基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法及系統(tǒng)，該方法步驟為：1）四軸飛行器實(shí)時跟蹤并采集目標(biāo)的圖像，進(jìn)行壓縮后輸出；2）接收視頻壓縮數(shù)據(jù)并進(jìn)行解壓，根據(jù)解壓的圖像數(shù)據(jù)采用TLD算法進(jìn)行目標(biāo)的檢測、跟蹤并獨(dú)立執(zhí)行模板匹配，當(dāng)檢測到目標(biāo)時，輸出檢測到的目標(biāo)位置；3）根據(jù)目標(biāo)位置采用PID算法計(jì)算得到控制參數(shù)并根據(jù)飛行狀態(tài)設(shè)置PID算法中的PID系數(shù)，控制四軸飛行器的動作；該裝置包括：用來實(shí)時跟蹤并采集目標(biāo)的圖像的四軸飛行器、用來進(jìn)行目標(biāo)的檢測與跟蹤的目標(biāo)檢測和跟蹤模塊、用來計(jì)算控制參數(shù)的飛行控制單元。本發(fā)明具有執(zhí)行速度快、跟蹤的準(zhǔn)確性高且能夠進(jìn)行自動搜索和跟蹤目的的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及目標(biāo)檢測與跟蹤【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在執(zhí)行一些特定任務(wù)的過程中，如反恐防暴、航空攝影、交通監(jiān)控、抗災(zāi)救援等，往往需要能夠?qū)μ囟ǖ哪繕?biāo)進(jìn)行自主跟蹤，并將目標(biāo)的有關(guān)信息傳送回指揮中心，利用無人機(jī)和計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自主跟蹤飛行及目標(biāo)的信息反饋，不僅能夠有效減少人員傷亡，還能夠降低對財(cái)力和物力的損耗。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，由于檢測與跟蹤算法以及控制算法的限制，跟蹤的準(zhǔn)確性及跟蹤效率并不高，且對于復(fù)雜情形下目標(biāo)跟蹤的控制精度低。跟蹤目標(biāo)飛行需要解決運(yùn)動目標(biāo)檢測與跟蹤的問題，使得無人飛機(jī)能夠識別并跟蹤車，TLD (Tracking Learning Detection)算法是一個基于追蹤、檢測和學(xué)習(xí)的長時跟蹤目標(biāo)的算法，將檢測器和跟蹤器結(jié)合在一起并且能夠隨時對跟蹤結(jié)果進(jìn)行評估和學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)更好的長時跟蹤，同時TLD算法具備很強(qiáng)的學(xué)習(xí)恢復(fù)能力，具有很強(qiáng)的魯棒性。
[0004]如圖1所示，TLD算法實(shí)現(xiàn)流程，分為三個部分:跟蹤、學(xué)習(xí)及檢測，首先選擇跟蹤目標(biāo)進(jìn)行初始化，對初始化目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)之后進(jìn)行檢測和跟蹤，對檢測與跟蹤的結(jié)果進(jìn)行融合，判斷結(jié)果融合的有效性，如果有效則對跟蹤的目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)，否則繼續(xù)對下一幀圖片進(jìn)行檢測和跟蹤。
[0005]TLD算法中使用光流法進(jìn)行跟蹤，經(jīng)過亮度和尺寸歸一化之后采用模版匹配算法進(jìn)行目標(biāo)檢測。光流法是一個不需要目標(biāo)物的先驗(yàn)信息的遞歸跟蹤器。在模版匹配算法中，將提取出的模板中包含目標(biāo)的作為正模板，背景不含有目標(biāo)的模板作為負(fù)模板，并將正模板與負(fù)模版分開進(jìn)行存儲構(gòu)成待匹配的模板。模板匹配過程為目標(biāo)檢測的基礎(chǔ)，其運(yùn)行過程與目標(biāo)跟蹤相互獨(dú)立。在TLD算法中使用了基于2位二進(jìn)制(2-bit-binary)隨機(jī)蕨算法(random fern classifier)和固定的單模板，目標(biāo)檢測采用級聯(lián)的方法且通過前景檢測、方差過濾、集合分類和模板匹配四個過濾條件來提高檢測速度。
[0006]然而TLD算法在對運(yùn)動的目標(biāo)進(jìn)行檢測時，由于檢測與跟蹤算法計(jì)算量大、執(zhí)行速度低，特別是算法中的目標(biāo)檢測部分為最耗時的部分，模板匹配算法需要進(jìn)行大量的計(jì)算，每個檢測圖像的每個像素點(diǎn)都需要與模板的每個像素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算從而得到匹配結(jié)果，使得TLD算法的運(yùn)行速率低，影響目標(biāo)檢測和跟蹤的準(zhǔn)確性及效率。TLD算法的跟蹤部分則適用于運(yùn)動較慢的目標(biāo)，運(yùn)算的速度越快，目標(biāo)在相鄰幀之間的運(yùn)動距離就越短。