數(shù)字圖像處理課程設(shè)計(jì)---運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤

1、<p><b>　　數(shù)字信號(hào)處理</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　課設(shè)題目：運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤</p><p>　學(xué) 院：信息科學(xué)與工程學(xué)院</p><p>　專 業(yè)：電子與信息工程</p><p>　班 級(jí)

2、：</p><p>　姓 名：</p><p>　學(xué) 號(hào)：</p><p>　指導(dǎo)教師：</p><p>　　一. 課程設(shè)計(jì)任務(wù)2</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)目的2</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)要求2</p><p>　　二. 課程設(shè)計(jì)原理及設(shè)

3、計(jì)方案3</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)原理的選擇3</p><p><b>　　背景消減法3</b></p><p><b>　　時(shí)域差分法3</b></p><p><b>　　光流法4</b></p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)思路4&

4、lt;/p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)流程圖5</p><p>　　三. 課程設(shè)計(jì)的步驟和結(jié)果6</p><p>　　3.1 硬件的啟用6</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)化為灰度圖像7</p><p>　　3.3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測及軌跡描繪7</p><p>　　3.4 GUI界面的制作10

5、</p><p>　　四. 課程設(shè)計(jì)總結(jié)12</p><p>　　五. 設(shè)計(jì)體會(huì)13</p><p>　　六. 參考文獻(xiàn)14</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)目的</b></p><p>

6、　　數(shù)字圖像處理，就是用數(shù)字計(jì)算機(jī)及其他有關(guān)數(shù)字技術(shù)，對(duì)圖像進(jìn)行處理，以達(dá)到預(yù)期的目的。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，數(shù)字圖像處理已成為電子信息、通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、信號(hào)處理等專業(yè)的重要課程。</p><p>　　數(shù)字圖像處理課程設(shè)計(jì)是在學(xué)習(xí)完數(shù)字圖像處理的相關(guān)理論后，進(jìn)行的綜合性訓(xùn)練課程，其目的是：</p><p>　　使學(xué)生進(jìn)一步鞏固數(shù)字圖像處理的基本概念、

7、理論、分析方法和實(shí)現(xiàn)方法；</p><p>　　增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用Matlab編寫數(shù)字圖像處理的應(yīng)用程序及分析、解決實(shí)際問題的能力； </p><p>　　嘗試所學(xué)的內(nèi)容解決實(shí)際工程問題，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力</p><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　在很多應(yīng)用中都要對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。比如激

8、光制導(dǎo)中，彈載攝像機(jī)不斷檢測指向目標(biāo)的激光束，根據(jù)激光光點(diǎn)的位置來修正飛行方向。使用圖像獲取工具箱，從攝像機(jī)獲取視頻圖像到matlab中，這些圖像可以用來跟蹤攝像機(jī)視場中的目標(biāo)。建立一個(gè)圖像跟蹤的演示程序，用于跟蹤的目標(biāo)可由一個(gè)激光筆產(chǎn)生的激光點(diǎn)代替，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測和跟蹤,就是在視頻序列中實(shí)時(shí)地發(fā)現(xiàn)并提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo),不斷跟蹤它們,并計(jì)算出這些運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡。 </p><p><b>　　要求完成功能：

9、 </b></p><p>　　對(duì)連接在計(jì)算機(jī)上的視頻獲取設(shè)備進(jìn)行控制； </p><p>　　顯示動(dòng)態(tài)視頻畫面； </p><p>　　對(duì)畫面中內(nèi)容進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測；</p><p>　　對(duì)畫面中內(nèi)容進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤；</p><p>　　記錄目標(biāo)的跟蹤軌跡；</p><p>　

10、　輸出檢測到的激光點(diǎn)的位置信息； </p><p><b>　　設(shè)計(jì)軟件界面；</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)原理的選擇</p><p>　　傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)檢測主要包括背景消減法、時(shí)域差分法和光流法。下面分別對(duì)各個(gè)算法做簡要介紹：</p><p>

