1.基于凝视跟踪一维高速运动目标系统的跟踪方法,其特征在于:包括以下步骤,步骤(A),设计高速运动目标跟踪结构,初步组建凝视跟踪一维高速运动目标系统,其中高速运动目标跟踪结构包括目标运动轨迹、振镜旋转轴和高速相机,初步组建凝视跟踪一维高速运动目标系统是将高速运动目标跟踪结构放置于坐标系中,以振镜中心点为坐标系原点,其组建具体步骤如下,步骤(A1),将目标运动轨迹放置于坐标系中,以目标运动轨迹为x轴,并设运动方向为正方向;
步骤(A2),将振镜旋转轴放置于坐标系中,以振镜旋转轴为y轴,并设向上为正方向,与xoy平面正交轴为z轴,设由振镜向目标方向为正方向;
步骤(A3),将高速相机放置于坐标系中,将高速相机置于yoz平面,位置固定不变,通过振镜的反射拍摄目标,且高速相机放置于目标运动轨迹的下方,高速相机视角与z轴夹角为‑β;
步骤(B),根据镜面成像原理精确高速相机的位置,从而完成对凝视跟踪一维高速运动目标系统的组建,其具体步骤如下,步骤(B1),根据镜面成像原理,将实体高速相机位置A等效为镜面中的虚拟相机位置A’;
步骤(B2),振镜绕y轴旋转,使得相机视场在x轴方向发生平移,设镜面与xoy平面的夹角为α,逆时针旋转为正角度,顺时针旋转为负角度;
步骤(B3),根据运动目标位置确定旋转角度,从而实现对相机视场的改变,使得目标始终在画面的中心位置;
步骤(C),根据凝视跟踪一维高速运动目标系统建立振镜旋转角度与画面平移像素之间的数学模型,其建立数学模型的具体步骤是根据凝视跟踪一维高速运动目标系统可知,振镜绕y轴旋转使得相机视场沿x轴方向平移,再通过世界坐标系、相机坐标系、成像坐标系和像素坐标系的转换建立振镜旋转角度与画面平移像素之间的数学模型,设目标在世界坐标系中某点坐标的位置为(xw,yw,zw),而对应像素坐标系中的坐标为(u,v),根据张正友标定法可得如公式(1)所示,其中,Zc表示该点在相机坐标系下z轴方向的坐标,R表示相机外参矩阵,Rij构成旋转矩阵并代表世界坐标系和相机坐标系之间的旋转关系,且1≤i≤3,1≤j≤3,tx、ty和tz表示相机坐标系原点在世界坐标系中的坐标分量,A表示相机内参矩阵并代表像素坐标系和相机坐标系之间的仿射变换关系,f表示相机焦距,1/dx和1/dy分别表示成像坐标系和像素坐标系之间两个坐标轴的尺度变换因子,u0和v0表示像素坐标系原点在成像坐标系中的坐标分量,fx表示相机焦距f变换为在x方向上的像素度量,fy表示相机焦距f变换为在y方向上的像素度量;
步骤(D),根据建立的数学模型计算出振镜偏转角度与相机凝视线水平像素位移之间的关系,并根据高速运动目标出现的方向将振镜置于相应的最大偏转角处;
步骤(E),启动高速相机实时采集图像,并检测连续图像中是否出现高速运动目标,若出现高速运动目标则继续步骤(F),若未出现高速运动目标则重复步骤(E);
步骤(F),计算高速运动目标在画面中的位置与画面中心点之间的偏差,并将偏差反馈至振镜控制系统;
步骤(G),通过振镜控制系统调整振镜旋转角度,完成对高速运动目标的凝视跟踪。
2.根据权利要求1所述的基于凝视跟踪一维高速运动目标系统的跟踪方法,其特征在于:步骤(D),根据建立的数学模型计算出振镜偏转角度与相机凝视线水平像素位移之间的关系,并根据高速运动目标出现的方向将振镜置于相应的最大偏转角处,其中根据建立的数学模型计算出振镜偏转角度与相机凝视线水平像素位移之间关系的具体步骤如下,步骤(D1),以振镜偏转角α=0°时对相机进行标定,设棋盘格水平方向上的两个相邻角点在世界坐标系中的坐标为P1(x1,y,0)和P2(x2,y,0),这时棋盘格上所有点在Z轴方向的坐标值为0,计算P1和P2的具体步骤如下,步骤(D2),利用公式(1)计算P1(u1,v1)的像素位置如公式(2)所示,
