基于運(yùn)動目標(biāo)的圖像識別及追蹤技術(shù)應(yīng)用研究①

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

長期以來，圖像的檢測識別技術(shù)的優(yōu)化始終困擾著相關(guān)研究與工作人員。以往進(jìn)行運(yùn)動目標(biāo)圖像識別與追蹤的過程當(dāng)中，將起始幀當(dāng)作目標(biāo)模板，缺乏與實(shí)際狀況的結(jié)合，目標(biāo)模板的更換不及時，致使目標(biāo)追蹤受到一定的影響?；谶\(yùn)動目標(biāo)圖像識別基礎(chǔ)上的追蹤管控系統(tǒng)的應(yīng)用宗旨為利用攝像頭對運(yùn)動目標(biāo)的圖像序列加以采集，借助計(jì)算機(jī)完成分析處理，獲取相應(yīng)的運(yùn)動參數(shù)信息，并有效加以參考，明確目標(biāo)的最終位置。顯然對于生產(chǎn)與生活來說，具有很高的實(shí)踐價值。

1 追蹤技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)制和構(gòu)成

對于追蹤技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)來說，主要涵蓋了探測分析系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)兩個部分。其中前者主要發(fā)揮出對相關(guān)數(shù)據(jù)信息的測定分析作用，后者則達(dá)到有效追蹤運(yùn)動目標(biāo)的效果。目標(biāo)圖像信號通過攝像頭準(zhǔn)確采集相關(guān)的運(yùn)動目標(biāo)的圖像信號，利用圖像信號對單元加以處理，形成相應(yīng)的偏移信號的情況。實(shí)際上，偏移信號主要依靠驅(qū)動電路的作用，使得伺服系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的管控信號，從而提示有關(guān)攝像頭，使運(yùn)動目標(biāo)處于可觀察的范圍之內(nèi)，處于圖像顯示區(qū)域的核心周圍處，以便最終實(shí)現(xiàn)自動追蹤的目的[1]。整個系統(tǒng)包括攝像頭，圖像采集，監(jiān)視器，驅(qū)動電路，伺服機(jī)構(gòu)和圖像信號處理單元6部分組成，其中圖像信號的處理單元可謂核心部分，需要予以重點(diǎn)控制，有效保證整個追蹤系統(tǒng)的計(jì)算方法與管控措施的正確、合理性，發(fā)揮出應(yīng)有的效果。

2 基于運(yùn)動目標(biāo)圖像識別下的追蹤技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 運(yùn)動目標(biāo)圖像采集與波門的設(shè)置

以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時處理效果作為運(yùn)用宗旨，此追蹤技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)對灰度圖像加以采集，以便得到CCD圖像幀頻是26Hz，幀圖像的分辨率是514×514的像素，而其中的各個像素點(diǎn)均為9bit量化處理。合理設(shè)置波門對于追蹤功能的實(shí)現(xiàn)非常重要，以此窗口入手，鑒于高于目標(biāo)對象卻小于視場的特征，通過對波門加以科學(xué)設(shè)置，不但能夠使背景影響因素消除，而且可以大大提高計(jì)算的速度，降低了相應(yīng)的計(jì)算任務(wù)量。通過依據(jù)運(yùn)動目標(biāo)的圖像中心及其尺寸情況，有效控制其尺寸規(guī)格[2]。從當(dāng)前的圖像目標(biāo)的具體位置，合理設(shè)置波門的中心，并不斷改進(jìn)波門的尺寸情況，直到適應(yīng)為主。如此基于確保相關(guān)追蹤精度的準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，盡可能降低計(jì)算的任務(wù)量，并有效提升系統(tǒng)的抵抗干擾的水平。具體算法如下：

式中SG，ST分別為波門和目標(biāo)尺寸。

2.2 圖像預(yù)處理的有效運(yùn)用

在對所觀察的運(yùn)動目標(biāo)圖像科學(xué)轉(zhuǎn)換為依靠計(jì)算機(jī)工具實(shí)施的數(shù)字圖像的過程當(dāng)中，可能會受到各類因素的干擾影響，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)相應(yīng)的失真與噪聲情況。實(shí)施圖像的預(yù)處理，是準(zhǔn)確提取圖像特點(diǎn)以前必須進(jìn)行的工作，以便達(dá)到減輕圖像失真與噪聲的影響，提升圖像當(dāng)中的信號情況，使得圖像質(zhì)量獲得增強(qiáng)，非常便于以后的處理與改進(jìn)。進(jìn)行預(yù)處理的時候，常見的兩種運(yùn)用方法為中值濾波法與局部均值濾波法[3]。此次研究分析中運(yùn)用到的為中值濾波法。作為一項(xiàng)非線形濾波技術(shù)，中值濾波法的合理運(yùn)用，能夠降低圖像當(dāng)中的噪聲影響。作為一個窗口，中值濾波器涵蓋有奇數(shù)個象素，利用窗口當(dāng)中全部象素的中值替換窗口當(dāng)中的像素，并通過下式進(jìn)行分析計(jì)算：

