基于发布订阅结构的计算机视觉跟踪研究

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1、书书书第 卷第期 年月计 算 机 学 报 收 稿 日 期： ；最 终 修 改 稿 收 到 日 期： 本 课 题 得 到 国 家 自 然 基 金（ ）及 国 家 科 技 重 大 专 项 基 金（ ）资 助刘 海 洋，男， 年 生，博 士 研 究 生，研 究 方 向 为 计 算 机 科 学、图 像 处 理、信 息 分 发 ： 刘 元 安，男， 年 生，博 士，教 授，研 究 领 域 为 移 动 通 信、无 线 接 入、 、电 磁 兼 容 技 术高 锦 春，女， 年 生，博 士，教 授，研 究 领 域 为 计 算 机 应用、无 线 通 信、通 信 可 靠 性马 晓 雷，男， 年 生，博 士，研 究

2、方 向 为 中 间 件、移 动 网 络、 刘 春 旭，男， 年 生，博 士 研 究 生，研 究 方向 为 信 息 分 发基 于 发 布 订 阅 结 构 的 计 算 机 视 觉 跟 踪 研 究刘 海 洋刘 元 安高 锦 春马 晓 雷刘 春 旭（北 京 邮 电 大 学 安 全 生 产 智 能 监 控 北 京 市 重 点 实 验 室北 京 ）摘要文 中 报 道 了 使 用 发 布 订 阅 中 间 件 搭 建 的 一 个 跟 踪 系 统，通 过 单 摄 像 头 采 集 图 像，经 过 分 析 处 理，计 算 出 运动 物 体 的 相 对 位 置，同 时 控 制 摄 像 头 转 动，对 运 动 物 体

3、进 行 实 时 追 踪整 个 系 统 主 要 包 括个 方 面，以 发 布订 阅 为中 心 结 构 连 接个 子 系 统、目 标 获 取、目 标 跟 踪、采 集 摄 像 头 控 制文 中 为 卡 尔 曼 滤 波 定 义 了 新 的 向 量，预 测 目 标 运动 趋 势；根 据 物 体 的 运 动 信 息 自 行 设 计 了 摄 像 头 控 制 程 序算 法 有 充 分 的 理 论 依 据 和 实 验 验 证关 键 词发 布 订 阅；视 觉 追 踪；背 景 减 除； ；卡 尔 曼 滤 波 器中 图 法 分 类 号 犇 犗 犐号： 犆 狅 犿 狆 狌 狋犲 狉 犞 犻狊犻狅 狀 犜 狉 犪 犮 犽

4、 犻 狀 犵 犛 狋 狌 犱 狔犻 狀 犵 犅 犪 狊 犲 犱 狅 狀 犘 狌 犫 犾犻狊 犺犛 狌 犫 狊 犮 狉犻 犫 犲 犛 狋狉 狌 犮狋 狌 狉 犲 （犅 犲犻犼犻 狀 犵 犓 犲 狔 犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔 狅 犳 犠 狅 狉 犽 犛 犪 犳 犲狋 狔 犐 狀 狋犲犾犾犻 犵 犲 狀 狋 犕 狅 狀 犻狋 狅 狉犻 狀 犵，犅 犲犻犼犻 狀 犵 犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊犻狋 狔 狅 犳 犘 狅 狊狋狊 犪 狀 犱 犜 犲犾犲 犮 狅 犿 犿 狌 狀 犻犮 犪 狋犻 狅 狀 狊，犅 犲犻犼犻 狀 犵 ）犃 犫 狊狋狉 犪 犮狋 （ ） ， ， ， ， （） ；（）

5、； （） 犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊 ； ； ； ； 引言视 觉 跟 踪 是 计 算 机 研 究 领 域 中 的 一 个 重 要 课题，是 指 对 图 像 序 列 中 的 运 动 目 标 进 行 检 测、提 取、识 别 和 跟 踪，获 得 运 动 目 标 的 运 动 参 数，如 位 置、速度 以 及 运 动 轨 迹，从 而 进 一 步 处 理 与 分 析，实 现 对 运动 目 标 的 追 踪本 文 采 用 了 发 布 订 阅 机 制 把 整 个 系统 分 成部 分，第个 子 系 统 只 负 责 由 外 部 采 集 设备 中 不 断 地 从 视 频 中 采 集 帧；第个 子 系 统 由 多

