موضوع مقاله: شار بصری | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # شار بصری | مقدمه: شار بصری یا شار نوری الگوی حرکت آشکار اشیاء، سطوح و لبه‌ها در یک صحنه بصری است که ناشی از حرکت نسبی بین یک ناظر و یک صحنه است. | ## بخش 1: شار بصری | شار نوری را همچنین می‌توان به عنوان توزیع سرعت آشکار حرکت در الگوی روشنایی در یک تصویر نیز معرفی کرد. مفهوم شار نوری توسط جیمز جونیور گیبسون، روان‌شناس آمریکایی در دهه ۱۹۴۰، برای توصیف محرک‌های دیداری فراهم شده برای حیوانات در حال حرکت در سراسر دنیا معرفی شد. تأکید گیبسون بر اهمیت شار نوری به دلیل قابلیت درک یا توانایی تشخیص حالات ممکن برای انجام یک عمل در یک محیط بود. پیروان گیبسون و رویکرد بوم‌شناختی وی در روان‌شناسی بعدها نقش محرک شار بصری را برای درک حرکت توسط ناظر در جهان، درک اشکال، فاصله و حرکت اجسام در جهان و کنترل حرکت نشان دادند. واژه شار بصری در علم رباتیک، در مواردی همچون فنون مرتبط با پردازش تصویر و کنترل جهت‌یابی هم استفاده می‌شود، کنترل جهت‌یابی شامل تشخیص حرکت، قطعه بندی جسم، اطلاعات زمان تماس و تمرکز محاسبات گسترده، روشنایی، کدگذاری جبران شده حرکت و اندازه‌گیری اختلاف استریو می‌شود. تخمین توالی تصاویر مرتب‌شده امکان تخمین حرکت به عنوان سرعت لحظه‌ای تصویر یا جابجایی گسسته تصویر را فراهم می‌آورد. نائوت و استیون بیوکمین یک آنالیز کارایی برای تعدادی از تکنیک‌های شار نوری فراهم کرده‌اند. روش‌های شار نوری سعی بر محاسبهٔ حرکت، بین دو فریم از تصاویر که در زمان‌های t و t+Δt گرفته شده‌اند، در هر واکسل (کوچک‌ترین مکعب مستطیل‌ها در فضا که می‌توانند مختصات یک شیء را نشان دهند) دارند. از آنجایی که این روش‌ها بر مبنای تقریباب بسط تیلور سیگنال تصویر هستند روش تفاضلی نامیده می‌شوند. به عبارتی این روش‌ها از مشتقات جزئی نسبت به مختصات زمانی و مکانی استفاده می‌کنند. برای یک نمونه در حالت دو بعدی (حالات ۳ بعدی و بیشتر مشابه هستند) یک واکسل در موقعیت (x,y,t) با شدت (I(x,y,t به اندازه‌های Δx، Δy و Δt بین دو فریم از تصاویر حرکت خواهد کرد و محدودیت پایداری روشنایی به صورت زیر می‌تواند داده شود: با فرض کوچک بودن حرکت، محدودیت تصویر در (I(x,y,t را می‌توان با بسط تیلور توسعه داد تا به عبارت زیر رسید: H.O.T از این معادلات بدست می‌آید که: یا که نتیجه می‌دهد که ، مولفه‌های سرعت در راستای x و y یا شار نوری (I(x,y,t هستند و ,, مشتقات تصویر در (x,y,t) در جهات متناظر هستند.,, را می‌توان برای مشتقات بالا نوشت پس: یا این یک معادله با دو مجهول است و به این شکل قابل حل نیست. روش‌های تعیین همبستگی فاز- معکوس عادی‌سازی‌شده طیف cross-power روش‌های مبتنی بر اساس انسداد - به حداقل رساندن جمع مربعات اختلاف‌ها یا جمع قدرمطلق اختلاف‌ها یا به حداکثر رساندن عادی‌سازی‌شده cross-correlation روش‌های تفاضلی تخمین شار نوری، بر اساس مشتقات جزئی سیگنال تصویر و/یا میدان شار مطلوب و مشتقات جزئی مراتب بالاتر نظیر: روش لوکاس کاناد - با توجه به تکه‌های تصویر و یک مدل وابسته برای میدان شار. | ## بخش 2: شار بصری | روش هرن شانک - بهینه‌سازی براساس مانده‌های بدست آمده از محدودیت پایداری روشنایی و یک عبارت مشخص که بیانگر میزان هموار بودن مورد انتظار میدان شار است روش باکستون - برپایهٔ مدلی از حرکت لبه‌ها در توالی تصویر. روش‌های عمومی متغیر - تعدادی از اصلاحات و توسعه‌های روش هرن شانک با استفاده از داده‌های دیگر روش‌های بهینه‌سازی گسسته - فضای جستجو کوانتیزه می‌شود و سپس تطبیق تصویر از طریق تخصیص برچسب در هر پیکسل صورت می‌گیرد. راه حل بهینه اغلب از طریق الگوریتم حداکثر شار، برنامه‌نویسی خطی یا روش‌های انتشار باور، بهبود