基于卡尔曼滤波的动目标视觉跟踪方法研究

Ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｆｒａｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｉ．ｅ．ｔｈｅ ｉｍａｇｅｓ ａｆｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｖｅ ｎｏｉｓｅｓ ａｎｄ ｐａｒｔｉａｌ ｒｅｇｉｏｎ ｍａｙ ｂｅ ｕｎｄｅｔｅｃｔｅｄ，ｗｅ ｕｔｉｌｉｚｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｔｏ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｒｅｍｏｖｅ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅｓ ｉｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｆｉｌｌ ｕｐ ｔｈｅ ｐａｒｔｉａｌ ｕｎｄｅｔｅｃｔｅｄ ｒｅｇｉｏｎ，ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔ ａｎ ｅｄｇｅ ｌｉｎｋｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｄｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ，ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｒｅｅ·ｆｒａｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｅｄｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｐｒｅｃｌｕｄｅ ｔｈｅ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｕｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉａｌ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ．
在运动目标跟踪方面，应用经典卡尔曼滤波算法实现了对运动目标的跟踪， 但经典卡尔曼滤波方法是线性的滤波算法，对于非线性问题的跟踪效果不好。本 文应用自适应无迹卡尔曼滤波方法，对序列图像中的单运动目标以及多运动目标 进行跟踪实验，实验结果表明自适应无迹卡尔曼滤波方法可以更好的对目标进行 跟踪。
在阴影检测与去除方面，对阴影形成原因及特点进行分析，并提出一种基于 阴影在ＨＳＶ颜色空间下特点和纹理特征的阴影检测与去除算法。实验结果表明该 算法可以有效的去除阴影，提高对运动目标检测和跟踪的准确度。
ｓｅｖｅｒａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｖｉｓｕａｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ，ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ
ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｈａｄｏｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｉｎｌｙ ｔａｓｋｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｃｌｕｄｅ：
Ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｗｅ ａｐｐｌｙ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｌｉｎｅａｒ ｆｉｌｔｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｎｏｔ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ，ｗｅ ａｐｐｌｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ｕｎｓｃｅｎｔｅｄ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｓｉｎｇｌｅ ｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｉｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｉｍａｇｅｓ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｂｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ｕｎｓｃｅｎｔｅｄ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ； ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ；Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ； ｍｕｌｔｉ－ｔａｒｇｅｔｓ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｓｈａｄｏｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ
目
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第１章 绪论…………………………………………………………………………一１ １．１引言…………………………………………………………………………………………………………１ １．２基于卡尔曼滤波的动目标视觉跟踪的背景及意义……………………………４ １．３基于卡尔曼滤波的动目标视觉跟踪的国内外现状……………………………６ １．３．１卡尔曼滤波研究现状………………………………………………………．６ １．３．２自适应卡尔曼滤波研究现状………………………………………………．８ １．３．３无迹卡尔曼滤波研究现状…………………………………………………．９ １．４本文的研究内容………………………………………………………………一１０ １．５本章小结………………………………………………………………………一１１
Ｃｌａｓｓｍｃａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ：ＴＰ３９ ｌ Ｕ．Ｄ．Ｃ：６２０
Ａ Ｔｈｅｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍａｓｔｅｒ Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｖｉｓｕａｌ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｏｆ Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｋａｌｍａｎ Ｆｉｌｔｅｒ
Ｃａｎｄｉｄａｔｅ：Ｗａｎｇ Ｘｉａｏｙａｎ
