[發明專利]跟蹤窗口尺寸自適應調整的粒子濾波跟蹤方法

有效

• 申請號: 201210392356.5
• 申請日: 2012-10-16
• 公開（公告）號: CN102930557B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發明（設計）人: 趙勛杰;彭青艷
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G06T7/20
• 分類號: G06T7/20
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本發明涉及視頻目標跟蹤技術領域，特別是涉及一種跟蹤窗口尺寸自適應調整的粒子濾波跟蹤方法。

背景技術

目標跟蹤問題是機器視覺研究中的一個重要分支，是高級機器視覺研究的基礎，有著廣泛的應用，如軍事制導、道路交通監控，工業自動化生產監控，客流量統計等。在人們提出的諸多跟蹤算法中，基于粒子濾波和Mean-Shift算法是研究的熱點。

在粒子濾波目標跟蹤算法中，目標跟蹤窗口是由跟蹤目標的初始大小決定的，在整個跟蹤過程中，跟蹤窗口的大小保持不變。然而，當運動目標尺寸越來越小時，如果跟蹤窗口固定不變，則在跟蹤窗口內包含目標區域的同時混入了一些背景噪聲，最終導致運動目標跟蹤不準確。當運動目標尺寸越來越大時，大到超出跟蹤窗口的范圍，固定不變的窗口常常會導致運動目標的跟蹤失敗。

近幾年，針對基于Mean-Shift的跟蹤算法人們提出了一些改變核窗口大小的算法：

一種±10%增量的核窗口修正方法，該方法需要分別計算當前幀中原始核窗口以及±10%核窗口的Bhattacharyya系數，選出最大的Bhattacharyya系數所對應的窗口為最佳核窗寬。當目標尺寸變小時，該方法可以得到比較好的跟蹤效果，但當目標尺寸變大時，由于Bhattacharyya系數的相似性度量常常會在較小的核窗口內達到局部最大，所以跟蹤窗口的尺寸很難擴大，經常是越來越小；

一種先進行空間定位再確定目標尺度的跟蹤算法，該方法利用對數極坐標的旋轉和尺度不變性來映射模板目標和候選目標確定目標的尺度和方向，但是這兩者的中心必須對齊，否則得不到目標的尺度和方向；

核窗寬根據連續幀中運動目標的仿射模型的伸縮幅值進行更新，但是該方法需要對每一幀圖像進行邊緣角點特征檢測，比較耗費時間，而且不適用于非剛性的物體；

一種基于不變矩的方法，但是這種方法計算時特別耗費時間，大大影響了Mean-Shift跟蹤的實時性。針對粒子濾波跟蹤窗口自適應改變問題的研究卻很少；

一種粒子濾波跟蹤自適應改變跟蹤窗口的方法。該方法采用一種較復雜的計算方法計算目標區域所含的信息量并以此來判斷目標的尺寸變化；

申請公布號CN102184554A的中國發明專利公開了一種調整粒子濾波跟蹤窗口的方法，該方法采用Otsu閾值法對目標區域進行分割，通過對分割標記圖進行計算，得到目標尺度觀測值，進而采用卡爾曼濾波方法對跟蹤窗進行自適應調整，存在的問題是：分割的目標區域的尺寸受噪聲影響較大，因此以它作為觀測值誤差較大，且由于采用了卡爾曼濾波方法調整窗口，增加了計算量；

申請公布號CN102005055A的中國發明專利公開了一種調整粒子濾波跟蹤窗口的方法，該方法依據EM算法計算粒子的協方差矩陣，再根據協方差矩陣計算粒子集的全局核窗寬，均增加了額外的計算，給原本計算量大的粒子濾波算法增加了計算量，影響算法的跟蹤速度。

現有的跟蹤窗口調整方法，需要較復雜的計算，因此影響跟蹤速度。針對上述技術問題，有必要提供一種跟蹤窗口尺寸自適應調整的粒子濾波跟蹤方法。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種跟蹤窗口尺寸自適應調整的粒子濾波跟蹤方法，其可實時地改變跟蹤窗口。

為了實現上述目的，本發明實施例提供的技術方案如下：

一種跟蹤窗口尺寸自適應調整的粒子濾波跟蹤方法，所述方法包括以下步驟：

S1、初始化：初始化跟蹤窗、粒子集及目標模板；

S2、狀態更新：更新粒子集及目標模板；

S3、目標狀態估計：計算粒子加權平均；

S4、跟蹤窗口調整：計算粒子到粒子集中心的平均距離、跟蹤窗口的長和寬；

S5、重采樣：計算有效粒子數、累計概率并復制粒子。

作為本發明的進一步改進，所述步驟S1具體為：

確定目標狀態矢量、建立目標狀態轉移方程；

初始化目標跟蹤窗：根據目標大小，確定初始跟蹤窗口的長h_x和寬h_y；

初始化粒子狀態：根據目標的初始窗口的大小和位置，利用高斯分布產生k-1時刻初始化粒子集其中，i表示粒子的序號，N表示粒子總數，表示粒子狀態，表示粒子權值，初始化權值根據初始化粒子集計算粒子到粒子集中心的平均距離d_k-1；

初始化目標特征模板：根據初始化目標跟蹤窗口，提取目標特征模板q＝[q¹,…,q^w…,q^W],其中W是目標特征個數。