CN107767402A - 一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统及方法，该系统包括控制系统、电源模块、小车、小车驱动模块、舵机转向模块、摄像头和运动目标检测及判断模块；控制系统与小车驱动模块及舵机转向模块连接；舵机转向模块及摄像头均设于小车上，舵机转向模块用于控制摄像头转动以寻找待跟踪的运动目标并拍摄图像；运动目标检测及判断模块先对拍摄的图像进行模板图像匹配处理以确定拍摄的图像中包含待跟踪的运动目标，然后再用Camshift算法对该图像进行处理和判断以确定待跟踪的运动目标相对摄像头所拍摄图像中心的左右偏移数值，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的左右偏移数值控制小车驱动模块驱动小车左右移动以跟踪运动目标；电源模块用于为控制系统、小车及舵机转向模块供电。
Description
技术领域
本发明涉及视频跟踪技术领域，更具体地，涉及一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统及方法。
背景技术
运动目标跟踪就是在一段序列图像中的每幅图像中实时地找到所感兴趣的运动目标(包括位置、速度及加速度等运动参数)。
现有的跟踪算法仅停留在摄像头固定的视频层面上，而未将视频跟踪的结果用来驱动其他硬件设备。而现实生活中我们不仅希望可以跟踪在视频范围中的运动目标，更进一步地，还希望利用视频中的跟踪结果驱动小车或机器人等其他设备对运动目标进行实时实地的跟踪。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统，能根据先前的跟踪结果对运动目标进行实时实地的跟踪。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统，包括控制系统、电源模块、小车、小车驱动模块、舵机转向模块、摄像头和运动目标检测及判断模块；控制系统与小车驱动模块及舵机转向模块连接；小车驱动模块用于驱动小车运动；舵机转向模块及摄像头均设于小车上，舵机转向模块用于控制摄像头上下左右转动以寻找待跟踪的运动目标并拍摄图像；运动目标检测及判断模块先对拍摄的图像进行模板图像匹配处理以确定拍摄的图像中是否包含待跟踪的运动目标，当确定拍摄的图像中包含待跟踪的运动目标时再使用Camshift算法对该图像进行处理和判断以确定待跟踪的运动目标相对摄像头所拍摄图像中心的左右偏移数值，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的左右偏移数值控制小车驱动模块驱动小车左右移动以跟踪运动目标；电源模块用于为控制系统、小车及舵机转向模块供电。
刚打开摄像头时，首先手动圈住运动目标的一部分并把包含该部分的图像保存下来作为模板图像，然后运动目标检测及判断模块对读入的每一幅图像均和模板图像做匹配处理，以确定该幅图像是否包含待跟踪的运动目标；当确定拍摄的图像中包含待跟踪的运动目标时，运动目标检测及判断模块使用Camshift算法对该图像进行处理以获取待跟踪的运动目标的中心点，并计算待跟踪的运动目标的中心点与摄像头的中心点的水平相对位移，以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的左右偏移数值。
上述方案中，控制系统通过利用运动目标检测及判断模块传输来的待跟踪的运动目标相对摄像头所拍摄图像中心的左右偏移数值，控制小车驱动模块驱动小车左右移动以跟踪运动目标，实现了对运动目标的实时实地跟踪。
优选地，小车驱动模块为L298N模块，L298N模块通过驱动小车上的电机正转和反转以控制小车运动。
优选地，控制系统为树莓派3B+控制系统。
优选地，运动目标检测及判断模块还通过对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积的处理以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的前后距离，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的前后距离控制小车驱动模块驱动小车前进后退以跟踪运动目标。待跟踪运动目标的相对面积为图像中目标像素点的面积，从摄像头的角度来观察一个目标物体时，当目标物体靠近的时候，图像会变大，所以目标像素点会增多，当目标物体远离的时候，图像会变小，所以目标像素点会减少，因此可以依据目标的相对面积变化(即目标像素点的增减)来判断目标物体是靠近或者远离摄像头。这样设置使得该视频跟踪小车系统能从左右前后四个方向来跟踪运动目标，跟踪效果更好。进一步优选地，运动目标检测及判断模块在对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积进行处理之前先进行二值化处理。二值化处理能过滤掉周围物体的部分干扰，以精确确定待跟踪的运动目标的像素点的位置，进而精确确定待跟踪运动目标的相对面积，以使该跟踪小车系统实时跟踪的效果更好。
本发明的另一个目的是提供一种基于Camshift算法的跟踪方法，使用上述视频跟踪小车系统，包括如下步骤：
S1.控制系统通过舵机转向模块控制摄像头上下左右转动以寻找待跟踪的运动目标并拍摄图像；
S2.运动目标检测及判断模块先对拍摄的图像进行模板图像匹配处理以确定拍摄的图像中是否包含待跟踪的运动目标，当确定拍摄的图像中包含待跟踪的运动目标时再使用Camshift算法对拍摄的图像进行处理和判断以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的左右偏移数值，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的左右偏移数值控制小车驱动模块驱动小车左右移动以跟踪运动目标；
