電視粗跟條件判斷算法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

金朋飛，石 川，張 楊

(1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050000;2.解放軍63880部隊(duì)，河南 洛陽 471003)

1 電視跟蹤系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

電視跟蹤是把計(jì)算科學(xué)、圖像處理、人工智能、自動控制、信息科學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，利用可見光或紅外成像器材攝取目標(biāo)的視頻圖像信號，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算分析，從圖像信號中自動識別目標(biāo)［1］，并提取出目標(biāo)位置信息，通過自動控制自動跟蹤目標(biāo)運(yùn)動的技術(shù)［2］，可分為粗跟和精跟兩個(gè)過程。電視跟蹤系統(tǒng)是具有一定人工智能的圖像跟蹤裝置，它能在比較復(fù)雜的背景下按照標(biāo)準(zhǔn)電視制式，逐場提取與分離視場內(nèi)的運(yùn)動目標(biāo)，提取目標(biāo)亮度與結(jié)構(gòu)特征，測定目標(biāo)中心相對轉(zhuǎn)臺視軸的方位與俯仰角差，該跟蹤角誤差信息經(jīng)變換后傳送到轉(zhuǎn)臺的伺服系統(tǒng)，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺運(yùn)動以保證被跟蹤目標(biāo)始終處于成像傳感器的視場中心，實(shí)現(xiàn)對指定目標(biāo)的實(shí)時(shí)自動跟蹤［3］。

20世紀(jì)60年代初，電視跟蹤系統(tǒng)開始研制，并隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在導(dǎo)彈制導(dǎo)、火炮控制、光學(xué)武器系統(tǒng)的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代電視跟蹤系統(tǒng)以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)圖像處理與模式識別技術(shù)，利用成像控制實(shí)現(xiàn)多種功能，且能處理復(fù)雜背景下多目標(biāo)的識別和跟蹤，具有很大的靈活性，適用于多種環(huán)境條件［4］。

電視跟蹤領(lǐng)域研究主要集中在以下幾個(gè)方面:

(1)CCD、微處理器等硬件設(shè)備在電視跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［5］。

(2)智能跟蹤器是電視和紅外成像跟蹤的主要發(fā)展方向［6］。

(3)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)算法［7］的研究是電視跟蹤技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)。不同的跟蹤算法適用于不同的應(yīng)用背景，跟蹤算法的優(yōu)劣直接關(guān)系到跟蹤效果的好壞［8］。

本文主要針對電視跟蹤中粗跟過程，進(jìn)行跟蹤算法設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用于某設(shè)備的研制中，達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。

2 電視粗跟條件判斷算法

下面將結(jié)合電視粗跟蹤設(shè)備對電視粗跟條件判斷算法進(jìn)行介紹。

2.1 參數(shù)描述

2.1.1 輸入?yún)?shù)

(1)TI:目標(biāo)ID。

(2)轉(zhuǎn)臺當(dāng)前位置方位:AP;俯仰:EP。

(3)CAT:當(dāng)前劇情絕對時(shí)間，包括年、月、日、時(shí)、分、秒。

(4)MP:設(shè)備當(dāng)前位置，大地坐標(biāo)包括經(jīng)、緯度和高度。

2.1.2 已知條件

(1)用戶級空情劇情表，從中獲取TI目標(biāo)對應(yīng)的下列參數(shù):

AZ:目標(biāo)方位角，單位為deg;

EL:目標(biāo)俯仰角，單位為deg;

R:目標(biāo)距離，單位為m;

Type:目標(biāo)類型;

Model:目標(biāo)型號;

DetA:目標(biāo)觀測姿態(tài)航向角，單位為deg;

DetE:目標(biāo)觀測姿態(tài)俯仰角，單位為deg;

AZVelo:目標(biāo)方位角速度，單位為deg/s;

ELVelo:目標(biāo)俯仰角速度，單位為deg/s。

(2)所保障設(shè)備參數(shù):

如電視跟蹤為武器提供引導(dǎo)，則武器系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如下:

MT:最大保精度跟蹤角速度(方位);