6、台工 作 站 组 成，从 发 布 订 阅 中 间 件 中 获 得 采 集 帧 进 行图 像 处 理，计 算 运 动 物 体 的 位 置 信 息 及 运 动 趋 势；第个 子 系 统 是 一 台 负 责 控 制 摄 像 头 的 工 作 站，根 据第个 子 系 统 分 析 出 的 矢 量 数 据，控 制 摄 像 头 保 持对 运 动 物 体 的 跟 踪本 文 第节 主 要 介 绍 在 视 频 监 控 系 统 中 使 用 的发 布 订 阅 结 构；第节 阐 述 对 采 集 图 像 所 进 行 的 预处 理；第节 介 绍 在 目 标 跟 踪 中，如 何 构 建 向 量，使用 线 性 卡 尔 曼 滤 波

7、 预 测 目 标 的 运 动 趋 势；第节 介绍 控 制 摄 像 头 的 算 法 程 序；第节 给 出 具 体 的 实 验过 程，通 过 对 实 验 结 果 的 分 析，证 明 结 构 和 算 法 的 正确 性；第节 总 结 全 文 发 布 订 阅 构 架由 于 视 觉 跟 踪 中 图 像 处 理 计 算 量 大，如 果 把 采集 系 统、分 析 系 统、控 制 系 统 放 在 一 台 服 务 器 上，很难 保 证 跟 踪 过 程 中 的 实 时 性以 数 据 为 中 心 的 发 布订 阅系 统 主 要 的 特 点 包 括 松 耦 合 性 和 实 时 性，正好 可 以 满 足 视 觉 跟 踪

8、系 统 的 结 构采 集 节 点 作 为 原始 图 像 发 布 者，不 断 地 向 分 析 节 点 发 送 图 像；分 析 节点 得 到 原 始 图 像 后 分 析 当 前 运 动 物 体 位 移 和 运 动 趋势，再 以 发 布 者 的 身 份 发 布 数 据 到 控 制 节 点；控 制 节点 得 到 信 息 后 对 采 集 设 备 进 行 控 制发 布 订 阅 结 构可 以 采 用 （ ）规 范 进 行构 建（ 是 对 象 管 理 组 织 的 有 关 分 布 式实 时 系 统 中 数 据 发 布 的 一 个 规 范） 以 数 据 为中 心 来 进 行 数 据 分 发，用 参 数 对 资 源

9、 状 况、期待 程 度、网 络 情 况 等 进 行 描 述，提 高 系 统 的 灵 活 性图 由 发 布 订 阅 结 构 搭 建 的 视 频 跟 踪 结 构在 研 究 过 程 中，遇 到 实 时 性 和 各 流 程 间 的 并 行处 理 问 题，经 多 方 调 研 分 析，本 文 提 出 了 采 用 实 时 发布 订 阅机 制 构 建 系 统，适 用 于 采 用 多 终 端 视 频 采集 设 备 的 环 境，部 署 集 中分 布 式 视 觉 追 踪 构 架，消除 过 程 间 的 依 赖 性，此 方 法 有 如 下 优 势：（）摄 像 头 采 集 图 像 的 速 度 远 远 大 于 进 行 图

10、像分 析 的 速 度如 果 只 有 一 台 工 作 站 分 析 图 像，很 可 能在 分 析 过 程 中，大 量 新 采 集 到 的 实 时 图 像 被 遗 漏；如果 采 用 几 台 工 作 站 协 同 进 行 图 像 分 析，因 为 图 像 分析 算 法 的 处 理 时 间 不 确 定，图 像 采 集 系 统 不 能 按 照顺 序 发 送 数 据，同 时 还 要 考 虑 网 络 连 接、图 像 重 发、选 择 图 像 处 理 工 作 站 等 问 题在 图 像 采 集 端 和 图 像分 析 端，增 加 一 个 发 布 订 阅 中 间 件 可 以 降 低 整 个 系统 的 复 杂 度，多 个 工

11、 作 站 可 平 衡 图 像 分 析 的 负 载（）在 增 加 发 布 订 阅 中 间 件 后，控 制 系 统 不 用再 考 虑 数 据 的 来 源，直 接 从 中 间 件 中 取 得 最 新 的 数据 源 的 位 置，取 得 最 新 的 数 据，保 证 了 控 制 的 实 时 性与 连 续 性（）这 种 结 构 设 计 有 很 好 的 扩 充 性，可 以 根 据所 采 用 摄 像 头 的 功 能，增 加 其 它 的 实 际 要 求，只 需 简单 的 扩 充 其 它 图 像 分 析 功 能 的 工 作 站，配 置 发 布 订阅 主 题 控 制 端 增 加 一 点 逻 辑，就 可 以 改 进 系

