title: Motion structure analysis in rivers for evaluation of dangerous events
title: Ανάλυση της δομής κίνησης σε ποτάμια για την αξιολόγηση επικίνδυνων συμβάντων
Creators: name: Μπαχαριδης Κωνσταντινος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2016

description: Motion estimation is a widely researched topic of Computer Vision with numerous
published algorithms. Nowadays, Computer Vision and motion estimation are utilized
to confront real world problems. One such application, with on-going research interest,
is the estimation of the motion eld of rivers using video data. The incorporation of
Computer Vision in river ow estimation can lead to the development of a low-cost, fast,
accurate and above all, a non-intrusive method of measuring the river's velocity. These
characteristics are of most importance since until now, this estimation required on-eld
measurements with costly conventional equipment, such as accelerometers or doppler-
based devices.
Moreover, natural phenomena that have rapid occurrence, such as ash ood streams,
are hard to monitor at their full extent with the use of conventional equipment. On the
other hand, a video surveillance system accompanied with a motion estimation algorithm
would allow constant and accurate measurements of the ow without requiring the on-
eld presence of hydrologists or any other man-held equipment, under the condition that
a light-source is available. However, the development of a motion estimation algorithm
for the case of uids can be a dicult task due to the dynamic motion nature of the
uid, guided by both internal and external forces, such as wind and gravity. In addition,
when applying such methodologies to real world problems, such as the development of a
river monitoring system, researchers must also deal with a number of other tasks beyond
the selection of an appropriate motion estimation algorithm. These tasks span from the
selection of hardware equipment to be used and the monitoring layout formation as well
as the data mining capabilities that oers, to even the derivation of a way to associate
the 2-dimensional image space with the 3-dimensional real world in order to reach to a
real world velocity estimate for the river's velocity.
This thesis addresses the problem of developing an Image-based monitoring layout
for river ows presenting and discussing the methodologies behind each module. More
specically, we propose the utilization of a stereo camera monitoring layout allowing the
relation of the real world and image plane coordinate systems and thus the 2-Dimensional
image plane motion and the 3-Dimensional river surface motion. Moreover, a novel proba-
bilistic motion estimation method based on stereoscopic data is presented which evaluates
each possible displacement based on the two views of the monitored scene resulting in a
dense global motion eld that accurately represents the motion patterns present on the river's surface. However, this thesis does not comments upon the performance and cost
trade-o of the used hardware.
description:  Η εκτίμηση κίνησης αποτελεί ένα ευρέως εξεταζόμενο θέμα στον επιστημονικό κλάδο της Μηχανικής Όρασης έχοντας μάλιστα πληθώρα δημοσιευμένων αλγορίθμων και μεθοδολογιών. Στις μέρες μας, η Μηχανική Όραση και η εκτίμηση κίνησης χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση προβλημάτων στον πραγματικό κόσμο. Μια τέτοια εφαρμογή, με εξελισσόμενο επιστημονικό ενδιαφέρον, αποτελεί η εκτίμηση του πεδίου κίνησης ποταμών αξιοποιώντας δεδομένα βίντεο. Η ενσωμάτωση του κλάδου της Μηχανικής Όρασης στην εκτίμηση του πεδίου κίνησης των ποταμών μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη μιας χαμηλού κόστους, γρήγορης, ακριβέστατης και πρωτίστως μη επεμβατικής μεθόδου εκτίμησης της επιφανειακής ταχύτητας ενός ποταμού.
Αυτά τα χαρακτηριστικά τυγχάνουν ιδιαίτερης σημασίας δεδομένου ότι μέχρι τώρα, η εκτίμηση της ταχύτητας ενός ποταμού απαιτούσε μετρήσεις πεδίου χρησιμοποιώντας δαπανηρό συμβατικό εξοπλισμό, όπως επιταχυνσιόμετρα ή συσκευές βασιζόμενες σε τεχνολογία Doppler.

