DE102007049740A1 - Method for determining two-dimensional motion vector fields in an image sequence and image processing device for this purpose - Google Patents

Method for determining two-dimensional motion vector fields in an image sequence and image processing device for this purpose Download PDF

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Technische Universitaet Braunschweig
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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.
The invention relates to a method for determining two-dimensional motion vector fields in an image sequence with the steps:
  • - 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

Chr. Theobalt, J. Carranza, M. A. Magnor, H.-P. Seidel: „Enhancing Silhouette-based Human Motion Capture with 3D Motion Fields", in: Proc. IEEE Pacific Graphics 2003, Canmore, Canada, pp. 185–193, October 2003 , offenbart ein Verfahren zur Erfassung von Bewegung in Bildern mit dreidimensionalen Bewegungsfeldern. Aus den Berechnungen des optischen Flusses im zweidimensionalen Raum für eine Vielzahl von Blickwinkeln und einem Objektmodell wird ein dreidimensionales Bewegungsfeld abgeleitet. Theobalt, J. Carranza, MA Magnor, H.-P. Seidel: "Enhancing Silhouette-based Human Motion Capture with 3D Motion Fields", in: Proc. IEEE Pacific Graphics 2003, Canmore, Canada, pp. 185-193, October 2003 discloses a method for detecting motion in images with three-dimensional motion fields. From the calculations of the optical flow in two-dimensional space for a plurality of viewpoints and an object model, a three-dimensional motion field is derived.

Die Bestimmung des optischen Flusses in Bildsequenzen ist bspw. in SukHan Lim und Abbas EI Gamal: „Optical Flow Estimation Using High Frame Rate Sequences", in: Proc. Int. Conf. Image Processing, Vol. 2, 2001, pp. 925–928 beschrieben. Hierzu wird eine spezielle Kamera mit hoher Bildrate verwendet und der optische Fluss zwischen den einzelnen Bildern mittels eines bekannten Verfahrens nach Lukas-Kanade berechnet.The determination of the optical flow in image sequences is, for example, in Sukhan Lim and Abbas EI Gamal: Optical Flow Estimation Using High Frame Rate Sequences, in: Proc. Int Conf. Image Processing, Vol. 2, 2001, pp. 925-928 described. For this purpose, a special camera with a high frame rate is used and the optical flux between the individual images is calculated by means of a known method according to Lukas-Kanade.

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 WO 98/14010 , EP 0 614 318 B1 bekannt.The motion estimation in digital image sequences is known inter alia from image compression technology. In this case, successive images of a sequence of displacement vectors are determined for image blocks, which describe a shift of image blocks having the least change in the image content. Such Bewegungsschätzverfahnen are, for example, in the WO 98/14010 . EP 0 614 318 B1 known.

US 2006/0290821 A1 offenbart ein aus der Auswertung von globaler Bildbewegungsinformation und lokaler Bewegung in Bildblöcken beruhendes Verfahren zur Videoaufbereitung. Zur Beschreibung der lokalen Bildbewegung werden optische Flussvektoren berechet. US 2006/0290821 A1 discloses a video rendering process based on the interpretation of global image motion information and local motion in image blocks. To describe the local image motion, optical flux vectors are calculated.

