CN104574383A - 一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法 - Google Patents

一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，该方法通过图像缓存跟踪系统实现，其中，图像缓存跟踪系统包括信息处理模块、FPGA模块、缓存模块和图像跟踪画面切换模块；该方法采用图像缓存模块对图像数据进行实时缓存，并在跟踪处理中，根据计算得到的无线链路延时值提取缓存数据进行处理，可以有效的解决由于无线链路延时导致的地面站抓取跟踪目标与机载侦察平台抓取跟踪目标不一致的问题，提高目标抓取的成功率和跟踪速度，从而有效地解决因图像压缩、地面环境、周边电磁干扰等因素所引起的无线链路延时问题对远程无线跟踪目标抓取成功率的影响，目标抓取成功率高、抓取难度低，大幅度提高了图像跟踪操作人员的工作效率。

Description

一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法
技术领域
本发明涉及机载图像缓存跟踪方法，特别涉及一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，适用于机载、车载无线控制链路目标捕捉条件拍摄领域，并能根据用户需求，拓展应用于远程数据实时处理等领域。
背景技术
机载远程控制的无线链路是在受到大量数据压缩解压、地面周边环境因素和地面站周边电磁干扰等影响的同时，实现目标跟踪数据的传输。为了保证平台抓取跟踪目标与地面站抓取跟踪目标的一致性，图像跟踪方法必须同时解决在嵌入式芯片中完成大量图像信息的快速储存，对地面站与机载平台无线链路数据对流延时的实时精确计算等问题。
为了解决机载图像跟踪方法由于地面站无线链路延时造成的地面站抓取跟踪目标与机载实时抓取目标不一致的问题，通常策略是地面站图像跟踪操作人员通过经验对延时情况进行预估算，人为预判延时后目标位置，同步发出跟踪指令进行跟踪。但是由于无线链路延时受到诸多因素影响预估值误差大，地面站图像操作人员同时还需要对图像上快速运动目标进行跟踪加矩，因而导致较低的跟踪目标抓取成功率和较大的工作量。
发明内容
本发明的目的在于可有现有技术的不足，提供一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，该方法能够有效地解决因图像压缩、地面环境、周边电磁干扰等因素所引起的无线链路延时问题对远程无线跟踪目标抓取成功率的影响，目标抓取成功率高、抓取难度低，大幅度提高了图像跟踪操作人员的工作效率。
本发明的上述目的通过下述技术方案予以实现：
一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，通过图像缓存跟踪系统、摄像机、无线链路模块和地面站实现，所述图像缓存跟踪系统包括信息处理模块、FPGA模块、缓存模块和图像跟踪画面切换模块，具体实现过程如下：
(1)、FPGA模块接收外部摄像机发送的图像信息数据，同时将所述数据发送到信息处理模块和缓存模块；其中，缓存模块将所述图像信息数据按照时间顺序进行缓存；信息处理模块按照设定的压缩格式对接收到的实时图像信息数据进行压缩处理，并将压缩后的数据流返回给FPGA模块；
(2)、FPGA模块接收到所述压缩后的图像信息数据流，进行数据校验，如果所述数据流的压缩格式与设定的压缩格式相同，则发送所述数据流到外部的无线链路模块，通过下行链路发送所述图像信息数据流到地面站；
(3)、地面站通过上行链路发送跟踪指令到所述的无线链路模块，并通过FPGA模块转发给信息处理模块，信息处理模块按照所述跟踪指令中的图片抓取位置信息进行目标抓取操作，具体过程如下：
(3a)、信息处理模块发送图片提取命令到图像跟踪画面切换模块；
(3b)、图像跟踪画面切换模块根据上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2，在缓冲模块中读取与地面站发出跟踪指令时所针对的图像信息数据帧，其中：所述图像信息数据帧在缓存模块中存放时，无线链路模块将所述图像信息数据帧通过下行链路经过延时Δt2发送到地面站，地面站根据接收到的图像信息数据帧发出跟踪指令，所述跟踪指令经过延时Δt1到达图像缓存跟踪系统的无线链路模块；
(3c)、图像跟踪画面切换模块发送所述图像信息数据帧到信息处理模块，信息处理模块根据跟踪指令中的图片抓取位置信息确定波门移动量，并根据所述移动量移动波门到目标抓取区域；
(3d)、信息处理模块采用图像跟踪算法，按照波门内的图像信息数据进行灰度特征的相关匹配，识别目标轮廓，即确定跟踪目标在图像中的位置和大小；
