TWI641265B - Mobile target position tracking system - Google Patents

Abstract

一種移動目標位置追蹤系統，包括：一調整方位機構；一第一影像追蹤模組，設置於該調整方位機構上，其係以寬視角擷取連續影像畫面；一第二影像追蹤模組，包含一目標距離測量裝置、一窄視角攝影機及一快速指向調整機構，其係以窄視角擷取連續影像畫面；一主控單元，電性連接該調整方位機構、該第一影像追蹤模組及該第二影像追蹤模組，以控制目標位置之追蹤；一顯控單元，電性連接該主控單元，用以作為使用者與系統溝通之介面，其利用一座標值顯示目標位置。藉此，可自動化快速地追蹤到移動中的目標物體，並可將其位置傳至其他系統以作應用。

Description

一種移動目標位置追蹤系統

本發明係關於一種用追蹤系統，特別是關於一種追蹤移動中的目標物體位置系統。

現今的攝影及照相器材，自動化追蹤對焦移動物體為其基本功能，能提高攝影及照相的成功率，其基本運作原理係透過攝影及照相器材的透鏡組的移動，調整所欲捕捉物體的距離，使其影相清晰呈現於感光元件上；習知上自動化追蹤對焦移動物體的功能可分為主動式及被動式，其中，主動式係指利用一紅外光線或超音波至欲拍攝的目標物體，根據反射的紅外光線或超音波，來控制透鏡的移動而達成自動化追蹤對焦移動物體的目的，而被動式則是指利用判斷感光元件上的影像是否清晰，來調整透鏡組的移動，最後使光元件上的影像為清晰影像。

但上述習知技術只適用於一般照相機或攝影機，目標物體的自動追蹤僅限於近距離畫面內人或動物的移動追蹤，當目標物體改變成車輛、船、飛機等具有快速移動能力的交通工具，自動追蹤的技術手段就必須以遠距離、寬視角的裝置來擷取影像畫面以作追蹤動作，但當目標物體距 離較遠時，就很容易產生誤判造成目標物體的追蹤失敗。

現今對於具有快速移動能力的交通工具的自動化追蹤，包含有影像式的目標追蹤方法與系統，其採用影像處理演算法對連續畫面進行一連串影像處理方法，達到目標的偵測作用，先偵測到物件並確定為目標後，方進入追蹤階段，再由追蹤方法持續獲得目標於畫面中的位置坐標，並利用其座標資訊進一步回授至使用者端或機構、鏡頭等控制端進行該系統的後續應用；上述習知技術面臨有高時效及高精度的問題，對於較高時效性的目標，可藉由提高影像擷取速率以解決目標移動速度過快之問題，但前述應用往往無法達到非常高之追蹤精度，而追蹤的精度則取決於影像解析度的高低程度，對於追蹤精度的提升一般採用更高的解析度影像進行改善，但高解析度影像卻會造成較高的計算負擔，使得處理過程難以即時化，因此即時化必須使影像擷取速率降低方能達成，但相對地難以滿足對於追蹤精確度需求較高且目標移動速度較快的應用。

因此目前業界極需發展出一種移動目標位置追蹤系統，能同時擁有高時效及高精度的追蹤技術手段，以追蹤高速移動的目標物體，如此一來，方能同時兼具追蹤準確度與效率，完成具高移動速度目標物體之追蹤。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在 於提供一種移動目標位置追蹤系統，整合一調整方位機構、一第一、第二影像追蹤模組、一主控單元及一顯控單元等，以完成具高移動速度目標物體之追蹤。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種移動目標位置追蹤系統，包括：一調整方位機構；一第一影像追蹤模組，設置於該調整方位機構上，其係以寬視角擷取連續影像畫面；一第二影像追蹤模組，包含一目標距離測量裝置、一窄視角攝影機及一快速指向調整機構，其係以窄視角擷取連續影像畫面；一主控單元，電性連接該調整方位機構、該第一影像追蹤模組及該第二影像追蹤模組，以控制目標位置之追蹤；一顯控單元，電性連接該主控單元，用以作為使用者與系統溝通之介面，其利用一座標值顯示目標位置。

