تحليل الحركة

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

يُستخدم تحليل الحركة في مجالات رؤية الحاسوب ، ومعالجة الصور ، والتصوير عالي السرعة ، ورؤية الآلة ، حيث يدرس الأساليب والتطبيقات التي تُعالج فيها صورتان متتاليتان أو أكثر من سلسلة صور، مثل تلك الملتقطة بكاميرا فيديو أو كاميرا عالية السرعة ، لاستخلاص معلومات بناءً على الحركة الظاهرة في الصور. في بعض التطبيقات، تكون الكاميرا ثابتة بالنسبة للمشهد وتتحرك الأجسام فيه، وفي تطبيقات أخرى يكون المشهد ثابتًا نسبيًا وتتحرك الكاميرا، وفي حالات أخرى تتحرك كل من الكاميرا والمشهد.

في أبسط حالاتها، تقتصر معالجة تحليل الحركة على اكتشاف الحركة، أي تحديد النقاط التي يتحرك فيها شيء ما في الصورة. أما في الحالات الأكثر تعقيدًا، فتشمل المعالجة تتبع جسم معين في الصورة مع مرور الوقت، أو تجميع النقاط التي تنتمي إلى نفس الجسم الصلب المتحرك في المشهد، أو تحديد مقدار واتجاه حركة كل نقطة في الصورة. غالبًا ما ترتبط المعلومات الناتجة بصورة محددة في التسلسل، تتوافق مع لحظة زمنية معينة، ولكنها تعتمد أيضًا على الصور المجاورة. وهذا يعني أن تحليل الحركة يمكن أن ينتج معلومات متغيرة مع الزمن حول الحركة.

يمكن إيجاد تطبيقات تحليل الحركة في مجالات متنوعة إلى حد ما، مثل المراقبة والطب وصناعة الأفلام وسلامة حوادث السيارات [ 1 ] ودراسات الأسلحة النارية الباليستية [ 2 ] والعلوم البيولوجية [ 3 ] وانتشار اللهب [ 4 ] وتوجيه المركبات ذاتية القيادة على سبيل المثال لا الحصر.

خلفية

مبدأ عمل الكاميرا ذات الثقب الصغير: تمر أشعة الضوء من الجسم عبر ثقب صغير لتكوين صورة.
مجال الحركة الذي يتوافق مع الحركة النسبية لنقطة ثلاثية الأبعاد.

يمكن اعتبار كاميرا الفيديو تقريبًا لكاميرا ذات ثقب صغير ، حيث تُضاء كل نقطة في الصورة بواسطة نقطة (عادةً نقطة واحدة) في المشهد أمام الكاميرا، وذلك عادةً عن طريق الضوء المنعكس من مصدر ضوئي. تُسقط كل نقطة مرئية في المشهد على خط مستقيم يمر عبر فتحة الكاميرا ويتقاطع مع مستوى الصورة. هذا يعني أنه في لحظة معينة، تُشير كل نقطة في الصورة إلى نقطة محددة في المشهد. لهذه النقطة موقع نسبي بالنسبة للكاميرا، وإذا تغير هذا الموقع النسبي، فإنه يُقابل حركة نسبية ثلاثية الأبعاد . وهي حركة نسبية لأنه لا يهم ما إذا كانت النقطة نفسها، أو الكاميرا، أو كلاهما، هي التي تتحرك. فقط عند حدوث تغيير في الموقع النسبي، تستطيع الكاميرا اكتشاف حدوث حركة. بإسقاط الحركة ثلاثية الأبعاد النسبية لجميع النقاط المرئية على الصورة، نحصل على حقل الحركة ، الذي يصف الحركة الظاهرية لكل نقطة في الصورة بدلالة مقدار واتجاه سرعة تلك النقطة في مستوى الصورة. ومن نتائج هذه الملاحظة أنه إذا كانت الحركة ثلاثية الأبعاد النسبية لبعض نقاط المشهد على طول خطوط إسقاطها، فإن الحركة الظاهرية المقابلة لها تساوي صفرًا.

