图像信息获取的方法及系统与流程

本发明涉及图片匹配及目标跟踪领域，特别涉及一种图像信息获取的方法及系统。

背景技术：
在序列图像中进行目标跟踪一直是计算机视觉、图像处理和模式识别领域里需解决的重点问题。它有着广泛的应用，如目标跟踪、工业产品监控、交通路口监控等。但现有的大部分处理方式，都是针对整幅图像进行处理，在整个图像中对目标进行搜索匹配跟踪，使得对图像的匹配计算量较大，无法对目标进行快速跟踪。

技术实现要素：
本发明提供一种图像信息获取的方法及系统，解决现有技术中图像匹配计算量较大，目标跟踪速度较慢的问题。为解决上述技术问题，本发明提供了一种图像信息获取的方法，包括以下步骤：S1、控制图像传感器对整体曝光区域进行曝光，提取曝光图像数据并进行全图搜索得到目标点，基于该目标点，设定一个包含目标点在内的窗口范围，记录所设定的窗口在图像传感器整体曝光区域中的位置；S2、控制图像传感器对曝光区域中所记录的窗口位置区域进行曝光，提取曝光得到的窗口范围内的图像数据；S3、对窗口范围内的数据进行特征提取，匹配计算是否存在目标点；若否则跳转执行步骤S1，若是则执行步骤S4；S4、计算步骤S3中获取的目标点在在窗口区域的位置，判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若是则直接返回执行步骤S2，若否则根据预设的窗口调整策略，调整窗口位置，并更新记录调整后的窗口位置，然后返回执行步骤S2。其中，在所述步骤S1至S4中时刻监测是否有中止信号到来，若是则结束图像信息获取。进一步，步骤S1中基于该目标点，设定一个包含目标点在内的窗口范围，包括：基于该目标点，设定的窗口范围以目标点为中心点。进一步，步骤S4中计算步骤S3中获取的目标点在窗口区域的位置，判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若否则根据预设的窗口调整策略，调整窗口位置，包括：在获取目标点在窗口区域的位置后，判断目标点是否位于窗口中心，若否则调整窗口位置，使目标点位于调整位置后的窗口中心。进一步，步骤S4中计算步骤S3中获取的目标点在窗口区域的位置，判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若否则根据预设的窗口调整策略，调整窗口位置，包括：在获取目标点在窗口区域的位置后，计算目标点距离窗口边沿的像素距离，判断该像素距离是否大于预设的距离阈值，若否则调整窗口位置，使目标点位于调整后的窗口中心。进一步，窗口为预设大小是21像素*21像素的正方形窗口，预设的距离阈值为5个像素。本发明还提供了一种图像信息获取系统，包括：图像传感器单元，用于获取曝光图像；控制单元，用于控制图像传感器单元对整体曝光区域或曝光区域中所记录的窗口位置区域进行曝光，以及在中止信号到来时，控制系统停止工作；全图搜索及处理单元，用于在图像传感器单元对整体曝光区域进行曝光时，提取曝光得到的图像数据并进行全图搜索得到目标点，基于该目标点设定出一个包含目标点在内的窗口范围；窗口数据获取单元，用于在图像传感器单元对曝光区域中所记录的窗口位置区域进行曝光时，提取曝光得到的窗口范围内的图像数据；匹配计算及处理单元，用于对窗口数据获取单元获取的图像数据进行特征提取，匹配计算是否存在目标点；坐标计算及窗口位置调整单元，用于对匹配计算及处理单元经匹配计算找到的目标点的位置进行计算，判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若否则根据预设的窗口调整策略，调整窗口位置；窗口坐标保存单元，用于记录窗口位置信息，所述窗口位置为窗口在图像传感器单元整体曝光区域中的位置；以及信号中止单元，用于向控制单元产生中止信号。进一步，全图搜索及处理单元基于目标点设定的窗口范围以目标点为中心点。进一步，坐标计算及窗口位置调整单元，判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若否则根据预设的窗口调整策略，调整窗口位置，包括：判断目标点是否位于窗口中心，若否则调整窗口位置，使目标点位于调整位置后的窗口中心。