DE102007049740A1 - Method for determining two-dimensional motion vector fields in an image sequence and image processing device for this purpose - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung von zweidimensionalen Bewegungsvektorfeldern in einer Bildsequenz hat die Schritte: - Aufnehmen mindestens eines Bildes einer Szene mit einer ersten Belichtungsdauer; - Aufnehmen derselben Szene mit einer zweiten Belichtungsdauer, die länger als die erste Belichtungsdauer ist, so dass das mit der zweiten Belichtungsdauer aufgenommene Bild der Szene eine größere Bewegungsunschärfe hat als das mit der ersten Belichtungsdauer aufgenommene, mindestens eine Bild derselben Szene, und - Ermitteln des zweidimensionalen Bewegungsvektorfeldes aus dem mit der zweiten Belichtungsdauer aufgenommenen länger belichteten Bild der Szene mit höherer Bewegungsunschärfe in Bezug zu dem zeitlich mit diesem Bild der Szene zusammenhängenden mindestens einen mit der ersten Belichtungsdauer aufgenommenen Bildes dieser Szene mit erster Belichtungsdauer.A method of detecting two-dimensional motion vector fields in an image sequence comprises the steps of: - taking at least one image of a scene with a first exposure time; Recording the same scene with a second exposure duration that is longer than the first exposure duration, such that the image of the scene captured with the second exposure duration has a greater motion blur than the at least one image of the same scene taken with the first exposure duration, and determining two-dimensional motion vector field from the longer exposure image of the scene with higher motion blur taken with the second exposure duration with respect to the temporally associated with this image of the scene at least one captured with the first exposure time image of this scene with first exposure time.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung zweidimensionaler Bewegungsvektorfelder in einer Bildsequenz mit den Schritten:
- – Aufnehmen mindestens eines Bildes einer Szene mit einer ersten Belichtungsdauer;
- – Aufnehmen derselben Szene mit einer zweiten Belichtungsdauer, die länger als die erste Belichtungsdauer ist, so dass das mit der zweiten Belichtungsdauer aufgenommene Bild der Szene eine größere Bewegungsunschärfe hat als das mit der ersten Belichtungsdauer aufgenommene, mindestens eine Bild derselben Szene.
- - taking at least one image of a scene with a first exposure time;
- Recording the same scene with a second exposure duration which is longer than the first exposure duration, such that the image of the scene recorded with the second exposure duration has a greater motion blur than the at least one image of the same scene taken with the first exposure duration.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bildverarbeitungseinrichtung mit mindestens einer Kamera zur Aufnahme einer Folge von Bildern einer Szene, mit einer Steuerungseinheit zur Steuerung der mindestens einen Kamera und mit einer Bildauswerteeinheit.The The invention further relates to an image processing device with at least one camera for capturing a sequence of images Scene, with a control unit to control the at least a camera and with an image evaluation unit.
