圖形跟蹤與卡爾曼濾波課件

1、1. Snakes（主動(dòng)輪廓模型）（主動(dòng)輪廓模型）該模型通常用于定位對(duì)象的邊界。傳統(tǒng)的Snakes模型，是一條滿足(s) = x(s), y(s) （其中s0, 1）的曲線通過(guò)在圖像空間域內(nèi)的移動(dòng)使得能量函數(shù)取得最小值，從而來(lái)確定該圖像邊緣界線。dssxEssext)()( )( 21E10221. Snakes（主動(dòng)輪廓模型）（主動(dòng)輪廓模型）然而要想達(dá)到該目標(biāo)，需在給定灰度圖像I(x, y)的前提下，滿足歐拉方程以上等式可看作是作用力平衡方程其中，0)( )( extEss0FF)(intpext)( )( FintssextpextE)(F1. Snakes（主動(dòng)輪廓模型）（主動(dòng)輪廓模型）

2、在此，我們引入時(shí)間變量t，使作為t的函數(shù)，并將對(duì)其的偏導(dǎo)與左邊建立等式并將替換為更常用的 ，從而得到最后，通過(guò)對(duì)參數(shù)的不斷修正，以獲得最優(yōu)解。exttEtststs),( ),( ),(g)extF(p)extF0FF)g(intext2. GVF（梯度矢量流）（梯度矢量流）GVF是在Snakes的基礎(chǔ)上，引入了函數(shù)(x, y)來(lái)代替 ，從而下面我們引進(jìn)源自于I(x, y)的邊緣圖函數(shù)：(g)extF),( ),( ),(tststst?),(),(),(yxvyxuyx),(),(yxEyxfiext2. GVF（梯度矢量流）（梯度矢量流）接下來(lái)就是求能量函數(shù)的最小值。利用變分法，我們可以通

3、過(guò)對(duì)以下兩個(gè)方程求解從而獲得GVF場(chǎng)：dxdyffvvuuyxyx222222)(?0)(222yxxfffuu0)(222yxyfffvv2. GVF（梯度矢量流）（梯度矢量流）對(duì)上述兩公式進(jìn)行整理并引入ut和vt，從而得到其中),(),(),(),(),(12yxctyxuyxbtyxutyxut),(),(),(),(),(22yxctyxvyxbtyxvtyxvt22),(),(),(yxfyxfyxbyx),(),(),(1yxfyxbyxcx),(),(),(2yxfyxbyxcy2. GVF（梯度矢量流）（梯度矢量流）繼而得到GVF的解決方案：其中，tcuuuuuutbujinj

4、injinjinjinjinjijinji1,1, 11, 1,1,)4()1 (tcvvvvvvtbvjinjinjinjinjinjinjijinji2,1, 11, 1,1,)4()1 (yxt4yxt1. AAM（主動(dòng)外觀模型）（主動(dòng)外觀模型）AAM可實(shí)現(xiàn)可變形模板模型（幾乎）實(shí)時(shí)的目標(biāo)跟蹤 。它將平面形狀作為一個(gè)有限的地標(biāo)集來(lái)處理，用于單一N點(diǎn)形狀的表示是： 下面利用協(xié)方差矩陣的特征向量的線性組合引入平均形狀得到下式：Tnnyyyxxx,.,.,x2121SxSbSSbxx1. AAM（主動(dòng)外觀模型）（主動(dòng)外觀模型）接下來(lái)我們引入質(zhì)地方案，即“整個(gè)對(duì)象的像素強(qiáng)度的問(wèn)題（如合適的標(biāo)準(zhǔn)化

5、后有所必要 ）” ，那么對(duì)于m個(gè)樣本可以這樣描述：同樣有Tmggg,.,g21ggbgg1. AAM（主動(dòng)外觀模型）（主動(dòng)外觀模型）有了上述知識(shí)基礎(chǔ)，我們下來(lái)找到它們之間的聯(lián)系函數(shù)。在此之前，還需要引入一個(gè)組合模型參數(shù)c，使得，則可以基于該模型的線性性質(zhì)直接獲得PCA的成績(jī)：其中cWxx-1sssQcbQ)gg()xx(WbbWbTgTssgsscggggQ1. AAM（主動(dòng)外觀模型）（主動(dòng)外觀模型）最后，我們對(duì)以上模型進(jìn)行優(yōu)化。在AAM中，盡量減少搜索和實(shí)際圖像所提供的合成對(duì)象之間的差異是一種優(yōu)化算法，此時(shí)二次誤差準(zhǔn)則可作為優(yōu)化準(zhǔn)則 ：同時(shí)，AAM引入了參數(shù)變化之間的線性關(guān)系： 21212i

6、magemodel)()(ggggEmiimigRc2. VTWPM（基于參數(shù)模型的有效區(qū)域跟蹤）（基于參數(shù)模型的有效區(qū)域跟蹤）當(dāng)一個(gè)對(duì)象通過(guò)移動(dòng)相機(jī)的視野，其圖像可能當(dāng)一個(gè)對(duì)象通過(guò)移動(dòng)相機(jī)的視野，其圖像可能會(huì)發(fā)生顯著變化。由于對(duì)象相對(duì)于相機(jī)的觀察會(huì)發(fā)生顯著變化。由于對(duì)象相對(duì)于相機(jī)的觀察和光源的變化，甚至可能出現(xiàn)部分或完全閉塞和光源的變化，甚至可能出現(xiàn)部分或完全閉塞的區(qū)域。接下來(lái)我們提出一個(gè)高效的并能夠解的區(qū)域。接下來(lái)我們提出一個(gè)高效的并能夠解決對(duì)象跟蹤問(wèn)題的總體框架：首先，我們開(kāi)發(fā)決對(duì)象跟蹤問(wèn)題的總體框架：首先，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算效率的方法來(lái)處理在結(jié)構(gòu)的變化中了一個(gè)計(jì)算效率的方法來(lái)處理在結(jié)構(gòu)

