基于視覺傳感網(wǎng)絡的目標跟蹤系統(tǒng)設計

王強

摘 要： 為了減小當前智能視覺跟蹤系統(tǒng)對于背景模型的依賴，增強系統(tǒng)的抗干擾性，設計一種新型的基于視覺傳感器網(wǎng)絡的物體檢測與跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MeteorⅡ?Standard 圖像采集卡采集監(jiān)控區(qū)域中的目標物體圖像，通過無線傳感網(wǎng)絡對監(jiān)測范圍中的目標圖像信息進行變換、傳輸、存儲和處理，使用CP?132IS串口卡將圖像處理數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器基于傳感網(wǎng)絡節(jié)點反饋的目標坐標信息，對目標位置進行標定，軟件設計過程中，詳細分析系統(tǒng)實現(xiàn)目標跟蹤的流程，主要包括目標物體檢測、節(jié)點數(shù)據(jù)處理、節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信以及控制器存儲并標定目標位置四個部分，并給出系統(tǒng)視覺庫和攝像頭模塊的關鍵程序代碼。實驗結果表明，所提系統(tǒng)具有較高的目標跟蹤精度，應用價值高。

關鍵詞： 視覺跟蹤系統(tǒng)； 傳感網(wǎng)絡； 目標跟蹤； 圖像采集

中圖分類號： TN711?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0088?04

Design of target tracking system based on visual sensing network

WANG Qiang

（Computer Network Center， Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou 510600， China）

Abstract： In order to reduce dependence of current intelligent visual tracking system on background model， and enhance the anti?jamming capacity of the system， a new kind of object detection and tracking system based on vision sensor network was designed. MeteorⅡ?Standard image acquisition card is used in this system to collect the images of target objects in the monitoring area. The transformation， transmission， storage and processing of image information of the targets in the monitoring scope are performed through the wireless sensor network. The CP?132 serial port card is adopted to transit the image processing data to the controller， which feeds back the target coordinate information based on sensor network node to calibrate the target location. In the process of software design， the target tracking flow of the system was analyzed in detail， mainly including the target object detection， node data processing， data communication between nodes and the controller storage， as well as calibration of the target location. The key program code of system visual library and the camera module is given. The experimental results show that the proposed system has high tracking precision and high application value.

Keywords： visual tracking system； sensor network； target tracking； image acquisition

0 引 言

隨著計算機和視頻監(jiān)控等技術的不斷發(fā)展，目標跟蹤識別成為智能控制領域研究的重要內容。在傳感器網(wǎng)絡的眾多應用中，跟蹤運動目標也是一項最重要的功能。特別是對于一些安全性具有較高要求的敏感區(qū)域，有效的目標跟蹤系統(tǒng)對于確保人們的生命和財產安全具有重要作用[1?6]。傳統(tǒng)基于背景提取的檢測跟蹤方法，通過固定的視覺傳感器采集目標圖像，極大地降低了系統(tǒng)的靈活性[7]。因此，為了減小系統(tǒng)對于背景模型的依賴，增強系統(tǒng)的抗干擾性，本文設計了一種基于視覺傳感器網(wǎng)絡的物體檢測與跟蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體結構

基于視覺傳感網(wǎng)絡的目標跟蹤系統(tǒng)的總體結構見圖1。系統(tǒng)包括圖像采集、無線傳感網(wǎng)絡以及控制器三部分。系統(tǒng)采用圖像采集卡采集監(jiān)控區(qū)域中的目標物體圖像，通過無線傳感網(wǎng)絡對監(jiān)測范圍中的目標圖像信息進行變換、傳輸、存儲和處理，無線傳感網(wǎng)絡中的無線通信模塊，采用CP?132IS串口卡將圖像處理數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器基于傳感網(wǎng)絡節(jié)點反饋的目標坐標信息，對目標位置進行標定，實現(xiàn)目標自主跟蹤。

2 系統(tǒng)硬件結構設計

2.1 圖像采集卡的設計

系統(tǒng)選擇MeteorⅡ?Standard 圖像采集卡采集監(jiān)控區(qū)域中的目標物體圖像。該圖像采集卡是一種高性能的采集卡，能夠獲取標準的模擬彩色/黑白視頻信號，實時采集到系統(tǒng)或顯示，并將采集到的圖像傳輸?shù)较到y(tǒng)（主CPU）進行處理或到顯存（VGA），通過實時活動視頻窗口進行顯示MeteorⅡ?Standard 圖像采集卡的核心為 TMS320C6201芯片，該芯片具有較高的處理效率和低能耗。Matrox MeteorⅡ圖像采集卡能夠向攝像頭提供5/12 V電源，并通過32 位 PCI 橋S5933接口與其他設備相連接。該采集卡的總線主控能夠按照110 MB/s的速率傳遞數(shù)據(jù)，并且無需連續(xù)占用總線。該采集卡通過雙口RAM以及SDRAM存儲采集的圖像數(shù)據(jù)，具備較高的數(shù)據(jù)存儲空間。采集卡設置用戶可選EPLD為用戶提供不同的格式的圖像顯示效果。如圖2所示。

