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國(guó)際性刊物 魯棒非線性控制 2000; 10:875覺(jué)跟蹤問(wèn)題 :向魯棒非線性控制挑戰(zhàn) 艾倫 泰勒保蒙 美國(guó)亞特蘭大 0082號(hào)格魯吉亞工學(xué)院電子和計(jì)算機(jī)研究部門 視覺(jué)跟蹤問(wèn)題 :向魯棒非線性控制挑戰(zhàn) 摘要 ： 視覺(jué)跟蹤是在控制活動(dòng)圖象中關(guān)鍵性問(wèn)題之一。因?yàn)槟Ｐ椭写嬖诓豢煽啃院驮胍粜盘?hào)、使它變成魯棒控制中一挑戰(zhàn)性問(wèn)題。在此論文中、我們將概略一些涉及的關(guān)鍵問(wèn)題和一些可能的解答方案，我們想需要聯(lián)系機(jī)器視覺(jué)和多刻度圖像處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)工作任務(wù)。 特別地，我們會(huì)概略一些必需的方法例如：計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理包含光學(xué)流程圖在內(nèi)、活動(dòng)的輪廓（橫向振蕩），和幾何學(xué)上的被驅(qū)動(dòng)流程。該論文如此也便會(huì)有指導(dǎo)意義 。版權(quán) ?2000 約翰懷利和幾個(gè)有限公司 關(guān)鍵字 ：目視跟蹤 魯棒控制 視覺(jué)運(yùn)動(dòng) 活動(dòng)輪廓 光學(xué)流程 通用換算圖像處理 1. 引言 在這論文里、我們考慮那些被控制的跟蹤眼運(yùn)動(dòng)活動(dòng)圖象問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解決方案需綜合控制理論、信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)。我們想表明有可能由利用能適應(yīng)的魯棒控制與信號(hào)處理通用換算方法以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)形狀識(shí)別理論協(xié)同一起來(lái)處理此問(wèn)題，跟 蹤是一基點(diǎn)控制問(wèn)題即我們需要的輸出的遵循或跟蹤基準(zhǔn)信號(hào)，或相當(dāng)于我們想使那跟蹤誤差相對(duì)于一些定義明確的標(biāo)準(zhǔn)（說(shuō)能量、能力、峰值、等等 .)盡可能小的。即使鏡頭推進(jìn)存在的一些干擾是一典型控制問(wèn)題、這個(gè)手頭上的問(wèn)題是很難和挑戰(zhàn)性，因?yàn)橛蟹浅２淮_定的自然干擾性。一個(gè)可以認(rèn)為眼球運(yùn)動(dòng)跟蹤問(wèn)題是在一人機(jī)連接的環(huán)境之下。特別地，我們將推斷計(jì)算機(jī)用戶視覺(jué)運(yùn)動(dòng)，哪個(gè)動(dòng)作是用戶打算完成的。例如：在電腦熒屏上打開一個(gè)文件夾、展開一下拉菜單項(xiàng)等等。這類電腦跟蹤系統(tǒng)將作為包含我們的視覺(jué)跟蹤方法學(xué)一個(gè)具體的實(shí)例。重要強(qiáng)調(diào)是已經(jīng)有相當(dāng)多 在測(cè)量視覺(jué)運(yùn)動(dòng)方面的研究已經(jīng)在被控制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成、何況研究上已經(jīng)在應(yīng)用中用到此知識(shí)。從此我們將考慮接下來(lái)在大范圍中跟蹤問(wèn)題的適應(yīng)性，包括機(jī)器人、遠(yuǎn)距操縱的車輛，并且飛行員帶瞄準(zhǔn)器的飛行帽當(dāng)前也正在發(fā)展中。后者是系統(tǒng)的結(jié)合鋼盔支柱頭和視覺(jué)跟蹤能力以分辯隸屬的正確的視線。顯而易見(jiàn)，正當(dāng)?shù)拈_發(fā)跟蹤觀察者眼睛的人類視覺(jué)系統(tǒng)的那動(dòng)態(tài)特性將導(dǎo)致大大幅度削減傳輸中所需要的信息。