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基于凸型模板的目标形态图像识别算法

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通信论坛 计算机与网络创新生活 49 基于凸型模板的目标形态图像识别算法 杜会斌 刘承禹 (1中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄050081) (2第二炮兵装备研究院北京100085) 【摘要】针对视频图像中目标形态的检测识别问题,提出了一种基于凸型模板修正算法对条形目标的检测、识别和定位技 术。通过分析凸型模板识别条形目标的基本原理,提出引入倾斜角度因子的凸型模板改进算法,提高了条形目标识别的准确度, 并以单人个体作为研究对象进行实验,结果表明这种方法运算复杂度低,对条形目标的识别率高,跟踪特性良好。 【关键词】运动目标跟踪凸型模板肢体定位姿态识别 中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1 008-I 739(2011)1 4-49—4 Object Gesture Recognition Method Based on Torso Mask DU Hui-bin (1 The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China) (2 LIU Cheng—yu Equipment Research Institute of Second A ̄llery Beijing 100085 China) Abstract:The paper introduces a fast object tracking and behavior recognition technology applicable for human detection and gesture recognition in video and image processing filed.It analyzes the principle of torso mask and implementation steps of the improved method.This method increases the accuracy of tOrSO location through introducing torso tilt angle factor.The experimental results show that the Dew method achieves lower complexity in calculation,higher recogniiton in object and better performance in tracking. Key words:object tracking;tOrSO mask;body location;gesture recognition 1引言 在视频图像目标检测识别领域,针对单体形态的图像检 2凸型模板运动图像识别算法 根据人体解剖学可知。目标头部和躯干的相对大小和位 置关系可以视为一个凸形结构,头部近似视为一个正方形,令 高度为Lhead,躯干的宽度约为2Lhead,躯干在腰部以上颈部 测和识别是一个技术难点。如何对视频图像中运动目标进行 检测、识别,并根据对目标的形态进行识别以提高目标识别概 率在这几年是图像目标识别的研究热点之一。许多学者提出 了许多目标形态特别是针对人体目标识别和跟踪的一些有效 方法[1—5】,文献【2]提出了一种凸型模板,利用图像中人体的 以下的部分结构比较稳定,其高度为z ead171。凸形模板运动 图像识别算法就是基于该视觉特征,通过构造凸型模板,计算 头部与躯干形成一个”凸”字形的特点来定位头部和躯干。该 方法实现效率高,无需肤色、轮廓等特征。但其凸型模板方法 只针对静止的直立人体目标,为了能够有效检测出人体运动 其与目标二值图像的匹配度来定位肢体位置。 该凸型模板分成2个区域:A区域和B区域,其中A区域 包括目标头部(Head)和躯干(Tono),其长宽比例如图1所示。 姿态,引入了运动轴心倾斜角度因子,构建了改进的凸型模 板。