基于視覺運動目標跟蹤技術分析

陳 曦,殷華博

(1.石家莊鐵路運輸學校,河北石家莊050081;2.河北遠東哈里斯通信有限公司,河北石家莊050081)

0 引言

計算機視覺是人工智能的一個重要分支,其研究目的就是用計算機代替人對環境和景物進行感知、解釋和理解。計算機視覺的研究融合了圖像處理、模式識別、人工智能和自動控制等多方面的知識。

基于視覺的目標跟蹤技術在許多方面都有著廣泛的應用。因此研究基于視覺的運動目標的檢測和跟蹤具有很重要的現實意義和應用價值。

視覺分析一般步驟包括視覺檢測(Visual Detection)、視覺跟蹤(Visual Tracking)和視覺理解(Visual Understanding)[1]。

1 運動目標跟蹤

運動目標的跟蹤,即通過目標的有效表達,在圖像序列中尋找與目標模板最相似候選目標區位置的過程。簡單來說就是在序列圖像中為目標定位。

1.1 運動目標的有效表達

除了對運動目標建模外,目標跟蹤中常用到的目標特性表達主要包括視覺特征(圖像邊緣、輪廓、形狀、紋理、區域)、統計特征(直方圖、各種矩特征)、變換系數特征(傅里葉描繪子、自回歸模型)和代數特征(圖像矩陣的奇異值分解)等[2]。除了使用單一特征外,也可通過融合多個特征來提高跟蹤的可靠性。

1.2 相似性度量算法

對運動目標進行特性提取之后,需要采用一定的相似性度量算法與幀圖像進行匹配,從而實現目標跟蹤。圖像處理與分析理論中,常見的相似性度量方法有歐氏距離、街區距離、棋盤距離、加權距離、巴特查理亞系數和Hausdorff距離等,其中應用最多和最簡單的是歐氏距離。

1.3 搜索算法

目標跟蹤過程中,直接對場景中的所有內容進行匹配計算,尋找最佳匹配位置,需要處理大量的冗余信息,這樣運算量比較大,而且沒有必要。采用一定的搜索算法對未來時刻目標的位置狀態進行估計假設,縮小目標搜索范圍便具有了非常重要的意義。其中一類比較常用的方法是預測運動體下一幀可能出現的位置,在其相關區域內尋找最優點。常見的預測算法有Kalman濾波、擴展的Kalman濾波和粒子濾波方法等。

Kalman濾波器是一個對動態系統的狀態序列進行線性最小方差估計的算法。它通過狀態方程和觀測方程來描述一個動態系統,基于系統以前的狀態序列對下一個狀態作最優估計,預測時具有無偏、穩定和最優的特點,且具有計算量小、可實時計算的特點,可以準確地預測目標的位置和速度,但其只適合于線性且呈高斯分布的系統。相對于卡爾曼濾波算法,粒子濾波器特別適用于非線性和非高斯系統。粒子濾波算法是一種基于蒙特卡洛和貝葉斯估計理論的最優算法,以遞歸的方式對測量數據進行序貫處理,因而無需對以前的測量數據進行存儲和再處理,節省了大量的存儲空間。在跟蹤多形式的目標以及在非線性運動和測量模型中,粒子濾波器具有極好的魯棒性。

另一類減小搜索范圍的算法是優化搜索方向。均值漂移算法(Meanshift)、連續自適應均值漂移算法(Camshift)和置信區域算法都是利用無參估計的方法優化目標模板和候選目標距離的迭代收斂過程,以達到縮小搜索范圍的目的。Meanshift算法是利用梯度優化方法實現快速目標定位能夠對非剛性目標實時跟蹤,適合于非線性運動目標的跟蹤,對目標的變形和旋轉等運動有較好的適用性。但是Meanshift算法在目標跟蹤過程中沒有利用目標在空間中的運動方向和運動速度信息,當周圍環境存在干擾時(如光線、遮擋),容易丟失目標。Camshift算法是在Meanshift算法的基礎上進行了一定的擴展,結合目標色彩信息形成的一種改進的均值漂移算法。由于目標圖像的直方圖記錄的是顏色出現的概率,這種方法不受目標形狀變化的影響,可以有效地解決目標變形和部分遮擋的問題,且運算效率較高,但該算法在開始前需要由人工指定跟蹤目標。

