[發(fā)明專利]一種緊湊型的光流計(jì)算方法與設(shè)備

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• 申請日: 2017-01-17
• 公開（公告）號: CN106815861A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 向北海
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南優(yōu)象科技有限公司
• 主分類號: G06T7/246
• 分類號: G06T7/246
• 代理公司: 北京中濟(jì)緯天專利代理有限公司11429
• 代理人: 陸薇薇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，特指一種緊湊型的光流計(jì)算方法與設(shè)備。

背景技術(shù)

光流計(jì)算方法與設(shè)備是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域待解決的重要問題之一。光流的概念最早于1950年由Gibson提出。光流是空間運(yùn)動目標(biāo)在觀測成像面上的像素運(yùn)動的瞬時(shí)速度。

光流法能夠提供目標(biāo)運(yùn)動和結(jié)構(gòu)信息，計(jì)算精度高，能準(zhǔn)確檢測到亞像素及位移，同時(shí)，光流法能夠運(yùn)用于平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等相對復(fù)雜的運(yùn)動。光流法在目標(biāo)檢測、跟蹤等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。光流計(jì)算設(shè)備在機(jī)器人領(lǐng)域中視覺運(yùn)動測量與相對運(yùn)動感知方面有重要應(yīng)用。近年來，使用光流技術(shù)進(jìn)行飛行穩(wěn)定控制和避障也成了小型無人機(jī)飛行器研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。目前傳統(tǒng)的光流計(jì)算設(shè)備如圖1所示，是由圖像傳感器與中央處理器通過并口線連接而成，其體積較大，不適用于對尺寸和重量有嚴(yán)格要求的微型飛行器，而且現(xiàn)有的大多數(shù)光流算法計(jì)算量大，計(jì)算耗時(shí)，阻礙了光流的應(yīng)用。

現(xiàn)有的光流計(jì)算方法有很多，主要可以分為四類，分別是基于微分的方法、基于區(qū)域的匹配法、基于能量的方法和基于相位的方法。1981年，Horn和Schunck根據(jù)灰度一致性假設(shè)，推導(dǎo)出光流約束方程，讓光流算法得以發(fā)展。1981年，Horn和Schunck在光流約束方程的基礎(chǔ)上附加了光流場全局平滑約束，推導(dǎo)出了HS光流算法。同一年，Lucas和Kanade兩位學(xué)者提出了一種迭代的圖像匹配方法，該算法可用來估計(jì)光流，被稱之為LK算法。H-S算法和L-K算法是兩最經(jīng)典的計(jì)算方法，都是基于梯度的光流計(jì)算方法。Barron于1994年從基于微分的方法、基于區(qū)域的匹配法、基于能量的方法和基于相位的方法這四種方法中選取了9中常用的方法，從精度、可靠性等方面做了定量比較，發(fā)現(xiàn)LK光流算法可靠性好。Lk算法只需要感興趣點(diǎn)周圍的小窗口的局部信息就可得到稀疏光流，光流計(jì)算過程的時(shí)間開銷較低，適合實(shí)時(shí)計(jì)算。

發(fā)明內(nèi)容

針對目前光流計(jì)算設(shè)備尺寸大，不適合尺寸較小場合的應(yīng)用以及現(xiàn)有光流算法計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種緊湊型的光流計(jì)算方法與設(shè)備。一種緊湊型光流計(jì)算設(shè)備其是一種將圖像傳感器與中央處理器集成在一個(gè)芯片上的緊湊型光流計(jì)算設(shè)備，其減小光流計(jì)算設(shè)備的尺寸。本發(fā)明還提出了一種新的光流計(jì)算方法，通過提取特征點(diǎn)在LK光流算法的基礎(chǔ)上快速計(jì)算光流。本發(fā)明在LK光流的基礎(chǔ)上，通過先對圖像進(jìn)行特征提取，再對提取出的特征點(diǎn)進(jìn)行LK計(jì)算光流，進(jìn)一步提高了光流的計(jì)算效率，并且提高了光流的準(zhǔn)確度，其中在特征提取前，對原圖像先進(jìn)行平滑和紋理增強(qiáng)，提高提取特征的準(zhǔn)確率。

一種緊湊型的光流計(jì)算設(shè)備，包括鏡頭、CMOS圖像傳感器和中央處理器，并將CMOS圖像傳感器、中央處理器集成到一個(gè)芯片上，CMOS圖像傳感器采集圖像信息，并將圖像信息直接傳輸給中央處理器進(jìn)行光流計(jì)算，最后通過串口輸出光流數(shù)據(jù)。CMOS圖像傳感器由于集成度高、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，適合用于小尺寸的光流計(jì)算設(shè)備中，CMOS像素陣列是一個(gè)二維可編址傳感器陣列，傳感器的每一列與一個(gè)位線相連，行允許線允許所選擇的行內(nèi)每一個(gè)敏感單元輸出信號送入它所對應(yīng)的位線上，位線末端是多路選擇器，按照各列獨(dú)立的列編址進(jìn)行選擇。CMOS圖像傳感替代了傳統(tǒng)攝像頭中的CCD圖像傳感器，更適用于小尺寸場合。

一種光流計(jì)算方法，包括以下步驟：

(1)利用高斯低通濾波器對初始圖像I₀進(jìn)行平滑濾波，得到消除噪聲的圖像I₁。

(2)用拉普拉斯濾波器對圖像I₁進(jìn)行處理，得到圖像I₂。

(3)將平滑濾波后得到的圖像I₁減去拉普拉斯濾波處理后的圖像I₂，得到紋理增強(qiáng)圖像I₃。

(4)將圖像I₃等分成8×8像素的塊，計(jì)算每一個(gè)塊的熵值，熵值排行前一半的塊q_n(n＝1,2,3，…，n)作為特征點(diǎn)提取塊。

(5)對特征點(diǎn)提取塊q_n(n＝1,2,3，…，n)用Fast角點(diǎn)檢測算法進(jìn)行計(jì)算，篩選出Fast角點(diǎn)構(gòu)成的像素點(diǎn)集P_n1。

(6)對像素點(diǎn)集P_n1用Shi-Tomasi進(jìn)行二次篩選，得到Shi-Tomasi角點(diǎn)構(gòu)成的像素點(diǎn)集P_n2，并將點(diǎn)集P_n2作為塊q_n(n＝1,2,3，…，n)最終的特征點(diǎn)。