關(guān)于視覺(jué)跟蹤和眼運(yùn)動(dòng)（與大量的信息一樣）的討論多半被發(fā)現(xiàn)在參考 [1 . 我們應(yīng)該明白視覺(jué)跟蹤問(wèn)題不同于標(biāo)準(zhǔn)追蹤問(wèn)題，因?yàn)榉答佇盘?hào)是用 圖像感應(yīng)器測(cè)量的。尤其是，它必須在經(jīng)由計(jì)算機(jī)視覺(jué)運(yùn)算法提取而且在被用于控制回之前被一個(gè)推論運(yùn)算法解釋。反應(yīng)速度是關(guān)鍵性因素。因?yàn)槊黠@的理由、一視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)應(yīng)該是盡可能的非侵入的。眼球運(yùn)動(dòng)通過(guò)由灰度或紅外線照相機(jī)或由一系列感應(yīng)器得到的獲取圖象來(lái)完成跟蹤的 低能級(jí)數(shù)據(jù)獲取和識(shí)別的完成是經(jīng)由一通用換算技術(shù)得到的。此技術(shù)提供許多優(yōu)越性。第一，它使得信號(hào)處理的查找和醫(yī)學(xué)上的圖象獲取過(guò)程明朗化、它導(dǎo)致實(shí)時(shí)信號(hào)捕獲和了解程序快速化。識(shí)別將利用一通用換算方法和一新的計(jì)算理論形 式來(lái)完成。 因此、從該視頻信息交換窗的控制點(diǎn)出發(fā)、我們有一跟蹤問(wèn)題在非常不可預(yù)測(cè)的干擾哪個(gè)我們想使其衰減的。注意到該不可靠應(yīng)歸于傳感器噪音（典型的）、該算法的構(gòu)成如上所述（不可測(cè)性求出起重要作用、各種各樣的假設(shè)的可能性、等等 .)，和模型不定性。我們應(yīng)該注意到論文將擁有指導(dǎo)氣息。實(shí)際上，我們的一個(gè)關(guān)鍵目的是引進(jìn)從活動(dòng)圖象到該魯棒控制共同體的一些核心概念。我們堅(jiān)信共同體便會(huì)從研究彼此方法和問(wèn)題得益。尤其是、因?yàn)橐曈X(jué)跟蹤和該眼球運(yùn)動(dòng)跟蹤的特有的課題、該魯棒控制在明確地處理不可靠性的技術(shù)我們將要在接下來(lái)做相應(yīng)的討論 。 2. 視覺(jué) 跟 蹤 視覺(jué)跟蹤存在許多論文，通過(guò)利用視力在貨車交貨、特別是在機(jī)器人共同體（看例如、涉及 [1, 2, 5和那參考在那里面的 .)代表性地、該問(wèn)題定位在本研究中是通過(guò)利用視覺(jué)跟蹤服務(wù)機(jī)械手（或一等值的難題）。該動(dòng)機(jī)于使用視力在這一體制中是非常清晰的，那就是說(shuō)，該綜合計(jì)算機(jī)視覺(jué)和控制可以是用到改善測(cè)量，因?yàn)楦纳茍D像處理技術(shù)和硬件中、機(jī)器人技術(shù)到達(dá)指向就是要視覺(jué)信息可以變成不可分割那部分反饋信號(hào)。因?yàn)閱?wèn)題帶有少量不定性、單純的 且越來(lái)越用于嘈雜的系統(tǒng)、能適應(yīng)的方案以及隨機(jī)建 立的已經(jīng)使用的線性二次高斯控制器。 許多控制原理圖已經(jīng)建議使用視覺(jué)信息來(lái)控制回路。這已經(jīng)綿亙傳感零件到表征多級(jí)控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍而言、傅里葉描述符，和局部圖像分析法；看參考 [ 9和那里面的參考。以光學(xué)的流程為基礎(chǔ)的有好的方法已經(jīng)被當(dāng)作機(jī)械手的計(jì)算一個(gè)主要成份使用驅(qū)動(dòng)信號(hào)（閱讀詳細(xì)的，請(qǐng)參考 [ 7, 8]，和我們以下的論述）。的確，因?yàn)樵谝粋€(gè)圖像中的一個(gè)物體由光亮式樣組成 , 如同物體搬進(jìn)空間一樣光亮也是式樣。 光學(xué)的流程然后是光亮的明顯運(yùn)動(dòng)式樣 ;參考 [12]。