遠距離運動物體動態(tài)參數(shù)測試技術(shù)的理論與實驗研究.pdf

1、本研究為本實驗室與二炮合作項目"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)緯儀和彈道相機作用原理部分應(yīng)用于解析攝影中,實現(xiàn)遠距離運動物體的三維輪廓、運行姿態(tài)和運動速度的測量.該系統(tǒng)具有對硬件要求低,實現(xiàn)簡單,成本低,精度較高,穩(wěn)定性較高,運用范圍廣的特點.本論文主要完成以下研究工作:

2、 1.詳細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,并對高速攝像機參數(shù)選擇進行了理論推導(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.分析討論了攝像機擺放位置與攝像機內(nèi)部參數(shù)之間的關(guān)系.理論推導(dǎo)了測量用攝像機的內(nèi)部參數(shù)的選擇.通過實驗,給出了當(dāng)落彈范圍要求不同時,攝像機擺放位置與攝像

3、機內(nèi)部參數(shù)之間的關(guān)系,給出了可選用的攝像機參數(shù)的部分數(shù)據(jù). 2.詳細論述了兩攝像機光軸平行和兩攝像機光軸垂直時的攝像機標(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模型,并用罰函數(shù)法對畸變模型中的攝像機內(nèi)外部參數(shù)進行了分析求解.詳細研究了兩攝像機光軸平行和光軸垂直的實現(xiàn)條件,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.通過實驗,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)研究并分析了對遠距離運動物體的圖像進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坐標(biāo)；采用相關(guān)窗口方法對非邊緣像點進行立體匹配,實現(xiàn)了遠距離運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行誤差檢測與校正.通過實驗,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.詳細研究討

6、論了在兩種簡化的雙目測量系統(tǒng)中炮彈運行姿態(tài)和運動速度的求取方法.當(dāng)采用兩光軸平行系統(tǒng)時,利用運動目標(biāo)表面點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,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個時刻坐標(biāo)點進