基于图像的目标自动跟踪系统_魏伟波

Ｍｅａｎ Ｓｈｉｆｔ 是一种根据色彩进行聚类分析的算法，它的实 现过程包括以下几个步骤：
（１）设定一个搜索窗口的大小； （２）确定搜索窗口的初始位置； （３）计算搜索窗口的形心； （４）将新的搜索窗口的中心置于步骤 ３ 得到的结果； （５）重复步骤 ３ 和步骤 ４ 直至收敛（或者形心移动的距离 小于事先设定的阈值）。 对于离散的二维概率分布图像，搜索窗口的形心可通过如 下计算搜索窗口的矩来得到［４］： 计算零阶矩：
１．青岛大学 信息工程学院，山东 青岛 ２６６０７１ ２．南京理工大学 动力工程学院，南京 ２１００９４ ３．中国电子科技集团公司 第二十八研究所，南京 ２１００１４ １．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６０７１，Ｃｈｉｎａ ２．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９４，Ｃｈｉｎａ ３．Ｔｈｅ ２８ｔｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１４，Ｃｈｉｎａ Ｅ－ ｍａｉｌ：ｎｊｕｓｔｗｗｂ＠１６３．ｃｏｍ
本文采用一种新的非参数化跟踪算法— ——连续自适应平 均值迁移（ＣＡＭＳＨＩＦＴ）算法［１］，建立了目标自动跟踪系统，进行 了目标自动跟踪系统试验，为基于图像制导的精确打击武器的 研究打下了基础。试验证明该系统具有较好的实时性和鲁棒性。
２ 系统的组成及设计原理 ２．１ 系统组成
目标自动跟踪系统由计算机、图像采集卡（ＮＩ 的 ＰＣＩ－ １４１１ 彩色图像采集卡）、ＲＳ２３２－ ４８５ 转换器、云台、摄像头、目标小车 和稳压电源组成，如图 １ 所示。
ＣＡＭＳＨＩＦＴ 算法的整个过程如图 ３ 所示，虚框部分是 ＣＡＭＳＨＩＦＴ 算法的核心，主要目标是在视频图像中找到运动目
Ｍ００＝!!（Ｉ ｘ，ｙ） ｘｙ
计算 ｘ 和 ｙ 的一阶矩：
Ｍ１０＝!!ｘ（Ｉ ｘ，ｙ），Ｍ０１＝!!ｙ（Ｉ ｘ，ｙ）
ｘｙ
ｘｙ
搜索窗口的形心为：
ｘｃ＝
Ｍ１０ Ｍ００
，ｙｃ＝
Ｍ０１ Ｍ００
目前已有的目标跟踪技术的算法很多，主要可分为基于运 动的方法和基于模型的方法两大类。基于运动的方法必须能够 对运动一致性进行长时间稳健地分组，这类方法通常具有较快 的速度，但常常在处理非刚性运动或非刚性目标时遇到困难。 基于模型的方法相对于前者更为可靠，但代价是计算量大，而 且由于需要处理目标的尺度、平移、旋转和变形的原因，描述目 标的模型复杂。近年来，非参数估计等稳健统计方法在目标跟 踪等计算机视觉问题中得到了较为广泛的应用。
ＷＥＩ Ｗｅｉ － ｂｏ，ＲＵＩ Ｘｉａｏ － ｔｉｎｇ，ＹＡＮＧ Ｆｕ － ｆｅｎｇ，ｅｔ ａｌ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒ ａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔａｒ ｇｅｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｍａｇｅ ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７，４３（２７）：１９０－ １９２．
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｒａｐｉｄｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｉｓ ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｗｅａｐｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｗａｒ． Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｖｅｒａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ｈｏｔ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｍａｇｅ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｉｕｍ ａｎｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｐｒｉｎｃｉｐｉｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｃｏｎｔｉｎｕ－ ｏｕｓｌｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｍｅａｎ Ｓｈｉｆ（ｔ ＣＡＭＳＨＩＦＴ） ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｎ ｉｍｐａｒａｍｅｔｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｒａｃｋ ｏｂｊｅｃｔ．