11、<b>　　背景消減法</b></p><p>　　背景消減法是利用當(dāng)前圖像與背景圖像的差分來檢測運(yùn)動(dòng)區(qū)域的一種技術(shù)。先為背景中的每個(gè)像素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模：再將當(dāng)前的圖像和背景模型進(jìn)行比較，據(jù)此對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，從而得到前一圖像素集合（運(yùn)動(dòng)對(duì)象）。</p><p>　　此方法的主要特點(diǎn)是要求當(dāng)前被監(jiān)視的目標(biāo)的背景基本不變，通過與背景的比較得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息。（即基本思想

12、是將當(dāng)前幀圖像與背景圖象相減，若差分圖像中像素值大于某一閾值，則判斷此像素點(diǎn)屬于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域，否則，就判此像素點(diǎn)屬于背景區(qū)域。）閾值操作后得到的結(jié)果直接給出了目標(biāo)的位置、大小、形狀等信息。</p><p>　　背景消減法操作簡單，檢測位置準(zhǔn)確且速度快。但通常的背景消減法對(duì)光線、天氣等光照條件的變化非常敏感，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的陰影也常常被檢測為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的一部分，這將影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。</p><p&

13、gt;<b>　　時(shí)域差分法</b></p><p>　　時(shí)域差分法是在同一背景下將連續(xù)或是一定間隔的幀進(jìn)行比較，從中檢測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡的方法。而比較兩幀最簡單、最直觀的方法是將兩圖像做“差”。利用檢測兩圖像中像素間灰度值的變化，經(jīng)過閾值化處理確定目標(biāo)在圖像中的位置。相減的圖像中，灰度不發(fā)生變化的部分被減掉，動(dòng)態(tài)目標(biāo)的大部分信息就保留下來。從而達(dá)到檢測和提取輪廓的目的。</p>

14、<p>　　差分操作利用捕獲的相鄰幀和提取目標(biāo)區(qū)</p><p>　　其中，為二值化門限，k為時(shí)間。令對(duì)應(yīng)兩幀圖像間發(fā)生變化的地方，即目標(biāo)區(qū)域中像素值為“1”，對(duì)應(yīng)在前后兩幀圖像間沒有發(fā)生（由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的）變化的地方像素值為“0”，得到二值圖像。</p><p><b>　　光流法</b></p><p>　　光流是空間運(yùn)動(dòng)物體的被

15、測表面上的像素運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度場。光流場是通過二維圖像來表達(dá)物體點(diǎn)的三維運(yùn)動(dòng)的速度場。</p><p>　　光流計(jì)算基于以下假設(shè)：一、任何物體所檢測到的亮度隨時(shí)間是恒定不變的。二、圖像平面內(nèi)定的臨近點(diǎn)以類似的方式進(jìn)行移動(dòng)（速度平滑性約束）?；舅枷胧牵菏紫忍崛D像中目標(biāo)的特征點(diǎn)，如角點(diǎn)，并利用特征匹配計(jì)算這些特征點(diǎn)處的光流，然后根據(jù)這些光流信息進(jìn)行目標(biāo)聚類。</p><p>　　光流法的主要

16、優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接用于攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)下的目標(biāo)檢測，對(duì)目標(biāo)在幀間的運(yùn)動(dòng)的限制較少，可以處理大的幀間位移，而且對(duì)噪聲的敏感性降低；主要缺點(diǎn)是大多數(shù)光流計(jì)算方法相當(dāng)復(fù)雜，且抗噪性能差。</p><p>　　運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的目的是通過對(duì)視頻圖像的分析，計(jì)算每幀圖像中目標(biāo)的位置坐標(biāo)，并根據(jù)不同的特征，將連續(xù)圖像中同一運(yùn)動(dòng)目標(biāo)聯(lián)系起來，得到每個(gè)目標(biāo)完整的運(yùn)動(dòng)軌跡，也就是說建立運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，找到下一幅圖像中目標(biāo)的確切位置。一些基

