高精度红外图像跟踪器及一种目标快速跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度红外图像跟踪器及一种目标快速跟踪方法，该跟踪器基于可编程逻辑阵列和数字处理芯片为框架，包括实时图像采集处理模块、实时图像存储模块、控制模块FPGA、输出图像存储模块、通信模块、数字处理模块DSP和动态存储模块SDRAM。通过控制模块FPGA采集经A/D转换的目标实时图像，并将该图像通过乒乓技术存于实时图像存储模块中，再由数字处理模块DSP处理后将图像和跟踪位置的信息通过通信模块传输给系统。本发明专利技术跟踪方法包括目标二值标记、快速搜索策略、二值图掩模的自适应模板更新及模板修正等技术，能够提高模板匹配算法的正确率，有效避开虚假目标，减少虚假目标对模板的干扰，具有目标识别与跟踪可靠和对硬件要求低等优点。

【技术实现步骤摘要】
高精度红外图像跟踪器及一种目标快速跟踪方法
本专利技术涉及一种目标跟踪器和一种目标的跟踪识别方法，特别涉及一种制导武器系统精确打击目标的高精度红外图像跟踪器，以及运用该跟踪器进行粗瞄准精确打击目标的跟踪方法。
技术介绍
在精确打击目标的武器系统中，由于环境的影响，如风吹草动、飞鸟树叶的干扰以及光电成像系统抖动等，都会引发噪声，这些噪声在通常的检测方法中都会被确认为打击目标。这些作为干扰的虚假目标，会影响跟踪精度，导致不能精确打击目标。早期跟踪器的算法简单，在进行任务前通常需要按照目标的先验知识进行算法选择以适合所跟踪的目标。同时，由于硬件资源有限，此类跟踪器难以实时完成大靶面的处理及多目标跟踪。此外，由于采用的策略比较简单，其硬件平台效率不够高，仍然难以完成复杂状态变化下目标的稳定跟踪。目前的现有技术中一般采用灰度相关匹配跟踪技术，其具有易于硬件实现和优良的抗噪性能，因而得到广泛的应用。然而在传统灰度相关匹配跟踪中，常会出现累积误差，通常需要在适当时机更换模板才能有效克服累积误差。在模板更新时一般会采用新旧模板简单的加权组合，由于没有区分背景与打击目标而容易导致目标模板被背景杂波(如：目标遮挡等)破坏，可见在杂波背景下传统模板匹配跟踪技术缺乏对目标形变的感知能力，容易使目标漂移出匹配跟踪的模板，最终导致目标跟踪失败。此外，在灰度相关匹配跟踪技术中，打击目标时的匹配速度是一个关键的因素，其影响了跟踪系统的跟踪目标精度，进而影响打击目标精度。然而影响匹配速度的主要因素是计算相关度(即匹配时模板与实时图的相似度)的次数，目前为了提高匹配速度常采用分层策略和改进搜索策略，但现有的这些算法仍旧不能同时满足系统对精度、实时性和低成本的要求。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的是提供一种具有低成本、可靠性高等优点的适用于武器系统精确打击目标的红外图像跟踪器，以及运用该跟踪器进行粗瞄准精确打击目标的跟踪方法。该跟踪方法包括目标二值标记、快速搜索策略、二值图掩模的自适应模板更新及模板修正等技术，能够提高模板匹配算法的正确率，抑制跟踪漂移，实现对目标形变自适应感知且起到快速识别与跟踪作用。本专利技术的技术方案之一：一种高精度红外图像跟踪器，其特征在于，该跟踪器基于可编程逻辑阵列和数字处理芯片为框架，包括实时图像采集处理模块、实时图像存储模块、控制模块FPGA、输出图像存储模块、通信模块、数字处理模块DSP和动态存储模块SDRAM；其中，实时图像采集处理模块包括模数转换模块A/D和可编程逻辑阵列FPGA，实时图像存储模块包括静态存储器SRAM1和SRAM2，输出图像存储模块包括静态存储器SRAM3和SRAM4，控制模块FPGA配置有电源和可擦除存储器EPROM，数字处理模块DSP配置有电源和FLASH，通信模块配置有RS232和RS422通讯串口；所述的可擦除存储器EPROM和FLASH用于存储供芯片运行的程序，所述的动态存储模块SDRAM为数字处理模块DSP运行时提供数据存储。实时图像采集模块通过控制模块FPGA采集经A/D转换的目标实时图像，该图像通过乒乓技术存入实时图像存储模块中，即控制模块FPGA首先采集一帧图像存入实时图像存储模块的SRAM1中，产生图像中断，数字处理模块DSP响应中断，并通过EDMA取走SRAM1中的图像数据进行分析处理，然后把处理后的图像传给输出图像存储模块中的SRAM3，在控制模块FPGA控制下通过D/A视频显示。在数字处理模块DSP产生中断的同时，控制模块FPGA把采集的下一帧图像存入实时图像存储模块中的SRAM2中，当数字处理模块DSP处理分析完此帧数据，控制模块FPGA采集完下一帧图像产生中断时，数字处理模块DSP通过EDMA取走SRAM2中的数据，分析处理完后传给输出图像存储模块中的SRAM4，在控制模块FPGA控制下通过D/A视频显示；如此循环重复上述步骤，数字处理模块DSP处理完一帧图像后将图像和跟踪位置的信息通过通信模块传输给火控系统。