CN100544410C - 主动红外跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能跟踪系统，特别公开一种通过主动红外线确定目标物的方向和距离，在水平和俯仰两个自由度上识别和跟踪目标物，并控制承载于其上的摄像机自动变焦，从而实现自主拍摄。该系统能够自动跟踪拍摄单个目标物，也能跟踪拍摄多个目标物。固定在目标物上的红外发射器发射编码红外线，主机以此识别并定位目标物，计算得到摄像机对准目标物所需调整的水平、俯仰、焦距等参数，驱动相应执行机构工作，带动承载于主机上的摄像机自主拍摄。目标物距离或多个目标物的相对距离发生变化时，系统控制摄像机焦距作相应的调节以满足拍摄需要。该系统能被应用在家用摄像机智能拍摄、远程电视电话会议，视频监视、机器人视觉、新闻采访等诸多领域。

Description

主动红外跟踪系统

技术领域

本发明涉及一种智能跟踪系统，特别是公开一种通过主动红外线定位，在水平和俯仰两自由度内识别并跟踪目标物，并能判断目标物距离，使其承载的摄像机聚焦在单个或多个目标物上的系统。

背景技术

视频采集设备广泛应用于生活和生产的各个领域。大多数视频采集系统的成像器件，即摄像机或摄像头固定在支架上进行拍摄，有些情况下要由摄像师手持摄像机拍摄才能满足要求，如电影电视、新闻采访等。某些情况下，人们希望能有一种智能平台够承载摄像机自主拍摄，该平台能取代摄像师完成对目标物的跟踪和对焦的工作，从而使摄像机完成拍摄任务。研究发现，微型的，带自动识别和跟踪拍摄物的跟踪系统在民用和商业领域有着极广的应用前景。(1)家用摄像机智能拍摄。家用数码摄像机(DV)正以相当快的速度普及。拍摄家庭录像、旅游见闻、庆典聚会都离不开DV机。遗憾的是，DV机只能安装在三角架上拍摄，或者由专人手持拍摄，前者使得拍摄的视角和焦距只能是固定的，后者拍摄的那个家庭成员不能进入镜头。因此期望出现一种能够代替拍摄人拍摄录相的设备，它能自主的完成镜头的跟踪，调节焦距。这样智能化的家用设备应该是未来数字家电的重要一环。(2)远程电视电话会议。电视电话会议中，当镜头要给到讲话人时，需要专人将摄像机摇到讲话人位置，或在多个镜头间切换。如果使用微型视频跟踪系统，不需要专人控制只用一台摄像机就能完成对不同讲话人的跟踪。一个人讲完后，下一个人开启身上的微型发射器，摄像机就能自动对准这个人。(3)视频监视。目前的视频监视系统一般使用多个摄像头从不同角度进行监视。配备视频跟踪系统，可对特定的人或物体进行跟踪，从而突出目标物特征。(4)机器人视觉。具有视觉系统的机器人需要跟踪特定目标物，该系统能承载机器人的视觉传感器，让其总能准确指向目标物。

目前，应用于军事和科研领域的经纬仪视频采集系统，是根据采集的多光谱图像人工或自动识别目标物，控制转台转动，承载于转台之上的成像器件随之转动完成跟踪。自主经纬仪视频跟踪系统属于被动识别系统，设备庞大成本高，在国防等领域已有应用，但在民用和商业领域却鲜有应用。

民用和商用的微型主动视频跟踪系统不需要有军用系统的高精度和高性能，只要能在一定精度范围内满足需要，就要尽量缩减其成本、减小设备体积以及增强设备易用性和智能化。实际上这也是本系统的设计初衷。

