BAYESIAN VIDEO OBJECT TRACKING

• Tác giả: Dehong Ma
• Người hướng dẫn: Professor Jun Zhang
• Trường học: The University of Wisconsin-Milwaukee
• Chuyên ngành: Engineering
• Đề tài: Bayesian Video Object Tracking
• Loại tài liệu: Dissertation
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Milwaukee

• ACKNOWLEDGMENTS
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background
• 1.2. Definition of Video Object Tracking
• 1.3. Difficulties of Video Object Tracking and Objectives of Research
• 1.4. Outline of Thesis
• 2. CHƯƠNG 2: PREVIOUS WORK ON VIDEO OBJECT TRACKING
• 2.1. Introduction
• 2.2. Observation Formation
• 2.2.1. Model Matching
• 3. CHƯƠNG 3: SEGMENTATION TECHNIQUE BASED ON OPTIMAL NON-LINEAR IMAGE PREDICTION
• 4. CHƯƠNG 4: BAYESIAN SINGLE VIDEO OBJECT TRACKING
• 5. CHƯƠNG 5: BAYESIAN MULTIPLE VIDEO OBJECT TRACKING
• 6. CHƯƠNG 6: SUMMARY
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES

I. Tổng Quan Về Theo Dõi Đối Tượng Video Khái Niệm Ứng Dụng

Theo dõi đối tượng video là một lĩnh vực quan trọng trong computer vision và xử lý ảnh. Nó tập trung vào việc ước tính vị trí và trạng thái của một hoặc nhiều đối tượng trong chuỗi video theo thời gian. Video object tracking đóng vai trò then chốt trong nhiều ứng dụng, từ hệ thống giám sát thông minh, giao diện người-máy, phân tích giao thông, đến lái xe tự động và robot. Mục tiêu chính là cung cấp thông tin chi tiết về đối tượng, hỗ trợ các phân tích cấp cao hơn. Mặc dù có nhiều tiến bộ, theo dõi vật thể trong video vẫn là một thách thức do các yếu tố như thay đổi ánh sáng, che khuất, biến dạng hình dạng và chuyển động phức tạp của đối tượng. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các thuật toán mạnh mẽ và hiệu quả là rất cần thiết. Theo D. Marr, 'Vision is knowing what is where by looking'.

1.1. Các Ứng Dụng Tiềm Năng Của Theo Dõi Đối Tượng Video

Ứng dụng theo dõi đối tượng video rất đa dạng. Trong hệ thống giám sát, nó cho phép phát hiện sự kiện và nén video hiệu quả. Teleconferencing sử dụng nó để tự động ghi hình. Phân tích giao thông tận dụng nó để theo dõi luồng xe cộ. Giao diện người-máy cho phép tương tác tự nhiên hơn. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong ổn định hình ảnh, theo dõi mục tiêu tự động trong UAV và đăng ký hình ảnh y tế. Nhu cầu về giám sát thông minh cho an ninh quốc gia, phòng chống tội phạm và xác minh đang ngày càng tăng, đòi hỏi các kỹ thuật theo dõi đối tượng video đáng tin cậy, mạnh mẽ, hiệu quả và hoàn toàn tự động. Việc triển khai các kỹ thuật này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các hệ thống thông minh và tự động hơn.

1.2. Định Nghĩa Bài Toán Theo Dõi Đối Tượng Video Chi Tiết

Về mặt tính toán, quá trình theo dõi là ước tính trạng thái (vị trí, vận tốc, v.v.) của một đối tượng chuyển động từ các quan sát hoặc phép đo của nó theo thời gian. Các quan sát thường 'nhiễu', do sự không chính xác của quan sát hoặc lỗi đo lường. Ngoài ra, có sự không chắc chắn về trạng thái tại bất kỳ thời điểm nào, vì vậy trạng thái có thể được xem như một quá trình ngẫu nhiên theo thời gian. Theo dõi đối tượng về cơ bản là một quá trình ước tính thống kê trạng thái của một quá trình ngẫu nhiên. Một hệ thống theo dõi chủ yếu bao gồm hai yếu tố: trạng thái hệ thống và quan sát hệ thống. Trạng thái hệ thống đề cập đến trạng thái của đối tượng được theo dõi, thường bao gồm một tập hợp các biến trạng thái. Chúng còn được gọi là vectơ trạng thái hệ thống.

