空間軌跡追蹤研究現狀及發展趨勢

朱振朋陳洪波馮 濤高 青劉 喻

（1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學生命與環境科學學院，廣西 桂林 541004）

空間軌跡追蹤研究現狀及發展趨勢

朱振朋1,2陳洪波2馮 濤1,2高 青1,2劉 喻1,2

（1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學生命與環境科學學院，廣西 桂林 541004）

文章從軌跡跟蹤概念入手，介紹了空間軌跡跟蹤技術應用領域，同時對基于傳感器、網絡、視頻、光學檢測方法的空間軌跡跟蹤技術原理與研究進展進行了總結，對不同的方法進行了分析與討論，最后對空間軌跡跟蹤的發展趨勢進行了展望。

軌跡跟蹤；研究現狀；發展趨勢

1 研究背景

隨著計算機科學的不斷發展，人機交互技術越來越受到人們的重視，空間定位與運動軌跡追蹤系統將作為動作檢測與輸入設備被廣泛應用于虛擬現實人機交互領域。目前，用于虛擬現實人機交互過程的空間定位與軌跡追蹤系統主要有磁追蹤系統、激光追蹤系統和基于三維計算機視覺的定位系統。

運動軌跡是指由物體從開始位置到結束位置所經過的路線而組成動作的空間特征。軌跡的形態（即表現形式）有直線的、曲線的、拋物線的三種。

2 空間軌跡跟蹤的應用領域

隨著科技發展，軌跡跟蹤技術越來越先進，同時也展現出了很大的應用前景[1]，在一些領域有著無法取代的作用。比如機器人運動跟蹤、攝像機運動軌跡跟蹤、礦井人員位置跟蹤、船舶運動跟蹤、醫療器械等。

機器人運動軌跡跟蹤。在移動機器人領域，實現機器人運動軌跡跟蹤可以通過利用超聲波定位原理[2-3]，聲達時間差原理[4]等方法。超聲波定位原理是利用基于到達時間和到達時間差的兩種算法進行了分析研究，利用時間差來測距，當獲得3個或者3個以上的距離值時，可以根據三邊測量法等方法確定坐標。聲達時間差原理是利用正四面體麥克風陣列，并通過數據采集器將其所采集的聲音信息傳遞給機器人，設計實現了完整的機器人聽覺系統，根據正四面體陣列結構和聲音球面波傳播模型，建立精確的幾何定位計算模型，在此基礎上推導出基于遠場假設的聲源定位計算模型，提出了一種結合機器人主動運動的全范圍聲源定位方法。關于針對機器人的軌跡的優化和抗干擾提高精度方面也成為一個研究的熱點，比如基于DMOC的軌跡優化及最優控制方法[5]和基于數據擴展自抗擾控制器的飛行機器人模型翼傘軌跡跟蹤控制[6]。此外，在工業機器人領域，對機器人的軌跡分析也是一項必不可少的內容，比如控制焊接機器人的機械手臂軌跡的研究[7]。

攝像機運動軌跡跟蹤[8-10]。攝像機運動軌跡跟蹤技術在影視制作中的應用主要是對真人拍攝場景與數字技術制作的三維特效進行完美合成，以此提高影視作品的質量。攝像機運動軌跡跟蹤技術的生成原理主要是利用計算機對二維畫面的像素進行檢測，對其畫面中的元素進行運動分析，對拍攝實物在虛擬的三維坐標中進行準確定位，以此通過三維虛擬場景得到原始拍攝實物的運動軌跡。經過運算得出攝影機原始的運動軌跡，當三維畫面需要與實拍畫面進行技術合成時，使虛擬攝像機與實拍攝像機共同運作，這樣合成景物的運動跟拍就更加和諧、自然。

礦井人員位置跟蹤。礦井由于礦井作業環境特殊復雜，礦難事故頻繁發生，導致其安全生產備受關注。礦井人員定位系統，及時掌握井下作業人員的活動情況，方便對井下人員、設備進行合理調度，為災后人員搜救工作提供有力依據，具有一定的現實意義。目前礦井跟蹤技術主要是通過無線網絡[11]包括基于RFID技術[12-13]、基于WiFi技術[14-15]、ZigBee無線網絡[16-17]，其原理是利用采用無線通信技術來設計人員定位系統，即工作人員佩戴小型無線通訊模塊節點作為移動點，礦井通道設置固定點，移動點將信號發送到固定點，然后通過固定點傳回監控中心。

