پایان نامه برق (مخابرات-سیستم):ردیابی اشیاء متحرک چندگانه در تصاویر دوربین متحرک

ارسال شده در 27 دی 1399 توسط نجفی زهرا در بدون موضوع

امروزه پیشرفت های علمی زندگی بشر را تحت تاثیرعمیقی قرار داده است. هم زمان با ورود تکنولوژی به زندگی شخصی افراد جامعه ، وجود وسایل و ابزارآلاتی که نقش رابط میان انسان و ماشین را بازی کنند، روز به روز بیش تر احساس می شود. یک نمونه از این وسایل دوربین[1] های فیلم برداری هستند. کاربرد وسیع این ادوات در جوامع امروزی ، به خصوص در کشورهای صنعتی تر غیرقابل انکار است. لذا امروزه بهبود کیفیت و امکانات دوربین ها به عنوان عامل مهمی در جهت افزایش کارایی آن ها در نظر گرفته می شود. یکی از مهم ترین شاخه های علمی که به بررسی این موارد می پردازد، علم بینایی ماشین[2] نام دارد.
یکی از اصلی ترین اهداف بینایی ماشین ، هوشمند سازی دوربین ها به منظور استفاده از آن ها در سیستم های نظارتی[3]، تجاری، نظامی و سایر کاربرد ها می باشد. به همین منظور مطالعات گسترده ای در راستای ایجاد روش های جدید هوشمند سازی و همچنین بهبود روش های موجود شده است. غالب این مطالعات بر روی آشکارسازی[4] و ردیابی[5] اهداف[6] متمرکز شده است. هدف کلی از انجام مطالعات این چنینی، کاهش حجم محاسبات و افزایش دقت در مراحل آشکارسازی و ردیابی می باشد. به طور کلی آشکارسازی هدف به معنی تشخیص ناحیه ای از تصویر است که بتواند به عنوان کاندیدایی[7] برای ناحیه هدف در نظر گرفته شود. به عنوان مثال : مشخص کردن مناطقی از تصویر که مربوط به پلاک خودرو می باشد و یا همچنین آشکارسازی نواحی از تصویر که می تواند به عنوان ناحیه ای مربوط به چهره انسان تلقی شود. همچنین منظور از ردیابی هدف آن است که ناحیه مورد نظر را در مجموعه فریم های متوالی نیز مشخص کنیم. به این ترتیب مسیر سیر کلی هدف در یک دنباله زمانی در طول فریم های متوالی تعیین خواهد شد.
در ادامه ضمن بحث، به معرفی اجمالی در مورد سیستم های ردیابی مختلف و اجزا تشکیل دهنده آن ها و همچنین نحوه عملکردشان خواهیم پرداخت.

1-1-1- ساختار سیستم های ردیابی

سیستم های ردیابی مختلف بر اساس موارد کاربرد آن ها به دسته های مختلفی تقسیم می شوند. دوربین ها و اهداف از اجزا اصلی تشکیل دهنده این گونه سیستم ها می باشند. بنابراین همان گونه که این اجزا نقش تعیین کننده در نوع سیستم های ردیابی دارند، در تعیین نوع روش های مورد استفاده در این سیستم ها نیز از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشند. سیستم ها بر اساس تعداد، نوع و همچنین دیگر شرایط دوربین ها و اهداف، دارای تفاوت های چشم گیری می باشند. به همین ترتیب این تفاوت ها در روش های ردیابی مورد استفاده در آن ها نیز به چشم می خورد. در ادامه به عواملی که در ایجاد این تغیرات موثر هستند خواهیم پرداخت.

1-1-1-1- دوربین

دوربین به عنوان اصلی ترین جز سیستم ردیابی وظیفه به وجود آوردن دنباله ای از فریم ها در طول زمان را دارد. نوع دوربین های به کار رفته شده ، تعداد و همچنین نحوه قرار گرفتن آن ها نقش بسیار زیادی در تعیین ظاهر فریم ها بر عهده خواهد داشت. این تاثیر گاهی به حدی می باشد که باعث ایجاد روش هایی با پایه و اساس متفاوت می گردد.

