一種新型的活動目標軌跡記錄算法

溫慶福，郭向東

(1.電子科技大學光電信息學院，四川成都610051;2.安徽現代電視技術有限公司成都研發中心，四川成都610017)

記錄活動目標軌跡是對運動目標監測和跟蹤的一項重要內容［1］。尤其是在對飛行器的實時坐標定位及飛行軌跡的記錄，在航空航天等領域起著重要應用。對這些目標的運動空間軌跡的自動記錄非常復雜［2］，除了必須具備一系列先進的科學儀器設備外，還要進行大量的數據處理和復雜的數學建模分析才能實現［3］。

在圖像的識別與跟蹤中，為了增強人的信息判斷力，通常需要顯示出活動目標的軌跡［4］。為了解決跟蹤存在的問題，需要對目標的軌跡進行預測［5］。如果圖像出現了許多個目標，可以根據預測軌跡范圍剔除虛假目標;如果預測目標軌跡誤差在允許的范圍內，則在連續幾幀失去目標仍可以跟蹤，提高跟蹤的可行性［6］。但是如果直接將這些點送入軌跡檢測環節(包括大量的復雜運算，如乘法、除法等)進行軌跡預測、匹配，不僅運算量大、消耗硬件資源多，還對系統的實時性提出很高要求［7］。傳統的基于硬件的電路，要實現目標軌跡的記錄，所需存儲容量與軌跡需要記錄的時間，單幀圖像大小和圖像幀頻成正比［8］。通常在硬件資源成本和體積上開銷很大。而且使用的器件越多，流程越長，系統的穩定性越低。

因此，本文提出一種新型活動目標軌跡算法。該算法不再受圖像頻率和顯示時間的限制，根據軌跡所需保留時間長短來調整傳遞函數，僅僅需要一個幀存器就能實現。對非計算機系統，極大地減小硬件的體積和降低成本，提高系統的穩定性。尤其是在便攜式設備中，優勢相當明顯。同時，避免了將軌跡不作區分的顯示。該方法可根據速度大小、顯示時長等因素，自行設定軌跡的顯示。

1 循環遞歸疊加法

所謂活動目標蹤跡，就是要在當前第i幀畫面上，既要顯示當前活動目標的位置，還要顯示過去第i－1，i－2，…，i－n幀該活動目標的位置信息。過去n幀的蹤跡保留記錄，一般需要n個幀存儲器才能實現。采用n個幀存儲器，設備量大增，成本大增。本文僅用一個幀延遲器來完成n幀疊加處理的功能，即循環遞歸疊加法。本文設計的遞歸傳遞函數為

式中:k是變換系數;z－1表示延遲1幀。

將式(1)傳遞函數轉換成電路，一個四端網絡。已知當前第k幀帶有活動目標信息的圖像Ro(x，y)作為網絡的輸入，Ro(x，y)是經過二值化處理的值。設該網絡的輸出信號(經傳遞函數運算處理后，載有活動目標歷史記錄以及當前目標信息的色差信號)為輸出Rch(x，y)=Ro(x，y)·H(z)。也就是說，輸入Ro(x，y)乘以傳遞函數H(z)等于輸出Rch(x，y)，這就是傳遞函數的定義，如圖1所示。

圖1 H(z)傳遞函數的四端網絡

根據四端網絡的傳遞函數定義:“輸出信號”=“輸入信號”·“傳遞函數”，則有

將式(2)翻譯成電路，如圖2所示。

圖2 循環遞歸疊加電路原理圖

1.1 幀延時

如圖2所示，“z－1”就是1個幀延遲器。首次循環疊加前，應將系統的所有存儲器清零，去掉先前時刻保持的信息。也就是第一幀時Rch(x，y)等于Ro(x，y)+0。將輸出信號Rch(x，y)經 1 幀延遲后成為Rch(x，y)·z－1信號。

1.2 變換系數k

k為變換系數，Rch(x，y)·z－1信號乘k得到Rch(x，y)·k·z－1反饋信號。將“活動目標軌跡”作為歷史記錄，變換系數k的取值，對軌跡記錄時間和記錄效果起著十分重要的作用。本文設定當前時刻目標點的灰度值為M，該目標點消失時為m。顯示的時間為T，T通常取單幀圖像顯示時間的整數倍。圖像顯示的幀頻為F，k與T對應的關系為

