易 詩，林凡強(qiáng)，周姝穎

(成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

基于改進(jìn)TLD的自動(dòng)目標(biāo)跟蹤方法

易 詩，林凡強(qiáng)，周姝穎

(成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

視覺跟蹤一直是機(jī)器視覺研究熱點(diǎn)，TLD(tracking-learning-detection)算法是近年來出現(xiàn)的一種高效的視覺跟蹤算法，針對TLD算法中Lucas-Kanade(LK)光流法無法有效跟蹤物體快速移動(dòng)和尺度變化的問題，采用金字塔光流法對TLD算法進(jìn)行改進(jìn)。并將所跟蹤物體形心作為圖像定位參考點(diǎn)，提取物體定位信息，通過定位信息運(yùn)用比例-積分-微分(proportion-integral-derivative，PID)控制算法控制攝像頭舵機(jī)云臺(tái)轉(zhuǎn)向，使攝像頭快速、靈活、精確地自動(dòng)跟蹤指定物體。通過系統(tǒng)測試，與傳統(tǒng)TLD算法對比，采用金字塔光流法改進(jìn)的TLD目標(biāo)跟蹤算法在跟蹤目標(biāo)發(fā)生光照變化、尺度變化等情況時(shí)，具有更加優(yōu)良的跟蹤性能，準(zhǔn)確將跟蹤目標(biāo)形心位置提供給控制部分，控制算法高效靈活，在獲取信息后精確、快速地控制攝像頭方位，使其正對跟蹤目標(biāo)。該系統(tǒng)對目標(biāo)跟蹤技術(shù)、安防技術(shù)、自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)具有重大意義。

TLD算法；金字塔光流法；圖像定位；比例-積分-微分(PID)控制算法

0 引 言

目標(biāo)跟蹤是機(jī)器視覺的研究熱點(diǎn)，在機(jī)器視覺研究領(lǐng)域，對任意目標(biāo)的鎖定和跟蹤具有很大的研究意義。目標(biāo)跟蹤要求設(shè)備根據(jù)輸入視頻流檢測發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、鎖定目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)[1]。

近年來出現(xiàn)眾多目標(biāo)跟蹤算法，如連續(xù)自適應(yīng)均值漂移(continuously adaptive mean-shift，cam shift)算法、快速壓縮跟蹤算法、核相關(guān)濾波器(kernelized correlation filters,KCF)算法、(tracking-learning-detection，TLD)算法等。其中，TLD算法以其需要先驗(yàn)信息較少、具備在線學(xué)習(xí)能力、長期對目標(biāo)跟蹤的魯棒性優(yōu)良，適應(yīng)于視頻采集系統(tǒng)與目標(biāo)均為動(dòng)態(tài)的場合。TLD算法實(shí)時(shí)、高效、跟蹤穩(wěn)定，但也存在無法有效跟蹤光線變化和尺度變化的目標(biāo)，本文對TLD算法中跟蹤器采用的LK光流法進(jìn)行改進(jìn)，采用金字塔光流法，改進(jìn)后的TLD算法對光線和尺度變化的目標(biāo)的跟蹤性能提升顯著[2]。

本文同時(shí)設(shè)計(jì)了根據(jù)所跟蹤物體形心作為圖像定位參數(shù)的自動(dòng)跟蹤攝像頭，根據(jù)被跟蹤物體的在視頻中的位置信息，采用比例-積分-微分(proportion-integral-derivative，PID)控制算法控制攝像頭舵機(jī)云臺(tái)，使攝像頭跟隨鎖定物體各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)跟蹤的目的，這種改進(jìn)的TLD目標(biāo)跟蹤方法對于智能機(jī)器人技術(shù)有非常重大意義[3]。

