多目標(biāo)跟蹤中一種改進(jìn)的航跡起始算法

賈巖松，許志偉

（1.四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065；2.國家空管自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065）

多目標(biāo)跟蹤中一種改進(jìn)的航跡起始算法

賈巖松1，許志偉2

（1.四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065；2.國家空管自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065）

邏輯法是航跡起始的一種傳統(tǒng)方法，在多目標(biāo)跟蹤中，傳統(tǒng)的邏輯法虛警率較高，針對(duì)這個(gè)問題，提出一種改進(jìn)的算法。該算法首先將航跡進(jìn)行分類劃分，不同分類的航跡關(guān)聯(lián)量測(cè)數(shù)量不同；同時(shí)在航跡起始確認(rèn)階段，提出最小檢測(cè)數(shù)量準(zhǔn)則、丟失數(shù)量準(zhǔn)則、最小速度準(zhǔn)則、最大速度準(zhǔn)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法降低虛警率。

多目標(biāo)跟蹤；航跡起始；邏輯法；虛警率

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也在不斷進(jìn)步與發(fā)展，多目標(biāo)跟蹤技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的子技術(shù)，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究不斷深入，也得到了長足的進(jìn)步與發(fā)展，并不斷得到完善。在多目標(biāo)的跟蹤[1-2]過程中航跡起始是重要的技術(shù)之一，多目標(biāo)跟蹤處理的過程分為航跡起始階段、航跡維護(hù)階段以及航跡結(jié)束階段。在航跡的處理過程中，航跡起始是一個(gè)必不可少的過程。航跡起始階段處理地好，既能高效地剔除大量的雜波，為后續(xù)的航跡處理減輕負(fù)擔(dān)，還能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)新目標(biāo)，極大地降低了航跡漏警的概率[3]。但是在實(shí)際的情況中，由于目標(biāo)密集、雜波干擾、來自傳感器如雷達(dá)掃描時(shí)觀測(cè)噪聲等因素的影響，使得航跡起始的質(zhì)量受到了極大的影響。

經(jīng)典的航跡起始[4-8]算法有直觀法、邏輯法、修正的邏輯法、Hough變換法、極大似然算法[9]、基于Hough變換和邏輯的航跡起始算法[10]等。國外很多的學(xué)術(shù)研究團(tuán)體仍然活躍在航跡起始[11-12]領(lǐng)域，比較有代表性的學(xué)術(shù)帶頭人和研究團(tuán)體如美國康涅狄格大學(xué)的Y.Bar-Shalom教授，以T.Kirubaraja為代表的加拿大麥克馬斯特大學(xué)等。我國學(xué)者也在這方面做了不少工作，王國宏[13-14]等人初次提出將基于Hough變換與基于邏輯的航跡起始算法相結(jié)合，并用于二維空間密集雜波背景下航跡的快速起始；針對(duì)hough變換中閾值選取的困難和航跡簇?fù)韱栴}，金術(shù)玲[15]等人提出了MSMSC-HT算法。雖然Hough變換算法在航跡起始中得到了廣泛的應(yīng)用，但是Hough變換算法仍然存在許多的問題，例如參數(shù)量化間隔的選取、峰值的提取算法等，特別是在實(shí)際的工程運(yùn)用中常常會(huì)產(chǎn)生許多新的問題。

在實(shí)際的工程運(yùn)用中，邏輯法是比較實(shí)用的方法，能夠同時(shí)處理多批次的目標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，但是在實(shí)際場(chǎng)景比較復(fù)雜的情況下，如有大量雜波[16]、目標(biāo)機(jī)動(dòng)性復(fù)雜性的情況下，傳統(tǒng)的邏輯算法會(huì)產(chǎn)生大量虛假目標(biāo)，不能滿足工程需要，本文在邏輯法的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的方法，并對(duì)其跟蹤效果進(jìn)行了分析。

1 傳統(tǒng)方法介紹

1.1 直觀法

直觀法是一種較為簡單方法。它主要通過計(jì)算歷史航跡的速度、加速度值來判斷航跡是否是一條真實(shí)航跡。假設(shè)ri（i=1，2，…，N）為N次連續(xù)掃描獲得的目標(biāo)位置觀測(cè)值，如果這N次掃描中M個(gè)觀測(cè)值滿足如下條件，那么就認(rèn)為這是一個(gè)真實(shí)目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)起始該航跡。

