船舶监控中的视频稳像与目标跟踪的研究

论文摘要

针对船舶运行环境的特殊性和船舶监控管理的特殊需求,本文研究的主要目的是实现对船载成像系统中波动视频的稳像处理以及在此基础上实现的对感兴趣目标的自动跟踪。由于,在船舶监控过程中,通过对采集到的大量视频图像进行分析后,发现各帧图像信息中隐含着一个很重要的共同特征:远景中的水平特征线总是出现在图像中的某一区域附近,如果远处有目标船只出现,则会将其截断。因此,本文充分利用这一特点,找到特征线与视频稳像和目标跟踪之间的关系,并利用相关的数学工具和视频处理方法,在完成视频稳像处理的同时实现对特征线附近目标的跟踪。在对视频的稳像过程中,首先通过对船载成像系统相关模型的分析得出视频帧间、帧内模糊的原因,推导出特征线参数变化与船体运动之间的关系。然后采用小波变换和Hough变换相结合的方式对特征线进行识别、提取,再参照直线方程与全局坐标系的关系,实现对波动视频序列的运动估计。最后通过自适应平滑滤波将船载视频图像的运动分为主观扫描运动、客观扫描运动和高频随机运动三种形式,主观扫描运动通过滤除加以保护,高频随机运动和客观扫描运动通过图像的几何变换和云台反馈分别进行补偿,最终完成视频的双重补偿稳像。在对目标的跟踪过程中,采用了一种用参考点来代替目标物体的跟踪方法。首先,按照图像空间、参数空间、线段空间之间的对应转换关系,根据Hough变换的结果,对特征线上的点进行动态分组、端点融合,从中提取出线段以及线段的端点,并进一步求出截断中心点(参考点)在图像空间中的坐标。然后,通过离散Kalman滤波器对截断中心点的运动轨迹进行估计,计算出各帧中参考点的坐标。最后,利用云台的反馈使运动目标始终处于预定的警戒范围之内,完成对目标的自动跟踪。从工程应用的角度来看,视频稳像处理是目标跟踪实现的前提和基础,而目标跟踪则是稳像处理的应用和目的。本文结合船舶监控环境的特点,利用对特征线识别和提取,将视频稳像和目标跟踪进行了有机地结合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 在船舶监控领域中研究视频稳像与跟踪的意义
• 1.1.1 船舶监控的概念及课题研究的背景
• 1.1.2 研究视频稳像和跟踪技术的必要性和意义
• 1.1.3 视频稳像与跟踪的概念
• 1.1.4 视频稳像与跟踪在课题中的关系
• 1.2 视频稳像与跟踪技术的发展概况
• 1.2.1 国内外视频稳像技术的发展状况
• 1.2.2 国内外视频跟踪技术的发展状况
• 1.3 视频稳像技术的分类
• 1.3.1 机械式稳像
• 1.3.2 光学稳像
• 1.3.3 电子稳像
• 1.4 视频跟踪技术的分类
• 1.4.1 基于特征的跟踪方法
• 1.4.2 基于3D的跟踪方法
• 1.4.3 基于变形模型的跟踪方法
• 1.4.4 基于区域的跟踪方法
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 技术路线
• 1.6 本文的章节安排
• 第2章 船载成像系统的概念、功能和特点
• 2.1 船载成像系统的概念及现状
• 2.1.1 船载成像系统的概念
• 2.1.2 船载成像系统的现状
• 2.2 船载成像系统的基本功能
• 2.3 船载成像系统的组成原理
• 2.4 船载成像系统的一般技术指标
• 2.5 船载成像系统的特点
• 第3章 船载视频的稳像原理
• 3.1 船载视频稳像技术
• 3.1.1 船载视频稳像的基本原理
• 3.1.2 带帧记忆功能的船载视频稳像系统
