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基于变分理论的光流计算技术研究

袁猛  
【摘要】:光流是指空间运动物体在观测成像面上像素运动的瞬时速度,光流不仅包含了被观察物体的运动信息,还携带有被观察物体的三维结构等丰富的信息。光流计算是计算机视觉和图像处理中的关键技术之一,也是当今研究的热点,本文就基于变分理论的光流计算技术进行研究和改进。 变分光流计算技术的出发点是将光流场的获取转变为一全局能量泛函的最小化问题。本文工作首先用数学方法证明了从变分光流算法中的能量泛函到非线性偏微分方程的转变,并分析了求解扩散反应方程与极小化能量泛函的一致性。 然后对构成能量泛函的数据项和平滑项分别进行改进,得到一个新的扩散反应方程。关于数据项,本文采用两种守恒假设约束相结合的方式,改进的数据项在基于灰度守恒假设的基础上引入包含图像更多信息的Hessian矩阵守恒假设,提高了在光照突变情况下光流计算的准确性,同时结合Lucas局部光流一致算法,提高了算法在噪声情况下的鲁棒性。关于平滑项,本文则直接对扩散反应方程中的扩散项进行设计,这样可以不用考虑能量泛函关于凸性和可微性的限制,能够对运动边缘施加更为灵活的控制。其光流平滑过程,借鉴Weickert应用于图像的一致增强扩散思想,把它扩展到光流矢量场,并做适当改进,使之更适合于光流场。为了解决大位移问题对光流计算的影响,本文采用由粗到精,多分辨率分层细化的方法进行计算。 最后,本文选取三个比较有代表性的图像序列验证本文改进算法的有效性。通过分析实验得到的光流矢量图和误差数据,证明本文改进算法无论在精确性还是鲁棒性都要优于以往其他变分算法。


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