基于雙目視覺的導彈著靶參數(shù)測量研究

摘 要:為解決靶場中導彈著靶參數(shù)無法快速精確測量的難題，提出基于雙目視覺的導彈著靶參數(shù)測量方法。利用高速數(shù)字攝像機和控制部件構成測量系統(tǒng)的“雙目”，實時記錄導彈著靶景象。建立地心直角坐標空間中直線交會測量模型，利用圖像目標提取和定位技術，可使計算機在較短時間內處理出導彈的著靶參數(shù)。實驗證實，該測量方法具有操作簡便，測量精度高，處理速度快的特點。

關鍵詞:雙目視覺; 交會測量; 著靶過程; 布站; 攝像機標定

中圖分類號:TP29 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0029-03

Study on Missile′s Target Hitting Parameter Measurement Based on Binocular Vision

ZHANG Guang-ying， XIE Jian-wei， DONG Shi-lei

(Academy of Equipment and Command Technology， Beijing 101416， China)

Abstract: In order to solve the problem of quickly and exactly measuring missile′s target hitting parameter， missile′s target hitting parameter measurement based on binocular vision is proposed. High-speed digital cameras and control components are used to construct the binocular of the measurement system and record the missile′s target hitting process. The spatial-line intersection model in geocentric right-angled coordinate was established. Using the technologies of the target extraction and target location， the missile′s target hitting parameter can be obtained by the computer in a short time. The experimental results show that the measuring method has the charactercstics of easy operation， high accuracy and quick processing.

Keywords: binocular vision; intersection measurement; target hitting process; station arrangement; camera calibration

0 引 言

在導彈對地打靶試驗中，導彈著靶參數(shù)(主要是速度和姿態(tài))直接影響到導彈破壞威力和毀傷性能，因此測量導彈著靶參數(shù)是靶場測量中一個重要方面。由于導彈著靶時具有高速度、多彈頭和散布范圍大的特性，靶場現(xiàn)有的單臺光電測量設備很難對導彈著靶參數(shù)進行精確快速的測量[1]。隨著雙目視覺測量技術的發(fā)展，基于雙目視覺的測量在一些領域逐漸得到利用?？紤]到靶場測量的特點，提出用高速數(shù)字攝像機組成的雙目視覺測量系統(tǒng)來測量導彈的著靶參數(shù)。下面將對基于雙目視覺的導彈著靶參數(shù)測量系統(tǒng)中的關鍵技術進行探討。

1 雙目交會測量模型

計算機雙目視覺測量系統(tǒng)在近距離小范圍內測量應用廣泛[2-3]。由于鏡頭在大視角時的畸變較大，因此這些測量系統(tǒng)多采用非線性成像模型。小視場測量時鏡頭標定方法很多，如平面標定法、三維標定法等。在大視場測量時，孫軍華等提出了基于基線尺的攝像機標定方法[4]。在導彈著靶過程測量中，攝像機需要布設在距離靶標區(qū)幾百米或更遠的范圍之外，要對邊長幾十米甚至上百米的方形靶面進行坐標測量，因此攝像機的成像模型和標定方法都要進行重新設計?？紤]到采用的攝像機焦距較長，視角較小(10°以內)，攝像機鏡頭畸變的影響很小，為簡化標定復雜度，在導彈著靶過程測量中忽略攝像機鏡頭畸變的影響，采用線性計算模型。

1.1 攝像機坐標系

線性攝像機模型采用小孔成像模型。圖1建立了攝像機的坐標系OXYZ和成像平面O′X′Y′。攝像機坐標系以攝像機光心O為原點，X軸和Y軸分別平行成像平面的U軸和V軸，Z軸以攝像機光軸為軸。成像平面以光軸與像平面的交點O′為原點，X′軸和Y′軸分別平行成像平面的U軸和V軸，f為攝像機焦距，即OO′的長度。

1.2 雙目視覺交會計算

從攝像機坐標系模型可以得到，攝像機坐標系中任一點P(x，y，z)的像點P′(x′，y′)在X′O′Y′坐標系中的坐標為:

x′=fxz

(1)

y′=fyz

(2)

