加权局部特征结合判别式字典的目标跟踪

目的 当前大多数基于稀疏表示的跟踪方法只考虑全局特征或局部特征的最小重构误差,没有充分利用稀疏编码系数,或者忽略了字典判别性的作用,尤其当目标被相似物遮挡时,往往会导致跟踪目标丢失。针对上述问题,提出一种新的基于判别式字典和加权局部特征的稀疏外观模型(SPAM-DDWF)跟踪算法。方法 首先利用Fisher准则学习判别式字典,对提取的局部特征进行结构性分析来区分目标和背景,其次,提出一种新的基于加权的相似性度量方法来处理遮挡问题,从而提高跟踪的精确度。此外,基于重构系数的权重更新策略,使算法能更好地适应跟踪目标的外观变化,并降低了遮挡发生时跟踪漂移的概率。结果 在多个基准图像序列上,与多种流行方法对比,本文算法在光照变化、复杂背景、遮挡等场景中保持较高的跟踪成功率与较低的漂移误差。平均成功率和漂移误差分别为76.8%和3.7。结论 实验结果表明,本文算法具有较好的有效性和鲁棒性,尤其在目标被相似物遮挡的情况下,也能较准确地跟踪到目标。     

联合模板先验概率和稀疏表示的目标跟踪

目的 虽然基于稀疏表示的目标跟踪方法表现出了良好的跟踪效果,但仍然无法彻底解决噪声、旋转、遮挡、运动模糊、光照和姿态变化等复杂背景下的目标跟踪问题。针对遮挡、旋转、姿态变化和运动模糊问题,提出一种在粒子滤波框架内,基于稀疏表示和先验概率相结合的目标跟踪方法。方法 通过先验概率衡量目标模板的重要性,并将其引入到正则化模型中,作为模板更新的主要依据,从而获得一种新的候选目标稀疏表示模型。结果 在多个测试视频序列上,与多种流行算法相比,该算法可以达到更好的跟踪性能。在5个经典测试视频下的平均中心误差为6.77像素,平均跟踪成功率为97%,均优于其他算法。结论 实验结果表明,在各种含有遮挡、旋转、姿态变化和运动模糊的视频中,该算法可以稳定可靠地跟踪目标,适用于视频监控复杂场景下的目标跟踪。     

基于局部模型匹配的几何活动轮廓跟踪

目的 在复杂背景下,传统轮廓跟踪方法只考虑了目标的整体特征或显著性特征,没有充分利用目标的局部特征信息,尤其是目标发生遮挡时,容易发生跟踪漂移,甚至丢失目标.针对上述问题,提出一种基于局部模型匹配的几何活动轮廓(LM-GAC)跟踪算法.方法 首先,利用超像素技术将图像中的颜色特征相似的像素点归为一类,形成由一些像素点组成的超像素,从而把目标分割成若干个超像素块,再结合EMD(earth mover's distance)相似性度量构建局部特征模型.然后,进行局部模型匹配,引入噪声模型来估算局部模型参数θ,这样可以增强特征模型的自适应性,提高局部模型匹配的准确性.最后,结合粒子滤波的水平集分割方法提取目标轮廓,实现目标轮廓精确跟踪.结果 本文算法与多种目标轮廓跟踪算法进行对比,在部分遮挡、目标形变、光照变化、复杂背景等条件的基准图像序列均具有较高的跟踪成功率,平均成功率为79.6%.结论 实验结果表明,根据不同的图像序列,可以自适应地实时改变噪声模型参数和粒子的权重,使得本文算法具有较高的准确性和鲁棒性.特别是在复杂的背景下,算法能较准确地进行目标轮廓跟踪.     