在標(biāo)準(zhǔn)的假定之下 , 被提供的一個(gè)靜態(tài)的目 標(biāo)和一臺(tái)感人的照相機(jī) ( 或相等地 ,一個(gè)靜態(tài)的物體和一臺(tái)感人的照相機(jī) ),一個(gè)可以在快速時(shí)寫下象平面上對(duì)象凸出點(diǎn)的時(shí)差。若干方法已經(jīng)討論適合于計(jì)算此速度。此知識(shí)也將能用來(lái)跟蹤圖像。 讓我們考慮追蹤一個(gè)計(jì)算機(jī)熒屏上的目標(biāo)具體問(wèn)題。然后我們有唯一的一二維的跟蹤目標(biāo)點(diǎn)，我們?yōu)楹?jiǎn)單起見(jiàn)假定那目標(biāo)周旋于原子能飛機(jī)垂直于光軸照相機(jī)，如果那照相機(jī)移動(dòng)然后帶有翻譯速度的移動(dòng) : ????????和旋轉(zhuǎn)速度盎司（就那照相機(jī)設(shè)計(jì)）而言、可能形成二維的跟蹤問(wèn)題如同下述適合于一個(gè)目標(biāo)。讓電 壓互感器標(biāo)志目標(biāo)的投影在象平面區(qū)域， 那照相機(jī)設(shè)計(jì)）。有類似的描述適合于跟蹤的零件。現(xiàn)在由此機(jī)構(gòu)，就可以寫下運(yùn)動(dòng)的照相機(jī)光流產(chǎn)生的 其控制變量是由包括照相機(jī)的跟蹤運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的流程所給定的。那可執(zhí)行代碼程序帶表格可能在參考 [ 13、 7]查到，并且無(wú)須涉及我們現(xiàn)在所討論的課題 (同那定時(shí)在 .. 之后接納那表格。 x(n+1)=x(n)+ n)=Td(n)+v(n) z(n)=x(n)+w(n) 這里 ,d 是外界產(chǎn)生的干擾 , v 是‘噪音 '，稱做適合于模型不定性， z 是是那量度與噪聲分量 w 一起。 ( 所有的矢量都包含在。 x ， y 和搖晃因素形成的跟蹤誤差構(gòu)成的 )。 有許多重要的控制問(wèn)題與這樣的設(shè)備有關(guān)系、當(dāng)然，一個(gè)人量度延遲（我們想工作實(shí)時(shí)）和抽樣時(shí)間選擇的問(wèn)題。但是我們感覺(jué)有許多深刻地和很多難題，必須被編址合理可選擇的控制策略成功之前。換句話說(shuō) ,一般說(shuō)來(lái)不定性（ v w）是塑造成均 勻頻譜噪聲。這模型是保守的，沒(méi)有加入使用帳戶任何可能噪聲環(huán)境的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代魯棒控制一個(gè)關(guān)鍵貢獻(xiàn)考慮了的結(jié)構(gòu)不定性（參考 [ 14]和以及里面其他內(nèi)容）。在我們現(xiàn)在的情形中，我們倡導(dǎo)深刻的研究有關(guān)不定性方面的問(wèn)題。這將導(dǎo)致信號(hào)處理的關(guān)鍵元素，尤其是，新的強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)通用換算方法 雅各比理論為基準(zhǔn)將會(huì)起到一個(gè)關(guān)鍵角色。以下我們將討論此話題，尤其是討論更多明確地處理那眼球運(yùn)動(dòng)信息并在反饋電路使用它的方法。 3、眼睛運(yùn)動(dòng)信息 當(dāng)許多研究已經(jīng)完成眼睛運(yùn)動(dòng)測(cè)量的時(shí)候，少量研究已經(jīng)在應(yīng)用中采 用這些知識(shí)。一些侵入的視覺(jué)跟蹤技術(shù)測(cè)量角膜和視網(wǎng)膜電勢(shì)差而其他的人正在使用 侵入的技術(shù)識(shí)別零件位于眼睛的圖像上，比如虹膜或瞳孔或那角膜的界限條件反射的眼睛敏感的光線，并且從此零件推論出運(yùn)動(dòng)的眼睛，所以此零件的運(yùn)動(dòng)還可以應(yīng)歸于頭部的運(yùn)動(dòng)，重要的是跟蹤若干零件并求出此零件差速運(yùn)動(dòng)。