使用Opencv中均值漂移meanShift跟踪移动目标

Mean Shift均值漂移算法是无参密度估计理论的一种，无参密度估计不需要事先知道对象的任何先验知识，完全依靠训练数据进行估计，并且可以用于任意形状的密度估计，在某一连续点处的密度函数值可由该点邻域中的若干样本点估计得出。

Mean shift将特征空间视为先验概率密度函数，那么输入就被视为是一组满足某种概率分布的样本点，这样一来，特征空间中数据最密集的地方，对应于概率密度最大的地方，且概率密度的质心就可以被视为是概率密度函数的局部最优值，也就是要求的聚类中心。对于每一个样本点，计算以它为中心的某个范围内所有样本点的均值，作为新的中心（这就是shift既中心的移动），移动直至收敛。这样每一轮迭代，中心都会向数据更密集的地方移动，直到最后稳定收敛到样本的“质心”。

可以直观理解为：在样本空间中，任选一个点，然后以这个点为圆心，划定一个圆形的区域。在此区域内的所有点以圆心为起点，产生N个向量，然后把这些向量都相加，再以向量的终点为圆心，划定同样半径的圆形区域，执行同样操作，如此迭代，直到收敛。

均值漂移的“漂移”过程如下：

先把圆心移动到当前圆区域内的“质心”上：

再以质心为圆心的圆区域内寻找当前圆的质心，并移动到新的“质心”上：

如此迭代移动，直到最后满足了迭代条件，质心稳定在质量最密处：

Opencv中均值漂移算法由meanShift函数实现：

int meanShift( InputArray probImage, CV_OUT CV_IN_OUT Rect& window,
                            TermCriteria criteria );

第一个参数probImage，是直方图的反向投影矩阵；

第二个参数window，初始化的搜索窗口，同时也是输出的目标窗口；

第三个参数criteria，终止迭代条件，可以设置为满足一定迭代次数后终止，也可以设置为目标和初始搜索位置之间差落在某一区间终止，也可以设置为两者的组合；

meanShift函数返回int型变量，代表算法迭代的次数。

以下程序实现了在一个视频中跟踪移动目标，大致步骤如下：

• 1. 在视频播放过程中，通过鼠标框选需要跟踪的目标target

• 2. 计算目标图像target的HSV中H、S分量的直方图targetHist

• 3. 用targetHist反向投影计算原图像中的目标的概率分布

• 4. 用meanShift通过迭代获取目标的新的位置window

• 5. 以新的位置window执行步骤2

#include "core/core.hpp"
#include "highgui/highgui.hpp"
#include "imgproc/imgproc.hpp"
#include "video/tracking.hpp"
#include<iostream>    

using namespace cv;
using namespace std;    

Mat image;
Mat rectImage;
Mat imageCopy; //绘制矩形框时用来拷贝原图的图像
bool leftButtonDownFlag=false; //左键单击后视频暂停播放的标志位
Point originalPoint; //矩形框起点
Point processPoint; //矩形框终点  

Mat targetImageHSV;
int histSize=200;
float histR[]={0,255};
const float *histRange=histR;
int channels[]={0,1};
Mat dstHist;
Rect rect;
vector<Point> pt; //保存目标轨迹
void onMouse(int event,int x,int y,int flags ,void* ustc); //鼠标回调函数  

int main(int argc,char*argv[])
{
	VideoCapture video(argv[1]);
	double fps=video.get(CV_CAP_PROP_FPS); //获取视频帧率
	double pauseTime=1000/fps; //两幅画面中间间隔
	namedWindow("跟踪木头人",0);
	setMouseCallback("跟踪木头人",onMouse);
	while(true)
	{
		if(!leftButtonDownFlag) //判定鼠标左键没有按下，采取播放视频，否则暂停
		{
			video>>image;
		}
		if(!image.data||waitKey(pauseTime)==27)  //图像为空或Esc键按下退出播放
		{
			break;
		}
		if(originalPoint!=processPoint&&!leftButtonDownFlag)
		{
			Mat imageHSV;
			Mat calcBackImage;
			cvtColor(image,imageHSV,CV_RGB2HSV);
			calcBackProject(&imageHSV,2,channels,dstHist,calcBackImage,&histRange);  //反向投影
			TermCriteria criteria(TermCriteria::MAX_ITER + TermCriteria::EPS, 1000, 0.001);
			meanShift(calcBackImage, rect, criteria);
			Mat imageROI=imageHSV(rect);   //更新模板
			targetImageHSV=imageHSV(rect);
			calcHist(&imageROI, 2, channels, Mat(), dstHist, 1, &histSize, &histRange);
			normalize(dstHist, dstHist, 0.0, 1.0, NORM_MINMAX);   //归一化
			rectangle(image, rect, Scalar(255, 0, 0),3);  	//目标绘制
			pt.push_back(Point(rect.x+rect.width/2,rect.y+rect.height/2));
			for(int i=0;i<pt.size()-1;i++)
			{
				line(image,pt[i],pt[i+1],Scalar(0,255,0),2.5);
			}
		}
		imshow("跟踪木头人",image);
		waitKey(100);
	}
	return 0;
}    

//*******************************************************************//
//鼠标回调函数
void onMouse(int event,int x,int y,int flags,void *ustc)
{
	if(event==CV_EVENT_LBUTTONDOWN)
	{
		leftButtonDownFlag=true; //标志位
		originalPoint=Point(x,y);  //设置左键按下点的矩形起点
		processPoint=originalPoint;
	}
	if(event==CV_EVENT_MOUSEMOVE&&leftButtonDownFlag)
	{
		imageCopy=image.clone();
		processPoint=Point(x,y);
		if(originalPoint!=processPoint)
		{
			//在复制的图像上绘制矩形
			rectangle(imageCopy,originalPoint,processPoint,Scalar(255,0,0),2);
		}
		imshow("跟踪木头人",imageCopy);
	}
	if(event==CV_EVENT_LBUTTONUP)
	{
		leftButtonDownFlag=false;
		rect=Rect(originalPoint,processPoint);
		rectImage=image(rect); //子图像显示
		imshow("Sub Image",rectImage);
		cvtColor(rectImage,targetImageHSV,CV_RGB2HSV);
		imshow("targetImageHSV",targetImageHSV);
		calcHist(&targetImageHSV,2,channels,Mat(),dstHist,1,&histSize,&histRange,true,false);
		normalize(dstHist,dstHist,0,255,CV_MINMAX);
		imshow("dstHist",dstHist);
	}
}   

跟踪结果1：

2：

3：

4：

蓝色方框是跟踪的目标，绿色线条是目标中心走过的轨迹。