空間軌跡追蹤研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

朱振朋陳洪波馮 濤高 青劉 喻

（1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

空間軌跡追蹤研究現(xiàn)狀及發(fā)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(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)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(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，同時對基于傳感器、網(wǎng)絡(luò)、視頻、光學(xué)檢測方法的空間軌跡跟蹤技術(shù)原理與研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，對不同的方法進(jìn)行了分析與討論，最后對空間軌跡跟蹤的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

軌跡跟蹤；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

1 研究背景

隨著計算機科學(xué)的不斷發(fā)展，人機交互技術(shù)越來越受到人們的重視，空間定位與運動軌跡追蹤系統(tǒng)將作為動作檢測與輸入設(shè)備被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實人機交互領(lǐng)域。目前，用于虛擬現(xiàn)實人機交互過程的空間定位與軌跡追蹤系統(tǒng)主要有磁追蹤系統(tǒng)、激光追蹤系統(tǒng)和基于三維計算機視覺的定位系統(tǒng)。

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

2 空間軌跡跟蹤的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著科技發(fā)展，軌跡跟蹤技術(shù)越來越先進(jìn)，同時也展現(xiàn)出了很大的應(yīng)用前景[1]，在一些領(lǐng)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(yī)療器械等。

機器人運動軌跡跟蹤。在移動機器人領(lǐng)域，實現(xiàn)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(dá)時間差原理[4]等方法。超聲波定位原理是利用基于到達(dá)時間和到達(dá)時間差的兩種算法進(jìn)行了分析研究，利用時間差來測距，當(dāng)獲得3個或者3個以上的距離值時，可以根據(jù)三邊測量法等方法確定坐標(biāo)。聲達(dá)時間差原理是利用正四面體麥克風(fēng)陣列，并通過數(shù)據(jù)采集器將其所采集的聲音信息傳遞給機器人，設(shè)計實現(xiàn)了完整的機器人聽覺系統(tǒng)，根據(jù)正四面體陣列結(jié)構(gòu)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(chǔ)上推導(dǎo)出基于遠(yuǎn)場假設(shè)的聲源定位計算模型，提出了一種結(jié)合機器人主動運動的全范圍聲源定位方法。關(guān)于針對機器人的軌跡的優(yōu)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(yōu)化及最優(yōu)控制方法[5]和基于數(shù)據(jù)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(yè)機器人領(lǐng)域，對機器人的軌跡分析也是一項必不可少的內(nèi)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(shù)在影視制作中的應(yīng)用主要是對真人拍攝場景與數(shù)字技術(shù)制作的三維特效進(jìn)行完美合成，以此提高影視作品的質(zhì)量。攝像機運動軌跡跟蹤技術(shù)的生成原理主要是利用計算機對二維畫面的像素進(jìn)行檢測，對其畫面中的元素進(jìn)行運動分析，對拍攝實物在虛擬的三維坐標(biāo)中進(jìn)行準(zhǔn)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(jīng)過運算得出攝影機原始的運動軌跡，當(dāng)三維畫面需要與實拍畫面進(jìn)行技術(shù)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(yè)環(huán)境特殊復(fù)雜，礦難事故頻繁發(fā)生，導(dǎo)致其安全生產(chǎn)備受關(guān)注。礦井人員定位系統(tǒng)，及時掌握井下作業(yè)人員的活動情況，方便對井下人員、設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)度，為災(zāi)后人員搜救工作提供有力依據(jù)，具有一定的現(xiàn)實意義。目前礦井跟蹤技術(shù)主要是通過無線網(wǎng)絡(luò)[11]包括基于RFID技術(shù)[12-13]、基于WiFi技術(shù)[14-15]、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)[16-17]，其原理是利用采用無線通信技術(shù)來設(shè)計人員定位系統(tǒng)，即工作人員佩戴小型無線通訊模塊節(jié)點作為移動點，礦井通道設(shè)置固定點，移動點將信號發(fā)送到固定點，然后通過固定點傳回監(jiān)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(shù)的船舶定位系統(tǒng)[18]就是基于32位RISC處理器的嵌入式技術(shù)，利用高性能處理器來設(shè)計一個用于小型船舶定位系統(tǒng)的通信終端，基于GPS、SOTDMA通信技術(shù)實現(xiàn)小型船舶定位系統(tǒng)通信終端。針對海上環(huán)境復(fù)雜多變，Yang等[19]提出相應(yīng)的抗干擾跟蹤措施來保證船舶運動軌跡的正常定位。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。軌跡跟蹤技術(shù)用于臨床手術(shù)的應(yīng)用[20]，如采用微小傳感器線圈跟蹤測量醫(yī)用級別金屬器件的技術(shù)，實現(xiàn)了在遮擋的情況進(jìn)行精準(zhǔn)實時的空間三維測量。將NDI Aurora電磁跟蹤系統(tǒng)的探針與內(nèi)窺鏡安在一起，通過內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管及導(dǎo)絲，系統(tǒng)的界面上可以實時得到前端在人體體內(nèi)的實時形態(tài)，可指導(dǎo)腸鏡的操作提高診治成功率。利用動態(tài)X線影像技術(shù)和高精度光學(xué)三維跟蹤技術(shù)[21]測量膝關(guān)節(jié)置換前后的三維運動學(xué)參數(shù)來研究膝關(guān)節(jié)損傷機理和評估術(shù)后重建效果，也是一個典型的研究案例。