（1）估計(jì)或者測(cè)得速度值小于某最大值Vmax并且大于某最小值Vmin

1.2 邏輯法

該算法的具體處理步驟如下：

（1）將第一次掃描到的測(cè)量作為航跡頭并建立相關(guān)波門，利用下一周期中所有落入波門內(nèi)的測(cè)量建立可能航跡；

（2）對(duì)每條可能航跡進(jìn)行外推處理，計(jì)算航跡下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)位置，以預(yù)測(cè)位置為中心建立相關(guān)波門，選擇下一周期中落入波門內(nèi)的某個(gè)測(cè)量進(jìn)行互聯(lián)；

（3）下一周期若是沒有測(cè)量進(jìn)入相關(guān)波門內(nèi)則刪除該航跡，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟（2）直至形成穩(wěn)定航跡并確認(rèn)；

（4）繼續(xù)上述步驟，直到形成穩(wěn)定航跡，航跡起始才完成。

（5）在每一次的掃描中，如果有量測(cè)未落入相關(guān)波門內(nèi)參與數(shù)據(jù)互聯(lián)判斷，將該量測(cè)作為新的航跡頭，建立新的航跡，然后轉(zhuǎn)步驟（1）。

在用邏輯法進(jìn)行航跡起始的時(shí)候，其中一個(gè)重要的問題就是判斷航跡是否是穩(wěn)定的航跡，一般采用航跡起始滑窗法的m/n邏輯原理。常用的是2/3比值和3/ 4比值，2/3一般用于快速起始航跡，3/4用于正常航跡起始。

通過對(duì)直觀法和邏輯法的介紹可知：直觀法過于簡單，僅僅考慮最大最小速度、最大最小加速度進(jìn)行限制，在含有大量目標(biāo)或者雜波點(diǎn)跡較多的情況下，常常會(huì)產(chǎn)生許多虛假目標(biāo)，嚴(yán)重影響后續(xù)的處理效果。邏輯法相對(duì)于直觀法有一定的改進(jìn)，但是，除了新建的航跡可以關(guān)聯(lián)相關(guān)門限的所有點(diǎn)外，其他未起始的航跡只

（2）估計(jì)或者測(cè)得的加速度絕對(duì)值小于最大加速度值amax。如果存在不止一個(gè)量測(cè)，則用加速度值最小的那個(gè)量測(cè)來形成新的航跡。能關(guān)聯(lián)一個(gè)點(diǎn)跡，就會(huì)導(dǎo)致航跡在關(guān)聯(lián)上錯(cuò)誤的點(diǎn)跡之后無法進(jìn)行更正，導(dǎo)致后續(xù)的跟蹤失敗。同時(shí)在起始判斷的時(shí)候，僅僅依靠航跡起始滑窗法的m/n邏輯原理，過于統(tǒng)一化，考慮的不夠。本文針對(duì)上述問題提出了新的航跡起始方法。具體流程如下。

2 本文提出的方法

2.1 航跡分類

首先根據(jù)航跡的不同的情況進(jìn)行分析，分為四類：

（1）新建航跡：在雷達(dá)每次的掃描中，如果有量測(cè)未落入相關(guān)波門內(nèi)參與數(shù)據(jù)互聯(lián)判斷，則將該量測(cè)作為新的航跡頭，建立新的航跡。用P1代表。

（2）只有兩個(gè)點(diǎn)的航跡：對(duì)于航跡列表中新建的航跡，如果有量測(cè)落入相關(guān)波門內(nèi)，并且滿足數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的條件，則將該量測(cè)更新該航跡，此時(shí)航跡含有兩個(gè)點(diǎn)跡。用P2代表。

（3）多余兩個(gè)點(diǎn)但是沒有起始的航跡P：如何只有兩個(gè)點(diǎn)的航跡在后續(xù)的掃描中有其他點(diǎn)跡加入到航跡當(dāng)中，但是該航跡并沒有被確認(rèn)為正式的航跡。用P代表。

（4）已經(jīng)起始的航跡。經(jīng)過幾個(gè)掃描周期之后，如果航跡比較穩(wěn)定滿足航跡起始的條件，就對(duì)該航跡進(jìn)行起始。用來CP代替。

處理流程

2.2 不同分類航跡的關(guān)聯(lián)方法

（1）對(duì)于P1航跡的關(guān)聯(lián)方法

一個(gè)P1航跡最多與三個(gè)量測(cè)相關(guān)。如果在P1航跡的下一個(gè)掃描周期關(guān)聯(lián)門內(nèi)至少有三個(gè)量測(cè)，P1航跡最多與三個(gè)量測(cè)相關(guān)。如果有N（N≤3）個(gè)量測(cè)滿足關(guān)聯(lián)條件，則將P1航跡復(fù)制N-1份，找一個(gè)最合適的量測(cè)與P1航跡關(guān)聯(lián)并更新P1航跡為P2航跡，其他滿足關(guān)聯(lián)條件的量測(cè)分別與P1航跡復(fù)制的量測(cè)相關(guān)，并跟新為新的P2航跡。如果在P1航跡的下一個(gè)掃描周期關(guān)聯(lián)門內(nèi)沒有量測(cè)或者有量測(cè)但不滿足關(guān)聯(lián)條件，則將該P(yáng)1航跡從航跡列表中刪除并回收航跡號(hào)。

