训练器中模拟目标的捕获与跟踪

论文摘要

运动目标实时检测与跟踪是数字图像处理技术的一个重要课题,所应用到的各种技术几乎涵盖了图像处理、分析的各个方面。在计算机视觉、可视预警、机器导航、目标识别与跟踪、安全监控、电视制导等视频分析和处理领域有着广泛的应用。目前部队的导弹射击模拟训练器是基于红外制导跟踪原理的。但是由于射击训练的特殊性,使得现如今导弹射击模拟训练器存在价格昂贵、功能单一,稳定性差以及维护保养困难等不足。针对目前所用的模拟器的不足,本文设计了一种新的、基于运动目标检测与跟踪技术的导弹训练模拟系统来代替原有模拟器。新训练器拟采用摄像机代替导引头,采用计算机代替弹上制导跟踪电路,在计算机中综合使用图像滤波、图像分割、运动目标检测与目标跟踪等技术手段,对实时的视频图像进行处理。新训练器是一种有较低成本,性能稳定,功能齐全且便于日后升级的新模式的导弹训练器。在训练器中,运动目标实时捕获与跟踪是关键技术。本文首先探讨了运动目标检测相关技术:介绍了运动目标检测常用的三种方法,针对所采集的视频图像是动态背景与系统的实时性要求,比较三种方法的优劣,采用帧间差分法作为检测的基本方法;研究了角点检测常用的二种方法;根据系统的实际情况,选择仿射变换作为图像变换的方法;在仿射变换的系数求解上,比较了几种求解的方法,采用稳健的最小一乘法代替常用的,但易受异常点影响的最小二乘法来得到最优的仿射系数;然后是介绍了检测后处理的相关技术和基于Kalman滤波的目标跟踪方法。最后本文提出了模拟器软件工作方案:首先使用一种快速的SUSAN角点检测算法,通过考虑实际跟踪的速度与方向,建立图像间角点的对应关系,采用最小一乘法得到最佳仿射系数,对图像进行仿射变换,由帧差法得到目标运动区域;然后对所得到的差分图像进行二值化、形态学滤波等处理;最后由目标跟踪方法提取并跟踪目标,得到相应的目标参数。本文在VC++6.0编程环境下,应用OpenCV库对关键技术进行了实现。实验表明,本文算法得到的精度与计算的速度均满足实际的需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外便携式地空导弹模拟训练器材现状
• 1.2.1 现使用的便携式地空导弹模拟训练系统
• 1.2.2 某新型地空导弹模拟训练系统
• 1.2.3 国外类似产品性能
• 1.3 本文系统总体方案
• 1.3.1 硬件系统
• 1.3.2 软件系统
• 1.4 运动目标检测跟踪系统的基本原理与应用
• 1.5 本文主要研究工作与论文安排
• 2 模拟目标检测理论与设计
• 2.1 引言
• 2.2 视频运动目标检测理论模型
• 2.2.1 背景差分法
• 2.2.2 帧间差分法
• 2.2.3 光流法
• 2.3 基于图像配准的运动目标检测设计
• 2.4 图像配准
• 2.4.1 基于特征点的图像配准
• 2.4.2 角点的检测
• 2.4.3 角点的匹配
• 2.4.4 仿射变换与几何失真的校正
• 2.5 全局运动参数估计与背景运动补偿
• 2.5.1 最大面积法
• 2.5.2 最小二乘法估计
• 2.5.3 最小一乘法估计
• 2.6 本章小结
• 3 检测后处理与目标跟踪的设计
• 3.1 引言
• 3.2 检测后处理
• 3.2.1 图像剪切
• 3.2.2 图像二值化
• 3.2.3 形态学滤波
• 3.2.4 目标标记
• 3.3 基于KALMAN 滤波的目标跟踪
• 3.3.1 Kalman 滤波器的基础知识
• 3.3.2 Kalman 滤波器参数定义及说明
• 3.3.3 应用Kalman 滤波器
• 3.4 实验结果分析
• 3.5 本章小结
• 4 模拟目标的捕获与跟踪的软件实现
• 4.1 软件算法流程概述
• 4.2 模拟红外导引头
• 4.2.1 红外导引头的工作状态
• 4.2.2 红外导引头的工作状态的模拟
• 4.3 训练的各个状态的模拟
• 4.3.1 射击训练时各个阶段
• 4.3.2 对应射击训练中各个阶段时软件的操作
• 4.4 本章小结
• 5 总结和展望
• 5.1 本文的工作总结
• 5.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录