基于雙目視覺的艦載光電雨天對(duì)岸測(cè)距方法

王 濤, 王海川, 闞立杰

(江蘇自動(dòng)化研究所, 江蘇 連云港 222061)

基于雙目視覺的艦載光電雨天對(duì)岸測(cè)距方法

王 濤, 王海川, 闞立杰

(江蘇自動(dòng)化研究所, 江蘇 連云港 222061)

光電是艦上對(duì)岸常用跟蹤方法,而雨天光電的激光測(cè)距功能受到干擾。針對(duì)該問題,研究基于雙目視覺的測(cè)距方法,使用其無源特性,改進(jìn)艦載光電跟蹤系統(tǒng)。分析影響測(cè)距的因素,給出了距離的計(jì)算方法。在設(shè)定條件下,對(duì)測(cè)距精度進(jìn)行了仿真,結(jié)果說明該方法有一定參考價(jià)值。

艦載光電; 激光測(cè)距; 光電雙目測(cè)距

島嶼爭(zhēng)端使國(guó)內(nèi)外越來越關(guān)注艦艇對(duì)岸火力支援能力。由于雷達(dá)不易區(qū)分岸上目標(biāo)和岸上背景,光電是對(duì)岸更有效的跟蹤器。光電具有被動(dòng)工作方式(激光測(cè)距儀除外),不受電磁干擾,低角跟蹤,目標(biāo)不易隱身,圖像直觀易于識(shí)別等優(yōu)點(diǎn),目前正成為替代或輔助雷達(dá)的最好方法之一[1]。艦載光電使用激光測(cè)距儀獲取目標(biāo)距離,測(cè)距時(shí)向目標(biāo)發(fā)送高能光束,接收目標(biāo)反射的光束,依據(jù)時(shí)間差計(jì)算目標(biāo)距離。但激光在雨天會(huì)被空氣中的水滴提前反射,測(cè)距功能受到干擾,而且激光接收設(shè)備有可能因反射能量過強(qiáng)而過載,甚至損壞。這使得艦載光電雨天無法準(zhǔn)確獲取目標(biāo)距離信息,影響對(duì)岸作戰(zhàn)使用。

為了解決光電激光測(cè)距受雨天等因素干擾問題,提高光電測(cè)距的抗干擾能力,研究了基于視覺深度的測(cè)距方法。相比激光測(cè)距,基于視覺深度的測(cè)距方法是無源的,受雨天空氣中水滴反射折射等因素影響小,不會(huì)被對(duì)方激光預(yù)警設(shè)備探測(cè)到。視覺深度距離測(cè)量主要有雙目立體視覺法[2]和共軸立體視覺法[3]。艦載光電的特點(diǎn)是長(zhǎng)焦距,窄視場(chǎng),常將目標(biāo)置于視場(chǎng)中心,而共軸立體視覺法使用“斜視”的方法測(cè)距,不適用于這種應(yīng)用情形,較原有的設(shè)計(jì)改動(dòng)大。雙目立體視覺測(cè)距在短焦距、寬視場(chǎng)的機(jī)器人視覺中被已廣泛研究過,本文將雙目立體視覺應(yīng)用在長(zhǎng)焦距、窄視場(chǎng)的艦載光電跟蹤系統(tǒng)中,根據(jù)其特點(diǎn),分析了影響測(cè)距的因素,給出了距離的計(jì)算方法。

1 光電雙目測(cè)距原理

雙目視覺測(cè)距是利用目標(biāo)在相互平行放置的成像面成像位置差異,通過相似形原理計(jì)算出目標(biāo)的距離。假定艦載光電的兩個(gè)攝像機(jī)成像面高度一致且絕對(duì)平行,共用一個(gè)伺服。目標(biāo)在左圖像和右圖像的投影分別為Pl和Pr。

圖1 雙目測(cè)距成像俯視圖

圖1是俯視圖,左右攝像機(jī)光軸分別為OlYl和OrYr,攝像機(jī)間基線為B,攝像機(jī)焦距同為f,成像視差Xl-Xr。目標(biāo)的坐標(biāo)P(Xc,Yc,Zc)為目標(biāo)在以左攝像機(jī)中心建立的攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。通過三角相似形的原理易知:

