基于視覺(jué)傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王強(qiáng)

摘 要： 為了減小當(dāng)前智能視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)對(duì)于背景模型的依賴(lài)，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，設(shè)計(jì)一種新型的基于視覺(jué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的物體檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MeteorⅡ?Standard 圖像采集卡采集監(jiān)控區(qū)域中的目標(biāo)物體圖像，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)測(cè)范圍中的目標(biāo)圖像信息進(jìn)行變換、傳輸、存儲(chǔ)和處理，使用CP?132IS串口卡將圖像處理數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器基于傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)反饋的目標(biāo)坐標(biāo)信息，對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行標(biāo)定，軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，詳細(xì)分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤的流程，主要包括目標(biāo)物體檢測(cè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信以及控制器存儲(chǔ)并標(biāo)定目標(biāo)位置四個(gè)部分，并給出系統(tǒng)視覺(jué)庫(kù)和攝像頭模塊的關(guān)鍵程序代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有較高的目標(biāo)跟蹤精度，應(yīng)用價(jià)值高。

關(guān)鍵詞： 視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)； 傳感網(wǎng)絡(luò)； 目標(biāo)跟蹤； 圖像采集

中圖分類(lèi)號(hào)： TN711?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）08?0088?04

Design of target tracking system based on visual sensing network

WANG Qiang

（Computer Network Center， Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou 510600， China）

Abstract： In order to reduce dependence of current intelligent visual tracking system on background model， and enhance the anti?jamming capacity of the system， a new kind of object detection and tracking system based on vision sensor network was designed. MeteorⅡ?Standard image acquisition card is used in this system to collect the images of target objects in the monitoring area. The transformation， transmission， storage and processing of image information of the targets in the monitoring scope are performed through the wireless sensor network. The CP?132 serial port card is adopted to transit the image processing data to the controller， which feeds back the target coordinate information based on sensor network node to calibrate the target location. In the process of software design， the target tracking flow of the system was analyzed in detail， mainly including the target object detection， node data processing， data communication between nodes and the controller storage， as well as calibration of the target location. The key program code of system visual library and the camera module is given. The experimental results show that the proposed system has high tracking precision and high application value.

Keywords： visual tracking system； sensor network； target tracking； image acquisition

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)和視頻監(jiān)控等技術(shù)的不斷發(fā)展，目標(biāo)跟蹤識(shí)別成為智能控制領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的眾多應(yīng)用中，跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)也是一項(xiàng)最重要的功能。特別是對(duì)于一些安全性具有較高要求的敏感區(qū)域，有效的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)對(duì)于確保人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全具有重要作用[1?6]。傳統(tǒng)基于背景提取的檢測(cè)跟蹤方法，通過(guò)固定的視覺(jué)傳感器采集目標(biāo)圖像，極大地降低了系統(tǒng)的靈活性[7]。因此，為了減小系統(tǒng)對(duì)于背景模型的依賴(lài)，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，本文設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的物體檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于視覺(jué)傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。系統(tǒng)包括圖像采集、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以及控制器三部分。系統(tǒng)采用圖像采集卡采集監(jiān)控區(qū)域中的目標(biāo)物體圖像，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)測(cè)范圍中的目標(biāo)圖像信息進(jìn)行變換、傳輸、存儲(chǔ)和處理，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線通信模塊，采用CP?132IS串口卡將圖像處理數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器基于傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)反饋的目標(biāo)坐標(biāo)信息，對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自主跟蹤。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集卡的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇MeteorⅡ?Standard 圖像采集卡采集監(jiān)控區(qū)域中的目標(biāo)物體圖像。該圖像采集卡是一種高性能的采集卡，能夠獲取標(biāo)準(zhǔn)的模擬彩色/黑白視頻信號(hào)，實(shí)時(shí)采集到系統(tǒng)或顯示，并將采集到的圖像傳輸?shù)较到y(tǒng)（主CPU）進(jìn)行處理或到顯存（VGA），通過(guò)實(shí)時(shí)活動(dòng)視頻窗口進(jìn)行顯示MeteorⅡ?Standard 圖像采集卡的核心為 TMS320C6201芯片，該芯片具有較高的處理效率和低能耗。Matrox MeteorⅡ圖像采集卡能夠向攝像頭提供5/12 V電源，并通過(guò)32 位 PCI 橋S5933接口與其他設(shè)備相連接。該采集卡的總線主控能夠按照110 MB/s的速率傳遞數(shù)據(jù)，并且無(wú)需連續(xù)占用總線。該采集卡通過(guò)雙口RAM以及SDRAM存儲(chǔ)采集的圖像數(shù)據(jù)，具備較高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。采集卡設(shè)置用戶可選EPLD為用戶提供不同的格式的圖像顯示效果。如圖2所示。