17、本的目標(biāo)跟蹤方法：中心跟蹤、質(zhì)心跟蹤、形心跟蹤和角點(diǎn)跟蹤等。</p><p>　　基于實(shí)驗(yàn)的要求及技術(shù)條件的限制，在本設(shè)計(jì)中將采用時(shí)域差分法對(duì)圖像進(jìn)行處理，即對(duì)相鄰兩幀進(jìn)行差分處理，從而檢測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)；運(yùn)用中心跟蹤法，確定目標(biāo)的最小外接矩形，并對(duì)其中心進(jìn)行跟蹤與記錄跟蹤軌跡。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)思路</b></p><p>

18、;　　控制計(jì)算機(jī)攝像頭硬件，得到實(shí)時(shí)的視頻圖像，捕獲圖像，對(duì)相鄰的幀運(yùn)用時(shí)域差分法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測，對(duì)各幀進(jìn)行灰度變換，然后相鄰幀間做差分，對(duì)得到的差值圖像進(jìn)行二值化，并設(shè)定二值化閾值。</p><p>　　進(jìn)而利用中心跟蹤法，定位目標(biāo)。若經(jīng)二值化的幀差圖像的各點(diǎn)的像素值為“1”較多且成區(qū)域，則由這些點(diǎn)組成的區(qū)域?yàn)檫B通區(qū)域，記錄連通區(qū)域的最上、最下、最左、最右邊界值，從而繪制出目標(biāo)的最小外接矩形，再確定矩形的中心為

19、目標(biāo)的定位點(diǎn)，根據(jù)定位點(diǎn)繪制運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤軌跡，且記錄跟蹤軌跡。</p><p><b>　　2.3 設(shè)計(jì)流程圖</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)的步驟和結(jié)果</p><p><b>　　3.1 硬件的啟用</b></p><p>　　info=imaqhwinfo</p><

20、;p><b>　　info = </b></p><p>　　InstalledAdaptors: {'coreco' 'winvideo'}</p><p>　　MATLABVersion: '7.6 (R2008a)'</p><p>　　ToolboxName: 'Image

21、 Acquisition Toolbox'</p><p>　　ToolboxVersion: '3.1 (R2008a)'</p><p>　　%返回適配器的信息。</p><p>　　win_fo=imaqhwinfo('winvideo')</p><p><b>　　win_fo =

22、</b></p><p>　　AdaptorDllName: 'D:\matlab\toolbox\imaq\imaqadaptors\win32\mwwinvideoimaq.dll'</p><p>　　AdaptorDllVersion: '3.1 (R2008a)'</p><p>　　AdaptorName: &

23、#39;winvideo'</p><p>　　DeviceIDs: {[1]}</p><p>　　DeviceInfo: [1x1 struct]</p><p>　　%適配器的具體參數(shù)。</p><p><b>　　程序中：</b></p><p>　　vid = videoinpu

24、t('winvideo', 1, 'YUY2_320x240');</p><p>　　preview(vid);</p><p>　　start(vid);</p><p><b>　　效果圖如下：</b></p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)化為灰度圖像</p><p&g

25、t;　　imaqmem(30000000); %申請(qǐng)內(nèi)存空間</p><p><b>　　for i=1:3</b></p><p>　　pic(:,:,:,i)=cat(4,getsnapshot(vid)); %捕獲圖像 </p><p>　　flushdata(vid); %清除數(shù)據(jù)獲取引擎的所有數(shù)據(jù)</p><

26、p><b>　　end</b></p><p>　　for f = 1:3</p><p>　　pixels(:,:,:,f) = double(pic(:,:,:,f))/255; %轉(zhuǎn)換為雙精度浮點(diǎn)型數(shù)</p><p>　　pixel(:,:,f) = (rgb2gray(pixels(:,:,:,f))); %rgb2gray將R

27、GB圖形或色圖矩陣轉(zhuǎn)換成灰度圖。</p><p>　　axes(handles.axes2);</p><p>　　imshow(pixel(:,:,f) );%顯示灰度圖像。</p><p><b>　　End</b></p><p><b>　　效果圖如下：</b></p><

28、;p>　　3.3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測及軌跡描繪</p><p>　　for l = 2:nrames</p><p>　　d(:,:,l)=(abs(pixel(:,:,l)-pixel(:,:,l-1)));</p><p>　　k=d(:,:,l);</p><p>　　bw(:,:,l) = im2bw(k, 0.2);</p&