2 視覺跟蹤算法的分類

視覺跟蹤簡單地說就是估計一個對象的運動軌跡。另外,一個跟蹤系統還可以獲得被跟蹤對象的一些信息:對象的運動方向、速度、加速度和位置,從而為進一步處理與分析,實現對運動對象的行為理解完成更高一級的任務做準備。

一個理想的視覺跟蹤算法應具有以下特性:

①快捷性:視覺跟蹤算法應該能夠有效地跟蹤運動目標,同時對場景的突然變化做出反應,這是視覺跟蹤算法的根本目的;

②魯棒性:魯棒性意味著可用性。被跟蹤對象從3-D投影到2-D時會造成信息損失、圖像中的噪聲、物體運動的復雜、物體的非剛性或關節的本質、部分和全部遮擋造成的信息暫時消失、物體姿態的復雜性、場景的光照變化等,客戶希望在這些復雜環境和情況下可以隨時應用視覺跟蹤算法;

③透明性:視覺跟蹤算法對客戶應是透明的,客戶得到的結果僅僅是快速的響應和良好的可用性;

④高效性:視覺跟蹤算法帶來的運算開銷越小越好;

⑤穩定性:視覺跟蹤算法不應給后續的運動識別帶來不穩定因素;

⑥簡單性:視覺跟蹤算法越容易實現則越容易被普遍接受,一個理想的視覺跟蹤配置應簡單易行。

通常,為了更快地運行視覺跟蹤算法,減少對資源的需求,視覺跟蹤算法應該設計得更簡單;為了實行更準確的跟蹤目標,視覺跟蹤算法又往往但要設計得很復雜。

視覺跟蹤的數學解決方法有自底向上和自頂向下2類。自底向上方法通常是通過分析圖像內容來重建目標狀態,如重建參數化的形狀。這種方法在計算量上是有效的,但它的健壯性很大程度依賴于對圖像的分析能力。自頂向下方法產生和估計一系列基于目標模型的狀態假設,通過估計和校正這些圖像觀測的假設來實現跟蹤,它通常有4個組成成分:目標表示、觀測表示、假設的產生和假設的估計這種方法的健壯性較少依賴于對圖像的分析,這是因為目標假設作為分析圖像的限制條件;但是它的性能很大程度是由產生和校正這些假設的方法來決定的,為了獲得健壯的跟蹤效果,需要很多目標假設,而對這些假設進行估計又需要大量的計算。其中后者是目前視覺跟蹤的主流方法,但將這2種數學方法結合起來有助于提高跟蹤算法的健壯性又可以減少計算量。

視覺跟蹤算法之間的差別一般有以下幾方面[3]:

①跟蹤對象的表示;

②跟蹤對象的外表、運動和形狀的表示;

③圖像特征的選擇。

傳統的跟蹤對象可以表示成點、原始的幾何形狀(如矩形、橢圓形等)、對象的輪廓和投影、骨架模型、關節狀模型等[3]。

視覺跟蹤算法一般分成基于主動輪廓的跟蹤算法(Active Contour-based Tracking Algorithm)、基于特征的跟蹤算法(Feature-based Tracking Algorithm)、基于區域的跟蹤算法(Region-based Tracking Algorithm)和基于模型的跟蹤算法(Model-basedTracking Algorithm)[4]。

