camshift跟踪算法介绍

转载自：http://blog.youkuaiyun.com/carson2005/article/details/7439125

CamShift算法的全称是"Continuously Adaptive Mean-SHIFT"，即：连续自适应的MeanShift算法。其基本思想是对视频序列的所有图像帧都作MeanShift运算，并将上一帧的结果（即搜索窗口的中心位置和窗口大小）作为下一帧MeanShift算法的搜索窗口的初始值，如此迭代下去。简单点说，meanShift是针对单张图片寻找最优迭代结果，而camShift则是针对视频序列来处理，并对该序列中的每一帧图片都调用meanShift来寻找最优迭代结果。正是由于camShift针对一个视频序列进行处理，从而保证其可以不断调整窗口的大小，如此一来，当目标的大小发生变化的时候，该算法就可以自适应地调整目标区域继续跟踪。

在OpenCV自带的camShift的例子当中，是通过计算目标在HSV空间下的H分量直方图，通过直方图反向投影得到目标像素的概率分布，然后通过调用OpenCV的CAMSHIFT算法，自动跟踪并调整目标窗口的中心位置与大小。该算法对于简单背景下的单目标跟踪效果较好，但如果被跟踪目标与背景颜色或周围其它目标颜色比较接近，则跟踪效果较差。另外，由于采用颜色特征，所以它对被跟踪目标的形状变化有一定的抵抗能力。 　

    OpenCV自带例子中的camShift算法，可以分为三个部分：

一、计算色彩投影图（反向投影）：

（1）为了减少光照变化对目标跟踪的影响，首先将图像从RGB颜色空间转换到HSV颜色空间；

（2）对H分量进行直方图统计，直方图代表了不同H分量取值出现的概率，或者说可以据此查找出H分量的大小为x时的概率或像素个数，即，得到颜色概率查找表；

（3）将图像中每个像素的值用其颜色出现的概率进行替换，由此得到颜色概率分布图；

  以上三个步骤称之为反向投影，需要提醒的是，颜色概率分布图是一个灰度图像；

二、meanShift寻优

前面提到过meanShift算法（http://blog.youkuaiyun.com/carson2005/article/details/7337432）是一种非参数概率密度估计方法，它通过不断迭代计算得到最优搜索窗口的位置和大小。

三、camShift跟踪算法

前面提到，camShift其实就是在视频序列的每一帧当中都运用meanShift，并将上一帧的meanShift结果作为下一帧的初始值，如此不断循环迭代，就可以实现目标的跟踪了。

转至：http://blog.youkuaiyun.com/lindazhou2005/archive/2007/03/19/1534234.aspx

 

CamShift算法
简介
CamShift算法，即"Continuously Apative Mean-Shift"算法，是一种运动跟踪算法。它主要通过视频图像中运动物体的颜色信息来达到跟踪的目的。我把这个算法分解成三个部分，便于理解：

Back Projection计算。

Mean Shift算法

CamShift算法

1 Back Projection计算
计算Back Projection的步骤是这样的：

1. 计算被跟踪目标的色彩直方图。在各种色彩空间中，只有HSI空间(或与HSI类似的色彩空间)中的H分量可以表示颜色信息。所以在具体的计算过程中，首先将其他的色彩空间的值转化到HSI空间，然后会其中的H分量做1D直方图计算。

2. 根据获得的色彩直方图将原始图像转化成色彩概率分布图像，这个过程就被称作"Back Projection"。

在OpenCV中的直方图函数中，包含Back Projection的函数，函数原型是：

   void cvCalcBackProject(IplImage** img, CvArr** backproject, const CvHistogram* hist);

传递给这个函数的参数有三个：

1. IplImage** img:存放原始图像，输入。

2. CvArr** backproject:存放Back Projection结果，输出。

3. CvHistogram* hist:存放直方图，输入

 

下面就给出计算Back Projection的OpenCV代码。

1.准备一张只包含被跟踪目标的图片，将色彩空间转化到HSI空间，获得其中的H分量：

  IplImage* target=cvLoadImage("target.bmp",-1);  //装载图片

  IplImage* target_hsv=cvCreateImage( cvGetSize(target), IPL_DEPTH_8U, 3 );

  IplImage* target_hue=cvCreateImage( cvGetSize(target), IPL_DEPTH_8U, 3 );

  cvCvtColor(target,target_hsv,CV_BGR2HSV);       //转化到HSV空间

  cvSplit( target_hsv, target_hue, NULL, NULL, NULL );    //获得H分量

2.计算H分量的直方图，即1D直方图：

  IplImage* h_plane=cvCreateImage( cvGetSize(target_hsv),IPL_DEPTH_8U,1 );

  int hist_size[]={255};          //将H分量的值量化到[0,255]

  float* ranges[]={ {0,360} };    //H分量的取值范围是[0,360)

  CvHistogram* hist=cvCreateHist(1, hist_size, ranges, 1);

  cvCalcHist(&target_hue, hist, 0, NULL);

在这里需要考虑H分量的取值范围的问题，H分量的取值范围是[0,360),这个取值范围的值不能用一个byte来表示，为了能用一个byte表示，需要将H值做适当的量化处理,在这里我们将H分量的范围量化到[0,255].

