專利名稱：運(yùn)動目標(biāo)軌跡圖像分析法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用圖像處理技術(shù)對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行特性分析的方法。運(yùn)動目標(biāo)有如精液中游動的精子，浮于液面上用于測量液體流動特性的浮標(biāo)，等等。運(yùn)動特性是指其運(yùn)動軌跡的形態(tài)，運(yùn)動的速度，加速度，運(yùn)動的方向，等等。
目前采用的方法是先用照相機(jī)對運(yùn)動目標(biāo)在不同時刻照相，再將攝取的膠片經(jīng)過投影數(shù)字化儀將運(yùn)動目標(biāo)的坐標(biāo)位置輸入到計算機(jī)，這樣就能獲得該目標(biāo)在不同時刻的位置，從而分析運(yùn)動特性，采用這種方法的系統(tǒng)如日本納庫公司86年產(chǎn)品“nac影片運(yùn)動分析系統(tǒng)(型號200A)”。這種方法必須人工找出每個運(yùn)動目標(biāo)在每個時刻的坐標(biāo)位置。當(dāng)然也可以采用圖像處理技術(shù)，由計算機(jī)自動找出每個運(yùn)動目標(biāo)在每個時刻的坐標(biāo)位置?？梢詫⒒顒訄D像先用電影膠片或錄像帶記錄下來，再逐幀送入計算機(jī)進(jìn)行目標(biāo)自動定位，由于每幀圖像的數(shù)據(jù)量很大，處理速度很慢。也可以采用高速器件進(jìn)行視頻實(shí)時處理，用硬件完成運(yùn)動特性分析，由此帶來的問題是硬件復(fù)雜，造價極其昂貴。
本發(fā)明的目的是提供一種分析運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動特性的方法，該方法不必攝取膠片或錄像帶，無需人工尋找運(yùn)動目標(biāo)的坐標(biāo)位置，也不需要昂貴的硬件設(shè)備，而是自動地快速地進(jìn)行分析。
本發(fā)明將運(yùn)動目標(biāo)的軌跡實(shí)時地記錄在一幅圖像上，然后由計算機(jī)自動地分析這幅圖像上的每一條軌跡。通常運(yùn)動目標(biāo)在圖像上可以表現(xiàn)為較暗或較亮。先假設(shè)運(yùn)動目標(biāo)成像較暗，也即其所在像素的灰度值較小，攝像機(jī)獲得的圖像序列為S，求逐點(diǎn)最小值就能形成軌跡圖。若運(yùn)動目標(biāo)成像較亮，則求逐點(diǎn)最大值就能形成軌跡圖。
本發(fā)明的關(guān)鍵是形成一幅軌跡圖。設(shè)有一組連續(xù)圖像S記錄了目標(biāo)的運(yùn)動，S＝｛S0，S1，S2，…，Sn-1｝，pkij表示第K幅圖像sk中第i列j行像素的灰度值，設(shè)軌跡圖為T，qij表示軌跡圖T中第i列j行的像素，如果運(yùn)動目標(biāo)比背景暗，則取qij＝Min{pkij}; (1)K這時T為含有暗軌跡的圖。否則如果運(yùn)動目標(biāo)比背景亮，則取qij＝Max{pkij}; (2)K這時T為含有亮軌跡的圖。
如果運(yùn)動目標(biāo)的灰度范圍為[T1，T2]，作函數(shù)
如果(1)式和(2)式分別改為qij＝Min{f1(pkij)}; (5)Kqij＝Max{f2(pkij)}; (6)K則因?yàn)槠帘瘟瞬糠直尘盎叶?，形成的軌跡圖上背景干擾減少。