تقيس الكاميرا شدة الضوء عند كل نقطة في الصورة، أي مجال الضوء. عمليًا، تقيس الكاميرا الرقمية هذا المجال عند نقاط منفصلة، ​​تُسمى البكسلات ، ولكن نظرًا لكثافة البكسلات الكافية، يمكن استخدام شدة البكسلات لتمثيل معظم خصائص مجال الضوء الساقط على مستوى الصورة. من الافتراضات الشائعة في تحليل الحركة أن الضوء المنعكس من نقاط المشهد لا يتغير بمرور الوقت. ونتيجة لذلك، إذا لوحظت شدة إضاءة I عند نقطة ما في الصورة، في وقت ما، فسيتم رصد نفس الشدة I عند موضع مُزاح بالنسبة للموضع الأول نتيجة للحركة الظاهرية. وهناك افتراض شائع آخر وهو وجود قدر كبير من التباين في شدة الإضاءة المُكتشفة عبر البكسلات في الصورة. ومن نتائج هذا الافتراض أنه إذا كانت نقطة المشهد التي تُقابل بكسلًا معينًا في الصورة تتحرك حركة ثلاثية الأبعاد نسبية، فمن المرجح أن تتغير شدة إضاءة البكسل بمرور الوقت.

طُرق

كشف الحركة

يُعدّ اكتشاف نقاط الصورة التي تُشير إلى النقاط المتحركة في المشهد أحد أبسط أنواع تحليل الحركة. والنتيجة النموذجية لهذه المعالجة هي صورة ثنائية، حيث تُعيّن جميع نقاط الصورة (البكسلات) التي تُشير إلى النقاط المتحركة في المشهد إلى 1، بينما تُعيّن جميع النقاط الأخرى إلى 0. ثم تُعالج هذه الصورة الثنائية لاحقًا، على سبيل المثال، لإزالة التشويش، وتجميع البكسلات المتجاورة، وتصنيف الكائنات. يُمكن إجراء اكتشاف الحركة باستخدام عدة طرق؛ والمجموعتان الرئيسيتان هما الطرق التفاضلية والطرق القائمة على تجزئة الخلفية.

التطبيقات

تحليل حركة الإنسان

في مجالات الطب والرياضة [ 5 ] والمراقبة بالفيديو والعلاج الطبيعي [ 6 ] وعلم الحركة [ 7 ]، أصبح تحليل حركة الإنسان أداةً بحثية وتشخيصية. راجع قسم التقاط الحركة لمزيد من التفاصيل حول التقنيات. يمكن تقسيم تحليل حركة الإنسان إلى ثلاث فئات: التعرف على النشاط البشري ، وتتبع حركة الإنسان، وتحليل حركة الجسم وأجزائه.

يُستخدم التعرف على النشاط البشري بشكل شائع في المراقبة بالفيديو ، وتحديدًا في رصد الحركة التلقائي لأغراض أمنية. وتعتمد معظم الجهود في هذا المجال على مناهج فضاء الحالة، حيث تُحلل تسلسلات الوضعيات الثابتة إحصائيًا وتُقارن بالحركات المُنمذجة. أما مطابقة القوالب فهي طريقة بديلة تُقارن فيها أنماط الأشكال الثابتة بنماذج أولية موجودة مسبقًا. [ 8 ]

يمكن تتبع حركة الإنسان في بعدين أو ثلاثة أبعاد. وبحسب تعقيد التحليل، تتراوح تمثيلات جسم الإنسان من رسومات تخطيطية بسيطة إلى نماذج ثلاثية الأبعاد. يعتمد التتبع على تطابق خصائص الصورة بين الإطارات المتتالية للفيديو، مع مراعاة معلومات مثل الموقع واللون والشكل والملمس. يمكن إجراء كشف الحواف بمقارنة لون و/أو تباين البكسلات المتجاورة، مع البحث تحديدًا عن الانقطاعات أو التغيرات السريعة. [ 9 ] يُعد التتبع ثلاثي الأبعاد مطابقًا أساسًا للتتبع ثنائي الأبعاد، مع إضافة عامل المعايرة المكانية. [ 8 ]

