一种透过散射介质的目标4D跟踪系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种透过散射介质的目标4D跟踪系统及方法。解决了传统目标跟踪方法无法对遮挡物后的目标进行多维度跟踪的技术问题，系统包括：LED光源、透镜、目标、散射介质、滤光片和探测器。利用4D跟踪方法，首先，采集多幅散斑图像，对所有散斑图像进行消噪预处理，求出所有消噪散斑图像的自相关计算结果，结合相关系数运算算法，得到目标的旋转角度θ。根据自相关面积和物像关系求得目标沿光轴方向z的运动结果。接着根据自相关和互相关结果，求得目标在x和y方向上的运动结果。本发明专利技术的透过散射介质的目标4D跟踪系统结构简单，成本低，跟踪方法简单、跟踪精度高、适用范围广，在生物医学成像、军事、民事等领域具有广阔应用前景。

A target 4D tracking system and method through scattering media

The invention provides a target 4D tracking system and method through a scattering medium. The system includes LED light source, lens, target, scattering medium, filter and detector. Using 4D tracking method, firstly, multi-speckle images are captured, and all speckle images are denoised and pre-processed. Then the autocorrelation results of all denoised speckle images are obtained. Combined with correlation coefficient algorithm, the rotation angle of the target is obtained. The motion results of the target along the optical axis Z are obtained according to the autocorrelation area and object image relationship. Then, based on the results of autocorrelation and cross-correlation, the motion results of targets in X and Y directions are obtained. The target 4D tracking system through scattering medium of the invention has the advantages of simple structure, low cost, simple tracking method, high tracking accuracy and wide application range, and has broad application prospect in biomedical imaging, military, civil and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种透过散射介质的目标4D跟踪系统及方法
本专利技术属于计算成像及目标跟踪
，涉及一种能够对遮挡物背后的目标进行跟踪的4D光学跟踪技术，具体是一种透过散射介质的目标4D跟踪系统及方法，可广泛应用于生物医学成像、天文、交通安全等领域。
技术介绍
目标跟踪技术一直是计算机视觉、生物医学、天文以及对地观测等领域的热点研究话题，采用目标跟踪技术可以对图像序列中的目标进行跟踪，比如，在人机交互设计中，需要对人体目标特征进行跟踪识别、在生物医学领域，对生物组织中某个运动细胞进行跟踪处理、在对地观测领域对车辆、飞机等运动目标进行跟踪等等，根据这些实际需求，出现了很多运动目标跟踪方法。运动目标跟踪方法，即通过目标的有效表达，在图像序列中寻找与目标模板最相似候选目标区位置的过程，即在序列图像中为目标定位。目标跟踪中常用到的目标特性表达主要包括视觉特征图像边缘、轮廓、形状、纹理、区域、统计特征直方图、变换系数特征、傅里叶描绘子、自回归模型、代数特征图像矩阵的奇异值分解等。目前常用的目标跟踪方法可以分为四类：透过主动轮廓的跟踪、透过特征的跟踪、透过区域的跟踪和透过模型的跟踪。由Kass等人提出的主动轮廓模型，即Snake模型，可以处理任意形状物体的任意形变，首先将分割得到的物体边界作为跟踪的初始模板然后确定表征物体真实边界的目标函数，并通过降低目标函数值，使初始轮廓逐渐向物体的真实边界移动。这种方法不但了考虑来自图像的灰度信息，也考虑整体轮廓的几何信息，增强了跟踪的可靠性。