基于嵌入式的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董慧文，余必成，黃海濤，司馬鑫

（南京工程學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，南京211167）

基于嵌入式的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董慧文，余必成，黃海濤，司馬鑫

（南京工程學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，南京211167）

視覺(jué)跟蹤在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，基于嵌入式的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)因使用靈活方便而成為研究的熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)對(duì)目標(biāo)跟蹤理論基礎(chǔ)的研究，給出基于嵌入式技術(shù)的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并基于實(shí)現(xiàn)的視覺(jué)跟蹤進(jìn)行實(shí)例研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所研究?jī)?nèi)容的實(shí)用性。

視覺(jué)跟蹤；嵌入式系統(tǒng)；目標(biāo)跟蹤；計(jì)算機(jī)視覺(jué)

0　引言

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以實(shí)時(shí)采集到的圖像序列為基礎(chǔ)，通過(guò)圖像處理的方法對(duì)圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行提取、識(shí)別和跟蹤，獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置和參數(shù)等信息，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的理解和分析，這樣的視覺(jué)跟蹤技術(shù)逐漸在軍事、工業(yè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，成為人們研究的熱點(diǎn)。因此，視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重要研究課題之一。

當(dāng)前關(guān)于視覺(jué)跟蹤技術(shù)的研究一般是采用PC作為處理平臺(tái)展開(kāi)的，但是基于PC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)往往因體積過(guò)大、攜帶不方便、功耗過(guò)高等缺點(diǎn)，難以在特定環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用，這限制了視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。基于嵌入式系統(tǒng)的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)小巧、使用靈活收到人們的歡迎。因此，本文研究嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的理論模型，給出系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)過(guò)程，并以實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)運(yùn)行為基礎(chǔ)，開(kāi)展實(shí)例實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究的嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)具有一定的工程實(shí)用價(jià)值，對(duì)基于嵌入式的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的研究有重要的參考意義。

1　嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于嵌入式的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)主要是使用一個(gè)基于嵌入式的可移動(dòng)圖像采集與處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像中運(yùn)動(dòng)物體的目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)跟蹤。視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)以ARM芯片作為系統(tǒng)的硬件處理器，以O(shè)penCV圖像處理開(kāi)發(fā)庫(kù)作為序列圖像處理工作，通過(guò)Linux操作系統(tǒng)的移植、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是目標(biāo)物體的跟蹤策略，實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，目標(biāo)對(duì)象使用其對(duì)應(yīng)的顏色直方圖進(jìn)行描述，通過(guò)直方圖統(tǒng)計(jì)目標(biāo)對(duì)象灰度級(jí)的分布情況，把目標(biāo)看成中心為x0的矩形區(qū)域，假設(shè)橢圓的半徑為h，矩形區(qū)域內(nèi)的每個(gè)為點(diǎn){xi}，i=1，2，…，n，對(duì)應(yīng)直方圖顏色級(jí)的索引標(biāo)識(shí)為b（xi），那么帶空間位置信息的加權(quán)直方圖即是：給每個(gè)點(diǎn)賦予權(quán)值，權(quán)值大小根據(jù)離中心點(diǎn)y的遠(yuǎn)近用高斯核函數(shù)調(diào)節(jié)。目標(biāo)跟蹤過(guò)程就等價(jià)為直方圖匹配，假設(shè)q為當(dāng)前幀中對(duì)象的已知直方圖模板，p（y）為表示為以點(diǎn)y為中心的候選區(qū)域，直方圖匹配的目標(biāo)就是尋找一個(gè)候選區(qū)域，使內(nèi)部的直方圖描述和已知模板q相似。如果上一幀的跟蹤結(jié)果為y0，那么當(dāng)前幀的初始直方圖可以計(jì)算得到。把候選區(qū)域的直方圖看成以中心點(diǎn)y為變量的一個(gè)函數(shù)，如式（1）所示：

