オプティカルフロー

作成者: 怡土順一, 最終変更者: 怡土順一, 最終変更リビジョン: 358, 最終変更日時: 2007-12-26 14:39:31 +0900 (水, 26 12月 2007)

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■ オプティカルフロー

オプティカルフローとは，時間連続な画像列を利用して，画像の速度場（物体の速度＋カメラの速度）を求め，それをベクトル集合で表現したものである．大別して，勾配法，ブロックマッチング法が存在する．
勾配法では，「オプティカルフロー拘束方程式」と呼ばれる，輝度の時間/空間的微分（輝度勾配）の拘束方程式を用いて，これに制約条件を付加することでフローを求める．比較的高速に全画素についての速度場を計算できるが，前提条件に合わない個所（急激な輝度変化，ノイズ）では，著しい誤差が発生する事がある．
ブロックマッチング法では，画像中のあるブロックをテンプレートとして，次時間の画像中からマッチする個所を探索することでフローを求める．適切な特徴を持つ画像においては，ロバストにフローを計算できるが，比較的計算時間がかかる．また，回転，スケーリングに対するロバスト性は，テンプレートとなるブロックのサイズや画像の特徴に依存する．

サンプル

オプティカルフロー1 cvCalcOpticalFlowHS, cvCalcOpticalFlowLK

勾配法によるオプティカルフローの計算

サンプルコード


#include <cv.h>
#include <highgui.h>

int
main (int argc, char **argv)
{
  int i, j, dx, dy, rows, cols;
  IplImage *src_img1, *src_img2, *dst_img1, *dst_img2;
  CvMat *velx, *vely;
  CvTermCriteria criteria;

  if (argc != 3 ||
      (src_img1 = cvLoadImage (argv[1], CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)) == 0 ||
      (src_img2 = cvLoadImage (argv[2], CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)) == 0)
    return -1;

  dst_img1 = cvLoadImage (argv[2], CV_LOAD_IMAGE_COLOR);
  dst_img2 = (IplImage *) cvClone (dst_img1);

  // (1)速度ベクトルを格納する構造体の確保，等
  cols = src_img1->width;
  rows = src_img1->height;
  velx = cvCreateMat (rows, cols, CV_32FC1);
  vely = cvCreateMat (rows, cols, CV_32FC1);
  cvSetZero (velx);
  cvSetZero (vely);
  criteria = cvTermCriteria (CV_TERMCRIT_ITER | CV_TERMCRIT_EPS, 64, 0.01);

  // (2)オプティカルフローを計算（HS）
  cvCalcOpticalFlowHS (src_img1, src_img2, 0, velx, vely, 100.0, criteria);
  // (3)オプティカルフローを描画（HS）
  for (i = 0; i < cols; i += 5) {
    for (j = 0; j < rows; j += 5) {
      dx = (int) cvGetReal2D (velx, j, i);
      dy = (int) cvGetReal2D (vely, j, i);
      cvLine (dst_img1, cvPoint (i, j), cvPoint (i + dx, j + dy), CV_RGB (255, 0, 0), 1, CV_AA, 0);
    }
  }

  // (4)オプティカルフローを計算（LK）
  cvCalcOpticalFlowLK (src_img1, src_img2, cvSize (15, 15), velx, vely);
  // (5)計算されたフローを描画（LK）
  for (i = 0; i < cols; i += 5) {
    for (j = 0; j < rows; j += 5) {
      dx = (int) cvGetReal2D (velx, j, i);
      dy = (int) cvGetReal2D (vely, j, i);
      cvLine (dst_img2, cvPoint (i, j), cvPoint (i + dx, j + dy), CV_RGB (255, 0, 0), 1, CV_AA, 0);
    }
  }

  // (6)オプティカルフローの表示
  cvNamedWindow ("ImageHS", 1);
  cvShowImage ("ImageHS", dst_img1);
  cvNamedWindow ("ImageLK", 1);
  cvShowImage ("ImageLK", dst_img2);
  cvWaitKey (0);

  cvDestroyWindow ("ImageHS");
  cvDestroyWindow ("ImageLK");
  cvReleaseImage (&src_img1);
  cvReleaseImage (&src_img2);
  cvReleaseImage (&dst_img1);
  cvReleaseImage (&dst_img2);
  cvReleaseMat (&velx);
  cvReleaseMat (&vely);

  return 0;
}

// (1)速度ベクトルを格納する構造体の確保，等
入力画像と同じサイズのCvArrを確保する．今回は，cvMatを利用しているが， IplImage等でも構わない．また，関数cvCalcOpticalFlowHS()で利用される終了条件構造体も確保する．