1 目標(biāo)跟蹤算法

1.1 TLD目標(biāo)跟蹤算法

TLD算法是一種目前相當(dāng)高效、運(yùn)用廣泛的目標(biāo)檢測跟蹤算法，算法主體為3部分：跟蹤模塊、在線學(xué)習(xí)模塊和檢測模塊[4]。算法首先指定跟蹤目標(biāo)，通過目標(biāo)檢測模塊捕捉目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性，將檢測模塊初始化、跟蹤模塊與檢測模塊協(xié)同工作，對跟蹤目標(biāo)位置進(jìn)行鎖定；在線學(xué)習(xí)模塊通過鎖定與預(yù)測數(shù)據(jù)不斷對跟蹤模塊與檢測模塊的參數(shù)進(jìn)行更新；同時(shí)，跟蹤模塊與檢測模塊對在線學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，更新在線學(xué)習(xí)模塊參數(shù)。3個(gè)模塊工作于閉環(huán)狀態(tài)，形成一個(gè)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)，高效準(zhǔn)確地確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)所處位置[5]。算法流程如圖1所示。

現(xiàn)行TLD算法的核心跟蹤部分位于跟蹤模塊中，跟蹤模塊使用Lucas-Kanade(LK)光流法。LK算法基本原理在于捕捉運(yùn)動(dòng)物體特征點(diǎn)，利用視頻每幀間目標(biāo)特征點(diǎn)所產(chǎn)生的矢量光流場進(jìn)行跟蹤，用均值的方法對下一幀跟蹤目標(biāo)位移方向進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)該原理，視頻幀產(chǎn)生的新特征點(diǎn)均被捕捉跟蹤，目標(biāo)跟蹤具有很強(qiáng)魯棒性，然而，LK光流法對目標(biāo)跟蹤具備如下3個(gè)假設(shè)。

圖1 TLD算法流程圖Fig.1 TLD algorithm flow chart

1)跟蹤目標(biāo)光照和亮度恒定，目標(biāo)像素與外觀在相鄰幀間基本保持不變；

2)跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)幅度不大，在連續(xù)時(shí)間點(diǎn)上為小運(yùn)動(dòng)；

3)相同背景空間上，跟蹤目標(biāo)鄰近點(diǎn)運(yùn)動(dòng)相似，在圖像上鄰近區(qū)域投影相同。

而對于自動(dòng)視覺跟蹤系統(tǒng)，目標(biāo)和識別設(shè)備都處于動(dòng)態(tài)環(huán)境中，跟蹤物體的亮度、運(yùn)動(dòng)中的尺度變化、物體所處空間環(huán)境變化均存在，因此，需要對經(jīng)典TLD算法做出一定改進(jìn)[6]。

1.2 改進(jìn)的目標(biāo)跟蹤器

在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，為更好使用TLD算法對物體進(jìn)行跟蹤，需要對跟蹤器中的LK光流算法做出一定改進(jìn)。

在動(dòng)態(tài)應(yīng)用的跟蹤環(huán)境下，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度較快，難以滿足光流估計(jì)方法的約束條件，為了解決這個(gè)問題，引入金字塔光流法。金字塔光流法的特點(diǎn)在于其采用多分辨率的表現(xiàn)方法，不同分辨率層可以表示不同尺度目標(biāo)。首先，在金字塔頂層計(jì)算光流，得到的運(yùn)動(dòng)估計(jì)特征作為下一層的初始點(diǎn)；然后，重復(fù)該過程直至底層，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)快速跟蹤[7]。其原理如圖2所示。

圖2 金字塔光流法原理圖Fig.2 Schematic diagram pyramid optical flow method

金字塔光流法將原圖像作為金字塔最頂層輸入，將圖像減采樣至原來尺寸的1/2N(N=1)，運(yùn)行一次LK算法后獲得下一層圖像輸入，該層相鄰幀間像素移動(dòng)距離為D/2N，D為幀間目標(biāo)像素運(yùn)動(dòng)距離，當(dāng)層數(shù)達(dá)到一定值時(shí)(通常3～5層),可滿足光流法約束條件，其算法流程如圖3所示。

圖3 金字塔光流法流程圖Fig.3 Pyramid optical flow method flow chart

Vf為初始目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，在金字塔頂層Vf=0，細(xì)節(jié)最少，ΔVf為f層的光流計(jì)算結(jié)果，作為下層圖像運(yùn)動(dòng)估計(jì)，并根據(jù)這一規(guī)則計(jì)算該幀光流，直至金字塔底層。