进一步地，所述控制模块FPGA在实时图像采集模块采集的实时图像中,粗略选择目标区域存入实时图像存储模块中。进一步地，所述数字处理模块DSP的分析处理，是对存入实时图像存储模块中的目标区域进行二值化处理，并运用八邻域标记法，得到目标区域的真实形心位置；并以该真实形心位置选择与存入实时图像存储模块中的相同大小的目标区域作为原始目标模板图，将原始目标模板图与目标实时图像进行相关匹配，直到获取目标在实时图像中的真实位置。本专利技术的技术方案之二：一种基于上述高精度红外图像跟踪器进行粗瞄准精确打击目标的快速跟踪方法，其特征在于，具体实施步骤如下：步骤一、在采集的实时图像中粗略选择目标区域；步骤二、对步骤一中选择的目标区域进行二值化处理，并运用八邻域标记法，得到目标区域的形心位置，判断是否为目标的真实形心位置；如果是，则以真实形心位置再选择与步骤一相同大小的目标区域作为原始目标模板图；如果否，则重新用步骤一方法选择目标区域，再二值化处理并标记，直到得到目标的真实形心位置；步骤三、将步骤二中所述原始目标模板图与所述目标实时图像进行相关匹配，如果匹配成功，则可得到目标在实时图像中的真实位置，并根据匹配结果进行目标模板更新，转入目标跟踪；如果匹配失败，则进行卡尔曼Kalman或者姿态信息目标预测，重新采集目标实时图像进行目标匹配识别以获取真正目标。进一步地，在对所述目标区域进行目标提取时，采用改进最大类间方差法得到使目标与背景方差最大的灰度值。进一步地，所述目标区域中大于该所述灰度值的灰度为255，反之为0。进一步地，对所述目标区域进行二值化处理后出现的多个连通区域进行八邻域标记来区分真实目标与虚假目标，合并已通过八邻域标记的连通区域，最终选择面积最接近目标所成像素的连通区域，求出此连通区域的形心位置，以此形心位置为基准，再在所述目标实时图像中选择与步骤一中相同大小的区域作为目标区域，此时得到的目标区域即为目标模板图，也就是需要精确打击的目标。进一步地，在步骤三中将目标实时图像与原始目标模板图采用灰度值矩阵表示分别为S(M，N)和T(m，n)，其中M>m，N>n；目标模板T(m，n)在实时图像S(M，N)上平移，模板覆盖下的实时图像的区域为子图Su,v，其中(u，v)是该子图以左上角为原点的坐标，称为参考点，在实时图像参考点上计算一个度量来表征目标模板图和对应子图之间差异程序的大小，称为相关值；相关值越大，则认为目标模板图与对应子图之间相似程度越高，如果相关值大于事先设立的阈值T，则认为匹配成功。进一步地，在步骤三中对原始目标模板图和目标实时图像进行的相关匹配采用改进爬山搜索策略和简化相关度度量方式实现，具体方法为采用均值归一化算法，该算法为：对上式进行简化可得：其中：如果相关值大于设定的阈值T，则认为匹配成功，则可得到目标在实时图像中的位置和相关值，并根据目标模板更新，转入目标跟踪过程，否则利用卡尔曼Kalman或者姿态信息进行目标位置预测，再转入重新采集目标实时图像进行目标跟踪。进一步地，在步骤三中首先对原始目标模板图像进行二值化并进行3×3的膨胀以适应目标小的形变能力，当进行模板更新时，对目标模板二值掩模图非零点本文档来自技高网...

【技术保护点】
高精度红外图像跟踪器，其特征在于，该跟踪器基于可编程逻辑阵列和数字处理芯片为框架，包括实时图像采集处理模块、实时图像存储模块、控制模块FPGA、输出图像存储模块、通信模块、数字处理模块DSP和动态存储模块SDRAM；其中，实时图像采集处理模块包括模数转换模块A/D和可编程逻辑阵列FPGA，实时图像存储模块包括静态存储器SRAM1和SRAM2，输出图像存储模块包括静态存储器SRAM3和SRAM4，控制模块FPGA配置有电源和可擦除存储器EPROM，数字处理模块DSP配置有电源和FLASH，通信模块配置有RS232和RS422通讯串口；所述的可擦除存储器EPROM和FLASH用于存储供芯片运行的程序，所述的动态存储模块SDRAM为数字处理模块DSP运行时提供数据存储；实时图像采集模块通过控制模块FPGA采集经A/D转换的目标实时图像，该图像通过乒乓技术存入实时图像存储模块中，即控制模块FPGA首先采集一帧图像存入实时图像存储模块的SRAM1中，产生图像中断，数字处理模块DSP响应中断，并通过EDMA取走SRAM1中的图像数据进行分析处理，然后把处理后的图像传给输出图像存储模块中的SRAM3，在控制模块FPGA控制下通过D/A视频显示。在数字处理模块DSP产生中断的同时，控制模块FPGA把采集的下一帧图像存入实时图像存储模块中的SRAM2中，当数字处理模块DSP处理分析完此帧数据，控制模块FPGA采集完下一帧图像产生中断时，数字处理模块DSP通过EDMA取走SRAM2中的数据，分析处理完后传给输出图像存储模块中的SRAM4，在控制模块FPGA控制下通过D/A视频显示；如此循环重复上述步骤，数字处理模块DSP处理完一帧图像后将图像和跟踪位置的信息通过通信模块传输给火控系统。...

