基于L1正则化的实时运动目标跟踪的新方法

摘要

本发明公开了一种基于L1正则化的实时运动目标跟踪的新方法，包括以下步骤：输入第一帧图像并确定跟踪的目标；初始化跟踪姿态；初始化模板集；进行粒子滤波的粒子初始化；获取下一帧图像，转下一步进行跟踪，直到最后一帧；对图像进行预处理；计算粒子与模板的相似度；将最大观测概率的粒子并进行重采样；遮挡检测；模板更新。通过将琐碎模板的系数的二范数项添加到L1最小化模型中，建立新的最小化模型，在模板更新前使用遮挡检测方法检测目标是否存在遮挡，从而改进目标跟踪的精度；利用导数有界和可解析表示求解新的最小化模型，从而使得新的算法能适用于实时运动目标跟踪。本发明可在保证目标跟踪准确度的同时，使算法满足实际应用的性能要求。

主权项

一种基于L1正则化的实时运动目标跟踪的新方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，输入第一帧图像，把它转化为灰度图像，从第一帧图像确定跟踪的目标；步骤2，初始化跟踪目标的跟踪姿态和粒子，方法如下：在跟踪的目标上取三个点，形成四边形的跟踪框，然后将这三个点进行仿射变换，形成目标初始姿态的仿射六参数的矩阵，并将初始姿态规定为参考模板；根据参考模板仿射参数构造一个扰动，并作为零均值正态分布的方差；参考模板仿射参数加上这个正态分布的噪声形成NS个仿射参数矩阵作为粒子；步骤3，初始化模板集，方法如下：参考模板加上随机扰动形成N个候选模板构成矩阵A，然后将模板矩阵A与M个琐碎模板构成的矩阵B形成模板矩阵T；其中琐碎模板个数M为目标矩形框像素点个数，矩阵B为M×M的单位矩阵；步骤4，获取下一帧图像，如果不是最后一帧图像，转步骤5进行跟踪；否则，跟踪结束；步骤5，图像进行预处理，将原始图像转换成灰度图像；步骤6，根据参考模板仿射参数构造一个扰动，并作为零均值正态分布的方差；NS个粒子仿射参数加上这个正态分布的噪声形成新的仿射参数作为新的粒子；步骤7，一阶段采样，方法如下：首先，按下式计算观测概率的上界：$q\left(z_t\right|x_t^i)=\frac{1}{\Gamma }\exp \{-a{\left|\right|T_t\hat{\alpha }-y_t^i\left|\right|}_2^2\}$其中，为t时刻粒子状态为时观测值为z_t的概率，T_t表示t时刻包括候选模板A_T与琐碎模板A_I的模板矩阵，表示粒子的仿射矩阵从当前帧获取的跟踪目标，为候选目标分解为模板矩阵T_t张成空间对应的系数，包括候选模板系数α_T和琐碎模板系数α_I，a是常数，Γ为概率归一化参数；然后，将所得的观测概率进行排序；步骤8，二阶段采样：利用函数的导数有界和可解析求解的迭代求解的L1正则化的最小二乘逼近误差得到模板的系数，然后根据粒子的重构误差计算粒子精确的观测概率，并且找出观测概率最大的粒子，具体方法如下：原始L1模型为：约束条件：α_T≥0其中，λ是正则化参数，表示f(α)取最小值时α的取值；由于琐碎系数能判断像素是否被遮挡，对模型引入琐碎系数的二范数项，使模型处理目标被遮挡的情况，得到改进模型为：$\arg \min \frac{1}{2}{\left|\right|y_t^i-T_t\alpha \left|\right|}_2^2+\lambda {\left|\right|\alpha \left|\right|}_1+\frac{{\mu }_t}{2}{\left|{|\alpha }_I\right||}_2^2$约束条件：α_T≥0其中，μ_t为控制琐碎模板系数的参数，由遮挡检测方法自动调整得到；加速迭代优化L1模型的方法如下：①将改进的L1正则化模型变换成无约束模型；迭代优化用于求解无约束模型，先将改进的L1正则化模型转化为无约束的模型，则改进的正则化模型为：其中，表示所有元素均为1的向量，表示指示函数，其表达式为：令$F\left(\alpha \right)=\frac{1}{2}{\left|\right|y_t^i-T_t\alpha \left|\right|}_2^2+\lambda 1_T^T{\alpha }_T+\frac{{\mu }_t}{2}{\left|\right|{\alpha }_I\left|\right|}_2^2,$利用F(α)函数的导数有界，以及G(α)的可解析求解，求解下述最优化问题：${\alpha }_{k+1}=\underset{\alpha }{\arg \min }\frac{L}{2}{\left|\right|\alpha -{\beta }_{k+1}+\frac{▿F\left({\beta }_{k+1}\right)}{L}\left|\right|}_2^2+G\left(\text{α}\right)$其中，表示求梯度，L是F(α)的上界，${\beta }_{k+1}={\alpha }_k+\frac{t_{k-1}-1}{t_k}({\alpha }_k-{\alpha }_{k-1}),$$t_{k+1}=\frac{1+\sqrt{1+{4t}_k^2}}{2},$k∈[0,∞]，t_k+1为辅助变量(t₀＝t_‑1＝0)；直到收敛，得到模板系数，从而计算粒子的观测概率；②计算粒子的观测概率：$q\left(z_t\right|x_t^i)=\frac{1}{\Gamma }\exp \{-a{\left|\right|T_t\hat{a}-y_t^i\left|\right|}_2^2\}$其中，为最大观测概率粒子的相应候选模板系数；步骤9，重采样，方法如下：首先将粒子的观测概率进行归一化，然后用粒子数NS乘归一化后的粒子的观测概率，从而概率较大的粒子衍生出相对较多的后代粒子，而概率较小的粒子衍生出较少的后代粒子；步骤10，如果观测概率最大的粒子与系数最大的候选模板的余弦相似度大于事先定义的阈值，则进行遮挡检测；遮挡检测的方法如下：将琐碎系数组成二维矩阵，当琐碎系数大于设定阈值，则认为该像素点所在区域可能被遮挡，并标记该像素点；当被标记的连通区域大于设定阈值，则目标是被遮挡，并不更新候选模板集；步骤11，模板更新：根据概率最大的粒子的模板系数，将其系数最小的候选模板，用其仿射形成的目标模板替换，然后插入到模板矩阵中。