孟 勃，韓廣良，李 波

（1.東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；3.北京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院 數(shù)字媒體北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

1 引 言

近年來(lái)，隨著靶場(chǎng)對(duì)設(shè)備自動(dòng)化程度要求的不斷提高，對(duì)于光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤和捕獲運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力的要求也越來(lái)越高［1］。光電跟蹤系統(tǒng)主要完成對(duì)特定區(qū)域的晝夜搜索監(jiān)視、目標(biāo)探測(cè)、目標(biāo)跟蹤與自動(dòng)告警等功能［2］，主要由前端探測(cè)設(shè)備、伺服系統(tǒng)和后端控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、人機(jī)交互裝置和告警裝置等組成［3］。

由于近年來(lái)在光電和傳感器陣列技術(shù)方面取得的持續(xù)進(jìn)展，現(xiàn)代化成像設(shè)備將會(huì)更緊湊、更模塊化、更輕便，態(tài)勢(shì)感知是在各種作戰(zhàn)環(huán)境下部署越來(lái)越多光電傳感器的主要原因［4］。因?yàn)楣怆娤到y(tǒng)是取得態(tài)勢(shì)感知的理想傳感器，所以越來(lái)越多的水面艦艇都在裝備光電系統(tǒng)以提高自身的圖像收集能力。

光電探測(cè)／跟蹤技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在水面艦艇、潛艇和海軍用無(wú)人機(jī)上，進(jìn)行360°威脅探測(cè)的作戰(zhàn)。目前，美國(guó)海軍用光電跟蹤系統(tǒng)來(lái)提高目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確率以獲取態(tài)勢(shì)感知信息，并集成現(xiàn)代艦船作戰(zhàn)指導(dǎo)系統(tǒng)和多傳感器系統(tǒng)，生成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)圖，提升作戰(zhàn)防御能力和指揮部署能力［5］；荷蘭的泰利斯公司開(kāi)發(fā)的“天狼星”遠(yuǎn)程／雙頻光電搜索與跟蹤系統(tǒng)由2個(gè)獨(dú)立可調(diào)的可見(jiàn)光傳感器組成［6］，該公司在艦載光電傳感器設(shè)計(jì)、制造方面一直處于領(lǐng)先地位；法國(guó)的SAGEM公司把光電指揮儀的功能與光電搜索與跟蹤系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力進(jìn)行了融合，并把舷上全景光電多功能系統(tǒng)傳感頭加上舷下電子穩(wěn)定數(shù)據(jù)處理設(shè)備交付給了比利時(shí)海軍［7］。

在國(guó)內(nèi)，海防視頻監(jiān)控站系統(tǒng)［2］實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)與光電的有效同步工作。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所研發(fā)了一種專用的雷達(dá)圖像解析技術(shù)，在獲得雷達(dá)圖像后，可直接在圖像上點(diǎn)擊任意目標(biāo)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)當(dāng)前位置與光電平臺(tái)的光軸之間角度、距離的解算，實(shí)時(shí)引導(dǎo)光電的光軸指向目標(biāo)，而且這種方式不存在多目標(biāo)隊(duì)列問(wèn)題，可根據(jù)圖像對(duì)任意目標(biāo)按任意順序進(jìn)行引導(dǎo)，大大提高了雷達(dá)引導(dǎo)的效率和方便性，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的雷達(dá)引導(dǎo)［8］。

采用雷達(dá)進(jìn)行測(cè)距的效果雖然顯著，但是價(jià)格比較昂貴。本文采用一種數(shù)字圖像處理及模式識(shí)別算法相結(jié)合的技術(shù)來(lái)模擬光電雷達(dá)的測(cè)距作用，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)測(cè)距的效果，采用可見(jiàn)光探測(cè)裝置來(lái)被動(dòng)地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，獲取目標(biāo)的視頻圖像和方位信息，并通過(guò)目標(biāo)識(shí)別及跟蹤的方法來(lái)獲取目標(biāo)距離信息，生成目標(biāo)的態(tài)勢(shì)信息，結(jié)合全景圖成像技術(shù)，通過(guò)雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖的方式在顯示設(shè)備上實(shí)時(shí)顯示、告警，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)態(tài)勢(shì)的正確感知、情況顯示及匯報(bào)。

