基于机器视觉与高精度定位的伪装与目标侦察

彭楷文¹，黄皓冉²

(1. 南京师范大学附属中学，江苏 南京 210003； 2. 南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094)

摘 要： 为解决普通反恐侦察移动平台易于被恐怖分子发现及目标位置信息不够精准的问题，设计了一款立体自适应伪装移动侦察平台。其伪装部分采用5个伪装显示屏对侦察平台立体地自适应地伪装覆盖，可以自适应地显示静态伪装图像，而且可以通过预存储的视频图像产生动态伪装效果。侦察部分采用北斗高精度卫星定位模块；侦察相机获取实时视频图像，实现目标检测、定位，计算目标相对于侦察平台相对位置。最终将平台位置、目标相对位置及现场视频信息传输到指挥中心，为指挥决策提供依据。

关键词： 移动侦察平台； 立体自适应伪装； 北斗高精度定位； 视觉目标定位

0 引言

在一些电视新闻节目和军事纪录片中，常能看到恐怖分子劫持人质的画面，但我方作战人员却无法把握敌人的实时动向和精准位置。因此，需要研制一款移动侦察平台，它能随着环境和场地的不同而进行自适应伪装、侦察和高精度定位多功能，可为我方赢得先机又能保证我方人员的安全^[1]。

在现有伪装系统的研究中，刘伟珂^[2]完成了伪装图像的获取与行进车体的实时伪装；高静雯^[3]使移动终端与周围的环境融为一体，实现了隐身功能；徐国彬^[4]利用一个摄像头进行图像的采集和一个置于物体正面的单个显示屏进行伪装。

在现有侦察平台定位技术的研究中，文献[5]利用我国自主研制的高精度北斗定位系统有望达到厘米级精确定位；文献[6]研究了基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机，能够对多个目标进行实时定位。

根据上述文献研究，发现现有的伪装侦察系统存在如下问题：

1) 众多视觉伪装研究中多是单个屏幕的伪装^[7]，且均为静态图像伪装。

第三，企业审计人员凭借自己的专业知识和工作经验无法准确界定被审计企业的经济责任时，要咨询这方面的权威专家，这样可以提高企业经济责任审计结果的准确性与合理性。

2) 同类的其他众多侦察系统中多采用GPS定位，定位精度较低。

3) 现有侦察系统中，未采用视频识别技术进行环境感知和获取目标相对位置。

针对上述问题，设计了一款集立体自适应伪装、高精度定位、侦察功能于一体的移动侦察平台，实物图如图1所示，研究技术路线及有关指标如下：

① 驱动模块：实现无线远程遥控侦察平台的运动控制，后轮驱动，可遥控实现平台灵活的运动控制，PWM可编程调速，驱动电动机减速后转速为30 r/min；

AR增强现实技术的3个重要特征是虚实融合、实时交互和3D定位。它模糊了虚拟与真实的界限,在不重塑自然环境的基础上强调用户在虚实交融场景中的多维感官刺激和沉浸交互反应,因此AR技术往往具有高娱乐性、强现场感、强交互性的优点。把AR技术与注重“现实景观”的旅游业相融合,必然会产生强大的化学反应,能为游客营造一个场景内容更丰富多元、视觉效果更直观震撼的游览空间,使游客敏锐地感受到超越现实时空的旅游感官体验[1]。

② 伪装模块：选择绿地、花丛、沙漠3种不同的环境，能自适应融入相应环境，实现5屏全方位立体伪装。运动过程中，5个屏显示与环境一致的图像，静止状态下，上方的屏可通过预存储的图像产生动态伪装效果，使得侦察平台与周围环境高度融合；

有乱君，无乱国；有治人，无治法。羿之法非亡也，而羿不世中；禹之法犹存，而夏不世王。故法不能独立，类不能自行；得其人则存，失其人则亡。法者，治之端也；君子者，法之原也。故有君子则法虽省，足以徧矣；无君子则法虽具，失先后之施，不能应事之变，足以乱矣。不知法之义而正法之数者，虽博，临事必乱。故明主急得其人，而闇主急得其势。(《君道》)

