·776 智能系统学报 第10卷 是实现目标精确定位的前提，基于双目视觉的目标 现了双目视觉系统的目标精确跟踪。目标在一个双 跟踪具有重要的研究价值及应用前景。 目视觉结构固定的双目图像中的位置满足极线几何 背景差分法山与帧间差分法[)是2种简单常 关系，目标具有运动一致性的原则，即目标的运动状 用的目标检测方法，建立一个良好的背景模型是背 态不会发生较大突变。运用这2个关系，可有效限 景差分法能有效检测目标的前提，稳定的背景是帧 制目标的搜索范围和搜索方向，提高目标跟踪算法 间差分法能有效检测移动目标的基础。CamShit!3】 的运算效率，且在双目视觉中跟踪到的是已经完成 算法是一种经典、有效的跟踪算法，主要运用目标的 配准的目标。投影直方图是常用的一种图像分析工 色彩信息在图像中检测并跟踪目标。然而，Cam- 具，它反映一定方向上的能量累积效应，同时又保留 Shif算法过度依赖色彩信息，且没有参考目标的结 了一定的位置分布信息。结合多颜色空间信息融合 构、纹理等其他可区分与背景的目标，在应用方面具 技术4，根据不同的应用环境及跟踪目标，动态选 有一定的局限性。当目标的色彩信息较弱或背景中 择一组可有效表征跟踪目标颜色分量组合，以更加 出现大量与目标色彩相近的区域时，CamShift跟踪 全面的信息保证跟踪的稳定性。 算法往往失效。高斯混合模型是一种背景建模方 本文所提跟踪算法主要由3个基本模块组成： 式，主要适用于有规律变化的背景，难以在多变的环 目标特征提取、目标检测和模板更新。经实验对比 境中泛化使用。然而，电力机器人的工作环境是多 及验证，本文所提算法可满足设计要求。依据目标 变的，往往很难建立一种泛化能力极强的背景模型， 投影直方图特征搜索目标，背景的动态变化对搜索 因此以上方法均不能满足设计需要。文献[4]将稀 无影响。与其他算法相比，具有原理简单、高效、实 疏表示应用于目标，根据建立的目标字典实现固定 用的优点。并且将双目视觉的目标跟踪与配准工作 目标的跟踪。稀疏方程的求解是一个NP-hard问 合二为一，以配准的方法引导目标搜索，得到已配准 题，其最优值的搜索具有较高的运算复杂度。基于 的跟踪目标。 稀疏表示的目标跟踪算法的理论及程序设计较为复 1 基本原理 杂，难以在工程应用中进行推广及维护。基于主动 轮廓模型)、主动形状模型6的跟踪方法易受到背 1.1极线几何原理 景的干扰，并且理论及算法复杂，同样不适用于在工 在结构固定的双目视觉系统中，空间点P在双 程中推广及维护。因此，需要研究一种简单、高效、 目图像中的成像位置(P1,P,)满足极线几何的约束 可满足需求的目标跟踪算法。 准则，如图1所示。假设双目摄像机满足针孔成像 基于双目视觉系统的目标跟踪又有其自身的特 模型，C、C,分别为左、右视觉的光心。光心连线 殊性，对目标跟踪精度有较高的要求，需要在重建三 C,C,与左右成像平面的2个交点e、e,称为极点，空 维信息前完成配准工作。针对不同的应用背景，一 间点与2个光心的连线PC1、PC,和双目成像平面 些研究人员进行了相关研究并确定较好的效果。例 的交点P1P,即是空间点P在双目图像中的成像。 