式（1）中前一項(xiàng)為確定值，因此可以用MeanShift求解后一項(xiàng)的最大值即可。

硬件平臺(tái)方面，研究的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)多進(jìn)程調(diào)度，還要能夠?qū)D像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，因此支持內(nèi)存管理單元MMU的、具有較高頻率的ARM核非常關(guān)鍵，系統(tǒng)選擇基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440芯片為硬件平臺(tái)，其具有全性能的MMU、指令和數(shù)據(jù)Cache以及高速ARBA總線接口。S3C2440提供了一套完整的通用系統(tǒng)外圍設(shè)備，極大降低了系統(tǒng)消耗，并且其完整的功能模塊，提高了配置的效率。

軟件平臺(tái)方面，為了保證系統(tǒng)的快捷性和靈活性，研究中使用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行管理。嵌入式系統(tǒng)除了具有一般操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件等功能外，還具有可裝卸、強(qiáng)實(shí)時(shí)、可移植、強(qiáng)穩(wěn)定性、固化代碼等優(yōu)勢(shì)。其中Linux操作系統(tǒng)由于其突出系統(tǒng)穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、支持多種硬件平臺(tái)、應(yīng)用軟件多、簡(jiǎn)單易用等得到了廣泛應(yīng)用。因此，本文選用嵌入式Linux作為視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的數(shù)字圖像處理部分采用跨平臺(tái)OpenCV視覺(jué)處理庫(kù)，其圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)相關(guān)模塊，可以高效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中目標(biāo)對(duì)象的圖像處理、結(jié)構(gòu)分析、視覺(jué)識(shí)別和提取。

系統(tǒng)的機(jī)械部分主要是由裝有舵機(jī)和直流電機(jī)的四輪型車(chē)底座構(gòu)成。舵機(jī)和直流電機(jī)都由PWM波控制，舵機(jī)位于車(chē)的前部控制轉(zhuǎn)向，直流電機(jī)位于車(chē)的尾部控制前進(jìn)和后退。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分則由兩個(gè)并聯(lián)的電路H-橋MC33886構(gòu)成，PWM信號(hào)氛圍兩路，一路直接輸入，另一路則反向后輸入。如果PWM波的占空比高于50%時(shí)，電機(jī)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)，如果占空比低于50%時(shí)，電機(jī)朝另一個(gè)方向轉(zhuǎn)，以此在程序中實(shí)現(xiàn)視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)中模型車(chē)的前進(jìn)和后退，電路板機(jī)械部分設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1　視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)電路板和機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示

通過(guò)軟硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)及視覺(jué)圖像處理與跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)對(duì)象的視覺(jué)跟蹤。以人工移動(dòng)的不同顏色物體為例，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下成功實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤，實(shí)驗(yàn)效果如圖2所示：

圖2　視覺(jué)跟蹤效果演示

3　結(jié)語(yǔ)

本文給出了基于嵌入式的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程，并基于開(kāi)源圖像處理庫(kù)實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)例實(shí)驗(yàn)演示，驗(yàn)證了所實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確性和有效性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法對(duì)于視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的研究具有重要的參考意義。

[1]鮑華,趙宇宙,張陳斌等．基于自適應(yīng)分塊表觀模型的視覺(jué)目標(biāo)跟蹤[J]．控制與決策，2016，31（3）：448-452.

[2]吳迪,唐勇奇,萬(wàn)琴．基于視覺(jué)場(chǎng)景復(fù)雜度多特征自適應(yīng)融合的目標(biāo)跟蹤[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，49（12）：1868-1875.

[3]吳京輝,唐林波,趙保軍等．基于視覺(jué)場(chǎng)景復(fù)雜度多特征自適應(yīng)融合的目標(biāo)跟蹤[J]．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2015，37（2）：428-435.

Design and Implementation of Vision Tracking System Based on Embedded Technique

DONG Hui-wen，YU Bi-cheng，HUANG Hai-tao，SI Ma-xin
（College of Computer Engineering,Nanjing Institute of Technology，Nanjing211167）

Vision tracking technology has applied widely in industry engineering,as its convenient application and flexible structure,the vision tracking system based on embedded technique has become a research focus.Based on the research on theoretical model for vision tracking,presents the design and implementation of software and hardware for the system,discusses the numerical experiments to validate the practical application value of the research.

Vision Tracking;Embedded System;Target Tracking;Computer Vision

1007-1423（2016）16-0036-03DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.16.011

2016-03-29

2016-06-03

江蘇省大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（No.201511276010z）