实验结果表明,此方法较好的解决了视频图像中条形目标 识别和跟踪问题。 口B [二二]A医域头部都分 [二]A噩母t躯干部分 定稿日期:201卜06—26 图i凸型模板示意图 2011年第14期《计算机与网络》 通信论坛 计算机与网络创新生活 B区域则为模板的外部区域,设是前景的二值图像。 其定义为: ,c ={ : ; 署萋 c (a)模板过小 s偏小 (b)模板适中 (c)模板避大 算法基于如下假设:当A区域准确定位到目标肢体时,A 区域所包含目标像素数An Jr与B区域所包含目标像素数 Bn,之比达到最大值。为了便于计算,令区域A和区域B满 足几何面积相等的条件,即area(A)=area(B)。 凸型模板躯干和头部的定位原理是首先通过在前景二值 s趋手1 s偏小 图2凸型模板匹配示意图 图像中按由左向右由上向下的顺序以步长 移动模板的质心 位置( , ),同时改变凸型模板的缩放因子k,共变化 /Ak次,K为变化范围,Ak为变化步长。 为此模板构建一个评价函数,其定义为A区域所包含二 值图像的累加和与B区域所包含二值图像的累加和之差,可 用如下公式表示: 3凸型模板改进算法 在目标直立静止的情况下,采用凸型模板匹配的方法可以 较好的得到肢体定位效果。但目标在运动中姿态是不断变化, 当发生肢体旋转时.传统的凸型模板算法由于是基于目标直 :j {∑A-∑B1if(s>() 10 if(S<0) (2) (3) 立假设,缺少必需的自由度,无法适应变化的姿态运动。 在传统的凸型模板基础上,为了适应目标肢体旋转运动, 可以为模板运动增加一个自由度,如图3所示,引入了目标躯 干倾斜角度因子 。从而构建了一种多自由度的肢体模型。 其中. ∑A=∑ , ) ( ,)t)∈A 心位置 t yc) ∑B=∑I(x, ) ( ,v)∈B 多自由度肢体模型L 子。 当这几个参数一旦确定,就定位了目标肢体位置。 垂直线 (5) area(A)在此起到归一化作用,使得评价函数s的变化 范围限定在【O,1】之间。根据公式(2)计算各个模板位置和不同 伸缩系数k时的评价函数值。选择最大的评价函数的值所对 应的模板位置,即可定位出肢体位置。 若要使评价函数的值最高,则需满足 A area(A), 同时 B尽可能接近零。图2描述了伸缩系数k变化时的凸 型模板匹配情况。当整个凸型模板在目标内部,如图2(a)所示, 此时 ∑A ∑B,由公式(2)可知评价函数 0。当伸缩系 数k选择得较好时,如图2(b)所示,模板的A区域包含较多的 目标像素,而模板B区域中前景像素很少,此时 图3引入倾斜角度因子的凸形模板 角度 是依据人体躯干中线来确定。约定 向左偏离垂 直线为正,向右偏离垂直线为负。具体实现步骤如下: ∑A ̄area(A),∑B较小,因此评价函数S趋近于1,较好 地定位出目标的头部和躯干。 若伸缩系数增大,如图2(c)所 示.这时 ①初始化目标躯干凸形模板,假定目标直立静止,设躯干 中线为垂直线: ∑A ∑B虽有增加,但由于 (A)的归一化作 ②设当前帧为第k帧,获取所跟踪目标的前景图像。采用 形态学滤波和连通域处理,去除孤立点和空洞,获得完整的人 用,增加的幅度小于口 (A)增加的幅度,所以评价函数s变 体二值图像; 小。 ③按k-1帧躯干中线的法线方向,逐行比较同一行中前 《计算机与网络》2011年第14期 信论坛 计算机与弼络创新生活 51 景二值像素所组成线段的大小,只保留每行中最长线段对应的 前景像素,设保留的线段总数为N,线段长度总和 LineLengtlhl】,干的倾斜进行旋转,从而达到适应肢体倾斜的目的。当人体倾 斜角度 接近90度时,改进方法也存在…些偏差.这与 得到所有线段长度的平均值, 的取值范围有关。 LineLength ̄, 。 =LineLengthaI]/N: ④设定阈值T=LineLengtha ag。/2。按照帧躯干中 线方向和其法线方向,计算上一步骤中保留的前景像素组成的 线段长度,并与T进行比较,去除小于T的线段; ⑤逐行计算前景像素所组成的线段的中点,之后采用 SVD将得到的点集拟合成直线,即可获得当前帧近似的目标 躯干中线,再根据中线斜率K计算出目标躯干的倾斜角度 。 1 c ( )一万/2(七≥0) (a)丈献【2】的算法 =1I  (ctg( )+ / (<02 (k<0) (6) 通过上述方法计算出的每帧躯干倾斜角度是对该帧真 实的躯干倾斜角度的近似。