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DE3033785A1 - Image processing target acquisition and tracking - uses Bayes classifier to classify target and terrain and controls measurement data acquisition - Google Patents

Image processing target acquisition and tracking - uses Bayes classifier to classify target and terrain and controls measurement data acquisition

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DE3033785A1
DE3033785A1 DE19803033785 DE3033785A DE3033785A1 DE 3033785 A1 DE3033785 A1 DE 3033785A1 DE 19803033785 DE19803033785 DE 19803033785 DE 3033785 A DE3033785 A DE 3033785A DE 3033785 A1 DE3033785 A1 DE 3033785A1
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DE19803033785
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Erwin Dipl.-Ing. 8012 Ottobrunn Keller
Walter Dipl.-Ing. Laier
Werner Dr.-Ing. Dipl.-Ing. 8000 München Wiemer
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Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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    • G01S3/00Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/78Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S3/782Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/785Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system
    • G01S3/786Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system the desired condition being maintained automatically
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Abstract

An arrangement for detecting and tracking a target contains a sensor which responds to electromagnetic radiation. It automatically optimises the distinction between the target and the terrain and is very simple. The measurement values produced by the sensor are reduced to two intensity levels for the target and the terrain. The target and terrain are classified in a classifier using Bayes Theorem. The classifier controls the acquisition of measurement data via a switching function. The classifier a posteriori signal is fed to a coordinate analyser which determines the target coordinates using a maximum target point probability method. A delay element forms a signal which acts on the a priori signal from the posteriori signal. The target coordinates are fitted with time and a difference signal between the predicted and measured maxima fed to the delay element.

Description

Einrichtung zur Erkennung und Verfolgung eines Zieles Die Erfindung befaßt sich mit einer Einrichtung zur Erkennung und Verfolgung eines Zieles, welche einen auf elektrische Strahlung ansprechenden Sensor aufweist.Device for Detecting and Tracking a Target The invention deals with a device for detecting and tracking a target, which has a sensor responsive to electrical radiation.

Einrichtunger der vorgenannten Art sind aus einem umfangreichen Stand der Technik bekannt (siehe z. B. DE-AS 26 02 838, DE-AS 25 47 798, DE-AS 24 41 640). Die dort beschriebene Bilddatenverarbeitung kann ganz allgemein auf ein Meßwertverarbeitungsproblem zurückgeführt werden, wobei die Zielverfolgung ein Spezieller Fall einer solchen Meßwertverarbeitung ist. Im wesentlichen basiert die Zielverfolgung auf der Unterscheidung von zwei Prozessen, nämlich Ziel und Gelände, so daß die der Zielverfolgung dienenden Einrichtungen aus drei Teilen bestehen, der Meßwertaufbereitung zur Datenreduktion, der Klassifikation der Meßwerte in die Klassen Ziel und Gelände und der Ermittlung der Zielortkoordinaten aus den klassifizierten Meßwerten.Establishments of the aforementioned type are from an extensive range known in the art (see, for example, DE-AS 26 02 838, DE-AS 25 47 798, DE-AS 24 41 640). The image data processing described there can very generally lead to a measured value processing problem be traced back, with target tracking being a special case of such Measurement processing is. Essentially, target tracking is based on distinction of two processes, namely target and terrain, so that those used for target tracking Facilities consist of three parts, the processing of measured values for data reduction, the classification of the measured values into the target and terrain classes and the determination the destination coordinates from the classified measured values.

Die bisher bekannten Einrichtungen erfüllen entweder nicht die in sie gesetzten Erwartungen, weil sie die notwendige Unterscheidung zwischen Ziel und Gelände nicht mit ausreichender Genauigkeit oder nicht in ausreichender Geschwindigkeit liefern, oder aber sie sind zu aufwendig, so daß sie nicht mehr realisierbar sind bzw. in Einrichtungen, wie Flugkörpern o.ä., wegen ihres Gewichts und Platzbedarfs nicht einsetzbar sind.The previously known facilities either do not meet the in They set expectations because they make the necessary distinction between goal and terrain not with sufficient accuracy or not at sufficient speed deliver, or they are too expensive so that they can no longer be realized or in institutions, like missiles or similar, because of their weight and space requirements cannot be used.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit deren Hilfe eine automatische optimale Klassifikation zwischen Ziel und Gelände durchgeführt werden kann und die sich insbesondere durch einfache Realisierung auszeichnet.The object of the invention is to provide a device of the type mentioned at the beginning Specify type, with the help of which an automatic optimal classification between Objective and terrain can be carried out and in particular by simple Realization excels.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, a) daß die vom Sensor gelieferten Meßwerte in einer Meßwerterfassung erfaßt und auf zwei Helligkeitsdichten für Ziel und Gelände reduziert werden, b) daß einem Klassifikator daraus diese als Eingangsgrößen zuführbar sind, wobei der Klassifikator anhand des Bayes-Theorems die Klassifikation in Ziel und Gelände vornimmt und die Neßwerterfassung über eine Schaltfunktion steuert, c) daß das a-posteriori-Signal des KlassifRators sowohl einem Zielkoordinatenbestimmer zugeführt wird, der die Zielkoordinaten anhand einer Schwerpunktsbildung, welche auf die Anwesenheitswahrscheinlichkeit der Zielpunkte angewendet wird, ermittelt, d) sowie auch einem Verzögerungsglied, das aus dema-posteriori-Signal ein auf die a-priori-lnformation zurückwirkendes Signal herstellt e) und daß ein Filter die Zielkoordinaten über der Zeit filtert und dem Verzögerungsglied ein Differenzsignal zwischen vorausgesagtem Zielschwerpunkt und gemessenem Schwerpunkt zuführt.This object is achieved by a) that the supplied by the sensor Measured values recorded in one measured value acquisition and on two brightness densities for target and terrain are reduced, b) that these are used as input variables to a classifier are supplied, the classifier using the Bayes theorem the classification in the target area and in the area and controls the measurement of the measured value via a switching function, c) that the a posteriori signal of the classifier is both a target co-ordinator is supplied, which the target coordinates based on a center of gravity, which is applied to the probability of presence of the target points, d) as well as a delay element that is derived from the posteriori signal on the a-priori information produces a retroactive signal e) and that a filter the Filters target coordinates over time and the delay element a difference signal between the predicted target center of gravity and the measured center of gravity.