Konventionelle Video-Aufnahmeverfahren liefern zeitlich getrennte Momentbilder einer aufgenommenen dynamischen Szene. Um eine Ansicht einer beliebigen dynamischen Szene aus einem festen Blickpunkt zu jedem beliebigen Zeitpunkt zwischen einem fest definierten Anfangs- und Endzeitpunkt photorealistisch erzeugen zu können, ist eine Rekonstruktion des zeitlich kontinuierlichen Verlaufs der aufgenommenen Szene erforderlich. Dies erfolgt herkömmlicherweise durch Rekonstruktion des sogenannten „optischen Flusses" mittels Bildverarbeitungsverfahren. Dabei wird anhand einzelner Momentbilder auf das zweidimensionale Bewegungsvektorfeld der Szene geschlossenconventional Video recording methods provide time-separated snapshots a recorded dynamic scene. To view a view of any dynamic scene from a fixed viewpoint to any one Time between a fixed defined start and end time photorealistic Being able to produce is a reconstruction of the time continuous course of the recorded scene required. This is done conventionally by reconstruction of the so-called "optical flow" by means of image processing methods. It is based on individual snapshots on the two-dimensional Motion vector frame of the scene closed
Die
Bestimmung des optischen Flusses in Bildsequenzen ist bspw. in
Die
Bewegungsschätzung in digitalen Bildsequenzen ist unter
anderem aus der Bildkompressionstechnik bekannt. Dabei werden für
Bildblöcke aufeinander folgende Bilder einer Sequenz Verschiebungsvektoren
bestimmt, die eine Verschiebung von Bildblöcken beschreiben,
die die geringste Änderung des Bildinhalts aufweisen. Derartige
Bewegungsschätzverfahnen sind bspw. in der
Die Koppelung von Videokamera und zweitem Bilddetektor kann in dem Verfahren von Ben-Ezra und Nayar entweder dadurch erfolgen, dass der zweite Bilddetektor an einem Gehäuse der Videokamera angebracht und auf das gleiche Objekt fokussiert ist. Es kann aber auch ein Strahlteiler verwendet werden, so dass Videokamera und zweiter Bilddetektor dieselbe Optik nutzen. Beschrieben ist auch der Einsatz eines speziellen Bildaufnahmechips mit zwei Bilddetektoren auf demselben Chip.The Coupling of video camera and second image detector may be in the process Ben-Ezra and Nayar either made by the second Image detector attached to a housing of the video camera and focused on the same object. It can also be one Beam splitters are used, leaving video camera and second image detector use the same look. Described is also the use of a special Image capture chips with two image detectors on the same chip.
Die Rekonstruktion des optischen Flusses mittels Bildverarbeitungsverfahren auf die bekannte Weise hat den Nachteil, dass die Rekonstruktion des „optischen Flusses" eine unterbestimmtes Problem ist, zu dessen Lösung weitere Randannahmen gemacht werden müssen, die nicht allgemein zutreffen. Der optische Fluss versagt zudem in Szenenregionen, die nicht in beiden Bildern sichtbar sind, wie beispielsweise bei Verdeckungen und Aufdeckungen. Der optische Fluss ist auch nicht notwendig identisch mit der wahren Bewegung der Szene, beispielsweise einer sich drehenden Spirale. Zeitlich nicht-lineare Bewegungen (Beschleunigung, Abbremsen) können mittels des optischen Flusses nicht korrekt ermittelt werden.The reconstruction of the optical flow by means of image processing methods in the known manner has the disadvantage that the reconstruction of the "Optical flow" is an underdeveloped problem that needs to be solved by other marginal assumptions that are not generally true: the optical flow also fails in scene regions that are not visible in both images, such as occlusions and occlusions also not necessarily identical to the true movement of the scene, for example a spinning spiral, Non-linear movements (acceleration, deceleration) can not be determined correctly by means of the optical flow.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung des optischen Flusses in einer Bildsequenz zu schaffen, das einfach ist und verbesserte und robustere Ergebnisse liefert.outgoing It is an object of the present invention to provide an improved Method for determining the optical flow in an image sequence create that is simple and improved and more robust results supplies.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst durch Ermitteln eines zweidimensionalen Bewegungsvektorfeldes aus dem mit der zweiten Belichtungsdauer aufgenommenen länger belichteten Bild der Szene mit der höheren Bewegungsunschärfe in Bezug zu dem zeitlich mit diesem Bild der Szene zusammenhängenden mindestens einen mit der ersten kürzeren Belichtungsdauer aufgenommenen Bildes der Szene.The Task is solved by the method of the type mentioned by determining a two-dimensional motion vector field the longer recorded with the second exposure time Illuminated image of the scene with the higher motion blur in relation to the temporally related to this image of the scene at least one recorded with the first shorter exposure time Picture of the scene.
