摘  要: 室內環境下多運動目標跟蹤的核心問題是目標的快速識別和準確匹配,目標的快速識別關鍵在于目標對象的特征提取,尋找不變的特征值。針對以上兩個問題,采用基于顏色直方圖的特征提取方法并用歐氏距離匹配法實現特征值的相似度匹配。提出的區域相應和特征匹配相結合的多運動目標跟蹤算法解決了因為快速運動和長時間遮擋而引起的目標跟蹤丟失問題。
關鍵詞: 多目標跟蹤;特征提取;區域相應;特征匹配

    視頻跟蹤[1]是指對視頻幀圖像序列中所有動態目標進行運動檢測、特征提取與匹配和跟蹤,獲得目標運行參數,如目標質心位置、速度、加速度以及運動路線等。視頻跟蹤為下一步圖像處理與分析、運動目標行為理解奠定了基礎。多運動目標跟蹤是指在相同的時刻對多個運動目標進行判斷、相似度匹配和跟蹤,其關鍵是目標模型和背景環境模型的建立、待跟蹤目標的判定和對遮擋問題的處理。視頻跟蹤技術在民宅安防、倉庫安全、智能交通監控和導彈航跡等方面具有廣泛的應用[2]。
    目前,對室內靜態背景下常用的跟蹤方法是基于顏色特征的運動目標跟蹤方法。然而,由于背景和目標易受顏色相似性的干擾,且人是一個非剛性運動物體,活動具有靈活自主性,實時跟蹤這個運動對象是很困難的,尤其是當其發生形變或被嚴重遮擋時。本文對運動目標跟蹤主要分為遮擋和不遮擋兩種趨勢進行研究,通過對兩種趨勢算法的研究,將基于特征和基于區域的運動目標跟蹤方法混合進行計算。經過實驗驗證,這種混合算法可以達到多運動目標跟蹤快速性、準確性和實時性的要求。
1 無遮擋時多目標跟蹤算法
    對視頻序列幀圖像內的多個目標進行跟蹤的算法有很多種,目前常用的算法有Kalman濾波算法[3]、基于均值偏移的Meanshift算法[4]、Camshift算法[5]和粒子濾波算法[6]等。Kalman濾波算法是一個帶回饋估計的方法,由濾波器先作出與之相適應的估計,然后以含有噪聲的測量信息進行反饋。它適合于高斯分布的線性、正態系統狀態的預測估計,不適合具有隨意運動性的人體目標的跟蹤。Camshift算法是改進的Meanshift算法,它的搜索框可以自由變換,此外,它與粒子濾波算法一樣是基于概率統計的方法,需要迭代求解。Camshift算法一般情況下是根據目標顏色特征信息進行跟蹤,由于跟蹤特征單一,因此極易發生漂移現像,但是它的跟蹤速度快,尤其對沒有遮擋情況下的運動目標可以快速準確地進行跟蹤。因此,通過Camshift算法可以對發生遮擋前待跟蹤目標的運動區域進行提取,并在此基礎上對待跟蹤目標是否會發生遮擋進行及時預測。若遮擋不存在,則需要通過基于顏色直方圖和分塊的方法分別對目標的灰度特征進行提取,并對最近提取的m幀圖像灰度特征信息進行保存;反之,則需進入遮擋處理過程[7]。無遮擋處理流程框圖如圖1所示。

2 區域相應與特征匹配相結合的跟蹤方法
    基于區域的運動目標跟蹤方法[8]是指:首先把圖像分為不同的小區域塊,然后對各個小區域塊采用高斯分布建立它們的目標模型和背景模型,最后將屬于待跟蹤目標的像素劃分為一些與背景不同的小區域塊,通過跟蹤包含目標的小區域塊完成整個待定目標的跟蹤。由于人體運動目標在慢速運動時各幀之間的位移通常很小,因此可以在目標當前幀所處地點的小鄰域內尋找是否有除待跟蹤目標外運動物體的對應像素,如果有,則表明目標有遮擋的趨勢?；趨^域相應跟蹤算法只能判定目標是否存在遮擋,并不能解決遮擋問題?；谔卣鞯倪\動目標跟蹤是指通過提取一些可以比較明顯地表示待跟蹤目標信息的特征描述運動目標,運用特征匹配方法實現對視頻圖像中多運動目標的跟蹤。通常情況下,可以用顏色、邊緣、紋理、有明顯標記區域對應的點、線、曲線等特征描述運動目標,再通過目標區域與候選區域進行特征相似度匹配,實現運動目標跟蹤。目前,最常用的基于特征的跟蹤方法是顏色直方圖法,對顏色直方圖的提取可以采用二階直方圖或加權顏色直方圖。當目標顏色與背景顏色相似度很大時,基于顏色直方圖特征的跟蹤方法會導致錯誤跟蹤。本文將區域相應和顏色特征匹配相結合,對多運動目標進行跟蹤,將室內靜態背景中的待跟蹤目標分為進入室內、離開室內、合并、分離和正常5種運動狀態。首先,需要對輸入視頻序列的各幀圖像進行圖像預處理,預處理的關鍵是對目標區域進行分塊,得到運動目標;然后,利用區域相應法判別目標處于哪種狀況;最后,當目標處于分離狀況時,采用基于顏色直方圖的特征提取方法,利用基于余弦匹配進行顏色相似度計算,從而再次跟蹤運動目標。圖2所示為存在遮擋時跟蹤算法框圖。