Die Einrichtung zeichnet sich besonders dadurch aus, daß als Meßwert bzw. als Merkmal für die Zielverfolgung nur noch die Helligkeit in einem Punkt dient, d.h. Lagebeziehungen von'Meßpunkten untereinander bleiben unberücksichtigt, so daß jeder Meßpunkt unabhängig von seinen Nachbarn verarbeitet werden kann. Dies führt zu einer sehr starken Vereinfachung des Klassifikators, so daß man ohne großen Aufwand die Verarbeitung auf alle meßpunkte ausdehnen kann, mithin auch die Hintergrundinformation, welche den größten Teil der Meßwerte ausmacht, mit einbezogen werden kann. Hierzu muß lediglich die Voraussetzung gemacht werden, daß der Hintergrund ortsfest ist und auch so in die Meßmatrix abgebildet wird, d.h..daß die Lage des Sensors in bezug auf eine Festreferenz bekannt oder stabilisiert ist, da sonst die a-priori-Information, daß der Hintergrund.ortsfest ist, nicht ausgenutzt werden kann.The device is particularly characterized by the fact that as a measured value or only the brightness in one point is used as a feature for target tracking, i.e. positional relationships between measuring points are not taken into account, so that each measuring point can be processed independently of its neighbors. this leads to to a very strong simplification of the classifier, so that one can without much effort the Processing can extend to all measuring points, including the background information, which makes up the largest part of the measured values can be included. For this only the requirement has to be made that the background is stationary and is also mapped in this way in the measurement matrix, i.e. that the position of the sensor in relation to is known or stabilized on a fixed reference, otherwise the a priori information, that the background is stationary and cannot be used.

Die der Einrichtung innewohnende Rekursion führt zu einem gewünschten Lerneffekt derart, daß die Schätzung der Position des Zieles mit wachsender Anzahl von Meßwerten gegen den wahren Wert konvergiert. Die Erprobung der Erfindung hat gezeigt, daß mit Hilfe der Baves-Regel eine im statistischen Sinne optimale Klassifikation durchgeführt werden kann.The facility's inherent recursion leads to a desired one Learning effect in such a way that the estimation of the position of the target increases with the number of measured values converges to the true value. The testing of the invention has showed that with the help of the Baves rule an optimal classification in the statistical sense can be carried out.

Die Erfindung ist anhand der einzigen Figur näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the single figure.

Vor deren genaueren Erläuterung sollen zunächst einige allgemeine Ausführungen zur Bildverarbeitung gemacht werden.Before they are explained in more detail, a few general Comments on image processing are made.

Wie bekannt, sind die einzigen Informationen, die man von einem auf elektromagnetische Strahlung ansprechenden Sensor erhält, die Helligkeiten,u.U. auch die Farbe, die z.B. in einem Rechteck von 256 x 256 Bildpunkten gemessen werden und deren Ort in der eßmatrix.As is known, the only information that you can get from one is based on Electromagnetic radiation responsive sensor receives, the brightness, possibly. also the color, which is measured e.g. in a rectangle of 256 x 256 pixels and their location in the eating matrix.

Zusätzlich weiß man jedoch, und dies ist für die weitere Verarbeitung notwendig, daß das Gelände ortsfest, das Ziel kompakt und meist fluid ist, d.h. die Meßwerte des Zieles haben keine definierte Lagebeziehung zueinander, und außerdem gehorcht das Ziel einem Bewegungsmodell. Damit kann die Zielverfolgung in zwei Abschnitte gegliedert werden, und zwar das Messen der Informationen und das Verarbeiten der Informatiollen, wobei zusätzliche Informationen, die nicht meßbar aber aus der Physik ableitbar sind und im entscheidenden Maße von der zu lösenden Aufgabe bestimmt werden, eine wesentliche Rolle bei der Verarbeitung spielen.In addition, however, one knows and this is for further processing it is necessary that the terrain is stationary, the target compact and mostly fluid, i.e. the measured values of the target have no defined positional relationship to one another, and besides the goal obeys a movement model. This means that target tracking can be divided into two sections be structured, namely the measurement of the information and the processing of the Information, with additional information that is not measurable but can be derived from physics and, to a decisive extent, from the one to be solved Task determined to play an essential role in processing.

