基于圖像處理的運(yùn)載火箭目標(biāo)識別和跟蹤的理論探討

張亞波+胡經(jīng)民

【摘要】 火箭發(fā)射飛行的可視化是指揮決策非常重要的一部分，通過圖像處理技術(shù)，可以直觀的掌握火箭飛行過程中的關(guān)鍵動作，以及關(guān)鍵設(shè)備的工作情況。本文分析和研究了近年來國內(nèi)外成像跟蹤的前沿技術(shù)，主要綜述了基于相關(guān)的跟蹤方法、基于特征的跟蹤方法和基于模型的跟蹤方法三點(diǎn)，希望以此為基礎(chǔ)提出了一套適用于火箭目標(biāo)的識別與跟蹤算法。

【關(guān)鍵詞】 目標(biāo)跟蹤 相關(guān) 特征 模型

一、引言

目標(biāo)跟蹤已經(jīng)成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱門課題，所涉及的問題是控制、指揮、通信和情報學(xué)科發(fā)展的前沿問題。目標(biāo)跟蹤技術(shù)在廣泛運(yùn)用在國內(nèi)各個領(lǐng)域，不僅涉及到武器投射系統(tǒng)的末制導(dǎo)和飛機(jī)導(dǎo)航，而且還與工業(yè)流水線的自動監(jiān)測、光學(xué)和雷達(dá)的圖像跟蹤、導(dǎo)彈的地形和地圖匹配等也有緊密聯(lián)系。本文通過對近幾年來國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的檢索，對目標(biāo)跟蹤方法的研究現(xiàn)狀總結(jié)如下。

二、國內(nèi)外研究綜述

在 70至80 年代期間，美國率先將第一代的成像跟蹤系統(tǒng)運(yùn)用于軍隊中。美國國防預(yù)研局于1980 年聯(lián)合了軍種委員會創(chuàng)立了自動目標(biāo)識別工作小組。圖像跟蹤技術(shù)在圖像設(shè)備的推動下趨于成熟，通過圖像傳感器得到的連續(xù)圖像序列，再加以相應(yīng)的計算方法，以此分析出姿態(tài)角、線速度、位置等關(guān)于目標(biāo)運(yùn)動的資料。在圖像跟蹤系統(tǒng)比較完善的前提下，可以采用具備CCD 攝像機(jī)和雷達(dá)或望遠(yuǎn)的地面圖像探測設(shè)備來獲得目標(biāo)運(yùn)動的圖像序列，采用比較典型的邊緣檢測算子圖像的邊界進(jìn)行檢測，用此圖像跟蹤技術(shù)對目標(biāo)的位置進(jìn)行確定。我國的圖像跟蹤技術(shù)研究起步比較晚，但隨著計算機(jī)和圖像處理技術(shù)、尤其是超大規(guī)模集成電路技術(shù)（HVLSI）、大規(guī)模集成電路技術(shù)（VLSI）、以及各種傳感器技術(shù)（如微波、毫米波、激光、雷達(dá)、紅外）等技術(shù)因素在近些年內(nèi)都有比較大的進(jìn)步，在國際大環(huán)境的影響和國內(nèi)政府的大力扶持下，圖像跟蹤技術(shù)在很好的研發(fā)氛圍下得到了必要的技術(shù)條件和理論基礎(chǔ)的支持。

三、目標(biāo)跟蹤方法綜述

3.1 基于相關(guān)的跟蹤方法

簡言之，在當(dāng)前幀中的區(qū)域里搜索到與上一幀中目標(biāo)區(qū)域的最大相關(guān)性（correlation），這就是目標(biāo)跟蹤方法的主體思想。其具體實(shí)施方法就是在實(shí)時圖像上將系統(tǒng)的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行不同的偏移值位移，然后遵循現(xiàn)有的相似性度量準(zhǔn)則，對每一個偏移值下重疊的基準(zhǔn)圖像及與基準(zhǔn)圖像同樣大小的實(shí)時圖像即進(jìn)行相關(guān)處理，最后再依照判別準(zhǔn)則進(jìn)行相關(guān)結(jié)果的處理，從而得出在實(shí)時圖像中分析出所被跟蹤目標(biāo)的位置。

3.2 基于特征的跟蹤方法

跟蹤方法的基本思想可以概括為：在進(jìn)行跟蹤時，沒有對目標(biāo)的每一點(diǎn)都進(jìn)行跟蹤的必要，只要能對目標(biāo)上的某一特征點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，對整個目標(biāo)的跟蹤就可以完成。只要保證目標(biāo)的質(zhì)心或任意一點(diǎn)具有高度的穩(wěn)定性，都可以作為跟蹤的特征點(diǎn)，其高度的穩(wěn)定性是指對外界因素如噪聲、光照強(qiáng)度的變化等影響因素的抗干擾能力比較強(qiáng)。其主要思想是在實(shí)體圖像中抽取出一組能代表目標(biāo)信息的特征序列，與標(biāo)準(zhǔn)的特征序列進(jìn)行比對，特征點(diǎn)選擇范圍比較廣，例如目標(biāo)的方位、大小和照度變化的敏感度，圖像的特征可以是幅度分布、頻譜，幾何特征如點(diǎn)、線、面、邊緣、紋理等。

3.3 基于模型的跟蹤方法

通過利用點(diǎn)、線、區(qū)域，此方法將被跟蹤的目標(biāo)擬合成一個幾何模型，運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤變成了目標(biāo)識別問題。這種方法含有高層的語義描述和知識，因此，相對于其它的跟蹤方法，它具有更強(qiáng)的可靠性。模型空間可以是真實(shí)的 3D 世界或者是簡單的2D投影。因為此方未能能夠目標(biāo)的特殊性質(zhì)進(jìn)行充分的利用，相對于其他僅限于利用目標(biāo)一般特征的方法，這種方法占有更明顯的優(yōu)勢，在復(fù)雜環(huán)境下這種優(yōu)勢更為明顯。它的不足，就是需要計算復(fù)雜的模型、處理模型的平移、旋轉(zhuǎn)和變形等特征，從而所耗費(fèi)比較多的計算時間。由于這種物體存在線框模型，這種跟蹤方法比較適合用于對多面體人造物體的跟蹤。

四、總結(jié)

己有多年研究的目標(biāo)跟蹤技術(shù)已經(jīng)具備許多算法。針對于剛體目標(biāo)和非剛體目標(biāo)的跟蹤都有相應(yīng)的計算方法、還有一些計算方法的提出是用于提高跟蹤匹配的準(zhǔn)確性和縮小目標(biāo)搜索范圍。無論是在民事上還是在軍用上，運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤技術(shù)都發(fā)揮著非常突出的實(shí)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 尹宏鵬，柴毅，屈劍鋒，翟茹玲. 基于多關(guān)聯(lián)模板匹配的火箭目標(biāo)跟蹤算法[J]. 計算機(jī)工程，2009，18：31-33+36

[2] 霍克. 國產(chǎn)新型艦艇的多用途艦載火箭炮[J]. 艦載武器，2009，10：27-32

[3] 尹宏鵬，柴毅，，魏洪波，郭茂耘. Mean-shift改進(jìn)算法在火箭目標(biāo)跟蹤中的應(yīng)用[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報，2010，04：120-126