(3e)、信息处理模块从缓存模块中按照时间顺序读取下一帧图像信息数据，并将所述图像信息数据与步骤(3d)内确定的跟踪目标图像数据进行比较，确定出所述图像信息数据帧中的目标位置与上一帧图像信息数据中的目标位置的差值，即目标脱靶量；并按照目标脱靶量进行波门移动；
(3f)、重复步骤(3d)～(3e)，即按照时间顺序对缓存模块中的图像数据按帧提取，进行图像目标跟踪，直到读取完所述缓存内的图像信息数据，则通过图像跟踪画面切换模块切换到实时图像数据进行目标跟踪。
上述的克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，在步骤(3)中，图像跟踪画面切换模块从缓存模块中读取一帧图像信息数据，具体读取过程如下：
图像跟踪画面切换模块发送数据提取命令道FPGA模块，FPGA模块根据所述提取命令中设定的提取时间计算得到所述数据在缓存模块中的存放地址，并按照所述地址从缓存模块中读取图像信息数据帧，然后发送所述数据帧到图像跟踪画面切换模块。
上述的克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，在步骤(3b)中，上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2的具体计算过程如下：
(3ba)、地面站通过上行链路按照设定的延时测试周期T，发送延时测试指令到所述的无线链路模块，所述无线链路模块通过FPGA模块转发所述延时测试指令到信息处理模块，信息处理模块根据所述指令的接收时刻值tr和所述指令从地面站发出的时刻值ts计算得到上行链路延时值Δt1＝tr-ts：
(3bb)、信息处理模块将步骤(3ba)计算得到的上行链路延时值Δt1添加到发送给FPGA模块的压缩数据流中；并通过下行链路发送给地面站；
(3bc)、地面站根据所述压缩数据流的从无线链路模块发出的时刻值和地面站接收所述数据的时刻值，计算得到下行链路延时值Δt2；
(3bd)、地面站将上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2发送到所述无线链路模块，并通过FPGA模块转发给图像跟踪画面切换模块。
上述的克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，在步骤(3bd)中，将所述上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2与设定的限定值进行比较，并进行如下处理：
如果Δt1>T1up，则限定Δt1＝T1up；如果Δt1<T1down，则限定Δt1＝T1down；
如果Δt2>T2up，则限定Δt2＝T2up；如果Δt2<T2down，则限定Δt2＝T2down；
其中，T1up和T1down分别为设定的上行链路时延的上限值和下限值；T2up和T2down分别为设定的下行链路时延的上限值和下限值。
上述的克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，在步骤(3bd)中，当前时延测试周期内计算得到的上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2与上一个周期计算得到的上行链路延时值Δt1′和下行链路延时值Δt2′满足如下条件：
|Δt1′-Δt1|<T1th且|Δt2′-Δt2|<T2th
其中，T1th和T2th分别为设定的上行链路延时最大偏差值和下行链路延时最大偏差值；
如果|Δt1′-Δt1|≥T1th或|Δt2′-Δt2|≥T2th，则保持上一个时延测试周期内计算得到的上行链路延时值和下行链路延时值不变，即设定Δt1＝Δt1′且Δt2＝Δt2′。
上述的克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，在步骤(3d)中，信息处理模块对图像信息数据帧进行灰度特征的相关匹配处理前，首先对所述图像信息数据进行中值滤波处理。
上述的克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，在步骤(3c)中波门的初始位置设定在图像中间位置。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明采用图像缓存模块对图像数据进行缓存，并在跟踪处理中，根据计算得到的无线链路延时值提取缓存数据进行处理，可以有效的解决由于无线链路延时导致的地面站抓取跟踪目标与机载侦察平台抓取跟踪目标不一致的问题，提高目标抓取的成功率和跟踪速度，其中，该图像缓存方法消除图像延时问题带来的目标抓取精度达到小于正负5帧图像；
