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Bayesian运动图像分析

龙翔  
【摘要】: 运动图像分析是各种图像处理方法的一种综合应用,也是所有计算机视觉研究的第一步。 本文的研究目的是先对Bayesian统计分析方法在运动图像分析过程中的应用进行深入的研究和比较,再在此基础上,利用多分辨率技术,构造出一种新的运动图像分析方法,它应该具有更高的精确度和更高的运算速度。本文的主要工作内容如下: 1.研究了Bayesian图像处理理论和Markov随机场理论,并建立了图像区域仿射运动模型,从而确立了本文运动分析的核心——模型的运动参数。建立模型的主要根据是假设所分析的目标在像平面上的投影随着时间的推移所发生的演化过程可以用一个仿射运动模型来模拟。把仿射运动模型带入Markov随机场理论中,就得出了本文运动图像分析的基本方法——自适应运动图像分割方法。然后,对Bayesian运动图像分析的初始化过程进行了深入的研究。 2.为了求解运动图像的Markov随机场过程,将几种基本的Bayesian图像分割方法进行了研究和比较。首先讨论了Gibbs采样器的概念和收敛性,然后在此基础上详细研究了Metropolis算法、ICM算法以及HCF算法等快速退火算法。在以上几种方法中,Metropolis算法是最接近于模拟退火的方法,但也有模拟退火算法的收敛缓慢的特点。ICM方法是最为快速的退火方法,它相当于把温度固定在0度时的退火过程,但不可避免地会收敛于一个局部极小点。为此,人们提出了稳定性的概念,产生出HCF算法,并把初始化过程并入HCF方法中,使最模糊的位置最后收敛。HCF方法收敛的精确性是以牺牲算法的计算时间为代价的,并且,它也没有完全解决本文的局部极小问题。由于这几种基本的图像处理方法在本文的运动分析过程中,在图像的分割和参数估计上的精确度相差不大,所以本文在后续的分析过程中,采用ICM方法作为运动图像分析的基本退火算法。 3.为了解决大尺寸图像上的运动分割问题,也为进一步提高运动图像分割的精度和运算速度,提出采用多分辨率技术来进一步改进本文的运动图像分析方法,并由此建立了Gaussian图像金字塔。在多分辨率运动图像分析过程中,分辨率的降低不但不会影响分析结果的精确性,而且还可以将小尺度上的分析结果作为初始值,应用到大尺度图像中去。这一点正好满足了快速退火方法中所要求的精良准确的初始分割的要求。多分辨率分割过程中的一大问题是:当把低分辨率图像上的运动参数估计结果传递到高分辨率的图像上去时,要尽量降低奇异点对分析结果的影响。为此,本文对几种多分辨率条件下的运动参数估计方法,即 MRSL方法、IRSL方法以及PSM方法进行了研究和比较。在这三种方法中,PSM 方法具有最令人满意的参数估计性能,即稳定性和精确性。 4.针对现有的多分辨率运动图像分析过程中存在的缺点,提出了我们的解 决方案,并形成了一种新的多分尺度随机场运动图像分析方法。在当前的多分辨 率分析方法中,低分辨率的图像在计算完成后就不再被使用了,所以分析过程中 的多尺度信息并没有被很好地利用。为了充分利用多尺度图像中的交互信息,进 一步完善多分辨率分析方法,本文提出在分析过程中采用一种新的多尺度图像分 析框架,即自回归一子波模型作为分析的基础;然后,引入了多尺度随机场的概 念,使图像分析过程能够成为一种前后向搜索过程,有效地利用原先为冗余的层 与层之间的交互信息;再在运动分析过程中嵌入了序贯极大后验估计方法,用以 估计层与层之间的图像特征参数。当本文所提出的新的多尺度运动图像分析方法 形成之后,在MRF图像分析过程中令人困扰的计算量很大的迭代最优化过程(即 退火过程)被避免了,从而使我们的分析方法能够更加精确和更加快速。 5.为了今后进一步研究的需要,对图像分析后的处理过程进行了简单的讨 论,使后续长图像序列分析能够有一个简单的草图。 为了在Bayesian统计分析方法的基础上,采用多分辨率技术,发展出一种 新的,具有更高的精确度和更高的运算速度的运动图像分析方法,本文所作的学 术贡献如下: 1.在多分辨率运动图像分析过程中,Gaussian金字塔模型过于简单,无法 使算法的精度和计算效率得到进一步的提高,鉴于子波变换与多分辨率分析方法 之间的相似性,提出采用子波变换的方法来代替传统的多分辨率方法中的 Gaussian金字塔。 2.为了解决普通的图像子波变换过程不能直接应用于解决本文中的运动图 像分析问题,提出采用自回归—子波模型来取代以前所使用的Gaussian图像 金字塔模型,使得在运动分析过程中,原先为冗余的尺度信息能够在后续的分析 中被继续使用。 3.为了将尺度信息应用于多分辨率运动分析之中,提出在现有的多分辨率 运动图像分析过程中加入多尺度随机场的概念,从而使图像分析过程能够成为一 种前后向的搜索过程,有效地利用原先为冗余的层与层之间的交互信息,提高运 动图像分析精度。 4.为了配合在分析过程中加入的多尺度随机场的概念,提出在现有的过程 中增加序贯极大后验估计方法,用以估计图像特征参数,从而进一步完善运动图 像的多分辨率分析方法。 5.


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