2 光電跟蹤系統(tǒng)的組成和工作過(guò)程

一般來(lái)說(shuō)，光電跟蹤系統(tǒng)的組成大致分為幾個(gè)部分，如圖1所示，成像探測(cè)分系統(tǒng)是前端成像裝置，主要是可見(jiàn)光相機(jī)，用于形成探測(cè)區(qū)域的光電圖像；伺服轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)的作用是按照主控系統(tǒng)指令，帶動(dòng)探測(cè)設(shè)備按照指定規(guī)則運(yùn)動(dòng)；主控系統(tǒng)的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作；圖像處理分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)圖像的預(yù)處理及增強(qiáng)、目標(biāo)的檢測(cè)識(shí)別、跟蹤告警和圖像態(tài)勢(shì)生成等功能；圖像顯示分系統(tǒng)用來(lái)顯示雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖；人機(jī)交互裝置主要是與操作人員進(jìn)行控制指令的交互。

圖1 光電跟蹤系統(tǒng)的組成Fig.1 Constitution of optical tracking system

它的工作過(guò)程是：伺服轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)成像探測(cè)器受主控系統(tǒng)的命令控制，按照預(yù)定義巡視策略，自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的景象進(jìn)行掃描成像，前端伺服轉(zhuǎn)臺(tái)處的穩(wěn)定平臺(tái)和后端圖像處理器中的電子穩(wěn)像處理機(jī)制保持圖像穩(wěn)定清晰，將實(shí)時(shí)圖像和信息顯示在顯示設(shè)備上；伺服轉(zhuǎn)臺(tái)上的成像探測(cè)器（這里是可見(jiàn)光攝像機(jī)）獲取的場(chǎng)景視頻圖像通過(guò)綜合電纜發(fā)送到主控系統(tǒng)中的圖像處理器，圖像處理器對(duì)圖像進(jìn)行運(yùn)算分析，自動(dòng)識(shí)別和捕獲出現(xiàn)在圖像中的各種目標(biāo)物體，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行屬性和參數(shù)計(jì)算，獲得目標(biāo)威脅度參數(shù)，發(fā)送給主控系統(tǒng)進(jìn)行告警處理，同時(shí)將計(jì)算得到的目標(biāo)視頻信息以及各種位置和運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)視頻電纜發(fā)送到圖像顯示器處，由顯示裝置進(jìn)行目標(biāo)圖像顯示或者添加視頻信息顯示；主控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某目標(biāo)超出告警閾值后，觸發(fā)告警裝置，通知操作人員處置，操作人員通過(guò)人機(jī)交互裝置進(jìn)行危險(xiǎn)處置。

3 雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖形成和顯示關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于序列圖像的拼接

基于視頻序列的數(shù)字圖像拼接是指具有重疊區(qū)的多幀視頻通過(guò)數(shù)字配準(zhǔn)和融合獲得單幅寬視場(chǎng)靜態(tài)全景圖或動(dòng)態(tài)全景圖，數(shù)字圖像拼接過(guò)程包括視頻圖像的獲取、預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)和圖像融合等步驟［9］。根據(jù)數(shù)字圖像拼接系統(tǒng)圖像輸出的類型來(lái)分類，基于視頻序列的圖像拼接可以分為基于視頻序列的靜態(tài)圖像拼接和基于視頻序列的動(dòng)態(tài)圖像拼接［9］。

多幀圖像拼接時(shí)存在累積誤差是基于視頻序列拼接的普遍問(wèn)題。配準(zhǔn)算法的主要目的是為了減小或消除多幀圖像拼接時(shí)的累積誤差［9］。R.Marzotto［10］等提出了一種利用視頻序列采用仿射變換方法自動(dòng)構(gòu)建全景拼接圖像的方法，通過(guò)全局配準(zhǔn)減小了配準(zhǔn)積累誤差，生成超分辨率全景圖像。Dae－Woong Kim［11］等提出一種采用有序塊匹配的快速全局拼接算法。通過(guò)引入像素點(diǎn)特征的非確定性信息，用規(guī)則間隔的柵格特征替代角點(diǎn)特征和線結(jié)構(gòu)，采用最短路徑搜索（Shortest－path Search，SSPS）算法以有序方式尋找精確的全局匹配。