进一步，坐标计算及窗口位置调整单元，判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若否则根据预设的窗口调整策略，调整窗口位置，包括：计算目标点距离窗口边沿的像素距离，判断该像素距离是否大于预设的距离阈值，若否则调整窗口位置，使目标点位于调整后的窗口中心。进一步，窗口为预设大小是21像素*21像素的正方形窗口，预设的距离阈值为5个像素。本发明的有益效果是：本发明提供的图像信息获取的方法及系统，在目标跟踪过程中，初始获得整幅图像进行全图搜索得到跟踪目标后，对后续帧图像中目标可能出现的位置进行预测，控制图像传感器进行局部曝光，获取预测范围内的图像，从而只对该局部数据进行匹配计算，寻找目标点。而当目标不在预测范围内时，才会进行整幅图像数据的获取与搜索。本发明通过预测目标范围并结合图像传感器进行局部曝光仅获取预测范围数据的方式，降低了数据获取量以及图像的匹配计算量，提高了对目标的跟踪速度和精度。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：图1是本发明图像信息获取方法的流程图；图2a-2c是本发明初始获得跟踪目标的处理示意图；图3是本发明进行窗口调整的第一示意图；图4是本发明进行窗口调整的第二示意图；图5是本发明图像信息获取的模块结构示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，本发明一种图像信息获取的方法，包括步骤：S1、控制图像传感器对整体曝光区域进行曝光，提取曝光图像数据并进行全图搜索得到目标点，基于该目标点，设定一个包含目标点在内的窗口范围，该窗口范围为下一帧要获取的图像数据范围，记录所设定的窗口在图像传感器整体曝光区域中的位置。步骤S1中控制图像传感器对整体曝光区域进行曝光，该图像传感器可以采用电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)类型的图像传感器进行。对图像采集区进行图像采集时，定义图像传感器对整体曝光区域进行曝光获得的曝光图像为整幅图像。提取该帧整幅图像数据，进行全图搜索，搜索符合特征的目标点。该特征可以是图像中的颜色、形状，也可以是三维数据等。而目标点是指用户感兴趣的点，作为要进行跟踪的目标。如经过特征搜索，找到要跟踪的目标点是圆形的点，又或者是面积最大的点、反光点等。当找到该目标点后，基于该目标点，设定一个初始的包含目标点在内的窗口范围，该窗口范围为下一帧要获取的图像数据范围，即在下一帧图像中，预测目标点会出现在该窗口范围内。对设定的窗口位置进行记录，而该窗口位置指在图像传感器整体曝光区域中的位置。图2a-2c是初始获得跟踪目标的处理示意图。图2a表示图像传感器对整体曝光区域进行曝光，提取得到的整幅图像的数据。在该图像数据中有方形、圆形等特征点。假定，如图2b所示，要跟踪的目标点是圆形的点P，在经过全图数据搜索，经过特征匹配后，找到了目标点P。在找到该目标点后，设定一个初始的窗口范围，如图2c所示，虚线表示的正方形框为设定的初始窗口范围，窗口位置以目标点P为中心点。当然，窗口形状并不仅限于正方形，还可以是三角形、长方形等，而设定的初始的窗口位置也可不以目标点为中心点，而是存在其它的相对位置关系。而窗口的大小可以参考物体经验运动速度进行设定，如根据物体经验运动速度，目标点在两帧图像之间只可能位移10个像素，因此，我们可以设置窗口大小为21*21个像素大小。S2、控制图像传感器对曝光区域中所记录的窗口位置区域进行曝光，提取曝光得到的窗口范围内的图像数据。该步骤中，通过硬件提供的接口，控制图像传感器仅对曝光区域中所记录的窗口位置区域进行曝光，提取曝光得到窗口范围内的数据。由于对图像传感器进行控制，只进行小窗口范围的曝光，获取小范围的图像，数据采集量减少，每帧的数据处理量相应降低，每帧数据的传输速度也得到了提高。当每帧数据采集量减少，对一帧图像数据的传输需求就会降低，从而在图像传输中能达到更高的帧数。如在视频图像输出中，由于每帧获取的是整幅图像的数据，其最高采集帧率为每秒30帧。而在仅获取小范围的图像数据，减少每帧数据采集量的情况下，就可以达到每秒100多帧，甚至更高的帧数。