劉坤鵬, 邢仁平, 鞏稼民

(1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121；2. 中國電信股份有限公司 青海分公司，青海 西寧 810007)

基于RTX的目標(biāo)跟蹤算法性能評估系統(tǒng)

劉坤鵬1, 邢仁平2, 鞏稼民1

(1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121；2. 中國電信股份有限公司 青海分公司，青海 西寧 810007)

摘要:針對目標(biāo)跟蹤算法性能的評價，設(shè)計一種基于RTX的目標(biāo)跟蹤算法性能評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于Windows+RTX的實時架構(gòu)，通過對仿真轉(zhuǎn)臺的控制，使圖像傳感器以預(yù)設(shè)的規(guī)律運動，得到測量值與對應(yīng)的運動軌跡標(biāo)準(zhǔn)值，最終輸出測量值與標(biāo)準(zhǔn)值間的誤差均方根作為評價標(biāo)準(zhǔn)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了在現(xiàn)實環(huán)境下對目標(biāo)跟蹤算法進行性能評估并給出精確的跟蹤誤差。

關(guān)鍵詞:實時擴展系統(tǒng)；目標(biāo)跟蹤算法；性能評估；軟件系統(tǒng)

目標(biāo)跟蹤算法是一種以計算機科學(xué)與信號處理科學(xué)為理論基礎(chǔ)的技術(shù)[1-2]。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，目標(biāo)跟蹤成為計算機視覺領(lǐng)域研究的熱點[3]，被廣泛應(yīng)用于空中預(yù)警、精確制導(dǎo)彈藥、機器人視覺導(dǎo)航；工業(yè)產(chǎn)品探測、智能視頻監(jiān)控、智能交通等軍事和民用方面[4-8]。

文獻[9-10]通過精確度、完整性來進行跟蹤算法性能評價，對于目標(biāo)跟蹤算法性能的評價僅使用特定視頻圖像進行, 不能實地測試。本文擬采用Windows+RTX的實時架構(gòu)，設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)實地測試的目標(biāo)跟蹤評價系統(tǒng)。

1系統(tǒng)評價原理

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)圖像靜止時，角振動臺帶動光電成像單元運動，形成圖像傳感器與標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)圖像之間的相對運動。圖像傳感器在運動過程中攝取標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)圖像，角位置傳感器輸出圖像傳感器角位置信息，圖像處理算法對圖像傳感器輸出的圖像進行分析，計算出圖像位移測量值，輸出跟蹤軌跡上標(biāo)準(zhǔn)值與測量值之間的誤差均方根。

圖1　評價原理

2目標(biāo)跟蹤算法評估系統(tǒng)設(shè)計

基于RTX的目標(biāo)跟蹤算法性能評估系統(tǒng)主要分為硬件與軟件兩個部分。硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生與跟蹤目標(biāo)之間相對運動，軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與處理。

2.1硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主要包括光電成像單元、運動單元、操控和數(shù)據(jù)處理單元。

(1)光電成像單元

光電成像單元由圖像傳感器和圖像采集卡組成。用以提供高質(zhì)量的視頻輸入。

(2)運動單元

模擬運載車輛的運動，形成圖像傳感器與標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)之間確定規(guī)律的相對運動，主要由角振動臺等部件組成。

(3)操控和數(shù)據(jù)處理單元

對角振動臺的控制以及對目標(biāo)跟蹤等算法性能測試，由傳感器控制模塊、角振動臺運動控制與測量處理器、圖像數(shù)據(jù)采集卡、評估軟件等組成。

圖2　評估系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2系統(tǒng)軟件構(gòu)成

軟件系統(tǒng)在RTX+Windows環(huán)境下運行，軟件結(jié)構(gòu)分為底層實時控制和人機界面控制兩大部分，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在Windows+RTX的環(huán)境中，利用Windows系統(tǒng)作為人機界面開發(fā)，利用RTX擴展內(nèi)核系統(tǒng)作為底層實時控制開發(fā)[11]。在WIN32這個非實時性的進程中，完成人機界面控制部分的功能，在實時性的RTSS進程下，利用多線程技術(shù)來完成數(shù)據(jù)采集存儲部分的功能。

圖3　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3軟件功能

目標(biāo)跟蹤算法評估軟件功能模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，各部分功能如下。

圖4　軟件功能結(jié)構(gòu)

(1) RTSS進程參數(shù)設(shè)置

對RTSS進程下的實時采集線程的采集周期進行設(shè)置，采集周期的最小值可設(shè)置為0.1 ms。

(2) 測試過程控制模塊

建立/關(guān)閉與角振動臺的通信，實現(xiàn)對角振動臺的控制、數(shù)據(jù)采集卡的初始化；控制角振動臺按照運動參數(shù)控制模塊的參數(shù)，在預(yù)定的軌跡上運行；向RTSS進程發(fā)送控制命令。

