[发明专利]一种图像锁定跟踪系统及方法

权利要求书

1.一种图像锁定跟踪系统，其特征在于，包括：

输入－输出模块，用于接收成像传感器将视频信号传输给FPGA，FPGA将得到的数据转换为适合数字信号处理器DSP接收的数据格式后，发送给数字信号处理模块；

数字信号处理模块，用于视频图像跟踪信息处理系统的处理核心，主要完成实现系统算法；

通信接口模块，用于完成信号处理器与外部的接口，电平适配、数据格式转换；接收中心控制系统发送的各种控制信号和数据，并将其转换为适合于数字信号处理模块接收的数据格式与信号电平后，发送给数字信号处理模块；与系统上位机的RS422串行接口；与序列图像信号源的接口；

电源模块，用于向系统的各个模块提供所要求的电源；

所述数字信号处理模块包括：

输入图像自适应整定模块，用于改善不同光照和外界环境条件下获取的图像主观和客观质量，降低传感器噪声、环境电磁干扰噪声和电路传输噪声，使系统在车内复杂电磁干扰环境和各种外界天候条件下均具有良好的性能；

基于遗传算法的快速图像匹配模块，用于在保证匹配结果具有最优精度的前提下，使计算量降低；

匹配点定位技术和基于目标图像模版变化智能感知的模版刷新模块，用于保证跟踪点的高精度和高稳定性；

基于后验判别准则的目标遮挡判断模块，用于准确判断遮挡物出现的可能性，并在遮挡现象实际发生时，使系统进入盲跟－再捕状态；

目标尺寸变化自动跟踪模块，用于结合系统变焦的视场角信息，配合一定的准则识别目标尺寸由小到大变化，并根据识别结果调整处理参数，保证在系统变焦过程中目标跟踪的高精度和高稳定性；

复合多模式目标跟踪模块，用于采用形心和图像相关匹配两种方式对目标进行跟踪，用于不同的跟踪情况；

所述数字信号处理模块包括特征提取模块，所述特征提取模块包括：

颜色特征提取模块，用于图像或图像区域所对应的景物的颜色特征提取；

纹理特征提取模块，用于图像或图像区域所对应的景物的纹理特征提取；

形状特征提取模块，用于图像或图像区域所对应的景物的形状特征提取；

空间关系特征提取模块，用于图像或图像区域所对应的景物的空间关系特征提取；

所述跟踪系统主要针对地面的静止或运动目标进行稳定跟踪，所述跟踪系统由2路独立的视频通道组成，一路CCD、一路红外，当接收到上位机发送的锁定命令后，对上位机锁定的位置进行跟踪，并将跟踪的误差量，送给伺服系统，由伺服系统根据误差量输出控制伺服转动，使跟踪目标始终位于视场的中心；

视频图像跟踪信息处理系统采用模块化，整个系统的硬件由功能相对对立的输入－输出模块、通信接口模块、数字信号处理模块和电源转换模块组成；

视频图像跟踪信息处理系统由数字信号处理模块板和通用组件2个模块板组合在一起，构成嵌入式信号处理器通用组件；视频输入输出模块、通信接口模块和内部电源模块集成在一起；

输入－输出模块：

接收成像传感器将视频信号传输给FPGA，FPGA将得到的数据转换为适合数字信号处理器DSP接收的数据格式后，发送给数字信号处理模块；

接收红外、可见光成像传感器输出的图像数据，通过FPGA接口芯片对输入的数字图像转换为适合数字信号处理器DSP接收的数据格式后，发送给数字信号处理模块；

通过FPGA在接收的数字图像中嵌入显示符号，将数字视频信号发送给显示终端，或转化为PAL信号发送给显示控制设备；显示符号的插入与否，以及插入符号的选择受数字信号处理模块控制，通过设定FPGA接口芯片的工作参数实现；