Wie nun die Figur zeigt, besteht die Einrichtung im wesentlichen aus einer Meßwertaufbereitung 10, in welche die von einem nicht dargestellten Sensor gelieferten Meßwerte erfaßt und reduziert werden, aus einem Klassifikator 11, der anhand des Bayes-Theorems mit maximaler Wahrscheinlichkeit die Meßwerte aufgrund seiner a-priori-Kenntnisse richtig klassifiziert und der über eine Schaltfunktion U die Neßwertaufbereitung 10 steuert, und in den die Eingangsgrößen f1, f2 des Klassifikators 11 von der Meßwertaufbereitung 10 gelangen, einem Zielkoordinatenbestimmer 12, mit dem die Zielkoordinaten bestimmt werden und der sein Eingangssignal q vom Klassifikator 11 erhält, wobei das Signal q auch einem Verzögerungsglied 13 zugeführt wird, in dem aus den vorher berechneten a-posteriori-Wahrscheinlichkeiten des Elassifikators 11 neue a-priori-Wahrscheinlichkeiten errechnet werden und dem Klassifikator 11 als Signal v zugeführt werden. Weiter ist vorhanden ein Filter 1los, mit dem die Position des Zieles genau geschätzt werden kann und an dessen Ausgang die Position des Zieles in x- und y-Koordinaten abnehmbar ist. Außerdem gibt das Filter ein Signal Ai, Aj ab, welches dem Verzögerungsglied 13 zugeführt wird.As the figure now shows, the device consists essentially of a measured value processing 10, in which the from a sensor, not shown Delivered measured values are detected and reduced from a classifier 11, the based on the Bayes' theorem with maximum probability the measured values due to correctly classified based on his a priori knowledge and that of a switching function U controls the measured value processing 10, and controls the input variables f1, f2 of the classifier 11 get from the measured value processing 10, a target coordinate determiner 12, with which the target coordinates are determined and its input signal q from the classifier 11 receives, the signal q also being fed to a delay element 13, in that from the previously calculated a posteriori probabilities of the eliminator 11 new a priori probabilities are calculated and the classifier 11 are supplied as signal v. There is also a 1less filter with which the Position of the target can be accurately estimated and at the exit of which the position of the target can be removed in x and y coordinates. The filter also gives a signal Ai, Aj ab, which is fed to the delay element 13.

Insgesamt kann gesagt werden, daß die a-priori- und a-posteriori-Information v bzw. q und die Eingangsgrößen des Klassifikators fl, f2 als Zustandsgrößen aufgefaßt werden können, so daß es notwendig ist, bei der Initialisierung der Einrichtung gewisse Anfangswerte für diese Zustandsgröße zu haben oder zu schätzen. Der Klassifikator 11 selbst ist so optimiert, daß er mit maximaler Wahrscheinlichkeit Meßwerte aufgrund seiner a-priori-Kenntnisse richtig klassifiziert. Hierzu wird das bekannte Bayes-Theorem herangezogen.Overall, it can be said that the a priori and a posteriori information v or q and the input variables of the classifier fl, f2 are understood as state variables so that it is necessary when initializing the device to have or estimate certain initial values for this state variable. The classifier 11 itself is optimized in such a way that it is based on measured values with maximum probability correctly classified his a priori knowledge. For this purpose, the well-known Bayes' theorem used.

Aus der Literatur (siehe Günther Meyer Brötz, Jürgen Schürmann "Methoden der automatischen Zeitchenerkennung" R. Oldenburg-Verlag, München-Wien 1970) ist bekannt, daß das Bayes-Theorem eine optimale Entscheidung liefert bezüglich einer Kostenfunktion, wobei das mittlere Kostenrisiko ein Minimum wird und alle möglichen Fehlentscheidungen mit den gleichen Kosten belegt werden. Für die Erfindung wird das Bayes-Theorem dahingehend benutzt, daß aus den zwei konkurrierenden Prozessen Ziel und Gelände die Entscheidung getroffen werden soll, ob ein gemessener Bildpunkt zum Ziel oder Gelände gehört.From the literature (see Günther Meyer Brötz, Jürgen Schürmann "Methods the automatic time recognition "R. Oldenburg-Verlag, Munich-Vienna 1970) known that Bayes' theorem provides an optimal decision regarding a Cost function, where the mean cost risk becomes a minimum and all possible Wrong decisions are charged with the same costs. For the invention uses Bayes' theorem to mean that from the two competing processes Target and terrain the decision should be made whether a measured pixel belongs to the target or terrain.

Diese Regel kann man wie folgt formulieren.This rule can be formulated as follows.

Wenn pjfj>pjfj # j # j gilt, wurde der Prozess J gemessen.If pjfj> pjfj # j # j, then process J was measured.