M.-Ben-Ezra und S. K. Nayar: „Motion-Based Motion-Deblurring" in: IEEE Transactions an Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 26, No. 6, June 2004 beschreibt ein Verfahren zur Aufbereitung von durch eine Kamerabewegung signifikant verschlechterten Videos. Um die erforderliche Bewegungsinformation der Kamera zu erhalten ist ein zweiter Bilddetektor mit geringerer Auflösung als die Videoaufnahmekamera mit der Videokamera gekoppelt. Während mit der hochauflösenden Videokamera das aufzunehmende und nachzuverarbeitende Video mit langer Belichtungsdauer und geringer zeitlicher Auflösung aufgenommen wird, arbeitet der zweite Bilddetektor mit höherer zeitlicher Auflösung, kürzeren Belichtungsdauern und geringerer örtlicher Auflösung. Die Bewegung der Videokameras wird anhand der mit dem zweiten Bilddetektor aufgenommenen Bildsequenz bestimmt. Das Verfahren dient dazu, das lang belichtete Bild durch Kompensation der Bewegung der Kamera zu schärfen, während die Szene als statisch angenommen wird. Dazu wird der optische Fluss zwischen den Aufnahmen mit der geringen räumlichen Auflösung, die nur kurz belichtet werden, berechnet. Anschließend wird eine Annäherung an das Bewegungsfeld berechnet, das der Bewegung der Kamera während der langen Belichtungsdauer entspricht. Das lang belichtete, bewegungsunscharfe Bild wird dann mit Hilfe dieser Annäherung geschärft. M. Ben Ezra and SK Nayar: "Motion-Based Motion Deburring" in: IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 26, No. 6, June 2004 describes a method for processing videos significantly degraded by a camera movement. In order to obtain the required motion information of the camera, a second image detector with a lower resolution than the video recording camera is coupled to the video camera. While the video to be recorded and post-processed is taken with the high-resolution video camera with long exposure time and low temporal resolution, the second image detector operates with higher temporal resolution, shorter exposure times and lower spatial resolution. The motion of the video cameras is determined on the basis of the image sequence recorded with the second image detector. The method is to sharpen the long-exposed image by compensating for camera motion while the scene is assumed to be static. For this purpose, the optical flow between the images with the low spatial resolution, which are exposed only briefly calculated. Then, an approximation to the motion field is calculated, which corresponds to the movement of the camera during the long exposure time. The long-exposed, motion-blurred image is then sharpened using this approach.

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:

1 – Blockdiagramm einer Bildverarbeitungseinrichtung mit zwei Kameras und einer Bildauswerteeinheit zur Ermittlung des 2D-Bewegungsvektorfeldes in einer Bildsequenz; 1 Block diagram of an image processing device with two cameras and an image evaluation unit for determining the 2D motion vector field in an image sequence;

2 – Blockdiagramm einer Bildverarbeitungseinrichtung mit einer Kamera mit Strahlenteiler und an zwei Bildsensoren der Kamera angeschlossenen Bildauswerteeinheit; 2 Block diagram of an image processing device with a camera with a beam splitter and an image evaluation unit connected to two image sensors of the camera;

3 – Belichtungszeitdiagramm zur Darstellung der Bildaufnahmemöglichkeiten für die Ermittlung des 2D-Bewegungsverlaufs in einer Bildsequenz; 3 Exposure time diagram for displaying the image recording capabilities for determining the 2D motion history in an image sequence;

4 – Skizze von einer mit kurzen und langen Belichtungszeiten aufgenommenen Bildsequenz über die Zeit und aus einer ersten Näherung des optischen Flusses abgeleitetem Bild B0. 4 Sketch of an image sequence recorded with short and long exposure times over time and image B 0 derived from a first approximation of the optical flow.

