Рефетека.ру / Информатика и програм-ие

Статья: Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

В задачах компьютерного зрения возникает проблема определения и анализа движущихся объектов по последовательности изображений, полученных с малыми интервалами времени. Для распознавания подобных объектов на достаточно сложном, но неподвижном фоне необходимо определить области, в которых предположительно происходит движение. В результате исследований найденных областей, их можно изменить до размеров объектов (т.е. найти сами объекты) и определить параметры их движения. При этом количество и размеры объектов на изображениях могут изменяться в широких пределах.

Цели и задачи: анализ, разработка и реализация алгоритмов поиска и определения движения объекта, его свойств и характеристик.

Методы исследования: Теоретические методы исследований основывались на методах цифровой обработки изображений и распознавания образов. Экспериментальная часть исследования базировалась на обработке и анализе цифровых изображений с помощью ЭВМ с дальнейшей визуализаций результатов. Для программной реализации алгоритмов использовалась библиотека для обработки изображений Open Source Computer Vision Library.

1.Алгоритмы поиска областей движения


Сравнение двух последующих изображений

Определим кадр изображения, взятый в момент времени Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений как множество Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений точек Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений, а кадр изображения, взятый в момент времени Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений как множество Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений. Пусть Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений - функция яркости точки изображений, определённая на множествах Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений и Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений. Один из наиболее простых подходов для определения областей движения между двумя кадрами изображения Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений и Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображенийПоиск и анализ движущихся объектов по серии изображений основывается на сравнении соответствующих точек этих двух кадров. Для этого применяется процедура формирования так называемой разности кадров. Разностью между двумя кадрами изображения, взятыми в моменты времени Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений и Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображенийявляется следующее множество:

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений (1.1)

где Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений - значение порогового уровня, выбираемое таким образом, чтобы отделить точки, в которых кадры изображения значительно отличаются друг от друга, (обусловленные движением распознаваемых объектов) от точек, в которых за время Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений произошли незначительные шумовые перепады яркости. Изображение Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений содержит предположительные области движения объектов и аддитивный шум, искажающий текущий кадр. Избавится от шума позволяют морфологические операции (операции над бинарным изображением), такие как эрозия, коррозия, а так же различные способы фильтрации и оптимальное (экспериментально подбираемое) значение порога Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений.

Алгоритм был реализован с помощью библиотеки для обработки изображений OpenСV. Пример его работы представлен на рис 1.1.


Изображение Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Изображение Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Разностное изображение Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Бинаризированое изображение Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Отфильтрованное изображение Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Рис. 1.1

Пример работы алгоритма.

1.2. Использование оптического потока.


Для определения движущихся точек и характера их движения можно воспользоваться оптическим потоком серии изображений [1]. Оптический поток определяется как видимое движение яркости изображения. Пусть Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображенийяркость изображения, которое изменяется во времени, т.е. мы имеем последовательность изображений. Сделаем два важных предположения.

1. Яркость изображение Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений зависит от координат Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений.

2. Яркость каждой точки движущегося или статического объекта не меняются во времени.

Пусть некоторый объект на изображении или некоторая точка, движется во времени Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений, тогда перемещение объекта или точки может быть записано как Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений. Используя разложение в ряд Тейлора для функции яркости Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений, получим следующее выражение:

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

где «Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений» - производные более высокого порядка малости.

Затем, в соответствии с выше сказанными предположениями, запишем, что

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений,

и Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений.

Деление на Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображенийи введение следующей замены Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений дают уравнение

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений (2.1),

обычно называемое как уравнение оптического потока, где Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображенийи Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображенийявляются компонентами области оптического потока в координатах Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображенийсоответственно. Так как уравнение (2.1) имеет больше чем одно решение, то требуется большее количество уравнений. Используя уравнение оптического потока для областей связанных пикселей, и предполагая, что они имеют одинаковую скорость движения, задачу нахождения оптического потока можно свести к решению системы линейных уравнений. Её решение даст нам скорость передвижения связанной области пикселей.

Отметим, что найденные области на практике, как правило, не точно охватывают движущиеся объекты, что связано с погрешностью фильтрования и выбором порога бинаризации. Чтобы более точно определить области движения объектов и предположить, что эти области охватывают только искомые объекты, используются следующие алгоритмы.

