CN107193032A - 基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法 - Google Patents

基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法 Download PDF

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Abstract

基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法，涉及一种针对卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法，解决现有方法无法实现卫星视频中的运动目标的跟踪，且由于噪声干扰大给运动目标检测带来了困难以及无法满足卫星视频实时性的问题，本发明先采用背景建模法对卫星视频建立背景模型并提取出运动目标，然后设计了一种符合卫星实际情况的匹配函数作为运动目标的匹配依据，通过两层次匹配和贪婪算法对目标进行匹配、跟踪，根据跟踪轨迹计算出运动目标的运动速度信息。本发明通过两层次匹配和贪婪算法可以有效的降低多运动目标的复杂度。通过对噪声运动目标及噪声轨迹线的去除，解决了卫星视频中干扰较大的问题。

Description

基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法
技术领域
本发明涉及一种针对卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法，适用于对数据处理速度要求高的视频卫星在轨处理。
背景技术
随着视频卫星技术的发展，对视频卫星所得视频进行处理受到越来越多的关注，人们希望能够快速地获得卫星视频中所包含的信息从而实现对突发事件的应急响应。而对卫星视频进行多运动目标快速跟踪是一种重要的信息获取手段，通过对卫星视频进行多目标的快速跟踪可以有效获得运动目标的运动速度信息，便于事件决策。
通常在地面监控视频进行多运动目标快速跟踪时，先通过运动目标检测将运动目标提取出来，然后通过最优二分图匹配的方法对同一运动目标进行跟踪，但是上述方法并不满足卫星视频应用场景，这是因为卫星视频中的运动目标较小，噪声干扰大的特点给运动目标检测带来了困难，同时地面所采用的跟踪方法无法满足卫星视频实时性的要求。
发明内容
本发明为解决现有方法无法实现卫星视频中的运动目标的跟踪，且由于噪声干扰大给运动目标检测带来了困难以及无法满足卫星视频实时性的问题，提供一种基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法。
基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、获取卫星视频的前M帧图像，并建立背景模型，所述M为正整数；
步骤二、将当前t帧图像与步骤一中获取前M帧图像建立的背景模型进行差分运算后提取运动目标的位置信息和面积信息，并设定当检测的运动目标的面积信息小于4个像素点时，该运动目标为运动噪点；
步骤三、将获取的当前t帧运动目标与t-1帧运动目标进行匹配，形成匹配线段；
具体为：设定匹配线段的匹配函数，匹配线段的匹配权值为C，用下式表示为：
C＝αcCp+(1-αc)Cs
式中，Cp为相邻两帧运动目标距离的匹配权值，Cs为相邻两帧运动目标间成像面积的匹配权值，αc为关系系数，所述Cp和Cs由下述公式表示为：
Cs＝|St-1-St|
式中，为t-1帧中运动目标位置，为t帧中运动目标位置，St-1为t-1帧中运动目标成像面积，St为t帧中运动目标成像面积，通过贪婪算法寻找C最小值，对当前帧运动目标与前一帧运动目标进行匹配，形成匹配线段；
步骤四、将步骤三形成的匹配线段与未完结轨迹线进行匹配，形成跟踪轨迹线；
具体为：设定跟踪轨迹线的匹配函数，跟踪轨迹线的匹配权值为L，用下式表述为：
L＝α1Lθ+β1Lv+(1-α1-β1)Ls
式中，Lθ为线段匹配时角度匹配权值，Lv为线段匹配时速度匹配权值，Ls为线段匹配时成像面积匹配权值，α1，β1为匹配系数，所述Lθ、Lv和Ls分别用下述函数表示为：