Es wird somit vorgeschlagen, die Bewegungsinformationen sowohl aus den Bildern einer Szene mit kurzer Belichtungsdauer, als auch aus den Bildern derselben Szene mit langer Belichtungsdauer gleichermaßen auszunutzen und miteinander zu korrelieren, um aus der Kombination beider Bildaufnahmen derselben Szene mit langer und kurzer Belichtungsdauer den optischen Fluss abzuleiten. Das zweidimensionale Bewegungsvektorfeld ist die Projektion der tatsächlichen dreidimensionalen Bewegung in der aufgenommenen Szene auf die Bildebene.It Thus, it is suggested that the movement information both from the images of a scene with a short exposure time, as well as off the same scene with a long exposure time equally exploit and correlate with each other to get out of the combination both images of the same scene with long and short exposure time to derive the optical flow. The two-dimensional motion vector field is the projection of the actual three-dimensional Movement in the recorded scene on the picture plane.
Mit den lang belichteten Aufnahmen der Szene stehen zusätzliche Informationen über den wahren Verlauf der Szene in Bewegung zur Verfügung, so dass der Lösungsraum zur Rekonstruktion des optischen Flusses erheblich eingeschränkt werden kann. Im Ergebnis führt die Berücksichtigung der Zusatzinformationen aus den lang belichteten Aufnahmen zu wesentlich verbesserten und robusteren Ergebnissen im Vergleich zu den bisherigen Verfahren, bei denen keine Korrelation von länger und kürzer belichteten Aufnahmen erfolgt.With the long-exposed shots of the scene are additional Information about the true course of the scene in motion available, so that the solution space for reconstruction of the optical flow can be significantly restricted. As a result, the consideration of the additional information leads from the long-exposed shots to much improved and more robust results compared to previous methods, at which did not show a correlation of longer and shorter Recordings done.
Bei dem Verfahren wird ausgenutzt, dass die kürzer belichteten Bilder eine dynamische Szene in scharfen Momentaufnahmen abbilden, während die lang belichteten Bilder Bewegungsunschärfe zeigen. Das mindestens eine lang belichtete Bild wird zusammen mit kurz belichteten Bildern benutzt, um das komplexe 2D-Bewegungsfeld einer dynamischen Szene robust zu ermitteln.at The method is exploited that the shorter exposed Pictures depict a dynamic scene in sharp snapshots while the long-exposed images motion blur demonstrate. The at least one long-exposed image is combined with short-exposed images used to create the complex 2D motion field robust determination of a dynamic scene.
Beispielsweise kann anhand einer lang belichteten Aufnahme sowie der zwei zeitlich nächstgelegenen kurz belichteten Aufnahmen das Bewegungsfeld einer Szene rekonstruiert werden, in dem ausgenutzt wird, dass die lang belichtete Aufnahme einer Faltung der beiden kurz belichteten Aufnahmen mit einem Kern, der von dem optischen Fluss abhängt, entspricht.For example can by means of a long-exposed recording and the two temporally nearest exposed exposures the motion field be reconstructed a scene in which is exploited that the long exposed image of a convolution of the two short exposed Images with a nucleus that depends on the optical flow, equivalent.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt somit eine Faltung von mindestens zwei mit der ersten Belichtungsdauer aufgenommenen Bildern der Szene und Ausnutzung von einem mit der zweiten Belichtungsdauer aufgenommenen Bildes derselben Szene.In In a preferred embodiment, a convolution occurs of at least two recorded with the first exposure time Pictures of the scene and exploitation of one with the second exposure time taken picture of the same scene.