（2）對(duì)于P2航跡的關(guān)聯(lián)方法

P2航跡的處理流程與P2航跡相同，但是P2航跡只能與一個(gè)量測(cè)相關(guān)。如果P2航跡的下一個(gè)掃描周期內(nèi)有滿足關(guān)聯(lián)條件的量測(cè)，則選擇一個(gè)最合適的量測(cè)用于更新P2航跡，更新之后P2航跡變?yōu)镻航跡。如果沒有量測(cè)與P2航跡相關(guān)則對(duì)P2航跡進(jìn)行外推處理，外推之后的航跡依然是P2航跡；如果P2航跡連續(xù)外推兩次，則刪除該P(yáng)2航跡，并回收航跡號(hào)；如果P2航跡在外推一次之后并重新關(guān)聯(lián)上量測(cè)，則將P2航跡更新后的航跡改為P航跡。下圖進(jìn)行圖像解釋，黑色點(diǎn)表示，關(guān)聯(lián)上的量測(cè)，白色表示外推的量測(cè)。

圖1

（3）對(duì)于P航跡的關(guān)聯(lián)方法

P航跡的處理流程與P1、P2航跡相同，但是P航跡最多與兩個(gè)量測(cè)相關(guān)。在P航跡關(guān)聯(lián)之后，有些航跡繼續(xù)保持為P航跡，有些變?yōu)镃P航跡。

2.3 航跡起始確認(rèn)準(zhǔn)則

P航跡變?yōu)镃P航跡要遵循以下準(zhǔn)則，包括最小檢測(cè)數(shù)量準(zhǔn)則，丟失數(shù)量準(zhǔn)則，最小速度準(zhǔn)則，最大速度準(zhǔn)則。

（1）最小檢測(cè)數(shù)量準(zhǔn)則

點(diǎn)跡數(shù)量小于不能對(duì)航跡進(jìn)行起始判斷，即不能變?yōu)镃P航跡。

（2）丟失數(shù)量準(zhǔn)則

無論是P1航跡、P2航跡，還是P都不能連續(xù)丟失量測(cè)。如果最近一個(gè)掃描周期丟失量測(cè)，則該航跡不能進(jìn)行起始判斷，即不能變?yōu)镃P航跡。

（3）最小速度準(zhǔn)則

首先要設(shè)置最小起始速度門限，如果P航跡速度低于該最小速度門限，則該航跡不能進(jìn)行起始，即不能變?yōu)镃P航跡。最小速度門限值的設(shè)定，可根據(jù)具體情況設(shè)置。

（4）最大速度準(zhǔn)則

定義一個(gè)確認(rèn)航跡最大速度門限值，如果P航跡的速度高于該最大速度門限值，則該航跡不能進(jìn)行起始，即不能變?yōu)镃P航跡。最大速度門限值的設(shè)定，可根據(jù)具體情況設(shè)置。