圖1 攝像機坐標系

假定O′點在圖像坐標系中像素坐標為(u0，v0)，則像點P′在圖像坐標系中的像素坐標(u，v)為:

u=u0-xz#8226;fdx

(3)

v=v0-yz#8226;fdy

(4)

式中:dx為像素的橫向大小;dy為像素的縱向大小。

若已知物點P(x，y，z)的像點坐標(u，v)和攝像機的參數(shù)，由式(3)和式(4)和攝像機坐標系中的直線方程:

xdx(u0-u)=ydy(v0-v)=zf

(5)

則物點P(x，y，z)在直線方程(5)上。

在靶場測量中，通常使用地心直角坐標系。若攝像機坐標系中的點P(x，y，z)對應在地心直角坐標系中的坐標為Pd(xd，yd，zd)，則根據(jù)坐標轉換可得式(6):

xdydzd1=RT01xyz1

(6)

式中:R為攝像機坐標系到地心直角坐標系的轉換矩陣;T為平移向量。R和T可以通過攝像機光心的大地坐標和主光軸方向計算得到[5]:

xddx(u0-u)=yddy(v0-v)=zdf(7)

將式(6)中地心直角坐標系與攝像機坐標系的轉換關系代入式(7)，即可得到點P(x，y，z)在地心直角坐標系中的直線方程。

在雙目視覺測量模型中，地心坐標系中的點P(x，y，z)在攝像機中的像點分別為P1(u1，v1)，P2(u2，v2)，則由式(7)可分別得到點P所在的兩個直線方程，通過兩個直線方程(7)聯(lián)立，計算出直線的交點即為點P的坐標。

2 雙目測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的組成

測量系統(tǒng)由兩臺同型號的高速數(shù)字攝像機、同步信號源發(fā)生器、遠程畫面監(jiān)視器及數(shù)據(jù)下載終端和遠程圖像記錄控制器連接組成，如圖2所示?？紤]到導彈飛行速度和測量精度，以及市場上現(xiàn)有的高速數(shù)字攝像機型號，要求測量系統(tǒng)選取的高速數(shù)字攝像機性能不低于1 000 f/s及1 000×500 pixels/frame。為減少同步誤差，在測量時要求兩臺攝像機設置成相同的幀頻和快門時間。同步信號發(fā)生器連接的兩臺攝像機，其信號線的長度應盡可能接近。根據(jù)靶場測量安全性要求，人員必須處在安全區(qū)，因此需要提供遠程畫面監(jiān)視和遠程操作控制。

圖2 測量系統(tǒng)構成圖

2.2 攝像機布站

根據(jù)靶場測量的特點，高速數(shù)字攝像機在布站時要能夠快速展開，方便操作。同時，要綜合考慮目標、儀器、任務、場區(qū)、氣象、地形等多種因素，以及參試人員和設備的安全[6]。根據(jù)測量安全的要求，高速數(shù)字攝像機在布站時應遠離靶標。在攝像機成像像素尺寸大小一定的情況下，由式(5)可知，攝像機焦距f越大，計算出攝像機坐標系下x，y的精度越高。因此在導彈著靶過程測量中要求選擇長焦攝像機。根據(jù)交會計算理論[7]，在視點固定的情況下，交會角在90°時交會誤差最小，所以在攝像機布站時應盡可能地讓攝像機主光軸正交布站。

如圖3所示，在布站時將攝像機主光軸調整至水平并分別對準靶標中心上方的標定物，且要求攝像機的視場均覆蓋靶標區(qū)域。在靶標區(qū)為正方形的情況下，一個方便的布站方法是將兩臺攝像機的主光軸分別平行于靶標區(qū)的兩條邊，且視場能包括整個靶標。靶標中心上方的標定物為一個黑色的高度與直徑相同的圓柱，高度可調且保持圓柱底面水平。這樣通過攝像機拍攝后標定物在兩個攝像機上的成像均為正方形，以方便目標中心的提取。

2.3 攝像機標定

根據(jù)攝像機成像模型，攝像機采用自標定的方法進行標定。由式(3)和式(4)可知，在已知兩個坐標點和對應像點的情況下，可以計算得到攝像機fdx，fdy，u0，v0的值。因此，如圖3所示，在靶標的對角設定兩個球形標定物，通過全站儀或GPS 等大地測量儀器來測得標定物中心的坐標。由坐標轉換分別得到標定物在兩攝像機坐標系下的坐標，通過像點中心定位且由式(3)和式(4)可以實現(xiàn)兩個攝像機fdx，fdy，u0，v0參數(shù)的標定。