前景判别的局部模型匹配目标跟踪

目的 在复杂背景下,传统模型匹配的跟踪方法只考虑了目标自身特征,没有充分考虑与其所处图像的关系,尤其是目标发生遮挡时,易发生跟踪漂移,甚至丢失目标。针对上述问题,提出一种前景判别的局部模型匹配(FDLM)跟踪算法。方法 首先选取图像帧序列前m帧进行跟踪训练,将每帧图像分割成若干超像素块。然后,将所有的超像素块组建向量簇,利用判别外观模型建立包含超像素块的目标模型。最后,将建立的目标模型作为匹配模板,采用期望最大化(EM)估计图像的前景信息,通过前景判别进行局部模型匹配,确定跟踪目标。结果 本文算法在前景判别和模型匹配等方面能准确有效地适应视频场景中目标状态的复杂变化,较好地解决各种不确定因素干扰下的跟踪漂移问题,和一些优秀的跟踪算法相比,可以达到相同甚至更高的跟踪精度,在Girl、Lemming、Liquor、Shop、Woman、Bolt、CarDark、David以及Basketball视频序列下的平均中心误差分别为9.76、28.65、19.41、5.22、8.26、7.69、8.13、11.36、7.66,跟踪重叠率分别为0.69、0.61、0.77、0.74、0.80、0.79、0.79、0.75、0.69。结论 实验结果表明,本文算法能够自适应地实时更新噪声模型参数并较准确估计图像的前景信息,排除背景信息干扰,在部分遮挡、目标形变、光照变化、复杂背景等条件下具有跟踪准确、适应性强的特点。     

融合图像感知哈希技术的运动目标跟踪

目的 为解决运动目标跟踪时因遮挡、尺度变换等产生的目标丢失以及传统匹配跟踪算法计算复杂度高等问题,提出一种融合图像感知哈希技术的运动目标跟踪算法.方法 本文算法利用感知哈希技术提取目标摘要进行模板图像识别匹配,采用匹配跟踪策略和搜索跟踪策略相配合来准确跟踪目标,并构建模板评价函数和模板更新准则实现目标模板的自适应更新,保证其在目标发生遮挡和尺度变换情况下的适应性.结果 该算法与基于NCC(normalized cross correlation)的模板匹配跟踪算法、Mean-shift跟踪算法以及压缩跟踪算法相比,在目标尺度变换和物体遮挡时,跟踪的连续性和稳定性更好,且具有较低的计算复杂度,能分别降低跟踪系统约6.2%、 6.3%、 9.3%的计算时间.结论 本文算法能有效实现视频场景中目标发生遮挡及尺度变换情况下的跟踪,跟踪的连续性和稳定性良好,且算法具有较低的计算复杂度,有利于实时性跟踪系统的构建.     

利用选择性模型不定时更新的视觉跟踪算法

目的 在目标跟踪中,基本粒子滤波算法和传统模型更新策略在遮挡、光照变化以及自身旋转等情况下通常存在鲁棒性较差的问题。为解决该问题,提出一种基于选择性模型不定时更新的粒子滤波视觉跟踪算法。方法 本文算法在粒子滤波框架下,定时检测目标变化,采用最速梯度下降法判断更新时机。仅当目标本身逐渐姿态改变而不受背景干扰时更新目标模型;在发生遮挡或光照改变较大时则不更新,保持当前模型继续跟踪。结果 通过对示例视频的计算机视觉跟踪,在跟踪目标中心位置误差、覆盖率、精度及成功率比较上,本文算法均能表现出较优的实验结果,这表明:本文算法能够对目标模型进行选择性更新,与对比算法比较,总体能够更加有效解决视频中遮挡、光照变化以及自身旋转等情况下的鲁棒跟踪问题。结论 由于本文算法未考虑尺度,在尺度不变的多种复杂变化条件下,本文算法均具有较好的鲁棒性。     