• 3.2 船载视频稳像的基本方法
• 3.2.1 硬件实现方法
• 3.2.2 软件实现方法
• 3.2.3 硬件方法和软件方法比较
• 第4章 船载视频稳像中相关模型的分析
• 4.1 船载摄像机成像模型
• 4.1.1 透视投影
• 4.1.2 正交投影
• 4.1.3 摄像机运动模型与二维运动场
• 4.2 物体的三维运动模型
• 4.2.1 刚体在笛卡尔坐标系中的运动模型
• 4.2.2 刚体在齐次坐标系中的运动模型
• 4.2.3 时变图像的构成模型
• 4.3 二维图像运动模型
• 4.3.1 图像的空间几何变换
• 4.3.2 图像运动模型
• 4.4 船体的随机运动对视频图像的影响
• 4.4.1 视频帧间模糊和帧内模糊的原因分析
• 4.4.2 帧间模糊和帧内模糊比较
• 4.4.3 船载视频帧间稳定处理的必要性
• 4.5 本章小结
• 第5章 船载视频稳像的关键性技术
• 5.1 运动估计算法
• 5.1.1 基于光流的运动估计（光流法）
• 5.1.2 像素递归法
• 5.1.3 基于灰度投影的运动估计（投影法）
• 5.1.4 贝叶斯法
• 5.1.5 相位相关法
• 5.1.6 基于块的运动估计（块匹配法）
• 5.1.7 基于图像特征的运动估计（特征法）
• 5.1.8 全局运动估计法
• 5.1.9 基于网格的运动估计（网格法）
• 5.1.10 基于图像多分辨率的运动估计（多分辨率法）
• 5.1.11 位平面匹配法
• 5.2 运动补偿算法
• 5.2.1 固定帧补偿法
• 5.2.2 顺序帧补偿法
• 5.2.3 均值滤波补偿法
• 5.2.4 自适应平滑滤波补偿法
• 5.3 船载视频稳像算法的选取原则
• 5.3.1 运动矢量的估计精度
• 5.3.2 运动矢量的可估计偏移范围
• 5.3.3 运动矢量的检测速率
• 5.4 本章小结
• 第6章 船载视频稳像与跟踪算法
• 6.1 海上特征线的提取与拟合
• 6.1.1 识别区域的确定
• 6.1.2 利用小波变换识别海上直线特征
• 6.1.3 利用Hough变换对特征线进行拟合
• 6.2 双重补偿稳像
• 6.2.1 图像的几何变换
• 6.2.2 基于图像直线特征的运动估计
• 6.2.3 船载视频序列的运动形式
• 6.2.4 自适应平滑滤波与第一重补偿稳像
• 6.2.5 客观扫描运动的提取与云台补偿稳像
• 6.2.6 稳像算法流程
• 6.3 目标的截断跟踪
• 6.3.1 截断中心点的提取
• 6.3.2 截断中心点的运动估计
• 6.3.3 云台控制
• 6.4 本章小结
• 第7章 视频稳像算法的评价
• 7.1 系统的保真度
• 7.1.1 主观评价方法
• 7.1.2 客观评价方法
• 7.1.3 主观方法与客观方法的比较
• 7.2 系统可矫正的最大偏移范围
• 7.3 系统的帧处理率
• 第8章 实验结果分析
• 8.1 原始视频序列与稳定视频序列的对照
• 8.2 运动平滑滤波结果
• 8.3 稳像质量评价
• 8.3.1 无目标信息时视频稳像的质量评价
• 8.3.2 有目标信息时视频稳像的质量评价
• 8.3.3 评价结果分析
• 8.4 小结
• 第9章 结论
• 9.1 论文所作的主要研究工作
• 9.2 问题与展望
• 参考文献
• 附录A 图像质量的评价标准
• 附录B 船载成像系统的作用距离
• 附录C 原始视频序列与稳定后的视频序列
• 附录D 相关专业词汇对照
• 攻读学位期间公开发表论文
• 攻读博士学位期间参加导师主持的科研项目
• 致谢
• 研究生履历