S3.当运动目标检测及判断模块判断拍摄的图像中未包含待跟踪的运动目标时，重复步骤S1及S2以跟踪运动目标。
优选地，步骤S2中运动目标检测及判断模块还通过对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积的处理以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的前后距离，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的前后距离控制小车驱动模块驱动小车前进后退以跟踪运动目标。进一步优选地，运动目标检测及判断模块在对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积进行处理之前先进行二值化处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统，控制系统通过利用运动目标检测及判断模块传输来的待跟踪的运动目标相对摄像头所拍摄图像中心的左右偏移数值，控制小车驱动模块驱动小车左右移动以跟踪运动目标，实现了对运动目标的实时实地跟踪；控制系统通过利用运动目标检测及判断模块传输来的待跟踪的运动目标相对摄像头的前后距离，制小车驱动模块驱动小车前进后退以跟踪运动目标。
附图说明
图1为本实施例一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统的框架原理图。
图2为本实施例一种基于Camshift算法的跟踪方法的流程图。
图3为本实施例中运动目标检测及判断模块的处理流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
本实施例一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统的框架原理图如图1所示，包括控制系统、电源模块、小车、小车驱动模块、舵机转向模块、摄像头和运动目标检测及判断模块；控制系统与小车驱动模块及舵机转向模块连接；小车驱动模块用于驱动小车运动；舵机转向模块及摄像头均设于小车上，舵机转向模块用于控制摄像头上下左右转动以寻找待跟踪的运动目标并拍摄图像；运动目标检测及判断模块先对拍摄的图像进行模板图像匹配处理以确定拍摄的图像中是否包含待跟踪的运动目标，当确定拍摄的图像中包含待跟踪的运动目标时再使用Camshift算法对该图像进行处理和判断以确定待跟踪的运动目标相对摄像头所拍摄图像中心的左右偏移数值，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的左右偏移数值控制小车驱动模块驱动小车左右移动以跟踪运动目标；电源模块用于为控制系统、小车及舵机转向模块供电。
刚打开摄像头时，首先手动圈住运动目标的一部分并把包含该部分的图像保存下来作为模板图像，然后运动目标检测及判断模块对读入的每一幅图像均和模板图像做匹配处理，以确定该幅图像是否包含待跟踪的运动目标；当确定拍摄的图像中包含待跟踪的运动目标时，运动目标检测及判断模块使用Camshift算法对该图像进行处理以获取待跟踪的运动目标的中心点，并计算待跟踪的运动目标的中心点与摄像头的中心点的水平相对位移，以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的左右偏移数值，如图3所示。
本发明一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统，控制系统通过利用运动目标检测及判断模块传输来的待跟踪的运动目标相对摄像头所拍摄图像中心的左右偏移数值，控制小车驱动模块驱动小车左右移动以跟踪运动目标，实现了对运动目标的实时实地跟踪。
其中，小车驱动模块为L298N模块，L298N模块通过驱动小车上的电机正转和反转以控制小车运动。
另外，控制系统为树莓派3B+控制系统。树莓派3B+控制系统拥有众多的接口和功能，便于开发，兼容性好，可以装Linux操作系统，本实施例采用在电脑Linux下调试再在树莓派Linux下运行的操作方式；树莓派3B+控制系统主频高达1.2GHz，而且是一个开源硬件，价格相对便宜，适合开发，电源采用3.7v和12v的直流电源；为了驱动小车，将树莓派3B+控制系统的22到25号gpio口与L298N模块相连，而L298N模块的四个引脚分别接直流电机的引脚来控制电机的正转和反转。
其中，如图3所示，运动目标检测及判断模块还通过对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积的处理以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的前后距离，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的前后距离控制小车驱动模块驱动小车前进后退以跟踪运动目标。待跟踪运动目标的相对面积为图像中目标像素点的面积，从摄像头的角度来观察一个目标物体时，当目标物体靠近的时候，图像会变大，所以目标像素点会增多，当目标物体远离的时候，图像会变小，所以目标像素点会减少，因此可以依据目标的相对面积变化(即目标像素点的增减)来判断目标物体是靠近或者远离摄像头。这样设置使得该视频跟踪小车系统能从左右前后四个方向来跟踪运动目标，跟踪效果更好。
本实施例中，运动目标检测及判断模块在对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积进行处理之前先进行二值化处理。二值化处理能过滤掉周围物体的部分干扰，以精确确定待跟踪的运动目标的像素点的位置，进而精确确定待跟踪运动目标的相对面积，以使该跟踪小车系统实时跟踪的效果更好。
