基于模板匹配的交通燈跟蹤算法

陳紅妃+朱敏娟+羅曉鎂

摘要：模板匹配算法是跟蹤算法中的主要處理方法。由于道路交通燈的跟蹤是一個(gè)實(shí)時(shí)的過(guò)程，需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)跟蹤到圖像中交通燈的具體位置。普通模板匹配是對(duì)于整張圖片的檢測(cè)與匹配，計(jì)算量很大，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法得到結(jié)果，該文在對(duì)交通燈追蹤定位時(shí)依據(jù)時(shí)空相關(guān)性的思想，在鄰域內(nèi)查找追蹤，減少計(jì)算量以達(dá)到實(shí)時(shí)的效果，基于該算法，實(shí)現(xiàn)道路交通燈的實(shí)時(shí)跟蹤。

關(guān)鍵詞：模板匹配；時(shí)空相關(guān)性；交通燈跟蹤；實(shí)時(shí)性；領(lǐng)域查找

隨著智能交通的發(fā)展，道路交通安全問題日益嚴(yán)峻，越來(lái)越多的目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)被應(yīng)用于這個(gè)領(lǐng)域中。交通燈檢測(cè)是智能交通系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方向，一方面可以有效地輔助駕駛員駕駛，提供駕駛員安全信息，降低疲勞駕駛帶來(lái)的危害；另一方面促進(jìn)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)于無(wú)人駕駛的車輛，交通燈檢測(cè)是一項(xiàng)確保安全的關(guān)鍵技術(shù)。因此，對(duì)交通燈的檢測(cè)跟蹤顯得尤為重要。

現(xiàn)有較為常用的目標(biāo)檢測(cè)算法是模板匹配算法，它根據(jù)一幅已知的“模板”在大圖像中尋找并定位目標(biāo)。本文介紹了基于模板匹配的交通燈跟蹤算法，并結(jié)合時(shí)空相關(guān)性加以改進(jìn)，較之傳統(tǒng)的模板匹配算法，提高了計(jì)算效率，達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。

2方法

常用的視頻目標(biāo)跟蹤算法主要有，基于對(duì)比度分析的目標(biāo)跟蹤、基于匹配的目標(biāo)跟蹤、基于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的目標(biāo)跟蹤，本文采用的是基于匹配的目標(biāo)跟蹤。本文采用的基于匹配的目標(biāo)跟蹤算法，主要通過(guò)前后幀之間的模板匹配實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位。

1）模板匹配算法

模板匹配算法就是依據(jù)已知模式在一幅較大圖像（搜索圖）中搜索相應(yīng)模式的處理方法。已知模式即模板圖，是一幅已知的圖像，也就是所要搜尋的目標(biāo)。設(shè)搜索圖R大小為MxN，模板T大小為mxn，將模板疊放在搜索圖像上平移，模板覆蓋搜索圖的區(qū)域?yàn)樽訄Ds，其中x，y是s左上角在搜索圖的位置。

由模板匹配的概念可知，我們需要沿著搜索圖像中的所有點(diǎn)移動(dòng)模板，并且按（1）式計(jì)算每個(gè)位置模板與子圖的相似值D。

2）本文的模板匹配算法

本文依據(jù)時(shí)空相關(guān)性對(duì)傳統(tǒng)的模板匹配算法進(jìn)行改進(jìn)。由于在交通燈跟蹤過(guò)程中，交通燈的位置及形狀保持不變，車輛基本以恒定速度運(yùn)行，可以將這個(gè)過(guò)程看成一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程，所以在很短的時(shí)間內(nèi)，相鄰的兩幀中交通燈的形狀基本沒有變化。因此，本文依據(jù)這一特性，選擇在上一幀中目標(biāo)的鄰域范圍內(nèi)進(jìn)行模板匹配。從而減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。

3設(shè)計(jì)

3.1臨近幀跟蹤

在交通燈跟蹤的初始階段，首先依據(jù)模板，對(duì)跟蹤交通燈的起始幀，進(jìn)行全局范圍的模板匹配，獲得交通燈在起始幀中的位置。由于起始的模板提取自起始幀的圖像中，所以在使用傳統(tǒng)的模板匹配算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全局的匹配時(shí)，會(huì)得到很高的相似度，也就是模板與起始幀圖像中的目標(biāo)匹配差值（歐氏距離）很小。

