동작 분석

Motion analysis

모션 분석은 영상 시퀀스(예: 비디오 카메라나 고속 카메라에 의해 생성되는)에서 2개 이상의 연속 영상을 처리하여 영상의 외관적 모션을 기반으로 정보를 생성하는 방법과 응용 프로그램을 연구하는 컴퓨터 비전, 영상 처리, 고속 사진 및 머신 비전에 사용된다. 어떤 어플리케이션에서는 장면을 기준으로 카메라가 고정되어 있고 장면에서 물체가 움직이고 있으며, 어떤 어플리케이션에서는 장면이 다소 고정되어 있고 카메라가 움직이고 있으며, 어떤 경우에는 카메라와 장면 둘 다 움직이고 있다.

움직임 분석 처리는 가장 간단한 경우, 즉 이미지에서 무언가가 움직이고 있는 지점을 찾는 것일 수 있다. 보다 복잡한 유형의 처리 방식은 시간이 지남에 따라 영상의 특정 개체를 추적하거나, 장면 내에서 이동하는 동일한 강체 객체에 속하는 지점을 그룹화하거나, 영상에 있는 모든 점의 운동 크기와 방향을 결정하는 것이 될 수 있다. 생성되는 정보는 종종 시퀀스의 특정 영상과 관련되는데, 이는 특정 시점과 일치하지만, 그 다음에는 주변 영상에 의존하기도 한다. 이것은 운동 분석이 운동에 대한 시간 의존적인 정보를 생산할 수 있다는 것을 의미한다.

움직임 분석의 적용은 감시, 의학, 영화 산업, 자동차 충돌 안전,[1] 탄도 화기 연구,[2] 생물학,[3] 불꽃 전파,[4] 자율주행차 항법 등 다소 다양한 분야에서 찾아볼 수 있다.

배경

핀홀 카메라의 원리. 물체로부터의 광선은 작은 구멍을 통과하여 이미지를 형성한다.
일부 3D 포인트의 상대적인 동작에 해당하는 동작 필드.

비디오 카메라는 핀홀 카메라의 근사치로 볼 수 있는데, 이는 영상의 각 포인트가 카메라 앞 장면의 일부(일반적으로 1개) 포인트에 의해 조명된다는 것을 의미하며, 보통 장면 포인트가 광원에서 반사하는 빛을 통해 조명된다. 장면에서 보이는 각각의 점들은 카메라 구멍을 통과하여 영상 평면을 교차하는 직선을 따라 투영된다. 이는 특정 시점에서 영상의 각 지점이 장면의 특정 지점을 참조한다는 것을 의미한다. 이 장면 포인트는 카메라에 상대적인 위치를 가지며, 이 상대 위치가 바뀌면 3D의 상대적 동작에 해당한다. 움직이는 장면이든 카메라든 둘 다든 상관없기 때문에 상대적인 움직임이다. 상대적 위치에 변화가 있을 때 비로소 카메라가 어떤 움직임이 일어났는지 감지할 수 있다. 모든 가시 포인트의 상대적인 3D 운동을 영상에 다시 투영함으로써, 결과는 운동장이며, 영상 평면에서 해당 포인트의 속도 방향과 크기 측면에서 각 영상 포인트의 겉보기 운동을 설명한다. 이 관찰의 결과, 일부 장면 포인트의 상대적 3D 모션이 투영 라인을 따라 있으면 해당 외관 모션이 0이 된다.

카메라는 각 이미지 지점, 즉 광장의 빛의 세기를 측정한다. 실제로 디지털 카메라는 이 라이트 필드를 이산형 지점, 픽셀 단위로 측정하지만 픽셀의 밀도가 충분하다는 점을 감안할 때 픽셀 강도를 사용하여 이미지 평면에 떨어지는 라이트 필드의 대부분의 특성을 나타낼 수 있다. 움직임 분석의 일반적인 가정은 장면 지점에서 반사되는 빛이 시간에 따라 변하지 않는다는 것이다. 결과적으로, 만약 내가 영상의 어느 지점에서, 어떤 시점에서, 만약 강도가 관찰되었다면, 겉보기 운동의 결과로 첫 번째 강도와 비교하여 다른 위치에서 동일한 강도로 관찰될 것이다. 또 다른 일반적인 가정은 영상의 픽셀에 대해 검출된 강도에 상당한 양의 변동이 있다는 것이다. 이러한 가정으로 영상의 특정 픽셀에 해당하는 씬(scene) 포인트가 상대적인 3D 모션을 가지면 시간이 지남에 따라 픽셀 강도가 변경될 가능성이 있다.

