功耗低的基于DSP的相关跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种功耗低的基于DSP的相关跟踪方法，本发明专利技术的目标跟踪方法采用基于归一化积相关（NProd）的模板匹配算法与遮挡判定、运动预估相结合的方式，通过Kalman运动预估设置搜索中心，采用基于NProd函数的子模板相关矩阵作为匹配度量，在波门中搜索目标；如果子模板之间的相关度误差满足遮挡条件，则中止模板更新，直接采用运动预估值作为最佳匹配位置，直到目标离开遮挡区域。本发明专利技术可以对存在复杂背景中的、与背景颜色分布相似的、突然出现大面积遮挡的目标进行有效跟踪，体积小、功耗低，适用性强。

【技术实现步骤摘要】
功耗低的基于DSP的相关跟踪方法本申请是申请号：201310309831.2、申请日：2013.07.22、名称：“基于DSP的相关跟踪方法”的分案申请。
本专利技术涉及一种图像处理技术，具体涉及的是一种基于DSP的目标相关跟踪方法及其装置。
技术介绍
基于图像处理的目标跟踪在人机交互、智能视频监控及军事应用等领域具有很多实际应用。但是难点在于如何使跟踪过程具有较强的鲁棒性，因为目标的形状变化及遮挡等情况都会影响跟踪的可靠性。基于模板匹配的相关跟踪方法是目标跟踪中的一种方法，通过自动检测或人工设定得到包含目标的模板图像，然后采用一定的判定准则即匹配度量函数，在搜索图像中找出最佳匹配位置，从而实现对目标的跟踪。相关跟踪方法具有精度高、跟踪稳定且对背景颜色分布不敏感的优点，但是当目标发生形变或者被遮挡时，跟踪精度会降低甚至跟踪失败。通过对模板进行更新，可以在一定程度上抑制目标形变对跟踪的影响，但是每一帧上的微小误差会随着相对运动过程逐渐积累，从而可能导致目标跟踪点偏离原先瞄准中心越来越远，即模板出现漂移。除此以外还需要特别注意当目标进入遮挡时，如果不立即中止模板更新，会导致遮挡物进入模板，从而对后续跟踪造成严重影响。现有的技术系统一般难以应对目标遮挡这种突变干扰，为了更加有效地提高相关跟踪的鲁棒性，可以同时从两个方面开展研究：其一，构造更加鲁棒的匹配度量函数；其二，研究合适的模板更新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用可见光图像对存在复杂背景中的，与背景颜色分布相似的，突然出现大面积遮挡的目标进行跟踪，并可以将跟踪图像传送给监视器实时显示，将跟踪结果实时传输给上位机的基于DSP的相关跟踪方法及专用装置。本专利技术的技术解决方案是：一种基于DSP的相关跟踪方法，包括以下步骤：步骤一：模拟视频信号由摄像机的视频输出端连接到视频捕获模块实现视频信号的输入，输入视频信号通过视频解码器转化为数字图像信号，输入信号为标准视频信号，为PAL制式或者NTSC制式，数字图像信号的输出格式为YUV；步骤二：控制波门位置及大小，手动选择要跟踪的目标，以对应区域的图像亮度信号(Y)建立目标模板，或者根据预先存储的图像数据设定目标模板；步骤三：根据所建立的目标模板在波门内搜索目标，采用基于NProd函数的子模板相关矩阵作为匹配度量计算当前模板与目标模板的相似度，取相似度最高的点作为目标最佳匹配位置；步骤四：根据计算的目标运动轨迹，采用Kalman滤波预估目标在下一帧中的最大可能位置，以该点为中心设置下一帧的搜索波门；步骤五：根据子模板相关度误差进行目标遮挡判断，如果没有遮挡，取当前最佳匹配位置对应图像数据作为候选模板，与当前目标模板共同构造新模板；步骤六：如果判断目标存在遮挡，停止模板更新，取Kalman滤波预估点作为下一帧的最佳匹配位置，并将对应图像数据作为候选模板，通过计算其子模板相关度误差进行目标遮挡判断；步骤七：根据当前帧的目标最佳匹配位置在图像上叠加波门，处理后的数字图像信号输入视频显示模块，通过视频编码器转换为模拟视频信号供给监视器，通过监视器显示当前跟踪情况；步骤八：数据传输模块将图像跟踪模块计算出的目标实时位置、相关匹配中间参量及目标遮挡判断参量等数据通过UART数据传输接口传送给上位机。