【正文】 采集USB總線即通用串行總線。常見(jiàn)的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的傳輸接口主要有三種：PCI總線，USB總線，以太網(wǎng)。作為一種固體成像器件，CCD具有以下特點(diǎn)：體積小、重量輕、電壓及功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)；且具有很高的空間分辨力、光敏元間距的幾何尺寸精確、可以獲得很高的定位精度和測(cè)量精度；具有較高的光電靈敏度和大的動(dòng)態(tài)范圍；數(shù)據(jù)速率可調(diào)，可適用于動(dòng)態(tài)與靜態(tài)等各種條件下的測(cè)量。最后依據(jù)陀螺儀實(shí)時(shí)獲取的坐標(biāo)系角度變化和空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤和提取。 系統(tǒng)硬件組成系統(tǒng)的軟件組成主要分為三個(gè)軟件處理模塊：視頻采集模塊（CCD成像系統(tǒng)和圖像采集）、目標(biāo)姿態(tài)實(shí)時(shí)獲取模塊、光照調(diào)節(jié)模塊以及圖像處理模塊（包括圖像預(yù)處理、特征點(diǎn)提取以及目標(biāo)匹配）。第四章針對(duì)基于多目標(biāo)優(yōu)化SIFT特征匹配算法，研究了多目標(biāo)優(yōu)化理論及優(yōu)化模型的構(gòu)建，建立了以相關(guān)系數(shù)和特征點(diǎn)之間的歐氏距離為目標(biāo)函數(shù)，以置信度為約束條件的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)本文提出的算法模型進(jìn)行驗(yàn)證。然后分別詳述了視頻采集子系統(tǒng)、相機(jī)姿態(tài)實(shí)時(shí)獲取子系統(tǒng)、光照自適應(yīng)子系統(tǒng)以及詳細(xì)說(shuō)明了各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系和功能，為后面章節(jié)中的算法模型建立和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了可靠的系統(tǒng)平臺(tái)。具體研究?jī)?nèi)容如下：第一章介紹了課題的研究背景、目的和意義，綜述了目標(biāo)軌跡提取的研究現(xiàn)狀，然后對(duì)基于GPS 的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡提取技術(shù)和基于圖像的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤技術(shù)的兩種形式分別做了介紹。本課題來(lái)源于中北大學(xué)申請(qǐng)的山西省自然基金“基于時(shí)、空?qǐng)D像信息融合的三維測(cè)量技術(shù)（基金號(hào)2007012003）”。國(guó)內(nèi)發(fā)展也較快，已經(jīng)有很多研究機(jī)構(gòu)投入到航拍圖像分析研究中，中北大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、東南大學(xué)以及中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所38所等單位一直在積極開(kāi)展固定參照物視場(chǎng)變動(dòng)情況下的圖像跟蹤、檢測(cè)方面的研究。2002年劉永信等人探討了基于Kalman濾波理論的漸消記憶遞歸最小二乘法在重建圖像背景中的應(yīng)用；同年，張輝等人研究了如何實(shí)現(xiàn)出格點(diǎn)檢測(cè)和聚類自動(dòng)檢測(cè)；1999年王栓等介紹了一種基于差分圖像的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法，檢測(cè)結(jié)果是符號(hào)化了的圖像，其中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)由外接矩形表示，然后根據(jù)連續(xù)性約束假設(shè)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤；2003年隋曄等講述了交通監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用視頻圖像流來(lái)跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類的具體過(guò)程和原則，基于目標(biāo)檢測(cè)提出了雙差分的目標(biāo)檢測(cè)算法，目標(biāo)分類應(yīng)用到了連續(xù)時(shí)間限制和最大估計(jì)的原則。有26個(gè)高校公司參與了該項(xiàng)目。目前該技術(shù)根據(jù)相機(jī)視場(chǎng)和參照物的不同可分為固定視場(chǎng)內(nèi)參照物運(yùn)動(dòng)、變化視場(chǎng)內(nèi)參照物運(yùn)動(dòng)和固定參照物視場(chǎng)變動(dòng)情況下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤及軌跡檢測(cè)。