Suivi multi-cibles

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Problématique de suivi multi-cibles polygonales par perception laser de l’environnement : résolution directe dans un cadre PHD par filtrage non linéaire et application au suivi de véhicules.

Benoît Fortin 25 novembre 2014

[email protected]

Sommaire

I.

Présentation et introduction II.

La problématique du suivi dans les données LIDAR à balayage  Cadre de résolution classique   La problématique du suivi-multi cibles Le détecteur SIP comme processus de partitionnement III. Approche track-before-detect  Objectif  Méthode particulaire dans un cadre PHD  Fusion de données dans un système multi-capteurs (centralisée / distribuée) IV. Conclusion et perspectives 2

Présentation

Parcours doctoral et post-doctoral :

Thèse de doctorat effectuée au sein du Laboratoire d’Informatique, Signal, Image de la Côte d’Opale, équipe « Systèmes de Perception et Fusion d’Informations » sous les directions de Jean Charles NOYER et Régis LHERBIER

Méthodes conjointes de détection et suivi basé-modèle de cibles distribuées par filtrage non-linéaire dans les données lidar à balayage

* Bourse ministérielle, soutenue le 22 novembre 2013, mention très honorable * Qualification MCF CNU 61 obtenue à la session 2014

ATER (CNU 61) → continuité des travaux de thèse en termes de publications et méthodes de fusion de données Enseignement au cours des 4 dernières années : 376h en Université, Ecole d’Ingénieurs, Institut Universitaire Technologique (perception multi-capteurs, traitement de signal, initiation à la programmation, réseaux de capteurs coopérants, mathématiques, logique combinatoire et séquentielle,…) Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 3

Introduction

Contexte

:  détection et suivi multi-cibles : applications transport / transports intelligents  perception de l’environnement par différents capteurs : lidar, radar, sonar, caméras, …  déplacement autonome de véhicule, platooning, aide au parking…

Cadre théorique

:  Détection et suivi d’objets multiples polygonaux dans des systèmes de perception multi-capteurs

centrés autour d’un télémètre laser à balayage embarqué

 Détection et suivi de cibles étendues dans des données distribuées  Théorie du filtrage particulaire et cadre Probability Hypothesis Density (PHD)  Fusion de données multi-capteurs

Cadre applicatif

:  Suivi de véhicules en mouvement dans une zone d’observation (route)  Systèmes d’assistance au conducteur (ADAS) / Sécurité dans les transports Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 4

Introduction

Données télémétriques à balayage :

  

Avantages :

Large champ de vision Mesures précises de distance Fréquence élevée de mesure

n

mesures télémétriques en coordonnées polaires dans un intervalle angulaire selon une résolution angulaire et dans un intervalle de distance → cibles étendues → mesures distribuées Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 5

LA PROBLÉMATIQUE DU SUIVI DANS LES DONNÉES LIDAR À BALAYAGE

Cadre de résolution classique

Architecture d’un système classique de suivi d’objets dans des données télémétriques :

Cibles étendues Cibles ponctuelles

Mesures distribuées Détection Association Processus de suivi Prédiction Gestion de pistes Introduction – Le suivi dans les données LIDAR – Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 7

Cadre de résolution classique

Mesures Détection Association Processus de suivi

1. Modèle de dynamique

l

=

probabilité de saut

2. Modèle d’observation

Exemple : Z est une mesure du centre de gravité Introduction – Le suivi dans les données LIDAR – Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 8

Problématique du suivi multi-cibles : filtrage particulaire

 Objectif : Approximation discrète de cette densité en générant N v.a. i.i.d selon cette loi  Passage par une densité d’importance selon laquelle il est possible d’échantillonner avec Initialisation Prédiction Pondération Estimation Rééchantillonnage Introduction – Le suivi dans les données LIDAR – Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 9

Problématique du suivi multi-cibles

Suivi multi-cibles : → J cibles à estimer → M observations disponibles (avec fausses alarmes et clutter) → problème d’estimation d’un système à dimensions variables Détecteur

2 solutions

Processus de suivi Décomposition de l’espace d’état en sous espaces et considération individuelle de l’état de chaque cible → quelles sont les mesures qui entrent dans le filtre pour chaque cible ?