由于背景灰度在S中每一幀圖上是不變的，如果有一幅圖B不含運(yùn)動目標(biāo)只含背景，其像素為bij，軌跡圖與背景圖相減后可消除更多的背景干擾，這時對應(yīng)(1)和(2)式為qij＝bij-Min{pkij}; (7)Kqij＝Max{pkij}-bij; (8)K對應(yīng)(4)和(5)為qij＝f1(bij)-Min｛f1(pkij)｝; (9)Kqij＝Max{f2(pkij)}-f2(bij); (10)K由于連續(xù)圖像S的每一幀圖是順序獲得的，要形成上述運(yùn)動目標(biāo)軌跡圖，可先將運(yùn)動目標(biāo)的一幀圖像存入幀存，將后繼輸入的圖像信號與保留在幀存中的圖像信號進(jìn)行比較，使幀存中保留這兩幅圖相同位置較小的灰度值或較大的灰度值，從而形成暗軌跡或亮軌跡，即所謂灰度軌跡圖?？捎脕矸治龈鬟\(yùn)動目標(biāo)的軌跡形態(tài)、運(yùn)動速度等運(yùn)動特性。
在形成灰度軌跡圖時，若某幀在某像素位置改寫了幀存中的內(nèi)容，稱該幀圖像在該像素點(diǎn)對軌跡圖有貢獻(xiàn)。與序列S的第i幀Si對灰度軌跡圖的貢獻(xiàn)部分相對應(yīng)位置的另一幅圖的像素用幀號i賦值，則得到運(yùn)動目標(biāo)的逐幀位置，這就形成了帶幀號的軌跡圖，可用來計算加速度，瞬時速度和瞬時運(yùn)動方向等。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的方法形成灰度軌跡圖的示意圖。來自攝像機(jī)的視頻信號進(jìn)入模數(shù)變換器(ADC)1，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再進(jìn)入查照表(LUT1)2，若要形成暗軌跡，查照表2完成(3)式功能;若要形成亮軌跡，查照表2完成(4)式功能。形成的軌跡相應(yīng)為(5)式或(6)式的結(jié)果，如果不需要屏蔽背景灰度，則可取消查照表2，或?qū)⒉檎毡?設(shè)置成線性斜升量，即f(x)＝x。查照表2可由計算機(jī)程序設(shè)定。
在軌跡形成前，控制信號E取低電平，與非門4輸出使二選一開關(guān)5的輸出等于輸入A，即D＝A，這時灰度幀存8的數(shù)據(jù)就是攝像機(jī)來的當(dāng)前幀圖像。如果要形成軌跡，則置E＝1，當(dāng)前在幀存里的圖像作為第O幀圖S0。在第1幀圖s1到來時，A和B分別是指S1和S0中相同位置的像素值，A來自查照表2，而B是從灰度軌跡幀存8中讀出的數(shù)據(jù)，若比較器輸出C用A＞B端，則A＞B時D＝A，A≤B時D＝B，形成的是亮軌跡;若比較器輸出C用A＜B端，則A＜B時D＝A，A≥B時D＝B，形成的是暗軌跡。在第一幀圖結(jié)束后，幀存中就留有S0到S1的軌跡圖。同樣地，S2，S3，…，Sn-1都輸入完后，幀存中就留有從s0到sn-1這段時間內(nèi)運(yùn)動的軌跡。
灰度軌跡幀存8的輸出經(jīng)數(shù)模變換器(DAC)和同步電路去監(jiān)視器顯示。并直接送計算機(jī)接口電路讀入計算機(jī)，由計算機(jī)進(jìn)行分析。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的方法既形成灰度軌跡圖又形成帶幀號軌跡圖的框圖。用圖1的方法形成軌跡圖的時候，若二選一開關(guān)5輸出等于輸入A，也就稱此時對軌跡圖有貢獻(xiàn)，若另外再設(shè)一幀存，使其對應(yīng)第i幀圖對軌跡圖有貢獻(xiàn)的像素值置為幀號i，則該幀存中記錄有運(yùn)動目標(biāo)在每一幀的位置。該幀存稱為帶幀號的軌跡幀存，該幀存中的圖像稱為帶幀號的軌跡圖。
但由此帶來的問題是，帶幀號的軌跡圖在軌跡交迭部分取值不明確。所以改用圖2的方式。將灰度軌跡圖的像素值經(jīng)查照表(LUT2)9加一偏移量，再去比較器3與當(dāng)前幀輸入信號A進(jìn)行比較。比較器3輸出C經(jīng)控制電路直接控制二個幀存8、10的寫允許端。這時灰度軌跡幀存8中的軌跡圖與圖1方式基本相同。