می‌یابد. بسیاری از موارد گفته شده، علاوه بر الگوریتم‌های موجود در حال حاضر بر اساس مجموعهٔ داده‌های معیار میدلبوری ارزیابی می‌شوند. کاربردها برآورد حرکت و فشردهسازی ویدئو به عنوان جنبه‌های اصلی تحقیق در زمینه شار نوری توسغه یافته‌اند. میدان شار بصری به صورت محسوس به یک میدان حرکت متراکم شباهت دارد که از تکنیک‌های برآورد حرکت استخراج می‌شود. این در حالی است که شار نوری نه تنها شامل مطالعه میدان شار نوری می‌شود، بلکه از آن در برآورد ماهیت سه‌بعدی و ساختار صحنه و همچنین حرکت سه‌بعدی اشیا و ناظر نسبت به صحنه استفاده می‌شود. شار بصری توسط پژوهشگران رباتیک در بسیاری از زمینه‌ها نظیر: تشخیص و ردیابی جسم، استخراج صفحات غالب در تصویر، تشخیص حرکت، جهت‌یابی ربات‌ها و حساسیت دیداری استفاده شده است. کاربرد شار بصری با مشکل استنباط حرکت ناظر و اجسام حاضر در صحنه و همچنین ساختار اجسام در محیط مواجه است. با توجه به اینکه آگاهی از حرکت و تولید تصاویر ذهنی از ساختار محیط اطراف اجزا مهم و حیاتی در دید حیوانات (و انسان‌ها) ست، تبدیل این توانایی به قابلیت رایانه‌ای نیز در حوزه دید ماشینی به همان میزان مهم است. یک کلیپ پنج فریمی از حرکت یک توپ را که از پایین و سمت چپ میدان دید به سمت بالا و راست حرکت می‌کند در نظر بگیرید. تکنیک‌های برآورد حرکت می‌توانند تعیین کنند که در یک صفحه دو بعدی توپ به سمت بالا و راست حرکت می‌کند و بردارهایی که این حرکت را توصیف می‌کنند می‌توانند از توالی فریم‌ها استخراج شوند. | ## بخش 3: شار بصری | برای اهداف فشرده‌سازی ویدیو (به عنوان مثال، MPEG)، توالی در حال حاضر همان‌طور که باید باشد توصیف می‌شود. با این حال، در زمینه دید ماشینی، سؤال این است که آیا توپ به سمت راست حرکت می‌کند یا این که ناظر در حال حرکت به سمت چپ است، این اطلاعات برای ماشین ناشناخته و در عین حال حیاتی است. حتی اگر یک پس زمینه طرح دار و ساکن در پنج فریم موجود باشد هم نمی‌توانیم با اطمینان بیان کنیم که توپ به سمت راست حرکت می‌کند، چرا که امکان دارد طرح فاصلهٔ بینهایت با ناظر داشته باشد. حسگر شار نوری سنسور شار نوری یک حسگر دید است که قادر به اندازه‌گیری شار نوری یا حرکت بصری و بیرون دادن یک اندازه‌گیری بر اساس شار نوری است. یکی از این پیکربندی‌ها یک تراشه حسگر تصویر است که با اتصال به یک پردازنده برای اجرای الگوریتم شار بصری برنامه‌ریزی شده است. یکی دیگر از پیکربندی‌ها از یک تراشه بصری استفاده می‌کند که یک مدار مجتمع است که در برگیرنده هر دو حسگر تصویر و پردازنده در همان دیسک است که اجازه پیاده‌سازی فشرده را می‌دهد. در برخی از موارد، مدار پردازش ممکن است با استفاده از مدارهای آنالوگ یا سیگنال مختلط پیاده‌سازی شود تا امکان محاسبات سریع شار نوری را با استفاده از کمترین مقدار مصرف جریان فراهم آورد. یکی از زمینه‌های تحقیقات امروزه، استفاده از روش‌های مهندسی نورومورفیک برای اجرا کردن مدارهایی است که به شار نوری پاسخ می‌دهند و بنابراین ممکن است برای استفاده در سنسورهای شار نوری مناسب باشند، این مدارها ممکن است از الگوریتم‌های زیست‌شناختی الهام بگیرند که به طرز مشابه ای به شار نوری پاسخ می‌دهند. حسگرهای شار بصری به صورت گسترده‌ای در موش‌واره‌های نوری رایانه‌ای به عنوان جزء حسگر اصلی برای اندازه‌گیری حرکت موش‌واره بر روی صفحه مورد استفاده قرار می‌گیرند. حسگرهای شار بصری همچنین در کاربردهای روباتیکی و در درجهٔ اول در جایی که نیاز به اندازه‌گیری حرکت بصری یا حرکت نسبی بین ربات و دیگر اشیاء در مجاورت ربات وجود دارد، استفاده می‌شوند. | ## جمع‌بندی | استفاده از حسگرهای شار بصری در پهپادها، برای پایداری و جلوگیری از برخورد با مانع، بخشی از تحقیقات در حال انجام است.