1 lässt ein Blockdiagramm einer Bildverarbeitungseinrichtung 1 erkennen, die eine erste Kamera 2a zur Aufnahme einer Szene 3 mit einer ersten Belichtungsdauer hat. Diese erste Kamera 2a ist an eine zweite Kamera 2b gekoppelt, die auf dieselbe Szene 3 ausgerichtet ist, um diese Szene 3 mit einer zweiten Belichtungsdauer aufzunehmen. Hierzu sind die erste und zweite Kamera 2a, 2b durch zugeordnete Steuerungseinheiten 4a, 4b angesteuert, die separat oder als eine Einheit ausgebildet sein können. Die Kameras 2a, 2b werden derart angesteuert, dass die erste Kamera 2a die Szene 3 mit kurzer Belichtungszeit und hohem Verstärkungsfaktor (Gain) aufnimmt, während die zweite Kamera 2b dieselbe Szene 3 mit möglichst langer Belichtungszeit und kleinem Verstärkungsfaktor aufnimmt. Die Steuerungseinheiten 4a, 4b sowie die Kameras 2a, 2b sind selbst so eingestellt, dass die kurzbelichteten Bilder nicht unterbelichtet sind, während die langbelichteten Bilder nicht der Szene 3 überbelichtet werden. Dies erfolgt durch geeignete Auswahl der Verstärkungsfaktoren. 1 shows a block diagram of an image processing device 1 recognize the first camera 2a to record a scene 3 with a first exposure time. This first camera 2a is to a second camera 2 B coupled, on the same scene 3 is aligned to this scene 3 record with a second exposure time. These are the first and second camera 2a . 2 B by associated control units 4a . 4b controlled, which may be formed separately or as a unit. The cameras 2a . 2 B are controlled in such a way that the first camera 2a the scene 3 with short exposure time and high gain (gain), while the second camera 2 B the same scene 3 with the longest possible exposure time and a small amplification factor. The control units 4a . 4b as well as the cameras 2a . 2 B are themselves set so that the short-exposed images are not underexposed, while the long-exposed images are not the scene 3 overexposed. This is done by appropriate selection of the gain factors.

Die maximale Belichtungszeit selbst ist von der Bildwiederholrate der Kameras 2a, 2b abhängig.The maximum exposure time itself is the frame rate of the cameras 2a . 2 B dependent.

Die mit kurzer Belichtungszeit durch die erste Kamera 2a aufgenommenen Bilder sowie das mindestens eine mit langer Belichtungszeit aufgenommene Bild derselben Szene 3 werden einer Bildauswerteeinheit 5 zugeführt, in der aus diesen kurz- und lang belichteten Bilder derselben Szene 3 das zweidimensionale Bewegungsvektorfeld BV berechnet wird, der die kurz belichteten Aufnahmen konsistent ineinander überführt und zugleich die lang belichtete Aufnahme rekonstruiert.The short exposure time through the first camera 2a recorded images as well as the at least one long exposure time recorded image of the same scene 3 become an image evaluation unit 5 fed, in the short and long exposed images of the same scene 3 the two-dimensional motion vector field BV is calculated, which consistently converts the short-exposed images into each other and at the same time reconstructs the long-exposed image.

2 lässt eine andere Ausführungsform einer der zwei Kameras 2a, 2b synchron betrieben werden. Die beiden Kameras 2a, 2b besitzen durch einen optischen Strahlteiler 6 dieselbe optische Achse und benutzen dieselbe Optik 7. Wiederum wird mit der ersten Kamera die Szene 3 mit kurzer Belichtungszeit und hohem Verstärkungsfaktor mit der zweiten Kamera 2b dieselbe Szene 3 mit langer Belichtungszeit und kleinem Verstärkungsfaktor aufgenommen. 2 lets another embodiment of one of the two cameras 2a . 2 B be operated synchronously. The two cameras 2a . 2 B own by an optical beam splitter 6 same optical axis and use the same optics 7 , Again, with the first camera, the scene 3 with short exposure time and high gain with the second camera 2 B the same scene 3 recorded with a long exposure time and a small amplification factor.

Eine alternative technische Realisierung besteht darin, eine einzige Videokamera 2 zu verwenden, die alternierend Bilder mit kurzer und langer Belichtungszeit bei simultan entsprechend wechselnden Verstärkungsfaktoren aufnimmt.An alternative technical realization is a single video camera 2 to use alternatingly taking pictures with short and long exposure time at simultaneously corresponding to varying gain factors.

3 lässt ein Belichtungszeitdiagramm zur Darstellung der Bildaufnahmemöglichkeiten für die Ermittlung des Bildbewegungsverlaufs, d. h. des 2D-Bewegungsvektorfeldes BV in einer Bildsequenz erkennen. 3 shows an exposure time diagram for displaying the image recording possibilities for determining the image movement progression, ie the 2D motion vector field BV in an image sequence.

