光電傳感器自動(dòng)變焦方法

王曉楠，周紅峰

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

光電傳感器自動(dòng)變焦方法

王曉楠，周紅峰

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

介紹了一種光電傳感器自動(dòng)變焦方法，在光電傳感器進(jìn)行目標(biāo)捕獲、跟蹤過程中，自動(dòng)調(diào)節(jié)光電傳感器焦距，使不同尺寸、不同距離的目標(biāo)在光電傳感器視場(chǎng)中的比例適中，便于目標(biāo)提取跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)，保證光電傳感器對(duì)目標(biāo)的連續(xù)穩(wěn)定跟蹤，提高了光電傳感器自動(dòng)、快速目標(biāo)捕獲跟蹤性能。

光電傳感器；自動(dòng)變焦；目標(biāo)捕獲

0 引 言

光電傳感器通常指可見光鏡頭及紅外熱像儀，采用對(duì)比度、相關(guān)等跟蹤算法對(duì)視場(chǎng)中的目標(biāo)進(jìn)行提取，解算出角偏差后送往伺服系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，完成目標(biāo)的精確跟蹤。光電傳感器將視頻信號(hào)送往顯控臺(tái)，在跟蹤過程中可在顯控臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)視目標(biāo)動(dòng)態(tài)。

在光電傳感器進(jìn)行目標(biāo)捕獲、跟蹤時(shí)，由于目標(biāo)尺寸、距離不同，目標(biāo)在光電傳感器視場(chǎng)中所占比例有很大差異。當(dāng)目標(biāo)尺寸較大或目標(biāo)距離較近時(shí)，目標(biāo)在光電傳感器視場(chǎng)中所占比例較大，在動(dòng)態(tài)跟蹤過程中目標(biāo)可能超出視場(chǎng)范圍，導(dǎo)致跟蹤誤差無法計(jì)算，跟蹤不穩(wěn)定。當(dāng)目標(biāo)充滿整個(gè)視場(chǎng)時(shí)，誤差將無法提取，即無法進(jìn)行跟蹤；當(dāng)目標(biāo)尺寸較小或距離較遠(yuǎn)時(shí)，目標(biāo)在光電傳感器視場(chǎng)中可能很小，導(dǎo)致無法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。在上述情況下，顯控臺(tái)監(jiān)視效果差，嚴(yán)重影響光電傳感器跟蹤性能。

針對(duì)上述情況，以往常通過手動(dòng)改變光電傳感器鏡頭的焦距來改變視場(chǎng)大小，使目標(biāo)在視場(chǎng)中大小合適、比例適中。此方法無具體指標(biāo)要求，操作要求較高，嚴(yán)重影響光電傳感器自動(dòng)捕獲跟蹤及監(jiān)視性能。

光電傳感器焦距的調(diào)整將直接影響到能否對(duì)各種目標(biāo)進(jìn)行快速捕獲跟蹤，從而影響光電傳感器性能，因此焦距調(diào)整方法對(duì)光電傳感器目標(biāo)跟蹤非常重要[1-2]。

1 自動(dòng)變焦方法

光電傳感器接收目標(biāo)指示，調(diào)轉(zhuǎn)到目標(biāo)指示位置后，根據(jù)鏡頭靶面尺寸、目標(biāo)類型、目標(biāo)指示距離、系統(tǒng)跟蹤精度來設(shè)定焦距值。目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤后，根據(jù)鏡頭靶面尺寸、雷達(dá)或激光精確距離測(cè)量值、當(dāng)前視場(chǎng)目標(biāo)所占像素點(diǎn)得出目標(biāo)實(shí)時(shí)尺寸、系統(tǒng)跟蹤精度，計(jì)算并設(shè)定焦距。在跟蹤過程中，根據(jù)上述參數(shù)的變化實(shí)時(shí)改變光電傳感器焦距值，實(shí)現(xiàn)基于自動(dòng)變焦的光電傳感器目標(biāo)跟蹤。

采用此方法設(shè)定的焦距在確保目標(biāo)提取、穩(wěn)定跟蹤前提下，減小其他目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)，便于目標(biāo)的提取、捕獲，提高了目標(biāo)提取、跟蹤的可靠性，提高了光電跟蹤性能。

2 自動(dòng)變焦具體方案

2.1 光電傳感器介紹

光電傳感器設(shè)備基本組成框圖如圖1所示。電視鏡頭或紅外熱像儀等光電傳感器將原始視頻信號(hào)傳送至誤差處理板，誤差處理板對(duì)原始視頻進(jìn)行處理后產(chǎn)生復(fù)合視頻信號(hào)和角誤差信息，將復(fù)合視頻信號(hào)送至顯控臺(tái)顯示，將目標(biāo)角誤差信息送至伺服系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)根據(jù)角誤差信息驅(qū)動(dòng)天線對(duì)目標(biāo)進(jìn)行角度跟蹤[3]。

2.2 自動(dòng)變焦具體方法

基于自動(dòng)變焦的光電傳感器目標(biāo)跟蹤方法流程圖如圖2所示。

光電傳感器進(jìn)行目標(biāo)捕獲時(shí)，按照目標(biāo)指示數(shù)據(jù)調(diào)轉(zhuǎn)到目標(biāo)指示位置后，根據(jù)鏡頭靶面尺寸m×n、目標(biāo)類型(尺寸預(yù)設(shè)橫向?yàn)長，縱向?yàn)镠)、目標(biāo)指示距離R、系統(tǒng)跟蹤精度σ，采用如下公式計(jì)算焦距預(yù)設(shè)值：

