基于雙目視覺的高速運動體飛行數據測量方法

杜 雪，余俊松，王 端，王邦宇

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州450047）

1 概述

雙目視覺技術以其非接觸性、測量精度高及響應速度快等特點，在三維建模、質量監控、目標識別、非接觸式面形測量等方面迅速發展，其應用正逐漸滲透到航空航天、軍事裝備、生物醫療、工業測量和自動化控制等諸多領域[1]。將雙目立體視覺與高速運動目標識別技術相結合，能夠監測高速運動小目標的運動軌跡、相對位移、運動速度、射向散布等飛行數據，在高速運動體的飛行數據測量方面具有重要的研究意義。

2 測量原理

2.1 圖像高速獲取技術

當前，為獲得高速運動物體的飛行數據（位移、姿態、速度、角度等），往往采用高速攝像機/高速相機設備來高速拍攝記錄物體的運動過程，并生成影像或系列圖像數據，高速攝像機/高速相機一般由鏡頭、機身、感光芯片（CCD 或CMOS）、快采電路、高速閃存、電子快門以及時鐘發生器等部分組成。常見的高速相機有英國IX Camera 公司的iSpeed 系列高速相機、美國VRI 公司的Phantom 系列高速相機、日本Phonton 公司的Y 系列高速相機[2]。

2.2 非接觸式光學攝像被動式測量技術

近年來隨著光學及電子元器件的廣泛應用，非接觸式測量技術迅速發展。非接觸式測量技術具有高效、對被測目標無破壞性、測量距離大等優點，可以對目標進行動態或靜態的測量。非接觸式測量可以遠距離非破壞性地對待測物體進行測量而不需要與待測物體接觸。非接觸式測量中主要采用的方法是光學非接觸式測量法[3]。

光學測量是高速運動小目標位移、姿態、速度、角度等飛行數據測量的重要手段之一，具有客觀、準確等特點，在航空航天領域、武器裝備研制等試驗及應用中發揮著重要作用。利用高速攝像機等光學測量設備可以跟蹤拍攝得到待測物體飛行過程的一系列圖像，對這些圖像進行分析，就能獲得待測物體的飛行位移、姿態、速度、角度等重要參數。

根據獲取目標三維信息的基本方法，光學非接觸式三維測量技術可分為主動式和被動式兩大類，如圖1 所示。

主動式是利用特殊的受控光源即主動光源照射被測物體，根據主動光源的幾何、物體、光學等已知結構信息獲取被測物體的三維數據。被動式是在自然光或室內可控照明光條件下，通過高速攝像機拍攝的二維灰度圖像來獲取被測物體三維數據。

圖1 光學測量方式

由于被動式沒有特殊的受控光源，無需復雜的光源設備，且更接近人類視覺習慣，因此，本文采用光學被動式三維測量。光學被動式三維測量是從一個或多個高速攝像機拍攝的二維圖像中獲取距離信息，從而形成三維數據，即單目、多目視覺[4]。用兩個或多個高速攝像機拍攝的不同視覺方向的二維圖像，將序列圖像通過相關匹配等運算方法可以重建被測物體的三維構型。

2.3 高速攝像測量技術

高速攝像是一種光學測量技術，利用光對物體的反射、透射、折射、衍射等特性，觀察事物的變化規律。高速攝像作為現代光學測量的重要手段，能夠提供高速運動小目標飛行過程與姿態變化的大量細節數據，分析高速攝像機所記錄的圖像可以得到被測目標的定量飛行數據，廣泛地應用于高精度運動測量領域，與常規的攝像測量設備相比，高速攝像機具有測量數據動態范圍更廣、準確度更高、參數更全面、內容更豐富等優點[5]。與高速攝像對應的三維圖像分析技術迅速發展，高速攝像三維圖像分析技術分為高速相機標定、圖像顯示、目標自動跟蹤、多目標匹配、三維姿態處理等步驟。

2.4 雙攝像機三維交會測量原理

假設P 為空間坐標系owxwywzw下的被測物點，O1，O2，O3分別為三個攝像機光心，P1，P2，P3分別為待測物點P在三個高速攝像機拍攝像面上的像點，如圖2 所示。

圖2 高速攝像機三維測量原理圖

根據理想針孔成像模型，任一臺高速攝像機關于被測物點P 的像點Pi、光心Oi和被測物點P 三點共線，像點Pi圖像坐標（xi，yi）與被測物點P 的空間坐標（xw，yw，zw）滿足共線方程。