Ls＝|Sn-Sb|
式中，vn为当前未匹配线段速度，vb为当前轨迹线在一秒内的瞬时速度，Sn为当前未匹配线段的平均面积，Sb为当前轨迹线的平均面积，通过贪婪算法寻找L最小值，形成跟踪轨迹线；
步骤五、对步骤四获得的跟踪轨迹线进行判定，如果所述跟踪轨迹线最后匹配线段的时间大于五秒，则判定该跟踪轨迹线已经完结，并将该跟踪轨迹线加入到已完结轨迹线，同时从未完结轨迹线中删除该跟踪轨迹线；
若已完结轨迹线从开始的匹配线段到结束的匹配线段之间的总时间小于一秒，则判定该已完结轨迹线为噪声轨迹线，同时从已完结轨迹线内删除该已完结轨迹线；
步骤六、存储步骤五中获得的已完结轨迹线的速度信息，读取下一帧图像，并判断t是否是最后一帧，如果是，将所有轨迹线设置为完结，如果否，返回步骤二。
本发明的有益效果：本发明先采用背景建模法对卫星视频建立背景模型并提取出运动目标，然后设计了一种符合卫星实际情况的匹配函数作为运动目标的匹配依据，通过两层次匹配和贪婪算法对目标进行匹配、跟踪，根据跟踪轨迹计算出运动目标的运动速度信息。
本发明通过两层次匹配和贪婪算法可以有效的降低多运动目标的复杂度。通过对噪声运动目标及噪声轨迹线的去除，解决了卫星视频中干扰较大的问题。
附图说明
图1为本发明所述的基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法，该方法由以下步骤实现：
一、通过提取前M帧视频图像建立背景模型，背景模型更新速率定为0.002，根据比对当前t帧图像与背景模型的区别提取运动目标。所述M的值取50。
二、将所述当前t帧图像与前M帧建立的背景模型进行差分运算，提取当前t帧的运动目标的位置信息、面积信息。若卫星图像分辨率为a米，运动目标最小尺寸为b米×c米,那么连通域大小d最少应为个像素点。由于在卫星视频中所能见到的最小运动目标是机动车，机动车大小为2.5米×3米以上，视频卫星的分辨率一般为1米，因此我们设定若运动目标面积小于4个像素点则视为噪点。
将获取的当前t帧运动目标与t-1帧运动目标进行匹配，形成匹配线段。设计匹配函数：
C＝αcCp+(1-αc)Cs
其中Cp表示相邻两帧两运动目标距离匹配权值，Cs表示相邻两帧两运动物体成像面积匹配权值，αc表示关系系数。而Cp和Cs由如下公式表示：
Cs＝|St-1-St|
式中，为t-1帧运动目标位置，为t帧的运动目标位置。St-1为t-1帧的运动目标成像面积，St为t帧的运动目标成像面积。通过贪婪算法寻找C最小值，从而对相邻帧之间的同一运动目标进行匹配，形成匹配线段。
本实施方式中αc取0.5。若Cp大于3或Cs/|St-1+St|大于0.33时则认为当前运动目标与前一帧没有相匹配的运动目标。
三、将当前t帧形成的所有匹配线段与所有的未完结轨迹经行匹配，形成的跟踪轨迹。
设计跟踪轨迹的匹配权值函数，匹配权值设为L有以下公式：
L＝α1Lθ+β1Lv+(1-α1-β1)Ls
式中Lθ表示对线段匹配时角度匹配权值，Lv表示线段匹配时速度匹配权值，Ls表示线段匹配时成像面积匹配权值，α1，β1为匹配系数。而Lθ，Lv，Ls可用如下函数表示：
Ls＝|Sn-Sb|
式中vn表示当前未匹配线段速度，vb表示当前轨迹线1秒内的瞬时速度，Sn表示当前未匹配线段的平均面积，Sb表示当前轨迹线的平均面积。通过贪婪算法需找L最小值，形成跟踪轨迹线。
若Lv大于0.5或Ls/|Sn+Sb|大于1或Lθ大于1则认为该匹配线没匹配到合适轨迹线。没匹配到轨迹线的匹配线段新建轨迹线。
本实施方式中，α1取0.25，β1取0.25。
四、当前t帧的所有匹配线段与轨迹经行匹配形成新的轨迹之后，对所有轨迹进行判定，若该轨迹最后匹配线段出现时间为5秒之外，则认为该轨迹线已经完结，将该轨迹线加入到已完结轨迹线，并从未完结轨迹线中删除该轨迹线。若已完结轨迹线从开始的匹配线段到结束的匹配线段之间的总时间小于1秒则认为是噪声轨迹线，从已完结轨迹线内删除该轨迹线。
五、通过轨迹线存储的速度信息获得感兴趣目标的速度信息。
六、读取下一帧图像，判断t是否为最后一帧图像，如果否，跳至第二步，如果是，将所有轨迹线设置为完结，并存储轨迹线速度信息至存储器。