يُعد تحليل حركة أجزاء الجسم أمرًا بالغ الأهمية في المجال الطبي. ففي تحليل وضعية الجسم والمشي ، تُستخدم زوايا المفاصل لتتبع موقع واتجاه أجزاء الجسم. كما يُستخدم تحليل المشي في الرياضة لتحسين الأداء الرياضي أو لتحديد الحركات التي قد تُسبب الإصابة أو الإجهاد. وتكتسب برامج التتبع التي لا تتطلب استخدام علامات بصرية أهمية خاصة في هذه المجالات، حيث قد يُعيق استخدام العلامات الحركة الطبيعية. [ 8 ] [ 10 ]

تحليل الحركة في التصنيع

يُمكن تطبيق تحليل الحركة أيضًا في عملية التصنيع . [ 11 ] باستخدام كاميرات فيديو عالية السرعة وبرامج تحليل الحركة، يُمكن مراقبة وتحليل خطوط التجميع وآلات الإنتاج للكشف عن أوجه القصور أو الأعطال. كما يستخدم مصنّعو المعدات الرياضية، مثل مضارب البيسبول وعصي الهوكي، تحليل الفيديو عالي السرعة لدراسة تأثير المقذوفات. يتضمن الإعداد التجريبي لهذا النوع من الدراسات عادةً جهاز تشغيل، ومستشعرات خارجية (مثل مقاييس التسارع ومقاييس الإجهاد)، ووحدات جمع البيانات ، وكاميرا عالية السرعة ، وجهاز كمبيوتر لتخزين الفيديو والبيانات المتزامنة. يحسب برنامج تحليل الحركة معايير مثل المسافة والسرعة والتسارع وزوايا التشوه كدوال للزمن. ثم تُستخدم هذه البيانات لتصميم المعدات لتحقيق الأداء الأمثل. [ 12 ]

