Optikai áramlás felépítése. Amit tudni akart az optikai áramlásról, de zavarba jött megkérdezni. Nézze meg, mi az „optikai áramlás” más szótárakban

A fényerősségű képek együtt mozognak a megfigyelt objektumokkal. Az optikai áramlás a fényes kép látszólagos mozgása. Ideális esetben az optikai áramlás megfelel a mozgástérnek, de alább megmutatjuk, hogy ez nem mindig van így.

Rizs. 12.2. Optikai áramlás, amely nem mindig esik egybe a mozgástérrel. a - egy sima gömb forog állandó megvilágítás mellett - a kép nem változik, bár a mozgástér nem nulla; b - álló gömböt mozgó forrás világít meg - a kép megvilágítási eloszlása ​​megváltozik, bár a mozgástér nulla.

Tekintsünk egy ideálisan homogén gömböt, amely a látórendszer lencséje előtt forog (12.2. ábra, a). Mivel a felület ívelt, a gömb képén a fényesség térbeli eltérései figyelhetők meg. Ez a fényerősség-minta azonban nem mozog a felülettel együtt, és a kép sem változik az idő múlásával. Ebben az esetben az optikai fluxus mindenhol nulla, bár a mozgástér nem nulla. Tekintsünk most egy álló gömböt, amelyet mozgó fényforrás világít meg (12.2. ábra, b). A kép fényereje a forrás mozgásával változik. Ebben az esetben az optikai áramlás nyilvánvalóan nem nulla, bár a mozgástér mindenhol nulla. A tükörreflexiók és az árnyékok további példák arra, amikor az optikai áramlás nem esik egybe a mozgástérrel.

Csak az optikai áramláshoz férünk hozzá, és feltételezzük, hogy normál esetben az optikai áramlás nem nagyon különbözik a mozgástértől. Ez lehetővé teszi a relatív mozgás becslését a kép időbeli változása alapján.

Mit értünk egy fényességminta látszólagos mozgása alatt? Tekintsünk egy olyan P pontot a képen, amely pillanatnyilag E fényerővel rendelkezik (12.3. ábra). A kép melyik P pontja felel meg pillanatnyilag neki, vagyis hogyan mozog a fényerejű kép ebben az időintervallumban? Általában a P pont közelében sok van

pontok azonos fényerejű E. Ha a kép minket érdeklő részén a fényerő folyamatosan változik, akkor a P pont egy egyenlő fényerősségű C vonalon fog feküdni. Jelenleg egy C egyenlő fényerősségű vonalnak felel meg ugyanaz az E érték. De mi a megfelelés a C és a WITH egyenesek pontjai között? Erre a kérdésre nem könnyű válaszolni, mivel ennek a vonalnak az alakja általában mozgás közben változik.

Megjegyezzük tehát, hogy a változó képen az optikai áramlást kétértelműen meghatározza a helyi információ. Illusztráljuk ezt egy másik példával. Tekintsünk egy olyan egyenletes fényességű tartományt a képen, amely idővel nem változik. A „legvalószínűbb” ebben az esetben a nulla optikai fluxus lenne. Valójában egy homogén folton belül tetszőleges sebességet rendelhetünk a pontokhoz. Bár láthatóan a legegyszerűbb magyarázatot választanánk a megfigyelt képváltozásokra (jelen esetben az ilyen változások hiányára).

Legyen a megvilágítás a kép egy pontján az időben. Ekkor az optikai áramlásvektor if és y-komponensei ezen a ponton számíthatunk arra, hogy a megvilágítás abban a pillanatban azonos lesz, ahol egy kis időintervallumra ez az egyetlen korlátozás nem elegendő egyértelműen meghatározni a két ismeretlent és a V. Az is világos, hogy szeretnénk kihasználni azt a tényt, hogy a mozgástér szinte mindenhol folytonos.

Ha a fényerő simán változik, akkor az egyenlet bal oldalát kibővíthetjük Taylor sorozattá és innen kapjuk

ahol az in tartalmazza a magasabb rendű kicsinységet kiindulva

Rizs. 12.3. A világossági minta látszólagos mozgása.

Nem könnyű eldönteni, hogy a második kép C fényerőszintvonalán melyik P pont felel meg az első kép C fényerőszintvonalának adott P pontjának.

