光流场法介绍及代码

光流场法的基本思想：在空间中，运动可以用运动场描述，而在一个图像平面上，物体的运动往往是通过图像序列中不同图像灰度分布的不同体现的，从而，空间中的运动场转移到图像上就表示为光流场(Optical Flow Field)。光流场反映了图像上每一点灰度的变化趋势，可看成是带有灰度的像素点在图像平面上运动而产生的瞬时速度场，也是一种对真实运动场的近似估计。

在比较理想的情况下，它能够检测独立运动的对象，不需要预先知道场景的任何信息，可以很精确地计算出运动物体的速度，并且可用于摄像机运动的情况。但光流法存在下面的缺点：有时即使没有发生运动，在外部照明发生变化时，也可以观测到光流；另外，在缺乏足够的灰度等级变化的区域，实际运动也往往观测不到。三维物体的运动投影到二维图像的亮度变化，本身由于部分信息的丢失而使光流法存在孔径问题和遮挡问题，用光流法估算二维运动场是不确定的，需要附加的假设模型来模拟二维运动场的结构；在准确分割时，光流法还需要利用颜色、灰度、边缘等空域特征来提高分割精度；同时由于光流法采用迭代的方法，计算复杂耗时，如果没有特殊的硬件支持，很难应用于视频序列的实时检测。

推导光流方程过程：

假设E(x,y,t)为(x,y)点在时刻t的灰度（照度）。设t+dt时刻该点运动到(x+dx,y+dy)点，他的照度为E(x+dx,y+dy,t+dt)。我们认为，由于对应同一个点，所以

E(x,y,t) = E(x+dx,y+dy,t+dt) —— 光流约束方程

将上式右边做泰勒展开，并令dt->0，则得到：E_xu+E_yv+E_t = 0，其中：

Ex = dE/dx Ey = dE/dy Et = dE/dt u = dx/dt v = dy/dt

上面的Ex,Ey,Et的计算都很简单，用离散的差分代替导数就可以了。光流法的主要任务就是通过求解光流约束方程求出u,v。但是由于只有一个方程，所以这是个病态问题。所以人们提出了各种其他的约束方程以联立求解。但是由于我们用于摄像机固定的这一特定情况，所以问题可以大大简化。

摄像机固定的情形

在摄像机固定的情形下，运动物体的检测其实就是分离前景和背景的问题。我们知道对于背景，理想情况下，其光流应当为0，只有前景才有光流。所以我们并不要求通过求解光流约束方程求出u,v。我么只要求出亮度梯度方向的速率就可以了，即求出sqrt(u*u+v*v)。

而由光流约束方程可以很容易求到梯度方向的光流速率为 V = abs(Et/sqrt(Ex*Ex+Ey*Ey))。这样我们设定一个阈值T。

V(x,y) > T 则(x,y)是前景 ，反之是背景

C++实现

在实现摄像机固定情况的光流法时，需要有两帧连续的图像，下面的算法针对RGB24格式的图像计算光流：

void calculate(unsigned char* buf)
{
int Ex,Ey,Et;
int gray1,gray2;
int u;
int i,j;
memset(opticalflow,0,width*height*sizeof(int));
memset(output,255,size);
for(i=2;i<height-2;i++){
for(j=2;j<width-2;j++){
gray1 = int(((int)(buf[(i*width+j)*3])
+(int)(buf[(i*width+j)*3+1])
+(int)(buf[(i*width+j)*3+2]))*1.0/3);
gray2 = int(((int)(prevframe[(i*width+j)*3])
+(int)(prevframe[(i*width+j)*3+1])
+(int)(prevframe[(i*width+j)*3+2]))*1.0/3);
Et = gray1 - gray2;
gray2 = int(((int)(buf[(i*width+j+1)*3])
+(int)(buf[(i*width+j+1)*3+1])
+(int)(buf[(i*width+j+1)*3+2]))*1.0/3);
Ex = gray2 - gray1;
gray2 = int(((int)(buf[((i+1)*width+j)*3])
+(int)(buf[((i+1)*width+j)*3+1])
+(int)(buf[((i+1)*width+j)*3+2]))*1.0/3);
Ey = gray2 - gray1;
Ex = ((int)(Ex/10))*10;
Ey = ((int)(Ey/10))*10;
Et = ((int)(Et/10))*10;
u = (int)((Et*10.0)/(sqrt((Ex*Ex+Ey*Ey)*1.0))+0.1);
opticalflow[i*width+j] = u;
if(abs(u)>10){
output[(i*width+j)*3] = 0;
output[(i*width+j)*3+1] = 0;
output[(i*width+j)*3+2] = 0;
}
}
}
memcpy(prevframe,buf,size);
}

