（机械电子工程专业论文）基于图像处理的目标识别跟踪研究.pdf

摘要 目标识别和跟踪技术在诸如工业应用、导航、武器制导等有着广泛的应用，将空 中飞行目标跟踪应用到军事制导领域成为目前研究的熟点。 本文以运动的物体为目标，通过对目标识别、跟踪算法的比较研究，提出一种在 简单背景下实现对运动目标的图像识别与跟踪方法。本文改进了目前较常用的图像预 处理、图像分割、特征提取、图像识别、跟踪与预测等算法。在图像识别过程中，对 传统中值滤波进行了改进，计算量大大减小，提高了图像预处理的速度，并将最大类 问方差原理与自适应阀值分割相结合；应用于图像分割中，得到了较好的分割效果。 针对目标的特点，提取目标的不变矩特征量，对不同姿态下的目标得到了较好的识别。 根据识别的目标用改进的形心跟踪算法进行跟踪。同时为进一步提高目标跟踪算法的 速度和稳定性，目标在跟踪过程中运用目标运动估计算法对目标进行预测跟踪，并建 立了相关的目标稳定跟踪策略，使目标跟踪能适应如障碍物遮挡、噪声干扰等各种可 能出现的情况。 本文的识别跟踪算法成功地在基于p c 机平台的跟踪系统上得以实现。在识别跟 踪过程中，系统根据目标成像的形心坐标，实时调整摄像机转台的方位，使被跟踪目 标始终落在摄像机视场的中心位置附近，保证目标不会跑出摄像机视场范围。 关键词：图像处理目标识别目标跟踪卡尔曼预测 v o + + 6 o a b s t r a c t t h et a r g e tr e c o g n i t i o na n dt r a c k i n gt e c h n i q u ei sw i d e l ya p p l i e dt om a n yf i e l d ss u c ha s i n d u s t r i e s ，n a v i g a t i o n ，w e a p o nc o n t r o l l i n ga n dg u i d i n ga n ds o0 n i t sa p p l i c a t i o ni nm i l i t a r y f i e l dh a sb e c o m et h er e s e a r c hh o t s p o t t h es t a b i l i t yo ft a r g e tt r a c k i n gi st h em o s ti m p o r t a n t i nm i l i t a r ya p p l i c a t i o n s 。 t h i sa r t i c l ec h o o s e st h em o v i n go b j e c ta st h et a r g e t i tp u t sf o r w a r dam e t h o d w h i c h c a r r yo u ti m a g er e c o g n i t i o na n dt r a c k i n go l lm o v i n go 惭e c ti nt h es i m p l e b a c k g r o a n da n d m a k e sc o m p a r i s o n 。a n ds t u d yo na l g o r i t h mo fo b j e c tr e c o g n i t i o na n d t r a e k i n g i tm a k e s p r o g r e s s o n a l g o r i t h m o f i m a g ep r c p r o c e s s i n g ,i m a g e s c g m e n t a t i o n , f e a t u r e e x t r a c t i n g , i m a g er e c o g n i t i o n , t r a c k i n ga n dp r e d i c t i n g d u r i n gi m a g er e c o g n i t i o n , i t i m p r o v e st h e t r a d i t i o n a l f i l t e r a l g o r i t h mu s i n gc o r r e l a t i v e i n f o r m a t i o nb e t w e e na d j a c e n t w i n d o w s ，a n de n h a n c e sr e a l t i m ep r o p e r t y w h a t sm o r e , t h i sa r t i c l ec o m b i n e so t s ua n d s e l f - a d a p t i v et h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na n da p p l yi t t oi m a g es e g m e n t a t i o n ，t h e ng e t sb e t t e r e f f e c t l a s tw i t ht h ep o i dt ot r a c