在运动目标检测方面，针对三帧差法检测出的图像含有噪声和目标部分区域 漏检的不足，应用数学形态学原理对检测结果进行处理，去除检测结果中的噪声， 填充部分漏检区域，并提出了一种基于梯度的边缘连接算法，对运动目标边缘检 测结果进行改进。本文结合三帧差法和改进的边缘检测方法对运动目标进行检测。 该方法不仅提高目标检测的精度，而且避免了运动目标部分区域的漏检。
Ｄａｔｅ ｏｆ Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ：Ｍａｒｃｈ，２０ １ ２
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｌｉｇｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。
Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ａｓｓｏｃｉａｔｅ Ｐｒｏｆ．Ｚｈａｎｇ Ｙａｎｚｈｕ
Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｄｅｇｒｅｅ Ａｐｐｌｉｅｄ ｆｏｒ：Ｍａｓｔｅｒ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ：Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄａｔｅ ｏｆ Ｓｕｂｍｉｓｓｉｏｎ：Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０ １ １
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
学位论文作者签名：王老芋邑，ｊ指导教师签名：琵
日
期：土Ｄ ｆ ａ．≥．１文 日
期：王Ｄ，
～——————————————————————————————————————————————————－＿————————————————————————————————一
作者（签字）：王元承■
日期
：少ｆｏ年弓月旧日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。
关键词：运动目标检测；运动目标跟踪；卡尔曼滤波；多目标跟踪；阴影检测与 去除
沈阳理：［：大学硕士学位论文
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｓｔ ｍｉｄ—ｃｅｎｔｕｒｙ，ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｈａｖｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｒａｐｉｄｌｙ ａｎｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎｔｏ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ．Ｆｒｏｍ １ ９９０ｓ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｉｓｕａｌ ｄａｔａ ｈａｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｂｅｉｎｇ ｔｒａｃｋｅｄ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｉｓ ｕｎｃｅｒｔａｉｎ，ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｑｕｉｔｅ ｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｖｉｓｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ，ｇｉｖｅｓ
沈刚理．１：人学硕十学位论文
摘要
自上世纪中期，运动目标跟踪的概念被提出之后，运动目标检测与跟踪技术 得到迅速发展，ｎｊ－。泛应用。九十年代以来，基于视频的目标跟踪方法研究也逐渐 增多。由于实际跟踪环境复杂多变，被跟踪运动目标模型不确定等因素，运动目 标视觉跟踪技术成为计算机视觉研究领域中十分有挑战性的研究内容之一。本文 基于卡尔曼滤波理论，对运动目标视觉跟踪技术展开了多种方法的研究，并提出 了新的运动目标检测方法和阴影检测与去除方法，取得了较好的实验结果。本文 的主要工作如下：
Ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｓｈａｄｏｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ，ｗｅ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｈａｄｏｗ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔ ａ ｎｅｗ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｓｈａｄｏｗ
分类号：ＴＰ３９１
Ｕ Ｄ Ｃ：６２０
密级： 编号：
工学硕士学位论文
基于卡尔曼滤波的动目标视觉跟踪方法研究
硕士研究生：
指导教师
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学位级别
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学科、专业 ：
所在单位
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论文提交日期：
论文答辩日期：
学位授予单位：
王孝艳 张艳珠副教授 工学硕士 模式识别与智能系统 信息科学与工程学院 ２０１１年ｌ ２月 ２０１ ２年０３月 沈阳理工大学
第２章运动目标检测算法…………………………………………………………１ ２ ２．１引言………………………………………………………………………………………………………．１２ ２．２运动目标检测的常用方法……………………………………………………一１２ ２．２．１背景减除法…………………………………………………………………１２ ２．２．２光流法………………………………………………………………………１ ３ ２．２．３帧差法………………………………………………………………………１４ ２．３改进的三帧差法………………………………………………………………一１４ ２．３．１运动目标检测的三帧差法…………………………………………………１ ５ ２．３．２基于数学形态学的改进检测算法…………………………………………１７ ２．３．３图像的边界分析……………………………………………………………１９ ２．４本章小结…………………………………………………………………………２５
沈刚理ｊＩ：人学硕十学位论文 ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｅｘｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｈａｄｏｗ ｉｎ ＨＳＶ ｃｏｌｏｕｒ ｓｐａｃｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｍ ｃａｎ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｓｈａｄｏｗ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ．