维普资讯 http://www.cqvip.com 第８卷２ ００８＿年年 月 第１０ 期 计算机技术与发展（Ｘ）ＭＰＵＴＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬＣ￣ｙ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ｖｏ１．１８№１０ ．Ｏｃｔ，２００８ 基于ＣａｍＳｈｉｆｔ的跟踪系统的设计 童刚，陈灵芝 （青岛科技大学自动化与电子学院，山东青岛２６６０４２） 摘要：介绍了一套目标跟踪系统。上位机采用基于ＣａｍＳｈｉｆｔ￣ ，利用目标的颜色直方图模型得到每帧图像的颜色投 ，影图，并根据上一帧得到的结果自适应调整搜索窗口的位置和大小，得到当前图像中目标的尺寸和中心位置然后计算中 心位置距离图像中心的偏移量；下位机是利用ＤＳＰ设计的一套运动控制系统，由自主研发的ＤＳＰ型伺服放大器直流伺服 、电机和云台、伺服驱动单元组成，能够根据运动偏差控制云台跟踪运动目标的移动。实验证明：本系统可以较好地实现简 单背景下物体的跟踪。 关键词：ＣａｍＳｈｉｆｔ；运动控制；伺服跟踪 中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—６２９Ｘ（２ｏ０８）１０—０１９４—０３ Ａ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣａｍＳｈｉｆｔ ＴＯＮＧ Ｇａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｌｉｎｇ・ｚｈｉ （Ｃｏｉｌ．ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇ．，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉ．ａｎｄ Ｔｅｃｈｎ．，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０４２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ￡Ｉｏｄｌｌｃｅｓ ａ￣ｒｇｅｔ仕 ｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｈｏｓｔ ＰＣ ａｄｏｐｔｓ ＣａｍＳｈｉｆｔ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ，ＣａｍＳｈｉｆｔ ｏｐｅｒａｔｅｓ ｏｉｌ ａ ｂａｃｋ—ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄｆｒｏｍ ｏｂｊｅｃｔｈｉｓｔｏｇｒａｍｍｏｄｅｌ，ｃｏｍｐｕｔｅｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｕｓｅｄ ｐｒｅｖｉｏｕｓｌｙｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅａｒｃｈｗｉｎｄｏｗ ｓｉｚｅ ａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ１ｏ— ｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｚｅｏｆｔｈｅ ｃｏｌｏｒｄｂｊ∞ｔ ａｒｅｆｏｕｎｄ．Ｔｈｅｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｐｉｃｔｕｒｅ ｃｅｎｔｒａ１．