Rizs. 12.4. Helyi információ a fényerő gradienséről és annak időbeli változásának mértékéről, amely csak egy korlátozást ró az optikai áramlási vektor összetevőire. Szükséges, hogy az áramlási sebesség a fényesség gradiens irányára merőleges egyenes mentén legyen irányítva. Csak a fényesség gradiens mentén irányított komponenst tudjuk meghatározni. Az áramlási sebesség merőleges irányú komponenséről semmit sem tudunk.

a másodiktól. Csökkentsük, osszuk el, és menjünk a határértékig, akkor kapjuk

Az optikai áramlás a tárgyak, felületek vagy a jelenet éleinek látszólagos mozgásának képe, amely a megfigyelő (szem vagy kamera) jelenethez viszonyított mozgásából ered. Az optikai áramlás alapú algoritmusok – mint például a mozgásérzékelés, az objektumszegmentálás, a mozgáskódolás és a sztereó eltérés számítása – kihasználják az objektumok, felületek és élek mozgását.

Optikai áramlásbecslés

Az optikai áramlás alapú módszerek kiszámítják a mozgást két képkocka között, amelyek egy adott pillanatban és minden pixelnél készülnek. Ezeket a módszereket differenciálisnak nevezzük, mert a Taylor-soros szegmensjel közelítésén alapulnak; így parciális deriváltokat használnak az idő és a térbeli koordináták tekintetében.

2D+ méret esetén t(nagyobb dimenziójú esetek hasonlóak) az egy képkockán belüli intenzitású pozícióban lévő pixel átkerül a és -be, és a következő egyenlet írható fel:

Feltételezve, hogy az elmozdulás kicsi, és a Taylor sorozatot használva a következőket kapjuk:

Ezekből az egyenlőségekből az következik:

innentől az derül ki

Optikai áramlási sebesség összetevői -ban,

Származtatott képek a megfelelő irányban.

És így:

Az eredményül kapott egyenlet két ismeretlent tartalmaz, és nem lehet egyértelműen feloldani. Ezt rekesznyílás-problémának nevezik. A problémát további megszorítások - a rendszeresítés - oldják meg.

Az optikai áramlás meghatározásának módszerei:

A fáziskorreláció a normalizált keresztspektrum inverziója.

Blokk módszerek - a négyzetösszeg vagy a különbségek modulusának minimalizálása

Differenciális módszerek az optikai áramlás becslésére a jel részleges származékai alapján:

Lucas algoritmus - Kanade - a kép egyes részeit és a mozgás affin modelljét veszik figyelembe

Horn–Schunck - egy olyan funkcionális minimalizálása, amely leírja az állandó fényerő feltételezésétől való eltérést és a kapott vektormező simaságát.

Buxton–Buxton - az objektumhatárok mozgásának modelljén alapul egy képsorozatban

Az általános variációs módszerek a Horn-Schunck módszer olyan módosításai, amelyek különböző adat- és különböző simasági megszorításokat használnak.

Diszkrét optimalizálási módszerek - a keresési teret kvantálják, majd a kép minden pixeléhez hozzárendelnek egy címkét, hogy az egymást követő képkockák közötti távolság minimális legyen. Az optimális megoldást gyakran algoritmusok segítségével találják meg a minimális vágás és a maximális áramlás meghatározására egy gráfban, lineáris programozással vagy hiedelemterjesztéssel.

Az optikai áramláskövetést gyakran használják rögzített kamerákkal, például repülőterek vagy épületek kameráival vagy rögzített műszerfalakkal.

Ebben a munkában a Lucas-Kanade algoritmust használó módszert alkalmaztuk (4-6. ábra)

Rizs. 4 A modell fő ablaka

Rizs. 5 Model blokkok

Rizs. 6 A modell eredménye

Ez a modell egy optikai áramlásbecslési módszert használ a mozgásvektorok meghatározására a videofájl egyes képkockáiban. A mozgásvektorok korlátozásával és morfológiai közelítésével a modell bináris jellemzőképeket hoz létre. A modell minden bináris képen talál egy autót a „Blob Analysis” blokkon keresztül. A Draw Shapes blokk ezután zöld téglalapot rajzol a fehér vonalon áthaladó autók köré.

A módszer hátránya, hogy a kamerának álló helyzetben kell lennie, különben a felismerés és a követés eredménye kiszámíthatatlan lesz.

