一种基于自适应粒子滤波和稀疏表示的目标跟踪算法
【专利摘要】本发明提出了一种基于自适应粒子滤波和稀疏表示的目标跟踪算法，使用改进的自适应粒子滤波技术作为跟踪算法框架，并且利用分块稀疏表示模型建立目标的观测相似度模型，利用自适应分块技术对目标进行分块，构建当前目标状态的结构稀疏直方图，以计算当前目标状态的观测相似度，利用遮挡检测机制检测遮挡，更新目标/背景字典模板以及目标模板直方图，以捕获跟踪过程中目标的外形改变以及环境的变化，利用可变方向乘子法解决稀疏表示中的L1优化问题，提升所述目标跟踪算法的执行速度。本发明对跟踪目标姿态变化，环境光照变化以及遮挡等情况具有很强的鲁棒性。
【专利说明】一种基于自适应粒子滤波和稀疏表示的目标跟踪算法
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机视觉领域，具体涉及智能监控领域，特别涉及一种基于自适应粒子滤波和分块稀疏表示模型的复杂环境下的目标跟踪算法。
【背景技术】
[0002]基于视觉的目标跟踪技术在许多计算机视觉应用领域，诸如机器人技术、视频监控、医学图像分析等起到重要的作用。尽管在最近几十年基于视觉的目标跟踪技术取得了一定的发展，但是在一些复杂的环境下，譬如有复杂背景、光照变化剧烈、目标外形改变等场合，现有的视觉跟踪技术仍不能很好地完成跟踪任务。考虑到跟踪任务的复杂性，如何设计一个鲁棒性较强的跟踪算法，同时在实时性方面有较好的表现，是计算机视觉领域一个重要的课题。
[0003]目前常见的视觉跟踪算法主要有两大类:基于创成式的方法和基于分类的方法。基于创成式的跟踪算法主要通过寻找下一帧与目标相似度最高的区域进行跟踪，可以使用单外表模型和多外表模型计算相似度。常见的单外表模型包括使用颜色、纹理以及形状等信息进行描述，颜色外表模型有:RGB直方图特征，如文献“Huang，T., Russell,
S..0bject identification in a Bayesian context [C].1nternational JointConferences on Artificial Intelligence, 1997: 1276-1283.，，纹理外表模型有:LBP纹理特征，如文献“陈远，陈锻生.一种融合LBP纹理特征的多姿态人脸跟踪方法[J].华侨大学学报，2010, Vol.31, N0.3.”多外表模型尝试用多种单外表模型的结合，以提高模型的鲁棒性，如使用HOG颜色特征和LAB纹理特征来进行跟踪，如文献“Yang，B.，Lin, G.Y.1ntegration of Lab model and EHOG for human appearance matching across disjointcamera views [J].Journal of Southeast University (English Edition), v 28，n 4，P 422-427，December 2012.” 一些经典的基于创成式跟踪算法主要包括:特征根跟踪器、均值漂移跟踪器以及协方差跟踪器等。
[0004]基于分类的跟踪方法将目标跟踪问题转变为一个目标分类问题，通过将某个区域分类为目标或背景来实现持续跟踪。使用分类来进行跟踪通常涉及到分类器的学习，可以通过监督或半监督的方式来学习分类器，进而进行目标跟踪。根据分类器的不同，常见的基于分类的跟踪方法包括:使用支持向量机(SVM)进行分类跟踪，如文献“S.Avidan.“Support vector tracking，，.IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence, 26 (8): 1064-1072, 2004.”使用多示例训练器(MIL)进行分类跟踪，如文献“S.Avidan.“Support vector tracking，，.IEEE Transactions on Pattern Analysisand Machine Intelligence, 26(8):1064-1072, 2004.”其他常见的训练器还包括稀疏贝叶斯分类器以及P-N学习分类器等等。
[0005]稀疏跟踪算法是近年来发展比较迅速的一种新兴跟踪算法，属于创成式跟踪方法。由于算法是基于一系列的模板库得到的最终结果，因此对于光照变化、复杂环境以及姿态改变等都具有较好的鲁棒性，如文献“X.Mei and H.Ling.“Robust visual trackingusing LI minimization，，.12th International Conference on Computer Vision, Kyoto，Japan, 2009(1436-1443).”但是，由于模板库往往采用目标的整体模板作为特征，因此对目标遮挡的情况处理效果不佳。同时，在解稀疏系数时需要解LI优化问题，具体解法的计算量较大，往往影响了算法的实际使用。
