基于單目視覺的飛機著艦參數測量方法

陳兆飛 李強 雷彪 張琪 馬翰飛 郭炳

摘要 視覺測量技術是基于計算機視覺理論發展起來的一種新的測量技術。本文首先對固定場景下攝像機高精度測量技術進行了深入的分析，然后給出了目標上已知位置的合作標識點的提取和跟蹤方法，最后利用即有的監控攝像機實現了基于單目視覺的飛機著艦位置、姿態和軌跡的數據獲取，通過飛行試驗驗證，該測量方法及數據精度滿足實際應用要求。

【關鍵詞】視覺測量 飛機著艦 合作目標 特征提取 軌跡測量 位姿測量

1 概述

空間運動目標的運動參數是反映其飛行狀態的重要數據。空間運動目標的三維姿態參數的測量對武器試驗鑒定、交會對接、衛星編隊飛行、飛行器試驗測量、事故分析、工業設計等意義重大。在很長的時間內，對運動目標的位置姿態和軌跡測量并沒有引起人們太多的重視，但隨著人們對運動物體研究的深入，對運動目標的位置姿態和軌跡測量逐漸成為人們研究的熱點問題。運動目標的位置、姿態及軌跡的測量對于我們分析運動目標的性能具有很重要的意義。

飛機目標數據測量有多種方法，包括無線電遙測、激光測量、光電經緯儀、高速攝像機等，其中基于可見光的圖像測量方法在近幾年得到了長足發展。雙目攝像測量方法因其測量精度高、實時性好，在很多場景中得到廣泛的應用，但在不少特殊場景中，限于攝像機的安裝位置、數量和復雜性的要求或利用既有的單一監視設備，需要采用單目視覺測量完成對運動目標的特定階段的飛行參數和運動軌跡的測量，且測量精度僅受限于目標的成像分辨率，性價比高，具有較好的應用前景。

本文的研究內容正是在固定場景下，使用既有的監視設備，利用機身原有的合作特征點，通過單目攝像測量算法，完成高速、近距離飛機著艦過程中飛行參數的定量獲取，進而構建了一套完整的測量系統。本課題的研究成果已經應用于某飛機著艦參數測量系統中，具有較好的實際應用價值。

2 系統組成及原理

2.1 系統組成

基于單目視覺的飛機著艦參數測量系統能夠完成飛機著艦末段，在著艦點附近的的飛行參數測量。限于攝像機的安裝位置、數量和復雜性的要求，考慮到測量物距變化范圍不大，單臺固定焦距的攝像機可以滿足視場、景深等需要。

本系統能夠利用即有的監控攝像機實現飛機著艦位置、姿態和運行軌跡的測量。使用飛機跑道一側現有的一臺攝像機，通過選取若干控制點，對攝像機的內外參數進行標定。飛機著艦前攝像機伺服轉臺固定不動，同時焦距不變，調整其視場和焦距覆蓋整個飛機著艦區域，使飛機在整個著艦引導過程中都處在該攝像機的視場中。

在飛機著艦過程中，攝像機對飛機的著艦過程進行記錄，通過提取飛機圖像上機身上的的特征點，經過本系統處理之后，即可得到飛機坐標系與著艦坐標系的位置關系，也就得到了需要測量的數據，這樣就完成了對飛機著艦參數的測量。系統組成框圖如圖1所示。

在本系統中，用于著艦圖像分析的飛機圖像由數字攝像機提供，高分辨率數字圖像首先通過數字攝像機及網絡通訊模塊進行數據采集、接口轉換處理，然后通過千兆網線傳輸至圖像分析處理計算機進行分析、解算，得到著艦圖像分析數據。

2.2 單目視覺測量原理

2.2.1 坐標系建立

首先對本文使用的坐標系設定進行定義，文中主要涉及到如下四種坐標系著艦坐標系、飛機坐標系（V坐標系）、像平面坐標系（P坐標系）以及像機坐標系（U坐標系），其設定關系如圖2所示。

著艦坐標系坐標原點定為飛機著艦理想點，以跑道中心線為X軸，跑道平面向上為Z軸，跑道面為XY平面，Y軸由右手法則確定。

飛機坐標系的作用是提供一個與像機成像過程無關的、對飛機的三維結構信息進行描述的坐標框架。飛機坐標系以水平狀態下質心為原點，指向機頭為X軸正向，指向左翼為Y軸正向，向上為Z軸正向。

像平面坐標系是指以像機的主光軸與像平面的交點為原點建立的2D坐標系，本文設定像平面坐標系的x軸與圖像的列方向平行，而y軸與圖像的行方向平行，如圖所示。

像機坐標系指的是以像機的光心為原點建立的3D坐標系，其z軸為像機的主光軸方向，x、y軸分別與像平面坐標系P的x、y軸平行。

2.2.2 成像模型分析

單目攝像測量求解飛機位置姿態的方法，需要事先標定獲取攝像機的內外參數，才能得到攝像機坐標系與跑道坐標系之間的位姿關系，通過求解得到飛機坐標系與攝像機坐標系之間的位姿關系，這樣即可轉換得到飛機坐標系與跑道坐標系之間的位姿關系。

