靶載全向雙目視覺脫靶量測量系統設計與分析?

呂事桂 劉江雪 何四華 李建起

（92941部隊44分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

脫靶量測量對于鑒定和評估攻擊性武器的性能起著關鍵的作用，在測量任務中通常需要進行脫靶量測量［1～5］。要完成實時高精度的脫靶量測量，必須選取合適的測量方法和高可靠性、高精度的測量設備。其中，雙目立體視覺是計算機視覺中被廣泛研究與應用的一個重要分支，該系統模擬人眼視覺系統實現場景重組［6～10］。雙目立體視覺系統相對于單目、多目視覺系統，綜合性能更好，具有較好的優越性，而且可靠性較高，在諸多領域具有很髙的實際應用價值。 本文針對靶標艦面環境復雜，海上末端脫靶量有效測量距離較小的實際情況，基于雙目視覺測量原理設計了一種靶載便攜短基線集成式全向雙目視覺矢量脫靶量測量系統。通過單攝像機移動確定基線對系統進行了驗證試驗，驗證了系統測量結果具有較好的置信水平。

2 系統組成及工作原理

雙目立體視覺基于人眼光學成像系統，通過在不同視點拍攝同一場景，利用三角測量原理計算像素間的視差，實現二維圖像到空間三維物體的還原。如圖1 所示，典型的雙目立體視覺流程包括圖像獲取、攝像機標定、特征提取、立體匹配和三維重組五個部分［11～13］。

圖1 雙目立體視覺流程

圖像的獲取方式比較多，可以利用單個攝像機通過平移或旋轉獲取圖像，也可以利用雙攝像機在不用位置直接獲取，具體的獲取方式根據具體的條件決定，過程相對簡單。攝像機標定是以獲取攝像機內外參數為目的，消除攝像機崎變影響，為三維重組提供數據，提離定位精度。特征提取部分是可選的，如果立體匹配部分采用了特征匹配，那么該部分就是必須的，常用的圖像特征有角點、特征點、灰度以及邊緣點等。立體匹配是為了獲得同一物點在左右視圖中的匹配點，匹配點的精度將直接影響重組的精度，對于整個系統來說相當重要，如何獲得精確的匹配點和正確的視差圖，是雙目立體視覺的難點和重點。三維重組是利用得到的視差圖及相關參數進行計算，對物體或者對場景進行可視化還原。

海上靶標為逼真模擬被攻擊目標，通常裝有目標特性模擬設備、干擾環境構設設備等各類靶載設備，造成靶標艦面環境復雜，給雙目攝像機的精確安裝及其相對位置標定帶來極大的不便。另外，海上末端脫靶量的測量距離要求不大（一般在百米左右）。為此，系統設計成短基線便攜集成的形式，其靶載測量分系統如圖2 所示，主要由觸發授時裝置、同步控制器、全向雙目廣角圖像采集裝置、圖像采集及存儲系統等組成。

圖2 靶載測量分系統構成

系統工作原理如圖3 所示，工作過程中，靶載測量分系統安裝在海上靶標上，岸基布置遠端控制分系統實現遙控及監視。由全向雙目廣角圖像采集裝置完成視景來襲目標的捕獲，視覺采集及存儲系統實現來襲目標過靶段圖像數據實時存儲記錄，遠端控制分系統通過無線信道實現靶載測量分系統的遙控控制。來襲目標過靶后，岸基監控系統可通過圖像序列查找方式，對過靶時間段的雙目圖像進行壓縮回傳，并通過對回傳雙目圖像處理，實現過靶參數測量。

圖3 便攜式雙目視覺系統工作原理

3 系統測量模型及參數解算

系統選擇雙目橫向模型作為視覺系統的結構，采用對空視角安裝。超過水平面后的不可視來襲目標運動軌跡可根據前序圖像幀序列，通過視場內來襲目標空間位置求解，實現過靶段來襲目標運動軌跡的數值擬合和估算。假設攝像機已經標定好，忽略相機自身畸變，且左右相機的各對應軸精確平行。這種情況下的測量原理可以借助圖4 來分析，這里給出兩鏡頭連線所在平面的示意圖。將攝像機坐標系疊加到第一個攝像機坐標系上，B 為兩攝像機之間的距離即基線，f1和f2分別為兩攝像機焦距。空間任意一點P（X，Y，Z）在兩攝像機坐標系下的坐標分別為P1（X1，Y1，Z1）和P2（X2，Y2，Z2），且Z= Z1= Z2。該點投影在兩圖像平面下的坐標分別為p1（x1，y1）和p2（x2，y2），兩攝像機的光軸與圖像平面的交點為相機的主點，坐標分別為（x10，y10）和（x20，y20）。

