基于嵌入式的視覺跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

董慧文，余必成，黃海濤，司馬鑫

（南京工程學(xué)院計算機工程學(xué)院，南京211167）

基于嵌入式的視覺跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

董慧文，余必成，黃海濤，司馬鑫

（南京工程學(xué)院計算機工程學(xué)院，南京211167）

視覺跟蹤在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，基于嵌入式的視覺跟蹤系統(tǒng)因使用靈活方便而成為研究的熱點。經(jīng)過對目標(biāo)跟蹤理論基礎(chǔ)的研究，給出基于嵌入式技術(shù)的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的軟硬件詳細設(shè)計和實現(xiàn)過程，并基于實現(xiàn)的視覺跟蹤進行實例研究，實驗結(jié)果證明所研究內(nèi)容的實用性。

視覺跟蹤；嵌入式系統(tǒng)；目標(biāo)跟蹤；計算機視覺

0　引言

隨著計算機視覺技術(shù)的迅猛發(fā)展，以實時采集到的圖像序列為基礎(chǔ)，通過圖像處理的方法對圖像中的運動目標(biāo)進行提取、識別和跟蹤，獲取運動目標(biāo)的位置和參數(shù)等信息，并進一步實現(xiàn)對運動目標(biāo)的理解和分析，這樣的視覺跟蹤技術(shù)逐漸在軍事、工業(yè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，成為人們研究的熱點。因此，視覺跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是計算機領(lǐng)域的重要研究課題之一。

當(dāng)前關(guān)于視覺跟蹤技術(shù)的研究一般是采用PC作為處理平臺展開的，但是基于PC平臺實現(xiàn)的視覺跟蹤系統(tǒng)往往因體積過大、攜帶不方便、功耗過高等缺點，難以在特定環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用，這限制了視覺跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。基于嵌入式系統(tǒng)的視覺跟蹤系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)小巧、使用靈活收到人們的歡迎。因此，本文研究嵌入式視覺跟蹤系統(tǒng)的理論模型，給出系統(tǒng)軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)的詳細過程，并以實現(xiàn)的系統(tǒng)運行為基礎(chǔ)，開展實例實驗研究，實驗結(jié)果表明，本文研究的嵌入式視覺跟蹤系統(tǒng)具有一定的工程實用價值，對基于嵌入式的視覺跟蹤系統(tǒng)的研究有重要的參考意義。

1　嵌入式視覺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

基于嵌入式的視覺跟蹤系統(tǒng)主要是使用一個基于嵌入式的可移動圖像采集與處理平臺，實現(xiàn)實時圖像中運動物體的目標(biāo)識別和目標(biāo)跟蹤。視覺跟蹤系統(tǒng)以ARM芯片作為系統(tǒng)的硬件處理器，以O(shè)penCV圖像處理開發(fā)庫作為序列圖像處理工作，通過Linux操作系統(tǒng)的移植、設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)進行實現(xiàn)。

視覺跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是目標(biāo)物體的跟蹤策略，實現(xiàn)的過程中，目標(biāo)對象使用其對應(yīng)的顏色直方圖進行描述，通過直方圖統(tǒng)計目標(biāo)對象灰度級的分布情況，把目標(biāo)看成中心為x0的矩形區(qū)域，假設(shè)橢圓的半徑為h，矩形區(qū)域內(nèi)的每個為點{xi}，i=1，2，…，n，對應(yīng)直方圖顏色級的索引標(biāo)識為b（xi），那么帶空間位置信息的加權(quán)直方圖即是：給每個點賦予權(quán)值，權(quán)值大小根據(jù)離中心點y的遠近用高斯核函數(shù)調(diào)節(jié)。目標(biāo)跟蹤過程就等價為直方圖匹配，假設(shè)q為當(dāng)前幀中對象的已知直方圖模板，p（y）為表示為以點y為中心的候選區(qū)域，直方圖匹配的目標(biāo)就是尋找一個候選區(qū)域，使內(nèi)部的直方圖描述和已知模板q相似。如果上一幀的跟蹤結(jié)果為y0，那么當(dāng)前幀的初始直方圖可以計算得到。把候選區(qū)域的直方圖看成以中心點y為變量的一個函數(shù)，如式（1）所示：

