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基于辅助粒子滤波算法的红外目标跟踪

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第31卷第1期 应用光学 Vo1.31 No.1 2010年1月 Journal of Applied Optics Jan.2010 文章编号:1002~2082(2010)01—0132—04 基于辅助粒子滤波算法的红外目标跟踪 王洪有 (鹤壁职业技术学院,河南鹤壁458030) 摘 要:针对红外目标在跟踪中计算复杂的问题,构建辅助粒子滤波算法。利用贝叶斯重要性采 样算法,在权值大的粒子基础上引入辅助粒子变量,然后重新定义重要采样分布函数,防止重采 样后粒子概率密度变化。两次加权计算,使粒子权值比仅用重采样的粒子权值变化更稳定,采样 点最接近真实状态;同时不同权值粒子的概率阈值可作为粒子滤波是否完成的判断准则。在二维 平面构造红外运动目标模型中,系统为零均值高斯白噪声。仿真数据表明:该算法在z,Y方向的 均方误差、画面处理时间、RMSE性能上优于粒子滤波算法和重采样粒子滤波算法。 关键词:辅助粒子滤波;粒子权值比;红外目标跟踪 中图分类号:TN911.73 文献标志码:A Infrared target tracking base on auxiliary particle filtering algorithm WANG Hong-you (Hebi Occupation Technology College,Hebi 458030,China) Abstract:In order to solve the problems of complex calculation in the infrared target tracking, the auxiliary particle filtering algorithm was built by the utilization of Bayesian importance sampling algorithm,the introduction of auxiliary particle variables on the basis of large weight particles,and the redefinition of importance sampling distribution function to prevent the change of the particle probability density after re—sampling.The two—weighted calculation makes the change of the particle weight ratio more stable and the sampling point closest to the true state only by the particle weight obtained from the re—sampling,in which the probability threshold of particles at different weight values can be taken as the criterion for judging whether the particle filtering has been completed.In the infrared moving target model structured in the two— dimensional plane,the system is zero—mean Gaussian white noise.Simulation data shows that the algorithm is superior to the particle filtering and re—sampling particle filtering algorithms in the mean square error in and Y directions,picture processing,RMSE performance. Key words:auxiliary particle filtering;weight ratio of particle;infrared target tracking 引言 来寻求一套递推估计的算法,最大缺点是随着时间 近几年,粒子滤波器被应用于红外目标跟踪, 增加,重要比率的方差增大而导致粒子集退化为单 以解决其中的非线性、非高斯问题,其中交互多模 点现象,这需要通过采取优化重要密度函数来解 型——扩展卡尔曼滤波算法是解决目标跟踪问题 决。有人提出直接增加采样粒子数目,但这样会造 的经典方法¨1],以最小均方误差为估计的最佳准则 成计算量庞大;1 9 93年Gordon提出了重采样算 收稿日期:2009~06—29;修回日期:2009—08—16 作者简介:王洪有(1954一),男,河南鹤壁人,高级讲师,主要从事物理教育教学研究工作。 E—mail:wapinetcn@yahoo.com.cn 应用光学2010,31(1) 王洪有:基于辅助粒子滤波算法的红外目标跟踪 ・133・ 法,克服了早期算法的退化问题,但此方法又导致 了样本多样性丧失、计算量大等问题_2]。本文在粒 子滤波时添加辅助粒子滤波,让高似然度区域的 粒子在重采样时被选中,利用当前量测值,使采样 点最接近真实状态,并且通过在上一时刻采样时预 增粒子来克服退化现象[3],从而提高红外目标跟踪 的精度。 1 辅助粒子滤波算法 1.1 重采样 辅助粒子算法以重采样为基础,初始状态的先 验z。分布为P(z。),量测序列为Y。并且相互, 假设zo: 一{37o,zl,…,z },Y1:^一{Y1,Y2,…,Y ), z 服从一阶Markov过程 ],由贝叶斯公式得后验 概率密度函数为 P( ^】Yl: 一1)一Ip(x^l 1)户( ^一1 lY1:^一1)dx^一1 式中:  I一 lP( }z )户(z lY 一 )dx 。但若直接从后验概率 密度函数中采样是非常困难的,通常利用贝叶斯重 要性采样方法,在函数q( 。 }Y : 一 )中抽取 |Ⅳ个样本,即z 其中i一1,…,Ⅳ,并且每个样本 都带有权重,那么采样粒子的权值为 … 一 虽然重采样抑制了权的退化,但重采样后粒子 不再。