例如：、電學(xué)上近紅外眼睛跟蹤系統(tǒng)使用角膜表面反射的光的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而且反射視網(wǎng)膜跟隨用戶的目光。關(guān)于眼睛跟蹤技術(shù)的好的調(diào)查報(bào)告參考 [ 3, 15] 16]。 大部分從事利用眼球運(yùn)動(dòng)知 識(shí)已經(jīng)集中于聯(lián)絡(luò)殘疾人使用者，例如，參考 [ 17, 18]。其他的研究強(qiáng)調(diào)應(yīng)用于類似于我們?cè)诳紤]包含 [ 19的。這開創(chuàng)性研究嘗試通過(guò)利用眼球運(yùn)動(dòng)在人機(jī)通信并且證明理論的可能性 . 他們也確定這些趨近于人機(jī)通信的實(shí)用真實(shí)問(wèn)題和缺陷，其必須解決以便使其實(shí)用逼真以至可以對(duì)抗和補(bǔ)充其他的人機(jī)連接工具比如鼠標(biāo)、鋼筆和圖形輸入卡、駕駛桿以及鍵盤。 趨近于人機(jī)通信的視覺(jué)跟蹤幕后的理論基礎(chǔ)是目標(biāo)被一受支配的似人的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)。如果是這樣，在視網(wǎng)膜成像的小的區(qū)域稱作小凹。因此使用者的眼睛位置提供有關(guān)他集中于屏蔽的區(qū)域的信 息。該信息是精確到內(nèi)部小凹角寬度的（大約一度）。此精度已經(jīng)被認(rèn)為是適宜于上述研究中的人機(jī)通信（好的精確度可能需要眼肌的研究，但是我們這里不討論 .)生物學(xué)研究者指出大量普遍的眼睛運(yùn)動(dòng)分成二類∶掃視與定位。（參考 [3, 24, 4]與該參考中一些掃視與定影的論述以及他們和生物學(xué)幻像的關(guān)系。這些研究同時(shí)包含大規(guī)模視覺(jué)跟蹤的一些基本問(wèn)題 .)掃視是突然運(yùn)動(dòng)視覺(jué)從場(chǎng)景中的一個(gè)感興趣區(qū)到另一個(gè)。掃視通常伴隨間隔為 200到 600毫秒的定影，該視覺(jué)仍然完成包括小于一度的小的神經(jīng)過(guò)敏運(yùn)動(dòng)。其他的形式的眼睛運(yùn)動(dòng)可能在人機(jī)通信期中可能被忽略。 建立人機(jī)通信的視覺(jué)跟蹤的基本問(wèn)題是確定定影周期（亦即，用戶感覺(jué)他在視覺(jué)上已經(jīng)定位在一目標(biāo)上的時(shí)間），然后在肌肉神經(jīng)過(guò)敏視覺(jué)運(yùn)動(dòng)定位在目標(biāo)上。注意人類忽視這定影期間的神經(jīng)過(guò)敏視覺(jué)運(yùn)動(dòng)，那就是說(shuō)我們注視一個(gè)目標(biāo)我們以為我們是早看現(xiàn)場(chǎng)的單個(gè)斑點(diǎn)。也要注意到純理論的過(guò)濾器接近于除去該眼睛神經(jīng)過(guò)敏不是令人滿意地，既它也可能減緩正確位置掃視的響應(yīng)時(shí)間。 4. 數(shù)據(jù)獲得 有二基本對(duì)數(shù)據(jù)獲得的方法 : 與那一個(gè)類似的活躍方式藉著追蹤系統(tǒng)和圖 像技術(shù)的無(wú)源現(xiàn)在眼睛用。 在有效的方法中，一種無(wú)害近紅外線燈用來(lái)照明用 戶的臉。兩個(gè)來(lái)自眼睛的反射波被求得。是前者反射信號(hào)起因于角膜表面被稱作反射。后者反射發(fā)生來(lái)自視網(wǎng)膜被稱作明亮視覺(jué)成分。為最小化背景輻射效果，目前的系統(tǒng)一般需要暗淡的光。本文中，我們將鉆研無(wú)源的方法。 5. 追蹤及光學(xué) 流程 一旦我們想要跟蹤與對(duì)象相當(dāng)?shù)男畔⒁呀?jīng)確定，我們使用一個(gè)光學(xué)流程估計(jì)各零件從兩個(gè)連續(xù)圖象，只包含那個(gè)零件。該圖象是當(dāng)時(shí)和以前的 產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)判斷問(wèn)題比用純理論的強(qiáng)度成像的傳統(tǒng)的流程判斷適應(yīng)度好了很多。