摘 要： 鑒于室外自主移動機器人視覺導航的應用需求，提出一種提高非結(jié)構(gòu)化道路跟蹤準確性和魯棒性的算法。首先，利用局部二值模式LBP的紋理特征和顏色特征建立道路區(qū)域的H-S-LBP特征模型，利用特征模型對視頻序列圖像進行反向投影，將圖像分割為道路區(qū)域和背景區(qū)域。同時，采用卡爾曼濾波器更新道路特征模型。通過反向投影與特征模型更新的交替完成，實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化道路跟蹤。實際應用表明，提出的算法能夠準確跟蹤視頻圖像中道路區(qū)域，對復雜多變的室外環(huán)境適應性較強，道路邊緣處區(qū)分度較高，滿足實時性要求。
關(guān)鍵詞： 非結(jié)構(gòu)化道路；局部二值模式；HSV顏色空間；反向投影；道路跟蹤
非結(jié)構(gòu)化道路識別與跟蹤是室外自主移動機器人視覺導航的研究熱點之一，解決該問題有利于機器人實現(xiàn)自主導航。室外環(huán)境道路分為結(jié)構(gòu)化道路和非結(jié)構(gòu)化道路，非結(jié)構(gòu)化道路一般不具備明顯車道線、路面不均勻、道路邊緣模糊且形狀不規(guī)則，如校園道路和鄉(xiāng)村小路，因此對非結(jié)構(gòu)化道路的識別與跟蹤比較困難，仍處于研究階段。
非結(jié)構(gòu)化道路識別與跟蹤算法通常包括：基于道路特征的算法[1-2]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的算法[3]和基于道路模型的算法[4-5]等。基于道路特征的算法通過構(gòu)建道路區(qū)域和非道路區(qū)域灰度、彩色、紋理等特征模型，利用相似性度量準則匹配這些特征，將視頻序列圖像分割為道路區(qū)域和背景區(qū)域。其優(yōu)點是無需訓練大量先驗樣本，假設道路模型，對道路形狀不敏感等，但卻極易受到室外多變的光照條件影響。室外環(huán)境中，道路區(qū)域和非道路區(qū)域最直觀的區(qū)別在于顏色信息的不同，因此道路顏色特征常用于非結(jié)構(gòu)化道路檢測與跟蹤。由于RGB顏色模型對光照變化較敏感，通常需要對RGB顏色信息進行轉(zhuǎn)化，增強顏色特征模型對光照條件變化的魯棒性，如葉偉龍等利用RGB顏色空間構(gòu)建的c1c2c3顏色模型[6]，TAN C等構(gòu)建的均衡R-G顏色模型[7]。
紋理是一種反映圖像中小塊區(qū)域像素灰度級的空間分布屬性，通常不依賴于顏色和亮度的變化，是一種較穩(wěn)定的圖像特征。與顏色模型一樣，都屬于點樣本估計方式，能夠相互融合。并且LBP紋理特征具有尺度不變性和旋轉(zhuǎn)不變性，能夠魯棒地表征物體表面紋理特征，其計算復雜度低，易于實現(xiàn)。近年來，隨著融合LBP紋理特征與顏色特征研究的深入，將多特征模型與MeanShift算法結(jié)合成功應用于人臉跟蹤、視頻目標跟蹤等，克服了單一特征使跟蹤結(jié)果魯棒性和準確性差等現(xiàn)象[8-9]。
本文以視覺傳感器獲取的實時道路圖像為研究對象，針對道路的紋理和彩色特征提出了一種基于特征模型的非結(jié)構(gòu)化道路跟蹤算法。首先對視頻序列圖像預處理，在第一幀圖像中采集道路區(qū)域樣本圖像，提取LBP紋理特征和顏色特征，建立特征模型。通過特征模型與視頻序列圖像的一一映射，生成反向投影圖，用于道路區(qū)域提取。利用道路歷史特征模型與當前跟蹤結(jié)果的觀測特征模型進行卡爾曼濾波，更新道路特征模型，實現(xiàn)道路區(qū)域跟蹤。