但是由于跟踪过程实际上是解的寻优过程，所以计算量比较大，并且由于Snake模型的盲目性，对于快速运动的物体或者形变较大的情况，跟踪效果不够理想。透过特征匹配的跟踪方法不考虑运动目标的整体特征，只通过目标图像的一些显著特征来进行跟踪。目标跟踪中常用的运动目标的特征主要包括颜色、纹理、边缘、块特征、光流特征、周长、面积、质心及角点等。特征提取的目的是进行帧间目标特征的匹配，并以最优匹配来跟踪目标。常见的透过特征匹配的跟踪算法有透过二值化目标图像匹配的跟踪、透过边缘特征匹配或角点特征匹配的跟踪、透过目标灰度特征匹配的跟踪、透过目标颜色特征匹配的跟踪，如Meanshift算法和Camshift等。这种方法对运动目标的尺度、形变和亮度等变化不敏感，即使目标的某一部分被遮挡，只要还有一部分特征可以被看到，就可以完成跟踪任务，但是这种方法对于图像模糊、噪声等比较敏感，图像特征的提取效果也依赖于各种提取算子及其参数的设置，此外，如果目标发生旋转或者被全部遮挡时，这种方法是无法跟踪到目标的。透过区域的跟踪算法首先要得到包含目标的模板，该模板可通过图像分割获得或预先人为确定，然后在序列图像中，运用相关算法跟踪目标。当目标未被遮挡时，这种方法的跟踪精度非常高。但也存在费时，算法要求目标变形不大，且不能有太大遮挡的缺点。透过模型的跟踪是通过一定的先验知识对所跟踪目标建立模型，然后通过匹配跟踪目标进行模型的实时更新。这种方法不易受观测视角的影响，具有较强的鲁棒性，模型匹配跟踪精度高，适合于机动目标的各种运动变化，抗干扰能力强，但由于计算分析复杂、运算速度慢，模型的更新较为复杂，实时性较差。雷达跟踪方法是除了上述透过机器视觉以外的另外一种目标跟踪方法，它能实现对目标的距离、方位和仰角的连续测量和自动跟踪，但是雷达跟踪大多采用机械扫描的方式获取目标信息，跟踪系统较为复杂，且其工作波段易被吸收和干扰、跟踪实时性差、信号处理算法复杂。上述机器视觉中的目标跟踪方法和雷达跟踪方法可以对目标进行跟踪，但是大多存在跟踪精度不高、跟踪系统复杂、实时性差、计算复杂、获取的跟踪目标信息不足以及适用范围较窄的问题，并且当遇到较为严重的遮挡时，上述方法均无法实现目标跟踪，或者跟踪维度不高，然而，在生物医学、军用及民用等领域中常要求透过随机介质或利用随机介质表面的散射光进行对运动目标的跟踪，当目标透过生物组织或者雾、霾等遮挡物之后其原本的视觉轮廓信息几乎全部丢失，导致无法对目标进行跟踪，限制了现有跟踪技术对目标的全面跟踪能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种透过散射介质的目标4D跟踪系统及方法，以实现系统结构简单、易操作、低成本、适用范围广的目标4D跟踪技术，推进计算成像领域中目标跟踪技术的发展。本专利技术首先是一种透过散射介质的目标4D跟踪系统，按照光束传输方向，以下简称沿光轴方向，依次设有光源模块A、目标3、散射介质4、探测模块B；其特征在于：所述光源模块A包括LED光源1和透镜2，LED光源1和透镜2共同构成产生准直的非相干光信号的光源；所述目标3为待跟踪目标，以下简称为目标，设定目标在光轴方向即z轴方向，以及垂直于光轴方向所在的平面，即xoy面的x和y方向上移动，另外，沿角度θ进行旋转，角度θ的基础旋转范围为0°至179°；所述散射介质为强散射介质，用散射介质对目标3的信息进行编码调制，并产生目标编码调制后的散斑图像；所述探测模块B包括有窄带滤波片5和探测器6，窄带滤波片5和探测器6共同用于接收窄带滤波之后的目标的散斑图像。本专利技术还是一种透过散射介质的目标4D跟踪方法，在权利要求1至2中任意的透过散射介质的目标4D跟踪系统上运行，其特征在于：包括有如下步骤：步骤1：搭建透过散射介质的目标4D跟踪系统；步骤2：打开透过散射介质的目标4D跟踪系统的光源模块A中的LED光源，使用探测器连续采集k幅携带目标信息的散斑图像I1(x,y,z,θ)，I2(x,y,z,θ)，...，Ik-1(x,y,z,θ)，Ik(x,y,z,θ)；步骤3：对探测器采集的所有散斑图像进行消噪预处理，去除背景噪声，得到k幅消噪散斑图像步骤4：依次对k幅消噪散斑图像进行自相关操作，得到k幅消噪散斑图像的自相关结果，即步骤5：对目标进行旋转角度跟踪运算：将第2幅至第k幅消噪散斑图像自相关计算结果均与第一幅消噪图像对应的自相关结果进行旋转维度跟踪运算，求得k-1个旋转角度跟踪变化量Δθ1，Δθ2，...，Δθk-1；步骤6：将第2幅至第k幅消噪散斑图像，分别旋转Δθ1，Δθ2，...，Δθk-1，并更新其自相关结果，得到第一次更新后的自相关结果步骤7：根据物像关系，对目标进行沿光轴方向跟踪运算：依次计算第一次更新后的自相关结果的面积，并令第2幅至第k幅消噪散斑图像的自相关的面积分别与第一幅消噪散斑图像的自相关的面积做商，根据物像关系，即可求得沿光轴方向的变化量Δz1，Δz2，...，Δzk-1；步骤8：双三次插值法对自相关面积进行缩放：依次将沿光轴方向变化Δz1，Δz2，...