Modélisation du problème sous forme de l’estimation d’une loi multimodale → identification des modes

a posteriori

d’une cible pour connaître l’état Joint Probabilistic Data Association (JPDA) Multiple Hypothesis Tracking (MHT) Probability Hypothesis Density (PHD) Cardinalized PHD Introduction – Le suivi dans les données LIDAR – Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 10

Cadre de résolution classique : les mesures

Première étape clé des systèmes de suivi : Mesures distribuées Détection Association Processus de suivi Mesures Clustering (optionnel) Extraction primitives (segments) Modélisation (centres de gravité) Informations Introduction – Le suivi dans les données LIDAR – Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 11

Cadre de résolution classique

(1)

Clustering

→ seuil fixe → seuil adaptatif lié à la distance inter-impacts (3)

Modélisation

→ conversion des primitives en paramètres exploitables pour le processus de suivi (2)

Segmentation

→ utilisation coordonnées cartésiennes → dépendance à la distance inter-impacts → nécessite le calcul des équations de droites Introduction – Le suivi dans les données LIDAR – Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 12

Le détecteur SIP : Segmentation using Invariant Parameters

Contraintes

: → description minimale de l’environnement sans perte de qualité (en termes de précision, de fausses alarmes et de non-détections) → robustesse aux outliers (points aberrants)

Objectifs

: → utiliser la structure des données (balayage, résolution angulaire) par la mise en évidence d’un invariant géométrique → s’affranchir de la distance inter-impacts → utiliser les mesures brutes issues du capteur (pas de changement de repère polaire – cartésien) Introduction – Le suivi dans les données LIDAR – Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 13

SIP : mise en évidence d’un invariant géométrique

Pour 2k+1 points consécutifs alignés avec i l’indice du point central : Dans le cas idéal :

Équation de droite polaire

: Dans le cas de mesures bruitées : appartiennent à la même droite si : avec Introduction – Le suivi dans les données LIDAR – Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 14

SIP comme technique de partitionnement

Exemple d’une fonction cumulative pour un objet rectangulaire (sans bruit)

→ Réécriture de l’équation de mesure en utilisant la fonction cumulative: fortement non linéaire Introduction – Le suivi dans les données LIDAR – Approche « track-before-detect »- Conclusion et perspectives 15

APPROCHE TRACK-BEFORE-DETECT

Mesures Agrégation Suivi

Introduction

Architecture finale recherchée

: Mesures Processus d’agrégation (hypothèse : modèle polygonal) Suivi

Avantages

: • Pas d’extraction de segments • Réduction des problèmes de fausses alarmes / non détections → processus de suivi moins perturbé

Difficultés

: • Cibles distribuées étendues • Processus d’agrégation exploitable pour le processus de suivi • Gestion de l’aspect multi-cibles • Modélisation de l’espace d’observation fortement non-linéaire • Prise en compte des mesures brutes issues du capteur Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 17

Suivi basé-modèle de cibles distribuées

Idée

: intégrer le modèle d’objet à suivre directement dans le processus de suivi

Les modèles

:

1. équation de dynamique : classique ou augmentée avec les dimensions du modèle polygonal 2. équation d’observation :

cibles ponctuelles Modèle de forme cibles étendues

H fortement non linéaire Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 18

Suivi multi-cibles par approche PHD

Le filtrage Probability Hypothesis Density

Objectif

 : estimer conjointement : le nombre de cibles à chaque instant ainsi que  leur état par la considération complète de la densité de probabilité multimodale

a posteriori Avantage par rapport aux méthodes usuelles (JPDA, MHT)

 pas d’association cible / mesure  : gestion automatique des pistes (processus de naissance/mort)

Limites dans sa version initiale

 : aucune notion de trajectoire   résultats conditionnés par un algorithme de clustering forte dépendance aux non-détections, fausses alarmes et clutter Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 19

La théorie RFS

► Les états et les observations sont regroupés dans deux « Random Finite Set » : et ► RFS: un ensemble fini de variables aléatoires dont la cardinalité et les éléments sont des variables aléatoires : ► une densité de probabilité pour la caractérisation de la cardinalité ► une densité appropriée pour la caractérisation de la distribution conjointe des éléments ►les méthodes de suivi multi-cibles ont besoin de la connaissance de la densité de probabilité ►la théorie « Finite Set Statistics » (FISST) fournit des techniques pour formuler des équations liées à l’utilisation des RFS pour le problème de suivi multi-cibles dans un cadre bayésien [Mahler97] Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 20

La théorie RFS pour le suivi multi-cibles

► Le modèle RFS multi-cibles des états inclut les dynamiques individuelles, les modèles de naissance, mort, dédoublement et incertitudes d’évolution → évolution d’un RFS dans le temps (sous hypothèse Markovienne): Fonction de transition RFS associé aux nouvelles cibles (créées ou dédoublées) ► le modèle RFS des observations inclut la vraisemblance, l’incertitude sur la détection de la cible par le capteur et le clutter : Fonction de mesure Le RFS du clutter → la génération de à partir de est modélisé par Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 21