軌跡跟蹤技術(shù)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(shù)應(yīng)用于時空領(lǐng)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(biāo)物體運動路線，依據(jù)加速度積分計算原理和坐標(biāo)變換方法，利用高精度三軸MEMS加速度傳感器和陀螺儀設(shè)計了一套新的三維空間自由定位與軌跡追蹤系統(tǒng)。其主要的原理為基于數(shù)學(xué)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(biāo)物體的實時三維運動加速度，同時分別對三組加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運算，求得被追蹤目標(biāo)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(tài)下旋轉(zhuǎn)的角速度來計算空間偏移量，利用旋轉(zhuǎn)矩陣的方法將陀螺儀輸出的角速度值轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)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(tài)，利用加速度信號矢量幅值的信息熵負(fù)值判斷人體是處于何種動作狀態(tài)。將得到的靜態(tài)動作的三軸加速度信號分別校準(zhǔn)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(tài)信息。通過得出的角度來判斷當(dāng)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(jié)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(xiàn)跟蹤軌跡的方法[29]是利用位移傳感器監(jiān)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(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得出空間運行軌跡。傳感器在坐標(biāo)系 XYZ中的坐標(biāo)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(shù)據(jù)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(biāo)(xN,yN,zN)。

當(dāng)前微型儀器的利用已經(jīng)非常廣泛，基于傳感器的追蹤系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)的移動物體軌跡定位追蹤系統(tǒng)

基于網(wǎng)絡(luò)的移動物體軌跡定位追蹤系統(tǒng)是指基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了一個軌跡追蹤系統(tǒng)。

基于ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行定位。采用的無線傳感器為ZIGBEE。傳感器節(jié)點定位過程中,未知節(jié)點在獲得對于臨近信標(biāo)節(jié)點的距離,或獲得臨近的信標(biāo)節(jié)點與未知節(jié)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(guān)定位算法也稱為基于測距的定位算法,其主要通過測量節(jié)點間的實際距離或角度方位對未知節(jié)點進(jìn)行定位的一種算法,較常用的距離相關(guān)定位算法有如下幾種：基于到達(dá)時間(TOA)的定位算法，基于到達(dá)時間差(TDOA)的定位算法，基于到達(dá)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(wǎng)絡(luò)的定位軌跡跟蹤[33-35]采用一個主測距器和若干個應(yīng)答器組成定位系統(tǒng)。先利用射頻信號激活應(yīng)答器然后接受超聲波信號，利用時間差來測距，當(dāng)獲得3個或者3個以上的距離值時，可以根據(jù)三邊測量法等方法確定坐標(biāo)。

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(qū)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(xiàn)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(dāng)前的身體運動軌跡，進(jìn)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(tǒng)，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(jù)，確定人體頭部的運動軌跡。

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

3.4基于光學(xué)跟蹤技術(shù)

光學(xué)跟蹤技術(shù)是指利用光學(xué)測量和成像原理，測量、記錄目標(biāo)的運動軌跡、姿態(tài)、運動中發(fā)生的事件，以及目標(biāo)的紅外輻射和視覺（可見光）特征。物體或其他活動目標(biāo)，利用其本身發(fā)射出的光學(xué)或準(zhǔn)光學(xué)(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(biāo)的軌跡進(jìn)行自動跟蹤，或沿預(yù)定路程進(jìn)行遙控這些目標(biāo)。

光學(xué)跟蹤系統(tǒng)根據(jù)成像的光源不同可分為可見光波段成像，根據(jù)光學(xué)標(biāo)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(biāo)靶?？梢姽獠ǘ纬上裣到y(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的成像系統(tǒng)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(xué)定位跟蹤系統(tǒng)抗干擾能力更強。前者主要應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航和機器人輔助手術(shù)領(lǐng)域；后者則主要應(yīng)用于運動捕捉和工業(yè)測量等領(lǐng)域。主要跟蹤技術(shù)有多視角光學(xué)定位[41]，基于主動視覺的大空間坐標(biāo)測量關(guān)鍵技術(shù)研究[42]，基于視覺定位跟蹤的大型機械部件數(shù)字化對接關(guān)鍵技術(shù)研究[43]，光學(xué)跟蹤方法的三維數(shù)據(jù)拼接[44]。在光學(xué)跟蹤系統(tǒng)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(tǒng)提供光源環(huán)境）和被動反射式（需近紅外照明系統(tǒng)提供光源環(huán)境）光學(xué)標(biāo)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(biāo)，撲捉目標(biāo)運動軌跡，通過提取攝像機圖像間對應(yīng)特征點，計算物體空間位置和姿態(tài)點。