一种基于DSP的相关跟踪方法及其装置，包括视频捕获模块、图像跟踪模块、视频显示模块以及数据传输模块，其中，摄像机与视频捕获模块相连接，监视器与视频显示模块相连接，上位机通过UART接口与数据传输模块相连接，图像跟踪模块分别与视频捕获模块、视频显示模块及数据传输模块相连接；摄像机将采集的模拟视频信号传送给视频捕获模块，通过视频解码器转换为数字图像信号，传送给图像跟踪模块，图像跟踪模块根据数字图像信号执行相关匹配计算、目标运动预估、目标遮挡判断及模板更新，并将处理后的数字图像信号传送给视频显示模块，将目标跟踪参数传送给数据传输模块，视频显示模块通过视频编码器将数据转换成模拟视频信号传送给监视器，数据传输模块将数据通过UART口传送给上位机。一种基于DSP的相关跟踪方法及其装置，其视频捕获模块包括视频输入接口、视频解码器，视频显示模块包括视频输出接口、视频编码器，图像跟踪模块包括DSP处理器、电源电路、复位电路、时钟电路、同步动态存储SDRAM、非挥发性FLASH内存，数据传输模块包括调试接口、UART接口，其中，DSP处理器分别与电源电路、复位电路、时钟电路、同步动态存储SDRAM、非挥发性FLASH内存、视频解码器、视频编码器、调试接口及UART接口相连接。本专利技术与现有技术相比，具有如下显著优点：(1)本专利技术系统能通过可变波门手动选择目标，也可通过预设目标图像信息自动选择目标；(2)本专利技术系统采用子模板相关度矩阵匹配算法，相对于一般的相关匹配算法，跟踪的鲁棒性有所提高；(3)本专利技术系统采用了基于子模板相关误差的目标遮挡判断算法，可以有效判断目标是否进入遮挡，并结合Kalman滤波运动预估有效提高目标在遮挡情况下的跟踪成功率；(4)本专利技术系统单帧处理时间及CPU负载率满足实时跟踪要求，且体积小、功耗低，适用性强，具有新颖性与实用性。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述附图说明图1是本专利技术基于DSP的相关跟踪装置的结构示意图。图2是本专利技术基于DSP的相关跟踪方法流程图。具体实施方式由图1可知，一种基于DSP的相关跟踪方法及其装置，其装置包括视频捕获模块、图像跟踪模块、视频显示模块以及数据传输模块，其中，摄像机1与视频捕获模块相连接，监视器与视频显示模块相连接，上位机通过UART接口与数据传输模块相连接，图像跟踪模块分别与视频捕获模块、视频显示模块及数据传输模块相连接；摄像机将采集的模拟视频信号传送给视频捕获模块，通过视频解码器转换为数字图像信号，传送给图像跟踪模块，图像跟踪模块根据数字图像信号执行相关匹配计算、目标运动预估、目标遮挡判断及模板更新，并将处理后的数字图像信号传送给视频显示模块，将目标跟踪参数传送给数据传输模块，视频显示模块通过视频编码器将数据转换成模拟视频信号传送给监视器13，数据传输模块将数据通过UART口传送给上位机12。视频捕获模块包括视频输入接口、视频解码器2，视频显示模块包括视频输出接口、视频编码器3，图像跟踪模块包括DSP处理器4、电源电路5、复位电路6、时钟电路7、同步动态存储SDRAM8、非挥发性FLASH内存9，数据传输模块包括调试接口10、UART接口11，其中，DSP处理器分别与电源电路、复位电路、时钟电路、同步动态存储SDRAM、非挥发性FLASH内存、视频解码器、视频编码器、调试接口及UART接口相连接。图像跟踪模块为本系统的核心器件，它对基于可见光模拟视频信号转换而来的数字图像进行处理，计算出目标当前位置，判断目标是否存在遮挡、实现模板更新并在数字图像上叠加波门。本专利技术的DSP处理器选用DM642芯片，视频解码器选用TVP5150视频解码芯片，视频编码器选用SAA7104视频编码芯片。由图2可知，一种基于DSP的相关跟踪方法，包括以下步骤：1.1模拟视频信号由摄像机的视频输出端连接到视频捕获模块实现视频信号的输入，输入视频信号通过视频解码器转化为数字图像信号，输入信号为标准视频信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功耗低的基于DSP的相关跟踪方法，其特征是：包括以下步骤：步骤一：模拟视频信号由摄像机的视频输出端连接到视频捕获模块实现视频信号的输入，输入视频信号通过视频解码器转化为数字图像信号，输入信号为标准视频信号，为PAL制式或者NTSC制式，数字图像信号的输出格式为YUV；步骤二：控制波门位置及大小，手动选择要跟踪的目标，以对应区域的图像亮度信号Y建立目标模板，或者根据预先存储的图像数据设定目标模板；步骤三：根据所建立的目标模板在波门内搜索目标，采用