上述中第一影像追蹤模組可包含一寬視角攝影機，來擷取出較大視野範圍的影像(該影像可利用紅外線或可見光來擷取)，因此該第一影像追蹤模組是用來作第一步追蹤用(粗追蹤)，其目的先將包含有目標物體的影像擷取出來，同時為避免目標物體移動速度過快而造成追蹤失敗，擷取影像的視野範圍需考量目標物體移動速度，不讓目標物體在短時間內就移動出第一影像追蹤模組所擷取的畫面。

本發明的調整方位機構可以用來同步調整第一影像追蹤模組及該第二影像追蹤模組方位，讓第一影像追蹤 模組及該第二影像追蹤模組方位可擷取同方位之影像，而該第二影像追蹤模組方位的目標距離測量裝置、該窄視角攝影機及該快速指向調整機構可以共光軸結構設置，以增加其光學效果，該快速指向調整機構是用以調整該第二影像追蹤模組方位，更進一步說，是用以調整窄視角攝影機方位，以更精細、快速的方位調整，來擷取放大倍率後具高移動速度目標。

本發明中第二影像追蹤模組方位的目標距離測量裝置，為因應目標具高速移動且目標與影像追蹤模組的距離可能相距數公里或數十公里遠，本發明目標距離測量裝置可以是雷射測距裝置；本發明另包含一伺服控制系統，該伺服控制系統可用來控制整個系統的方位調整。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

110‧‧‧調整方位機構

120‧‧‧第一影像追蹤模組

121‧‧‧寬視角攝影機(寬視角影像器)

130‧‧‧第二影像追蹤模組

131‧‧‧目標距離測量裝置

132‧‧‧窄視角攝影機(窄視角影像器)

133‧‧‧快速指向調整機構

140‧‧‧主控單元

150‧‧‧顯控單元

S1-S18‧‧‧步驟

第一圖係為本發明一種移動目標位置追蹤系統示意圖；第二圖係為本發明一種移動目標位置追蹤系統之工作步驟流程圖；第三圖係為本發明一種移動目標自動偵測之工 作步驟流程圖；第四圖係為本發明一種移動目標位置追蹤系統之另一實施例工作步驟流程圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本發明採用不同視角影像器進行影像追蹤，使用較窄視角之影像器作為補償較寬視角影像器追蹤精度之機制，當影像處理模組由寬視角影像器影像中獲得目標位置後，傳送控制訊號驅動相關機構，致使目標同時出現於另一影像器畫面之中，並影像處理模組開始同時接收不同影像器之影像資訊進行同步的處理，使得追蹤精確度得到改善。

為達成前述目的，該系統包括有至少兩個不同視角影像之獲得，至少一個影像處理模組、主控單元與控制影像器方位之機構、伺服控制單元，其中兩個不同視角影像器是由較窄視角的作為彌補寬視角影像器解析度之不足問題，影像處理模組則對影像進行目標偵測與追蹤功能，目標偵測方式主要是利用影像處理演算法對寬視角影像擷取之畫面進行處理，其演算法包括了的灰階形態學方法、自適應門檻值、對比盒、樣板比對…等各種被廣泛應用之常見方法，依造不 同應用選擇合適的偵測方法，進而得到一目標位置資訊，由於窄視角影像器所見之範圍較小許多，因此目標位置資訊需傳送控制訊號驅動相關機構，確保目標同時位於窄視角影像畫面中，該機構種類對於不同應用使用不同之設計，包含兩軸之旋轉俯仰台、多軸手臂、滑軌…等機構，對於不同視角影像器為共光軸之系統則意同使目標落在寬視角影像器畫面中心，若系統之影像器為非共光軸，則可採用坐標轉換方式進行控制，以確保符合以上所述需求。

