空间轨迹追踪研究现状及发展趋势

朱振朋陈洪波冯 涛高 青刘 喻

（1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西 桂林 541004）

空间轨迹追踪研究现状及发展趋势

朱振朋1,2陈洪波2冯 涛1,2高 青1,2刘 喻1,2

（1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西 桂林 541004）

文章从轨迹跟踪概念入手，介绍了空间轨迹跟踪技术应用领域，同时对基于传感器、网络、视频、光学检测方法的空间轨迹跟踪技术原理与研究进展进行了总结，对不同的方法进行了分析与讨论，最后对空间轨迹跟踪的发展趋势进行了展望。

轨迹跟踪；研究现状；发展趋势

1 研究背景

随着计算机科学的不断发展，人机交互技术越来越受到人们的重视，空间定位与运动轨迹追踪系统将作为动作检测与输入设备被广泛应用于虚拟现实人机交互领域。目前，用于虚拟现实人机交互过程的空间定位与轨迹追踪系统主要有磁追踪系统、激光追踪系统和基于三维计算机视觉的定位系统。

运动轨迹是指由物体从开始位置到结束位置所经过的路线而组成动作的空间特征。轨迹的形态（即表现形式）有直线的、曲线的、抛物线的三种。

2 空间轨迹跟踪的应用领域

随着科技发展，轨迹跟踪技术越来越先进，同时也展现出了很大的应用前景[1]，在一些领域有着无法取代的作用。比如机器人运动跟踪、摄像机运动轨迹跟踪、矿井人员位置跟踪、船舶运动跟踪、医疗器械等。

机器人运动轨迹跟踪。在移动机器人领域，实现机器人运动轨迹跟踪可以通过利用超声波定位原理[2-3]，声达时间差原理[4]等方法。超声波定位原理是利用基于到达时间和到达时间差的两种算法进行了分析研究，利用时间差来测距，当获得3个或者3个以上的距离值时，可以根据三边测量法等方法确定坐标。声达时间差原理是利用正四面体麦克风阵列，并通过数据采集器将其所采集的声音信息传递给机器人，设计实现了完整的机器人听觉系统，根据正四面体阵列结构和声音球面波传播模型，建立精确的几何定位计算模型，在此基础上推导出基于远场假设的声源定位计算模型，提出了一种结合机器人主动运动的全范围声源定位方法。关于针对机器人的轨迹的优化和抗干扰提高精度方面也成为一个研究的热点，比如基于DMOC的轨迹优化及最优控制方法[5]和基于数据扩展自抗扰控制器的飞行机器人模型翼伞轨迹跟踪控制[6]。此外，在工业机器人领域，对机器人的轨迹分析也是一项必不可少的内容，比如控制焊接机器人的机械手臂轨迹的研究[7]。

摄像机运动轨迹跟踪[8-10]。摄像机运动轨迹跟踪技术在影视制作中的应用主要是对真人拍摄场景与数字技术制作的三维特效进行完美合成，以此提高影视作品的质量。摄像机运动轨迹跟踪技术的生成原理主要是利用计算机对二维画面的像素进行检测，对其画面中的元素进行运动分析，对拍摄实物在虚拟的三维坐标中进行准确定位，以此通过三维虚拟场景得到原始拍摄实物的运动轨迹。经过运算得出摄影机原始的运动轨迹，当三维画面需要与实拍画面进行技术合成时，使虚拟摄像机与实拍摄像机共同运作，这样合成景物的运动跟拍就更加和谐、自然。

矿井人员位置跟踪。矿井由于矿井作业环境特殊复杂，矿难事故频繁发生，导致其安全生产备受关注。矿井人员定位系统，及时掌握井下作业人员的活动情况，方便对井下人员、设备进行合理调度，为灾后人员搜救工作提供有力依据，具有一定的现实意义。目前矿井跟踪技术主要是通过无线网络[11]包括基于RFID技术[12-13]、基于WiFi技术[14-15]、ZigBee无线网络[16-17]，其原理是利用采用无线通信技术来设计人员定位系统，即工作人员佩戴小型无线通讯模块节点作为移动点，矿井通道设置固定点，移动点将信号发送到固定点，然后通过固定点传回监控中心。