Es werden die folgenden Definitionen getroffen.The following definitions are made.

pj = "a-priori" Wahrscheinlichkeit für das Auftreten des Prozesses j fj = die Wahrscheinlichkeitsdichte von x, daß x die gemessene Helligkeit des Prozesses j ist x: Meßwert der normierten Helligkeit (Intensität) in einem Punkt mit 0 # x 1 j: Laufindex für die möglichen Prozesse i # j # n 3: Nummer des Prozesses,auf den nach der Klassifikationsregel entschieden wird 1 # J # n n: Anzahl der möglichen Prozesse(hier: n=2:Ziel/Gelände Aufgrund der Gleichung kann man auch ea-posteriori"-lwahrscheinlichkeiten für die Meßbarkeit eines Prozesses i angeben. Diese Wahrscheinlichkeit wird w. genannt und es gilt: wj ~ pj . fj 1 1 i wi = = C Pilz Zusätzlich gilt für Wahrscheinlichkeiten und damit für die Realisierung im Klassifikator 11 Die Entscheidungsgleichung lautet für zwei Prozesse n = 2: J = 1 für w1> w2 2 = 2 für w2 > w1 Unbekannt ist, wie Pi und w. ermittelt werden und welche Bedeutung sie haben. Dies wird im folgenden erläutert.pj = "a priori" probability for the occurrence of the process j fj = the probability density of x that x is the measured brightness of the process j x: measured value of the normalized brightness (intensity) at a point with 0 # x 1 j: running index for the possible processes i # j # n 3: number of the process that is decided on according to the classification rule 1 # J # nn: number of possible processes (here: n = 2: target / terrain Based on the equation, one can also ea- posteriori "- probabilities for the measurability of a process i. This probability is called w. and the following applies: wj ~ pj. fj 1 1 i wi = = C Pilz In addition, the following applies to probabilities and thus for implementation in classifier 11 The decision equation for two processes n = 2 is: J = 1 for w1> w2 2 = 2 for w2> w1 It is unknown how Pi and w are determined and what their meaning is. This is explained below.

Bei der Zielverfolgung kann der Prozess Gelände noch einmal aufgeteilt werden in Vordergrund und Hintergrund. Ein Objekt kann hinter einem Vordergrund anwesend sein, ohne daß es sichtbar ist. Für diese versteckte Anwesenheit kann man auch eine Wahrscheinlichkeit angeben, die sogenannte Anwesenheitswahrscheinlichkeit. Diese birgt wertvolle Information, da man auch bei verdecktem Objekt, Koordinaten für seine Position angeben kann. Der Vordergrund kann allerdings nur erkannt werden, wenn das Objekt hinter ihm verschwindet, d.h. der Vordergrund wird erst mit der Anwesenheit des Objektes sichtbar bzw. aufgeklärt. In diesem Fall wird trotz hoher "a-priori"-Sichtbarkeitswahrscheinlichkeit (Meßbarkeitswahrscheinlichkeit P1) nur eine geringe "a-posteriori"-Sichtbarkeitswahrscheinlichkeit w1 errechnet. Das rührt daher, daß die Helligkeit x nicht zur Objektdichte f1, sondern zur Geländedichte f2 gehört.When tracking the target, the process can split up the terrain again are in the foreground and background. An object can be behind a foreground be present without it being visible. For this hidden presence one can also specify a probability, the so-called presence probability. This contains valuable information, since you can also find coordinates when the object is covered can specify for his position. However, the foreground can only be recognized when the object disappears behind it, i.e. the foreground only appears with the Presence of the object visible or cleared up. In this case, despite being high "a priori" visibility probability (measurability probability P1) only a low "a posteriori" visibility probability w1 is calculated. That stirs hence the fact that the brightness x is not related to the object density f1, but to the terrain density f2 heard.

Da ein Objekt nicht aus der Szene verschwinden kann, so daß es nicht mehr anwesend ist, kann man eine gewisse Wahrscheinlichkeit für die Anwesenheit des Vordergrundes angeben. Für die mathematische Herleitung dieser Zusammenhänge werden für die Bezeichnung der einzelnen Wahrscheinlichkeiten die folgenden Vereinbarungen getroffen, auf die auch im folgenden immer wieder Bezug genommen wird.Since an object cannot disappear from the scene, so it cannot more is present, one can have a certain probability of being present of the foreground indicate. For the mathematical derivation of this Relationships are used to denote the individual probabilities The following agreements are made, which are also referred to again and again in the following is taken.

pO a-priori Sichtbarkeitswahrscheinlichkeit für Vordergrtind Pl a-priori " für Objekt P2 a-priori " für Gelände (Vorder- u.Hintergrun wO a-posteriori Sichtbarkeitswahrscheinlichkeit für Vordergrund w1 a-posteriori " für Objekt w2 a-posteriori " für Gelände v0 a-priori Anwesenheitswahrscheinlichkeit für Vordergrund v1 a-priori " für Objekt v2 a-priori 8 für Gelände q0 a-posteriori Anwesenheitswahrscheinlichkeit für Vordergrund q1 a-posteriori " für Objekt q2 a-posteriori II für Gelände Es werden nicht alle oben definierten Größen benötigt, sie sind jedoch der Vollständigkeit halber aufgeführt.pO a-priori probability of visibility for foreground Pl a-priori "for object P2 a-priori" for terrain (foreground and background where a-posteriori probability of visibility for foreground w1 a-posteriori "for object w2 a-posteriori" for terrain v0 a-priori Presence probability for foreground v1 a-priori "for object v2 a-priori 8 for terrain q0 a-posteriori probability of presence for foreground q1 a-posteriori "for object q2 a-posteriori II for terrain It is not all above defined sizes are required, but they are listed for the sake of completeness.