// (2)オプティカルフローを計算（HS）
Horn & Schunck アルゴリズムを用いてオプティカルフローを計算する．

// (3)オプティカルフローを描画（HS）
X方向，y方向共に5[pixel]毎に，関数cvGetReal2D()を用いて，インデックス（座標）を指定して速度ベクトルを取り出し，それを入力画像上に描画する．

// (4)オプティカルフローを計算（LK）
Lucas & Kanade アルゴリズムを用いてオプティカルフローを計算する．

// (5)計算されたフローを描画（LK）
X方向，y方向共に5[pixel]毎に，関数cvGetReal2D()を用いて，インデックス（座標）を指定して速度ベクトルを取り出し，それを入力画像上に描画する．

// (6)オプティカルフローの表示
上記の二つの手法により計算されたオプティカルフローを，入力画像上に描画したものを実際に表示する．何かキーが押されるまで待つ．

実行結果例

入力画像1 入力画像2 結果画像(HS) 結果画像(LK)

オプティカルフロー2 cvCalcOpticalFlowBM

ブロックマッチングによるオプティカルフローの計算

サンプルコード


#include <cv.h>
#include <highgui.h>

int
main (int argc, char **argv)
{
  int i, j, dx, dy, rows, cols;
  int block_size = 10;
  int shift_size = 1;
  CvMat *velx, *vely;
  CvSize block = cvSize (block_size, block_size);
  CvSize shift = cvSize (shift_size, shift_size);
  CvSize max_range = cvSize (50, 50);
  IplImage *src_img1, *src_img2, *dst_img;

  if (argc != 3 ||
      (src_img1 = cvLoadImage (argv[1], CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)) == 0 ||
      (src_img2 = cvLoadImage (argv[2], CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)) == 0)
    return -1;
  dst_img = cvLoadImage (argv[2], CV_LOAD_IMAGE_COLOR);

  // (1)速度ベクトルを格納する構造体の確保
  rows = int (ceil (double (src_img1->height) / block_size));
  cols = int (ceil (double (src_img1->width) / block_size));
  velx = cvCreateMat (rows, cols, CV_32FC1);
  vely = cvCreateMat (rows, cols, CV_32FC1);
  cvSetZero (velx);
  cvSetZero (vely);

  // (2)オプティカルフローの計算
  cvCalcOpticalFlowBM (src_img1, src_img2, block, shift, max_range, 0, velx, vely);

  // (3)計算されたフローを描画
  for (i = 0; i < velx->width; i++) {
    for (j = 0; j < vely->height; j++) {
      dx = (int) cvGetReal2D (velx, j, i);
      dy = (int) cvGetReal2D (vely, j, i);
      cvLine (dst_img, cvPoint (i * block_size, j * block_size),
	      cvPoint (i * block_size + dx, j * block_size + dy), CV_RGB (255, 0, 0), 1, CV_AA, 0);
    }
  }

  cvNamedWindow ("Image", 1);
  cvShowImage ("Image", dst_img);
  cvWaitKey (0);

  cvDestroyWindow ("Image");
  cvReleaseImage (&src_img1);
  cvReleaseImage (&src_img2);
  cvReleaseImage (&dst_img);
  cvReleaseMat (&velx);
  cvReleaseMat (&vely);

  return 0;
}

// (1)速度ベクトルを格納する構造体の確保
サイズ ceil(src.width/block_size)×ceil(src.height/block_size), 32ビット，シングルチャンネルの，速度ベクトルを格納する構造体を確保する．

// (2)オプティカルフローの計算
ブロックマッチングにより，オプティカルフローを計算する． 3番目の引数は，ブロック（テンプレート）サイズを表す． 4番目の引数は，5番目の引数で表される一つのブロックに対する探索範囲内を，どれだけずらされながらマッチングを行うかを表す．

