本發(fā)明涉及視頻分析與圖像理解領(lǐng)域，尤其涉及一種基于動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型的目標(biāo)間關(guān)系識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
：人群行為分析領(lǐng)域中，行為識(shí)別，分類以及行人屬性識(shí)別等相關(guān)研究已有多年歷史。人體行為識(shí)別分為三部分，即移動(dòng)識(shí)別，動(dòng)作識(shí)別和行為識(shí)別。雖然，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有關(guān)行人行為分析的研究已小有成色，但是目前還是局限在行人行為本身去思考和分析問題，對(duì)于行為的形成原因鮮有研究。國(guó)外的心理學(xué)家將自然界物體間的聯(lián)系歸納總結(jié)，并依照一定規(guī)律分類，形成了用以描述自然界中廣泛存在的事物間因果聯(lián)系的理論。因果關(guān)系理論經(jīng)過多年的發(fā)展，如今分為三大類別，分別是心理學(xué)模型理論，動(dòng)因模型理論和力學(xué)模型理論。心理學(xué)模型理論通過邏輯推理的形式描述三種因果關(guān)系；動(dòng)因模型理論則是基于因果貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析所構(gòu)建的理論；力學(xué)模型理論是基于力動(dòng)力學(xué)模型所建立的，該方法通過力學(xué)矢量關(guān)系描述該三種因果關(guān)系。由力動(dòng)力學(xué)模型發(fā)展而來的動(dòng)力學(xué)模型，通過分析目標(biāo)間作用力矢量，構(gòu)建模型，識(shí)別事物間因果關(guān)系。然而，上述模型所做的因果關(guān)系研究都屬于定性分析。受到模型中各個(gè)概念難以于現(xiàn)實(shí)情況下準(zhǔn)確表達(dá)的局限性，這幾種模型都未能實(shí)現(xiàn)因果關(guān)系的定量分析。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提出一種基于動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型的行人間因果關(guān)系識(shí)別方法，目的是通過視頻圖像分析技術(shù)解決小規(guī)模人群行為分析領(lǐng)域中有關(guān)目標(biāo)間的因果關(guān)系識(shí)別問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案：本發(fā)明所述的因果關(guān)系包括導(dǎo)致關(guān)系、促進(jìn)關(guān)系、阻礙關(guān)系三種關(guān)系，導(dǎo)致關(guān)系是指目標(biāo)行人由于外界因素的影響改變了其初始的運(yùn)動(dòng)方向；促進(jìn)關(guān)系是指外力的作用對(duì)目標(biāo)行人起到了促進(jìn)的作用且最終并未改變其方向；阻礙關(guān)系是指目標(biāo)行人的運(yùn)動(dòng)受到外界因素阻礙的影響卻并未改變其初始運(yùn)動(dòng)方向；目標(biāo)行人初始動(dòng)量目標(biāo)行人受其他行人排斥力的沖量預(yù)測(cè)末動(dòng)量實(shí)際末動(dòng)量作為目標(biāo)行人的4個(gè)要素；所述識(shí)別方法包括以下步驟：步驟1，獲取視頻圖像，利用cam-shift算法，獲取視頻圖像中各個(gè)目標(biāo)行人的位置、速度和距離信息，結(jié)合社會(huì)力中的心理力模型以及動(dòng)量定理構(gòu)建動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型；利用目標(biāo)行人的4要素之間的關(guān)系，構(gòu)建識(shí)別條件，識(shí)別兩目標(biāo)行人間的因果關(guān)系，將目標(biāo)行人間的相互影響表達(dá)成導(dǎo)致關(guān)系、促進(jìn)關(guān)系、阻礙關(guān)系；步驟2，將動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型用于構(gòu)建視頻中目標(biāo)行人間的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定方向閾值，并基于方向閾值提出基于動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型的因果關(guān)系判定條件；步驟3，將動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型用于構(gòu)建視頻中目標(biāo)行人間的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算得到目標(biāo)行人間的因果值γ，根據(jù)因果值的大小范圍，識(shí)別出目標(biāo)行人間的因果關(guān)系。