[发明专利]一种基于光学成像的水下目标跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光学成像的水下目标运动跟踪方法，尤其涉及融合距离信息的水下目标跟踪，属于机器视觉技术领域。

背景技术

在海洋科学的研究中，经常使用高分辨率的视频设备来拍摄长时间的视频。面对如此大量的数据，依靠手工处理并不高效的。因此，水下机器视觉成为一项通用技术，用来协助水下应用，在机器人，气象，通信，生物医药等方面都有着重要的作用。

在水下机器视觉中，较高级别的应用需要定位每帧图像中目标的位置，而目标跟踪恰恰是其中的关键技术。由于光在水中传播的特性，水下视频的质量严重退化。因此，所获取的水下视频的信噪比非常低，目标的信息也严重失真。与地面上视频相比较，水下视频目标信息的提取非常困难。同时，由于水下目标运动具有自由度高和复杂多变的空间结构特点。因此，普通的水下目标跟踪方法已经不再适用。

基于上述问题，通过获取目标和摄像机之间的距离信息，并将其作为重要参数以帮助水下目标跟踪准确性提高，是一个全新的研究设计策略。本发明基于粒子滤波框架，通过提取距离信息，并以此指导实现水下运动目标的自适应跟踪。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光学成像的水下目标跟踪方法，通过结合水下目标与摄像机距离信息以及粒子滤波算法来对水下目标进行自适应跟踪。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于光学成像的水下目标跟踪方法，包括如下步骤：

首先，在单摄像机成像条件下，根据水下光学成像模型并引入暗原色先验算法，计算出水下目标和摄像机之间的距离；

随后，利用得到的水下目标和摄像机的距离信息对水下图像进行色彩恢复，同时建立目标及候选目标的模板直方图；

最后，在粒子滤波框架下，基于距离信息自适应地调整跟踪窗口的大小，对水下目标进行跟踪。

其中，计算水下目标和摄像机间的距离信息，具体步骤为：

（1）计算某一帧图像的暗原色信息；

（2）基于水下成像模型及统计规律得到水下背景光、水下目标与摄像机距离以及衰减因子的关系；

（3）由该帧图像中的最亮点得到水下背景光信息，衰减因子是已知常量，依据步骤（2）中的关系式，计算出水下目标与摄像机间的距离。

其中，对水下图像进行色彩恢复，具体操作步骤为：以水下目标与摄像机间的距离为基础，计算背景光在背景与摄像机间的传播强度，用原图像减去此传播强度再除以水下目标与摄像机间水下目标的光衰减程度，得到色彩恢复图像。

其中，自适应地调整跟踪窗口的大小，具体操作步骤为：以水下目标与摄像机间距离为基础，计算前后两帧图像中距离信息的比例，基于前一帧中目标跟踪窗口的尺寸，按计算得到的比例调整后一帧跟踪窗口的大小。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

1、跟踪鲁棒性强。单摄像机视频的暗原色先验处理，在不进行背景建模并不借助任何先验知识的前提下，可有效计算出目标中心和摄像机的距离信息。由于水下目标运动自由度高和复杂多变的空间结构特点，目标投影大小会发生显著地变化，使用上述距离信息可以自适应地调整跟踪窗口的大小。同时由于水下介质散射以及反射的影响，水下图像颜色失真严重，而衰减程度又是与距离信息密切相关，采用此距离信息可以有效地对水下图像进行色彩恢复。

2、技术推广性强。现有的能够实现水下目标跟踪的少数算法均采用多摄像机立体视觉技术，并要求极为苛刻的摄像机标定。造成算法的硬件复杂度和计算复杂度较高，很难满足常规应用的需要。本发明在单摄像机成像的条件下就能够实现水下目标的跟踪，显著降低了跟踪系统硬件搭建的复杂度，并且不需要繁琐的摄像机标定，算法的计算复杂度显著降低。能够更加广泛的加载到这种水下视频系统中，技术推广性显著提高。

鉴于以上特点，本方法能够稳定、可靠地针对水下运动目标进行跟踪。

附图说明

图1是本发明基于光学成像水下目标的跟踪方法流程图；

图2是本发明基于光学成像水下目标跟踪方法的目标跟踪算法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种基于光学成像的水下目标跟踪方法，包括如下步骤：