(1)

目標(biāo)P在左攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

(2)

在左攝像機(jī)中心建立瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系,設(shè)OaYa為跟蹤瞄準(zhǔn)線,OaXa為跟蹤器俯仰軸,δq和δε為舷角和高低角跟蹤偏差。目標(biāo)在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為(Xa,Ya,Za)[4]:

(3)

當(dāng)光電穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)時(shí),跟蹤角誤差均為小量,Ya近似等于斜距離D。

目標(biāo)在左攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下的坐標(biāo)關(guān)系為

(4)

其中R為旋轉(zhuǎn)矩陣,T為平移向量。當(dāng)左攝像機(jī)坐標(biāo)系與瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系重合時(shí)。由式(2)(3)(4)知, 視差Xl-Xr,基線B和焦距f是計(jì)算斜距離D的關(guān)鍵:

(5)

視差最小為一個(gè)像素單元UV時(shí),能測(cè)的最大距離為

(6)

雙目視覺系統(tǒng)的最大可測(cè)距離由式(6)約束。在實(shí)際應(yīng)用中,艦載光電系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)的距離受天氣狀況影響。在正確識(shí)別目標(biāo)后用雙目視覺法計(jì)算目標(biāo)距離,若要求有較高的測(cè)距精度,最大測(cè)距距離會(huì)遠(yuǎn)小于式(6)中的極限值。

2 艦載光電測(cè)距系統(tǒng)和測(cè)距計(jì)算

由式(5)(6)知,雙目視覺測(cè)距距離和基線B、焦距f成正比,和視差成反比。受短基線、短焦距、像素尺寸大等因素影響,雙目視覺測(cè)距距離通常較短。隨著圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步,像素尺寸越來越小,使得視差越來越精確。而艦載光電可具有長(zhǎng)焦距和長(zhǎng)基線的特點(diǎn),使中距離視覺測(cè)距成為可能。

以長(zhǎng)基線、長(zhǎng)焦距為前提設(shè)計(jì)艦載雙目視覺測(cè)距系統(tǒng)。兩個(gè)攝像機(jī)共用一個(gè)伺服,基線距離B取1m-2m,攝像機(jī)鏡頭視場(chǎng)為1°,因?yàn)槭侵芯嚯x探測(cè),攝像機(jī)焦距取70mm-500mm,圖像傳感器像元大小取常見的6um×6um,像素?cái)?shù)量取2048*1024。該系統(tǒng)最大視差為1023像素,設(shè)最小視差為10像素,根據(jù)式(5)計(jì)算出測(cè)距范圍的理論值為:163m-16.7km。

圖1的理想模型假定了兩個(gè)攝像機(jī)光軸處于平行對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)。當(dāng)兩攝像機(jī)光軸不處于平行狀態(tài)時(shí),如圖2所示,需要進(jìn)行圖像旋轉(zhuǎn)校正,再測(cè)距計(jì)算。

圖2 光軸不平行時(shí)視覺測(cè)距

艦載光電跟蹤好目標(biāo)后,通過控制伺服將目標(biāo)約束在圖像中心。先在左攝像機(jī)圖像中心水平方向搜索目標(biāo)一個(gè)特征點(diǎn)P1,再在右圖像搜索對(duì)應(yīng)點(diǎn)Pr。假定使用線性攝像機(jī)模型,那么O1P1P共線,O1P1P即左攝像機(jī)的視線。假定右攝像機(jī)光心Or和O1P1PY1共面,右攝像機(jī)相對(duì)于左攝像機(jī)的光軸方向角偏差為q和高低角偏差為ε,dr為Pr到成像中心Or的徑向距離。由投影關(guān)系和余弦定量易知,右攝像機(jī)視線OrPrP和光軸O1Y1的夾角為

(7)

根據(jù)式(5),距離測(cè)算公式修正為

(8)

