改進(jìn)Camshift算法的多行人目標(biāo)跟蹤方法

陳 藝

改進(jìn)Camshift算法的多行人目標(biāo)跟蹤方法

陳 藝

（四川文理學(xué)院，四川 達(dá)州 635000）

針對(duì)基于顏色特征的目標(biāo)跟蹤方法在跟蹤多個(gè)行人目標(biāo)時(shí)，易受衣服顏色相近的行人影響，造成行人目標(biāo)跟蹤發(fā)生錯(cuò)誤的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)Camshift算法的多行人目標(biāo)跟蹤方法：為克服單一顏色特征作為目標(biāo)模型易造成目標(biāo)丟失的不足，按一定的權(quán)值系數(shù)融合目標(biāo)的顏色特征和HOG特征來(lái)建立目標(biāo)模型；并分別對(duì)多個(gè)行人目標(biāo)建立目標(biāo)模型，將傳統(tǒng)的Camshift算法的單目標(biāo)跟蹤擴(kuò)展成多目標(biāo)跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法相比于傳統(tǒng)Camshift算法更具魯棒性，跟蹤準(zhǔn)確率可提升5.3 %，相比于粒子濾波算法，實(shí)時(shí)性能夠提升30.23 %。

Camshift算法；顏色特征；多目標(biāo)跟蹤：融合系數(shù)

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，視頻幀序列中目標(biāo)的跟蹤問(wèn)題[1-2]已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。在智能交通、電子監(jiān)控系統(tǒng)、流量監(jiān)控等領(lǐng)域有著重要的實(shí)用價(jià)值與廣闊的應(yīng)用前景。

目標(biāo)跟蹤[3]指的是在視頻幀序列的每一幀圖像中找到感興趣目標(biāo)的位置。實(shí)用的目標(biāo)跟蹤算法不僅要求能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地跟蹤目標(biāo)，而且要求在光照變化、目標(biāo)相似等復(fù)雜的背景下也能有較強(qiáng)的抗干擾能力。

目標(biāo)跟蹤算法一般分確定性和隨機(jī)性目標(biāo)跟蹤算法2種[4-6]。前者是通過(guò)重復(fù)反饋來(lái)逼近所需的目標(biāo)，此目標(biāo)作為下一幀的初始值，如連續(xù)的自適應(yīng)均值漂移（continuously adaptive mean-shift, Camshift）算法[7]具有跟蹤速度快、自適應(yīng)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)和尺寸的變化等優(yōu)勢(shì)；后者是通過(guò)計(jì)算離散樣本的狀態(tài)與目標(biāo)數(shù)學(xué)模型的相似度來(lái)找到候選目標(biāo)，如粒子濾波[8-10]（partice filter, PF）算法，其利用高斯分布的粒子群對(duì)圖像中每一個(gè)粒子所處區(qū)域計(jì)算概率密度函數(shù)進(jìn)行近似，再計(jì)算與目標(biāo)數(shù)學(xué)模型的匹配度，最終確定候選目標(biāo)。文獻(xiàn)[11]采用Camshift算法進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，對(duì)跟蹤目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)與形狀變化有著較強(qiáng)的魯棒性。但由于單一顏色特征易受到環(huán)境的影響，因此在光照變化及相似目標(biāo)的復(fù)雜背景中容易發(fā)生目標(biāo)丟失的情況，跟蹤效果不理想。文獻(xiàn)[12]提出基于混合高斯和稀疏光流的多目標(biāo)跟蹤算法，實(shí)時(shí)性好，對(duì)光照和噪聲有較強(qiáng)的魯棒性；但目標(biāo)個(gè)數(shù)過(guò)多和目標(biāo)較為相似的情況下，跟蹤效果不理想。文獻(xiàn)[13]提出將目標(biāo)的顏色直方圖作為粒子濾波的狀態(tài)量，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜背景下的彩色圖像的單目標(biāo)跟蹤，魯棒性較強(qiáng)；但由于粒子數(shù)多，計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性較差，且無(wú)法跟蹤多個(gè)目標(biāo)。文獻(xiàn)[14]基于卡爾曼（Kalman）濾波的行人跟蹤可通過(guò)狀態(tài)方程預(yù)測(cè)行人目標(biāo)下一刻大概率所處的位置，加快對(duì)行人目標(biāo)的定位；但是卡爾曼濾波適用于線性系統(tǒng)，局限性較大。