圖2 改進(jìn)的SIFT算法的圖像配準(zhǔn)結(jié)果Fig.2 Registration result using the improved SIFT

本文采取的是基于改進(jìn)SIFT算法進(jìn)行視頻圖像的配準(zhǔn)和拼接［12－14］。由于本文主要闡述的是雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖的生成和顯示過(guò)程，全景圖的拼接和顯示只是其中一個(gè)步驟，在這里將不再贅述。圖2是本文采用的改進(jìn)SIFT算法進(jìn)行圖像配準(zhǔn)的結(jié)果。

3.2 全景圖的顯示

拼接過(guò)程沒(méi)有考慮存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的情況，僅對(duì)靜止背景有效，若存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，可以采用對(duì)背景和前景分層表示的全景圖技術(shù)：將根據(jù)主運(yùn)動(dòng)分析方法檢測(cè)出的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)從各幀中去除后得到的靜止背景圖，使用窄條拼接方法生成靜止的背景全景圖，而將各幀檢測(cè)得到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)單獨(dú)存儲(chǔ)為前景圖，然后根據(jù)用戶瀏覽全景圖的時(shí)刻來(lái)將對(duì)應(yīng)幀的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)鑲嵌到背景全景圖上。

為了在使用單個(gè)攝像機(jī)的條件下，在大視場(chǎng)范圍內(nèi)檢測(cè)并跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，就需要控制攝像機(jī)云臺(tái)掃描整個(gè)視場(chǎng)，此時(shí)場(chǎng)景中原本靜止的背景及運(yùn)動(dòng)物體在攝像機(jī)的視頻中都是運(yùn)動(dòng)的，因而要監(jiān)測(cè)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，基本的方法是首先依據(jù)某種運(yùn)動(dòng)模型估計(jì)背景運(yùn)動(dòng)（主運(yùn)動(dòng)），然后將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)作為相對(duì)于背景運(yùn)動(dòng)的出格點(diǎn)檢測(cè)出來(lái)。

3.3 目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤

室外場(chǎng)景和目標(biāo)的復(fù)雜性使得現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤算法準(zhǔn)確性較低、魯棒性較差、處理能力較弱，需要進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，降低虛警率，提高跟蹤的適應(yīng)性，避免誤跟蹤。

3.3.1 目標(biāo)檢測(cè)

對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，現(xiàn)有方法往往在處理以下兩種情況時(shí)顧此失彼：一種情況是準(zhǔn)確檢測(cè)到慢速目標(biāo)或運(yùn)動(dòng)著的小目標(biāo)，另外一種情況是排除樹(shù)枝葉晃動(dòng)等背景擾動(dòng)，以及霧氣、沙塵等噪聲干擾。這兩種情況在處理上的矛盾造成目標(biāo)檢測(cè)在準(zhǔn)確性和魯棒性上不能取得令人滿意的效果。一個(gè)可行的發(fā)展方向就是結(jié)合像素點(diǎn)的時(shí)空相關(guān)性，并挖掘視頻場(chǎng)景蘊(yùn)含的信息，提高運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的層次，把檢測(cè)從像素點(diǎn)層面提升到語(yǔ)義理解層面，從而更好地去除干擾，準(zhǔn)確檢測(cè)到各種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。相鄰幀差法是模式識(shí)別傳統(tǒng)算法之一，由于算法簡(jiǎn)單、易在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，故本文采取相鄰幀差法進(jìn)行目標(biāo)的檢測(cè)。