时空上下文抗遮挡视觉跟踪

目的 传统的视觉跟踪方法只考虑了目标本身的特征信息提取,忽略了目标周围稠密的上下文信息。一旦目标本身特征信息提取存在困难,很容易导致跟踪失败。为解决上述问题,提出一种时空上下文抗遮挡视觉跟踪算法（STC-PF）。方法 首先,利用目标与局部区域的时空关系学习时空上下文模型;然后,通过上下文先验模型和学习到的时空上下文模型计算置信图;最后,对时空上下文区域进行分块遮挡判别,若遮挡概率小于设定阈值,计算置信图所得最大概率位置即为目标位置;若遮挡概率大于设定阈值,则目标发生遮挡,通过子块匹配和粒子滤波估计目标位置以及运动轨迹,实现不同程度的抗遮挡跟踪。结果 对测试数据集中的图像序列进行实验,结果表明,STC-PF方法的跟踪成功率提高至80%以上;中心误差小于原算法;同时STC-PF算法在提高抗遮挡能力的前提下,运行速度与原算法相当,高于当前流行算法。结论 STC-PF算法能够适用于光照变化、目标旋转、遮挡等复杂情况下的视觉目标跟踪,具有一定的实时性和高效性,尤其是在目标发生遮挡情况下具有很好的抗遮挡能力和较快的运行速度。     

基于联合模板稀疏表示的目标跟踪方法

针对传统基于稀疏表示的目标跟踪方法中, 当场景中含有与目标相似的背景时容易出现跟踪漂移的问题, 提出一种新的目标跟踪方法. 该方法基于目标的局部二元模式特征, 将目标外观模型同时用原始目标模板与当前帧部分粒子构成的联合模板稀疏表示, 构建一个联合目标函数, 将跟踪问题通过迭代转化为求解最优化问题. 实验结果表明, 所提出跟踪方法在解决遮挡、光照等问题的同时, 对场景中含有与目标相似背景的序列具有较好的跟踪效果.

     

变分调整约束下的反向低秩稀疏学习目标跟踪

目的 低秩稀疏学习目标跟踪算法在目标快速运动和严重遮挡等情况下容易出现跟踪漂移现象,为此提出一种变分调整约束下的反向低秩稀疏学习目标跟踪算法。方法 采用核范数凸近似低秩约束描述候选粒子间的时域相关性,去除不相关粒子,适应目标外观变化。通过反向稀疏表示描述目标表观,用候选粒子稀疏表示目标模板,减少在线跟踪中L₁优化问题的数目,提高跟踪效率。在有界变差空间利用变分调整对稀疏系数差分建模,约束目标表观在相邻帧间具有较小变化,但允许连续帧间差异存在跳跃不连续性,以适应目标快速运动。结果 实验利用OTB（object tracking benchmark）数据集中的4组涵盖了严重遮挡、快速运动、光照和尺度变化等挑战因素的标准视频序列进行测试,定性和定量对比了本文算法与5种热点算法的跟踪效果。定性分析基于视频序列的主要挑战因素进行比较,定量分析通过中心点位置误差（central pixel error,CPE）比较跟踪算法的精度。与CNT（convolutional networks training）、SCM（sparse collaborative model）、IST（inverse sparse tracker）、DDL（discriminative dictionary learning）和LLR（locally low-rank representation）算法相比,平均CPE值分别提高了2.80、4.16、13.37、35.94和41.59。实验结果表明,本文算法达到了较高的跟踪精度,对上述挑战因素更具鲁棒性。结论 本文提出的跟踪算法,综合了低秩稀疏学习和变分优化调整的优势,在复杂场景下具有较高的跟踪精度,特别是对严重遮挡和快速运动情况的有效跟踪更具鲁棒性。     