針對(duì)上述問(wèn)題，尤其是背景中出現(xiàn)衣服顏色相近的行人干擾以及光照強(qiáng)度變化等問(wèn)題，本文提出一種改進(jìn)Camshift算法的多行人目標(biāo)跟蹤方法。首先，按一定的權(quán)值系數(shù)融合目標(biāo)的顏色特征和方向梯度直方圖（histogram of oriented gradient, HOG）特征來(lái)建立目標(biāo)模型，以保障算法實(shí)時(shí)性同時(shí)提高算法的魯棒性；其次，分別對(duì)多個(gè)行人目標(biāo)建立目標(biāo)模型，將傳統(tǒng)的Camshift算法的單目標(biāo)跟蹤擴(kuò)展成多目標(biāo)跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)多行人目標(biāo)的有效跟蹤。

1 傳統(tǒng)Camshift算法

Camshift利用目標(biāo)的顏色直方圖模型將圖像轉(zhuǎn)換為顏色概率分布圖，初始化一個(gè)搜索窗的大小和位置，并根據(jù)上一幀得到的結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整搜索窗口的位置和大小，從而定位出當(dāng)前圖像中目標(biāo)的中心位置。算法主要分為3部分：

1）色彩投影圖。將紅（red, R）、綠（green, G）及藍(lán)（blue, B）顏色空間變換到色調(diào)（hue, H）、飽和度（saturation, S）及明度（value, V）顏色空間，減少光照度對(duì)跟蹤效果的影響；對(duì)目標(biāo)區(qū)域作H分量的顏色直方圖；將每個(gè)像素的值用顏色出現(xiàn)的概率表示，得到顏色概率分布圖。

2）漂移（Menshift）算法。對(duì)一幀圖像進(jìn)行迭代尋找到最優(yōu)的概率分布來(lái)尋找目標(biāo)的位置信息，其位置信息通過(guò)計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的零階矩陣和一階矩陣得到質(zhì)心坐標(biāo)并確定搜索窗的大小。

3）Camshift算法。將Meanshift算法擴(kuò)展到整個(gè)視頻幀序列則為Camshift算法。其將上一幀的迭代結(jié)果作為下一幀的初始值，如此反復(fù)迭代實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

2 改進(jìn)多行人目標(biāo)跟蹤算法

由于基于顏色特征的Camshift算法在跟蹤衣服顏色相近的行人時(shí)會(huì)發(fā)生行人目標(biāo)跟蹤發(fā)生錯(cuò)誤的問(wèn)題，且傳統(tǒng)Camshit算法只能跟蹤一個(gè)目標(biāo)，無(wú)法滿足復(fù)雜的場(chǎng)景需求。針對(duì)以上問(wèn)題，提出改進(jìn)的Camshift的多行人目標(biāo)跟蹤算法，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)多行人目標(biāo)的跟蹤，并在出現(xiàn)衣服顏色相似的行人干擾時(shí)，通過(guò)融合行人的顏色特征和方向梯度直方圖（histogram of oriented gradient, HOG）特征的目標(biāo)跟蹤算法來(lái)準(zhǔn)確跟蹤行人目標(biāo)。圖像處理流程如圖1所示。

圖1 圖像處理流程

2.1 行人目標(biāo)模型

由于行人一般會(huì)穿著帶有顏色的服裝，顏色信息對(duì)于圖片的旋轉(zhuǎn)、尺寸的變化不敏感；HOG特征是局部區(qū)域描述符，能夠很好地描述行人特征；因此，本算法通過(guò)融合行人衣著的顏色特征和HOG特征來(lái)建立行人目標(biāo)模型。