ET:最大保精度跟蹤角速度(俯仰)。

表1 電視粗跟蹤設(shè)備有關(guān)參數(shù)表

(3)目標(biāo)特性數(shù)據(jù)子庫。

本算法需要根據(jù)Model值以及目標(biāo)特性數(shù)據(jù)子庫字段值，獲取該型目標(biāo)的目標(biāo)可見光特性數(shù)據(jù)表VISI(Aj)和目標(biāo)幾何投影面積數(shù)據(jù)表TargetArea(Det_Aj，Det_Ek)，以及目標(biāo)可見光特性數(shù)據(jù)表對應(yīng)的起止波長 (μm)IniWaveLen1、終止波長 (μm)End-WaveLen1。

(4)可見光波段大氣路徑透過率數(shù)據(jù)表。

不同時(shí)間段(不同時(shí)間段氣象條件不同)有不同的可見光波段大氣路徑透過率數(shù)據(jù)表，本算法從中獲取當(dāng)前時(shí)間段(氣象條件下)的可見光波段大氣路徑透過率數(shù)據(jù)表IRVISTran(Ej，Rk)。

(5)天空背景可見光亮度數(shù)據(jù)表。

不同時(shí)間段(不同時(shí)間段氣象條件不同)有不同的天空背景可見光亮度數(shù)據(jù)表，本算法從中獲取當(dāng)前時(shí)間段(氣象條件下)的天空背景可見光亮度數(shù)據(jù)表VISB_rad(Ej，Ak)，以及對應(yīng)的起止波長(μm)Ini-WaveLen2、終止波長(μm)EndWaveLen2。

2.1.3 調(diào)節(jié)參數(shù)

AT:目標(biāo)成像像素規(guī)模閾值，小于閾值時(shí)，粗電視不能跟蹤或捕獲目標(biāo)。

2.1.4 中間變量

(1)TVMCD:目標(biāo)背景調(diào)制對比度，初始化0;

(2)TIA:目標(biāo)成像象素規(guī)模，初始化0。

2.1.5 輸出參數(shù)

是否符合粗跟蹤條件，1為是，0為否。

2.2 算法描述

當(dāng)同時(shí)滿足下列6個(gè)條件時(shí)，符合粗跟條件，輸出F值為1;否則，任何一個(gè)條件不滿足時(shí)，為不符合粗跟條件，輸出F值為0。

條件1 目標(biāo)處于粗跟電視工作盲距和粗跟電視最大可能作用距離之間;

條件2 目標(biāo)位于粗跟電視捕獲視場內(nèi);

條件3 目標(biāo)視線角速度不大于設(shè)備最大保精度跟蹤角速度［9］;條件4 目標(biāo)視線位于太陽/月亮探測盲區(qū)外;條件5 目標(biāo)成像像素規(guī)模不小于粗跟電視目標(biāo)成像像素規(guī)模閾值;

條件6 目標(biāo)背景調(diào)制對比度不小于粗跟電視調(diào)制對比度閾值［10］。

下面給出每個(gè)條件下的判斷算法。

1.條件1的判斷算法:

當(dāng)R≥MiR，且R≤MaR時(shí)，條件1邏輯結(jié)果為真。2.條件2的判斷算法:

當(dāng) Fabs(AZ-AP)≤AR*ACF/2，且 Fabs(EL-EP)≤AR*ECF/ARa/2時(shí)，條件2邏輯結(jié)果為真。

3.條件3的判斷算法:

當(dāng) fabs(AZVelo)≤MT，且 fabs(ELVelo)≤ET 時(shí)，條件3邏輯結(jié)果為真。

4.條件4的判斷算法:

(1)根據(jù)CAT和MP計(jì)算太陽/月亮視線方位、俯仰角;

(2)計(jì)算目標(biāo)視線與太陽/月亮視線方位、俯仰夾角:

(3)判斷:

①為太陽情況:

當(dāng)fabs(方位夾角)＞ASB，或者fabs(俯仰夾角)＞ESB時(shí)，條件4邏輯結(jié)果為真。

②為月亮情況:

當(dāng)fabs(方位夾角)＞AMB，或者fabs(俯仰夾角)＞EMB時(shí)，條件4邏輯結(jié)果為真。

5.條件5的判斷算法:

