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扩散张量设计
面向运动分割优化的变分光流计算方法研究
戴 斌,方宇强,宋金泽
(国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙 410073)
摘 要 本文面向运动分割的需求,围绕变分光流计算中的运动边缘保留问题,对反应-扩散式光流计算模型中的扩散张量设计与改进方法进行系统深入的研究. 在分析已有设计方法的基础上,提出了一种融合图像和流场信息驱动的扩散张量设计方法,并利用该扩散张量建立光流计算模型,然后在多尺度计算框架下给出了相应的偏微分方程数值计算方法. 理论分析与对比实验表明这种设计方法能有效克服现有方法提取运动边缘不精确的缺点,更准确地刻画出运动边缘,提高光流的计算精度.
关键词 光流 运动分割 扩散张量 偏微分方程
中图法分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号: - -
Research on Variational Optical Flow Computation towards
Motion Segmentation
Dai Bin, Fang Yuqiang, Song Jinze
(School of Mechatronic Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan, 410073, China)
Abstract Aiming at the problem of preserving the discontinuities in optical flow field for motion segmentation, a meaningful research has been done. The key of the research focuses on the improvement of the diffusion tensor in reaction-diffusion model. By analyzing the existing methods, a new one was proposed which design diffusion tensor by joint image- flow- driven. And an efficient coarse-to-fine numerical scheme about the partial differential equation has been present at the same time. The study and experiments proved that this proposed approach can effectively overcome the deficiencies about motion blur in some other methods and preserve the discontinuities in optical flow field more accurately.
Keywords Optical flow, Motion segmentation, Diffusion tensor, Partial differential equations
0 引 言
随着计算机视觉技术的不断发展,光流作为高层视觉任务(如运动分割)的输入,人们对光流计算的精度和密度需求越来越高,力图得到每一个像素可靠的运动偏移信息.
近年来,变分光流方法在光流计算方面取得了很好的成果.它是一类以变分原理、偏微分方程理论为基础的方法,该种计算方法具备独特的优势和雄厚的数学基础,并在实际中取得了较好的效果,得到了最为准确的光流计算结果[1,2].
变分光流方法一般通过最优化如下能量函数进行光流求解:
(1)
其中包含了通过一致性假设建立的数据项和为了解决孔径问题,对流场进行平滑性约束的正则项.面向运动分割的光流计算的关键在于有效地控制运动边缘区域的流场平滑程度,保留运动的边缘信息,为分割提供更准确的边缘信息.而正则项的设计直接决定了光流计算中流场扩散平滑的方式.
如果仅考虑通过改进正则项以提高运动边缘保留的能力,可将数据项统一由光流基本方程[3]建立,即以亮度一致性假设下的一阶线性近似来建立数据项,则式(1)可以写为[3]:
(2)
其中,代表定义域为的图像序列,代表光流值,.通过变分原理可以得到极小化式(1)对应的Euler-Lagrange方程,并采用梯度下降流的方式表示为:
(3)
为时间间隔,为扩散张量矩阵。对式(3)进行离散化并采取适当的数值计算方法便可以得到光流值.文献[4]认为光流的计算问题可以看
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