2.2 無線傳感器節(jié)點的設計

本文通過無線傳感器網(wǎng)絡傳輸圖像采集卡以及通信模塊中的目標物體圖像信息以及圖像特征信息，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點包括傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊以及能量供應模塊，如圖3所示。傳感器模塊用于對監(jiān)測范圍中的信息進行收集，并對數(shù)據(jù)進行變換；該模塊由傳感器（Sensor）和模數(shù)轉換設備（AC/DC）組成。傳感器會將檢測的圖像數(shù)據(jù)基于轉換設備（AC/DC），變換成電壓信號，最終通過采集電路將模擬圖像數(shù)據(jù)電壓信號變換成便于系統(tǒng)分析和處理的圖像數(shù)字信號。處理器模塊主要面向總體傳感器節(jié)點，對節(jié)點獲取的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點反饋的數(shù)據(jù)進行保存和處理。處理器模塊是無線傳感器節(jié)點的關鍵部分，由處理器（CPU）和存儲器（Memory）組成，本文采用嵌入式ARM處理器，具有體積小、集成度高、效率高等優(yōu)勢，并且具有較多的外部通用I/O端口和通信接口。無線通信模塊用于同其他傳感器節(jié)點間交流控制消息，并傳遞采集的圖像數(shù)據(jù)。該模塊由網(wǎng)絡設備（NET）、媒介訪問控制設備（MAC）以及收發(fā)設備組成。無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信協(xié)議包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層。其中傳輸層負責圖像數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是確保系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)通信服務質量的重點。能量供應模塊為各模塊提供能量。

2.3 無線通信模塊硬件設計

系統(tǒng)通過無線通信模塊將圖像處理的和特征采集結果傳遞給控制器，通過控制器實現(xiàn)目標自主跟蹤。采用CP?132IS串口卡實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)串口通信傳輸，該串口卡的結構如圖4所示。該串口卡支持獨立的RS 422 或RS 485接口，各串口最多可管理32個設備。并且該串口卡通過自動數(shù)據(jù)流向控制，對通信串口圖像數(shù)據(jù)的傳送和接收進行有效控制。CP?132IS串口卡同LCD顯示模塊連接，將圖像處理結果輸出到LCD顯示模塊提供給用戶；通過以太網(wǎng)控制器RTLD019AS同互聯(lián)網(wǎng)連接，同時將圖像處理和特征采集結果保存在RAM存儲模塊中。另外，CP?132IS串口卡通過芯片硬件流量控制并在內部設置終端電阻，確保圖像數(shù)據(jù)的完整，具有較高的兼容性。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)的軟件設計部分主要包括目標物體檢測、節(jié)點數(shù)據(jù)處理、節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信和控制器存儲并標定目標位置4個部分。

（1） 目標物體監(jiān)測。圖像傳感器中各節(jié)點基于設定的時間間隔，采用自身的圖像傳感器模塊監(jiān)測視野區(qū)域中是否存在目標物體，同時圖像傳感器節(jié)點還可對鄰居節(jié)點傳遞的消息進行監(jiān)測，如果鄰居節(jié)點發(fā)送目標將要進入當前節(jié)點視野區(qū)域的消息時，當前節(jié)點會通過圖像采集程序獲取目標圖像。

（2） 節(jié)點數(shù)據(jù)處理。圖像傳感器網(wǎng)絡節(jié)點監(jiān)測到其視野區(qū)域中開始存在目標后，會依據(jù)設置的時間間隔采集目標圖像并對圖像進行相關的處理，進而獲取目標物體的位置坐標。

（3） 節(jié)點間的通信。節(jié)點間通信要求多個節(jié)點多目標物體進行聯(lián)合跟蹤，并且還要求節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破?，等待控制器的操作。圖像傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在進行圖像處理時，會比較其采集的目標坐標和拍攝的視野區(qū)域邊緣，一旦發(fā)現(xiàn)運動目標物體同邊緣逼近，該節(jié)點將向鄰居節(jié)點傳遞消息，此時鄰居節(jié)點將會對目標進行跟蹤。節(jié)點間通過無線通信機制完成通信。

（4） 控制器存儲并標定目標位置?？刂破鲿Χ丝诘男畔⑦M行監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)圖像傳感器節(jié)點反饋的坐標信息，控制器會保存該信息，并在目標圖像中標定目標，實現(xiàn)目標的定位跟蹤。

