CN103778646A - 高速运动标记点图像快速搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明高速运动标记点图像快速搜索方法属于计算机视觉图像处理领域，涉及一种针对高速运动标记点的相面快速搜索方法。快速搜索方法利用高速运动标记点运动路径连续性以及相面速度矢量变化连续性确定图像相面搜索方向，采用前帧标记点速度、加速度确定后帧搜索范围并利用标记点在搜索范围中的位置实时调整搜索范围，达到快速准确搜索标记点的目的。这种快速搜索方法仅利用运动连续性、速度以及加速度等很少的相面信息便可快速确定搜索范围，节省了对整张图片处理的时间且有效避免了相面噪点对标记点搜索的干扰，利用前标记点出现位置实时调控后帧搜索范围，使标记点搜索更加准确，在不漏点的前提下最大限度的提高了搜索速度。

Description

高速运动标记点图像快速搜索方法

技术领域

本发明属于计算机视觉图像处理领域，涉及一种针对高速运动标记点的相面快速搜索方法。

背景技术

标记点搜索在计算机视觉图像处理领域有着极其重要的地位，是计算机视觉图像处理技术的重要组成部分。随着现代科技的发展，计算机视觉技术应用更加广泛。特别针对高速运动物体的位置、姿态测量时，运动物体速度快、所需观测视场大、像素高、拍摄帧频高，所产生的图像信息巨大，往往一秒钟拍摄几千帧运动图像，在这样巨大的信息量中进行标记点搜索要花费庞大的时间，尤其在需要进行实时测量、实时反馈的条件下必须保证图像处理效率，而提高标记点的搜索速度是提高图像处理效率的必要前提。

目前对高速运动标记点相面快速搜索的研究较少，多为用已知运动模型进行曲线拟合缩小搜索范围，这使得算法不够简便，在实时测量中应用效果不佳。宋焕生,刘雪琴等人发表的《一种图像运动目标特征点快速搜索方法》提出了一种对路面车辆图像进行快速搜索的方法，这种方法不适用于高帧频大数据量快速搜索。

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种高速运动标记点图像快速搜索方法，利用高速运动标记点运动路径连续性以及相面速度矢量变化连续性确定图像搜索方向；针对高速拍摄两帧间隔时间极短，加速度变化微小，采用前帧标记点速度、加速度确定后帧搜索范围并利用标记点在搜索范围中的位置实时调整下帧搜索范围，达到快速准确搜索标记点的目的；这种高速运动标记点图像快速搜索方法仅利用运动连续性、速度以及加速度等相面信息便可确定快速搜索范围，无需对整张图像进行处理大大节省了处理时间且有效避免了相面噪点对标记点搜索的干扰更进一步提高搜索速度，并利用前帧标记点出现位置实时调控后帧搜索范围，使标记点搜索更加准确，在不漏点的前提下最大限度的提高了搜索速度。

本发明所采用的技术方案是一种高速运动标记点图像快速搜索方法，其特征是，利用标记点运动路径连续性以及相面速度矢量变化连续性确定图像相面搜索方向，并利用标记点瞬时相面运动距离、相面加速度以及出现位置进行迭代计算实时调控每帧搜索范围，将相面搜索范围与背景进行灰度差值，得到灰度变化区域，完成标记点快速搜索；高速运动标记点图像快速搜索方法具体步骤如下：

（1）标记点初始位置搜索

利用灰色阀值法搜索标记点运动初始相面位置，分别对前三帧图像进行全部二值化处理，利用灰度阀值法搜索每张图片，获得标记点位置坐标(u,v)以及每帧标记点像素个数q；并运用以下公式确定第二帧图像标记点速度

与加速度

$\stackrel{\→}{v_i}=\frac{\stackrel{\→}{S_{i,i-1}}+\stackrel{\→}{S_{i+1,i}}}{2t}---\left(1\right)$

$\stackrel{\→}{a_i}=\frac{\stackrel{\→}{{\mathrm{\ΔS}}_{i+1,i}}}{t^2}---\left(2\right)$

其中，脚标i为图片帧数、

为第i帧标记点与第i-1帧标记点像素距离矢量

为第i+1帧标记点与第i帧标记点像素距离矢量

为两帧间隔时间、

是相同间隔时间下路程差矢量，值为

（2）迭代计算各帧搜索范围大小

利用第i-2帧图像标记点的运动速度、加速度以及第i-1帧图像标记点的像素个数q_i-1确定第i帧搜索范围；搜索区域为一个扇形圆环，第i帧扇形圆环面积由第i-1帧图像标记点的像素个数q_i-1确定，扇形圆环面积包括像素个数为n倍前帧标记点像素个数；

