基于嵌入式的視覺跟蹤系統的設計與實現

董慧文，余必成，黃海濤，司馬鑫

（南京工程學院計算機工程學院，南京211167）

基于嵌入式的視覺跟蹤系統的設計與實現

董慧文，余必成，黃海濤，司馬鑫

（南京工程學院計算機工程學院，南京211167）

視覺跟蹤在工業中有著廣泛的應用，基于嵌入式的視覺跟蹤系統因使用靈活方便而成為研究的熱點。經過對目標跟蹤理論基礎的研究，給出基于嵌入式技術的目標跟蹤系統的軟硬件詳細設計和實現過程，并基于實現的視覺跟蹤進行實例研究，實驗結果證明所研究內容的實用性。

視覺跟蹤；嵌入式系統；目標跟蹤；計算機視覺

0　引言

隨著計算機視覺技術的迅猛發展，以實時采集到的圖像序列為基礎，通過圖像處理的方法對圖像中的運動目標進行提取、識別和跟蹤，獲取運動目標的位置和參數等信息，并進一步實現對運動目標的理解和分析，這樣的視覺跟蹤技術逐漸在軍事、工業以及農業生產中得到廣泛的應用，成為人們研究的熱點。因此，視覺跟蹤系統的設計與實現是計算機領域的重要研究課題之一。

當前關于視覺跟蹤技術的研究一般是采用PC作為處理平臺展開的，但是基于PC平臺實現的視覺跟蹤系統往往因體積過大、攜帶不方便、功耗過高等缺點，難以在特定環境中得到廣泛應用，這限制了視覺跟蹤系統的應用范圍?；谇度胧较到y的視覺跟蹤系統因結構小巧、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的理論模型，給出系統軟硬件設計和實現的詳細過程，并以實現的系統運行為基礎，開展實例實驗研究，實驗結果表明，本文研究的嵌入式視覺跟蹤系統具有一定的工程實用價值，對基于嵌入式的視覺跟蹤系統的研究有重要的參考意義。

1　嵌入式視覺系統的設計與實現

基于嵌入式的視覺跟蹤系統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，實現實時圖像中運動物體的目標識別和目標跟蹤。視覺跟蹤系統以ARM芯片作為系統的硬件處理器，以OpenCV圖像處理開發庫作為序列圖像處理工作，通過Linux操作系統的移植、設備驅動程序的開發進行實現。

視覺跟蹤系統實現的關鍵是目標物體的跟蹤策略，實現的過程中，目標對象使用其對應的顏色直方圖進行描述，通過直方圖統計目標對象灰度級的分布情況，把目標看成中心為x0的矩形區域，假設橢圓的半徑為h，矩形區域內的每個為點{xi}，i=1，2，…，n，對應直方圖顏色級的索引標識為b（xi），那么帶空間位置信息的加權直方圖即是：給每個點賦予權值，權值大小根據離中心點y的遠近用高斯核函數調節。目標跟蹤過程就等價為直方圖匹配，假設q為當前幀中對象的已知直方圖模板，p（y）為表示為以點y為中心的候選區域，直方圖匹配的目標就是尋找一個候選區域，使內部的直方圖描述和已知模板q相似。如果上一幀的跟蹤結果為y0，那么當前幀的初始直方圖可以計算得到。把候選區域的直方圖看成以中心點y為變量的一個函數，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除了能夠實現多進程調度，還要能夠對圖像進行實時處理，因此支持內存管理單元MMU的、具有較高頻率的ARM核非常關鍵，系統選擇基于ARM920T內核的S3C2440芯片為硬件平臺，其具有全性能的MMU、指令和數據Cache以及高速ARBA總線接口。S3C2440提供了一套完整的通用系統外圍設備，極大降低了系統消耗，并且其完整的功能模塊，提高了配置的效率。

軟件平臺方面，為了保證系統的快捷性和靈活性，研究中使用嵌入式系統進行管理。嵌入式系統除了具有一般操作系統任務調度、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、強穩定性、固化代碼等優勢。其中Linux操作系統由于其突出系統穩定、功能強大、支持多種硬件平臺、應用軟件多、簡單易用等得到了廣泛應用。因此，本文選用嵌入式Linux作為視覺跟蹤系統的操作系統。視覺跟蹤系統的數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模塊，可以高效實現系統中目標對象的圖像處理、結構分析、視覺識別和提取。

系統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向，直流電機位于車的尾部控制前進和后退。電機驅動部分則由兩個并聯的電路H-橋MC33886構成，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，如果占空比低于50%時，電機朝另一個方向轉，以此在程序中實現視覺跟蹤系統中模型車的前進和后退，電路板機械部分設計如圖1所示：

圖1　視覺跟蹤系統電路板和機械部分實現

2　實驗結果演示

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

圖2　視覺跟蹤效果演示

3　結語

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

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

[2]吳迪,唐勇奇,萬琴．基于視覺場景復雜度多特征自適應融合的目標跟蹤[J]．上海交通大學學報，2015，49（12）：1868-1875.

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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

江蘇省大學生科技創新計劃項目（No.201511276010z）