Man kann die folgenden Gleichungen für die Wahrscheinlichkeiten zur Realisierung im Klassifikator 11 herleiten.One can use the following equations for the probabilities Derive realization in classifier 11.

Pl = V1 (1-v0) p2 = 1-p1 w1 = p1f1/(p1f1 + p2f2) q0 = v0.f2/p1f1 + P2f2) q1 = w1 + v1.q0 Im folgenden wird gezeigt, daß f1 und f2 gemessen werden können und v0, v1 bis auf die Anfangswerte durch Rekursion aus q0 und q1 gewonnen werden können. Pl = V1 (1-v0) p2 = 1-p1 w1 = p1f1 / (p1f1 + p2f2) q0 = v0.f2 / p1f1 + P2f2) q1 = w1 + v1.q0 In the following it is shown that f1 and f2 are measured and v0, v1 up to the initial values obtained by recursion from q0 and q1 can be.

Unter der voraussetzung, daß vO, v11 f1 und f2 bekannt sind, können alle möglichen Wahrscheinlichkeiten angegeben werden.Provided that vO, v11, f1 and f2 are known, you can all possible probabilities are given.

Wie in den vorangegangenen Abschnitten erläutert, müssen für die Klassifikation von Meßwerten als Objekt- oder Geländepunkt die Dichten f1 (Objekt-Ziel) und f2 (Gelände) gemessen werden. Das kann auf verschiedene Arten geschehen: Die Verteilungsdichten werden ortsabhängig, die Verteilungsdichten werden ortsunabhängig bestimmt.As explained in the previous sections, for the classification of measured values as object or terrain point the densities f1 (object-target) and f2 (Terrain) can be measured. This can be done in different ways: The distribution densities are location-dependent, the distribution densities are determined independently of location.

Die Verteilungen selbst, als Funktion des Ortes oder nicht, können parametrisch oder durch Auszählen (Histogramm) ermittelt werden.The distributions themselves, as a function of location or not, can be determined parametrically or by counting (histogram).

Drei Gesichtspunkte spielen eine Rolle zur Bestimmung der Dichten.Three aspects play a role in determining densities.

- Die Reduktion der Daten, - die möglichst exakte Wiedergabe (Beschreibung), - die einfache rechentechnische (Hardware) Darstellung.- The reduction of the data, - the most exact reproduction possible (description), - the simple computational (hardware) representation.

f2, die Helligkeitsdichte des Geländes, wird zweckmäßigerweise als ortsabhängige Verteilungsfunktion bestimmt, da das Gelände im allgemeinen ortsfest ist und die Ortsabhängigkeit also sehr wesentliche Informationen enthält.f2, the brightness density of the terrain, is expediently used as location-dependent distribution function determined, since the terrain is generally stationary and the location dependency therefore contains very important information.

Anders ist dies bei f1, der Helligkeitsdichte des Zieles.This is different with f1, the brightness density of the target.

Sie wird, da sich das Ziel meist bewegt und in der Gestalt ändert, durch eine ortsunabhängige Verteilungsfunktion beschrieben, z.B. als Histogramm.Since the target usually moves and changes shape, it is Described by a location-independent distribution function, e.g. as a histogram.

Für die Meßwerterfassung 10 können die Helligkeitsdichten nur berechnet werden, wenn eine Struktur angenommen wird.For the acquisition of measured values 10, the brightness densities can only be calculated when a structure is adopted.

Für die Dichte f2 (Gelande) kann eine Gaußverteilung angenommen werden. Die unbekannten Parameter >i und & müssen dabei geschätzt bzw. gelernt werden. A Gaussian distribution can be assumed for the density f2 (terrain). The unknown parameters> i and & must be estimated or learned.

Die Bestimmungsgleichungen für r, o lauten: r(k+1) = s(X+1) = x = aktuelles Bild r = Referenzbild s = Streubild k = Zeit , <1 Lernfaktoren Auch für f1 läßt sich eine Schätzgleichung definieren.The equations for r, o are: r (k + 1) = s (X + 1) = x = current image r = reference image s = scatter image k = time, <1 learning factors An estimation equation can also be defined for f1.

Dies ist notwendig, da sich f1 ändern kann.This is necessary because f1 can change.

f.(k+1) = f.(k) + γ.(f.(k)-f.(k)).u-1 u = 1, wenn der Meßwert mit dieser Koordinate im Zeitschritt k als Geländepunkt klassifiziert wurde u = 0, wenn der Meßwert mit dieser Koordinate im Zeitschritt k als Zielpunkt klassifiziert wurde. f. (k + 1) = f. (k) + γ. (f. (k) -f. (k)). u-1 u = 1 if the measured value with this coordinate in time step k it was classified as a terrain point u = 0 if the measured value with this coordinate in time step k is classified as a target point became.

γ < 1 Lernfaktor Damit sind alle für obige Gleichung notwendigen Elemente berechnet.γ <1 learning factor This means that all are necessary for the above equation Elements calculated.