(2)、本发明在固定周期内对上行和下行无线链路的延时值进行计算，其中，将测试平台计算得到的上行链路延时值叠加在下行的图像数据流中发送给地面站，并将地面站计算得到的下行链路延时值和该上行链路延时值返回给图像跟踪系统，这种时延计算方法得到延时精度较高，可达到0.2s。
附图说明
图1为本发明图像缓存跟踪系统的组成框图；
图2为本发明图像跟踪缓存处理流程图；
图3为本发明信息处理模块内的处理流程图；
图4为本发明在工程实现时的电路框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
图像跟踪画面延时包括两方面的延时：地面站跟踪指令通过上行无线链路发送到机载平台产生的上行链路延时，以及实时画面从机载平台通过无线链路发送到地面站产生的下行链路延时。其中，该上行链路延时会导致机载平台收到控制指令时，处理的图像画面已不是地面站看到的画面；该下行链路延时导致地面站看到的图像画面不是机载平台实时拍摄的画面，因此，这两个延时将导致机载平台抓取的跟踪目标与地面站需要抓取的跟踪目标不一致。
本发明的克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，通过图像缓存跟踪系统、摄像机、无线链路模块和地面站实现，如图1所述的跟踪系统组成框图，该图像缓存跟踪系统包括信息处理模块、FPGA模块、缓存模块和图像跟踪画面切换模块，该图像缓存跟踪方法的具体实现过程如下：
(1)、FPGA模块接收机载平台摄像机发送的图像信息数据，同时将所述数据发送到信息处理模块和缓存模块；其中，缓存模块将所述图像信息数据按照时间顺序进行缓存；信息处理模块按照设定的压缩格式对接收到的实时图像信息数据进行压缩处理，并将压缩后的数据流返回给FPGA模块；
(2)、FPGA模块接收到所述压缩后的图像信息数据流，进行数据校验，如果所述数据流的压缩格式与设定的压缩格式相同，则发送所述数据流到外部的无线链路模块，通过下行链路发送所述图像信息数据流到地面站；如果检验结果显示数据流的压缩格式与设定的压缩格式不同，则丢弃该数据帧；
(3)、地面站的无线链路模块通过上行无线链路发送跟踪指令到机载平台的无线链路模块，并通过FPGA模块转发给信息处理模块，信息处理模块按照所述跟踪指令中的图片抓取位置信息进行目标抓取操作，具体过程如下：
(3a)、信息处理模块发送图片提取命令到图像跟踪画面切换模块；
(3b)、图像跟踪画面切换模块根据上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2，在缓冲模块中读取与地面站发出跟踪指令时所针对的图像信息数据帧，其中：所述图像信息数据帧在缓存模块中存放时，无线链路模块将所述图像信息数据帧通过下行链路经过延时Δt2发送到地面站，地面站根据接收到的图像信息数据帧发出跟踪指令，所述跟踪指令经过延时Δt1到达图像缓存跟踪系统的无线链路模块；
具体提取过程如下：
图像跟踪画面切换模块发送数据提取命令到FPGA模块，FPGA模块根据该提取命令中设定的提取时间计算得到需要提取的数据在缓存模块中的存放地址，该提取时间等于无线链路模块接收跟踪命令的时间减去延时Δt1和Δt2，并按照该地址从缓存模块中读取图像信息数据帧，然后发送该数据帧到图像跟踪画面切换模块。
在本发明中采用如下的计算方法得到上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2：
(3ba)、地面站通过上行链路按照设定的延时测试周期T，发送延时测试指令到所述的无线链路模块，所述无线链路模块通过FPGA模块转发所述延时测试指令到信息处理模块，信息处理模块根据所述指令的接收时刻值tr和所述指令从地面站发出的时刻值ts计算得到上行链路延时值Δt1＝tr-ts：
(3bb)、信息处理模块将步骤(3ba)计算得到的上行链路延时值Δt1添加到发送给FPGA模块的压缩数据流中；并通过下行链路发送给地面站；
(3bc)、地面站根据所述压缩数据流的从无线链路模块发出的时刻值和地面站接收所述数据的时刻值，计算得到下行链路延时值Δt2；
(3bd)、地面站将上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2发送到所述无线链路模块，并通过FPGA模块转发给图像跟踪画面切换模块。
其中，在步骤(3bd)中，将所述上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2与设定的限定值进行比较，并进行如下处理：