請參閱第一圖，為本發明一種移動目標位置追蹤系統示意圖。如圖一所示，本發明所提供一種移動目標位置追蹤系統，包括：一調整方位機構110，係用以調整第一影像追蹤模組及第二影像追蹤模組方位，讓第一影像追蹤模組120及該第二影像追蹤模組130方位可擷取同方位之影像；一第一影像追蹤模組120，設置於該調整方位機構110上，其係以寬視角擷取連續影像畫面，其中，第一影像追蹤模組120包含有一寬視角攝影機121，由該寬視角攝影機121來擷取寬視角之影像資料；一第二影像追蹤模組130，包含一目標距離測量裝置131、一窄視角攝影機132及一快速指向調整機構133，其係以窄視角擷取連續影像畫面，其中，該目標距離測量裝置131、該窄視角攝影機132及該快速指向調整機構133係以共光軸結構設置，且該快速指向調整機構133係用以調整該第二影像追蹤模組120方位，另外，於本實施例中，該目標 距離測量裝置131係為一雷射測距裝置；一主控單元140，電性連接該調整方位機構110、該第一影像追蹤模組120及該第二影像追蹤模組130，以控制目標位置之追蹤；一顯控單元150，電性連接該主控單元140，用以作為使用者與系統溝通之介面，其利用一座標值顯示目標位置。

本實施例中，當目標進入窄視角之影像器視野範圍內，由於精度較高的需求情況下，窄視角影像畫面可能只占目標的局部範圍，此時若針對窄視角影像畫面進行追蹤而採用平方差、均方差、相關度等比對方法時，這些方法在某些應用下可能會因目標物的旋轉、變化，隨時間產生累積誤差，這些累積誤差將導致目標脫離畫面，同時在複雜背景下也會發生難以獨自判斷目標是否脫離畫面，因此本發明實施例的影像處理模組分別對不同視角影像器擷取之影像進行追蹤，在寬視角影像之追蹤結果確認窄視角影像機確實對準目標(一定誤差內之情況下)，採用窄視角影像之高精度的追蹤結果資訊傳送至伺服控制系統進行機構調整，如此一來可確保無累積誤差導致脫所的情況發生。

請參閱第二圖，為本發明一種移動目標位置追蹤系統之工作步驟流程圖、請參閱第三圖，為本發明一種移動目標自動偵測之工作步驟流程圖。如圖所示，於系統初始必須先執行目標確立程序於S1，其確立方法包括外部指定或自動偵測進行目標搜索於S11，外部指定由操作員或其它系統資 訊獲得於S16，自動偵測具有預設之方法及參數，可以由外部下令進行改變如S13與S12，S14目標偵測之演算法藉由不同應用進行不同調整，若已知目標亮度相對背景較亮或暗且為小目標時，則藉由灰階形態學方法做背景的預估，並以原始影像相減得目標影像並得其資訊，或以區域閥值進行二值化或多值化進行判定，其閥值為使用統計資訊作自動化閥值計算或直接定義，若已知目標形狀則能夠以樣板比對方式進行，上述程序得到之候選目標進行S15目標判定，藉由候選目標資訊與已知目標條件進行比對，排除非目標知候選，為了處理能夠即時，此辨別方法使用一系列簡單的判斷，如亮度、形狀、面積、邊界、信噪比、位置、相似度…等信息，排除不適當之後選目標，待目標確立後如S3進行寬視角影像追蹤，追蹤方法使用基於閥值的方法，其二值化對像可以是針對原始影像、邊緣化之影像或其它應用所適合之影像處理方法後的影像，此程序已進入追蹤程序，並由於尚未使用視角較窄之影像畫面進行追蹤，此階段稱之為粗追蹤，追蹤後之結果於S4利用結果資訊，由目標中心座標與影像畫面中心差距之像素數量進行換算，得伺服系統之馬達所需進行調整影像器位置之轉動量等相關資訊，並重複上述追蹤流程，期間若追蹤後之結果表示目標於窄視角之檢視範圍內如判斷程序S5，則窄視角影像器進入追蹤程序，此階段為細追蹤，S7窄視角影像的追蹤方法可以與寬視角追蹤方法相同，若目標 大於畫面一定比例時，若不適用於原始方法則改變為使用時間序列影像進行最大相似度或其它匹配法進行追蹤，此階段需利用寬視角影像進行追蹤知結果對窄視角追蹤進行參數及方法調整，S8判定若窄視角追蹤結果資訊為可靠，則使用窄視角影像追蹤結果作為輸出，並由於窄視角距較高的空間解析度，輸出精度較高之追蹤結果，並於S10調整各影像器之方位，S11若判定該系統應用之任務尚未結束，則至S5重複追蹤流程。