【技术特征摘要】
1.高精度红外图像跟踪器，其特征在于，该跟踪器基于可编程逻辑阵列和数字处理芯片为框架，包括实时图像采集处理模块、实时图像存储模块、控制模块FPGA、输出图像存储模块、通信模块、数字处理模块DSP和动态存储模块SDRAM；其中，实时图像采集处理模块包括模数转换模块A/D和可编程逻辑阵列FPGA，实时图像存储模块包括静态存储器SRAM1和SRAM2，输出图像存储模块包括静态存储器SRAM3和SRAM4，控制模块FPGA配置有电源和可擦除存储器EPROM，数字处理模块DSP配置有电源和FLASH，通信模块配置有RS232和RS422通讯串口；所述的可擦除存储器EPROM和FLASH用于存储供芯片运行的程序，所述的动态存储模块SDRAM为数字处理模块DSP运行时提供数据存储；实时图像采集模块通过控制模块FPGA采集经A/D转换的目标实时图像，该图像通过乒乓技术存入实时图像存储模块中，即控制模块FPGA首先采集一帧图像存入实时图像存储模块的SRAM1中，产生图像中断，数字处理模块DSP响应中断，并通过EDMA取走SRAM1中的图像数据进行分析处理，然后把处理后的图像传给输出图像存储模块中的SRAM3，在控制模块FPGA控制下通过D/A视频显示。在数字处理模块DSP产生中断的同时，控制模块FPGA把采集的下一帧图像存入实时图像存储模块中的SRAM2中，当数字处理模块DSP处理分析完此帧数据，控制模块FPGA采集完下一帧图像产生中断时，数字处理模块DSP通过EDMA取走SRAM2中的数据，分析处理完后传给输出图像存储模块中的SRAM4，在控制模块FPGA控制下通过D/A视频显示；如此循环重复上述步骤，数字处理模块DSP处理完一帧图像后将图像和跟踪位置的信息通过通信模块传输给火控系统。2.如权利要求1所述的高精度红外图像跟踪器，其特征在于，所述控制模块FPGA在实时图像采集模块采集的实时图像中,粗略选择目标区域存入实时图像存储模块中。3.如权利要求1或2所述的高精度红外图像跟踪器，其特征在于，所述数字处理模块DSP的分析处理，是对存入实时图像存储模块中的目标区域进行二值化处理，并运用八邻域标记法，得到目标区域的真实形心位置；并以该真实形心位置选择与存入实时图像存储模块中的相同大小的目标区域作为原始目标模板图，将原始目标模板图与目标实时图像进行相关匹配，直到获取目标在实时图像中的真实位置。4.一种基于权利要求1所述的高精度红外图像跟踪器的目标快速跟踪方法，其特征在于，具体实施步骤如下：步骤一、在采集的实时图像中粗略选择目标区域；步骤二、对步骤一中选择的目标区域进行二值化处理，并运用八邻域标记法，得到目标区域的形心位置，判断是否为目标的真实形心位置；如果是，则以真实形心位置再选择与步骤一相同大小的目标区域作为原始目标模板图；如果否，则重新用步骤一方法选择目标区域，再二值化处理并标记，直到得到目标的真实形心位置；步骤三、将步骤二中所述原始目标模板图与所述目标实时图像进行相关匹配，如果匹配成功，则可得到目标在实时图像中的真实位置，并根据匹配结果进行目标模板更新，转入目标跟踪；如果匹配失败，则进行卡尔曼Kalman或者姿态信息目标预测，重新采集目标实时图像进行目标匹配识别以获取真正目标。5.如权利要求4所述的目标快速跟踪方法，其特征在于，在对所述目标区域进行目标提取时，采用改进最大类间方差法得到使目标与背景方差最大的灰度值。6.如权利要求5所述的目标快速跟踪方法，其特征在于，所述目标区域中大于该所述灰度值的灰度为255，反之为0。7.如权利要求4所述的目标快速跟踪方法，其特征在于，对所述目标区域进行二值化处理后出现的多个连通区域进行八邻域标记来区分真实目标与虚假目标，合并已通过八邻域标记的连通区域，最终选择面积最接近目标所成像素的连通区域，求出此连通区域的形...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伟，卢鑫，尹逊帅，颜有翔，
申请(专利权)人：湖南华南光电集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43