此外，在同样的图像采集帧率下，由于每帧数据需要处理的数据量变少，数据输出的速度提高，则对数据的处理速度会变得更快。更快的处理速度则让在整个数据处理过程中，时间上的分配更加自由，使得可以进一步采用高级算法对数据进行处理。如在对视频图像的处理过程中，对于其每秒30帧图像的处理，往往因为对图像的平滑处理不够使得处理效果不好，但增加对图像平滑处理的次数又会产生延迟的问题。而在仅获取小范围的图像数据，提高数据处理速度的情况下，由于时间分配更加自由，就可以加大对图像平滑处理的次数，从而达到更好的处理效果。S3、对窗口范围内的数据进行特征提取，匹配计算是否存在目标点；若否则跳转执行步骤S1，若是则执行步骤S4。该步骤中，对于获取的窗口范围的数据进行特征提取，如图像的灰度、长宽比、图像的坐标等，在提取出特征后，把这些特征与上一帧图像数据中的目标点进行特征匹配。匹配算法为本领域常用的一些算法，如根据图像的灰度相关匹配、图像的形状匹配度、三维坐标两帧间的距离等。经过特征匹配，找到该帧与上一帧中匹配度最高的点，此点即为目标点P。若经过特征匹配，没有找到目标点，如目标点是一反光点，且该点为图像采集区唯一的反光点，这样，当目标点不在预测的窗口范围内时，经过特征匹配处理就无法找到目标点。当无法找到目标点时，通过硬件提供的接口，控制图像传感器对整体曝光区域进行曝光，提取曝光得到的整幅图像的数据，进行全图搜索重新寻找目标点，并基于该目标点，重新设定窗口范围，即返回执行步骤S1。而当对所预测的窗口范围内的图像数据进行特征提取匹配，找到要跟踪的目标点时，则继续执行步骤S4。S4、计算步骤S3中获取的目标点在窗口区域的位置，判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若是则直接返回执行步骤S2，若否则根据预设的窗口调整策略，调整窗口位置，并更新记录调整后的窗口位置，然后返回执行步骤S2。该步骤中，对于步骤S3中找到的目标点，计算其在图像传感器整体曝光区域中的位置，单位为像素。判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若是，就直接返回执行步骤S2，此时，在采集的下一帧图像数据时，控制图像传感器要进行曝光的窗口位置区域不变；若否，即目标点与窗口之间不满足预设的位置关系时，则根据预设的窗口调整策略，调整窗口，即改变在采集的下一帧图像数据时，控制图像传感器要进行曝光的窗口位置区域。对于“判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若否则根据预设的窗口调整策略，调整窗口”，下文列举两种具体情形进行说明，其它类似情形可以此类推。第一种：判断目标点是否位于窗口中心，若否则调整窗口位置，调整策略为，使目标点位于调整位置后的窗口的中心。如图3所示，正方形框表示的是获取的当前帧小窗口范围图像数据。经过对窗口内的数据进行特征提取匹配，找到目标点P。在本实施例中，正方形窗口的大小为20*20个像素大小。未调整窗口前，窗口左上角和右下角分别位于图像传感器整体曝光区域上的(300，100)和(320，120)，目标点P则位于图像传感器整体曝光区域上的(316，106)，单位均为像素。经检测，目标点P不是位于小窗口的中心，因此，需调整窗口位置。调整后的窗口位置其左上角和右下角坐标分别为(306，96)和(326，116)。第二种：检测目标点距离窗口边沿的像素距离，判断该像素距离是否大于预设的距离阈值L，若否则调整窗口位置，调整策略为，使目标点位于调整后的窗口的中心。预设的距离阈值L根据窗口的大小和调整的频度进行相应设定。如图4所示，正方形框表示的是获取的当前帧小窗口范围的图像数据。经过对窗口内的数据进行特征提取匹配，找到目标点P。本实施例中，正方形窗口的大小为21*21个像素大小，预设的距离阈值L为5个像素。未调整窗口前，窗口左上角和右下角分别位于图像传感器整体曝光区域上的(300，100)和(321，121)，目标点P则位于图像传感器整体曝光区域上的(316，106)，单位均为像素。