Ａ ｌｏｔ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ ａｃｈｉｅｖｅ ｔａｒｇｅｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ＣＡＭＳＨＩＦＴ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｉｍａｇｅ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｃｋｉｎｇ
３．４ 串行通讯
按照云台控制协议，在程序中首先需要将串口初始化，设 置为半双工，传输速率为 ９ ６００ Ｂ／ｓ 的模式。然后，按照规定的 数据格式向串口发送控制编码。云台内置解码器和控制器，能 够直接接收控制编码调整两个电机的转速。
计算机与云台之间的通信是通过串行通信实现的。系统的 串口通信部分调用 Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ 来控制串口，接受 ＰＩＤ 控制 部分提供的转速数据，与上一次的云台转速进行比较，如果不 在同一范围内，就按照云台控制协议将其转换字符编码，通过 串口发送控制编码调整云台转速，否则就不采取任何操作。
１ 引言
基于图像的目标自动跟踪技术是应用视觉的重要研究方 向之一，是现代战争实施精确打击的关键技术之一，在军事和 民用领域都有着广泛的应用前景。由于目标自动跟踪实际应用 对实时性和可靠性有很高的要求，图像的噪声、模糊、各种干 扰、光照的变化，目标的运动、变形等因素始终困扰着各种目标 自动跟踪的实现，基于图像的目标自动跟踪系统的研究具有极 其重要的理论与实用价值。
摘 要：快速准确地跟踪目标是现代战争精确制导武器的基本要求，提高跟踪系统的实时性和准确性成为国内外目标跟踪技术的 热点。建立了一套基于图像的目标自动跟踪系统，介绍了系统组成、设计原理以及算法原理。系统采用了一种非参数化跟踪算 法— ——连续自适应平均值迁移（ＣＡＭＳＨＩＦＴ）算法来追踪目标，为精确制导武器的基于图像的目标自动跟踪技术奠定了重要的基 础。试验证明该系统实现了目标自动跟踪功能，算法简洁，实时性和鲁棒性好。 关键词：连续自适应平均值迁移算法；图像；自动跟踪 文章编号：１００２－ ８３３１（２００７）２７－ ０１９０－ ０３ 文献标识码：Ａ 中图分类号：ＴＰ３９１．４
１９０ ２００７，４３（２７）
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 计算机工程与应用
基于图像的目标自动跟踪系统
魏伟波 １，芮筱亭 ２，杨富锋 ２，陆文广 ３ ＷＥＩ Ｗｅｉ－ ｂｏ１，ＲＵＩ Ｘｉａｏ－ ｔｉｎｇ２，ＹＡＮＧ Ｆｕ－ ｆｅｎｇ２，ＬＵ Ｗｅｎ－ ｇｕａｎｇ３
魏伟波，芮筱亭，杨富锋，等：基于图像的目标自动跟踪系统
２００７，４３（２７） １９１
标所在的位置，这一部分称为均值迁移（Ｍｅａｎ Ｓｈｉｆｔ）算法［３］。
云台水平和上下旋转的指令，用以跟踪目标小车的运动。 目标自动跟踪系统的控制过程［２］如下：在摄像头视场范围
内选择要跟踪的目标如小车，将小车的图像通过视频数据线传 输到计算机内的图像采集卡中，根据运动目标跟踪算法确定小 车位置和大小，并计算出小车的纵向和侧向偏转角，由 ＰＩＤ 控 制程序生成控制指令，通过串口和 ＲＳ２３２－ ４８５ 转换器传输给 云台控制器，控制摄像头跟踪小车的运动，使小车始终位于摄 像头的视场中心。系统的工作流程如图 ２ 所示。
２．２ 系统的设计原理
目标自动跟踪系统由稳压电源供给计算机和云台 ２２０ Ｖ 电源，ＲＳ２３２－ ４８５ 转换器通过数据输出线连接云台（云台的转 动控制信号是通过工业标准的 ＲＳ４８５ 协议实现的，由于计算 机只具有 ＲＳ２３２ 接口，需要一个 ＲＳ２３２－ ４８５ 转换器来连接云 台控制信号线与计算机），传输由计算机通过串口发出的控制