式中兩攝像機(jī)的光軸方向角偏差q,高低角偏差ε,基線B,攝像機(jī)焦距f和像素尺寸可由雙攝像機(jī)標(biāo)定確定[5]。

如果攝像機(jī)成像非線性,需考慮鏡頭對(duì)光線影響。假定鏡頭成像時(shí)只有徑向誤差,即成像點(diǎn)畸變程度只與徑向距離有關(guān),且離成像中心越近畸變?cè)叫　Ｊ?8)中在使用X1和dr時(shí)要考慮非線性誤差的影響。

δ(dr)=k1(dr)+k2(dr)2

(9)

式(9)是一種二階非線性誤差模型,其一階徑向誤差的參數(shù)k1和二階徑向誤差的參數(shù)k2也由攝像機(jī)標(biāo)定獲得[6]。

式(8)即艦載光電雙目測(cè)距計(jì)算方法,式中對(duì)兩攝像機(jī)成像平面的旋轉(zhuǎn)和成像模型的非線性做了一定修正。

3 影響艦載光電測(cè)距精度因素仿真分析

基于圖2的雙目視覺測(cè)距方法,影響測(cè)距的因素主要有:左右攝像機(jī)特征點(diǎn)的匹配誤差;攝像機(jī)成像畸變的徑向誤差δd;右攝像機(jī)相對(duì)于左攝像機(jī)的光軸方向角偏差q和高低角偏差ε的標(biāo)定誤差;基線距離B標(biāo)定誤差δB和攝像機(jī)焦距f的標(biāo)定誤差δf。

對(duì)于一個(gè)已設(shè)計(jì)好的艦載雙目視覺系統(tǒng),雙目攝像機(jī)標(biāo)定誤差會(huì)對(duì)式(8)的計(jì)算有影響,且測(cè)距誤差和距離成比例放大。但這些誤差是系統(tǒng)誤差,可以通過校正給予補(bǔ)償[7]。例如在可視的距離內(nèi),每百米距離上都可以測(cè)量出對(duì)應(yīng)的視差值Xl-Xr,利用測(cè)量的視差對(duì)式(8)中參數(shù)再修正。修正后的參數(shù)符合當(dāng)前的雙目視覺系統(tǒng),此時(shí)測(cè)距的誤差主要受左右攝像機(jī)目標(biāo)特征點(diǎn)匹配誤差影響。

本文以Matlab2012為仿真環(huán)境,式(8)為測(cè)距計(jì)算方法對(duì)艦載光電測(cè)距計(jì)算進(jìn)行仿真,設(shè)定左右攝像機(jī)特征點(diǎn)匹配誤差均值小于一個(gè)像素,匹配誤差以像素為單位,像元大小為6um×6um,基線距離為2m, 拍照時(shí)成像焦距為350mm,對(duì)0到15km內(nèi)的測(cè)距精度進(jìn)行仿真。

圖3 距離0到15km內(nèi)測(cè)距系統(tǒng)誤差

圖3中距離越遠(yuǎn)測(cè)距系統(tǒng)誤差越大,受視差的匹配誤差以像素為單位離散化影響,測(cè)距誤差呈扇形發(fā)散。

當(dāng)其他條件不變,攝像機(jī)間基線距離由0.5m變化到5.5m時(shí),對(duì)5km的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距,測(cè)距誤差如圖4所示。

圖4 基線對(duì)測(cè)距系統(tǒng)誤差的影響

當(dāng)其他條件不變,觀察目標(biāo)時(shí),焦距由30mm變化到930mm時(shí),對(duì)5km的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距,測(cè)距系統(tǒng)誤差如圖5所示。

圖5 攝像機(jī)成像焦距對(duì)測(cè)距系統(tǒng)誤差的影響

當(dāng)其他條件不變,攝像機(jī)像素尺寸由1um到7um變化時(shí),對(duì)5km的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距,測(cè)距系統(tǒng)誤差如圖6所示。

圖6 攝像機(jī)成像像素尺寸對(duì)測(cè)距系統(tǒng)誤差的影響

當(dāng)其他條件不變,假定光電雙目測(cè)距系統(tǒng)對(duì)每百米距離的視差值進(jìn)行過實(shí)際測(cè)量并修正。左右攝像機(jī)光軸偏差的標(biāo)定誤差由-0.2°變化到0.2°時(shí),對(duì)5km的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距,測(cè)距誤差如圖7所示。