经检测，目标点P距离窗口右边沿的像素距离为5个像素，等于预设的距离阈值L。根据预设的判定条件，需要对窗口位置进行调整，调整后的窗口其左上角和右下角的坐标分别为(306，96)和(326，116)，目标点P(316，106)，位于调整后的窗口的中心。当根据调整策略对窗口的位置进行了调整，则更新记录窗口位置信息，返回执行步骤S2，即开始在采集下一帧图像数据时，控制图像传感器对整体曝光区域中所记录的窗口位置区域进行局部曝光，提取小窗口范围内的图像数据，继续对下一帧图像中的目标点进行跟踪。在前述步骤S1至S4中，均需时刻监测是否有中止信号到来，当中止信号到来时，就结束图像信息获取的整个流程，否则就按照步骤S1～S4循环执行整个流程。在目标跟踪过程中，初始获得整幅图像进行全图搜索得到跟踪目标后，对后续帧图像中目标可能出现的位置进行预测，控制图像传感器进行局部曝光，获取预测范围内的图像，从而只对该局部数据进行匹配计算，寻找目标点。而当在目标不在预测范围内时，才会进行整幅图像的获取与搜索。因此，本发明提供的方法通过预测目标出现的范围并结合图像传感器进行局部曝光仅获取预测范围内数据的方式，降低了数据获取量以及图像的匹配计算量，提高了对目标的跟踪速度和精度。如图5所示。本发明一种图像信息获取的系统，包括：图像传感器单元，用于获取曝光图像；控制单元，用于控制图像传感器单元对整体曝光区域或曝光区域中所记录的窗口位置区域进行曝光，以及在中止信号到来时，控制系统停止工作；全图搜索及处理单元，用于在图像传感器单元对整体曝光区域进行曝光时，提取曝光得到的图像数据并进行全图搜索得到目标点，基于该目标点，设定一个包含目标点在内的窗口范围；窗口数据获取单元，用于在图像传感器单元对曝光区域中所记录的窗口位置区域进行曝光时，提取曝光得到的窗口范围内的图像数据；匹配计算及处理单元，用于对匹配计算及处理单元经匹配计算找到的目标点的位置进行计算，判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若否则根据预设的窗口调整策略，调整窗口位置；坐标计算及窗口位置调整单元，用于计算当前帧图像中目标点在图像传感器整体曝光区域中的位置，并根据目标点位置与窗口位置之间的关系，调整窗口位置，更新记录调整后的窗口位置；窗口坐标保存单元，用于记录窗口位置信息，所述窗口位置为窗口在图像传感器单元整体曝光区域中的位置；以及信号中止单元，用于向控制单元发出中止信号。系统中，图像传感器单元可以是电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)类型的图像传感器。在进行图像采集时，受控制单元的控制，图像传感器单元对整体曝光区域进行曝光或仅对整体曝光区域的局部位置进行曝光。当系统启动工作，采集第1帧图像时，图像传感器单元对整体曝光区域进行曝光获取整幅图像，全图搜索及处理单元提取该帧整幅图像数据，进行全图搜索，搜索符合特征的目标点。该特征可以是图像中的颜色、形状，也可以是三维数据等。而目标点是指用户感兴趣的点，作为要进行跟踪的目标。如经过特征搜索，找到要跟踪的目标点是圆形的点，又或者是面积最大的点、反光点等。当找到该目标点后，基于该目标点，设定一个初始的包含目标点在内的窗口范围。该窗口范围为下一帧要获取的图像数据范围，即预测下一帧图像中的目标点会出现在该窗口范围内。其中，设定的窗口范围可以是正方形窗口，窗口位置以目标点为中心。当然，窗口形状并不仅限于正方形，还可以是三角形、长方形等。窗口的初始位置也可不以目标点为中心点，而是存在其它的相对位置关系。而窗口的位置指窗口在图像传感器整体曝光区域中的位置，窗口的大小可以参考物体经验运动速度进行设定，如根据物体经验运动速度，目标点在两帧图像之间只可能位移10个像素，因此，设置窗口大小可为21*21个像素大小。在全图搜索及处理单元获取整幅图像，进行全图搜素找到目标点，并基于该目标点，设定好初始的窗口位置后，窗口坐标保存单元记录该窗口位置信息。在设定初始的窗口位置后，对于要采集的下一帧(第2帧)图像，控制单元调用窗口坐标保存单元中记录的窗口位置信息，控制图像传感器单元仅对整体曝光区域中所记录的窗口位置区域进行曝光。窗口数据获取单元提取曝光得到的窗口范围内的图像数据。