第6期 李晗，等：仿猛禽视顶盖信息中转整合的加油目标跟踪 ·1085· 取，接着完成位姿估计等任务，从而指导飞行控 制系统和加油对接系统完成精准对接。这一阶段 视觉导航任务重要的一环就是对锥套目标的跟 踪，稳定的目标跟踪是视觉导引加/受油机进行编 正中参考线 队的必要条件，也是后续准确目标识别与精确位 深凹视线角度 姿测量的重要支撑。通过目标跟踪算法在图像中 圈选出目标识别与视觉测量的感兴趣区域，可以 大幅度减少这些视觉任务的计算量，提高计算速 度，从而满足空中编队与加油中计算机视觉实时 处理的需求。 颗侧浅凹 目标跟踪作为计算机视觉领域的经典问题， 一直以来饱受关注川，主要解决方法包括经典的 图1猛禽视网膜中央凹与视线角度示意图 目标跟踪算法，如光流法、粒子滤波等，基于相关 Fig.1 Bifovea structure and line of sight of falcon 滤波的方法，如核相关滤波器(kernel correlation 配合这样特别的双凹结构，猛禽脑内存在着 filter,.KCF)和基于学习的跟踪算法如高效卷积算 复杂的视觉信息处理通路。离顶盖通路是以视网 子跟踪(efficient convolution operators,ECO)及深 膜-视顶盖-圆核-外纹体为主要核团的视觉通 度学习跟踪(deep learning tracker,.DLT)等。但当 路，离丘脑通路是以视网膜-背外侧膝状体-视丘 目标发生姿态、明暗和尺度变化时，现有的许多 为主要核团的视觉通路。这两条通路将视网膜获 跟踪算法会出现目标漂移甚至跟踪失败等情况。 取信息以交叉的方式传递至脑内核团，处理得到 猛禽涵盖了鸟类传统分类系统中隼形目如老鹰、 目标特征的编码信息，并逐步整合传输至大脑同 秃管和鸮形目如猫头鹰的所有种，这一类的鸟多 侧的高级核团，实现视觉信息提取。此外，有研 具有捕杀动物为食的习性，视觉器官发达，飞翔 究结果显示脑内核团间也存在向对侧大脑传递信 能力强。猛禽能够稳定跟踪空中、地面以及水中 息的神经通路，并且在离丘脑通路与离顶盖通路 快速运动的猎物，除了依赖优秀的飞行能力，其 之间也存在特征信息的传递。在这样复杂的信息 视觉系统对目标的准确追踪功不可没。现有的 交互传递的过程中，视顶盖承担了信息传递中转 模拟猛禽视觉系统的硬件装置)与方法也已经 站的任务，以视顶盖为中心，总结离顶盖和离丘 有所成就，但仍存在很多可以进一步研究的方向 脑通路中与其相关的神经通路如图2所示，视觉 和内容。猛禽视觉通路中的视顶盖是其视觉信息 信息从视网膜输入，经由对侧视顶盖处理后向同 处理过程中的重要核团，不仅处理对侧视网膜输 侧和对侧圆核传递，视顶盖同时接收视丘输入的信息。 入的信息，还整合脑内同侧与对侧的圆核与视丘 传递的目标特征信息，这种双侧信息并行处理的 视网膜 视网膜 方式更适合于猛禽视网膜的双中央凹结构，并且 对于目标跟踪过程也具有一定的指导意义。本 文针对自主空中加油对接阶段目标跟踪的需求， 视顶盖 视顶盖 模拟猛禽脑内同侧与对侧信息在视顶盖整合处理 的机制，建立目标跟踪算法，并进行仿真试验与 视丘 视丘 对比分析。 1猛禽视顶盖的信息整合与交互处理 猛禽中隼形目视网膜的鼻侧和颢侧存在两个 圆核 圆核 中央凹，鼻侧凹较深，题侧凹较浅，是其视觉特性 图2视顶盖中心神经通路 尤为出色的重要因素，如图1所示6。由于两个 Fig.2 Tectum centered neural pathway 中央凹的观察方向不同，所以隼形目的视野范围 从图2可见，以视顶盖为中心的神经通路主 非常大，在水平方向上的视野（除盲区以外的区 要包括离顶盖通路的一部分（图中不包括与视顶 域)可以达到260°，在垂直方向上也能够达到80°。 盖无直接信息传递的外纹体)和离丘脑通路中的取，接着完成位姿估计等任务，从而指导飞行控 制系统和加油对接系统完成精准对接。