1）顏色特征提取。RGB顏色空間[15]相較于HSV顏色空間對(duì)光照的變化較更為敏感，因此使用HSV顏色空間來(lái)建立目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。HSV顏色空間中，色度、亮度、飽和度相互獨(dú)立，其中亮度容易受到光照變化的影響；所以只根據(jù)行人目標(biāo)的色度（H）和飽和度（S）建立數(shù)學(xué)模型，并生成反向投影圖，利用Bhattacharyya系數(shù)[16]衡量目標(biāo)與候選目標(biāo)的相似性。

將H-S子空間量化成16和16個(gè)相等的空間，構(gòu)成空間特征值的個(gè)數(shù)=16×16的直方圖空間。行人H-S空間的概率密度為

式中：為目標(biāo)區(qū)域各像素到區(qū)域中心的長(zhǎng)度；像素的權(quán)重與的大小成負(fù)相關(guān)，所以中心區(qū)域附近的像素對(duì)模型影響更大。

候選行人目標(biāo)位于的概率密度為

3）HOG特征提取。行人特征可用邊緣[17]、SIFT特征[18]、Haar特征[19]來(lái)描述。因?yàn)镠OG特征是對(duì)目標(biāo)的局部區(qū)域描述符，對(duì)光照變化、小角度旋轉(zhuǎn)有較強(qiáng)的抗干擾能力，本文利用HOG特征[20]來(lái)描述行人。對(duì)輸入圖像的各像素求梯度大小及方向?yàn)?/p>

視頻幀大小為64×128，并將其均分為8×8個(gè)像素的單元（cell），計(jì)算單元內(nèi)每個(gè)像素的梯度幅值和方向，把[-90°, 90°]的梯度方向平均劃分為9個(gè)區(qū)間（bin）。將2×2個(gè)cell作為一個(gè)塊（block），掃描步長(zhǎng)為單個(gè)cell，遍歷整個(gè)圖像，共有105塊（block），每個(gè)block有36個(gè)特征描述子，整張圖片共有3780個(gè)HOG特征描述子。

根據(jù)式（9）對(duì)HOG特征描述子進(jìn)行歸一化作為行人特征描述子為

式中：為未進(jìn)行歸一化的描述子；為常數(shù)。

4）行人模型建立。上述的顏色特征提取與HOG特征提取分別建立了行人的顏色特征模型和HOG特征模型，再分別計(jì)算它們的反向投影，按照一定的權(quán)值融合顏色特征模型和HOG特征模型，建立行人目標(biāo)[21]的模型為

2.2 行人圖像坐標(biāo)計(jì)算

傳統(tǒng)的Camshift[21-22]單目標(biāo)跟蹤算法只提取目標(biāo)的顏色特征作為目標(biāo)的模型，易受顏色相似目標(biāo)的影響，造成目標(biāo)的丟失。本文針對(duì)此問(wèn)題，融合行人的衣著顏色和HOG特征分別對(duì)每個(gè)行人目標(biāo)建立目標(biāo)模型，實(shí)現(xiàn)多行人目標(biāo)的跟蹤；優(yōu)勢(shì)在于能夠提高算法的魯棒性，且能保持Camshift算法自適應(yīng)目標(biāo)尺寸和旋轉(zhuǎn)的變化。改進(jìn)的Camshift多行人目標(biāo)跟蹤算法主要分為3個(gè)部分：顏色特征和HOG特征的反向投影計(jì)算、Meanshift算法、Camshift算法，算法流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)Camshift的多行人目標(biāo)跟蹤算法（注：虛線框?yàn)镸eanshift算法）