방법들

동작 탐지

가장 간단한 유형의 움직임 분석 중 하나는 장면에서 이동 지점을 참조하는 영상 지점을 감지하는 것이다. 이러한 처리의 전형적인 결과는 장면의 이동점과 관련된 모든 영상 포인트(픽셀)를 1로 설정하고 다른 모든 포인트는 0으로 설정하는 이진 영상이다. 그런 다음 노이즈 제거, 인접 픽셀 그룹화, 레이블 객체 등과 같은 이항 이미지를 추가로 처리한다. 동작 감지는 몇 가지 방법을 사용하여 수행할 수 있다. 두 개의 주요 그룹은 배경 분할에 기초한 차이점 방법 및 방법이다.

적용들

휴먼 모션 분석

의학, 스포츠,[5] 비디오 감시, 물리치료,[6] 키네시학 분야에서 인간의 움직임 분석은 조사와 진단 도구가 되었다.[7] 기술에 대한 자세한 내용은 모션 캡처 섹션을 참조하십시오. 인간의 움직임 분석은 인간 활동 인식, 인간 움직임 추적, 신체 및 신체 부위 움직임 분석의 세 가지 범주로 나눌 수 있다.

인간 활동 인식은 비디오 감시, 특히 보안 목적을 위한 자동 모션 모니터링에 가장 일반적으로 사용된다. 이 영역에서 대부분의 노력은 정적 자세의 시퀀스를 통계적으로 분석하고 모델링된 움직임과 비교하는 주-공간 접근법에 의존한다. 템플릿 매칭은 기존의 프로토타입과 정적 형상 패턴을 비교하는 대안적인 방법이다.[8]

인간 움직임 추적은 2, 3차원으로 수행될 수 있다. 분석의 복잡성에 따라 인체의 표현 범위는 기본 스틱 수치부터 체적 모델까지 다양하다. 추적은 위치, 색상, 모양, 질감 등의 정보를 고려하여 연속된 비디오 프레임 간의 영상 기능의 일치성에 의존한다. 가장자리 감지는 인접한 픽셀의 색상 및/또는 대비를 비교하여 수행될 수 있으며, 특히 불연속성 또는 빠른 변화를 찾을 수 있다.[9] 3차원 추적은 기본적으로 2차원 추적과 동일하며 공간교정 요인이 추가된다.[8]

신체 부위의 움직임 분석은 의료 분야에서 매우 중요하다. 자세 및 걸음걸이 분석에서는 관절 각도를 사용하여 신체 부위의 위치와 방향을 추적한다. 걸음걸이 분석은 운동 경기력을 최적화하거나 부상이나 긴장을 유발할 수 있는 동작을 식별하는 데에도 사용된다. 광학 마커의 사용이 필요 없는 추적 소프트웨어는 마커의 사용이 자연적인 움직임을 방해할 수 있는 이러한 분야에서 특히 중요하다.[8][10]

제조에서의 움직임 분석

모션 분석은 제조 과정에서도 적용할 수 있다.[11] 고속 비디오 카메라와 모션 분석 소프트웨어를 이용하면 조립라인과 생산 기계를 모니터링하고 분석해 비효율이나 오작동을 감지할 수 있다. 야구 배트, 하키 스틱 등 스포츠 장비 제조업체도 고속 영상분석을 활용해 발사체의 영향을 연구한다. 이러한 유형의 연구를 위한 실험 설정은 일반적으로 트리거 장치, 외부 센서(예: 가속도계, 스트레인 게이지), 데이터 수집 모듈, 고속 카메라 및 동기화된 비디오와 데이터를 저장하는 컴퓨터를 사용한다. 모션 분석 소프트웨어는 거리, 속도, 가속도, 변형각 등의 파라미터를 시간의 함수로 계산한다. 이 데이터는 최적의 성능을 위해 장비를 설계하는 데 사용된다.[12]

모션 분석을 위한 추가 응용 프로그램

모션 분석 소프트웨어의 객체 및 특징 검출 기능을 박테리아,[13][14] 바이러스,[15] '이온 폴리머-금속 복합체',[16][17] 미크론 크기의 폴리스티렌 비드,[18] 진딧물,[19] 발사체 등 계수 및 추적 입자에 적용할 수 있다.[20]