圖7 攝像機(jī)光軸偏差標(biāo)定誤差對(duì)測(cè)距系統(tǒng)誤差的影響

當(dāng)其他條件不變,右攝像機(jī)焦距標(biāo)定誤差由-2mm變化到2mm時(shí),對(duì)5km的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距,相比原有測(cè)距誤差,測(cè)距誤差增量如圖8所示。

圖8 焦距標(biāo)定誤差對(duì)測(cè)距系統(tǒng)誤差的影響

當(dāng)其他條件不變,攝像機(jī)基線標(biāo)定誤差由-1cm變化到1cm時(shí),對(duì)5km的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距,相比原有測(cè)距誤差,測(cè)距誤差增量如圖9所示。

圖9 基線標(biāo)定誤差對(duì)測(cè)距系統(tǒng)誤差的影響

在仿真條件下,從圖3可看出,以式(8)為測(cè)距計(jì)算方法,光電雙目視覺測(cè)距法可以測(cè)量300m至5km岸上目標(biāo)的距離,且測(cè)距系統(tǒng)誤差小于100m。

從圖4、圖5和圖6可看出,增加基線長(zhǎng)度,使用長(zhǎng)焦距的攝像機(jī)鏡頭,縮小成像單元尺寸都可以提高測(cè)距精度。

從圖7可看出,在光電雙目測(cè)距系統(tǒng)對(duì)每百米距離的視差值進(jìn)行實(shí)際測(cè)量并修正后,左右攝像機(jī)光軸偏差的標(biāo)定誤差減小并不能提升測(cè)距精度。

從圖8、圖9可看出,焦距標(biāo)定誤差和基線標(biāo)定誤差絕對(duì)值的縮小有利于提高系統(tǒng)測(cè)距精度。

上述仿真結(jié)果表明,艦載光電雙目視覺測(cè)距方法能較精確地測(cè)量5km以內(nèi)目標(biāo)的距離。該方法可以輔助激光測(cè)距,提高艦載光電雨天測(cè)距的抗干擾能力,為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素計(jì)算提供準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)。隨著圖像傳感器技術(shù)和攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)的進(jìn)步,光學(xué)成像鏡頭的發(fā)展,該系統(tǒng)還有進(jìn)一步提高測(cè)距精度和增加測(cè)距距離的可能。

4 結(jié)束語

本文基于艦載光電亟須解決的雨天測(cè)距抗干擾問題,探討了雙目視覺測(cè)距技術(shù)在艦載光電中使用的可行性,給出了目標(biāo)距離的計(jì)算方法,并對(duì)測(cè)距精度和影響測(cè)距精度的因素進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果說明,在原有艦載光電的基礎(chǔ)上只增加一個(gè)攝像機(jī),就可使艦載光電具備無源探測(cè)中距離目標(biāo)距離的能力,并有一定精度,從而改善艦載光電雨天無法準(zhǔn)確獲取岸上目標(biāo)距離的情況。

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A Shipborne Optical-Electronic Shore Targets Ranging MethodUsing Binocular Vision on Rainy Day

WANG Tao, WANG Hai-chuan, KAN Li-jie

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061， China)

Optical-electronic is a common shipborne method to track shore targets, however, the rain influence its laser ranging. In order to solve this problem, a shipborne optical-electronic system is improved basing on binocular vision, using its passive characteristics. Factors affecting ranging are analyzed and distance calculation method is given in this paper. Under the conditions of setting, the ranging accuracy is simulated, the results show that the method has some reference value.

shipborne optical-electronic; lasor ranging; Optical-Eletroic binocular lision ranging

1673-3819(2017)06-0109-04

TN209；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.023

2017-07-05

2017-07-11

王 濤(1986-),男,江蘇連云港人,碩士,工程師,研究方向?yàn)榛鹂丶夹g(shù)。王海川(1964-),男,研究員。闞立杰(1979-),男,高級(jí)工程師。