面向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)研究

面向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)研究面向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)研究

摘要：隨著移動(dòng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用與智能手機(jī)硬件水平的不斷提升，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，物體檢測(cè)與跟蹤是其中非常重要的技術(shù)之一，它可以通過(guò)組合計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和追蹤。本文將就面向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)的研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)以及存在的問(wèn)題進(jìn)行探討和總結(jié)，并提出了一些改進(jìn)認(rèn)知與切實(shí)可行的解決方法和優(yōu)化方案，以期為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用中的穩(wěn)步發(fā)展提供有益的指導(dǎo)參考。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；物體檢測(cè)；跟蹤；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；圖像處理

一、引言

隨著智能移動(dòng)設(shè)備的普及以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)（computervision）、深度學(xué)習(xí)（DeepLearning）、人工智能（）等技術(shù)的飛速發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AugmentedReality）已經(jīng)成為移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將實(shí)時(shí)拍攝到的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中真實(shí)的數(shù)字信息與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行融合，讓虛擬信息展現(xiàn)在用戶(hù)的視野之中，從而更加直觀、生動(dòng)的表現(xiàn)和展示數(shù)字信息。物體檢測(cè)與跟蹤作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)必須的支撐技術(shù)之一，是其實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是在處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，對(duì)場(chǎng)景中的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)找尋、識(shí)別和跟蹤。本文將介紹目前國(guó)內(nèi)外物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)研究現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)面向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)分別進(jìn)行細(xì)致的分析，同時(shí)提出相應(yīng)的解決方法和優(yōu)化方案。

二、物體檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)的流程介紹

物體檢測(cè)指的是從圖像或視頻中自動(dòng)檢測(cè)物體出現(xiàn)的位置、大小、類(lèi)別以及數(shù)量等信息。目前，物體檢測(cè)方法的分類(lèi)可以基于不同的標(biāo)準(zhǔn)，例如使用檢測(cè)器的類(lèi)型、是否使用特征、選擇不同的目標(biāo)等等。不同的方法可以基于各種算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其本質(zhì)上都是將物體檢測(cè)看作一種圖像分類(lèi)任務(wù)，包括基于深度學(xué)習(xí)的物體檢測(cè)算法、傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和結(jié)合人工智能技術(shù)的物體檢測(cè)算法等，只不過(guò)具體的實(shí)現(xiàn)方式不同。物體檢測(cè)的基本流程包括圖像預(yù)處理、特征提取、物體分類(lèi)和位置定位等基本步驟，下面通過(guò)介紹最常用的基于深度學(xué)習(xí)的物體檢測(cè)算法RCNN對(duì)物體檢測(cè)實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.圖像預(yù)處理

先把原始圖像輸入RCNN模型中，初步處理為固定大小的圖像。RCNN支持任意大小和縱橫比的輸入圖片，因此需要根據(jù)輸入圖片的大小和縱橫比來(lái)裁剪固定大小的同一組圖片。

2.特征提取

特征提取是指從圖片中提取出具有代表性的特征點(diǎn)，旨在將信息量盡量壓縮，同時(shí)保留重要的特征點(diǎn)。RCNN使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ConvolutionalNeuralNetwork）來(lái)提取對(duì)應(yīng)于每個(gè)物體的高級(jí)特征，不同層次的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以提取來(lái)自圖像較低層的基本特征，比如邊緣和紋理等，也可以提取來(lái)自圖像中層的一些具體特征，如顏色、形狀等，更深層次的特征表示已經(jīng)是象征性的，不同類(lèi)別的物體可以根據(jù)特有的特征來(lái)進(jìn)行區(qū)分，這些特征級(jí)別的編輯方式和選項(xiàng)根據(jù)算法和數(shù)據(jù)集的不同而有所差別。

3.物體分類(lèi)

在特征提取后，采用支持向量機(jī)（SupportVectorMachine）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的分類(lèi)。物體分類(lèi)問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是將圖像映射到其最可能的類(lèi)別。如果特征點(diǎn)代表的內(nèi)容被分類(lèi)作為物體的特征之一，那么它們對(duì)于類(lèi)別分類(lèi)就是很重要的參考指標(biāo)。

4.位置定位

位置定位是指確定物體在圖像中的位置和大小，RCNN引入BoundingBox回歸（BoundingBoxRegression）的方式，來(lái)較準(zhǔn)確地框住物體的位置和大小。具體方式是，在物體的中心區(qū)域附近找到最佳的BoundingBox，然后通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)逐漸逼近真實(shí)位置，從而能夠更加準(zhǔn)確地描述物體的位置和大小。