但是，在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，如目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡精確提取、測(cè)繪、地震監(jiān)測(cè)、飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸以及其他精密測(cè)量領(lǐng)域，要求達(dá)到分米級(jí)、厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的精度，普通差分GPS就不能滿足要求了。對(duì)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)中定位精度較高的GPS而言，GPS衛(wèi)星的空間幾何分布也會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生一定程度的影響。2010年1月17日，成功將第三顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。2003年5月26日，歐空局15個(gè)成員國(guó)就聯(lián)合開(kāi)發(fā)Galileo系統(tǒng)達(dá)成協(xié)議，解決了阻礙Galileo計(jì)劃順利實(shí)施的投資與利益分配問(wèn)題。第一階段是1982至1985年的試驗(yàn)階段，共發(fā)射11顆第一代試驗(yàn)衛(wèi)星；第二階段是1985年至1995年的部署階段，共發(fā)射57顆三種型號(hào)的衛(wèi)星，使系統(tǒng)達(dá)到滿星座運(yùn)行。1978年發(fā)射第一顆衛(wèi)星，迄今共經(jīng)歷了在軌驗(yàn)證試驗(yàn)的第一代GPS1和實(shí)用組網(wǎng)的第二代GPSGPS2A、GPS2R、GPS2F等不斷改進(jìn)的型號(hào)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)相結(jié)合在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤提取領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前基于視頻圖像序列的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡提取技術(shù)根據(jù)相機(jī)視場(chǎng)和參照物的不同可分為固定視場(chǎng)內(nèi)參照物運(yùn)動(dòng)、變化視場(chǎng)內(nèi)參照物運(yùn)動(dòng)和固定參照物視場(chǎng)變動(dòng)情況下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤及軌跡檢測(cè)。 1緒論 基于視頻圖像序列的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡提取技術(shù)是動(dòng)態(tài)視覺(jué)領(lǐng)域中一個(gè)具有重要意義和實(shí)際價(jià)值的研究課題。而在眾多模式下的基于視頻圖像序列的軌跡提取技術(shù)中，基于固定參照物視場(chǎng)變動(dòng)模式的軌跡測(cè)量技術(shù)不受相機(jī)視野限制，能夠有效地?cái)U(kuò)大目標(biāo)跟蹤范圍，更有著重要的研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。固定參照物視場(chǎng)變動(dòng)模式的軌跡測(cè)量技術(shù)要求相鄰兩幀之間必須具有一定的重復(fù)。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡是反映一段時(shí)間內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)路線，它的精確提取能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量和分析目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)行為評(píng)估等。