Meanshift算法（圖1虛線框部分）是Camshift算法的核心環(huán)節(jié)，提取了行人目標(biāo)的顏色特征和HOG特征，并計(jì)算其反向投影，按一定的權(quán)值融合顏色特征和HOG特征的反向投影。Meanshift算法利用其反向投影和初始化坐標(biāo)，通過(guò)重復(fù)反饋的方式計(jì)算行人目標(biāo)的質(zhì)心，一旦搜索窗中心到目標(biāo)質(zhì)心的距離小于給定的閾值，就將搜索窗作為目標(biāo)區(qū)域。

分別計(jì)算每個(gè)行人目標(biāo)搜索窗口的零階矩陣為

的一階矩為

的一階矩為

式中()為反向投影的圖中()處的像素值。

由零階矩以及在、方向的一階矩計(jì)算出待搜索區(qū)域的質(zhì)心為

通過(guò)零階矩來(lái)確定跟蹤窗口的尺度因子S為

式中為第個(gè)行人目標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)Camshift的多行人目標(biāo)跟蹤算法的魯棒性與實(shí)時(shí)性，利用改進(jìn)Camshift的多行人跟蹤算法與傳統(tǒng)的Camshift算法進(jìn)行多行人目標(biāo)的跟蹤實(shí)驗(yàn)，測(cè)試本文算法的魯棒性；利用改進(jìn)Camshift的多行人跟蹤算法與粒子濾波算法進(jìn)行多行人目標(biāo)的跟蹤實(shí)驗(yàn)，測(cè)試本文算法的實(shí)時(shí)性。

3.1 魯棒性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證融合顏色特征和HOG特征的Camshift多行人目標(biāo)跟蹤算法的魯棒性。實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比了傳統(tǒng)Camshift算法與改進(jìn)Camshit算法在行人目標(biāo)顏色相似以及光照強(qiáng)度變化的復(fù)雜場(chǎng)景中行人目標(biāo)的跟蹤效果。其中行人衣服顏色相似的跟蹤結(jié)果對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖3和圖4所示。

從圖3可以看出，傳統(tǒng)的Camshift算法對(duì)多行人目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，由于背景中存在與目標(biāo)行人相似衣服顏色的行人，出現(xiàn)了行人目標(biāo)跟蹤發(fā)生錯(cuò)誤的情況。由圖3中間那幅圖可以看出，編號(hào)為2的行人目標(biāo)旁邊出現(xiàn)與其衣服顏色相似的行人，當(dāng)編號(hào)為2的行人目標(biāo)經(jīng)過(guò)此行人時(shí)，傳統(tǒng)的Camshift跟蹤算法發(fā)生了跟蹤錯(cuò)誤，跟蹤到了錯(cuò)誤目標(biāo)。由圖4可以看出，由融合顏色特征和HOG特征的Camshift算法行進(jìn)多行人目標(biāo)跟蹤時(shí)，編號(hào)為2的行人目標(biāo)經(jīng)過(guò)與其衣服顏色形式的行人，仍能進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤行人目標(biāo)。由表1可以看出，改進(jìn)的Camshift算法相比于傳統(tǒng)的Camshift算法的跟蹤準(zhǔn)確率提升了5.3 %。由表2可以看出，2種算法的實(shí)時(shí)性幾乎相當(dāng)。

表1 跟蹤準(zhǔn)確率對(duì)比

圖4是籃球運(yùn)動(dòng)員籃球比賽的復(fù)雜場(chǎng)景，利用傳統(tǒng)Camshift算法對(duì)多個(gè)籃球運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行跟蹤時(shí)，當(dāng)2個(gè)穿著白色衣服的運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)部分交叉時(shí)，跟蹤發(fā)生錯(cuò)誤；而使用融合HOG特征和衣服顏色特征的改進(jìn)Camshit算法仍可以進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤。

圖3 衣服顏色相似的跟蹤結(jié)果1

圖4 衣服顏色相似的跟蹤結(jié)果2

圖5是在光照強(qiáng)度變化的場(chǎng)景中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

