טיוטה:זרימה אופטית

הזרימה האופטית שחווה צופה מסתובב (במקרה זה זבוב). הכיוון והגודל של הזרימה האופטית בכל מיקום מיוצגים על ידי הכיוון והאורך של כל חץ.

זרימה אופטית (מושג בעיבוד תמונה) היא תבנית התנועה הנראית לעין של עצמים, משטחים וקצוות בסצנה חזותית הנגרמת על ידי התנועה היחסית בין צופה לסצנה. ניתן להגדיר זרימה אופטית גם כהתפלגות של מהירויות תנועה לכאורה של דפוס בהירות בתמונה.

הזרימה האופטית היא שדה וקטורי.

המושג של זרימה אופטית הוצג לראשונה על ידי הפסיכולוג האמריקאי ג'יימס ג'יי גיבסון בשנות הארבעים כדי לתאר את הגירוי החזותי שניתן לבעלי חיים הנעים בעולם. גיבסון הדגיש את חשיבותה של זרימה אופטית למזמינות, היכולת להבחין באפשרויות ובתכלית לפעולה בתוך הסביבה. ממשיכי גיבסון וגישתו האקולוגית לפסיכולוגיה הוכיחו עוד יותר את תפקידו של גירוי הזרימה האופטית לתפיסת התנועה על ידי הצופה בעולם; תפיסת הצורה, המרחק והתנועה של עצמים בעולם; ושליטה בתנועה .

המונח זרימה אופטית משמש גם רובוטיסטים, וכולל טכניקות קשורות מעיבוד תמונה ושליטה בניווט כולל זיהוי תנועה, סגמנטציה של אובייקטים, מידע על זמן מגע, מיקוד של חישובי התרחבות, בהירות, קידוד מפיצוי תנועה ומדידות פערים סטריאו.

אוּמדָן

רצפים של תמונות מסודרות מאפשרות הערכת תנועה כמהירות תמונה מיידית או תזוזות תמונה נפרדות. Fleet and Weiss מספקים מבוא הדרכה לזרימה אופטית מבוססת שיפוע. John L. Barron, David J. Fleet ו־Steven Beauchemin מספקים ניתוח ביצועים של מספר טכניקות זרימה אופטיות. הוא מדגיש את הדיוק והצפיפות של המדידות.

שיטות הזרימה האופטית מנסות לחשב את התנועה בין שתי מסגרות תמונה שצולמו לפעמים $t$ ו $t+\mathrm{\Delta }t$ בכל עמדת ווקסל. שיטות אלה נקראות דיפרנציאליות מאחר שהן מבוססות על קירובים מקומיים של טור טיילור של אות התמונה; כלומר, הם משתמשים בנגזרות חלקיות ביחס לקואורדינטות המרחביות (אורך ורוחב) וביחס לממד הזמן.

עבור (2D + t ) ממדים (מקרים תלת-ממדיים או n -D דומים) ווקסל במיקום $(x,y,t)$ בעוצמה $I(x,y,t)$ יעבור ליד $\mathrm{\Delta }x$, $\mathrm{\Delta }y$ ו $\mathrm{\Delta }t$ בין שתי מסגרות התמונה, כלומר אפשר לסכם זאת ב תנאי קביעות הבהירות הבא:

$I(x,y,t)=I(x+\mathrm{\Delta }x,y+\mathrm{\Delta }y,t+\mathrm{\Delta }t)$

בהנחה שהתנועה קטנה יחסית, מגבלת התמונה ב $I(x,y,t)$ ובאמצעות קירוב טיילור מסדר 1 ניתן לקבל:

$I(x+\mathrm{\Delta }x,y+\mathrm{\Delta }y,t+\mathrm{\Delta }t)=I(x,y,t)+\frac{\partial I}{\partial x}\mathrm{\Delta }x+\frac{\partial I}{\partial y}\mathrm{\Delta }y+\frac{\partial I}{\partial t}\mathrm{\Delta }t+$ מונחים מסדר גבוה יותר

על ידי הזנחת מונחי הסדר הגבוה יותר (מבצעים ליניאריזציה) נובע מכך:

