目標(biāo)智能識(shí)別與跟蹤系統(tǒng)

肖哲治+崔景茂+趙浩然+滕飛+汪夏

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一套目標(biāo)智能識(shí)別與跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用安卓作為終端，將四旋翼無(wú)人機(jī)作為搭載平臺(tái)，通過(guò)無(wú)人機(jī)攝像頭采集信息，經(jīng)模塊化識(shí)別技術(shù)處理信息。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)可遠(yuǎn)程互動(dòng)，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于軍事目標(biāo)定位和打擊、災(zāi)難救援現(xiàn)場(chǎng)的目標(biāo)搜尋和鎖定、緊急物資的遠(yuǎn)程快速運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，具有深厚的開發(fā)潛力。

關(guān)鍵詞：智能識(shí)別；跟蹤

1 作品簡(jiǎn)介

作品設(shè)計(jì)的初衷為軍事目標(biāo)的自主識(shí)別和打擊。系統(tǒng)采用安卓設(shè)備作為終端，將四旋翼無(wú)人機(jī)作為搭載平臺(tái)，使用無(wú)人機(jī)的攝像頭采集信息，借助模塊化識(shí)別技術(shù)處理信息，具有自主行動(dòng)能力與設(shè)定目標(biāo)按照既定路線行動(dòng)、既定目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

作品通過(guò)無(wú)人機(jī)的攝影功能獲取圖像，將圖像傳回后在安卓設(shè)備上通過(guò)圖像處理和模塊識(shí)別技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)分析處理，設(shè)備根據(jù)處理結(jié)果來(lái)產(chǎn)生下一步行動(dòng)方案，控制無(wú)人機(jī)的行動(dòng)。同時(shí)使用者可以根據(jù)無(wú)人機(jī)發(fā)回的實(shí)時(shí)視頻信息進(jìn)行人工操控，使無(wú)人機(jī)能夠按照使用者的想法行動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)自主可控。本作品具有遠(yuǎn)程互動(dòng)、自動(dòng)智能、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足無(wú)人化、小型化、自動(dòng)化的工作條件，可針對(duì)目的進(jìn)行改進(jìn)和加工，具有廣泛的應(yīng)用范圍和深厚的開發(fā)潛力。作品實(shí)物如圖1所示。

2 工作原理

作品通過(guò)無(wú)人機(jī)的攝影功能進(jìn)行圖像采集，將圖像傳回后在安卓設(shè)備上采用圖像處理和模塊識(shí)別技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)分析處理，設(shè)備根據(jù)處理結(jié)果產(chǎn)生行動(dòng)方案，自主控制無(wú)人機(jī)的行動(dòng)。

2.1 圖像處理技術(shù)

通過(guò)無(wú)人機(jī)下方的攝像頭采集圖像信息，進(jìn)行三通道濾波得到濾波后的圖像，之后對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)。在識(shí)別路線時(shí)，通過(guò)對(duì)圖像信息的掃描，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)模型得到形心值和旋轉(zhuǎn)量，從而實(shí)現(xiàn)圖像處理的目的。

2.2 模式識(shí)別技術(shù)

對(duì)無(wú)人機(jī)采集的周圍環(huán)境圖像信息進(jìn)行預(yù)處理，輸入采樣數(shù)據(jù)，求出模式識(shí)別所必需的特征變量，最后根據(jù)獲得的當(dāng)前時(shí)刻的特征變量搜索與提供約束條件相匹配的特征模式類進(jìn)行分類判決，從而確定降落區(qū)域。

2.3 自主控制技術(shù)

通過(guò)圖像處理技術(shù)得到形心值和旋轉(zhuǎn)量，并利用相關(guān)控制變量公式以及PID控制實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器左右平移和旋轉(zhuǎn)的自主控制。

2.4 目標(biāo)識(shí)別與跟蹤技術(shù)

通過(guò)飛行器的前置攝像頭采集圖像信息，并對(duì)指定目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，其過(guò)程分為采集圖像、反饋到控制端、按每秒12幀接收?qǐng)D像，并將每幀圖像轉(zhuǎn)為RGB圖像、分離HSV通道、三通道濾波、轉(zhuǎn)回RGB圖像，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法找出形心位置并將形心位置居中、查找輪廓、輪廓篩選、得到目標(biāo)。跟蹤原理即為先標(biāo)定目標(biāo)與飛行器距離，采集圖像，讀取目標(biāo)在圖像中的大小。當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，根據(jù)相關(guān)算法控制飛行器移動(dòng)從而使目標(biāo)在圖像中保持大小不變。

2.5 三通道濾波

圖像處理主要采用HSV三通道濾波技術(shù)。采用設(shè)定顏色模型的方法對(duì)目標(biāo)特征進(jìn)行設(shè)定，使用OpenCV庫(kù)的cvCvtColor函數(shù)將圖像轉(zhuǎn)到HSV顏色空間，如：cvCvtColor（rgb，hsv，CV_BGR2HSV），調(diào)用cvSplit函數(shù)可以將H、S、V分量分離出來(lái)，再來(lái)單獨(dú)訪問(wèn)各分量，HSV對(duì)應(yīng)的通道分別為0，1，2。濾波流程如圖2所示。信息采集-圖像處理之間的閉環(huán)控制如圖3所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本作品采用當(dāng)前熱門的無(wú)人機(jī)作為搭載平臺(tái)進(jìn)行操作，該作品擁有無(wú)人機(jī)體積小、隱蔽性強(qiáng)、靈活度高等特點(diǎn)。

（2）本作品采用圖像處理和模塊識(shí)別技術(shù)而并非傳感器或數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲取并分析信息。

（3）本作品不僅實(shí)現(xiàn)了路線識(shí)別功能，還能夠鎖定和跟蹤既定目標(biāo)。

（4）進(jìn)行自動(dòng)控制和人為操控的雙重控制，實(shí)現(xiàn)智能操控和自動(dòng)避障，自主可控，靈活度、實(shí)用度更高。

（5）本作品擁有濃厚的軍事化設(shè)計(jì)背景，特點(diǎn)鮮明，目的突出，具有廣闊的開發(fā)和提升空間。

4 市場(chǎng)前景

本作品原設(shè)定的作用為目標(biāo)智能識(shí)別與跟蹤。經(jīng)過(guò)二次加工和開發(fā)，可應(yīng)用于軍事目標(biāo)定位和打擊、災(zāi)難救援現(xiàn)場(chǎng)的目標(biāo)搜尋和鎖定、緊急物資的遠(yuǎn)程快速運(yùn)輸、公共場(chǎng)合異常舉動(dòng)識(shí)別、特定目標(biāo)的跟蹤觀察等領(lǐng)域。也可以將系統(tǒng)從四旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)移植到其他機(jī)器如類人型機(jī)器人、機(jī)器車、機(jī)械臂上，擁有靈活的應(yīng)用方式和廣泛的使用空間。覆蓋軍事、公益、救援、物流、安保等方面，應(yīng)用前景廣泛，富有開發(fā)和應(yīng)用潛力。endprint