查照表9的加入使幀號軌跡圖在軌跡交迭的像素取較小或較大的幀號。查照表9可通過計算機(jī)程序設(shè)置，也可固化，查照表9還可用加法器代替。若是暗灰度軌跡，查照表9作增加或減小運(yùn)算使幀號軌跡圖在軌跡交迭的像素相應(yīng)取較大或較小的幀號;相反，若是亮灰度軌跡，查找表9作增加或減小運(yùn)算使幀號軌跡圖在軌跡交迭的像素相應(yīng)取較小或較大的幀號。從而保證幀號軌跡圖在軌跡交迭部分有明確的取值。
二個軌跡幀存8、10的輸出經(jīng)二選一開關(guān)11，再經(jīng)數(shù)模變換器(DAC)和同步電路去監(jiān)視器顯示，并直接送計算機(jī)接口電路讀入計算機(jī)，由計算機(jī)進(jìn)行分析。
此外，可通過控制電路7使比較器3輸出C失去作用，信號A直接進(jìn)入幀存8，從而進(jìn)一幀只含背景的圖像，再由計算機(jī)程序執(zhí)行相減，即作(7)-(10)式運(yùn)算，消除背景的干擾。
如上所述，本發(fā)明構(gòu)成的裝置能自動分析運(yùn)動特性，速度快，且硬件非常簡單。而現(xiàn)有技術(shù)，要么不能自動分析，同時造價又高，要么造價極其昂貴，無法推廣。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是形成軌跡的幀數(shù)目可很大，灰度軌跡分析時的幀數(shù)目只取決于幀計數(shù)器6的長度，若用16比特，可達(dá)65535幀，若視頻信號源為25幀/秒，則相當(dāng)于43.7分鐘。對帶幀號軌跡分析，除幀計數(shù)器6的長度外，幀數(shù)還取決于帶幀號軌跡幀存10的比特數(shù)，若用8比特，則可分析255幀，若用16比特，就可分析65535幀。因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)性能成本比很好的運(yùn)動目標(biāo)圖像分析系統(tǒng)。
圖1是說明形成灰度軌跡圖方法的框圖。
圖2是說明既形成灰度軌跡圖又形成帶幀號軌跡圖的方法的框圖。
權(quán)利要求
1.一種方法，用以利用運(yùn)動目標(biāo)的圖像分析其運(yùn)動特性，該方法的特征是，首先將運(yùn)動目標(biāo)的一幀圖像存入幀存，然后將后繼輸入的圖像信號與保留在幀存中的圖像信號進(jìn)行比較，使幀存中保留這兩幅圖相同位置較小的灰度值或較大的灰度值，從而形成暗軌跡圖或亮軌跡圖，即灰度軌跡圖，該幀存即灰度軌跡幀存，然后將灰度軌跡圖通過接口電路輸入計算機(jī)進(jìn)行分析。
2.權(quán)利要求1的方法，形成灰度軌跡圖的同時，形成帶幀號軌跡圖，該方法的特征是在每次改寫灰度軌跡幀存中的內(nèi)容時，在另一幀存中相應(yīng)像素位置寫入當(dāng)前幀編號作為像素值，從而形成帶幀號軌跡圖，再將帶幀號軌跡圖輸入計算機(jī)進(jìn)行分析。
3.權(quán)利要求2的方法，特征在于灰度軌跡幀存中的圖像信號讀出后先加一個偏移量再去與輸入圖像信號進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果直接控制灰度軌跡幀存及幀號軌跡幀存的寫允許端。
全文摘要
用運(yùn)動目標(biāo)的圖像分析運(yùn)動特性。對運(yùn)動目標(biāo)的一組連續(xù)圖像，在每一幀圖到來時，用比較灰度的方法記錄這幀圖上運(yùn)動目標(biāo)所在位置的灰度值，從而形成灰度軌跡圖。在記錄這幀圖上目標(biāo)所在位置的灰度值的同時，將另一幀圖中對應(yīng)目標(biāo)位置的像素值寫為該幀編號，從而形成帶幀號的軌跡圖。然后將灰度軌跡圖或帶幀號軌跡圖通過接口電路輸入計算機(jī)進(jìn)行分析。
文檔編號G06T1/00GK1062791SQ91111320
公開日1992年7月15日 申請日期1991年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月30日
發(fā)明者唐慧明 申請人:浙江大學(xué)