詹家鰭語 梁晨輝 黃凱鑫

【摘 要】數(shù)碼拍攝設(shè)備有時(shí)被限制在低分辨率下以單色成像，希望實(shí)現(xiàn)在此條件下對(duì)視野區(qū)域低速運(yùn)動(dòng)方向的判斷。構(gòu)建兩條思路：一，各個(gè)像素點(diǎn)的灰度隨時(shí)間變化情況之間進(jìn)行橫向比較；二，每相鄰幀圖像之間進(jìn)行縱向比較。

【關(guān)鍵詞】單色成像；灰度對(duì)比；分布匹配

一、背景介紹

數(shù)碼攝像技術(shù)被廣泛使用于多種場合中。有時(shí)由于客觀條件的限制，拍攝設(shè)備只能在較低的分辨率下單色成像（通常是黑色）。假設(shè)成像的分辨率為32×64，成像方式是將整個(gè)矩形視野劃分成32×64個(gè)相同大小的矩形格子，圖像中每個(gè)像素的取值為對(duì)應(yīng)格子的亮度平均值。每間隔一段時(shí)間拍攝一幀圖像，拍攝的畫面體現(xiàn)為圖像的序列。如果視野區(qū)域向某個(gè)方向緩慢移動(dòng)，拍攝的畫面實(shí)時(shí)地傳輸進(jìn)電腦，有時(shí)需要在盡量短的時(shí)間內(nèi)判斷視野的移動(dòng)方向。

二、思路構(gòu)建

提出兩種不同方向的思路：

思路一：各個(gè)像素點(diǎn)的灰度隨時(shí)間變化情況之間進(jìn)行橫向比較

假設(shè)獲取了n個(gè)連續(xù)幀的圖像，那么對(duì)于視野中包含的32×64=2048個(gè)像素點(diǎn)來說都分別有一個(gè)長度為n的“灰度序列”（序列中的數(shù)都是0～255之間的整數(shù)），每個(gè)序列描述的是對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)在n個(gè)幀的時(shí)間中離散的灰度變化。

考慮到要“使用盡量少的時(shí)間”，模型求解時(shí)優(yōu)先考慮只使用兩幀圖像來判斷方向的情況，如果不可以保證精確度，則逐漸增加n的取值。

思路二：每相鄰幀圖像之間進(jìn)行縱向比較

如果視野區(qū)域向一個(gè)方向移動(dòng)，那么初始幀下圖像某一部分像素點(diǎn)的灰度分布會(huì)與之后每一幀圖像中沿著視野運(yùn)動(dòng)方向的那一部分的像素點(diǎn)的灰度分布相似（因?yàn)橥晃矬w在時(shí)間上先后經(jīng)過這些像素點(diǎn)）。

假設(shè)認(rèn)為通過n張連續(xù)幀的圖像來判斷視野區(qū)域運(yùn)動(dòng)方向是可靠的，考慮到時(shí)間效率不妨先取n=2（如果不可以保證精確度，則逐漸增加n的取值），此時(shí)的模板區(qū)域大小是5×5。在初始幀圖像中將它的位置放在整個(gè)32×64的區(qū)域中間，此時(shí)對(duì)應(yīng)著初始灰度分布情況。第二幀圖像中模板在分別移動(dòng)到上、下、左、右、左上、左下、右上、右下這八個(gè)方向時(shí)都對(duì)應(yīng)著一種新的灰度分布，哪一種和初始灰度分布最相似，就將這種灰度分布對(duì)應(yīng)的方向取作視野區(qū)域運(yùn)動(dòng)方向。

三、應(yīng)用簡述

下面將以上面五張圖為例大致說明兩種思路的應(yīng)用方法（視野在向右方向移動(dòng)）。

思路一：

使用前四幀圖像。在第一幀圖像中取一塊5×5的區(qū)域并以（3，3）為參考點(diǎn)。

下方左表為25個(gè)像素點(diǎn)在四幀時(shí)間內(nèi)相鄰幀兩兩進(jìn)行灰度對(duì)比的對(duì)比序列；右表為除參考點(diǎn)外的其它24個(gè)像素點(diǎn)與參考點(diǎn)的灰度序列的距離（定義此距離為最簡單的每一幀灰度平方和開根號(hào)）。

可以看出，（3，5）與（3，3）距離顯著的最小。所以方向（0，2）就是視野區(qū)域的移動(dòng)方向，即向右移動(dòng)，與事實(shí)相符合。

思路二：

使用五幀圖像。以[（30，30），（32，32）] 的5×5區(qū)域?yàn)槟０澹湓诘诙?、三、四、五幀與八個(gè)標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)方向的整體塊灰度差異系數(shù)（定義此差異系數(shù)為最簡單的每個(gè)像素灰度差的平方和開根號(hào)）如下表。

可以看出，盡管利用了五幀的信息，但是卻無法轉(zhuǎn)卻判斷運(yùn)動(dòng)方向。故此方法雖計(jì)算量很輕簡，理論上也完全可行，但在實(shí)際操作中穩(wěn)定性比較低，需要進(jìn)行調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛永新.圖像匹配中若干關(guān)鍵問題的研究[D].重慶大學(xué)，2011.

[2]方明.空間運(yùn)動(dòng)圖像序列目標(biāo)追蹤方法研究[D].北京郵電大學(xué)，2014.