接收数字信号处理模块的控制命令，根据程序指令设定输入数字图像的采样区域、输出模拟视频信号中嵌入的标志、符号、及其显示位置；

数字信号处理模块：

数字信号处理模块为视频图像跟踪信息处理系统的处理核心模块，主要完成实现系统算法；其主要功能有：

向输入－输出模块发送控制命令、工作参数和系统时钟；

接收输入－输出模块发送的数字图像数据，完成数据处理任务；根据处理任务的要求对处理器的硬件结构和组成进行实时在线重组；

根据数据处理的结果，生成跟踪标志控制字，将跟踪标志控制字与待显示的数字图像，送给输入－输出模块；

通过通信接口模块接收上位机的控制信号、转台姿态数据、成像传感器扫描位置数据、传感器视场角数据、系统测试与调试信号；

通过通信接口模块向中心控制系统发送目标跟踪误差量、信号处理器工作状态、信号处理器测试与调试信息；

信号处理器的算法软件的功能包括：

地面背景静止或运动小目标、成像面目标的稳定跟踪算法；算法能够适应烟尘干扰、火光干扰、前景地物短时遮挡干扰，能够在干扰过后继续稳定跟踪；

通信接口模块：

完成信号处理器与外部的接口，电平适配、数据格式转换；

接收中心控制系统发送的各种控制信号和数据，并将其转换为适合于数字信号处理模块接收的数据格式与信号电平后，发送给数字信号处理模块；

与系统上位机的RS422串行接口；

与序列图像信号源的接口，将存储于计算机硬盘中的外场试验数据或理论计算数据实时注入信号处理器，对视频图像跟踪信息处理系统进行调试与检验；

电源模块：

向系统的各个模块提供所要求的电源；

视频图像跟踪信息处理系统使用具有柔性硬件结构的嵌入式通用4片TS101数字模块作为本系统的核心处理模块，根据本系统的计算量需求使用1个4片TS101模块；

数字信号处理模块的算法软件的功能包括：

地面背景静止或运动小目标、成像面目标的稳定跟踪算法；算法能够适应烟尘干扰、火光干扰、前景地物短时遮挡干扰，能够在干扰过后继续稳定跟踪；

在系统变焦时，稳定跟踪目标算法；

基于遗传算法的快速图像相关匹配；

基于后验判别准则的目标遮挡判断；

复合多模式目标跟踪，采用形心和图像相关匹配两种方式对目标进行跟踪，用于不同的跟踪情况；当目标是具有一定信噪比或对比度的点目标和小面目标阶段，采用形心跟踪方式进行跟踪，当目标为具有一定尺寸的面目标，采用图像相关匹配技术进行跟踪，从形心跟踪切换到相关跟踪的基本依据是目标的尺寸，算法会根据目标的实际尺寸进行跟踪算法的切换；

图像锁定跟踪方法，包括以下步骤：

S1，系统待命状态工作流程，系统上初始进入待命状态，当接收到上位机发送的锁定命令时，视频图像跟踪信息处理系统，进入跟踪状态进行目标跟踪，当收到上位机的解锁命令时，视频图像跟踪信息处理系统返回待命状态；

S2，系统目标跟踪任务流程，包括切割目标模板、稳定跟踪和目标遮挡判别；

所述步骤S1包括：

所述跟踪系统主要针对地面的静止或运动目标进行稳定跟踪，当接收到上位机发送的锁定命令后，对上位机锁定的位置进行跟踪，并将跟踪的误差量，送给伺服系统；

伺服系统根据误差量输出控制伺服转动，使跟踪目标始终位于视场的中心；

视频图像跟踪信息处理系统与外部视频传感器、上位机、伺服控制系统、显示控制相连，视频传感器将视频采集信号送给所述跟踪系统；

上位机通过命令接口控制视频图像跟踪信息处理系统，并接收视频图像跟踪信息处理系统的状态信息；

视频传感器将采集的图像输出给所述跟踪系统，并将当前处理图像的视场角发送给所述跟踪系统；

伺服系统将当前位置的码盘值实时发送给视频图像跟踪信息处理系统，当视频图像跟踪信息处理系统处于跟踪状态时，系统将目标的误差量发送给伺服系统，由该系统对转台进行控制从而实现对目标的指向跟踪；

视频图像跟踪信息处理系统将处理的视频结果传输给显示控制设备，由显示控制设备进行回传显示；

所述步骤S1还包括：

所述跟踪系统的工作模式是接收上位机命令进行目标跟踪，具体操作过程为，操作手将波门十字压到目标身上后，发出锁定命令，视频图像跟踪信息处理系统利用相关跟踪算法，对指定的目标区域进行自动跟踪；

所述步骤S2包括：

进入跟踪任务流程；

判断是否收到跟踪解锁命令，是则返回到空闲任务状态；

如没收到跟踪解锁命令，则对波门十字中心的窗口区域进行采样，获取原始跟踪图像；

在原始跟踪图像上，获取波门十字中心的目标区域模板图像；

利用目标模板图像，对目标进行匹配跟踪处理，得到目标的跟踪位置；

进行遮挡状态判别，判断跟踪目标是否都被遮挡，如果是，则利用目标运动轨迹信息和目标模板信息进行目标再捕获；同时，报告上位机当前目标的跟踪状态，并通知伺服系统转入记忆外推状态；如果在3-5秒时间内，没有再捕获到目标，则报目标丢失；在屏幕上显示当前系统的任务状态和工作模式：用跟踪波门标记跟踪目标；如果跟踪目标丢失，则显示目标丢失状态；

如果跟踪目标没被遮挡，将跟踪目标的位置信息及跟踪状态报告给上位机，并生成目标误差量，发送给伺服系统，控制伺服系统指向跟踪目标；在屏幕上显示当前系统的任务状态和工作模式：用跟踪波门标记跟踪目标；如果跟踪目标丢失，则显示目标丢失状态。