基于MeanShift算法的仿生魚游動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)研究.pdf

1、仿生魚作為具有代表性的水下潛器，與傳統(tǒng)的水下潛器相比，有更高的靈活性和更廣闊的運(yùn)用領(lǐng)域。為了研究仿生魚類潛器的推進(jìn)原理，可以通過機(jī)器視覺的目標(biāo)跟蹤方式對仿生魚游動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤，從而得到具體的位置坐標(biāo)。本文研究了目標(biāo)跟蹤的基本原理，對比了MeanShift算法、卡爾曼濾波算法，粒子濾波算法這幾種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤方法，最終選取了極具代表性的無參估計(jì)的MeanShift算法作為仿生魚軌跡跟蹤的基礎(chǔ)。通過目標(biāo)區(qū)域的權(quán)值直方圖作為追蹤的特征進(jìn)行多次的

2、迭代來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的追蹤，計(jì)算量較小，對追蹤物體的形變、旋轉(zhuǎn)變化不敏感，在低速運(yùn)動(dòng)物體的追蹤中有很高的準(zhǔn)確性。
　　為了實(shí)現(xiàn)仿生魚游動(dòng)軌跡準(zhǔn)確跟蹤的目的，本文在使用MeanShift算法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行了創(chuàng)新研究。首先，考慮到傳統(tǒng)MeanShift算法在跟蹤快速移動(dòng)物體上出現(xiàn)的不準(zhǔn)確、丟失搜索框等問題，提出了結(jié)合運(yùn)動(dòng)估計(jì)中的菱形搜索法來改進(jìn)MeanShift算法，在跟蹤算法進(jìn)行迭代的過程中加入預(yù)測機(jī)制，優(yōu)先

3、從預(yù)測的候選區(qū)域中進(jìn)行搜索，避免了全局搜索中的繁雜過程，減少了算法的計(jì)算時(shí)間，解決了快速物體跟蹤上存在的不足。其次，本文將 MeanShift算法在 Simulink中搭建的xPC-Target平臺(tái)中運(yùn)行并進(jìn)行仿真，通過宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)互聯(lián)的方式解決了運(yùn)動(dòng)跟蹤中的實(shí)時(shí)性問題，用來進(jìn)行仿生魚游動(dòng)視頻采集的相機(jī)連接在目標(biāo)機(jī)上，以 TCP/IP的連接方式將視頻信息上傳至宿主機(jī)，用來進(jìn)行視頻圖像處理的程序編寫在宿主機(jī)中，當(dāng)程序下載到目標(biāo)機(jī)上之后可

4、以獨(dú)立的進(jìn)行視頻信息的處理。最后，為了實(shí)現(xiàn)仿生魚三維游動(dòng)軌跡的跟蹤，引入了雙目視覺的方式，在進(jìn)行雙目標(biāo)定之后得到左、右相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，再由空間三維測量中的最小二乘法，在已知空間中任一點(diǎn)在左、右相機(jī)坐標(biāo)系中坐標(biāo)的情況下，通過解齊次方程可以計(jì)算出該點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。
　　為了驗(yàn)證上述方法的可行性，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的方法對上述的創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了證實(shí)。
　　第一，在進(jìn)行傳統(tǒng)MeanShift算法和改進(jìn)后的加入運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法的跟蹤方式對比跟蹤實(shí)驗(yàn)中

5、，用速度變化的仿生魚游動(dòng)視頻作為跟蹤視頻，用傳統(tǒng)的跟蹤方法和改進(jìn)后的MeanShift跟蹤算法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，可以看出改進(jìn)后的方法可以有效地解決在目標(biāo)快速移動(dòng)的時(shí)候出現(xiàn)的跟蹤不準(zhǔn)確、跟蹤框丟失的問題，說明改進(jìn)算法的可行性。
　　第二，在建立好的xPC-Target平臺(tái)中建立Simulink模型，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)視頻的采集和宿主機(jī)的圖像處理程序的下載，在雙機(jī)互聯(lián)的情況下使用攝像頭實(shí)時(shí)進(jìn)行仿生魚游動(dòng)視頻的采集，將采集信息上傳至宿主機(jī)后用上述的

6、改進(jìn)的MeanShift算法進(jìn)行編程，在宿主機(jī)中實(shí)時(shí)顯示仿生魚游動(dòng)的位置坐標(biāo)。將仿生魚的真實(shí)游動(dòng)軌跡和跟蹤出的軌跡進(jìn)行對比，說明跟蹤的準(zhǔn)確性。
　　第三，鑒于單目相機(jī)在xPC-Target平臺(tái)中只能實(shí)現(xiàn)二維模式的目標(biāo)跟蹤，得到二維的跟蹤軌跡，為了更真實(shí)地模擬仿生魚類的游動(dòng)軌跡，我們引入雙目相機(jī)進(jìn)行視頻采集，通過相機(jī)系中的坐標(biāo)，通過最小二乘法的使用，得到軌跡中每一點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并且繪制出仿生魚游動(dòng)的三維游動(dòng)軌跡。也將仿生魚的真實(shí)三維