[發(fā)明專利]基于空間約束自適應(yīng)尺度的核相關(guān)濾波水下目標(biāo)跟蹤方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910728803.1
• 申請日: 2019-08-08
• 公開（公告）號: CN110533689A
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王慧斌;夏穎;沈潔;陳哲
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號: G06T7/246
• 分類號: G06T7/246;G06T7/73
• 代理公司: 32204 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 孟紅梅<國際申請>=<國際公布>=<進(jìn)入

1.一種基于空間約束自適應(yīng)尺度的核相關(guān)濾波水下目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于：包括如下步驟：

(1)讀取第一幀水下視頻圖像，確定水下目標(biāo)跟蹤區(qū)域并提取目標(biāo)跟蹤區(qū)域的FHOG特征；其中結(jié)合核相關(guān)濾波檢測模型和水下目標(biāo)快速運(yùn)動及尺度變化的特性，將擴(kuò)展搜索窗口由1.5倍擴(kuò)大至3倍；

(2)構(gòu)造一個包含空間約束項的核相關(guān)濾波器模板，并利用增廣拉格朗日乘子法和ADMM對核相關(guān)濾波器進(jìn)行優(yōu)化求解；

(3)在新的輸入幀中，利用包含七個尺度因子的尺度池進(jìn)行水下目標(biāo)自適應(yīng)尺度估計，找出其中最大的響應(yīng)值所對應(yīng)的尺度作為最佳尺度，所對應(yīng)的位置為當(dāng)前幀水下目標(biāo)預(yù)測位置。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間約束自適應(yīng)尺度的核相關(guān)濾波水下目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于：所述步驟(1)中的水下目標(biāo)檢測區(qū)域包含固定跟蹤矩形窗口和一個padding＝3的擴(kuò)展搜索窗口，即核相關(guān)濾波器的基準(zhǔn)樣本是包含水下目標(biāo)的與擴(kuò)展搜索窗口大小一致的水下目標(biāo)圖像塊。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間約束自適應(yīng)尺度的核相關(guān)濾波水下目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于：所述步驟(2)中構(gòu)造一個包含空間約束項的核相關(guān)濾波器的方法為：水下跟蹤目標(biāo)在空間域中的嶺回歸響應(yīng)表示為：

其中，h表示核相關(guān)濾波器模板，x表示訓(xùn)練樣本，y表示回歸標(biāo)簽，K表示水下跟蹤目標(biāo)提取的特征向量通道數(shù)，λ表示一個用來防止過擬合的正則化參數(shù)；

假設(shè)存在一個基準(zhǔn)樣本X，首先將X的大小由D擴(kuò)大到T，將這個大樣本作為基準(zhǔn)樣本通過循環(huán)移位生成訓(xùn)練樣本集；然后用一個二值矩陣P代替T中間大小為D的部分；構(gòu)造一個作為空間約束項，包含約束項的水下目標(biāo)頻域響應(yīng)表示為：

其中，∧表示DFT運(yùn)算，表示克羅內(nèi)克積運(yùn)算，F(xiàn)是T×T大小的正交傅里葉變換矩陣，P是一個二值矩陣(其中PP^T＝I)，組合起來得到一個新的濾波器模板新的濾波器模板g經(jīng)過DFT后可以表示為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于空間約束自適應(yīng)尺度的核相關(guān)濾波水下目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于：所述步驟(2)中采用增廣拉格朗日乘子法對核相關(guān)濾波器進(jìn)行優(yōu)化求解，將空間約束項和原始濾波器模板h放到拉格朗日優(yōu)化函數(shù)里，優(yōu)化函數(shù)可以寫成如下形式：

其中，表示經(jīng)過DFT運(yùn)算的迭代向量，μ表示迭代因子。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于空間約束自適應(yīng)尺度的核相關(guān)濾波水下目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于：所述步驟(2)中采用ADMM進(jìn)行迭代求解，把一個大優(yōu)化問題分成分布式同時求解的多個子問題，通過迭代子問題可以快速獲得包含空間約束項的新濾波器g的近似解。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間約束自適應(yīng)尺度的核相關(guān)濾波水下目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于：所述步驟(3)中包含七個尺度因子的尺度池為：

PoolS＝(0.8,0.9,0.95,1.0,1.05,1.1,1.2)

利用尺度池進(jìn)行水下目標(biāo)自適應(yīng)尺度估計和水下目標(biāo)位置預(yù)測的步驟如下：

(3.1)將與擴(kuò)展搜索窗口大小一致的水下目標(biāo)圖像塊依次按照七個尺度因子進(jìn)行縮放得到包含7個元素的水下目標(biāo)圖像塊序列；

(3.2)通過雙線性插值尺度縮放函數(shù)將水下目標(biāo)圖像塊序列調(diào)整為固定尺寸，得到包含七個元素的水下目標(biāo)序列；

(3.3)將水下目標(biāo)序列中的元素分別與基準(zhǔn)樣本循環(huán)移位構(gòu)造的訓(xùn)練樣本進(jìn)行核相關(guān)運(yùn)算，經(jīng)過核相關(guān)濾波器得到對應(yīng)的七個響應(yīng)矩陣，找出其中最大的響應(yīng)值所對應(yīng)的尺度作為最佳尺度，計算出當(dāng)前幀水下目標(biāo)的最佳尺寸和預(yù)測位置。