溫慶福，郭向東

(1.電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，四川成都610051;2.安徽現(xiàn)代電視技術(shù)有限公司成都研發(fā)中心，四川成都610017)

記錄活動(dòng)目標(biāo)軌跡是對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)和跟蹤的一項(xiàng)重要內(nèi)容［1］。尤其是在對(duì)飛行器的實(shí)時(shí)坐標(biāo)定位及飛行軌跡的記錄，在航空航天等領(lǐng)域起著重要應(yīng)用。對(duì)這些目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)空間軌跡的自動(dòng)記錄非常復(fù)雜［2］，除了必須具備一系列先進(jìn)的科學(xué)儀器設(shè)備外，還要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模分析才能實(shí)現(xiàn)［3］。

在圖像的識(shí)別與跟蹤中，為了增強(qiáng)人的信息判斷力，通常需要顯示出活動(dòng)目標(biāo)的軌跡［4］。為了解決跟蹤存在的問(wèn)題，需要對(duì)目標(biāo)的軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)［5］。如果圖像出現(xiàn)了許多個(gè)目標(biāo)，可以根據(jù)預(yù)測(cè)軌跡范圍剔除虛假目標(biāo);如果預(yù)測(cè)目標(biāo)軌跡誤差在允許的范圍內(nèi)，則在連續(xù)幾幀失去目標(biāo)仍可以跟蹤，提高跟蹤的可行性［6］。但是如果直接將這些點(diǎn)送入軌跡檢測(cè)環(huán)節(jié)(包括大量的復(fù)雜運(yùn)算，如乘法、除法等)進(jìn)行軌跡預(yù)測(cè)、匹配，不僅運(yùn)算量大、消耗硬件資源多，還對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提出很高要求［7］。傳統(tǒng)的基于硬件的電路，要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌跡的記錄，所需存儲(chǔ)容量與軌跡需要記錄的時(shí)間，單幀圖像大小和圖像幀頻成正比［8］。通常在硬件資源成本和體積上開(kāi)銷(xiāo)很大。而且使用的器件越多，流程越長(zhǎng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越低。

因此，本文提出一種新型活動(dòng)目標(biāo)軌跡算法。該算法不再受圖像頻率和顯示時(shí)間的限制，根據(jù)軌跡所需保留時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)調(diào)整傳遞函數(shù)，僅僅需要一個(gè)幀存器就能實(shí)現(xiàn)。對(duì)非計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，極大地減小硬件的體積和降低成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。尤其是在便攜式設(shè)備中，優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。同時(shí)，避免了將軌跡不作區(qū)分的顯示。該方法可根據(jù)速度大小、顯示時(shí)長(zhǎng)等因素，自行設(shè)定軌跡的顯示。

1 循環(huán)遞歸疊加法

所謂活動(dòng)目標(biāo)蹤跡，就是要在當(dāng)前第i幀畫(huà)面上，既要顯示當(dāng)前活動(dòng)目標(biāo)的位置，還要顯示過(guò)去第i－1，i－2，…，i－n幀該活動(dòng)目標(biāo)的位置信息。過(guò)去n幀的蹤跡保留記錄，一般需要n個(gè)幀存儲(chǔ)器才能實(shí)現(xiàn)。采用n個(gè)幀存儲(chǔ)器，設(shè)備量大增，成本大增。本文僅用一個(gè)幀延遲器來(lái)完成n幀疊加處理的功能，即循環(huán)遞歸疊加法。本文設(shè)計(jì)的遞歸傳遞函數(shù)為

式中:k是變換系數(shù);z－1表示延遲1幀。

將式(1)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換成電路，一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)。已知當(dāng)前第k幀帶有活動(dòng)目標(biāo)信息的圖像Ro(x，y)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，Ro(x，y)是經(jīng)過(guò)二值化處理的值。設(shè)該網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)(經(jīng)傳遞函數(shù)運(yùn)算處理后，載有活動(dòng)目標(biāo)歷史記錄以及當(dāng)前目標(biāo)信息的色差信號(hào))為輸出Rch(x，y)=Ro(x，y)·H(z)。也就是說(shuō)，輸入Ro(x，y)乘以傳遞函數(shù)H(z)等于輸出Rch(x，y)，這就是傳遞函數(shù)的定義，如圖1所示。