kt h eo b j e c t t of u r t h e ri m p r o v et h et a r g e tt r a c k i n gs p e e da n d s t a b f l i t y , t h ea r t i c l eu s e st h ew i n d o wt r a c k i n gm e t h o da n dt h et a r g e tm o v e m e n te s t i m a t i o n m e t h o dt of o r e c a s tt a r g e tl o c a t i o n , a n da d o p t st h er e l i a b l et r a c k i n gp o l i c y t h e s em e t h o d s s u c c e s s f u l l ys a v et h et r a c k i n gt i m ea n di m p r o v et r a c k i n ga c c u r a c y i nt h i sw a y , w e c a nt r a c k t h eo b j e c ts t e a d i l y , e v e nw h e nt h et a r g e ti ss h e l t e r e db yt h eb a r r i e ro rd i s t u r b e db yn o i s e s t h er e c o g n i t i o na n dt r a c k i n ga l g o r i t h md o e sw o r ks u c c e s s f u l l yo nt h et r a c k i n gs y s t e m b a s e do np cp l a t f o r m d u r i n gt h er e c o g n i t i o na n dt r a c k i n gp r o c e d u r e ，t h es y s t e ma d j u s t st h e p l a t f o r m sd i r e c t i o na c c o r d i n gt ot a r g e ti m a g el o c a t i o n , a n dk e e p s t h et a r g e ti m a g ea r o u n d t h ec e n t e ro ft h ec c d s 7v i s i o nf i e l d s t h ea r t i c l ea l s od e s c r i b e st h et r a c k i n gs y s t e m s s t r u c t u r ea n df u n c t i o nd e f i n i t i o n k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g o b j e c tr e c o g n i t i o no b j e c tt r a c k i n g k a l m a nf i l t e r v c + + 6 0 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文基于图像处理的目标识别跟踪研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：孝篁驾匕竺刍三中 指导导师签名：辱至j 垦j 呼生_ 耻 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 运动目标是日常生活中常见的，如活动的动物、行使的交通工具、以及自然界其 他运动物体等。目标的运动图像提供了比单_ 图像更丰富的信息，通过对多帧图像分 析，可获得从单一图像中不可能得到的信息。而且在现实生活中，大量有意义的视觉 信息都包含在运动之中，甚至有些动物( 如青蛙) 的眼睛在长期进化的作用下，只看得 见运动的物体。人类的眼睛既能看见静止的物体，又能看见运动的物体，而且是一套 天然的性能极佳的图像采集、识别与跟踪系统，在人的大脑的配合下，可以实现对运 动极为复杂的目标的识别、精确定位与跟踪，在许多情况下，比如交通流量的监测、 重要场所的保安，航空和军用飞行器及坦克或火炮的制导、汽车的自动驾驶或辅助驾 驶等，人们往往只对运动的物体或目标感兴趣。在这种情况下，如果能有一套类似人 类主动视觉系统的延伸或辅助系统，并在一定程度上具有人类的职能，能够辨别和跟 踪我们感兴趣的运动目标，其重要意义是不一言而喻的，操作者能从一定程度上解放 出来，去做一些只有人类才能胜任的复杂的分析与推理工作，并在必要的时候与系统 进行交互，重新选择目标或修正系统错误和偏差，这样必能大大提高人们的工作效率。 图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间 接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。