2.1 基于主動輪廓的跟蹤

Kass等人提出的主動輪廓模型,即Snake模型,是在圖像域內定義的可變形曲線,通過對其能量函數的最小化,動態輪廓逐步調整自身形狀與目標輪廓相一致,該可變形曲線又稱為Snake曲線。Snake技術可以處理任意形狀物體的任意形變,首先將分割得到的物體邊界作為跟蹤的初始模板,然后確定表征物體真實邊界的目標函數,并通過降低目標函數值,使初始輪廓逐漸向物體的真實邊界移動。

基于主動輪廓跟蹤的優點是不但考慮來自圖像的灰度信息,而且考慮整體輪廓的幾何信息,增強了跟蹤的可靠性。由于跟蹤過程實際上是解的尋優過程,帶來的計算量比較大而且由于Snake模型的盲目性,對于快速運動的物體或者形變較大的情況,跟蹤效果不夠理想[5]。

2.2 基于特征的跟蹤

基于特征匹配的跟蹤方法不考慮運動目標的整體特征,只通過目標圖像的一些顯著特征來進行跟蹤。假定運動目標可以由惟一的特征集合表達,搜索到該相應的特征集合就認為跟蹤上了運動目標。除了用單一的特征來實現跟蹤外,還可以采用多個特征信息融合在一起作為跟蹤特征。基于特征的跟蹤主要包括特征提取和特征匹配2個方面。

①特征提取是指從景物的原始圖像中提取圖像的描繪特征,理想的圖像特征應具備的特點是:特征應具有直觀意義,符合人們的視覺特性;特征應具備較好的分類能力,能夠區分不同的圖像內容;特征計算應該相對簡單,以便于快速識別;特征應具備圖像平移、旋轉和尺度變化等不變性。目標跟蹤中常用的運動目標的特征主要包括顏色、紋理、邊緣、塊特征、光流特征、周長、面積、質心和角點等。提取對尺度伸縮、形變和亮度變化不敏感的有效特征至今仍是圖像處理研究領域中一個比較活躍的方面;

②特征匹配提取的目的是進行幀間目標特征的匹配,并以最優匹配來跟蹤目標。常見的基于特征匹配的跟蹤算法[6]有基于二值化目標圖像匹配的跟蹤、基于邊緣特征匹配或角點特征匹配的跟蹤、基于目標灰度特征匹配的跟蹤和基于目標顏色特征匹配的跟蹤等。基于特征的跟蹤算法的優點在于對運動目標的尺度、形變和亮度等變化不敏感,即使目標的某一部分被遮擋,只要還有一部分特征可以被看到,就可以完成跟蹤任務;另外,這種方法與Kalman濾波器聯合使用,也具有很好的跟蹤效果。但是其對于圖像模糊和噪聲等比較敏感,圖像特征的提取效果也依賴于各種提取算子及其參數的設置,此外,連續幀間的特征對應關系也較難確定,尤其是當每一幀圖像的特征數目不一致、存在漏檢、特征增加或減少等情況;

2.3 基于區域的跟蹤

基于區域的跟蹤算法基本思想是:得到包含目標的模板,該模板可通過圖像分割獲得或預先人為確定,模板通常為略大于目標的矩形,也可為不規則形狀;在序列圖像中,運用相關算法跟蹤目標。這種算法的優點在于當目標未被遮擋時,跟蹤精度非常高、跟蹤非常穩定。但其缺點首先是費時,當搜索區域較大時情況尤其嚴重;其次,算法要求目標變形不大,且不能有太大遮擋,否則相關精度下降會造成目標的丟失。近年來,對基于區域的跟蹤方法關注較多的是如何處理模板變化時的情況,這種變化是由運動目標姿態變化引起的,如果能正確預測目標的姿態變化,則可實現穩定跟蹤。

2.4 基于模型的跟蹤

基于模型的跟蹤是通過一定的先驗知識對所跟蹤目標建立模型,然后通過匹配跟蹤目標進行模型的實時更新。對于剛體目標來說,其運動狀態變換主要是平移和旋轉等,可以利用該方法實現目標跟蹤。但是實際應用中跟蹤的不僅僅是剛體,還有一大部分是非剛體,目標確切的幾何模型不容易得到。