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/另一个代码

/

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WW_RETURN HumanMotion::ImgOpticalFlow(IplImage *pre_grey,IplImage *grey)
/*************************************************
Function:
Description: 光流法计算运动速度与方向 
Date: 2006－6－14
Author: 
Input: 
Output: 
Return: 
Others: 
*************************************************/
{

IplImage *velx = cvCreateImage( cvSize(grey->width ,grey->height),IPL_DEPTH_32F, 1 );
IplImage *vely = cvCreateImage( cvSize(grey->width ,grey->height),IPL_DEPTH_32F, 1 );

velx->origin = vely->origin = grey->origin;
CvSize winSize = cvSize(5,5);
cvCalcOpticalFlowLK( prev_grey, grey, winSize, velx, vely );

cvAbsDiff( grey,prev_grey, abs_img );
cvThreshold( abs_img, abs_img, 29, 255, CV_THRESH_BINARY);

CvScalar xc,yc; 
for(int y =0 ;y<velx->height; y++)
for(int x =0;x<velx->width;x++ )
{
xc = cvGetAt(velx,y,x);
yc = cvGetAt(vely,y,x);

float x_shift= (float)xc.val[0]; 
float y_shift= (float)yc.val[0]; 
const int winsize=5; //计算光流的窗口大小

if((x%(winsize*2)==0) && (y%(winsize*2)==0) ) 
{

if(x_shift!=0 || y_shift!=0)
{

if(x>winsize && y>winsize && x <(velx->width-winsize) && y<(velx->height-winsize) )
{

cvSetImageROI( velx, cvRect( x-winsize, y-winsize, 2*winsize, 2*winsize));
CvScalar total_x = cvSum(velx);
float xx = (float)total_x.val[0];
cvResetImageROI(velx);

cvSetImageROI( vely, cvRect( x-winsize, y-winsize, 2*winsize, 2*winsize));
CvScalar total_y = cvSum(vely);
float yy = (float)total_y.val[0];
cvResetImageROI(vely);

cvSetImageROI( abs_img, cvRect( x-winsize, y-winsize, 2*winsize, 2*winsize));
CvScalar total_speed = cvSum(abs_img);
float ss = (float)total_speed.val[0]/(4*winsize*winsize)/255;
cvResetImageROI(abs_img);

const double ZERO = 0.000001;
const double pi = 3.1415926;
double alpha_angle;

if(xx<ZERO && xx>-ZERO)
alpha_angle = pi/2;
else
alpha_angle = abs(atan(yy/xx));

if(xx<0 && yy>0) alpha_angle = pi - alpha_angle ;
if(xx<0 && yy<0) alpha_angle = pi + alpha_angle ;
if(xx>0 && yy<0) alpha_angle = 2*pi - alpha_angle ;

CvScalar line_color;
float scale_factor = ss*100;
line_color = CV_RGB(255,0,0);
CvPoint pt1,pt2;
pt1.x = x; 
pt1.y = y;
pt2.x = static_cast<int>(x + scale_factor*cos(alpha_angle));
pt2.y = static_cast<int>(y + scale_factor*sin(alpha_angle));

cvLine( image, pt1, pt2 , line_color, 1, CV_AA, 0 );
CvPoint p;
p.x = (int) (pt2.x + 6 * cos(alpha_angle - pi / 4*3));
p.y = (int) (pt2.y + 6 * sin(alpha_angle - pi / 4*3));
cvLine( image, p, pt2, line_color, 1, CV_AA, 0 );
p.x = (int) (pt2.x + 6 * cos(alpha_angle + pi / 4*3));
p.y = (int) (pt2.y + 6 * sin(alpha_angle + pi / 4*3));
cvLine( image, p, pt2, line_color, 1, CV_AA, 0 );

/*
line_color = CV_RGB(255,255,0);
pt1.x = x-winsize;
pt1.y = y-winsize;
pt2.x = x+winsize;
pt2.y = y+winsize;
cvRectangle(image, pt1,pt2,line_color,1,CV_AA,0);
*/

}
}
}
}

cvShowImage( "Contour", abs_img);
cvShowImage( "Contour2", vely);

cvReleaseImage(&velx);
cvReleaseImage(&vely);
cvWaitKey(20);

return WW_OK;

}