3.3.2 目標(biāo)跟蹤

現(xiàn)有的目標(biāo)跟蹤算法一般適用于簡(jiǎn)單背景下的機(jī)動(dòng)目標(biāo)，或者針對(duì)某一類特定目標(biāo)，在復(fù)雜背景下以及存在多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、目標(biāo)被遮擋、目標(biāo)作無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)以及形變時(shí)難以進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確、穩(wěn)健的跟蹤。充分學(xué)習(xí)目標(biāo)的有效特征并建立特征的描述，挖掘各種特征之間的互補(bǔ)性，利用多特征融合提高跟蹤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性，進(jìn)而與人類感知結(jié)合來(lái)提升目標(biāo)跟蹤的層次，這是目標(biāo)跟蹤的一個(gè)發(fā)展方向。粒子濾波算法由于其良好的性能及算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域，本文采用改進(jìn)的粒子濾波方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的跟蹤［15］。

本文選取1組視頻流作為測(cè)試圖像進(jìn)行跟蹤算法性能的測(cè)試，全部測(cè)試序列的幀率為25幀／s，這些測(cè)試中包含了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)，局部遮擋等復(fù)雜情況，實(shí)驗(yàn)在 Windows XP平臺(tái)上用Visual C＋＋6.0編程實(shí)現(xiàn)，選擇其中的幾幀以及目標(biāo)跟蹤結(jié)果，如圖3所示。從圖中可知，當(dāng)目標(biāo)（（a））被部分甚至全部遮擋時(shí)（（b）－（e）），改進(jìn)粒子濾波以犧牲幾幀（不超過(guò)10幀）為代價(jià)（（f）－（h）），通過(guò)不斷更新模板的值對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得以重新捕獲目標(biāo)（（i）），可見(jiàn)改進(jìn)粒子濾波跟蹤算法對(duì)于目標(biāo)被遮擋的復(fù)雜情況具有很好的預(yù)測(cè)及跟蹤效果，并通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，可以應(yīng)用于實(shí)際光電跟蹤系統(tǒng)中［15］。

圖3 目標(biāo)發(fā)生遮擋的復(fù)雜情況下的跟蹤結(jié)果Fig.3 Result images when object was occluded

3.4 基于圖像處理方法的目標(biāo)測(cè)距

在圖1中的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的巡視過(guò)程中，成像探測(cè)器（這里采用的是可見(jiàn)光攝像機(jī)）不斷獲取周?chē)鷪?chǎng)景圖像，同時(shí)圖1中的圖像處理器對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理和識(shí)別，不斷檢測(cè)視場(chǎng)內(nèi)是否有機(jī)動(dòng)目標(biāo)存在，當(dāng)在某個(gè)視場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)到目標(biāo)后，進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，可持續(xù)獲取目標(biāo)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)處的圖像跟蹤結(jié)果。為了進(jìn)行目標(biāo)告警，需要獲取已探測(cè)到的目標(biāo)的方位坐標(biāo)。

本文以小型艦船預(yù)警跟蹤系統(tǒng)為例，說(shuō)明如何基于圖像處理方法進(jìn)行目標(biāo)測(cè)距。如圖4所示，在水平面內(nèi)，建立以光電探測(cè)器當(dāng)前位置為坐標(biāo)原點(diǎn)（即系統(tǒng)所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)）的坐標(biāo)系，Y軸指向正北方向。

圖4 目標(biāo)跟蹤坐標(biāo)系示意圖Fig.4 Coordinate system of object tracking

當(dāng)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到某一角度后，圖像處理器在圖像內(nèi)識(shí)別出一個(gè)目標(biāo)，則通過(guò)圖像中目標(biāo)脫靶量的計(jì)算和視角換算，可以得到當(dāng)前目標(biāo)的方位（航向）角α（實(shí)際上由于轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在艦船上，這個(gè)α等于艦船當(dāng)前航行角α1和轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角α2之和）。為了確定當(dāng)前識(shí)別和跟蹤的目標(biāo)在建立的坐標(biāo)系內(nèi)的具體方位坐標(biāo)，從圖4中可見(jiàn)，還需要知道當(dāng)前艦船與被識(shí)別目標(biāo)的距離D。