7、的變化中所產(chǎn)生的幾何失真。然后，我們用一個(gè)算法來(lái)所產(chǎn)生的幾何失真。然后，我們用一個(gè)算法來(lái)跟蹤大的圖像區(qū)域，使需要跟蹤且沒(méi)有光照變跟蹤大的圖像區(qū)域，使需要跟蹤且沒(méi)有光照變化的區(qū)域不存在更多的計(jì)算幾何和光照。最后，化的區(qū)域不存在更多的計(jì)算幾何和光照。最后，我們從穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)技術(shù)中增加這些方法，進(jìn)而修我們從穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)技術(shù)中增加這些方法，進(jìn)而修正閉塞區(qū)域?qū)ο蟮慕y(tǒng)計(jì)離群值。正閉塞區(qū)域?qū)ο蟮慕y(tǒng)計(jì)離群值。 2. VTWPM（基于參數(shù)模型的有效區(qū)域跟蹤）（基于參數(shù)模型的有效區(qū)域跟蹤）在這個(gè)算法中，我們主要利用以下兩組等式來(lái)在這個(gè)算法中，我們主要利用以下兩組等式來(lái)進(jìn)行公式的推導(dǎo)和求解：進(jìn)行公式的推導(dǎo)和求解：其符合關(guān)系

8、式其符合關(guān)系式),(.),(),(),( I21txfItxfItxfItN);(),;(.);(),;();(),;(),(Mf22f11fNtNttxftxfIxftxfIxftxfIttIMI2. VTWPM（基于參數(shù)模型的有效區(qū)域跟蹤）（基于參數(shù)模型的有效區(qū)域跟蹤）以下是該算法在物像跟蹤和人臉識(shí)別中的應(yīng)用以下是該算法在物像跟蹤和人臉識(shí)別中的應(yīng)用1. Kalman Filter簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介卡爾曼濾波器早已被認(rèn)定為許多跟蹤和數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)任務(wù)的最佳解決方案。其在視覺(jué)運(yùn)動(dòng)分析方面的應(yīng)用已經(jīng)多次被記錄在案。這里給出了標(biāo)準(zhǔn)的卡爾曼濾波器的推導(dǎo)作為在一些統(tǒng)計(jì)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方面的教程練習(xí)。過(guò)濾器的構(gòu)造為最小平

9、方差，其目的是從信號(hào)中提取所需的信息，忽略其他一切，執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)的效果有多好可以采用成本或損失函數(shù)來(lái)衡量。事實(shí)上，我們可以定義過(guò)濾器的目標(biāo)是最大限度地減少這種損失的函數(shù)。 2. Kalman Filter公式推導(dǎo)公式推導(dǎo)下面先介紹一下均方差和最大似然函數(shù)其中 的特定形狀是依賴于應(yīng)用程序，但很明確的是這個(gè)函數(shù)是正的而且單調(diào)增加，一個(gè)具有這些特點(diǎn)的誤差函數(shù)是平方差函數(shù)。此外更有意義的指標(biāo)是誤差函數(shù)的預(yù)期值 2)()()(kkkkkxxxxfef)(kef ?)(kefEonlossfuncti2. Kalman Filter公式推導(dǎo)公式推導(dǎo)從而得出均方差（從而得出均方差（MSE）公式：）公式：最大

10、似然函數(shù)為：最大似然函數(shù)為：其推導(dǎo)式為：其推導(dǎo)式為：)()(2keEt ?222)(exp)(kkkkkkxayKxyPconstant)(21)(log22kkkkkxayxyP2. Kalman Filter公式推導(dǎo)公式推導(dǎo)設(shè)k時(shí)刻的誤差協(xié)方差矩陣為Pk，則)()()( )()()()()()()(1kkkkkkTkTkkTkkTkkkTkTkkkkTkkkkkTkkkkkkkkTkkkkTkkkPHKIHPKPHPRHHPHPPRKKHKIPHKIKvvEKHKIxxxxEHKIvKxxHKIvKxxHKIExxxxEeeEP2. Kalman Filter公式推導(dǎo)公式推導(dǎo)3. 替代卡爾

11、曼方程替代卡爾曼方程以下是替代以下是替代Kalman方程式：方程式：111111111111111111111)()() ()()()(RHPHHRRHPRHHPIHPRHIRHPIRHHPRHHPRHIPIRHHPRHPPPRHHPRRHPPPRHHPHPKTkTTkTkkTTkTkTkTkTkTkkkTkTkkkTkTkk3. 替代卡爾曼方程替代卡爾曼方程1. Chenyang Xu, and Jerry L. Prince, “Snakes, Shapes, and Gradient Vector Flow,” IEEE Trans. on Imag. Proc., Vol. 7, No. 3, pp. 359-369, Mar. 1998.2. N. A. Thacker, and A. J. Lacey, “Tutorial: The Kalman Filter,” Tina Memo: 1995-1998, Internal, Dec. 1st, 1998.3. Mikkel B. Stegmann, “Object Tracking Using Statistical Models of Appearance”.精品課件精品課件！精品課件精品課件！4. Gregory D. Hager, and Peter N. B