改進(jìn)的粒子濾波在視頻目標(biāo)跟蹤中的應(yīng)用

楊永超 周昊

摘要：針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)粒子濾波重采樣階段導(dǎo)致粒子多樣性降低進(jìn)而影響跟蹤精度的問(wèn)題，在原重采樣階段使用螢火蟲(chóng)算法優(yōu)化，利用螢火蟲(chóng)的移動(dòng)機(jī)制進(jìn)化粒子，促使粒子向最優(yōu)解區(qū)域移動(dòng)。最后將改進(jìn)的算法應(yīng)用于使用HSV（Hue，Saturation.Value）顏色特征建模目標(biāo)的視頻目標(biāo)跟蹤中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與標(biāo)準(zhǔn)粒子濾波相比，改進(jìn)算法的跟蹤精度有了一定提高。

關(guān)鍵詞：粒子濾波;重采樣;螢火蟲(chóng)算法;HSV;視頻目標(biāo)跟蹤

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）19-0001-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

對(duì)視頻序列中的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的熱門(mén)研究領(lǐng)域之一，其主要過(guò)程是首先在視頻序列的第一幀圖像中選定跟蹤目標(biāo)，之后運(yùn)行跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)在后續(xù)幀中預(yù)測(cè)跟蹤目標(biāo)的位置[1，2]。濾波算法是常用的跟蹤算法，其中的粒子濾波[3，4]（ Particle Filter，PF）突破了其他傳統(tǒng)濾波算法要求跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型必須為線性且噪聲服從高斯分布的局限，理論上可以處理任意非線性非高斯的問(wèn)題，應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛。粒子濾波采用蒙特卡洛隨機(jī)采樣的方法，用對(duì)一組帶權(quán)重粒子的求和來(lái)替代后驗(yàn)概率密度復(fù)雜的積分運(yùn)算，但其重采樣階段會(huì)產(chǎn)生粒子貧化問(wèn)題，直接對(duì)大權(quán)重粒子復(fù)制舍棄小權(quán)重粒子的做法導(dǎo)致估計(jì)精確度的降低[3，4]。研究表明，在重采樣階段使用群智能算法優(yōu)化的粒子濾波算法可改善粒子貧化問(wèn)題：將粒子看做生物集群中的個(gè)體，通過(guò)模擬生物個(gè)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律使得粒子分布趨于合理。文獻(xiàn)[5，6，7，8，9]分別通過(guò)引入粒子群算法、蟻群算法、果蠅算法、蝙蝠算法及人工魚(yú)群算法來(lái)改善粒子貧化問(wèn)題，進(jìn)而提高估計(jì)精度。螢火蟲(chóng)算法（Firefly Algorithm，F(xiàn)A）根據(jù)生物學(xué)中螢火蟲(chóng)的發(fā)光行為發(fā)展而來(lái)：螢火蟲(chóng)的光亮度不一，亮度低的螢火蟲(chóng)會(huì)被亮度高的吸引[10]。本文根據(jù)這一特性，在粒子濾波中將粒子比擬成螢火蟲(chóng)，在重采樣階段利用螢火蟲(chóng)的移動(dòng)機(jī)制來(lái)進(jìn)化粒子，使得粒子的分布更加合理，以提高跟蹤精度。

1 標(biāo)準(zhǔn)粒子濾波算法

標(biāo)準(zhǔn)粒子濾波算法是基于貝葉斯濾波框架下預(yù)測(cè)目標(biāo)后驗(yàn)概率密度的遞推迭代過(guò)程，引入蒙特卡洛方法，用一組粒子權(quán)值求和運(yùn)算替代復(fù)雜的概率密度積分運(yùn)算，以期獲得最小方差估計(jì)。

2 FA優(yōu)化的粒子濾波算法（PF-FA）

螢火蟲(chóng)算法（FA）由自然界中螢火蟲(chóng)的發(fā)光行為啟發(fā)而來(lái)，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，螢火蟲(chóng)之間的吸引力與性別、大小無(wú)關(guān)，而與其熒光的亮度成正比：亮度高的螢火蟲(chóng)可以吸引亮度低的螢火蟲(chóng)向自身移動(dòng)。另外，亮度隨距離增加而降低，如果一個(gè)螢火蟲(chóng)周?chē)鷽](méi)有比它更亮的螢火蟲(chóng)，那么它將隨機(jī)移動(dòng)。FA算法的數(shù)學(xué)模型描述為：

