一種基于系留氣球載的目標跟蹤系統

四創電子股份有限公司 左海琴

系留氣球是一種浮空飛行器，能夠搭載各種電子設備來執行任務。它具有預警能力強、生存能力強、安全性高、可維護性強等優勢，可用于預警探測、通信中繼、電子干擾、大氣和環境監測、城市安防等軍事和民事領域。本文提出了一種基于系留氣球載的多目標動態跟蹤系統，給出了該系統的功能用途和工作原理，并對系統組成架構、核心功能、多目標跟蹤算法等關鍵技術進行了闡述。試驗表明，該系統能夠有效的實現場景監視并對監控場景出現的目標進行跟蹤，系統運行穩定、可靠性高。

系留氣球作為一種浮空飛行器，其自身不帶動力，依靠浮力升空。它通過系留纜繩滯留在空中預定的位置，作為空中平臺，下面可以搭載可見光攝像機、紅外攝像機等來執行對地面的視頻監控。同飛機、衛星等其他空中平臺相比，系留氣球具有駐空時間長、載重能力強、部署方便、安全性高、運行成本低等優點。系留氣球的視頻監控系統可在1000m以下的高空持續長時間工作，在城市安防、環境監測、科學試驗等各種軍用和民用領域有著重要的應用前景。

本文介紹的系留球載平臺是中電38所研發的一種新型空中平臺，本文對基于系留氣球載的目標跟蹤系統的組成原理、系統功能等進行了闡述，針對浮空平臺監視場景的特殊性，對目標跟蹤算法等關鍵技術進行了說明，最后給出了設計結果。

1 系留球載平臺目標跟蹤系統介紹

1.1 球載目標跟蹤系統組成

系留氣球載平臺目標跟蹤系統示意圖如圖1所示。系留氣球載中的多目標跟蹤系統由可見光吊艙和地面工作站兩部分組成，將可見光吊艙設備安裝于系留氣球下方，光電吊艙通過光端機與地面工作站進行通信。吊艙內部由高清數字相機、伺服控制系統、穩像控制器組成。由高清數字相機拍攝畫面并由通信線纜傳輸至地面工控機，地面工作站上通過多目標跟蹤軟件進行監控控制及目標跟蹤處理。

由于受到自然環境中風擾動的影響以及氣球基座轉動干擾，基于浮空平臺的監控設備容易發生前后傾斜、左右傾斜等不利于圖像穩定輸出的惡劣情況，為了減少球載設備拍攝視頻的抖動，我們采用穩像控制來解決可見光吊艙的浮空抖動現象，保證拍攝的視場的穩定性，方便地面工作站對接收到的圖像信息進行監控以及目標跟蹤處理。

為了能夠對地面進行清晰有效的監控，本文選用的高清數字相機分辨率為1920×1080，保證了所采集的圖像清晰度。此外，針對浮空平臺監視場景的特殊性，本文還設計了一種基于壓縮感知和光流法的目標跟蹤算法。

圖1 系統組成示意圖

1.2 系統核心功能

系留氣球載多目標跟蹤系統能夠實現對監控區域運動目標的主動視覺跟蹤以及多目標的自動跟蹤，并且對序列幀進行穩定化處理，大幅度的提高了浮空平臺對于當前視頻的分析能力，使得監控更加智能化，從而滿足人們對當前場景實時監控的需求。在本文中，該系留球載多目標跟蹤系統包括以下核心功能。

（1）手動跟蹤功能

系統能夠對手動設定的目標實時跟蹤，即對監控視頻畫面內感興趣的運動目標進行手動框選初始化，并且可以框選多個目標，然后在后續的序列圖像中對所框選的目標進行實時跟蹤。

（2）自動跟蹤功能

通過人工繪制感興趣區域，然后在此標定區域進行自動檢測運動目標后對檢測到的運動目標進行實時跟蹤，實現對場景中出現的多個目標自動跟蹤，不需要人為干涉。

（3）警戒區域繪制抓拍

通過手動在監控畫面繪制1-2個多邊形警戒區域，對實時跟蹤的運動目標如果進入警戒區域內則進行報警，同時抓拍、放大入侵的運動目標。

（4）錄像實時保存

實時保存高清錄像到本地。

圖2 目標跟蹤軟件架構設計

圖3 目標跟蹤流程圖

圖4 目標跟蹤試驗結果

基于上述核心功能描述，我們設計了目標跟蹤軟件，其軟件架構如圖2所示。

2 目標跟蹤算法設計

壓縮感知的理論和光流算法已廣泛應用于視頻監控系統中。根據壓縮感知理論，我們可以對可稀疏化的原圖像特征空間做投影，得到一個低維壓縮子空間。低維壓縮子空間能夠很好的保留高維圖像特征空間的信息。因此，我們通過壓縮感知降維前景目標和背景的特征，作為在線學習更新分類器的正樣本和負樣本，然后使用該訓練分類器去預測下一幀圖像的目標位置。正是將高維特征進行降維才能在不影響跟蹤準確性前提下大幅度提高跟蹤速度從而達到跟蹤的實時性。

光流法檢測運動目標的基本設計思路如下步驟：

（1）為圖像中的每一個像素點賦予一個速度矢量，形成一個圖像運動場。

（2）在運動的一個特定時刻，由投影關系得到，圖像上的點與三維物體上的點一一對應。

（3）根據各個像素點的速度矢量特征，可以對圖像進行動態分析。

（4）如果圖像中沒有運動目標，則光流矢量在整個圖像區域是連續變化的，當物體和圖像背景存在相對運動時，運動物體所形成的速度矢量必然和鄰域背景速度矢量不同，從而檢測出運動物體的位置。

在本文中，我們對手動標定的區域計算光流，得到運動的模長信息和方向信息，然后對每一幀的模長進行累加，這樣可以更好的抑制背景對檢測運動目標的干擾，最終檢測出運動目標。本文采用基于壓縮感知和光流檢測算法的跟蹤算法，其目標跟蹤流程圖如圖3所示。圖4為本系統試驗結果。

結論：本文介紹了一種系留氣球載平臺以及基于此平臺的的一種多目標跟蹤系統，對系統的組成架構、核心功能、目標跟蹤軟件架構以及跟蹤算法進行了詳細描述。經試驗驗證，該系統穩定可靠，其中的穩像控制設計具有抗抖動效果，在高空環境中能夠獲取相對穩定的圖像信息，基于壓縮感知和光流檢測算法的目標實時跟蹤效果良好。