图像跟踪仿真试验系统设计

摘 要：为了模拟和演示导弹攻击的过程，利用三轴转台、数字化的图像采集板卡、摄像机和视景生成系统等，在虚拟试验支撑平台（HIT-GPTA）的支持下集成了一套图像跟踪仿真试验系统。给出了系统的整体硬件构成以及软件的详细设计思路。同时，简单演示了在HIT-GPTA软件平台上仿真系统的集成过程。经仿真试验验证，系统工作稳定,仿真效果良好。

关键词：仿真试验； 图像采集；目标识别； 目标跟踪

中图分类号：TN919-34 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)20-0008-04

Design of Simulation Testing System for Image Tracking

CHENG Yu-zhi1, XU Yong-hui1, GUO Xin2

(1. Harbin Institute of Technology, Department of Automatic Test and Control, Harbin 150001, China;

2. Military Representative Office Positioned in 624 Plant, Daqing 163511, China)

Abstract： In order to simulate and demonstrate the process of missile attack, this design uses three-axis table, digitalized image acquisition board, camera, and visual generation system to integrate a set of image tracking simulation experiment system with the support of HIT-GPTA. The system's overall hardware composition and software design idea of information exchange between modules are introduced. The integration process of the simulation system was demonstrated with HIT-GPTA software platform. The simulation testing shows that the system works stably and simulation result is good.

Keywords： simulation experiment; image acquisition; target recognition; target tracking

0 引 言

自寻的末制导技术是改进武器系统性能的重要手段。目前，末制导导引头都是以图像制导为主。对于图像制导导弹，目标进人导引头的视场（简称进场）是识别、捕获目标进而命中目标的前提。同时，图像跟踪系统作为一种被动式跟踪设备，具有跟踪精度高、跟踪状态平稳、抗干扰能力强、分辨率高和成本低等特点，应用很广泛［1］。但是，在现有图像跟踪处理系统的研究中，大多数研究都只注重于图像预处理、目标跟踪方法等具体的、单一的研究，而面向于整个图像跟踪领域仿真系统的设计研究的非常少，很不利于运动图像跟踪领域整体仿真试验系统的发展［2］。为此，提出了一种图像跟踪仿真试验系统的设计方法。在虚拟试验支撑平台（HIT-GPTA）的支持下，完成仿真系统的集成。

HIT-GPTA是一个开放式的通用试验平台，是┮桓鲇τ貌闳砑，通过组织各个设备组件来完成各种半实物仿真试验。这些设备组件是抽象了真实设备的特性，并与真实设备保持了一致的控制接口，以达到半实物仿真的目的。虚拟试验支撑平台是整个半实物仿真的运行环境。本系统以HIT-GPTA软件平台为基础，进行图像跟踪仿真试验系统的组建，将各独立的功能单元封装成基本组件，各个不同的组件通过本地通信对相关的数据进行关联，实现相关的仿真操作和数据交互。

1 系统概述

该系统由视景生成系统和跟踪控制系统组成。如图1所示，视景生成系统主要由计算机1、投影仪、屏幕组成，用来播放含有目标的视频图像，通过投影仪投射到大屏幕上。跟踪控制系统主要由数字化图像采集卡、摄像机、三轴仿真转台和计算机2组成，摄像机安装在转台上。

摄像机拍摄屏幕上的视频图像；图像采集卡采集摄像机传输的图像视频信号并将其传输到计算机2上指定内存；在计算机2上对采集到内存的图像运行跟踪算法进行图像匹配、目标识别等，计算出目标相对于转台中心轴的方位、俯仰、横滚角度；三轴仿真转台接收这些角度信息，定位转动，跟踪目标。

2 主要硬件选型

下面就系统涉及的重要硬件设备作简要介绍。

2.1 数字化图像采集卡

该仿真试验系统使用的图像采集板卡是大恒公司开发的彩色/黑白视频图像采集卡，型号为DH-CG410，具有使用灵活、集成度高、功耗低等特点。它采用PCI总线，所采集的图像数据传输时基本不占用CPU时间，并可将图像直接传送到计算机内存或显存。它支持PAL/NTSC彩色/黑白视频输入，能够稳定接收摄像机的信号。支持单场、单帧、连续场、连续帧的采集方式，图像的捕捉时间，单场

