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在线鲁棒图像对准方法及在视频分析中的应用

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摘要

1.1 课题背景

1.2 图像对准

1.2.1 图像特征

1.2.2 搜索空间(几何变换)

1.2.3 搜索策略

1.2.4 相似性度量

1.2.5 在线图像对准方法

1.3 视觉单目标追踪

1.3.1 特征选择

1.3.2 目标表达

1.3.3 相关滤波目标追踪方法

1.4 论文组织

第2章 相关工作

2.1 图像对准问题研究现状

2.1.1 基于图像特征的方法

2.1.2 基于区域的方法

2.1.3 基于深度网络的图像对准方法

2.2 主成分分析研究现状

2.3 视觉单目标追踪研究现状

2.4 本章小结

3.1 引言

3.2 在线主成分分析

3.2.1 在线主成分分析

3.2.2 基更新方法

3.2.3 图像对齐

3.3 人工生成数据上的主成分分析实验

3.4 网像对准实验

3.5 小结

第4章 基于图像对准的前后背景分离方法与视觉跟踪算法

4.1 引言

4.2 基于在线鲁棒图像对准的前后背景分离方法

4.2.1 背景分离方法

4.2.2 在线鲁棒背景分离方法

4.3 基于在线鲁棒图像对准的目标跟踪方法

4.3.1 粒子滤波器目标跟踪方法

4.3.2 在线鲁棒粒子滤波跟踪方法

4.3.3 反向合成的粒子滤波目标跟踪算法

4.4 前后背景分离实验

4.4.1 室内外场景下的直观背景分离试验

4.4.2 在数据集Perception Test Images sequences上的定量实验

4.5 目标跟踪实验

4.5.1 在有挑战的序列上的定量实验

4.5.2 直观追踪结果比较与分析

4.6 小结

5.1 引言

5.2 基于图像对准的单目标跟踪方法

5.2.1 描述性相关滤波器(DCF)方法

5.2.2 基于时域调整相关滤波器的目标跟踪方法(TCF)

5.3 视觉单目标跟踪实验

5.3.1 实验设置

5.3.2 在OTB-2013数据集上的实验

5.3.3 在OTB-2015数据集上的实验

5.3.4 纠直观视觉追踪结果

5.4 小结

6.1 本文工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果

致谢

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摘要

图像对准方法作为计算机视觉基础算法,能够为其他视频分析技术提供更好的输入,进而显著提高其性能或鲁棒性。随着不同种类相机的普及,视频数据在近年来呈现几何式的增长。同时,各种小型化摄像装置的出现使得视频图像中通常存在抖动、模糊等因素。直接从这种图像输入中提取高层次的信息是困难的。在这种情况下,在线鲁棒的图像对准算法作为解决大量图像未对齐问题的有效途径,能够帮助其他方法更好地完成任务。在线鲁棒的图像对准算法通过同时估计图像间内在关系和图像间存在的几何变换来对齐图像。同时作为一种在线方法,其拥有高效对齐图像的能力,这使得在线鲁棒图像对准方法能够应对大量图像数据。基于在线鲁棒图像对准的前后背景分离方法通过对齐图像中的背景来估计由于相机运动引入的图像变化,从而更好的分离背景。基于图像对准方法的目标跟踪方法能够应对目标外表的各种变化,准确地估计目标位置。借助图像对准的目标重定位方法能够减少目标跟踪方法中的漂移现象,更鲁棒的跟踪目标。
  通常图像对准算法通过批处理的方法来对准目标,这种方法需要所有观测图像来计算目标图像间的几何变换。在线主成分分析为建模图像内在关系提供了新的思路。通过假设被稀疏噪声干扰的图像间存在低秩关系,在线主成分分析能够高效地分离出每个观测样本中的噪声,并根据去除噪声后的样本更新模型。本文中,在线主成分分析基础上,针对能够高效对准存在噪声干扰图像的对准技术、能够应对现实复杂环境的前后背景分离技术、稳定鲁棒的单目标追踪技术三个方面,我们设计了一系列有效的算法及框架。具体来说,本文的主要研究工作包括:
  首先,图像对准方法是后续算法的重要预处理过程。通过提出两种不同的子空间更新方法,我们能够更好的还原样本所在的子空间。基于闭合解的更新方法能够快速的还原出样本所在子空间的基,而基于随机梯度下降法的更新方法能够更好的估计样本所在子空间。在人造和现实数据上的实验均证明了提出的在线鲁棒图像对准方法的性能。
  其次,前后背景分离方法是提取图像中目标的重要方法。不同于传统的方法,本文提出了一种能够同时估计背景几何变换并分离目标与背景的方法。通过提出一种结合了闭合解与随机梯度下降法的模型更新方法,本文提出的背景分离方法能够快速还原背景所在子空间的同时随着观测到样本数量的增加优化背景的模型,最终准确分离背景。在现实数据集上的实验验证了提出的背景分离方法的性能。
  再次,在图像序列中持续追踪目标位置是后续视觉算法的基础。本文提出了一种基于图像对准的目标追踪方法。通过一种新的反向合成算法,提出的目标追踪方法能够更高效地估计粒子中存在的几何变换。在一些充满挑战的真实图像序列上的实验结果展示了提出的方法的性能。
  最后,图像追踪算法中通常存在漂移现象。为了减少漂移现象,本文提出了一种时域修正相关滤波的目标追踪方法。该方法使用一种类似集束优化的方式,通过重新估计时间窗口中目标的位置来减少引入模型的误差。该算法在现实数据集上拥有相较于其他方法更优秀的性能。同时,本文提出的目标重定位模块能够广泛用于其他相关滤波器目标追踪方法中。

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