可以看出直觀法、邏輯法與本文提出的方法在處理流程上有著明顯的不同。直觀法僅僅考慮最大最小速度、最大最小加速度，在有雜波的情況下無法滿足系統(tǒng)要求。邏輯法除了新建的航跡可以關(guān)聯(lián)相關(guān)門限的所有點(diǎn)外，其他未起始的航跡只能關(guān)聯(lián)一個(gè)點(diǎn)跡，同時(shí)在起始判斷的時(shí)候，僅僅依靠航跡起始滑窗法的m/n邏輯原理，過于統(tǒng)一化，考慮的不夠。本文提出的方法相對(duì)兩者有著明顯的改進(jìn)。本文方法首先對(duì)航跡進(jìn)行分類，不同的航跡情況，關(guān)聯(lián)點(diǎn)跡的數(shù)量也不同，這就解決了直觀法在關(guān)聯(lián)上錯(cuò)誤點(diǎn)跡之后丟失目標(biāo)的情況。同時(shí)在進(jìn)行航跡起始判斷的時(shí)候，提出了最小檢測(cè)數(shù)量準(zhǔn)則、丟失數(shù)量準(zhǔn)則、最小速度準(zhǔn)則、最大速度準(zhǔn)則，這樣對(duì)航跡進(jìn)行起始判斷的更加準(zhǔn)確。下面是在真實(shí)場(chǎng)景下，對(duì)傳統(tǒng)的邏輯法與本文提出的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的算法降低了虛警率。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文對(duì)真實(shí)場(chǎng)景下的上百批次運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行了跟蹤。首先，點(diǎn)跡信息發(fā)送平臺(tái)將從真實(shí)環(huán)境中記錄得到的點(diǎn)跡信息發(fā)送到雷達(dá)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，然后雷達(dá)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的點(diǎn)跡信息進(jìn)行相應(yīng)處理，并將處理過后形成的航跡信息發(fā)送到雷達(dá)顯示平臺(tái)，最后雷達(dá)顯示平臺(tái)顯示跟蹤效果。雷達(dá)的掃描半徑為500公里，有很廣的探測(cè)范圍，在雷達(dá)的探測(cè)目標(biāo)中，包含了機(jī)動(dòng)目標(biāo)與非機(jī)動(dòng)目標(biāo)，各目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括直線飛行、并行飛行、對(duì)非、曲線飛行等多種的場(chǎng)景。系統(tǒng)處理時(shí)，將雷達(dá)進(jìn)行扇區(qū)[17]劃分，一個(gè)掃描周期分成32個(gè)扇區(qū)，一個(gè)掃描周期的時(shí)間為10秒，雷達(dá)范圍內(nèi)，有雜波區(qū)和非雜波區(qū)。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表1 真實(shí)場(chǎng)景下性能對(duì)照表

圖2 真實(shí)場(chǎng)景下航跡起始效果圖

上表表示使用本文所述處理算法在真實(shí)景下的跟蹤目標(biāo)，由上表可知本文雜波處理算法在密集雜波情況下虛警率較低，且起始周期滿足實(shí)際工程的需求。

同時(shí)，為了與已有的航跡起始算法在起始性能上進(jìn)行比較，本文將圖所對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)分別就本文算法和邏輯算法進(jìn)行處理，下表將分別就兩種算法的總航跡個(gè)數(shù)、虛假目標(biāo)個(gè)數(shù)、虛警率進(jìn)行對(duì)比。

表2 不同處理方法起始性能對(duì)比表格

上表處理方法中方法1代表本文所述航跡起始算法的處理結(jié)果，方法2表示傳統(tǒng)邏輯方法的處理結(jié)果，由表可知，在真實(shí)復(fù)雜的場(chǎng)景下，虛假航跡占有率方面，本文算法均比傳統(tǒng)的邏輯方法得到很大程度上的改進(jìn)，本文算法可以很好地將虛假航跡控制在合理的范圍內(nèi)，滿足預(yù)期的指標(biāo)，而使用傳統(tǒng)的邏輯法虛警率明顯較高，不能滿足系統(tǒng)的實(shí)際需求。

4 結(jié)語

通過以上分析可知，在實(shí)際場(chǎng)景比較復(fù)雜的情況下，如有大量雜波與虛假點(diǎn)跡、目標(biāo)機(jī)動(dòng)性復(fù)雜性的情況下，傳統(tǒng)的邏輯法虛假目標(biāo)較多，虛警率高，無法滿足航跡起始的要求。對(duì)于在相同的復(fù)雜環(huán)境下，本文提出的改進(jìn)方法虛警告率明顯低于傳統(tǒng)的邏輯法，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)際要求。綜上所述，對(duì)于含有大量情況復(fù)雜的目標(biāo)且有大量雜波點(diǎn)的情況下，本文提出的改進(jìn)算法具有更好降低了虛警率，滿足系統(tǒng)實(shí)際要求。

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An Improved Track Initiation Algorithm in Multi-Target Tracking

JIA Yan-song，XU Zhi-wei

（College of Computer Science，Sichuan University，National Key Laboratory of ATC Automation System Technology，Chengdu 610065）

Logic method is a traditional method of track initiation,in the multi-target tracking,the traditional logic method false alarm rate is high, for this problem,presents an improved algorithm.The algorithm firstly classifies the track,and the number of track correlation measurements of different classes is different.At the same time in the track start confirmation phase,proposes the minimum number of measures criterion,the miss criterion,the minimum speed criterion and themaximum speed criterion.Experimental results show that the algorithm reduces the false alarm rate.

Multiple-Target Tracking;Track Initiation;Logic Method;False Alarm Rate

國家空管科研課題（No.GKG201403001）

1007-1423（2017）09-0094-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.09.022

賈巖松（1991-），男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)據(jù)處理

2017-02-09

2017-03-10

許志偉（1990-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)據(jù)處理