利用像素长度L、宽度H，根据以下公式计算第i帧扇形圆环所需搜索范围面积M_i以及扇形圆环夹角α_i+β_i：

M_i＝nq_i-1L·H           （3）

${\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\β}}_i=\frac{{2M}_i}{R_i-r_i}---\left(4\right)$

其中，脚标i为图片帧数、n为放大倍数、R_i为以第i-1帧标记点中心为圆心的圆环外边界半径、r_i为以第i-1帧标记点中心为圆心的圆环内边界半径、α_i为扇形上边界与

夹角、β_i为扇形下边界与

夹角，R_i、r_i由以下公式求得：

$R_i=|(\stackrel{\→}{v_{i-2}}+\stackrel{\→}{a_{i-2}}t)t+\frac{1}{2}\stackrel{\→}{a_{i-2}}{t}^2|+w\sqrt{\frac{q_{i-1}\·L\·H}{\mathrm{\π}}}---\left(5\right)$

$r_i=|(\stackrel{\→}{v_{i-2}}+\stackrel{\→}{a_{i-2}}t)t+\frac{1}{2}\stackrel{\→}{a_{i-2}}{t}^2|-w\sqrt{\frac{q_{i-1}\·L\·M}{\mathrm{\π}}}---\left(6\right)$

其中为w边界系数；

（3）迭代计算调整各帧搜索范围搜索角度

本发明利用上帧标记点出现位置实时调下帧控扇形圆弧参数α_i、β_i，变化搜索范围；

第i帧搜索方向为沿前两帧标记点像素距离矢量夹角参数初始值设为α_i=β_i；将q_i-1代入公式（4、5、6）求得第i帧扇形圆弧夹角α_i+β_i以及圆环内外边界搜索范围，将搜索区域进行二值化处理并与背景进行灰度差值，搜索得到第i帧标记点相面坐标(u_i,v_i)用标记O_i表示；利用所得O_i代入下面公式求得当前帧标记点偏离当前帧搜索方向角度θ：

${\mathrm{\θ}}_i=\arccos \left[\frac{|\stackrel{\→}{(u_i-u_{i-1}),(v_i-v_{i-1})}\×\stackrel{\→}{S_{i-2,i-1}}|}{\left|\stackrel{\→}{(u_i-u_{i-1}),(v_i-v_{i-1})}\right|\·\left|\stackrel{\→}{S_{i-2,i-1}}\right|}\right]---\left(7\right)$

当θ_i角不为零时，需利用下面公式判定θ_i角偏离方向，f为正在

上方，f为负在

下方：

f＝(u_i-1-u_i-2)·(v_i-v_i-2)-(u_i-u_i-2)·(v_i-1-v_i-2)      （8）

当f为正时，α_i+1=α_i+θ_i、β_i+1=β_i-θ_i；

当f为负时，α_i+1=α_i-θ_i、β_i+1=β_i+θ_i；

若在搜索范围内无标记点需调整扇形圆环各参数，首先保证边界系数w不变，扩大放大倍数n使得搜索范围夹角α_i+β_i变大进行搜索，如搜索到标记点则将放大倍数n还原并将所求得的θ_i角带入公式继续迭代求解下帧搜索范围；若仍无标记点，则同时扩大放大倍数n与边界系数w使得搜索范围夹角α_i+β_i与边界R_i、r_i都变大搜索，如搜索到标记点则还原放大倍数n与边界系数w，带入所求得θ_i角继续迭代求解下帧搜索范围，如仍无标记点则确定标记点消失；若连续多帧需要同时扩大放大倍数n与边界系数w才可搜索到标记点则不再还原放大倍数n与边界系数w；

高速运动标记点图像快速搜索方法仅利用相面运动连续性、速度以及加速度等少量信息便可确定快速搜索范围，无需对整张图像进行处理大大节省了处理时间且有效避免了相面噪点对标记点搜索的干扰更进一步提高搜索速度，并利用前帧标记点出现位置实时调控后帧搜索范围，使标记点搜索更加准确，在不漏点的前提下最大限度的提高了搜索速度。