12、 统本 文 只 讨 论 根 据 运 动 物 体 的 位 移 方 面 的 需 求，进 行 云 台 的 控 制，如 果 需 要 添 加 新 的 功 能，例 如：对于 多 目 的 视 觉 跟 踪 系 统，根 据 运 动 物 体 的 像 素 数，调整 摄 像 头 的 焦 距，都 可 以 在 这 种 系 统 结 构 下 很 轻 松的 改 造 升 级 目 标 检 测 与 跟 踪 分 析首 先 要 对 采 集 的 图 像 进 行 预 处 理，包 括 边 缘 处理、高 斯 平 滑图 像 经 过 处 理 后，通 过 背 景 差 的 方 法，分 离 运 动 目 标背 景 差 法 的 第步 是 在 背 景 稳 定

13、且没 有 物 体 进 入 检 测 范 围 时，采 集 连 续 的 背 景 序 列 图像，通 过 计 算 每 帧 平 均 值 的 算 法 建 立 背 景 模 型经过 背 景 差 得 到 的 运 动 目 标 区 域，由 于 光 线 的 原 因 常连 带 着 一 些 阴 影，所 以 需 要 通 过 阴 影 检 测，将 阴 影分 离 开，让 目 标 跟 踪 的 更 加 准 确经 过 阴 影 祛 除 后，可 以 较 精 确 地 确 定 运 动 目 标点将 采 集 的 图 像 转 化 为 图 像，分 离通 道 建 立 彩 色 直 方 图，给 跟 踪 算 法 提 供判 断 依 据 算 法 的 基 础 是 均

14、 值 移 位 算 法 算 法，又 称 均 值 移 位 算 法，是 一 个 非 常实 用 的 进 行 局 部 最 优 解 求 取 的 算 法，具 有 快 速 高 效的 特 点，从 候 选 目 标 中 找 到 最 接 近 已 给 定 的 目 标 模型 算 法 是 一 种 密 度 函 数 估 计 的 非 参 数方 法，它 依 据 概 率 分 布 的 梯 度 寻 找 最 近 的 极 值，基 于目 标 的 颜 色 概 率 分 布 信 息 进 行 快 速 有 效 的 跟 踪，还可 以 有 效 地 去 除 序 列 图 像 中 的 噪 声 及 干 扰，算 法 鲁棒 性 好 算 法 在 视 觉 跟 踪 中，采

15、用 不 断 调 整区 域 质 心，使 质 心 不 断 地 趋 近 于 获 取 区 域 的 中 心 位置，来 达 到 跟 踪 目 的计 算 出 搜 索 区 域 的 质 心 位 置后，把 搜 索 窗 口 的 中 心 位 置 移 到 质 心 位 置，根 据 新 的中 心 位 置 再 计 算 质 心，不 断 地 迭 代 计 算，直 到 计 算 出的 质 心 收 敛此 时 检 测 设 备 就 锁 定 了 跟 踪 目 标搜 索窗 口 的 质 心 位 置 可 以 由 零 阶 矩 和 一 阶 矩 确 定零 阶 矩 的 计 算 公 式：犿 狓狔犐（狓，狔）（）狓和狔的 一 阶 矩 计 算：计 算 机 学 报 年

16、犿 狓狔狓 犐（狓，狔）犿 狓狔狔 犐（狓，狔烅烄烆）（）搜 索 窗 口 的 质 心 计 算：狓犮犕 犕 狔犮犕 犕烅烄烆 （）连 续 自 适 应 的 算 法（即 算法）在 跟 踪 过 程 中 可 以 不 断 地 调 整 搜 索 窗 口 的 大 小，保证 搜 索 窗 口 能 跟 随 采 集 物 体 图 像 的 面 积 的 变 化 而 变化，这 样 就 可 以 连 续 不 断 地 实 时 而 准 确 地 跟 踪 物 体计 算 在 采 集 图 像 中 已 被 匹 配 窗 口 的 二 阶 矩：狓，狔，狓 狔方 向 的 二 阶 矩犕 ，犕 ，犕 为犕 狓狔狓犐（狓，狔）犕 狓狔狔犐（狓，狔）犕 狓狔狓