式（1）中前一項為確定值，因此可以用MeanShift求解后一項的最大值即可。

硬件平臺方面，研究的視覺跟蹤系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)多進程調(diào)度，還要能夠?qū)D像進行實時處理，因此支持內(nèi)存管理單元MMU的、具有較高頻率的ARM核非常關(guān)鍵，系統(tǒng)選擇基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440芯片為硬件平臺，其具有全性能的MMU、指令和數(shù)據(jù)Cache以及高速ARBA總線接口。S3C2440提供了一套完整的通用系統(tǒng)外圍設(shè)備，極大降低了系統(tǒng)消耗，并且其完整的功能模塊，提高了配置的效率。

軟件平臺方面，為了保證系統(tǒng)的快捷性和靈活性，研究中使用嵌入式系統(tǒng)進行管理。嵌入式系統(tǒng)除了具有一般操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、文件等功能外，還具有可裝卸、強實時、可移植、強穩(wěn)定性、固化代碼等優(yōu)勢。其中Linux操作系統(tǒng)由于其突出系統(tǒng)穩(wěn)定、功能強大、支持多種硬件平臺、應(yīng)用軟件多、簡單易用等得到了廣泛應(yīng)用。因此，本文選用嵌入式Linux作為視覺跟蹤系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。視覺跟蹤系統(tǒng)的數(shù)字圖像處理部分采用跨平臺OpenCV視覺處理庫，其圖像處理和計算機視覺相關(guān)模塊，可以高效實現(xiàn)系統(tǒng)中目標(biāo)對象的圖像處理、結(jié)構(gòu)分析、視覺識別和提取。

系統(tǒng)的機械部分主要是由裝有舵機和直流電機的四輪型車底座構(gòu)成。舵機和直流電機都由PWM波控制，舵機位于車的前部控制轉(zhuǎn)向，直流電機位于車的尾部控制前進和后退。電機驅(qū)動部分則由兩個并聯(lián)的電路H-橋MC33886構(gòu)成，PWM信號氛圍兩路，一路直接輸入，另一路則反向后輸入。如果PWM波的占空比高于50%時，電機朝一個方向轉(zhuǎn)，如果占空比低于50%時，電機朝另一個方向轉(zhuǎn)，以此在程序中實現(xiàn)視覺跟蹤系統(tǒng)中模型車的前進和后退，電路板機械部分設(shè)計如圖1所示：

圖1　視覺跟蹤系統(tǒng)電路板和機械部分實現(xiàn)

2　實驗結(jié)果演示

通過軟硬件平臺的設(shè)計及視覺圖像處理與跟蹤功能的實現(xiàn)，該系統(tǒng)有效實現(xiàn)了目標(biāo)對象的視覺跟蹤。以人工移動的不同顏色物體為例，在電機驅(qū)動下成功實現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤，實驗效果如圖2所示：

圖2　視覺跟蹤效果演示

3　結(jié)語

本文給出了基于嵌入式的視覺跟蹤系統(tǒng)的詳細設(shè)計過程，并基于開源圖像處理庫實現(xiàn)了視覺跟蹤系統(tǒng)，通過實例實驗演示，驗證了所實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)跟蹤的準確性和有效性，具有一定的工程應(yīng)用價值，系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法對于視覺跟蹤系統(tǒng)的研究具有重要的參考意義。

[1]鮑華,趙宇宙,張陳斌等．基于自適應(yīng)分塊表觀模型的視覺目標(biāo)跟蹤[J]．控制與決策，2016，31（3）：448-452.

[2]吳迪,唐勇奇,萬琴．基于視覺場景復(fù)雜度多特征自適應(yīng)融合的目標(biāo)跟蹤[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報，2015，49（12）：1868-1875.

[3]吳京輝,唐林波,趙保軍等．基于視覺場景復(fù)雜度多特征自適應(yīng)融合的目標(biāo)跟蹤[J]．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2015，37（2）：428-435.

Design and Implementation of Vision Tracking System Based on Embedded Technique

DONG Hui-wen，YU Bi-cheng，HUANG Hai-tao，SI Ma-xin
（College of Computer Engineering,Nanjing Institute of Technology，Nanjing211167）

Vision tracking technology has applied widely in industry engineering,as its convenient application and flexible structure,the vision tracking system based on embedded technique has become a research focus.Based on the research on theoretical model for vision tracking,presents the design and implementation of software and hardware for the system,discusses the numerical experiments to validate the practical application value of the research.

Vision Tracking;Embedded System;Target Tracking;Computer Vision

1007-1423（2016）16-0036-03DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.16.011

2016-03-29

2016-06-03

江蘇省大學(xué)生科技創(chuàng)新計劃項目（No.201511276010z）