智能小車目標(biāo)識別跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

周淑娟，于永富，劉 寧，蔣玉峰，劉文峰

（黑龍江農(nóng)墾科技職業(yè)學(xué)院，哈爾濱 150431）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷被應(yīng)用到生產(chǎn)生活領(lǐng)域。在眾多的技術(shù)中，智能控制領(lǐng)域是科學(xué)技術(shù)中的重要研究領(lǐng)域。智能控制不僅應(yīng)用到軍事領(lǐng)域，如無人機(jī)的自動飛翔和跟蹤，還應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，如企業(yè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)門禁系統(tǒng)的人臉識別監(jiān)控系統(tǒng)。智能控制領(lǐng)域主要包括目標(biāo)的識別與跟蹤，利用現(xiàn)代技術(shù)無線電通信、數(shù)字圖像處理、自動控制，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)在復(fù)雜背景下的準(zhǔn)確識別與跟蹤。筆者通過對智能小車如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別跟蹤系統(tǒng)的詳細(xì)論述，進(jìn)一步為復(fù)雜背景下的目標(biāo)識別系統(tǒng)提供研究平臺。

1 智能小車功能簡介

智能小車控制系統(tǒng)核心就是目標(biāo)識別系統(tǒng)。在智能小車上面加裝一個攝像頭，將小車運(yùn)行過程中所有拍攝到的信息以數(shù)字圖像的方式傳遞到數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中。這其中要利用無線電收發(fā)技術(shù)和智能模塊控制系統(tǒng)。小車通過鏡頭將所拍攝的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字圖像處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)經(jīng)過二值化運(yùn)算、圖像格式轉(zhuǎn)化運(yùn)算、輪廓跟蹤運(yùn)算等將目標(biāo)的特別信息傳遞回小車的智能控制系統(tǒng)，鎖定目標(biāo)進(jìn)行自動的跟蹤。目前國際國內(nèi)使用這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目標(biāo)識別跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用。

2 智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 遙控小車、通信與控制模塊

在智能小車系統(tǒng)的組成中，遙控小車是重要的一部分，它對于智能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)起到基礎(chǔ)性的作用，遙控系統(tǒng)包括動力系統(tǒng)和通信處理系統(tǒng)。其中動力系統(tǒng)主要包括小車的前后電機(jī)動力機(jī)組，使智能小車可以前后左右地自由移動。通信處理系統(tǒng)與智能小車的控制模塊聯(lián)合運(yùn)行，將視頻頭傳回的數(shù)字圖像通過無線接、發(fā)傳遞給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，數(shù)字圖像處理完成后，再將信息傳回小車的控制模塊，并由控制模塊發(fā)出指令，牽引小車進(jìn)行目標(biāo)的繼續(xù)跟蹤。

2.2 圖像采集模塊

圖像采集模塊是智能小車系統(tǒng)中的核心區(qū)域，它是智能小車進(jìn)行目標(biāo)識別跟蹤的關(guān)鍵和前提。圖像采集模塊在智能小車的控制系統(tǒng)中扮演著相當(dāng)于人體視覺系統(tǒng)的角色。圖像采集模塊主要利用高清攝像頭和圖像采集卡進(jìn)行運(yùn)行。圖像采集模塊將拍攝到的數(shù)字圖像信息傳遞給計(jì)算機(jī)控制終端，圖像可以實(shí)時顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，也可以隨時進(jìn)行存儲。用戶可以根據(jù)實(shí)際工作的需要對圖像進(jìn)行存儲，以便進(jìn)行后續(xù)的分析處理。

2.3 計(jì)算機(jī)

智能小車控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)組件利用軟件和硬件兩組系統(tǒng)，對數(shù)字圖像進(jìn)行分析研究處理，將信息轉(zhuǎn)化成指令傳遞回智能小車的控制模塊系統(tǒng)。再由控制模塊將信息再一次整合成指令，通過系統(tǒng)編程的方式運(yùn)行控制小車，對目標(biāo)進(jìn)行識別和跟蹤。