Az optikai áramlás felépítését hagyományosan a jelenlegi (aktuális) és az előző képkockák közötti fényesség-geometriai változások értékelésére szolgáló eljárásnak tekintik. Az álló kamera előtti tárgyak mozgása, valamint a kamera mozgása a környező környezetben ennek megfelelő változáshoz vezet a képen. A látható tér látszólagos mozgását (kétdimenziós fényerő-eloszlás), amely akkor figyelhető meg, amikor a kamera a leképezett tárgyakhoz vagy a tárgyakhoz képest a kamerához képest mozog, optikai áramlásnak nevezzük. Határozzuk meg a mozgásmezőt úgy, hogy a kép minden pontjához egy sebességvektort rendelünk. Egy kiválasztott pillanatban a kép egy pontja megfelel a tárgy felületének egy bizonyos pontjának. Ezt a két pontot tervezési egyenletek kapcsolják össze. A tárgypont sebességgel mozog a kamerához képest. Ez mozgást generál a kép megfelelő pontjában. Idővel a pont egy távolságot, a képe pedig egy távolságot (lásd 1. ábra).

Rizs. 1.

A fényerő-eloszlások a megfigyelt objektumokkal együtt mozognak. Az optikai áramlás, amint azt korábban említettük, a fényességminta látszólagos mozgása. Ideális esetben az optikai áramlás megfelel a korábban meghatározott mozgástérnek, azonban a gyakorlatban ez nem mindig van így.

Legyen most egy pixel fényereje a kép egy pontjában az idő pillanatában. Ekkor ha és - és az optikai áramlási vektor komponensei ezen a ponton, akkor erre számíthatunk

Töröljük a bal és a jobb oldalon, osszuk el, és menjünk a határértékig. Kapunk

A deriváltak véges különbségekkel való numerikus közelítésével könnyen származtathatók a képből

Írjuk át a (4)-et a formába

Itt a régió az a régió, amelyben az optikai áramlást keresik. Az együttható értéke határozza meg a funkcionális (11) simító részének szignifikancia szintjét. Vegye figyelembe, hogy az irodalomban az értékek kiválasztására vonatkozó javaslatok radikálisan különböznek. Például a könyvben azt javasolják, hogy ezt az állandót egyenlőnek, a könyvben egyenlőnek válasszák.

A funkcionális (6) minimalizálásának problémáját a (7)-(8) iteratív eljárással oldjuk meg. A funkciót (6) minimalizáló sebességsor a következőképpen alakul:

Itt az index az aktuális iteráció számát mutatja, - az aktuális rácscsomópont indexeit.

Az iteratív folyamat akkor ér véget, ha a két egymást követő iteráció közötti eltérés (9) kisebb, mint egy előre meghatározott szám:

Ezt a feltételt azonban meglehetősen kényelmetlen kifejezetten használni, mivel jelentős számítási költségekkel jár a kiszámítása, ha minden iterációnál ellenőrizni kell. Ezért általában rögzített számú iterációt használnak. Például a munkákban javasolt használni. A gyakorlatban a jó tárgykontrasztú képekhez elegendő az iteráció. Lényegesen nagyobb számú iteráció használata hibás, nullától eltérő sebességek megjelenéséhez vezethet azokban a régiókban, ahol a sebességmező valójában nulla. Ez különösen olyan esetekben fordul elő, amikor két különböző objektum mozog egymástól kis távolságra. A köztük lévő sebességmező valójában nulla, de a nagy számú iteráció során számított optikai áramlás a mozgás folytonosságának feltételezése miatt nullától eltérő is lehet.

Az optikai áramlás nulla is lehet, ha a sebességmező nem nulla. Ez az eset például akkor fordul elő, amikor egy állandó fényerővel jellemezhető objektumot mozgatnak az elfoglalt képterület teljes területén. Ebben az esetben az objektum határán számított optikai fluxus nullától eltérő lesz, az objektum középpontjában számított optikai fluxus pedig nullához közeli, míg a valódi sebességmezőnek a teljes felületen azonosnak kell lennie. a tárgy. Ezt a problémát „rekesznyílás-problémának” nevezik.