固定視場(chǎng)內(nèi)參照物運(yùn)動(dòng)方式中，相機(jī)及其視野固定，對(duì)視野內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，具有空間和時(shí)間上的區(qū)域限制，僅能得到固定區(qū)域、固定時(shí)間段中的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡；變化視場(chǎng)內(nèi)參照物運(yùn)動(dòng)是對(duì)固定視場(chǎng)方式的一種改進(jìn)，通過(guò)云臺(tái)等多維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相機(jī)視野的變化，能夠拓展運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的范圍和時(shí)間得到擴(kuò)展，但是由于鏡頭等光學(xué)器件的限制，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)超出一定范圍則無(wú)法成像或成像目標(biāo)體的“點(diǎn)化”現(xiàn)象；固定參照物視場(chǎng)變動(dòng)模式下，相機(jī)視野隨運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)變化，利用相鄰兩幀圖像中的固定參照物的空間位置不變特性實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡計(jì)算，此類方法不受相機(jī)視野的限制，能夠有效地提高運(yùn)動(dòng)體軌跡提取的作用范圍，但是要求相鄰兩幀之間必須具有一定的重復(fù)。通過(guò)接收至少4顆衛(wèi)星不間斷發(fā)送自身星歷參數(shù)和時(shí)間信息，對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行精確定位，從而可以有效地對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤和定位。二十多年來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，GPS衛(wèi)星的壽命得到不斷的延長(zhǎng)，抗干擾能力和導(dǎo)航精度不斷提高，并增強(qiáng)了地面站的保密性能及星間鏈路安全性。但GLONASS衛(wèi)星壽命較短，建成之后又不能及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射，導(dǎo)致在軌可用衛(wèi)星少。2003年7月11日，Galileo系統(tǒng)的首批兩顆衛(wèi)星合同授出。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，2012年左右，系統(tǒng)將首先具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力；2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在忽略美國(guó)SA政策的情況下，普通GPS接收機(jī)定位精度約為30 m左右。另一方面，有時(shí)由于道路兩旁地物特征復(fù)雜，又受高大建筑物、隧道、立交橋、樹(shù)木等地物的反射和遮蔽等影響，衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)將產(chǎn)生盲區(qū)，影響目標(biāo)跟蹤及定位的精度。對(duì)于固定視場(chǎng)內(nèi)參照物運(yùn)動(dòng)和變化視場(chǎng)內(nèi)參照物運(yùn)動(dòng)兩種情況下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡提取技術(shù)，國(guó)內(nèi)外各國(guó)學(xué)者都已展開(kāi)了相關(guān)研究，并取得了很多優(yōu)秀成果。Berkelye 分校從上世紀(jì)90年代初開(kāi)始對(duì)實(shí)時(shí)交通監(jiān)控方面進(jìn)行研究，在運(yùn)動(dòng)物體分割、運(yùn)動(dòng)物體跟蹤、遮擋處理等技術(shù)方面的研究上取得了一定的成果，并發(fā)表了多篇相關(guān)科學(xué)研究論文。而對(duì)于固定參照物視場(chǎng)變動(dòng)情況下的圖像分析研究目前還處于目標(biāo)的檢測(cè)、跟蹤和測(cè)量上，還沒(méi)達(dá)到軌跡精確測(cè)算的理論高度。上述研究成果雖然能夠很好地實(shí)現(xiàn)固定參照物視場(chǎng)變動(dòng)情況下的目標(biāo)識(shí)別、跟蹤等圖像分析工作，但是很難實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡測(cè)算。在此基金的支持下，論文主要是利用圖像序列的時(shí)、空信息實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的精確測(cè)算。最后提出了本文的研究?jī)?nèi)容，確定了本文的研究方向。第三章在分析了系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，研究了相機(jī)參數(shù)標(biāo)定及姿態(tài)校正技術(shù)。最后研究了實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡提取并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 系統(tǒng)軟件組成 系統(tǒng)的工作流程如下：攝像機(jī)的模擬信號(hào)通過(guò)千兆網(wǎng)線傳送至計(jì)算機(jī)。 