由于受控制单元控制，图像传感器单元只进行小窗口范围的曝光，获取小范围的图像，数据采集量减少了，每帧的数据处理量相应降低，每帧数据的传输速度也得到了提高。当每帧数据采集量减少，对一帧图像数据的传输需求就会降低，从而在图像传输中能达到更高的帧数。如在视频图像输出中，由于每帧获取的是整幅图像的数据，其最高采集帧率为每秒30帧。而在仅获取小范围的图像数据，减少每帧数据采集量的情况下，就可以达到每秒100多帧，甚至更高的帧数。此外，当在同样的图像采集帧率下时，由于每帧数据需要处理的数据量变少，数据输出的速度提高，则对数据的处理速度会变得更快。更快的处理速度则让在整个数据处理过程中，时间上的分配更加自由，使得可以进一步采用高级算法对数据进行处理。如在对视频图像的处理过程中，对于其每秒30帧图像的处理，往往因为对图像的平滑处理不够使得处理效果不好，但增加对图像平滑处理的次数又会产生延迟的问题。而在仅获取小范围的图像数据，提高数据处理速度的情况下，由于时间分配更加自由，就可以加大对图像平滑处理的次数，从而达到更好的处理效果。对于窗口数据获取单元提取的图像数据，匹配计算及处理单元对数据进行特征提取，如图像的灰度、长宽比、图像的坐标等，在提取出特征后，把这些特征与上一帧图像数据中的目标点进行特征匹配。匹配算法为本领域常用的一些算法，如根据图像的灰度相关匹配、图像的形状匹配度、三维坐标两帧间的距离等。经过特征匹配，找到该帧与上一帧中匹配度最高的点，此点即为目标点。若经过特征匹配，采集到的第2帧图像中，找到目标点，即目标点在预测的窗口范围内，判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，若是，则窗口位置不变；若否，则根据预设的窗口调整策略，调整窗口位置，并更新窗口坐标保存单元保存的窗口位置信息。此时，对待采集的下一帧(第3帧)图像数据，以及后续帧图像数据，如果经对图像数据作特征匹配处理，均能找到目标点，即目标点在预测的窗口范围内，则该帧图像整个的处理过程与第2帧图像的处理相同。直到采集到的图像数据中，经过特征匹配没有找到目标点时，再重新设定初始窗口位置。其中，对于“判断目标点与窗口之间是否满足预设的位置关系，当不满足时，根据预设的窗口调整策略调整窗口”，下文列举一些具体情形进行说明，其它类似情形可以此类推。第一种：判断目标点是否位于窗口中心，若否，则窗口调整策略为，使目标点位于调整位置后的窗口的中心；第二种：检测目标点距离窗口边沿的像素距离，判断该像素距离是否大于预设的距离阈值，若否，则窗口调整策略为，使目标点位于调整后的窗口的中心。对于该两种窗口调整方法，在图像信息获取的方法中已有详细描述，这里不再赘述。但是，若经过特征匹配，采集到的第2帧图像中，没有找到目标点，如目标点是一反光点，且该反光点为图像采集区唯一的反光点，这样，当目标点不在预测的窗口范围内时，对该范围内的图像数据经特征匹配就无法找到该目标点。此时，对于要采集的下一帧图像(第3帧)，控制单元控制图像传感器单元对整体曝光区域进行曝光，进行全图搜索重新寻找目标点，并基于该目标点，重新设定初始窗口位置。此时，对待采集的下一帧(第4帧)图像数据，以及后续帧图像数据，如果经对图像数据作特征匹配处理，能找到目标点，即目标点在预测的窗口范围内，则该帧图像整个的处理过程与第3帧图像的处理相同。直到采集到的图像数据中，经过特征匹配没有找到目标点时，再重新设定初始窗口位置。在系统处理过程中，当检测到信号中止单元发出中止信号时，控制单元控制系统停止工作。从系统处理过程可以看出，在进行目标跟踪时，初始获得整幅图像进行全图搜索得到跟踪目标后，对后续帧图像中目标可能出现的位置进行预测，通过控制图像传感器进行局部曝光，获取预测范围内的图像，从而只对该局部数据进行匹配计算，寻找目标点。而当在目标不在预测范围内时，才会进行整幅图像数据的获取与搜索。本系统通过预测目标的范围并结合图像传感器进行局部曝光仅获取预测范围数据的方式，降低了数据获取量以及图像的匹配计算量，提高了对目标的跟踪速度和精度。以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。