圖1 H(z)傳遞函數(shù)的四端網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)定義:“輸出信號(hào)”=“輸入信號(hào)”·“傳遞函數(shù)”，則有

將式(2)翻譯成電路，如圖2所示。

圖2 循環(huán)遞歸疊加電路原理圖

1.1 幀延時(shí)

如圖2所示，“z－1”就是1個(gè)幀延遲器。首次循環(huán)疊加前，應(yīng)將系統(tǒng)的所有存儲(chǔ)器清零，去掉先前時(shí)刻保持的信息。也就是第一幀時(shí)Rch(x，y)等于Ro(x，y)+0。將輸出信號(hào)Rch(x，y)經(jīng) 1 幀延遲后成為Rch(x，y)·z－1信號(hào)。

1.2 變換系數(shù)k

k為變換系數(shù)，Rch(x，y)·z－1信號(hào)乘k得到Rch(x，y)·k·z－1反饋信號(hào)。將“活動(dòng)目標(biāo)軌跡”作為歷史記錄，變換系數(shù)k的取值，對(duì)軌跡記錄時(shí)間和記錄效果起著十分重要的作用。本文設(shè)定當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)點(diǎn)的灰度值為M，該目標(biāo)點(diǎn)消失時(shí)為m。顯示的時(shí)間為T(mén)，T通常取單幀圖像顯示時(shí)間的整數(shù)倍。圖像顯示的幀頻為F，k與T對(duì)應(yīng)的關(guān)系為

當(dāng)k=1時(shí)，軌跡始終保留著，甚至活動(dòng)目標(biāo)消失后，它仍存在。但如果k取值過(guò)小，灰度值迅速降低，不利于形成軌跡顯示，如k取0.5時(shí)，軌跡時(shí)間過(guò)短。因此，k值范圍一般為0.5≤k＜1。若運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)過(guò)多，k的取值過(guò)于趨近1，歷史記錄太多將占滿(mǎn)屏幕，顯示過(guò)于繁雜，勢(shì)必影響對(duì)當(dāng)前目標(biāo)的關(guān)注力。因此，在設(shè)計(jì)k的取值時(shí)，需要綜合考慮運(yùn)動(dòng)物體的數(shù)目、速度，以及需要顯示的軌跡時(shí)間，以便識(shí)別。從而能達(dá)到軌跡適度清晰的顯示，使畫(huà)面清爽。在灰度圖像中，采用該算法直接改變圖像的灰度值，能得到很好的顯示效果。k取值不同時(shí)，將影響灰度值的變化的。亮度值的范圍通常為16～235。

圖3為灰度值Y(k，f)的函數(shù)圖。橫坐標(biāo)f表示幀數(shù)，縱坐標(biāo)為灰度值Y。坐標(biāo)圖表示了取不同變換系數(shù)k值時(shí)，各幀f對(duì)應(yīng)灰度值Y的函數(shù)圖。即活動(dòng)目標(biāo)在第0幀時(shí)出現(xiàn)，被賦予最大灰度值235。在以后各種幀中，運(yùn)用循環(huán)遞歸函數(shù)得到目標(biāo)顯示的灰度值。圖中6條函數(shù)線表示k分別取:1.00，0.95，0.90，0.80，0.70，0.50，對(duì)應(yīng)0～50幀的灰度值曲線。由圖3可以看出，從同一時(shí)刻開(kāi)始，在相同幀，k越大對(duì)應(yīng)的圖像灰度值越大。最上方直線表示k=1，即灰度值恒為235，下方的虛線為灰度值恒為16的圖像。因此，k取值越趨近于1，Y衰減越慢，軌跡保留的時(shí)間就越長(zhǎng)。

