1.一种基于时空融合的自适应行人轨迹预测方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:S1:提取不同场景中行人的时间位置特征向量,对信息进行预处理并构建源场景和目标场景的图结构;
S2:实现领域特征的对齐,使用图卷积网络GCN和领域自适应技术,调整和整合源轨迹领域与目标轨迹领域之间的时空特征变化,从而完成特征对齐;
S3:搭建时间主干网络,编码时间信息,与领域时空特征差异一同作为预测的重要要素,利用多头注意力机制实现时空特征的深度融合,通过自回归迭代实现高精度的行人轨迹预测;
所述S1中,若场景中包含N名行人,每位行人在任意时刻t的位置表示为 ,其中为从鸟瞰视角记录的行人i在时刻t的二维坐标,整个时间范围内的总序列长度定义为 ,已观测的时间段为 到 ,每个时间步t的观察数据被抽象为一个图 ,其中包含顶点、边和相关特征,针对不同轨迹场景,即源领域和目标领域,分别构建专属的图 和 ,以刻画特定领域内的行人交互特性;
图 中,顶点集合 表示t时刻N名行人的位置,顶点 记录了个体的空间位置,是分析其轨迹和运动模式的基础,边集合 描述了行人i和j之间的交互关系,通过边 ,模型能够揭示行人运动在群体环境中的相互影响,同时,模型为每位行人定义了特征向量,构成特征集合 ,特征向量 表示时间t时行人i的运动特征,其计算公式为:;
其中,W是权重矩阵, 是ReLU激活函数,行人之间的互动关系通过邻接矩阵来描述,矩阵中的元素 表示为:;
根据两者之间的空间距离对交互强度进行归一化处理;
所述S2的过程如下:
S2.1:采用图卷积网络来提取轨迹图中的时空特征;
对于源轨迹域和目标轨迹域,利用空间GCN在各自邻近节点的信息聚合,生成初步的特征表示,输入的轨迹图分别为源域 和目标域 ,在任意时刻t,轨迹图 由两个关键部分组成:归一化邻接矩阵 和次矩阵 ,定义如下:;
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其中, 是加权邻接矩阵, 是 的对角次矩阵,E是单位矩阵;在观测周期 内,将邻接矩阵和次矩阵按时间顺序叠加:;
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在GCN的第 层,该特征矩阵的形式为:
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其中,N为行人数, 表示特征维度, 是观测的时间步数,接下来,GCN利用以下传播规则对每一层的特征进行更新:;
其中, 代表第l层的可学习权重矩阵, 是非线性激活函数,GCN设计为三层结构,,每一层都在前一层提取的特征基础上,逐步整合更大范围的空间邻域以及更长时间尺度的上下文信息,随后,利用TCN建模行人时间依赖性,为了稳定特征传播,加入残差连接机制,将优化特征与原始输入结合,最终,生成源领域和目标领域的域特征 和;
S2.2:将生成的两个领域特征进行对齐,以减少领域间的差异导致的预测影响;
针对领域 中的每个行人i计算注意力得分 ,让模型能够基于特征在领域中的重要程度,对其进行加权处理,注意力得分的计算公式如下:;
其中, 表示领域r中行人i的特征向量,参数 和 是可学习参数,用于自适应地调整特定领域的注意力得分,在得到注意力得分后,对每个领域中的特征进行加权聚合,领域r的聚合特征定义为:;
通过对特征向量的相关性进行加权聚合,提取出每个领域的核心特征,随后,为对齐源领域和目标领域的特征表示,模型将聚合特征表示 和 进行差值比较,输出领域特定的特征差异 。
2.如权利要求1所述的一种基于时空融合的自适应行人轨迹预测方法,其特征在于,所述S3的过程如下:S3.1:时序编码;
对观测到的行人轨迹进行编码,输入轨迹表示为一个包含空间位置的时间序列,其中每个位置 对应于行人i在时刻t的二维空间坐标,随后应用一个嵌入层,其转换过程如下:
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其中, 为嵌入函数, 为可学习的权重矩阵,为强调观测序列中行人的相对运动特性,将每个位置 减去最后一个观测位置 来进行偏移,得到编码后的时间序列;
S3.2:多头注意力融合;
采用多头自注意力机制,在编码步骤之后,将输入序列 通过可学习的线性变换被映射为query和key矩阵表示,将时空差异特征 映射为value矩阵表示:;
其中, 、 和 分别表示对应的query、key和value函数;考虑到后续预测的时间依赖性问题,执行query和value之间的点积,以计算用于加权值的注意力系数,并提供相应的输出,多头自注意力机制的计算公式如下:;
其中, 是key向量的维度,用作缩放因子,以在优化过程中稳定梯度,Softmax函数确保注意力权重在整个序列中被正确归一化;
多头自注意力机制的输出随后被传递到时间特征优化网络,最终生成一系列特征向量;
S3.3:解码预测;
解码处理通过自注意力机制获得的特征向量 ,通过一系列由权重 参数化的线性层,解码器生成下一时间步 的预测位置,在预测过程中通过添加时空差异特征来再次增强领域适应能力:;
其中, 表示由参数 定义的解码函数,输出生成行人未来的轨迹位置。