附图说明

图1原理示意图。其中，1-第i-3帧图像标记点、2-第i-2帧图像标记点、3-第i-1帧图像标记点、4-第i帧标记点、5-由

₁确定的第i帧搜索方向、6-第i帧α_i角、7-第i帧β_i角、8-第i帧θ_i角、9-第i帧搜索范围内边界r_i、10-第i帧搜索范围外边界R_i。

图2搜索流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。附图1为原理示意图。对于高速运动标记点其运动速度较高，为还原其运动特征，图像采集所需帧频多为1000fps以上，拍摄间隔时间t极短；

在极短时间内不会产生较大变化，可以用于确定第i帧标记点搜索范围；利用第i-2帧图像标记点2的速度、加速度与边界系数确定第i帧搜索范围内边界r_i9与外边界R_i10以及第i帧α_i角6、第i帧β_i角7、第i帧搜索方向5，搜索得到第i帧图像标记点4并通过第i帧图像标记点4的位置计算第i帧θ_i角8调整第i+1帧搜索范围角度分布，进行迭代计算实时调控搜索范围完成标记点快速准确搜索。

本实施例使用高速摄像机采集标记点高速运动视频图像，拍摄条件如下：高速摄像机帧频为1500fps，图片像素为1024×1024，镜头焦距为17mm，物距为750mm，视场约为800mm×800mm。以下为搜索方法的具体流程：

（1）标记点初始位置搜索

利用灰色阀值法搜索标记点运动初始相面位置，分别对前三帧图像进行全部二值化处理，利用灰度阀值法搜索每张图片确定标记点位置坐标(u₁,v₁)、(u₂,v₂)、(u₃,v₃)以及标记点像素个数q₁、q₂、q₃；并运用公式（1、2）计算第二帧图像标记点速度

与加速度

（2）迭代各帧搜索范围

设放大倍数n=10，边界系数w=5，将所求得的

q₃带入公式（3、4、5、6）计算第4帧搜索范围各参数R₄、r₄、α₄+β₄，将扇形圆环角度置为α₄=β₄，搜索第4帧标记点位置(u₄,v₄)带入公式（7）计算第5帧θ₅，经公式（8）判定求得α₅、β₅，

q₄带入公式（3、4、5、6）计算第5帧搜索范围各参数R₅、r₅、α₅+β₅。按照以上流程进行迭代实时调整搜索范围，若在搜索范围内无标记点则需调整扇形圆环各参数，首先保证边界系数w不变，扩大放大倍数n使得搜索范围夹角α_i+β_i变大进行搜索，如搜索到标记点则将放大倍数n还原并将所求得的θ_i角带入公式继续迭代求解下帧搜索范围；若仍无标记点，则同时扩大放大倍数n与边界系数w使得搜索范围夹角α_i+β_i与边界R_i、r_i都变大搜索，如搜索到标记点则还原放大倍数n与边界系数w，带入所求得θ_i角继续迭代求解下帧搜索范围，如仍无标记点则确定标记点消失；若连续多帧需要同时扩大放大倍数n与边界系数w才可搜索到标记点则不再还原放大倍数n与边界系数w；遵循以上规律完成以后所有帧图像的标记点搜索。

本发明提出的高速运动标记点图像快速搜索方法仅利用少量信息便可确定快速搜索范围，并利用前帧标记点出现位置实时调控后帧搜索范围，无需对整张图像进行处理且有效避免了相面噪点对标记点搜索的干扰，使标记点搜索更加准确快速，在不漏点的前提下最大限度的提高了搜索速度。

Claims (1)

1.一种高速运动标记点图像快速搜索方法，其特征是，利用标记点运动路径连续性以及相面速度矢量变化连续性确定图像相面搜索方向，并利用标记点瞬时相面运动距离、相面加速度以及出现位置进行迭代计算实时调控每帧搜索范围，将相面搜索范围与背景进行灰度差值，得到灰度变化区域，完成标记点快速搜索；高速运动标记点图像快速搜索方法具体步骤如下：

（1）标记点初始位置搜索

利用灰色阀值法搜索标记点运动初始相面位置，分别对前三帧图像进行全部二值化处理，利用灰度阀值法搜索每张图片，获得标记点位置坐标(u,v)以及每帧标记点像素个数q；并运用以下公式确定第二帧图像标记点速度

与加速度

$\stackrel{\→}{v_i}=\frac{\stackrel{\→}{S_{i,i-1}}+\stackrel{\→}{S_{i+1,i}}}{2t}---\left(1\right)$