粒子群优化的压缩跟踪算法

目的 针对基于压缩感知理论的跟踪算法跟踪效率不高和难以抗遮挡的问题,提出一种结合压缩感知和粒子群优化的跟踪算法。方法 将粒子群优化算法结合到压缩跟踪算法中,提出了采用粒子群优化的搜索方法替代在确定候选目标时,采用每隔一个像素选取一个候选目标的搜索策略;在目标发生遮挡时,采用粒子群优化的方法进行整幅图全局搜索。结果 20个视频序列数据库的目标跟踪结果表明,本文算法极大地提高了跟踪效率,并有很强的抗目标遮挡和形变的能力从而提高了跟踪的成功率。20个视频数据库进行了定量的分析,平均成功率达到了65.2%,平均中心位置偏差为33.4,平均每秒运行155.5帧。结论 提出的跟踪算法优化了搜索目标的计算次数,提高了算法的运行效率,当在目标发生遮挡时,采用粒子群优化进行全局搜索直到目标重新出现,从而提高了跟踪算法的跟踪成功率,本文算法能适用于不同场景,能够提高智能视频监控系统的智能监控性能。     

判别稀疏表示鲁棒快速视觉跟踪

目的 L1跟踪对局部遮挡具有良好的鲁棒性,但存在易产生模型漂移和计算速度慢的问题。针对这两个问题,该文提出了一种基于判别稀疏表示的视觉跟踪方法。方法 考虑到背景和遮挡信息的干扰,提出了一种判别稀疏表示模型,并基于块坐标优化原理,采用学习迭代收缩阈值算法和软阈值操作设计出了表示模型的快速求解算法。结果 在8组图像序列中,该文方法与现有的4种经典跟踪方法分别在鲁棒性和稀疏表示的计算时间方面进行了比较。在鲁棒性的定性和定量比较实验中,该文方法不仅表现出了对跟踪过程中的多种干扰因素具有良好的适应能力,而且在位置误差阈值从0~50像素的变化过程中,其精度曲线均优于实验中的其他方法;在稀疏表示的计算时间方面,在采用大小为16×16和32×32的模板进行跟踪时,该文算法的时间消耗分别为0.152 s和0.257 s,其时效性明显优于实验中的其他方法。结论 与经典的跟踪方法相比,该文方法能够在克服遮挡、背景干扰和外观改变等诸多不良因素的同时,实现快速目标跟踪。由于该文方法不仅具有较优的稀疏表示计算速度,而且能够克服多种影响跟踪鲁棒性的干扰因素,因此可以将其应用于视频监控和体育竞技等实际场合。     

基于判别性局部联合稀疏模型的多任务跟踪

目标表观建模是基于稀疏表示的跟踪方法的研究重点, 针对这一问题, 提出一种基于判别性局部联合稀疏表示的目标表观模型, 并在粒子滤波框架下提出一种基于该模型的多任务跟踪方法(Discriminative local joint sparse appearance model based multitask tracking method, DLJSM).该模型为目标区域内的局部图像分别构建具有判别性的字典, 从而将判别信息引入到局部稀疏模型中, 并对所有局部图像进行联合稀疏编码以增强结构性.在跟踪过程中, 首先对目标表观建立上述模型; 其次根据目标表观变化的连续性对采样粒子进行初始筛选以提高算法的效率; 然后求解剩余候选目标状态的联合稀疏编码, 并定义相似性函数衡量候选状态与目标模型之间的相似性; 最后根据最大后验概率估计目标当前的状态.此外, 为了避免模型频繁更新而引入累积误差, 本文采用每5帧判断一次的方法, 并在更新时保留首帧信息以减少模型漂移.实验测试结果表明DLJSM方法在目标表观发生巨大变化的情况下仍然能够稳定准确地跟踪目标, 与当前最流行的13种跟踪方法的对比结果验证了DLJSM方法的高效性.     

Visual tracking based on hierarchical framework and sparse representation

As the main challenge for object tracking is to account for drastic appearance change, a hierarchical framework that exploits the strength of both generative and discriminative models is devised in this paper. Our hierarchical framework consists of three appearance models: local-histogram-based model, weighted alignment pooling model, and sparsity-based discriminative model. Sparse representation is adopted in local-histogram-based model layer that considers the spatial information among local patches with a dual-threshold update schema to deal with occlusion. The weighted alignment pooling layer is introduced to weight the local image patches of the candidates after sparse representation. Different from the above two generative methods, the global discriminant model layer employs candidates to sparsely represent positive and negative templates. After that, an effective hierarchical fusion strategy is developed to fuse the three models via their similarities and the confidence. In addition, three reasonable online dictionary and template update strategies are proposed. Finally, experiments on various current popular image sequences demonstrate that our proposed tracker performs favorably against several state-of-the-art algorithms.     