，Δzk-1，结合双三次插值法，依次对第2幅至第k幅消噪散斑图像对应的自相关结果进行缩放，更新得到第二次更新后的自相关结果步骤9：依次对第二次更新后的自相关结果对应的消噪散斑图像与第1个消噪散斑图像做互相关运算，得到互相关计算结果步骤10：根据第二次更新后自相关计算结果和互相关计算结果，结合探测器的像元尺寸，计算目标在xoy平面上沿x和y方向上的变化量(Δx1,Δy1)，(Δx2,Δy2)，…，(Δxk-1,Δyk-1)；步骤11：得到目标4D跟踪结果：根据旋转角度变化量，沿光轴方向目标的变化量，以及xoy平面上沿x和y方向上的变化量，结合所述目标4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种透过散射介质的目标4D跟踪系统，按照光束传输方向，以下简称沿光轴方向，依次有光源模块A、目标3、散射介质4、探测模块B；其特征在于：所述光源模块A包括LED光源1和透镜2，LED光源1和透镜2共同构成产生准直的非相干光信号的光源；所述目标3为待跟踪目标，设定目标在光束传输方向，即z轴方向，以及垂直于光轴方向所在的平面，即xoy面的x方向和y方向移动，另外，目标能够沿角度θ进行旋转，角度θ的基础旋转范围为0°至179°；所述散射介质为强散射介质，介质对所述目标3的信息进行编码调制，并产生编码调制后的散斑图像；所述探测模块B包括有窄带滤波片5和探测器6，窄带滤波片5和探测器6共同用于接收窄带滤波之后的目标的散斑图像。

【技术特征摘要】
1.一种透过散射介质的目标4D跟踪系统，按照光束传输方向，以下简称沿光轴方向，依次有光源模块A、目标3、散射介质4、探测模块B；其特征在于：所述光源模块A包括LED光源1和透镜2，LED光源1和透镜2共同构成产生准直的非相干光信号的光源；所述目标3为待跟踪目标，设定目标在光束传输方向，即z轴方向，以及垂直于光轴方向所在的平面，即xoy面的x方向和y方向移动，另外，目标能够沿角度θ进行旋转，角度θ的基础旋转范围为0°至179°；所述散射介质为强散射介质，介质对所述目标3的信息进行编码调制，并产生编码调制后的散斑图像；所述探测模块B包括有窄带滤波片5和探测器6，窄带滤波片5和探测器6共同用于接收窄带滤波之后的目标的散斑图像。2.根据权利要求1所述透过散射介质的目标4D跟踪系统，其特征在于，所述待跟踪目标由能够在xoy平面移动并旋转产生的图像目标的空间光调制器搭配二维位移平台共同生成，待跟踪目标能够在x、y、z方向进行移动以及沿角度θ进行旋转。3.一种透过散射介质的目标4D跟踪方法，在权利要求1至2中任意的透过散射介质的目标4D跟踪系统上运行，其特征在于：包括有如下步骤：步骤1：搭建透过散射介质的目标4D跟踪系统；步骤2：打开透过散射介质的目标4D跟踪系统的光源模块A中的LED光源，使用探测模块B中的探测器连续采集k幅携带目标信息的散斑图像I1(x,y,z,θ)，I2(x,y,z,θ)，…，Ik-1(x,y,z,θ)，Ik(x,y,z,θ)；步骤3：对探测器采集的所有散斑图像进行消噪预处理，去除背景噪声，得到k幅消噪散斑图像步骤4：依次对k幅消噪散斑图像进行自相关操作，得到k幅消噪散斑图像的自相关结果，即步骤5：对目标进行旋转角度跟踪运算：将第2幅至第k幅消噪散斑图像自相关计算结果均与第一幅消噪图像对应的自相关结果进行旋转角度跟踪运算，求得k-1个旋转角度跟踪变化量Δθ1，Δθ2，…，Δθk-1；步骤6：将第2幅至第k幅消噪散斑图像，分别旋转Δθ1，Δθ2，…，Δθk-1，并更新其自相关结果，得到第一次更新后的自相关结果步骤7：根据物像关系，对目标进行沿光轴方向跟踪运算：依次计算第一次更新后的自相关结果的面积，并令第2幅至第k幅消噪散斑图像第一次更新后的自相关的面积分别与第1幅消噪散斑图像的自相关的面积做商，根据物像关系，即可求得沿光轴方向的变化量Δz1，Δz2，…，Δzk-1；步骤8：双三次插值法对自相关面积进行缩放：依次将沿光轴方向变化Δz1，Δz2，…，Δzk-1，结合双三次插值法，依次对第2幅至第k幅消噪散斑图像对应的自相关结果进行缩放，更新得到第二次更新后的自相关结果步骤9：依次对第二次更新后的自相关结果对应的消噪散斑图像与第1个消噪散斑图像做互相关运算，得到互相关计算结果步骤10：根据第二次更新后自相关计算结果和互相关计算结果，结合探测器的像元尺寸，计算目标在xoy平面上沿x和y方向上的变化量(Δx1,Δy1)，(Δx2,Δy2)，…，(Δxk-1,Δyk-1)；步骤11：得到目标4D跟踪结果：根据旋转角度变化量，沿光轴方向目标的变化量，以及xoy平面上沿x和y方向上的变化量，结合所述目标4D跟踪系统的参数，得到目标的4D跟踪结果4.根据权利要求3所述的目标4D跟踪方法，其特征在于，步骤5中所述的对目标进行旋转角度跟踪运算，具体包括有如下步骤：步骤5a：定标：对步骤4获得的自相关计算结果进行旋转角度跟踪运算时，首先对依次旋转1°至179°，构成数据集步骤5b：求取相关系数：令分别与步骤5a求得的数据集中的作求取相关系数运算；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰涛，王剑南，郭成飞，李伟，孙雪莹，冯蕾，邵晓鹏，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61