使用彩色直方圖均衡法改進的Mean Shift行人跟蹤算法

付麗梅

摘? 要：視頻監(jiān)控中的行人跟蹤是一個具有實際應用價值的研究領域。針對城市中智能視頻監(jiān)控中行人跟蹤問題，提出了一種改進的基于彩色直方圖均衡化的MeanShift行人跟蹤算法，實驗的圖像序列通過監(jiān)控攝像頭獲得。這種行人跟蹤算法是基于均值移位算法，它使用顏色直方圖均衡化來改進原始算法。通過使用CAVIAR project/IST 2001 37540數(shù)據(jù)集來進行試驗，試驗結(jié)果表明，改進后的算法在某些情況下比原算法表現(xiàn)得更好。

關鍵詞：計算機圖像處理;mean shift;行人跟蹤;直方圖均衡化

中圖分類號：TP391.41? ? ?文獻標識碼：A

Improved Mean Shift Algorithm for Pedestrian Tracking?Based on Color Histogram Equalization

FU Limei

（Department of Software Engineering，Dalian Neusoft University of Information，Dalian 116023，China）

Abstract：The pedestrian tracking in video monitoring is a research field with practical application value.An improved pedestrian tracking algorithm is proposed with image sequences acquired by surveillance cameras to solve the problem of pedestrian tracking in in smart video monitoring in cities.This pedestrian tracking algorithm is based on mean shift algorithm，using color histogram equalization to improve the original algorithm and applying CAVIAR project/IST 2001 37540 dataset to evaluate the algorithm.Experimental results show that the improved algorithm performs much better than the original one in some situations.

Keywords：computer image processing;mean shift;pedestrian tracking;histogram equalization

1? ?引言（Introduction）

視頻數(shù)據(jù)分析是監(jiān)控系統(tǒng)中的重要組成部分，監(jiān)控系統(tǒng)分析視頻的第一步是區(qū)分對象[1]，第二步是跟蹤對象，最后一步是分析對象行為。本文采用改進的Mean Shift算法對行人進行跟蹤。Mean Shift可以跟蹤對象的顏色和其他圖像特征。最初的跟蹤算法可以在某些情況下跟蹤行人[2]。但當行人對象和背景顏色相似時，原有的跟蹤算法無法正確跟蹤行人對象。本文提出一種方法來解決這個問題。我們將顏色直方圖均衡化與原始算法相結(jié)合。該方法可以調(diào)整視頻幀的對比度，使跟蹤行人對象和背景顏色更加不同[3]。在此基礎上，當跟蹤對象和背景有相似的顏色時，跟蹤的成功率可以提高。使用CAVIAR project/IST 2001 37540數(shù)據(jù)集對算法進行了評估，結(jié)果表明改進后的算法比原來的算法執(zhí)行得更好[4]。

2? Mean Shift算法概述（Mean shift algorithm overview）

Mean shift算法是由普度大學的Keinosuke Fukunaga于1975年提出的。但平均偏移算法僅用于非參數(shù)密度估計，而非計算機視覺或其他區(qū)域。1995年，辛辛那提大學的Yizong Cheng發(fā)表了一篇關于mean shift算法的論文。該文擴展了均值移位算法的應用，并詳細說明了其中的一些應用。包括計算機視覺在內(nèi)的許多領域開始研究均值位移算法[5，6]。在跟蹤領域的計算機視覺中，第一次使用shift算法是由Dorin Comaniciu出版的兩篇論文。論文采用平均移位和基于kernel-based對象跟蹤實時跟蹤非剛性對象。這兩篇論文是跟蹤領域中平均位移算法中最重要的論文。在這些論文發(fā)表后，平均偏移算法已經(jīng)成為一項熱門研究。

均值位移算法的定義是基于梯度的非參數(shù)密度估計。我們可以在d維特征空間中給出n個樣本。

然后得到x在空間中的概率密度估計值。我們可以用下面的公式來描述它：

在最后一個公式中，代表了概率密度估計以最快速度增長的方向。使用迭代過程，并收斂于概率密度的局部優(yōu)化。

基于均值偏移算法的跟蹤算法利用核函數(shù)對顏色直方圖進行加權，并利用Bhattacharyya系數(shù)來測量候選目標和跟蹤目標之間的相似性。Bhattacharyya系數(shù)可以度量相似度，然后可以將這個相似的發(fā)現(xiàn)問題轉(zhuǎn)化為一個核密度估計問題。核密度估計是一種利用概率理論估計未知的密度函數(shù)。它是一種非參數(shù)測試算法，是一種運動檢測算法。均值移位算法可以在迭代過程中找到局部極大化。平均位移跟蹤分為四步，其中包括測量目標模型、候選模型、相似度函數(shù)和相似性測度，以及跟蹤目標位置。

3? Mean Shift跟蹤算法的實現(xiàn)（Implementation of??Mean Shift tracking algorithm）

基于均值偏移算法的跟蹤算法利用核函數(shù)對顏色直方圖進行加權，并利用Bhattacharyya系數(shù)來測量候選目標和跟蹤目標之間的相似性。Bhattacharyya系數(shù)可以度量相似度，然后我們可以將這個相似的發(fā)現(xiàn)問題轉(zhuǎn)化為一個核密度估計問題。核密度估計是一種利用概率理論估計未知的密度函數(shù)。它是一種非參數(shù)測試算法，是一種運動檢測算法。均值移位算法可以在迭代過程中找到局部極大化。平均位移跟蹤分為四步，其中包括測量目標模型、候選模型、相似度函數(shù)和相似性測度，以及跟蹤目標位置。該算法使用MATLAB作為開發(fā)工具，使用CAVIAR project/IST 2001 37540作為評估數(shù)據(jù)集。