可在粒子濾波的重采樣階段融合螢火蟲(chóng)算法，將“粒子”看作“螢火蟲(chóng)”，執(zhí)行螢火蟲(chóng)算法迭代尋優(yōu)，驅(qū)使粒子向高似然區(qū)域移動(dòng)，使粒子分布與真實(shí)情況更接近。具體的算法流程如下：

step3：融合螢火蟲(chóng)算法進(jìn)行重采樣。

step3.1：比較當(dāng)前所有粒子的權(quán)值，選取權(quán)值最大的粒子作為亮度最大的“螢火蟲(chóng)”;

step3.2：其他粒子根據(jù)位置更新公式（9），向權(quán)值最大粒子移動(dòng);權(quán)值最大粒子在當(dāng)前位置隨機(jī)移動(dòng);

step3.3：重新計(jì)算位置移動(dòng)后各粒子的權(quán)值，轉(zhuǎn)到step 3.1。當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到50次后，轉(zhuǎn)到step4。

step4：根據(jù)公式（6）輸出目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)值，令k=k+1，轉(zhuǎn)到step2，開(kāi)始下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)。

3 PF-FA算法在視頻目標(biāo)跟蹤中的應(yīng)用

在視頻目標(biāo)跟蹤中，一般采用顏色、紋理或輪廓特征對(duì)目標(biāo)進(jìn)行建模。本文采用HSV（ Hue Saturation，Value）顏色特征（H通道量化為16個(gè)量級(jí)，S通道量化為4個(gè)量級(jí)，V通道量化為1個(gè)量級(jí)）對(duì)跟蹤目標(biāo)進(jìn)行建模，并將螢火蟲(chóng)算法引入到粒子濾波的重采樣階段，應(yīng)用于復(fù)雜的視頻目標(biāo)跟蹤場(chǎng)景。設(shè)計(jì)目標(biāo)的似然函數(shù)為：

將優(yōu)化后的算法應(yīng)用于測(cè)試視頻，如圖1所示，測(cè)試目標(biāo)為走廊女子，參與跟蹤粒子數(shù)為20。圖1為從視頻第180幀開(kāi)始的跟蹤過(guò)程截圖。

為測(cè)試螢火蟲(chóng)算法優(yōu)化后的粒子濾波性能，圖2給出FA優(yōu)化的PF算法與標(biāo)準(zhǔn)的PF算法中在視頻跟蹤時(shí)，預(yù)測(cè)目標(biāo)中心點(diǎn)與實(shí)際目標(biāo)中心點(diǎn)間在x軸及v軸方向的誤差絕對(duì)值的對(duì)比，雖然對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)粒子濾波算法，本文算法誤差降低，但隨時(shí)間遞增，粒子有發(fā)散現(xiàn)象，且誤差有遞增趨勢(shì)。

4 結(jié)論

為提高粒子多樣性，本文采用螢火蟲(chóng)算法在粒子濾波原重采樣階段進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)粒子濾波對(duì)比，優(yōu)化后的算法跟蹤精度有了一定的提高，但是由于標(biāo)準(zhǔn)螢火蟲(chóng)算法存在收斂速度慢，易于陷于局部最優(yōu)值等缺點(diǎn)，當(dāng)直接用于優(yōu)化粒子濾波時(shí)，存在運(yùn)算速度慢、仍有一定誤差等問(wèn)題，后續(xù)將考慮對(duì)標(biāo)準(zhǔn)螢火蟲(chóng)算法進(jìn)行優(yōu)化。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項(xiàng)目：安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目：人工細(xì)菌菌落算法研究及其在人群異常行為檢測(cè)中的應(yīng)用（KJ2019A0864）;安徽省池州學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2016ZR011）;池州學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目“線下精品課程——計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”（2018XJPKC15）

作者簡(jiǎn)介：楊永超（1985-），女，山東聊城人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別、人工智能;周昊，講師，碩士。