视觉是人类从大自然中获取信息的最重要的 手段“1 。据统计，在人类获取的信息中，视觉信息占6 0 ，听觉信息约占2 0 9 6 ，其他的 如味觉信息，触觉信息等加起来约占2 0 。由此，可见视觉信息对人类的重要性，而图 像正是人类获取视觉信息的主要途径。所谓“图”，就是物体透射或者反射光的分布； “像”是人的视觉系统接受图的信息在大脑中形成的印象或认识。前者是客观存在的， 而后者是入的感觉，图像应该是两者的结合。 图像识别是二十世纪六十年代发展起来的- - i 新兴学科。粗略地说，就是要把一 种研究对象根据某些特征进行分类。所研究的是用机器分析和识别周围物体的视觉图 像，从而得出结论性判断，用于指导进一步的动作。这实际上是人类视觉系统的模拟。 它是生物学、人工智能、模式识别、信号处理、信息论及计算机科学等众多学科的综 合学科。这门学科虽然发展时间不长，但由于许多专家的通力合作使得图像识别技术 得到了迅速的发展，它的应用领域己扩充到生物学、遥感、军事、天文、地理、地质 等许多学科和领域。在理论方面从传统的统计决策和语法结构，发展到以知识为基础 的识别方法，研究水平从简单的增强处理到今天比较复杂和具有智能的分析、识别、 运动参量的估计和捕获运动的物体。 目标识别和跟踪技术在许多领域内有着广泛而实际的应用，其中包括导弹的地形 和地图匹配、飞机导航、武器投射系统的末制导、光学和雷达的图像跟踪、工业流水 线的自动监测等基于图像的目标识别和跟踪由于其跟踪精度高，跟踪精度平稳，抗 干扰性强以及成本低等优点，是目标识别和跟踪系统中最常见的，它主要利用成像系 统迸来的图像，自动地提取目标并识别出来，并对一系列的连续图像数据实现对目标 的识别和跟踪。图像的类型主要有三种：可见光图像、红外图像和雷达图像。其中可 见光图像是通过光学成像原理利用光电传感器得到的；红外图像是利用红外热像仪通 过不同物体表面辐射的热量不同的而得到的；雷达图像则是由合成孔径雷达、毫米波 雷达、激光雷达等不同成像手段得到的图像。图像目标的范围主要是空中目标( 如导弹、 飞机) 、地面目标( 如坦克) 和海上目标( 如军舰) 。对这三种图像的研究，由于其在军事 制导领域中的重要意义，近年来一直受到各国政府和军事科研机构的重视。 目前，随着图像处理技术以及一些相关领域的发展( 人工智能、模式识别等技术) ， 大大推动了目标识别和跟踪技术的发展。硬件方面，由于高速数字信号处理器的开发， 使目标的实时跟踪和识别成为可能。但是，目前对目标识别和跟踪算法的研究还存在 很大的局限性。对于某类目标的研究在实验室中跟踪、识别的效果很好，但在实际应 用中，由于许多不可预知的环境条件( 光照、气候、能见度等) 的影响，使图像识别变 得困难，进而影响了目标跟踪的稳定性。所以对目标识别和跟踪算法进行研究，尤其 是在那些恶劣环境下如何保证的目标的识别和跟踪算法的稳定性，具有很重要的理论 价值和实际意义“。 1 2 当前国内外研究现状及发展趋势 运动目标的图像识别与跟踪是当前国内外研究的热门课题，国外许多重要的期刊 如o p t i c a le n g i n e e r i n g ，i e e et r a n s a c t i o no np a t t e r na n a l y s i sa n d m a c h i n e i n t e l l i g e n c e 以及a d 报告等，经常刊登有关目标跟踪领域的学术论文。国内一些学者 也在该领域做了大量的工作，并取得了一些成果，有的己经得到实际应用。 在军事运用中，跟踪系统大都采用的是单一的工作方式，即使用非自适应型的单 质心法或相关法进行跟踪。这种非自适应的算法常常在杂波干扰区中因杂波物体的干 扰丢失目标。现代战争要求武器系统实现智能化，使作战过程实现自动化，即以计算 机全部或部分代替人的功能。在复杂的背景中探测目标，识别和选择目标，跟踪并杀 伤目标。现阶段正在研制的智能跟踪系统硬件采用大规模集成电路，以微机为基础进 行软件编程，这样基本能够满足设备小、性能高、运算速度快、功耗小、实时处理的 要求。但是，对于一个智能跟踪系统来说，除了需要有这些高速数据处理能力的硬件 外，目标识别与跟踪的算法的研究同样十分重要。智能跟踪系统的软件可分为两大部 分，即目标识别软件和跟踪软件。其中，最重要同时也是最费时的软件是目标识别软 件。近些年来各国学者在目标识别软件的研究上已做了大量的工作，但进一步研究出 2 能够准确实时的识别目标的软件是十分必要的。 此外，现有的各类识别方法和定位方法都只有在对其有利的使用环境( 包括：目标 的尺寸和对比度、噪声的强弱、图像灰度的空间变化等) 中才可能得到较好的工作性能。 然而实际的使用的环境通常是不断变化的，企图使用某种单一方法实现全程的自动识 别与跟踪往往要面临很大的困难。几乎全部早期的许多现在还在使用的图像跟踪系统 往往只能固定地使用种识别方法，而在使用环境变化较多的场合丢失目标。尽管已 对各类方法做了许多改进，但总的看来，收效并不显著。然而不难注意到这样的事实： 每种识别方法都可能在某一种使用环境中保持良好跟踪，却又可能在另外一种使用环 境中失败。但是，在同一种使用环境中，所有跟踪方法都失败却是极为少见的”。于是 在近几十年里，又提出了混舍型定位识别方法，主要试图合理地综合多种识别与跟踪 方法，使它们能够互为补充，以期总的工作性能超过任何一种单一方法。