上述本實施例一種移動目標位置追蹤系統之工作步驟係為一種高精度之目標追蹤方法，包含有(1)自動偵測方法，用以對影像進行目標物偵測；(2)目標確立方法，用以針對外部資訊或使用影像畫面偵測之結果對檢出候選物或候選區域進行是否具有目標物之判斷；(3)目標追蹤方法，目標確立後即進入追蹤程序，並輸出誤差資訊，進行後續影像器位置之調整；(4)追失處理，當目標物遭雲層或其它障礙物遮蔽、干擾之因素造成系統暫時無法成功搜尋到目標時，需藉由追失處理找回目標，找回目標後即返原追蹤之模式。

該自動偵測方法至少具一個預設之方法設定，可以是基於閥值、灰階形態學、樣板比對、特徵抽取進行分類的方法，並可由外部輸入之已知資訊獲得改變參數或方法，針對目標物性質與距離切換至適合之參數、方法。

該目標確立方法屬一種判斷方法，為根據目標亮 度值、形狀、對比度…等運算作為影像特徵，並由特徵進行一系列的判斷機制輸出決策，判斷機制形態可以是決策樹、加權評分等，亦屬一種分類器，並具有多目標偵測功能，若偵測判定為目標數不只於一，則進行目標威脅程度計算，或由外界指定資訊選定。

該追蹤方法使用基於閥值的方法，其二值化對像可以是針對原始影像、邊緣化之影像並同樣針對目標狀態與距離資訊進行方法與參數之改變，其閥值計算方法為自動化計算區域閥值方法，並由其他影像資訊得以對閥值進行修正，並具有時間域的濾波機制，消除閥值在短時間產生過大的改變，二值化後由相連通標籤化取得該區域的物件數量與其資訊，包含大小、最高亮度、平均亮度、形狀、位置…等信息，並具有評分方法進行匹配，找出真實目標所在位置，對於寬視角與窄視角之影像追蹤方式相同具有已上所述方法，當寬視角追蹤結果目標離影像中心誤差小於一定值時，窄視角開始執追蹤程序，此時寬視角維持追蹤狀態，並且傳送結果至主控端，主控端依據不同追蹤結果輸出最終控制訊號至伺服控制系統進行整個追蹤流程，細追蹤期間若目標大於窄視角畫面之一定比例時，開始不適用原始方法，需改變為使用時間序列影像進行最大相似度或其它匹配法進行追蹤，此階段需利用寬視角影像進行追蹤之結果對窄視角追蹤進行參數及方法調整。

該追失處理為目標追蹤失敗時之應對機制，當目標遭到遮蔽或其它單擾因素導致追蹤結果失敗，此時系統由追失處理階段找回目標，追失處理包括閥值的選擇與偵測區域之位置、大小隨追失時間進行預測並改變，追回目標後即返回追蹤狀態，若追失處理時間大於一設定值時，即返回出使目標偵測狀態或待命模式。

請參閱第四圖，為本發明一種移動目標位置追蹤系統之另一實施例工作步驟流程圖。如圖所示，本發明實施例開機完成即進入自測程序與影像器校正動作，其間不接收任何命令，待校正完成後，即進入待命模式並接受命令，並可進入自動偵測模式，系統自動對影像接近中央處進行目標物的偵測，當目標出現在攝影機的畫面中央附近，系統自動偵測並框出目標，提供操作者選擇是否對此目標進行追蹤，期間鏡頭寬窄角的切換，可以由操作員進行選擇或系統自動切換，並當使用者下達「追蹤」指令，則進入追蹤模式，若於在自動偵測模式下，使用者可點選螢幕畫面中的目標物來下達指定追蹤指令，此時若系統偵測出目標，則進入追蹤模式。