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)中，對跟蹤目標(biāo)的飛行器的控制可以采用PID控制器來實(shí)現(xiàn)，PID (比例-積分-微分)控制算法將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控制對象進(jìn)行控制。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，是控制系統(tǒng)中技術(shù)比較成熟，而且是應(yīng)用最廣泛的一種控制器。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)方法簡單、執(zhí)行速度快、跟蹤的準(zhǔn)確性高且能夠進(jìn)行自動搜索和跟蹤的基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法及系統(tǒng)。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為:
[0010]一種基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法，步驟為:
[0011](I)四軸飛行器實(shí)時跟蹤并采集目標(biāo)的圖像，將采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻壓縮后輸出；[0012](2)接收視頻壓縮數(shù)據(jù)并進(jìn)行解壓，根據(jù)解壓的圖像數(shù)據(jù)采用TLD算法進(jìn)行目標(biāo)的檢測、跟蹤，并獨(dú)立執(zhí)行解壓的圖像數(shù)據(jù)與圖像模板的匹配；當(dāng)檢測到目標(biāo)時，輸出檢測到的目標(biāo)位置；
[0013](3)根據(jù)檢測得到的目標(biāo)位置采用PID算法計(jì)算得到控制參數(shù)，并根據(jù)四軸飛行器的飛行狀態(tài)設(shè)置PID算法中的PID系數(shù)，由控制參數(shù)控制四軸飛行器執(zhí)行相應(yīng)的飛行動作。
[0014]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(1)中視頻壓縮采用P264格式。
[0015]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(2)中TLD算法采用簡化的過濾條件，所述簡化的過濾條件為方差過濾和集合分類。
[0016]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述方差過濾的具體實(shí)現(xiàn)方法為:采用方差最小值過濾條件對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后，濾除方差大于目標(biāo)窗口方差的2倍的子窗口。
[0017]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(2)中解壓的圖像數(shù)據(jù)與圖像模板的匹配采用FPGA執(zhí)行。
[0018]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(3)中采用PID算法計(jì)算控制參數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法為:輸入一幀圖像中目標(biāo)(I)的中心像素點(diǎn)位置與圖像的中心像素點(diǎn)位置之間的比較結(jié)果，并將上一幀圖像中目標(biāo)(I)的中心像素點(diǎn)位置與圖像中心像素點(diǎn)位置之間的比較結(jié)果作為反饋輸入，按照下式計(jì)算得到控制參數(shù)；
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，步驟為: (I)四軸飛行器(2)實(shí)時跟蹤并采集目標(biāo)(I)的圖像，將采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻壓縮后輸出； (2)接收視頻壓縮數(shù)據(jù)并進(jìn)行解壓，根據(jù)解壓的圖像數(shù)據(jù)采用TLD算法進(jìn)行目標(biāo)(I)的檢測、跟蹤，并獨(dú)立執(zhí)行解壓的圖像數(shù)據(jù)與圖像模板的匹配；當(dāng)檢測到目標(biāo)(I)時，輸出檢測到的目標(biāo)位置； (3)根據(jù)檢測得到的目標(biāo)位置采用PID算法計(jì)算得到控制參數(shù)，并根據(jù)四軸飛行器(2)的飛行狀態(tài)設(shè)置PID算法中的PID系數(shù)，由控制參數(shù)控制四軸飛行器(2)執(zhí)行相應(yīng)的飛行動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述步驟(1)中視頻壓縮采用P264格式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述步驟(2)中TLD算法采用簡化的過濾條件，所述簡化的過濾條件為方差過濾和集合分類。