29、gt;<p>　　bw1=bwlabel(bw(:,:,l));</p><p>　　axes(handles.axes3); </p><p>　　imshow(bw(:,:,l))</p><p><b>　　hold on</b></p><p>　　%統(tǒng)計(jì)連通區(qū)域的行的最上和最下、起始位置 &l

30、t;/p><p><b>　　cou=1; </b></p><p>　　for h=1:rows</p><p>　　for w=1:cols</p><p>　　if(bw(h,w,l)>0.2)</p><p>　　toplen = h;</p><p>　　if

31、 (cou == 1)</p><p>　　tpln=toplen;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　cou=cou+1;</p><p><b>　　end </b></p><p><b>　　end</b><

32、/p><p><b>　　end</b></p><p>　　%統(tǒng)計(jì)連通區(qū)域的裂地最左和最右、起始位置。</p><p><b>　　coun=1;</b></p><p>　　for w=1:cols</p><p>　　for h=1:rows</p><

33、p>　　if(bw(h,w,l)>0.2) </p><p>　　leftsi = w;</p><p>　　if (coun == 1)</p><p>　　lftln=leftsi; </p><p><b>　　end</b></p><p>　　coun=coun+1;&

34、lt;/p><p><b>　　break</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end </b></p><p>　　%計(jì)算連通區(qū)域的外界矩陣所需的

35、長度和寬度</p><p>　　widh=leftsi-lftln;</p><p>　　heig=toplen-tpln;</p><p><b>　　%計(jì)算矩形中心位置</b></p><p>　　widt=widh/2;</p><p>　　heit=heig/2;</p>&

36、lt;p>　　with=lftln+widt;</p><p>　　heth=tpln+heit;</p><p>　　wth(l)=with;</p><p>　　hth(l)=heth;</p><p><b>　　%顯示外接矩形</b></p><p>　　if(widh>0&a

37、mp;&heig>0) </p><p>　　rectangle('Position',[lftln tpln widh heig],'EdgeColor','r');</p><p>　　%顯示跟蹤中心-矩形中心</p><p><b>　　end</b></p>&

38、lt;p>　　plot(with,heth, 'r*');</p><p><b>　　drawnow;</b></p><p><b>　　hold off</b></p><p><b>　　n=n+1;</b></p><p>　　set(handl

39、es.edit1,'string',with);</p><p>　　set(handles.edit2,'string',heth);</p><p>　　%目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的記錄</p><p>　　if(m<10000)</p><p>　　record(m,1)=with;</p>&l

40、t;p>　　record(m,2)=heth;</p><p><b>　　m=m+1;</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　m=1;</b></p><p><b>　　end</b></p>

41、;<p>　　axes(handles.axes4);</p><p>　　set(gca,'ydir','reverse')</p><p>　　axis([0 320 0 240]);</p><p>　　plot(with,heth, 'r*');</p><p><b

42、>　　hold on;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　效果圖如下：</b></p><p>　　3.4 GUI界面的制作</p><p>　　GUI ( GraphicalUser Interface) ,是用戶和計(jì)算機(jī)之間交流的工

43、具。MATLAB 將所有GUl 支持的用戶控件都集成在這個(gè)環(huán)境中并提供界面外觀、屬性和行為響應(yīng)方式的設(shè)置方法，具有強(qiáng)大的繪圖功能,可以輕松的獲得更高質(zhì)量的曲線圖。GUIDE相當(dāng)于一個(gè)控制面板，從中可以調(diào)用各種設(shè)計(jì)工具以輔助完成界面設(shè)計(jì)任務(wù)，例如控件的創(chuàng)建和布局、控件屬性的編輯和菜單設(shè)計(jì)等。</p><p><b>　　GUI設(shè)計(jì)步驟：</b></p><p>　　1.