具备上述功能的微型主动跟踪系统还没有民用和商业领域的应用。由此可见，相关产品目前是一个空白，并且有着较广的需求前景。

发明内容

该系统尺寸比家用DV机小，能够被安装在三角架等支架上，设备的上面有摄像机等设备的安装接口，摄像机可以固定在系统上。跟踪系统的设备外壳上安装按一定形状排列的红外光传感器，传感器可接收红外波段光线。系统的转台有俯仰和水平两个自由度，由伺服器驱动从而带动摄像机移动，系统还发出一路控制信号用以调节摄像机的焦距。将领夹大小的红外线发射器夹在目标物的身上，系统会发现目标物的位置，首先粗调摄像机使得目标物出现在跟踪系统前方，再由系统前方分布较密集的传感器引导摄像机精确地对准目标物，在判断目标物距离后，系统发出调焦指令，摄像机调焦到合适大小。如果目标物的位置发生变化，传感器再次引导摄像机对准目标物并调焦，完成实时跟踪。系统有三种跟踪模式：单目标跟踪模多目标物切换模式和多目标同时模式。模式的选择在主机启动是由用户完成。在多目标物切换模式下，系统在同一时刻只跟踪一个目标物，但在必要时切换到另一个目标物。每个发射器发射带有编码的红外信号，系统依靠编码辨别不同的目标物，当要求跟踪某一目标物时，系统判读编码信号类型，只跟踪这一编码的红外信号而不理会其他的红外信号。在多目标同时模式下，系统在同一时刻跟踪全部目标物，系统依靠不同的编码方式识别不同的目标物，当目标物彼此靠近时，系统拉近焦距；当目标物距离变远时，为了把全部目标物拍摄在画面内，系统拉远焦距，当目标物距离太远超过焦距调节范围时，系统可按照预先设定的优先级跟踪器中的一个或几个目标物。

本发明特点如下：

(1)依靠编码红外线自动跟踪目标物体，平台带动摄像机作水平、俯仰和焦距调整，实现实时跟踪。

(2)多种识别模式能够对单一目标识别，也能对多个目标识别。

(3)两种多目标跟踪方式：多目标切换模式和多目标同时模式。

(4)采用编码主动式红外线识别方式使得识别跟踪算法简单，计算量小，硬件实现代价小，成本低，稳定可靠。

(5)应用范围广泛，前景广阔。

主动红外跟踪系统在民用和商业领域有着极广的应用前景，它能被应用在家用摄像机智能拍摄、远程电视电话会议，视频监视、机器人视觉、新闻采访等诸多领域。

附图说明

图1为本发明所描述的主动红外跟踪系统示意图；

图2为本机的电路原理框图；

图3为红外传感器分布和视野对应关系；

图4为主机结构原理图(侧视图)。

图5为红外发射器原理框图。

图6为伺服器系统原理框图。

图7为多目标同时模式下的视野选择示意图。

图8为红外传感器探测目标物位置和距离示意图。

图9为主机识别跟踪目标物并驱动转台完成跟踪的算法流程图。

图10为多目标切换算法流程图。

图11为多目标同时模式算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，目标物可以是物体，也可以是人。将红外发射器(1)固定在目标物身上，打开红外发射器开关(23)，一个红外发射器发出唯一编码方式的红外线。主机(2)由三脚架等设备固定，主机(2)上固定摄像机(3)。主机开始工作后，能够根据设定的工作模式，自主完成单一目标物跟踪、多目标切换跟踪和多目标物同时跟踪。主机承载摄像机完成俯仰和水平两自由度上跟踪，并能根据目标物远近调节摄像机焦距。

如图2所示，所述的ADC(14)模块完成模数转换，对系统的多个红外传感器(6)顺序扫描，对采集到的当前传感器信号采样和量化，变为数字信号，送给预处理模块(15)。所述的预处理模块(15)，对传感器信号电平转换和编码，归一化后送出。所述的数据处理电路(20)包括全局控制(16)、目标识别(17)、运动跟踪(18)、转台驱动(19)。所述的全局控制模块(16)完成对数据处理部分的控制，接收模式选择开关(29)的数值，据此调用不同的算法。所述的目标识别模块(17)，在传感器信号中识别目标物信号，然后给出目标物的坐标。红外传感器(6)接收到的红外编码信号强度越大，说明目标物越靠近该传感器轴心的方向，多个传感器的强度值就能决定目标物的位置，同一目标物在小同传感器中出现的数量和每个传感器的信号强度决定了目标物离主机的远近。所述的运动跟踪模块(18)，通过偏差校正，把目标物锁定在主机中央区(35)传感器分布较为密集的地方，中央区(35)外较稀疏的传感器仅引导主机做事平方向跟踪。校正参数为x方向偏差位移、校正强度(速度)，y方向偏差位移、校正强度(速度)。根据目标物离镜头的距离，给出焦距的矫正强度(速度)。所述的转台驱动模块(19)，接收运动跟踪模块(18)的矫正参数，转化为能够驱动伺服器(12/13)工作的信号。转台驱动模块(19)输出每个伺服器的目标角度和旋转速度。