由于权值越大的粒子子代越多,相反则 子代越少甚至无子代,极端特殊条件下,经过若干 次迭代后,全部粒子集多样性减弱,学术界称为粒 子贫化。这使得表示红外目标跟踪的粒子个数太少 而不充分,无限增大粒子个数又不现实,因此需要 其他的方法进行融合。辅助粒子算法对原粒子集中 的各个权值依据似然值的大小进行修正,使得重采 样后的粒子向似然函数的高值区移动,更接近于状 态的真值,因此可 获得更小的权值方差。 1.2辅助粒子算法的融合 通过一个辅助变量i对下一时刻观测值似然 值高的粒子进行标识,利用这些高似然值的粒子进 行滤波和重采样。将辅助粒子算法中要观测的当前 信号与采样密度分布相结合,利用似然概率来选择 粒子使选取值与当前观测值更好地匹配。 过程[5]如下:假设在k一1时刻, P(z 一 l : 一 )的估计已知,那么状态 一 的后验 概率密度为 声( jY :^)。C 2 户(z^1.)'l 1) (z 1Y ) 定义联合密度分布: P(z ,i lY1;^)OC l 1P(z l {21)户( lY^) 式中i为辅助变量。加入i后概率密度有变化,因此 需要重新定义一个重要采样分布函数 : n(x ,i lY1;^)oc 1p(x{J l 1)户( ^l {。) 式中 。一E[ }z{2 ]]考虑到z{2 的一些特征,在 这里代表粒子在k一1时间点上的z 的预测值,E [・]为向量求平均值函数。算法执行时首先计算辅 助变量的权值 。C 。C户( f麒) 2 , P(Yk  l) 然后采样,产生指数i ’~ P(弘l ), 为经过 重新采样处理后的变量,权值为 。C 7c(j:I z…), 权值越大表示似然概率越大,即新采样的 更加 与z 一 相匹配,归一化为 , 一 / : ,粒子退 化函数为S “一1/∑ , ) ,E(z )一∑(ilJ x(iI)), 得到最终估计值z 一∑ 兀;zi。 辅助粒子算法的优点在于有2次加权计算,使 粒子权值比重采样的粒子权值变化更稳定,利用当 前量测值,使采样点最接近真实状态,克服退化现 象,因而得到的估计值更准确。 1.3 红外目标模型的构建 在红外目标跟踪问题中,需对二维平面构造红 外运动目标模型_7 ],其模型数学式如下所示: X 一OX 一1+ Z^==:tan (Yk l X )+ 式中:X 一(x,X,Y,Y)I;W^一(鲫 ,W ) ,W , 为零均值高斯白噪声;协方差分别为E[w , ]一 !LU  :l上J 。跟踪目标的均方根误差为RMSE— ■■——一 √ 一 )2,其中磊一 为添加辅 助粒子后的更新输出状态,磊为融合重采样后得 到新的粒子状态。 辅助粒子重采样算法步骤如下:1)确定后验 概率密度函数P(z l : 一 )作为概率密度函数;2) 从重要性函数q( 。: lY,: )中抽取Ⅳ个样 本,采样得到点集,计算粒子权值;3)添加辅助变 量i,重新计算粒子权值,权值更新并归一化权值; 4)使新采样的 与 更相匹配;5)设定阈值 ・134・ 应用光学2010,31(1) Ⅳ 王洪有:基于辅助粒子滤波算法的红外目标跟踪 S ,当粒子退化函数s 一1/∑( )z<5。 时,停 本点,只是在必要的时候添加有用的粒子。 表1 and Y方向的均方误差 J=1 止粒子采样和权值更新,否则返回1)。 2 实验仿真 在夜间从室外获取的汽车运动视频画面,所拍 摄的技术指标如下:有效像素数500万,传感器尺 寸23.6 mm×15.8 Iilm,CCD感应器总像素650 万,拍摄的距离大约为50 m,所用DSP芯片完成数 据处理,截取特殊的2帧来进行红外目标跟踪实 验,其中汽车的运动速度8O km/h,即将转弯处为 60 km/h,如图1和图2所示。图1为汽车直行状态, 图2为汽车即将转弯状态,图t和图2中外框表示 辅助粒子算法的跟踪处理结果,识别区域有效的面 积比较大;内框表示重采样粒子算法的跟踪处理结 果,处理区域已不十分标准,这由粒子衰竭造成的。 黑色框表示基本粒子算法的跟踪处理结果,处理的 区域明显不足,这是由直接采样使粒子多样性消失 造成的。从实验结果可看出辅助粒子算法对红外目 标具有好的跟踪效果。 图1汽车直行的红外目标跟踪 Fig.1 Infrared target tracking for car in straight—line motion 图2 即将转弯的红外目标跟踪 Fig.2 Infrared target tracking for turning car 对于图1中的汽车直行状态,表1为z, 方向 的均方误差,表2为处理时间上的比较,表3为目标 跟踪效果总体评价。表1中 方向差别不是很大,主 要是红外目标.y方向几乎没有变化,在 方向上, 辅助粒子估计偏离真实值不严重,体现出该算法的 优点。在处理时间上辅助粒子处理时间大于重采样 粒子,这是因为辅助粒子在重采样粒子的基础上添 加粒子,增加了粒子数目,但是处理时间小于基本 粒子,因为在使用辅助粒子的时候没有大量使用样 Table 1 RMSE in X and Y directions 表2处理时间上比较 Table 2 Comparison of processing time 粒子模型 辅助粒子重采样粒子基本粒子 处理时问(2帧画面)/s 2.56 2.42 2.8 表3 RMSE性能比较 Table 3 Performance comparison of RMSE 从表3我们可以看出:只要粒子数目增加,各 种粒子算法的RMSE都有下降趋势,但是若粒子 数目不变,辅助粒子RMSE最低,这充分说明辅助 粒子算法具有较好的应用效果。但是若过多地使用 增加粒子数目的方法,将导致获得的收益与付出的 运算量是不匹配的。 3 结束语 明了辅助粒子算法在红外目标跟踪滤 波精度和计算量上具有较好的优越性,数值模拟结 果证明此方法较重采样粒子和基本粒子滤波方法 具有更好的识别能力。在重采样的粒子基础上,利 用t~1时刻的信息,将t时刻预测似然度大的粒子 扩展到t时刻,从而增加了粒子的多样性,减小了 重要性权的方差。 参考文献: [1]BAR—SHALOM Y,LI X R,KIRUBARAJAN T.Es timation with applications tO tracking and navigation:theory,algorithms,and software E M]. 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