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1、博博博士士士學學學位位位論論論文文文基于粒子濾波的紅外目標跟蹤方法研究RESEARCHONINFRAREDTARGETTRACKINGMETHODBASEDONPARTICLEFILTER石石石振振振2018年年年4月月月國內圖書分類號：TP751.1學校代碼：10213國際圖書分類號：621.3密級：公開工工工學學學博博博士士士學學學位位位論論論文文文基于粒子濾波的紅外目標跟蹤方法研究博士研究生：石振導師：付平教授申請學位：工學博士學科：儀器科學與技術所在單位：電氣工程及自動化學院答辯日期：2018年4月授予學
2、位單位：哈爾濱工業(yè)大學Classi?edIndex:TP751.1U.D.C.:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONINFRAREDTARGETTRACKINGMETHODBASEDONPARTICLEFILTERCandidate:ZhenShiSupervisor:Prof.PingFuAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:InstrumentScience
3、andTechnologyAf?liation:SchoolofElectricalEngineeringandAutomationDateofDefence:April,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要紅外目標跟蹤方法是早期預警、精確制導、安全監(jiān)控等領域的一項關鍵技術。然而紅外圖像信噪比低、目標可見性差，并且隨著紅外成像系統(tǒng)搭載平臺與目標之間的相對運動，視場內目標狀態(tài)和外觀不斷發(fā)生變化。在目前主流的粒子濾波框架下，
4、紅外目標跟蹤方法仍然面臨目標狀態(tài)非平穩(wěn)隨機變化難以預測、目標外觀模型在不同場景下自適應能力不足、搜索效率和定位精度不高等問題。本文利用紅外圖像序列研究單目標跟蹤方法，借鑒圖像處理、模式識別、機器學習等前沿學科的最新研究成果，致力于提高紅外目標跟蹤方法對干擾因素的魯棒性以及在不同場景下的自適應能力。主要完成工作如下：針對目標狀態(tài)發(fā)生突變時基于先驗知識生成的候選粒子集合覆蓋效率下降，導致目標狀態(tài)非平穩(wěn)隨機變化難以預測的問題，提出了一種基于高斯采樣和顯著度重要性采樣相結合的紅外目標運動建模方法。首先以上一時刻目標狀態(tài)為
5、均值進行高斯采樣，生成的粒子集合能夠對當前時刻目標狀態(tài)進行基本覆蓋。在此基礎上引入顯著性模型，從而在目標外觀統(tǒng)計信息未知的條件下獲得圖像顯著區(qū)域，然后通過顯著度重要性采樣生成的粒子集合著重覆蓋上一時刻目標附近的顯著區(qū)域。實驗結果表明，在目標區(qū)域相對于附近背景具有顯著性的前提下，本文提出方法能夠提高對紅外目標狀態(tài)非平穩(wěn)隨機變化的預測能力。針對多特征融合時難以根據不同特征對目標和背景判別能力合理分配權重，導致目標外觀模型在不同場景下自適應能力不足的問題，提出了一種基于幀間尺寸不變多核特征融合的紅外目標外觀建模方法。首
6、先根據紅外目標機動性強、可見性差的特點，通過Bhattacharyya系數衡量直方圖相似性構造核函數，將目標模板和候選目標從灰度特征空間非線性映射到核特征空間。然后將基于不同核特征得到的目標尺寸估計值與上一幀的目標尺寸進行比較，根據目標尺寸誤差對不同核特征分配權重。實驗結果表明，在相鄰圖像幀之間目標尺寸近似保持不變的前提下，本文提出方法能夠提高紅外目標外觀模型在不同場景下的自適應能力。針對核特征空間下模板匹配計算效率低以及無效粒子參與目標狀態(tài)估計引入誤差，導致搜索效率和定位精度不高的問題，提出了一種基于稀疏約束模
7、板匹配的紅外目標搜索機制。首先在灰度特征空間下將候選目標集合作為整體進行模板匹配，通過在模板匹配對應的線性回歸問題中引入稀疏約束條件，進而從候選目標集合中獲得有效子集。然后將候選目標有效子集從灰度特征空間映-I-哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文射到核特征空間，在核特征空間下對候選目標有效子集進行遍歷模板匹配，最后通過候選粒子有效子集加權求和估計當前時刻目標狀態(tài)。實驗結果表明，本文提出方法與核特征空間下對所有候選目標進行模板匹配相比，能夠提高對紅外目標的搜索效率。在目標模板和候選目標正樣本分布在同一個灰度特征線性子空
8、間的前提下，能夠提高對紅外目標的定位精度。關鍵詞：紅外目標跟蹤；粒子濾波；運動建模；外觀建模；搜索機制-II-AbstractAbstractInfraredtargettrackingisakeytechnologyinthe?eldsofearlywarning,precisionguidance,safetymonitoringandsoon.However,the