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 2 alternierend kurz belichtete Aufnahmen A, C, E, H und lang belichtete Aufnahmen B, D, F, H bei minimalen, jeweils gleich langen Totzeiten aufzuzeichnen.Another alternative d) provides, with a correspondingly modified camera 2 record alternately briefly exposed images A, C, E, H and long exposures B, D, F, H at minimum dead times of equal length.

Durch die Aufnahme einer Szene 3 mit lang und kurz belichteten Bildern A bis H stehen viel mehr Informationen zur Verfügung als bei den bekannten Methoden zur Bestimmung des 2D-Bewegungsvektorfeldes. Diese Informationen werden durch das folgende Modell zur Bildentstehung in Zusammenhang gebracht:
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:

Figure 00090001
By recording a scene 3 with long and short exposed images A to H, much more information is available than in the known methods for determining the 2D motion vector field. This information is related to the image formation by the following model:
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:
Figure 00090001

Eine ähnliche Formulierung lässt sich für das kurz belichtete Bild C finden. Eine weitere Beschreibung des Bildentstehungsprozesses ist auch mittels der Integralgleichung

Figure 00090002
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
Figure 00090002
with a suitable kernel k: Ω 2 → R possible.

Es wird ausgenutzt, dass die kurz belichteten Bilder A, C, E, G die dynamische Szene 3 in scharfen Momentaufnahmen abbilden, während die lang belichteten Bilder B, D, F, H Bewegungsunschärfe zeigen. Anhand einer lang belichteten Aufnahme B sowie der zwei zeitlich nächst gelegenen kurz belichteten Aufnahmen A, C kann das Bewegungsfeld der Szene 3 rekonstruiert werden. Dazu wird ausgenutzt, dass die lang belichtete Aufnahme einer Faltung entspricht mit den beiden kurz belichteten Aufnahmen A, C als Kern und dem zu ermittelnden 2D-Bewegungsvektorfeld als Definitionsbereich der Faltung.It is exploited that the short-exposed images A, C, E, G the dynamic scene 3 in sharp snapshots, while the long exposed images B, D, F, H show motion blur. On the basis of a long exposed shot B and the two temporally closest located short exposures A, C, the field of motion of the scene 3 be reconstructed. For this purpose, use is made of the fact that the long-exposed image corresponds to a convolution with the two short-exposed images A, C as the nucleus and the 2D motion vector field to be determined as the definition region of the convolution.

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.

4 lässt eine Skizze von kurz belichteten Aufnahmen A, C und einer lang belichteten Aufnahme B erkennen. Mit Hilfe beispielsweise des Analysis-by-Synthesis-Ansatzes wird der Bildentstehungsprozess der lang belichteten Aufnahme B entsprechend der oben genannten Formel

Figure 00100001
schnell simuliert. Dies hat die Wirkung, dass die kurz belichteten Bilder A und C entlang eines initialen Bewegungsfeldes v0 verschmiert und gewichtet gemittelt werden. Das auf diese Weise erzeugte Ergebnisbild B0 wird anschließend mit lang belichteten Aufnahme B verglichen. Zum Vergleich genügt ein einfaches Fehlermaß, z. B. das aufsummierte Fehlerquadrat SSD. Mit Hilfe eines geeigneten Optimierungsverfahrens, z. B. nach Powell wird das Bewegungsfeld vn iterativ solange variiert, bis der Fehlerwert e minimal ist. 4 shows a sketch of short exposures A, C and a long exposure photograph B. With the help of, for example, the analysis-by-synthesis approach, the image formation process of the long-exposure image B becomes according to the above formula
Figure 00100001
quickly simulated. This has the effect that the briefly exposed images A and C are smeared and weighted along an initial motion field v 0 . The result image B 0 produced in this way is subsequently compared with long exposure B. For comparison, a simple error measure, z. B. the accumulated error square SSD. With the help of a suitable optimization method, z. B. Powell is n iteratively varying the motion field v until the error value e is minimal.