如果Δt1>T1up，则限定Δt1＝T1up；如果Δt1<T1down，则限定Δt1＝T1down；
如果Δt2>T2up，则限定Δt2＝T2up；如果Δt2<T2down，则限定Δt2＝T2down；
其中，T1up和T1down分别为设定的上行链路时延的上限值和下限值；T2up和T2down分别为设定的下行链路时延的上限值和下限值。
并且当前时延测试周期内计算得到的上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2与上一个周期计算得到的上行链路延时值Δt1′和下行链路延时值Δt2′满足如下条件：
|Δt1′-Δt1|<T1th且|Δt2′-Δt2|<T2th
其中，T1th和T2th分别为设定的上行链路延时最大偏差值和下行链路延时最大偏差值；
如果|Δt1′-Δt1|≥T1th或|Δt2′-Δt2|≥T2th，则保持上一个时延测试周期内计算得到的上行链路延时值和下行链路延时值不变，即设定Δt1＝Δt1且Δt2＝Δt2；
(3c)、图像跟踪画面切换模块发送所述图像信息数据帧到信息处理模块，信息处理模块根据跟踪指令中的图片抓取位置信息确定波门移动量，并根据所述移动量移动波门到目标抓取区域；其中，该波门的初始位置设定在图像中间位置；
(3d)、信息处理模块采用图像跟踪算法，首先对波门内的图像信息数据进行中值滤波，去除噪声和干扰，然后对该波门内的图像信息数据进行灰度特征的相关匹配，识别目标轮廓，即确定跟踪目标在图像中的位置和大小；
(3e)、信息处理模块从缓存模块中按照时间顺序读取下一帧图像信息数据，并将所述图像信息数据与步骤(3d)内确定的跟踪目标图像数据进行比较，确定出所述图像信息数据帧中的目标位置与上一帧图像信息数据中的目标位置的差值，即目标脱靶量；并按照目标脱靶量进行波门移动；
(3f)、如图2所示的图像跟踪缓存处理流程图，本发明重复步骤(3d)～(3e)，即按照时间顺序对缓存模块中的图像数据按帧提取，进行图像目标跟踪，直到读取完所述缓存内的图像信息数据，则通过图像跟踪画面切换模块切换到实时图像数据进行目标跟踪。
如图4所示，在本发明中，信息处理模块采用DSP芯片实现，该DSP芯片选用TI公司的TMS320C6416，执行核心的控制计算，其处理流程如图3所示，其主要功能为：
(a)、执行跟踪系统的初始化、循环执行流程；
(b)、通过与FPGA芯片相连的总线上得到各种图像和存储器数据；
(c)、在得到图像跟踪指令时完成图像跟踪目标识别，控制波门连续跟踪目标移动；
在本发明中，FPGA模块的FPGA芯片选用Altera公司的EP3C120F780I7，执行逻辑运算和外围电路的控制，其主要功能为：
(a)、完成对DDR2存储器的时序控制算法，完成对DDR2数据的突发性连续读写，读写频率在300MHz；
(b)、完成图像画面的字符叠加；
(c)、通过与DSP芯片相连的总线，向DSP芯片传输各种数据；
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，其特征在于：通过图像缓存跟踪系统、摄像机、无线链路模块和地面站实现，其中，图像缓存跟踪系统包括信息处理模块、FPGA模块、缓存模块和图像跟踪画面切换模块，具体实现过程如下：
(1)、FPGA模块接收外部摄像机发送的图像信息数据，同时将所述数据发送到信息处理模块和缓存模块；其中，缓存模块将所述图像信息数据按照时间顺序进行缓存；信息处理模块按照设定的压缩格式对接收到的实时图像信息数据进行压缩处理，并将压缩后的数据流返回给FPGA模块；
(2)、FPGA模块接收到所述压缩后的图像信息数据流，进行数据校验，如果所述数据流的压缩格式与设定的压缩格式相同，则发送所述数据流到外部的无线链路模块，通过下行链路发送所述图像信息数据流到地面站；
(3)、地面站通过上行链路发送跟踪指令到所述的无线链路模块，并通过FPGA模块转发给信息处理模块，信息处理模块按照所述跟踪指令中的图片抓取位置信息进行目标抓取操作，具体过程如下：
(3a)、信息处理模块发送图片提取命令到图像跟踪画面切换模块；
(3b)、图像跟踪画面切换模块根据上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2，在缓冲模块中读取与地面站发出跟踪指令时所针对的图像信息数据帧，其中：所述图像信息数据帧在缓存模块中存放时，无线链路模块将所述图像信息数据帧通过下行链路经过延时Δt2发送到地面站，地面站根据接收到的图像信息数据帧发出跟踪指令，所述跟踪指令经过延时Δt1到达图像缓存跟踪系统的无线链路模块；
(3c)、图像跟踪画面切换模块发送所述图像信息数据帧到信息处理模块，信息处理模块根据跟踪指令中的图片抓取位置信息确定波门移动量，并根据所述移动量移动波门到目标抓取区域；
