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CamShift算法研究（基于opencv）
2008-06-27 12:31CamShift算法：
CamShift算法，即"Continuously Apative Mean-Shift"算法，是一种运动跟踪算法。它主要通过视频图像中运动物体的颜色信息来达到跟踪的目的。
我把这个算法分解成三个部分，便于理解：
1) Back Projection（背景放映）计算
2) Mean Shift（平均转换）算法
3) CamShift算法
（注意：上面的翻译纯属个人理解！）
1）Back Projection:
计算Back Projection的步骤是这样的：
1. 计算被跟踪目标的色彩直方图。在各种色彩空间中，只有HSI空间(或与HSI类似的色彩空间)中的H分量可以表示颜色信息。所以在具体的计算过程中，首先将其他的色彩空间的值转化到HSI空间，然后会其中的H分量做1D直方图计算。
2. 根据获得的色彩直方图将原始图像转化成色彩概率分布图像，这个过程就被称作"Back Projection"。
在OpenCV中的直方图函数中，包含Back Projection的函数，函数原型是：
void cvCalcBackProject(IplImage** img, CvArr** backproject, const CvHistogram* hist);
传递给这个函数的参数有三个：
1. IplImage** img:存放原始图像，输入。
2. CvArr** backproject:存放Back Projection结果，输出。
3. CvHistogram* hist:存放直方图，输入
下面就给出计算Back Projection的OpenCV代码。
1.准备一张只包含被跟踪目标的图片，将色彩空间转化到HSI空间，获得其中的H分量：
IplImage* target=cvLoadImage("target.bmp",-1); //装载图片
IplImage* target_hsv=cvCreateImage( cvGetSize(target), IPL_DEPTH_8U, 3 );
IplImage* target_hue=cvCreateImage( cvGetSize(target), IPL_DEPTH_8U, 3 );
cvCvtColor(target,target_hsv,CV_BGR2HSV); //转化到HSV空间
cvSplit( target_hsv, target_hue, NULL, NULL, NULL ); //获得H分量
2.计算H分量的直方图，即1D直方图：
IplImage* h_plane=cvCreateImage( cvGetSize(target_hsv),IPL_DEPTH_8U,1 );
int hist_size[]={255}; //将H分量的值量化到[0,255]
float* ranges[]={ {0,360} }; //H分量的取值范围是[0,360)
CvHistogram* hist=cvCreateHist(1, hist_size, ranges, 1);
cvCalcHist(&target_hue, hist, 0, NULL);
在这里需要考虑H分量的取值范围的问题，H分量的取值范围是[0,360),这个取值范围的值不能用一个byte来表示，为了能用一个byte表示，需要将H值做适当的量化处理,在这里我们将H分量的范围量化到[0,255].
4.计算Back Projection：
IplImage* rawImage;
//----------------------------------------------
//get from video frame,unsigned byte,one channel
//----------------------------------------------
IplImage* result=cvCreateImage(cvGetSize(rawImage),IPL_DEPTH_8U,1);
cvCalcBackProject(&rawImage,result,hist);
5.结果：result即为我们需要的.
2.Mean Shift:
CamShift算法，OpenCV实现2－Mean Shift算法
这里来到了CamShift算法，OpenCV实现的第二部分，这一次重点讨论Mean Shift算法。
在讨论Mean Shift算法之前，首先讨论在2D概率分布图像中，如何计算某个区域的重心(Mass Center)的问题，重心可以通过以下公式来计算：
1.计算区域内0阶矩
for(int i=0;i<height;i++)
for(int j=0;j<width;j++)
M00+=I(i,j)
2.区域内1阶矩：
for(int i=0;i<height;i++)
for(int j=0;j<width;j++)
{
M10+=i*I(i,j);
M01+=j*I(i,j);
}
3.则Mass Center为：
Xc=M10/M00; Yc=M01/M00
接下来，讨论Mean Shift算法的具体步骤，Mean Shift算法可以分为以下4步：
1.选择窗的大小和初始位置.
2.计算此时窗口内的Mass Center.
3.调整窗口的中心到Mass Center.
4.重复2和3，直到窗口中心"会聚"，即每次窗口移动的距离小于一定的阈值。
在OpenCV中，提供Mean Shift算法的函数，函数的原型是：
int cvMeanShift(IplImage* imgprob,CvRect windowIn,
CvTermCriteria criteria,CvConnectedComp* out);
需要的参数为：
1.IplImage* imgprob：2D概率分布图像，传入；
2.CvRect windowIn：初始的窗口，传入；
3.CvTermCriteria criteria：停止迭代的标准，传入；
4.CvConnectedComp* out:查询结果，传出。
(注：构造CvTermCriteria变量需要三个参数，一个是类型，另一个是迭代的最大次数，最后一个表示特定的阈值。例如可以这样构造
criteria：criteria=cvTermCriteria(CV_TERMCRIT_ITER|CV_TERMCRIT_EPS,10,0.1)。)
返回的参数：
1.int：迭代的次数。
实现代码：暂时缺
3.CamShift:
CamShift算法,OpenCV实现(3):CamShift算法
1.原理
在了解了MeanShift算法以后，我们将MeanShift算法扩展到连续图像序列（一般都是指视频图像序列），这样就形成了CamShift算法。
CamShift算法的全称是"Continuously Apaptive
Mean-SHIFT"，它的基本思想是视频图像的所有帧作MeanShift运算，并将上一帧的结果（即Search
Window的中心和大小）作为下一帧MeanShift算法的Search
Window的初始值，如此迭代下去，就可以实现对目标的跟踪。整个算法的具体步骤分5步：
Step 1：将整个图像设为搜寻区域。
Step 2：初始话Search Window的大小和位置。
Step 3：计算Search Window内的彩色概率分布，此区域的大小比Search Window要稍微大一点。
Step 4：运行MeanShift。获得Search Window新的位置和大小。
Step 5：在下一帧视频图像中，用Step 3获得的值初始化Search Window的位置和大小。跳转到Step 3继续运行。
2.实现
在OpenCV中，有实现CamShift算法的函数，此函数的原型是：
cvCamShift(IplImage* imgprob, CvRect windowIn,
CvTermCriteria criteria,
CvConnectedComp* out, CvBox2D* box=0);
其中：
imgprob：色彩概率分布图像。
windowIn：Search Window的初始值。
Criteria：用来判断搜寻是否停止的一个标准。
out：保存运算结果,包括新的Search Window的位置和面积。
box：包含被跟踪物体的最小矩形。
说明：
1.在OpenCV 3.1 beta的目录中，有CamShift的例子。遗憾的是这个例子目标的跟踪是半自动的，即需要人手工选定一个目标。我正在努力尝试全自动的目标跟踪，希望可以和大家能在这方面与大家交流。（已经实现自动的东西）