基于非參數(shù)密度估計(jì)點(diǎn)樣本分析建模的應(yīng)用研究.pdf

1、近年來，受概率論與統(tǒng)計(jì)學(xué)競(jìng)相發(fā)展以及交疊應(yīng)用的趨勢(shì)促進(jìn)，基于非參數(shù)密度估計(jì)點(diǎn)樣本分析建模的應(yīng)用研究受到越來越多研究者的關(guān)注。非參數(shù)密度估計(jì)方法不需要對(duì)點(diǎn)樣本分布的參數(shù)形式做事先假設(shè)，僅從采樣數(shù)據(jù)本身就可對(duì)概率密度函數(shù)做出較為精確魯棒的估計(jì)，為未知分布點(diǎn)樣本的分析和建模提供了一條新的解決思路。通過非參數(shù)密度估計(jì)技術(shù)對(duì)傳感器獲得的采樣點(diǎn)樣本進(jìn)行分析或者建模，能夠?yàn)樘囟ǖ难芯咳蝿?wù)提供關(guān)于采樣數(shù)據(jù)的可靠信息，從而為具體問題的解決奠定基礎(chǔ)。非參數(shù)

2、密度估計(jì)點(diǎn)樣本分析建模雖然已經(jīng)在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但在與其他算法進(jìn)行結(jié)合以解決問題的過程中尚存在一定不完善的地方，其應(yīng)用領(lǐng)域也相對(duì)比較局限，有必要做進(jìn)一步的深入研究和開拓。 為進(jìn)一步深入對(duì)非參數(shù)密度估計(jì)點(diǎn)樣本分析建模的應(yīng)用并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，本文以像素點(diǎn)樣本和距離點(diǎn)樣本為主要分析和建模對(duì)象，在結(jié)合其他相關(guān)算法的同時(shí)分別對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤、立體圖像匹配以及基于激光掃描距離點(diǎn)樣本配準(zhǔn)的移動(dòng)機(jī)器人自定位問題進(jìn)行了研究。主要研究工

3、作包括： (1)在深入研究直方圖、核密度估計(jì)等非參數(shù)密度估計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析和討論了影響密度估計(jì)結(jié)果的因素并給出了分析結(jié)果。 給出了密度估計(jì)量的基本性質(zhì)以及密度估計(jì)通用表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上對(duì)常用的非參數(shù)直方圖密度估計(jì)方法以及核密度估計(jì)方法進(jìn)行研究，分析了影響估計(jì)結(jié)果的因素并給出了不同情況下的密度估計(jì)結(jié)果，最后對(duì)參數(shù)密度估計(jì)和非參數(shù)密度估計(jì)方法進(jìn)行分析對(duì)比。 (2)在已有的基于直方圖密度估計(jì)像素點(diǎn)樣本建模的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)

4、跟蹤方法基礎(chǔ)上，提出一種基于“卡爾曼濾波目標(biāo)位置預(yù)測(cè)一核直方圖建模二次定位一局部直方圖匹配、全局融合校正”策略的精確跟蹤實(shí)現(xiàn)機(jī)制。 分析了經(jīng)典的基于核直方圖建模、均值位移定位跟蹤方法存在的問題，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的先預(yù)測(cè)再定位后校正的三步精確跟蹤策略。首先利用卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，進(jìn)而有效避免目標(biāo)丟失，保證二次定位過程的有效性。為實(shí)現(xiàn)在預(yù)測(cè)位置基礎(chǔ)上進(jìn)行二次定位的目的，采用像素點(diǎn)樣本顏色特征核直方圖建模、

5、Bhattacharyya距離相似性度量的經(jīng)典方法構(gòu)建二次定位目標(biāo)函數(shù)，將二次定位問題轉(zhuǎn)化為目標(biāo)函數(shù)最小化問題。與經(jīng)典方法思路不同，采用具有全局收斂特性和超線性收斂速率等優(yōu)點(diǎn)的BFGS擬牛頓最優(yōu)化方法進(jìn)行定位目標(biāo)函數(shù)的最小化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤目標(biāo)的二次定位。進(jìn)一步針對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在受到部分遮擋等情況下跟蹤精度不高的問題，提出采用局部直方圖匹配、全局融合的方法進(jìn)行位置校正。在篩選候選匹配點(diǎn)以及區(qū)域劃分基礎(chǔ)上，將參考區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域中直方圖模型相互

6、匹配的有效子塊間的位置差值進(jìn)行融合并計(jì)算校正位移，以使校正后的目標(biāo)區(qū)域與參考區(qū)域在空間上更加匹配。最后通過跟蹤實(shí)驗(yàn)對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證，并與基于核直方圖建模、均值定位的方法進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的方法在魯棒性上有所增強(qiáng)，跟蹤精度得到了提高。 (3)進(jìn)一步發(fā)展了非參數(shù)密度估計(jì)理論在立體匹配中的應(yīng)用。定義了一種基于差值匹配點(diǎn)樣本核密度估計(jì)的匹配基元相似性測(cè)度，在立體匹配應(yīng)用中結(jié)合改進(jìn)的置信度傳播算法得到了理想的匹配結(jié)果。