17、 狔 犐（狓，狔烅烄烆）（）计 算个 运 算 参 数：犪犕 犕 狓犮犫 犕 犕 狓犮狔（）犮犮犕 犕 狔烅烄烆犮（）注犕 狓犮狔犮是 匹 配 成 功 后 窗 口（当 搜 索 窗 口 超出 采 集 图 像 的 边 界 时，需 要 对 窗 口 进 行 调 整 再 计 算）的 零 阶 矩 和狓 狔中 心搜 索 窗 口 的 追 踪 方 向 角 度、长 宽 为 犫犪（ ）犮犾犲 狀 犵 狋 犺（犪犮）犫（犪犮）槡槡狑 犻 犱 狋 犺（犪犮）犫（犪犮）槡槡烅烄烆（） 算 法 流 程 如 下： 初 始 化 搜 索 窗 口把 在 目 标 检 测 阶 段 获 得 的 坐 标 信息，处 理 为 矩 形 区 域，作

18、 为 初 始 的 搜 索 窗 口搜 索 窗 口 包 括 窗口 的 大 小、窗 口 在 整 个 图 像（原 始 图 像 的 反 向 投 影）的 位 置 提 取 搜 索 窗 口根 据 搜 索 窗 口 的 信 息 从 图 像 中 抽 取，需 要 计 算 的 矩 形 子 图 像 计 算 质 心 与 中 心获 取 搜 索 窗 口 的 宽 高 中 点 得 到 中心 位 置，质 心 通 过 一 阶 矩 比 零 阶 矩 的 方 法 获 得 改 变 搜 索 窗 口 信 息根 据 质 心 与 中 心 的 距 离 修 改 搜索 窗 口 的 信 息（主 要 是 搜 索 窗 口 在 图 像 中 位 置 的 信 息） ，

19、回 到第步 搜 索 完 成当 质 心 与 中 心 的 距 离 小 于 设 定 参 数，或 者程 序 已 经 完 成 了 给 定 的 执 行 次 数 时，退 出 搜 索 程 序 算 法 需 要 不 断 的 迭 代 计 算，以 上 一 个位 置 为 基 准，逐 步 匹 配 到 目 标 在 当 前 时 刻 出 现 的 位置为 了 提 高 系 统 效 率，需 要 引 用 一 个 预 估 器 对 目 标的 运 动 趋 势 进 行 预 测，计 算 出 在 下 一 时 刻 运 动 目 标可 能 出 现 的 位 置，以 此 位 置 为 基 准 进 行 迭 代 计 算，其中 卡 尔 曼 预 估 器就 是 一 个

20、 很 好 的 选 择 运 动 趋 势 预 测卡 尔 曼 滤 波 是 一 种 高 效 率 的 递 归 滤 波 器，能 够从 一 系 列 不 包 含 噪 声 的 测 量 中，估 计 动 态 系 统 的 状态卡 尔 曼 滤 波 器 由 一 系 列 递 归 数 学 公 式 描 述它 们提 供 了 一 种 高 效 可 计 算 的 方 法 来 估 计 过 程 的 状 态，并 使 估 计 均 方 误 差 最 小卡 尔 曼 滤 波 器 应 用 的 领 域广 泛 并 且 功 能 强 大，在 不 确 定 模 型 的 确 切 性 质 的 情况 下，不 但 能 估 计 信 号 过 去 和 当 前 的 状 态，还 能

21、估 计将 来 的 状 态卡 尔 曼 滤 波 器 用 反 馈 控 制 的 方 法 估 计 过 程 状态：滤 波 器 估 计 过 程 某 一 时 刻 的 状 态，然 后 以（含 噪声 的）测 量 变 量 的 方 式 获 得 反 馈因 此 卡 尔 曼 滤 波 器可 分 为 两 个 部 分：时 间 更 新 方 程 和 测 量 更 新 方 程时间 更 新 方 程 负 责 及 时 向 前 推 算 当 前 状 态 变 量 和 误 差协 方 差 估 计 的 值，以 便 为 下 一 个 时 间 状 态 构 造 先 验估 计测 量 更 新 方 程 负 责 反 馈，将 先 验 轨 迹 和 新 的 测量 变 量 结