3.1? ?原始Mean Shift算法均值漂移算法的過程包括五個步驟：

（1）處理目標模型

我們需要在算法中定義目標模型，并定義標準化系數(shù)C和Epanechnikov核函數(shù)。我們將RGB顏色空間設置為16*16*16，然后將權重設置為每個RGB像素。最后，我們計算重量。

（2）讀取除了第一幀的圖像序列

這一步讀取已處理的圖像序列并將它們傳遞到內(nèi)存，然后等待進一步的處理。

（3）處理候選模型

簡而言之，該過程計算候選區(qū)域的RGB顏色直方圖，并等待進一步的比較。

（4）比較相似度并定位目標

這一步比較相似度并找到目標，然后更新中心點y。最后，我們將新的坐標保存在矩陣中。

（5）顯示跟蹤結(jié)果

這一步顯示了上述步驟的目標運動軌跡和其他結(jié)果。這是跟蹤過程的結(jié)束。

3.2? ?彩色圖像的直方圖均衡化

改進算法的核心方法是使用顏色直方圖均衡。 當跟蹤對象和背景具有相似的顏色時，原始算法將丟失對象。而這種方法使用顏色直方圖均衡來解決問題。直方圖均衡化是一種可以增強圖像對比度的方法。

一個離散的灰度圖像，是灰度級的出現(xiàn)次數(shù)，我們可以得到在圖像中發(fā)生一級像素的概率（是圖像中灰度級的數(shù)量，是256，意味著圖像中的像素總數(shù)）

上述步驟是灰度圖像的直方圖均衡。如果想對彩色圖像進行直方圖均衡。需要將彩色RGB圖像分解為RGB分量，并對每個RGB分量執(zhí)行直方圖均衡。之后，可以得到彩色圖像上的直方圖均衡的結(jié)果。

跟蹤對象和背景顏色可能具有相似的顏色，平均偏移將使用直方圖跟蹤對象。所以使用顏色直方圖均衡的方法來使跟蹤對象和背景顏色更加不同。因此跟蹤的結(jié)果會更好。

3.3? ?基于顏色直方圖均衡的改進Mean Shift算法

改進的均值漂移算法的過程如圖1所示。

在實驗中發(fā)現(xiàn)，如果跟蹤目標與背景具有相似的顏色，則由于圖像序列具有較低的對比度，所以算法會得到不好的結(jié)果。提高實驗結(jié)果的方法是提高視頻幀的對比度。顏色直方圖均衡是調(diào)整圖像對比度的一種方法。

（1）對視頻執(zhí)行顏色直方圖均衡

對視頻執(zhí)行顏色直方圖均衡。將視頻分解為圖像序列，并對圖像序列的每個RGB分量執(zhí)行直方圖均衡，然后保存。

（2）處理目標模型

需要在算法中定義目標模型，定義歸一化系數(shù)C和Epanechnikov核函數(shù)。將RGB色彩空間設置為16*16*16空間，然后將權重設置為每個RGB像素。最后，計算重量。

（3）讀取除了第一幀的圖像序列

這一步讀取已處理的圖像序列并將其傳送到內(nèi)存，并等待進一步處理。

（4）處理候選模型

簡而言之，該過程計算候選區(qū)域的RGB顏色直方圖，并等待進一步的比較。

（5）比較相似度并定位目標

這一步比較相似度并定位目標，然后更新中心點y。最后，將新的坐標保存在矩陣中。

（6）顯示跟蹤結(jié)果

這一步顯示了上述步驟的目標運動軌跡和其他結(jié)果，這是跟蹤過程的結(jié)束。

4? 算法實驗結(jié)果與對比（Experimental results and comparison of the algorithm）

使用CAVIAR項目/IST 2001 37540作為實驗數(shù)據(jù)集[7]。提出了一種使用顏色直方圖均衡的方法。該方法可以提高目標與背景的對比度，提高均值漂移算法的精度。使用改進的算法做了一些實驗，但很難找到合適的視頻數(shù)據(jù)庫材料，其中背景和跟蹤對象具有相似的顏色。但是發(fā)現(xiàn)一些行人穿著類似衣服的材料。結(jié)果表明，改進后的算法在測試視頻片段中的跟蹤效果優(yōu)于原始算法。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

本文提出了一種基于顏色直方圖均衡的行人跟蹤改進算法。當跟蹤行人目標具有與背景相似的顏色時，原始平均偏移跟蹤算法具有不正確的結(jié)果。使用一種稱為顏色直方圖均衡的方法來調(diào)整視頻剪輯的對比度。這將使得行人跟蹤目標和背景具有更多的差異，使得改進的算法將比原始目標更準確地跟蹤行人目標[8]。

這種改進的顏色直方圖均衡方法不僅可以用于均值漂移跟蹤算法，而且可以用于粒子濾波跟蹤算法，因為顏色直方圖均衡方法可以解決目標顏色與背景相似的情況通過增強對比度提高跟蹤效過。

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[8] 韓彩夏，王曉宇.基于Mean Shift算法與模糊熵的圖像平滑[J].計算機應用，2009，29（1）：63-64;67.