A kép fényerejének származékait a következőképpen javasoljuk kiszámítani:

Itt a deriváltak rácsközelítését használjuk. Az index az aktuális keret számát mutatja, - az aktuális rácscsomópont indexeit. A variációk és a parciális deriváltak kiszámításakor (10) tetszőleges módon választhatók. Általában hálót használnak

Most, ha az iteratív folyamatban (7) a parciális deriváltokat (10) és az átlagos sebességeket (8) kiindulási feltételekkel helyettesítjük, mindenki számára a régióban könnyű megtalálni az összes rácspont sebességét a videó megfigyelt képkockáin. sorrend.

A leírt számítási séma a hagyományos optikai áramlásbecslési módszereket követi. A nagy mennyiségű valós videofelvételen végzett kísérletek azonban azt mutatták, hogy amikor az optikai áramláselemző algoritmusok közvetlenül az eredeti digitális féltónusos képekből működnek, az ilyen algoritmusok kimeneti adatainak minősége nem elég magas a zaj és a zaj jelentős hatása miatt. egyéb interferencia az objektumészlelés minőségében. E tekintetben ebben a munkában egy speciális különbség-kumulatív eljárást javasolunk, amelyet a következő részben ismertetünk, mint eljárást a videoadatok előfeldolgozására. Ennek az eljárásnak a jelentése a mozgó objektumok körvonalainak robusztus előzetes kiválasztása, amelyből azután kiszámítják az optikai áramlások becslését, amelyet a hipotézisek kialakítása és a mozgó objektumok követése során használnak fel.

Ez a vizuális jelenet tárgyak, felületek és élek mozgásának látható nyomának ábrázolása, amely akkor figyelhető meg, ha a megfigyelő (például emberi szem vagy kamera) és a jelenet között relatív mozgás van.

Az optikai áramlás fogalmát James J. Gibson amerikai pszichológus javasolta az 1940-es években annak a vizuális ingernek (jelnek) leírására, amely azokban az állatokban fordul elő, amelyek a térben a környezetükhöz képest mozognak.

James Gibson hangsúlyozta az optikai áramlás fontosságát az észlelési képességben, a korlátok és cselekvési lehetőségek felismerésében a környezetben. Gibson robotjának és a pszichológia ökológiai megközelítésének követői ezt követően meg tudták mutatni az optikai áramlási inger szerepét a megfigyelő mozgásának észlelésében a környező világhoz képest; a környező tárgyak alakjának, távolságának és mozgásának érzékelése; és mozgásszabályozás.

A közelmúltban az optikai áramlás kifejezést a robotika választotta ki, hogy magában foglalja a képfeldolgozás és a navigáció vezérlésének releváns technikáit, mint például a mozgásérzékelést, a tárgyszegmentálást, az időkontaktus-információkat, a fókusztágulási számításokat, a fénysűrűséget, a mozgáskompenzált kódolást és a sztereót. eltérés mérések.

A közelmúltban az optikai áramlás kifejezést a robotikusok közösen választották ki, hogy magában foglalja a képfeldolgozás és a navigációs vezérlés releváns technikáit, mint például a mozgásérzékelést, az objektum szegmentálását, az érintkezési időre vonatkozó információkat, a tágulási fókusz számítását, a fénysűrűséget, a mozgáskompenzált kódolást és sztereó eltérésmérés.

Számítás

A rendezett képek sorozata lehetővé teszi a mozgás becslését akár pillanatnyi képsebességként, akár a kép elmozdulásának diszkrét értékeiként. Vannak tananyagok lecke formájában a gradienseken alapuló optikai áramlási módszerről. A kutatók a különböző optikai áramlási technikák összehasonlító elemzését is elvégezték, elemezve a mérések pontosságát és gyakoriságát.

Az optikai mozgásszámítási módszerek megkísérlik megbecsülni az adott pillanatban látható két képkocka közötti mozgást tés minden voxel pozícióban. Az ilyen módszereket differenciálisnak nevezzük, mert a Taylor-sor képjelre vonatkozó lokális becslésein alapulnak, azaz parciális deriváltokat használnak a térbeli és időbeli koordináták tekintetében.