Die Ermittlung des Bewegungsverlaufes kann verbessert werden, wenn das Aufnehmen des mindestens einen Bildes an der Szene mit der ersten zeitlichen Auflösung mit Hilfe einer ersten Bildaufnahmeeinheit erfolgt, die einen Verstärkungsfaktor zur Bildaufnahmesteuerung hat, der höher als der Verstärkungsfaktor einer zweiten Bildaufnahmeeinheit zum Aufnehmen derselben Szene mit einer zweiten Belichtungsdauer ist. Die Szene wird also sowohl mit kurzer Belichtungszeit und hohem Verstärkungsfaktor als auch mit möglichst langer Belichtungszeit und kleinem Verstärkungsfaktor aufgenommen. Die Verstärkungsfaktoren müssen dabei so gewählt sein, dass die kurz belichteten Bilder nicht unterbelichtet sind, während die lang belichteten Bilder nicht überbelichtet werden. Die maximale Belichtungszeit ist von der Bildwiederholrate der Kameras abhängig.The Determining the course of the movement can be improved if that Taking the at least one image at the scene with the first temporal Resolution takes place with the aid of a first image acquisition unit, which provides an amplification factor for image acquisition control which is higher than the gain of a second image pickup unit for recording the same scene with a second exposure time is. So the scene will be both short Exposure time and high gain as well with as long exposure time and small gain factor added. The amplification factors have to be included be chosen so that the short-exposed images are not are underexposed while the long-exposed images not overexposed. The maximum exposure time depends on the refresh rate of the cameras.
Alternativ zur Bildaufnahme mit zwei unabhängigen Kameras ist auch denkbar, dass das Aufnehmen der Szene mit einer Kamera derart erfolgt, dass zeitlich hintereinander Bilder der Szene mit voneinander unterschiedlichen Belichtungsdauern aufgenommen werden, um von einer Szene Bilder mit unterschiedlicher Bewegungsunschärfe zu erhalten. Der Bewegungsverlauf wird dann aus den mit unterschiedlichen Belichtungsdauern aufgenommenen Bildern derselben Szene ermittelt. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn die einzige Videokamera alternierend Bilder mit kurzer und langer Belichtungszeit bei simultan entsprechend wechselnden Verstärkungsfaktoren aufnimmt, so dass bei der Bildaufnahme mit langer Belichtungszeit ein kleiner Verstärkungsfaktor und bei Bildaufnahme mit kurzer Belichtungszeit ein großer Verstärkungsfaktor gewählt wird.alternative for image capture with two independent cameras is also conceivable that recording the scene with a camera is such that temporally one behind the other images of the scene with different from each other Exposures are taken to take pictures of a scene to get with different motion blur. Of the Course of movement then becomes with different exposure durations recorded images of the same scene. Again, it is beneficial if the only video camera alternately pictures with short and long exposure time simultaneously with correspondingly varying gain factors so that when taking pictures with long exposure time a small gain and when shooting with short exposure time a large gain factor is selected.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist weiterhin, eine verbesserte Bildverarbeitungseinrichtung mit mindestens einer Kamera zur Aufnahme einer Folge von Bildern und einer Szene, mit einer Steuerungseinheit zur Steuerung der mindestens einen Kamera und mit einer Bildauswerteeinheit zu schaffen.The object of the present invention is furthermore an improved image processing device having at least one camera for recording a sequence of images and a scene, with a control unit for controlling the at least one image Camera and with an image evaluation unit to create.
Die Aufgabe wird mit der Bildverarbeitungseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist, um mindestens ein Bild einer Szene mit einer ersten Belichtungsdauer und dieselbe Szene mit einer zweiten Belichtungsdauer aufzunehmen, die geringer als die erste Belichtungsdauer ist, so dass das mit der zweiten Belichtungsdauer aufgenommene Bild der Szene eine größere Bewegungsunschärfe hat, als das mit der ersten Belichtungsdauer aufgenommene, mindestens eine Bild derselben Szene, und dass die Bildauswerteeinheit zur Ermittlung des zweidimensionalen Bewegungsvektorfeldes aus dem mit der zweiten zeitlichen Auflösung aufgenommene Bild der Szene mit größerer Bewegungsunschärfe im Bezug zu dem zeitlich mit diesem Bild der Szene zusammenhängenden, mindestens einen Bildes dieser Szene mit erster Belichtungsdauer eingerichtet ist.The Task is with the image processing device of the aforementioned Art solved by the fact that the control unit is set up is to capture at least one image of a scene with a first exposure time and record the same scene with a second exposure time, which is less than the first exposure time, so that with the second exposure time recorded image of the scene a larger one Motion blur has, than that with the first exposure time recorded, at least one image of the same scene, and that the image evaluation unit for determining the two-dimensional motion vector field from the Image taken with the second temporal resolution the scene with greater motion blur in relation to the temporally related to this image of the scene, at least one image of this scene with the first exposure time is set up.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.advantageous Embodiments are in the subclaims described.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen nachfolgend mit den beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The Invention will become apparent from exemplary embodiments below with the accompanying drawings by way of example closer explained. Show it:
Die
maximale Belichtungszeit selbst ist von der Bildwiederholrate der
Kameras
Die
mit kurzer Belichtungszeit durch die erste Kamera
Eine
alternative technische Realisierung besteht darin, eine einzige
Videokamera
Die herkömmlichen Verfahren a) haben vorgesehen, den optischen Fluss durch Betrachten zweier aufeinander folgender Kurzzeitbelichtungen zu bestimmen.The conventional methods a) have provided the optical Flow by viewing two consecutive short-time exposures determine.