本实施例还提供了一种基于Camshift算法的跟踪方法，使用上述视频跟踪小车系统，如图2所示，包括如下步骤：
S1.控制系统通过舵机转向模块控制摄像头上下左右转动以寻找待跟踪的运动目标并拍摄图像；
S2.运动目标检测及判断模块先对拍摄的图像进行模板图像匹配处理以确定拍摄的图像中是否包含待跟踪的运动目标，当确定拍摄的图像中包含待跟踪的运动目标时再使用Camshift算法对拍摄的图像进行处理和判断以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的左右偏移数值，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的左右偏移数值控制小车驱动模块驱动小车左右移动以跟踪运动目标；
S3.当运动目标检测及判断模块判断拍摄的图像中未包含待跟踪的运动目标时，重复步骤S1及S2以跟踪运动目标。
其中，步骤S2中运动目标检测及判断模块还通过对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积的处理以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的前后距离，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的前后距离控制小车驱动模块驱动小车前进后退以跟踪运动目标。
本实施例中，运动目标检测及判断模块在对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积进行处理之前先进行二值化处理。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统，其特征在于，包括控制系统、电源模块、小车、小车驱动模块、舵机转向模块、摄像头和运动目标检测及判断模块；控制系统与小车驱动模块及舵机转向模块连接；小车驱动模块用于驱动小车运动；舵机转向模块及摄像头均设于小车上，舵机转向模块用于控制摄像头上下左右转动以寻找待跟踪的运动目标并拍摄图像；运动目标检测及判断模块先对拍摄的图像进行模板图像匹配处理以确定拍摄的图像中是否包含待跟踪的运动目标，当确定拍摄的图像中包含待跟踪的运动目标时再使用Camshift算法对该图像进行处理和判断以确定待跟踪的运动目标相对摄像头所拍摄图像中心的左右偏移数值，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的左右偏移数值控制小车驱动模块驱动小车左右移动以跟踪运动目标；电源模块用于为控制系统、小车及舵机转向模块供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统，其特征在于，小车驱动模块为L298N模块，L298N模块通过驱动小车上的电机正转和反转以控制小车运动。
3.根据权利要求1所述的一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统，其特征在于，控制系统为树莓派3B+控制系统。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统，其特征在于，运动目标检测及判断模块还通过对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积的处理以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的前后距离，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的前后距离控制小车驱动模块驱动小车前进后退以跟踪运动目标。
5.根据权利要求4所述的一种基于Camshift算法的视频跟踪小车系统，其特征在于，运动目标检测及判断模块在对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积进行处理之前先进行二值化处理。
6.一种基于Camshift算法的跟踪方法，其特征在于，使用权利要求1所述的视频跟踪小车系统，包括如下步骤：
S1.控制系统通过舵机转向模块控制摄像头上下左右转动以寻找待跟踪的运动目标并拍摄图像；
S2.运动目标检测及判断模块先对拍摄的图像进行模板图像匹配处理以确定拍摄的图像中是否包含待跟踪的运动目标，当确定拍摄的图像中包含待跟踪的运动目标时再使用Camshift算法对拍摄的图像进行处理和判断以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的左右偏移数值，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的左右偏移数值控制小车驱动模块驱动小车左右移动以跟踪运动目标；
S3.当运动目标检测及判断模块判断拍摄的图像中未包含待跟踪的运动目标时，重复步骤S1及S2以跟踪运动目标。
7.根据权利要求6所述的一种基于Camshift算法的跟踪方法，其特征在于，步骤S2中运动目标检测及判断模块还通过对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积的处理以确定待跟踪的运动目标相对摄像头的前后距离，控制系统根据运动目标检测及判断模块传输来的前后距离控制小车驱动模块驱动小车前进后退以跟踪运动目标。
8.根据权利要求7所述的一种基于Camshift算法的跟踪方法，其特征在于，运动目标检测及判断模块在对拍摄图像中待跟踪运动目标的相对面积进行处理之前先进行二值化处理。
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