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1、国防科学技术大学 硕士学位论文 全向视频运动目标检测与跟踪 姓名：林高鹏 申请学位级别：硕士 专业：控制科学与工程 指导教师：张茂军 20091101 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 手两要 全向视频是虚拟现实和计算机视觉中一种重要的场景表示方法，它指的是在 垂直方向1 8 0 。和水平方向3 6 0 。的图像视图。与传统视频相比，全向视频的优点 在于其3 6 0 。的宽广视野感知范围，全向摄像机的运动估计比传统摄像机更加稳 定，因为传统摄像机视野小，运动估计对摄像机的方向很敏感，而且其水平方向 上平移产生的运动与绕垂直轴旋转产生的运动十分相似，难以区分，而全景摄像 机特有的3 6
2、0 。视野能避免这些问题。正是由于具有这些优势，基于全向视频的目 标检测与跟踪已经在一些领域开始得到越来越多的研究，例如视频监控、机器人 导航和智能驾驶等领域。 本文在分析全向图像特点的基础上，针对经典目标检测与跟踪算法运用于全 向视频的不足，分别对目标检测算法和目标跟踪算法加以改进，论文的研究成果 主要包括以下几个方面： ( 1 ) 在分析马尔可夫随机场图像运动检测原理的基础上，根据全向图像的分辨 率和邻域特点，提出一种新的折反射全向图像邻域定义方法。 ( 2 ) 在分析卡尔曼滤波器图像运动目标跟踪原理的基础上，针对目标沿直线运 动时在折反射全向图像上的成像轨迹是二次曲线的问题，修改卡尔曼滤
3、波器，提 高折反射全向视频卡尔曼滤波目标跟踪时的状态预测精度。 结合以上方法，通过多个实验视频来验证算法的鲁棒性和准确性，其实验结 果令人满意。 主题词：全向视频目标检测目标跟踪马尔可夫随机场卡尔曼滤波器 第1 页 国防科学技术大学研究生院- 学硕士学位论文 A BS T R A C T O m n i d i r e c t i o n a lv i d e oi sa ni m p o r t a n tr e p r e s e n t a t i o nf o rs c e n e so fv i r t u a lr e a l i t y a n dc o m p u t e rv
4、 i s i o n , w h i c hr e f e r st ot h ei m a g eo fv e r t i c a l18 0 0a n dh o r i z o n t a l3 6 0 0 v i e w C o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lv i d e o ，t h ea d v a n t a g e so f t h eo m n i - d i r e c t i o n a lv i d e ol i e s i ni t s3 6 0 0f i e l do fv i s i o n s e n s i n
5、gr a n g e T h em o t i o ne s t i m a t i o nb a s e do n o m n i - d i r e c t i o n a lc a m e r ai Sm o r es t a b l et h a nt r a d i t i o n a lc a m e r a s T h et r a d i t i o n a lc a m e r a s h a sas m a l lv i s i o n , S Om o t i o ne s t i m a t i o ni sv e r ys e n s i t i v et ot h
6、ed i r e c t i o no ft h ec a m e r a , a n di t sm o v e m e n to fh o r i z o n t a lt r a n s l a t i o na n dr o t a t i o na r o u n dt h ev e r t i c a la x i si s s i m i l a rt h a ti ti sd i f f i c u l tt od i s t i n g u i s h B e c a u s et h eu n i q u eo m l l i d i r e c t i o n a lc
7、a m e r a 3 6 0 0f i e l do fv i s i o nC a na v o i dt h e s ep r o b l e m s ，t a r g e td e t e c t i o na n dt r a c k i n gb a s e do n o m n i - d i r e c t i o n a lv i d e oh a sb e e nr e s e a r c h e di nan u m b e ro fa r e a s ，s u c ha sv i d e o s u r v e i l l a n c e ，r o b o tn a v
8、 i g a t i o n , a n ds m a r td r i v i n g T p a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fo m n i - d i r e c t i o n a li m a g e ，i m p r o v e st h e t a r g e td e t e c t i o na n dt r a c k i n ga l g o r i t h mr e s p e c t i v e l y , f o rt h ei n a d e q u a t eo fc l a
9、s s i c a l t a r g e td e t e c t i o na n dt r a c k i n ga l g o r i t h ma p p l i e dt oo m n i - d i r e c t i o n a li m a g e s R e s e a r c h i n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) B a s e do nt h ea n a l y s i so fM a r k o vr a n d o m & l di m a g em o t i o nd e t
10、e c t i o n p r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f o m n i d i r e c t i o n a li m a g er e s o l u t i o na n d n e i g h b o r h o o d ， t h e p a p e rp r e s e n t s an e wn e i g h b o r h o o dd e f i n i t i o nm e t h o df o rc a t a d i o p t r i c o m n i - d i r e c
11、t i o n a li m a g e ( 2 ) B a s e do nt h ea n a l y s i so f k a l m a nf i l t e ri m a g em o t i o nt r a c k i n gt h e o r ya n dt h e p h e n o m e n o nt h a ti m a g i n gt r a j e c t o r yi sc o n i ci nt h ec a t a d i o p t r i co 疵- d i r e c t i o n a li m a g e w h e nt a r g e tm o
12、 v e sa l o n gt h es t r a i g h t - l i n e ，t h ep a p e rm o d i f i e st h ek a l m a nf i l t e rt O i m p r o v e t h es t a t e p r e d i c t i o na c c u r a c y o ft a r g e t t r a c k i n g o nt h e c a t a d i o p t r i c o m n i - d i r e c t i o n a li m a g e C o m b i n a t i o no f
13、t h ea b o v em e t h o d s ，t h ep a p e rv e r i f i e st h er o b u s t n e s sa n d c o r r e c t n e s so fa l g o r i t h m st h r o u g hm a n ye x p e r i m e n tv i d e o s , a n dt h er e s u l t sa r e s a t i s f a c t o r y K e yw o r d s ：O m n i d i r e c t i o n a lv i d e o ，T a r g
14、 e tD e t e c t i o n ，T a r g e tT r a c k i n g ，M R F , K a l m a nf i l t e r 第1 I 页 国防科学技术大学研究生院1 二学硕士学位论文 图目录 图1 1 折反射全向视觉成像原理2 图2 1 基于减背景技术普通目标检测8 图2 2 基于减背景技术全向目标检测9 图2 3 基于帧间差分普通目标检测9 图2 4 基于帧间差分全向目标检测：1 0 图2 5 基于光流场普通目标检测1 1 图2 6 基于光流场全向目标检测1 l 图2 7 一阶、二阶和n 阶邻域系1 2 图2 8 标准卡尔曼滤波器算法示意图1 6 图3
15、 1 经典邻域系统( a 是一阶邻域，b 是二阶邻域) 2 l 图3 2 像素距离对邻域的影响2 l 图3 3 球面邻域定义方法2 2 图3 4 柱面投影邻域定义方法2 2 图3 5 反射镜面邻域定义方法2 3 图3 6 邻域中像素的确定2 5 图3 7 全向图像邻域选取的效果图2 5 图3 8 单视点折反射传感器的空间分辨率一2 6 图3 9 马尔可夫随机场运动目标检测结果2 9 图4 1 图像坐标系3l 图4 2 折反射成像的球面投影模型。3 5 图4 3 目标球面投影点与实际物理空间点之间的关系示意图3 8 图4 4 亮点做匀速直线运动4 l 图4 5 亮点做非匀速直线运动4 2 图4 6 亮点做非匀