4.计算Back Projection：

  IplImage* rawImage;

  //----------------------------------------------

  //get from video frame,unsigned byte,one channel

  //----------------------------------------------

  IplImage* result=cvCreateImage(cvGetSize(rawImage),IPL_DEPTH_8U,1);

  cvCalcBackProject(&rawImage,result,hist);

5.结果：result即为我们需要的.

2) Mean Shift算法
 

这里来到了CamShift算法，OpenCV实现的第二部分，这一次重点讨论Mean Shift算法。

在讨论Mean Shift算法之前，首先讨论在2D概率分布图像中，如何计算某个区域的重心(Mass Center)的问题，重心可以通过以下公式来计算：

1.计算区域内0阶矩

for(int i=0;i<height;i++)

  for(int j=0;j<width;j++)

     M00+=I(i,j)

2.区域内1阶矩：

for(int i=0;i<height;i++)

  for(int j=0;j<width;j++)

  {

    M10+=i*I(i,j);

    M01+=j*I(i,j);

  }

3.则Mass Center为：

Xc=M10/M00; Yc=M01/M00

接下来，讨论Mean Shift算法的具体步骤，Mean Shift算法可以分为以下4步：

1.选择窗的大小和初始位置.

2.计算此时窗口内的Mass Center.

3.调整窗口的中心到Mass Center.

4.重复2和3，直到窗口中心"会聚"，即每次窗口移动的距离小于一定的阈值。

 

在OpenCV中，提供Mean Shift算法的函数，函数的原型是：

int cvMeanShift(IplImage* imgprob,CvRect windowIn,

                    CvTermCriteria criteria,CvConnectedComp* out);

 

需要的参数为：

1.IplImage* imgprob：2D概率分布图像，传入；

2.CvRect windowIn：初始的窗口，传入；

3.CvTermCriteria criteria：停止迭代的标准，传入；

4.CvConnectedComp* out:查询结果，传出。

(注：构造CvTermCriteria变量需要三个参数，一个是类型，另一个是迭代的最大次数，最后一个表示特定的阈值。例如可以这样构造criteria：criteria=cvTermCriteria(CV_TERMCRIT_ITER|CV_TERMCRIT_EPS,10,0.1)。)

 

返回的参数：

1.int：迭代的次数。

 

实现代码：暂时缺

3) CamShift算法
1.原理

在了解了MeanShift算法以后，我们将MeanShift算法扩展到连续图像序列（一般都是指视频图像序列），这样就形成了CamShift算法。CamShift算法的全称是"Continuously Apaptive Mean-SHIFT"，它的基本思想是视频图像的所有帧作MeanShift运算，并将上一帧的结果（即Search Window的中心和大小）作为下一帧MeanShift算法的Search Window的初始值，如此迭代下去，就可以实现对目标的跟踪。整个算法的具体步骤分5步：

Step 1：将整个图像设为搜寻区域。

Step 2：初始话Search Window的大小和位置。

Step 3：计算Search Window内的彩色概率分布，此区域的大小比Search Window要稍微大一点。

Step 4：运行MeanShift。获得Search Window新的位置和大小。

Step 5：在下一帧视频图像中，用Step 3获得的值初始化Search Window的位置和大小。跳转到Step 3继续运行。

2.实现

在OpenCV中，有实现CamShift算法的函数，此函数的原型是：

  cvCamShift(IplImage* imgprob, CvRect windowIn,

                CvTermCriteria criteria,

                CvConnectedComp* out, CvBox2D* box=0);

其中：

   imgprob：色彩概率分布图像。

   windowIn：Search Window的初始值。

   Criteria：用来判断搜寻是否停止的一个标准。

   out：保存运算结果,包括新的Search Window的位置和面积。

   box：包含被跟踪物体的最小矩形。

 

说明：

1.在OpenCV 4.0 beta的目录中，有CamShift的例子。遗憾的是这个例子目标的跟踪是半自动的，即需要人手工选定一个目标。