(1)目標(biāo)成像像素規(guī)模TIA計(jì)算。

根據(jù)DetA、DetE，查目標(biāo)幾何投影面積數(shù)據(jù)表TargetArea(Det_Aj，Det_Ek)，得到目標(biāo)幾何投影面積為:TargetArea(DetA_lim，DetE_lim)，其中(DetA_lim，DetE_lim)為(Det_Aj，Det_Ek)中最接近(DetA，DetE)的元素。

(2)判斷:

TIA≥AT或(AT==1)時(shí)，條件5邏輯結(jié)果為真。

6.條件6的判斷算法:

(1)目標(biāo)背景調(diào)制對比度TVMCD計(jì)算［11］。

①目標(biāo)可見光亮度計(jì)算［12］。

根據(jù)AZ和目標(biāo)可見光特性數(shù)據(jù)表VISI(Aj)，得到目標(biāo)可見光亮度為:

其中 AZ ∈［Aj1，Aj2］。

②天空背景可見光亮度計(jì)算［13］。

根據(jù) AZ、EL和天空背景可見光亮度數(shù)據(jù)表VISB_rad(Ej，Ak)，得到天空背景可見光亮度為:

其中(AZ_lim，EL_lim)為(Ej，Ak)中最接近(AZ，EL)的元素。

③大氣路徑透過率計(jì)算［14］。

根據(jù)EL、R和可見光波段大氣路徑透過率數(shù)據(jù)表IRVISTran(Ej，Rk)，得到大氣路徑透過率為:

其中(EL_lim，R_lim)為(Ej，Rk)中最接近(EL，R)的元素。

④TVMCD計(jì)算。

當(dāng)R＞5000m時(shí):

TVMCD=目標(biāo)可見光亮度*大氣路徑透過率/天空背景可見光亮度

當(dāng)R≤5000m時(shí):

TVMCD=(fabs(目標(biāo)可見光亮度*大氣路徑透過率－天空背景可見光亮度))/天空背景可見光亮度

(2)判斷:

TVMCD≥MCU時(shí)，條件6邏輯結(jié)果為真。

2.3 判定算法處理流程

結(jié)合以上提出的電視粗跟蹤判斷算法，粗跟蹤保持判斷算法流程如圖1所示。

圖1 粗跟保持判斷算法流程圖

系統(tǒng)搜索目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，實(shí)時(shí)進(jìn)行粗跟條件判定，根據(jù)跟蹤目標(biāo)運(yùn)動的真值位置和運(yùn)動速度等必要條件，運(yùn)用粗跟條件判斷算法，判斷是否跟蹤。若判斷結(jié)果為真值，則跟蹤目標(biāo)并實(shí)時(shí)進(jìn)行跟蹤條件判定;若判斷結(jié)果為假值，則系統(tǒng)停止對目標(biāo)跟蹤，回到搜索狀態(tài)，繼續(xù)搜索目標(biāo)。

圖2 發(fā)現(xiàn)飛鳥

3 應(yīng)用實(shí)例

電視粗跟條件判斷算法已在實(shí)際設(shè)備研制中得到應(yīng)用，圖2所示為設(shè)備發(fā)現(xiàn)飛鳥。設(shè)備在起始時(shí)刻發(fā)現(xiàn)飛鳥，通過電視粗跟條件判斷算法實(shí)時(shí)判斷飛鳥運(yùn)動狀態(tài)，并在符合跟蹤條件的情況下對飛鳥的運(yùn)動進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

電視跟蹤系統(tǒng)對飛鳥跟蹤的同時(shí)，實(shí)時(shí)進(jìn)行跟蹤條件判斷，符合跟蹤條件則繼續(xù)跟蹤，不符合跟蹤條件時(shí)，放棄跟蹤，回到搜索狀態(tài)，圖3為跟蹤飛鳥飛行圖像。

圖3 跟蹤飛鳥

4 結(jié)束語

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用提出了電視粗跟條件判斷算法，完成了電視跟蹤系統(tǒng)目標(biāo)篩選，滿足配套設(shè)備的目標(biāo)跟蹤需求。通過在實(shí)際設(shè)備上的應(yīng)用，驗(yàn)證了算法良好的可用性。

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