汽车船舶等交通工具运动轨迹跟踪。轨迹跟踪定位技术的船舶定位系统[18]就是基于32位RISC处理器的嵌入式技术，利用高性能处理器来设计一个用于小型船舶定位系统的通信终端，基于GPS、SOTDMA通信技术实现小型船舶定位系统通信终端。针对海上环境复杂多变，Yang等[19]提出相应的抗干扰跟踪措施来保证船舶运动轨迹的正常定位。

在医学领域的应用。轨迹跟踪技术用于临床手术的应用[20]，如采用微小传感器线圈跟踪测量医用级别金属器件的技术，实现了在遮挡的情况进行精准实时的空间三维测量。将NDI Aurora电磁跟踪系统的探针与内窥镜安在一起，通过内窥镜的导管及导丝，系统的界面上可以实时得到前端在人体体内的实时形态，可指导肠镜的操作提高诊治成功率。利用动态X线影像技术和高精度光学三维跟踪技术[21]测量膝关节置换前后的三维运动学参数来研究膝关节损伤机理和评估术后重建效果，也是一个典型的研究案例。

轨迹跟踪技术不仅可以用于实物跟踪也可用于对时空信号的跟踪，Mingyu等[22]就是将跟踪技术应用于时空领域的一个典型的案例。

3 轨迹追踪主要方法

3.1基于传感器的空间运动轨迹跟踪

基于加速度传感器的二次积分的方法[23-26]是通过加速度传感器确定目标物体运动路线，依据加速度积分计算原理和坐标变换方法，利用高精度三轴MEMS加速度传感器和陀螺仪设计了一套新的三维空间自由定位与轨迹追踪系统。其主要的原理为基于数学物理原理，通过对移动物体的运动加速度二重积分可求得物体的运动位移。该追踪模型中，我们使用加速度传感器高频率不断检测目标物体的实时三维运动加速度，同时分别对三组加速度数据进行积分运算，求得被追踪目标物体的瞬时运动速度与累计空间运动轨迹。因为在传感器的运行过程中需要考虑空间翻滚等状况，所以需要陀螺仪测量运动状态下旋转的角速度来计算空间偏移量，利用旋转矩阵的方法将陀螺仪输出的角速度值转换到地理坐标系中。

基于加速度传感器计算角度和位移传感器计算位移的方法[27-28]通过加速度传感器和位移传感器确定物体的运动姿态，利用加速度信号矢量幅值的信息熵负值判断人体是处于何种动作状态。将得到的静态动作的三轴加速度信号分别校准后，求取每帧信号的幅值均值，并计算与重力加速度方向的夹角，用以确定身体姿态信息。通过得出的角度来判断当前某个部位的运动轨迹，此方式并没有计算运动的位移只是用来确定物体上下左右的轨迹的判定，既可以用来判定人体或物体的运动趋势，位移传感器能直观测量物体的位移量，因此再结合位移传感器获取位移量即可得出空间的运动轨迹。

基于位移传感器测量三轴位移量实现跟踪轨迹的方法[29]是利用位移传感器监测三个方向的位移量，测出三个方向的位移量之后采用MATLAB经过数据处理可以得出空间运行轨迹。传感器在坐标系 XYZ中的坐标分别为:S1(P,0,0)、S2(0,-a/2,H)、S3(0,a/2,H)，测量时将3个传感器的拉线端拉至受试者N点处，并固定N点到传感器S1、S2、S3的距离分别为l1、l2、l3，通过数据采集卡采集整个过程中3个传感器的输出值，即l1、l2、l3，通过计算可以得到任意时刻N点的坐标(xN,yN,zN)。

当前微型仪器的利用已经非常广泛，基于传感器的追踪系统具有灵敏度高，价格低，易于控制的特点，加速度传感器在运动方面的也得到广泛使用。

3.2基于网络的移动物体轨迹定位追踪系统

基于网络的移动物体轨迹定位追踪系统是指基于无线传感器网络定位技术，并在此基础上实现了一个轨迹追踪系统。

基于ZIGBEE无线传感器网络的移动物体轨迹追踪的方法[30-32]是一种基于RSSI方法和CC2431的定位引擎对移动物体进行定位。采用的无线传感器为ZIGBEE。传感器节点定位过程中,未知节点在获得对于临近信标节点的距离,或获得临近的信标节点与未知节点之间的相对角度后,通常使用三边测量法和三角测量法方法计算自己的位置。距离相关定位算法也称为基于测距的定位算法,其主要通过测量节点间的实际距离或角度方位对未知节点进行定位的一种算法,较常用的距离相关定位算法有如下几种：基于到达时间(TOA)的定位算法，基于到达时间差(TDOA)的定位算法，基于到达角度(AOA)的定位算法，基于接收信号强度指示(RSSI)的定位算法。

