瞄準(zhǔn)器的眼跟蹤算法研究
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視線跟蹤是圖像實(shí)時(shí)處理的重要領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的預(yù)警、火控、制導(dǎo)。視線跟蹤又稱眼睛瞄準(zhǔn)系統(tǒng)或視覺跟蹤系統(tǒng)，它用眼睛注視作為輸入，并配上相應(yīng)的硬件設(shè)備來表達(dá)思想及控制周圍環(huán)境。另外還有“眼動(dòng)鼠標(biāo)”通過移動(dòng)眼球控制電腦屏幕鼠標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，并且能利用眼睛的注視打開或關(guān)閉窗口程序，實(shí)驗(yàn)表明用視線跟蹤控制要比鼠標(biāo)迅速。
頭盔瞄準(zhǔn)器能夠在盡可能大的范圍內(nèi)觀察瞄準(zhǔn)目標(biāo)，而無需在發(fā)動(dòng)攻擊前才使飛機(jī)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。從理論上講，頭盔瞄準(zhǔn)器幾乎具有全向視場(chǎng)，這是其他任何一種探測(cè)器都無法比擬的，而在實(shí)際應(yīng)用中，頭盔瞄準(zhǔn)器的觀察范圍是由駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)所達(dá)到范圍和頭盔位置傳感器跟蹤測(cè)量范圍共同決定，因此，頭盔跟蹤受跟蹤范圍和響應(yīng)速度限制，而視線跟蹤正好能擴(kuò)大該范圍。另外，隨導(dǎo)彈離軸角的增加，頭盔瞄準(zhǔn)器觀察目標(biāo)和瞄準(zhǔn)目標(biāo)的范圍要求也再增加，且要求在各種機(jī)動(dòng)狀態(tài)都能使用，眼跟蹤和頭跟蹤正好解決了這個(gè)矛盾。
2 視線跟蹤原理
以正視下的視線方向作為基準(zhǔn)，改變視線方向，即眼球發(fā)生一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，瞳孔中心位置同步移動(dòng)，因此實(shí)時(shí)獲取瞳孔中心位置坐標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)視線跟蹤。
圖1給出視線跟蹤原理圖。以眼底為坐標(biāo)原點(diǎn)O，S為瞳孔中心位置，s’為S在YOZ面的投影，(M，N)為S’在YOZ面上二維坐標(biāo)，CCD攝像機(jī)在X軸方向上。設(shè)定正視方向(即頭盔跟蹤法線方向)為X軸，頭盔左右方向?yàn)閆軸，頭盔上下方向?yàn)閅軸。根據(jù)瞳孔中心在ZOY面上的投影坐標(biāo)及人眼球半徑(約10 mm)，得到俯仰角α(∠SON’)、方位角β(∠M’ON’)的值，這樣就可確定眼跟蹤視線方位。
3 跟蹤算法實(shí)現(xiàn)
3．1 閾值選取
從內(nèi)存讀取紅外源圖像，圖2(a)中，瞳孔與眼睛其他部分相比要暗得多，采用簡(jiǎn)單的二值化法分離瞳孔，提取瞳孔邊緣。具體做法：先計(jì)算出整個(gè)眼睛圖像的灰度直方圖，第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的是瞳孔區(qū)域灰度值，如圖2(b)中箭頭所示。選擇在第一個(gè)峰值的右側(cè)相隔2至5個(gè)灰度值處提取瞳孔的二值化閾值，即灰度值為78，但這樣會(huì)導(dǎo)致眼睫毛部分保留大量信息。圖2(c)是采用閾值63二值化后的結(jié)果，可以看出，瞳孔被成功分離出來，雖然保留小部分睫毛，但不影響后續(xù)分析。
3．2 Sobel算子檢測(cè)邊緣
圖像的邊緣是圖像最基本特征。所謂邊緣就是指那些周圍灰度有跳躍變化的像素集合。邊緣廣泛存在于物體與背景、物體與物體、基元與基元之間。Sobel算子是一種一階微分算子，在邊緣檢測(cè)中應(yīng)用廣泛。Sobel算子有兩個(gè)，其中，
是檢測(cè)水平邊緣的，而
是檢測(cè)垂直邊緣的。在圖2(c)中，瞳孔上的像素與其周圍像素有明顯階躍變化。所以可利用該特性作為檢測(cè)瞳孔邊緣依據(jù)。利用Sobel算子檢測(cè)瞳孔邊緣結(jié)果，如圖3所示。
評(píng)論