44、 將所需控件從控件面板拖拽到GUIDE的設(shè)計(jì)區(qū)域；</p><p>　　2. 設(shè)置控件的屬性。尤其注意tag屬性的設(shè)置</p><p>　　3. 保存文件。GUIDE默認(rèn)把GUI程序保存為兩個(gè)同名文件：.fig文件用來保存窗體布局和所有控件的界面信息；.m文件包含GUIDE自動(dòng)產(chǎn)生的程序框架和各控件的回調(diào)函數(shù)。</p><p>　　4. 為每個(gè)回調(diào)函數(shù)添加代碼以實(shí)現(xiàn)

45、GUI程序的具體功能。這一步與一般函數(shù)文件的編輯調(diào)試過程相同。</p><p>　　本次GUI設(shè)計(jì)本人共用：</p><p>　　兩個(gè)“確定按鈕”，pushbutton</p><p>　　五個(gè)“靜態(tài)文本框”，staic text</p><p>　　四個(gè)“坐標(biāo)軸控件”，axes</p><p><b>　　

46、界面說明</b></p><p>　　第一幅實(shí)時(shí)顯示視頻的灰度圖像</p><p>　　第二幅實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的檢測與跟蹤，外接矩形框顯示目標(biāo)，中心顯示目標(biāo)的中心位置。</p><p>　　第三幅顯示并記錄目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡</p><p>　　“目標(biāo)位置坐標(biāo)”處，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前目標(biāo)定位的位置信息</p><p>&

47、lt;b>　　效果圖如下：</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　隨著人工智能的發(fā)展和智能機(jī)器人的產(chǎn)生，人們將依賴機(jī)器人去完成更佳繁瑣的工作。而作為可以從事這些工作的前提就是給機(jī)器人一雙“眼睛”。能夠去識(shí)別和跟蹤目標(biāo)，以便能出色的完成工作。</p><p>　　運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測技術(shù)已經(jīng)得到廣

48、泛的應(yīng)用，本人對(duì)自己能夠運(yùn)用所學(xué)完成本設(shè)計(jì)感到十分興奮，但由于知識(shí)的局限，本設(shè)計(jì)還具有較大的紕漏。</p><p>　　經(jīng)過多次的試驗(yàn)及理論分析發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)存在如下問題：</p><p>　　背景與目標(biāo)的像素差距越大效果越好，由于采用中心跟蹤法，效果不是十分精確。</p><p>　　追蹤目標(biāo)體積越小試驗(yàn)效果越理想，過大的體積會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)效果。</p>

49、<p>　　基于本設(shè)計(jì)的算法，會(huì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)性較慢的缺點(diǎn)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)體會(huì)</b></p><p>　　完成了本次設(shè)計(jì)，使本人對(duì)matlab有了進(jìn)一步的了解，也使本人的matlab水平有了較大的提升。對(duì)數(shù)字圖像處理的設(shè)計(jì)原理和方法有了十分深刻的體會(huì)，鞏固了所學(xué)知識(shí)，加深了印象，讓知識(shí)和實(shí)際操作更近了。因?yàn)樵O(shè)計(jì)是一個(gè)先構(gòu)思再動(dòng)手的過程，而

50、且需要借鑒大量的資料，十分有效的提高了學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。</p><p>　　在本次的課程設(shè)計(jì)中，本人完成了對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，查閱文獻(xiàn)、資料，對(duì)目標(biāo)檢測和跟蹤有了初步的認(rèn)識(shí)，了解了各個(gè)工作原理；根據(jù)目標(biāo)檢測和跟蹤算法，對(duì)其進(jìn)行編程，對(duì)設(shè)計(jì)流程有了整體的認(rèn)識(shí)；編程實(shí)現(xiàn)任務(wù)，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，編程中出現(xiàn)了較多的錯(cuò)誤并對(duì)其進(jìn)行多次修改，最終完成任務(wù)。</p><p>　　同時(shí)

51、也加強(qiáng)了同學(xué)們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，雖然是獨(dú)立設(shè)計(jì)任務(wù)，但是相關(guān)的問題討論和資源共享也讓我們對(duì)團(tuán)隊(duì)有了新的感觸。</p><p>　　總之，通過本次設(shè)計(jì)，不但加強(qiáng)了專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，還使大家認(rèn)識(shí)到了知識(shí)脫離事實(shí)的誤區(qū)，具有十分重要的意義。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 周智恒.關(guān)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀的研究前