基于NProd函数的子模板相关矩阵作为匹配度量计算当前模板与目标模板的相似度，取相似度最高的点作为目标最佳匹配位置；步骤四：根据计算的目标运动轨迹，采用Kalman滤波预估目标在下一帧中的最大可能位置，以该点为中心设置下一帧的搜索波门；步骤五：根据子模板相关度误差进行目标遮挡判断，如果没有遮挡，取当前最佳匹配位置对应图像数据作为候选模板，与当前目标模板共同构造新模板；步骤六：如果判断目标存在遮挡，停止模板更新，取Kalman滤波预估点作为下一帧的最佳匹配位置，并将对应图像数据作为候选模板，通过计算其子模板相关度误差进行目标遮挡判断；步骤七：根据当前帧的目标最佳匹配位置在图像上叠加波门，处理后的数字图像信号输入视频显示模块，通过视频编码器转换为模拟视频信号供给监视器，通过监视器显示当前跟踪情况；步骤八：数据传输模块将图像跟踪模块计算出的目标实时位置、相关匹配中间参量及目标遮挡判断参量数据通过UART数据传输接口传送给上位机；步骤四中采用Kalman滤波预估目标在下一帧中的最大可能位置，其预估方法为：系统状态Xk包括xsk，ysk以及xvk，yvk，分别为目标在图像X轴与Y轴上的位置与速度；二维观测向量Zk包括xwk，ywk，分别表示匹配算法计算出的目标坐标；根据目标在单位时间间隔内作匀速运动的假设，定义状态转移矩阵Φ、观测矩阵Hk及相互独立的零均值高斯白噪声向量wk，vk的协方差矩阵：Φ=10T0010T00100001]]>Hk=10000100]]>Qk=1000010000100001]]>Rk=1001]]>对滤波器进行初始化，将目标初始位置与速度赋给X0，速度设为0；初始误差协方差P0设为0，同时记录当前时刻；将X0与状态转移矩阵Φ代入状态预测方程，预测当前目标的运动状态将预测的误差记为ΔPk＝wk‑sk；将状态转移矩阵Φ与观测矩阵Hk代入误差协方差预测方程，得到新的误差协方差；以预估的目标坐标为搜索区域中心，当暂时没有得出时先以Xk中的xsk，ysk作为搜索中心；按ΔPk的大小设置搜索波门大小，寻找最佳匹配位置；最佳匹配区域的子图坐标赋给观测向量xwk，ywk，从而得到Zk；代入状态修正方程即可得(xsk+1,ysk+1)；计算滤波器状态增益系数Kk，将Zk代入状态修正方程，得到经观测修正后的状态向量，并计算修正误差协方差方程；搜索波门大小采取如下方式设定：搜索波门宽/高＝2γΔPk+模板图像宽/高其中γ为比例系数，取值范围为1～2。...

【技术特征摘要】
1.一种功耗低的基于DSP的相关跟踪方法，其特征是：包括以下步骤：步骤一：模拟视频信号由摄像机的视频输出端连接到视频捕获模块实现视频信号的输入，输入视频信号通过视频解码器转化为数字图像信号，输入信号为标准视频信号，为PAL制式或者NTSC制式，数字图像信号的输出格式为YUV；步骤二：控制波门位置及大小，手动选择要跟踪的目标，以对应区域的图像亮度信号Y建立目标模板，或者根据预先存储的图像数据设定目标模板；步骤三：根据所建立的目标模板在波门内搜索目标，采用基于NProd函数的子模板相关矩阵作为匹配度量计算当前模板与目标模板的相似度，取相似度最高的点作为目标最佳匹配位置；步骤四：根据计算的目标运动轨迹，采用Kalman滤波预估目标在下一帧中的最大可能位置，以该点为中心设置下一帧的搜索波门；步骤五：根据子模板相关度误差进行目标遮挡判断，如果没有遮挡，取当前最佳匹配位置对应图像数据作为候选模板，与当前目标模板共同构造新模板；步骤六：如果判断目标存在遮挡，停止模板更新，取Kalman滤波预估点作为下一帧的最佳匹配位置，并将对应图像数据作为候选模板，通过计算其子模板相关度误差进行目标遮挡判断；步骤七：根据当前帧的目标最佳匹配位置在图像上叠加波门，处理后的数字图像信号输入视频显示模块，通过视频编码器转换为模拟视频信号供给监视器，通过监视器显示当前跟踪情况；步骤八：数据传输模块将图像跟踪模块计算出的目标实时位置、相关匹配中间参量及目标遮挡判断参量数据通过UART数据传输接口传送给上位机；步骤四中采用Kalman滤波预...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾菊平，徐一鸣，陆观，华亮，陈峰，陈娟，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32