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.

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Claims (14)

Verfahren zur Ermittlung von zweidimensionalen Bewegungsvektorfeldern 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, gekennzeichnet durch – Ermitteln des zweidimensionalen Bewegungsvektorfeldes aus dem mit der zweiten Belichtungsdauer aufgenommenen länger belichteten Bild der Szene mit höheren Bewegungsunschärfe in Bezug zu dem zeitlich mit diesem Bild der Szene zusammenhängenden mindestens einen mit der ersten Be lichtungsdauer aufgenommenen Bildes dieser Szene mit erster Belichtungsdauer.Method for determining two-dimensional Motion vector fields in a picture sequence with the steps: - Take up at least one image of a scene having a first exposure duration; - Take up same scene with a second exposure, the longer as the first exposure time, so that with the second Exposure time recorded image of the scene a greater motion blur has, at least, as the exposure taken with the first exposure a picture of the same scene, marked by - Determine of the two-dimensional motion vector field from that with the second Exposure time taken longer exposed image the scene with higher motion blur in relation at the time associated with this image of the scene at least one image taken with the first exposure time this scene with first exposure time. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Faltung mindestens eines mit der ersten Belichtungsdauer aufgenommenen Bildes und Ausnutzung des mit der zweiten Belichtungsdauer aufgenommenen Bildes derselben Szene.Method according to claim 1, characterized by folding at least one image taken with the first exposure time and taking advantage of the recorded with the second exposure time Picture of the same scene. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Aufnehmen des mindestens einen Bildes einer Szene mit einer ersten kurzen Belichtungsdauer mit Hilfe einer ersten Bildaufnahmeeinheit, die einen Verstärkungsfaktor zur Belichtungssteuerung hat, der höher als der Verstärkungsfaktor einer zweiten Bildaufnahmeeinheit zum Aufnehmen derselben Szene mit einer zweiten Belichtungsdauer ist.A method according to claim 1 or 2, characterized by capturing the at least one image of a scene with a first short exposure time with the aid of a first image acquisition unit, which has a gain factor for exposure control, which is higher than the gain of a second one Image recording unit for recording the same scene with a second one Exposure duration is. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Bildaufnahmeeinheit voneinander unabhängige Kameras sind, die die Szene aus näherungsweise gleicher Perspektive aufnehmen.Method according to claim 3, characterized in that the first and second image acquisition units are independent of one another Cameras are that the scene from approximately the same Take a perspective. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Bildaufnahmeeinheit über einen gemeinsamen Strahlteiler auf dieselbe Szene ausgerichtet sind, um die Szene mit identischer Perspektive aufzunehmen.Method according to claim 3, characterized that the first and second image acquisition unit via a common beam splitters are aligned on the same scene to to record the scene with identical perspective. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Aufnehmen von Bildern der Szene zeitlich hintereinander mit einer Kamera mit voneinander unterschiedlichen Belichtungsdauern, um von der Szene Bilder mit unterschiedlicher Bewegungsunschärfe zu erhalten.Method according to one of claims 1 to 3, characterized by taking pictures of the scene temporally in a row with a camera with different from each other Exposure time to take pictures of the scene with different To get motion blur. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Aufnehmen des mit einer ersten kurzen Belichtungsdauer aufzunehmenden mindestens einen Bildes einer Szene mit einem Verstärkungsfaktor zur Belichtungssteuerung, der höher als der zum Aufnehmen derselben Szene mit einer zweiten Belichtungsdauer vorgesehene Verstärkungsfaktor ist.Method according to claim 6, characterized by picking up of at least to be recorded with a first short exposure period an image of a scene with a gain control factor for exposure control, the higher than that for recording the same scene with one second exposure period provided gain is. 