// (3)計算されたフローを描画
関数cvGetReal2D()を用いて，インデックス（座標）を指定して速度ベクトルを取り出し，それを入力画像上に描画する．

実行結果例

入力画像1 入力画像2 結果画像

オプティカルフロー3 cvCalcOpticalFlowPyrLK

疎な特徴に対するオプティカルフローの計算

サンプルコード


#include <cv.h>
#include <highgui.h>

int
main (int argc, char **argv)
{
  char *status;
  int i, corner_count = 150;
  CvPoint2D32f *corners1, *corners2;
  CvTermCriteria criteria;
  IplImage *src_img1, *src_img2, *dst_img;
  IplImage *eig_img, *temp_img;
  IplImage *prev_pyramid, *curr_pyramid;

  if (argc != 3 ||
      (src_img1 = cvLoadImage (argv[1], CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)) == 0 ||
      (src_img2 = cvLoadImage (argv[2], CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)) == 0)
    return -1;

  dst_img = cvLoadImage (argv[2], CV_LOAD_IMAGE_COLOR);

  // (1)必要な構造体の確保
  eig_img = cvCreateImage (cvGetSize (src_img1), IPL_DEPTH_32F, 1);
  temp_img = cvCreateImage (cvGetSize (src_img1), IPL_DEPTH_32F, 1);
  corners1 = (CvPoint2D32f *) cvAlloc (corner_count * sizeof (CvPoint2D32f));
  corners2 = (CvPoint2D32f *) cvAlloc (corner_count * sizeof (CvPoint2D32f));
  prev_pyramid = cvCreateImage (cvSize (src_img1->width + 8, src_img1->height / 3), IPL_DEPTH_8U, 1);
  curr_pyramid = cvCreateImage (cvSize (src_img1->width + 8, src_img1->height / 3), IPL_DEPTH_8U, 1);
  status = (char *) cvAlloc (corner_count);
  criteria = cvTermCriteria (CV_TERMCRIT_ITER | CV_TERMCRIT_EPS, 64, 0.01);

  // (2)疎な特徴点を検出
  cvGoodFeaturesToTrack (src_img1, eig_img, temp_img, corners1, &corner_count, 0.001, 5, NULL);

  // (3)オプティカルフローを計算
  cvCalcOpticalFlowPyrLK (src_img1, src_img2, prev_pyramid, curr_pyramid,
			  corners1, corners2, corner_count, cvSize (10, 10), 4, status, NULL, criteria, 0);

  // (4)計算されたフローを描画
  for (i = 0; i < corner_count; i++) {
    if (status[i])
      cvLine (dst_img, cvPointFrom32f (corners1[i]), cvPointFrom32f (corners2[i]), CV_RGB (255, 0, 0), 1, CV_AA, 0);
  }
  cvNamedWindow ("Image", 1);
  cvShowImage ("Image", dst_img);
  cvWaitKey (0);


  cvDestroyWindow ("Image");
  cvReleaseImage (&src_img1);
  cvReleaseImage (&src_img2);
  cvReleaseImage (&dst_img);
  cvReleaseImage (&eig_img);
  cvReleaseImage (&temp_img);
  cvReleaseImage (&prev_pyramid);
  cvReleaseImage (&curr_pyramid);

  return 0;
}

// (1)必要な構造体の確保
関数cvGoodFeaturesToTrack()および，関数cvCalcOpticalFlowPyrLK()に必要な構造体を確保する．

// (2)疎な特徴点を検出
関数cvGoodFeaturesToTrack()を用いて，画像中で大きな固有値を持つコーナー（はっきりとした特徴点）を見つける．検出されたコーナーは，4番目の引数で示される配列に格納され，その個数は， 5番目の引数で示される変数に格納される． 6番目，および7番目の引数はそれぞれ，特徴点の質と特徴点同士の最低距離を表しており，これらの値が小さくなると検出される特徴点が増える．詳細については，リファレンスを参照すること．

// (3)オプティカルフローを計算
先の関数により検出された疎な特徴点に関して，オプティカルフローを計算する．

// (4)計算されたフローを描画
フローが見付かった点に対してのみ，そのフローを描画する．

実行結果例

入力画像1 入力画像2 結果画像