步骤(D3),利用公式(1)计算P2(u2,v2)的像素位置如公式(3)所示,
步骤(D4),由P1(u1,v1)和P2(u2,v2)的像素位置可得像素坐标系中两坐标点在水平方向和竖直方向的像素距离,如公式(4)所示,其中,△u表示两点之间的水平距离,△v表示两点之间的竖直距离;
步骤(D5),设世界坐标系中棋盘格尺寸为Δl,得到世界坐标系中1mm对应的像素长度p,且p的单位为像素,而长度p的计算如公式(5)所示,步骤(D6),在世界坐标系中推算振镜旋转角度与相机凝视线水平位移之间的关系,并设‑αi、‑αi+1分别振镜的两个偏转角度,且对应的相机凝视线投影在xoz平面上的点为Gi、Gi+1点,再由镜面成像原理可得不同角度的凝视线均相交于振镜中心点,再通过用L表示振镜偏转角度为0°时振镜中心点到相机凝视线在xoz平面上的投影点G的距离,这样由几何关系可得相机凝视线的水平位移等于其在xoz平面上的投影Gi和Gi+1之间的距离如公式(6)所示,△x=L*[tan(‑αi)‑tan(‑αi+1)] (6)其中,△x表示在xoz平面上的投影Gi和Gi+1之间的距离;
步骤(D7),根据公式(5)推导出的世界坐标系和像素坐标系的尺度变换关系,并结合公式(5)和(6)计算出振镜偏转角度与相机凝视线水平像素位移之间的关系如公式(7)所示,△x=L*[tan(‑αi)‑tan(‑αi+1)]*p (7)。
3.根据权利要求2所述的基于凝视跟踪一维高速运动目标系统的跟踪方法,其特征在于:步骤(E),启动高速相机实时采集图像,并检测连续图像中是否出现高速运动目标,若出现高速运动目标则继续步骤(F),若未出现高速运动目标则重复步骤(E),其中检测连续图像中是否出现高速运动目标的具体步骤如下,步骤(E1),设w表示图像的宽度,h表示图像的高度,仅需要找到第n帧图像上背景的像素点(u,v)在第n+1帧图像上的位置(u’,v’),即采用帧差法检测动态背景中的运动目标;
步骤(E2),利用帧差法检测动态背景中运动目标的具体步骤为假设第n+1帧相机的凝视线相对于第n帧时向右平移了Δu个像素点,向下平移了Δv个像素点,即得到(u,v)与(u’,v’)的关系如公式(8)所示,其中,1≤u≤w‑Δu,1≤v≤h‑Δv,1+Δu≤u’≤w,1+Δv≤v’≤h。
4.根据权利要求3所述的基于凝视跟踪一维高速运动目标系统的跟踪方法,其特征在于:步骤(F),计算高速运动目标在画面中的位置与画面中心点之间的偏差,并将偏差反馈至振镜控制系统,其中计算高速运动目标在画面中的位置与画面中心点之间的偏差采用的是公式(6)。
5.根据权利要求4所述的基于凝视跟踪一维高速运动目标系统的跟踪方法,其特征在于:步骤(G),通过振镜控制系统调整振镜旋转角度,完成对高速运动目标的凝视跟踪,其中振镜旋转角度大小是采用公式(7)计算得出,而通过振镜控制系统调整振镜旋转角度的具体步骤如下,步骤(G1),根据(u,v)和(u’,v’)的取值范围,将第n帧图像和第n+1帧图像进行裁剪,保留第n帧图像的第1+Δu至第w列、第1+Δv至第h行的像素点,保留第n+1帧图像的第1至w‑Δu列、第1至h‑Δv行的像素点,即消除了因相机凝视线移动所造成的静态背景在图像上的偏移,且裁剪后的两帧图像尺寸不再是w*h,而是(w‑Δu)*(h‑Δv);
步骤(G2),设fn(u,v)表示视频序列中的第n帧图像上(u,v)像素点的灰度值(以左上角为(0,0)点),任意相邻帧图像的差分公式如公式(9)所示,Dn(u,v)=fn+1(u,v)‑fn(u,v)(9);
其中,Dn(u,v)为下一帧图像减去当前帧图像的差分图像的绝对值,设T为阈值,Rn+1为差分图,则Rn+1(u,v)由公式(10)确定,