电视粗跟条件判断算法的设计与应用

金朋飞，石 川，张 杨

(1.军械工程学院，河北 石家庄 050000;2.解放军63880部队，河南 洛阳 471003)

1 电视跟踪系统研究现状与发展趋势

电视跟踪是把计算科学、图像处理、人工智能、自动控制、信息科学有机地结合起来，利用可见光或红外成像器材摄取目标的视频图像信号，通过计算机计算分析，从图像信号中自动识别目标［1］，并提取出目标位置信息，通过自动控制自动跟踪目标运动的技术［2］，可分为粗跟和精跟两个过程。电视跟踪系统是具有一定人工智能的图像跟踪装置，它能在比较复杂的背景下按照标准电视制式，逐场提取与分离视场内的运动目标，提取目标亮度与结构特征，测定目标中心相对转台视轴的方位与俯仰角差，该跟踪角误差信息经变换后传送到转台的伺服系统，驱动转台运动以保证被跟踪目标始终处于成像传感器的视场中心，实现对指定目标的实时自动跟踪［3］。

20世纪60年代初，电视跟踪系统开始研制，并随着微电子和计算机技术的发展在导弹制导、火炮控制、光学武器系统的领域得到了广泛的应用。现代电视跟踪系统以微处理机为基础，采用计算机图像处理与模式识别技术，利用成像控制实现多种功能，且能处理复杂背景下多目标的识别和跟踪，具有很大的灵活性，适用于多种环境条件［4］。

电视跟踪领域研究主要集中在以下几个方面:

(1)CCD、微处理器等硬件设备在电视跟踪系统中的应用研究［5］。

(2)智能跟踪器是电视和红外成像跟踪的主要发展方向［6］。

(3)目标跟踪系统算法［7］的研究是电视跟踪技术研究的关键技术。不同的跟踪算法适用于不同的应用背景，跟踪算法的优劣直接关系到跟踪效果的好坏［8］。

本文主要针对电视跟踪中粗跟过程，进行跟踪算法设计，并将其应用于某设备的研制中，达到了良好的应用效果。

2 电视粗跟条件判断算法

下面将结合电视粗跟踪设备对电视粗跟条件判断算法进行介绍。

2.1 参数描述

2.1.1 输入参数

(1)TI:目标ID。

(2)转台当前位置方位:AP;俯仰:EP。

(3)CAT:当前剧情绝对时间，包括年、月、日、时、分、秒。

(4)MP:设备当前位置，大地坐标包括经、纬度和高度。

2.1.2 已知条件

(1)用户级空情剧情表，从中获取TI目标对应的下列参数:

AZ:目标方位角，单位为deg;

EL:目标俯仰角，单位为deg;

R:目标距离，单位为m;

Type:目标类型;

Model:目标型号;

DetA:目标观测姿态航向角，单位为deg;

DetE:目标观测姿态俯仰角，单位为deg;

AZVelo:目标方位角速度，单位为deg/s;

ELVelo:目标俯仰角速度，单位为deg/s。

(2)所保障设备参数:

如电视跟踪为武器提供引导，则武器系统的相关参数如下:

MT:最大保精度跟踪角速度(方位);

ET:最大保精度跟踪角速度(俯仰)。

表1 电视粗跟踪设备有关参数表

(3)目标特性数据子库。

本算法需要根据Model值以及目标特性数据子库字段值，获取该型目标的目标可见光特性数据表VISI(Aj)和目标几何投影面积数据表TargetArea(Det_Aj，Det_Ek)，以及目标可见光特性数据表对应的起止波长 (μm)IniWaveLen1、终止波长 (μm)End-WaveLen1。

(4)可见光波段大气路径透过率数据表。

不同时间段(不同时间段气象条件不同)有不同的可见光波段大气路径透过率数据表，本算法从中获取当前时间段(气象条件下)的可见光波段大气路径透过率数据表IRVISTran(Ej，Rk)。

(5)天空背景可见光亮度数据表。

不同时间段(不同时间段气象条件不同)有不同的天空背景可见光亮度数据表，本算法从中获取当前时间段(气象条件下)的天空背景可见光亮度数据表VISB_rad(Ej，Ak)，以及对应的起止波长(μm)Ini-WaveLen2、终止波长(μm)EndWaveLen2。

2.1.3 调节参数

AT:目标成像像素规模阈值，小于阈值时，粗电视不能跟踪或捕获目标。

2.1.4 中间变量

(1)TVMCD:目标背景调制对比度，初始化0;