進(jìn)一步的，所述步驟1的具體方法如下：步驟1.1，跟蹤每個(gè)目標(biāo)行人，得到每個(gè)目標(biāo)行人的運(yùn)動(dòng)軌跡并且計(jì)算出目標(biāo)初始動(dòng)量；根據(jù)Cam-shift跟蹤算法可獲得行人α的位置信息，計(jì)算行人α每?jī)蓭g行人的位置差值，即行人每一幀的運(yùn)動(dòng)速度；目標(biāo)行人初始動(dòng)量具體值可根據(jù)公式(1)求得其中，Oj(j＝i,…,n)表示第j幀圖像中目標(biāo)質(zhì)心位置，可由目標(biāo)跟蹤算法獲得；n表示視頻序列長(zhǎng)度；t表示每幀的時(shí)間；m表示行人的質(zhì)量；i表示視頻搜索框的起始位置；j表示目標(biāo)行人的當(dāng)前幀；其中，Oj(j＝i,…,n)表示第j幀圖像中目標(biāo)質(zhì)心位置，可由目標(biāo)跟蹤算法獲得；n表示視頻序列長(zhǎng)度，具體值可根據(jù)實(shí)際情況確定；t表示每幀的時(shí)間；m表示行人的質(zhì)量，通常去平均值為60kg；i表示視頻搜索框的起始位置；j表示目標(biāo)行人的當(dāng)前幀；步驟1.2，計(jì)算目標(biāo)行人受其他行人排斥力的沖量采用社會(huì)力中的心理力作為沖力的基本模型，其公式如下：其中，Aα和Bα是常數(shù)，分別表示行人α與其他行人的相互作用強(qiáng)度和作用范圍；rαβ是相互作用的兩個(gè)行人α和β的半徑和；dαβ是行人α和β之間的距離；nαβ是由行人β指向行人α的單位向量，nαβ和dαβ隨時(shí)間變化。模型規(guī)定每個(gè)行人的半徑由行人占有的空間決定。Aα的表達(dá)方式為力，單位為N；行人的半徑取肩寬[0.5,0.7]的均勻分布；常數(shù)Bα為范圍常數(shù)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況取值。考慮到行人受到他人的影響方向不同，增加方向權(quán)重g(λ)；其中，λ為方向權(quán)重系數(shù)，可根據(jù)實(shí)際需要取值。為行人運(yùn)動(dòng)方向與所受沖力方向的夾角。當(dāng)行人間距離過大時(shí)，兩行人間無影響，此時(shí)沖力應(yīng)該為0，又沖量可得最終沖量函數(shù)模型如下：式中，l為因果影響范圍參數(shù)，取值根據(jù)實(shí)際情況確定。為單位方向向量。Δt為一個(gè)人的反應(yīng)時(shí)間，一般人的反應(yīng)時(shí)間為0.15～0.5s，人們的感覺反應(yīng)時(shí)間并不是正態(tài)分布，其對(duì)數(shù)呈逼近的正態(tài)分布，人的平均感覺反應(yīng)時(shí)間一般為0.4s。步驟1.3，計(jì)算目標(biāo)行人的預(yù)測(cè)末動(dòng)量和實(shí)際末動(dòng)量實(shí)際末動(dòng)量可由公式(1)計(jì)算得到；基于動(dòng)量守恒定理，分析行人α在行人β的沖力影響下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，通過式(5)得到預(yù)測(cè)末動(dòng)量式中，為目標(biāo)行人初始動(dòng)量；為目標(biāo)行人受其他行人排斥力的沖量。進(jìn)一步的，步驟2的具體步驟如下：步驟2.1，將動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型用于構(gòu)建視頻中目標(biāo)行人間的數(shù)學(xué)模型；視頻序列長(zhǎng)度為h，在整個(gè)序列中設(shè)定長(zhǎng)度為s的平移窗口，在該平移窗口中計(jì)算動(dòng)量模型中所提到的四個(gè)關(guān)鍵要素，即和首先，在平移窗口中選取前n幀，用于計(jì)算之后選取平移窗口的最中間幀作為當(dāng)前幀，計(jì)算接著根據(jù)公式(5)得到最后選取平移窗口的最后n幀，根據(jù)公式(1)計(jì)算步驟2.2，提出方向閾值概念；若目標(biāo)行人的4個(gè)要素——初始動(dòng)量目標(biāo)行人受其他行人排斥力的沖量預(yù)測(cè)末動(dòng)量實(shí)際末動(dòng)量?jī)蓛梢刂g的夾角在方向閾值θt范圍內(nèi)，則兩個(gè)行人運(yùn)動(dòng)方向的矢量視為同方向，否則視為不同向；為了判斷方向，首先求取幾個(gè)矢量之間的夾角，計(jì)算如下：由公式(6)(7)(8)可分別求得與的夾角θx；與的夾角θz；與的夾角θy；令x＝θx-θt，y＝θy-θt，z＝θz-θt；θt為方向閾值；當(dāng)同方向時(shí)，x,y,z≤0，反之x,y,z＞0；步驟2.3，基于方向閾值提出基于動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型的因果關(guān)系判定條件。進(jìn)一步的，所述步驟3的具體步驟如下：對(duì)x,y的取值歸一化，使正負(fù)值范圍相等；因果值γ的計(jì)算方法如公式(11)所示因果值γ的值域?yàn)閇0°,360°]，如公式(12)所示三種因果關(guān)系與因果值γ的關(guān)系如下：導(dǎo)致關(guān)系時(shí)因果值γ的值域范圍為[315°,360°]；促進(jìn)關(guān)系時(shí)因果值γ的值域范圍[45°,90°]；阻礙關(guān)系時(shí)因果值γ的值域范圍為[225°,270°]；不存在因果關(guān)系時(shí)因果值γ的值域范圍[135°,225°]。