追狗,从入门到精通

作者: 望墨溢

来源: 科学大院

发布日期: 2020-04-27 10:29:36

本文通过《追狗,从入门到精通》的故事,详细介绍了目标跟踪算法的基本原理和进阶应用,包括尾追法、Kalman滤波器、数据关联和交互多模型等,展示了目标跟踪技术在不同领域的应用和前沿研究。

你是否好奇过,人类的机器(飞船、导弹、鱼雷)是怎么“看”到目标的?是像吃鸡中那样用“眼睛”瞄目标么?最初的机器是这样看世界的,可从阿波罗飞船开始,借助一些新奇的“眼睛”,人类开始看到了一个又一个不一样的世界。机器的眼睛,就是目标跟踪算法。

算法是怎么回事?为了关爱没学过算法的朋友,我们将用故事《追狗,从入门到精通》来说明。追狗入门篇:“瞄”哪打哪——尾追法。

如果你要提着菜刀去收拾一条刚拆完家的二哈,你会采取什么方法追上它呢?大概会是这样的策略:(1) 你用眼睛看它在什么位置,你就朝向它跑;(2) 如果它也在动,你每隔一段时间,根据它最新的位置,调整自己的方向;(3) 如果它跑步是有规律的,例如匀速直线地朝狗窝跑,你还可以直接到它的必经之路去堵它;(4) 如果你俩一直在靠近,当某项数值(追狗这件事是看距离)低于预先设定好的指标,直接扑过去或者扔菜刀。

你用来追杀凶狗的算法,曾经被人类用在了最初的导弹、鱼雷上,这就是目标跟踪中最简单的“尾追法”。

追狗提高篇:已知狗的路线——Kalman滤波器。随着技术的进步,对目标跟踪精度的要求越来越高,尤其是在航空航天领域,例如在太空执行任务,几厘米的差距就可能会造成严重的后果。这里有个问题,看到了就是看到了,怎么还有精度这一说法?

实际上,任何量测都有误差,且误差还是随机数,我们只可能知道误差的概率分布,却不知道误差具体的值。例如,你突然想起平日里买狗粮,包装袋上写着“10kg±500g”,就是在讲:一袋狗粮重10kg,但由于各种因素,实际可能刚够,也可能少了若干g,也可能多若干g,但多与少都不会大于500g。同时,目标运动也是有噪声的,通常把这个误差叫过程噪声。

若已知狗的潜逃路线以及过程噪声和量测噪声的概率分布,那么就可以改进追狗的算法。

追狗进阶篇:出现好多狗——数据关联。道高一尺,狗高一丈,二哈邪魅一笑,叫来了自己的兄弟姐妹用来迷惑我们,该怎么办?这里就要涉及到数据关联。可以这样做,由于你知道“凶手”是做匀速直线运动,可以预测它下一时刻的位置,那么可以认为:距离这个预测的位置越近,凶手的可能性越大;反之越小。最简单的方法就是“找最近”,即将最近的量测作为正确量测。但不太可靠,因为这种数据关联算法把其余嫌疑狗直接排除。

追狗精通篇:如果狗子太狡猾——交互多模型。经典的Kalman滤波器认为,目标的运动模型已知,然而实际中这一假设难以保障,尤其是狗子经常改变运动模型时。若已知二哈在有限个运动模型中运动,不难想象,量测与正确模型下的预测间距最短,因此可以用这一距离来量化各模型正确的概率,再用模型概率对各模型下的Kalman滤波估计进行加权。

“追狗”这门学科的前沿。以数据关联为核心的经典跟踪算法,也有其局限性,包括计算量随量测和目标数呈现指数型增长,需要已知目标的个数等。目标跟踪的研究历史久远,但又在不断地涌现新的方法。例如用机器学习、稀疏表示等。然而上述跟踪算法都是“自下而上”被设计出的,即符合人类的直观逻辑。目前人类最为前沿的跟踪理论,是基于随机有限集的各种滤波器。

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