Die Bestimmung der .Zielkoordinaten im Zielkoordinatenbestimmer wird wie folgt vorgenommen.The determination of the target coordinates in the target coordinates determiner is done as follows.

q setzt sich wie schon gesagt aus verschiedenen Wahrscheinlichkeiten zusammen und eine Wahrscheinlichkeit, es ist die Anwesenheitswahrscheinlichkeit, wird für die Berechnung der Zielkoordinaten benutzt. Für die Berechnung der Zielkoordinaten gibt es prinzipiell mehrere Möglichkeiten, hier wurde als Zielpunkt der Schwerpunkt der Anwesenheitswahrscheinlichkeit gewählt.As already said, q is made up of different probabilities together and a probability, it is the presence probability, is used to calculate the target coordinates. For the calculation of the target coordinates In principle, there are several possibilities, the focus here was the target point the probability of presence chosen.

Um den Zielort zu beschreiben, kann man die Koordinaten des Zielschwerpunktes verwenden. Diese erhält man, ausgehend von den Koordinaten der als Objekt klassifizierten Punkte, durch Bildung der Momente 0. und 1. Ordnung. Dazu bildet man zunächst ein Zielbild Z(i,j) aus der Anwesenheitswahrscheinlichkeit q1 mit q5 als wählbarem Schwellwert #0 für q1(i,j) # qs Geländepunkt Z(i,j) = 1 für q1(i,j) > q5 Objektpunkt Nun lassen sich Zeilen- und Spaltensu:nmen von Objektpunkten in der folgenden Weise angeben: i , j : Höhe, Breite des Zielfensters Die Momente 0. und 1. Ordnung in i-und j-Richtung sind dann: Der Objektschwerpunkt ergibt sich zu: M1i Si M 0i M1j Sj = M0j Mit dem Filter 14 werden nicht nur die Zielkoordinaten geglättet, sondern es wird auch, mit Hilfe eines Bewegungsmodells, der zukünftige Ort der Anwesenheit des Zieles vorausgesagt, da dies nicht mit dem Bayes-Theorem möglich ist, für die Berechnung der "a-priori"-Wahrscheinlichkeit aus der "a-posteriori"-Wahrscheinlichkeit aber notwendig wird.The coordinates of the target center of gravity can be used to describe the destination. This is obtained, based on the coordinates of the points classified as objects, by forming the moments of the 0th and 1st order. To this end, a target image Z (i, j) is first formed from the presence probability q1 with q5 as a selectable threshold value # 0 for q1 (i, j) # qs terrain point Z (i, j) = 1 for q1 (i, j)> q5 object point Line and column sums of object points can now be specified in the following way: i, j: Height, width of the target window The moments of the 0th and 1st order in the i and j directions are then: The center of gravity of the object results as follows: M1i Si M 0i M1j Sj = M0j With the filter 14 not only the target coordinates are smoothed, but also the future location of the target's presence is predicted with the help of a movement model, since this is not with Bayes -Theorem is possible, but is necessary for the calculation of the "a priori" probability from the "a posteriori" probability.

Die Errechnung von neuen "a-priori"-Wahrscheinlichkeiten aus den vorher. berechneten la-posteriorit Wahrscheinlichkeiten erfolgt im Verzögerungsglied 13. Da adaptive (lernende) Verfahren rekursiv arbeiten, muß de "a-posteriori"- -Information wieder auf die "a-priori"-Information des nächsten Zeitschrittes zuriickwirken. Daraus ergibt sich zunächst die einfache Beziehung: v0(i,j,k+1) = q0(i,j,k) k: Zeit i, j: Ortskoordinaten Die Gleichung ist aber nicht ohne gewisse Vorsichtsmaßnahmen anwendbar, denn sie setzt voraus, daß der Prozess ortsfest ist.The calculation of new "a priori" probabilities from the previous ones. The calculated la-posteriorit probabilities are carried out in the delay element 13. Since adaptive (learning) processes work recursively, de "a-posteriori" - information must work back on the "a priori" information of the next time step. This results in the simple relationship: v0 (i, j, k + 1) = q0 (i, j, k) k: time i, j: location coordinates The equation is not without certain precautionary measures applicable because it assumes that the process is stationary.

Für den Vordergrund und damit für f2 und q0 besteht keine Schwierigkeit, denn der Vordergrund ist ortsfest und ändert sich nicht in seiner Form.For the foreground and thus for f2 and q0 there is no difficulty because the foreground is stationary and does not change its shape.

Anders verhält es sich mit dem Ziel, das sich sowohl bewegt, als auch in seiner Fcrm und Größe verändern kann.It is different with the target, which both moves and can change in its shape and size.