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合動(dòng)量定理和社會(huì)力模型提出動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型，用以描述行人間關(guān)系，克服了現(xiàn)有模型難以對(duì)現(xiàn)實(shí)中行人關(guān)系量化描述的缺點(diǎn)，并將復(fù)雜的因果關(guān)系判定方法轉(zhuǎn)化為因果值，從而使因果關(guān)系的識(shí)別更加直觀和準(zhǔn)確。附圖說明圖1為本發(fā)明方法的流程圖。圖2為本發(fā)明方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟流程圖。圖3為本發(fā)明方法的動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型圖。圖4為本發(fā)明方法的實(shí)施例說明圖。圖5為本發(fā)明方法的實(shí)施例結(jié)果圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：本發(fā)明涉及的因果關(guān)系包括導(dǎo)致關(guān)系、促進(jìn)關(guān)系、阻礙關(guān)系三種關(guān)系，導(dǎo)致關(guān)系是指目標(biāo)行人由于外界因素的影響改變了其初始的運(yùn)動(dòng)方向；促進(jìn)關(guān)系是指外力的作用對(duì)目標(biāo)行人起到了促進(jìn)的作用且最終并未改變其方向；阻礙關(guān)系是指目標(biāo)行人的運(yùn)動(dòng)受到外界因素阻礙的影響卻并未改變其初始運(yùn)動(dòng)方向；目標(biāo)行人初始動(dòng)量目標(biāo)行人受其他行人排斥力的沖量預(yù)測(cè)末動(dòng)量實(shí)際測(cè)量所得末動(dòng)量作為目標(biāo)行人的4個(gè)要素；如圖1、圖2所示，所述識(shí)別方法包括以下步驟：步驟1，獲取視頻圖像，利用camshift算法，獲取視頻圖像中各個(gè)目標(biāo)行人的位置、速度和距離信息，結(jié)合社會(huì)力中的心理力模型以及動(dòng)量定理構(gòu)建動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型；利用目標(biāo)行人的4要素之間的關(guān)系，構(gòu)建識(shí)別條件，識(shí)別兩目標(biāo)行人間的因果關(guān)系，將目標(biāo)行人間的相互影響表達(dá)成導(dǎo)致關(guān)系、促進(jìn)關(guān)系、阻礙關(guān)系。步驟1.1，跟蹤每個(gè)目標(biāo)行人，得到每個(gè)目標(biāo)行人的運(yùn)動(dòng)軌跡并且計(jì)算出目標(biāo)初始動(dòng)量；根據(jù)Camshift跟蹤算法可獲得行人α的位置信息，計(jì)算行人α每?jī)蓭g行人的位置差值，即行人每一幀的運(yùn)動(dòng)速度；目標(biāo)行人初始動(dòng)量具體值可根據(jù)公式(1)求得其中，Oj(j＝i,…,n)表示第j幀圖像中目標(biāo)質(zhì)心位置，可由目標(biāo)跟蹤算法獲得；n表示視頻序列長(zhǎng)度，具體值可根據(jù)實(shí)際情況確定；t表示每幀的時(shí)間；m表示行人的質(zhì)量，通常去平均值為60kg；i表示視頻搜索框的起始位置；j表示目標(biāo)行人的當(dāng)前幀。步驟1.2，計(jì)算目標(biāo)行人受其他行人排斥力的沖量采用社會(huì)力中的心理力作為沖力的基本模型，其公式如下：考慮到行人受到他人的影響方向不同，增加方向權(quán)重g(λ)；當(dāng)行人間距離過大時(shí)，兩行人間無影響，此時(shí)沖力應(yīng)該為0，又沖量可得最終沖量函數(shù)模型如下：式中，l為因果影響范圍參數(shù)，取值根據(jù)實(shí)際情況確定。為單位方向向量。Δt為一個(gè)人的反應(yīng)時(shí)間，一般人的反應(yīng)時(shí)間為0.15～0.5s，人們的感覺反應(yīng)時(shí)間并不是正態(tài)分布，其對(duì)數(shù)呈逼近的正態(tài)分布，人的平均感覺反應(yīng)時(shí)間一般為0.4s。步驟1.3，計(jì)算目標(biāo)行人的預(yù)測(cè)末動(dòng)量和實(shí)際測(cè)量所得末動(dòng)量實(shí)際測(cè)量所得末動(dòng)量可由公式(1)計(jì)算得到；基于動(dòng)量守恒定理，分析行人α在行人β的沖力影響下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，通過式(5)得到預(yù)測(cè)末動(dòng)量式中，為目標(biāo)行人初始動(dòng)量；為目標(biāo)行人受其他行人排斥力的沖量。