視頻采集模塊（1）攝像機(jī)攝像機(jī)是監(jiān)控系統(tǒng)的重要部件。隨著技術(shù)的快速發(fā)展,使用于各種環(huán)境的CCD相機(jī)的視頻采集系統(tǒng)正在被不斷地開(kāi)發(fā)出來(lái)。（2）圖像數(shù)據(jù)采集模式①圖像采集卡圖像采集卡是視頻采集子系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是對(duì)相機(jī)所輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，并提供與PC的高速接口。USB(universal serial bus)是由Intel、ComPaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northem Tele等7家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。在USB系統(tǒng)中，不同類型的USB設(shè)備使用相同的接口，因而用戶在連接時(shí)，不需要考慮連接接口的類型以及接口的硬件電氣特性。根據(jù)USB系統(tǒng)規(guī)范，USB總線上總共可以連接127個(gè)USB設(shè)備，用戶只需直接把設(shè)備連接到空閑的USB接口上。目前10Mbps的以太網(wǎng)已家喻戶曉，lOOMbps的快速以太網(wǎng)已開(kāi)始廣泛應(yīng)用，1000Mbps以太網(wǎng)技術(shù)也已逐漸成熟，10Gbps以太網(wǎng)亦即將投入使用。在本課題中，由于固定參照物視場(chǎng)變動(dòng)，相機(jī)跟目標(biāo)一起運(yùn)動(dòng)，則需采用高幀率的圖像采集設(shè)備，才能實(shí)時(shí)記錄目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；相應(yīng)地在圖像數(shù)據(jù)傳輸方面，對(duì)傳輸效率和圖像存儲(chǔ)速度也提出了很高要求。此時(shí)反應(yīng)到圖像坐標(biāo)系中角度變化并不是實(shí)際的角度變化量，從而使得標(biāo)定后的相機(jī)參數(shù)及標(biāo)定坐標(biāo)系發(fā)生紊亂，影響后續(xù)軌跡測(cè)算的精度，最終導(dǎo)致空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換以及軌跡提取產(chǎn)生誤差。陀螺儀能感應(yīng)目標(biāo)的空間姿態(tài)變化，是定姿定向應(yīng)用中的關(guān)鍵器件。它不僅可以全面地檢測(cè)到幾乎所有的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而且還有一個(gè)極大的優(yōu)點(diǎn)，陀螺儀是完全自主式的測(cè)量方法，它不依賴外部的光線，電磁波，聲音，磁場(chǎng)等等的外部信息來(lái)測(cè)量相機(jī)角運(yùn)動(dòng)，其工作完全不受自然的和人為的干擾影響。光照自適應(yīng)子系統(tǒng)就是借助外光源使得在圖像采集過(guò)程中獲得較為理想的圖像。如果可以根據(jù)光線或者圖像序列灰度均值的變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光量，那么就可以達(dá)到較為滿意的曝光效果。具體算法流圖如下所示：首先對(duì)采集獲得的圖像計(jì)算灰度均值，根據(jù)圖像灰度值與參考值的比較，其中為預(yù)先設(shè)置的參考值，為閾值。此時(shí)可以通過(guò)安裝光源和遮光罩盡量使得光線變化趨于均勻和穩(wěn)定?？烧{(diào)節(jié)型遮光罩安裝在相機(jī)及輔助光源的外圍。它的正確選取對(duì)后續(xù)的圖像采集和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)算具有重要的影響。由上圖可知，當(dāng)位置沿著光軸垂直方向移動(dòng)，不改變物體在相機(jī)焦平面上像的大小。（1）CCD相機(jī)和鏡頭選擇相機(jī)距離地面的高度為100cm，采用16mm的鏡頭。則水平方向視場(chǎng)大小為：，相機(jī)水平方向的分辨率至少為491個(gè)像素。C曝光方式幀曝光　　 相機(jī)鏡頭主要性能參數(shù)性能類型參數(shù)性能類型參數(shù)焦距16mm相對(duì)孔徑1/接口C尺寸1/2水平視場(chǎng)22176。然后分別詳述了視頻采集子系統(tǒng)、相機(jī)標(biāo)定子系統(tǒng)、目標(biāo)姿態(tài)實(shí)時(shí)獲取子系統(tǒng)以及光照自適應(yīng)子系統(tǒng)。相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定精度、標(biāo)定速度以及標(biāo)定模型的可移植性直接決定著軌跡提取精度等。因此，攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果的精度及算法的穩(wěn)定性直接影響后續(xù)處理的準(zhǔn)確性。