３．２ 目标跟踪算法
目标跟踪算法是整个目标自动跟踪系统的核心，本文采用 了基于连续自适应平均值迁移（ＣＡＭＳＨＩＦＴ）算法。
ＣＡＭＳＨＩＦＴ 算法［１］是基于连续图像颜色动态变化的概率分 布获得的一种有效的目标跟踪算法，具有鲁棒性强和实时性好 等优点。它利用目标的颜色特征在视频图像中找到运动目标所 在的位置和大小，在下一帧视频图像中，用运动目标当前的位 置和大小初始化搜索窗口，重复这个过程就可以实现对目标的 连续跟踪。当追踪有色目标时，ＣＡＭＳＨＩＦＴ 算法从图像的颜色 柱状图获得颜色概率分布。当目标随时间运动时，图像的色彩 概率分布也随着变化，因此可以根据图像色彩的概率分布变化 来追踪目标。
式中，（Ｉ ｘ，ｙ）为图像中位于点（ｘ，ｙ）处的像素值，ｘ、ｙ 在整个搜
索窗口范围取值。搜索过程结束时，形心所在的位置就是被跟
踪目标当前时刻所在的位置。
Ｍｅａｎ Ｓｈｉｆｔ 算法是基于图像颜色的静态概率分布进行的，
而 ＣＡＭＳＨＩＦＴ 算法则基于图像颜色的动态概率分布。在连续
的视频图像序列中，运动目标的大小和位置的变化容易导致相
小于事先设定的阈值）。
ＣＡＭＳＨＩＦＴ 算法在每次搜索前将搜索窗口的初始值设置
为运动目标当前的位置和大小，由于搜索窗口就在运动Hale Waihona Puke Baidu标可
能出现的区域附近进行搜索，这样就可以节省大量的搜索时
间，使 ＣＡＭＳＨＩＦＴ 算法具有良好的实时性。同时，ＣＡＭＳＨＩＦＴ 算
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Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 计算机工程与应用
法是通过颜色匹配找到运动目标的，具有良好的鲁棒性。
３．３ ＰＩＤ 控制
ＰＩＤ 控制程序采用 Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎ（ｔ ＮＩ）的 ＬａｂＶＩＥＷ ７．１ 编写，利用 ＮＩ 的 ＰＩＤ 工具箱实现了控制功能。ＰＩＤ 控制程序作 为一个 ＤＬＬ，接受视频跟踪程序的调用，生成控制信号，传输给 云台控制器。
３ 系统的软件原理
目标自动跟踪系统的软件主要由视频采集、目标跟踪、ＰＩＤ 控制和串行通讯四部分组成。
３．１ 视频采集
系统进行视频采集前，首先要对硬件进行初始化，调用 ＮＩ ＩＭＡＱ 驱动程序接口来设置图像采集卡 ＮＩ ＰＣＩ－ １４１１ 的各项 参数，将其设置为硬件循环采集图像模式，硬件将图像转换到 ＨＳＬ 色彩空间，而且只输出 Ｈ 通道的信号，降低了信号的传输 量；同时将板载的 １６ ＭＢ 内存组成一个缓冲队列，这样就可以 充分发挥 ＰＣＩ 总线的猝发传输能力，并且使 ＣＰＵ 从图像采集、 数据传输、图像转换这些耗费资源的工作中解脱出来，大幅提 高程序的性能。初始化之后就可以进行视频采集了。
应的概率分布动态变化，ＣＡＭＳＨＩＦＴ 算法自适应概率分布的动
态变化，根据概率分布的变换情况调整搜索窗口的大小和位
置。其算法实现步骤如下：
（１）初始化搜索窗口的初始位置；
（２）进行均值迁移（一次或多次迭代），保存搜索窗口的零
阶矩；
（３）设定搜索窗口的大小为步骤 ２ 中零阶矩的一个函数；
（４）重复步骤 ２ 和步骤 ３ 直至收敛（或者形心移动的距离
系统将计算机通过串口发出的控制云台水平和上下旋转 的指令传输给云台控制器，控制摄像头跟踪小车的运动，保证 小车始终位于摄像头的视场中心，这样就实现了系统的跟踪 功能。
４ 系统跟踪试验
利用建立的目标自动跟踪系统进行了一系列相关试验。系 统实物如图 ４ 所示。
５ 结论
目标自动跟踪技术是一个具有挑战性的研究领域。尽管这 方面的研究已经进行了多年，并取得了一些成就，但是由于问 题的复杂性，目前没有哪一种算法可以在所有的场合和条件下 通用。本文即是在一定的假设和条件下，以 ＣＡＭＳＨＩＦＴ 算法为 核心跟踪算法，建立了目标自动跟踪系统，多次试验验证了系 统具有较好的实时性和鲁棒性，为精确制导武器基于图像的导 引头的研究打下了基础。初始搜索窗口的选取即目标的自动识 别，是下一步研究的重点。（收稿日期：２００７ 年 ４ 月）
基金项目：国家部委基础预研项目。 作者简介：魏伟波（１９８１－ ），男，博士，讲师，主要研究领域：目标识别、图像处理等；芮筱亭（１９５６－ ），男，教授，博导，主要研究领域：多体系统动力
学；杨富锋（１９７８－ ），男，博士后，主要研究领域：系统仿真，自动控制；陆文广（１９７５－ ），男，博士，工程师，主要研究领域：目标识别。