تطبيقات إضافية لتحليل الحركة

يمكن تطبيق قدرات برامج تحليل الحركة في اكتشاف الأجسام والخصائص لحساب وتتبع الجسيمات، مثل البكتيريا، [ 13 ] [ 14 ] والفيروسات، [ 15 ] و "مركبات البوليمر الأيونية المعدنية"، [ 16 ] [ 17 ] وخرزات البوليسترين ذات الحجم الميكروني ، [ 18 ] وحشرات المن، [ 19 ] والمقذوفات. [ 20 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ مونش، ماري. "توصيف الزجاج الجانبي تحت تأثير الصدمات الرأسية: دراسة تجريبية ورقمية" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 20 ديسمبر 2013. تم الاطلاع عليه في 20 ديسمبر 2013 .
  2. ↑ "تأثيرات الإصابة بالمسدس نتيجة سرعة دوران الرصاصة" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 22 ديسمبر 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 فبراير 2013 .
  3. ↑ أندرسون، كريستوفر ف. (2010). "إسقاط اللسان الباليستي لدى الحرباء يحافظ على الأداء العالي في درجات الحرارة المنخفضة" (ملف PDF) . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 107 (12). قسم علم الأحياء التكاملي، جامعة جنوب فلوريدا، تامبا، فلوريدا 33620، PNAS، 23 مارس 2010، المجلد 107، العدد 12، الصفحات 5495-5499. Bibcode : 2010PNAS..107.5495A . doi : 10.1073 / pnas.0910778107 . PMC 2851764. PMID 20212130. تاريخ الاسترجاع: 2 يونيو 2010 .  
  4. ↑ موغي، توشيو. "الاشتعال الذاتي وانتشار اللهب في نفاثة الهيدروجين عالية الضغط أثناء التفريغ المفاجئ من أنبوب" (ملف PDF) . المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين 34 (2009) 5810-5816 . تاريخ الاسترجاع: 28 أبريل 2009 .
  5. ↑ بايتون، كارل ج. "التقييم البيوميكانيكي للحركة في الرياضة والتمارين" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 8 يناير 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 يناير 2014 .
  6. ↑ "التقاط الحركة بدون علامات + تحليل الحركة | EuMotus" . www.eumotus.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25-03-2018 .
  7. ↑ هيدريك، تايسون ل. (2011). "الأساس المورفولوجي والحركي لضربة طيران الطائر الطنان: قياس نسبة نقل عضلات الطيران" . وقائع العلوم البيولوجية . 279 (1735): 1986-1992 . doi : 10.1098/rspb.2011.2238 . PMC 3311889. PMID 22171086 .  
  8. 1 2 3 أغاروال، جيه كيه وكيو كاي. "تحليل حركة الإنسان: مراجعة." رؤية الحاسوب وفهم الصور 73، العدد 3 (1999): 428-440.
  9. ↑ فان، جيه، إي إيه الكواي، إم إس حاسيد، وإف ليانغ. "خوارزمية جديدة لاستخراج الأجسام المتحركة تعتمد على التتبع." مجلة التصوير الإلكتروني 11، 393 (2002).
  10. ↑ غرين، آر دي، إل غوان، وجيه إيه بيرن. "تحليل الفيديو للمشي لتشخيص اضطرابات الحركة." مجلة التصوير الإلكتروني 9، 16 (2000).
  11. ↑ لونغانا، إم إل. "التصوير بمعدل إجهاد عالٍ وتقنيات بصرية كاملة المجال لتوصيف المواد" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 8 يناير 2014. تم الاطلاع عليه في 22 نوفمبر 2012 .
  12. ↑ ماسي، سي جي. " تحسين الرؤية لأداء الخفافيش " . تصميم أنظمة الرؤية . يونيو 2006
  13. ↑ بوروك، إم جيه، وآخرون (2009). تصميم مضاد لبروتين ربط الفراغ المحيط بالخلية يمنع إغلاق النطاق بناءً على البنية . مجلة ACS للكيمياء الحيوية ، 4، 447-456.
  14. ↑ بوروك، إم جيه، وكولونكو، إي إم، وكيسلينغ، إل إل (2008). تكشف الدراسات الكيميائية لنقل الإشارات البكتيرية أن المواد الطاردة تعمل على تثبيت مصفوفة المستقبلات الكيميائية، بينما تعمل المواد الجاذبة على زعزعتها. مجلة ACS للكيمياء الحيوية ، 3، 101-109.
  15. ↑ شوبوف، أ. وآخرون. "تحسينات في تحليل الصور والمجهر الفلوري للتمييز بين البكتيريا والفيروسات وحصرها في العينات المائية، أو الخلايا، ولتحليل الرذاذ والحطام المتفتت." علم البيئة الميكروبية المائية 22 (2000): 103-110.
  16. ↑ بارك، جيه كيه، ومور، آر بي (2009). تأثير الشكل المنتظم على التنشيط غير المتناحي في أنظمة البوليمر الكهروفعال أحادي المحور. مجلة ACS للمواد والتطبيقات ، 1، 697-702.
  17. ↑ فيليبس، أ.ك.، ومور، ر.ب. (2005). المحركات الأيونية القائمة على أغشية جديدة من بوليمر إيثيلين فينيل الكحول المُسلفن. بوليمر ، 46، 7788-7802.
  18. ↑ نوت، م. (2005). تدريس الحركة البراونية: العروض التوضيحية ولعب الأدوار. مراجعة العلوم المدرسية ، 86، 18-28.
  19. ↑ كاي، س.، وستينكراوس، د.س. (2005). تأثير الإصابة بفطر نيوزيجيتس فريسيني على حركة حشرة المن القطني. سلسلة أبحاث الجمعية الأمريكية لعلوم البيئة 543 ، 245-248. فايتفيل، أركنساس: محطة التجارب الزراعية في أركنساس. متاح على الرابط التالي: http://arkansasagnews.uark.edu/543-43.pdf
  20. ↑ سباركس، سي. وآخرون. "مقارنة والتحقق من صحة تقنيات ديناميكا الموائع الجزيئية الملساء (SPH) وتقنيات أويلر لاغرانج المقترنة (CEL) لنمذجة الكبش الهيدروديناميكي." المؤتمر السادس والأربعون لهياكل AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC وديناميكيات الهياكل والمواد ، أوستن، تكساس، 18-21 أبريل 2005.