基于MeanShift的Camshift算法原理详解(整理)
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。
camshift利用目标的颜色直方图模型将图像转换为颜色概率分布图，初始化一个搜索窗的大小和位置，并根据上一帧得到的结果自适应调整搜索窗口的位置和大小，从而定位出当前图像中目标的中心位置。该算法分为三个部分：
1) Back Projection计算
2) Mean Shift算法
3) CamShift算法
具体实现是：
1--色彩投影图（反向投影）
(1)RGB颜色空间对光照亮度变化较为敏感，为了减少此变化对跟踪效果的影响，首先将图像从RGB空间转换到HSV空间。
(2)然后对其中的H分量作直方图，在直方图中代表了不同H分量值出现的概率或者像素个数，就是说可以查找出H分量大小为h的概率或者像素个数，即得到了颜色概率查找表。
(3)将图像中每个像素的值用其颜色出现的概率对替换，就得到了颜色概率分布图。这个过程就叫反向投影，颜色概率分布图是一个灰度图像。
2--meanshift
meanshift算法是一种密度函数梯度估计的非参数方法，通过迭代寻优找到概率分布的极值来定位目标。算法过程为：
(1).在颜色概率分布图中选取搜索窗W
(2).计算零阶距：
计算一阶距：
计算搜索窗的质心：
(3).调整搜索窗大小：宽度为；长度为1.2s；
(4).移动搜索窗的中心到质心，如果移动距离大于预设的固定阈值，则重复2)3)4)，直到搜索窗的中心与质心间的移动距离小于预设的固定阈值，或者循环运算的次数达到某一最大值，停止计算。
算法过程也可以描述如下：
(1) 选择搜索窗口
a.窗口的初始位置
b.窗口的类型（均匀、多项式、指数或者高斯类型）
c.窗口的形状（对称的或歪斜的，可能旋转的，圆形或矩形）
d.窗口的大小（超出宽口大小被截去）
(2) 计算窗口（可能是带权重的）的重心
(3) 将窗口的中心设置在计算出的重心处。移动搜索窗的中心到质心，如果移动距离大于预设的固定阈值，则重复2)3)4)，直到搜索窗的中心与质心间的移动距离小于预设的固定阈值，或者循环运算的次数达到某一最大值，停止计算。
(4) 返回（2），直到窗口的位置不再变化（通常会变化，直至最后迭代收敛）
3--camshift
将meanshift算法扩展到连续图像序列，就是camshift算法。它将视频的所有帧做meanshift运算，并将上一帧的结果，即搜索窗的大小和中心，作为下一帧meanshift算法搜索窗的初始值。如此迭代下去，就可以实现对目标的跟踪。算法过程为：
(1).初始化搜索窗
(2).计算搜索窗的颜色概率分布（反向投影）
(3).运行meanshift算法，获得搜索窗新的大小和位置。
(4).在下一帧视频图像中用(3)中的值重新初始化搜索窗的大小和位置，再跳转到(2)继续进行。
camshift能有效解决目标变形和遮挡的问题，对系统资源要求不高，时间复杂度低，在简单背景下能够取得良好的跟踪效果。但当背景较为复杂，或者有许多与目标颜色相似像素干扰的情况下，会导致跟踪失败。因为它单纯的考虑颜色直方图，忽略了目标的空间分布特性，所以这种情况下需加入对跟踪目标的预测算法。
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]。
(3).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);
(4). result即为我们需要的.
Mean Shift算法的质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
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)。
CamShift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。
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。