这在某种程 度上代表着目标图像识别与跟踪方法的一个发展方向，因而颇具理论和实用价值。但 它涉及的问题较多，与其有关的研究还刚刚开始，对一些基本问题尚未展开讨论，如： 怎么根据使用环境的变化自适应地调节使用各类基本识别与跟踪方法? 显然进行与此 有关的研究将是非常有意义的。 随着计算机技术、图像处理技术、v l s i 技术和高分辨率传感器技术的不断更新与 发展，相关科研人员的不断加入，参与研究与开发，目标识别与跟踪系统必将得到进 一步的完善与发展，在国民经济和军事领域的诸多方面也必将得到更广汗的应用。 1 3 本课题研究的基本任务与要求 运动目标的图像识别与跟踪系统主要在于可靠性和实时性问题，本文也是从这两 点出发，在己有硬件设备的基础上，完成了目标识别与跟踪系统中软件模块的设计和 编制，实现了简单背景下单目标的识别与跟踪。伺服系统根据目标的位置信息实时调 整观测摄像机视场，使被跟踪目标始终落在摄像机视场中心位置附近。 本课题研究的内容主要包括以下两个方面，一是：分析实际的目标跟踪系统的工 作情况，在目标检测算法的基础上，按照所建立的跟踪目标的特征参数，建立目标跟 踪算法和完整的目标跟踪的跟踪策略，合理估计出目标跟踪过程中有可能出现的跟踪 状态并进行状态的切换，要求在保证跟踪精度的基础上，要使算法能够在比较恶劣的 工作环境中，适应复杂多变的背景变化，能实时地、连续稳定地跟踪目标，即使在低 亮度和低对比度的情况以及遮挡等容易引起目标丢失的情况下也能够对目标进行连续 跟踪，甚至在出现人工伪目标的干扰下也能够实现对既定目标的锁定跟踪。二是：构 建完整的视频跟踪系统方案，实现跟踪系统的诸元素如视频采集、算法处理和与相关 伺服系统等之间的协同工作。 总之，本课题的任务是构建一套完整的视频跟踪系统解决方案，在目标识别算法 的基础上建立合理的目标跟踪算法和目标预测算法以及稳定跟踪策略，能够实现对运 3 动目标的稳定跟踪。 1 3 1 主要硬件平台 ( 1 ) c c d 摄像头 c c d 摄像头作为图像传感器，把光信号转换成电信号。用它进行目标探测具有快速、 清晰、灵敏、低噪声、价格低廉等优点。针对可见光c c d 的数据采集和信息处理技术 也非常成熟，这给我们集中精力研究识别与跟踪算法提供了很好的基础。 ( 2 ) 视频图像采集卡 图像采集卡将由c o d 摄像头摄取的时序模拟信号转换成计算机可以处理的数字信 号。 ( 3 ) 显示卡、监视器 显示卡及外挂监视器是计算机系统的窗口。他们将难以理解的抽象数据变成图像、 曲线等人们易于接受的形式显示出来，给设计、调试带来方便。本文考虑图像采集卡 的兼容性，选用的是n v i d i at n t 2 显示卡，联想液晶显示器。 ( 4 ) c p u 中央处理器 作为实现软件算法的核心功能单元，c p u 的作用不言而喻。本系统采用的c p u 是 i n t e lp e n t i u mi v3 o g h z 处理器。 ( 5 ) 控制系统 控制系统采用有p c 和基于d s p 的运动控制器组成，保证了控制系统的开放性和扩 展的方便性。 ( 6 ) 转台 转台本体采用模块化设计，p a n 转台和t i l t 转台为互相独立的模块，拆卸方便， 即可独立控制，又可联动控制；转台用交流伺服电机驱动和谐波减速器传动，保证了 平台不仅低速运行平稳，而且动态响应特性快。 1 3 2 软件平台 本文在w i n d o w sx p 操作系统上，v i s u a lc 十十6 0 对所有涉及到的算法进行编写 并全部调试通过。 1 3 3 本论文完成的主要工作 ( 1 ) 采用c c d 摄像头作为视频图像采集工具、两自由度p t 转台作为摄像机指向 调节工具、p c 机作为图像处理单元、固高科技的基于p c 和d s p 的运动控制器为控制器 建立了目标跟踪系统。 ( 2 ) 在w i n d o w s 操作系统平台上，以v i s u a c + + 6 0 为集成开发环境，基于m f c 完成图像处理软件程序的编写，最终得到目标的位置及偏差位置。这也是本文所做工 作的重点，其中主要涉及到算法的优化问题，包括滤波算法，分割算法，目标识别与 跟踪算法的优化。这样，才能满足系统的实时性和可靠性要求。 ( 3 ) 得到目标的偏差位置后，利用串行通讯技术实现上位机( p c 机) 和下位机( 固 高运动控制器) 之间的通讯，下位机接收到的偏差信号后经过控制算法，控制信号，去 驱动跟踪机构跟踪目标。 1 4 论文的章节安排 论文首先从系统的角度，构建了一套基于p c 机平台的目标识别跟踪系统，并对 系统的功能模块予以细分。论文的章节安排如下：第一章，绪论；第二章，目标跟路 系统的总体设计：第三章，运动目标的图像识别；第四章，运动目标的跟踪：第五章， 软件设计与实现；第六章，总结与展望。 第二章。目标跟踪系统的总体设计 基于图像处理的运动目标跟踪识别系统的实现目的在于通过对传感器c c d 拍摄到 的图像进行实时地分析，得到目标的运动参数，并计算出目标在每帧图像上的位置， 以此作为主要依据控制转台使c c d 摄像机始终指向运动目标，这样目标始终位于图像 显示区的中心附近。 目标跟踪识别系统通常由探测系统及伺服机构联合组合的。