體育視頻中的運動目標(biāo)智能跟蹤研究

劉晨

摘 要： 視頻運動目標(biāo)跟蹤廣泛應(yīng)用于體育領(lǐng)域中，為了提高運動目標(biāo)的跟蹤精度，提出一種體育視頻中的運動目標(biāo)智能跟蹤方法。首先收集體育視頻，考慮體育視頻中運動目標(biāo)的多樣性，采用改進背景更新差分法對運動目標(biāo)進行檢測，然后采用卡爾曼濾波算法對運動目標(biāo)進行跟蹤，最后對多個體育視頻運動目標(biāo)進行跟蹤實驗。結(jié)果表明，該方法可以準(zhǔn)確、快速地對體育視頻中的運動目標(biāo)進行跟蹤，而且運動目標(biāo)跟蹤的實時性要優(yōu)于其他跟蹤方法，為體育視頻中的運動目標(biāo)跟蹤提供了一種新的研究工具。

關(guān)鍵詞： 體育視頻； 運動目標(biāo)； 卡爾曼濾波算法； 背景更新差分法； 檢測與跟蹤

中圖分類號： TN911.73?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0102?03

Research on intelligent tracking of moving objects in sports video

LIU Chen

（Wuhan Huaxia University of Technology， Wuhan 430070， China）

Abstract： Video moving target tracking is widely applied in the sports field. In order to improve the tracking accuracy of moving targets， an intelligent tracking method for moving targets in sports video is proposed. Sports videos are collected， the improved background update difference method is adopted to detect moving targets in view of the variability of moving targets in sports video， and then the Kalman filtering algorithm is adopted to track the moving targets. Finally， an experiment is carried out for tracking multiple moving targets in sports video. The results show that by using this method， the moving targets in sports video can be tracked accurately and quickly， and the real?time performance of moving target tracking is superior to that of other tracking methods. This method provides a new research means for tracking the moving targets in sports video.

Keywords： sports video； moving target； Kalman filtering algorithm； background update difference method； detection and tracking

0 引 言

隨著我國體育事業(yè)的發(fā)展，各種大型體育賽事越來越多，出現(xiàn)了大量的體育視頻[1]。對體育視頻進行分析和研究，找到對方或者自身的不足，對制定訓(xùn)練計劃和比賽方案具有重要的實際意義，而運動目標(biāo)跟蹤是體育視頻分析的一個重要方面，引起了人們的高度關(guān)注[2?3]。

由于體育視頻采集角度、光照變化等因素的干擾，體育視頻目標(biāo)跟蹤面臨巨大的挑戰(zhàn)，當(dāng)前體育視頻目標(biāo)跟蹤算法可以劃分為跟蹤器的體育視頻目標(biāo)跟蹤算法和檢測器的體育視頻目標(biāo)跟蹤算法兩大類[4]。基于跟蹤器的體育視頻目標(biāo)跟蹤算法需要提取目標(biāo)特征，經(jīng)典特征主要有目標(biāo)的輪廓、光流，該類算法要求運動目標(biāo)始終可見，如果運動目標(biāo)在視覺范圍消除，那么就無法實現(xiàn)體育視頻目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤，因此實際應(yīng)用范圍相對較窄[5?6]。基于體育視頻目標(biāo)跟蹤算法根據(jù)滑動窗口對每一幀中的運動目標(biāo)位置進行檢測，由于需要進行離線學(xué)習(xí)，無法滿足體育視頻目標(biāo)跟蹤的實時性[7]。近年來，隨著控制優(yōu)化技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了背景差分法、粒子濾波算法、均值漂移算法的目標(biāo)跟蹤研究[8?10]，研究結(jié)果表明，它們提高了體育視頻目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確性，但當(dāng)運動目標(biāo)的場景變化比較大時，體育視頻目標(biāo)跟蹤效果急劇下降，跟蹤魯棒性差。

為了提高運動目標(biāo)跟蹤精度，提出一種體育視頻中的運動目標(biāo)智能跟蹤方法。首先采用改進背景更新差分法對運動目標(biāo)進行檢測，然后采用卡爾曼濾波算法對運動目標(biāo)進行跟蹤，最后實驗結(jié)果表明，該方法可以準(zhǔn)確、快速地對體育視頻中的運動目標(biāo)進行跟蹤，而且運動目標(biāo)跟蹤的實時性要優(yōu)于其他跟蹤方法。

1 體育視頻運動目標(biāo)智能跟蹤算法

1.1 改進背景更新差分法

在體育視頻運動目標(biāo)跟蹤建模過程中，首先要對視頻中的運動目標(biāo)進行檢測，當(dāng)前運動目標(biāo)檢測算法眾多，相對于其他方法，背景更新差分法的運算量相對較小，檢測速度更快，可以獲得更好的運動目標(biāo)檢測效果，并結(jié)合體育視頻運動目標(biāo)的特點，對傳統(tǒng)背景更新差分法進行相應(yīng)的改進，以提高運動目標(biāo)的準(zhǔn)確性。

