估计速度的两个算法_基于历史帧的目标速度计算-优快云博客

原理： 利用卷积神经网络从输入图像中回归出包含行人的边界框和其置信度。
主流模型：
- YOLO系列： 单阶段检测器的代表，将检测视为回归问题，速度极快，适合实时应用。
- Faster R-CNN： 两阶段检测器的代表，首先生成候选区域，再进行分类和精修，精度通常更高，但速度稍慢。
输出： 对于每一帧 t，得到一组检测结果 D_t = [d_t^1, d_t^2, ..., d_t^n]，其中每个 d_t^i = (x1, y1, x2, y2, score, cls)，表示边界框坐标、置信度和类别（“行人”）。

步骤二：多目标跟踪

原理： 将不同帧中的检测框关联起来，形成轨迹。核心挑战是数据关联。
主流算法：DeepSORT
- 1. 预测： 使用卡尔曼滤波基于上一帧的状态（位置、速度等）预测当前帧中各个轨迹的位置。
- 2. 关联： 将当前的检测框 D_t 与预测的轨迹 T_t 进行匹配。这是最关键的一步，DeepSORT使用两种度量的加权和：
  - 运动度量： 使用马氏距离计算预测的轨迹位置与检测框位置之间的差异。它有效地考虑了运动的不确定性，适用于短期预测。
  - 外观度量： 使用一个独立的Re-ID网络（如一个预训练的深度卷积网络）从每个检测框中提取特征向量。然后计算不同框之间特征向量的余弦距离。这是解决遮挡后ID切换的关键，因为即使人被短暂遮挡，其外观特征也应是相似的。
- 3. 更新： 匹配成功的检测框用于更新卡尔曼滤波器的状态，并更新该轨迹的外观特征。未匹配的检测框初始化为新轨迹；未匹配的轨迹会被标记，短暂保留后删除。

步骤三：速度估算

原理： 对于一个稳定的轨迹 TR^k = { (X_0, Y_0), (X_1, Y_1), ..., (X_n, Y_n) }，其中 (X, Y) 通常是行人脚部接触地面的位置（可通过边界框底边中心点近似）。
过程：
1. 世界坐标转换： 为了得到真实速度（米/秒），必须将图像像素坐标转换为真实世界坐标。这需要通过相机标定获取相机的内参和外参，然后进行透视变换。
2. 计算位移： 位移 d = sqrt( (X_t - X_{t-Δt})^2 + (Y_t - Y_{t-Δt})^2 )
3. 计算速度： 速度 v = d / Δt，其中 Δt 是两帧之间的时间差。
4. 平滑处理： 对计算出的瞬时速度序列进行滑动平均或卡尔曼滤波，以消除抖动。

3. 伪代码/流程代码

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# 伪代码：检测->跟踪->估算流程
import cv2
from detector import YOLODetector
from tracker import DeepSORTTracker
from calibrator import CameraCalibrator

# 初始化
detector = YOLODetector()
tracker = DeepSORTTracker()
calibrator = CameraCalibrator('calibration_data.pkl')
cap = cv2.VideoCapture('substation_video.mp4')

while cap.isOpened():
    ret, frame = cap.read()
    if not ret:
        break
        
    # 步骤一：检测
    detections = detector.detect(frame)  # 返回: [x1, y1, x2, y2, conf, cls]
    
    # 步骤二：跟踪
    tracks = tracker.update(detections, frame)  # 返回: [id, x1, y1, x2, y2]
    
    # 步骤三：估算与输出
    for track in tracks:
        track_id, x1, y1, x2, y2 = track
        # 获取脚部中心点（图像坐标）
        foot_x_image = (x1 + x2) / 2
        foot_y_image = y2  # 边界框底部
        
        # 转换为世界坐标（地面平面）
        foot_x_world, foot_y_world = calibrator.image_to_world(foot_x_image, foot_y_image)
        
        # 更新该ID的历史轨迹
        tracker.update_trajectory(track_id, (foot_x_world, foot_y_world))
        
        # 计算速度（基于最近N个轨迹点）
        speed = tracker.calculate_speed(track_id)
        
        # 在画面上显示
        if speed is not None:
            cv2.putText(frame, f"ID:{track_id} Speed:{speed:.2f}m/s", (x1, y1-10),
                        cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (0, 255, 0), 2)
        cv2.rectangle(frame, (x1, y1), (x2, y2), (0, 255, 0), 2)
    
    cv2.imshow('Result', frame)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break

cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

关键技术路径二：基于姿态估计的速度估算

1. 核心原理

绕过整体的边界框，直接关注行人的关键骨骼点。通过追踪这些具有明确语义的关节点（特别是下肢点）的移动来计算速度。这种方法更贴近生物力学原理。

2. 详细过程与方法

步骤一：2D姿态估计

原理： 使用CNN模型预测人体关键点在图像中的位置。
主流模型：
- OpenPose： 经典的自底向上方法，先检测所有部位的关键点，再组装成个人。
- HRNet： 在整个过程中保持高分辨率特征表示，估计的关键点位置通常更精确。
- YOLO-Pose： 将姿态估计集成到YOLO框架中，速度上有优势。
输出： 对于每一帧 t，得到一组姿态 P_t = [p_t^1, p_t^2, ..., p_t^n]，其中每个 p_t^i 包含一个人的 K 个关键点坐标 (x, y) 和置信度 c，例如 {鼻子，左踝，右踝， ...}。