ＴｈｅｔａｒｇｅｔＰＣｉｓｔｈａｔ ｕＳｅＤＳＰｔｏｄｅｓｉｇｎ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｉｎｃｌｕｄｅｓＤＳＰ ＳｅＴＶＯ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｗｈｉｃｈＷａＳｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ，ＩＸ；ｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒａｎｄｔｕｒｎｔａｂｌｅ，９ｅｎ ｖｅ ｕｎｉｔ。 ｃｏｕｌｄ ｕｓｅ ｔｈｅ ｗａｒｐ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｔｒａｃｋ ｔａｒｇｅｔ ｏｂｊｅｃｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｐｒｏｖｅ：ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｂｊｅｃｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣａｍＳｈｉｆｔ；ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｅｒｖｏｔｒａｃｋ Ｏ引 言 目标的识别和跟踪技术是计算机视觉、图像处理 和模式识别领域里非常活跃的课题，是集图像处理、自 １）上位机系统：提供了一个人机界面，主要用来完 成图像数据实时处理和传输。 ２）下位机系统：即伺服控制系统。包括控制单元、 直流伺服电机和云台、伺服驱动单元和编码器，形成～ 动控制、计算机应用、信息科学技术于一体的。识别和 跟踪的目的就是通过对摄像头捕获的图像序列进行分 个位置闭环控制系统，可以精确地控制电机的转角，保 证云台的运动规律及固定在任意角度和连续跟踪。 ３）通讯系统：本系统采用的是串行通讯方式。通 讯接口支持Ｒ ３２，使用ＭＳＣｏｍｍ控件通过串行端口 传输和接收数据，ＭＦ￣ｏｍｍ控件提供了两种处理通讯 的方式：一种为事件驱动方式，另一种为查询方式。本 析，计算出偏移信号，偏移信号通过伺服控制器使伺服 机构产生控制信号带动控制台上的摄像头使目标始终 处于视野中心，完成跟踪任务。文中介绍了一套目标 识别跟踪系统，可以从图像信号中实时地识别目标，提 取目标位置信息以及自动跟踪目标物体运动。 系统采用的是第一种方式。 １ 系统结构和原理 １．１系统的结构 系统采用了“ＰＣ＋ＤＳＰ”的控制模式，此控制系统 将ＰＣ机的信息处理能力和开放式的特点与ＤＳＰ的计 算实时性有机地结合在一起，ＰＣ机利用计算机丰富的 系统采用双机结构：上位机和下位机。 收稿日期：２００８—０ｌ一１６ 软件功能，可以专注于人机界面、预处理、发送指令等 功能；而位置控制则由伺服控制器来实现，无需占用 ＰＣ机的资源，可以避免主机ＣＰＵ的计算延时和通信 延时。由于使用伺服控制器完成了位置控制的细节， 所以运动控制的伺服执行速度都较单处理器的直接 基金项目：国家８６３计划资助项目（２００５ＡＡ７３５０８０—２） 作者简介：童刚（１９６２一），男，副教授，博士，研究方向为工业自动 化、智能交通。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１Ｏ期 童刚等：基于ＣａｍＳｈｉｆｔ的跟踪系统的设计 ・１９５・ ＰＣ控制高的多，信息处理能力强、开放程度高、通用性 好。 ２运动系统的算法 ２．１ Ｃａｍ．Ｓｈｉｆｔ算法 系统结构如图１所示。 ＣａｍＳｈｉｆｔ算法即连续自适应数学期望移动算法， 是Ｂｒａｄｓｋｉ在ＭｅａｎＳｈｉｆｔ算法的基础上于１９９８年提出 的［１－－３］，该算法利用的是跟踪模式的概率分布，可以有 效地解决目标变形和遮挡的问题，且运算效率较高，可 以分为三个部分：色彩投影图、ＭｅａｎＳｈｉｆｔ、ＣａｍＳｈｉｆｔ。 躅ｌ 系统结构图 ＲＧＢ颜色空间对光照亮度变化比较敏感，为了减 少此变化对跟踪效果的影响，ＣａｍＳｈｉｆｔ算法首先将图 １。