三、物體跟蹤算法和實(shí)現(xiàn)方式的簡(jiǎn)介

物體跟蹤指的是在視頻中實(shí)時(shí)追蹤物體的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)處理視頻圖像的技術(shù)不同，物體跟蹤算法可以進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)跟蹤信息的來(lái)源，可以將物體跟蹤分為基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的跟蹤和混合跟蹤；根據(jù)采取的技術(shù)手段，可以將物體跟蹤分為主動(dòng)跟蹤和被動(dòng)跟蹤等?，F(xiàn)在，許多物體跟蹤算法中，以卡爾曼濾波（KalmanFiltering）和粒子群算法（ParticleSwarmOptimization）為主要算法來(lái)進(jìn)行物體位置的預(yù)測(cè)和修正，較為經(jīng)典的物體跟蹤算法主要有以下幾種。

1.MeanSHIFT算法

MeanSHIFT算法是一個(gè)非參數(shù)的圖像分割和物體跟蹤算法，其本質(zhì)為基于最大后驗(yàn)概率估計(jì)(MaximumaPosteriori,MAP)方式來(lái)選擇行進(jìn)方向，即：選擇將輸入圖像的灰度直方圖向更高峰值的方向移動(dòng)。該算法據(jù)此會(huì)選擇位置搜索控制器的方向，常常通過(guò)一個(gè)稱(chēng)作密度平滑核的算法，對(duì)圖像處理過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

2.CamShift算法

CamShift算法是一種基于MeanShift算法的改進(jìn)算法，它可根據(jù)輸入的控制窗口來(lái)進(jìn)行自定義以及智能搜索。CamShift算法不僅讓使用者對(duì)物體進(jìn)行更加精細(xì)的跟蹤，還會(huì)根據(jù)搜索到的目標(biāo)位置，對(duì)控制窗口范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整。

3.Boosting算法

Boosting算法是一種機(jī)器學(xué)習(xí)的全局算法，它和其他算法的區(qū)別在于它可以通過(guò)一系列基本分類(lèi)器的組合運(yùn)行來(lái)逐漸逼近真實(shí)物體的位置和軌跡。這種算法極為先進(jìn)。隨著其算法精度的不斷提高，基于Boosting算法的物體跟蹤技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

四、基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點(diǎn)分析

近年來(lái)，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)也取得了顯著的進(jìn)展。當(dāng)前，物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景包括虛擬試穿、AR導(dǎo)航和商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)等領(lǐng)域。但是，針對(duì)硬件設(shè)備、用戶(hù)體驗(yàn)體驗(yàn)、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、算法的魯棒性等方面還存在很多挑戰(zhàn)，下一節(jié)致力于這些挑戰(zhàn)的研究。

1.優(yōu)點(diǎn)分析

（1）精度高，能夠在快速動(dòng)作的情況下精確地檢測(cè)和跟蹤物體；

（2）實(shí)時(shí)性好，檢測(cè)和跟蹤可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，反應(yīng)速度快；

（3）適應(yīng)性強(qiáng)，不受光線、背景、噪聲等干擾；

（4）交互性好，能夠與物體進(jìn)行交互，提高用戶(hù)體驗(yàn)。

2.缺點(diǎn)分析

（1）處理大量數(shù)據(jù)的能力有限，對(duì)于視頻流的處理和處理實(shí)時(shí)性方面還需要改進(jìn)；

（2）對(duì)待衣服等服裝類(lèi)的物體識(shí)別不夠準(zhǔn)確；

（3）對(duì)于部分光線較弱或視角不佳的情況，還需要提升算法的魯棒性；

（4）軟硬件自適應(yīng)性不足，需要結(jié)合硬件優(yōu)化和算法優(yōu)化。

五、改進(jìn)方案與優(yōu)化

（1）硬件方面優(yōu)化：增強(qiáng)移動(dòng)設(shè)備的性能，增加攝像頭、芯片處理速度等硬件能力；

（2）算法方面優(yōu)化：使用新型的物體檢測(cè)算法，如YOLOv4，TPN、BASNet等，增強(qiáng)物體檢測(cè)的魯棒性；

（3）數(shù)據(jù)方面優(yōu)化：增加數(shù)據(jù)采集標(biāo)簽質(zhì)量，豐富樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)化樣本分布，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；