Damit muß sowohl die Position als auch die Gestaltsänderung vorausgesagt werden. Zur Lösung dieses Problems gibt es mehrere tlöglichkeiten. Setzt man voraus, daß mit einem Kalmanfilter die Position des Ziels genau geschätzt werden kann und daß die Gestaltsänderung langsam vor sich geht, dann kann v1(i,j,k+1) = q1(i-#i,j-#j,k) gesetzt werden, wobei #i und #j die Differenz zwischen vorausgesagtem Zielschwerpunkt S und gemessenem Schwerpunkt S ist, ~ ^ ~ 5. = i i #j = Sj-Sj Aus vorstehendem ergibt sich, daß der wesentlichste Vorteil der Verwendung des Bayes-Theorems darin besteht, daß die Klassifikation für jeden Bildpunkt unabhängig von allen übrigen Bildpunkten geschieht. Alle Meßwerte können in sequentieller Folge, wie sie der Sensor liefert, sofort klassifiziert werden, ohne daß die Messung eines vollständigen Bildes abgewartet werden muß.This means that both the position and the change in shape must be predicted will. There are several ways to solve this problem. If one assumes that the position of the target can be accurately estimated with a Kalman filter and that the change in shape is slow, then v1 (i, j, k + 1) = q1 (i- # i, j- # j, k) where #i and #j are the difference between the predicted target center of gravity S and measured center of gravity S is ~ ^ ~ 5. = i i #j = Sj-Sj the end The foregoing shows that the most essential advantage of using Bayes' theorem consists in the fact that the classification for each pixel is independent of all others Pixels happens. All measured values can be in sequential order as they are Sensor supplies can be classified immediately, without the measurement of a complete Image must be awaited.

Da man die vollständige Information des Bildes auswertet, und damit nicht nur die Wahrscheinlichkeiten für das Ziel, sondern auch von dem Gelände kennt, sind Störungen im Gelände bekannt und fiihren damit viel weniger zu Fehlklassifizierungen. Die Realisierung bereitet für einen Bildpunkttakt von =5 MHz keine Schwierigkeiten.Since one evaluates the complete information of the picture, and with it knows not only the probabilities for the target but also of the terrain, disturbances in the terrain are known and thus lead to far fewer misclassifications. The implementation does not cause any difficulties for a pixel clock of = 5 MHz.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (5)

