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一种受人脑三阶段记忆机制启发的鲁棒运动目标跟踪方法
资料介绍
目前大多数运动目标跟踪算法在目标姿态发生突变或目标被严重遮挡后会产生目标丢失现象,为解决此类问题,受人脑三阶段记忆信息处理机制的启发,本文提出一种三层旋转圆记忆模型(Spinning Tri-Layer-Circle Memory Modeling,STLC-MM)用于在目标跟踪过程中对目标模板进行更新.模型定义了三个旋转圆记忆空间用于存储和处理跟踪过程中用过的目标模板.三个圆记忆空间旋转时,记忆空间中的模板也随之以相同的速度旋转,同时模型通过模拟一些人类的认知行为,如,记忆、提取、遗忘等对模板进行更新.最后,为了验证所提方法有效性,本文将STLC-MM嵌入到粒子滤波目标跟踪框架进行目标跟踪实验.实验结果表明所提方法在目标姿态突变以及严重遮挡等方面具有较强的鲁棒性.
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Vol． 45 No． 9
Sep． 2017
第
期
电
子
学
报
2017
9
ACTA ELECTRONICA SINICA
年
月
一种受人脑三阶段记忆机制启发的
鲁棒运动目标跟踪方法
，
，
王延江 李 蕙 齐玉娟
(
(
)
，
266580)
中国石油大学 华东 信息与控制工程学院 山东青岛
:
，
目前大多数运动目标跟踪算法在目标姿态发生突变或目标被严重遮挡后会产生目标丢失现象 为解决
摘
要
，
，
( Spinning Tri-Layer-Circle
此类问题 受人脑三阶段记忆信息处理机制的启发 本文提出一种三层旋转圆记忆模型
Memory Modeling，STLC-MM)
．
用于在目标跟踪过程中对目标模板进行更新 模型定义了三个旋转圆记忆空间用于存储
．
，
，
和处理跟踪过程中用过的目标模板 三个圆记忆空间旋转时 记忆空间中的模板也随之以相同的速度旋转 同时模型
， ，
、
、
．
通过模拟一些人类的认知行为 如 记忆 提取 遗忘等对模板进行更新 最后 为了验证所提方法有效性 本文将
，
，
STLC-MM
．
嵌入到粒子滤波目标跟踪框架进行目标跟踪实验 实验结果表明所提方法在目标姿态突变以及严重遮挡等
．
方面具有较强的鲁棒性
:
;
;
;
关键词
中图分类号
URL: http: / /www． ejournal． org． cn
人脑记忆模型 三层圆旋转模型 粒子滤波 运动目标跟踪
TP391
0372-2112 ( 2017) 09-2065- 06
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2017． 09． 002
:
:
A
:
文章编号
文献标识码
电子学报
Robust Moving Object Tracking Method Inspired by
the Mechanism of Human Brain Three-Stage Memory Model
WANG Yan-jiang，LI Hui，QI Yu-juan
( College of Information and Control Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266580，China)
Abstract: Most of the current object tracking algorithms will fail when sudden appearance changes and serious occlu-
sions occur． Inspired by the mechanism of human brain three-stage memory model，this paper develops a spinning tri-layer-
circle memory model( STLC-MM) and applies it for template updating during object tracking． Three memory spaces are de-
fined to store and process the object templates used during tracking． With three circle memory spaces spinning，templates in
the three memory spaces are updated by imitating the cognitive process of memorization，recall，and forgetting． Finally，in or-
der to verify the effect of the proposed model，STLC-MM is incorporated into a particle filter ( PF) framework． Experimental
results show that the proposed method is more robust to sudden appearance changes and serious occlusions．
Key words: human brain memory modeling; spinning tri-layer-circle memory model; particle filters; moving object
tracking．
，
众所周知 人类在目标姿态变化和目标遮挡情况
1
引言
，
、
．
下 能够毫不费力地跟踪 识别目标 人类的这一能力得
目标跟踪可定义为目标在场景中运动时对目标轨
． ，
益于其功能强大的记忆系统 当人类感知事物时 存储