背景更新差分法首先對視頻圖像序列的相鄰幀進行差分操作，在短時間內(nèi)檢測不同圖像幀的像素強度變化，然后根據(jù)閾值對視頻中的運動目標(biāo)進行檢測，其工作流程如圖1所示。

設(shè)[St]和[St+n]為第[t]和[t+n]幀的圖像，根據(jù)背景更新差分法的工作流程建立數(shù)學(xué)模型為：

[St=Bt（x，y）+V（x，y）+Nt（x，y）] （1）

[St+n=Bt+n（x，y）+V（x+Δx，y+Δy）+Nt+n（x，y）] （2）

式中：[Bt（x，y）]和[Bt+n（x，y）]為第[t，t+n]幀的背景；[V（x，y）]和[V（x+Δx，y+Δy）]為第[t，t+1]幀的運動目標(biāo)；[Nt（x，y）]和[Nt+n（x，y）]為第[t，t+n]幀的噪聲。

采用背景更新差分法得到第[t，t+n]幀的差分值[（ΔSt+n/t）]為：

[ΔSt+n/t=St+n-St=Bt+n（x，y）-Bt（x，y）+ V（x+Δx，y+Δy）-V（x，y）+Nt+n（x，y）-Nt（x，y）] （3）

式中：[Bt+n（x，y）-Bt（x，y）+V（x+Δx，y+Δy）-V（x，y）]為運動像素的強度；[Nt+n（x，y）-Nt（x，y）]為噪聲的強度。

[K（x，y）]表示背景更新差分法的二值差分圖像，那么可以得到：

[K（x，y）=1， ΔS≥T0， ΔS

式中[T]表示閾值。

如果[K（x，y）=1，]表示視頻中的目標(biāo)處于運動狀態(tài)；[K（x，y）=0，]表示目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

針對傳統(tǒng)背景更新差分法存在的不足，本文對其進行改進，基本思想為：對像素強度變化區(qū)域進行標(biāo)記，并對背景進行相應(yīng)的修正，然后根據(jù)累計差分自動更新背景，并根據(jù)光照幅度變化對參考背景進行補償，最后實現(xiàn)背景實時更新，其工作流程如圖2所示。

設(shè)[P（x，y）]表示改進背景更新差分法處理后的二值差分圖像，則有：

[P（x，y）=0， ΔSt/t-1?ΔSt+n/t≠11， ΔSt/t-1?ΔSt+n/t=1] （5）

如果[P（x，y）=1，]表示該像素點處于運動區(qū)域；[P（x，y）=0，]表示該像素點處于背景運動區(qū)域，需要進行背景實時更新操作。用[St] 幀的像素換背景區(qū)域，實現(xiàn)背景像素的修正。

根據(jù)非零區(qū)域內(nèi)的采樣[Bm]和其他區(qū)域采樣[Bn，]那么可以得到實時背景圖像[B]為：

[B（x，y）=Bm（x，y）=St， P（x，y）=0Bn（x，y）， otherwise] （6）

將更新的背景圖像[BM]描述為[B]和[Bm]的加權(quán)和，即有：

[BM（x，y）=σ×B（x，y）+（1-σ）×Bm（x，y）] （7）

式中[σ]為權(quán)值。

采用鄰幀差分法選擇幀[St+1]和[St]差分的平均值作為光照幅度的變化值，采用多個相鄰幀差分的均值量化光照變化的幅度，這樣幀[St+1]和[St]的光照幅度變化值[CBt+1/t]可以描述為：

[CBt+1/t=k=1MSt+1（x，y）-St（x，y）M] （8）

當(dāng)光照強度變化超過閾值時，就實現(xiàn)光照補償，得到更新后的背景圖像為：

[B′M（x，y）=σB（x，y）+（1-σ）Bm（x，y）+CBt+1/t， CBt+1/t>TSBm（x，y）， otherwise] （9）

1.2 卡爾曼濾波的運動目標(biāo)跟蹤

改進背景更新差分法對運動目標(biāo)進行檢測，選擇卡爾曼濾波算法對運動目標(biāo)進行跟蹤。[Xk]為第[k]時刻的運動目標(biāo)矢量，[Zk]代表系統(tǒng)觀測矢量，那么運動目標(biāo)狀態(tài)和觀測方程分別為：

[Xk+1=Ak+1/kXk+wk] （10）

[Zk=HkXk+vk] （11）

式中：[Ak+1/k]為從[k]到[k+1]時刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；[wk]為隨機噪聲矢量；[Hk]為觀測矩陣；[vk]為觀測噪聲矢量。