2D + méret esetén t(ugyanez a 3D ill n-D esetek) egy voxel helye olyan intenzitással, amely továbbhalad, és két képkocka között, és az azt követő megszorításokkal fényesség állandóságaállandósági kényszer) felírható:

Feltételezve, hogy az elmozdulás jelentéktelen volt, a kép közelítését a Taylor-sorozat segítségével kiszámítva a következő eredményt kaphatjuk:

… (magasabb rendű tagok)

Ezekből az egyenletekből az következik, hogy:

ami azt eredményezi

ahol ezek a komponensek és a sebesség vagy az optikai áramlás, és a kép származékai a megfelelő irányban. És tovább lehet írni a származékokra.

És így:

Ez az egyenlet két ismeretlennel önmagában nem oldható meg. Ez az úgynevezett rekesznyílás (membrán) probléma optikai áramlási algoritmus. Az optikai áramlás kiszámításához más egyenletkészletre van szükség, amelyet néhány további feltétel határoz meg. Az optikai áramlás kiszámítására szolgáló összes módszer további feltételeket vezet be a tényleges áramlás becsléséhez.

Optikai áramlásérzékelő

Az optikai áramlásérzékelő olyan látóérzékelő, amely képes optikai áramlást vagy vizuális mozgást mérni, és az optikai áramlás alapján mérési eredményt készíteni. Az ilyen érzékelőknek sokféle konfigurációja létezik. Ez lehet egy olyan processzorhoz csatlakoztatott képérzékelő, amelyre az optikai áramlási algoritmus programozva van. Egy másik konfiguráció integrált áramkörként tervezett vizuális chipet használ, amely az érzékelőt és a processzort is egyetlen chipen tartalmazza egy kompakt eszközben. Példa erre az optikai egerekben használt hagyományos optikai egérérzékelő. Egyes esetekben analóg vegyes jelű áramköröket használó számítási áramkörök használhatók az optikai áramlás gyors kiszámítására minimális áramfelvétel mellett.

A jelenlegi kutatások egyik területe a neuromorf mérnöki technikák alkalmazása olyan áramkörök megvalósítására, amelyek érzékelik az optikai áramlást, és így optikai érzékelőként használhatók. Az ilyen áramkörök a biológiai neurális hálózatokból veszik az ötleteket, és hasonló elv alapján érzékelik az optikai áramlást.

Kapcsolódó képek

Kérjük, formázza a cikk formázási szabályai szerint.

Optikai áramlás a tárgyak, felületek vagy a jelenet éleinek látszólagos mozgásának képe, amely a megfigyelő (szem vagy kamera) jelenethez viszonyított mozgásából ered. Az optikai áramlás alapú algoritmusok – mint például a mozgásérzékelés, az objektumszegmentálás, a mozgáskódolás és a sztereó eltérés számítása – kihasználják a tárgyak, felületek és élek mozgását.

Optikai áramlásbecslés

A rendezett képek sorozatai lehetővé teszik a mozgás becslését pillanatnyi képsebességként vagy diszkrét elmozdulásként. Fleet és Weiss összeállított egy oktatóanyagot az optikai áramlásbecslés gradiens módszeréről.

Az optikai áramlás számítási módszereinek elemzését John L. Barron, David J. Fleet és Steven Beauchemin munkáiban végezték el. Áttekintik a módszereket mind a pontosság, mind a kapott vektormező sűrűsége szempontjából.

Az optikai áramlás alapú módszerek kiszámítják a mozgást két képkocka között, amelyek időpontban és , minden pixelnél. Ezeket a módszereket differenciálisnak nevezzük, mivel a jel Taylor-sor szegmensével való közelítésén alapulnak; így parciális deriváltokat használnak az idő és a térbeli koordináták tekintetében.

2D+ méret esetén t(nagyobb dimenziójú esetek hasonlóak) az egy képkockán belüli intenzitású pozícióban lévő pixelt , és -kal mozgatja, és a következő egyenlet írható fel:

Feltételezve, hogy az elmozdulás kicsi, és a Taylor sorozatot használva a következőket kapjuk:

.

Ezekből az egyenlőségekből az következik:

innentől az derül ki

- az optikai áramlási sebesség összetevői -ben,
, , - származékos képek a megfelelő irányban.

És így:

Az eredményül kapott egyenlet két ismeretlent tartalmaz, és nem lehet egyértelműen feloldani. Ez a körülmény ún rekesz probléma. A problémát további megszorítások - a rendszeresítés - oldják meg.