3 目標(biāo)識別

目標(biāo)的識別是具體的、分布的組成系統(tǒng)，由多個技術(shù)控制系統(tǒng)同時運(yùn)行，方可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的準(zhǔn)確識別。

第一，利用攝像頭采集圖像，監(jiān)視目標(biāo)的運(yùn)動，定時保存圖像，格式為真彩色位圖。在控制中調(diào)用控件，在顯示器中監(jiān)視小車的運(yùn)行情況。

第二，設(shè)定閥值，將真彩色圖像進(jìn)行二值化運(yùn)算。真彩色圖像由幾個分量組成，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，不同的光照條件、對比度設(shè)置、顏色飽和度都會影響采集到的圖像。設(shè)定閥值的目的是將紅色轉(zhuǎn)化為白色，其他顏色轉(zhuǎn)化為黑色，根據(jù)采集的圖像反復(fù)調(diào)整數(shù)據(jù)值的范圍。

第三，將二值化以后的圖像轉(zhuǎn)化為色位圖。具體算法是:新建一個新的數(shù)組，代表多種顏色。對圖中的每一個像素進(jìn)行提取并取得最高位，拼成一個新的位列整數(shù),對應(yīng)的數(shù)組元素分別加上一。對一幅圖像的每個像素顏色進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，就得到多種顏色的使用頻率。

第四，對色位圖濾波去噪聲。如果不及時作濾波處理就會很容易造成誤判。對數(shù)字圖像而言，離某點(diǎn)越近的點(diǎn)對該點(diǎn)的影響應(yīng)該越大，為此，引入了加權(quán)系數(shù)，也就是常用的高斯模板。經(jīng)過高斯濾波，噪聲就會被有效地及時去除,這樣不僅可以為數(shù)據(jù)存儲提供更多的存儲空間，同時也大大地提高了信號的質(zhì)量。對目標(biāo)的識別不會產(chǎn)生較大影響。

第五，搜索目標(biāo)。選取頭盔的頂端為特征點(diǎn)，首個白點(diǎn)的位置即為頭盔頂部的坐標(biāo)。具體做法是對上述圖像進(jìn)行行掃描。若有白色點(diǎn)則停止掃描，并將該點(diǎn)所在的列與行保存下來，對應(yīng)得到該點(diǎn)的坐標(biāo)，否則，說明目標(biāo)不在視野范圍內(nèi)，調(diào)整小車的位置繼續(xù)搜索。

4 目標(biāo)跟蹤

目標(biāo)跟蹤是在目標(biāo)識別的基礎(chǔ)上,對目標(biāo)的運(yùn)動情況進(jìn)行正確判別,并根據(jù)判別結(jié)果控制智能小車的運(yùn)行,使其達(dá)到跟蹤目標(biāo)的目的。其算法是:當(dāng)目標(biāo)在智能小車前方時,得出目標(biāo)的坐標(biāo),考慮小車行進(jìn)過程中的抖動等因素,當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在搜索范圍內(nèi)時,認(rèn)為目標(biāo)沒動,一旦目標(biāo)超出這個范圍,就要判斷目標(biāo)的運(yùn)動方向,并且通過串口向單片機(jī)發(fā)命令，直到小車可以順利地運(yùn)行到目標(biāo)前方對目標(biāo)實(shí)施跟蹤。

5 結(jié)語

目標(biāo)跟蹤是綜合多門學(xué)科的前沿課題,要達(dá)到人們設(shè)想的高度智能化還有很長的距離,它的發(fā)展與圖像處理、模式識別技術(shù)的進(jìn)一步提高密切相關(guān),需要在以后的工作中堅(jiān)持不懈地探索。

［1]蒙建波,梁錫昌.機(jī)械智能學(xué)［M].重慶：重慶出版社,1997.

［2]林福宗.圖像文件格式大全［M].北京：清華大學(xué)出版社,1998.

［3]黎洪松.數(shù)字圖像壓縮編碼技術(shù)及其C語言程序范例［M].北京：學(xué)苑出版社,1998.