Построение модели движения транспортного потока

ГОУ ВПО «Сибирский государственный
аэрокосмический университет
им.академика М.Ф.Решетнева»
Пространственно-временная коррекция
видеопоследовательностей
в задачах стереовидения
Фаворская М. Н., Пьянков Д. И., Горошкин А. Н.
Красноярск 2011
DLab SibSAU
Классификация методов преобразования
частоты кадров
Методы преобразования частоты кадров
Без оценки движения
С оценкой движения
Повторение кадров
(Frame Repetition)
Слежение за особенными точками
(Feature Tracking)
Линейная интерполяция
(Linear Interpolation)
Методы оптического потока
(Optical Flow)
Нелинейная интерполяция
(Non-Linear Interpolation)
Методы сопоставления блоков
(Block-matching Algorithm)
2
DLab SibSAU
Классификация методов совмещения изображений
Методы совмещения изображений
Методы корреляции
Фазовая корреляция
(Phase Correlation)
Методы на основе
преобразований
Перекрестная
спектральная функция
(Cross power spectrum)
Степенной кепстр
(Power cepstrum)
Методы на основе
отображения точек
Управляющие точки
(Control points)
Отображение точек с
обратной связью
(Point Mapping with
Feedback)
Общий многочлен
(Global Polynomial)
3
DLab SibSAU
Обзор существующих программных средств
Системы преобразования частоты кадров на основе интерполяции
Программы
Название
Плагины
Версия
Дата выпуска
Название
Дата выпуска
Предназначен для
DynaPel MotionPerfect
4.3.1.1
июнь, 2003
FrameDouble
июнь, 2003
Avisynth
Dynapel SlowMotion
1.0.4.0
июнь, 2003
Motion
июнь, 2003
Avisynth
Smootz7
1.6 beta
июнь, 2003
Twixtor
июнь, 2003
Adobe AfterEffects
RealViz Retimer
лето, 2007
Adobe AfterEffects
MSU FRC
сентябрь, 2007
Avisynth
MVTools
ноябрь, 2008
Avisynth
MVTools2
ноябрь, 2009
Avisynth
Системы ручной коррекции стереопар
Название
Страна
Год выпуска
StereoFoto Maker
USA
2010
Zerene Stacker
USA
2009
Anaglyph Maker
Japan
2004
4
DLab SibSAU
Обобщенная схема
пространственно-временной коррекции
Левая
видеопоследовательность
Правая
видеопоследовательность
Преобразование в YUVпространство
Преобразование в YUVпространство
Построение интерполированных
кадров
Текущий
кадр
Последовательное совмещение интерполированных кадров
с текущим кадром
Выбор оптимального
интерполированного кадра
Построение
стереовидеопоследовательности
5
DLab SibSAU
Построение интерполированных кадров
 Lin (t ) , z  n  t , t {0,1,2,3,...}
Lout ( z ) 
,
 Lin (t ) , z  n  t  l , l {1,2,3,.., n  1}
z {0,1,2,3,...}, n {2,3, 4...} ,
где n – параметр, определяющий, во сколько раз увеличить число кадров;
z – общее число кадров.
6
DLab SibSAU
Обобщенная схема
построения интерполированных кадров
Текущий кадр
L(t)
Следующий кадр
L(t+1)
Оценка движения по межкадровой разнице
Построение поля векторов движения
Интерполяция в найденных областях движения
Построение интерполированных кадров
7
DLab SibSAU
Оценки движения при построении интерполированных
кадров
Область поиска движения
Вектор движения
B(x,y- shift)
x
x
B(x-shift,y- shift)
B(x+shift,y- shift)
B(x+shift,y- shift)
move
shift
shift
B(x-shift,y)
B(x+shift,y)
B(x,y)
y
B(x,y)
y
B(x-shift,y+ shift)
B(x+shift,y+ shift)
B(x,y+ shift)
x
Поле векторов движения
y
8
DLab SibSAU
Схема оценки движения при построении
интерполированных кадров
Текущий кадр L(t)
Следующий кадр L(t+1)
Разбиение на блоки B(x,y) заданного размера
Выбор текущего блока B(x,y)
Вычисление суммы s яркости пикселей для B(x,y)
Сравнение суммы s с пороговым значением err
s < err, движения нет
s > err, движение есть
Вычисление соседних блоков со смещением
Вычисление суммы s с пороговым значением err
Минимизация функции ошибки
Построение векторов движения
9
DLab SibSAU
Интерполяция кадров
n=2
L(t+1)
2
move
1
B(x,y)
L(t)
10
DLab SibSAU
Схема построения интерполированных кадров
Текущий кадр
L(t)
Следующий кадр
L(t+1)
Текущий блок B(x,y) с вектором движения move
Линейное смещение каждого пикселя C1 к C2
Построение интерполированного кадра
C n  C1  (C 2  C1 )  t , t  [0;1]
где
Cn - значение цветовой компоненты Y
пикселя (x,y) блока B(x,y) на
интерполированном кадре n;
t – параметр, задающий линейное смещение t 
пикселей на каждом интерполированном кадре.