참고 항목

참조

  1. ^ Munsch, Marie. "Lateral Glazing Characterization Under Head Impact:experimental and Numerical Investigation" (PDF). Retrieved 20 December 2013.
  2. ^ "Handgun Wounding Effects Due to Bullet Rotational Velocity" (PDF). Archived from the original (PDF) on 22 December 2013. Retrieved 18 February 2013.
  3. ^ Anderson first Christopher V. (2010). "Ballistic tongue projection in chameleons maintains high performance at low temperature" (PDF). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Department of Integrative Biology, University of South Florida, Tampa, FL 33620, PNAS March 23, 2010 vol. 107 no. 12 5495–5499. 107 (12): 5495–9. doi:10.1073/pnas.0910778107. PMC 2851764. PMID 20212130. Retrieved 2 June 2010.
  4. ^ Mogi, Toshio. "Self-ignition and flame propagation of high-pressure hydrogen jet during sudden discharge from a pipers" (PDF). International Journal of Hydrogen Energy 34 ( 2009 ) 5810 – 5816. Retrieved 28 April 2009.
  5. ^ Payton, Carl J. "Biomechanical Evaluation of Movement in Sport and Exercise" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2014-01-08. Retrieved 8 January 2014.
  6. ^ "Markerless Motion Capture + Motion Analysis EuMotus". www.eumotus.com. Retrieved 2018-03-25.
  7. ^ Hedrick, Tyson L. (2011). "Morphological and kinematic basis of the hummingbird flight stroke: scaling of flight muscle transmission ratio". Proceedings. Biological Sciences. 279 (1735): 1986–1992. doi:10.1098/rspb.2011.2238. PMC 3311889. PMID 22171086.
  8. ^ a b c Aggarwal, JK, Q Cai. "휴먼 모션 분석: A Review." 컴퓨터 비전 및 이미지 이해 73, 3번(1999): 428-440.
  9. ^ 팬, J, EA El-Kwae, M-S Hacid, F Liang. "노벨 추적 기반 이동 물체 추출 알고리즘."J Electronic Imaging 11, 393(2002년)
  10. ^ Green, RD, L Guan, JA Burne. 「운동 장애 진단용 보행의 영상 분석」J 일렉트로닉 이미징 9, 16(2000)
  11. ^ Longana, M.L. "High-strain rate imaging & full-field optical techniques for material characterization" (PDF). Archived from the original (PDF) on January 8, 2014. Retrieved Nov 22, 2012.
  12. ^ 마시, CG "비전, 배트 퍼포먼스 향상" 비전 시스템 설계. 2006년 6월
  13. ^ 보록, 엠제이 등 (2009). 도메인 폐쇄를 방지하는 경막 결합 단백질 길항제 구조 기반 설계. ACS 화학 생물학 4, 447-456
  14. ^ 보로크, 엠제이, 코오롱코, 엠아이엠, 키슬링, 엘엘엘(2008) 등이 대표적이다. 박테리아 신호 전도에 대한 화학적 탐침은 퇴치제가 안정되고 화학수용체 배열을 불안정하게 하는 것을 보여준다. ACS 화학 생물학 3, 101-109
  15. ^ 쇼포프, A 등 수생 시료나 세포의 박테리아와 바이러스를 구별하고 열거하고 분무와 파편 파편을 분석하기 위한 영상 분석 및 형광 현미경 개선. 수생 미생물 생태 22(2000): 103-110.
  16. ^ 박지성, J. K. 무어, R. B. (2009) 순서가 지정된 형태학이 단축 지향 전기 활성 중합체 시스템에서 비등방성 작동에 미치는 영향 ACS 적용 재료 & 인터페이스, 1, 697-702.
  17. ^ Phillips, A. K., Moore, R. B. (2005년) 새로운 황화 에틸렌 비닐 알코올 복합체 막을 기반으로 한 이온 액츄에이터. 폴리머 46, 7788-7802
  18. ^ Nott, M.(2005). 브라운 운동 가르침: 시위와 역할 놀이. 학교 과학 리뷰 86, 18-28
  19. ^ Kay, S, Steinkraus, D. C. (2005) 네오지그사이트 프레세니균 감염이 목화 진딧물 이동에 미치는 영향 AAES 연구 시리즈 543, 245-248. 파예트빌, AR: 아칸소 농업 실험소. http://arkansasagnews.uark.edu/543-43.pdf에서 이용 가능
  20. ^ 스파크스, C. 외 "Comparison and Validation of Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) and Coupled Euler Lagrange (CEL) Techniques for Modeling Hydrodynamic Ram." 46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, Austin, Texas, Apr. 18-21, 2005.