1 非結(jié)構(gòu)化道路跟蹤系統(tǒng)總體框架
圖1為非結(jié)構(gòu)化道路跟蹤系統(tǒng)的總體框架，主要包括樣本特征提取、特征模型建立、反向投影和模型更新四部分。通過提取視頻序列第一幀圖像中道路區(qū)域的特征，建立初始特征模型，為系統(tǒng)提供前向輸入，并將實時跟蹤結(jié)果反饋到歷史特征模型中，交替地更新特征模型和提取視頻流中道路區(qū)域。
2.4 道路特征模型更新
機器人運動過程中，前方道路必定與視頻序列初始幀圖像中的道路存在差異，再加上室外不確定因素的影響，基于初始幀圖像建立的特征模型并不能實時、準確地反映道路特征，致使系統(tǒng)在長時間的跟蹤過程中，跟蹤結(jié)果的準確性不斷下降。因此，必須實時更新道路特征模型。
卡爾曼濾波器采用反饋控制的方法估計過程狀態(tài)，能夠遞歸地解決離散數(shù)據(jù)線性濾波問題[13]。在實際應用中，卡爾曼濾波器對被建模系統(tǒng)提出了3個假設：（1）系統(tǒng)是線性的；（2）影響測量的噪聲是白噪聲；（3）噪聲呈高斯分布。其基本思想是：利用歷史估計值對當前狀態(tài)變量和誤差協(xié)方差進行預估計，在反饋校正階段，通過當前測量值和最小均方誤差準則對預估計值校正，得到最優(yōu)化的后驗估計值。其時間更新方程和測量更新方程如式（5）~式（9）所示。
時間更新方程：
由于特征模型中特征值間相互獨立，基于卡爾曼濾波器的特征模型更新通常是對特征模型中的單個特征值更新，即為每個特征值賦予一個卡爾曼濾波器[14-15]。相比將特征模型看作一個整體的更新方法，對特征值單獨更新的方法能夠獲得一個更準確、更合理的更新模型。但其運算量將受到特征模型中bin的影響迅速增加，勢必影響更新速度。將三維特征模型轉(zhuǎn)化為3個一維特征模型，給3個一維特征模型中每個特征值賦予一個卡爾曼濾波器，將得到的更新特征值對應相乘，即可獲得三維特征模型中每個特征值的概率估計值，大大減少了計算量。本文建立的特征模型為16×16×9的三維模型，因此需要建立41個一維卡爾曼濾波器，濾波器的參數(shù)設定詳見參考文獻[14]。通常，前后兩幀圖像中道路區(qū)域的特征模型不會發(fā)生劇烈變化。因此，將每個濾波器的更新結(jié)果與上一幀比較，若小于預設閾值，則更新；否則，保留上一幀的特征值。
3 反向投影
反向投影是一種記錄像素點或像素塊如何適應直方圖模型中分布的方式。用于在待處理圖像（通常較大）中查找樣本圖像（通常較小或者僅1個像素）最匹配的點或者區(qū)域，也就是定位樣本圖像出現(xiàn)在待處理圖像中的位置。在道路特征模型中，圖像的H、S、LBP分量與道路概率特征值建立了一一對應關(guān)系，將圖像某一位置的像素值用其對應的道路概率特征值代替，得到反向投影圖。由于道路概率特征值被歸一化為0~255，因此得到的反向投影圖是單通的，即灰度圖像。反向投影公式為：
本文道路跟蹤算法詳細步驟如下：
（1）對獲取的視頻序列圖像預處理，減少噪聲的影響；
（2）從視頻序列第一幀圖像中提取足夠的道路區(qū)域樣本圖像；
（3）道路特征模型建立：將獲取的RGB圖像轉(zhuǎn)換為HSV圖像和灰度圖像，利用灰度圖像生成圖像的LBP紋理特征，并提取HSV圖像中的H、S分量，通過樣本圖像的三維直方圖，構(gòu)建道路特征模型；