（4）深度學(xué)習(xí)方面優(yōu)化：結(jié)合深度遷移學(xué)習(xí)技術(shù)和聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)等，加強(qiáng)物體檢測(cè)和跟蹤的精度和實(shí)時(shí)性；

（5）用戶(hù)體驗(yàn)優(yōu)化：設(shè)計(jì)更加友好的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用界面及精細(xì)化的用戶(hù)體驗(yàn)。

六、結(jié)論

本文主要介紹面向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了其在應(yīng)用中存在的問(wèn)題并提出了一些優(yōu)化方案。對(duì)于高精度、實(shí)時(shí)性要求較高的物體識(shí)別與跟蹤任務(wù)而言，面向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是目前比較有效的解決方案之一。雖然該技術(shù)存在著一些缺點(diǎn)，但是通過(guò)硬件優(yōu)化、算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)優(yōu)化、深度學(xué)習(xí)和用戶(hù)體驗(yàn)優(yōu)化等多方面的努力，可以有效地提高該技術(shù)的應(yīng)用性能和用戶(hù)體驗(yàn)，滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的需求。

總體來(lái)看，面向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的物體檢測(cè)與跟蹤技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展前景廣闊，有望在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如游戲、醫(yī)療、教育、軍事等領(lǐng)域另外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也有許多的應(yīng)用場(chǎng)景。比如在游戲中，用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將玩家的真實(shí)環(huán)境與虛擬世界進(jìn)行融合，讓玩家獲得更加真實(shí)的游戲體驗(yàn)；在醫(yī)療領(lǐng)域，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)患者進(jìn)行更加全面和準(zhǔn)確的診斷，為醫(yī)生和病人提供更好的醫(yī)療服務(wù)；在教育領(lǐng)域中，可以用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生提供更加生動(dòng)、形象的教學(xué)體驗(yàn)，從而提高學(xué)習(xí)效果；在軍事領(lǐng)域中，借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬地圖的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高作戰(zhàn)效果。

然而，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)依然存在一些問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求較高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求也比較嚴(yán)格。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還存在著諸如重量、成本、用戶(hù)體驗(yàn)等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，需要在硬件和軟件方面持續(xù)創(chuàng)新和優(yōu)化。比如可以采用低功耗的微處理器和專(zhuān)門(mén)的加速器，在硬件方面優(yōu)化增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的能效；同時(shí)針對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)算法的瓶頸，可以開(kāi)發(fā)更加高效的算法，提升計(jì)算性能。

此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也需要解決標(biāo)定、姿態(tài)檢測(cè)、跟蹤等多個(gè)問(wèn)題。對(duì)于這些問(wèn)題，可以采用深度學(xué)習(xí)等技術(shù)來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)，還需要針對(duì)不同領(lǐng)域的需求，開(kāi)發(fā)更加細(xì)致、更加人性化的用戶(hù)界面，提升用戶(hù)體驗(yàn)。

綜上所述，盡管增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，但其發(fā)展前景廣闊，可能應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化。如果能夠持續(xù)地解決增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的硬件和軟件問(wèn)題，該技術(shù)的應(yīng)用前景將會(huì)變得更加廣泛另外一個(gè)問(wèn)題是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的安全性和隱私問(wèn)題。由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要通過(guò)攝像頭或傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，因此可能涉及到用戶(hù)的隱私泄露問(wèn)題。此外，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于安全領(lǐng)域時(shí)，也需要考慮數(shù)據(jù)安全性、信息安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等問(wèn)題。因此，需要在技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中考慮到數(shù)據(jù)保護(hù)、身份驗(yàn)證、信息加密等方面。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的公司投資于這一領(lǐng)域，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。在這種情況下，必須開(kāi)發(fā)具有獨(dú)特特點(diǎn)和用戶(hù)體驗(yàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，以吸引消費(fèi)者和市場(chǎng)份額。

最后，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的社會(huì)影響也需要被關(guān)注。“數(shù)字享樂(lè)”等問(wèn)題，即用戶(hù)是否過(guò)分依賴(lài)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是否影響到社交行為、心理健康、生活質(zhì)量等等，這些問(wèn)題需要被認(rèn)真探討和解決。同時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引發(fā)的文化沖突、人機(jī)交互等問(wèn)題也需要被重視。

因此，我們需要從多個(gè)角度來(lái)考慮增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，不斷地解決技術(shù)、安全、競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題，切實(shí)提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生產(chǎn)、教育、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，我們還需要重視社會(huì)