２系统的工作原理 工作原理： 像从ＲＧＢ颜色空间转换到ＨＳＶ颜色空间，用ＨＳＶ颜 色空间中的Ｈ分量就可以建立色彩概率模型。 ＭｅａｎＳｈｉｆｔ算法是Ｍｅｅｒ提出的一种以一种以目标 区域像素值的概率分布为特征的跟踪算法。该算法由 于采用了统计特征，因此对噪声有很强的鲁棒性，同 选定目标并通过ＣａｍＳｈｉｆｔ算法计算出目标的中 心和大小，计算中心偏离图像中心的程度，并将云台需 要转动的角度传给下位机，位置编码器获得电机的位 置传给ＤＳＰ，再通过串口传给上泣机，同时ＤＳＰ根据 控制算法计算出控制量，调整云台的角度，云台带动摄 像头转动使目标始终处于视野的区域。在实际应 用中 摄像头被固定在云台上，云台本身不做平移运 动，但是根据所作用的控制信号，云台可以进行水平左 时，构造了一个可以用ＭｅａｎＳｈｉｆｔ算法进行寻优的相 似度函数，由于ＭｅａｎＳｈｉｆｔ算法本质上是最陡下降法， 因此其寻优过程收敛速度快，使得该算法具有很好的 实时性。 右摆动或上下俯仰运动。云台的旋转将直接改变摄像 头的视野，因此对于云台的控制必须谨慎而准确。错 误的控制会使目标从视野中消失，导致跟踪的失败。 此外，如果云台的控制幅度不够，可能会达不到使目标 回到视野中心的目的，目标也容易丢失。 对于离散概率分布，算法过程如下 ４－－６】： １）在颜色概率分布图中选取搜索窗 。 ２）计算零阶距：Ｚ００＝∑∑Ｉ（ｘ，Ｙ） 计算ｚ和Ｙ的一阶距： Ｚ１ｏ＝５＿２ ｚ＊Ｉ（ｘ，Ｙ） 主机和ＤＳＰ之间传输的数据包括两部分：一部分 是控制云台的参数；另一部分是返回电机当前的位置 值。 Ｚ１０：∑∑ ＊ （ｚ， ） 其中：Ｉ（ｘ， ）为投影图中（ｚ， ）的值。 ３）计算搜索窗的质心。 ｘｃ＝Ｚ１ｏ／Ｚｏｏ Ｙｏ＝Ｚ０１／Ｚｏｏ １ＸＳＰ处理器：它对电机进行实时控制，存储应用程 序，并同用户和其他控制设备进行通信。 驱动电路：从位置控制器中读取命令信号来控制 电机转速或者转矩。 直流电机：将伺服放大器传过来的电信号转变成 ４）调整窗口的中心到质心位置。 ５）重复２）、３）、４），直到收敛。 ＣａｍＳｈｉｆｔ能够自动调节搜索窗的大小和位置，定 位被跟踪目标的中心和大小，并利用当前帧定位结果 旋转或线性运动，电机上配有位置传感器，可以对控制 器的位置输出进行补偿。 控制系统如图２所示。 来预测下一帧图像中目标的中心和大小，当视频序列 变化时，即可实现连续跟踪。 ＣａｍＳｈｉｆｔ算法通过颜色概率分布图像 的零阶距、一阶距和二阶距计算质心位置和 目标方向角，此算法不需计算每帧图像所有 的像素点的颜色概率分布，只需计算比搜索 窗口大一些的区域内的像素点的颜色概率 分布，所以可以大大节省计算量 ２．２伺服控制系统 该系统采用的ＤＳＰ芯片的型号是Ｍｏ— ｔｏｒｏｌａ公司的５６Ｆ８０７。它是Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的 １６位ＤＳＰ，其中的ＰＷＭ模块可以方便地对 图２控制系统示意图 输出电压的脉宽进行改变，经电流反馈型放 维普资讯 http://www.cqvip.com ・１９６・ 计算机技术与发展 第１８卷 大器驱动放大后可以对直流电机进行位置伺服控制。 电机的位置控制分辨率为２０００，ＤＳＰ运算速度是 ４０Ｍｉｐｓ。可以通过改变ＰＷＭ的模值来改变输出电 压，即改变直流伺服电机的输入电压，实现快速、准确 地定位【７－１０］。 控制器发出的命令信号，经过伺服放大器驱动器 放大处理后，传给伺服电机，驱动伺服电机运动。电机 轴上安装有编码器，时刻对位置信号进行处理，然后反 馈给伺服控制器，如此循环往复，便实现了控制系统对 控制对象的连续控制。 控制器所发出的轴的瞬时位置信号，必须转换为 驱动电机的信号。这个动作是由电机的闭环控制实现 的，通过不断比较所给信号与实际位置信号（绝对编码 图４ 系统跟踪效果 器计算）来控制电机的转动并使误差变小，实现位置的 机采用了高性能的ＤＳＰ做为控制系统的处理器，可以 定位。 