红外传感器(6)分布在主机水平转台(26)的外壳上(7)。合理安排传感器布局，可以在尽量减少传感器数量的基础上增大视角，并保证定位精度。总体来说，中央区域(35)的传感器分布较密集，其余位置较稀疏。图3示出了两种传感器分布(6)和视野(5)示意图。前者传感器环绕整水平转台(26)外壳(7)，具有360°视野，相应的系统能在360°范围搜索目标物；后者的传感器分布在水平转台(26)外壳(7)的一定区域，视野小于360°。如图8所示，设备中央区域的红外传感器方向角较窄，且传感器呈两维分布；中央区以外的传感器方向角较宽，一维分布。目标物出现在中央区以外范围时，系统先水平旋转，让中央区面对目标物，然后再用中央区分布较密集的传感器精确调节水平和俯仰角度。从图8中可以看出，传感器方向角呈锥状，远离主机后传感器视角发生重叠，目标物离主机距离越远，越多的传感器会探测到同一目标物，传感器接收到的信号强度也会下降，从上述变化可以探测出目标物离主机的大致距离。

如图4所示，主机(2)主要由底盘(11)、水平转台(26)和俯仰转台(8)组成。底盘(11)下部有和支架的接口，承载水平转台(26)，红外传感器(6)分布在水平转台(26)的周围。水平转台(26)内部包括焦距控制接口(28)、水平伺服器(13)、俯仰伺服器(12)、处理电路(9)、电源(10)，并且承载俯仰转台(8)。

如图5所示的红外发射器(1)如同领夹大小，可以粘贴或夹在目标物身上。内部电路(24)驱动红外光管(22)发出特定编码的红外光。一套系统可配置多个红外发射器(1)，每个发射器发射编码不同。加入编码的红外光信号也能够有效地和环境光区别开，避免干扰产生。红外发射器的开关控制发射器是否工作，在多目标切换跟踪模式下用以在多个目标物之间切换。

伺服器(12/13)的结构框图如图6所示。工作原理是：PWM控制信号进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。将其与电位器的电压比较，获得电压差输出。电压差经功率放大驱动直流电机旋转，电机输出经过减速组提高转矩降低转速驱动转台旋转。一个角度传感器(34)和输出轴相连，检测输出轴转过的角度，角度值经线性脉冲产生器调制同馈至比较器。反馈机制使得输出轴最终稳定在目标角度上，即使受到外界的扰动，也能保持稳定。PWM信号是周期一定，占空比可变的方波信号，通过改变占空比大小，调节伺服器跟踪的角度。控制伺服器转动速度的方法是：让其每次转动Δδ，然后停顿一段时间，接着再转一个Δδ，如此往复直道达到目标角度δ，满足关系：δ＝ngΔδ(n为要调节的次数)。

ADC模块(14)主要完成模数转换。对系统的多个传感器顺序扫描，对采集到的当前传感器信号采样和量化，变为数字信号，送给预处理模块。

预处理模块(15)。对传感器信号电平转换和编码，归一化后送出。

全局控制模块(16)。全局控制模块完成对数据处理部分的控制，接收用户设置的模式类型，据此调用不同的算法。

目标识别模块(17)。在传感器信号中识别目标物信号，然后给出目标物的坐标。传感器接收到的红外编码信号强度越大，说明目标物越靠近该传感器轴心的方向，多个传感器的强度值就能决定目标物的位置。

目标跟踪模块(18)。为了精确的跟踪目标，需要通过偏差校正，把目标物锁定在设备前方传感器分布较为密集的地方，传感器稀疏的地方用来发现目标和粗判位置。校正参数为x方向偏差位移、校正强度(速度)，y方向偏差位移、校正强度(速度)。计算目标物离镜头的距离，给出焦距的矫正强度(速度)。

