[發明專利]一種視頻流體運動矢量計算方法

有效

• 申請號: 201210237110.0
• 申請日: 2012-07-10
• 公開（公告）號: CN102831616A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 全紅艷;吳茂茂
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G06T7/20
• 分類號: G06T7/20;G06T5/40;H04N5/14
• 代理公司: 上海藍迪專利事務所 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

技術領域

本發明涉及一種視頻流體運動矢量的計算方法，利用流體運動的連續性進行優化，使得流體運動矢量的計算結果更符合流體的運動規律。

背景技術

流體運動矢量計算是增強現實技術研究的基礎，目前，在流體的物理仿真中還沒有完全將動態紋理區域的識別與基于物理屬性的仿真結合起來，并對流體進行實時重建；同時，目前缺乏與視頻媒體真實感一致的流體建模和仿真，并且較少考慮自然景物與其它景物及環境的交互作用，這些問題產生的根本原因是流體運動矢量的計算問題沒有得到解決。因此，如何從流體視頻中計算出較為準確的運動矢量是研究重建與交互的關鍵所在，它的研究具有重要的現實意義和實用價值。

流體運動是一種典型的非剛體運動，流體運動圖像的計算與分析屬于動態紋理分析的技術。在物體運動的圖像分析中，紋理分為弱紋理和強紋理。弱紋理具有自相似性，其圖像變化具有亮度不變性；而視頻中的流體部分屬于強紋理，其特點是亮度保持性，即其內部的運動產生了形狀的改變和遮擋，但是圖像中強度的成分是不變的。由于流體具有透明性，因此可以通過計算粒子的運動矢量來間接獲得流體本身的運動特征。

目前，對于流體的運動矢量的計算通常采用粒子圖像測速方法實現，即通過跟蹤每一個可見粒子來實現運動矢量的獲取。雖然這種計算方法可以克服傳統方法中的不足。但研究中存在的主要問題是由于流體粒子的運動引起的遮擋及再現，會影響運動矢量計算的準確性。在傳統的變分的研究方法及粒子圖像測速方法中，假設運動矢量在局部空間上是光滑的，但是這樣帶來了運動邊界的處理及遮蔽的問題。

后來人們在研究中提出了一種基于時空多分辨率的流體速度及加速度場的計算方法，該方法利用時空多分辨率直方圖對流體速度及加速度的方向進行統計分析，最后得到流體的速度及加速度場，但是如果將該方法應用于多相流體運動的場景中，特別是在視頻的兩幀間攝像機的旋轉及平移矢量非常小的情況下，勢必會影響計算的結果。對于多相流場景的直方圖統計分析中，很難將得到的速度及加速度與多相流區域的運動對應起來。

人們在研究中分析了現有流體運動矢量計算的模型和方法，在目標函數中加入非局部項，并給出了啟發式的方法，推導出新的目標函數，并采用鄰域的中值濾波方法研究了運動矢量計算的方法，利用該方法對稀疏的粒子運動進行計算，可以得到較準確的結果，對于流體中大量粒子的情形，利用該方法進行研究，所得結果的精度受到影響。

在最近的研究中，研究人員利用光度和幾何進行了塊匹配，從而對流體的運動進行估計,采用了改進的H-S方法，研究中使用優化技術及多分辨率技術對流體運動矢量進行計算。該方法對于較為稀疏的流體粒子，能夠取得很滿意的實驗結果，對于大量具有復雜物理規律的粒子運動，計算的精度會受到影響。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足而提供的一種有效的視頻流體運動矢量計算方法，利用該方法能夠得到具有保持外觀一致性和運動連續性的視頻流體運動矢量。

實現本發明目的的具體技術方案是：

一種視頻流體運動矢量的計算方法，該方法包括：

（1）流體運動矢量的初始化

為了求得初始的運動矢量，首先對于運動前后兩幅圖像分別統計其直方圖，每幅圖像按照一定的鄰域進行統計。在視頻的前后兩幀中，攝像機的旋轉及平移的矢量較小，采用a×a的鄰域進行，將統計的結果記為中心像素鄰域的統計結果。把圖像的強度分為不同的級別，按照不同級別統計出區域中像素的個數。若當前的圖像中像素的灰度值為density，該像素所在的級別計算為：

其中，表示取整。對于灰度圖像，density表示0～255之間的一個整數值。認定直方圖中像素較大數目的級別為統計直方圖的主要成分。

為了求取鄰域強度的主要成分，對直方圖的統計結果進行排序，同時將對應直方圖統計的成分進行排序，利用區域的直方圖主要成分進行匹配操作。

假定在一個小區域范圍內所有粒子具有相近的運動矢量，在此基礎上，尋找一個運動矢量使得區域范圍內所有粒子運動前后所對應的區域具有主要成分相似的特性。

假設運動前后的兩幅圖像為I_k(k=1,2)，中心像素I_k(i,j)在鄰域內排序的統計直方圖為HistogramI_k(i,j)，對應排序后的成分為HistogramxI_k(i,j)。在a×a區域范圍內找到一個矢量使得在運動前后，對應鄰域內所有像素的直方圖主要成分的歐氏距離最小。運動矢量初始化算法如下：