該光學(xué)流程的計(jì)算機(jī)應(yīng)用已經(jīng)被用于解決活動(dòng)幻像中出現(xiàn) 的問(wèn)題的一個(gè)重要的工具。該光流域是一序列的成像的明亮圖像的視在運(yùn)動(dòng)的速度矢量場(chǎng) [ 41]。假定該明亮圖像是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，足夠大的空間來(lái)寄存圖像上光亮度在空間分配方面的改變。因此，一個(gè)目標(biāo)和一架相機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)能夠引起光學(xué)流程。同樣地，一工人靜電照相機(jī)成像的場(chǎng)景中目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以引起光學(xué)流程。在我們光學(xué)流程的計(jì)算機(jī)應(yīng)用上，我們使用通用化粘性溶液的漢密爾頓 技術(shù)似乎理論上適于這種變化，歐拉拉格朗日接近于此問(wèn)題（參見(jiàn) [ 41面相關(guān)的內(nèi)容）。利用這種通用的方法，我們已能處理那些在光 學(xué)流程區(qū)域出現(xiàn)的若干相異的變分公式的奇異性和規(guī)律性問(wèn)題。這類方法論已經(jīng)被用于描影法造型問(wèn)題 [ 44, 45]，和邊緣檢測(cè) [ 46]。 ⒍分割和數(shù)據(jù)分析 從一數(shù)據(jù)列提取是有干擾的視覺(jué)軌跡，然后問(wèn)題變?yōu)閿?shù)據(jù)斷片進(jìn)入掃視和定位間隙和測(cè)定預(yù)定注視點(diǎn)。一個(gè)非常接近的通用換算也被用于這些步驟中。該定位判斷問(wèn)題由于若干干擾來(lái)源而變得復(fù)雜。特別地，眼光閃爍及其他人為現(xiàn)象可能沒(méi)有終止地發(fā)生在定位過(guò)程中。在這些人為現(xiàn)象有的能夠持久 200毫秒，數(shù)據(jù)可能丟失。為更好的目標(biāo)定位和分裂眼睛運(yùn)動(dòng)跟蹤，可以使用點(diǎn)連續(xù)／離散最大概似法接近 于細(xì)化開始和結(jié)束間歇以及定點(diǎn)的測(cè)定可能值。該方式是結(jié)點(diǎn)連續(xù)／非連續(xù)的測(cè)定問(wèn)題因?yàn)樽⒁朁c(diǎn)能夠取連續(xù)的值，然而分割成 '定位 '和 '非定位 '間隔是一個(gè)二元問(wèn)題。它是建立在視覺(jué)活動(dòng)定位和持續(xù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)上的模型，它是建立在最理想的貝葉斯定理概念上的。它用一個(gè)預(yù)測(cè)步驟來(lái)填充在掃視過(guò)程中丟失的數(shù)據(jù)。該推算步驟以假設(shè)視覺(jué)或者在定位方式或者在掃視方式為基準(zhǔn)提出兩個(gè)推定量。該假設(shè)任何一個(gè)取舍是在監(jiān)視若干讀取信息后計(jì)算各可能性之后取舍的。延遲關(guān)聯(lián)文件這過(guò)程限于大約毫秒，這個(gè)過(guò)程將不會(huì)為用戶所注意到。 如上所述還可以容易地貝葉斯統(tǒng)計(jì)放 到遞減率蛇形線來(lái)處理抽取的輪廓；參考[ 50]。因此建立邊緣檢測(cè)算法的通用換算幾何學(xué)上的橫向振蕩很自然地變成其貝葉斯定理的框架。注意我們不需要發(fā)送有關(guān)掃視運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信息。當(dāng)注視點(diǎn)改變時(shí)，我們唯一的提供有關(guān)跟蹤程序初始的和最后的定點(diǎn)的信息。然而，加快人機(jī)通信過(guò)程，我們使用掃視運(yùn)動(dòng)去推算下一個(gè)定點(diǎn)將會(huì)在哪。 