22、合 构 造 改 进 的 后 验 估 计卡 尔 曼 滤 波 器 时 间 更 新 方 程（离 散） ：狓犽犃 狓犽 犅 狌犽 （）犘犽犃 犘犽 犃犙（）卡 尔 曼 滤 波 器 状 态 更 新 方 程（离 散） ：犓犽犘犽犎（犎 犘犽犎犚） （）狓犽狓犽犓犽（狕犽犎 狓犽）（ ）犘犽（犐犓犽犎）犘犽（ ）为 了 预 测 出 在 下 一 时 间，追 踪 目 标 的 位 置，需 要为 控 制 摄 像 头 系 统 提 供 位 移、速 度 信 息，将 向 量 定 义为 一 个 四 维 向 量：（犽）狓（犽） ，狏狓（犽） ，狔（犽） ，狏狔（犽） 狓（犽）为狓轴 方 向 位 移；狏狓（犽）为狓轴 方 向 速

23、度；狔（犽）为狔轴 方 向 位 移；狏狔（犽）为狔轴 方 向 速 度状 态 增 益 矩 阵 设 置 为犃 熿燀燄燅 ，犅 每 次 处 理 可 以 对 位移 进 行 预 测，并 且 对 向 量 不 进 行 额 外 控 制矩 阵 中 速度 设 置 为，表 示 以 每 次 采 集 间 隔 时 间 会 逐 渐 趋 近于 相 同犎 熿燀燄燅 ，测 量 值 设 置 为 单 位 矩 阵，对期刘 海 洋 等：基 于 发 布 订 阅 结 构 的 计 算 机 视 觉 跟 踪 研 究由 跟 踪 算 法 得 到 质 点 坐 标 以 及 物 体 的 速度 矢 量，不 再 进 行 别 的 加 工 处 理预 测 位 置狕犽

24、犃（犽） ，线 性 预 测 出 运 动 目 标出 现 的 位 置， 算 法 根 据 预 测 出 的 追 踪 目 标位 置，进 行 追 踪，可 以 提 高 匹 配 的 速 度，降 低 迭 代 的次 数，保 持 稳 定 的 跟 踪 状 态，并 且 使 每 次 的 运 算 时 间相 对 稳 定，可 以 反 过 来 为 卡 尔 曼 滤 波 的 稳 定 估 值 提供 帮 助目 前 在 研 究 卡 尔 曼 滤 波 预 测 的 视 觉 跟 踪 算 法 中向 量 只 是 定 义 了 两 个 位 置 坐 标 的 分 量，在 固 定 的 采集 设 备 中 是 可 以 满 足 需 要 的，但 并 不 扩 展 满 足

25、 自 动跟 踪 系 统，分 量 中 没 有 描 述 目 标 的 运 动 方 向 和 速 度，所 以 在 向 量 中 增 加 速 度 矢 量，并 加 以 完 善 分 析，是 本文 对 向 量 定 义 的 重 要 改 进：第 一，在 向 量 中，狏狓（犽） ，狏狔（犽）的 速 度 与 通 常 定 义 的 速 度 是 不 一 致 的，通 常 定义 速 度 是：距 离单 位 时 间（秒、分 或 小 时） ，而 在 这 里单 位 时 间 并 不 是 一 个 标 准 值，而 是 以 每 次 跟 踪 目 标的 处 理 时 间 为 单 位，运 动 目 标 在 采 集 图 像 中 移 动 了多 少 像 素因 此

26、，一 开 始 由 于 系 统 的 处 理 速 度 不 稳定，导 致 每 次 的 处 理 时 间 也 不 稳 定，所 以 每 次 采 集 到图 像 的 间 隔 时 间 也 不 同，而 导 致 物 体 在 每 次 处 理 期间 内 移 动 的 距 离 也 不 相 同但 是，随 着 卡 尔 曼 估 计 器的 估 计 误 差 越 来 越 稳 定，预 测 的 位 置 与 追 踪 目 标 的实 际 位 置 越 来 越 接 近，并 保 持 在 一 个 稳 定 的 范 围 时， 跟 踪 算 法 的 迭 代 次 数 也 会 保 持 稳 定，运 算时 间 也 就 会 接 近 一 个 常 量，从 而 保 证 了 每

27、 次 采 集 图像 中，追 踪 目 标 移 动 距 离 的 稳 定第 二，考 虑 控 制 摄像 头 转 动，使 物 体 保 持 在 监 控 范 围 内，需 要 使 用 速 度矢 量，因 为 位 移 信 息 只 能 表 示 物 体 当 前 的 位 置，而 不能 表 示 当 前 物 体 的 运 动 方 向 和 趋 势，控 制 系 统 可 据 此预 判 出 转 动 方 向 和 速 度，从 而 更 加 有 效 地 跟 踪 目 标 控 制 算 法本 文 除 了 部 署 系 统 的 新 构 架 和 改 进 运 动 目 标 向量，最 重 要 的 就 是 设 计 摄 像 头 控 制 算 法，首 先 要 维 持