式中：f 為攝像機焦距；r11，r22，r33和tx，ty，tz是由高速像機外部參數決定的旋轉矩陣和平移向量中的元素，以上這些參數可通過特定的攝像機標定方法確定。

被測物點、攝像機光心、攝像機圖像上對應像點處于同一條光線上且滿足共線方程，這意味著由單個攝像機得到的圖像只能確定出目標點所在的一條直線。為了確定被測物點的空間坐標，使用不同位置的兩臺高速攝像機對被測物點成像，可各自確定出一條通過被測物點的直線，兩條直線的交點即為被測物點的位置，這就是線-線交會，也是雙攝像機三維交會測量目標點空間位置的基本原理。

用最小二乘方法可以求解X、Y、Z，即得到了目標點的空間位置。通過圖像處理分析提取目標上的線特征（圖像平面內），同攝像機光心共同確定一個平面，兩個攝像機確定的兩個平面交線即是目標的空間線，這就是面-面交會，是雙攝像機三維交會測量目標三維姿態的基本原理。

3 高速運動體飛行數據測量方法

3.1 正交高速攝像機標定方法

高速攝像機標定是通過攝影測量標定技術解算共線方程組的相關未知參數的過程[6]，而圖像標定系統設備是高速攝像機3D 標定過程中所使用的基準源，具體標定方法如下：

（1）將圖像標定系統設備架設在運動目標的飛行方向上，控制調節基準標定模板使其位于兩臺高速攝像機的光軸交匯處，并使標定模板的中心垂線與兩臺攝像機的光軸位于同一個平面上，此時兩臺攝像機同步拍攝一張照片。

（2）控制調節標定模板沿著中心垂線平行移動（上移動兩次、下移動兩次），每次移動的距離在5mm～10mm 之間（該距離通過支架上的標尺精確獲得），每次兩臺攝像機均同步拍攝一張照片。

圖3 正交高速攝像機標定過程示意圖

（3）將標定模板復位后，控制調節標定模板旋轉（順時針旋轉兩次、逆時針旋轉兩次），每次旋轉的角度在5～10°之間（該角度通過支架上的高精度角度傳感器精確獲得），每次兩臺攝像機均同步拍攝一張照片。

（4）利用鷹眼3D 專業分析軟件對這9 張照片進行攝像機標定計算，從而建立攝像機的三維計算基礎模型，即完成對高速運動體飛行數據獲取系統的標定工作，標定過程示意圖如圖3 所示。

3.2 測量流程

高速運動體飛行數據測量首先要對發射系統的軸線位置進行標定，其標定方法為：在全系統安裝固定完成的情況下，通過高強度激光系統對發射系統軸線及高速運動體飛行基準線進行比對測量，判斷其系統誤差。通過正交高速攝像測量系統對軸心激光拍攝一張照片作為高速運動體飛行數據測量的基準。

在400mm×250mm 的拍攝視場內，兩臺高速攝像機組成正交系統，在運動體高速飛行過程中，通過電控或手動同步觸發攝像機記錄高速運動體飛行過程圖像。測量結束后，將兩臺高速攝像機的圖像數據通過千兆網絡傳遞到圖像處理工作站，并利用3D 圖像測量分析軟件分析判讀高速運動體在X、Y 兩個方向上的系列飛行位置并進而分析得到高速運動體在某一特定飛行段的飛行數據（運動軌跡或射向散布數據）。測量流程如圖4 所示。

4 測量精度與誤差分析

4.1 測量精度

（1）位移測量精度

在不考慮系統誤差源對攝像機的影響下，位移測量精度主要取決于高速攝像機的分辨率，設置分辨率為1280×800，攝像機拍攝窗口橫向視場Lc=400mm，在不使用軟件技術提高測量精度的情況下，硬件的位移測量精度計算如下：

圖4 測量流程圖

即在拍攝視場橫向尺寸為400mm 的情況下，位移測量精度為0.3mm，利用鷹眼3D 圖像軟件的亞像素定位分析方法，在圖像非常清晰的情況下，可以實現0.1～0.5 像素的定位精度，取鷹眼3D 軟件的定位精度為0.5個像素時，利用軟件結合硬件的測量精度，可以實現0.15mm 的位移測量精度。