探测系统提供测量信 息，伺服机构完成对目标的跟踪。跟踪识别系统的总体性能主要指跟踪速度、跟踪加 速度、跟踪的空间范围( 视场) 、跟踪频率范围等。这些总体跟踪识别性能很大程度上 依赖于探测系统的灵敏度和精度这两个主要性能。基于图像处理的跟踪识别系统具有 图像识别功能，可以用它来从复杂的背景中辨认出目标及其类型。 2 1 目标跟踪识别系统的原理 目前最常见的两种视频跟踪识别系统：一是基于f p g a d s p 硬件平台的跟踪识别 系统，二是基于p c 机平台的跟踪识别系统。基于f p g a d s p 硬件平台的跟踪识别系 统，充分利用f p g a d s p 器件的高速运算能力，整个系统实现单板化，但设计和硬件调 试周较长；而基于p c 机平台的跟踪系统在开发周期、系统稳定性以及系统算法升级 等方面要优于前者，所以我们采用了基于p c 机平台的跟踪系统的实现方案。本课题 中目标识别跟踪系统的结构框图如图2 1 所示。一 图2 1 基于p c 机平台的系统组成框图 由于课题主要是完成对目标的连续识别跟踪，所以我们采用了单c c d 摄像机的视 频输入。其中c c d 为跟踪摄像机，利用其信息完成对目标的连续跟踪；c c d 摄像机固定 在p t 转台上，转台的方位由固高运动控制器控制调整。系统的工作流程如下：由c c d 摄像机输入标准的p a l 制模拟视频信号，在p c 机中插有一块p c i 总线的图像采集卡， 6 由p c 机控制图像采集卡的数据采集，同时完成跟踪画面的实时显示，视频采集卡将 图像数据通过高速p c i 总线送至计算机内存，p c 机根据目标的识别和跟踪算法得出 目标的位置信息，并计算p t 转台方位调整参数，然后通过p c i 总线送至固高运动控制 卡，再通过串行通信接口卡将p t 转台调整参数送至固高运动电气控制箱。固高运动电 气控制箱根据p t 转台的调整参数及时调整p t 转台方位，使目标始终保持在c c d 摄像 机视场的中心位置附近。整个系统，p c 机是个核心控制部分，由p c 机完成绝大部分 任务，包括图像采集控制、目标识别和跟踪、p t 转台调整参数计算及接口通信等，考 虑到系统运算的复杂度，p c 机选用3 o g h z 的p 4 处理器，内存5 1 2 m ，显卡g e f o r x 2 2 5 6 m ，并充分利用多线程的编程技术进行程序设计。 2 2 系统功能模块定义 按照目标识别跟踪系统计算机的功能划分，系统的功能模块划分成以下几块：图 像采集模块、图像显示模块、目标识别模块、目标跟踪模块、p t 转台调整参数计算模 块和接口通信模块。识别跟踪系统的功能模块结构图如图z 2 所示。 ( 1 ) 摄像机和图像采集模块 考虑到目标成像的大小和实际图像采集的像素精度问题，摄像机采用了5 度的视 场角。另外，考虑到系统要能够适应白天、晚上等各种光照条件，摄像机采用了微光 摄像机，而且具有很好的自动增益控制功能。为保证目标实时跟踪的实现，c c d 摄像机 呈固定角度放置于可控制p t 转台之上，转台可以由固高运动控制器进行水平旋转角度 和俯仰角度的调整，由于耳标距离较远，目标都能够落在c c d 的视场中，从而保证了 c c d 都能实时跟踪目标。 图2 ，2 目标识别跟踪系统的功能模块结构 图像采集卡部分，我们采用微视公司的v 7 0 0 黑白彩色图像采集卡，该卡是基于 p c i 总线的图像采集卡。视频模拟信号作为采集卡输入，经滤波、a d 转换成数字信号， 通过p c i 总线传送到计算机系统内存，由于p c i 总线的传输速率可以达到1 3 3 m b p s ， 所以可以完成对图像实时的连续采集。本系统中采集窗口为7 6 8 5 7 6 像素，8 b i 灰度 图像采集。图像采集卡的亮度和对比度可以方便地调整，而且图像采集的工作全部由 采集卡的硬件完成，几乎不占用c p u 资源，这样图像的处理和采集可以同时进行，保 证了系统处理的实时性。在图像采集过程中，图像采集卡本身并不能存储太多的图像 数据，卡上内置的存储器仅用来作为图像的缓存，需经p e i 总线将采集到的图像数据 存入事先为采集卡开辟的一块固定内存区域中。 实际应用中，我们为图像采集卡开辟了两帧图像数据大小的内存区用以图像的连 续采集，图像采集卡所分配的内存区域大小为2 7 6 8 5 7 6 b y t e 。为图像采集卡开辟 两帧图像缓冲区，一个缓冲区存放当前完成采集( 待处理) 的图像另一个缓冲区存放 图像采集卡将要采集的下一帧图像，目的是想通过这种双缓冲采集的方式做到实时处 理，即c p u 处理当前帧图像时，图像采集卡就可以同时采集下一帧的图像。 ( 2 ) 图像显示模块 图像显示模块的功能是将目标跟踪的结果和摄像机视频画面送至监视器( 即计算 机的显示器) 动态显示，同时也是人工和自动跟踪方式交互的需要。系统采用两种显 示方式：一是，基于s t r e t c h d i b i t s ( ) 的设备无关位图d i b ( d e v i c e i n d e p e n d e n t b i t n m p s ) 的显示方法。将图像采集卡采集后的数据，以及目标跟踪结果缓存到内存区 域，然后调用s t r e t c h i ) i b i t s ( ) 函数显示在指定区域中。