Επιπροσθέτως, φυσικά φαινόμενα που έχουν ταχεία εμφάνιση, όπως πλημμυρικά φαινόμενα, είναι δύσκολο να παρακολουθηθούν, σε όλη τους την έκταση με τη χρήση συμβατικού εξοπλισμού. Από την άλλη πλευρά, ένα σύστημα παρακολούθησης βίντεο το οποίο συνοδεύεται με έναν αλγόριθμο εκτίμησης κίνησης μπορεί να επιτρέψει συνεχείς και ακριβείς μετρήσεις της ροής χωρίς να απαιτείται η επιτόπια παρουσία υδρολόγων και η χρήση εξοπλισμού που απαιτεί ανθρώπινο χειρισμό, υπο την προϋπόθεση ύπαρξης πηγής φωτός που θα επιτρέπει την απεικόνιση της σκηνής απο την κάμερα.
Ωστόσο, η ανάπτυξη ενός αλγορίθμου εκτίμησης κίνησης για την περίπτωση ενός ρευστού μπορεί να αποτελέσει ένα δύσκολο έργο, εξαιτίας της δυναμικής φύσης της κίνησης του ρευστού, η οποία καθοδηγείται τόσο απο εσωτερικές όσο και απο εξωτερικές δυνάμεις, όπως ο αέρας και η βαρύτητα. Επιπλέον, κατά την εφαρμογή μεθοδολογιών βασιζόμενων σε επεξεργασία εικόνας σε προβλήματα του πραγματικού κόσμου, όπως είναι και η ανάπτυξη ενός συστήματος παρακολούθησης ποταμών, οι ερευνητές θα πρέπει επίσης να ασχοληθούν με μια σειρά από άλλα καθήκοντα, πέρα απο την επιλογή του κατάλληλου αλγόριθμου εκτίμησης κίνησης. Τα καθήκοντα αυτά εκτείνονται από την επιλογή του εξοπλισμού που θα χρησιμοποιηθεί και την τοπολογική αξιολόγηση της διάταξη παρακολούθησης σε συνδυασμό με τις δυνατότητες εξόρυξης δεδομένων που προσφέρονται, μέχρι και την εύρεση ενός τρόπου διασύνδεσης του 2-Διάστατου χώρου της εικόνας με τον 3-διαστάσεων πραγματικό κόσμο προκειμένου να φτάσει σε μια εκτίμηση της πραγματικής ταχύτητας του ποταμού.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με το πρόβλημα της ανάπτυξης μιας διάταξης παρακολούθησης ροών ποταμών βασιζόμενη σε δεδομένα βίντεο, παρουσιάζοντας και συζητώντας τις μεθοδολογίες που μπορούν να αξιοποιηθούν καθώς το πως εν τέλει αναπτύχθηκαν σε κάθε ενότητα του συστήματος παρακολούθησης, εξαιρώντας όμως, το σχολιασμό και την αξιολόγηση της σχέσης απόδοσης - κόστους για τον εξοπλισμό που χρησιμοποιήθηκε στο πρωτότυπο του συστήματος. Συγκεκριμένα, προτείνουμε την χρήση μιας στερεοσκοπικής διάταξης παρακολούθησης η οποία επιτρέπει την συσχέτιση των διανυσματικών χώρων του πραγματικού κόσμου και του επιπέδου της εικόνας, επιτρέποντας έτσι τη διασύνδεση της 2-Διάστατης ταχύτητας στο επίπεδο της εικόνας και της 3-Διάστατης ταχύτητας του πραγματικού χώρου. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια νέα πιθανοτική μέθοδος εκτίμησης κίνησης βασιζόμενη στα στερεοσκοπικά δεδομένα η οποία αξιολογεί κάθε πιθανή μετατόπιση με βάση τις δύο προβολές της παρακολουθούμενης σκηνής και η οποία εξάγει ένα πυκνό πεδίο κίνησης που αντιπροσωπεύει με ακρίβεια τα μοτίβα κίνησης που υπάρχουν στην επιφάνεια του ποταμού.