基于稀疏光流檢測的目標跟蹤方法研究

摘 要：對運動中的目標進行檢測和跟蹤，是數字圖像處理與計算機機器視覺學科的分支，在軍事、民用的領域應用很多。基于稀疏光流的對運動中的目標進行檢測和跟蹤的方法，其通過計算圖像中特定像素點的光流矢量，從而實現對目標的檢測和跟蹤。該方法同時結合了圖像金字塔技術，可以精確地檢測和跟蹤那些運動速度快的物體。該方法具有能有效解決目標物被遮擋的情況，且能檢測并跟蹤運動速度很快的目標。

關鍵詞：稀疏光流；目標檢測；目標跟蹤；L-K算法；金字塔表示

運動中的目標的檢測和跟蹤，是數字圖像處理和計算機機器視覺的重要組成部分，其應用十分廣泛，尤其是軍事，主要包括自動瞄準技術，外來不明目標追蹤，無人機，航天器等多個方面。光流法是對一連串運動物體圖像進行分析的一個非常實用的方法。光流法可以用來確定物體的運動情況，以及圖像的其它情況，因為光流中蘊含了物體的運動信息，和物體的三維物理結構的信息。光流法是通過計算運動物體的像素運動矢量來檢測運動目標物體的，其具有一些其他方法所沒有的特點：即使是物體被遮擋，也能夠判斷出目標物體的運動狀態，并對目標物體進行檢測和追蹤，能夠對運動范圍大，速度快的目標進行準備追蹤。稠密光流法缺點明顯，計算強度大，耗時久，所以提出了稀疏光流法對稠密光流進行了改進，從而提高效率，降低計算量。稠密光流要對圖像中每一個目標點進行計算，得到每一個點的光流矢量，但是稀疏光流就不需要如此，只需要計算能表現出運動目標運動特征的點的光流矢量，從而提高了運算的速度和效率。

本論文的研究重點在于稀疏光流的計算方法，稀疏光流法只對圖像中的部分特征點進行計算，這些特征點能夠體現出圖像的運動特征。

1 運動目標檢測與跟蹤框架

運動中的物體檢測和跟蹤，那么必須要進行目標檢測。運動目標檢測的準確度對于運動目標的運動形式，運動分類以及目標的跟蹤等至關重要。本文使用的運動目標檢測與跟蹤方法的步驟如下：首先進行圖像預處理；其次進行運動物體檢測，然后進行圖像標識，接著進行圖像分割和運動軌跡的預測，最后就能夠跟蹤運動的目標。

2 光流法

對光流的探索，是通過對圖像序列中的點的強弱進行研究，得到相關性以及其在時域的變化，進而得到各個像素點的動態。對光流場進行探索是為了得到運動目標的運動場。對于運動場，其實質是物體三維的運動的集合，物體在二維平面上的映射被稱為光流場。

光流法的前提假設：

（1）相鄰兩幀之間，像素亮度恒定；

（2）時間相鄰的兩幀以及兩幀之內的運動較小；

（3）同一目標物體的所有像素點具有相同的運動軌跡，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典算法， 1981年由Lucas和Kanade提出。L-K算法主要是運算圖像間的兩幀之間對應像素點的運動信息，對小目標內的像素點的信息進行運算，從而得到光流矢量。

2.2 圖像金字塔表示

L-K光流法進行計算的一個必要條件，兩個圖像之間目標像素點的變化量足夠微弱，只有這樣才能計算出點的梯度矢量。為了尋找到運動范圍大，運動不連續，那么就可以用圖像金字塔來計算大運動光流。

圖像金字塔闡釋圖像的方法是多分辨率，最早用于視覺應用以及圖像融合。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處理的圖像，上面是分辨率較低的未經處理的圖像，越靠近金字塔的上部，圖像分辨率就會變低，同時圖像的尺寸也會變小。

3 光流法檢測運動物體原理

通過光流法，追蹤運動物體軌跡，是通過對圖像中的每一個點設定一個速度矢量，于是就在圖像中形成了一個運動場。圖像上的點和運動物體上的點是相互對應的，通過投影也能得到同樣的關系。計算運動點的速度矢量，從而可以動態的研究圖像。

對于沒有運動目標的圖像而言，在整個圖像范圍中，光流矢量將是連續變動的。對于有運動目標的圖像而言，運動目標對于背景是有相對位移的，這樣就能判斷出圖像中的運動目標，通過對運動目標中的像素點進行計算，從而對運動目標進行追蹤。

利用光流法來檢測運動目標，缺點為時間久、實用性不高；優點則為運動物體的三維構造信息以及運動信息都包含在光流之中，這樣就可以在不論什么樣的場景下都可以對運動的目標進行準備的檢測和分析。光流法受噪聲干擾小，這樣就能夠準確提取特征點，提高計算結果的準確度。使用光流法對目標進行檢測和和追蹤，是在兩個圖像中，對于同一個點為檢測對象，就可以分析出每一個點的運動狀態和運動趨勢，并且當目標較多時，對于多個目標進行追蹤，也是光流法的優勢，并且可以應用于不同的場合

4 結語

對運動的目標和物體進行追蹤，是圖像處理方面一個重要方向，是研究的一個熱門方向。本文對研究和探討了運動目標追蹤的幾種方法，并進一步分析，選擇了利用光流法對目標進行追蹤和檢測。光流法的優點是計算的準確度非常高，能夠得到運動目標的完整數據，并且抗干擾能力比較強，計算精確度較高；但是光流法也有缺點，實時性和實用性較差。

本文對于光流法的研究還不夠深入，還需要繼續研究和探索，希望能通過接下來的研究，使得光流法在實時性上得到改進，從而能夠在更廣泛的領域和場景進行應用。

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作者簡介：習通（1991-），男，陜西渭南人，碩士，專業：計算機應用技術。