由于图像逐帧处理，每秒钟 动态刷屏2 5 次，画面闪烁；二是，采用v 7 0 0 采集卡的采集回调的视频显示方式一一 p r e v i e w 显示，同时在p r e v i e w 画面背景上画出目标跟踪结果，画面清晰无闪烁。 ( 3 ) 图像处理模块 图像处理模块包含目标的识别算法和目标跟踪算法，是本系统模块的核心算法部 分。该模块是一个比较复杂的图像处理过程，它从图像采集模块获得序列图像数据， 由目标检测算法完成对跟踪目标的初始锁定，并提取被跟踪的初始信息和初始跟踪模 板，然后结合目标识别算法和目标跟踪算法对序列图像分析，提取目标特征，完成目 标识别跟踪，并给出被跟踪目标的位置参数。本文将从系统的角度分析目标识别与跟 踪算法，并重点讨论目标跟踪算法的实现。 ( 4 ) 转台参数调整模块 为实现目标的稳定跟踪，使被跟踪目标始终位于跟踪摄像机视场的中心位置附近， 必须要根据目标的位置信息，及时调整转台的方位。转台调整参数计算模块就是依据 计算机视觉成像的原理，根据目标在跟踪摄像机视场中的位置信息，计算转台方位调 整的两个参数：转台的俯仰角调整和转台的水平旋转角调整。 ( 5 ) 接口通信模块 本系统作为目标跟踪系统的一部分，需要将被跟踪目标的方位信息送至固高运动 控制系统，同时为实现f r r 转台的自动跟踪，需要将f r r 转台的调整参量送至固高运动 控制系统，再由固高运动控制系统控制p r r 转台的方位调整，所以系统的接口通信部分 涉及识别跟踪系统和目标系统以及固高运动控制系统的通信 2 3 系统的硬件选型详细设计 一个完整的目标跟踪系统产品，离不开硬件和软件两部分的。硬件是整个系统性 能的基础，一个系统硬件选择的好坏对系统的整体性能有直接的影响。若硬件系统选 择有误，则不仅浪费成本，而且可能导致整个系统的功能难以实现。因此，设计实现 任何一个系统都必须对系统的硬件进行严格而慎重的选择，并对硬件性能进行测试和 分析。本小节暂时先对硬件部分进行详细的设计说明 2 3 1c c d 摄像机的选型 c c d 摄像机m 嘲的基本功能是将空间频率信号变换成视频信号。c c d 摄像机由摄像 物镜、面阵c c d 器件及c c d 驱动电源三部分组成。通过摄像物镜，将内窥镜采集到的 制动主缸补偿孔的图像成像在面阵c c d 器件的光敏面上c c d 驱动电源用于驱动c c d 器件工作，输出图像视频信号并通过图像转换，使图像最终成像在计算机屏幕上以供 检测和观察。以下是c c d 传感器相关参数的选择 ( 1 ) c c d 摄像机的工作方式 被摄物体的图像经过镜头聚焦至c c d 芯片上，c c d 根据光的强弱积累相应比例的电 荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形 成视频信号输出视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图 像相同的视频图像。 ( 2 ) 分辨率的选择 评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率，其单位为线对，即成像后可以分辨的黑 白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为3 8 0 6 0 0 ，彩色为3 3 0 4 8 0 ，其数 值越大成像越清晰。一般的监视场合，用4 0 0 线左右的黑白摄像机就可以满足要求。 而对于医疗、图像处理等特殊场合，用6 0 0 线的摄像机能得到更清晰的图像 ( 3 ) 成像灵敏度 通常用最低环境照度要求来表明摄像机的灵敏度，黑白摄像机的灵敏度大约是 0 0 2 o 5l u x ( 勒克斯) ，彩色摄像机多在l l u x 以上0 1 l u x 的摄像机用于酱通的监 视场合；在夜间使用或环境光线较弱时，推荐使用0 0 2 1 u x 的摄像机。与近红外灯配 合使用时，也必须使用低照度的摄像机另外摄像的灵敏度还与镜头有关，0 9 7 l u x f o 7 5 相当于2 5 1 u x f 1 2 相当于3 4 1 u x f l 。 9 参考环境照度：夏日阳光下1 0 0 0 0 0l u x ，阴天室外1 0 0 0 0l u x ，电视台演播室1 0 0 0 l u x ，距6 0w 台灯6 0 c m 桌面3 0 0l u x ，室内日光灯1 0 0l u x ，黄昏室内1 0l u x ，2 0 c m 处烛光1 0 1 5l u x ，夜间路灯0 1 l u x ( 4 ) 电子快门 电子快门的时间在i 5 0 i 1 0 0 0 0 0 秒之间，摄像机的电子快门一般设置为自动电 子快门方式，可根据环境的亮暗自动调节快门时间，得到清晰的图像。有些摄像机允 许用户自行手动调节快门时间，以适应某些特殊应用场合。 ( 5 ) 外同步与外触发 外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可保 证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。为了实现外同步，需要 给摄像机输入一个复合同步信号或复合视频信号。