2.2 彩色监控摄像机

该系统用到的视频捕捉设备是由索尼公司生产的型号为WV-CL920A的摄相机。本系统中使用视频电缆线将摄像机的VIDEO OUT端口和图像采集卡的复合视频输入（VIDEO IN）端子相连，实现图像数据传输。

2.3 三轴仿真转台

本系统使用的是三轴仿真性质的转台。三轴转台控制系统是图像末制导仿真试验系统中的重要组成部分，可将摄像头安装在转台上进行图像跟踪，这正是该系统跟踪控制部分的设计思路。

它的控制系统主要由三轴转台、转台控制器、上位机3部分组成。它包括横滚轴，俯仰轴和方位轴。横滚轴（外环）实现绕自身轴线回转，俯仰轴（中环）实现上下方向的运动，方位轴（内环）实现左右方向的运动。3个轴均采用电机直接驱动方案，以角度反馈作为系统的控制回路形式。

转台控制器接收上位机的指令，控制三轴转台转轴在方位、俯仰和横滚3个方向做定位运动。同时转台控制器向管理计算机返回当前的角度位置信息。上位机通过RS 422串行通讯接口与3个轴的控制器通信，从而对控制器发送命令、参数并获得3个轴的当前位置信息。

3 软件设计

系统的软件设计主要开发图像采集组件和跟踪处理组件和转台组件。总体执行活动如图2所示。

3.1 图像采集组件设计

该组件采集摄像机传输的实时图像到计算机指定内存。主要有2方面工作：分配静态内存和采集实时图像。

3.1.1 分配静态内存

采集图像前必须分配静态内存存放图像数据。内存的分配和使用步骤是：首先，根据图像的大小和数量计算出所需内存的大小，申请静态内存。这里，静态内存以页为单位，每页4 KB。分配完毕，重启计算机。然后，访问该段静态内存时，先将其锁定，利用锁定成功后得到的指针对该段内存中的数据进行访问。其中，内存的具置由内存偏移量Offset和内存锁定的长度Length来定位。最后，静态内存访问结束，解锁该段内存。本系统中选择视频扫描方式为帧方式，则计算出：

图像的大小（字节数） =图像的宽度×高度×

┩枷竦氖据格式位数 /8

内存大小 = 图像的大小× 图像的数量

3.1.2 采集实时图像

因为图像卡采集图像时不占用计算机CPU的时间，用户可以使用CPU的全部资源，所以本部分设计采用双缓存区同时采集同时处理的方式。设定内存中图像缓冲区数量为2个，分别用来存放两幅图像。通过板卡提供的API函数CGGetSnappingNumber（HCG hcg，int* pNumber ）查看图像卡当前采集到了第几帧图像来决定是否处理前面的图像数据，其中hcg为图像卡句柄，pNumber指向当前图像卡的采集状态字，即当前正在采集第几幅图像。

当第1帧采集完毕，开始向第2帧的内存采集图像时，就开始处理第1帧图像数据；当第2帧图像采集完成，开始向第1帧的内存采集图像时，就处理第2帧的图像数据，如此反复。该图像卡图像处理时间在PAL制式下小于1/25 s时，就可以实现实时处理。该系统设计中设定采集的图像格式为8位黑白图像，大小为512×512，图像处理时间经图像匹配算法验证┬∮40 ms，所以能够满足对图像实时处理的要求。

3.2 跟踪处理组件设计

该组件实现对图像中指定目标的搜索、识别，并输出目标当前位置的功能，执行流程如图3所示。该模块主要解决3个问题：如何获取模板图像、如何搜索目标以及根据目标在图像中的位置计算转台转动的角度。

3.2.1 模板图像的选取

因为边缘是周围灰度有反差变化的像素的集合，它是图像最基本的特征，也是图像最重要的不变性质。因此只要获得目标的边缘图像，在目标识别中只对边缘图像处理，可大大减少数据量，降低图像分析和识别的难度。因此，采用边缘检测技术中的轮廓提取法：掏空图像内部的所有点，只留下边界点［3］。此方法处理的是二值图像，所以在轮廓提取前需要先将图像二值化处理。

