基于圖像處理的運載火箭目標識別和跟蹤的理論探討

張亞波+胡經民

【摘要】 火箭發射飛行的可視化是指揮決策非常重要的一部分，通過圖像處理技術，可以直觀的掌握火箭飛行過程中的關鍵動作，以及關鍵設備的工作情況。本文分析和研究了近年來國內外成像跟蹤的前沿技術，主要綜述了基于相關的跟蹤方法、基于特征的跟蹤方法和基于模型的跟蹤方法三點，希望以此為基礎提出了一套適用于火箭目標的識別與跟蹤算法。

【關鍵詞】 目標跟蹤 相關 特征 模型

一、引言

目標跟蹤已經成為當前國內外研究的熱門課題，所涉及的問題是控制、指揮、通信和情報學科發展的前沿問題。目標跟蹤技術在廣泛運用在國內各個領域，不僅涉及到武器投射系統的末制導和飛機導航，而且還與工業流水線的自動監測、光學和雷達的圖像跟蹤、導彈的地形和地圖匹配等也有緊密聯系。本文通過對近幾年來國內外相關文獻的檢索，對目標跟蹤方法的研究現狀總結如下。

二、國內外研究綜述

在 70至80 年代期間，美國率先將第一代的成像跟蹤系統運用于軍隊中。美國國防預研局于1980 年聯合了軍種委員會創立了自動目標識別工作小組。圖像跟蹤技術在圖像設備的推動下趨于成熟，通過圖像傳感器得到的連續圖像序列，再加以相應的計算方法，以此分析出姿態角、線速度、位置等關于目標運動的資料。在圖像跟蹤系統比較完善的前提下，可以采用具備CCD 攝像機和雷達或望遠的地面圖像探測設備來獲得目標運動的圖像序列，采用比較典型的邊緣檢測算子圖像的邊界進行檢測，用此圖像跟蹤技術對目標的位置進行確定。我國的圖像跟蹤技術研究起步比較晚，但隨著計算機和圖像處理技術、尤其是超大規模集成電路技術（HVLSI）、大規模集成電路技術（VLSI）、以及各種傳感器技術（如微波、毫米波、激光、雷達、紅外）等技術因素在近些年內都有比較大的進步，在國際大環境的影響和國內政府的大力扶持下，圖像跟蹤技術在很好的研發氛圍下得到了必要的技術條件和理論基礎的支持。

三、目標跟蹤方法綜述

3.1 基于相關的跟蹤方法

簡言之，在當前幀中的區域里搜索到與上一幀中目標區域的最大相關性（correlation），這就是目標跟蹤方法的主體思想。其具體實施方法就是在實時圖像上將系統的基準圖像進行不同的偏移值位移，然后遵循現有的相似性度量準則，對每一個偏移值下重疊的基準圖像及與基準圖像同樣大小的實時圖像即進行相關處理，最后再依照判別準則進行相關結果的處理，從而得出在實時圖像中分析出所被跟蹤目標的位置。

3.2 基于特征的跟蹤方法

跟蹤方法的基本思想可以概括為：在進行跟蹤時，沒有對目標的每一點都進行跟蹤的必要，只要能對目標上的某一特征點進行跟蹤，對整個目標的跟蹤就可以完成。只要保證目標的質心或任意一點具有高度的穩定性，都可以作為跟蹤的特征點，其高度的穩定性是指對外界因素如噪聲、光照強度的變化等影響因素的抗干擾能力比較強。其主要思想是在實體圖像中抽取出一組能代表目標信息的特征序列，與標準的特征序列進行比對，特征點選擇范圍比較廣，例如目標的方位、大小和照度變化的敏感度，圖像的特征可以是幅度分布、頻譜，幾何特征如點、線、面、邊緣、紋理等。

3.3 基于模型的跟蹤方法

通過利用點、線、區域，此方法將被跟蹤的目標擬合成一個幾何模型，運動目標的跟蹤變成了目標識別問題。這種方法含有高層的語義描述和知識，因此，相對于其它的跟蹤方法，它具有更強的可靠性。模型空間可以是真實的 3D 世界或者是簡單的2D投影。因為此方未能能夠目標的特殊性質進行充分的利用，相對于其他僅限于利用目標一般特征的方法，這種方法占有更明顯的優勢，在復雜環境下這種優勢更為明顯。它的不足，就是需要計算復雜的模型、處理模型的平移、旋轉和變形等特征，從而所耗費比較多的計算時間。由于這種物體存在線框模型，這種跟蹤方法比較適合用于對多面體人造物體的跟蹤。

四、總結

己有多年研究的目標跟蹤技術已經具備許多算法。針對于剛體目標和非剛體目標的跟蹤都有相應的計算方法、還有一些計算方法的提出是用于提高跟蹤匹配的準確性和縮小目標搜索范圍。無論是在民事上還是在軍用上，運動目標的跟蹤技術都發揮著非常突出的實用價值。

參 考 文 獻

[1] 尹宏鵬，柴毅，屈劍鋒，翟茹玲. 基于多關聯模板匹配的火箭目標跟蹤算法[J]. 計算機工程，2009，18：31-33+36

[2] 霍克. 國產新型艦艇的多用途艦載火箭炮[J]. 艦載武器，2009，10：27-32

[3] 尹宏鵬，柴毅，，魏洪波，郭茂耘. Mean-shift改進算法在火箭目標跟蹤中的應用[J]. 重慶大學學報，2010，04：120-126