Robust object tracking via multi-scale patch based sparse coding histogram

There are many visual tracking algorithms that are based on sparse representation appearance model. Most of them are modeled by local patches with fixed patch scale, which make trackers less effective when objects undergone appearance changes such as illumination variation, pose change or partial occlusion. To solve the problem, a novel appearance representation model is proposed via multi-scale patch based sparse coding histogram for robust visual tracking. In this paper, the appearance of an object is modeled by different scale patches, which are represented by sparse coding histogram with different scale dictionaries. Then a similarity measure is applied to the calculation of the distance between the sparse coding histograms of target candidate and target template. Finally, the similarity score of the target candidate is passed to a particle filter to estimate the target state sequentially in the tracking process. Additionally, in order to decrease the visual drift caused by partial occlusion, an occlusion handling strategy is adopted, which takes the spatial information of multi-scale patches and occlusion into account. Based on the experimental results on some benchmarks of video sequences, our tracker outperforms state-of-the-art tracking methods.     

基于特征选择与时间一致性稀疏外观模型的目标追踪算法

为了更有效利用追踪目标的判别特征信息,提高目标追踪的精度和鲁棒性,在粒子滤波追踪框架下提出基于特征选择与时间一致性稀疏外观模型的目标追踪算法.首先,采集目标的正负模板和候选目标,根据特征选择模型对正负模板和候选目标进行特征选择,去除多余的干扰信息,得到关键的特征信息.然后,利用正负模板和候选目标的特征建立多任务稀疏表示模型,引入时间一致性正则项,促进更多的候选目标与先前帧的追踪结果具有稀疏表示的相似性.最后,求解多任务稀疏表示模型,得到判别稀疏相似图,获取每个候选目标的判别分,根据目标追踪结果更新正负模板.实验表明,即使在复杂的环境下,文中算法仍然比其它一些追踪算法具有更高的准确性.     

基于重要性加权的结构稀疏跟踪方法

针对视觉跟踪中描述目标能力的有限性和局部稀疏表示模型的有效性,提出了一种基于重要性加权的结构稀疏跟踪方法.该方法采用结构稀疏表示对目标表观建模,根据在表达目标表观时所起的作用,对每个局部图像进行加权处理;在粒子滤波框架下,应用最大后验概率对目标的状态进行估计;通过带有遮挡检测机制的模板更新策略对目标模板进行在线的更新以避免跟踪漂移.实验表明,该方法有效地减弱了目标表观变化对模型的影响,对于视频序列中的遮挡、光照变化和目标姿态改变等有稳健的跟踪效果.     

小波域中双稀疏的单幅图像超分辨

目的 过去几年,基于稀疏表示的单幅图像超分辨获得了广泛的研究,提出了一种小波域中双稀疏的图像超分辨方法。方法 由小波域中高频图像的稀疏性及高频图像块在空间冗余字典下表示系数的稀疏性,建立了双稀疏的超分辨模型,恢复出高分辨率图像的细节系数;然后利用小波的多尺度性及低分辨率图像可作为高分辨率图像低频系数的逼近的假设,超分辨图像由低分辨率图像的小波分解和估计的高分辨率图像的高频系数经过二层逆小波变换来重构。结果 通过大量的实验发现,双稀疏的方法不仅较好地恢复了图像的局部纹理与边缘,且在噪声图像的超分辨上也获得了不错的效果。结论 与现在流行的使用稀疏表示的超分辨方法相比,双稀疏的方法对噪声图像的超分辨效果更好,且计算复杂度减小。     