[0006]因此，对稀疏跟踪算法进行改进优化，是其在原有的强鲁棒性的基础上，增加对遮挡情况的处理能力以及提高算法的执行速度，具有显著的现实意义。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提出一种基于自适应粒子滤波和稀疏表示的目标跟踪算法，此方法对跟踪目标姿态变化，环 境光照变化以及遮挡等情况具有很强的鲁棒性。
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:
提供一种基于自适应粒子滤波和稀疏表不的目标跟踪算法，具体为:
使用改进的自适应粒子滤波技术作为跟踪算法框架，利用目标的运动信息来确定采样所需要的粒子数目和采样范围；
利用分块稀疏表示模型建立目标的观测相似度模型，首先构建目标/背景字典模板以及目标模板直方图，利用自适应分块技术对目标进行分块，利用目标的分块信息并且结合分块的身份信息以及位置信息，构建当前目标状态的结构稀疏直方图，利用巴氏距离计算当前目标状态的结构稀疏直方图和目标模板直方图之间的距离，从而计算当前目标状态的观测相似度；利用遮挡检测机制检测遮挡，利用遮挡信息更新目标/背景字典模板以及目标模板直方图 ，以捕获跟踪过程中目标的外形改变以及环境的变化。
[0009]在本发明一个较佳实施例中，所述的基于自适应粒子滤波和稀疏表示的目标跟踪算法使用改进的自适应粒子滤波技术作为跟踪算法框架，主要步骤如下:
110)采样参考点的确定
利用目标前一帧的状态以及前一帧的预测速度得到目标当前时刻的采样参考点，提出的自适应运动模型定义为:
【权利要求】
1.一种基于自适应粒子滤波和稀疏表示的目标跟踪算法，其特征在于，使用改进的自适应粒子滤波技术作为跟踪算法框架，利用目标的运动信息来确定采样所需要的粒子数目和采样范围；利用分块稀疏表示模型建立目标的观测相似度模型，首先构建目标/背景字典模板以及目标模板直方图，利用自适应分块技术对目标进行分块，利用目标的分块信息并且结合分块的身份信息以及位置信息，构建当前目标状态的结构稀疏直方图，利用巴氏距离计算当前目标状态的结构稀疏直方图和目标模板直方图之间的距离，从而计算当前目标状态的观测相似度；利用遮挡检测机制检测遮挡，利用遮挡信息更新目标/背景字典模板以及目标模板直方图，以捕获跟踪过程中目标的外形改变以及环境的变化。
2.根据权利要求1所述的基于自适应粒子滤波和稀疏表示的目标跟踪算法，其特征在于，使用改进的自适应粒子滤波技术作为跟踪算法框架，主要步骤如下:110)采样参考点的确定利用目标前一帧的状态以及前一帧的预测速度得到目标当前时刻的采样参考点，提出的自适应运动模型定义为:
3.根据权利要求1所述的基于自适应粒子滤波和稀疏表示的目标跟踪算法，其特征在于，使用自适应分块稀疏表示模型作为目标的观测模型，主要步骤如下:210)目标/背景字典模板的建立根据第一帧的目标信息分别建立目标与背景的分块字典模板:首先手动选取目标矩形区域，并将目标矩形区域周围一定范围的区域作为背景区域，利用滑动的小块分别在目标区域和背景区域重叠的采样，并对采集的样本进行k均值聚类计算，将各自得到的k个具有典型性的样本分别作为目标和背景的字典模板，目标/背景字典模板在跟踪过程中需要不断地进行更新；220)目标自适应分块利用目标小块的身份信息对目标进行自适应分块:对于每个目标小块，利用欧氏距离计算该目标小块与模板小块的相似度，挑选出与其最相似的P个模板小块，并利用这P个模板小块的身份来判断该目标小块的身份信息，根据这P个模板小块中目标成分和背景成分的多少，将该目标小块归于目标、背景或者不确定状态；当得到所有目标小块的身份信息后，就可以对目标进行自适应分割，在分割目标时，首先进行粗略划分，分别判断每个目标小块的身份，然后依据所有目标小块的身份信息判断分割是否有效，分割的有效性Es定义为:
4.根据权利要求1所述的基于自适应粒子滤波和稀疏表示的目标跟踪算法，其特征在于，利用可变方向乘子法解决稀 疏表示中的LI优化问题。
【文档编号】G06T7/00GK103440645SQ201310357510
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】林国余, 杨彪, 张为公, 李耀磊, 刘亚群 申请人:东南大学