迹的估计［1］ 在过去的几十年 研究人员在目标跟踪方
．
，
．
在记忆中的与其相关的一些信息能够被提取出来 作
，
面做了很多努力并提出了很多有效的目标跟踪方法
，
为人脑中信息存储的一种器官 记忆机制已在神经科
，
、
，
．
如 均值漂移 粒子滤波 等等 尽管研究人员在建立鲁
、
、
、
学 生物心理学 认知科学 认知信息学等领域得到广泛
棒跟踪框架方面做了很多努力［2，3］ 目标姿态突变和遮
研究［4，5］ 近年来 基于记忆的认知建模方法已应用到
，
．
，
［6］
［4］
．
挡问题仍然是视觉跟踪领域具有挑战性的课题
，
很多领域 如机器 学 习
、
、
问题求解
对话系统建
: 2016-03-31;
: 2016-09-21;
:
收稿日期
修回日期
责任编辑 梅志强
:
( No． 61271407，No． 61402535，No． 61671480) ;
( No． ZR2013FQ015)
基金项目 国家自然科学基金项目
山东省自然科学基金项目
2066
2017
电
子
学
报
年
［8，9］
［10］
［11］
、
模［7］ 虚拟现实
人工生命
机器人
人机接
、
、
、
， ．
置固定的输入窗口 用来接收新的信息粒 当圆记忆空
口［12］ 交通流量预测 等 在作者前期研究工作中 将
［13］
、
．
，
，
间旋转时 只有一部分已存在的信息粒显示在输入窗
，
．
， ，STLC-
人脑三阶段记忆模型用于混合高斯背景建模 较好地
口中 当新的信息粒输入时 如果输入窗口未满
解决了背景突变等问题［14］ 并建立了一种基于记忆的
，
MM
;
设法将新的信息粒放于输入窗口中的空置空间 若
，
，
视觉信息处理的逻辑模型 用于模拟人脑三阶段记忆
输入窗口已满 新的信息粒与输入窗口中已有的信息
模型信息存储和提取过程［15］ 该模型中 定义了三个记
．
，
，
．
粒进行比较 将其与最相似的信息粒融合 当信息粒放
， :
、
忆空间 即 瞬时记忆空间 短时记忆空间和长时记忆空
，
;
置于输入窗口中 称该信息粒被记住
( 4)
，
、
．
间 分别用于存储当前 暂时以及永久信息 所提出的基
:
输出窗口 每一个记忆空间都有一个物理位置
于记忆的视觉信息处理模型能够记住或遗忘曾经的场
．
，
固定的输出窗口 当新的信息粒输入时 每一个圆记忆
，
．
景 能够快速适应场景变化 本文工作是在前期工作基
，
“
”．
空间都自动产生一个输出 称之为 被提取的信息粒
［13］
，
础上并借鉴文献 的旋转框架 实现一种模拟人脑
被提取信息粒是根据新的信息粒与输出窗口中的每一
．
信息存储和提取的记忆计算模型
．
个信息粒相比较从中选择最相似的信息粒而产生的
，STLC-MM
这就意味着当新的信息粒输入时
中的每一
2
三层旋转圆记忆模型
，
个圆记忆空间产生自己的输出 最后三个输出进行比
［13］
［16］
的人脑三
根据文献 的旋转框架以及文献
，
较 选择与新输入的信息粒最相似的作为
STLC-MM
的
，
1
．
阶段记忆模型 三层旋转圆记忆模型如图 所示 其中
，
．
最终输出
USTMS，STMS，LTMS
名为
的瞬时记忆 短时记忆以及长时记忆 每一个圆记忆空
的三个圆分别用来模拟人类
:
，
值得一提的是 三层圆记忆空间容量不同 旋转速
、
，
． ，
度不同 根据人脑三阶段记忆理论 瞬时记忆是创建记
2
间的结构如图 所示
．
忆的第一步且输入刺激在瞬时记忆中只保存很短的时
［17］
，
;
因
间 而存储在长时记忆的信息可以保存较长时间
， STLC-MM USTMS
的容量最小且旋转速
，
中 指定
此 在
， LTMS
，
．
度最快 而
，STLC-MM
的容量最大 而旋转速度最慢 除此之
， :
还尽力模仿记忆的如下特性 如
外
( 1)
，
当认知新的事物时 存储在记忆空间中的相关
;
信息能被提取和处理
( 2) )
，
记忆是具有联想性的 是事件或场景触发的
;
( 3)
( 4)
;
信息的提取与搜索信息的时间和努力有关
长时不用或不被提取的信息将从记忆中遗忘
．
3
基于三层旋转圆记忆模型的目标模板更新
建模
基于上述三层旋转圆记忆模型的模板更新模型如
3
，
，
所示 其中 标注为 的三个记
USTMS，STMS，LTMS
图
、
忆空间分别用来模拟人类的瞬时记忆 短时记忆以及
;
长时记忆 每一个记忆空间都用一个可旋转的圆来表
，
2
，
示 每一个旋转圆的结构如图 所示 其中圆记忆空间
:
圆记忆空间的属性描述如下
( 1)
，
上的实心圆表示存储的信息粒 即目标模板
． STLC-MM
:
信息存储 每一个圆记忆空间用来对可记忆的
，
的输入是当前帧的估计模板 而输出是更新后用于下
． USTMS，STMS， LTMS
定义
．
信息进行存储和处理 圆记忆空间上的实心圆表示存
( Information Granule，IG) ，
一帧估计的目标模板
以及
，
储的信息 称之为信息粒
代
:
如下
STLC-MM
、 ．
处理 存储和提取的基本元素 信息粒
表能被
1
USTMS( Ultra-Short Time Memory Space，
瞬
定义
，
、
可表示任何形式的数据 例如一个数字 一个向量甚至
) : K
p
，
时记忆空间
拟人脑瞬时记忆阶段 设
个当前帧的估计模板 集合 用来模
u
;
一幅图像
( 2)
．
T ［t］
表示瞬时记忆空间的第
u
:
旋转 每一个圆记忆空间都可以异步顺时针或
t
，
个模板 则有
，
;
逆时针旋转 而且旋转速度是可调的
( 3)
USTMS = { T ［t］，t = 1，2，…，K }
( 1)
STMS( Short Time Memory Space，
短时记忆
u
u
:
输入窗口 每一个圆记忆空间都有一个物理位
2
定义
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