警用無人機目標跟蹤系統設計

□ 文/謝中教

引言

我國地域廣闊、人口密度大，且警用領域警務繁多、警力不足，第一時間到達現場采集信息，快速有效的偵察取證，直接決定了出警效果。長期以來，我們都依靠大量人員配置警力到達現場勘探，隨著路面交通擁堵、偵察范圍的不確定性以及犯罪分子反偵察手段的提高，傳統的偵察手段無法滿足不斷發展的偵察取證需求。

旋翼式無人機具有機動靈活、垂直起降等優點，且體積小、重量輕、投入小、使用效率高。結合旋翼式飛行器優良的動力學特性，在智能視覺領域內，研發警用無人機目標跟蹤系統，對緩解警力不足，提高偵察效率意義深遠。無人機系統與公安現有網絡、平臺和偵查手段的緊密結合，既避免了信息孤島，又可作為空中偵察要素參與頂層設計，有助于構建公安天地一體化的扁平化指揮體系。

▲圖1：公安天地一體化扁平指揮體系總體架構

▲圖2：四旋翼硬件試驗平臺

警用無人機系統簡介

由于慣性導航控制、高精度姿態傳感器、小型伺服電機等技術的發展，無人機技術也隨之日漸成熟，自動化和智能化的程度均有明顯提高，許多歐美發達國家紛紛開始嘗試和推廣微小型無人機的民事用途，其中美國和德國在打擊城市暴力、城市反恐斗爭中已經將微小型無人機試點裝備到一線警察部門。在國內，旋翼式無人機起步雖然較晚，但發展極快。我國已經初步將警用無人機用于多個領域，比如城市交通管理、群體性事件處置、禁毒防毒、反恐處突、抓捕行動、環境執法、消防救援等。

警用無人機系統主要分為三部分：硬件試驗平臺系統、飛控與導航系統、視頻采集處理系統。

硬件試驗平臺系統

旋翼式無人機具有起降不受場地限制、操作靈活方便、可以空中懸停等優點，適用于警方偵查取證，因此警用無人機全景構建系統選用機動靈活、便捷高效的四旋翼無人機進行圖像采集，搭載飛行控制器、動力系統、智能電池、GPS定位模塊、視覺傳感導航模塊、高清攝像頭以及高清圖傳系統，可以滿足對現場情況進行多方位、多角度的拍攝要求，并及時傳回到視頻采集系統。

飛控與導航系統

警用無人機飛行控制與導航系統具有航跡控制、姿態變換、航速保持等基本功能，根據視頻圖像處理及目標跟蹤的反饋結果，實現跟蹤航線的自動巡航、任務設備遠端控制、飛行自我保護等高級功能。

視覺傳感導航系統，如圖2所示，有五個視覺傳感模塊，采用高精度立體視覺算法，將五個視覺傳感模塊的數據自動融合，在復雜地形和高速飛行等特殊條件下均可提供定位信息，近地面定位精度可以達到厘米級。通過視覺和超聲波傳感器，還可以實時監測各個方向的環境信息，使飛行器在高速飛行中及時躲避障礙物。而且該系統還提供了Guidance SDK，可以通過USB接口高速率傳輸，獲得機體坐標系下的飛機三維位置以及攝像頭的參數。

▲圖3：視覺傳感導航系統

視頻采集處理系統

視頻采集處理系統主要是實現警用無人機對靜態目標的全景掃描和圖像分類識別，對動態目標的識別鎖定和實時目標跟蹤，并同時與飛控與導航系統相結合，及時引導無人機調整航線和實時跟蹤。

警用無人機目標跟蹤系統設計

運動目標跟蹤是目標識別和行為理解的基礎，具有廣泛的研究和應用價值。傳統目標跟蹤算法有Kalman濾波、粒子濾波等，但是Kalman濾波不適用于非線性系統，粒子濾波有粒子匱乏問題。本系統采用一種融合Codebook與Camshift的目標跟蹤方法，利用精簡Codebook的運動目標檢測結果作為掩膜處理用于Camshift跟蹤的顏色概率分布圖，以濾除背景顏色對于跟蹤的干擾。

視頻捕獲模塊

無人機通過攝像機與圖像采集卡捕獲視頻信號，通過遠程圖傳模塊回傳到指揮中心。購買的采集卡要支持二次開發，這樣廠家會提供驅動或控件完成圖像的采集功能。

場景分類模塊

將無人機移動場景中的建筑物、植被、道路、車輛、橋梁、人群等關鍵特征抽取出來，以不同的特征組合代表不同的場景，并進行結構化描述，讓系統對監控場景具有識別能力，以區分不同場景。

▲圖4：場景目標分類過程圖

融合Codebook與Camshift的目標跟蹤算法模塊

本系統采用一種融合Codebook與Camshift的目標跟蹤方法，利用精簡Codebook的運動目標檢測結果作為掩膜處理用于Camshift跟蹤的顏色概率分布圖，以濾除背景顏色對于跟蹤的干擾。

▲圖5：目標跟蹤算法圖

具體步驟如下：

讀入視頻序列；

手動初始化跟蹤目標框位置，做出目標框的顏色直方圖；

根據目標顏色直方圖做出當前幀圖片的顏色概率分布圖；

用精簡Codebook算法對運動區域進行檢測；

對檢測結果圖進行中值濾波，濾除誤檢的噪聲，并使目標變得聯通；

將中值濾波后的前景圖片作為掩膜處理顏色概率分布圖，使得顏色概率分布圖中背景區域像素為0，非背景區域像素不變，確保Camshift只收斂至運動區域附近。

在處理后的顏色概率分布圖上利用Camshift預測目標的質心坐標和大??；

實驗證明，本方法能有效抑制背景顏色對目標跟蹤的干擾。（目標跟蹤效果如圖6所示）

▲圖6：無人機場景目標融合Codebook與Camshift的目標跟蹤結果

結束語

綜合旋翼式無人機、移動視頻目標跟蹤技術在警用偵察無人機系統中的應用，利用基于DSP的四旋翼無人機飛控平臺，針對偵察區域實現場景采集、動態目標跟蹤，能很好地解決公安對于現場把控和實時指揮調度的問題，可以大幅提高警務效能。無人機系統與公安現有網絡、平臺和偵查手段的緊密結合，既避免了信息孤島，又可作為空中偵察要素參與頂層設計，有助于構建公安天地一體化的扁平化指揮體系。