Einrichtung zur Erkennung und Verfolgung eines Zieles PATENTANSPRÜCHE 1. Einrichtung zur Erkennung und Verfolgung eines Zieles, welche einen auf elektromagnetische Strahlung ansprechenden Sensor aufweist, dadurch g e k e n n -zeichnet, a) daß die vom Sensor gelieferten Meßwerte in einer Neßwerterfassung (10) erfaßt und auf zwei Helligkeits dichten für Ziel (f1) und Gelände (f2) reduziert. Device for recognizing and tracking a target. PATENT CLAIMS 1. Device for the detection and tracking of a target, which one to electromagnetic Has radiation responsive sensor, thereby g e k e n n-characterized, a) that the Measured values supplied by the sensor are recorded in a measuring value acquisition (10) and on two Brightness densities for target (f1) and terrain (f2) reduced. werden, b) daß einem Klassifikator (ii) daraus diese als Eingangsgrößen (f1, f2) zuführbar sind, wobei der Klassifikator (ii) anhand des Banes-Theorems die Klassifikation in Ziel und Gelände vornimmt und die Meßwerterfassung (10) über eine Schaltfunktion (u) steuert, c) daß das .l-posteriori-Signal (q) des Klassifikators (11) sowohl einem Zielkoordinatenbestimmer (12) zugeführt wird, der die Zielkoordinaten anhand einer Schwerpunktsbildung, welche auf die Anwesenheitswahrsche nlichkeit der Zielpunkte angewendet wird, eriiittel 1 d) sowie auch einem Verzögerungsglied (13), das aus dem a-posteriori-Signal (q) ein auf die a-priori-Information zurückwirkendes Signal (v) herstellt e) und daß ein Filter (14) die Zielkoordinaten über der Zeit filtert und dem Verzögerungsglied (13) ein Differenzsignal (i, bj) zwischen vorausgesagtem Zielschwerpunkt (s) und gemessenem Schwerpunkt (s) zuführt. b) that a classifier (ii) therefrom these as input variables (f1, f2) can be supplied, the classifier (ii) using Banes' theorem makes the classification in target and terrain and the measured value acquisition (10) over a switching function (u) controls, c) that the .l-posteriori signal (q) of the classifier (11) is fed to both a destination coordinate determiner (12) which contains the destination coordinates based on a focus on the probability of presence the target point is applied, determine 1 d) as well as one Delay element (13) from the a-posteriori signal (q) to the a-priori information retroactive signal (v) produces e) and that a filter (14) the target coordinates filters over time and the delay element (13) a difference signal (i, bj) between the predicted target center of gravity (s) and the measured center of gravity (s). 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Meßwerte des Sensors reduziert werden, so daß dadurch die zwei Helligkeitsdichten (f11 f2) als Eingangsgrößen erlangt werden, wobei diese bestimmt werden durch: mit den Bestimmungsgleichungen für r, #: r(k+1) = s(k+1) = s(k)+ ß.(d(k)-s(k)).u mit: x = aktuelles Bild r = Referenzbild s = Streubild k = Zeit . α, ß<1 Lernfaktoren A f1(k+1) = f1(k) + γ.(f1(k)-f1(k)) .|u-1| f1 = geschätztes Zielhistogramm fi = gemessenes Zielhistogramm u = 1, wenn der Meßwert mit dieser Koordinate im Zeitschritt k als Geländepunkt klassifiziert wurde u = O, wenn der Meßwert mit dieser Koordinate im Zeitschritt k als Zielpunkt klassifiziert wurde.2. Device according to claim 1, characterized in that the measured values of the sensor are reduced so that the two brightness densities (f11 f2) are obtained as input variables, these being determined by: with the determining equations for r, #: r (k + 1) = s (k + 1) = s (k) + ß. (d (k) -s (k)). u where: x = current image r = reference image s = scatter image k = time. α, ß <1 learning factors A f1 (k + 1) = f1 (k) + γ. (f1 (k) -f1 (k)). | u-1 | f1 = estimated target histogram fi = measured target histogram u = 1, if the measured value with this coordinate in time step k was classified as a terrain point u = 0, if the measured value with this coordinate in time step k was classified as a target point. γ < 1 Lernfaktor 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e n n -z e i c h ii e t , daß der nach dem Bayes-Theorem arbei-(11) tende Klassifikator so ausgelegt ist, daß er eine a-posteriori-Wahrscheinlichkeit (wi) für die Meßbarkeit eines Prozesses i nach der Formel bestimmt, wobei Pi und Wi bestimmt werden durch: p1 = v1.(1-v0) P2 = 1-p1 w1 = p1f1/(p1f1 + p2f2), w2 = 1-w1 q0 = v0.f2/(p1f1 + p2f2) q1 = W1 + V1 q° mit p1.a-priori Sichtbarkeitswahrscheinlichkeit für Objekt p2.a-priori Sichtbarkeitswahrscheinlichkeit für Gelände (Vorder- u. Hintergrund) w1.a-posteriori Sichtbarkeitswahrscheinlichkeit für Objekt v0 a-priori Anwesenheitswahrscheinlichkeit für Vordergrund v1 a-priori Anwesenheitswahrscheinlichkeit für Objekt q0.a-posteriori Anwesenheitswahrscheinlichkeit für Vordergrund q1 a-posteriori Anwesenheitswahrscheinlichkeit für Objekt.γ <1 learning factor 3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the classifier working according to Bayes' theorem (11) is designed so that it has a posteriori probability (wi) for the measurability of a process i according to the formula determined, where Pi and Wi are determined by: p1 = v1. (1-v0) P2 = 1-p1 w1 = p1f1 / (p1f1 + p2f2), w2 = 1-w1 q0 = v0.f2 / (p1f1 + p2f2) q1 = W1 + V1 q ° with p1.a-priori visibility probability for object p2.a-priori visibility probability for terrain (foreground and background) w1.a-posteriori visibility probability for object v0 a-priori presence probability for foreground v1 a-priori Probability of presence for object q0.a-posteriori probability of presence for foreground q1 a-posteriori probability of presence for object. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Zielkoordinatenbestimmer (12) so ausgelegt ist, daß zur Bestimmung der Zielkoordinaten unter Verwendung der Koordinaten des Zielschwerpunktes die Momente 0. und 1. Ordnung gebildet werden und dazu zunächst ein Zielbild (Z(i,j)) aus der Anwesenheitswahrscheinlichkeit (q1) mit wählbarem Schwellwert (qs) erstellt wird, mit: 0 für q1(i,j)#qs Geländepunkt Z(i,j) = # 1 für q1(i,j)>qs Objektpunkt
und daraus Zeilen- und Spaltensummen von Objektpunkten nach: imax, jmax: Höhe, Breite des Zielfensters die Moments 0. und 1. Ordnung in i-und j-Richtung sind: Der Objektschwerpunkt ergibt sich zu: M1i Si = M0i M M1j Sj = M0j
4. Device according to claims 1 to 3, characterized ge -kennz eichnet that the target coordinate determiner (12) is designed so that to determine the target coordinates using the coordinates of the target center of gravity, the moments 0 and 1st order are formed and initially a target image (Z (i, j)) is created from the probability of presence (q1) with a selectable threshold value (qs), with: 0 for q1 (i, j) #qs terrain point Z (i, j) = # 1 for q1 (i, j)> qs object point
and from that row and column sums of object points according to: imax, jmax: Height, width of the target window, the moments 0 and 1 in the i and j directions are: The object's center of gravity results from: M1i Si = M0i M M1j Sj = M0j
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Verzögerungsglied (13) derart ausgelegt ist, daß die neuen a-priori-Wahrscheinlichkeiten bestimmt werden nach: v0(i,j,k+1) = q0(i,j,k) k: Zeit i,j: Ortskoordinaten und daß unter Benutzung der vom Filter (14) gelieferten Werte #i und #j gesetzt wird: v1(i,j,k+1) = q1(i-#i,j-#j,k) wobei #i und #j die Differenz wischen vorausgesagtem Zielschwerpunkt S und gemessenem Schwerpunkt S ist, #i = Si-Si #j = Sj-Sj5. Establishment according to claims 1 to 4, characterized in that the delay element (13) is designed to determine the new a priori probabilities become according to: v0 (i, j, k + 1) = q0 (i, j, k) k: time i, j: position coordinates and that using the values #i and #j supplied by the filter (14) is set: v1 (i, j, k + 1) = q1 (i- # i, j- # j, k) where #i and #j are the difference between the predicted Target center of gravity S and measured center of gravity S is #i = Si-Si #j = Sj-Sj
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