圖3 灰度值Y(k，f)的函數(shù)圖

在這樣的軌跡顯示中，即使存在某幀目標(biāo)的漏檢測(cè)，同樣能有效形成軌跡的顯示，不影響效果。所以在遠(yuǎn)距離的運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)的檢測(cè)顯示中，能極大增強(qiáng)人對(duì)目標(biāo)的識(shí)別。

1.3 “+”疊加

實(shí)現(xiàn)“+”，即Ro(x，y)+Rch(x，y)·kz－1，將其值送入，繼續(xù)此循環(huán)。在運(yùn)用該算法進(jìn)行軌跡的記錄前，應(yīng)先對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)用相應(yīng)的目標(biāo)檢測(cè)算法，將提取的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行圖像二值化處理，即目標(biāo)區(qū)域的灰度值為“1”，其他像素灰度值為“0”。

這樣可盡量減小虛假目標(biāo)或噪聲對(duì)軌跡顯示的影響，極大提高圖像軌跡的顯示效果，使畫(huà)面更加清晰。

2 活動(dòng)目標(biāo)軌跡

使用該算法，活動(dòng)目標(biāo)軌跡示意圖見(jiàn)圖4。ti表示當(dāng)前第i時(shí)刻的目標(biāo)，ts表示固定靜止目標(biāo)。因?yàn)槟繕?biāo)在第i－n幀到第i幀一直出現(xiàn)在相同的位置，或者運(yùn)動(dòng)速度十分小，幾乎可視為靜止。ti－n表示i之前的第n時(shí)刻的出現(xiàn)位置。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，見(jiàn)圖中ti－n～ti，在不同幀出現(xiàn)的位置不同，并且被分別記錄下來(lái)。

圖4 活動(dòng)目標(biāo)軌跡示意圖

3 算法實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 算法實(shí)現(xiàn)

對(duì)不同k值的軌跡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)中實(shí)現(xiàn)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖5。其中的FIFO也就是上文中提到的“z－1”，1個(gè)幀延遲器。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

FPGA輸入信號(hào)采用國(guó)際電聯(lián)定義的ITU－R BT.656數(shù)字圖像接口標(biāo)準(zhǔn)［9］，幀頻為25 Hz，分辨力為720×576的PAL制式視頻信號(hào)［10］。圖6為經(jīng)過(guò)目標(biāo)檢測(cè)二值化后的圖像。

圖6 原始視頻圖像

圖7 分別對(duì)應(yīng)k=0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，0.973 4 時(shí)的軌跡。不同的k依次對(duì)應(yīng)的顯示時(shí)間分別為:0.16 s，0.24 s，0.32 s，0.48 s，1 s，4 s。當(dāng)然根據(jù)需要，其他情況與上文相同，若要顯示60 s，則可把k設(shè)為0.998 2。

對(duì)應(yīng)不同的k值，視頻圖像通過(guò)幀循環(huán)疊加算法處理后結(jié)果如圖7所示。已經(jīng)能在一定程度上識(shí)別出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。特別是對(duì)于圖7f(k=0.973 4)的軌跡。可以判讀出目標(biāo)從右上方進(jìn)入，在中間拐彎向右下方運(yùn)動(dòng)。對(duì)于那些被檢測(cè)的亮度的目標(biāo)，如圖7中正右方的目標(biāo)，它始終沒(méi)有軌跡，因此可以判斷為靜止目標(biāo)或者是運(yùn)動(dòng)速度極小的趨于靜止的目標(biāo)。

4 小結(jié)

本文針對(duì)硬件系統(tǒng)中活動(dòng)目標(biāo)軌跡的保存和顯示進(jìn)行了深入研究，解決了過(guò)去硬件中需要多個(gè)幀存器才能實(shí)現(xiàn)軌跡顯示的問(wèn)題。經(jīng)一系列的理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)表明，幀循環(huán)疊加算法，通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的k值就可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間長(zhǎng)短需要的軌跡顯示，操作簡(jiǎn)單，能有效解決目標(biāo)軌跡問(wèn)題。特別是在遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)問(wèn)題中，將極大增強(qiáng)人為的二次辨別的能力。

圖7 不同k值對(duì)應(yīng)的軌跡

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