③ 侦察模块：高精度BDS/GPS定位系统，实现平台厘米级定位。根据侦察相机获取的视频进行目标检测和定位，计算得到目标相对于侦察平台的方位角、高低角和距离，并可将这些信息传送到指挥中心，为指挥决策提供依据。

图1 移动侦察平台实物图

1 硬件设计

自适应伪装移动侦察平台的硬件框架如图2所示，主要有驱动模块、伪装模块、侦察模块组成。驱动模块根据控制指令实现无线远程遥控侦察平台；伪装模块对所在场景进行检测，根据检测结果通过5个屏实现全方位立体伪装；侦察模块将采集到的现场图像及计算得出的自身位置、目标相对位置等信息一同传输到指挥中心。

采用两轮驱动的12 V、30 r/min的直流减速电动机，利用差速进行方向控制；遥控手柄通过2.4 GHz频段的ZigBee无线通信与控制板通信来遥控侦察平台的运行。电源模块采用12 V、4 000 mAh的锂电池；主控制器模块采用Arduino MegaPi控制板；电动机驱动模块采用L298N模块^[8-9]。

图2 移动侦察平台硬件框架图

良好教学情境，是触发学生写作动力的根本。教师在构建教学情境的过程中，应从“趣味性”的角度出发，更应从学生实际的认知能力角度出发。让情境出发学生写作兴趣的重要桥梁。

侦察模块包括侦察摄像头、厘米级高精度BDS/GPS卫星定位模块等。

2 软件设计

2.1 伪装模块软件设计

伪装模块软件系统框图如图3所示。根据程序框图编写主程序，进行场景检测，控制主屏与侧屏的显示。场景检测程序首先将图片大小变为352×288，之后提取大小为50×50的固定区域，将该区域RGB图像转换至HSV颜色空间，根据检测区域所有像素点的颜色分布区分不同的场景，最终返回检测结果。

主屏与侧屏根据当前检测结果进行相应场景的动、静态伪装。若平台处于运动状态，主屏与侧屏显示当前场景图片并循环检测小车当前所在场景，当场景发生改变时，根据检测结果，主屏与侧屏所显示图片切换至新场景图片。若小车处于静止状态则侧屏显示当前场景图片，主屏进入播放视频子程序。初始状态图片与3种场景图片如图4所示。

图3 伪装模块软件系统框图

图4 初始状态图片与3种场景图

2.2 侦察模块软件设计

1) 高精度BDS/GPS定位

系统原理为将已知坐标点(基准点)上安置的卫星定位接收机所接收的卫星信号(载波相位)，用于流动站观测信号的改正^[10-11]。消除卫星钟、卫星星历误差；减弱电离层、对流层对定位的影响，从而实现移动站的厘米级精确定位^[12-13]。

此外，努力实现“两个率先”的目标，还要加快优化支持创新、鼓励创新、保护创新的政策环境，积极营造尊重人才、尊重创造、尊重规律的浓厚氛围，努力形成注重落实、推动落实、狠抓落实的工作格局，推动东营市经济社会发展尽快走上创新驱动轨道。

虎兄虎弟个个食三品俸禄，都有专属庭院，无须入住营房，每天派一人值夜即可，这一天值班的乃是老大李太嶂。李太嶂闻听此歌，不禁惊出一身冷汗：是祸躲不过，迟早要来，这不，还是来了。李太嶂赶紧派人循声抓来歌唱者，却是个惊恐万状的小乞丐。

系统工作流程可分别用基准站、移动站和后台监控中心的工作流程来描述，各部分运行流程图如图5所示。

图5 系统工作流程图

2) 目标检测

现在，合作社注册了“庵上湖”和“华品”两个商标，通过党员包户、干部包区，社员积分考核等，从源头上严把食品安全关，狠做品牌，以量取胜转移到以质取胜。价格虽然比普通瓜菜高2-5倍，却一直供不应求。人气旺了，眼下村里又打算联合周边几个村，整合资源，抱团发展，提升乡村旅游的品质。