（2）射向散布測量精度

在不考慮系統誤差源對攝像機的影響下，射向散布測量精度同樣主要取決攝像機的分辨率，根據位移測量精度的分析過程，可知在不不使用軟件技術提高測量精度的情況下，硬件對位置的定位精度為△d=0.3mm，目標發射點距兩臺高速攝像機拍攝位置的距離為Ls=18000mm，射向角的測量由進入和飛出兩幅畫面中目標的位置連線和基準線的位置確定，則射向散布的測量精度計算如下：

即角度的測量精度可達到0.033mrad，如果利用鷹眼軟件的亞像素定位分析方法，在圖像非常清晰的情況下，可以實現0.1～0.5 像素的定位精度，取鷹眼3D 軟件的定位精度為0.5個像素時，利用軟件結合硬件的測量精度，可以實現0.017mrad 的測量精度。

4.2 系統誤差分析

誤差按其性質可分為系統誤差和隨機誤差，其中對系統測量精度影響較大的為系統誤差，對光學圖像測量系統來講，系統誤差主要包括光學成像誤差、計算方法誤差及標定誤差；隨機誤差主要來源有圖像噪聲干擾、光源閃爍影響等[7-8]。

對高速運動體飛行數據測量的主要誤差源有：熱電子噪聲、CMOS（CCD）性能、鏡頭畸變、溫度、振動、照明視場噪聲、標定、圖像噪聲等。下面分別對這些誤差源進行分析，并提出解決方法以滿足高精度測量的需求。

（1）熱電子噪聲：在CMOS（CCD）攝像機、A/D 轉換器和采集電路中均有大量的電阻性器件。由于熱電子起伏，產生熱電子噪聲。根據這種噪聲的特性可采用平滑濾波或多次測量取平均值的方法將噪聲的影響降低到0.5%左右。

（2）CMOS（CCD）性能：固態圖像傳感器由離散的光敏像素組成，一個像元的輸出可能被在其區域光的特殊分布及落在相鄰像元光量所影響，響應的不均勻性一般為1%，為了在測量中實現高精度，通過計量校正可以將不均勻性引起的誤差由1%降低到0.3%左右。

（3）鏡頭畸變：考慮由缺陷鏡頭形狀引起的徑向位置誤差、由不合適鏡頭以及攝像機安裝所產生的徑向和切向誤差，該類誤差可由高精度標定模板和優化的軟件計算方法進行鏡頭畸變標定后克服，一般可將鏡頭畸變引起的測量誤差降低到0.3%～0.5%左右。

（4）溫度：溫度會影響CMOS（CCD）感光芯片的熱膨脹系數，一般攝像機的預熱漂移可達0.3個像素，為消除溫度的影響，首先必須在預熱以后再圖像采集，同時可采取保證環境溫度恒定的方法來消除溫度對系統硬件設備的影響。

（5）振動：可采用適當的振動隔離方法來減小隨機振動，如將攝像機的各測量部件置于隔振平臺上，同時提高快門的拍攝速率也可以減少振動所產生的影響。

（6）照明視場噪聲：采用專業軟件消除照明視場不均勻性的影響，在不降低系統測量精度的同時可降低對照明系統的要求。3D 分析軟件中的邊緣檢測十字窗口算法可很好的消除照明視場噪聲的影響，可將誤差影響降低到0.2%左右。

（7）標定：標定誤差是測量系統誤差中最重要的部分，因此在標定過程中應盡量保證標定板移動后，標定平面高度數據讀取的標準一致，標志塊的邊緣以及靶標點要保證清晰，以減少標定的誤差。

（8）圖像噪聲：用濾波、平均值等方法對圖像進行預處理，在解像的時候展開路徑繞過噪聲點，降低圖像噪聲對系統測量精度的影響。通過低通濾波對條紋圖進行處理以盡可能減小甚至消除高頻噪聲對測量精度的影響。

5 結束語

本文研究了基于雙目視覺的高速運動體飛行數據測量方法，通過非接觸式光學攝像被動式測量技術及雙攝像機三維交會測量原理，用兩臺正交高速攝像機對高速運動小目標拍攝圖像，基于圖像處理技術，從多幅二維圖像中提取目標的位移和多個目標的射向散布偏差角等數據，實現對高速運動體飛行數據的測量。