这一阶段 视觉导航任务重要的一环就是对锥套目标的跟 踪，稳定的目标跟踪是视觉导引加/受油机进行编 队的必要条件，也是后续准确目标识别与精确位 姿测量的重要支撑。通过目标跟踪算法在图像中 圈选出目标识别与视觉测量的感兴趣区域，可以 大幅度减少这些视觉任务的计算量，提高计算速 度，从而满足空中编队与加油中计算机视觉实时 处理的需求。 目标跟踪作为计算机视觉领域的经典问题， 一直以来饱受关注[1] ，主要解决方法包括经典的 目标跟踪算法，如光流法、粒子滤波等，基于相关 滤波的方法，如核相关滤波器 (kernel correlation filter，KCF) 和基于学习的跟踪算法如高效卷积算 子跟踪 (efficient convolution operators, ECO) 及深 度学习跟踪 (deep learning tracker, DLT) 等。但当 目标发生姿态、明暗和尺度变化时，现有的许多 跟踪算法会出现目标漂移甚至跟踪失败等情况。 猛禽涵盖了鸟类传统分类系统中隼形目如老鹰、 秃鹫和鸮形目如猫头鹰的所有种，这一类的鸟多 具有捕杀动物为食的习性，视觉器官发达，飞翔 能力强。猛禽能够稳定跟踪空中、地面以及水中 快速运动的猎物，除了依赖优秀的飞行能力，其 视觉系统对目标的准确追踪功不可没[2]。现有的 模拟猛禽视觉系统的硬件装置[3] 与方法[4] 也已经 有所成就，但仍存在很多可以进一步研究的方向 和内容。猛禽视觉通路中的视顶盖是其视觉信息 处理过程中的重要核团，不仅处理对侧视网膜输 入的信息，还整合脑内同侧与对侧的圆核与视丘 传递的目标特征信息，这种双侧信息并行处理的 方式更适合于猛禽视网膜的双中央凹结构，并且 对于目标跟踪过程也具有一定的指导意义[5]。本 文针对自主空中加油对接阶段目标跟踪的需求， 模拟猛禽脑内同侧与对侧信息在视顶盖整合处理 的机制，建立目标跟踪算法，并进行仿真试验与 对比分析。 1 猛禽视顶盖的信息整合与交互处理 猛禽中隼形目视网膜的鼻侧和颞侧存在两个 中央凹，鼻侧凹较深，颞侧凹较浅，是其视觉特性 尤为出色的重要因素，如图 1 所示[6]。由于两个 中央凹的观察方向不同，所以隼形目的视野范围 非常大，在水平方向上的视野 (除盲区以外的区 域) 可以达到 260°，在垂直方向上也能够达到 80°。 正中参考线 深凹视线角度 颞侧浅凹 图 1 猛禽视网膜中央凹与视线角度示意图 Fig. 1 Bifovea structure and line of sight of falcon 配合这样特别的双凹结构，猛禽脑内存在着 复杂的视觉信息处理通路。离顶盖通路是以视网 膜−视顶盖−圆核−外纹体为主要核团的视觉通 路，离丘脑通路是以视网膜−背外侧膝状体−视丘 为主要核团的视觉通路。这两条通路将视网膜获 取信息以交叉的方式传递至脑内核团，处理得到 目标特征的编码信息，并逐步整合传输至大脑同 侧的高级核团，实现视觉信息提取。此外，有研 究结果显示脑内核团间也存在向对侧大脑传递信 息的神经通路，并且在离丘脑通路与离顶盖通路 之间也存在特征信息的传递。在这样复杂的信息 交互传递的过程中，视顶盖承担了信息传递中转 站的任务，以视顶盖为中心，总结离顶盖和离丘 脑通路中与其相关的神经通路如图 2 所示，视觉 信息从视网膜输入，经由对侧视顶盖处理后向同 侧和对侧圆核传递，视顶盖同时接收视丘输入的信息。 视顶盖 视顶盖 视网膜 视网膜 圆核 圆核 视丘 视丘 图 2 视顶盖中心神经通路 Fig. 2 Tectum centered neural pathway 从图 2 可见，以视顶盖为中心的神经通路主 要包括离顶盖通路的一部分 (图中不包括与视顶 盖无直接信息传递的外纹体) 和离丘脑通路中的 第 6 期 李晗，等：仿猛禽视顶盖信息中转整合的加油目标跟踪 ·1085·