目标检测采用人脸检测技术^[14-15]，基于Haar特征提取人的脸部特征信息训练人脸检测分类器。使用预先训练好的分类器对侦察相机采集的图像进行人脸检测，以确定其中是否含有人脸，如果有则返回人脸在图像中的位置和大小。

王臣林[4]采用复方丹参滴丸与阿司匹林联合应用治疗不稳定型心绞痛,结果显示相比阿司匹林单独用药,联合用药治疗总有效率提高了14%,本文从老年人群这一特殊群体出发对联合用药方式进行考察,结果显示,观察组患者心绞痛发作频率、持续时间均明显小于对照组患者(P<0.05),同时观察组治疗总有效率明显高于对照组,与上述结果基本一致。可见,采用联合用药方式,对于老年不稳定心绞痛患者疗效有一定提升作用。此外安全性考察也同样显示,未见明显不良事件发生。

第二，激励管理方面。李小宁（2003）指出“产出门槛值监督”和“自我激励”是社会组织的主要激励方式。Walter O. Simmons（2010）通过数据分析指出最低薪酬与志愿者数量成正相关关系。因此美国各个州都倾向于用志愿者来取代低薪的雇员，这不仅能扩大志愿者的规模，又能提高雇员的薪酬水平。陈晓春（2006）认为社会组织主管的报酬由现期报酬和预期报酬两部分组成。张彻（2010）认为社会组织有薪酬员工薪酬管理面临的主要问题是沉淀成本。Meredith A.Newman（2012）从情绪劳动管理视角分析社会组织人员开展工作需付出沉重、复杂的情绪劳动并应对其情绪予以管理。

平生没有求过人的父亲，将给我攒好的下学期的所有费用，换成名牌酒和茶叶，趁夜色带我去校长家。父亲拖着那条在车祸中被撞瘸的右腿，走起路来很是艰难。

目标的定位采用单目视觉测量技术^[16]，以正常成年人的脸部大小作为标准，根据相机参数、人脸检测结果和成像原理对目标进行定位，计算出目标在侦察相机坐标系下的方位角、高低角和距离。

成像原理示意图如7所示。图中P ′为空间点P 的像点，o -xy 为图像坐标系，o ₂-x ₂y ₂z ₂为相机坐标系，f 为相机焦距。已知P ′点在图像坐标系o -xy 的坐标(x ,y )，根据成像三角形与式(1)(式中z ₂为图7中计算出的目标距离D )，可计算出P 在相机坐标系o ₂-x ₂y ₂z ₂的三维坐标(x ₂,y ₂,z ₂)，从而计算得到目标斜距O ₂P 与目标的方位角、高低角。

图6 测距原理示意图

测距原理示意图如图6所示，图中H 为实际人脸大小，D 为车辆与目标之间的距离，f 为相机焦距，h 为人脸映射到摄像头中的像素大小。根据计算公式D =fH /h ，在H 与f 已知的情况下，通过检测得到h 值即可计算出目标距离D 。

3) 目标定位

伪装模块包括摄像头、树莓派图像处理器和5个伪装体(显示屏)等。摄像头安装于移动平台的底端，采集路面环境图像数据，树莓派处理器进行图像处理，通过HDMI接口接入显示屏，将处理后的数据高清晰度地映射在显示屏上，实现视觉伪装。

(1)

图7 成像原理示意图

3 实验结果及分析

3.1 伪装模块实验结果与分析

1) 开机检测，主屏与4个侧屏显示初始状态银白色，如图8(a)所示。5 s后，摄像头检测到侦察平台停在绿地上，主屏与4个侧屏同时用绿地幕布动态覆盖银灰底色，直到立体全覆盖伪装。动态覆盖过程可见图8(b)、图9(a)所示。

