目标跟踪技术的重要应用和发展趋势

目标跟踪技术一直以来都是计算机视觉、图像处理领域的研究热点，其在国防侦察、安防监控、智能控制等领域具有重要应用价值，是武器装备、监控设备等的核心技术之一。数十年来，国内外一直有大量学者从事目标跟踪算法方面的研究，但是由于跟踪过程中所观测的目标信息的多变性、目标的机动性以及背景的复杂性、自身或背景遮挡等原因，目标跟踪仍然是一个非常具有挑战性的问题。近年来，将机器学习理论应用到目标的跟踪、识别问题是一个研究热点，与传统跟踪的目标匹配不同，运用机器学习理论进行目标跟踪是将目标跟踪问题转换成目标分类问题，即用算法将视场中的目标和背景分类，分类结果置信度最大的目标所在的位置就是目标位置。机器学习的一大特点就是学习，即让计算机有人一样的“学习”能力，可以通过学习被跟踪目标的不同变化，如位置变化、姿态变化和相似干扰等，及时调整跟踪器的状态，适用于多种复杂的目标跟踪问题。

目标跟踪是计算机视觉领域的一个重要问题，随着高性能计算机的发展、摄像机价格的下降、自动视频分析等需求的不断增加，极大地推动了目标跟踪算法的发展。目标跟踪是一个非常有挑战的问题，目标跟踪会因为目标的突然运动、目标或背景特征模式参数的变化、非刚性物体、目标遮挡以及摄像机运动等问题而变得更加困难。最初视频目标跟踪技术只用在军事侦查或视频监控领域，随着研究的逐步深入，视频目标跟踪问题还可以引申到其他方面应用，如对视频进行分析。随着科技水平的飞速发展，人们对智能图像处理的需求越来越大，视频分析已经是一个热点问题。视频分析有三个关键步骤：感兴趣运动目标的检测，逐帧跟踪目标和根据目标运动规律跟踪分析识别其行为。因此可认为目标跟踪问题可运用于以下领域：民用领域有基于运动的识别，如根据人的步态判断人的状态、自动目标检测、自动监视等，视频检索，人机交互，交通控制，汽车导航；军事方面，随着现代航海、航空、航天等领域的迅速发展，以及现代战争的信息化发展，运动目标的跟踪技术越来越受到各国的重视，已然成为军事领域的一个研究热点问题，无人机空中侦查、车载光电平台的地面侦查以及导弹的火力打击等，无不用到了目标跟踪技术。

基于运动的识别一般用在已知目标的运动轨迹的情况下的识别，根据目标运动的轨迹情况判断目标当前所处的状态。例如在医学的护理监控中，在某一特定的地点放置摄像机，随时跟踪监控病人的运动轨迹，通过训练学习得知病人在通常情况下的一般运动情况如大概轨迹、在某一处停留时间等情况，当目标的轨迹与所训练学习的目标的轨迹有较大异常时则通知监护人员。该种目标轨迹识别技术也可运用到其他方面，在一些安全要求比较特别的地方如银行ATM附近、或某些特殊部门的门口，可以通过这种基于运动的识别察觉出异常情况，避免不必要的损失。

视频检索技术源自计算机视觉技术，它可以从未知的视频中搜索出有用或者需要的资料，随着“天网工程”、“平安都市”建设的不断加深，视频安防监控技术的推陈出新、新技术的出现以及未来的发展越来越受到各界的高度重视。高清视频、视频存储、智能视频分析等技术已经成为当前视频技术发展的主要方向。随着安防行业的发展，视频监控正面临空前的挑战。目前，监控摄像头已遍布中国的街头巷尾，不间断地监视和录像。在改善社会治安的同时，也产生海量视频信息，对成千上万个监控平台进行监控将耗费大量的时间、人力和物力。在海量的视频中查找所需要的信息，无疑是大海捞针，也给视频监控技术带来巨大的挑战。传统的人海战术早已不能满足实际应用中的需要，视频检索和视频浓缩是其中的关键，其可以在耗费极少人力的情况下实现自动的目标查找。随着社会治安的完善，犯罪线索查找、走失人口的追查方面对视频检索技术的需求与日俱增。

在人机交互方面运用最多的就是近年来流行的体感游戏，随着智能数字产品的发展，人们对各种游戏的逼真性能要求越来越高，现在的游戏已从以前的只从屏幕上看发展到了人与屏幕中的角色的互动。人机互动的前提是机器能够识别跟踪人的动作，从而使机器中的角色能够有对应的反应。微软公司研发的Xbox360就是一款能够让人和计算机程序中的虚拟角色互动的互动体感游戏机，如图6-6所示，人可以在室内进行一些以前要在室外才能进行的体育运动。这种游戏的关键技术之一就是目标的识别跟踪，通过跟踪人的身体某一部位的相对位置来判断人的当前的动作姿态，从而使游戏机中的对应人物做出响应。