步骤二：关键点跟踪与关联

原理： 同样需要解决跨帧的身份关联问题。方法与MOT类似，但可以基于关键点的特征。
- 相似度度量： 可以使用：
  - OKS： 类似于IoU，用于姿态的相似度计算。
  - 关键点位置/速度一致性。
  - 从关键点区域提取的外观特征。
算法： PoseTracker、STAF等专门为姿态跟踪设计的算法，或者也可以将姿态结果（如所有关键点的平均坐标）输入到DeepSORT中进行跟踪。

步骤三：基于步态的速度估算

原理： 追踪脚踝或膝盖等关键点的世界坐标变化。
过程：
1. 选择关键点： 通常选择左脚踝和右脚踝。
2. 坐标转换： 同样需要进行相机标定，将脚踝的图像坐标 (x_ankle, y_ankle) 转换为世界坐标 (X_ankle, Y_ankle)。
3. 轨迹生成与速度计算：
  - 为每个脚踝关键点生成独立的轨迹。
  - 计算每个脚踝在 Δt 时间内的位移，从而得到瞬时速度。
  - 更稳定的方法： 计算两脚踝中心点的移动速度，或取左右脚速度的平均值。
4. 处理遮挡： 这是该方法的优势。如果一只脚被遮挡，系统可以暂时依靠另一只可见的脚来计算速度。即使身体大部分被挡，只要有一个脚踝可见，就能持续估算。

3. 伪代码/流程代码

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# 伪代码：基于姿态估计的速度估算
from pose_estimator import HRNetPoseEstimator
from pose_tracker import PoseTracker
from calibrator import CameraCalibrator

# 初始化
pose_estimator = HRNetPoseEstimator()
pose_tracker = PoseTracker()
calibrator = CameraCalibrator('calibration_data.pkl')

cap = cv2.VideoCapture('substation_video.mp4')

while cap.isOpened():
    ret, frame = cap.read()
    if not ret:
        break

    # 步骤一：姿态估计
    poses = pose_estimator.estimate(frame)  # 返回: list of [person1_keypoints, person2_keypoints...]
    # person_keypoints: { 'left_ankle': (x, y, conf), 'right_ankle': (x, y, conf), ... }
    
    # 步骤二：姿态跟踪
    tracked_poses = pose_tracker.update(poses, frame)
    
    # 步骤三：速度估算
    for person_id, pose in tracked_poses.items():
        left_ankle = pose.get('left_ankle', None)  # (x, y, conf)
        right_ankle = pose.get('right_ankle', None)
        
        # 选择可靠的关键点（置信度高于阈值）
        reliable_ankles = []
        if left_ankle and left_ankle[2] > 0.5:
            reliable_ankles.append(left_ankle)
        if right_ankle and right_ankle[2] > 0.5:
            reliable_ankles.append(right_ankle)
            
        if len(reliable_ankles) > 0:
            # 计算双脚中心点（图像坐标）
            ankle_x_image = np.mean([ankle[0] for ankle in reliable_ankles])
            ankle_y_image = np.mean([ankle[1] for ankle in reliable_ankles])
            
            # 转换为世界坐标
            ankle_x_world, ankle_y_world = calibrator.image_to_world(ankle_x_image, ankle_y_image)
            
            # 更新轨迹并计算速度
            pose_tracker.update_trajectory(person_id, (ankle_x_world, ankle_y_world))
            speed = pose_tracker.calculate_speed(person_id)
            
            # 可视化
            if speed is not None:
                cv2.putText(frame, f"ID:{person_id} Speed:{speed:.2f}m/s", (int(ankle_x_image), int(ankle_y_image-10)),
                            cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (255, 0, 0), 2)
            # 绘制骨骼连线
            draw_pose_skeleton(frame, pose)
    
    cv2.imshow('Pose Speed Estimation', frame)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break

cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

总结与对比

特性	检测→跟踪→估算范式	基于姿态估计的范式
精度	依赖于边界框的稳定性，脚部定位为近似值。	直接追踪脚踝，原理上速度计算更精确。
抗遮挡性	严重依赖Re-ID模型，整体被遮挡易跟丢。	优势。部分身体遮挡仍可工作，鲁棒性更强。
计算成本	相对较低（检测+Re-ID）。	较高，姿态估计模型通常比检测模型更复杂。
适用场景	中低密度、遮挡不严重的场景。	高密度、遮挡严重的复杂场景，对精度要求高的场景。
输出信息	边界框、ID、速度。	丰富的姿态信息（可用于行为分析如摔倒、跳跃）、ID、速度。