摘 要：對(duì)運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，是數(shù)字圖像處理與計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)學(xué)科的分支，在軍事、民用的領(lǐng)域應(yīng)用很多。基于稀疏光流的對(duì)運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤的方法，其通過(guò)計(jì)算圖像中特定像素點(diǎn)的光流矢量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤。該方法同時(shí)結(jié)合了圖像金字塔技術(shù)，可以精確地檢測(cè)和跟蹤那些運(yùn)動(dòng)速度快的物體。該方法具有能有效解決目標(biāo)物被遮擋的情況，且能檢測(cè)并跟蹤運(yùn)動(dòng)速度很快的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：稀疏光流；目標(biāo)檢測(cè)；目標(biāo)跟蹤；L-K算法；金字塔表示

運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤，是數(shù)字圖像處理和計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)的重要組成部分，其應(yīng)用十分廣泛，尤其是軍事，主要包括自動(dòng)瞄準(zhǔn)技術(shù)，外來(lái)不明目標(biāo)追蹤，無(wú)人機(jī)，航天器等多個(gè)方面。光流法是對(duì)一連串運(yùn)動(dòng)物體圖像進(jìn)行分析的一個(gè)非常實(shí)用的方法。光流法可以用來(lái)確定物體的運(yùn)動(dòng)情況，以及圖像的其它情況，因?yàn)楣饬髦刑N(yùn)含了物體的運(yùn)動(dòng)信息，和物體的三維物理結(jié)構(gòu)的信息。光流法是通過(guò)計(jì)算運(yùn)動(dòng)物體的像素運(yùn)動(dòng)矢量來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)物體的，其具有一些其他方法所沒(méi)有的特點(diǎn)：即使是物體被遮擋，也能夠判斷出目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行檢測(cè)和追蹤，能夠?qū)\(yùn)動(dòng)范圍大，速度快的目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)備追蹤。稠密光流法缺點(diǎn)明顯，計(jì)算強(qiáng)度大，耗時(shí)久，所以提出了稀疏光流法對(duì)稠密光流進(jìn)行了改進(jìn)，從而提高效率，降低計(jì)算量。稠密光流要對(duì)圖像中每一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得到每一個(gè)點(diǎn)的光流矢量，但是稀疏光流就不需要如此，只需要計(jì)算能表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征的點(diǎn)的光流矢量，從而提高了運(yùn)算的速度和效率。

本論文的研究重點(diǎn)在于稀疏光流的計(jì)算方法，稀疏光流法只對(duì)圖像中的部分特征點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，這些特征點(diǎn)能夠體現(xiàn)出圖像的運(yùn)動(dòng)特征。

1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤框架

運(yùn)動(dòng)中的物體檢測(cè)和跟蹤，那么必須要進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確度對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)分類(lèi)以及目標(biāo)的跟蹤等至關(guān)重要。本文使用的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤方法的步驟如下：首先進(jìn)行圖像預(yù)處理；其次進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)，然后進(jìn)行圖像標(biāo)識(shí)，接著進(jìn)行圖像分割和運(yùn)動(dòng)軌跡的預(yù)測(cè)，最后就能夠跟蹤運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。

2 光流法

對(duì)光流的探索，是通過(guò)對(duì)圖像序列中的點(diǎn)的強(qiáng)弱進(jìn)行研究，得到相關(guān)性以及其在時(shí)域的變化，進(jìn)而得到各個(gè)像素點(diǎn)的動(dòng)態(tài)。對(duì)光流場(chǎng)進(jìn)行探索是為了得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，其實(shí)質(zhì)是物體三維的運(yùn)動(dòng)的集合，物體在二維平面上的映射被稱(chēng)為光流場(chǎng)。