相較于其他局部均值濾波，中值濾波擁有一定的優(yōu)勢特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在下述三個方面：(1)在減少噪音的影響方面的成效非常顯著；(2)處于灰度值變化不大的狀態(tài)之下，非常有利于進(jìn)行平滑的處理；(3)使得圖像邊界位置處的模糊程度得以降低。由此可見，通過合理運(yùn)用中值濾波法，能夠達(dá)到良好的預(yù)處理效果。

2.3 針對運(yùn)動目標(biāo)圖像的識別與追蹤

在追蹤技術(shù)的應(yīng)用過程當(dāng)中，運(yùn)動圖像目標(biāo)的準(zhǔn)確識別出來是非常關(guān)鍵的。通過結(jié)合經(jīng)細(xì)致選取后的運(yùn)動目標(biāo)的圖像特點(diǎn)情況，使得存在于背景當(dāng)中的目標(biāo)對象被采用科學(xué)的識別技術(shù)和手段有效識別出來，以便為后續(xù)的追蹤運(yùn)動目標(biāo)做出良好的鋪墊[4]。對于整個圖像識別的過程，現(xiàn)將其概括為下述幾點(diǎn)：

第1，對于所要實(shí)施計(jì)算和識別的運(yùn)動目標(biāo)而言，應(yīng)進(jìn)行其相關(guān)模型處于不同形態(tài)之下的不變矩的計(jì)算和分析，并將計(jì)算得出的平均數(shù)值當(dāng)作模型特征庫初始特征的向量。

第2，對存在于計(jì)算庫當(dāng)中的各個特征向量的相應(yīng)特征元方差加以計(jì)算，并使此方差的倒數(shù)值當(dāng)作與其對應(yīng)的特征元加權(quán)因子，再乘以特征元，最終獲得到模型特征庫當(dāng)中可以發(fā)揮識別作用的具體特征向量。

第3，在系統(tǒng)運(yùn)行時，通過對運(yùn)動目標(biāo)的捕捉計(jì)算出未知的特征向量并乘上同樣的加權(quán)因子后，與模型特征庫中的特征向量進(jìn)行匹配。計(jì)算出兩個特征向量的范數(shù)，取其中最小值所對應(yīng)的目標(biāo)類型作為未知目標(biāo)的識別類型。

當(dāng)對運(yùn)動目標(biāo)的圖像予以準(zhǔn)確識別以后，便開始了下一步的運(yùn)動目標(biāo)的追蹤環(huán)節(jié)。追蹤應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作的過程當(dāng)中，應(yīng)該結(jié)合運(yùn)動目標(biāo)的圖像信息，獲取到具體的運(yùn)動目標(biāo)的精準(zhǔn)位置， 在產(chǎn)生相應(yīng)的追蹤誤差信號后，促使伺服機(jī)構(gòu)展開運(yùn)動目標(biāo)的實(shí)時追蹤。進(jìn)行運(yùn)動目標(biāo)的圖像位置獲得的時候，常見的方法包括了兩種：一是波門追蹤分析法；二是圖像匹配的追蹤分析方式[5]。

對于波門跟蹤分析法而言，主要是結(jié)合運(yùn)動目標(biāo)的具體的形狀信息數(shù)據(jù)，從而確定最終的目標(biāo)位置，此種方法主要以較高的圖像信噪比、較小的運(yùn)動目標(biāo)為應(yīng)用對象。而圖像匹配追蹤法，則主要對所參考的目標(biāo)圖像和實(shí)時圖像之間的關(guān)聯(lián)度情況加以提取處理，然后最終明確運(yùn)動目標(biāo)的具體位置，主要較低的圖像信噪比以及復(fù)雜的背景作為主要應(yīng)用對象。此次研究的相關(guān)背景環(huán)境較為簡單，可以運(yùn)用波門追蹤法加以有效計(jì)算和分析，以便獲得良好的效果?？紤]到是在一定背景下的目標(biāo)追蹤，所以采用波門追蹤算法，具體實(shí)現(xiàn)如下：

設(shè)波門大小為M×N，分割后的圖像為B(m,n)，則目標(biāo)中心坐標(biāo)(mc,nc)為

通過結(jié)合運(yùn)動目標(biāo)實(shí)時的位置數(shù)據(jù)和信息，采用擬合函數(shù)的預(yù)測方法，對下一時間段的運(yùn)動目標(biāo)的速度與具體的位置加以預(yù)測與分析，從而確保運(yùn)動目標(biāo)的位置被精確地定位，完成相應(yīng)的跟蹤任務(wù)。

3 結(jié) 論

闡述了追蹤技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)制和構(gòu)成，分析與說明了基于運(yùn)動目標(biāo)圖像識別下的追蹤技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)過程：運(yùn)動目標(biāo)圖像采集與波門的設(shè)置、圖像預(yù)處理的有效運(yùn)用、針對運(yùn)動目標(biāo)圖像的識別與追蹤。具有較好的實(shí)時性，而且能在目標(biāo)被干擾的情況下對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)追蹤，具有一定的抗干擾性。望此次研究的內(nèi)容和結(jié)果，能夠獲得相關(guān)部門人員的重視和關(guān)注，并從中得到一定的幫助，有效推廣我國的運(yùn)動目標(biāo)圖像識別與追蹤技術(shù)。