得到起始幀中交通燈的位置后，將在起始幀中匹配得到的目標(biāo)保存為新的模板，并記錄目標(biāo)在起始幀中的位置信息。

在第二幀的目標(biāo)匹配中，依據(jù)時(shí)空相關(guān)性，只在其鄰域范圍進(jìn)行模板匹配計(jì)算。在交通燈的跟蹤過(guò)程中，整個(gè)跟蹤過(guò)程所得到的圖像，可以看成是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，所以在整個(gè)跟蹤過(guò)程中，每一幀中交通燈的位置及形狀變化相差不大，也就是具有“時(shí)空相關(guān)性”。因此，在對(duì)圖像中的交通燈定位時(shí)，不需要在整幅圖像中對(duì)模板進(jìn)行匹配，只需要在一定區(qū)域內(nèi)匹配。依據(jù)時(shí)空相關(guān)性，由于目標(biāo)交通燈與上一幀中的位置變化不大，所以只需要在上一幀所得到的交通燈位置的鄰域范圍內(nèi)進(jìn)行匹配即可。

基于時(shí)空相關(guān)性改進(jìn)的模板匹配算法，一方面只需要在模板鄰域范圍內(nèi)進(jìn)行匹配計(jì)算，很大程度上縮減了匹配計(jì)算的范圍，提高了整個(gè)跟蹤過(guò)程中目標(biāo)搜索的效率；另一方面，只在鄰域范圍內(nèi)，也就刪減了整個(gè)圖像中其他范圍內(nèi)的信息，降低了周圍環(huán)境信息對(duì)交通燈跟蹤的影響，在一定程度上提高了交通燈跟蹤定位的準(zhǔn)確率。

3.2長(zhǎng)距離跟蹤

在短距離內(nèi)對(duì)交通燈跟蹤定位，交通燈的大小不會(huì)發(fā)生較大的改變，但在長(zhǎng)距離范圍時(shí)，交通燈的大小會(huì)隨著距離的縮減而變大，因此在整個(gè)交通燈的跟蹤過(guò)程中，還需要對(duì)交通燈大小的變化進(jìn)行考慮。本文采用的方法是：在一定幀間隔（也就是時(shí)間間隔）T內(nèi)，對(duì)模板擴(kuò)大P個(gè)像素點(diǎn)。

通常對(duì)速度以及視頻圖像中幀速率的描述都是以s為標(biāo)準(zhǔn)，在本文中將時(shí)間間隔設(shè)置為1s，本文算法使用幀數(shù)代替時(shí)間，T=29幀，相當(dāng)于1s。

3.3交通燈跟蹤中停車狀態(tài)判斷

在正常速度行駛時(shí)，在時(shí)間T內(nèi)對(duì)模板擴(kuò)大P個(gè)像素點(diǎn)。當(dāng)停車時(shí)，應(yīng)當(dāng)停止對(duì)模板的擴(kuò)大。如何判斷是否處于停車狀態(tài)呢？本文采用的方法是：在時(shí)間間隔T的起始，記錄目標(biāo)的位置T1，在時(shí)間間隔T的末尾，此時(shí)的目標(biāo)位置記作T2，計(jì)算T1與T2的差值，如果T1與T2的差值為0，則表明在這一時(shí)間間隔內(nèi)，目標(biāo)的位置幾乎沒有變化，也就表明這一時(shí)間間隔內(nèi)，行車距離很短或者處于停車狀態(tài)。那么在這一時(shí)間間隔內(nèi)，將不對(duì)目標(biāo)模板進(jìn)行放大處理。

4結(jié)論

本文依據(jù)時(shí)空相關(guān)性，對(duì)傳統(tǒng)模板匹配算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種快速的基于模板匹配的交通燈跟蹤算法。相較于傳統(tǒng)的模板匹配算法，本文算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，依據(jù)時(shí)空相關(guān)性在原位置鄰域范圍內(nèi)進(jìn)行匹配，提高了目標(biāo)定位的準(zhǔn)確度，減少了環(huán)境對(duì)跟蹤目標(biāo)的影響，并且很大程度上提高了計(jì)算速度，效率高，能滿足實(shí)時(shí)性的需求。