θ≥2σ+φ

(1)

式中：θ為光電傳感器鏡頭視場(chǎng)角，并有：

(2)

(3)

σ為系統(tǒng)跟蹤精度；φ為目標(biāo)在視場(chǎng)中的大小，并且：

(4)

(5)

計(jì)算得出：

(6)

(7)

比較fa與fe，取較小值作為預(yù)設(shè)焦距f。

用此公式計(jì)算焦距預(yù)設(shè)值，確保目標(biāo)提取、穩(wěn)定跟蹤的同時(shí)，減小了其他物體進(jìn)入視場(chǎng)影響目標(biāo)提取跟蹤的概率。

判斷焦距預(yù)設(shè)值f是否在光電傳感器焦距調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，如果是，則將焦距預(yù)設(shè)值設(shè)為焦距設(shè)定值；否則，取焦距調(diào)節(jié)上限或下限作為焦距設(shè)定值。

光電處理板根據(jù)視頻圖像在視場(chǎng)中進(jìn)行目標(biāo)捕獲，判斷視場(chǎng)中是否有可跟蹤目標(biāo)。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)則轉(zhuǎn)入目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，若無目標(biāo)則重新開始目標(biāo)捕獲流程。

光電傳感器穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)后，根據(jù)鏡頭靶面尺寸m×n、雷達(dá)或激光精確距離測(cè)量值R′、當(dāng)前視場(chǎng)目標(biāo)所占像素點(diǎn)x×y得出的目標(biāo)實(shí)際尺寸(橫向L′，縱向H′)、系統(tǒng)跟蹤精度σ，計(jì)算出合適焦距預(yù)設(shè)值。計(jì)算確保目標(biāo)提取、穩(wěn)定跟蹤前提下，盡可能采用大焦距，減小其他物體進(jìn)入視場(chǎng)，保證對(duì)目標(biāo)的連續(xù)穩(wěn)定跟蹤，提高光電傳感器自動(dòng)、快速目標(biāo)捕獲跟蹤性能。計(jì)算公式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：a×b為光電傳感器圖像像素點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的目標(biāo)距離和尺寸大小，實(shí)時(shí)改變光電傳感器焦距值，實(shí)現(xiàn)基于自動(dòng)變焦的光電傳感器目標(biāo)跟蹤。

2.3 效果對(duì)比

通過光電傳感器對(duì)典型飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行捕獲跟蹤，固定焦距與自動(dòng)變焦目標(biāo)跟蹤效果如圖3、圖4所示。

從效果圖上可以看出，光電傳感器采用固定焦距進(jìn)行目標(biāo)捕獲跟蹤時(shí)，較難選取合適焦距值，可能導(dǎo)致圖3所示目標(biāo)在視場(chǎng)中太小，光電處理板較難進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、提取。采用自動(dòng)變焦進(jìn)行目標(biāo)捕獲跟蹤，通過對(duì)焦距的自動(dòng)調(diào)節(jié)(如圖4所示)，目標(biāo)在視場(chǎng)中的比例適中，光電處理板可快速識(shí)別、提取目標(biāo)位置，目標(biāo)清晰可見，有利于目標(biāo)監(jiān)視。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種基于自動(dòng)變焦的光電傳感器目標(biāo)跟蹤方法，在光電傳感器進(jìn)行目標(biāo)捕獲、跟蹤過程中，實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算并調(diào)節(jié)光電傳感器焦距，使不同尺寸、不同距離的目標(biāo)在光電傳感器視場(chǎng)中的比例適中，便于目標(biāo)提取和跟蹤，并保證光電傳感器對(duì)目標(biāo)的連續(xù)穩(wěn)定跟蹤，提高了光電傳感器自動(dòng)、快速的目標(biāo)捕獲跟蹤性能。

該方法簡單可靠，能夠有效提高光電傳感器目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確性和效率，可廣泛用于光電傳感器設(shè)備目標(biāo)捕獲、跟蹤過程，也可推廣用于其它跟蹤傳感器的目標(biāo)跟蹤過程。

[1] 夏德深，傅德勝.現(xiàn)代圖像處理技術(shù)與應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社,1997.

[2] 沈庭芝，王衛(wèi)江，閆雪梅.數(shù)字圖像處理及模式識(shí)別[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,1998.

[3] 王德純，丁家會(huì)，程望東，等.精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

AutomaticZoomingMethodofPhotoelectricSensor

WANG Xiao-nan,ZHOU Hong-feng

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

This paper introduces an automatic zooming method of photoelectric sensor,which automatically adjusts the focus of photoelectric sensor during the process of target acquisition and tracking,makes the proportion of targets with different sizes and distances in view field of photoelectric sensor,and is convenient for the realization of target extraction and tracking algorithm,ensures the continuous and stable tracking of photoelectric sensor to target,improves the automatic and fast target acquisition and tracking performance of photoelectric sensor.

photoelectric sensor;automatic zooming;target acquisition

2017-04-17

TN911.73

A

CN32-1413(2017)06-0109-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.025