汽車船舶等交通工具運動軌跡跟蹤。軌跡跟蹤定位技術的船舶定位系統[18]就是基于32位RISC處理器的嵌入式技術，利用高性能處理器來設計一個用于小型船舶定位系統的通信終端，基于GPS、SOTDMA通信技術實現小型船舶定位系統通信終端。針對海上環境復雜多變，Yang等[19]提出相應的抗干擾跟蹤措施來保證船舶運動軌跡的正常定位。

在醫學領域的應用。軌跡跟蹤技術用于臨床手術的應用[20]，如采用微小傳感器線圈跟蹤測量醫用級別金屬器件的技術，實現了在遮擋的情況進行精準實時的空間三維測量。將NDI Aurora電磁跟蹤系統的探針與內窺鏡安在一起，通過內窺鏡的導管及導絲，系統的界面上可以實時得到前端在人體體內的實時形態，可指導腸鏡的操作提高診治成功率。利用動態X線影像技術和高精度光學三維跟蹤技術[21]測量膝關節置換前后的三維運動學參數來研究膝關節損傷機理和評估術后重建效果，也是一個典型的研究案例。

軌跡跟蹤技術不僅可以用于實物跟蹤也可用于對時空信號的跟蹤，Mingyu等[22]就是將跟蹤技術應用于時空領域的一個典型的案例。

3 軌跡追蹤主要方法

3.1基于傳感器的空間運動軌跡跟蹤

基于加速度傳感器的二次積分的方法[23-26]是通過加速度傳感器確定目標物體運動路線，依據加速度積分計算原理和坐標變換方法，利用高精度三軸MEMS加速度傳感器和陀螺儀設計了一套新的三維空間自由定位與軌跡追蹤系統。其主要的原理為基于數學物理原理，通過對移動物體的運動加速度二重積分可求得物體的運動位移。該追蹤模型中，我們使用加速度傳感器高頻率不斷檢測目標物體的實時三維運動加速度，同時分別對三組加速度數據進行積分運算，求得被追蹤目標物體的瞬時運動速度與累計空間運動軌跡。因為在傳感器的運行過程中需要考慮空間翻滾等狀況，所以需要陀螺儀測量運動狀態下旋轉的角速度來計算空間偏移量，利用旋轉矩陣的方法將陀螺儀輸出的角速度值轉換到地理坐標系中。

基于加速度傳感器計算角度和位移傳感器計算位移的方法[27-28]通過加速度傳感器和位移傳感器確定物體的運動姿態，利用加速度信號矢量幅值的信息熵負值判斷人體是處于何種動作狀態。將得到的靜態動作的三軸加速度信號分別校準后，求取每幀信號的幅值均值，并計算與重力加速度方向的夾角，用以確定身體姿態信息。通過得出的角度來判斷當前某個部位的運動軌跡，此方式并沒有計算運動的位移只是用來確定物體上下左右的軌跡的判定，既可以用來判定人體或物體的運動趨勢，位移傳感器能直觀測量物體的位移量，因此再結合位移傳感器獲取位移量即可得出空間的運動軌跡。

基于位移傳感器測量三軸位移量實現跟蹤軌跡的方法[29]是利用位移傳感器監測三個方向的位移量，測出三個方向的位移量之后采用MATLAB經過數據處理可以得出空間運行軌跡。傳感器在坐標系 XYZ中的坐標分別為:S1(P,0,0)、S2(0,-a/2,H)、S3(0,a/2,H)，測量時將3個傳感器的拉線端拉至受試者N點處，并固定N點到傳感器S1、S2、S3的距離分別為l1、l2、l3，通過數據采集卡采集整個過程中3個傳感器的輸出值，即l1、l2、l3，通過計算可以得到任意時刻N點的坐標(xN,yN,zN)。

當前微型儀器的利用已經非常廣泛，基于傳感器的追蹤系統具有靈敏度高，價格低，易于控制的特點，加速度傳感器在運動方面的也得到廣泛使用。

3.2基于網絡的移動物體軌跡定位追蹤系統

基于網絡的移動物體軌跡定位追蹤系統是指基于無線傳感器網絡定位技術，并在此基礎上實現了一個軌跡追蹤系統。

基于ZIGBEE無線傳感器網絡的移動物體軌跡追蹤的方法[30-32]是一種基于RSSI方法和CC2431的定位引擎對移動物體進行定位。采用的無線傳感器為ZIGBEE。傳感器節點定位過程中,未知節點在獲得對于臨近信標節點的距離,或獲得臨近的信標節點與未知節點之間的相對角度后,通常使用三邊測量法和三角測量法方法計算自己的位置。距離相關定位算法也稱為基于測距的定位算法,其主要通過測量節點間的實際距離或角度方位對未知節點進行定位的一種算法,較常用的距離相關定位算法有如下幾種：基于到達時間(TOA)的定位算法，基于到達時間差(TDOA)的定位算法，基于到達角度(AOA)的定位算法，基于接收信號強度指示(RSSI)的定位算法。