基于控制點標定像機的過程是：首先構造若干空間坐標己知的控制點，然后使用待標定像機采集控制點圖像，再根據“空間控制點一一攝像機參數一一圖像點”間的關系求解攝像機參數。本文中采用中心透視投影疊加非線性鏡頭畸變的成像模型，如圖3所示。

3 基于控制點的攝像機參數標定

在進行著艦參數測量時，像機采用固定焦距和固定視場。攝像機標定主要是給出攝像機內、外參數，攝像機標定功能包含事先標定功能和實時標定功能。

在事先標定中，在跑道上設置若干個有效控制點，這些控制點要在圖像上清晰可見，用全站儀獲取這些控制點的坐標，當攝像機在完成掃描觀察并穩定不動后，在飛機降落前拍攝一幅圖像，標定子系統能夠根據視場內特征目標的分布情況，用人機交互方式提取若干已知跑道坐標系下坐標的特征點線對應的像點，控制點和攝像機自身的坐標輸入至系統中，進而依據共線方程組和畸變模型以迭代的方式高精度地求解得到后續數據處理所需的攝像機內、外參數。

實時標定與事先標定的原理和過程基本相同，但它是針對飛機著艦掛到目標索瞬間的圖像進行處理。用人機交互方式，提取該幅圖像下若干未被飛機遮擋，著艦坐標系下坐標己知的部分特征點對應的像點，旨在消除攝像機參數擾動可能對測量精度造成的影響。

4 飛機特征點高精度提取

在解算飛機著艦參數之前，需要提供飛機上結構尺寸為己知的4個點的坐標，在已經存儲下來的飛機著艦圖像中，通過提取這4個機身上的控制點，經過解算就得到了飛機在相平面坐標系中的二維坐標，將相平面坐標轉換為著艦坐標，即可得到飛機在跑道坐標系中的坐標。

飛機合作控制點選取的原則是，標志點在飛機下滑著艦過程中盡量不要被機身遮擋，且相互間的距離盡量拉開，使得標志點在機體上均勻分布于飛機棱角邊緣，便于進行人工或自動識別提取。飛機標定點的確定：機體共提取了機頭、機尾和翼尖4個有效標定點，如圖5示。

在機身控制點的提取過程中，首先采用人機交互的方式選定機身上己知的4個特征點，作為初始值，根據當前一幀目標位置預測目標當前特征點的位置，用最小二乘相關檢測當前目標亞像素位置，將目標當前位置輸出，并做為下一幀的目標初值。處理流程如圖6所示。

為了驗證本算法，我們使用飛機模型模擬飛機的著艦過程，并使用本算法對模型機上的特征點進行高精度的提取和跟蹤，通過大量實驗驗證，該方法切實有效。圖7為模型機特征點的提取和跟蹤效果圖。

5 飛機著艦參數解算

單目測量方法是利用透視成像的基本原理，在一定約束條件下通過，迭代求解二次非線性方程的近似解，進而求出像機與目標之間的相對位置關系。如圖8所示。

假定目標上設置四個目標點A，B，C，D成正八邊形布置，目標點在目標坐標系的坐標位置己知，正八邊形的邊長己知，每一個目標點大小尺寸己知，攝像機光學鏡頭的焦距f己知，攝像機的內外參數已標定完好。

6 試驗效果與分析

6.1 測量效果

經過本系統處理后，將飛機的三維坐標、俯仰角、偏航角、滾轉角、偏心距、偏航角和運動軌跡等數據繪制成曲線，可用來輔助判斷飛機在著艦末段飛行軌跡是否異常，從而對飛行進行評估。處理之后的飛機著艦軌跡和位姿測量數據如圖10所示。

6.2 精度分析

6.2.1 偏心距誤差

偏心距測量精度與攝像機標定、鏡頭誤差、時間定位誤差、特征點位置提取精度等因素有關。攝像機標定誤差與特征點結構尺寸誤差和圖像提取誤差有關，由于標定是在靜態條件下實施，其誤差可以得到較好的控制。可以保證偏心距±0.2m的測量精度。

6.2.2 偏航角誤差

對偏航角的測量精度，我們進行了仿真計算。仿真結果：飛機偏航角誤差：0.12度。考慮到實際上各種不可預計因素，偏航角的測量精度可以達到±0.20。

我們在實驗室搭建了仿真環境，使用模型機模擬飛機掛到目標索的飛行狀態。像機以水平視角觀察飛機，飛機頭、尾、雙翼尖共取4個特征點，特征點提取精度：1像素。

表l給出了本系統對仿真飛行測量數據與測量真值的初始偏心距、偏航角的結果比較，其誤差均達到了指標要求。

表2給出了本系統對仿真飛行測量數據與測量真值的相對點的位置和姿態相減，得到運動軌跡上的所有點的偏心距、偏航角均差來比較測算結果。其誤差達到了指標要求。

通過大量仿真飛行試驗驗證，本系統可以做到偏心距的誤差不超過±0.2米，偏航角的誤差不超過±0.20，因此該測量方法切實有效，數據精度滿足實際應用要求。

7 總結

本論文以基于單目視覺的飛機著艦參數測量的實際需求為依托，研究在單目觀測圖像序列下自由三維目標的結構和運動參數的反演問題。獲取觀測目標的位置、姿態和軌跡等參數，在軍事目標偵察、測量中具有重要的推廣意義。

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