圖4 雙目橫向模型測量原理

根據坐標系轉換關系和小孔成像原理，可知在兩攝像機坐標系下存在如下關系：

令d=x-x0，整理得：

將上述關系轉換到攝像機坐標系即第一個攝像機的坐標系下，基線長度為B，則有：

得到：

因為左右兩攝像機各坐標軸精確平行，Z1=Z2=Z，解得深度公式：

若左右攝像機完全相同，即f1= f2=f，x10=x20=x0。令D=x2-x1為雙目視覺系統的視差，則上式簡化成：

同理根據坐標系轉換關系和小孔成像原理，有：

上式被稱為定位公式，可以獲取空間點的三維位置。

4 系統測量誤差分析

根據雙目立體視覺的測量原理分析，空間上任意一點的測量精度都應是相同的。然而實際應用中，系統必然受到硬件配置和圖像理解能力的限制，導致空間各點的實際測量精度不同。由雙目立體視覺的數學模型和深度公式，將空間點的三維坐標計算歸結為矢量函數關系式：

1）物點距離對測量精度的影響

假定攝像機已經標定好，誤差傳遞系數：

Z方向測量精度為

若f1=f2=f，上式可以簡化為

物點距離越遠，測量誤差越大，而且測量精度與測量距離的平方成反比，即物體距離是影響測量精度的重要因素。

2）相機結構對測量精度的影響

根據深度公式，分別對基線長度、相機標定焦距、攝像機主點求偏導：

當距離相同時，基線對測量距離的影響是線性的，設備基線距離越大，系統測量誤差越小。

上式表明，焦距對測量精度產生非線性影響，而且隨著d改變而變化。

攝像機光軸與圖像平面的交點稱為攝像機的主點。受相機制造技術和攝像機畸變的影響，相機主點與圖像幾何中心不重合。如果用圖像幾何中心代替相機主點進行測量，必然引入誤差。利用攝像機標定技術，可以求得主點坐標，這樣帶入計算可以大大提高測量精度。

3）圖像識別能力對測量精度的影響

雙目立體測量各個環節，包括目標識別及特征提取，進而獲得同一目標在雙目視覺的重疊視場中的位置，利用視差原理獲取物點深度信息。所以被測物點對應兩攝像機上的像點坐標及其提取誤差，是影響測量精度的因素之一。

可見匹配點與相機主點的選取對測量結果的影響相同。在物點距離相同的情況下，匹配點與相機主點對測量精度的影響最為顯著。

5 試驗結果與分析

為了驗證系統測量的有效性，以單攝像機移動確定基線對便攜集成式雙目視覺系統進行了先期實測驗證，結果如表1 所示。試驗中，選取攝像機坐標系Z 軸方向距離0～10m、10m～20m、20m～30m、30m～40m、40m～50m、50m～60m、60m～70m 等距離范圍內的空間點，空間點坐標測量值由矯正后的立體圖像對中手動提取角點。

表1 測試驗證數據

從表1 可知，測試結果數據總體較好，雖有部分數據偏差大于10%，但這主要是由于試驗過程中單攝像機移動確定基線，對測量結果引入了誤差，在系統采用雙目精準授時同步攝錄控制后，可消除基線誤差、攝錄不同步引入的測量影響，測量結果將會明顯得到改善。

6 結語

本文針對靶標艦面環境復雜、海上末端脫靶量測量有效距離要求低等工程應用環境特點，基于雙目視覺測量原理設計了一種靶載便攜短基線集成式全向雙目視覺矢量脫靶量測量系統。通過單攝像機移動確定基線對系統進行實測驗證，結果表明測量結果具有較好的置信水平，系統采用雙目精準授時同步攝錄控制，在消除基線誤差、攝錄不同步等單攝像機移動帶來影響后，測量結果能得到顯著提高，滿足一般的工程應用要求。