正交投影也稱為平行投影（parallel projection）,是實(shí)際圖像處理的一個(gè)近似方法。透視投影是用中心投影法將形體投射到投影面上，從而獲得的一種較為接近視覺(jué)效果的單面投影圖。透視投影使用一種基于幾何光學(xué)原理的理想小孔（ideal pinhole）成像原理來(lái)描述二維圖像的形成。相機(jī)在拍攝三維空間中的場(chǎng)景時(shí)，其拍攝范圍為位于正對(duì)攝像機(jī)的某一夾角范圍內(nèi)的空間景物，設(shè)拍攝空域范圍為。一個(gè)物體的三維空域位置變化可以用以下的仿射變換來(lái)表示： （）其中，和分別表示剛體外表面上的一個(gè)點(diǎn)在時(shí)刻和相對(duì)于坐標(biāo)中心的坐標(biāo)矢量。缺點(diǎn)是相機(jī)的系統(tǒng)誤差不能加進(jìn)去，因而不能進(jìn)行系統(tǒng)誤差的校正，另外加上噪聲及鏡頭誤差的影響，使得標(biāo)定精度不高。缺點(diǎn)是：未知數(shù)個(gè)數(shù)比較多，至少24個(gè)，存在過(guò)分參數(shù)化的傾向，圖像坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)間的變換是基于實(shí)驗(yàn)的，從而造成最終結(jié)果的不確定性。目前普遍采用的兩步法中最典型的是Tsai提出的基于RAC約束(Radial Alignment Constraint)的兩步法。根據(jù)透視投影成像模型。與的方向一致，且徑向畸變不改變的方向，即的方向始終與的方向一致。由成像模型可知，基于RAC的標(biāo)定方法存在以下特點(diǎn)：1）徑向畸變不影響的方向。根據(jù)這些標(biāo)定坐標(biāo)值形成一個(gè)矩陣，其中的行為： 　　　　 （）設(shè)是含有與空間變換參數(shù)有關(guān)的未知參數(shù)的矢量： 　 　　 （）從標(biāo)定點(diǎn)的次觀測(cè)來(lái)形成一個(gè)矢量．使用五個(gè)以上標(biāo)定點(diǎn)，就可以得到關(guān)于參數(shù)矢量的線性方程組。如果和同時(shí)都為0，則： 　　　　　　 （）如果和同時(shí)為0，則： 　　　　 （）其次，確定的符號(hào)。如果和同號(hào)， 和也同號(hào)，那么具有正確的符號(hào)(正號(hào)) ，否則在需要反號(hào)。在下面的計(jì)算相機(jī)內(nèi)參數(shù)步驟之后，和的符號(hào)可能會(huì)有所變動(dòng)。使用前面各步驟得到的和的估算值作為非線性回歸的初始條件，計(jì)算一階透鏡變形系數(shù)，并進(jìn)一步得到和的更精確的估計(jì)值．通過(guò)透視投影來(lái)建立真實(shí)(修正)圖像平面坐標(biāo) 與攝像機(jī)坐標(biāo)系中的標(biāo)定點(diǎn)之間的關(guān)系式： （）假設(shè)通過(guò)使用徑向透鏡變形模型第一項(xiàng)建立的真實(shí)(修正)圖像平面坐標(biāo)與測(cè)量圖像平面坐標(biāo)之間關(guān)系為： （）其中半徑的計(jì)算公式如下： （）未修正(測(cè)量)圖像平面坐標(biāo)不同于像素坐標(biāo)，因?yàn)榍罢叩挠?jì)算過(guò)程中已經(jīng)用到了圖像中心位置坐標(biāo)，行間距和列間距，以及比例系數(shù)估計(jì)值．使用透射投影和透鏡變形方程中的分量以及絕對(duì)坐標(biāo)與攝像機(jī)坐標(biāo)之間的剛體變換公式，可以得到有關(guān)攝像機(jī)焦距，平移和透鏡變形的一個(gè)約束條件： （）這將形成求解參數(shù)、和的一個(gè)非線性因歸問(wèn)題。 標(biāo)定點(diǎn)選擇：標(biāo)桿、平面模板、平面對(duì)折類模板等結(jié)構(gòu)信息精確確定的物體。 a、標(biāo)桿類標(biāo)定點(diǎn) b、模板類標(biāo)定點(diǎn) 相機(jī)標(biāo)定的標(biāo)定點(diǎn)選擇針對(duì)論文的測(cè)試背景和測(cè)試要求，上述兩種無(wú)法保證標(biāo)定工作的快速、高效完成。標(biāo)定模塊的大小可根據(jù)實(shí)際情況選擇正方體的邊長(zhǎng)來(lái)更改。mean表示均值，stddev表示標(biāo)準(zhǔn)方差，max表示最大值，sse表示誤差平方和。坐標(biāo)系是描述運(yùn)動(dòng)體位置姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的參考基準(zhǔn)，相機(jī)在空間位置姿態(tài)的確定是依據(jù)坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換和測(cè)量加速度和角速率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（1）陀螺儀的選取 假設(shè)相鄰的兩幅圖像存在一個(gè)角度的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)特征提取與匹配獲取兩幅圖像中同一特征點(diǎn)的