Flux optic

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 14 ianuarie 2014; verificările necesită 12 modificări .

Fluxul optic este o afișare (pe un grafic vizual sau sub forma unui model matematic) a mișcării aparente a obiectelor, suprafețelor sau marginilor scenei, rezultată din mișcarea observatorului (ochii sau aparatul de fotografiat) față de scenă. Algoritmii bazați pe flux optic, cum ar fi detectarea mișcării, segmentarea obiectelor, codificarea mișcării și contorizarea disparităților stereo folosesc această mișcare a obiectelor, suprafețelor și marginilor.

Estimarea fluxului optic

Secvențele de imagini ordonate permit estimarea mișcării fie ca viteza instantanee a imaginii, fie ca o deplasare discretă [1] .Fleet și Weiss au compilat un tutorial despre metoda gradientului de estimare a fluxului optic [2] .

O analiză a metodelor de calcul a fluxului optic a fost efectuată de John L. Barron, David J. Fleet și Steven Beauchemin. Ei iau în considerare metodele atât din punct de vedere al preciziei, cât și din punct de vedere al densității câmpului vectorial rezultat. [3]

Metodele bazate pe fluxul optic calculează mișcarea între două cadre luate la timp și , în fiecare pixel . Aceste metode sunt numite diferenţiale deoarece se bazează pe aproximarea semnalului de către un segment din seria Taylor ; astfel, folosesc derivate parțiale în raport cu coordonatele de timp și spațiu. $t$ $t+\delta t$

În cazul dimensiunii 2D+ t (cazurile de dimensiuni mai mari sunt similare), pixelul din poziția cu intensitatea pe cadru va fi mutat cu , și , și se poate scrie următoarea ecuație: $(x,y,t)$ $I(x,y,t)$ $\delta x$ $\delta y$ $\delta t$

I(x,y,t)\aprox I (x+\delta x,y+\delta y,t+\delta t)

Presupunând că deplasarea este mică și folosind seria Taylor, obținem:

I (x+\delta x,y+\delta y,t+\delta t)\aprox I(x,y,t)+{\frac {\partial I}{\partial x))\delta x+{\ frac {\partial I}{\partial y}}\delta y+{\frac {\partial I}{\partial t}}\delta t

Din aceste egalități rezultă:

{\frac {\partial I}{\partial x)}\delta x+{\frac {\partial I}{\partial y)}\delta y+{\frac {\partial I}{\partial t} }\delta t=0

{\frac {\partial I}{\partial x}}{\frac {\delta x}{\delta t}}+{\frac {\partial I}{\partial y}}{\frac { \delta y}{\delta t))+{\frac {\partial I}{\partial t)){\frac {\delta t}{\delta t))=0

prin urmare se dovedește că

{\frac {\partial I}{\partial x}}V_{x}+{\frac {\partial I}{\partial y}}V_{y}+{\frac {\partial I}{ \partial t}}=0

Unde

V_{x},V_{y}

sunt componentele vitezei de curgere optice în ,

I(x,y,t)

{\frac {\partial I}{\partial x)}

, , sunt imagini derivate în direcțiile corespunzătoare.

{\frac {\partial I}{\partial y)}

{\frac {\partial I}{\partial t)}

(x,y,t)

În acest fel:

{\displaystyle I_{x}V_{x}+I_{y}V_{y}=-I_{t))

\nabla I^{T}\cdot {\vec {V}}=-I_{t}

Ecuația rezultată conține două necunoscute și nu poate fi rezolvată în mod unic. Această împrejurare este cunoscută sub numele de problema diafragmei . Problema se rezolva prin impunerea unor restrictii suplimentare - regularizare .

Metode pentru determinarea fluxului optic

Corelația de fază este inversarea spectrului încrucișat normalizat.
Metode bloc - minimizarea sumei pătratelor sau a sumei modulelor diferențelor
Metode diferențiale de estimare a fluxului optic pe baza derivatelor parțiale ale semnalului:
- Algoritmul Lucas-Kanade - sunt luate în considerare părți ale unei imagini și un model de mișcare afine
- Horn–Schunck — minimizarea funcționalității care descrie abaterea de la ipoteza luminozității constante și netezimea câmpului vectorial rezultat.
- Buxton-Buxton - bazat pe modelul de mișcare a limitelor obiectelor într-o succesiune de imagini [4]
- Metodele variaționale generale sunt modificări ale metodei Horn-Schunck care utilizează diferite constrângeri asupra datelor și alte constrângeri asupra netezirii.
Metode de optimizare discrete - spațiul de căutare este cuantificat, apoi i se atribuie o etichetă fiecărui pixel al imaginii astfel încât distanța dintre cadrele succesive să fie minimă. [5] Soluția optimă este adesea căutată folosind algoritmi pentru găsirea tăieturii minime și a debitului maxim într-un grafic, programare liniară sau propagare a credinței .