Le filtrage bayésien multi-cibles

► les incertitudes sont caractérisées par : → densité de probabilité de transition multi-cibles → vraisemblance de mesure multi-cibles l’utilisation des FISST permet de construire ces densités à partir des modèles physiques des capteurs, des dynamiques individuelles, de la mort/naissance des cibles ► formulation récursive de la densité multi-cibles a posteriori → prédiction à partir de → mise à jour : Calcul analytique impossible généralement→ approximation de la densité a posteriori par son premier moment : la fonction Probability Hypothesis Density (PHD) Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 22

Suivi multi-cibles par approche PHD

Propriété de la fonction PHD

: sur un sous-ensemble [Vo07] Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 23

Suivi multi-cibles par approche PHD

Hypothèses

: • Chaque cible évolue et génère des observations indépendamment • Le RFS clutter est poissonnien et indépendant des observations générées par les cibles • Le RFS multi-cibles est poissonnien et donc entièrement caractérisé par son premier moment (fonction intensité) Prédiction modèle dynamique mono-cible fonction intensité de naissance fonction intensité des cibles dédoublées Correction vraisemblance probabilité de détection de la cible fonction intensité du clutter Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 24

Filtre IP-SMC par approche PHD

Objectif

: suivi basé-modèle de multiples cibles étendues → insertion dans un cadre PHD

Proposition d’un filtre particulaire IP-SMC-PHD :

1. Initialisation

:

2.

Prédiction

: évolution des particules selon une distribution d’importance

3.

Création

des particules exploratrices :

4. Correction

: Données télémétriques : → Accumulateur : → Impacts médians : Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 25

5.

Rééchantillonnage :

Estimation du nombre de cibles : redistribution 6.

Estimation

de l’état des cibles par extraction des pics de la fonction PHD (k-means) 7.

Trajectographie

: → indexation des particules pour obtenir la notion de pistes 1 piste = 1 index à propager dans le filtre et retrouvé à l’issue du clustering → gestion automatique des occultations et des défaillances du capteur en développant une « mémoire » pour la conservation de pistes aucune mesure ne correspond à une piste indexée = exclusion du processus de pondération Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 26

Expérimentations sur données synthétiques

Scénario routier :

3 véhicules, capteur LRF avec une précision de 3cm, fréquence d’acquisition à 10 Hz Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 27

Filtre IP-SMC PHD : évaluation sur données réelles

• • • •

Fusion multi-capteurs : Lidar GPS Données cartographiques Centrale inertielle

(Sources : Séquences Mines Paris Tech - CAOR, Fawzi Nashashibi)

Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 28

Fusion multi capteurs centralisée

29

Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » - Conclusion et perspectives 30

Fusion distribuée

31

Conclusion

Développement d’approches basées-modèles (polygone) track-before-detect pour la résolution conjointe du problème de détection et suivi dans un système multi-capteurs • Aucun traitement sous-optimal des données brutes (transformation en accumulateur) • Modèle d’objet intégré pour la reconstruction des scènes télémétriques et cible représentée sous sa forme d’accumulateur 1. Gestion dans un cadre multi-cibles PHD (IP-SMC-PHD) / approche « mémoire » labellisée 2.

Généralisation dans un système de perception multi-capteurs     Gains importants en précision d’estimation / cardinalité Robustesse à la taille du modèle (données réelles) / outliers Augmentation de la durée de suivi et de la précision dans le cas multi-lidar Faisabilité du suivi dans un système multi-capteurs (lidar, GPS, SIG, INS) Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » Conclusion et perspectives 32

Travaux en cours / Perspectives

1.

Estimation dynamique des dimensions du modèle 2.

Généralisation du cadre PHD pour des modèles dynamiques différents (piétons, voitures, camions,…) 3.

Développement dans un autre cadre : fonctions de croyance ? Impact sur la vraisemblance dans le cadre PHD ?

4.

Généralisation de l’invariant géométrique pour le cas piéton (ellipse ? )

Introduction – Le suivi dans les données LIDAR– Approche « track-before-detect » Conclusion et perspectives 33

Publications

2 revues internationales avec comité de lecture :

IEEE Intelligent Transportation Systems, 2013. (accepté en nov. 2014 - Impact Factor 5-Y : 3,26) ; IEEE Transactions on Vehicular Technology, Nov. 2012. (Impact Factor 5-Y : 2,06).

7 conférences internationales avec comité de lecture :

International Conference on Information Fusion (FUSION) (2013 & 2014) IEEE Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers (2010 & 2014) IEEE International Systems Conference (Syscon) (2013) IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) (2012) Numerical Analysis and Scientific Computation with Applications (NASCA) (2013) Benoît Fortin - [email protected]