به عنوان نمونه روش های ردیابی در سیستم های با دوربین مرئی[8] کاملا متفاوت با روش های مورد استفاده در سیستم های با دوربین مادون قرمز[9] می باشد. این مساله از این حقیقت ناشی می شود که در دوربین های مادون قرمز به نوعی اطلاعات قبلی[10] از اهداف در اختیار است. به این معنی که در تصاویر به دست آمده از این دوربین ها، اهداف دارای شدت رنگ[11] قوی تری نسبت به محیط اطراف خود می باشند. در نتیجه از قابلیت تشخیص بیشتری برخوردار می باشند. هر چند که برخی الگوریتم های ارائه شده، قابل اعمال در تصاویر به دست آمده از هر دو نوع دوربین مرئی و مادون قرمز می باشند، کارایی این الگوریتم ها دراین تصاویر به طور چشم گیری متفاوت است.
به علاوه تعداد دوربین های مورد استفاده نیز یکی از عوامل بسیار مهم در تعیین روش مورد استفاده در ردیابی می باشد. وجود اختلاف در زاویه دید دوربین ها باعث ایجاد تصاویر مختلفی از زوایای مختلف از یک صحنه خاص می شود. در این شرایط یافتن نقاط متناظر در فریم های به دست آمده از تمام دوربین ها و همچنین کالیبره کردن [12]دوربین ها، امری ضروری می باشد. مشاهده می شود که این روش ها به طور کلی با روش های ردیابی بر اساس یک دوربین متفاوت است.
علاوه بر موارد ذکر شده در بالا، حرکت دوربین[13] نیز در برخی موارد باید در نظر گرفته شود. به این معنی که گاهی علاوه بر اهداف ، دوربین نیز دارای حرکت می باشد. در این موارد اجزا موجود در فریم های متوالی، نسبت به هم دارای حرکت می باشند. این در حالی است که پاره ای از این حرکات به واسطه متحرک بودن دوربین صورت گرفته و همچنین برخی نیز به واسطه وجود حرکت در اجسام می باشند. بنابراین هدف نهایی آن است که میان حرکاتی که به واسطه دوربین می باشد و حرکاتی که حقیقی هستند ایجاد تمایز کنیم. لزوم انجام این عمل از موارد اصلی می باشد که در ردیابی اهداف در سیستم های با دوربین ثابت در نظر گرفته نمی شود.

1-1-1-2- هدف

وجود اهداف، تکمیل کننده فرآیند ردیابی می باشد. نوع اهداف، تعداد آن ها و همچنین تغییر شکل ظاهری آن ها در دنباله فریم ها عوامل تعیین کننده ای در انتخاب روش ردیابی متناسب با سیستم می باشد. با توجه به این تفاوت های موجود در ساختار اهداف، روش های متفاوتی نیز ایجاد شده اند.
در برخی موارد ردیابی، هدف دارای خصوصیات خاص ظاهری می باشد. به عنوان نمونه گاهی ردیابی چهره انسان مد نظر است. چهره انسان دارای غالب[14] مشخصی متشکل از چشم ها، بینی و لب در صورتی با ظاهر بیضی گون می باشد. در آشکارسازی این موارد، الگوریتم تنها به دنبال نواحی از تصویر است که دارای قابلیت انطباق با غالب مورد نظر برای چهره انسان است. به این ترتیب همان گونه که دیده می شود، روش ارائه شده مخصوص ردیابی در همین حالت می باشد و با سایر روش های ردیابی به صورت کلی متفاوت است.
تعداد اهداف موجود در تصویر نیز یکی از عوامل مهم و تعیین کننده در الگوریتم های کاربردی ردیابی می باشد. با افزایش تعداد اهداف، مشکلات جدید و عمده ای در زمینه های آشکارسازی و ردیابی به وجود می آید. از مهمترین این مشکلات محو شدگی[15] اهداف و همچنین قرار گرفتن اهداف در موقعیت مشابه[16] می باشد. الگوریتم های ارائه شده با تمرکز بر این مشکلات، راه هایی برای حل آن ها ارائه کرده اند.
تغییر شکل[17] ظاهری هدف از عمده ترین مشکلات مرتبط با شرایط ظاهری آن است. به این معنی که گاهی اهداف دارای ساختار صلب[18] نیستند. بنابراین در فریم های متوالی ظاهر متفاوتی دارند. برای مثال ظاهر یک عابر پیاده در فریم های متوالی، دچار تغییرات ظاهری مختلفی می شود. این تغییرات در ظاهر اجسام صلبی مانند اتومبیل دیده نمی شود. بنابراین روش های پیشنهادی باید به گونه ای باشند که توانایی وفق یافتن با این تغییرات شرایط ظاهری اهداف را نیز داشته باشند.