28、运 动 目 标 不 脱 离 监 控 范 围，然 后 维 持 运 动 目 标 在 监控 坐 标 系 内 保 持 平 稳、连 续，保 证 视 觉 分 析 系 统 效 率和 准 确 性，对 于 非 固 定 视 频 采 集 设 备 场 景，有 长 远 的研 究 价 值 和 实 用 意 义控 制 算 法 需 要 运 动 目 标 的 速 度 矢 量，来 判 断 物体 的 运 动 趋 势，根 据 运 动 趋 势 控 制 云 台 转 动，调 整 检测 画 面 中 的 物 体 趋 近 于 中 心 位 置由 于 监 测 系 统 需自 动 地 从 静 止 开 始 捕 捉 到 目 标，再 保 持 跟 踪 目 标，所以

29、 控 制 云 台 转 动 速 度 的 快 慢 分 为 两 个 阶 段，一 个 是当 追 踪 系 统 捕 捉 到 运 动 目 标 新 的 位 置 和 速 度 时，对云 台 转 动 速 度 进 行 合 理 的 调 整另 一 个 是 在 控 制 系统 不 能 得 到 新 的 跟 踪 目 标 的 运 动 信 息 时，对 云 台 转动 速 度 进 行 保 守 的 调 整，使 物 体 的 成 像 逐 渐 趋 近 于中 心这 两 个 阶 段 是 必 不 可 少 的，需 要 在 刚 获 得 物 体的 运 动 信 息 处 于 相 对 准 确 时，迅 速 调 整 云 台 转 动 速度，保 持 和 运 动 物 体

30、之 间 的 运 动 趋 势 相 对 静 止，也 需要 在 没 有 新 的 信 息 时，维 持 物 体 仍 在 监 控 范 围 内，为下 一 次 的 追 踪 提 供 准 备整 个 控 制 系 统 以 监 控 中 心 为 坐 标 原 点，控 制 的预 期 目 标 就 是 使 运 动 目 标 位 置 趋 近 于 原 点，处 于 相对 静 止 的 位 置当 运 动 目 标 的 速 度 大 于时，说 明 目标 远 离 中 心，有 移 动 到 监 控 边 缘 的 趋 势，于 是 要 增 加摄 像 头 的 转 动 速 度，相 对 使 目 标 的 速 度 降 低，回 归 于原 点当 目 标 的 位 移 已 经

31、 处 于 监 控 边 缘，需 立 刻 调 整最 大 的 速 度，使 监 控 系 统 能 继 续 捕 捉 到 目 标当 运 动速 度 的 方 向 与 上 次 不 一 致，同 时 位 移 却 在 同 一 个 方向 时，说 明 目 标 运 动 与 采 集 设 备 转 动 处 于 相 对 静 止的 位 置这 是 由 于 控 制 采 集 设 备 是 数 字 量 输 出，很 难保 证 与 运 动 目 标 速 度 相 同，才 会 出 现 速 度 不 同，位 移方 向 相 同 的 情 况应 当 在 保 证 采 集 设 备 转 动 的 速 度不 变 的 情 况 下，在 当 前 的 控 制 流 程 中，略 微 调

32、 整 速度，慢 慢 使 目 标 趋 于 中 心 位 置控 制 算 法 如 下： （是 否 停 止 跟 踪）【取 得 位 置 信 息：坐 标 速 度】【计 算 运 动 目 标 距 离 中 心 位 置】新 采 集 位 置 ！上 次 位 置 运 动 目 标 速 度 【在 当 前 云 台 转 动 速 度 的 基 础 上 增 加 速 度】 【在 当 前 云 台 转 动 速 度 的 基 础 上 减 少 速 度】 运 动 物 体 处 于 监 控 范 围 边 缘 位 置 【大 幅 增 加 云 台 转 动 补 偿 速 度】 当 前 的 速 度 方 向 与 上 次 速 度 方 向 不 同 时牔 牔当前 位 移 方

33、 向 与 上 次 位 移 方 向 相 同 时 【根 据 当 前 的 位 置 提 供 云 台 转 动 速 度 的 补 偿 值】 根 据 当 前 运 动 目 标 相 对 于 中 心 的 距 离 对 采 集 设 备的 转 动 速 度 做 轻 微 补 偿【累 加 当 前 计 算 的 速 度 与 速 度 补 偿 值，将 云 台 的 转 动速 度、方 向 转 化 为 标 准 协 议，通 过 串 口 发 出】【记 录 当 前 的 移 动 速 度、距 离 中 心 位 移、物 体 在 图 像中 的 位 置，为 下 次 控 制 做 准 备】结 合 图 像 跟 踪 分 析 系 统 设 计 出 的 控 制 设 备 系