如图4，设定中心像素点（x，y）周围的8个领域点的位置。轮廓提取步骤是：首先在图像边缘选择第1个像素点开始判断，看是否是二值图像的黑点；其次若是图像的黑点，则判定其周围8个相邻的像素点是否都是黑点，若都是黑点，则将黑点剔除［3］。其中黑点代表图像的内部点。轮廓提取后的效果如图5所示。

模板图像经过边缘处理后，获得模板的边缘图像并保存。在运行图像匹配算法时，先将目标图像进行边缘处理，得到边缘图像，然后再与模板图像的边缘图像进行匹配。

3.2.2 目标识别

为了找出被搜索图像中模板图像的位置，这里采用模板匹配法。即事先给定一幅模板图像，然后到被搜索图像中寻找待匹配图像。它的基本原则是通过相关函数计算找到它在被搜索图中的坐标位置。

比如有一个四边形的图像如图6中的(a)所示，要寻找出其在被搜索图如图6(b)中的位置，实际的操作思路是：将模板图像（本例中为正方形图像）和实时图像中同样大小的一块区域比对。开始时，模板图像的左上角点和实时图像的左上角点重合，用模板图像去和实时图像中同样大小的一块区域作比对，计算二者像素的差值（绝对值），然后移向下一个像素，继续同样的操作。所有像素都比对完成后，差值最小的那一块区域就是要寻找的目标［4］。此时，输出该区域的中心坐标（x,y）作为目标在图像中当前的位置［5］。

3.2.3 角度计算

该仿真试验系统中显示图像的屏幕一直在转台的正前方，所以社转台的横滚轴角度为0。

如图7中MNEK为目标图像，Z点处为转台，调整转台安装的高度，使其横滚轴对准图像的中心点O。将O点设为坐标原点，图中的x轴相当于转台的方位轴，y轴相当于俯仰轴。

设垂直距ZO = H，若目标在图像中的坐标为C（x1，y1），根据运动的合成和分解原理，将该坐标分解成垂直于x轴和y轴的分量，如点A（x1，0）和B（0，y1）。则图中角θx和θyЬ褪亲台的方位角和俯仰角。其中：

ИИtg θx=x1/H,tg θy=y1/HИ

规定方位角正北方向为0，顺时针为正；俯仰角水平方向为0，正上方为90°，正下方为负90°。当目标移动到新的位置如D（x2，y2）时，同样方法计算出当前位置的方位角 和俯仰角 ，求出二者与前一位置相应角度的差值Δθx和Δθy。若Δθx> 0，Δθy> 0，则转台的方位轴和俯仰轴分别向正方向转动Δθx和Δθy；反之，则向相反的方向转动－Δθx和－Δθy。

图7 角度计算示意图

3.3 转台组件设计

该设备组件接收跟踪处理组件输出的角度信息，控制转台定位转动，跟踪目标。

系统仿真时该组件依靠HIT-GPTA平台提供的订购机制订购跟踪处理组件输出的方位角、俯仰角和横滚角度数据。转台控制器根据上位机指令，控制转台转向这些角度所确定的目标位置，跟踪目标。

3.4 系统集成过程演示

下面简单演示一下基于HIT-GPTA平台的图像跟踪仿真试验系统的组建过程。图8是该仿真系统运行的平台环境。各组件在平台工具箱中以小图标的形式存在。打开平台，点击文件新建工程，命名为图像跟踪仿真试验系统。

将各个参与仿真的组件拖拽到图中阴影所示的客户区。右键点击拖拽出的各个图标进行相关参设置。因为各个组件有不同的订购和属性，打开本地通讯，将各个相关联的组件进行属性的订购，实现数据的传输。整个仿真试验系统集成过程简单，操作方便，整体仿真效果良好。

4 结 语

本文介绍了一种图像跟踪仿真试验系统的设计方法，以图像采集卡、三轴转台等硬件为支撑，演示导弹虚拟攻击的过程。在软件方面，完成了图像采集组件、跟踪处理组件和转台组件的设计，实现了采集图像到内存并显示、实时处理目标图像进行目标搜索、跟踪等功能。目前，该系统在HIT-GPTA平台上的稳定工作，表明该设计方法正确。

参考文献

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作者简介: 程玉芝 女，1986年出生，安徽临泉人，硕士研究生。主要研究方向为系统仿真、图像跟踪。

许永辉 男，1976年出生，湖北襄阳人，讲师，博士生。主要研究方向为图像处理、自动测试技术。