步驟2，將動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型用于構(gòu)建視頻中目標(biāo)行人間的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定方向閾值，并基于方向閾值提出基于動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型的因果關(guān)系判定條件；步驟2.1，將動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型用于構(gòu)建視頻中目標(biāo)行人間的數(shù)學(xué)模型；視頻序列長(zhǎng)度為h，在整個(gè)序列中設(shè)定長(zhǎng)度為s的平移窗口，在該平移窗口中計(jì)算動(dòng)量模型中所提到的四個(gè)關(guān)鍵要素，即和首先，在平移窗口中選取前n幀，用于計(jì)算之后選取平移窗口的最中間幀作為當(dāng)前幀，計(jì)算接著根據(jù)公式(5)得到最后選取平移窗口的最后n幀，根據(jù)公式(1)計(jì)算步驟2.2，提出方向閾值概念；嚴(yán)格意義上兩個(gè)矢量的同方向指方向夾角為0°。而根據(jù)實(shí)際測(cè)定的行人運(yùn)動(dòng)方向是不可能嚴(yán)格意義上的一致的，因此本文提出方向閾值的概念，認(rèn)為在該方向閾值θt中，兩矢量視為同方向。若目標(biāo)行人的4個(gè)要素——初始動(dòng)量目標(biāo)行人受其他行人排斥力的沖量預(yù)測(cè)末動(dòng)量實(shí)際測(cè)量所得末動(dòng)量?jī)蓛梢刂g的夾角在方向閾值θt范圍內(nèi)，則兩個(gè)行人運(yùn)動(dòng)方向的矢量視為同方向，否則視為不同向；為了判斷方向，首先求取幾個(gè)矢量之間的夾角，計(jì)算如下：由公式(6)(7)(8)可分別求得與的夾角θx；與的夾角θz；與的夾角θy；令x＝θx-θt，y＝θy-θt，z＝θz-θt；θt為方向閾值；當(dāng)同方向時(shí)，x,y,z≤0，反之x,y,z＞0；步驟2.3，基于方向閾值提出基于動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型的因果關(guān)系判定條件，如表1所示。表1基于動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型因果關(guān)系判斷表步驟3，將動(dòng)量動(dòng)力學(xué)模型用于構(gòu)建視頻中目標(biāo)行人間的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算得到目標(biāo)行人間的因果值γ，根據(jù)因果值的大小范圍，識(shí)別出目標(biāo)行人間的因果關(guān)系。根據(jù)夾角θi(i＝x,y)的取值范圍為[0，180]，可知x和y的取值范圍為[θt，180-θt]?？梢钥闯龃藭r(shí)x和y的取值范圍是正負(fù)不對(duì)稱的，正負(fù)值范圍根據(jù)方向閾值θt的變化而改變。所以，要對(duì)x,y的取值歸一化，使正負(fù)值范圍相等。為了更加直觀的表示因果關(guān)系識(shí)別的結(jié)果，本文提出了因果值的概念，因果值的大小能夠表示行人間因果關(guān)系的類別及變化趨勢(shì)。具體計(jì)算方法如公式(11)所示。得到的γ的值域?yàn)閇-360°,360°]為了表現(xiàn)的更直觀本文對(duì)γ做進(jìn)一步處理，將γ的取值范圍縮小到[0°,360°]，如公式(12)所示：三種因果關(guān)系值域范圍如表2所示。表2因果關(guān)系γ導(dǎo)致[315°,360°]促進(jìn)[45°,90°]阻礙[225°,270°]未定義others不存在[135°,225°]構(gòu)建小團(tuán)體，目標(biāo)人數(shù)為五，如圖4所示。行人α為本次實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，其他四個(gè)行人包括行人1、行人2、行人3、行人4，圖5中四條曲線分別為行人1、行人2、行人3、行人4與目標(biāo)行人α間的因果關(guān)系值。在168幀之前，四條曲線重合，全部值為0，從169幀開始，點(diǎn)狀曲線的值為225～270之間，此時(shí)行人1與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)間的因果關(guān)系為阻礙，直到第259幀，由于兩行人交錯(cuò)分離，目標(biāo)間不再存在因果關(guān)系。行人2從314幀到331幀，因果值為[45,90]與目標(biāo)間因果關(guān)系為導(dǎo)致，從323幀到360幀，兩者因果關(guān)系變?yōu)榇龠M(jìn)。行人4從335幀到337幀與目標(biāo)行人因果關(guān)系為阻礙，行人3的因果值一直為0，與目標(biāo)行人間不存在因果關(guān)系。本實(shí)施例的結(jié)果如圖5所示。以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3