如，在序贯测机制下，利用粒子滤波、稀疏场主动轮 若已知左视觉图像中的一点P,则相应的实际空间 廓和CamShift等方法在双目视觉中跟踪目标)：在 点P可存在于直线CP,上的任意点，故点P在右视 机器人的双目视觉中，针对机器人静止-目标运动 觉中的成像点位于e,P,直线上。因此，若已知左视 和机器人运动-目标运动2种模式，利用不同的特 觉中的成像点P1,可推导出左视觉中对应的一条极 征提取方法跟踪运动目标，如颜色直方图、CamShift 线l2,则右视觉中的成像点必在直线2上。同理，P, 算法、Hu矩等特征[，目标的颜色、纹理等信息[9)： 与相对应，其对应关系满足固定基础矩阵F的约 不管运用双目视觉实现自动空中加油导航功能[]， 束1)，如式(1)、(2)所示。 还是实现运动物体的实时跟踪与测距)、道路交通 Fp, (1) 预警[)、多目标跟踪[)，目标的跟踪与配准是基础 L=FP (2) 工作。双目视觉系统中的目标跟踪与配准的精度决 利用RANSAC算法或LMedS算法均可求解双 定了视觉伺服系统的性能，研究一种简单、高效的基 目视觉系统的基础矩阵F[)。已知右视觉中的一 于双目视觉系统的目标跟踪算法具有重要的价值。 点，利用式(1)计算出的左视觉图像中的极线如图2 本文研究了一种基于双目视觉系统的目标跟踪 所示。利用双目视觉中的极线几何性质，有利于引 算法。该算法利用了极线几何及运动一致性原则引 导左右视觉中的目标配准。 导搜索方向，以投影直方图匹配为目标检测手段，实是实现目标精确定位的前提，基于双目视觉的目标 跟踪具有重要的研究价值及应用前景。 背景差分法［１］ 与帧间差分法［２］ 是 ２ 种简单常 用的目标检测方法，建立一个良好的背景模型是背 景差分法能有效检测目标的前提，稳定的背景是帧 间差分法能有效检测移动目标的基础。 ＣａｍＳｈｉｔ ［３］ 算法是一种经典、有效的跟踪算法，主要运用目标的 色彩信息在图像中检测并跟踪目标。 然而，Ｃａｍ⁃ Ｓｈｉｆｔ 算法过度依赖色彩信息，且没有参考目标的结 构、纹理等其他可区分与背景的目标，在应用方面具 有一定的局限性。 当目标的色彩信息较弱或背景中 出现大量与目标色彩相近的区域时，ＣａｍＳｈｉｆｔ 跟踪 算法往往失效。 高斯混合模型是一种背景建模方 式，主要适用于有规律变化的背景，难以在多变的环 境中泛化使用。 然而，电力机器人的工作环境是多 变的，往往很难建立一种泛化能力极强的背景模型， 因此以上方法均不能满足设计需要。 文献［４］将稀 疏表示应用于目标，根据建立的目标字典实现固定 目标的跟踪。 稀疏方程的求解是一个 ＮＰ⁃ｈａｒｄ 问 题，其最优值的搜索具有较高的运算复杂度。 基于 稀疏表示的目标跟踪算法的理论及程序设计较为复 杂，难以在工程应用中进行推广及维护。 基于主动 轮廓模型［５］ 、主动形状模型［６］ 的跟踪方法易受到背 景的干扰，并且理论及算法复杂，同样不适用于在工 程中推广及维护。 因此，需要研究一种简单、高效、 可满足需求的目标跟踪算法。 基于双目视觉系统的目标跟踪又有其自身的特 殊性，对目标跟踪精度有较高的要求，需要在重建三 维信息前完成配准工作。 针对不同的应用背景，一 些研究人员进行了相关研究并确定较好的效果。 