In einer Ausführungsform b) des Verfahrens zur Ermittlung des Bewegungsverlaufs, d. h. von 2D-Bewegungsvektorfeldern in einer Bildsequenz erfolgt ein regelmäßiges Umschalten der Belichtungszeit, um alternierend kurz belichtete Aufnahmen A, C, E, G und lang belichtete Aufnahmen B, D, F, H zu machen.In an embodiment b) of the method for determining the course of motion, ie of 2D motion vector fields in an image sequence, a regular switching of the exposure time to alternately briefly exposed exposures A, C, E, G and long exposures B, D, F, H takes place to ma chen.
In einem anderen Verfahren c) können mit einem Zwei-Kamera-System kurz belichtete Bilder A, C, E, G und lang belichtete Bilder B, D, F, H simultan aufgenommen werden.In another method c) can with a two-camera system short exposed images A, C, E, G and long exposed images B, D, F, H are recorded simultaneously.
Eine
andere Alternative d) sieht vor, mit einer entsprechend modifizierten
Kamera
Durch
die Aufnahme einer Szene
Ist v: R2 × [t1, t2] → R2, (x →, t) ↦ vt(x →)
die 2D-Bewegung eines Punktes der Bildebene zur Zeit t, so lässt
sich das langzeitbelichtete Bild B0 aus
dem kurz belichteten Bild A wie folgt berechnen: By recording a scene
If v: R 2 × [t 1 , t 2 ] → R 2 , (x →, t) ↦ v t (x →) is the 2D movement of a point of the image plane at time t, then the long-time-exposed image B 0 from the briefly exposed image A, calculate as follows:
Eine ähnliche Formulierung lässt sich für das kurz belichtete Bild C finden. Eine weitere Beschreibung des Bildentstehungsprozesses ist auch mittels der Integralgleichung mit einem geeigneten Kern k: Ω2 → R möglich.A similar formulation can be found for the short-exposed image C. Another description of the image formation process is also by means of the integral equation with a suitable kernel k: Ω 2 → R possible.
Es
wird ausgenutzt, dass die kurz belichteten Bilder A, C, E, G die
dynamische Szene
Zur Bestimmung des 2D-Bewegungsvektorfeldes BV aus diesen Informationen sind verschiedene Ansätze möglich, wie beispielsweise Entfaltungsansätze, Variationsansätze, Analysis-by-Synthesis-Ansätze etc.to Determining the 2D motion vector field BV from this information Different approaches are possible, such as Development approaches, approaches to variation, analysis-by-synthesis approaches Etc.
Als initiales Bewegungsfeld v0 stehen sowohl der Optische Fluss zwischen den beiden kurz belichteten Aufnahmen A und C zur Verfügung, als auch der Optische Fluss aus der Langzeitbelichtung B.Both the optical flux between the two short-exposed images A and C are available as the initial motion field v 0 , and the optical flux from the long-term exposure B is available.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- - EP 0614318 B1 [0006] - EP 0614318 B1 [0006]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20110228 |