在汽车导航方面，自20世界70年代以来，无人驾驶汽车在军事、民用等方面的巨大发展潜力吸引了大量的公司、机构投入大量人力物力去研究，Google公司的Google X实验室已经研发出了一种无人驾驶汽车，如图6-7所示，该汽车不需要驾驶者就可以自动启动、行驶及停止，目前该车已经驾驶了48万公里，相信在不远的将来，自动驾驶汽车能够进入寻常百姓家。汽车自动驾驶的关键技术之一就是在复杂背景中如何将目标进行自动定位、跟踪以及识别，如此车辆才能正常行驶。

图6-6　Xbox360

图6-7　Google无人驾驶汽车(www.xing528.com)

在军事应用领域，随着现代武器的自动化、智能化的快速发展，目标跟踪技术在的作用更加重要。光电处理子系统构成了武器的眼睛，其与雷达、测距等其他子系统共同构成了武器的整个视觉系统，光电子系统的主要作用是对目标的搜索、跟踪和定位以及识别，在火力打击过程中，光电系统将目标的具体位置发送给指挥中心以及火控系统，能够大幅提高对目标打击准确率。

现代武器系统中，用到光电跟踪装置的武器比比皆是，在现代导弹上一般都会有光电导引头，使导弹在飞行过程中能够根据目标的位置信息不断调整飞行姿态，准确命中目标，导弹上的光电设备一般是电视末制导，就是导弹在俯冲的过程中根据目标的位置对弹体姿态进行调整，如图6-8（a）所示。

车载光电平台中的光电系统一般用在战区侦查方面，在战前的侦查工作是战争能否取得先机的关键因素，车载光电侦查系统一般能在距离目标几十公里的距离实现对目标的侦查，识别伪装，跟踪特定的目标，并将目标的具体位置信息发送到指挥中心，从而决定如何对已发现目标进行处理，目前各国最新研制的侦查车都有光电子系统，一般都包括可见光、红外视觉子系统以及激光测距测照子系统，如图6-8（b）所示。

机载光电平台应用范围也非常广泛，飞机在侦查、打击目标时也会用到光电平台，譬如在武装直升机的侦查系统中，光电子系统一般安装在飞机机鼻位置，一般包括红外成像子系统、可见光成像子系统、激光测距子系统以及激光测照子系统等，光电子系统通过可见光或者红外子系统对可能的目标进行检测、分类、评估，认为或自动选择一个主要目标进行自动跟踪，如图6-8（c）所示。

固定翼战斗机的武器系统中的光电子系统通常称为光电搜索瞄准系统，由于光电传感器是一种被动传感系统，能够使飞行员在飞行过程中更加详细地了解飞机周边的情况，并且在空中格斗的过程中，光电系统能够使飞行员准确瞄准所要打击的目标，提高格斗一击制胜的可能性，如图6-8（d）所示。

另一种固定翼飞机是近年来越来越被重视的无人机系统，因为无人机系统受机动灵活，昼夜均可用，可以随时深入到危险区域上空长时间执行侦察、监视以及打击任务，并且能够将感兴趣的信息传输到指挥中心，并且无人机具有结构简单、体积小、重量轻、雷达反射面小等特点，其研制费用、生产成本及维护费用都远低于有人机，可以最大限度地减小战场上的损失，同其他几种光电平台类似，无人机光电子系统同样也包含红外、可见光、激光等有效载荷，使用无人机对地方进行侦查，使战争开始前就能够掌握敌方的一些关键信息，大大提高了战争胜利的可能性，如图6-8（e）所示。

图6-8　光电载荷应用平台

综上所述，无论是民用还是军事应用领域，目标跟踪技术的重要性越来越凸显，因为随着信息技术的发展，各种智能设备层出不穷，机器智能已经成了一个大的发展趋势。机器智能，在机器视觉领域中简单来说即是通过光电设备获取红外或可见图像，通过对图像数据的处理、分析，最后做出合理的决策，目标跟踪技术无疑是其中的核心技术之一，由于目标跟踪问题的复杂性，目前的已有的跟踪算法并不能解决所有的目标跟踪问题。因此，国内外仍有大量学者对目标跟踪算法进行研究，无论从民用还是军事应用角度，目标跟踪技术都是一个很有实用价值的研究课题。