掃視運(yùn)動(dòng)可以由一隱藏的馬爾可夫模型描述參考 [ 51]中相關(guān)內(nèi)容。此外，馬爾可夫模型可能用來(lái)綜述在當(dāng)前上內(nèi)容可能的用戶操作。在隱藏的馬爾可夫模型描述的這掃視各狀態(tài)關(guān)聯(lián)到特別的運(yùn)動(dòng)形式階段的隨機(jī)模型。經(jīng)結(jié)合用戶 意圖的隨機(jī)的描述是以呈現(xiàn)背景和掃視的隱藏的馬爾可夫模型為基準(zhǔn)的，我們可以導(dǎo)出一推算下一個(gè)注視點(diǎn)將在的位置的判斷法則。 ⒎結(jié)論 在論文中，我們考慮用一通用方法論來(lái)研究眼光跟蹤問(wèn)題。我們應(yīng)該注意因?yàn)樾盘?hào)和模型中的不定性，此類問(wèn)題為在魯棒控制方面的研究工作者提供了一個(gè)極其難得的機(jī)會(huì)。我們論述個(gè)綜合魯棒控制、計(jì)算機(jī)視覺(jué)，和信號(hào)處理通用換算的方法。最近、存在多種人員參加在研究幻像和控制。大部分研究到目前已經(jīng)分支。當(dāng)分支已經(jīng)結(jié)束時(shí)很多基本控制算法已經(jīng)用于混合的結(jié)果。利用視覺(jué)信息在反饋電路中能夠提供珍貴的新的研究來(lái)源，它 有潛力推動(dòng)控制研究的一個(gè)新的領(lǐng)域。在本問(wèn)中論述的視覺(jué)跟蹤問(wèn)題可以作為一范例適合于活動(dòng)圖象控制的整個(gè)范圍。的確，該問(wèn)題向魯棒控制系統(tǒng)開啟了一次有力的挑戰(zhàn)。 感謝 我們要感謝明尼蘇達(dá)大學(xué)的加里 特費(fèi)科教授，他們提供了許多非常有用的關(guān)于視覺(jué)跟蹤的交談。該研究在某種程度上得到以下各單位的授權(quán)和支持：國(guó)家科學(xué)基金會(huì)電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 家科學(xué)基金會(huì)局部信息處理系統(tǒng)，自動(dòng)跟蹤科學(xué)研究空軍辦公室／ 98 - 1 - 0168、軍隊(duì) 98 - 1 - 0169研究 室。 F J. 000; 10:875n a . is of in of in it a In we of as as We to in In we of ‘, a as 2000 . n we of of of We it is to by in is a in we to or a or we to as as to . in of a is a at is of of in of a In we to of of a to a on a a of as a of is in It is to in of in a on in we a of in a of in to a s of of of by of s to in of to be of an of be 1 We of in is In it to be by a in is a an be as as is by by or or by an of to of is a a of as is in it to be a a of of we a in of a we to is to in of , We a of is to to We by s In of of be as we 2. a of on of in in ( 1, 2, 5 in is of a or an in a is of be to of in is an of ID as as QG A of of in of to 9 A on as a in of s in 7, 8], an in an is up of as in so do is of 12]. a a or a a of a of of be to us of on a we a We in a is to of If : 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