34、统，是 在 当 前 视 觉 追 踪 的 研 究 中 很 少 提 及 的，这 种 设计 显 然 有 更 好 的 实 用 价 值，形 成 一 个 完 整 的 系 统，因为 采 集 设 备 的 转 动 使 目 标 尽 量 保 持 在 中 心，减 少 了 此计 算 机 学 报 年次 位 置 与 下 次 位 置 之 间 的 距 离，可 以 提 高 算 法 的 效 率，即 增 加 了 跟 踪 效 率；由 于 采 集 设 备 的 自行 转 动，在 确 定 运 动 目 标 后，增 加 了 可 监 控 的 范 围而 且，由 于 自 动 调 节 转 动 速 度，可 以 极 大 地 减 少 由 于目 标 的 非 线

35、 性 运 动 而 引 起 的 卡 尔 曼 滤 波 估 算 错 误所 以 本 文 中 提 出 的 将 视 觉 跟 踪 系 统 与 控 制 系 统 整 体考 虑 的 方 案，是 非 常 有 实 际 意 义 的 实 验 验 证硬 件 环 境 使 用 了台 计 算 机 进 行 模 拟，台 计算 机 上 安 装 了 ，一 台 安 装 了 采 集 摄 像 头 使 用 ，该 摄 像 头 支 持 公 司 的 协 议，通 过 串口 可 对 摄 像 头 进 行 操 作 计 算 机 上 使 用 了 开 源 软 件，对 视 频 进 行 采 集 和 分 析一 台图 像 模 拟 采 集 工 作 站，一 台 模 拟 图 像

36、 分 析 工 作 站，一台 模 拟 设 备 控 制 工 作 站 计 算 机 上 安 装 了 开 源 软 件，模 拟 订 阅 发 布 系 统 的 结 构采 集 分 析 实 验 过 程 如 图 物 体 运 动 位 移 及 速 度 如 图 图（）是 根 据 手 的质 心 移 动 的 轨 迹，横 纵 坐 标 是 像 素 的 位 置图（）是每 次 采 集 分 析 运 动 物 体 移 动 像 素 的 个 数，当 物 体 刚进 入 检 测 范 围 时，由 于 控 制 算 法 为 使 运 动 物 体 在 监图 物 体 跟 踪 结 果 的 帧 截 图图 根 据 目 标 的 运 动 信 息 制 作 的 图 表期刘

37、 海 洋 等：基 于 发 布 订 阅 结 构 的 计 算 机 视 觉 跟 踪 研 究测 中 心 位 置，所 以 反 向 朝 物 体 转 动，导 致 一 开 始 的 速度 最 大经 过 运 动 趋 势 的 预 测，控 制 算 法 逐 渐 保 持 运动 物 体 在 监 测 中 心如 果 运 动 物 体 始 终 保 持 匀 速 运动，摄 像 头 通 过 一 定 的 速 率 转 动 可 实 时 跟 踪 到 运 动物 体，图（）是 当 运 动 物 体 改 变 运 动 速 度 时，调 整摄 像 头 的 转 动 速 度一 般 摄 像 头 的 转 动 控 制，不 能 做到 模 拟 量 输 出 的 精 确 控

38、制，只 能 设 置 数 字 量 为 转 动参 数，进 行 控 制图所 示 为 控 制 系 统 根 据 目 标 的 运动 信 息，判 断 出 以 开 关 量 输 出 的 数 值 控 制 速 度 转 动摄 像 头 速 度 补 偿 不 是 一 个 恒 定 的 速 度 设 置，每 次 只 对当 前 控 制 周 期 应 用 一 次，下 次 控 制 再 根 据 运 动 物 体的 位 移 情 况，进 行 判 断 补 偿主 要 应 用 在 两 种 情 况下： （）摄 像 头 转 动 的 速 度 已 经 与 物 体 的 速 度 保 持相 对 静 止，可 以 不 断 地 调 整 速 度 补 偿 使 监 控 中 心