圖5 光照強(qiáng)度變化的跟蹤結(jié)果

首先，在初始幀選定目標(biāo)，之后應(yīng)用本文方法和傳統(tǒng)的Camshift對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。從圖中可以看出：只利用顏色信息描述目標(biāo)的傳統(tǒng)Camshift方法在光照很弱的場(chǎng)景下，搜索框?qū)?huì)產(chǎn)生漂移，無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)，如圖中的2號(hào)框所示；而本文方法能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)，如圖中的1號(hào)矩形框所示。

表2 3種跟蹤算法的時(shí)間對(duì)比

3.2 實(shí)時(shí)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證融合顏色特征和HOG特征的Camshift多行人目標(biāo)跟蹤算法在魯棒性良好的情況下算法的實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比了在行人目標(biāo)顏色相似的復(fù)雜場(chǎng)景中粒子濾波算法與改進(jìn)Camshift算法的跟蹤效果。對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖6所示。

圖6 粒子濾波算法與改進(jìn)Camshift算法多行人跟蹤的比較結(jié)果

從圖6可以看出，粒子濾波算法和改進(jìn)的Camshift算法對(duì)于背景中存在與目標(biāo)行人具有相似顏色衣服的行人，都能夠準(zhǔn)確地跟蹤多行人目標(biāo)；由此可以看出粒子濾波算法與改進(jìn)的Camshift都具有較好的魯棒性。由表2可以看出，相對(duì)于粒子濾波算法，本文算法的實(shí)時(shí)性提高了30.23％。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)復(fù)雜背景環(huán)境下視頻幀序列中多行人目標(biāo)跟蹤易出現(xiàn)目標(biāo)丟失的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的Camshift多行人目標(biāo)跟蹤算法。本方法通過(guò)融合目標(biāo)的顏色特征和HOG特征建立行人目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型：相對(duì)于傳統(tǒng)的Camshift算法，在實(shí)時(shí)性幾乎相當(dāng)?shù)那闆r下，多行人目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確率提升了5.3 %；相對(duì)于粒子濾波算法，本文算法能夠準(zhǔn)確跟蹤多行人目標(biāo)的情況下，算法的實(shí)時(shí)性提高了30.23％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的改進(jìn)Camshift的多行人目標(biāo)跟蹤算法能夠在提升了魯棒性的同時(shí)，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地跟蹤多個(gè)行人目標(biāo)。

目前該算法還需要手動(dòng)選定多個(gè)行人目標(biāo)；加入檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選定行人目標(biāo)是下一步研究的重點(diǎn)。

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Multi-pedestrian target tracking method based on improved Camshift algorithm

CHENYi

（Sichuan University of Arts and Sciences, DaZhou, SiChuan 635000, China）

Aiming at the problem that it is susceptible to multi-pedestrian targets with similar clothing colors for the color-based target tracking method, which results in the error in tracking targets, the paper proposed a multi-pedestrian target tracking method with the improved Camshift algorithm: in order to overcome the shortcoming that the target is easily lost with single color feature as target model, the target model was established by integrating a certain weight coefficients with the color and HOG features of the target; and the models for multiple pedestrian targets were built for extending the single target tracking of traditional Camshift algorithm to multi-target tracking. Experimental result showed that the proposed method would be more robust, and the tracking accuracy could be improved by 5.3 % compared with traditional Camshift algorithm; meawhile, the real-time performance could be improved by 30.23 % compared with particle filter algorithm.

Camshift algorithm; color features; multi-target tracking; fusion coefficient

P228

A

2095-4999(2019)04-0030-07

陳藝.改進(jìn)Camshift算法的多行人目標(biāo)跟蹤方法[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2019,7(4):30-36.（CHEN Yi.Multi-pedestrian target tracking method based on improved Camshift algorithm[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 30-36.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190406.

2019-03-17

四川省教育廳科研項(xiàng)目（17ZB0376）。

陳藝（1980—），女，四川平昌人，碩士，副教授，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。