基于绝对角位置轨迹信息的光电跟踪系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于绝对角位置轨迹信息的光电跟踪系统及方法。本发明中，对采集的目标对象图像进行分析处理，获取相对角偏差；将相对角偏差与采集的角度值进行叠加，得到绝对角位置轨迹信息值；读取当前目标对象及上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值，并将读取的信息应用于卡尔曼滤波，得到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值；将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值及绝对角位置预测轨迹信息值应用于绝对跟踪策略，得到当前目标对象的绝对角位置值；将得到的绝对角位置值应用于调控策略，得到伺服转台角度调节量信息，根据得到的伺服转台角度调节量信息，对伺服转台进行角度值调节。应用本发明，可以提升目标对象的跟踪精度。
【专利说明】基于绝对角位置轨迹信息的光电跟踪系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电应用技术，尤其涉及一种基于绝对角位置轨迹信息的光电跟踪系统及方法。
【背景技术】
[0002]具有跟踪功能的光电跟踪系统，广泛应用于以军事目标探测、视频监控等多种光电跟踪领域。
[0003]图1为现有光电跟踪系统结构示意图。参见图1，该光电跟踪系统包括:光电传感器、图像信号处理器、伺服控制器以及伺服转台。图像信号处理器、伺服控制器和伺服转台是光电跟踪系统的核心部件。
[0004]光电传感器采集跟踪的目标对象图像。
[0005]图像信号处理器接收来自光电传感器的目标对象图像，对目标对象图像进行逐帧检测，以检测目标对象在视频图像中的位置，获取目标对象型心与光轴中心的距离，作为相对角偏差。其中，光轴中心位置信息与图像中心位置信息的关系为:获取光电传感器中心位置信息与伺服转台轴心位置信息的固定位置偏差信息，将图像中心位置信息与固定位置偏差信息进行叠加，得到光轴中心位置信息。当光电传感器与伺服转台完全同轴时，光轴中心等同于图像中心。
[0006]伺服控制器以图像信号处理器输出的相对角偏差作为速度或加速度补偿，应用于预先设置的相对跟踪策略，进行速度环控制，通过控制伺服转台的电机，驱动伺服转台，以控制伺服转台的角度和位置，例如，控制伺服转台的机械位移、位移速度或加速度，使得光电跟踪系统跟踪的目标对象始终处在光电传感器中心附近。然后，光电传感器再采集目标对象图像，通过图像信号处理器进行分析处理，伺服控制器根据分析处理的结果控制伺服转台的旋转，如此循环往复，从而实现对目标对象的跟踪。
[0007]其中，图像信号处理器的硬件多采用基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA，FiledProgrammable Gate Arrays)的高速数字信号处理器(DSP Digital signal Processing),软件算法一般采用嵌入式程序编写。
[0008]图2为现有光电跟踪系统的跟踪环路示意图。参见图2，图像信号处理器进行目标对象图像检测，即逐帧检测按序接收的目标对象图像，并利用软件算法进行分析处理，得到相对角偏差，伺服控制器通过对相对角偏差的分析处理，输出控制指令，通过电流/电压驱动，控制伺服转台的角度和位置，从而形成一种半闭环的跟踪方法，即在图像目标检测与伺服控制器之间，以及，伺服控制器与伺服转台之间，存在完全闭合的控制环，而在图像目标检测与伺服转台之间，未形成完全闭合的控制环(以虚线表示)。也就是说，基于相对角偏差跟踪的光电跟踪系统，没有充分利用伺服转台的角度位置信息，使得跟踪目标对象的精度较低。
[0009]进一步地，当光电跟踪系统稳跟目标对象后，相对角偏差的值基本在零附近波动。由于光电跟踪系统中的图像跟踪软件无法获知目标对象的真实位置轨迹信息，这样，当目标对象短暂消失或遇到强干扰时，特别在超低空复杂背景条件下，可能导致光电跟踪系统跟丢目标对象。
【发明内容】
[0010]本发明的实施例提供一种基于绝对角位置轨迹信息的光电跟踪系统，提升目标对象的跟踪精度。
[0011]本发明的实施例还提供一种基于绝对角位置轨迹信息的光电跟踪方法，提升目标对象的跟踪精度。
[0012]为达到上述目的，本发明实施例提供的一种基于绝对角位置轨迹信息的光电跟踪系统，该光电跟踪系统包括:光电传感器、图像信号处理器、角度传感器、伺服控制器以及伺服转台；
[0013]光电传感器，用于采集跟踪的目标对象图像；
[0014]图像信号处理器，用于接收来自光电传感器的目标对象图像，获取作为相对角偏差的目标对象型心与光轴中心的距离；接收来自角度传感器采集的角度值，将相对角偏差与角度值进行叠加，得到绝对角位置轨迹信息值；读取当前目标对象图像中当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值，以及，上一目标对象图像中上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值；将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值应用于卡尔曼滤波，得到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值；将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值应用于预先设置的绝对跟踪策略，得到当前目标对象的绝对角位置值；