2.2 基于區域的跟蹤
    經過圖像預處理,各個運動目標塊在空間中所處的具體位置已經明確,假設視頻幀率為30 f/s,則相鄰兩幀圖像間隔小于33.4 ms。對于室內環境下運動的人體目標,相鄰兩幀空間范圍上位置變化很小。所以只要第i幀與第i+1幀目標塊有重合的部分,就可以判定前后兩幀中運動目標屬于同一目標?？赡艹霈F以下5種情形:
    (1)合并事件:第i幀上的兩個或兩個以上目標塊同時與第i+1幀上的一個目標塊在位置上重合。
    (2)分離事件:第i幀上的一個目標塊同時與第i+1幀上的兩個或兩個以上目標塊重合。
    (3)進人室內:第i+1幀上的目標塊在第i幀上沒有一個目標塊與其在位置上有重合,可判斷目標在第i+1幀進人室內。
    (4)離開室內:第i幀上的目標塊在第i+1幀上找不到一個目標塊與其在位置上有重合,可判斷目標在第i+1幀離開室內。
    (5)正常:第i幀上的一個目標塊與第i+1幀上的一個目標塊在位置上有重合區域,判斷它們屬于同一運動目標。
    從上面的分析可以看出,區域相應法可以對目標進入室內、離開室內、一般情況和合并事件進行直接判定,但是對于分離后的目標還需要采用顏色特征描述對其加以區分,因為各個目標的顏色分布不同。首先需要建立目標顏色直方圖模型,然后按照一定的相似度匹配準則對目標進行再次跟蹤判定。


    本文通過簡單的Camshift跟蹤算法處理無遮擋情況下多目標的跟蹤,采用基于區域與基于特征匹配相結合的算法處理多遮擋情況下目標的跟蹤問題。首先采用基于區域相應的方法進行初次跟蹤判定,然后利用顏色模型的相似性按照一定的匹配原則進行二次判定。但是該方法不能解決遮擋時的跟蹤問題,分塊的方法很好地解決了這一問題。當遮擋過程中目標的姿勢、形態和體積發生較大的變化時,這些跟蹤方法有一定的局限性。
參考文獻
[1] 伏亞文.結合模糊理論的視覺識別與跟蹤技術研究[D].南京:南京理工大學,2009.
[2] 李谷全,陳忠澤.視覺跟蹤技術研究現狀及其展望[J].計算機應用研究,2010,27(8):2814-2818.
[3] 蔣戀華,甘朝暉.多目標跟蹤綜述[J].計算機系統應用,2010,19(12):271-274.
[4] KALMAN R E. A new approach to linear filtering and prediction problems[C]. Transactions of the ASME-Journal of Basic Engineering, 1960,82:35-45.
[5] Cheng Yizong. Mean shift, mode seeking and clustering[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1995,17(8):790-799.
[6] BRADSKI G R. Computer vision face tracking for use in a perceptual user interface[J]. Intel Technology Journal, 1998,2(2):1-15.
[7] CARPENTER J,CLIFFORD P. Improved particle filter for non linear problems[J]. IEEE Proof Radar. Sonar and Navigation, 1999,146(1):2-7.
[8] 白金濤.視頻序列中運動目標跟蹤算法的研究[D].天津:天津大學,2009.
[9] 陸玉傳.基于PTZ相機的運動目標檢測與跟蹤技術研究[D].南京:東南大學,2010.