II. Thách Thức Trong Theo Dõi Vật Thể Video Vượt Qua Khó Khăn

Theo dõi vật thể trong video là một nhiệm vụ đầy thách thức do nhiều yếu tố phức tạp. Các vấn đề chính bao gồm nhiễu và mờ trong quá trình thu thập hình ảnh, sự che khuất của các đối tượng, biến dạng nội tại (ví dụ: thay đổi tư thế cơ thể người) và biến dạng ngoại tại (ví dụ: phép chiếu 3D sang 2D). Ngoài ra, việc phân đoạn hình ảnh không chính xác, dẫn đến phân đoạn quá mức hoặc dưới mức, có thể gây ra các quan sát sai lệch và làm giảm hiệu suất theo dõi. Những khó khăn này thường dẫn đến mất đối tượng thường xuyên và tỷ lệ báo động sai cao. Để giải quyết những vấn đề này, các kỹ thuật theo dõi mạnh mẽ và thích ứng là rất cần thiết.

2.1. Các Yếu Tố Gây Khó Khăn Trong Quá Trình Theo Dõi

Các nguyên nhân gây khó khăn cho video object tracking có thể tóm tắt như sau. Trong video object tracking, 'nhiễu và mờ' chủ yếu đến từ quá trình chụp ảnh, chẳng hạn như nhiễu cảm biến, tạo tác ánh sáng và méo ống kính; 'chồng chất' là do sự che khuất của các đối tượng video trong theo dõi; 'cong vênh miền' đề cập đến sự biến dạng bên trong, chẳng hạn như thay đổi tư thế cơ thể người và biểu cảm khuôn mặt khác nhau, và sự biến dạng bên ngoài do phép biến đổi chiếu (ba chiều thành hai chiều); biến dạng cuối cùng là 'gián đoạn', ví dụ: sự che khuất bởi sự lộn xộn trong nền.

2.2. Ảnh Hưởng Của Phân Đoạn Hình Ảnh Đến Độ Chính Xác

Trong hầu hết các quá trình theo dõi, chúng ta cần tách đối tượng quan tâm khỏi toàn bộ nguồn hình ảnh ở một mức độ nào đó bằng cách phân đoạn hình ảnh, đây là một nhiệm vụ khó khăn khét tiếng trong nhiều tình huống. Đặc biệt, việc phân đoạn quá mức/dưới mức thường gây ra các quan sát gây hiểu lầm và dẫn đến thất bại trong video object tracking. Những khó khăn này thường dẫn đến mất đối tượng thường xuyên và/hoặc tỷ lệ báo động sai cao trong video object tracking, điều này có thể được tìm thấy trong hầu hết các hệ thống video object tracking hiện tại.

III. Phương Pháp Bayesian Tracking Giải Pháp Ưu Việt Cho Video

Phương pháp Bayesian tracking cung cấp một khuôn khổ thống kê mạnh mẽ để giải quyết các thách thức trong theo dõi đối tượng video. Phương pháp này sử dụng lý thuyết Bayes để cập nhật niềm tin về trạng thái của đối tượng dựa trên các quan sát mới. Ưu điểm chính của phương pháp Bayesian là khả năng kết hợp thông tin tiên nghiệm và dữ liệu quan sát, cho phép ước tính trạng thái chính xác và mạnh mẽ hơn. Nó đặc biệt hiệu quả trong việc xử lý các quan sát nhiễu và che khuất. Tuy nhiên, việc triển khai phương pháp Bayesian tracking có thể phức tạp về mặt tính toán, đặc biệt đối với các mô hình phức tạp. Do đó, các kỹ thuật xấp xỉ như bộ lọc hạt (particle filter) thường được sử dụng để làm cho việc tính toán trở nên khả thi.