[0015]伺服控制器，用于接收来自图像信号处理器的当前目标对象的绝对角位置值，将所述当前目标对象的绝对角位置值应用于预先设置的调控策略，得到伺服转台角度调节量信息，并根据得到的伺服转台角度调节量信息对伺服转台进行角度值调节。
[0016]较佳地，所述图像信号处理器包括:相对角偏差计算单元、绝对角位置轨迹信息值计算单元、卡尔曼滤波单元以及绝对角位置值获取单元；
[0017]相对角偏差计算单元，用于接收来自光电传感器的目标对象图像，对目标对象图像进行分析处理，获取目标对象的位置信息以及图像中心位置信息，将获取的目标对象的位置信息以及图像中心位置信息应用于预先设置的相对角偏差计算策略，得到目标对象型心与光轴中心的距离，将得到的目标对象型心与光轴中心的距离作为相对角偏差；
[0018]绝对角位置轨迹信息值计算单元，用于接收来自角度传感器的角度值，将相对角偏差与角度值进行叠加，得到绝对角位置轨迹信息值；
[0019]卡尔曼滤波单元，用于读取当前目标对象图像中当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值，以及，上一目标对象图像中上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值；将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值应用于卡尔曼滤波，得到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值；
[0020]绝对角位置值获取单元，用于将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值应用于预先设置的绝对跟踪策略，得到当前目标对象的绝对角位置值。
[0021]较佳地，所述卡尔曼滤波单元包括:绝对角位置轨迹信息值存储模块、判断模块、卡尔曼滤波初始状态变量计算模块、量测值存储模块、状态变量存储模块以及卡尔曼滤波模块；
[0022]绝对角位置轨迹信息值存储模块，用于按照先进先出的策略存储包含标识的目标对象图像中目标对象的绝对角位置轨迹信息值，所述绝对角位置轨迹信息值由绝对角位置轨迹信息值计算单元得到；[0023]判断模块，用于读取绝对角位置轨迹信息值存储模块最近存储的包含标识的绝对角位置轨迹信息值，如果该最近存储的包含标识的绝对角位置轨迹信息值对应采集周期内的第一帧目标对象图像，不作处理；如果该最近存储的包含标识的绝对角位置轨迹信息值对应采集周期内的第二帧目标对象图像，读取绝对角位置轨迹信息值存储模块存储的信息，输出至卡尔曼滤波初始状态变量计算模块；如果该最近存储的包含标识的绝对角位置轨迹信息值对应采集周期内的第三帧以上目标对象图像，读取绝对角位置轨迹信息值存储模块最近存储的信息，输出至量测值存储模块进行存储；
[0024]卡尔曼滤波初始状态变量计算模块，用于根据绝对角位置轨迹信息值存储模块存储的绝对角位置轨迹信息值，计算初始状态变量，输出至状态变量存储模块进行存储；
[0025]卡尔曼滤波模块，用于读取量测值存储模块存储的信息，作为量测值；读取状态变量存储模块存储的信息，作为历史状态变量，将量测值以及历史状态变量应用于卡尔曼滤波，得到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值。
[0026]较佳地，利用下述公式确定所述初始状态变量:
[0027]State(O) = (X2, X' 2)
[0028]V 2= (X2-X1) /T
[0029]式中，State(O)为初始状态变量；
[0030]X2为当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值；
[0031]V 2为当前目标对象的初始速度；
[0032]X1为上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值；
[0033]T为前后帧目标对象图像采样间隔。
[0034]较佳地，利用下述公式确定所述当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值:
[0035]state(n-2)=kalman(input, state(n-3)), n ^ 3
[0036]式中，state (n-2)为当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值，当前目标对象图像为第η帧；
[0037]state (n-3)为历史状态变量；
[0038]Input为量测值。
[0039]较佳地，所述绝对角位置值获取单元包括:差值计算模块、输出处理模块、量测值更新模块以及计时模块；
[0040]差值计算模块，用于计算当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值的差值的绝对值；
[0041]输出处理模块，用于判断差值的绝对值是否小于预先设置的预测波门阈值，如果是，清空预先设置的计时模块，将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值作为当前目标对象的绝对角位置值，输出至伺服控制器；否则，将当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值作为当前目标对象的绝对角位置值，输出至伺服控制器，并向量测值更新模块发送当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值，查询计时模块，如果计时模块为清空状态或未超过预先设置的最大记忆时间阈值，通知计时模块进行计时，如果计时模块的计时时间超过预先设置的最大记忆时间阈值，结束流程；