由于本系統(tǒng)相對(duì)被跟蹤目標(biāo)來(lái)說(shuō)，屬于單目觀察，理論上是無(wú)法通過(guò)目標(biāo)跟蹤解算出與被跟蹤目標(biāo)的距離的。這里我們采用以下方法來(lái)單目估算目標(biāo)距離：由于我們目前針對(duì)的是艦船目標(biāo)，而各種艦船目標(biāo)的尺寸是大致已知的，因此，通過(guò)圖像處理器對(duì)目標(biāo)的識(shí)別，可大致將目標(biāo)船只的種類確定下來(lái)，根據(jù)預(yù)輸入的各種已知艦船的典型尺寸，我們即可換算出此時(shí)所在艦船與被跟蹤目標(biāo)的距離，如圖5所示。

從圖6中可知，鏡頭焦距f已知，被測(cè)目標(biāo)在圖像中的像長(zhǎng)可通過(guò)圖像跟蹤器測(cè)算出來(lái)，被測(cè)目標(biāo)船只的典型尺寸L也已知，則可以粗略計(jì)算出當(dāng)前被測(cè)目標(biāo)的距離D。

圖5 目標(biāo)距離的計(jì)算Fig.5 Calculation of the object distance

至此，我們可得到在圖5所建立的坐標(biāo)系內(nèi)，被測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)參數(shù)（α，D），因而，相對(duì)于當(dāng)前所在艦船的坐標(biāo)即可計(jì)算出來(lái)。我們?cè)谀繕?biāo)跟蹤的每一幀圖像中，均進(jìn)行此計(jì)算，則可得到諸如目標(biāo)的軌跡、速度、加速度等各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

圖6 雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖綜合顯示示意圖Fig.6 Radar warning situation map（RWSM）

4 雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖的生成和顯示

4.1 目標(biāo)態(tài)勢(shì)生成

4.1.1 全景圖拼接生成

系統(tǒng)在完成一次360°全方位掃描過(guò)程中，成像系統(tǒng)不斷采集圖像，當(dāng)一個(gè)周期的掃描完成后，形成一個(gè)全方位圖像序列。在掃描過(guò)程中，圖像處理器將根據(jù)2.4所述的方法實(shí)時(shí)計(jì)算出每幅圖像成像時(shí)對(duì)應(yīng)的光軸角度數(shù)據(jù)（包括俯仰、方位兩個(gè)角度方向）。由圖像處理器將該一個(gè)周期圖像序列中的單幀，結(jié)合各幀角度信息，利用圖像拼接技術(shù)，逐幀依次拼接成一幅全景圖像。由于該全景圖像覆蓋了360°全景范圍，因此一般拼接而成的圖像為一個(gè)圓形圖像區(qū)域。一個(gè)360°掃描周期，形成一幅全景圖像，送往顯示系統(tǒng)顯示到雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖上。

4.1.2 全景目標(biāo)編批軌跡

在一次360°全方位掃描過(guò)程中，當(dāng)每幅圖像采集成功后，送往圖像處理器，圖像處理器對(duì)此圖像進(jìn)行單幀實(shí)時(shí)圖像處理，在圖像中自動(dòng)捕獲和跟蹤出現(xiàn)的目標(biāo)，并記錄對(duì)應(yīng)目標(biāo)位置。在生成的全景拼接圖中，伴隨每單幀圖像的位置的全景視場(chǎng)變換，與該幀圖像對(duì)應(yīng)檢測(cè)出的目標(biāo)位置也經(jīng)過(guò)同樣的視場(chǎng)變換，從而形成在全景拼接圖中的目標(biāo)位置。在連續(xù)的全景圖序列中，圖像處理器根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行整體編批，并進(jìn)行目標(biāo)軌跡的擬合和預(yù)測(cè)，從而形成目標(biāo)的軌跡圖。

4.1.3 目標(biāo)態(tài)勢(shì)生成

在前述的目標(biāo)編批和軌跡生成過(guò)程中，進(jìn)入掃描區(qū)域的每一個(gè)目標(biāo)均被捕獲和跟蹤，可以計(jì)算每一個(gè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可得到每個(gè)目標(biāo)的未來(lái)某時(shí)刻的位置預(yù)測(cè)。目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡加上未來(lái)時(shí)刻預(yù)測(cè)位置軌跡，即可形成某目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)態(tài)勢(shì)。