图8 初始过程

图9 覆盖过程

2) 开机过程动态覆盖完毕后/遥控平台运动，5个屏同时显示和环境一致的图片；平台一旦停止，上屏融入绿地中的青蛙，达到逼真的伪装效果，如图9(b)所示。

3)遥控平台继续前行，从绿地到红色花丛，运动中，5个屏显示和环境一致的红色花丛，如图10(a)所示；停止后，上屏融入花丛中的小虫，达到逼真的伪装效果，如图10(b)所示。

图10 红色花丛背景

图11 沙漠背景

4)遥控平台继续前行，从花丛到沙漠，运动中，5个屏显示和环境一致的沙漠图片，如图11(a)所示；停止后，上屏融入沙漠中的蜥蜴在爬行，达到逼真的伪装效果，如图11(b)所示。

根据实验结果可以看出，自适应伪装移动侦察平台能够准确检测所在环境并根据自身运动状态分别进行静态伪装与动态伪装，自适应融入环境，实现5屏全方位立体伪装。

3.2 侦察模块实验结果与分析

1) 对采集到的图像进行人脸检测，标记出图像中人脸的位置，并计算出人脸在图像中所占像素大小，根据单目视觉测距原理，计算出目标在z 轴方向上的距离z ₁。之后根据成像原理，得到目标在相机坐标系下的三维坐标(x ₁,y ₁,z ₁)。最终根据三维坐标进行计算得到距离dis 、方位角x_ang 及高低角y_ang ，对不同位置的目标进行试验，结果如图12所示。

图12 单人检测

2) 由于相机视野较大，一幅图像中可能出现多个目标，因此对每个目标分别计算该目标的位置信息，分别在对应目标处下方给出距离dis 、方位角x_ang 及高低角y_ang ，对多目标场景进行试验，结果如图13所示。

图13 多人站立检测结果

3) 对检测结果进行验证，验证结果如表1所示(目标位于平台前方z 轴坐标为正，位于平台右方x 轴坐标为正，位于平台上方y 轴坐标为正，位于平台右方方位角为正，位于平台上方高低角为正)。

表1 检测数据与实际值

4) 在实际场景中进行试验，根据自适应伪装移动侦察平台传回至数据中心的自身位置信息和目标的相对位置信息，可得到自适应伪装移动侦察平台的运动轨迹与目标的位置。对自适应伪装移动侦察平台的运动轨迹及基站目标的位置进行画图，如图14所示，其中黑色标记为自适应伪装移动侦察平台，粗线为自适应伪装移动侦察平台运动轨迹，灰色标记为目标，细线为根据目标的相对位置信息画出的指向目标的线段。

根据实验结果可以看出，自适应伪装移动侦察平台能够准确检测自身位置及目标相对位置，其中自身位置可实现厘米级定位，能够为指挥决策提供依据。

4 结语

本设计的创新之处在于实现了一款自适应伪装移动侦察平台，解决传统侦察移动平台伪装简单、定位精度低的问题。本平台采用了5个伪装显示屏对侦察平台的5个方向进行全方位立体的自适应地覆盖伪装，极大地增强了伪装效果。伪装显示屏不仅可以自适应地显示摄像头采集到的与周围环境一致的静态伪装图像，而且可以通过预存储的视频图像产生动态伪装效果，使得侦察平台与周围环境高度融合。侦察平台采用了厘米级北斗高精度卫星定位模块，利用侦察摄像头识别图像中的目标，计算目标与侦察平台之间的相对位置，并将现场图像和位置信息传输到指挥中心。本设计成本预算适中，满足经济性的要求，在现代反恐作战应用中具有广阔的应用前景。

图14 自适应伪装移动侦察平台运动轨迹与目标位置图

参考文献:

[1] 邱守义,张玉荣. 浅谈伪装目标光学侦察方法[J]. 科技与创新,2016(11):127-128.

