[发明专利]基于空间约束自适应尺度的核相关滤波水下目标跟踪方法

权利要求书

1.一种基于空间约束自适应尺度的核相关滤波水下目标跟踪方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)读取第一帧水下视频图像，确定水下目标跟踪区域并提取目标跟踪区域的FHOG特征；其中结合核相关滤波检测模型和水下目标快速运动及尺度变化的特性，将扩展搜索窗口由1.5倍扩大至3倍；

(2)构造一个包含空间约束项的核相关滤波器模板，并利用增广拉格朗日乘子法和ADMM对核相关滤波器进行优化求解；

(3)在新的输入帧中，利用包含七个尺度因子的尺度池进行水下目标自适应尺度估计，找出其中最大的响应值所对应的尺度作为最佳尺度，所对应的位置为当前帧水下目标预测位置。

2.根据权利要求1所述的基于空间约束自适应尺度的核相关滤波水下目标跟踪方法，其特征在于：所述步骤(1)中的水下目标检测区域包含固定跟踪矩形窗口和一个padding＝3的扩展搜索窗口，即核相关滤波器的基准样本是包含水下目标的与扩展搜索窗口大小一致的水下目标图像块。

3.根据权利要求1所述的基于空间约束自适应尺度的核相关滤波水下目标跟踪方法，其特征在于：所述步骤(2)中构造一个包含空间约束项的核相关滤波器的方法为：水下跟踪目标在空间域中的岭回归响应表示为：

其中，h表示核相关滤波器模板，x表示训练样本，y表示回归标签，K表示水下跟踪目标提取的特征向量通道数，λ表示一个用来防止过拟合的正则化参数；

假设存在一个基准样本X，首先将X的大小由D扩大到T，将这个大样本作为基准样本通过循环移位生成训练样本集；然后用一个二值矩阵P代替T中间大小为D的部分；构造一个作为空间约束项，包含约束项的水下目标频域响应表示为：

其中，∧表示DFT运算，表示克罗内克积运算，F是T×T大小的正交傅里叶变换矩阵，P是一个二值矩阵(其中PP^T＝I)，组合起来得到一个新的滤波器模板新的滤波器模板g经过DFT后可以表示为：

4.根据权利要求3所述的基于空间约束自适应尺度的核相关滤波水下目标跟踪方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用增广拉格朗日乘子法对核相关滤波器进行优化求解，将空间约束项和原始滤波器模板h放到拉格朗日优化函数里，优化函数可以写成如下形式：

其中，表示经过DFT运算的迭代向量，μ表示迭代因子。

5.根据权利要求3所述的基于空间约束自适应尺度的核相关滤波水下目标跟踪方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用ADMM进行迭代求解，把一个大优化问题分成分布式同时求解的多个子问题，通过迭代子问题可以快速获得包含空间约束项的新滤波器g的近似解。

6.根据权利要求1所述的基于空间约束自适应尺度的核相关滤波水下目标跟踪方法，其特征在于：所述步骤(3)中包含七个尺度因子的尺度池为：

PoolS＝(0.8,0.9,0.95,1.0,1.05,1.1,1.2)

利用尺度池进行水下目标自适应尺度估计和水下目标位置预测的步骤如下：

(3.1)将与扩展搜索窗口大小一致的水下目标图像块依次按照七个尺度因子进行缩放得到包含7个元素的水下目标图像块序列；

(3.2)通过双线性插值尺度缩放函数将水下目标图像块序列调整为固定尺寸，得到包含七个元素的水下目标序列；

(3.3)将水下目标序列中的元素分别与基准样本循环移位构造的训练样本进行核相关运算，经过核相关滤波器得到对应的七个响应矩阵，找出其中最大的响应值所对应的尺度作为最佳尺度，计算出当前帧水下目标的最佳尺寸和预测位置。