基于超声波网络的定位轨迹跟踪[33-35]采用一个主测距器和若干个应答器组成定位系统。先利用射频信号激活应答器然后接受超声波信号，利用时间差来测距，当获得3个或者3个以上的距离值时，可以根据三边测量法等方法确定坐标。

3.3基于视频的轨迹跟踪

基于视频的轨迹跟踪是指在某区域安装视频摄像头，通过摄像头采集人体或者物体的运动图像，然后通过视频图像分析的方法，实现轨迹跟踪。

基于人体形状分析的检测方法[36-37]通过摄像头获得视频人体形状的描述信息，使用能够表征人体运动轨迹特征的形状上下文(Shape Context)来匹配人体当前的身体运动轨迹，进而分析的方法来判断人体的运动轨迹。

基于头部运动轨迹的检测方法[38-40]利用人体运动过程中头部运动速度特征较为明显的特点，提出了基于头部运动轨迹的检测系统，即通过摄像头采集人体图像，并定位头部位置，计算头部运动速度，以头部运动速度为依据，确定人体头部的运动轨迹。

基于视频的轨迹跟踪系统适用于狭小局限的空间，不需要与物体或者人体进行直接的接触，检测准确率高。但是这种监测系统存在很大的局限性，比如在昏暗的天气下画质影响较大；存在无法拍摄的角度，加入被监测者超出摄像头的范围时，系统就无法获得其活动数据；而且容易侵犯被监测者的隐私安全。

3.4基于光学跟踪技术

光学跟踪技术是指利用光学测量和成像原理，测量、记录目标的运动轨迹、姿态、运动中发生的事件，以及目标的红外辐射和视觉（可见光）特征。物体或其他活动目标，利用其本身发射出的光学或准光学(红外)辐射,是能够识别出来的通过辐射搜索装置,就可沿目标的轨迹进行自动跟踪，或沿预定路程进行遥控这些目标。

光学跟踪系统根据成像的光源不同可分为可见光波段成像，根据光学标靶作为跟踪对象的不同可分为主动式反射和被动式反射标靶。可见光波段成像系统是应用最广泛的成像系统使用方便、价格低廉；并且由于其“可见”性，因此，适合人类肉眼观测评估。近红外波段光学定位跟踪系统抗干扰能力更强。前者主要应用于手术导航和机器人辅助手术领域；后者则主要应用于运动捕捉和工业测量等领域。主要跟踪技术有多视角光学定位[41]，基于主动视觉的大空间坐标测量关键技术研究[42]，基于视觉定位跟踪的大型机械部件数字化对接关键技术研究[43]，光学跟踪方法的三维数据拼接[44]。在光学跟踪系统中可使用带可见光或近红外的测光棒，或者采用主动（无需近红外照明系统提供光源环境）和被动反射式（需近红外照明系统提供光源环境）光学标靶作为定位跟踪对象，采用两个或者两个以上摄像机在同一时刻拍摄跟踪目标，扑捉目标运动轨迹，通过提取摄像机图像间对应特征点，计算物体空间位置和姿态点。

光学跟踪技术可达到的精度非常高，人们也在不断提高跟踪的精度，在光学相干断层扫描高度精确的光学跟踪系统[45]其精度达到了22.8±14.9μM全面跟踪精度（平均绝对误差）和 27.2μ米（平方）平均根，光学跟踪系统的感光设备是多种多样的，从普通摄像机到光敏二极管都有。光源也是多样的，可以是受跟踪器控制发的光。但是光学跟踪系统的主要缺点是受实现阻挡的限制，如果目标被其他物体挡住，光学系统就无法工作。另外他常常不能提供角度的数据，最后一个问题就是价格昂贵，一般只在军用系统中使用。

