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基于时空上下文学习的快速目标跟踪算法研究

基于时空上下文学习的快速目标跟踪算法研究

作者：樊佳庆南京信息工程大学

学位级别：硕士

尽管视觉目标跟踪已被研究多年,但是,快速且高性能的算法依然缺失。其中,关键问题之一是:视频帧中的时空上下文信息并未被充分发掘利用,而这部分信息对于提升跟踪算法性能影响极大。为此,本文主要研究基于时空上下文学习的相关滤波快速... 详细信息

尽管视觉目标跟踪已被研究多年,但是,快速且高性能的算法依然缺失。其中,关键问题之一是:视频帧中的时空上下文信息并未被充分发掘利用,而这部分信息对于提升跟踪算法性能影响极大。为此,本文主要研究基于时空上下文学习的相关滤波快速跟踪算法,主要贡献概括为如下2点:(1)尽管相关滤波类跟踪取得了较好的效果,但是,其固有的样本循环假设导致样本冗余,不利于学到有效的分类器。本文提出了一种快速流形正则上下文感知相关滤波跟踪算法,来挖掘不同类型样本间的局部流形结构信息。首先,不同于只利用单一基样本的传统相关滤波跟踪方法,本文额外利用了一系列基样本周围的上下文样本,并对其施加流形结构假设。然后,考虑到这些样本之间存在的流形结构,本文在相关滤波学习中,引入线性图拉普拉斯正则项。巧合的是,这个优化问题能够利用快速傅里叶变换求得闭式解,因而能够实现高效计算。大量在OTB100和VOT2016数据集上的实验结果表明,本文提出的跟踪算法在准确性和鲁棒性方面,表现优于几个最先进的算法,并在单个CPU上以28fps的速度实时运行。(2)以上方法只利用一种相关滤波跟踪器,对目标复杂的非刚性形变及颜色变化表现不佳,为此,本文在时空正则相关滤波的基础上,通过设计一种新颖的颜色聚类直方图跟踪算法来弥补原先相关滤波模型的不足,进一步提出了基于颜色聚类和时空正则相关回归的互补跟踪器。所提方法包含两个互补的部分,可以自适应地处理每个序列显著的颜色变化和形变问题:首先,本文设计了一个新颖的基于颜色聚类的直方图模型,该模型首先自适应地将第一帧目标的颜色划分为几个颜色聚类中心,构建自适应颜色直方图,以适应严重的目标形变问题。另外,提出了学习时空正则化的相关滤波器,既能缓解边界效应,又能在目标剧烈变化时提供比标准相关滤波跟踪算法更稳健的表观模型。与其它实时算法相比,本文所提方法仅凭借简单的手工设计特征,在OTB100、Temple-Color和VOT2016这三个数据集上都取得了较好的结果。

关键词：目标跟踪相关滤波时空正则上下文学习颜色聚类

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基于相关滤波的内河船舶跟踪算法研究

基于相关滤波的内河船舶跟踪算法研究

作者：邹绵璐温州大学

学位级别：硕士

近些年来,经济快速发展,水上运输方便快捷,成为重要的运输方式。但是部分航运参与者航运意识淡薄,出现逆行,超载,追越等行为,也给水上运输带来安全隐患。此外,水上运输环境差,尤其是国内内河流域,有些水域浅显,弯曲,通航环境差,容易引... 详细信息

近些年来,经济快速发展,水上运输方便快捷,成为重要的运输方式。但是部分航运参与者航运意识淡薄,出现逆行,超载,追越等行为,也给水上运输带来安全隐患。此外,水上运输环境差,尤其是国内内河流域,有些水域浅显,弯曲,通航环境差,容易引发交通事故。因此,有效地掌控通航环境,记录船舶行驶路线,监控船舶作业行为,对违规船舶,复杂危险的航行环境及时发出预警提示,是一项重大而又重要的工程。在对内河船舶进行行为判断之前,需精准定位目标船舶,并在运动过程中,能够一直跟踪目标船舶。船舶跟踪技术,提取船舶特征,能够获取船舶细节信息(位置和大小等)。因此实现内河船舶的准确跟踪,是船舶精准监控的关键技术之一。本文系统地分析内河视频序列属性。围绕着“如何准确实时地跟踪内河船舶,克服船舶在行驶过程中出现遮挡干扰,尺度变化情况”,这一重点问题。针对性地提出算法改进,并测试多种不同场景下的内河船舶视频,以此来验证算法的有效性和鲁棒性。具体完成以下几方面的工作。为了验证算法的有效性,本课题手工标注船舶数据集,并按照10种属性分类,建立公开数据集。以此验证算法在不同属性视频下,不同长度序列下的跟踪精确度和成功率,这也是本课题的贡献之一。为了达到精确跟踪内河船舶这一研究目标,本课题首先提出了一种基于相关滤波的改进算法,引入上下文线索,结合时间连续性和空间相关性,并提出优化回归的方法,能够更准确的拟合目标的空间结构,以此来提高算法对船舶遮挡情况的跟踪精确度和成功率。进一步地引入特征融合方法,使用VGG-M网络,提取CNN特征,与Hog,CN特征结合,以解决船舶尺度变化情况。基于上述建立的数据集,实验测试结果表明,与一些先进算法相比,提出的基于相关滤波的改进方法和特征融合方法在遮挡干扰和尺度变化情况下具有较好的跟踪精确度和成功率。在OPE评估方式下遮挡跟踪成功率达到0.774,尺度跟踪成功率达到0.832。