运行较为复杂的控制算法，保证了系统的控制精度。 根据伺服系统的要求设计控制过程如图３所示。 实验证明：本系统可以比较准确地实现简单背景下的 目标 体动态跟踪。 参考文献： ［１］Ｃｏｍａｎｉｃｉｕ Ｄ，Ｍｅｅｒ Ｐ．Ｒｏｂｕｓｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｓｐａｃｅｓ：Ｃｏｌｏｒ Ｉｎ＇ｌｓｇｅ Ｓｅｇｍｅｌａ＿ｔａ— ｔｉｎｏ［Ｃ］／／Ｉｎ：ＩＥＥＥ Ｃｏｒｒｆ ｏｎ ｏＣｍｐ Ｖｉｓ 图３伺服系统框图 ａｎｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ．Ｓａｎ Ｊｕａｎ： １日匝ｏＣｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９７：７５０— 其中：ｏｒ——角位置输入； ——角位置输出； —— ７５５． 控制器输出；Ｍ ——电机力矩；Ｔａ——干扰力矩； ［２］Ｂｏｙｌｅ Ｍ．Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃａｐｔｒｕｅ Ｃｏｎｄｉｉｔｏｎｓ Ｏｎ ｔｈｅ ＣＡＭＳ－ ．，——转动惯量。 ＨＩＦｒ Ｆａｃｅ Ｔｒａｃｋｅｒ【Ｒ Ｊ．Ａｌ￣ｚｔａ，Ｃａｎａｄａ：Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ 在本系统中， 是由上位机通过匹配之后给定的， ｏＣｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｇａｒｙ，２００１：４５—４７． 指定了电机应该转动的角位移。控制器有超前补偿环 ［３ｊ ＬｉｕＮｉａｎｊｕｎ，Ｌｉｖｅｌｌ，ＢｒｉｎａＣ．ＭＭＸ—ＡｃｃｅｌｅｒａｔｅｄＲｅａｌ—Ｔｔｍｅ 节、滞后补偿环节和一纯积分环节组成。滞后环节用于 Ｈａｎｄ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＩＶＣＮＺ．Ｄｕｎｅｄｉｎ， 提高系统的开环增益，超前环节用于补偿相角，积分环 Ｎｅｗ Ｚｅ￣Ｒ／ｌｄ：［ｓ．１２．Ｊ，２００１：３８１—３８５． 节主要是为了提高系统的精度。数字控制器为： ［４］张志宏，张金换，岳卉，等．基于ＣａｍＳｈｉｆｔ的目标跟踪算 法［Ｊ］．计算机工程与设计，２００６，２７（１１）：２５—２７． Ｇ㈤＝Ｋ＊ 嚣苦 ＊ ［５］吴晓娟，翟海亭，王磊，等．一种改进的ＣＡＭＳＨＩＦＴ手势 跟踪算法［Ｊ］．山东大学学报，２００４，３４（６）：１２～１４． 通过仿真验证：设计的伺服控制系统可以比较准 ［６］徐力群，吴晓娟．基于颜色概率模型的实时手势跟踪算法 确、快速地实现位置的随动，而且响应时问比较短，超 ［Ｊ］．计算机工程与科学，２００５，２７（１０）：２３—２４． 调小，满足了动态性能和稳态精度的要求。 ［７］邵贝贝，龚光华．ＭｏｔｏｒｏｌａＤＳＰ型１６位单片机原理与实践 ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００３：４５—１０２． ３实验结果 ［８］曾明，张东纯，苏宝库．伺服转台高精度控制系统带宽设 以ＲＧＢ２４位真彩色图像为例进行实验，图像大小 计的探讨［Ｊ］．中国惯性技术学报，２００１，９（６）：５５—５９． ６４０＊４８０，实验结果如图４所示。 ［９］谢幕君，王志乾，李清军，等．一种提高转台伺服系统精度 的方法［Ｊ］．光电工程，２００４，３１（７）：１２—１４． ［１０］胡恒章，于镭，刘升才．三轴转台快速精密定位系统的智 ４结束语 能控制［ｊ］．导航与航天运载技术，１９９４（６）：３４—３９． 本系统采用上、下位协制的方案。上位机主 要进行图像的识别和跟踪，保证了系统的实时性；下位