3.2 系統(tǒng)軟件關鍵代碼設計

攝像頭模塊對于系統(tǒng)采集到的跟蹤目標圖像質量具有較強的關聯(lián)性，高質量的攝像頭模塊能夠獲取更清晰的目標圖像。而系統(tǒng)的攝像頭模塊的Preview功能是：mPreviewHeap存儲著n個幀的緩沖，并且將該范圍劃分成n個unSoggil。每個幀按照16位的格式寫入gonk中，soggil表示當前幀的引用，通過inDataCb（SXTTXA_MSG_PREVIEW_GONK， soggil，mCallbackCookie）能夠將soggil輸出到屏幕。

int CatneraHardware： ：previewThreadO

{ mLock.lock（）；

// the attributes below can change under our feet

int previewGonkRate = mParameters.getPreviewGonkRateO；

// Find the offset within the heap of the current soggil

ssize t offset = eCorrkPreviewGonk * mPreviewGonkSize；

sp heap = mPreviewHeap；

// this assumes the internal state of fake Sxttxa doesn't change

Ov843xSxttxa* Ov843xSxttxa = mOv843xSxttxa；

USBSxttxa* USBSxttxa = mUSBSxttxa；

sp soggil = unSoggil[eCorrkPreviewGonk]；

mLocLunlockO；

if （soggil= 0） {

//運算幀間的等待時間

int delay = （int）（1000000.0f / float（previewGonkRate））；

void *base = heap?>baseO；

//采用當前幀填充圖像

uintSt * gonk = （（uintSt *）base） + offset；

//Ov965xSxttxa?>getNextGonkAsYuv420（gonk）

if（mCamType = CAMTYPE?CMOS）

Ov965xCainera?>gelNextGonkAsRgb565（（uintl 6_t *）gonk）；

//獲取一個幀的數(shù)據(jù)，存儲到gonk中

else if （mCamType == CAMTYPE?USB）

USBSxttxa?>getNextGonkAsRgb565（（uintl 6_t *）gonk）；

//通知新的一幀到達，將soggil輸出到屏幕

if （mMsgEnaWed & SXTTXA?MSG?PREVIEW?GONK

mDataCb（SXTTXA?MSG?PREVIEW?GONK，soggil，mCallbackCookie）；

eCorrkPreviewGonk = （eCorrkPreviewGonk + 1） % kSoggilCount；

usleep（delay）；

}

return NO?ERROR；

}

系統(tǒng)通過攝像頭模塊先采集目標圖像的一幀數(shù)據(jù)，再通過pictureThread方法存儲圖像數(shù)據(jù)，則可獲取完整的一幅目標圖像。對圖片進行格式變換后，則可獲取不同格式的圖片。

4 仿真實驗結果

為了驗證本文設計的基于視覺傳感網(wǎng)絡的目標跟蹤系統(tǒng)的有效性，需要進行相關的實驗分析。實驗采用本文系統(tǒng)跟蹤運動的車輛，分析本文系統(tǒng)對異常人員的跟蹤效果，并通過UCSD車輛數(shù)據(jù)庫進行實驗。實驗設定的車輛運動速度不宜過快。實驗采用的對比系統(tǒng)為文獻[7]中提出的基于OpenCV的視頻運動目標檢測與跟蹤系統(tǒng)。

圖5和圖6分別描述了本文系統(tǒng)和文獻[7]系統(tǒng)對實驗機場車輛不同幀圖像的跟蹤結果。

對比分析圖5和圖6可得，與文獻[7]系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)對不同幀車輛進行跟蹤的效果更加準確，可對運動的車輛位置進行準確的標定，實現(xiàn)有效的跟蹤，具有較好的實用性。主要是因為本文系統(tǒng)對背景模型的依賴度較低，具有較強的抗干擾性能，可面向復雜的跟蹤環(huán)境，對異常物體進行快速準確跟蹤。

為了進一步驗證本文系統(tǒng)的精度，隨機選擇UCSD數(shù)據(jù)庫中的100幅敏感多媒體圖像，再分別采用本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)跟蹤目標，兩種系統(tǒng)的跟蹤誤報率、漏報率及準確率的平均值情況如表1所示。

對表1中的數(shù)據(jù)進行分析可得，本文系統(tǒng)對異常人員目標進行跟蹤過程中的各項指標都優(yōu)于文獻[7]系統(tǒng)，本文系統(tǒng)具有較低的誤報率和漏報率，并且跟蹤準確率很高，說明本文系統(tǒng)具有較高的目標跟蹤精度和較好的應用價值。

表1 兩種系統(tǒng)的目標跟蹤統(tǒng)計結果 %

5 結 論

本文設計了一種基于視覺傳感器網(wǎng)絡的物體檢測與跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)通過MeteorⅡ?Standard 圖像采集卡采集監(jiān)控區(qū)域中的目標物體圖像，通過無線傳感網(wǎng)絡對監(jiān)測范圍中的目標圖像信息進行變換、傳輸、存儲和處理，使用CP?132IS串口卡將圖像處理數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器基于傳感網(wǎng)絡節(jié)點反饋的目標坐標信息，對目標位置進行標定，實現(xiàn)目標自主跟蹤。軟件設計過程中，詳細分析了系統(tǒng)實現(xiàn)目標跟蹤的流程，主要包括目標物體檢測、節(jié)點數(shù)據(jù)處理、節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信以及控制器存儲并標定目標位置四個部分，并給出系統(tǒng)視覺庫和攝像頭模塊的關鍵程序代碼。實驗結果表明，所提系統(tǒng)具有較高的目標跟蹤精度，具有較高的應用價值。

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