$\frac{\partial I}{\partial x}\mathrm{\Delta }x+\frac{\partial I}{\partial y}\mathrm{\Delta }y+\frac{\partial I}{\partial t}\mathrm{\Delta }t=0$

או, לאחר חלוקה ב $\mathrm{\Delta }t$ ,

$\frac{\partial I}{\partial x}\frac{\mathrm{\Delta }x}{\mathrm{\Delta }t}+\frac{\partial I}{\partial y}\frac{\mathrm{\Delta }y}{\mathrm{\Delta }t}+\frac{\partial I}{\partial t}\frac{\mathrm{\Delta }t}{\mathrm{\Delta }t}=0$

מה שמוביל ל

$\frac{\partial I}{\partial x}{V}_x+\frac{\partial I}{\partial y}{V}_y+\frac{\partial I}{\partial t}=0$

כאשר $V_x,V_y$ הם ה $x$ ו $y$ מרכיבי המהירות או הזרימה האופטית של $I(x,y,t)$ ו $\frac{\partial I}{\partial x}$, $\frac{\partial I}{\partial y}$ ו $\frac{\partial I}{\partial t}$ הם הנגזרות של התמונה ב $(x,y,t)$ בכיוונים המתאימים. $I_x$, $I_y$ ו $I_t$ ניתן לכתוב עבור הנגזרות בהמשך.

לכן:

$I_x{V}_x+I_y{V}_y=-I_t$

אוֹ במילים אחרות

$\mathrm{\nabla }I\cdot \overrightarrow{V}=-I_t$

זוהי משוואה בשני נעלמים ולא ניתן לפתור אותה ככזו. זה ידוע כבעיית הצמצם של אלגוריתמי הזרימה האופטית. כדי למצוא את הזרימה האופטית יש צורך בקבוצה נוספת של משוואות, הניתנת על ידי אילוץ נוסף. כל שיטות הזרימה האופטית מציגות תנאים נוספים להערכת הזרימה בפועל.

שיטות קביעה והערכה

• מתאם פאזה - הפוך לספקטרום חוצה כוח מנורמל
• שיטות מבוססות בלוק - מזעור סכום ההבדלים בריבוע או סכום הבדלים מוחלטים, או מיקסום מתאם צולב מנורמל
• שיטות דיפרנציאליות להערכת זרימה אופטית, המבוססת על נגזרות חלקיות של אות התמונה ו/או שדה הזרימה המבוקש ונגזרות חלקיות מסדר גבוה יותר, כגון:
  • שיטת לוקאס-קנדה – לגבי תיקוני תמונה ומודל אפינית לשדה הזרימה
  • שיטת הורן-שונק - אופטימיזציה של פונקציונליות על בסיס שאריות ממגבלה של קביעות הבהירות, ומונח רגוליזציה מסוים המבטא את החלקות הצפויה של שדה הזרימה
  • שיטת Buxton–Buxton – מבוססת על מודל של תנועת קצוות ברצפי תמונות
  • שיטת Black–Jepson – זרימה אופטית גסה באמצעות מתאם
  • שיטות וריאציות כלליות - מגוון של שינויים/הרחבות של Horn–Schunck, תוך שימוש במונחי נתונים אחרים ומונחי חלקות אחרים.
• שיטות אופטימיזציה בדידות- מרחב החיפוש עובר קוונטיזציה, ואז התאמת תמונה מטופלת באמצעות הקצאת תווית בכל פיקסל, כך שהדפורמציה המקבילה ממזערת את המרחק בין המקור לתמונת היעד. הפתרון האופטימלי מתאושש לרוב באמצעות אלגוריתמים של משפט חיתוך מינימלי של זרימה מקסימלית, תכנון ליניארי או שיטות התפשטות אמונות .