采用金字塔光流法使目標(biāo)跟蹤算法對物體光線變化、運(yùn)動(dòng)、尺度變化的跟蹤有了明顯改善。

2 自動(dòng)跟蹤控制算法

2.1 圖像定位算法

系統(tǒng)采用改進(jìn)的TLD算法對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，對跟蹤鎖定的目標(biāo)物體提取其形心，以確定當(dāng)前物體位于圖像中的精確位置信息[8]。

物體形心的計(jì)算需先將圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，根據(jù)形心計(jì)算公式

(1)

(1)式中：x0，y0為形心坐標(biāo)；f(x,y)為二值圖像在(x,y)處坐標(biāo)值。根據(jù)(1)式計(jì)算出跟蹤物體的形心，通過形心計(jì)算，可以確定跟蹤物體中心在圖像中具體坐標(biāo)，提供該物體的定位信息。

2.2 攝像頭自動(dòng)跟蹤控制算法

系統(tǒng)采用舵機(jī)控制板連接二自由度舵機(jī)云臺(tái)架設(shè)攝像頭，目標(biāo)跟蹤算法將舵機(jī)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)與命令通過串口發(fā)送給舵機(jī)控制板，控制舵機(jī)云臺(tái)轉(zhuǎn)向，使攝像頭具備在二維平面自由旋轉(zhuǎn)跟蹤的功能，跟蹤系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 跟蹤系統(tǒng)框架圖Fig.4 Tracking system frame diagram

為控制舵機(jī)云臺(tái)架設(shè)的攝像頭能精確、快速跟蹤物體，采用PID算法控制舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向跟蹤[9]。舵機(jī)控制PID算法公式為

(2)

(2)式中：u(t)為輸出函數(shù)；KP為比例系數(shù)[10]；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)；e(t)為時(shí)域控制函數(shù)。PID算法中，通過比例部分P進(jìn)行舵機(jī)角度粗調(diào)整，通過積分部分I對轉(zhuǎn)向累積誤差進(jìn)行調(diào)整，通過微分部分D對轉(zhuǎn)向誤差做出預(yù)期調(diào)整。根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和舵機(jī)轉(zhuǎn)向速度，通過調(diào)試。取比例系數(shù)KP=0.000 5，積分系數(shù)KI=0.18，微分系數(shù)KD=0.08[11]。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)算法在Visual2012+opencv2.49環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，通過串口連接舵機(jī)控制板，控制2自由度舵機(jī)云臺(tái)，掛載640像素×480像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭對系統(tǒng)的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤[12]，做出了完整的測試。

為對比系統(tǒng)算法改進(jìn)效果，首先采用傳統(tǒng)TLD跟蹤算法[5]對目標(biāo)在光線強(qiáng)度變化下的跟蹤效果進(jìn)行測試，測試中將茶杯正面翻蓋處作為跟蹤目標(biāo)[13]，系統(tǒng)在第3幀時(shí)鎖定該目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，如圖5所示。

由測試可以看出，采用傳統(tǒng)TLD跟蹤算法在光照強(qiáng)度變化時(shí)，跟蹤形心偏離了目標(biāo)中心點(diǎn)[14]。

再次測試傳統(tǒng)TLD算法對跟蹤目標(biāo)尺度變化跟蹤效果，如圖6所示。

由測試可以看出，采用傳統(tǒng)TLD跟蹤算法在目標(biāo)尺度發(fā)生變化時(shí)，跟蹤形心嚴(yán)重偏離了目標(biāo)中心點(diǎn)，基本失去跟蹤特性[15]。

圖5 目標(biāo)光照強(qiáng)度變化跟蹤測試Fig.5 Target light intensity change tracking test

圖6 目標(biāo)尺度變化跟蹤測試Fig.6 Target scale change tracking test

下面使用金字塔光流法改進(jìn)的TLD算法進(jìn)行目標(biāo)跟蹤測試。

首先，對目標(biāo)檢測和跟蹤做出測試，如圖7所示。

圖7 目標(biāo)檢測跟蹤測試Fig.7 Target detection and tracking test

由測試可以看出，改進(jìn)的TLD算法可以有效鎖定目標(biāo)[16]，同時(shí)攝像頭轉(zhuǎn)向，將目標(biāo)原來形心(450，280)調(diào)整至(330，250)。

