详解TLD视觉跟踪技术

桃扇骨 2022-08-08 05:07 182阅读 0赞

转自http://www.asmag.com.cn/tech/ap-50168.shtml

在城市轨道交通的监控中，[智能视频][Link 1]分析技术曾风极一时，然而由于城市轨道交通的监控环境比较复杂，其不仅区域大、周界长、拥有多站台多出入及众多围栏等相关设备。这种复杂的环境给[智能分析][Link 2]带来诸多困难，而作为当前新颖的TLD\[跟踪-学习-检测”(Tracking-Learning-Detection)的缩写\]视觉跟踪技术能够解决这些问题。

TLD跟踪系统最大的特点就在于能对锁定的目标进行不断的学习，以获取目标最新的外观特征，从而及时完善跟踪，以达到最佳的状态。也就是说，开始时只提供一帧静止的目标图像，但随着目标的不断运动，系统能持续不断地进行探测，获知目标在角度、距离、景深等方面的改变，并实时识别，经过一段时间的学习之后，目标就再也无法躲过。

TLD技术有三部分组成，即\*\*、学习过程和检测器。TLD技术采用跟踪和检测相结合的策略，是一种自适应的、可靠的跟踪技术。TLD技术中，\*\*和检测器并行运行，二者所产生的结果都参与学习过程，学习后的模型又反作用于\*\*和检测器，对其进行实时更新，从而保证了即使在目标外观发生变化的情况下，也能够被持续跟踪。

**\*\***

TLD\*\*采用重叠块跟踪策略，单块跟踪使用Lucas-Kanade光流法。TLD在跟踪前需要指定待跟踪的目标，由一个矩形框标出。最终整体目标的运动取所有局部块移动的中值，这种局部跟踪策略可以解决局部遮挡的问题。

**　　学习过程**

TLD的学习过程是建立在在线模型(online model)的基础上。在线模型是一个大小为15×15的图像块的集合，这些图像块来自\*\*和检查器所得的结果，初始的在线模型为起始跟踪时指定的待跟踪的目标图像。

在线模型是一个动态模型，它随视频序列增长或减小。在线模型的发展有两个事件来驱动，分别为增长事件和修剪事件。由于在实际中，来自环境和目标本身等多因素的影响，使目标的外观不断发生变化，这使得由\*\*预测产生的目标图像会包含更多其它感兴趣的因素。如果我们把跟踪轨迹上所有目标图像看成一个特征空间，那么随着视频序列的推进，由\*\*所致的特征空间将不断增大，这就是所说的增长事件。为了防止增长事件带来的杂质(其他非目标图像)影响跟踪效果，采用了与之相对的修剪事件来平衡。修剪事件就是用来去除增长事件所致的杂质。由此，两事件的相互作用促使在线模型一直保持与当前的跟踪目标相一致。

由增长事件带来的特征空间的扩张来自于\*\*，即从处于跟踪轨迹上的目标图像中选择合适的样本，并以此来更新在线模型。有三种选择策略，具体如下。

· 与起始待跟踪目标图像相似的图像块，均被加入到在线模型;

· 如果当前帧的跟踪目标图像与前一帧的相似，则将当前的跟踪结果图像加入到在线模型;

· 计算跟踪轨迹上的目标图像到在线模型间的距离，选择具有特定模式的目标图像，即起初目标图像与在线模型的距离较小，随之距离逐渐增大，而后距离又恢复成较小状态。循环检验是否存在这种模式，并将该模式内的目标图像加入到在线模型。

增长事件的特征选择方式，保证了在线模型始终紧随跟踪目标的最新状态，避免因模型更新不实时所导致的跟踪丢失。其中最后一种选择策略也是TLD技术的特色之一，它体现了自适应跟踪的特性。当跟踪发生漂移时，\*\*会自动适应背景，而不会很突然地转移到跟踪目标上。

修剪事件假设每帧只有一个目标，当\*\*和检测器都认可目标位置时，剩余的检测图像就被认为是错误样本，从在线模型中删除。

在线模型中的样本为TLD的学习过程提供了素材。另外，TLD在训练生成分类器(随机森林)的过程中，采用了两种约束：P约束和N约束。P约束规定与跟踪轨迹上的目标图像距离近的图像块为正样本;反之，为负样本，即为N约束。PN约束降低了分类器的错误率，在一定的范围内，其错误率趋近于零。

**　检测器**

TLD技术设计了一个快速、可靠的检测器，它为\*\*提供了必要的支持。当\*\*所得的结果失效时，需要用检测器的结果来补充纠正，并且对\*\*重新初始化。具体做法如下。

· 对于每帧同时运行\*\*、检测器，\*\*预测出一个目标位置信息，而检测器则可能检出多幅图像;

· 决定目标的最终位置时，优先考虑\*\*所得的结果，即如果跟踪到的图像与最初的目标图像相似度大于某阈值，就接受该跟踪结果;否则，将从检测器的结果中，选用与最初目标相似度最大的图像作为跟踪结果;

· 如果为第二步骤中的后者，那么此时更新\*\*的最初目标模型，用现选用的跟踪结果替换原有的目标模型，同时，删除以前模型中的样本，以新样本重新开始。

检测器是由在线模型中的样本经训练学习生成的随机森林分类器。其选取的特征为区域的边缘方向，称之为2bitBP特征，它具有不受光线干扰的特性。特征通过量化，共有4种可能的编码。对于给定的区域，其特征编码是唯一的。多尺度的特征计算可以采用积分图像的方法。

将每一个图形块都用众多的2bitBP特征来表示，并把这些特征分成同大小的不同的组，每一组代表了图像块外观的不同表示。用于检测的分类器采用随机森林的形式。随机森林由树组成，而每棵树是由一个特征组构造而成。树的每个特征都作为一个决策结点。

随机森林通过增长事件和修剪事件完成在线更新和演化。开始时，每棵树由最初目标模板的特征组构建，都只有一个“枝”。随着增长事件对正样本的选取，随机森林也不断加入新的“枝”;修剪事件则相反，它会去掉随机森林中不用的“枝”。这种实时的检测器采用扫描窗口的策略：按照位置和尺度扫描输入帧，对每个子窗口应用分类器判断是否属于目标图像。

TLD技术巧妙地把\*\*、检测器和学习过程结合在一起，共同实现目标的跟踪。

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[Link 2]: http://www.asmag.com.cn/word/158/