
全体的に見ると、最も安定して高い類似度を保っているのは窓...
逆に最も不安定なのは路面テンプレートで、他のテンプレート...
構造物と木や山などの自然物とを比較すると、構造物の方の類...
また同じ構造物でも、遠方に写るものよりも近くにある窓枠の...
各時間帯のランドマークに対する天候・照明変化による影響の...
***霧による影響 [#ha327d8b]
9日6時前後に山の類似度がやや低くなっている。~
これは山に霧がかかり、画像が全体的に白くなっていたことが...
別の日に関しても、朝の時間帯は山に霧がかかりやすく、山の...
他のテンプレート画像にはあまり影響が出ておらず、類似度の...
***強い日差しによる影響 [#me17dba2]
9日9時前後には山以外の類似度が下がっている．これは日差し...
一方で同じように日差しを受けたはずの山は高い類似度を保っ...
これについては，山の画像は比較的複雑で，さらに遠方に写っ...
全体としての明るさが比較的均一に保たれているからではない...
***雨による影響 [#z0d5f88a]
11日午前中には雨による影響で、全体の類似度が下がってしま...
一方で、窓枠はその影響をほとんど受けることなく高い類似度...
画像を見ると、窓枠に関しては雨によって画像がほとんど変化...
遠方に写るものほど、画像が白くぼやけてしまっていることが...
***路面への影響 [#ie1ea3f2]
5日間を通して路面の類似度にかなりばらつきがあった。~
これには建物の影が映ってしまう場合、路面が雨にぬれてしま...
そして今回用いた画像は高い位置から撮影したものであったた...
#ref(temp_and_fog.jpg,center,720x850)
CENTER:図19 テンプレート画像と霧の影響を受けた画像
#br
#br
#br
#br
#br
#ref(light_and_rain.jpg,center,720x850)
CENTER:図20 日差しの影響を受けた画像と雨の影響を受けた画像
*まとめ [#mf4746aa]
**実験1 [#h1373192]
実験1の結果から、今回調べた6種類のテンプレートマッチング...
天候・照明の変化に対して最も高い耐性を示すアルゴリズムはZ...
ZNCCは明るさの変化に影響を受けにくいとされているが、その...
**実験2 [#y2a68f36]
実験2の結果から、今回調べた5種類のテンプレートのうち、
天候・照明の変化に対して最も高い耐性を示すテンプレートは...
路面はその影響を受けやすく、単純にランドマークとして用い...
天候・照明変化に対しては、路面よりも自然物、自然物よりも...
また、ランドマークまでの距離に関しても、遠方のものよりも...
**まとめ [#h8b2a7f9]
以上のことから、屋外におけるテンプレートマッチングでは、~
-''アルゴリズムにZNCCを用いて''
-''近い位置にある構造物をランドマークに選択して''
マッチングを行うことで、ロバスト性の高い結果を得ることが...
自律走行ロボットがテンプレートマッチング手法を用いて自己...
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