[0042]量测值更新模块，用于在接收到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值后，监测到绝对角位置轨迹信息值存储模块存储下一目标对象图像中下一目标对象的绝对角位置轨迹信息值、并在判断模块将绝对角位置轨迹信息值存储模块最近存储的信息输出至量测值存储模块进行存储后，将接收的当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值替换量测值存储模块存储的信息。
[0043]较佳地，利用下述公式确定所述差值的绝对值:
[0044]
【权利要求】
1.一种基于绝对角位置轨迹信息的光电跟踪系统，其特征在于，该系统包括:光电传感器、图像信号处理器、角度传感器、伺服控制器以及伺服转台； 光电传感器，用于采集跟踪的目标对象图像； 图像信号处理器，用于接收来自光电传感器的目标对象图像，获取作为相对角偏差的目标对象型心与光轴中心的距离；接收来自角度传感器采集的角度值，将相对角偏差与角度值进行叠加，得到绝对角位置轨迹信息值；读取当前目标对象图像中当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值，以及，上一目标对象图像中上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值；将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值应用于卡尔曼滤波，得到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值；将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值应用于预先设置的绝对跟踪策略，得到当前目标对象的绝对角位置值； 伺服控制器，用于接收来自图像信号处理器的当前目标对象的绝对角位置值，将所述当前目标对象的绝对角位置值应用于预先设置的调控策略，得到伺服转台角度调节量信息，并根据得到的伺服转台角度调节量信息对伺服转台进行角度值调节。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像信号处理器包括:相对角偏差计算单元、绝对角位置轨迹信息值计算单元、卡尔曼滤波单元以及绝对角位置值获取单元； 相对角偏差计算单元，用于接收来自光电传感器的目标对象图像，对目标对象图像进行分析处理，获取目标对象的位置信息以及图像中心位置信息，将获取的目标对象的位置信息以及图像中心位置信息应用于预先设置的相对角偏差计算策略，得到目标对象型心与光轴中心的距离，将得到的目标对象型心与光轴中心的距离作为相对角偏差； 绝对角位置轨迹信息值计算单元，用于接收来自角度传感器的角度值，将相对角偏差与角度值进行叠加，得到绝对角位置轨迹信息值； 卡尔曼滤波单元，用于读取当前目标对象图像中当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值，以及，上一目标对象图像中 上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值；将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值应用于卡尔曼滤波，得到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值； 绝对角位置值获取单元，用于将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值应用于预先设置的绝对跟踪策略，得到当前目标对象的绝对角位置值。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波单元包括:绝对角位置轨迹信息值存储模块、判断模块、卡尔曼滤波初始状态变量计算模块、量测值存储模块、状态变量存储模块以及卡尔曼滤波模块； 绝对角位置轨迹信息值存储模块，用于按照先进先出的策略存储包含标识的目标对象图像中目标对象的绝对角位置轨迹信息值，所述绝对角位置轨迹信息值由绝对角位置轨迹?目息值计算单兀得到； 判断模块，用于读取绝对角位置轨迹信息值存储模块最近存储的包含标识的绝对角位置轨迹信息值，如果该最近存储的包含标识的绝对角位置轨迹信息值对应采集周期内的第一帧目标对象图像，不作处理；如果该最近存储的包含标识的绝对角位置轨迹信息值对应采集周期内的第二帧目标对象图像，读取绝对角位置轨迹信息值存储模块存储的信息，输出至卡尔曼滤波初始状态变量计算模块；如果该最近存储的包含标识的绝对角位置轨迹信息值对应采集周期内的第三帧以上目标对象图像，读取绝对角位置轨迹信息值存储模块最近存储的信息，输出至量测值存储模块进行存储； 卡尔曼滤波初始状态变量计算模块，用于根据绝对角位置轨迹信息值存储模块存储的绝对角位置轨迹信息值，计算初始状态变量，输出至状态变量存储模块进行存储； 卡尔曼滤波模块，用于读取量测值存储模块存储的信息，作为量测值；读取状态变量存储模块存储的信息，作为历史状态变量，将量测值以及历史状态变量应用于卡尔曼滤波，得到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，利用下述公式确定所述初始状态变量: State (O) = (X2, X1 2) V^(X2-X1)A 式中，State(O)为初始状态变量； X2为当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值； V2为当前目标对象的初始速度； X1为上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值； T为前后帧目标对象图像采样间隔。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，利用下述公式确定所述当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值:
