基本原理
視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤是機(jī)器視覺(jué)中研究熱點(diǎn)之一，是目標(biāo)識(shí)別、行為分析等后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，在社會(huì)安全、航空航天等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。目標(biāo)跟蹤在學(xué)術(shù)界經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的研究，發(fā)展出了許多算法，目前較為有效的算法是基于檢測(cè)的跟蹤算法。其基本思想是，在跟蹤開(kāi)始時(shí)對(duì)目標(biāo)建立一個(gè)初始模板，以記錄目標(biāo)的外觀(guān)；為了確定目標(biāo)在下一個(gè)時(shí)刻的位置，利用當(dāng)前的目標(biāo)模板，在前一時(shí)刻目標(biāo)位置附近處搜索與目標(biāo)模板相似的區(qū)域，選擇相似度最大的區(qū)域作為這一時(shí)刻目標(biāo)的真實(shí)位置；跟蹤過(guò)程中，由于目標(biāo)的外觀(guān)受到各種因素的影響（目標(biāo)變形、姿態(tài)變化、光照、遮擋等）而發(fā)生變化，目標(biāo)模板也進(jìn)行相應(yīng)的更新，使其能體現(xiàn)出目標(biāo)當(dāng)前的變化。
基于這種跟蹤框架的算法都面臨著以下幾個(gè)重要的問(wèn)題。目標(biāo)模板要有較強(qiáng)的表達(dá)能力，即目標(biāo)外觀(guān)特征表示要強(qiáng)??；該特征應(yīng)具有較高的判別能力以區(qū)分目標(biāo)與背景的差別；同時(shí)該特征對(duì)于各種影響目標(biāo)外觀(guān)的因素有較好的魯棒性，以解決目標(biāo)在跟蹤過(guò)程中的外觀(guān)變化問(wèn)題，保證跟蹤的穩(wěn)定性。目標(biāo)模板與候選區(qū)域的相似度計(jì)算要具有較高的準(zhǔn)確性，在目標(biāo)與背景較為相似的情況下，要能夠體現(xiàn)出真實(shí)目標(biāo)與背景的差別，不能把相似的背景判定為目標(biāo)。目標(biāo)模板要能自適應(yīng)地更新，當(dāng)目標(biāo)的外觀(guān)發(fā)生變化，模板也要進(jìn)行更新，這種更新是自我學(xué)習(xí)的過(guò)程，要保留目標(biāo)穩(wěn)定、不變形的特征，去除姿態(tài)、光照、遮擋等帶來(lái)的干擾因素。針對(duì)這些問(wèn)題，我們提出了基于受限自適應(yīng)層次化稀疏表示的多目標(biāo)跟蹤算法，該算法的框架圖如下：
圖 1：算法框架圖
該算法利用稀疏表示的能力，結(jié)合分層表達(dá)思想，將層次化和稀疏表示（特征）相結(jié)合，有效提高了目標(biāo)的模板的表達(dá)能力。在建立模板時(shí)，不僅對(duì)目標(biāo)建立模板，對(duì)背景也建立建模，在判斷候選區(qū)域是否為目標(biāo)時(shí)，可以結(jié)合兩個(gè)相似度進(jìn)行判定，分類(lèi)結(jié)果更準(zhǔn)確。在跟蹤過(guò)程中，不斷更新模板時(shí)，對(duì)目標(biāo)和背景建立模板池，收集一段時(shí)間內(nèi)的目標(biāo)和背景特征分布，使得模板池的魯棒性更強(qiáng)。為了保證算法的實(shí)時(shí)性，有選擇性地對(duì)模板進(jìn)行更新，對(duì)當(dāng)前的新目標(biāo)進(jìn)行判斷，如果和模板池差別很小，則不更新模板；差別非常大說(shuō)明跟蹤失敗，也不更新；只有在合適的時(shí)機(jī)才更新模板，即保持模板的穩(wěn)定性，又能減少運(yùn)算，達(dá)到實(shí)時(shí)性。為了更準(zhǔn)確地度量目標(biāo)和背景之間差異，采用自適應(yīng)權(quán)重調(diào)整方法，將目標(biāo)模板和背景之間不相似的特征賦予較大的權(quán)值，相似的特征賦予較小的權(quán)值，增強(qiáng)目標(biāo)與背景之間的區(qū)分度。通過(guò)建立目標(biāo)的時(shí)序特征模型，保證目標(biāo)模板的時(shí)序連貫性與完整性。
算法的主要流程:算法對(duì)視頻中多目標(biāo)的狀態(tài)采樣后，結(jié)合時(shí)間約束、空間約束對(duì)多層稀疏表示特征進(jìn)行加權(quán)，并通過(guò)目標(biāo)基、背景基的更新機(jī)制，在標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖跟蹤框架判斷后得到目標(biāo)的狀態(tài)（包括大小、方向、位置等）；在目標(biāo)丟失后,結(jié)合稀疏分類(lèi)器網(wǎng)格粗略檢出目標(biāo)后再次判斷，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景下實(shí)時(shí)的目標(biāo)跟蹤。
