基于粒子濾波和卡爾曼濾波的復(fù)雜場景下視覺跟蹤

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1、浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文(2008)第一章緒論1．1論文研究的背景和意義人類感知外界信息，80％以上是通過視覺得到的。讓計(jì)算機(jī)具有視覺是人類多年以來的夢想。隨著信號(hào)處理理論的發(fā)展，人們?cè)噲D用攝像機(jī)獲得環(huán)境圖像并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)視覺信息進(jìn)行處理。這就形成了計(jì)算機(jī)視覺這門學(xué)科。計(jì)算機(jī)視覺的研究目的是利用計(jì)算機(jī)代替人眼及大腦對(duì)于景物環(huán)境進(jìn)行感知、解釋和理解。它是一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)、心理學(xué)、物理學(xué)、信號(hào)處理和應(yīng)用數(shù)學(xué)等。近二十年隨著各學(xué)科和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺取得了蓬勃發(fā)展，在各領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中近幾年來興起的

2、一個(gè)研究熱點(diǎn)。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理、分析和理解，并對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而使視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有像人一樣的智能。本論文研究的重點(diǎn)是利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的一些關(guān)鍵技術(shù)，主要側(cè)重于智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中視頻目標(biāo)的跟蹤研究。所謂視覺跟蹤，就是指對(duì)圖像運(yùn)動(dòng)序列中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行提取、識(shí)別和跟蹤，獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如位置，速度，以及運(yùn)動(dòng)軌跡，從而進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的行為理解。融合了圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、自動(dòng)控制等若干領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。當(dāng)今社會(huì)，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)在民用和軍用中有著極大的應(yīng)用前景。已融入到許多

3、住宅小區(qū)、停車場、街道、尤其是在銀行、機(jī)場安檢等關(guān)系到人們生命財(cái)產(chǎn)安全的特殊場合。智能視頻監(jiān)控的最終目的就是利用計(jì)算機(jī)視覺方法，在不需要人為控制的情況下，通過對(duì)攝像機(jī)拍攝的圖像序列能進(jìn)行自動(dòng)分析，對(duì)被監(jiān)控的場景中的變化進(jìn)行定位、識(shí)別和跟蹤，并基于此分析和判斷目標(biāo)的行為。在智能交通系統(tǒng)中，進(jìn)行交通流量的控制，車輛異常行為以及行人行為判定等，都需要利用視覺跟蹤技術(shù)。實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)，要解決的關(guān)鍵問題是如何準(zhǔn)確地對(duì)行人和車輛進(jìn)行提取和跟蹤，以及車輛運(yùn)動(dòng)軌跡判定和行人行為判定，Pai等人[1]還專門研究了十字路口的行人跟蹤以保證駕駛員安全駕駛。智能交通系浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文(2008

4、)統(tǒng)也是目前計(jì)算機(jī)視覺研究中的一個(gè)熱點(diǎn)【2】。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)在軍事上的一個(gè)重要應(yīng)用就是對(duì)戰(zhàn)場環(huán)境中的敵方目標(biāo)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的搜索，以及能夠?qū)焖僮兓倪\(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)施穩(wěn)定可靠的跟蹤，Tsao和Wen對(duì)此問題進(jìn)行了討論和研究【3】。特別是精確制導(dǎo)武器的大量運(yùn)用以及震撼效果，使得全世界都在加強(qiáng)這方面的研究。例如：AVS(AerialVideoSurveillance)系統(tǒng)【4】，在這一方面進(jìn)行了大量研究。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，主要用于生物醫(yī)學(xué)圖像處理，通過不同時(shí)刻圖像之間的運(yùn)動(dòng)估計(jì)來獲取人體器官的運(yùn)動(dòng)變化信息，進(jìn)而做出反映器官運(yùn)動(dòng)功能的描述，以便對(duì)病情進(jìn)行檢測，為治療提供參考依據(jù)。由于超聲波

5、圖像中存在的噪聲經(jīng)常會(huì)淹沒單幀圖像中的有用信息，使靜態(tài)分析十分困難，如果利用序列圖像中目標(biāo)在幾何上的連續(xù)性和時(shí)間上的相關(guān)性，則得到的結(jié)果將更加準(zhǔn)確。Ayaehe[5]等跟蹤超聲波序列中圖像中心臟的跳動(dòng)，為醫(yī)生診斷心臟病變提供準(zhǔn)確可靠的信息。Marais[6]等跟蹤核磁共振視頻序列中每一幀的掃描圖像的腦半球，最后將跟蹤結(jié)果用于腦半球的3D重建。視覺跟蹤技術(shù)除了在以上的應(yīng)用之外，還可以應(yīng)用到很多方面。例如：對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的視覺跟蹤，有大量文獻(xiàn)對(duì)這一問題進(jìn)行了研究【7】。此外，視覺跟蹤技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人視覺導(dǎo)航【8、9】，虛擬環(huán)境中的3D交互和虛擬人物角色的動(dòng)作模擬實(shí)現(xiàn)等。1．2視覺跟

6、蹤的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近些年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷發(fā)展，基于圖像傳感器的視覺跟蹤技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展，各種面向復(fù)雜應(yīng)用背景的視覺跟蹤系統(tǒng)也隨之大量涌現(xiàn)。在1996年至1999年間，美國國防高級(jí)研究項(xiàng)目署(DARPA)設(shè)立了以卡內(nèi)基梅隆大學(xué)為首聯(lián)合美國十幾所高等院校和研究機(jī)構(gòu)參加的視頻監(jiān)控重大項(xiàng)目VSAM(VideoSurveillanceandMonitoring)【10】。主要目標(biāo)是利用視頻理解、網(wǎng)絡(luò)通信、多種傳感器融合等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)未來城市、戰(zhàn)場等進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控。DARPA在2000年又資助了重大項(xiàng)目HID計(jì)劃(HumanIdentificationataDistance)，

7、研究開發(fā)多模式的監(jiān)控技術(shù)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離情況下人的跟蹤、分類和識(shí)別，以增強(qiáng)國防、民用等場合免受恐怖襲擊的保護(hù)能力。2浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文(2008)在歐洲，歐盟EULTR(EuropeanUnionLongTermResearch)資助比利時(shí)Katholieke大學(xué)的電子工程系、法國國家計(jì)算機(jī)科學(xué)和控制研究院INRIA等歐洲著名的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合研究為警察、法庭等司法機(jī)關(guān)提供基于圖像處理的監(jiān)控系統(tǒng)【ll】。目標(biāo)是提供圖像視頻處理、理解技術(shù)讓司法機(jī)關(guān)能從現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)的錄像資料中獲得更多有用的犯罪證據(jù)。另外