שימושים

הערכת תנועה ודחיסת וידאו התפתחו כהיבט מרכזי במחקר זרימה אופטית. אפשר לומר באופן גס מאוד ששדה הזרימה שדה תנועה צפוף הנגזר מטכניקות של הערכת תנועה. אולם, זרימה אופטית היא תחום שאינו רק מתמקד בקביעת שדה הזרימה האופטי עצמו, אלא גם בשימוש בו לשם הערכת הטבע התלת־ממדי ומבנה הסצנה המוצגת. למשל, תנועה תלת-ממדית של אובייקטים ושל המתבונן ביחס לסצנה. חלקם משתמשים ביעקוביאן

זרימה אופטית שימשה חוקרי רובוטיקה בתחומים רבים כגון: זיהוי ומעקב אחר אובייקטים, חילוץ מישור דומיננטי בתמונה, זיהוי תנועה מרכזית בה, ניווט רובוט ובדיקת מרחק חזותי . מידע על זרימה אופטית הוכר כשימושי לשליטה ברכבי מיקרו אוויר.

היישומים של זרימה אופטית כוללים אתגרים נוספים, כמו להסיק את תנועת הצופה והאובייקטים בסצנה, ואף את מבנה האובייקטים והסביבה. מכיוון שמודעות לתנועה ויצירת מפות מנטליות של מבנה הסביבה שלנו הם מרכיבים קריטיים בראייה של בעלי חיים (ואנושיים), ההמרה של יכולת מולדת זו ליכולת מחשב חיונית באופן דומה בתחום ראיית המכונה .

וקטור הזרימה האופטית של אובייקט נע ברצף מופעים (פריימים) של קטע וידאו.

נחשוב על וידאו קצר בעל 5 מופעים (פריימים) של כדור שנע מהחלק השמאלי התחתון של שדה ראייה, לפינה הימנית העליונה. טכניקות הערכת תנועה יכולות לקבוע שבמישור דו־ממדי הכדור נע למעלה וימינה וניתן לחלץ וקטורים המתארים תנועה זו מרצף הפריימים. למטרות של דחיסת וידאו (למשל, MPEG ), הרצף מתואר כעת כפי שהוא צריך להיות. עם זאת, בתחום ראיית המכונה, השאלה אם הכדור זז ימינה או אם הצופה זז שמאלה היא מידע בלתי ידוע אך קריטי. גם אם רקע סטטי בדוגמת קיים בחמשת הפריימים, נוכל לקבוע בביטחון שהכדור זז ימינה, מכיוון שלתבנית עשוי להיות מרחק אינסופי מהצופה.

חיישן זרימה אופטי

קיימות תצורות שונות של חיישני זרימה אופטיים. תצורה אחת היא שבב חיישן תמונה המחובר למעבד שתוכנת להפעיל אלגוריתם זרימה אופטית. תצורה אחרת משתמשת בשבב ראייה, שהוא מעגל משולב הכולל גם את חיישן התמונה וגם את המעבד על אותה תבנית, מה שמאפשר יישום קומפקטי יותר. דוגמה לכך היא חיישן עכבר אופטי גנרי המשמש בעכבר אופטי. במקרים מסוימים ניתן ליישם את מעגלי העיבוד באמצעות מעגלים אנלוגיים או מעורבים, כדי לאפשר חישוב זרימה אופטית מהירה תוך שימוש בצריכת זרם מינימלית.

תחום אחד של מחקר עכשווי הוא השימוש בטכניקות הנדסיות נוירומורפיות כדי ליישם מעגלים המגיבים לזרימה אופטית, ולכן עשויים להתאים לשימוש בחיישן זרימה אופטי. מעגלים כאלה עשויים לשאוב השראה ממעגלים עצביים ביולוגיים המגיבים באופן דומה לזרימה אופטית.

חיישני זרימה אופטיים נמצאים בשימוש גם ביישומי רובוטיקה, בעיקר כאשר יש צורך למדוד תנועה חזותית או תנועה יחסית בין הרובוט לבין עצמים אחרים בסביבת הרובוט. השימוש בחיישני זרימה אופטיים בכלי טיס בלתי מאוישים (מל"טים), לצורך יציבות והימנעות ממכשולים, הוא גם תחום מחקר עדכני.

ראו גם

• מערך אופטי סביבה
• עכבר אופטי
• הדמיית טווח
• יחידת עיבוד ראייה
• משוואת המשכיות
• שדה תנועה
• שיטת לוקאס-קנאדה