(2)TIA:目标成像象素规模，初始化0。

2.1.5 输出参数

是否符合粗跟踪条件，1为是，0为否。

2.2 算法描述

当同时满足下列6个条件时，符合粗跟条件，输出F值为1;否则，任何一个条件不满足时，为不符合粗跟条件，输出F值为0。

条件1 目标处于粗跟电视工作盲距和粗跟电视最大可能作用距离之间;

条件2 目标位于粗跟电视捕获视场内;

条件3 目标视线角速度不大于设备最大保精度跟踪角速度［9］;条件4 目标视线位于太阳/月亮探测盲区外;条件5 目标成像像素规模不小于粗跟电视目标成像像素规模阈值;

条件6 目标背景调制对比度不小于粗跟电视调制对比度阈值［10］。

下面给出每个条件下的判断算法。

1.条件1的判断算法:

当R≥MiR，且R≤MaR时，条件1逻辑结果为真。2.条件2的判断算法:

当 Fabs(AZ-AP)≤AR*ACF/2，且 Fabs(EL-EP)≤AR*ECF/ARa/2时，条件2逻辑结果为真。

3.条件3的判断算法:

当 fabs(AZVelo)≤MT，且 fabs(ELVelo)≤ET 时，条件3逻辑结果为真。

4.条件4的判断算法:

(1)根据CAT和MP计算太阳/月亮视线方位、俯仰角;

(2)计算目标视线与太阳/月亮视线方位、俯仰夹角:

(3)判断:

①为太阳情况:

当fabs(方位夹角)＞ASB，或者fabs(俯仰夹角)＞ESB时，条件4逻辑结果为真。

②为月亮情况:

当fabs(方位夹角)＞AMB，或者fabs(俯仰夹角)＞EMB时，条件4逻辑结果为真。

5.条件5的判断算法:

(1)目标成像像素规模TIA计算。

根据DetA、DetE，查目标几何投影面积数据表TargetArea(Det_Aj，Det_Ek)，得到目标几何投影面积为:TargetArea(DetA_lim，DetE_lim)，其中(DetA_lim，DetE_lim)为(Det_Aj，Det_Ek)中最接近(DetA，DetE)的元素。

(2)判断:

TIA≥AT或(AT==1)时，条件5逻辑结果为真。

6.条件6的判断算法:

(1)目标背景调制对比度TVMCD计算［11］。

①目标可见光亮度计算［12］。

根据AZ和目标可见光特性数据表VISI(Aj)，得到目标可见光亮度为:

其中 AZ ∈［Aj1，Aj2］。

②天空背景可见光亮度计算［13］。

根据 AZ、EL和天空背景可见光亮度数据表VISB_rad(Ej，Ak)，得到天空背景可见光亮度为:

其中(AZ_lim，EL_lim)为(Ej，Ak)中最接近(AZ，EL)的元素。

③大气路径透过率计算［14］。

根据EL、R和可见光波段大气路径透过率数据表IRVISTran(Ej，Rk)，得到大气路径透过率为:

其中(EL_lim，R_lim)为(Ej，Rk)中最接近(EL，R)的元素。

④TVMCD计算。

当R＞5000m时:

TVMCD=目标可见光亮度*大气路径透过率/天空背景可见光亮度

当R≤5000m时:

TVMCD=(fabs(目标可见光亮度*大气路径透过率－天空背景可见光亮度))/天空背景可见光亮度

(2)判断:

TVMCD≥MCU时，条件6逻辑结果为真。

2.3 判定算法处理流程

结合以上提出的电视粗跟踪判断算法，粗跟踪保持判断算法流程如图1所示。

图1 粗跟保持判断算法流程图

系统搜索目标，发现目标后，实时进行粗跟条件判定，根据跟踪目标运动的真值位置和运动速度等必要条件，运用粗跟条件判断算法，判断是否跟踪。若判断结果为真值，则跟踪目标并实时进行跟踪条件判定;若判断结果为假值，则系统停止对目标跟踪，回到搜索状态，继续搜索目标。

图2 发现飞鸟

3 应用实例

电视粗跟条件判断算法已在实际设备研制中得到应用，图2所示为设备发现飞鸟。设备在起始时刻发现飞鸟，通过电视粗跟条件判断算法实时判断飞鸟运动状态，并在符合跟踪条件的情况下对飞鸟的运动进行实时跟踪。

电视跟踪系统对飞鸟跟踪的同时，实时进行跟踪条件判断，符合跟踪条件则继续跟踪，不符合跟踪条件时，放弃跟踪，回到搜索状态，图3为跟踪飞鸟飞行图像。

图3 跟踪飞鸟

4 结束语

本文结合实际应用提出了电视粗跟条件判断算法，完成了电视跟踪系统目标筛选，满足配套设备的目标跟踪需求。通过在实际设备上的应用，验证了算法良好的可用性。

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