state (n-2)=kalman(input, state(n_3)), n ^ 3 式中，state(n-2)为当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值，当前目标对象图像为第η帧； state (n-3)为历史状态变量； Input为量测值。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述绝对角位置值获取单元包括:差值计算模块、输出处理模块、量测值更新模块以及计时模块； 差值计算模块，用于计算当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值的差值的绝对值； 输出处理模块，用于判断差值的绝对值是否小于预先设置的预测波门阈值，如果是，清空预先设置的计时模块，将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值作为当前目标对象的绝对角位置值，输出至伺服控制器；否则，将当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值作为当前目标对象的绝对角位置值，输出至伺服控制器，并向量测值更新模块发送当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值，查询计时模块，如果计时模块为清空状态或未超过预先设置的最大记忆时间阈值，通知计时模块进行计时，如果计时模块的计时时间超过预先设置的最大记忆时间阈值，结束流程； 量测值更新模块，用于在接收到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值后，监测到绝对角位置轨迹信息值存储模块存储下一目标对象图像中下一目标对象的绝对角位置轨迹信息值、并在判断模块将绝对角位置轨迹信息值存储模块最近存储的信息输出至量测值存储模块进行存储后，将接收的当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值替换量测值存储模块存储的信息。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，利用下述公式确定所述差值的绝对值:
8.一种基于绝对角位置轨迹信息的光电跟踪方法，该方法包括: 采集跟踪的目标对象图像； 对采集的目标对象图像进行分析处理，获取作为相对角偏差的目标对象型心与光轴中心的距离； 采集伺服转台的角度值，将相对角偏差与角度值进行叠加，得到绝对角位置轨迹信息值； 读取当前目标对象图像中当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值，以及，上一目标对象图像中上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值，并将读取的当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值应用于卡尔曼滤波，得到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值； 将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值应用于预先设置的绝对跟踪策略，得到当前目标对象的绝对角位置值； 将得到的当前目标对象的绝对角位置值应用于预先设置的调控策略，得到伺服转台角度调节量信息，根据得到的伺服转台角度调节量信息，对伺服转台进行角度值调节。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述对采集的目标对象图像进行分析处理，获取作为相对角偏差的目标对象型心与光轴中心的距离包括: 对目标对象图像进行分析处理，获取目标对象的位置信息以及图像中心位置信息，将获取的目标对象的位置信息以及图像中心位置信息应用于预先设置的相对角偏差计算策略，得到目标对象型心与光轴中心的距离，将得到的目标对象型心与光轴中心的距离作为相对角偏差。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述将读取的当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值以及上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值应用于卡尔曼滤波，得到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值包括: 获取上一目标对象的绝对角位置轨迹信息值对应的历史状态变量； 将当前目标对象的绝对角位置轨迹信息值进行存储，将存储的信息作为卡尔曼滤波的量测值，将量测值以及历史状态变量应用于卡尔曼滤波，得到当前目标对象的绝对角位置预测轨迹信息值。
【文档编号】G05D3/12GK103631273SQ201310574919
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】罗院红, 刘家国, 杨桦, 于振红 申请人:北京环境特性研究所