Claims (5)

1.基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、获取卫星视频的前M帧图像，并建立背景模型，所述M为正整数；
步骤二、将当前t帧图像与步骤一中获取前M帧图像建立的背景模型进行差分运算后提取运动目标的位置信息和面积信息，并设定当检测的运动目标的面积信息小于四个像素点时，该运动目标为运动噪点；
步骤三、将当前t帧运动目标与t-1帧运动目标进行匹配，形成匹配线段；
具体为：设定匹配线段的匹配函数，匹配线段的匹配权值为C，用下式表示为：
C＝αcCp+(1-αc)Cs
式中，Cp为相邻两帧运动目标距离的匹配权值，Cs为相邻两帧运动目标间成像面积的匹配权值，αc为关系系数，所述Cp和Cs由下述公式表示为：
Cs＝|St-1-St|
式中，为t-1帧中运动目标位置，为t帧中运动目标位置，St-1为t-1帧中运动目标成像面积，St为t帧中运动目标成像面积，通过贪婪算法寻找C最小值，对当前帧运动目标与前一帧运动目标进行匹配，形成匹配线段；
步骤四、将步骤三形成的匹配线段与未完结轨迹线进行匹配，形成跟踪轨迹线；
具体为：设定跟踪轨迹线的匹配函数，跟踪轨迹线的匹配权值为L，用下式表述为：
L＝α1Lθ+β1Lv+(1-α1-β1)Ls
式中，Lθ为线段匹配时角度匹配权值，Lv为线段匹配时速度匹配权值，Ls为线段匹配时成像面积匹配权值，α1，β1为匹配系数，所述Lθ、Lv和Ls分别用下述函数表示为：
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Ls＝|Sn-Sb|
式中，vn为当前未匹配线段速度，vb为当前轨迹线在一秒内的瞬时速度，Sn为当前未匹配线段的平均面积，Sb为当前轨迹线的平均面积，通过贪婪算法寻找L最小值，形成跟踪轨迹线；
步骤五、对步骤四获得的跟踪轨迹线进行判定，如果所述跟踪轨迹线最后匹配线段的时间大于五秒，则判定该跟踪轨迹线已经完结，并将该跟踪轨迹线加入到已完结轨迹线，同时从未完结轨迹线中删除该跟踪轨迹线；
若已完结轨迹线从开始的匹配线段到结束的匹配线段之间的总时间小于一秒，则判定该已完结轨迹线为噪声轨迹线，同时从已完结轨迹线内删除该已完结轨迹线；
步骤六、存储步骤五中获得的已完结轨迹线的速度信息，读取下一帧图像，并判断t是否是最后一帧，如果是，将所有轨迹线设置为完结，如果否，返回步骤二。
2.根据权利要求1所述的基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法，其特征在于，根据已完结轨迹线的存储速度，计算出运动目标的运动速度信息。
3.根据权利要求1所述的基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法，其特征在于，步骤三中，当相邻两运动目标距离的匹配权值Cp大于3或Cs/|St-1+St|大于0.33时，判定当前运动目标与前一帧没有相匹配的运动目标。
4.根据权利要求1所述的基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法，其特征在于，步骤四中，当线段匹配时速度匹配权值Lv大于0.5或Ls/|Sn+Sb|大于1或Lθ大于1，则判定该匹配线没匹配到合适的轨迹线。
5.根据权利要求1所述的基于卫星视频的多运动目标快速跟踪测速方法，其特征在于，建立的背景模型更新速率为0.002。
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