（中國飛行試驗研究院，陜西西安 710089）

1.前言

1.1 背景

對于光電搜索設(shè)備試飛，其電視和紅外跟蹤精度是一個很重要的考核指標(biāo)。當(dāng)前光電搜索設(shè)備的跟蹤精度的計算方法主要是跟蹤視頻進(jìn)行人工判讀，而人工判讀視頻耗時耗力，難以快速地獲取某一跟蹤航次或跟蹤段的跟蹤精度。以判讀20s的視頻，幀頻為30，共600幀圖像為例，人工判讀一張圖片的時間為2s左右，判讀完成需要20min左右。以直升機為例，一個架次飛行2h，執(zhí)行6～8個跟蹤航次，每航次2～3個跟蹤段，預(yù)計人工判讀一個架次跟蹤精度的耗時在4h～8h。因此，提高光電搜索設(shè)備的跟蹤精度計算效率，既能解放人力，又能提高光電搜索設(shè)備的試飛效率。

1.2 需要解決的問題

在光電搜索設(shè)備的跟蹤精度試飛中，需要靶標(biāo)配試，一般為“田”字靶標(biāo)或“十”字靶標(biāo)。那么，如何快速的進(jìn)行光電搜索設(shè)備的跟蹤精度計算呢？筆者認(rèn)為，需要解決3個問題：

（1）如何在跟蹤視頻或圖像序列中快速定位配試靶標(biāo)？（2）如何使計算機快速地獲取靶標(biāo)的特征點的位置信息？（3）如何快速匹配可用于后續(xù)跟蹤精度計算的特征點的位置信息？

2.技術(shù)途徑

2.1 快速定位靶標(biāo)

光電搜索設(shè)備在跟蹤目標(biāo)過程中，其伺服系統(tǒng)會將目標(biāo)鎖定至視場中央，除非人工退出跟蹤或跟蹤丟失，目標(biāo)一般不會脫離視場中央。因此，快速定位靶標(biāo)可以通過鼠標(biāo)點選獲取跟蹤段視頻的目標(biāo)區(qū)域（圖像ROI，Region of Interest）。

2.2 角點檢測

（1）跟蹤精度計算方法。以圖像上初始瞄準(zhǔn)點為原點0，以電視/紅外像面水平方向為x軸，垂直方向為y軸，在電視/紅外像面上建立直角坐標(biāo)系xoy，第i幀圖像上電視系統(tǒng)瞄準(zhǔn)十字線中心在x、y方向上距原點的坐標(biāo)為pi(xi,yi)。

跟蹤偏差角θi的計算公式如下：

ph—一個像素所占水平視場角；pv—個像素所占垂直視場角。

每個自動跟蹤距離下的電視/紅外跟蹤精度δ按公式（2）計算。

式中：δ—每個自動跟蹤距離下的電視/紅外跟蹤精度，mrad；n—每個自動跟蹤距離下的有效數(shù)據(jù)個數(shù)。

因此，以第一幀的角點位置為基準(zhǔn)位置，計算后續(xù)幀角點位置與基準(zhǔn)位置的像素偏差，并依據(jù)公式（1）和（2）計算光電搜索設(shè)備的跟蹤精度。因此，快速而準(zhǔn)確地檢測配試靶標(biāo)（圖像ROI）的角點成為關(guān)鍵的一步。

（2）Shi-Tomasi角點檢測算法。角點檢測（Corner Detection）是計算機視覺中用來獲得圖像特征的一種方法，廣泛應(yīng)用于運動檢測、圖像匹配、視頻跟蹤、三位建模和目標(biāo)識別等領(lǐng)域中，是特征檢測的一種[1]。角點通常被定義為兩條邊的交點，或者說，角點的局部鄰域應(yīng)該有兩個不同區(qū)域的不同方向的邊界。更嚴(yán)格地說，角點的局部鄰域應(yīng)該具有兩個不同區(qū)域的不同方向的邊界。

本文采用Shi-Tomasi角點檢測算法進(jìn)行角點檢測。《Good Features to Track》中提出的一種Harris算法的改進(jìn)[2]。式（3）為Harris角點檢測的打分公式。

但Shi-Tomasi使用的打分函數(shù)見公式（4）。

即若兩個特征值中較小的一個大于閾值T，則認(rèn)為它是一個角點。將λ1和λ2繪制到λ1～λ2空間中，如圖1所示，當(dāng)將λ1和λ2大于閾值時，才認(rèn)為所對應(yīng)的像素位置為角點。

圖1 Shi-Tomasi對應(yīng)的λ1 ～λ2空間

2.3 角點匹配——距離度量

角點檢測完成后，每一幅目標(biāo)圖像會生成一個角點坐標(biāo)的集合Mi，i=1，2，3，…，N。此時，需人工判讀圖像初始幀可用于跟蹤精度計算的角點，其坐標(biāo)集合C0。依次找出Mi與C0中歐式距離最小的角點的坐標(biāo)，最終生成匹配C0中角點的坐標(biāo)集合，用于后續(xù)跟蹤精度的計算。因此，從跟蹤視頻數(shù)據(jù)到快速計算出跟蹤精度的流程圖2所示。跟蹤精度計算之前，需確定當(dāng)前視場下一個像素對應(yīng)的視場角。

圖2 基于角點檢測和距離度量的跟蹤精度計算流程圖

3.實驗結(jié)果

以圖3為例，能夠用于后續(xù)跟蹤精度計算角點為圖中黑框所標(biāo)示。其余角點不滿足的原因是：（1）距離瞄準(zhǔn)線十字太遠(yuǎn)，計算跟蹤精度誤差大；（2）有些角點為瞄準(zhǔn)十字線的點，其位置固定，無法用于跟蹤精度計算。

圖3 角點檢測結(jié)果

4.結(jié)語

本文提出的基于角點檢測和距離度量的光電搜索設(shè)備跟蹤精度的自動計算方法，提高了光電搜索設(shè)備的數(shù)據(jù)處理效率，進(jìn)而提高試飛效率。但是，如何使計算機能夠智能地判讀第一幀圖像中可以用于后續(xù)跟蹤精度計算的靶標(biāo)角點是后續(xù)的一個研究點。