采用卡爾曼濾波算法對運動目標(biāo)進行估計，估計準(zhǔn)則為：

[J[Xk]=J[Xk-Xk]=E[XkXTk]=min] （12）

式中[Xk]是[Xk]的無偏估計。

先驗估計的運動目標(biāo)矢量預(yù)測和協(xié)方差方程分別為：

[X′k+1=Ak+1Xk] （13）

[P′k+1=Ak+1PkATk+1+Qk] （14）

卡爾曼濾波算法的增益矩陣計算公式為：

[Kk=P′kHTk（HkP′kHTk+Rk）-1] （15）

后驗估計的運動目標(biāo)矢量更新方程和協(xié)方差更新方程分別為：

[Xk=X′k+Kk（Zk-HkX′k）] （16）

[Pk=（I-KkHk）P′k] （17）

式中：[X′k+1]為先驗估計的運動目標(biāo)；[P′k+1]為先驗估計的誤差方差矩陣；[Pk+1]為最優(yōu)估計的誤差方差矩陣；[Kk]為最優(yōu)估計的系數(shù)矩陣；[Xk+1]為運動目標(biāo)的最優(yōu)估計。

2 體育視頻運動目標(biāo)智能跟蹤的性能測試

2.1 測試平臺

在Intel[?] 4 核酷睿 3.0 GHz CPU，32 GB 內(nèi)存，Win7操作系統(tǒng)的個體計算機，選擇Matlab 2012R仿真工具箱對體育視頻運動目標(biāo)智能跟蹤算法進行仿真測試，選擇當(dāng)前經(jīng)典運動目標(biāo)智能跟蹤算法——均值漂移算法和粒子濾波算法進行對比實驗，以驗證本文方法的優(yōu)越性。

2.2 普通視頻的性能分析

選擇一個普通視頻對智能跟蹤算法的性能進行分析，所有算法的運動目標(biāo)跟蹤結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知：

（1） 在所有算法中，均值漂移算法的運動目標(biāo)跟蹤結(jié)果效果最差，而且實際運動目標(biāo)位置偏離很大，無法對運動目標(biāo)進行準(zhǔn)確跟蹤，沒有什么實際應(yīng)用價值。

（2） 相對于均值漂移算法，粒子濾波算法的運動目標(biāo)跟蹤結(jié)果得到了相應(yīng)的改善，提高了運動目標(biāo)跟蹤精度，這是因為粒子濾波算法具有對運動目標(biāo)跟蹤的動態(tài)性，可以不停調(diào)整跟蹤軌跡，得到比較理想的運動目標(biāo)跟蹤效果。

（3） 本文算法的視頻目標(biāo)跟蹤效果要明顯優(yōu)于對比算法的視頻跟蹤效果，這是由于本文算法充分利用了背景更新差分法和卡爾曼濾波算法的優(yōu)點，可以對視頻中的運動目標(biāo)進行準(zhǔn)確檢測，從而實現(xiàn)運動目標(biāo)高精度跟蹤，克服了對比算法存在的不足，獲得了最優(yōu)的運動目標(biāo)跟蹤結(jié)果。

2.3 體育視頻的性能分析

選擇多個體育視頻運動目標(biāo)進行跟蹤測試，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，本文算法的體育視頻運動目標(biāo)跟蹤效果要遠遠好于對比算法的跟蹤結(jié)果，具有更好的跟蹤精度，而且適應(yīng)環(huán)境的能力更強。

2.4 目標(biāo)跟蹤的實時性分析

速度在視頻運動目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用中十分關(guān)鍵，是一個經(jīng)常衡量視頻運動目標(biāo)跟蹤性能的重要指標(biāo)，選擇運動目標(biāo)跟蹤時間分析算法的目標(biāo)跟蹤實時性，即跟蹤速度，不同類型的體育視頻運動目標(biāo)平均跟蹤時間見圖5。

由圖5可知，本文方法的平均跟蹤時間最少，其次是粒子濾波算法，最多為均值漂移算法，對比結(jié)果表明，本文算法獲得了更快的體育視頻運動目標(biāo)跟蹤速度，具有更優(yōu)的運動目標(biāo)跟蹤實時性。

3 結(jié) 語

目標(biāo)跟蹤是體育視頻分析和研究中的一個重要方向，為了更好地給體育訓(xùn)練和比賽提供有價值的參考信息，針對當(dāng)前體育視頻中的運動目標(biāo)跟蹤算法存在的缺陷，設(shè)計了一種體育視頻運動目標(biāo)的智能跟蹤算法，并選擇多個數(shù)據(jù)進行了驗證性測試。測試結(jié)果表明，該方法結(jié)合背景更新差分法和卡爾曼濾波算法的優(yōu)點，不僅獲得了較高精度的運動目標(biāo)跟蹤結(jié)果，而且運動目標(biāo)跟蹤速度可以滿足體育視頻分析的實時性要求。

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