這種方法不易受觀測視角的影響,具有較強的魯棒性,模型匹配跟蹤精度高,適合于機動目標的各種運動變化,抗干擾能力強,但由于計算分析復雜、運算速度慢,模型的更新較為復雜,實時性較差。準確建立運動模型是模型匹配能否成功的關鍵。

3 需要進一步研究的問題

盡管視覺跟蹤技術在近幾年已經取得了很大的研究進展,但是仍然有許多問題和難點需要解決:

①針對人的感知特性,如何建立一個感知特性的數學模型。因為視覺跟蹤的過程與人的感知特性緊密聯系,它又是很多問題的基礎。比如建立適當的視覺注意機制、發現輔助物的數量和可靠性的關系、如何快速發現輔助物、在短時間內發現更多的輔助物、在更長的時間內發現少而更可靠的輔助物等,這就需要以后對這個問題作深入的研究,進行統計建模;

②針對多線索的融合,如何建立一個多線索融合的模型,尤其是多線索之間的同步和每個線索的異步更新。如在視覺跟蹤中,通過顏色分布、運動軌跡預測、被跟蹤對象輪廓和輔助物等多線索實現跟蹤;在多人視覺跟蹤中,可以引入音頻跟蹤技術,提高定位的準確性,解決一定程度的遮擋問題;

③針對視覺跟蹤方法的性能,如何建立一個多種視覺跟蹤方法相互配合的跟蹤系統,提高整體性能。因為不同的方法在計算成本和結果的準確性方面有不同的性能特點,對計算成本過高的方法對其復雜性進行研究,構造快速算法;另外,鑒于純數學的算法通常要較長的計算時間,因此應用人工智能技術,采用專家系統,降低對尋優精度的要求,從而提高速度,也是一種現實的途徑;

④針對2-D和3-D跟蹤算法的融合,如何決定使用2-D跟蹤算法和3-D跟蹤算法的時間。當跟蹤算法從2-D轉到3-D時,如何根據2-D跟蹤算法的跟蹤結果來初始化3-D跟蹤算法的姿態參數。因為2-D跟蹤算法和3-D跟蹤算法各有優缺點;

⑤全方位視覺。因為能搜集到360°的場景信息,成本也越來越低而逐漸得到人們的重視,但需要解決全方位視覺鏡頭造成的圖像扭曲和圖像細節丟失等情況。

4 結束語

向用戶提供快捷、穩定、準確和低成本的跟蹤結果是視覺跟蹤系統追求的目標,也是視覺跟蹤取得成功的關鍵。文中介紹了視覺跟蹤算法的研究現狀,包括視覺跟蹤算法的分類、常有數學方法,討論了遮擋問題和輔助物的利用等。但是因為被跟蹤對象周圍環境的多樣性和復雜性,使得視覺跟蹤技術仍然有很多需要解決的問題擺在研究者面前。

[1]WANG Liang,HU Wei-ming,TAN Tie-niu.Recent Developments in Human Motion Analysis[J].Pattern Recognition,2003,36(3):585-601.

[2]KOR NPROBST P,DERICHE R.Image Sequence Analysis via Partial Difference Equations[J].Mathematical Imaging and Vision,1999,11(1):5-26.

[3]YIL MAZ P,JAVED O,SHAH M.Object Tracking:a Survey[J].ACM Computing Surveys(CSUR),2006,38(4):1-45.

[4]HU Wei-ming,TAN Tie-niu,WANG Liang,et al.A Survey on Visual Surveillance of Objec Tmotion and Behaviors[J].IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics,Part C:Applications and Reviews,2004,34(3):334-352.

[5]王素玉,沈藍蓀.智能視覺監控技術研究進展[J].中國圖象圖形學報,2007,12(9):1505-1514.

[6]STAUFFER C,GRIMSONW E L.Learning Patterns of Activity Usingreal-time Tracking[J].IEEE Trans on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2000,22(8):747-757.