(3d)、信息处理模块采用图像跟踪算法，按照波门内的图像信息数据进行灰度特征的相关匹配，识别目标轮廓，即确定跟踪目标在图像中的位置和大小；
(3e)、信息处理模块从缓存模块中按照时间顺序读取下一帧图像信息数据，并将所述图像信息数据与步骤(3d)内确定的跟踪目标图像数据进行比较，确定出所述图像信息数据帧中的目标位置与上一帧图像信息数据中的目标位置的差值，即目标脱靶量；并按照目标脱靶量进行波门移动；
(3f)、重复步骤(3d)～(3e)，即按照时间顺序对缓存模块中的图像数据按帧提取，进行图像目标跟踪，直到读取完所述缓存内的图像信息数据，则通过图像跟踪画面切换模块切换到实时图像数据进行目标跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，其特征在于：在步骤(3)的(3b)、(3e)中，图像跟踪画面切换模块从缓存模块中读取一帧图像信息数据，具体读取过程如下：
图像跟踪画面切换模块发送数据提取命令道FPGA模块，FPGA模块根据所述提取命令中设定的提取时间计算得到所述数据在缓存模块中的存放地址，并按照所述地址从缓存模块中读取图像信息数据帧，然后发送所述数据帧到图像跟踪画面切换模块。
3.根据权利要求1所述的一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，其特征在于：在步骤(3b)中，上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2的具体计算过程如下：
(3ba)、地面站通过上行链路按照设定的延时测试周期T，发送延时测试指令到所述的无线链路模块，所述无线链路模块通过FPGA模块转发所述延时测试指令到信息处理模块，信息处理模块根据所述指令的接收时刻值tr和所述指令从地面站发出的时刻值ts计算得到上行链路延时值Δt1＝tr-ts：
(3bb)、信息处理模块将步骤(3ba)计算得到的上行链路延时值Δt1添加到发送给FPGA模块的压缩数据流中；并通过下行链路发送给地面站；
(3bc)、地面站根据所述压缩数据流的从无线链路模块发出的时刻值和地面站接收所述数据的时刻值，计算得到下行链路延时值Δt2；
(3bd)、地面站将上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2发送到所述无线链路模块，并通过FPGA模块转发给图像跟踪画面切换模块。
4.根据权利要求3所述的一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，其特征在于：在步骤(3bd)中，将所述上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2与设定的限定值进行比较，并进行如下处理：
如果Δt1>T1up，则限定Δt1＝T1up；如果Δt1<T1down，则限定Δt1＝T1down；
如果Δt2>T2up，则限定Δt2＝T2up；如果Δt2<T2down，则限定Δt2＝T2down；
其中，T1up和T1down分别为设定的上行链路时延的上限值和下限值；T2up和T2down分别为设定的下行链路时延的上限值和下限值。
5.根据权利要求3或4所述的一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，其特征在于：在步骤(3bd)中，当前时延测试周期内计算得到的上行链路延时值Δt1和下行链路延时值Δt2与上一个周期计算得到的上行链路延时值Δt1′和下行链路延时值Δt2′满足如下条件：
|Δt1′-Δt1|<T1th且|Δt2′-Δt2|<T2th
其中，T1th和T2th分别为设定的上行链路延时最大偏差值和下行链路延时最大偏差值；
如果|Δt1′-Δt1|≥T1th或|Δt2′-Δt2|≥T2th，则保持上一个时延测试周期内计算得到的上行链路延时值和下行链路延时值不变，即设定Δt1＝Δt1′且Δt2＝Δt2′。
6.根据权利要求1所述的一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，其特征在于：在步骤(3d)中，信息处理模块对图像信息数据帧进行灰度特征的相关匹配处理前，首先对所述图像信息数据进行中值滤波处理。
7.根据权利要求1所述的一种克服无线链路延时特性的图像缓存跟踪方法，其特征在于：在步骤(3c)中波门的初始位置设定在图像中间位置。
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