基于分块同向速度累加光流场分割的运动目标检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于光流场分割的运动目标检测方法。
【背景技术】
[0002] 光流场的计算是基于Lucas-Kanade局部光流算法。能够从计算出的光流场中准 确的分割出运动目标，解决了二维光流场矢量分割的技术难题，为后续一系列的处理奠定 了基础。传统基本方程的理论依据是灰度恒定假设，即认为在连续相邻的两帖图像中，物体 表面同一面元对应的像素灰度保持不变。化rn等人根据该一假设推导了光流基本方程。 [000引设I (X，y, t)是面元（X，y)在t时刻的成像灰度，t+ S t时刻该面元运动到 (X+ 5 X，y+ 5 y)，其成像灰度为I (X+ 5 X，y+ 5 y, t+ 5 t)。此时，根据灰度恒定假设有；
[0004] I (x+ 5 X, y+ 5 y, t+ 5 t) = I (x, y, t) (1)
[0005] 上式左端进行展开得：
[0006] / 以，.1'，叫 + ^在Y + ^式V + 与^況 + 0=/ (.、-，vU) (2) C.V ay at
[0007] 其中，0是关于5x、5y、5t的二阶及二阶W上的项。（2)式两边的I(x，y，t)相 互抵消，并同除W 5t，而后取极限5t - 0,得： D! dx a! dv 01 .
[0008] --^+―=0 (3) cx at ay at at
[0009] 令M v = ，则V = (u, v)T即为t时刻（X，y)处的光流，它反映了该点在该 at tit 一时刻的运动状态。记/，二^，/，.二^，/，二^，则VUvv/') = |// /f表示图像的空域 梯度，It表示图像的时域导数，它们均可通过图像数据求得。从而，（3)可重新写为：
[0010] IxU+IyV+It= 0 或 VI(-.v + /,=0 (4)
[0011] (4)式即为著名的光流基本方程，我们称之为基于灰度恒定假设的光流基本方程 (BE-HIC, Basic Equation Based on the Hypothesis of Intensity Constance)。
[0012] 光流基本方程用公式化的语言描述了空间梯度、时间微分与运动速度之间的约束 关系，在u、v二维坐标系中定义了一条直线。在平面坐标系中对应的直线，该直线上任何一 点都满足光流基本方程。因此，仅仅依靠光流基本方程无法确定光流值，该在光流计算中被 称作孔径问题。
[0013] 为解决孔径问题，许多学者引入了各种光流约束条件，形成了不同的光流计算方 法。其中，最为著名的是Horn-Schunck的全局平滑法和Lucas-Kanade的局部平滑法，后续 光流方法都是在该两种方法的技术框架下发展起来的。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的是利用光流场的二维矢量特性，准确分割出运动目标。
[0015] 本发明的具体方案如下；
[0016] A局部方法计算光流
[0017] 假设在一个较小的局部图像区域Q上光流保持恒定，从而由基本方程得到一个 超定方程组：
[001 引 Ix(Xi)u+Iy(Xi)v+It(Xi) = 0(XiG Q (i = 0,…，n-1)) 妨
[0019] 而后采用最小二乘法（LS，Least Squares)求解该方程组得到光流值，过程如下。
[0020] 在Q上，定义光流估计误差为：
[0021]
【主权项】
1. 一种基于分块同向速度累加的光流场分割的运动目标检测方法，其特征在于包括以 下步骤： A局部方法计算光流 假设在一个较小的局部图像区域Ω上光流保持恒定，从而由基本方程得到一个超定 方程组 Ix (Xi) u+Iy (Xi) v+It (Xi) = O (Xi e Ω (i = 0, · · ·，n-1)) 而后采用最小二乘法求解该方程组得到光流值，过程如下： 在Ω上，定义光流估计误差为：
最小化EM，得光流计算式： AtAv = ATb 其中，
为系数矩阵，b = -(It (Xl)，...，It(xn) )τ为常数项；求 解光流计算工可得： V = [AT A]_1ATb (1) 当AtA为非奇异矩阵时，可以得到V的解析解； 设I (X，y，t)是面元（X，y)在t时刻的成像灰度，t+ δ t时刻该面元运动到 (X+ δ X，y+ δ y)，其成像灰度为 I (X+ δ X，y+ δ y, t+ δ t)，
时刻（x，y)处的光流，记
则= (/J f表不图像的 空域梯度，1,表示图像的时域导数； 光流值估计值V的可靠性由AtA的特征值来鉴别，设AtA的特征值为λρ λ2，且 λ 2;如果λ i、入2均大于一个阈值τ，τ = 〇. 〇〇1，则根据式⑴计算光流；否则，不 计算光流； B同向速度累加 得到了图像的光流值后，根据运动目标的大小，将图像划分成η*η个小方格；η可根据 需要选择，一般取η = 8?12 ;将0?360度方向划分为m个等级，即每个等级包含360/m 度；这样把速度方向划分成了 m个级别，这里取m = 80?100 ;统计每个方格每个速度方向 上速度幅值的累积和，把各自方向上速度的大小累加起来作为本方向上的幅值，如果某个 网格中有运动目标存在，在这个目标的运动方向上就会形成一个波峰，而背景像素的幅值， 由于方向的不一致性和幅值较小，累加和就会形成波谷，如果网格中是单目标或者多目标 运动方向一致就会形成"单峰"图像，如果是多目标多方向运动图像就会形成"多峰"图像， 检测出峰值，其对应的运动方向就是目标的运动方向，把这些运动方向上的像素点聚类，再 排除背景上孤立的虚警点，从而检测到目标。
【专利摘要】一种基于分块同向速度累加的光流场分割方法，本发明先通过局部方法计算光流，首先假定光流场在一较小的局部图像区域上保持恒定，得到一个超定方程组，而后运用数据拟合方法求解该超定方程组，从而得到光流解；再进行同向速度累加，得到了图像的光流场后，根据运动目标的大小，将图像划分成n*n个小方格，n根据需要选择，一般取n＝8～12；将0～360度方向划分为m个等级，即每个等级包含360/m度；把速度方向划分成了m个级别，取m＝80～100；统计每个方格每个速度方向上速度幅值的累积和。无论静止或运动的物体，利用本发明方法，都能准确分割出运动目标。
【IPC分类】G06T7-00, G06T7-20
【公开号】CN104537691
【申请号】CN201410840885
【发明人】王鲁平, 李飚, 高颖慧, 王平, 赵明, 张路平, 梁楹, 范明喆
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月30日
【公告号】CN104537691B