关键词：船舶跟踪相关滤波上下文回归时空正则特征融合

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基于相关滤波的目标跟踪系统的设计与实现

基于相关滤波的目标跟踪系统的设计与实现

作者：王梓州北方民族大学

学位级别：硕士

目标跟踪是计算机视觉主要研究课题之一。近年来这项技术广泛应用于医疗、科技等多个方面。由于应用场景复杂,遮挡、形变、旋转、尺度变化等因素给跟踪算法带来很多挑战。作为目标跟踪的重要分支,相关滤波跟踪算法在速度上的优势得到学... 详细信息

目标跟踪是计算机视觉主要研究课题之一。近年来这项技术广泛应用于医疗、科技等多个方面。由于应用场景复杂,遮挡、形变、旋转、尺度变化等因素给跟踪算法带来很多挑战。作为目标跟踪的重要分支,相关滤波跟踪算法在速度上的优势得到学术界和工业界的双重青睐。针对目标跟踪常见的问题,本文基于相关滤波理论,对核相关滤波(Kernelized Correlation Filter,KCF)和时空正则相关滤波(Spatial-Temporal Regularized Correlation Filter,STRCF)两种经典算法的不足做了一些针对性工作。(1)针对目标发生遮挡和形变时,KCF算法容易出现跟踪漂移问题,本文对KCF算法特征提取和模型更新模块做出改进,实现了多特征融合的抗遮挡核相关滤波跟踪算法。首先,采用融合方向梯度直方图(Histogram of Oriented Gradient,HOG)特征和颜色名(Color Name,CN)特征的方法,改善单特征表征目标能力不足的问题。其次,采用高置信度模型更新策略来判别是否更新模型,该方法可以改善逐帧更新模型时引入错误背景信息的问题。实验表明,本文算法跟踪精确率高于对比算法,且应对目标遮挡和形变时有较高的鲁棒性。(2)针对目标发生平面内旋转时,STRCF算法容易出现目标定位不准的问题,本文对STRCF算法做出改进,实现了基于时空正则与特征融合的相关滤波跟踪算法。该方法采用融合HOG、CN以及多块局部二值(Multi-Block Local Binary Patterns,MB-LBP)特征的方法来改善算法面对目标旋转时定位不准问题,选择尺度池方法来估计目标尺度变化,选择交替方向乘子算法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)求解优化模型。实验表明,本文算法跟踪成功率高于对比算法,且应对目标发生旋转时有较高的鲁棒性。(3)为了更加便捷地研究相关滤波跟踪算法,以及对跟踪效果的观察更加直观,本文设计并实现一个基于Matlab＿GUI的目标跟踪系统,其功能包括读入图像序列、跟踪、暂停和退出等功能。经过实验测试,本文设计的目标跟踪系统工作稳定,满足功能和性能要求。

关键词：目标跟踪多特征融合时空正则核相关滤波多块局部二值

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复杂红外场景下的小目标跟踪技术研究

复杂红外场景下的小目标跟踪技术研究

作者：王久山江南大学

学位级别：硕士

当目标远离红外系统时,其在成像图像上的信息量较少,使得复杂红外场景下的小目标持续精确跟踪成为一项具有挑战的视觉问题。针对这一问题,本研究在相关滤波跟踪框架上,引入能够区分红外小目标边缘信息与杂波噪声的侧窗滤波方法,设计了... 详细信息

当目标远离红外系统时,其在成像图像上的信息量较少,使得复杂红外场景下的小目标持续精确跟踪成为一项具有挑战的视觉问题。针对这一问题,本研究在相关滤波跟踪框架上,引入能够区分红外小目标边缘信息与杂波噪声的侧窗滤波方法,设计了一种红外小目标的跟踪算法。具体来说,首先利用通过时空正则项的相关滤波跟踪模型,将目标位置附近更大范围的背景进行考虑。然后利用侧窗滤波对当前局部搜索区域进行侧窗滤波处理,达到了保留边缘效果的同时剔除了图像噪声。最后,通过原始图像与滤波后图像作差,降低了背景边缘对目标定位错误的影响,并实现小目标状态估计。为验证本研究所提算法性能,采用地空背景下红外图像小飞机目标检测跟踪数据集图像进行实验,并与经典的核相关滤波、空间正则化的相关滤波,以及时空正则化的相关滤波等经典算法作比较。实验结果表明,所提算法在多组复杂背景的图像序列上,获得了较高的跟踪精度,验证了所提算法能有效应对红外小目标跟踪任务中的快速运动、低分辨率,以及高频背景等问题。尽管经过侧窗滤波降噪处理,跟踪精度有所提升,但仍会出现目标丢失的情况。针对这一问题,引入融合稀疏矩阵和运动轨迹的重检测方法,通过对跟踪结果的评估,决定是否触发重检测器,设计了一种稳定跟踪算法。具体来说,首先对相关滤波框架的跟踪结果进行评估,若认为跟踪结果不可靠,则触发重检测器。使用融合稀疏矩阵和运动轨迹的局部重检测方法,在扩大的检测区域内定位目标。然后对局部检测结果进行评估,若该结果依然不可靠,则触发全局检测,全局检测依靠低秩稀疏分解的方法获取目标位置。实验表明,该算法在公开红外数据集上获得了较高的跟踪精度,且能满足跟踪实时性要求。

关键词：目标跟踪红外小目标侧窗滤波时空正则相关滤波重检测低秩稀疏分解运动轨迹监测