基于主動(dòng)模糊圖像的運(yùn)動(dòng)特征分析理論與方法.pdf

1、基于視覺圖像的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)問題是計(jì)算機(jī)視覺研究中的一個(gè)重要課題，也是近年來研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)，目前基于序列清晰圖像的運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法一般是采用高速攝像技術(shù)來避免目標(biāo)圖像的模糊，因此造成系統(tǒng)復(fù)雜度與設(shè)備成本的提高，很大程度上限制了該方法在工業(yè)場(chǎng)合的應(yīng)用。所以，設(shè)計(jì)一種高性能、低復(fù)雜度、低成本、高效率的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法是利用計(jì)算機(jī)視覺實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)實(shí)用化的重要保證。與傳統(tǒng)的復(fù)原方法將運(yùn)動(dòng)模糊視為圖像的退化不同

2、，本文從運(yùn)動(dòng)模糊圖像出發(fā)，把運(yùn)動(dòng)模糊作為圖像運(yùn)動(dòng)估計(jì)的一種視覺提示，設(shè)計(jì)了一種基于主動(dòng)模糊圖像的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析理論及方法，針對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)過程中的常見問題，從運(yùn)動(dòng)模糊圖像的頻域、時(shí)域和空域上分別對(duì)運(yùn)動(dòng)特征分析方法進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。 1.介紹并分析了在圖像獲取過程中，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在圖像平面上產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)模糊攜帶了目標(biāo)物體在該曝光時(shí)間間隔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)信息這一重要特點(diǎn)。在對(duì)運(yùn)動(dòng)模糊圖像的成像原理以及空域的運(yùn)動(dòng)模糊數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利

3、用正交Legendre矩的重建特性對(duì)圖像運(yùn)動(dòng)模糊的線擴(kuò)展函數(shù)(Linespreadfunction，LSF)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)線擴(kuò)展函數(shù)的Legendre矩重建表達(dá)。突破了現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)線擴(kuò)展函數(shù)只針對(duì)幾種常見的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)形式表達(dá)的局限，同時(shí)為后面的運(yùn)動(dòng)模糊圖像運(yùn)動(dòng)特征分析打下了良好的基礎(chǔ)，對(duì)運(yùn)動(dòng)模糊圖像的復(fù)原和運(yùn)動(dòng)特征分析都具有非常重要的意義。 2.為實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用中常見的運(yùn)動(dòng)形式(直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)和高頻簡(jiǎn)諧振動(dòng))的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)

4、量，在運(yùn)動(dòng)模糊圖像含有運(yùn)動(dòng)信息這一性質(zhì)的基礎(chǔ)上，分析了直線運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)模糊圖像的頻域數(shù)學(xué)模型，提出了通過獲取該類運(yùn)動(dòng)模糊圖像頻譜圖中所出現(xiàn)的一系列與運(yùn)動(dòng)信息相關(guān)的暗條紋位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)特征的提取。進(jìn)一步，在建立面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系的基礎(chǔ)上，仿照人類視網(wǎng)膜的多分辨率原理，設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)極坐標(biāo)變換方法。利用該變換方法可以實(shí)現(xiàn)將二維面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)模糊降為一維直線運(yùn)動(dòng)模糊，簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)模糊形式，擴(kuò)展了利用運(yùn)動(dòng)模糊頻域分析的方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)

5、參數(shù)分析的應(yīng)用范圍。通過對(duì)圖像處理方法的設(shè)計(jì)，不僅可以實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)模糊轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)模糊的目的，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)模糊頻譜圖中平行暗條紋位置信息的提取。本文中通過數(shù)學(xué)模型的分析、數(shù)值仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)，都說明了利用頻域分析運(yùn)動(dòng)模糊圖像的方法，可以簡(jiǎn)單有效地利用單幀運(yùn)動(dòng)模糊圖像實(shí)現(xiàn)對(duì)直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)模糊圖像的運(yùn)動(dòng)特征提取和參數(shù)估計(jì)。 3.為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)速度變化量的有效估計(jì)，以運(yùn)動(dòng)模糊圖像的空間成像機(jī)制為研究對(duì)象，導(dǎo)出了運(yùn)動(dòng)函

6、數(shù)正交Legendre矩定理以及運(yùn)動(dòng)函數(shù)Legendre矩與運(yùn)動(dòng)模糊圖像Legendre矩之間的遞推關(guān)系，并利用該遞推關(guān)系獲得平移運(yùn)動(dòng)、高頻、低頻振動(dòng)模糊圖像的Legendre矩與運(yùn)動(dòng)函數(shù)Legendre矩之間的函數(shù)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于模糊圖像的運(yùn)動(dòng)特征分析和參數(shù)估計(jì)。理論的計(jì)算、分析、仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)都說明了可簡(jiǎn)單地利用單幀運(yùn)動(dòng)模糊圖像和靜止圖像的Legendre矩，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面內(nèi)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估計(jì)。由于Legendre矩函數(shù)較好的抗噪

7、能力，所以該方法具有較好的魯棒性。 4.為實(shí)現(xiàn)基于模糊圖像的通用運(yùn)動(dòng)函數(shù)形式的參數(shù)估計(jì)，在運(yùn)動(dòng)函數(shù)正交Legendre矩定理基礎(chǔ)上導(dǎo)出Legendre矩的空間平移不變性，利用Legendre矩的空間平移不變性對(duì)運(yùn)動(dòng)模糊圖像進(jìn)行時(shí)域的分析，以序列運(yùn)動(dòng)模糊圖像為研究對(duì)象，建立運(yùn)動(dòng)函數(shù)的Legender矩與序列運(yùn)動(dòng)模糊圖像的時(shí)域關(guān)系，導(dǎo)出序列運(yùn)動(dòng)模糊圖像與運(yùn)動(dòng)函數(shù)的遞推關(guān)系。進(jìn)一步利用所獲得的遞推關(guān)系提出了一種基于序列運(yùn)動(dòng)模糊圖像的通

8、用面內(nèi)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法。計(jì)算結(jié)果表明，利用序列運(yùn)動(dòng)模糊圖像可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)更有效的估計(jì)。 5.為驗(yàn)證本文所提出的利用主動(dòng)模糊圖像實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)特征分析方法，在對(duì)生物視覺系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套可以有選擇地、主動(dòng)獲取感興趣的運(yùn)動(dòng)模糊信息的主動(dòng)視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以主動(dòng)調(diào)整攝像機(jī)的參數(shù)如曝光時(shí)間、采樣周期和孔徑等參數(shù)，獲取單幀或序列運(yùn)動(dòng)模糊圖像。并能主動(dòng)獲取各種形式的模糊圖像，同時(shí)對(duì)該系統(tǒng)的各類參數(shù)進(jìn)行了討論，為更有效利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各