外同步并不能保证用户从指定时刻 得到完整的连续的一帧图像，要实现这种功能，必须使用一些特殊的具有外触发功能 的摄像机。 ( 6 ) 光谱响应特性 c c d 器件由硅材料制成，对近红外比较敏感，光谱响应可延伸至1 o u m 左右。其响 应峰值为绿光( 5 5 0 h m ) 。夜间隐蔽监视时，可以用近红外灯照明，人眼看不清环境情况， 在监视器上却可以清晰成像。由于c c d 传感器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以 c c d 对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、兰三色滤光条，故彩色摄像机 对红外、紫外均不敏感嘲。 ( 7 ) c c d 芯片的尺寸 c c d 的成像尺寸常用的有i 2 、l 3 ”等，成像尺寸越小的摄像杌的体积可以做得 更小些。在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。+ 按照本目标识别跟踪系统的技术指标，c c d 摄像机选用了日本松下专业摄像机。日 本产松下摄像机具有成像质量好、不失真、清晰度高等特点，对本目标跟踪系统而言， 非常适合跟踪对象进行摄像。 该c c d 专业摄像机的相关指标如下： 高分辨率； v b sa n dy c 输出； 电子线路功能： 单击白平衡； 预装数字信号处理器d s p ： t v 系统：n t s c p a l ； 图像传感器：i n t e r l i n ec c d ； 有效像素：7 5 2 5 8 2 ； 像素尺寸：8 6 x 8 3 ： 扫描线：6 2 5 l i n e s ； 分辨率：4 7 0 t vl i n e s ( 水平) 4 6 0 t vl i n e s ( 垂直) ； 信噪比：4 6 d b ： 电源；d v l 2 v 1 0 ： 尺寸：3 1 ( w ) x 2 9 ( h ) x 8 0 ( d ) ( 珊) 。 2 3 2 图像采集卡的选型 由于c c d 图像传感器与计算机异步工作，要及时采集c c d 输出信号，必须在c c d 图像输出与计算机之问加上一个高速图像数据缓冲器，即图像数据采集卡，由于一般 计算机与外设交换数据的速率相对较低，所以图像数据采集卡还解决了c c d 高速输出 与计算机低速取数的矛盾。通过图像数据采集卡的桥梁作用，计算机就可根据时序发 生器送来的同步信号，实时采集c c d 输出的数据。 图像采集卡通常具有视频输入、a d 或d a 接口、视频输出接口等，视频输出接口 可以配接摄像机、录像机、监视器等输入输出设备来构成实时图像处理系统。当一幅 图像输入以后，图像信号被板上的单路a d 或多路a d 模拟转换电路分别将r 、g 、b 三基色视频模拟信号转换成数字信号。转换后的数字信号被存入帧体内。帧存入体内 的图像数据按采集的速率一直在不断变化并被外界活动图像所更新，显示在监视器上， 通过操作命令或者用户自己编制的软件可以控制在任意时刻停止图像的更新，也可以 让显示器一壹显示被冻结时刻的图像。 按照本跟踪系统的技术指标，系统中的图像采集卡采用的是加拿大m a t r o x 公司的 m a t r o xm e t e o r 系列中的标准型l l l a t r o xm e t e o ri is t a n d a r d ，此采集卡支持 n t s c p a l r s 一17 0 c c i r ，彩色黑白p c i 采集，7 路视频输入，4 m b 视频传输缓存，可 选m j p e g 实时压缩模块，并具有触发功能；通过采集卡上的v i a ( v i d e oi n t e r f a c ea s i c ) 可以使图像高速传输到系统主存或其他p c i 设备上，最高传输速率可达到1 3 2 抽s 。采 集卡还带有r s 一2 3 2 串行通讯接口，可以实现摄像头的远程控制。为了有效利用此图像 采集卡，需要根据系统组成所使用的硬件环境对它进行适当配置，最基本的配置包括 制式选择、缓存分配、开发程序包指定等。本系统采用m i n t r o n1 6 3 l p 黑白c c d ，输出 选择p a l 制式，并为图像采集卡分配4 m b s 传输缓存。 实际应用中，我们为图像采集卡开辟了两帧图像数据大小的内存区用以图像的连 续采集，图像采集卡所分配的内存区域大小为2 7 6 8 x 5 7 6 b y t e 。为图像采集卡开辟 两帧图像缓冲区，一个缓冲区存放当前完成采集( 待处理) 的图像另一个缓冲区存放 图像采集卡将要采集的下一帧图像，目的是想通过这种双缓冲采集的方式做到实时处 理，即c p u 处理当前帧图像时，图像采集卡就可以同时采集下一帧的图像。