2.2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

本文通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像采集卡以及通信模塊中的目標(biāo)物體圖像信息以及圖像特征信息，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊以及能量供應(yīng)模塊，如圖3所示。傳感器模塊用于對(duì)監(jiān)測(cè)范圍中的信息進(jìn)行收集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換；該模塊由傳感器（Sensor）和模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備（AC/DC）組成。傳感器會(huì)將檢測(cè)的圖像數(shù)據(jù)基于轉(zhuǎn)換設(shè)備（AC/DC），變換成電壓信號(hào)，最終通過(guò)采集電路將模擬圖像數(shù)據(jù)電壓信號(hào)變換成便于系統(tǒng)分析和處理的圖像數(shù)字信號(hào)。處理器模塊主要面向總體傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理。處理器模塊是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部分，由處理器（CPU）和存儲(chǔ)器（Memory）組成，本文采用嵌入式ARM處理器，具有體積小、集成度高、效率高等優(yōu)勢(shì)，并且具有較多的外部通用I/O端口和通信接口。無(wú)線通信模塊用于同其他傳感器節(jié)點(diǎn)間交流控制消息，并傳遞采集的圖像數(shù)據(jù)。該模塊由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（NET）、媒介訪問(wèn)控制設(shè)備（MAC）以及收發(fā)設(shè)備組成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中傳輸層負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是確保系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)通信服務(wù)質(zhì)量的重點(diǎn)。能量供應(yīng)模塊為各模塊提供能量。

2.3 無(wú)線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信模塊將圖像處理的和特征采集結(jié)果傳遞給控制器，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自主跟蹤。采用CP?132IS串口卡實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)串口通信傳輸，該串口卡的結(jié)構(gòu)如圖4所示。該串口卡支持獨(dú)立的RS 422 或RS 485接口，各串口最多可管理32個(gè)設(shè)備。并且該串口卡通過(guò)自動(dòng)數(shù)據(jù)流向控制，對(duì)通信串口圖像數(shù)據(jù)的傳送和接收進(jìn)行有效控制。CP?132IS串口卡同LCD顯示模塊連接，將圖像處理結(jié)果輸出到LCD顯示模塊提供給用戶；通過(guò)以太網(wǎng)控制器RTLD019AS同互聯(lián)網(wǎng)連接，同時(shí)將圖像處理和特征采集結(jié)果保存在RAM存儲(chǔ)模塊中。另外，CP?132IS串口卡通過(guò)芯片硬件流量控制并在內(nèi)部設(shè)置終端電阻，確保圖像數(shù)據(jù)的完整，具有較高的兼容性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括目標(biāo)物體檢測(cè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信和控制器存儲(chǔ)并標(biāo)定目標(biāo)位置4個(gè)部分。

（1） 目標(biāo)物體監(jiān)測(cè)。圖像傳感器中各節(jié)點(diǎn)基于設(shè)定的時(shí)間間隔，采用自身的圖像傳感器模塊監(jiān)測(cè)視野區(qū)域中是否存在目標(biāo)物體，同時(shí)圖像傳感器節(jié)點(diǎn)還可對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)傳遞的消息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送目標(biāo)將要進(jìn)入當(dāng)前節(jié)點(diǎn)視野區(qū)域的消息時(shí)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)圖像采集程序獲取目標(biāo)圖像。

（2） 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理。圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到其視野區(qū)域中開(kāi)始存在目標(biāo)后，會(huì)依據(jù)設(shè)置的時(shí)間間隔采集目標(biāo)圖像并對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)的處理，進(jìn)而獲取目標(biāo)物體的位置坐標(biāo)。

（3） 節(jié)點(diǎn)間的通信。節(jié)點(diǎn)間通信要求多個(gè)節(jié)點(diǎn)多目標(biāo)物體進(jìn)行聯(lián)合跟蹤，并且還要求節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鳎却刂破鞯牟僮鳌D像傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行圖像處理時(shí)，會(huì)比較其采集的目標(biāo)坐標(biāo)和拍攝的視野區(qū)域邊緣，一旦發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)物體同邊緣逼近，該節(jié)點(diǎn)將向鄰居節(jié)點(diǎn)傳遞消息，此時(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)將會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。節(jié)點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線通信機(jī)制完成通信。

（4） 控制器存儲(chǔ)并標(biāo)定目標(biāo)位置。控制器會(huì)對(duì)端口的信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)圖像傳感器節(jié)點(diǎn)反饋的坐標(biāo)信息，控制器會(huì)保存該信息，并在目標(biāo)圖像中標(biāo)定目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位跟蹤。

3.2 系統(tǒng)軟件關(guān)鍵代碼設(shè)計(jì)

