崔建紅 李銀兵 趙海茹 李玉秀 楊偉 李國(guó)瑞

摘要：在遮擋物較多的變電站場(chǎng)景下，傳統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤算法容易出現(xiàn)人員跟丟、身份變換、目標(biāo)被遮擋無(wú)法識(shí)別等情況，無(wú)法做到對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)跟蹤。該文選擇Lucas-Kanade算法，用以對(duì)視頻中的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與跟蹤研究。在時(shí)間流運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡不相同時(shí)，利用各幀圖像上的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡偏差對(duì)算法進(jìn)行評(píng)估，主要估算算法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤具體情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能有效防止被跟蹤點(diǎn)因被遮擋、隱沒或紋理特性改變而引起的跟蹤失敗，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和穩(wěn)定跟蹤，從而為變電站在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)跟蹤；光流法；Lucas-Kanade算法

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）31-0025-03

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0 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，無(wú)人值守或少人值守的變電站成為當(dāng)今電力系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化的必然趨勢(shì)，這也要求在變電站環(huán)境中開發(fā)出可靠的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤算法存在人員容易跟丟、身份變換、目標(biāo)被遮擋而無(wú)法識(shí)別的情況，所以，針對(duì)基于變電站場(chǎng)景中的移動(dòng)對(duì)象如人員、動(dòng)物或車輛等，本文選擇了Lucas-Kanade算法對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和跟蹤。該算法能夠在達(dá)到一定精確度的同時(shí)，減少人員在時(shí)間和精力上的消耗。部署自動(dòng)化監(jiān)控手段能夠較好地解決目前變電站中潛在的安全隱患，可以快速、精確地識(shí)別是否有人員誤闖和非法闖入的現(xiàn)象。同時(shí)，也使變電站的自動(dòng)化程度得到了進(jìn)一步提升。該方法能夠有效地對(duì)變電站的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的實(shí)時(shí)預(yù)警，減少監(jiān)測(cè)人員的工作負(fù)荷，從而為電網(wǎng)的安全提供充足的保障，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 光流法——Lucas-Kanade算法

1.1 光流法

光流的概念是指在連續(xù)的兩幀圖像中由于圖像中的物體移動(dòng)或者攝像頭的移動(dòng)導(dǎo)致的圖像中目標(biāo)像素的移動(dòng)[1]。

傳統(tǒng)的光流法是以固定的亮度為基礎(chǔ)，也就是在被跟蹤部分的像素移動(dòng)之前和之后，其灰度都是相同的：

[I（x，y，t）=I（x+dx，y+dy，t+dt）]? （1）

用Taylor公式進(jìn)行展開，去掉相同的項(xiàng)，再把它們分別除以dt，就可以得出以下方程式：

[fxu+fy v+ft=0]&nbsp; ? （2）

[fx=?f?x;fy=?f?y]? ? ?（3）

[u=dxdt];[v=dydt] （4）

以上的方程式被稱為光流方程式，其中， fx， fy為圖像的梯度，ft為方向的梯度。不過u、v是未知的，無(wú)法用一個(gè)方程解兩個(gè)未知數(shù)，就以此引申出Lucas-Kanade算法。

1.2 稀疏光流——Lucas-Kanade算法

Lucas-Kanade算法是一種兩幀差分的光流估計(jì)算法，由Lucas和Kanade兩位科學(xué)家在1981年提出[2]。其基本思想基于以下三個(gè)假設(shè)：1） 亮度恒定；2） 時(shí)間持續(xù)性；3） 空間一致性。

1.2.1 算法原理

對(duì)照稀疏光流法的基本思想，其算法原理可以描述如下：

1） 基本光流法的假定之一是亮度恒定，即同一點(diǎn)在時(shí)間變化過程中，其亮度保持不變，這可用于得到光流法的基本方程。

2） 另一個(gè)重要假定是時(shí)間持續(xù)性，即當(dāng)時(shí)間發(fā)生改變時(shí)，位置不會(huì)發(fā)生顯著，變化，從而可以通過灰度值來(lái)求得位置的偏導(dǎo)數(shù)。換言之，只有在時(shí)間持續(xù)情況下，才可以使用前后幀之間單位位置變化引起的灰度變化來(lái)近似灰度對(duì)位置的偏導(dǎo)數(shù)，這也是光流法中必不可少的假設(shè)。

3） 空間的一致性，相鄰的兩個(gè)點(diǎn)在圖像上的投影也是相鄰的，并且相鄰點(diǎn)的速度也是相等的，這是Lucas-Kanade光流方法所獨(dú)有的一種假設(shè)。由于該方法僅有一個(gè)基本方程的限制條件，同時(shí)還存在兩個(gè)不確定的變量。假設(shè)在特征點(diǎn)附近有類似的運(yùn)動(dòng)，則可以建立n個(gè)方程式來(lái)求取x、y方向上的速度（n是特征點(diǎn)附近的總點(diǎn)數(shù)，包含特征點(diǎn)）。

基于此，算法具有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：一是在不知道場(chǎng)景信息的情況下，能夠精確地檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)對(duì)象的位置，并且即使攝像機(jī)在運(yùn)動(dòng)的情況下，這一特點(diǎn)仍然適用；二是它不僅承載著物體運(yùn)動(dòng)信息，還攜帶有關(guān)景物的豐富的三維結(jié)構(gòu)信息[3]。因此，即使在不了解場(chǎng)景相關(guān)信息的情況下，也能迅速地監(jiān)測(cè)到運(yùn)動(dòng)對(duì)象。