光流法的前提假設(shè)：

（1）相鄰兩幀之間，像素亮度恒定；

（2）時(shí)間相鄰的兩幀以及兩幀之內(nèi)的運(yùn)動(dòng)較??；

（3）同一目標(biāo)物體的所有像素點(diǎn)具有相同的運(yùn)動(dòng)軌跡，即維持了空間上的一致。

2.1 L-K光流法

Lucas-Kanade（L-K）算法是稀疏光流法的經(jīng)典算法， 1981年由Lucas和Kanade提出。L-K算法主要是運(yùn)算圖像間的兩幀之間對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息，對(duì)小目標(biāo)內(nèi)的像素點(diǎn)的信息進(jìn)行運(yùn)算，從而得到光流矢量。

2.2 圖像金字塔表示

L-K光流法進(jìn)行計(jì)算的一個(gè)必要條件，兩個(gè)圖像之間目標(biāo)像素點(diǎn)的變化量足夠微弱，只有這樣才能計(jì)算出點(diǎn)的梯度矢量。為了尋找到運(yùn)動(dòng)范圍大，運(yùn)動(dòng)不連續(xù)，那么就可以用圖像金字塔來(lái)計(jì)算大運(yùn)動(dòng)光流。

圖像金字塔闡釋圖像的方法是多分辨率，最早用于視覺(jué)應(yīng)用以及圖像融合。一幅圖像的金字塔，指的是像金字塔一樣的圖像集合，這些圖像的分辨率由下往上不斷降低：金字塔的下面是分辨率較高的未經(jīng)處理的圖像，上面是分辨率較低的未經(jīng)處理的圖像，越靠近金字塔的上部，圖像分辨率就會(huì)變低，同時(shí)圖像的尺寸也會(huì)變小。

3 光流法檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體原理

通過(guò)光流法，追蹤運(yùn)動(dòng)物體軌跡，是通過(guò)對(duì)圖像中的每一個(gè)點(diǎn)設(shè)定一個(gè)速度矢量，于是就在圖像中形成了一個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。圖像上的點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)物體上的點(diǎn)是相互對(duì)應(yīng)的，通過(guò)投影也能得到同樣的關(guān)系。計(jì)算運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的速度矢量，從而可以動(dòng)態(tài)的研究圖像。

對(duì)于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像而言，在整個(gè)圖像范圍中，光流矢量將是連續(xù)變動(dòng)的。對(duì)于有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像而言，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)于背景是有相對(duì)位移的，這樣就能判斷出圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)中的像素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行追蹤。

利用光流法來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，缺點(diǎn)為時(shí)間久、實(shí)用性不高；優(yōu)點(diǎn)則為運(yùn)動(dòng)物體的三維構(gòu)造信息以及運(yùn)動(dòng)信息都包含在光流之中，這樣就可以在不論什么樣的場(chǎng)景下都可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)備的檢測(cè)和分析。光流法受噪聲干擾小，這樣就能夠準(zhǔn)確提取特征點(diǎn)，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。使用光流法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和和追蹤，是在兩個(gè)圖像中，對(duì)于同一個(gè)點(diǎn)為檢測(cè)對(duì)象，就可以分析出每一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并且當(dāng)目標(biāo)較多時(shí)，對(duì)于多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行追蹤，也是光流法的優(yōu)勢(shì)，并且可以應(yīng)用于不同的場(chǎng)合

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)和物體進(jìn)行追蹤，是圖像處理方面一個(gè)重要方向，是研究的一個(gè)熱門(mén)方向。本文對(duì)研究和探討了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)追蹤的幾種方法，并進(jìn)一步分析，選擇了利用光流法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行追蹤和檢測(cè)。光流法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算的準(zhǔn)確度非常高，能夠得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的完整數(shù)據(jù)，并且抗干擾能力比較強(qiáng)，計(jì)算精確度較高；但是光流法也有缺點(diǎn)，實(shí)時(shí)性和實(shí)用性較差。

本文對(duì)于光流法的研究還不夠深入，還需要繼續(xù)研究和探索，希望能通過(guò)接下來(lái)的研究，使得光流法在實(shí)時(shí)性上得到改進(jìn)，從而能夠在更廣泛的領(lǐng)域和場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：習(xí)通（1991-），男，陜西渭南人，碩士，專(zhuān)業(yè)：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。