4.1.4 詳查目標(biāo)圖像和視頻生成

在人工選擇需詳查目標(biāo)，或系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)出高危險(xiǎn)警告目標(biāo)時(shí)，圖像處理器根據(jù)指定目標(biāo)在全景圖中的位置信息，換算到原360°單幀圖像序列，從其中抽取出包含該詳查目標(biāo)的對(duì)應(yīng)圖像幀，同時(shí)提取該幀圖像對(duì)應(yīng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)光軸角度、目標(biāo)跟蹤位置等信息。在選定詳查目標(biāo)后，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到該詳查目標(biāo)區(qū)域，圖像處理器將該目標(biāo)的測(cè)距數(shù)據(jù)同樣記錄到該目標(biāo)的跟蹤信息中。在每一周期360°全方位掃描序列圖像中，提取一幅單幀圖像，則連續(xù)周期情況下，即形成一個(gè)對(duì)應(yīng)該詳查目標(biāo)的連續(xù)單幀圖像序列，以此序列形成連續(xù)視頻，即形成詳查目標(biāo)連續(xù)監(jiān)視和跟蹤視頻。

4.2 目標(biāo)態(tài)勢(shì)顯示

4.2.1 全景圖顯示

圖像處理系統(tǒng)生成的360°全景圖像，顯示在左側(cè)圓形區(qū)域中，作為該區(qū)域的最底層顯示背景，每個(gè)掃描周期更新一次。其他信息透明疊加在此圖像上層。在全景圖中心位置設(shè)置告警區(qū)域線標(biāo)注，由用戶設(shè)置告警區(qū)域大小，用于進(jìn)行自動(dòng)告警目標(biāo)標(biāo)注和警告提醒。

4.2.2 目標(biāo)圖像態(tài)勢(shì)圖顯示

圖像處理系統(tǒng)檢測(cè)出的目標(biāo)，被分別編批跟蹤，將這些編批目標(biāo)的歷史運(yùn)動(dòng)軌跡顯示到全景圖上，包括其未來(lái)某時(shí)刻的預(yù)測(cè)位置，并將對(duì)應(yīng)某目標(biāo)的全部運(yùn)動(dòng)位置，連接為連續(xù)曲線，從而形成目標(biāo)態(tài)勢(shì)圖。仿照電磁波雷達(dá)的顯示方式，態(tài)勢(shì)圖中反應(yīng)了目標(biāo)的方位信息和距離信息，雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖是一個(gè)示意圖，其中采用目標(biāo)的方位角度和距離信息，繪制與電磁波雷達(dá)一致的圖形，并按照距離標(biāo)注，可以清晰地觀察目標(biāo)與本觀測(cè)點(diǎn)之間的位置信息。態(tài)勢(shì)圖中的特殊目標(biāo)標(biāo)注：1.詳查目標(biāo)：自動(dòng)標(biāo)注為醒目顏色，如采用藍(lán)色或黃色框框住目標(biāo)；2.告警目標(biāo)：根據(jù)圖像處理系統(tǒng)自動(dòng)目標(biāo)跟蹤和預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)于已進(jìn)入或?qū)⑦M(jìn)入告警區(qū)域的目標(biāo)，作為告警目標(biāo)，自動(dòng)標(biāo)注為紅色，并閃爍提醒。

4.2.3 目標(biāo)詳察顯示

對(duì)于選擇的詳查目標(biāo)，在左側(cè)目標(biāo)圖像態(tài)勢(shì)圖中，標(biāo)注為醒目顏色，以與其他目標(biāo)進(jìn)行區(qū)別。在右側(cè)目標(biāo)詳查顯示區(qū)域，顯示該目標(biāo)的詳查視頻圖像，此視頻圖像為圖像處理系統(tǒng)在掃描過(guò)程中提取的光電原始圖像。詳查視頻圖像中的信息顯示：1.在目標(biāo)跟蹤位置疊加該目標(biāo)的跟蹤窗口；2.顯示目標(biāo)的當(dāng)前位置信息（方位、俯仰）；3.顯示目標(biāo)的距離信息（根據(jù)數(shù)字圖像處理方法測(cè)距結(jié)果）。

