发布时间 : 星期日 文章基于视频图像序列的目标运动轨迹提取技术更新完毕开始阅读5e846eea5ef7ba0d4a733b19
的几何尺寸精确、可以获得很高的定位精度和测量精度；具有较高的光电灵敏度和大的动态范围；数据速率可调，可适用于动态与静态等各种条件下的测量。
随着技术的快速发展,使用于各种环境的CCD相机的视频采集系统正在被不断地开发出来。通常, 系统在工作时由CCD相机将采样的数据传输给计算机。然而随着实时获取图像要求的不断提高和图像质量的不断改善, 数据传输速率呈现出显著的增长趋势, 如何保证传输过程的稳定和可靠成为设计中越来越需要重视的问题。常见的数字图像采集系统与计算机的传输接口主要有三种：PCI总线，USB总线，以太网。 （2）图像数据采集模式 ①图像采集卡
图像采集卡是视频采集子系统的重要组成部分，其主要功能是对相机所输出的图像数据进行实时的采集，并提供与PC的高速接口。
软件图像运算处理设备图像输入设备帧存储器图像输出设备控制器图2.3图像采集卡
采集卡与CCD相机间通过点对点物理层接口进行数据传输，高速数据采集卡接收到数据并通过PCI总线将数据写入计算机内存，然后利用采集卡的存储功能将数据通过IDE接口写入计算机硬盘。这种方法虽然简单可靠，但对多通道、高速图像数据的采集在数据传输和存储方面有一定的局限，容易引起数据帧的丢失，并且随着传输通道的增多，引起传输导线数量增加，系统功耗及噪声也随之增大。
②USB视频采集
USB总线即通用串行总线。USB(universal serial bus)是由Intel、ComPaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northem Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外
设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB的最高传输率可达12Mbps，比串口快100倍，比并口快将近10倍，而且USB还能支持多媒体。
在USB系统中，不同类型的USB设备使用相同的接口，因而用户在连接时，不需要考虑连接接口的类型以及接口的硬件电气特性。USB设备具有热插拔、即插即用的特点。用户可以在开机的情况下，对设备进行插拔操作。USB总线带有5V的电源线和地线，USB设备可以从系统总线上获得+5V、小于等于500mA总线供电，因而，在USB设备设计时可选择采用总线供电或外接电源。根据USB系统规范，USB总线上总共可以连接127个USB设备，用户只需直接把设备连接到空闲的USB接口上。由于USB接口不占用系统的I/O口、地址总线和中断向量，当总线上的接口不够时，用户只需通过USB集线器来扩展更多的USB接口即可。
通用串行总线USB数据采集：USB 2.0的理论速度可以达到480Mbps/s，采用USB 2.0能够实现CCD相机的数据高速采集，具有连接方便、无需外接电源、即插即用、支持热插拔、高带宽、低功耗、低成本、动态加载驱动程序，级联星型拓扑结构扩充外设数量等特有优点，在主机和数据采集系统之间可以实现简单、快捷、双向、可靠的连接和通讯。 ③以太网接口
以太网是目前应用最广泛的计算网络技术，在它上面应用的TCP／IP协议也已经发展的比较成熟并得到了广泛的认可。目前10Mbps的以太网已家喻户晓，lOOMbps的快速以太网已开始广泛应用，1000Mbps以太网技术也已逐渐成熟，10Gbps以太网亦即将投入使用。其速率可以满足对带宽有更高要求的需要。
在图像数据传输方面，以太网可以高速传输和存储图像数据，不容易引起数据帧的丢失，系统功耗小等特点可以完全满足系统的实时图像数据处理的要求，同时，由于几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，具有很好的发展前景。因此，如果将以太网引入视频图像存储系统，可以保证通过图像实时记录高速运动目标的运动规律，既而为高速运动目标的运动参数测量、跟踪、制导提供可靠的数据支撑。
在本课题中，由于固定参照物视场变动，相机跟目标一起运动，则需采用高帧率的图像采集设备，才能实时记录目标的运动规律；相应地在图像数据传输方
面，对传输效率和图像存储速度也提出了很高要求。为此课题采用以太网技术实时数据获取方案, 将数据接收的任务交由一台通用PC机来实现, 很好地解决了数据传输问题。该方案具有简便、有效、能适用于各种高速运动目标等优点，有助于目标运动轨迹的精确提取。 2.1.2目标姿态实时获取模块
在目标运动轨迹提取过程中，由于外界环境复杂和目标自身运动引起相机的俯仰角、滚动角以及偏航角变化，相机自身的坐标系轴也发生了相应地变化。此时反应到图像坐标系中角度变化并不是实际的角度变化量，从而使得标定后的相机参数及标定坐标系发生紊乱，影响后续轨迹测算的精度，最终导致空间坐标系转换以及轨迹提取产生误差。此时，很难继续对目标运动轨迹进行精确提取。在图像处理过程中如果知道相机在惯性坐标系下的姿态，将为目标运动轨迹跟踪提供辅助定位信息，从而能有效地提高轨迹提取的精度。但是仅仅通过图像序列之间的相互关系无法精确且实时获取相机的运动姿态。
陀螺仪能感应目标的空间姿态变化，是定姿定向应用中的关键器件。它是一个质量分布均匀的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。在一定的初始条件下，陀螺仪会在不停自传的同时还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位以及运动姿态的仪器。它不仅可以全面地检测到几乎所有的运动参数，而且还有一个极大的优点，陀螺仪是完全自主式的测量方法，它不依赖外部的光线，电磁波，声音，磁场等等的外部信息来测量相机角运动，其工作完全不受自然的和人为的干扰影响。通过陀螺仪能够检测目标运动过程中相对于惯性空间所转动的角度，然后再通过相应的数学模型和空间坐标系的变换得出相机在运动过程中的俯仰角、滚转角以及偏航角，可以避免因为相机坐标系轴的角度变化引起的累积误差，通过陀螺仪实时获取的相机运动位置和姿态，进而提高目标运动轨迹测算的精度。
为此系统在运行过程中，装载陀螺仪，实时获取目标运动姿态的变化，为目标运动轨迹的提取提供可靠的辅助定位。
2.1.3 光照调节模块
在目标运动轨迹提取过程中，外界光线的变化和地面图像本身特征点不明显的各种因素，可能对图像的采集结果产生影响，以至于在后续图像处理过程中的特征点提取、图像匹配以及轨迹提取的精度环节造成较大误差。光照自适应子系统就是借助外光源使得在图像采集过程中获得较为理想的图像。 ①软件调节
曝光是用来计算从景物到达相机光通量大小的物理量，只有使感光芯片CCD获得正确的曝光，才能获得高质量的照片。曝光过度，照片看起来就太亮，即灰度过大；曝光不足，照片看起来就会太暗，即灰度过小。
在实验过程中，由于受外界环境光线变化的影响，往往无法获得满意的曝光效果，使得相机获得的图像灰度大小不一，继而会影响到后续的特征点提取和图像匹配精度。如果可以根据光线或者图像序列灰度均值的变化情况自动调节相机的曝光量，那么就可以达到较为满意的曝光效果。因此在系统中融入自动曝光控制模型。它通过将整幅图像的某一区域的灰度均值与预先设定的参考值比较，来进行CCD相机曝光量的自动控制。
根据实验要求建立数学模型如下：
?T?g(f(x,y))??f(x,y)??u(x,y)?x?i,y?j?M （2.1）
其中T为曝光时间，g(f(x,y))为曝光量调节函数，f(x,y)为灰度均值，
u(x,y)为单个像素灰度值，M为曝光量调节所针对的图像区域像素个数。
具体算法流图如下所示：