遠(yuǎn)距離運(yùn)動物體動態(tài)參數(shù)測試技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本研究為本實(shí)驗(yàn)室與二炮合作項(xiàng)目"導(dǎo)彈落地階段動態(tài)參數(shù)測量技術(shù)的研究" 的預(yù)研.本課題采用雙目視覺立體成像技術(shù),建立了適用于導(dǎo)彈航天測量的光電測量系統(tǒng).在該測量系統(tǒng)中,攝像機(jī)以固定方式(非跟蹤方式)對著預(yù)定空域,將光電經(jīng)緯儀和彈道相機(jī)作用原理部分應(yīng)用于解析攝影中,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)動物體的三維輪廓、運(yùn)行姿態(tài)和運(yùn)動速度的測量.該系統(tǒng)具有對硬件要求低,實(shí)現(xiàn)簡單,成本低,精度較高,穩(wěn)定性較高,運(yùn)用范圍廣的特點(diǎn).本論文主要完成以下研究工作:

2、 1.詳細(xì)論述了簡化的雙目立體視覺測量系統(tǒng),分別建立了光軸平行測量系統(tǒng)和光軸垂直測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并對高速攝像機(jī)參數(shù)選擇進(jìn)行了理論推導(dǎo)和選擇.從光電經(jīng)緯儀的測量原理及一般雙目立體視覺測量系統(tǒng)分析出發(fā),提出了簡化的雙目視覺系統(tǒng),并分別建立了光軸平行測量系統(tǒng)和光軸垂直測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.分析討論了攝像機(jī)擺放位置與攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)之間的關(guān)系.理論推導(dǎo)了測量用攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)的選擇.通過實(shí)驗(yàn),給出了當(dāng)落彈范圍要求不同時(shí),攝像機(jī)擺放位置與攝像

3、機(jī)內(nèi)部參數(shù)之間的關(guān)系,給出了可選用的攝像機(jī)參數(shù)的部分?jǐn)?shù)據(jù). 2.詳細(xì)論述了兩攝像機(jī)光軸平行和兩攝像機(jī)光軸垂直時(shí)的攝像機(jī)標(biāo)定方法.從理想透視原理出發(fā),推導(dǎo)并建立了不考慮畸變的理想攝像機(jī)成像模型.在此基礎(chǔ)上,論述了考慮徑向和切向畸變的攝像機(jī)模型,并用罰函數(shù)法對畸變模型中的攝像機(jī)內(nèi)外部參數(shù)進(jìn)行了分析求解.詳細(xì)研究了兩攝像機(jī)光軸平行和光軸垂直的實(shí)現(xiàn)條件,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.通過實(shí)驗(yàn),給出了左右CCD的內(nèi)部和外部參數(shù)以及徑向和切向畸變

4、系數(shù)等標(biāo)定結(jié)果,并分析了標(biāo)定的誤差,給出了兩攝像機(jī)光軸平行和光軸垂直的標(biāo)定圖.結(jié)果表明,這種標(biāo)定方法精度很高,X方向的標(biāo)定誤差最大只有±0.05pixel,Y方向的標(biāo)定誤差最大只有±0.07pixel. 3.系統(tǒng)研究并分析了對遠(yuǎn)距離運(yùn)動物體的圖像進(jìn)行邊緣特征提取和立體匹配的方法,并給出了相應(yīng)的解決方案.在研究三種常用的特征提取方法的基礎(chǔ)上,提出以下特征提取方法:用灰度動態(tài)范圍壓縮方法對圖像進(jìn)行灰度預(yù)處理,用掩膜的方法將圖像從背景

5、中提取出來,用Sobel算子提取出圖像的邊緣信息.從攝像機(jī)的成像平面幾何原理出發(fā),用水平掃描線搜索的方法,得到匹配右像點(diǎn)的取值范圍；用灰度相關(guān)與模板匹配相結(jié)合的方法,在取值范圍內(nèi)得到待匹配的右像點(diǎn)坐標(biāo)；采用相關(guān)窗口方法對非邊緣像點(diǎn)進(jìn)行立體匹配,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離運(yùn)動物體三維信息的恢復(fù).應(yīng)用水平順序匹配約束策略對視差圖進(jìn)行誤差檢測與校正.通過實(shí)驗(yàn),給出了不同被測物的邊緣信息、視差圖、經(jīng)過校正的視差圖以及恢復(fù)出的三維輪廓. 4.詳細(xì)研究討

6、論了在兩種簡化的雙目測量系統(tǒng)中炮彈運(yùn)行姿態(tài)和運(yùn)動速度的求取方法.當(dāng)采用兩光軸平行系統(tǒng)時(shí),利用運(yùn)動目標(biāo)表面點(diǎn)到彈軸的距離相等的原理,用最小二乘擬合法得到彈軸矢量.當(dāng)采用兩光軸垂直系統(tǒng)時(shí),應(yīng)用兩種方法來求取彈軸矢量:一種是利用中軸線法推導(dǎo)出炮彈在兩個(gè)CCD像面上所成的直線方程,通過透射原理得到彈軸矢量；另一種是利用光軸垂直原理求取彈軸矢量. 從彈軸矢量出發(fā),推導(dǎo)了姿態(tài)角的數(shù)學(xué)公式.應(yīng)用三維插值方法,對立體匹配后得到的N個(gè)時(shí)刻坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)