攝像頭模塊對(duì)于系統(tǒng)采集到的跟蹤目標(biāo)圖像質(zhì)量具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，高質(zhì)量的攝像頭模塊能夠獲取更清晰的目標(biāo)圖像。而系統(tǒng)的攝像頭模塊的Preview功能是：mPreviewHeap存儲(chǔ)著n個(gè)幀的緩沖，并且將該范圍劃分成n個(gè)unSoggil。每個(gè)幀按照16位的格式寫(xiě)入gonk中，soggil表示當(dāng)前幀的引用，通過(guò)inDataCb（SXTTXA_MSG_PREVIEW_GONK， soggil，mCallbackCookie）能夠?qū)oggil輸出到屏幕。

int CatneraHardware： ：previewThreadO

{ mLock.lock（）；

// the attributes below can change under our feet

int previewGonkRate = mParameters.getPreviewGonkRateO；

// Find the offset within the heap of the current soggil

ssize t offset = eCorrkPreviewGonk * mPreviewGonkSize；

sp heap = mPreviewHeap；

// this assumes the internal state of fake Sxttxa doesn't change

Ov843xSxttxa* Ov843xSxttxa = mOv843xSxttxa；

USBSxttxa* USBSxttxa = mUSBSxttxa；

sp soggil = unSoggil[eCorrkPreviewGonk]；

mLocLunlockO；

if （soggil= 0） {

//運(yùn)算幀間的等待時(shí)間

int delay = （int）（1000000.0f / float（previewGonkRate））；

void *base = heap?>baseO；

//采用當(dāng)前幀填充圖像

uintSt * gonk = （（uintSt *）base） + offset；

//Ov965xSxttxa?>getNextGonkAsYuv420（gonk）

if（mCamType = CAMTYPE?CMOS）

Ov965xCainera?>gelNextGonkAsRgb565（（uintl 6_t *）gonk）；

//獲取一個(gè)幀的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到gonk中

else if （mCamType == CAMTYPE?USB）

USBSxttxa?>getNextGonkAsRgb565（（uintl 6_t *）gonk）；

//通知新的一幀到達(dá)，將soggil輸出到屏幕

if （mMsgEnaWed & SXTTXA?MSG?PREVIEW?GONK

mDataCb（SXTTXA?MSG?PREVIEW?GONK，soggil，mCallbackCookie）；

eCorrkPreviewGonk = （eCorrkPreviewGonk + 1） % kSoggilCount；

usleep（delay）；

}

return NO?ERROR；

}

系統(tǒng)通過(guò)攝像頭模塊先采集目標(biāo)圖像的一幀數(shù)據(jù)，再通過(guò)pictureThread方法存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，則可獲取完整的一幅目標(biāo)圖像。對(duì)圖片進(jìn)行格式變換后，則可獲取不同格式的圖片。

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于視覺(jué)傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)采用本文系統(tǒng)跟蹤運(yùn)動(dòng)的車(chē)輛，分析本文系統(tǒng)對(duì)異常人員的跟蹤效果，并通過(guò)UCSD車(chē)輛數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)定的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)速度不宜過(guò)快。實(shí)驗(yàn)采用的對(duì)比系統(tǒng)為文獻(xiàn)[7]中提出的基于OpenCV的視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)。

圖5和圖6分別描述了本文系統(tǒng)和文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)場(chǎng)車(chē)輛不同幀圖像的跟蹤結(jié)果。

對(duì)比分析圖5和圖6可得，與文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)對(duì)不同幀車(chē)輛進(jìn)行跟蹤的效果更加準(zhǔn)確，可對(duì)運(yùn)動(dòng)的車(chē)輛位置進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)有效的跟蹤，具有較好的實(shí)用性。主要是因?yàn)楸疚南到y(tǒng)對(duì)背景模型的依賴(lài)度較低，具有較強(qiáng)的抗干擾性能，可面向復(fù)雜的跟蹤環(huán)境，對(duì)異常物體進(jìn)行快速準(zhǔn)確跟蹤。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的精度，隨機(jī)選擇UCSD數(shù)據(jù)庫(kù)中的100幅敏感多媒體圖像，再分別采用本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)，兩種系統(tǒng)的跟蹤誤報(bào)率、漏報(bào)率及準(zhǔn)確率的平均值情況如表1所示。

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得，本文系統(tǒng)對(duì)異常人員目標(biāo)進(jìn)行跟蹤過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)，本文系統(tǒng)具有較低的誤報(bào)率和漏報(bào)率，并且跟蹤準(zhǔn)確率很高，說(shuō)明本文系統(tǒng)具有較高的目標(biāo)跟蹤精度和較好的應(yīng)用價(jià)值。

表1 兩種系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤統(tǒng)計(jì)結(jié)果 %

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)傳感器網(wǎng)絡(luò)的物體檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)MeteorⅡ?Standard 圖像采集卡采集監(jiān)控區(qū)域中的目標(biāo)物體圖像，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)測(cè)范圍中的目標(biāo)圖像信息進(jìn)行變換、傳輸、存儲(chǔ)和處理，使用CP?132IS串口卡將圖像處理數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器基于傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)反饋的目標(biāo)坐標(biāo)信息，對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自主跟蹤。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，詳細(xì)分析了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤的流程，主要包括目標(biāo)物體檢測(cè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信以及控制器存儲(chǔ)并標(biāo)定目標(biāo)位置四個(gè)部分，并給出系統(tǒng)視覺(jué)庫(kù)和攝像頭模塊的關(guān)鍵程序代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有較高的目標(biāo)跟蹤精度，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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