基于超聲波網絡的定位軌跡跟蹤[33-35]采用一個主測距器和若干個應答器組成定位系統。先利用射頻信號激活應答器然后接受超聲波信號，利用時間差來測距，當獲得3個或者3個以上的距離值時，可以根據三邊測量法等方法確定坐標。

3.3基于視頻的軌跡跟蹤

基于視頻的軌跡跟蹤是指在某區域安裝視頻攝像頭，通過攝像頭采集人體或者物體的運動圖像，然后通過視頻圖像分析的方法，實現軌跡跟蹤。

基于人體形狀分析的檢測方法[36-37]通過攝像頭獲得視頻人體形狀的描述信息，使用能夠表征人體運動軌跡特征的形狀上下文(Shape Context)來匹配人體當前的身體運動軌跡，進而分析的方法來判斷人體的運動軌跡。

基于頭部運動軌跡的檢測方法[38-40]利用人體運動過程中頭部運動速度特征較為明顯的特點，提出了基于頭部運動軌跡的檢測系統，即通過攝像頭采集人體圖像，并定位頭部位置，計算頭部運動速度，以頭部運動速度為依據，確定人體頭部的運動軌跡。

基于視頻的軌跡跟蹤系統適用于狹小局限的空間，不需要與物體或者人體進行直接的接觸，檢測準確率高。但是這種監測系統存在很大的局限性，比如在昏暗的天氣下畫質影響較大；存在無法拍攝的角度，加入被監測者超出攝像頭的范圍時，系統就無法獲得其活動數據；而且容易侵犯被監測者的隱私安全。

3.4基于光學跟蹤技術

光學跟蹤技術是指利用光學測量和成像原理，測量、記錄目標的運動軌跡、姿態、運動中發生的事件，以及目標的紅外輻射和視覺（可見光）特征。物體或其他活動目標，利用其本身發射出的光學或準光學(紅外)輻射,是能夠識別出來的通過輻射搜索裝置,就可沿目標的軌跡進行自動跟蹤，或沿預定路程進行遙控這些目標。

光學跟蹤系統根據成像的光源不同可分為可見光波段成像，根據光學標靶作為跟蹤對象的不同可分為主動式反射和被動式反射標靶。可見光波段成像系統是應用最廣泛的成像系統使用方便、價格低廉；并且由于其“可見”性，因此，適合人類肉眼觀測評估。近紅外波段光學定位跟蹤系統抗干擾能力更強。前者主要應用于手術導航和機器人輔助手術領域；后者則主要應用于運動捕捉和工業測量等領域。主要跟蹤技術有多視角光學定位[41]，基于主動視覺的大空間坐標測量關鍵技術研究[42]，基于視覺定位跟蹤的大型機械部件數字化對接關鍵技術研究[43]，光學跟蹤方法的三維數據拼接[44]。在光學跟蹤系統中可使用帶可見光或近紅外的測光棒，或者采用主動（無需近紅外照明系統提供光源環境）和被動反射式（需近紅外照明系統提供光源環境）光學標靶作為定位跟蹤對象，采用兩個或者兩個以上攝像機在同一時刻拍攝跟蹤目標，撲捉目標運動軌跡，通過提取攝像機圖像間對應特征點，計算物體空間位置和姿態點。

光學跟蹤技術可達到的精度非常高，人們也在不斷提高跟蹤的精度，在光學相干斷層掃描高度精確的光學跟蹤系統[45]其精度達到了22.8±14.9μM全面跟蹤精度（平均絕對誤差）和 27.2μ米（平方）平均根，光學跟蹤系統的感光設備是多種多樣的，從普通攝像機到光敏二極管都有。光源也是多樣的，可以是受跟蹤器控制發的光。但是光學跟蹤系統的主要缺點是受實現阻擋的限制，如果目標被其他物體擋住，光學系統就無法工作。另外他常常不能提供角度的數據，最后一個問題就是價格昂貴，一般只在軍用系統中使用。