[2] 刘维珂. 行进车体的视觉伪装技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学,2018.

[3] 高婧雯. 可实现隐身功能的移动终端、进入和退出隐身状态的方法: 中国,CN106850952A[P].2017-06-13.

[4] 初苗,田少辉,余隋怀. 基于视觉机制的伪装仿真效果评价方法研究[J]. 计算机仿真,2014,31(3):60-64.

[5] 徐国彬. 隐身装置: 中国,CN101236354[P]. 2008-08-06.

[6] 蔡明兵,刘晶红,徐芳. 无人机侦察多目标实时定位技术研究[J]. 中国光学,2018,11(5):812-821.

[7] 刘毅. 基于翻转技术的具有伪装图像的视觉密码方案[D]. 四平：吉林师范大学,2016.

[8] 殷留留,韩森,王芳,等. 基于L298N的直流电机调速系统的设计与应用[J]. 信息技术,2017(6):104-106,111.

[9] 赵建伟,班钰,王义,等. 基于Arduino的智能小车的控制系统设计[J]. 兵工自动化,2015,34(5):74-76,96.

[10] 贾昊,张烨,崔忠政,等. 异步串行通信协议的设计与实现[J]. 电子制作,2018(20):10-11, 23.

[11] 张永丽,陈卫东,孟婷婷. 北斗导航系统应用前景初探[J]. 价值工程,2018,37(36):203-205.

[12] 王佳伟,朱建良,薄煜明. 基于GPRS的北斗高精度定位车载系统[J]. 淮阴工学院学报,2018,27(5):1-6.

[13] 田建波,陈刚. 北斗导航定位技术及其应用[M]. 武汉:中国地质大学出版社,2017.

[14] 王红梅. 图像处理基础理论、方法及应用实践[M]. 北京:地质出版社,2017.

[15] 邵彩幸,于越,段琼,等. 基于嵌入式与OpenCV的目标识别系统研究[J]. 西南民族大学学报(自然科学版),2018,44(5):502-506.

[16] 曾峦. 侦察图像获取与融合技术[M]. 北京:国防工业出版社,2015.

Design and Implementation of Adaptive Camouflage Mobile Reconnaissance Platform

PENG Kaiwen¹, HUANG Haoran²

(1.High School Affiliated To Nanjing Normal University ,Nanjing 210003,China ; 2. Automated Institute ,Nanjing University of Science and Technology ,Nanjing 210094,China )

Abstract :To solve the problems that the common anti -terrorism reconnaissance mobile platform is easily found by terrorists and the location information of the target is not accurate enough ,a three -dimensional adaptive camouflage mobile reconnaissance platform is designed .In the camouflage part ,five camouflage display screens are used to display the four sides and one top of the reconnaissance platform .The static camouflage image can be adapted to display and the dynamic camouflage effect can be produced by the pre -stored video image .In the reconnaissance part ,the Beidou high precision satellite positioning module is used ;the reconnaissance camera is used to obtain real -time video images ,in order to realize the target detection and positioning and calculate its position relative to the reconnaissance platform .And then ,the position of the platform ,the relative position of the target and the field video information are transmitted to the command center ,which provides the basis for command decision -making .

Keywords :mobile reconnaissance platform ;stereo adaptive camouflage ;Beidou high precision positioning ;visual target localization

中图分类号： TP242.6⁺.2

文献标志码： B

文章编号： 1671- 5276( 2019) 02- 0192- 04

基金项目： 江苏省计算机学会青少年信息与智能技术教育英才计划(BE2018100)

作者简介： 彭楷文(2002-)，男，江苏南京人，研究方向为信息技术、智能机器人。

DOI: 10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2019.02.049

收稿日期： 2019-02-13

标签：移动侦察平台论文;  立体自适应伪装论文;  北斗高精度定位论文;  视觉目标定位论文;  南京师范大学附属中学论文;  南京理工大学自动化学院论文;