專利名稱：跟蹤窗口尺寸自適應調(diào)整的粒子濾波跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視頻目標跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種跟蹤窗口尺寸自適應調(diào)整的粒子濾波跟蹤方法。
背景技術(shù)：
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(chǔ)，有著廣泛的應用，如軍事制導、道路交通監(jiān)控，工業(yè)自動化生產(chǎn)監(jiān)控，客流量統(tǒng)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(nèi)包含目標區(qū)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土 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(shù),選出最大的Bhattacharyya系數(shù)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(shù)的相似性度量常常會在較小的核窗口內(nèi)達到局部最大，所以跟蹤窗口的尺寸很難擴大，經(jīng)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(shù)極坐標的旋轉(zhuǎn)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(jù)連續(xù)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(qū)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(fā)明專利公開了一種調(diào)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(qū)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(diào)整，存在的問題是分割的目標區(qū)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(diào)整窗口，增加了計算量；申請公布號CN102005055A的中國發(fā)明專利公開了一種調(diào)整粒子濾波跟蹤窗口的方法，該方法依據(jù)EM算法計算粒子的協(xié)方差矩陣，再根據(jù)協(xié)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(xiàn)有的跟蹤窗口調(diào)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(shù)問題，有必要提供一種跟蹤窗口尺寸自適應調(diào)整的粒子濾波跟蹤方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種跟蹤窗口尺寸自適應調(diào)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(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案如下一種跟蹤窗口尺寸自適應調(diào)整的粒子濾波跟蹤方法，所述方法包括以下步驟SI、初始化初始化跟蹤窗、粒子集及目標模板；S2、狀態(tài)更新更新粒子集及目標模板；S3、目標狀態(tài)估計計算粒子加權(quán)平均；S4、跟蹤窗口調(diào)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(shù)、累計概率并復制粒子。作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟SI具體為確定目標狀態(tài)矢量、建立目標狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程；初始化目標跟蹤窗根據(jù)目標大小，確定初始跟蹤窗口的長hx和寬hy ;初始化粒子狀態(tài)根據(jù)目標的初始窗口的大小和位置，利用高斯分布產(chǎn)生k_l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(shù)，;^ t表示粒子狀
k—\
態(tài)^表示粒子權(quán)值，初始化權(quán)值h i = Μ# ;根據(jù)初始化粒子集計算粒子到粒子集中心的
平均距離Cllri ；初始化目標特征模板根據(jù)初始化目標跟蹤窗口，提取目標特征模板q = [q1，…，q'..，qW]，其中W是目標特征個數(shù)。作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S2具體為粒子狀態(tài)預測根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程預測k時刻粒子集二 .
5粒子權(quán)值更新計算每個粒子的似然函數(shù)值，計算每個粒子的權(quán)值\并歸一化權(quán)值叼作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S3具體為用粒子加權(quán)平均近似目標狀態(tài)Xk。作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S4具體為計算權(quán)值較大粒子到粒子集中心的平均距離d ；計算跟蹤窗口的長和寬 其中Cllri和dk分別為前一幀和當前幀粒子到粒子集中心的平均距離，Af、辦f和
4Km' 分別為前一幀和當前幀跟蹤窗口的長和寬。作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S5具體為計算有效粒子數(shù)H ，當Neff小于或等于設(shè)定門限NTh時，實施重采
i=l V J
樣；計算累計概丨坷，選取均勻分布的隨機數(shù)r R(0，I)，找到一個使得
/=O
CP >r最小的j，復制粒子對3 ^本發(fā)明根據(jù)粒子權(quán)重值及粒子位置信息推算目標尺寸的變化，并根據(jù)推算的目標尺寸改變跟蹤窗口，因此不會增加額外的計算量，具有更好地實時性好。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明跟蹤窗口尺寸自適應調(diào)整的粒子濾波跟蹤方法的流程示意圖；圖2 (a)和圖2 (b)為本發(fā)明目標大小變化后粒子的分布示意圖；圖3為本發(fā)明一實施方式中采用跟蹤窗口尺寸自適應調(diào)整的粒子濾波跟蹤方法進行跟蹤的效果圖。
具體實施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發(fā)明保護的范圍。參考圖I所示，本發(fā)明的一種跟蹤窗口尺寸自適應調(diào)整的粒子濾波跟蹤方法，是對視頻圖像中初始狀態(tài)已知的運動目標T依據(jù)下列步驟進行跟蹤SI、初始化S1-1、確定運動目標狀態(tài)矢量目標T的狀態(tài)矢量記為XU’y’x' ,j'，hx，hy)，其中χ和y分別為目標中心坐標，X'和太分別為目標中心在X和y方向的速度，分別為矩形跟蹤窗的長和寬。S1-2、建立目標狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程
權(quán)利要求
1.一種跟蹤窗口尺寸自適應調(diào)整的粒子濾波跟蹤方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 51、初始化初始化跟蹤窗、粒子集及目標模板； 52、狀態(tài)更新更新粒子集及目標模板； 53、目標狀態(tài)估計計算粒子加權(quán)平均； 54、跟蹤窗口調(diào)整計算粒子到粒子集中心的平均距離、跟蹤窗口的長和寬； 55、重采樣計算有效粒子數(shù)、累計概率并復制粒子。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟SI具體為 確定目標狀態(tài)矢量、建立目標狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程； 初始化目標跟蹤窗根據(jù)目標大小，確定初始跟蹤窗口的長hx和寬hy ； 初始化粒子狀態(tài)根據(jù)目標的初始窗口的大小和位置，利用高斯分布產(chǎn)生k-Ι時刻初始化粒子集5其中，i表示粒子的序號，N表示粒子總數(shù),X丨—丨表示粒子狀態(tài)， 表示粒子權(quán)值，初始化權(quán)值14I-I =1/1;根據(jù)初始化粒子集計算粒子到粒子集中心的平均距離cIh ； 初始化目標特征模板根據(jù)初始化目標跟蹤窗口，提取目標特征模板q = [q1，…，q'··，qW]，其中W是目標特征個數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S2具體為 粒子狀態(tài)預測根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程預測k時刻粒子集. 粒子權(quán)值更新計算每個粒子的似然函數(shù)值，計算每個粒子的權(quán)值\并歸一化權(quán)值
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S3具體為 用粒子加權(quán)平均近似目標狀態(tài)Xk。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S4具體為 計算權(quán)值較大粒子到粒子集中心的平均距離d ； 計算跟蹤窗口的長和寬
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S5具體為 計算有效粒子數(shù)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種跟蹤窗口尺寸自適應調(diào)整的粒子濾波跟蹤方法，主要解決粒子濾波跟蹤窗口實時自適應調(diào)整問題。窗口調(diào)整方法是在粒子濾波跟蹤框架下，首先建立運動目標的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，初始化目標狀態(tài)；然后運用狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程預測下一時刻的粒子集，計算粒子的似然函數(shù)值并根據(jù)其值更新粒子的權(quán)值，計算大權(quán)值粒子到粒子集中心的平均距離d；最后讓窗口的尺寸隨d值線性變化，從而實現(xiàn)跟蹤窗口的自適應調(diào)整。該方法用很小的計算量實現(xiàn)粒子濾波跟蹤窗口的調(diào)整。與同類方法相比，具有計算簡單、跟蹤速度快的優(yōu)勢。
文檔編號G06T7/20GK102930557SQ20121039235
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者趙勛杰, 彭青艷 申請人:蘇州大學