$\stackrel{\→}{a_i}=\frac{\stackrel{\→}{{\mathrm{\ΔS}}_{i+1,i}}}{t^2}---\left(2\right)$

其中，脚标i为图片帧数、为第i帧标记点与第i-1帧标记点像素距离矢量

为第i+1帧标记点与第i帧标记点像素距离矢量为两帧间隔时间、是相同间隔时间下路程差矢量，值为

（2）迭代计算各帧搜索范围大小

利用第i-2帧图像标记点的运动速度、加速度以及第i-1帧图像标记点的像素个数q_i-1确定第i帧搜索范围；搜索区域为一个扇形圆环，第i帧扇形圆环面积由第i-1帧图像标记点的像素个数q_i-1确定，扇形圆环面积包括像素个数为n倍前帧标记点像素个数；

利用像素长度L、宽度H，根据以下公式计算第i帧扇形圆环所需搜索范围面积M_i以及扇形圆环夹角α_i+β_i：

M_i＝nq_i-1L·H          （3）

${\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\β}}_i=\frac{{2M}_i}{R_i-r_i}---\left(4\right)$

其中，脚标i为图片帧数、n为放大倍数、R_i为以第i-1帧标记点中心为圆心的圆环外边界半径、r_i为以第i-1帧标记点中心为圆心的圆环内边界半径、α_i为扇形上边界与

夹角、β_i为扇形下边界与

夹角，R_i、r_i由以下公式求得：

$R_i=|(\stackrel{\→}{v_{i-2}}+\stackrel{\→}{a_{i-2}}t)t+\frac{1}{2}\stackrel{\→}{a_{i-2}}{t}^2|+w\sqrt{\frac{q_{i-1}\·L\·H}{\mathrm{\π}}}---\left(5\right)$

$r_i=|(\stackrel{\→}{v_{i-2}}+\stackrel{\→}{a_{i-2}}t)t+\frac{1}{2}\stackrel{\→}{a_{i-2}}{t}^2|-w\sqrt{\frac{q_{i-1}\·L\·M}{\mathrm{\π}}}---\left(6\right)$

其中为w边界系数；

（3）迭代计算调整各帧搜索范围搜索角度

本发明利用上帧标记点出现位置实时调下帧控扇形圆弧参数α_i、β_i，变化搜索范围；

第i帧搜索方向为沿前两帧标记点像素距离矢量

夹角参数初始值设为α_i=β_i；将

代入公式（4、5、6）求得第i帧扇形圆弧夹角α_i+β_i以及圆环内外边界搜索范围，将搜索区域进行二值化处理并与背景进行灰度差值，搜索得到第i帧标记点相面坐标(u_i,v_i)用标记O_i表示；利用所得O_i代入下面公式求得当前帧标记点偏离当前帧搜索方向角度θ：

${\mathrm{\θ}}_i=\arccos \left[\frac{|\stackrel{\→}{(u_i-u_{i-1}),(v_i-v_{i-1})}\×\stackrel{\→}{S_{i-2,i-1}}|}{\left|\stackrel{\→}{(u_i-u_{i-1}),(v_i-v_{i-1})}\right|\·\left|\stackrel{\→}{S_{i-2,i-1}}\right|}\right]---\left(7\right)$

当θ_i角不为零时，需利用下面公式判定θ_i角偏离方向，f为正在

上方，f为负在下方：

f＝(u_i-1-u_i-2)·(v_i-v_i-2)-(u_i-u_i-2)·(v_i-1-v_i-2)     （8）

当f为正时，α_i+1=α_i+θ_i、β_i+1=β_i-θ_i；

当f为负时，α_i+1=α_i-θ_i、β_i+1=β_i+θ_i；

若在搜索范围内无标记点需调整扇形圆环各参数，首先保证边界系数w不变，扩大放大倍数n使得搜索范围夹角α_i+β_i变大进行搜索，如搜索到标记点则将放大倍数n还原并将所求得的θ_i角带入公式继续迭代求解下帧搜索范围；若仍无标记点，则同时扩大放大倍数n与边界系数w使得搜索范围夹角α_i+β_i与边界R_i、r_i都变大搜索，如搜索到标记点则还原放大倍数n与边界系数w，带入所求得θ_i角继续迭代求解下帧搜索范围，如仍无标记点则确定标记点消失；若连续多帧需要同时扩大放大倍数n与边界系数w才可搜索到标记点则不再还原放大倍数n与边界系数w。

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