结果是否准确,与当前目标状态有 关,若目标肢体姿态变化过于剧烈时,误差就会增火。图4表明 在目标倾斜时,采用改进算法可以正确获得目标躯干中线,进 而计算出倾斜角度 。 (b)改进算法 图5弯腰时两种算法定位效果 针对目标姿态检测识别问题.采用基于凸型模板的改进算 图4目标倾斜时拟合的躯干中线 法来解决目标的肢体定位问题。通过获取躯干中线计算目标躯 干倾斜角度因子,实现目标在旋转情况下对其运动姿态的显式 4实验结果分析 该算法是基于OpenCV图像库和vC++实现的,所采用 的测试数据来自标准视频库PETS2001。实验中人体前景图像 通过经典的背景差法获取。实验中假定初始视频中人体是直 描述,解决了目标倾斜时传统凸型模板定位不准确的问题。实 验表明改进算法运算复杂度低,可靠性好等优点,具有较强的 工程实用性。 参考文献 [1】WREN C,AZARBAYEJANIA,DARREL T.Pfinder: rea1_t ime tracking of the human body[J].IEEE Transactions on Pattern Analysi S and Machine 立的,设置口=0,变化范围[一80。,80。】,凸型模板移动步长 =10。缩放因子K=[0.5,2]的变化范围,变化步长 Ak=0.5。 Intell igence,1997,19(7):78O一78 5. 在行人直立行走等一般性情况下,改进算法与文献『2】的 [2]MiC¨0tta A,Bowden R.View—ba Sed 1ocation and tracking of body part S for vi sua1 interaction 算法都可以获得较好的躯干和头部定位效果。 为了检测改进算法适应人体倾斜运动的能力,对人体弯腰 视频进行了对比实验。图5(a)为文献【2】对人体弯腰时躯干定位 的效果。图5fb)为使用改进算法对人体在倾斜情形时的躯干定 [C】.Proceedings of 1 3th Briti sh Machine Vi Sion Conference,Oxford,Uni ted Kingdom,2004. [3]ZHAO LIANG.DreSsed Human Mode1ing,Deteet ion, and Parts Localization[D].Pittsburgh,PA: Carnegie Mel 1on Univers i ty,2001. 位效果。实验结果表明文献【2】所提方法在该情况下无法准确 定位出躯干头部位置,凸型模板始终保持直立方向,而改进算 法通过引入人体倾斜角度可以使改进的凸型模板可以随着躯 [4]BLANK M,GORELICK L,SHECHTMAN E.Act ions as 2011年第14期《计算机与网络》 通信论坛 计算机与嘲络创新生活 Bpace—time shapes[C].Proceedings of Tenth IEEE International Conference on Computer Vi s ion, 1 389-1 394. 【6]刘瑞祯,于仕琪.Opener教程一基础篇[M].北京:北京航 空航天大学出版社,2007. Bei j ing,China,2005. [5】汤金宽,曹丹华,吴裕斌,等.基于组合模板的人体头 部精确定位算法[J】.中国图像图形学报,2007,12(8): [7]于恩华.人体解剖学[M】.北京:北京大学医学出版社, 2008. Emulex宣布为IBM BladeCenter提供下一代lOGb以太网虚拟Fabric适配罱 全球聚合网络解决方案领导者Emulex公司近日宣 布。推出两款基于其全新第二代Emulex Virtual Fabric Adapter(VFA)技术的新型适配器。同时,这两款适配器 已被IBM公司选中用于IBM BladeCenter系统。Emulex Virtual Fabric Adapter II for IBM BladeCenter可提供10Gb 以太网(10GbE)网络接口卡(NIC)连接,而且可通过升级 选项随时添加以太网光纤通道(FCoE)和iSCSI协议支 持.从而满足未来各种系统需求。