(3) 數(shù)據(jù)采集與存儲模塊

對在預(yù)定軌跡運動時，跟蹤算法反饋的測量值，以及角振動臺角位置實際位置信息進行采集與存儲(以TXT格式文件存儲)等操作。

(4) 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果顯示

對保存在文本文檔格式文件中的實際位置信息和算法測量值在統(tǒng)一坐標(biāo)系下進行繪圖顯示，并且顯示二者誤差均方根。

3實驗測試與結(jié)果

將十字靶標(biāo)放置于距離角振動臺8 m處，將微光相機固定于角振動臺的中框軸之上。角振動臺的負(fù)載設(shè)置設(shè)為空載，采集周期設(shè)置為0.1 ms，轉(zhuǎn)臺中框軸從(1.451 100，-5.412 400)度轉(zhuǎn)到(4.701 100，-2.162 300)度，連接視頻信號調(diào)理板。實驗過程中所獲圖像結(jié)果如圖5所示。

圖5　跟蹤圖像

經(jīng)過處理后，對跟蹤算法的評估結(jié)果如圖6所示。圖中深色線代表跟蹤路徑實際值，淺色線代表算法的測量值?？梢钥闯鰷y量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差非常小，對目標(biāo)跟蹤算法對性能評估系統(tǒng)自身具有的精度，以及該系統(tǒng)在單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集次數(shù)提出了很高的要求。

圖6　跟蹤算法評估結(jié)果

由圖6可知，被檢測跟蹤算法的跟蹤誤差是0.492 13像素。實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)所具有的高速的數(shù)據(jù)采集率性能等性能滿足對目標(biāo)跟蹤算法進行性能評估時對于本系統(tǒng)的性能要求，并可以計算出算法的跟蹤誤差。

4結(jié)束語

通過控制高精度的角振動臺按照預(yù)定軌跡運動，來形成角振動臺上的圖像傳感器與跟蹤目標(biāo)之間的相對運動。利用RTX提供的高精度、短周期的定時器對目標(biāo)位移測量值與標(biāo)準(zhǔn)值進行高速采集并進行計算評估。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)對目標(biāo)跟蹤算法性能的評估不再局限于特定視頻圖像下進行，而是實現(xiàn)了在現(xiàn)實復(fù)雜環(huán)境下,模擬物體以不同運動狀態(tài)運動對目標(biāo)跟蹤算法性能進行實地評估。

參考文獻

[1]陳丕山.基于圖像采集的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)研究[D].廣州：中山大學(xué)，2013:2-5.

[2]王正耀，程正興，湯少杰，等.基于視覺特征的尺度空間信息量度量[J].中國圖象圖形學(xué)報，2010,10(7):922-928.

[3]李娜,李大湘,劉衛(wèi)華,等.基于多示例學(xué)習(xí)的目標(biāo)跟蹤算法[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報，2014,19(2):43-47.DOI:10.13682/j.issn.2095-6533.2014.02.007.

[4]許志剛.目標(biāo)跟蹤算法研究及其應(yīng)用[D].無錫：江南大學(xué)，2011:1-4.

[5]盧麗萍.目標(biāo)跟蹤算法與檢測處理技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2011:2-8.

[6]劉楓.目標(biāo)跟蹤算法的應(yīng)用于研究[D].無錫：江南大學(xué)，2011:3-7.

[7]高恩克.目標(biāo)跟蹤的算法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007:4-7.

[8]李連昌.復(fù)雜背景下的視覺目標(biāo)跟蹤方法研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011:1-5.

[9]樊翔，方義強，程正東，等.基于AHP的跟蹤算法性能評價研究 [J]. 導(dǎo)彈與制導(dǎo)學(xué)報，2013，33(2):101-105.DOI：10.15892/j.cnki.djzdxb.2013.02.005.

[10]李鵬飛，陳朝武，李曉峰.智能視頻算法評估綜述[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2010，22(2):352-360.

[11]楊銅.基于RTX的PC數(shù)控軟件研究 [D].秦皇島：燕山大學(xué)，2010:22-24.

[責(zé)任編輯：祝劍]

An evaluation system of target tracking algorithm performance based on RTX

LIU Kunpeng1，XING Renping2，GONG Jiamin1

(1．School of Electronics Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121,China；2．China Telecom Qinghai Company, Xining 810007, China)

Abstract:In order to evaluate the performance of target tracking algorithm, a Windows real time (RTX) based performance evaluation system is developed. A real time framework based on the platform of Windows + RTX is used in this system. The image sensor can move according to predetermined motion law by controlling the simulation turntable, and therefore the measured values and the standard values of trajectory can be collected. Then the root mean square of error values between these two values is used as the evaluation standard. Experimental results show that the system can evaluate the performance of target tracking algorithm on the spot and also the tracking error can be obtained.

Keywords:the real-time miniaturization system，target tracking algorithm，performance evaluation，software system

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.01.020

收稿日期：2015-08-05

基金項目：陜西省教育廳科學(xué)研究計劃資助項目(14JK1678)

作者簡介：劉坤鵬(1991-)，男,碩士研究生，研究方向為光通信與光信息技術(shù)。E-mail:836249518@qq.com 邢仁平(1965-),男,碩士,高級工程師,從事光通信技術(shù)研究。E-mail：18909718669@189.cn

中圖分類號：TN311

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6533(2016)01-0097-04