39、 逐渐 靠 近 运 动 目 标； （）物 体 已 经 运 动 到 采 集 范 围 边界，必 须 紧 急 调 整 速 度，避 免 物 体 逃 离 监 控 范 围，不图 摄 像 头 转 动 的 速 度能 再 捕 捉 到 新 的 图 像图给 出 了 一 个 补 偿 示 意 图一 开 始 物 体 刚 出 现 在 检 测 范 围 边 缘 时，系 统 控 制 摄像 头 的 速 度 方 向 与 物 体 的 运 动 方 向 相 反，立 刻 捕 捉到 物 体在 运 动 平 稳 后 速 度 补 偿 只 有 几 次 变 化，是 在运 动 物 体 速 度 方 向 突 然 发 生 变 化 时 产 生 的图 摄 像 头

40、补 偿 速 度 的 调 整 结论本 文 基 于 发 布 订 阅 结 构 设 计 了 一 个 视 频 跟 踪 系统，多 个 研 究 问 题 结 合 在 一 起，搭 建 了 整 体 的 框 架，其 较 已 有 系 统 更 具 实 用 价 值：（）改 进 运 动 目 标 的 速 度 参 数为 采 集 时 间 间隔 内 移 动 的 像 素 数，调 整 了 当 前 研 究 中 速 度 是 以 秒为 单 位 移 动 的 距 离，使 卡 尔 曼 滤 波 器 更 加 适 用 于 图像 处 理 时 间 不 恒 定 的 情 况（）有 效 地 把 图 像 跟 踪 分 析 系 统 与 采 集 设 备 控制 系 统 结

41、 合 在 一 起，在 当 前 的 研 究 中，视 觉 跟 踪 理 论与 采 集 设 备 控 制 理 论 处 于 分 离 状 态，跟 踪 系 统 不 考虑 如 何 为 采 集 设 备 提 供 运 动 信 息，所 以 当 前 的 研 究只 提 供 目 标 的 位 移 信 息，而 不 考 虑 运 动 趋 势（速 度 矢量）同 时 已 有 采 集 系 统 理 想 地 认 为 每 次 都 可 以 得 到处 理 后 的 最 新 数 据，不 考 虑 运 动 信 息 未 及 时 更 新 或部 分 数 据 丢 失 的 情 况，因 此 本 文 的 控 制 算 法 很 好 地解 决 了 这 方 面 的 问 题（）创

42、 新 地 将 发 布 订 阅 机 制 应 用 于 视 觉 跟 踪 系统，可 以 更 好 地 协 调 采 集、分 析、控 制 子 系 统 的 运 行已 有 系 统 的 局 限 性 主 要 在 于 当 目 标 的 速 度 快 并且 非 线 性 运 动 时，控 制 系 统 快 速 地 调 整 方 向 及 转 动速 度，导 致 的 匹 配 速 度 降 低，卡 尔 曼 滤 波的 预 估 与 实 际 值 误 差 较 大解 决 跟 踪 非 线 性 快 速 移动 物 体 的 问 题，需 要 目 标 运 动 的 具 体 实 际 条 件 并 根据 情 况 建 立 模 型，设 计 特 定 的 算 法 进 行 搜 索

43、实 验 证明，本 系 统 是 一 个 实 时 性 好、扩 展 性 强、有 实 用 价 值的 视 频 跟 踪 系 统参考文献 ， ， ， ， ， （ ） ： （ ）（苑 洪 亮，史 殿 习，王 怀 民，邹 鹏内 容 发 布 订 阅 中 支 持 订 阅覆 盖 的 路 由 算 法 研 究计 算 机 学 报， ， （ ） ： ）计 算 机 学 报 年 ， ， （ ） ： ， ， ： ： ， ， ， ： ， ， ， ， （） ： ， ， ， ， ： ， ， ， （） ： ， ， ， ： ， ： ， ， ， ， ： ， ， （ ） ： ， ， ， ， ： 犔 犐 犝 犎 犪犻 犢 犪 狀 犵， ， ， ， 犔 犐 犝 犢 狌 犪 狀 犃 狀， ， ， ， ， ， 犌 犃 犗 犑犻 狀 犆 犺 狌 狀， ， ， ， ， 犕 犃 犡 犻犪 狅 犔 犲犻， ， ， ， 犔 犐 犝 犆 犺 狌 狀 犡 狌， ， 犅 犪 犮 犽 犵 狉 狅 狌 狀 犱 ， ， ， ， ， ， ， （ ） ， ， （ ） ， （ ） ， ， ， ， 期刘 海 洋 等：基 于 发 布 订 阅 结 构 的 计 算 机 视 觉 跟 踪 研 究