（4）通過特征模型與視頻序列圖像的一一映射進行反向投影，得出道路概率分布圖，即反向投影圖；
（5）對道路概率分布圖后處理，區(qū)分道路區(qū)域和背景區(qū)域，選取連通域面積最大的區(qū)域為道路；
（6）更新道路特征模型；
（7）重復步驟（4）、（5）、（6），實現(xiàn)對視頻序列中非結(jié)構(gòu)化道路跟蹤。
4 實驗結(jié)果與分析
實驗選用的硬件平臺為AMD Athlon64 3000+2 GHz處理器，1 GB內(nèi)存，軟件平臺為VC2005。實驗視頻圖像均在西南科技大學校園內(nèi)和后山采集，平均時長10 min，包括多種非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境，視頻為AVI格式，分辨率為320×240，每幀視頻圖像平均處理時間為210 ms。實際應用時，等間隔地抽取視頻幀圖像進行處理，減少數(shù)據(jù)處理量，有利于系統(tǒng)的實時實現(xiàn)。
本文采用P=8，R=1的掩膜提取LBP紋理特征，構(gòu)建16×16×9的道路特征模型。圖5對基于不同特征模型的反向投影圖進行了比較，圖5（a）為采集的視頻序列中部分幀原始圖像，圖5（b）為采用參考文獻8提出的均衡R-G顏色模型生成的反向投影圖，圖5（c）為采用H-S顏色模型生成的反向投影圖，圖5（d）為采用H-S-LBP特征模型生成的反向投影圖。圖5（b）中，類道路區(qū)域誤檢測現(xiàn)象嚴重，道路邊緣不連續(xù)，在第二類環(huán)境中，將道路左邊大面積的非道路區(qū)域檢測為道路區(qū)域。主要在于均衡R-G模型體現(xiàn)的是像素顏色信息的對比度，當顏色信息的對比度相似時，易產(chǎn)生誤投影。相對圖5(b)的實驗結(jié)果，圖5（c）中的道路邊緣的誤投影得到明顯改善，但當?shù)缆愤吘壞：龝r（如第二類和第三類環(huán)境），由于過度區(qū)域存在顏色信息的漸變過程或模糊不清時，系統(tǒng)對此類區(qū)域的辨識度較低，投影誤差增大。比較圖5（c）和圖5（d）可以看出，融合紋理特征的實驗結(jié)果中，道路區(qū)域內(nèi)和非道路區(qū)域內(nèi)的誤檢測均減少，尤其道路邊緣誤投影減少，連續(xù)性強。這是由于道路邊緣處通常存在一些不規(guī)則的雜物，使得其紋理特征與道路區(qū)域不同，因此被判斷為非道路區(qū)域，有效提高了道路邊緣處跟蹤結(jié)果的正確率。
針對室外自主移動機器人的作業(yè)需要，提出了一種基于特征模型的非結(jié)構(gòu)化道路跟蹤算法。通過建立道路的三維特征模型，對道路區(qū)域進行實時跟蹤。實驗表明，構(gòu)建的三維特征模型能夠準確表征道路特征，在HSV顏色空間下，H、S顏色特征對顏色信息的區(qū)分度較好，能夠區(qū)分與目標顏色信息相近的區(qū)域，且其受亮度信息的影響較小，對復雜室外環(huán)境適應性較強。融入LBP紋理描述算子的特征模型使跟蹤結(jié)果中類道路區(qū)域明顯減少，尤其對于模糊性比較高、辨別難度較大的道路邊緣處，其跟蹤結(jié)果更準確，邊緣連續(xù)性更強。此外，采用卡爾曼濾波器對道路特征模型更新，使系統(tǒng)跟蹤結(jié)果的魯棒性增強。
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