在线复合模板模型表示的视觉目标跟踪

目的 视觉目标跟踪中,目标往往受到自身或场景中各种复杂干扰因素的影响,这对正确捕捉所感兴趣的目标信息带来极大的挑战。特别是,跟踪器所用的模板数据主要是在线学习获得,数据的可靠性直接影响到候选样本外观模型表示的精度。针对视觉目标跟踪中目标模板学习和候选样本外观模型表示等问题,采用一种较为有效的模板组织策略以及更为精确的模型表示技术,提出一种新颖的视觉目标跟踪算法。方法 跟踪框架中,将候选样本外观模型表示假设为由一组复合模板和最小重构误差组成的线性回归问题,首先利用经典的增量主成分分析法从在线高维数据中学习出一组低维子空间基向量(模板正样本),并根据前一时刻跟踪结果在线实时采样一些特殊的负样本加以扩充目标模板数据,再利用新组织的模板基向量和独立同分布的高斯—拉普拉斯混合噪声来线性拟合候选目标外观模型,最后估计出候选样本和真实目标之间的最大似然度,从而使跟踪器能够准确捕捉每一时刻的真实目标状态信息。结果 在一些公认测试视频序列上的实验结果表明,本文算法在目标模板学习和候选样本外观模型表示等方面比同类方法更能准确有效地反映出视频场景中目标状态的各种复杂变化,能够较好地解决各种不确定干扰因素下的模型退化和跟踪漂移问题,和一些优秀的同类算法相比,可以达到相同甚至更高的跟踪精度。结论 本文算法能够在线学习较为精准的目标模板并定期更新,使得跟踪器良好地适应内在或外在因素(姿态、光照、遮挡、尺度、背景扰乱及运动模糊等)所引起的视觉信息变化,始终保持其最佳的状态,使得候选样本外观模型的表示更加可靠准确,从而展现出更为鲁棒的性能。     

Robust visual tracking using information theoretical learning

This paper presents a novel online object tracking algorithm with sparse representation for learning effective appearance models under a particle filtering framework. Compared with the state-of-the-art ? ₁ sparse tracker, which simply assumes that the image pixels are corrupted by independent Gaussian noise, our proposed method is based on information theoretical Learning and is much less sensitive to corruptions; it achieves this by assigning small weights to occluded pixels and outliers. The most appealing aspect of this approach is that it can yield robust estimations without using the trivial templates adopted by the previous sparse tracker. By using a weighted linear least squares with non-negativity constraints at each iteration, a sparse representation of the target candidate is learned; to further improve the tracking performance, target templates are dynamically updated to capture appearance changes. In our template update mechanism, the similarity between the templates and the target candidates is measured by the earth movers’ distance(EMD). Using the largest open benchmark for visual tracking, we empirically compare two ensemble methods constructed from six state-of-the-art trackers, against the individual trackers. The proposed tracking algorithm runs in real-time, and using challenging sequences performs favorably in terms of efficiency, accuracy and robustness against state-of-the-art algorithms.     

基于子区域匹配的稀疏表示跟踪算法

经典稀疏表示目标跟踪算法在处理复杂视频时不免出现跟踪不稳定情况且当目标发生遮挡时易发生漂移现象。针对这一问题,提出一种基于子区域匹配的稀疏表示跟踪算法。首先,将初始目标模板划分为若干子区域,利用LK图像配准算法建立观测模型预测下一帧目标运动状态。然后,对预测的目标模型区域进行同等划分,并在匹配过程中寻找最优子区域。最后,在模板更新过程中引入一种新的模板校正机制,能够有效克服漂移现象。将该算法与多种目标跟踪算法在不同视频序列下进行对比,实验结果表明在目标发生遮挡、运动、光照影响及复杂背景等情况下该算法具有较为理想的跟踪效果,并与经典稀疏表示跟踪算法相比具有较好的跟踪性能。