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, dadurch gekennzeichnet, 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 höhere 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 Belichtungsdauer aufgenommenen Bild der Szene mit höherer Bewegungsunschärfe in Bezug zu dem zeitlich mit diesem Bild der Szene zusammenhängenden, mindestens einen Bildes dieser Szene mit erster Belichtungsdauer eingerichtet ist.Image processing device with at least one Camera for taking a sequence of images of a scene, with a Control unit for controlling the at least one camera and with an image evaluation unit, characterized in that the Control unit is set up to take at least one picture of a Scene with a first exposure duration and the same scene with one second exposure time, which is less than the first Exposure time is, so that with the second exposure time taken picture of the scene a higher motion blur has at least as the first exposure taken an image of the same scene, and that the image evaluation unit for Determination of the two-dimensional motion vector field from the with the second exposure time recorded image of the scene with higher Motion blur in relation to the time with this Image of the scene contiguous, at least one image This scene is set up with the first exposure time. Bildverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildauswerteeinheit zur Faltung von mindestens zwei Bildern einer mit der ersten Belichtungsdauer aufgenommenen Folge von Bildern derselben Szene eingerichtet ist.Image processing device according to claim 8, characterized characterized in that the image evaluation unit for convolution of at least two pictures of a sequence taken with the first exposure from pictures of the same scene. Bildverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine erste zur Aufnahme eines Bildes einer Szene mit einer ersten Belichtungsdauer eingerichteten Bildaufnahmeeinheit, die einen Verstärkungsfaktor zur Belichtungssteuerung hat, der höher als der Verstärkungsfaktor einer zweiten Bildaufnahmeeinheit zum Aufnehmen derselben Szene mit einer zweiten Belichtungsdauer ist.Image processing device according to claim 8 or 9, characterized by a first for taking a picture of a Scene with a first exposure period equipped image recording unit, the has a gain factor for exposure control, which is higher than the gain of a second one Image recording unit for recording the same scene with a second one Exposure duration is. Bildverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Bildaufnahmeeinheit voneinander unabhängige Kameras sind, die zur Aufnahme der Szene aus näherungsweise gleicher Perspektive ausgerichtet sind.Image processing device according to claim 10, characterized characterized in that the first and second image pickup unit from each other Independent cameras are those that are approximate to capture the scene aligned with the same perspective. Bildverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Bildaufnahmeeinheit über einen gemeinsamen Strahlteiler auf dieselbe Szene ausgerichtet sind, um die Szene mit identischer Perspektive aufzunehmen.Image processing device according to claim 10, characterized characterized in that the first and second image acquisition unit via a common beam splitter are aligned on the same scene, to record the scene with identical perspective. Bildverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinrichtung genau eine Kamera zum Aufnehmen der Szene hat und die Steuerungseinheit eingerichtet ist, um zeitlich hintereinander Bilder der Szene mit voneinander unterschiedlichen Belichtungsdauern mit der Kamera aufzunehmen, um von einer Szene Bilder mit unterschiedlicher Bewegungsunschärfe zu erhalten.Image processing device according to one of claims 8 or 9, characterized in that the image processing device exactly one camera for recording the scene, and the control unit is arranged to record temporally successive images of the scene with mutually different exposure times with the camera in order to obtain images with different motion blur from a scene. Bildverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist, um die mit einer ersten Belichtungsdauer aufzunehmende Szene mit einen Verstärkungsfaktor zur Belichtungssteuerung aufzunehmen, der höher als der zum Aufnehmen derselben Szene mit einer zweiten Belichtungsdauer vorgesehene Verstärkungsfaktor ist.Image processing device according to claim 13, characterized characterized in that the control unit is arranged to the scene to be recorded with a first exposure duration with a Pick up gain for exposure control, the higher than that for recording the same scene with one second exposure period provided gain is.
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