1-1-2- نحوه عملکرد سیستم های ردیابی

اگر چه در مطالب قبل اشاره شد که تغییرات در ساختار سیستم های ردیابی می تواند به تغییرات عمده در روش های ردیابی مورد استفاده منجر شود، این روش ها از بسیاری جهات و اصول اولیه دارای اشتراکات فراوانی هستند. عمده تفاوت این روش ها در نحوه اجرای مراحل کلی می باشد. در این پایان نامه به طور کلی الگوریتم های مورد استفاده در سیستم های ردیابی اهداف را بر اساس استفاده از قابلیت پیش بینی[19] به دو دسته اصلی تقسیم می کنیم. در ادامه به معرفی هر کدام از این دو دسته خواهیم پرداخت و مزایا و معایب آن ها را بیان می کنیم.

1-1-2-1- الگوریتم های فاقد خاصیت پیش بینی

اساس کار این دسته از الگوریتم ها بر تطبیق[20] می باشد. به این معنی که با مشخص شدن ناحیه هدف در هر فریم و رسیدن فریم بعدی، ناحیه ای از فریم بعدی که بیش ترین شباهت را با ناحیه مذکور دارد به عنوان ناحیه هدف در فریم بعدی در نظر گرفته می شود. به عبارت دیگر اگر موقعیت هدف در فریم شماره k در دسترس بود، ناحیه ای به عنوان ناحیه هدف در این فریم نظر گرفته می شود. با رسیدن فریم k+1 ضمن جستجو در اطراف موقعیت قبلی هدف، سعی در یافتن ناحیه ای در فریم k+1 داریم که بیش ترین شباهت با ناحیه هدف در فریم k را داشته باشد. ملاک شباهت عموما کمینه خطای مجموع مربعات[21] در نظر گرفته می شود. به این ترتیب در این روش ها از اطلاعات مربوط به نحوه حرکت هدف استفاده زیادی نمی شود. به عبارت دیگر با توجه به جهت حرکت هدف، پیش بینی در مورد موقعیت آن در فریم آینده صورت نمی پذیرد.
این الگوریتم ها عموما به خاطر حجم عملیات کم، دارای سرعت بسیار بالایی می باشند. ولی به دلیل این که معمولا از خصوصیات کلی[22] ناحیه هدف برای ایجاد تطبیق استفاده می کنند، در بعضی موقعیت ها دارای خطا نسبتا زیادی می باشند. همچنین با توجه به این که خصوصیات کلی در این روش ها مورد استفاده قرار می گیرد، دارای مقاومت بسیار کمی در برابر تغیرات شرایط هدف هستند. با این حال با توجه به مزایای مذکور، روش های این دسته هنوز از محبوبیت بسیار زیادی برخوردار می باشند. الگوریتم هایی مانند Mean Shift و CAM Shift[23] از معروف ترین مثال های این دسته از روش ها می باشند.
[1] Camera
[2] Computer Vision
[3] Surveillance Systems
[4] Detection
[5] Tracking
[6] Targets
[7] Candidate
[8] Visible Camera
[9] Infra-Red Camera
[10] Pre Information
[11] Intensity
[12] Calibration
[13] Camera Motion
[14] Template
[15] Occlusion
[16] Distraction
[17] Deformation
[18] Rigid
[19] Prediction
[20] Matching
[21] Minimum Mean Square Error
[22] Global Features
[23] Continuous Adaptive Mean Shift
***ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است***