4.2.4 雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖綜合態(tài)勢(shì)顯示

結(jié)合目標(biāo)的距離、方位、軌跡等信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，狀態(tài)估計(jì)等，自動(dòng)在態(tài)勢(shì)圖上自動(dòng)標(biāo)繪顯示，生成綜合態(tài)勢(shì)。在綜合信息顯示區(qū)域顯示進(jìn)入視場(chǎng)所有目標(biāo)隊(duì)列；進(jìn)入視場(chǎng)的所有目標(biāo)，已被圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)捕獲和跟蹤，并編批和軌跡預(yù)測(cè)，這里按照目標(biāo)的威脅等級(jí)，依次顯示目標(biāo)的各種綜合數(shù)據(jù)參數(shù)，包括：目標(biāo)編號(hào)、當(dāng)前位置（俯仰、方位）、距離、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、加速度等。告警和詳查目標(biāo)綜合信息，對(duì)于進(jìn)入告警區(qū)域的目標(biāo)，以及用戶選擇的詳查目標(biāo)，作為重點(diǎn)目標(biāo)看待，同樣依次按照威脅等級(jí)顯示其綜合信息。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 跟蹤畫(huà)面Fig.7 Tracking image

在自行設(shè)計(jì)的小型艦船預(yù)警跟蹤系統(tǒng)中采用了本文所述方法來(lái)形成雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖。如圖7～圖9所示。圖7顯示了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟蹤圖像，上面疊加了計(jì)算所得的目標(biāo)方位及運(yùn)動(dòng)信息；圖8是跟蹤多個(gè)目標(biāo)所計(jì)算獲得的每個(gè)目標(biāo)的船型、速度、航向等態(tài)勢(shì)信息，并形成了雷達(dá)態(tài)勢(shì)圖，并根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警策略，報(bào)告目標(biāo)的威脅程度，圖中的紅色虛線為人為設(shè)定的警戒線，一旦有其他物體（觀察的目標(biāo)）運(yùn)動(dòng)進(jìn)入了警戒線內(nèi)，系統(tǒng)便啟動(dòng)告警裝置進(jìn)行預(yù)警；圖9是小型艦船預(yù)警系統(tǒng)中的雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖綜合顯示圖，分為雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖區(qū)域、系統(tǒng)設(shè)置區(qū)域、圖像測(cè)距結(jié)果顯示區(qū)域、跟蹤模式選擇區(qū)域、系統(tǒng)狀態(tài)顯示區(qū)域等多個(gè)信息顯示區(qū)域。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試表明，本文提出的方法能夠較準(zhǔn)確的估計(jì)出目標(biāo)的距離，保證了系統(tǒng)跟蹤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

圖8 告警態(tài)勢(shì)圖Fig.8 Radar warning situation map

圖9 小型艦船預(yù)警系統(tǒng)中的雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖綜合顯示Fig.9 RWSM in small ship alert system

5 結(jié) 論

本文提出了一種目標(biāo)態(tài)勢(shì)顯示方法。采用一種數(shù)字圖像處理及模式識(shí)別算法相結(jié)合的技術(shù)來(lái)模擬光電雷達(dá)的測(cè)距作用，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)測(cè)距的效果。采用可見(jiàn)光探測(cè)裝置來(lái)被動(dòng)地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，獲取目標(biāo)的視頻圖像和方位信息，并通過(guò)目標(biāo)識(shí)別及跟蹤的方法來(lái)獲取目標(biāo)距離信息，生成目標(biāo)的態(tài)勢(shì)信息，結(jié)合全景圖成像技術(shù)，通過(guò)雷達(dá)告警態(tài)勢(shì)圖的方式在顯示設(shè)備上實(shí)時(shí)顯示、告警，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)態(tài)勢(shì)的正確感知、情況顯示及匯報(bào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法簡(jiǎn)單有效，但是仍需在目標(biāo)識(shí)別技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)，以提高目標(biāo)的識(shí)別準(zhǔn)確率。

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