圖3 雙攝像機交會平面圖

3 圖像處理及目標提取

高速攝像機拍攝的數(shù)據(jù)下載到計算機后，需要對圖像序列進行處理，提取出目標，并在圖像中精確定位。圖像中運動目標提取的算法大體說來可以分為時間分割、空間分割、時空聯(lián)合分割三種方式。時間分割又分為基于運動估計、光流估計和變化檢測等三種分割方法[8]。靜態(tài)背景下變化檢測常用的方法是連續(xù)幀間差分法幀和背景差分法。連續(xù)幀間差分法將連續(xù)兩幀圖像進行比較，從中提取出運動目標的信息。該算法對動態(tài)環(huán)境有較好的適應性，但提取的運動目標完整性較差。背景差分法能夠較完整地提取目標，但對場景的動態(tài)變化如光照或外部條件引起的場景變化較為敏感[9]。在導彈著靶參數(shù)測量中，可以運用連續(xù)幀間差分法快速提取出目標成像的大致位置和輪廓。在目標圖像附近通過運用邊緣檢測算法[10]檢測出目標的精確邊界。根據(jù)拍攝目標近視長圓柱形的特性，以及目標在著靶過程中軸向大致與攝像機主光軸垂直，而使目標在攝像機中的成像近似直線或矩形。這種規(guī)則的圖像在滿足利用

亞像素定位技術的前提下，可以采用形心法 [7] 來提高圖像中心定位的精度，進而提高測量精度。

4 實驗結果

對于所提出的測量方法，分別用實物實驗和仿真進行了驗證。

在實物實驗中，用導彈模型進行了靜態(tài)測量比對。選長1 m，直徑為0.1 m的圓柱體作為導彈模型，位置分別在靶標中心，偏左10 m，偏遠10 m，軸向與水平面分別成30°，60°，90°;攝像機分別部署在沿彈道線方向，垂直彈道線方向向左，攝像機中心對準靶心標定物中心。在靶心處視場寬為50 m，設置為1 000 f/s及1 020×512 pixels/frame。經編程處理，測量的位置(中心點)誤差分別為0.023 m，0.026 m，0.025 m。軸向角度誤差分別為1.8°，1.9°，1.1°。

在仿真中，對于飛行速度為500 m/s垂直向下的導彈，測量速度誤差為0.41 m/s，達到了測量的精度要求。

在基于雙目視覺的導彈著靶過程測量中，受到地形和靶場環(huán)境的影響，攝像機的布站一定要綜合考慮，權衡利弊，既要考慮試驗任務的要求和光測交會的條件，又要充分考慮攝像機背景的復雜度。

參考文獻

[1]中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.光電測量[M].北京:國防工業(yè)出版社，2002.

[2]席斌，錢峰.機器視覺測量系統(tǒng)在工業(yè)在線檢測中的應用[J].工業(yè)控制計算機，2005，18(11):75-77.

[3]冷洶濤.基于計算機視覺的精密測量技術[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2008(1):45-47.

[4]孫軍華，吳子彥，劉謙哲，等.大視場雙目視覺傳感器的現(xiàn)場標定[J].武漢科技學院學報，2009(3):633-639.

[5]李天文.現(xiàn)代測量學[M].北京:科學出版社，2007.

[6]張三喜，嬈敏，孫衛(wèi)平.高速攝像及其應用技術[M].北京:國防工業(yè)出版社，2006.

[7]于起峰，陸宏偉，劉肖琳.基于圖像的精密測量與運動測量[M].北京:科學出版社，2002.

[8]羅斌，涂錚錚，郭玉堂.基于運動信息和相位一致性的運動目標提取[J].系統(tǒng)仿真學報，2008，20(1):94-96.

[9]吳亞鵬.基于雙目視覺的運動目標跟蹤與三維測量[D].西安:西北大學，2008.

[10]張宏，譚躍剛，呂紅梅.邊緣檢測在計算機視覺幾何測量中的應用[J].武漢科技學院學報，2006，19(10):15-18.