3.1. Ưu Điểm Của Phương Pháp Bayesian Trong Theo Dõi

Phương pháp Bayesian là tối ưu ở chỗ nó đưa ra ước tính lỗi bình phương tối thiểu (MSE) của trạng thái đối tượng đang được theo dõi. Bởi vì vấn đề chính của phương pháp này là mô hình hóa, một mô hình duy nhất đã được đề xuất và nghiên cứu trong nghiên cứu này. Nó bao gồm một biểu diễn nhỏ gọn của một đối tượng chuyển động, một vectơ trạng thái duy nhất được hình thành từ các đặc trưng hình dạng và màu sắc mạnh mẽ ngoài các đặc trưng động học thường được sử dụng, các quan sát từ phát hiện chuyển động và mối quan hệ của chúng được mô tả bởi trạng thái động và phương trình quan sát. Mô hình này có ưu điểm là có thể theo dõi các đối tượng không cứng hoặc thay đổi hình dạng và mạnh mẽ với các biến thể ánh sáng.

3.2. Triển Khai Bayesian Tracking Với Bộ Lọc Hạt Particle Filter

Để triển khai hiệu quả Bayesian tracking, bộ lọc hạt thường được sử dụng. Bộ lọc hạt là một kỹ thuật Monte Carlo tuần tự sử dụng một tập hợp các hạt (mẫu) để đại diện cho phân phối xác suất của trạng thái đối tượng. Các hạt được lan truyền theo thời gian bằng cách sử dụng mô hình động học và được cập nhật dựa trên các quan sát mới. Bộ lọc hạt có thể xử lý các mô hình phi tuyến tính và phi Gaussian, làm cho chúng phù hợp với các vấn đề theo dõi đối tượng video thực tế. Hơn nữa, bộ lọc hạt có thể được song song hóa, cho phép tăng tốc tính toán đáng kể.

IV. Mô Hình Hóa Đối Tượng Hiệu Quả Cho Thuật Toán Bayesian Cách Xây Dựng

Mô hình hóa đối tượng là một khía cạnh quan trọng của theo dõi đối tượng video dựa trên Bayesian. Một mô hình tốt phải nắm bắt các đặc điểm quan trọng của đối tượng trong khi vẫn đủ đơn giản để tính toán hiệu quả. Các mô hình phổ biến bao gồm mô hình màu sắc, mô hình hình dạng và mô hình chuyển động. Mô hình màu sắc sử dụng các đặc điểm màu sắc của đối tượng để phân biệt nó với nền. Mô hình hình dạng sử dụng thông tin hình học của đối tượng. Mô hình chuyển động mô tả cách đối tượng di chuyển theo thời gian. Kết hợp nhiều loại mô hình có thể cải thiện độ mạnh mẽ và chính xác của hệ thống theo dõi đối tượng video.

4.1. Sử Dụng Đặc Điểm Hình Dạng Và Màu Sắc Trong Mô Hình Hóa

Để theo dõi nhiều đối tượng đồng thời, chúng tôi đã nghiên cứu các thuật toán theo dõi nhiều giả thuyết điển hình và đề xuất một biến thể của thuật toán liên kết dữ liệu xác suất chung (JPDA) để giải quyết vấn đề liên kết dữ liệu trong video object tracking. Để theo dõi hoàn toàn tự động, một kỹ thuật mới dựa trên kiểm tra tỷ lệ khả năng xảy ra tuần tự được kết hợp vào hệ thống để khởi tạo và xóa đối tượng. Kỹ thuật này có thể giảm đáng kể tỷ lệ báo động sai và tần suất mất dấu.

4.2. Kết Hợp Thông Tin Chuyển Động Để Tăng Độ Chính Xác

Mô hình chuyển động có thể giúp dự đoán vị trí tương lai của đối tượng và giảm không gian tìm kiếm, giúp tăng tốc quá trình theo dõi. Các mô hình chuyển động đơn giản bao gồm mô hình vận tốc không đổi và mô hình gia tốc không đổi. Các mô hình phức tạp hơn có thể nắm bắt các chuyển động phi tuyến tính. Việc chọn mô hình chuyển động thích hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và hành vi chuyển động của đối tượng. Các bộ lọc Kalman mở rộng và không mùi có thể được sử dụng để ước tính trạng thái của đối tượng khi sử dụng mô hình chuyển động.

