視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤簡(jiǎn)介
運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤在軍事制導(dǎo)、視覺(jué)導(dǎo)航、機(jī)器人、智能交通、公共安全等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.例如在車輛違章抓拍系統(tǒng)中，車輛的跟蹤就是必不可少的.在入侵檢測(cè)中，人、動(dòng)物、車輛等大型運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤也是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵所在.因此在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域中目標(biāo)跟蹤是一個(gè)很重要的分支.
運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的前提.運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，根據(jù)目標(biāo)與攝像機(jī)之間的關(guān)系可以分為靜態(tài)背景下的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與動(dòng)態(tài)背景下的運(yùn)動(dòng)檢測(cè).
一 靜態(tài)背景下的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)：整個(gè)監(jiān)控過(guò)程中只有目標(biāo)在運(yùn)動(dòng).主要包括以下幾種方法:
1 背景差分法：整個(gè)監(jiān)控過(guò)程中，需要不停地維護(hù)一個(gè)“純背景”.對(duì)于任意一幀監(jiān)控圖像而言，將其與純背景進(jìn)行差分，從而得到出現(xiàn)在當(dāng)前畫面中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo).該方法對(duì)光照變化、天氣、背景變化比較敏感，而且需要不停進(jìn)行地依靠學(xué)習(xí)來(lái)維護(hù)一個(gè)純背景畫面.此外背景的維護(hù)和更新、陰影去除等對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)至關(guān)重要.
2 幀間差分法：通過(guò)相鄰幀之間的差值計(jì)算，來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置、形狀等信息的方法.該方法對(duì)光照的適應(yīng)能力很強(qiáng)，但由于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像素上的相似性，從而不能完整地檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)目標(biāo).有研究人員將相鄰幀間的差分進(jìn)行改進(jìn)，得到三幀差分方法，即利用相鄰三幀之間的差值計(jì)算來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè).該方法經(jīng)很多研究人員和工程師的實(shí)際測(cè)試，證明了其在特定環(huán)境中優(yōu)良的性能.
3 光流法：在空間中，運(yùn)動(dòng)可以用運(yùn)動(dòng)場(chǎng)描述.而在一個(gè)圖像平面上，物體的運(yùn)動(dòng)往往是通過(guò)圖像序列中圖像灰度分布的不同來(lái)體現(xiàn)，從而使空間中的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)轉(zhuǎn)移到圖像上就表示為光流場(chǎng).光流場(chǎng)反映了圖像上每一點(diǎn)灰度的變化趨勢(shì).它可看成是帶有灰度的像素點(diǎn)在圖像平面上運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的瞬時(shí)速度場(chǎng)，也是一種對(duì)真實(shí)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的近似估計(jì).在比較理想的情況下，它能夠檢測(cè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的對(duì)象而不需要預(yù)先知道場(chǎng)景的任何信息，可以很精確地計(jì)算出運(yùn)動(dòng)物體的速度，并且可用于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的情況.但是大多數(shù)光流方法的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)硬件要求比較高，不適于實(shí)時(shí)處理，而且對(duì)噪聲比較敏感，抗噪性差.
二 動(dòng)態(tài)背景下的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)：監(jiān)控過(guò)程中，目標(biāo)和背景都在發(fā)生運(yùn)動(dòng)或變化.在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的應(yīng)用環(huán)境中，動(dòng)態(tài)背景相比而言更加復(fù)雜.根據(jù)相機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式，可以分為以下兩種:
1 相機(jī)支架固定：相機(jī)可以隨著云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，傾斜等運(yùn)動(dòng).相機(jī)也可以根據(jù)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)指令來(lái)控制鏡頭調(diào)焦，從而產(chǎn)生遠(yuǎn)景和近景縮放運(yùn)動(dòng).
2 相機(jī)置于移動(dòng)設(shè)備之上(例如車載相機(jī)).
對(duì)于以上兩種相機(jī)運(yùn)動(dòng)形式的任意一種而言，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)之前，都需要根據(jù)一定的方法進(jìn)行全局運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償.通常可以利用塊匹配法、特征點(diǎn)匹配法等進(jìn)行運(yùn)動(dòng)量的估計(jì).也可以利用光流法建立光流場(chǎng)模型，利用光流方程求解圖像像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度.
運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤就是在一個(gè)連續(xù)視頻序列中，在每一幀監(jiān)控畫面中找到感興趣的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（例如車輛、行人、動(dòng)物等）.跟蹤大致可以分為以下幾個(gè)步驟:
（1）目標(biāo)的有效描述：目標(biāo)的跟蹤過(guò)程跟目標(biāo)檢測(cè)一樣，需要對(duì)其進(jìn)行有效的描述，即需要提取目標(biāo)的特征，從而能夠表達(dá)該目標(biāo).一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)圖像的邊緣、輪廓、形狀、紋理、區(qū)域、直方圖、矩特征、變換系數(shù)等來(lái)進(jìn)行目標(biāo)的特征描述.
（2）相似性度量計(jì)算：常用的方法有歐式距離、馬氏距離、棋盤距離、加權(quán)距離、相似系數(shù)、相關(guān)系數(shù)等.
（3）目標(biāo)區(qū)域搜索匹配：如果對(duì)場(chǎng)景中出現(xiàn)的所有目標(biāo)都進(jìn)行特征提取、相似性計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行所耗費(fèi)的計(jì)算量是很大的.因此通常采用一定的方式對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)可能出現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行估計(jì)，從而減少冗余，加快目標(biāo)跟蹤的速度.常用的預(yù)測(cè)算法有Kalman濾波、粒子濾波、均值漂移等.