Az optikai áramlás meghatározásának módszerei

Optikai áramlás használata

Az optikai áramlási kutatásokat széles körben végzik a videotömörítés és a mozgásanalízis területén. Az optikai áramlási algoritmusok nemcsak az áramlási mezőt határozzák meg, hanem az optikai áramlást is felhasználják a jelenet 3D lényegének és szerkezetének, valamint a tárgyak és a megfigyelő jelenethez viszonyított 3D-s mozgásának elemzéséhez.

Az optikai áramlást a robotikában objektumfelismerésre, tárgykövetésre, mozgásérzékelésre és robotnavigációra használják.

Ezenkívül az optikai áramlást az objektumok szerkezetének tanulmányozására használják. Mivel az állati (emberi) látás szerves részét képezi a mozgás észlelése és a környezet szerkezetének térképezése, ennek a veleszületett képességnek a számítógéppel történő megvalósítása a számítógépes látás szerves részét képezi.

Képzeljünk el egy öt képkockás videót, amelyen egy labda balról lentről jobbra felfelé halad. A mozgásérzékelő módszerekkel meg lehet határozni, hogy egy kétdimenziós síkon egy labda felfelé és jobbra mozog, és a mozgást leíró vektorok képkockák sorozatából nyerhetők. Videótömörítésnél ez a képkockák sorrendjének helyes leírása. A számítógépes látás területén azonban további információk nélkül nem lehet megállapítani, hogy a labda jobbra mozog, és a megfigyelő mozdulatlanul áll, vagy a labda nyugalomban van, és a megfigyelő balra mozog.

Lásd még

Megjegyzések

Linkek

• DROP: (Windows interfész) Sűrű optikai áramlásbecslés ingyenes szoftver Diszkrét optimalizálást használva.
• A French Aerospace Lab: Lucas-Kanade alapú optikai áramlás GPU-megvalósítása

Wikimédia Alapítvány. 2010.

• Optikai áramlásmérők
• Dupla bevonatú optikai szál

Nézze meg, mi az „optikai áramlás” más szótárakban:

Optikai elem- egy optikai rendszer, amely lehetővé teszi a visszaverő visszaverődést. Megjegyzés A következő típusú optikai elemeket különböztetjük meg: lapos élű, gömb alakú és filmes. Forrás … A normatív és műszaki dokumentáció kifejezéseinek szótár-referenciája

világítóberendezés optikai hatásfoka- A világítóberendezés hatásfoka, a lámpa (lámpák) névleges fényáramához viszonyítva, a környezet, a hőviszonyok és a világítóberendezés helyzetének a lámpa fényáramára gyakorolt ​​hatásának figyelembevétele nélkül. lámpák). [GOST...... Műszaki fordítói útmutató

Optikai csipesz- Optikai csipeszek felhasználási sémája az RNS polimeráz vizsgálatában Optikai csipeszek (angol ... Wikipédia

ELEKTRON-OPTIKAI ÁTALAKÍTÓ- (EOC), vákuumos fotoelektronikai eszköz, amely egy szem számára láthatatlan tárgy képét (IR, UV és röntgen) láthatóvá alakítja, vagy a látható kép fényességét fokozza. A képerősítő működése optikai átalakításon alapul. vagy röntgen...... Fizikai enciklopédia

Lucas–Canade- Lucas Kanade algoritmusa egy széles körben használt differenciális lokális módszer az optikai áramlás kiszámítására számítógépes látásban. Mint ismeretes, az optikai áramlás alapegyenlete két ismeretlent tartalmaz, és nem lehet egyedileg feloldani.... ... Wikipédia

Lucas algoritmusa- Kanada, a számítógépes látásban széles körben használt differenciális lokális módszer az optikai áramlás kiszámítására. Az alapvető optikai áramlási egyenlet két ismeretlent tartalmaz, és nem lehet egyértelműen feloldani. Lucas Kanade algoritmusa megkerüli... ... Wikipédiát

OpenCV- Írja be a számítógépes látást Szerző... Wikipédia

Követés (számítógépes grafika)- Ennek a kifejezésnek más jelentése is van, lásd Követés (jelentések). A követés egy mozgó objektum (több objektum) helyének időbeni kamera segítségével történő meghatározása. Az algoritmus elemzi a videókockákat, és megadja a pozíciót... ... Wikipédia