2. Алгоритмы обработки найденных областей движения


2.1 Метод коррекции областей движения


Метод приводит найденные области движения к форме, более удобной для дальнейшей обработки. Он связывает отдельные элементы областей, получившихся на разностном изображении.

Пусть необходимо выделить области правильной формы, являющиеся достаточно крупными областями движения. Задачу можно формализовать следующим образом: необходимо разбить множество точек Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений на максимально возможное число подмножеств Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений так, чтобы они не пересекались.

Предложим следующий алгоритм решения формализованной задачи:

1. На множестве Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений конструируем подмножества, содержащие связанные точки Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений, выбранные как лежащие рядом друг с другом, в соответствии со следующим критерием Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений.

2. Конструируем подмножества более высокого уровня, являющиеся областями правильной формы Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений, охватывающими подмножества более низкого уровня.

3. Повторяем пункт 2 до тех пор, пока не получим конечное количество подмножеств наивысшего уровня.

Метод был адаптирован и реализован функциями библиотеки OpenCV. Примеры его работы приведены на рис. 2.1.


Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Области правильной формы

Круг Прямоугольник

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Рис. 2.1

Пример работы алгоритма для разных областей правильной формы.


2.2. Нахождение объекта по цветовому диапазону


Метод использует гистограмму изображения исходного объекта для нахождения объекта с такими же цветовыми характеристиками на серии изображений.

Пусть необходимо построить изображение в оттенках серого цвета, содержащее необходимые нам объекты.

Введём следующие определения. Для простоты описание решения формализованной задачи, ввёдём оператор, который преобразует функцию яркости изображения Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений в функцию количественного распределения пикселей с определенным значением яркости (гистограмму)Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений (где k – численное значение яркости):

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Обратный оператор Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений преобразует гистограмму в изображение в оттенках серого.

Алгоритм поставленной задачи состоит из следующих этапов:

Построение гистограмм искомого объекта Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений и исходного изображения Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Формируем новую гистограмму, как нормированное произведение Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений и Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений:

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Используя обратное преобразование Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений, получаем функцию, которая является искомым изображением в оттенках серого:

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Метод был адаптирован и реализован функциями библиотеки OpenCV. Примеры его работы приведены на рис. 2.2.



Доска Черная фишка Белая фишка
Исходное изображение

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Гистограмма изображения

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Исходное изображение По гистограмме доски По гистограмме черная фишка По гистограмме белая фишка

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Поиск и анализ движущихся объектов по серии изображений

Рис. 2.2

Пример работы алгоритма.

3. Результаты исследований


В результате проведённых исследований были сделан вывод, что большую часть областей, получившихся в результате применения вышеописанных алгоритмов, занимают искомые объекты, и мы можем по этим областям оценить сами объекты.

Все алгоритмы были реализованы функциями библиотеки OpenCV. И на их основе была написана программа для автоматического определения выставляемых на доску фишек, описанная в [3].

Литература.


1. Open Source Computer Vision Library Reference Manual

2. О. С. Семерий. Метод максимальных площадей для выделения движущихся объектов по серии изображений

Похожие работы:

  1. Сегментация изображений гистологических объектов
  2. • Машинное зрение
  3. • Явления - как они есть
  4. • Программное обеспечение системы обработки ...
  5. • Методика моделирования тепловизионных изображений
  6. • Техническое зрение роботов
  7. • Анализ изображений: человек или компьютер?
  8. • К столетнему юбилею Специальной теории относительности (СТО)
  9. • Фотоаппарат
  10. • Морфологический анализ цветных (спектрозональных) изображений
  11. • Методы поиска и анализа информации
  12. • Морфологический анализ цветных (спектрозональных) изображений
  13. • Рыбинское водохранилище
  14. • Анализ и моделирование методов когерентной оптики в ...
  15. • Передача информации из ультразвуковой медицинской ...
  16. • Определение связанного множества пикселей на бинарном ...
  17. • Оценка качества телевизионного изображения
  18. • Corel 7.0
  19. • Патентное исследование на тему "Изготовление ...
Рефетека ру refoteka@gmail.com