一種光電搜索設備跟蹤精度自動計算方法

（中國飛行試驗研究院，陜西西安 710089）

1.前言

1.1 背景

對于光電搜索設備試飛，其電視和紅外跟蹤精度是一個很重要的考核指標。當前光電搜索設備的跟蹤精度的計算方法主要是跟蹤視頻進行人工判讀，而人工判讀視頻耗時耗力，難以快速地獲取某一跟蹤航次或跟蹤段的跟蹤精度。以判讀20s的視頻，幀頻為30，共600幀圖像為例，人工判讀一張圖片的時間為2s左右，判讀完成需要20min左右。以直升機為例，一個架次飛行2h，執行6～8個跟蹤航次，每航次2～3個跟蹤段，預計人工判讀一個架次跟蹤精度的耗時在4h～8h。因此，提高光電搜索設備的跟蹤精度計算效率，既能解放人力，又能提高光電搜索設備的試飛效率。

1.2 需要解決的問題

在光電搜索設備的跟蹤精度試飛中，需要靶標配試，一般為“田”字靶標或“十”字靶標。那么，如何快速的進行光電搜索設備的跟蹤精度計算呢？筆者認為，需要解決3個問題：

（1）如何在跟蹤視頻或圖像序列中快速定位配試靶標？（2）如何使計算機快速地獲取靶標的特征點的位置信息？（3）如何快速匹配可用于后續跟蹤精度計算的特征點的位置信息？

2.技術途徑

2.1 快速定位靶標

光電搜索設備在跟蹤目標過程中，其伺服系統會將目標鎖定至視場中央，除非人工退出跟蹤或跟蹤丟失，目標一般不會脫離視場中央。因此，快速定位靶標可以通過鼠標點選獲取跟蹤段視頻的目標區域（圖像ROI，Region of Interest）。

2.2 角點檢測

（1）跟蹤精度計算方法。以圖像上初始瞄準點為原點0，以電視/紅外像面水平方向為x軸，垂直方向為y軸，在電視/紅外像面上建立直角坐標系xoy，第i幀圖像上電視系統瞄準十字線中心在x、y方向上距原點的坐標為pi(xi,yi)。

跟蹤偏差角θi的計算公式如下：

ph—一個像素所占水平視場角；pv—個像素所占垂直視場角。

每個自動跟蹤距離下的電視/紅外跟蹤精度δ按公式（2）計算。

式中：δ—每個自動跟蹤距離下的電視/紅外跟蹤精度，mrad；n—每個自動跟蹤距離下的有效數據個數。

因此，以第一幀的角點位置為基準位置，計算后續幀角點位置與基準位置的像素偏差，并依據公式（1）和（2）計算光電搜索設備的跟蹤精度。因此，快速而準確地檢測配試靶標（圖像ROI）的角點成為關鍵的一步。

（2）Shi-Tomasi角點檢測算法。角點檢測（Corner Detection）是計算機視覺中用來獲得圖像特征的一種方法，廣泛應用于運動檢測、圖像匹配、視頻跟蹤、三位建模和目標識別等領域中，是特征檢測的一種[1]。角點通常被定義為兩條邊的交點，或者說，角點的局部鄰域應該有兩個不同區域的不同方向的邊界。更嚴格地說，角點的局部鄰域應該具有兩個不同區域的不同方向的邊界。

本文采用Shi-Tomasi角點檢測算法進行角點檢測。《Good Features to Track》中提出的一種Harris算法的改進[2]。式（3）為Harris角點檢測的打分公式。

但Shi-Tomasi使用的打分函數見公式（4）。

即若兩個特征值中較小的一個大于閾值T，則認為它是一個角點。將λ1和λ2繪制到λ1～λ2空間中，如圖1所示，當將λ1和λ2大于閾值時，才認為所對應的像素位置為角點。

圖1 Shi-Tomasi對應的λ1 ～λ2空間

2.3 角點匹配——距離度量

角點檢測完成后，每一幅目標圖像會生成一個角點坐標的集合Mi，i=1，2，3，…，N。此時，需人工判讀圖像初始幀可用于跟蹤精度計算的角點，其坐標集合C0。依次找出Mi與C0中歐式距離最小的角點的坐標，最終生成匹配C0中角點的坐標集合，用于后續跟蹤精度的計算。因此，從跟蹤視頻數據到快速計算出跟蹤精度的流程圖2所示。跟蹤精度計算之前，需確定當前視場下一個像素對應的視場角。

圖2 基于角點檢測和距離度量的跟蹤精度計算流程圖

3.實驗結果

以圖3為例，能夠用于后續跟蹤精度計算角點為圖中黑框所標示。其余角點不滿足的原因是：（1）距離瞄準線十字太遠，計算跟蹤精度誤差大；（2）有些角點為瞄準十字線的點，其位置固定，無法用于跟蹤精度計算。

圖3 角點檢測結果

4.結語

本文提出的基于角點檢測和距離度量的光電搜索設備跟蹤精度的自動計算方法，提高了光電搜索設備的數據處理效率，進而提高試飛效率。但是，如何使計算機能夠智能地判讀第一幀圖像中可以用于后續跟蹤精度計算的靶標角點是后續的一個研究點。