7、首先以對(duì)應(yīng)窗口匹配基元所產(chǎn)生的差值匹配點(diǎn)樣本作為分析研究對(duì)象，根據(jù)立體匹配的相容性約束條件，定義了一種基于差值匹配點(diǎn)樣本核密度估計(jì)的匹配基元相似性測(cè)度函數(shù)。核密度估計(jì)的應(yīng)用保證了匹配基元之間相似性度量的有效性，有利于最佳匹配點(diǎn)的尋找；同時(shí)還便于實(shí)現(xiàn)匹配基元在高維空間中的相似性度量，進(jìn)一步提高相似性度量的精度。 為利用核密度相似性測(cè)度進(jìn)行視差求解，建立立體匹配的馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型。在此基礎(chǔ)上將立體匹配問題轉(zhuǎn)化為基于核密度相似性測(cè)度

8、先驗(yàn)項(xiàng)的全局能量函數(shù)最小化問題，并最終采用改進(jìn)的置信度傳播算法對(duì)全局能量函數(shù)進(jìn)行最小化，實(shí)現(xiàn)了視差的有效計(jì)算。最后對(duì)兩組立體圖像對(duì)進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)，將本文提出的基于核密度相似性測(cè)度的立體匹配方法與基于經(jīng)典SAD、SSD相似性測(cè)度的方法進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提相似性測(cè)度在立體匹配應(yīng)用中能夠達(dá)到比SAD以及SSD更高的匹配精度，同時(shí)改進(jìn)置信度傳播算法的應(yīng)用保證了整個(gè)匹配算法的計(jì)算效率。 (4)拓展了非參數(shù)核密度估計(jì)點(diǎn)樣本建模的應(yīng)用領(lǐng)

9、域，將其應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人自定位問題的解決中，提出了一種精度較高的基于激光掃描距離點(diǎn)樣本核密度估計(jì)建模的移動(dòng)機(jī)器人自定位方法。 首先以180度激光掃描儀采集的距離點(diǎn)樣本為研究對(duì)象，以核密度估計(jì)為建模手段進(jìn)行激光數(shù)據(jù)對(duì)的配準(zhǔn)。采用核密度估計(jì)技術(shù)在二維位置特征空間對(duì)激光掃描距離點(diǎn)樣本集合進(jìn)行建模，得到二維核密度模型。非參數(shù)核密度估計(jì)的應(yīng)用使得點(diǎn)樣本模型的建立具有不依賴于特征提取、不易受噪聲干擾以及適于對(duì)任意環(huán)境中采集的距離點(diǎn)樣本進(jìn)行建

10、模等優(yōu)點(diǎn)。在核密度相關(guān)的前提下對(duì)相鄰的點(diǎn)樣本核密度模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立不依賴于點(diǎn)與點(diǎn)精確對(duì)應(yīng)、完全連接網(wǎng)絡(luò)意義下的配準(zhǔn)代價(jià)函數(shù)，將配準(zhǔn)問題轉(zhuǎn)化為以旋轉(zhuǎn)平移量為參數(shù)的代價(jià)函數(shù)最小化問題。針對(duì)建立的代價(jià)函數(shù)，采用BFGS擬牛頓最優(yōu)化方法進(jìn)行求解進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)。最后通過空間變換實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在全局坐標(biāo)系中位姿的確定。另外，為使基于核密度估計(jì)建模的移動(dòng)機(jī)器人自定位方法適于實(shí)時(shí)應(yīng)用，在配準(zhǔn)代價(jià)函數(shù)最小化的過程中還結(jié)合了快速高斯變換理論。快速高斯變換的采用

11、能夠在一定程度上解決由于激光掃描距離點(diǎn)樣本數(shù)量較多，造成直接計(jì)算代價(jià)較大的問題，加快配準(zhǔn)代價(jià)函數(shù)最小化過程。 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述方法在實(shí)現(xiàn)180度以及不具備結(jié)構(gòu)特征的激光掃描距離點(diǎn)樣本配準(zhǔn)方面是非常有效的，配準(zhǔn)精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典的依賴點(diǎn)與點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ICP方法。同時(shí)還搭建了自定位仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)真實(shí)環(huán)境中采集的激光掃描點(diǎn)樣本進(jìn)行配準(zhǔn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法在解決移動(dòng)機(jī)器人自定位問題方面的可行性。 最后總結(jié)全文，并對(duì)下一步的研