V. Ứng Dụng Theo Dõi Đối Tượng Video Dựa Trên Bayesian Nghiên Cứu Trường Hợp

Phương pháp theo dõi đối tượng video dựa trên Bayesian đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một ví dụ là hệ thống giám sát bãi đậu xe dựa trên video, trong đó thuật toán Bayesian được sử dụng để theo dõi xe cộ và phát hiện các vị trí đậu xe trống. Một ví dụ khác là theo dõi video từ máy bay không người lái (UAV), trong đó thuật toán Bayesian được sử dụng để theo dõi các đối tượng trên mặt đất. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng phương pháp Bayesian có thể đạt được độ chính xác và độ mạnh mẽ cao trong các ứng dụng này.

5.1. Giám Sát Bãi Đậu Xe Thông Minh Sử Dụng Bayesian Tracking

Trong hệ thống giám sát bãi đậu xe, thuật toán Bayesian có thể theo dõi vị trí và chuyển động của xe cộ. Điều này cho phép hệ thống xác định các vị trí đậu xe trống và hướng dẫn người lái xe đến các vị trí có sẵn. Hệ thống cũng có thể phát hiện các hoạt động đáng ngờ, chẳng hạn như xe cộ đậu ở những khu vực cấm hoặc xe cộ di chuyển theo cách bất thường. Dữ liệu từ hệ thống có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc sử dụng bãi đậu xe và cải thiện luồng giao thông.

5.2. Theo Dõi Đối Tượng Từ Máy Bay Không Người Lái UAVs

Theo dõi đối tượng từ UAVs là một ứng dụng đầy thách thức do chuyển động của máy ảnh và sự thay đổi góc nhìn. Thuật toán Bayesian có thể được sử dụng để theo dõi các đối tượng trên mặt đất, chẳng hạn như xe cộ, người đi bộ và động vật. Điều này cho phép UAVs thu thập thông tin về môi trường xung quanh và hỗ trợ các nhiệm vụ như tìm kiếm và cứu hộ, giám sát và lập bản đồ. Các mô hình chuyển động và các kỹ thuật xấp xỉ có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác và hiệu quả của hệ thống theo dõi.

VI. Tương Lai Của Theo Dõi Đối Tượng Video Bayesian Hướng Phát Triển

Lĩnh vực theo dõi đối tượng video dựa trên Bayesian vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Một hướng nghiên cứu quan trọng là phát triển các thuật toán mạnh mẽ hơn để xử lý các tình huống che khuất và thay đổi ánh sáng. Một hướng khác là khám phá việc sử dụng học sâu (deep learning) để cải thiện hiệu suất của các thuật toán Bayesian tracking. Ngoài ra, việc phát triển các thuật toán hiệu quả hơn về mặt tính toán sẽ cho phép triển khai Bayesian tracking trên các thiết bị di động và nhúng.

6.1. Kết Hợp Học Sâu Deep Learning Với Bayesian Tracking

Học sâu đã cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn trong nhiều tác vụ computer vision, bao gồm cả phát hiện và phân đoạn đối tượng. Bằng cách kết hợp học sâu với Bayesian tracking, có thể cải thiện đáng kể độ chính xác và độ mạnh mẽ của các thuật toán theo dõi. Ví dụ, mạng nơ-ron tích chập (CNNs) có thể được sử dụng để trích xuất các đặc điểm mạnh mẽ từ hình ảnh, sau đó có thể được sử dụng trong mô hình Bayesian.

6.2. Tối Ưu Thuật Toán Cho Thiết Bị Di Động Và Nhúng

Để cho phép sử dụng rộng rãi Bayesian tracking trong các ứng dụng di động và nhúng, cần phải phát triển các thuật toán hiệu quả hơn về mặt tính toán. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các kỹ thuật xấp xỉ, song song hóa và tối ưu hóa mã. Ngoài ra, có thể phát triển các thuật toán được thiết kế riêng cho các kiến trúc phần cứng cụ thể.