光學(xué)跟蹤技術(shù)可達(dá)到的精度非常高，人們也在不斷提高跟蹤的精度，在光學(xué)相干斷層掃描高度精確的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)[45]其精度達(dá)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(xué)跟蹤系統(tǒng)的感光設(shè)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(fā)的光。但是光學(xué)跟蹤系統(tǒng)的主要缺點是受實現(xiàn)阻擋的限制，如果目標(biāo)被其他物體擋住，光學(xué)系統(tǒng)就無法工作。另外他常常不能提供角度的數(shù)據(jù)，最后一個問題就是價格昂貴，一般只在軍用系統(tǒng)中使用。

3.5基于電磁跟蹤系統(tǒng)

基于空間定位的電磁跟蹤系統(tǒng)[46-48]是電磁跟蹤系統(tǒng)是利用低頻電磁場的發(fā)射和接收來跟蹤定位，磁場信號由發(fā)射器產(chǎn)生，接收器感應(yīng)，其中接收器的感應(yīng)電流強度和其距發(fā)射器的距離和角度值有關(guān)，通過電磁學(xué)計算，我們就可以從感應(yīng)電流中計算出接收器相對于發(fā)射器的角度和距離。電磁跟蹤系統(tǒng)主要由發(fā)射接收DSP單元等組成，發(fā)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(biāo)）和方位值（偏行角、俯仰角、滾動角）。

電磁跟蹤系統(tǒng)的突出優(yōu)點就是不受時限阻擋的限制，除了導(dǎo)電體或?qū)Т朋w外沒有什么能夠遮擋住電磁跟蹤系統(tǒng)的跟蹤。電磁場的空間追蹤系統(tǒng)具有測量過程易受外界基準(zhǔn)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(tǒng)的發(fā)展趨勢

軌跡跟蹤技術(shù)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(jìn)行科學(xué)研究，軌跡跟蹤對于研究物體運動的形態(tài)以及位置是非常必要的，軌跡跟蹤設(shè)備由早期的依靠人們的雙目進(jìn)行直觀的定位跟蹤定位到利用儀器進(jìn)行位置跟蹤。而隨著光學(xué)技術(shù)、電磁學(xué)技術(shù)、聲學(xué)、圖像處理以及微型儀器技術(shù)的發(fā)展，軌跡跟蹤技術(shù)在專業(yè)領(lǐng)域有著不可替代的作用，比如，依賴于GPS衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航的汽車輪船等等以及通過導(dǎo)航雷達(dá)的飛機航行軌跡的跟蹤。利用光學(xué)原理進(jìn)行天文觀測，觀察天體的運動軌跡。光學(xué)跟蹤系統(tǒng)是通過光傳輸?shù)脑恚獾膫鬏斔俣葮O快因此其精度準(zhǔn)，在軍用系統(tǒng)和天文航天中使用較為普遍。電磁跟蹤系統(tǒng)在某些專業(yè)領(lǐng)域有著不可替代的作用。比如，醫(yī)療系統(tǒng)中的電子膠囊式內(nèi)窺鏡，利用放射性的同位素軌跡跟蹤檢測人體臟器的形態(tài)位置功能等等。基于MEMS微型傳感器的軌跡跟蹤也是當(dāng)前研究的一大熱點，使用微型傳感器實現(xiàn)軌跡跟蹤將是未來的一個大趨勢。當(dāng)前微型儀器發(fā)展迅速，隨著微電子機械技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能化技術(shù)的快速發(fā)展，儀器的發(fā)展面向微型化、網(wǎng)絡(luò)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(yè)化生產(chǎn)使其在以后的市場空間占有更大的優(yōu)勢。例如智能手機的動作感應(yīng)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(tài)。近些年來，生物醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)之所以能夠如此火熱成為一個新興的具有廣闊前景的產(chǎn)業(yè)就是依賴于為生物MEMS系統(tǒng)的快速發(fā)展。軌跡跟蹤技術(shù)根據(jù)其不同的操作環(huán)境以及原理在各個領(lǐng)域發(fā)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(dāng)前軌跡跟蹤技術(shù)的一個趨勢。

5 總結(jié)

上述各種跟蹤技術(shù)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(fā)射器的尺寸都會對超聲波定位產(chǎn)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(xué)跟蹤系統(tǒng)是通過光傳輸?shù)脑?，光的傳輸速度快因此其精度?zhǔn)，但是其價格昂貴，現(xiàn)實民用和商業(yè)化使用過程有較大的限制。電磁系統(tǒng)對環(huán)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(tǒng)在一些專業(yè)領(lǐng)域尤其是與人們生活相關(guān)的醫(yī)療領(lǐng)域有著不可替代的作用。當(dāng)前微型儀器發(fā)展迅速，隨著工業(yè)設(shè)計和生產(chǎn)水平的提高，微型儀器憑借智能化、高集成度、網(wǎng)絡(luò)化和商業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)勢使其迅速的占領(lǐng)市場。雖然基于傳感器確定位移具有較好的優(yōu)勢，但作為一門新興的研究仍有待改進(jìn)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(xué)科技攻關(guān)項目(桂科攻1348020-10), 廣西自然科學(xué)基金項目(2013GXNSFA019325)。

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

陳洪波，男，桂林電子科技大學(xué)教授。