對目標(biāo)旋轉(zhuǎn)與光照變化的跟蹤測試如圖8所示。

圖8中，將茶杯翻蓋左旋45°，目標(biāo)光照隨即發(fā)生變化，系統(tǒng)仍然能有效跟蹤目標(biāo)，攝像頭微轉(zhuǎn)向，保持物體形心位于圖像中央部分。

圖8 目標(biāo)旋轉(zhuǎn)和光照變化跟蹤測試Fig.8 Target rotation and illumination change tracking test

對目標(biāo)尺度變化的跟蹤測試如圖9所示。

圖9 目標(biāo)尺度變化跟蹤測試Fig.9 Target scale change tracking test

圖9中，將茶杯移至離原位置50 cm外，跟蹤目標(biāo)尺度發(fā)生很大變化，同時(shí)一定程度右旋，系統(tǒng)仍然快速鎖定跟蹤目標(biāo)，并微調(diào)攝像頭使目標(biāo)形心處于(300～340，220～260)中。

通過以上測試，對比傳統(tǒng)TLD跟蹤算法，無論目標(biāo)旋轉(zhuǎn)、位移或光照變化，改進(jìn)的TLD目標(biāo)跟蹤算法具有更高的魯棒性[17]，能夠更準(zhǔn)確地跟蹤指定目標(biāo)。自動(dòng)跟蹤控制算法靈活高效地控制攝像頭轉(zhuǎn)向，隨時(shí)對準(zhǔn)跟蹤目標(biāo)中心位置。

4 結(jié) 論

采用改進(jìn)TLD算法的自動(dòng)跟蹤攝像頭系統(tǒng)，可以對任意目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，鎖定時(shí)間為3～5幀視頻，目標(biāo)鎖定后，將目標(biāo)旋轉(zhuǎn)10o～90o均可有效鎖定跟蹤。光照發(fā)生一定變化時(shí)，目標(biāo)仍能鎖定。目標(biāo)在0.1～3 m存在移動(dòng)尺度變化的情況下，跟蹤效果良好。攝像頭由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，在二維平面內(nèi)自動(dòng)對準(zhǔn)跟蹤目標(biāo)，調(diào)整時(shí)間為1～3 s，快速靈活，使跟蹤目標(biāo)形心時(shí)刻保持在圖像(300～340，220～260)內(nèi)，處于圖像中心位置。該系統(tǒng)運(yùn)用于安放監(jiān)控、智能機(jī)器人視覺、無人機(jī)目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域具有較大意義與潛力。

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易 詩(1983-)，男，四川成都人，碩士研究生，主要從事機(jī)器視覺研究，深度學(xué)習(xí)算法研究，信號與信息處理，嵌入式技術(shù)研究。E-mail:549745481@qq.com。

(編輯：王敏琦)

Automatic tracking method based on improved TLD

YI Shi, LIN Fanqiang, ZHOU Shuying

(College of Information Science and Technology,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,P.R.China)

Visual tracking has been a hot research topic in machine vision, and tracking-learning-detection(TLD) algorithm is a kind of efficient visual tracking algorithm emerging in recent years. Aimed at solving the problem that the Lucas Kanade(LK)optical flow method can not effectively track the object’s rapid moves and scale changes, this paper uses the pyramid optical flow method to improve the TLD algorithm. Tracking the center of the object as the reference point for the image positioning to extract the object location information, using the positioning information and the algorithm PID control algorithm to control the camera gear steering, this way camera can rapidly, flexibly, precisely and automatically track the specified object. By testing the system, improved TLD target tracking algorithm using pyramid optical flow method under illumination and changes has more excellent tracking performance, compared with the traditional TLD algorithm for target tracking. The flexible algorithm can provide accurate target center position for the controlled part, it can steer camera accurately and fast to face the target directly after accessing the information. The system is of great significance to the target tracking technology, security technology, and automatic targeting system.

tracking-learning-detection(TLD) algorithm; pyramid optical flow method; image positioning;proportion-integral-derivative(PID) control algorithm

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.06.023

2016-03-22

2016-10-09

易 詩 549745481@qq.com

TN919.5

A

1673-825X(2016)06-0892-05