转台驱动模块(19)。接收目标跟踪模块(18)的矫正参数，转化为能够驱动伺服器工作的信号。转台驱动模块输出每个伺服器的目标角度和旋转速度。

转台(26/27)和伺服器(12/13)。两自由度转台能够承载摄像机完成俯仰和水平方向的转动。转台的每个自由度由一个伺服器驱动，伺服器在驱动模块的控制下按一定速度调整到某一角度。

多目标跟踪分为两种模式：多目标切换模式和多目标同时模式。

(1)多目标切换模式。在同一时刻只跟踪一个目标物，可以手动切换让系统分时跟踪不同的目标物。关闭红外发射器A，打开另外一红外发射器B，系统转而跟踪B；如果同时打开发射器A和B，加入编码的两个红外光源能够被系统区分，系统会按照预先设置好的优先级，跟踪优先级较高的一个光源。

(2)多目标同时模式。在同一时刻跟踪尽可能多的目标物，当调节方向和焦距仍无法把全部目标物放进视野内时，系统根据预先设置的优先级舍去优先级最低的一个光源。若多个目标彼此靠拢，焦距拉近以使目标物在视野中尽可能放大，如图7(a)所示；当多个目标物彼此远离，焦距拉远以使尽可能多的目标物保留在视野中，如图7(b)所示；当多个目标远程度到达焦距的调节极限，系统从优先级最低的目标物开始舍弃视野中的目标物，如图7(c)所示。

如图9所示，主机识别跟踪目标物并驱动转台完成跟踪的算法流为：在步骤(S1)中红外传感器(6)扫描电路顺序扫描个传感器，在步骤(S2)中ADC(14)电路采样和量化，将模拟信号变为数字信号，在步骤(S3)中预处理(15)对红外传感器(6)值作预处理，在步骤(4)中将所有红外传感器(6)的值存入片内存储器，在步骤(5)中通过红外传感器(6)强度值识别目标物位置，在步骤(6)中根据目标物位置得到需要校正的距离和焦距，在步骤(7)中将校正参数转换为驱动伺服器的PWM信号，在步骤(8)中伺服器(12/13)接受信号执行指令(S8)。

如图10所示，多目标切换跟踪算法流程为：在步骤(S1)中识别当前所有目标物的编号和位置坐标，在步骤(S2)中查优先级表，按优先级顺序排当前的目标物，在步骤(S3)中完成跟踪优先级最高的目标物。完成跟踪优先级最高的目标物(S3)，(S3)执行完后进入(S1)。

如图11所示，多目标同时模式跟踪算法流程为：在步骤(S1)中识别当前所有目标物的编号和位置坐标，在步骤(S2)中查优先级表，按优先级顺序排当前的目标物，在步骤(S3)中让焦距至最远，在步骤(S4)中跟踪优先级最高的目标物，在步骤(S5)中目标物范围超过当前视野大小，在步骤让焦距拉近(S6)中，在步骤(S7)中舍弃一个最低优先级的目标物，在步骤(S8)中目标物范围超过当前视野大小。当满足(S5)时，进入(S7)；不满足时进入(S6)。(S7)执行完时进入(S5)。当满足(S8)时进入(S1)；不满足时进入(S6)。

硬件实现中，ADC输出数字信号精度可为8比特。由于数据量不大，速率不高，所以后面的数据处理采用单片机就能够完成任务。在处理数据中，需要存储传感器的信号强度值，使用单片机内部的RAM资源或外部RAM实现。某些系列的单片机本身就带有多路PWM波发生器，写入相应的控制字就可以工作，因此选用集成PWM发生器的单片机，就能方便的驱动伺服器工作。

Claims (6)