3.5基于電磁跟蹤系統

基于空間定位的電磁跟蹤系統[46-48]是電磁跟蹤系統是利用低頻電磁場的發射和接收來跟蹤定位，磁場信號由發射器產生，接收器感應，其中接收器的感應電流強度和其距發射器的距離和角度值有關，通過電磁學計算，我們就可以從感應電流中計算出接收器相對于發射器的角度和距離。電磁跟蹤系統主要由發射接收DSP單元等組成，發射或者接收器固定一個，在磁場空間移動另外一個，通過對接收的信號的測量和處理，計算出氣相對空間位置（XYZ笛卡爾坐標）和方位值（偏行角、俯仰角、滾動角）。

電磁跟蹤系統的突出優點就是不受時限阻擋的限制，除了導電體或導磁體外沒有什么能夠遮擋住電磁跟蹤系統的跟蹤。電磁場的空間追蹤系統具有測量過程易受外界基準參考系制約的缺點，易受干擾，對金屬敏感，而且因為磁場強度會隨著距離增加而減弱，所以它只能適合小范圍的工作。

4 軌跡跟蹤系統的發展趨勢

軌跡跟蹤技術作為一種位置定位跟蹤的方法，無論是人們的工作生活和進行科學研究，軌跡跟蹤對于研究物體運動的形態以及位置是非常必要的，軌跡跟蹤設備由早期的依靠人們的雙目進行直觀的定位跟蹤定位到利用儀器進行位置跟蹤。而隨著光學技術、電磁學技術、聲學、圖像處理以及微型儀器技術的發展，軌跡跟蹤技術在專業領域有著不可替代的作用，比如，依賴于GPS衛星進行導航的汽車輪船等等以及通過導航雷達的飛機航行軌跡的跟蹤。利用光學原理進行天文觀測，觀察天體的運動軌跡。光學跟蹤系統是通過光傳輸的原理，光的傳輸速度極快因此其精度準，在軍用系統和天文航天中使用較為普遍。電磁跟蹤系統在某些專業領域有著不可替代的作用。比如，醫療系統中的電子膠囊式內窺鏡，利用放射性的同位素軌跡跟蹤檢測人體臟器的形態位置功能等等。基于MEMS微型傳感器的軌跡跟蹤也是當前研究的一大熱點，使用微型傳感器實現軌跡跟蹤將是未來的一個大趨勢。當前微型儀器發展迅速，隨著微電子機械技術、網絡技術和人工智能化技術的快速發展，儀器的發展面向微型化、網絡化以及便攜式方向，微型儀器的智能化、高集成度和大批量商業化生產使其在以后的市場空間占有更大的優勢。例如智能手機的動作感應的GUI就是依靠手機中植入的微型陀螺儀芯片獲取手機的姿態。近些年來，生物醫療電子產業之所以能夠如此火熱成為一個新興的具有廣闊前景的產業就是依賴于為生物MEMS系統的快速發展。軌跡跟蹤技術根據其不同的操作環境以及原理在各個領域發揮著越來越重要的作用，不斷提升其更快的速度以及更高的精確度是當前軌跡跟蹤技術的一個趨勢。

5 總結

上述各種跟蹤技術中，無論采用都有一定的限制，由于溫度、空氣位移、空氣非均勻性以及發射器的尺寸都會對超聲波定位產生影響，致使其精度較為差，超聲波定位使用的并不多見。光學跟蹤系統是通過光傳輸的原理，光的傳輸速度快因此其精度準，但是其價格昂貴，現實民用和商業化使用過程有較大的限制。電磁系統對環境要求較高，而且磁場強度會隨著距離增加而減弱，很難精確控制磁場強度。但是電磁跟蹤系統在一些專業領域尤其是與人們生活相關的醫療領域有著不可替代的作用。當前微型儀器發展迅速，隨著工業設計和生產水平的提高，微型儀器憑借智能化、高集成度、網絡化和商業化生產的優勢使其迅速的占領市場。雖然基于傳感器確定位移具有較好的優勢，但作為一門新興的研究仍有待改進和完善。

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Reasearch status and development tendency of trajectory tracking

In this paper, starting from the concept of the trajectory tracking,we introduce the application domain of the space trajectory tracking technology. At the same time, the principle and research progress of the space trajectory tracking technique which is based on sensor, network, video and optics are summarized. And the different methods are analyzed and discussed. Finally the development trend of the space trajectory tracking is prospected.

Trajectory tracking;application domain; development tendency

TP29

A

1008-1151(2015)07-0001-04

2015-06-11

廣西科學科技攻關項目(桂科攻1348020-10), 廣西自然科學基金項目(2013GXNSFA019325)。

朱振朋( 1988－)，男，桂林電子科技大學研究生，研究方向為人體健康信息監測技術。

陳洪波，男，桂林電子科技大學教授。