1.2.2 基本約束方程

照相機(jī)的圖像會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變[4]。一個(gè)圖像可以被視為一個(gè)時(shí)間的函數(shù)： I（t） 。因此，一種在 t時(shí)間點(diǎn)處的（x；y）上的像素，其灰度可被描述為 I （x、y、t） 。

根據(jù)上述假設(shè)條件得：

[I（x+dx，y+dy，t+dt）=I（x，y，t）] （5）

在左端做泰勒展開，只保留一階項(xiàng)，由于本文假定灰度是恒定的，所以下一時(shí)刻的灰度與上一時(shí)刻的灰度相等，得：

[?I?xdx+?I?ydy+?I?t=0]? （6）

[?I?xdxdt+?I?ydydt=-?I?t] （7）

這里的dx/dt是像素沿x軸移動(dòng)的速度，dy/dt表示y軸的速度，用u和v表示。同時(shí)，?I/?x是在這點(diǎn)處x方向上的圖像梯度，而另一項(xiàng)是y方向上的梯度，用Ix；Iy表示，寫成矩陣形式，有：

[IxIyuv]=-[It]? ? ? ? ? ? ? ? （8）

由于該方程有兩個(gè)未知數(shù)，需要至少2個(gè)方程才能夠解。因此，根據(jù)假設(shè)條件2和3，該方法假設(shè)在像素周圍的一個(gè)像素為w的窗口中，與該像素具有一樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；诖耍梢詷?gòu)建如公式（9） 所示的方程：

[[IxIy] kuv=-Itk]， k=1，...，[w2]? （9）

A=[Ix，Iy1?Ix，Iyk]，b=[It1?Itk]? ?（10）

A[uv=-b]? ?（11）

基于最小二乘求解，得到：

[uv*]=-[ATA-1ATb.]? （12）

2 算法流程

Step1：用于處理連續(xù)的視頻幀序列。

Step2：在每個(gè)視頻的序列中，采用一定的對(duì)象檢測(cè)算法，對(duì)潛在的前景目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

Step3：如果某一幀有前景目標(biāo)，則需要找到能代表該目標(biāo)的關(guān)鍵特征點(diǎn)（可以是隨機(jī)生成的，也可以用角點(diǎn)來(lái)替代特征點(diǎn)）。

Step4：對(duì)于后面任意兩幀相鄰視頻，該算法首先將前一幀圖像中的關(guān)鍵特征點(diǎn)與當(dāng)前一幀圖像相對(duì)應(yīng)，然后找出該特征點(diǎn)在當(dāng)前幀圖像中的最優(yōu)位置，從而得到前景目標(biāo)在當(dāng)前幀圖像中的坐標(biāo)。

如此這般重復(fù)，就能追蹤到目標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證Lucas-Kanade算法的有效性與可行性，本文從網(wǎng)絡(luò)上獲取了在變電站復(fù)雜環(huán)境下的視頻資料，并對(duì)其中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行了跟蹤實(shí)驗(yàn)①。

由圖2和圖3可以分析得出，Lucas-Kanade算法能對(duì)變電站環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤與捕捉；由圖4和圖5可以分析得出，即使在有遮擋物遮擋的情況下，Lucas-Kanade算法仍然能對(duì)正在運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

可以看出，即使是在有遮擋物遮擋或在背景復(fù)雜的情況下，Lucas-Kanade算法仍然能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地對(duì)正在運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與跟蹤，體現(xiàn)了該算法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的有效性，為其以后能運(yùn)用到變電站復(fù)雜環(huán)境中提供了可能性與可行性。該算法不僅能達(dá)到一定的精確度，而且在時(shí)間上的消耗較小，在一定程度上能應(yīng)對(duì)在變電站復(fù)雜環(huán)境下對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與檢測(cè)的難題，能很好地解決在有遮擋物情況下人員容易跟丟的問題，從而提高變電站的自動(dòng)識(shí)別水平，降低監(jiān)測(cè)人員的工作負(fù)荷，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

4 結(jié)論

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，變電站環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或少人值守的必要條件是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)研究[5]。因此，該項(xiàng)研究的發(fā)展變得尤為重要。本文給出了一種能對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確且穩(wěn)定跟蹤的算法——Lucas-Kanade算法。該算法能對(duì)本文所研究視頻中移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，即使是在有遮擋物或在背景復(fù)雜的環(huán)境下，Lucas-Kanade算法仍能精確地檢測(cè)和跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，達(dá)到了一定的精確度，而且在時(shí)間上開銷較小，為其運(yùn)用到變電站復(fù)雜環(huán)境中提供了可行性，能夠較好地消除變電站中潛在的安全問題。這些技術(shù)不僅可以迅速準(zhǔn)確地檢測(cè)出在警戒區(qū)域內(nèi)有無(wú)非法侵入或無(wú)意進(jìn)入的現(xiàn)象，同時(shí)，也使變電站的自動(dòng)化程度得到了進(jìn)一步提升，使變電站發(fā)生故障時(shí)維修和維護(hù)更為及時(shí)。這將幫助變電站減少潛在的安全威脅，降低檢測(cè)人員的工作負(fù)荷，從而保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

注釋：

①本文所研究的視頻均來(lái)源于網(wǎng)絡(luò).

參考文獻(xiàn)：

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