例 如，在序贯测机制下，利用粒子滤波、稀疏场主动轮 廓和 ＣａｍＳｈｉｆｔ 等方法在双目视觉中跟踪目标［７］ ；在 机器人的双目视觉中，针对机器人静止－目标运动 和机器人运动－目标运动 ２ 种模式，利用不同的特 征提取方法跟踪运动目标，如颜色直方图、ＣａｍＳｈｉｆｔ 算法、Ｈｕ 矩等特征［８］ ，目标的颜色、纹理等信息［９］ ； 不管运用双目视觉实现自动空中加油导航功能［１０］ ， 还是实现运动物体的实时跟踪与测距［１１］ 、道路交通 预警［１２］ 、多目标跟踪［１３］ ，目标的跟踪与配准是基础 工作。 双目视觉系统中的目标跟踪与配准的精度决 定了视觉伺服系统的性能，研究一种简单、高效的基 于双目视觉系统的目标跟踪算法具有重要的价值。 本文研究了一种基于双目视觉系统的目标跟踪 算法。 该算法利用了极线几何及运动一致性原则引 导搜索方向，以投影直方图匹配为目标检测手段，实 现了双目视觉系统的目标精确跟踪。 目标在一个双 目视觉结构固定的双目图像中的位置满足极线几何 关系，目标具有运动一致性的原则，即目标的运动状 态不会发生较大突变。 运用这 ２ 个关系，可有效限 制目标的搜索范围和搜索方向，提高目标跟踪算法 的运算效率，且在双目视觉中跟踪到的是已经完成 配准的目标。 投影直方图是常用的一种图像分析工 具，它反映一定方向上的能量累积效应，同时又保留 了一定的位置分布信息。 结合多颜色空间信息融合 技术［１４］ ，根据不同的应用环境及跟踪目标，动态选 择一组可有效表征跟踪目标颜色分量组合，以更加 全面的信息保证跟踪的稳定性。 本文所提跟踪算法主要由 ３ 个基本模块组成： 目标特征提取、目标检测和模板更新。 经实验对比 及验证，本文所提算法可满足设计要求。 依据目标 投影直方图特征搜索目标，背景的动态变化对搜索 无影响。 与其他算法相比，具有原理简单、高效、实 用的优点。 并且将双目视觉的目标跟踪与配准工作 合二为一，以配准的方法引导目标搜索，得到已配准 的跟踪目标。 １ 基本原理 １．１ 极线几何原理 在结构固定的双目视觉系统中，空间点 Ｐ 在双 目图像中的成像位置（ ｐｌ，ｐｒ）满足极线几何的约束 准则，如图 １ 所示。 假设双目摄像机满足针孔成像 模型，Ｃｌ、Ｃｒ 分别为左、右视觉的光心。 光心连线 ＣｌＣｒ 与左右成像平面的 ２ 个交点 ｅｌ、ｅｒ 称为极点，空 间点与 ２ 个光心的连线 ＰＣｌ、ＰＣｒ，和双目成像平面 的交点 ｐｌ、ｐｒ 即是空间点 Ｐ 在双目图像中的成像。 若已知左视觉图像中的一点 ｐｌ，则相应的实际空间 点 Ｐ 可存在于直线 Ｃｌ ｐｌ上的任意点，故点 Ｐ 在右视 觉中的成像点位于 ｅｒ ｐｒ直线上。 因此，若已知左视 觉中的成像点 ｐｌ，可推导出左视觉中对应的一条极 线 ｌ ２ ，则右视觉中的成像点必在直线 ｌ ２上。 同理，ｐｒ 与 ｌ １相对应，其对应关系满足固定基础矩阵 Ｆ 的约 束［１３］ ，如式（１）、（２）所示。 ｌ １ ＝ Ｆｐｒ （１） ｌ ２ ＝ Ｆ Ｔ ｐｌ （２） 利用 ＲＡＮＳＡＣ 算法或 ＬＭｅｄＳ 算法均可求解双 目视觉系统的基础矩阵 Ｆ ［１５］ 。 已知右视觉中的一 点，利用式（１）计算出的左视觉图像中的极线如图 ２ 所示。 利用双目视觉中的极线几何性质，有利于引 导左右视觉中的目标配准。 ·７７６· 智 能 系 统 学 报 第 １０ 卷