由於寬視角影像器像解析度較差，不利於高精度追蹤，所以系統預劃採用一窄視角影像器之影像擔任精密追蹤的輸入，窄視角影像器影像解析度高，但視角範圍小不利於初期目標獲得程序的執行，當目標出現在寬視角攝影機的 畫面中時，系統就可依照指揮執行「粗追蹤模式」，粗追蹤使用寬視角影像器，並接受操作者控制寬視角影像器自身寬窄角的切換，或系統自動切換寬窄角，當目標持續停留在影像中心附近時，系統就可發射照明裝置，使窄視角影像器取得目標影像，達成粗追蹤的目的。

進入追蹤模式時首先執行的「粗追蹤模式」係使用寬視角影像器(寬視角攝影機)，並接受操作者控制寬視角影像器自身寬窄角的切換，或系統自動切換寬窄角，當目標持續停留在影像中心附近時，系統就可發射照明裝置，使窄視角攝影機取得目標影像，達成粗追蹤的目的；進行粗追蹤時，寬視角影像追蹤器計算目標偏離影像中心的數量，並將此數值提供伺服控制器指使定向轉台追蹤目標，使目標停留在寬視角影像中心附近，在自動切換寬窄角的模式下，目標若於影像中心附近且目標於影像中所占的比例小於一定的值以下時，切換至窄角，同上所述，窄視角影像追蹤器計算目標偏離影像中心的數量，並將此數值提供伺服控制器指使定向轉台追蹤目標，使目標停留在寬視角影像中心附近，在自動切換寬窄角的模式下，目標若於影像中心附近且目標於影像中所占的比例大於一定的值以下時，切換至寬視角影像。

當主控端接收粗追蹤之影像追蹤模組執行粗追蹤結果為目標持續離影像中心小於某程度誤差，並持續粗追蹤的狀態下發送啟用細追蹤訊息至追蹤之影像追蹤模組，使 窄視角影像器擷取到窄視角影像，粗追蹤影像追蹤模組開始執行細追蹤，並輸出追蹤結果目標偏離影像中心的像素數量回授至主控端，隨後主控端根據該誤差數值致動快速指向調整機構，使目標穩定的落在影像中心，達成細追蹤的目的，並由快速指向調整機構作動範圍定義出細追蹤的有效範圍，當目標於寬視角下持續離影像中心小於某誤差範圍內或於窄視角下持續離影像中心小於某誤差範圍內時，進入細追蹤的有效時機，並且粗追蹤持續執行。

如於追蹤程序過程中，目標物遭雲層或其它障礙物遮蔽、干擾之因素造成系統暫時無法鎖住目標，即進入追失處理，以人工手動或自動方式找回目標並返回上述實施例追蹤之模式重新執行追蹤；移動目標位置為不停的變動，本案發明可確實掌握移動目標之位置並且數位化，利用一座標值顯示目標位置，以供操做者觀看或供其他系統使用。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (5)

1. 一種移動目標位置追蹤系統，包括：一調整方位機構；一第一影像追蹤模組，設置於該調整方位機構上，其係以寬視角擷取連續影像畫面；一第二影像追蹤模組，包含一目標距離測量裝置、一窄視角攝影機及一快速指向調整機構，其係以窄視角擷取連續影像畫面；一主控單元，電性連接該調整方位機構、該第一影像追蹤模組及該第二影像追蹤模組，以控制目標位置之追蹤；一顯控單元，電性連接該主控單元，用以作為使用者與系統溝通之介面，其利用一座標值顯示目標位置；其中，該目標距離測量裝置、該窄視角攝影機及該快速指向調整機構係以共光軸結構設置；其中，該調整方位機構係用以調整該第一影像追蹤模組及該第二影像追蹤模組方位，讓該第一影像追蹤模組及該第二影像追蹤模組擷取同方位之影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之移動目標位置追蹤系統，其中，該第一影像追蹤模組係包含一寬視角攝影機。
3. 如申請專利範圍第1項所述之移動目標位置追蹤系統，其中，該快速指向調整機構係用以調整該第二影像追蹤模組方位。
4. 如申請專利範圍第1項所述之移動目標位置追蹤系統，其中，該目標距離測量裝置係為一雷射測距裝置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之移動目標位置追蹤系統，另包含一伺服控制系統，其中，該伺服控制系統係控制方位調整。