3.5基于电磁跟踪系统

基于空间定位的电磁跟踪系统[46-48]是电磁跟踪系统是利用低频电磁场的发射和接收来跟踪定位，磁场信号由发射器产生，接收器感应，其中接收器的感应电流强度和其距发射器的距离和角度值有关，通过电磁学计算，我们就可以从感应电流中计算出接收器相对于发射器的角度和距离。电磁跟踪系统主要由发射接收DSP单元等组成，发射或者接收器固定一个，在磁场空间移动另外一个，通过对接收的信号的测量和处理，计算出气相对空间位置（XYZ笛卡尔坐标）和方位值（偏行角、俯仰角、滚动角）。

电磁跟踪系统的突出优点就是不受时限阻挡的限制，除了导电体或导磁体外没有什么能够遮挡住电磁跟踪系统的跟踪。电磁场的空间追踪系统具有测量过程易受外界基准参考系制约的缺点，易受干扰，对金属敏感，而且因为磁场强度会随着距离增加而减弱，所以它只能适合小范围的工作。

4 轨迹跟踪系统的发展趋势

轨迹跟踪技术作为一种位置定位跟踪的方法，无论是人们的工作生活和进行科学研究，轨迹跟踪对于研究物体运动的形态以及位置是非常必要的，轨迹跟踪设备由早期的依靠人们的双目进行直观的定位跟踪定位到利用仪器进行位置跟踪。而随着光学技术、电磁学技术、声学、图像处理以及微型仪器技术的发展，轨迹跟踪技术在专业领域有着不可替代的作用，比如，依赖于GPS卫星进行导航的汽车轮船等等以及通过导航雷达的飞机航行轨迹的跟踪。利用光学原理进行天文观测，观察天体的运动轨迹。光学跟踪系统是通过光传输的原理，光的传输速度极快因此其精度准，在军用系统和天文航天中使用较为普遍。电磁跟踪系统在某些专业领域有着不可替代的作用。比如，医疗系统中的电子胶囊式内窥镜，利用放射性的同位素轨迹跟踪检测人体脏器的形态位置功能等等。基于MEMS微型传感器的轨迹跟踪也是当前研究的一大热点，使用微型传感器实现轨迹跟踪将是未来的一个大趋势。当前微型仪器发展迅速，随着微电子机械技术、网络技术和人工智能化技术的快速发展，仪器的发展面向微型化、网络化以及便携式方向，微型仪器的智能化、高集成度和大批量商业化生产使其在以后的市场空间占有更大的优势。例如智能手机的动作感应的GUI就是依靠手机中植入的微型陀螺仪芯片获取手机的姿态。近些年来，生物医疗电子产业之所以能够如此火热成为一个新兴的具有广阔前景的产业就是依赖于为生物MEMS系统的快速发展。轨迹跟踪技术根据其不同的操作环境以及原理在各个领域发挥着越来越重要的作用，不断提升其更快的速度以及更高的精确度是当前轨迹跟踪技术的一个趋势。

5 总结

上述各种跟踪技术中，无论采用都有一定的限制，由于温度、空气位移、空气非均匀性以及发射器的尺寸都会对超声波定位产生影响，致使其精度较为差，超声波定位使用的并不多见。光学跟踪系统是通过光传输的原理，光的传输速度快因此其精度准，但是其价格昂贵，现实民用和商业化使用过程有较大的限制。电磁系统对环境要求较高，而且磁场强度会随着距离增加而减弱，很难精确控制磁场强度。但是电磁跟踪系统在一些专业领域尤其是与人们生活相关的医疗领域有着不可替代的作用。当前微型仪器发展迅速，随着工业设计和生产水平的提高，微型仪器凭借智能化、高集成度、网络化和商业化生产的优势使其迅速的占领市场。虽然基于传感器确定位移具有较好的优势，但作为一门新兴的研究仍有待改进和完善。

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Reasearch status and development tendency of trajectory tracking

In this paper, starting from the concept of the trajectory tracking,we introduce the application domain of the space trajectory tracking technology. At the same time, the principle and research progress of the space trajectory tracking technique which is based on sensor, network, video and optics are summarized. And the different methods are analyzed and discussed. Finally the development trend of the space trajectory tracking is prospected.

Trajectory tracking;application domain; development tendency

TP29

A

1008-1151(2015)07-0001-04

2015-06-11

广西科学科技攻关项目(桂科攻1348020-10), 广西自然科学基金项目(2013GXNSFA019325)。

朱振朋( 1988－)，男，桂林电子科技大学研究生，研究方向为人体健康信息监测技术。

陈洪波，男，桂林电子科技大学教授。