一种基于系留气球载的目标跟踪系统

四创电子股份有限公司 左海琴

系留气球是一种浮空飞行器，能够搭载各种电子设备来执行任务。它具有预警能力强、生存能力强、安全性高、可维护性强等优势，可用于预警探测、通信中继、电子干扰、大气和环境监测、城市安防等军事和民事领域。本文提出了一种基于系留气球载的多目标动态跟踪系统，给出了该系统的功能用途和工作原理，并对系统组成架构、核心功能、多目标跟踪算法等关键技术进行了阐述。试验表明，该系统能够有效的实现场景监视并对监控场景出现的目标进行跟踪，系统运行稳定、可靠性高。

系留气球作为一种浮空飞行器，其自身不带动力，依靠浮力升空。它通过系留缆绳滞留在空中预定的位置，作为空中平台，下面可以搭载可见光摄像机、红外摄像机等来执行对地面的视频监控。同飞机、卫星等其他空中平台相比，系留气球具有驻空时间长、载重能力强、部署方便、安全性高、运行成本低等优点。系留气球的视频监控系统可在1000m以下的高空持续长时间工作，在城市安防、环境监测、科学试验等各种军用和民用领域有着重要的应用前景。

本文介绍的系留球载平台是中电38所研发的一种新型空中平台，本文对基于系留气球载的目标跟踪系统的组成原理、系统功能等进行了阐述，针对浮空平台监视场景的特殊性，对目标跟踪算法等关键技术进行了说明，最后给出了设计结果。

1 系留球载平台目标跟踪系统介绍

1.1 球载目标跟踪系统组成

系留气球载平台目标跟踪系统示意图如图1所示。系留气球载中的多目标跟踪系统由可见光吊舱和地面工作站两部分组成，将可见光吊舱设备安装于系留气球下方，光电吊舱通过光端机与地面工作站进行通信。吊舱内部由高清数字相机、伺服控制系统、稳像控制器组成。由高清数字相机拍摄画面并由通信线缆传输至地面工控机，地面工作站上通过多目标跟踪软件进行监控控制及目标跟踪处理。

由于受到自然环境中风扰动的影响以及气球基座转动干扰，基于浮空平台的监控设备容易发生前后倾斜、左右倾斜等不利于图像稳定输出的恶劣情况，为了减少球载设备拍摄视频的抖动，我们采用稳像控制来解决可见光吊舱的浮空抖动现象，保证拍摄的视场的稳定性，方便地面工作站对接收到的图像信息进行监控以及目标跟踪处理。

为了能够对地面进行清晰有效的监控，本文选用的高清数字相机分辨率为1920×1080，保证了所采集的图像清晰度。此外，针对浮空平台监视场景的特殊性，本文还设计了一种基于压缩感知和光流法的目标跟踪算法。

图1 系统组成示意图

1.2 系统核心功能

系留气球载多目标跟踪系统能够实现对监控区域运动目标的主动视觉跟踪以及多目标的自动跟踪，并且对序列帧进行稳定化处理，大幅度的提高了浮空平台对于当前视频的分析能力，使得监控更加智能化，从而满足人们对当前场景实时监控的需求。在本文中，该系留球载多目标跟踪系统包括以下核心功能。

（1）手动跟踪功能

系统能够对手动设定的目标实时跟踪，即对监控视频画面内感兴趣的运动目标进行手动框选初始化，并且可以框选多个目标，然后在后续的序列图像中对所框选的目标进行实时跟踪。

（2）自动跟踪功能

通过人工绘制感兴趣区域，然后在此标定区域进行自动检测运动目标后对检测到的运动目标进行实时跟踪，实现对场景中出现的多个目标自动跟踪，不需要人为干涉。

（3）警戒区域绘制抓拍

通过手动在监控画面绘制1-2个多边形警戒区域，对实时跟踪的运动目标如果进入警戒区域内则进行报警，同时抓拍、放大入侵的运动目标。

（4）录像实时保存

实时保存高清录像到本地。

图2 目标跟踪软件架构设计

图3 目标跟踪流程图

图4 目标跟踪试验结果

基于上述核心功能描述，我们设计了目标跟踪软件，其软件架构如图2所示。

2 目标跟踪算法设计

压缩感知的理论和光流算法已广泛应用于视频监控系统中。根据压缩感知理论，我们可以对可稀疏化的原图像特征空间做投影，得到一个低维压缩子空间。低维压缩子空间能够很好的保留高维图像特征空间的信息。因此，我们通过压缩感知降维前景目标和背景的特征，作为在线学习更新分类器的正样本和负样本，然后使用该训练分类器去预测下一帧图像的目标位置。正是将高维特征进行降维才能在不影响跟踪准确性前提下大幅度提高跟踪速度从而达到跟踪的实时性。

光流法检测运动目标的基本设计思路如下步骤：

（1）为图像中的每一个像素点赋予一个速度矢量，形成一个图像运动场。

（2）在运动的一个特定时刻，由投影关系得到，图像上的点与三维物体上的点一一对应。

（3）根据各个像素点的速度矢量特征，可以对图像进行动态分析。

（4）如果图像中没有运动目标，则光流矢量在整个图像区域是连续变化的，当物体和图像背景存在相对运动时，运动物体所形成的速度矢量必然和邻域背景速度矢量不同，从而检测出运动物体的位置。

在本文中，我们对手动标定的区域计算光流，得到运动的模长信息和方向信息，然后对每一帧的模长进行累加，这样可以更好的抑制背景对检测运动目标的干扰，最终检测出运动目标。本文采用基于压缩感知和光流检测算法的跟踪算法，其目标跟踪流程图如图3所示。图4为本系统试验结果。

结论：本文介绍了一种系留气球载平台以及基于此平台的的一种多目标跟踪系统，对系统的组成架构、核心功能、目标跟踪软件架构以及跟踪算法进行了详细描述。经试验验证，该系统稳定可靠，其中的稳像控制设计具有抗抖动效果，在高空环境中能够获取相对稳定的图像信息，基于压缩感知和光流检测算法的目标实时跟踪效果良好。