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述方差過濾的具體實(shí)現(xiàn)方法為:采用方差最小值過濾條件對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后，濾除方差大于目標(biāo)窗口方差的2倍的子窗口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于:所述步驟(2)中解壓的圖像數(shù)據(jù)與圖像模板的匹配采用FPGA執(zhí)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~5任意一項(xiàng)所述的基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述步驟(3)中采用PID算法計(jì)算控制參數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法為:輸入一幀圖像中目標(biāo)(I)的中心像素點(diǎn)位置與圖像的中心像素點(diǎn)位置之間的比較結(jié)果，并將上一幀圖像中目標(biāo)(I)的中心像素點(diǎn)位置與圖像中心像素點(diǎn)位置之間的比較結(jié)果作為反饋輸入，得到當(dāng)前四軸飛行器(2)的加速度并作為控制四軸飛行器(2)飛行的控制參數(shù)，計(jì)算公式如下式所示；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述步驟(3)的具體實(shí)現(xiàn)方法為: (3.1)根據(jù)目標(biāo)(I)是否被四軸飛行器(2)跟蹤到判斷四軸飛行器(2)的飛行狀態(tài)，若目標(biāo)(I)持續(xù)被跟蹤達(dá)到多次時，判斷四軸飛行器(2)為持續(xù)跟蹤目標(biāo)狀態(tài)；若目標(biāo)(I)沒有被跟蹤到時，判斷四軸飛行器(2)為自動搜索目標(biāo)狀態(tài)；若目標(biāo)(I)沒有被跟蹤到后重新被跟蹤到時，判斷四軸飛行器(2)為重新跟蹤到狀態(tài)； (3.2)根據(jù)四軸飛行器(2)的飛行狀態(tài)，選擇與飛行狀態(tài)對應(yīng)的預(yù)設(shè)PID系數(shù)并采用PID算法計(jì)算得到控制參數(shù)，由控制參數(shù)控制四軸飛行器(2)執(zhí)行相應(yīng)的飛行動作。
8.一種基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，包括: 四軸飛行器(2)，用來實(shí)時跟蹤目標(biāo)(I)并采集目標(biāo)(I)的圖像數(shù)據(jù)，將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻壓縮后輸出至目標(biāo)檢測和跟蹤模塊(3)并根據(jù)飛行控制模塊(4)輸出的控制指令控制執(zhí)行相應(yīng)的飛行動作； 目標(biāo)檢測和跟蹤模塊(3)，包括視頻解壓單元(31)、檢測跟蹤單元(32)和模板匹配單元(33)，所述視頻解壓單元(31)接收四軸飛行器(2)輸出的圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行解壓，輸出至檢測跟蹤單元(32);所述檢測跟蹤單元(32)根據(jù)解壓的圖像數(shù)據(jù)采用TLD算法進(jìn)行目標(biāo)(I)的檢測、跟蹤，當(dāng)檢測到目標(biāo)(I)時，輸出目標(biāo)(I)的位置；模板匹配單元(33)獨(dú)立執(zhí)行解壓的圖像數(shù)據(jù)與圖像模板的匹配； 飛行控制模塊(4),包括控制參數(shù)計(jì)算單元(41)以及參數(shù)調(diào)整單元(42),所述控制參數(shù)計(jì)算單元(41)輸入目標(biāo)檢測和跟蹤模塊(3)輸出的目標(biāo)位置，采用PID算法計(jì)算得到控制參數(shù)，輸出相應(yīng)的控制指令至四軸飛行器(2);參數(shù)調(diào)整單元(42)根據(jù)四軸飛行器(2)的飛行狀態(tài)對PID算法的PID系數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述四軸飛行器(2)米用ARDrone四軸飛行器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于四軸飛行器的便攜式目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述目標(biāo)檢測和跟蹤模塊(3)和飛行控制模塊(4)采用Intel Atom E6x5c嵌入式工控機(jī)。
【文檔編號】G05B13/04GK103838244SQ201410105284
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】徐成, 李濤, 張寧, 殷素, 肖雄仁, 鄒漢錚, 汪夢珍, 曹婷, 周佳 申請人:湖南大學(xué)