m
, m {1,2,3,..., n}
n 1
11
DLab SibSAU
Совмещение кадров
n
L(t)
R(t)
L(z)
h 1 w1
MSE 
  ((Y2 ( x, y )  Y1 ( x, y)) 2  (U 2 ( x, y )  U 1 ( x, y )) 2  (V2 ( x, y )  V1 ( x, y )) 2 )
x 0 y  0
3hw
psnr( z )  20 log10
MAX
MSE
like  max( psnr( z ), psnr( L(t ))), z {2,3,..., n}
12
DLab SibSAU
Схема совмещения кадров
Левая
видеопоследовательность
Правая
видеопоследовательность
Текущий кадр L(t)
Текущий кадр R(t)
Построение интерполированных
кадров
Вычисление попиксельной межкадровой
разницы по метрике PSNR
Построение стереокадра
13
DLab SibSAU
Реализация программного продукта
Левая
видеопоследовательность
Правая
видеопоследовательность
Плагин интерполяции MyPlugin.dll
Плагин интерполяции MyCompare.dll
Скрипт avs
Фреймсервер Avisynth
Видеоредактор (VirtualDub, Windows Media player)
Откорректированная левая видеопоследовательность
Стереовидеопоследовательность
14
DLab SibSAU
Реализация метода. Построение векторов движения
15
DLab SibSAU
Реализация метода. Преобразование частоты кадров
16
DLab SibSAU
Реализация метода. Совмещение кадров
17
DLab SibSAU
Результаты экспериментов.
PSNR (быстрая видеопоследовательность)
79,400
79,367
psnr 1
psnr 2
79,350
79,297
79,300
psnr, dB
79,250 79,229
79,187
79,200
79,159
79,100
79,050
79,159
79,147
79,150
79,095
79,085
79,095
79,045
79,043
79,028
79,045
79,043
79,028
79,000
Быстрая видеопоследовательность foreman
18
DLab SibSAU
Результаты экспериментов.
PSNR (медленная видеопоследовательность)
85,700
85,684
85,650
psnr 1
85,634
85,634
85,600
85,564
85,550
85,514
85,514
85,487
85,500
psnr, dB
psnr 2
85,487
85,450
85,407
85,407
85,400
85,373
85,373
85,350
85,300
85,284
85,263
85,284
85,263
85,250
85,200
Медленная видеопоследовательность container
19
DLab SibSAU
Результаты экспериментов.
Время выполнения алгоритма
Быстрая видеопоследовательность foreman, 300 кадров
Медленная видеопоследовательность container, 300 кадров
14250
7150
10000
Время выполнениея, с
4460
2218
1190
1000
587
365
176
94
100
44
37
33
76
69
60
28
10
20
DLab SibSAU
Заключение
• Приведена классификация методов преобразования частоты кадров и
методов совмещения изображений. Представлен обзор существующих
программных средств для построения стереовидеопоследовательности.
• Разработаны схемы пространственно-временной коррекции, построения
интерполированных кадров, оценки движения, совмещения кадров.
• Рассмотрена реализация программного продукта, приведены примеры
построения векторов движения, преобразования частоты кадров,
совмещения кадров.
• Построены экспериментальные зависимости отношения сигнал/шум для
«быстрой» и «медленной» видеопоследовательностей, а также время
выполнения алгоритмов.
21
DLab SibSAU
Спасибо за внимание
Фаворская Маргарита Николаевна e-mail: favorskaya@sibsau.ru
Пьянков Дмитрий Игоревич
e-mail: pyankovdi@sibsau.ru
Горошкин Антон Николаевич
e-mail: neobit@sibsau.ru