光流法及其在气象领域里的应用

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1、气象科技进展光流法及其在气象领域里的应用柳士俊张蕾（中国气象局气象干部培训学院，北京100081）摘要：光流法是研究视觉和客观物体之间关系的数学分析方法，在图像识别和追踪的相关领域已有广泛的成功应用。本文通过介绍经典的Horn-Schunck方法和Lucas-Kanade方法，引入光流方法的基本概念和原理，进而在此基础上进一步用统一的变分方法框架解释绝大部分光流场算法。最后介绍光流方法在气象领域的应用及其前景。关键词：光流，变分法，图像识别，气象DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2015.04.002OpticalFlowMethodandIts

2、ApplicationintheFieldofMeteorologyLiuShijun,ZhangLei(ChineseMeteorologicalAdministrationTrainingCentre,Beijing100081)Abstract:Opticalflowmethodisamathematicalanalysisoftherelationshipbetweenthevisualsenseanditsobject.Ithasbeenwidelyappliedsuccessfullyinrelatedareasofimagerecognitionandtr

3、acking.ThispaperintroducesthebasicconceptandprincipleofopticalflowmethodbyexamplessuchastheHorn-SchunckandtheLucas-Kanademethod,andthenonthebasisoffurtherusingtheunifiedvariationalmethodtoexplainthevastmajorityofopticalflowfieldalgorithm.Finally,itintroducestheapplicationoftheopticalflow

4、methodinthefieldofmeteorologyanditsprospects.Keyword:opticalflow,variationalmethod,imageidentification,meteorology0引言况，研究光流场的目的就是为了从序列图像中重构目遥看蓝天白云，云卷云舒，壮美绝伦，其光影标运动场。变幻投影在视网膜上，如同水流一样形成一种光的流虽然光流场图像分析的直接目的是确定运动场，动，这种由于空间物体运动而反映在像平面上的像素然而光流场并不总是对应于实际的运动场。严格地随时间的运动变化，有点像流体的运动，我们称之为说，光流场与运动场虽然

5、有着密切的关系，但是并非光流（opticalflow）。这个概念是Gibson于1950年首完全对应的关系。也就是说：运动产生光流，因而有[1]先提出的。光流实际上是空间运动物体在观测成像光流就一定存在着运动，然而并不是说有了运动就一面上的像素运动的瞬时速度。光流就是研究图像灰度定能够产生光流。不过在绝大多数的情况下，如果光在时间上的变化与景象中物体结构及其运动的关系。流场满足所谓的三要素：第一，运动（速度场），实用上可以将光流矢量定义为二维图像平面特光流形成的必要条件；第二，带光学特征的部位（例定坐标点上的灰度瞬时变化率，表示图像灰度模式的如有灰度的像素点），能携带信

6、息；第三，成像投影表观运动，是一个二维矢量场。光流矢量的全体构（从场景到图像平面），能够被观察到；那么，在满成光流场（opticalflowfield），包含各像素点的瞬时足三要素的条件下，光流场与运动场都是相互对应运动速度矢量信息。二维光流场实际上是实际物体的的。所以在许多情况下我们可以根据光流与运动场的三维运动场的投影。光流法的实质是由二维光流场重相互关系，由图像的变化来估计相对运动。构三维运动场。由于像素点运动中隐含了目标运动的虽然光流的概念在20世纪50年代由Gibson提出，信息，因此光流场的分析可被用来确定目标的运动情然而光流计算技术的真正实用研究却开始于2

7、0世纪80[2][3]年代初Horn等以及Lucas等的奠基性工作，而后的收稿日期：2013年8月20日；修回日期：2013年12月25日20年里各种新算法和改进算法不断出现，并取得了丰第一作者：柳士俊（1964—），Email:Lsj8848@163.com[4]硕的研究成果。Barron等对这一阶段的代表性工作资助信息：国家重大科学研究计划项目（2012CB957803）做了详细介绍。此后的光流计算技术受制于方法本身16AdvancesinMeteorologicalScienceandTechnology气象科技进展5（4）-201