选用的该 图像采集卡是主要性能指标如下： 支持采集n t s c 、p a l 、r s l 7 0 和c c i r 标准视频源； 双视频解码器架构适用于超快的通道切换； 可连接和切换1 6 个c v b s 通道，8 y c 或混合输入通道； 1 6 路t t l o 辅助接口和r s 一4 8 5 串行接口： 看门狗定时器用于全面监视系统的完整性： 支持3 2 位3 3 6 6 蛐zp c i 总线主模式； 圈套软件开发包，包括 l a t r o xi m a g i n gl i b r a r y ( m i l ) a c t i v e m i l , m i l - l i t e a c t i v e m i l - l i t e ； 支持m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w s x p 操作系统。 2 3 3 电机选型 伺服系统的设计通常从选择执行电机啡”开始，作为饲服系统的执行元件，应能方 便地实现连续地、平滑地可逆调速，对控制信号反应快捷，才能保证整个系统带动被 控制对象按所需要的运动。 可用作伺服系统执行元件的电机种类很多，从大的类别看：有直流伺服电机( 他 激的或永磁的) 、直流力矩电机、直流无刷电机、两相异步电机、三相异步电机、滑动 电动机、同步电动机、各种步进电动机总的来说就是直流电动机、交流电动机和步 进电动机 直流电动机特点：调速性能好，控制简单，体积小，转矩大，功率重量比大，稳 定性好，快速动态性能和较高的体积效率，安装环境要求高 交流伺服电机：转速高，转动惯量小，可满足高速运行的要求，无电刷，结构简 单，安装环境要求高，调速性能复杂。 步迸电机：转子运动位移取决于脉冲的个数，速度取决于脉冲的频率虽然有时 也和反馈装置一起形成闭环控制系统，但大多数应用于开环系统适用于低转速和高 转矩的场合，如瞬时转矩过载，定位误差不能纠正 因此要根据他们的机械特性，调速特性，过载能力，线路的复杂程度，驱动功率 的大小等因素来选择电机伺服系统带动被控对象运动，常常很难用简单的数学表达 式来描述，为便于设计计算，需合理简化，对于转动形式，被控对象运动负载有以下 几种：干摩擦力力矩( 乏一k i 咖q 砌) ，惯性转矩( 乃一_ ，宇) ，粘性摩擦力矩 ( 五一6 q ) ，重力力矩( - g ! ) ，弹性力矩( t 。- k e ) ，风阻力矩( 巧- f q 2 ) 。 选择电动机的首要依据是功率，要求电动机具有足够的功率驱动负载如果要求 电动机在峰值转矩下以最高转速不断地驱动负载，则电动机功率可按下式估算： 下 己一( 1 5 2 5 ) 盐上芝( 2 - 1 ) 。 1 0 2 4 叩 式中：匕电动机功率( k w ) ，五，负载峰值转矩( 嗍) ， b 负载最高 1 2 角速度( r a d s ) ，珂传动效率。 经估算后，被选电机核定功率最满足： 最乏写 ( 2 2 ) 为了保证伺服系统有足够的带宽以满足所需要的快速相应和精度要求，拟采用与 负载共轴的直流永磁力矩电机，在结构上充分满足系统的刚度要求，在性能上能充分 满足系统的最大速度和最小速度的要求电机参数应按下式选取： l 乏弓+ + l ( 2 3 ) 式中：乃惯性负载力矩，乃风阻力矩，l 静摩擦力矩 力矩电机的特性曲线如图所示： 屹 o l 岱m 、 图2 3 力矩电机特性曲线 图2 3 中：f 一力矩电机峰值堵转力矩；五连续堵转转矩；z 艚电机所承受的等效转矩； 理想空载转速；负载最大角速度； 连续堵转电压对应的电机理想转速 方位和俯仰力矩电机：重为1 0 k g ，力矩为2 5 n 肼，摩擦力矩为3 n 所，安全系 数取2 ，则 t 一( 2 5 + 3 ) x 2 - 1 1 小 ( 2 4 ) 根据对平台方位和俯仰的惯性力矩、摩擦力矩、转动惯量的估算以及系统对最大 速度、最大加速度的要求，方位和俯仰均直接通过永磁直流力矩电机驱动。方位和俯 1 3 仰电机都选用成都精密电机厂的j 1 6 0 l y x 0 6 永磁直流力矩电机。该电机的性能特性参 数如下所示： 峰值堵转电压：2 7 v峰值堵转电流：9 1 a峰值堵转转矩：1 7 n m 连续堵转电压：1 5 v连续堵转电流：5 0 6 连续堵转转矩：9 5 n m 最大空载转速：1 l o r m i n 电枢电阻：3 6q电枢电感：5 4 m h 转动惯量：0 0 1 8k g m 2重量：6 6 k g 2 3 4 光电编码器的选择 在闭环伺服系统的位置环中，常用的位置检测传感器有旋转变压器、光电编码器、 光栅尺、磁尺等如被测量为直线位移，则选择直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、 直线感应同步器。如被测量为角位移，则应选取圆形的角位移传感器，如光电编码器、 圆感应同步器、旋转变压器、码盘等。 为了检测伺服电机转角位移的变化，选择光电轴角编码器。轴角编码器嘲嗍是将角 位置数字信号的模数转换器，其内部有一个伺服系统电路，可给出角位置的模拟速度 信号。它又称光电角位置传感器，是一种集光、机、电为一体的数字测量角度装置。 它以高精度计量圆光栅为检测元件，通过光电转换，将输入的角位置信息转换成相应 的数字代码，并可以与计算机及显示装置相连，不仅能够实现数字测量与数字控制， 而且与其它同类用途的传感器相比，具有精度高、测量范围广、体积小、质量轻等优 点。因此，广泛应用于雷达、机器人、跟踪仪器、高精度闭环调速系统等领域。 光电编码器有绝对式光电编码器和增量式编码器两种。典型的光电轴角编码器原 理，它由轴系、光栅副、光源及光电接收元件组成当与主轴相连的主光栅随主轴一 起旋转时，和指示光栅相重叠形