1、一种主动红外跟踪系统，该系统包括红外发射器(1)、主机(2)、摄像机(3)、支架(4)；所述的红外发射器(1)包括发射器外壳(21)、红外发射管(22)、编码驱动电路(24)、电源(25)、模式选择开关(23)；所述的主机包括底盘(11)、红外传感器(6)、水平转台(26)、俯仰转台(27)、摄像机安装平台(8)、焦距控制接口(28)、水平伺服器(13)、俯仰伺服器(12)、处理电路(9)、电源(10)；红外发射器(1)为一个或多个，主机(2)为一个；红外发射器(1)发射编码的红外线，从而使主机(2)可以通过不同编码区分不同的目标物；处理电路(9)包括ADC(14)、预处理电路(15)、数据处理电路(20)、模式选择开关(29)、数据输出接口(30)、电源(31)；ADC(14)电路完成模数转换，对系统的多个红外传感器(6)顺序扫描，对采集到的当前红外传感器信号采样和量化，变为数字信号，送给预处理电路(15)；预处理电路(15)，对红外传感器信号电平转换和编码，归一化后送出；数据处理电路(20)包括全局控制电路(16)、目标识别电路(17)、运动跟踪电路(18)、转台驱动电路(19)；全局控制电路(16)完成对数据处理部分的控制，接收主机(2)中的模式选择开关(29)的数值，据此调用不同的算法；目标识别电路(17)，在红外传感器信号中识别目标物信号，然后给出目标物的坐标；红外传感器(6)接收到的红外编码信号强度越大，说明目标物越靠近该红外传感器轴心的方向；多个红外传感器的强度值就能决定目标物的位置；同一目标物在不同红外传感器中出现的数量和每个红外传感器的信号强度决定了目标物离主机的远近；所述的运动跟踪电路(18)，通过偏差矫正，把目标物锁定在主机中央区域(35)红外传感器分布较为密集的地方，中央区域(35)以外较稀疏的红外传感器仅引导主机做水平方向跟踪；矫正参数为x方向偏差位移、矫正强度，y方向偏差位移、矫正强度；根据目标物离镜头的距离，给出焦距的矫正强度；转台驱动电路(19)接收运动跟踪电路(18)的矫正参数，转化为能够驱动水平伺服器(12)和俯仰伺服器(13)工作的信号；转台驱动电路(19)输出水平伺服器(12)和俯仰伺服器(13)的目标角度和旋转速度。

2、根据权利要求1所述的系统，其中，分布在主机(2)的水平转台(26)上的红外传感器(6)，其中央区域(35)的红外传感器分布较密集，其余位置较稀疏；若红外传感器(6)环绕整个水平转台(26)，则具有360°视野(5)，相应的系统能在360°范围搜索目标物；若红外传感器(6)分布在水平转台(26)上的一定区域，视野就小于360°(5)；中央区域(35)的红外传感器(6)方向角较小，且红外传感器呈两维分布；中央区域以外的红外传感器方向角较大，红外传感器呈一维分布；当目标物出现在主机(2)中央区域以外范围时，主机(2)先水平旋转，让中央区域(35)面对目标物，然后再用中央区域分布较密集的红外传感器(6)精确调节水平和俯仰角度。

3、根据权利要求1所述的系统，其中，所述的处理电路(9)采用扫描方式顺序查询红外传感器(6)信号并送入模数转换器(14)采样和量化。

4、根据权利要求1所述的系统，其中，所述的水平伺服器(12)和俯仰伺服器(13)系统包括直流电机控制电路(32)、直流电机和减速组(33)、角度传感器(34)；所述的直流电机控制电路(32)根据输入的PWM信号和角度传感器信息向直流电机发出指令，并将指令转换为功率信号以驱动直流电机。

5、根据权利要求1所述的系统，其中，所述的主机(2)对目标物的跟踪过程为：

红外传感器(6)扫描电路顺序扫描各红外传感器(S1)；

ADC(14)电路采样和量化，将模拟信号变为数字信号(S2)；

预处理电路(15)对红外传感器(6)值作预处理(S3)；

将所有红外传感器(6)的值存入片内存储器(S4)；

通过红外传感器(6)的强度值识别目标物位置(S5)；

根据目标物位置得到需要矫正的距离和焦距(S6)；

将矫正参数转换为驱动水平伺服器(12)和俯仰伺服器(13)的PWM信号(S7)；

水平伺服器(12)和俯仰伺服器(13)接受信号执行指令(S8)。

6、根据权利要求1所述的系统，其中，所述的系统可实现多目标跟踪，多目标跟踪分为两种模式：多目标切换模式和多目标同时模式；所述的多目标切换模式，在同一时刻只跟踪一个目标物，可以手动切换让系统分别跟踪不同的目标物；所述的多目标同时模式，在同一时刻跟踪尽可能多的目标物，当调节方向和焦距仍无法把全部目标物放进视场内时，系统根据预先设置的优先级舍去优先级最低的一个光源。

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