當k=1時，軌跡始終保留著，甚至活動目標消失后，它仍存在。但如果k取值過小，灰度值迅速降低，不利于形成軌跡顯示，如k取0.5時，軌跡時間過短。因此，k值范圍一般為0.5≤k＜1。若運動的目標過多，k的取值過于趨近1，歷史記錄太多將占滿屏幕，顯示過于繁雜，勢必影響對當前目標的關注力。因此，在設計k的取值時，需要綜合考慮運動物體的數目、速度，以及需要顯示的軌跡時間，以便識別。從而能達到軌跡適度清晰的顯示，使畫面清爽。在灰度圖像中，采用該算法直接改變圖像的灰度值，能得到很好的顯示效果。k取值不同時，將影響灰度值的變化的。亮度值的范圍通常為16～235。

圖3為灰度值Y(k，f)的函數圖。橫坐標f表示幀數，縱坐標為灰度值Y。坐標圖表示了取不同變換系數k值時，各幀f對應灰度值Y的函數圖。即活動目標在第0幀時出現，被賦予最大灰度值235。在以后各種幀中，運用循環遞歸函數得到目標顯示的灰度值。圖中6條函數線表示k分別取:1.00，0.95，0.90，0.80，0.70，0.50，對應0～50幀的灰度值曲線。由圖3可以看出，從同一時刻開始，在相同幀，k越大對應的圖像灰度值越大。最上方直線表示k=1，即灰度值恒為235，下方的虛線為灰度值恒為16的圖像。因此，k取值越趨近于1，Y衰減越慢，軌跡保留的時間就越長。

圖3 灰度值Y(k，f)的函數圖

在這樣的軌跡顯示中，即使存在某幀目標的漏檢測，同樣能有效形成軌跡的顯示，不影響效果。所以在遠距離的運動小目標的檢測顯示中，能極大增強人對目標的識別。

1.3 “+”疊加

實現“+”，即Ro(x，y)+Rch(x，y)·kz－1，將其值送入，繼續此循環。在運用該算法進行軌跡的記錄前，應先對目標圖像進行檢測，運用相應的目標檢測算法，將提取的目標區域進行圖像二值化處理，即目標區域的灰度值為“1”，其他像素灰度值為“0”。

這樣可盡量減小虛假目標或噪聲對軌跡顯示的影響，極大提高圖像軌跡的顯示效果，使畫面更加清晰。

2 活動目標軌跡

使用該算法，活動目標軌跡示意圖見圖4。ti表示當前第i時刻的目標，ts表示固定靜止目標。因為目標在第i－n幀到第i幀一直出現在相同的位置，或者運動速度十分小，幾乎可視為靜止。ti－n表示i之前的第n時刻的出現位置。運動目標，見圖中ti－n～ti，在不同幀出現的位置不同，并且被分別記錄下來。

圖4 活動目標軌跡示意圖

3 算法實現與實驗結果

3.1 算法實現

對不同k值的軌跡進行實驗，在現場可編程門陣列(FPGA)中實現。其硬件結構如圖5。其中的FIFO也就是上文中提到的“z－1”，1個幀延遲器。

圖5 硬件結構

3.2 實驗結果

FPGA輸入信號采用國際電聯定義的ITU－R BT.656數字圖像接口標準［9］，幀頻為25 Hz，分辨力為720×576的PAL制式視頻信號［10］。圖6為經過目標檢測二值化后的圖像。

圖6 原始視頻圖像

圖7 分別對應k=0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，0.973 4 時的軌跡。不同的k依次對應的顯示時間分別為:0.16 s，0.24 s，0.32 s，0.48 s，1 s，4 s。當然根據需要，其他情況與上文相同，若要顯示60 s，則可把k設為0.998 2。

對應不同的k值，視頻圖像通過幀循環疊加算法處理后結果如圖7所示。已經能在一定程度上識別出目標的運動軌跡。特別是對于圖7f(k=0.973 4)的軌跡。可以判讀出目標從右上方進入，在中間拐彎向右下方運動。對于那些被檢測的亮度的目標，如圖7中正右方的目標，它始終沒有軌跡，因此可以判斷為靜止目標或者是運動速度極小的趨于靜止的目標。

4 小結

本文針對硬件系統中活動目標軌跡的保存和顯示進行了深入研究，解決了過去硬件中需要多個幀存器才能實現軌跡顯示的問題。經一系列的理論推導和實驗表明，幀循環疊加算法，通過調整相應的k值就可實現不同時間長短需要的軌跡顯示，操作簡單，能有效解決目標軌跡問題。特別是在遠距離運動小目標問題中，將極大增強人為的二次辨別的能力。

圖7 不同k值對應的軌跡

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