其次,Emulex Virtual Fabric Adapter Advanced II for IBM BladeCenter内置了 可扩展的I/O:单根I/O虚拟化(Sk—IOV)可以将 PCIe设备划分为多个虚拟设备,通过为VM提供直接I/ 0 优化I/O的性能。 更快速的I/O卸载:Emulex OneConnect UCNA采用 Emulex vEn ̄ne?技术来获得全面的协议卸载支持,这样 可以节省网络的开销以及来自CPU的存储流量。 更环保的I/o,能耗降低20%:Emulex OneConnect UCNA提高了集成度并减少了外部组件的数量,在不降 低性能的情况下,其能源效率比此前版本提高了20%。 可以通过Emulex的OneCommand?Manager对I/0 FCoE和iSCSI。IBM和Emulex携手为BladeCenter开发了 VFA技术,并且任何一款插件都能够支持独创的虚拟 NIC(vNIC)功能,如果与IBM的交换模块组合使用,该 功能可用于优化虚拟服务器的网络性能、可扩展性和灵 进行管理:通过共享一个驱动程序,可以从一个控制台 对Emulex的I/0解决方案进行控制、配置和管理,而且 可以完全集成到IBM管理系统中。整合的管理功能使企 活性。 Emulex公司企业营销副总裁Shaun Walsh表示, 业可以扩展出多种省时特性,与其它I/O解决方案相 比.这些特性事半功倍地实现管理功能。 “Emulex的第二代10GbE VFA可以帮助IT经理实现每 台服务器多支持20%的虚拟机(VM),降低50%的资本成 本与49%的运行成本,减少86%的电缆。此次宣布表明, IBM和Emulex是为现有的IBM解决方案(包括Blade— Eml1lex将于7月18日至22日在位于佛罗里达州奥 兰多的IBM存储技术大学9O号展位演示其新款Emulex Virtual Fabric Adapter II for IBM BladeCenter。 评价引言: Center.system X和Power)中使用IP、iSCSI和FCoE协 IBM System x与BladeCenter事业部副总裁Alex Yost 表示:“IBM B/adeCenter可实现非凡的灵活性、虚拟化和 议的10GbE网络,提供完整、一体化和开放式聚合解决 方案的领导者。” Emulex 10GbE VFA for IBM BladeCenter基于Emulex 兼容性。Emulex 10GbE VFA非常适合IBM BladeCenter, 它不仅使客户可以灵活选择适合的架构,而且可以实现 虚拟NIC功能。这点非常适合那些正在运行虚拟化环境 的企业。” 的下一代OneConnect?统一聚合网络适配器(UCNA)架 构。其中包括IBM交换机和Emu]ex适配器独有的各种 独特功能,如: 简化管理:不需要重启系统,就能对vNIC和各种协 议进行动态配置 IDC存储系统和执行战略部副总裁RAck Villars表 示,“虚拟化的发展势头迅猛,到2013年,大多数的应用 都将以VM的形式运行在虚拟化服务器中。像新型 优化服务水平协议(SLA)的性能:通过双向带宽管 Emulex VFA与IBM新虚拟Fabric架构组合这样的解决 理.使性能与应用的使用目的相匹配 改善虚拟化:通过自动点到点虚拟LAN(vLAN)配 方案。将使IT团队更容易满足他们的企业在高度虚拟 化数据中心的各种需求。” 置.提供可扩展性更高的VM支持 Emulex 10GbE vFA for IBM BladeCenter采用Emulex 的下一代单芯片、双端口10GbE OneConnect UCNA技 术.允许将网络和存储资源分配到多个硬件相互隔离且 Enterprise Strategy Group资深分析师Bob Lalibe ̄e表 示,“虚拟化连同不断的整合和聚合,正在成为下一代数 据中心的三大因素。然而,即使有如此多的网络连接选 择,仍需要逐步简化这些网络。无论是使用iSCSI、FCoE、 受到保护的虚拟网络和虚拟存储接口中。此外,EmUlex 的下一代OneConnect技术还支持: 以太网,还是这三者的任意组合,Emulex VFA for mM 的升级选项都可以使客户逐步向10GbE迁移。” 《计算机与厨络》2011年第14期 

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