Utilizarea fluxului optic

Cercetarea fluxului optic se desfășoară pe scară largă în domeniile compresiei video și analizei mișcării. Algoritmii de flux optic nu numai că determină câmpul de flux, dar folosesc și fluxul optic în analiza esenței și structurii tridimensionale a scenei, precum și mișcarea 3D a obiectelor și a observatorului în raport cu scenă.

Fluxul optic este utilizat în robotică pentru recunoașterea obiectelor, urmărirea obiectelor, detectarea mișcării și navigarea robotului.

În plus, fluxul optic este folosit pentru a studia structura obiectelor. Deoarece detectarea mișcării și crearea de hărți ale structurii mediului sunt o parte integrantă a vederii animalelor (umane), implementarea acestei abilități înnăscute prin intermediul unui computer este o parte integrantă a vederii computerizate.

Imaginați-vă un videoclip cu cinci cadre în care mingea se mișcă din stânga jos în dreapta sus. Metodele pentru găsirea mișcării pot determina că pe un plan bidimensional mingea se mișcă în sus și la dreapta, iar vectorii care descriu această mișcare pot fi obținuți dintr-o succesiune de cadre. În compresia video, aceasta este descrierea corectă a secvenței de cadre. Totuși, în domeniul vederii computerizate, fără informații suplimentare, este imposibil de spus dacă mingea se mișcă spre dreapta și observatorul stă nemișcat, sau mingea este în repaus și observatorul se mișcă spre stânga.

Modele de flux optic în psihologie

James Gibson a considerat modelele de flux optice (invarianți optici) ca un stimul de ordin superior. Modelele de flux optice în teoria lui Gibson sunt configurații complexe ale informațiilor optice înregistrate de receptorii vizuali. Fluxul optic conține toate informațiile necesare pentru percepția noastră despre lumea din jurul nostru, evenimentele care au loc în acesta, inclusiv informații despre mișcare (inclusiv paralaxa mișcării și gradientul de expansiune optică). Astfel, fluxul optic exclude din psihologia percepției nevoia de a folosi orice altă informație externă [6] .

Ideea de a folosi fluxul optic pentru a explica procesul de formare a unei imagini perceptive i-a venit lui Gibson în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, în timpul lucrărilor de creare a simulatoarelor speciale și a unui film de antrenament pentru pregătirea piloților din Forțele Aeriene ale SUA.

Vezi și

Odometrie vizuală

Note

↑ SS Beauchemin, JL Barron 1995 calculul fluxului optic
↑ David J. Fleet și Yair Weiss (2006) estimarea fluxului optic. Arhivat 8 iunie 2011 la Wayback Machine în Paragios et al.. Manual de modele matematice în viziunea computerizată.
↑ John L. Barron, David J. Fleet și Steven Beauchemin 1994. Performance of optical flow techniques Arhivat la 30 iulie 2009 la Wayback Machine
↑ Glyn W. Humphreys și Vicki Bruce 1989 Visual cognition
↑ B. Glocker, N. Komodakis, G. Tziritas, N. Navab & N. Paragios 2008 Dense Image Registration through MRFs and Efficient Linear Programming Arhivat 19 iulie 2011.
↑ KN OGLE. Percepția lumii vizuale. James J. Gibson; Leonard Carmichael, Ed. Boston: Houghton Mifflin, 1950. 235 p. 4,00 USD // Știință. - 1951-05-04. - T. 113 , nr. 2940 . — S. 535–535 . — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 . - doi : 10.1126/science.113.2940.535 .

Link -uri

Finding Optic Flow Arhivat 5 noiembrie 2010 la Wayback Machine
Articolul Art of Optical Flow pe fxguide.com (folosind fluxul optic în Visual Effects)
Evaluarea fluxului optic și secvențele de adevăr de la sol. Arhivat la 30 august 2010 la Wayback Machine
Middlebury Evaluarea fluxului optic și secvențele de adevăr la sol. Arhivat pe 27 iulie 2019 la Wayback Machine
DROP: (Interfață Windows) Software gratuit de estimare a fluxului optic dens folosind optimizarea discretă. Arhivat pe 18 iulie 2010 la Wayback Machine
Laboratorul aerospațial francez: implementarea GPU a unui flux optic bazat pe Lucas-Kanade
Laboratorul de grafică computerizată al Universității de Stat din Moscova Arhivat 17 august 2011 la Wayback Machine