目标特征自动跟踪在现代光学测量中的应用

摘 要随着现代光学测量目标和要求的改变，传统的全程手动跟踪目标的测量方法已完全不能满足其要求。为了适用现代光学测量的实际要求，引入了特征跟踪的概念，实现了设备自动识别目标并稳定跟踪的测量手段，极大提高了光学测量的准确性、稳定性和精确度。

【关键词】光学测量 特征跟踪 脱靶量 自动识别

1 引言

随着我国工业技术的进步和工业结构的改变，光学测量工作在科研领域的试验与训练任务中的作用日显重要。与传统光学测量工作相比，现代光学测量工作有了较大的改变，主要有以下几点：一是测量目标发生变化。由以往的运动目标、发射卫星等高速行进、飞行路线固定的物体，变为飞机、航空飞行器等运行方向可变、速度可随意变化的目标。二是测量过程跟踪特点有所改变。第一是对同一飞行器进行跟踪测量时，不同距离采用不同的跟踪方案，对中、近程距离主要进行长时间的持续性测量；其次是对多个飞行器近距离的不间断交叉跟踪测量的特点突出。三是目标捕获难度加大。与传统光学测量“一次捕获，全程测量，跟踪到底”的方式相比，现代光学测量工作中，不仅需要对单一目标进行多次捕获，捕获的位置与时间往往也存在不确定性，极大增加了目标成功捕获的难度。

2 传统人工手动跟踪方式在现代光学测量中的弊端

传统场光学测量一般采用人工手动跟踪方式实现“一次捕获，全程测量，跟踪到底”的测量任务，但在现代靶场光学测量任务中，人工手动跟踪方式已不能完全满足测量需要，暴露出的弊端主要有以下几点：

2.1 跟踪测量任务的高强度导致疲劳操作，人为差错增多

跟踪测量任务的高强度主要有两点，一是对同一飞行目标的持续跟踪时间较长，能见度较好条件下，一般需要对盘旋飞行的目标持续跟踪至30Km以外，目标不间断跟踪时间为传统“一次捕获，全程测量，跟踪到底”测量时间的4倍以上；二是多飞行目标近距离飞行交叉捕获跟踪频率高，导致跟踪人员注意力长时间处于高度集中状态。这极易造成跟踪人员疲劳操作，造成目标跟踪不稳定、脱靶量变化剧烈，甚至是目标丢失等人为差错。

2.2 目标近距离跟踪时，判读点脱离视场现象严重

为了准确测量目标空中运行轨迹，需要选取飞行目标结构上的某点作为标准判读点，在跟踪过程中要求判读点始终处于相机跟踪视场内。由于测量场区范围、测量精度要求所限，现在光学测量在目标处于近距离飞行时，相机视场往往只能显示目标部分位置，操纵手柄的轻微抖动都会导致视场的大幅度变化，而发生测量差错。如图1所示，（b）、（c）为在实际测量任务中，标准判读点为飞机尾部发动机喷气口时，采用人工手动跟踪方式时发生的判读点偏离视场、目标丢失等测量差错。

2.3 跟踪稳定性差，事后判读工作精确度降低

飞行目标方向、速度的频繁变化使得人工手动跟踪测量效果稳定性较差，标准判读点脱靶量变化较大，在事后判读工作中跳值增多，极大降低了目标飞行轨迹判定的精确度。

3 目标特征自动跟踪方式的试验与应用

为了适用现代光学测量工作要求，解决上述跟踪弊端，经过几年来的试验论证，目标特征自动跟踪方式已逐渐成为现代靶场光学测量领域的重要跟踪手段。

目标特征自动跟踪方式，是指利用一定的目标特征选取准则，人工选择目标图像上一些特征点（如目标的几何中心、灰度对比明显的局部位置等）附近区域作为跟踪区域，跟踪测量过程中，伺服跟踪系统根据事先选定的目标的特征区域特点，在图像上进行自动搜索，实现目标的自动捕获与跟踪。

对于目标特征自动跟踪方式的稳定性主要进行了两方面的试验，一是将自动跟踪编程软件置于单独的黑白测量相机内，运动中对固定目标进行特征区域定位试验；二是在试验场利用光学测量设备――光电经纬仪对飞机进行实际应用试验。

3.1 固定目标特征自动跟踪试验

试验中，将测量相机固定在遥控飞机上，选取下方隧道山洞口为目标特征跟踪区域。如图2所示，目标特征自动跟踪软件通过视场内十字标表示目标特征跟踪位置。试验中，测量相机采用由远及近逐渐接近山洞口的方式记录目标特征位置跟踪效果的连续视频，图2是从实际跟踪实验中截取的3帧图片，从图中可以看到在跟踪过程中相机逐步接近跟踪目标，目标由小到大存在着明显的缩放（第1帧图像与第301帧图像的缩放比为1：3.8），同时由于拍摄过程中相机的移动，导致每帧图像中的图像背景发生一定的旋转变化（第1帧与第301帧图像的背景中铁路的旋转角度为35°），但该跟踪方式中十字标依然能够准确给出目标（山洞）的位置，体现了目标特征自动跟踪方式较高的稳定性。

3.2 目标特征自动跟踪方式的靶场光学测量跟踪试验

目前，在试验中，使用目标特征自动跟踪方式的光电经纬仪已逐步成为光学测量的主要设备。在实际应用之前，对光电经纬仪目标特征自动跟踪功能进行了大量的应用试验。如图3所示，以飞机为例，事先选取飞机发动机为喷口特征跟踪区域，在飞机起飞后开始采用目标特征自动跟踪方式进行跟踪测量。在多次跟踪测量试验中，光电经纬仪都较好的自动捕获并记录下了飞机由起飞（距离约240米）至35公里处的连续飞行图像。如图3所示，分别选取了飞机在500米、3公里和30公里位置的实时跟踪效果。通过试验，很好的验证了靶场光学测量中目标特征自动跟踪方式的稳定性和准确性。

4 目标特征自动跟踪方式应用前景

目前光学测量目标特征自动跟踪方式根据选取特征区域不同，主要有形心自动跟踪方式、边缘跟踪方式、相关跟踪方式。其跟踪稳定性与准确性在试验场应用试验中均得到了很好的验证，但此种跟踪方式仍存在不少弊端，如复杂背景下容易目标混淆等，但采用目标特征自动跟踪方式作为现代靶场光学测量手段已成为共识，随着光学测量技术的发展，目标特征自动跟踪方式将会拥有更为广泛的应用领域。

参考文献

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[2]魏伟波，芮筱亭，杨富锋，陆文广.基于图像的目标自动跟踪系统[J].计算机工程与应用，2007（27）.

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[4]肖敬若.复杂背景下的实时目标跟踪技术研究[D].西北工业大学，2006.

[5]伍翔.视频图像中运动目标检测与跟踪方法研究与实现[D].哈尔滨工业大学，2007.

作者简介

周弘，现为92853部队工程师，主要从事飞行器测控技术研究。

朱江山，现为92853部队高级工程师，主要从事飞行器测控技术研究。

作者单位

92853部队 辽宁省兴城市 125106