基于單目視覺的飛機著艦參數(shù)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(shù)是基于計算機視覺理論發(fā)展起來的一種新的測量技術(shù)。本文首先對固定場景下攝像機高精度測量技術(shù)進(jìn)行了深入的分析，然后給出了目標(biāo)上已知位置的合作標(biāo)識點的提取和跟蹤方法，最后利用即有的監(jiān)控攝像機實現(xiàn)了基于單目視覺的飛機著艦位置、姿態(tài)和軌跡的數(shù)據(jù)獲取，通過飛行試驗驗證，該測量方法及數(shù)據(jù)精度滿足實際應(yīng)用要求。

【關(guān)鍵詞】視覺測量 飛機著艦 合作目標(biāo) 特征提取 軌跡測量 位姿測量

1 概述

空間運動目標(biāo)的運動參數(shù)是反映其飛行狀態(tài)的重要數(shù)據(jù)。空間運動目標(biāo)的三維姿態(tài)參數(shù)的測量對武器試驗鑒定、交會對接、衛(wèi)星編隊飛行、飛行器試驗測量、事故分析、工業(yè)設(shè)計等意義重大。在很長的時間內(nèi)，對運動目標(biāo)的位置姿態(tài)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(biāo)的位置姿態(tài)和軌跡測量逐漸成為人們研究的熱點問題。運動目標(biāo)的位置、姿態(tài)及軌跡的測量對于我們分析運動目標(biāo)的性能具有很重要的意義。

飛機目標(biāo)數(shù)據(jù)測量有多種方法，包括無線電遙測、激光測量、光電經(jīng)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(fā)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(yīng)用，但在不少特殊場景中，限于攝像機的安裝位置、數(shù)量和復(fù)雜性的要求或利用既有的單一監(jiān)視設(shè)備，需要采用單目視覺測量完成對運動目標(biāo)的特定階段的飛行參數(shù)和運動軌跡的測量，且測量精度僅受限于目標(biāo)的成像分辨率，性價比高，具有較好的應(yīng)用前景。

本文的研究內(nèi)容正是在固定場景下，使用既有的監(jiān)視設(shè)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(shù)的定量獲取，進(jìn)而構(gòu)建了一套完整的測量系統(tǒng)。本課題的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于某飛機著艦參數(shù)測量系統(tǒng)中，具有較好的實際應(yīng)用價值。

2 系統(tǒng)組成及原理

2.1 系統(tǒng)組成

基于單目視覺的飛機著艦參數(shù)測量系統(tǒng)能夠完成飛機著艦?zāi)┒?，在著艦點附近的的飛行參數(shù)測量。限于攝像機的安裝位置、數(shù)量和復(fù)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(tǒng)能夠利用即有的監(jiān)控攝像機實現(xiàn)飛機著艦位置、姿態(tài)和運行軌跡的測量。使用飛機跑道一側(cè)現(xiàn)有的一臺攝像機，通過選取若干控制點，對攝像機的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。飛機著艦前攝像機伺服轉(zhuǎn)臺固定不動，同時焦距不變，調(diào)整其視場和焦距覆蓋整個飛機著艦區(qū)域，使飛機在整個著艦引導(dǎo)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(jìn)行記錄，通過提取飛機圖像上機身上的的特征點，經(jīng)過本系統(tǒng)處理之后，即可得到飛機坐標(biāo)系與著艦坐標(biāo)系的位置關(guān)系，也就得到了需要測量的數(shù)據(jù)，這樣就完成了對飛機著艦參數(shù)的測量。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

在本系統(tǒng)中，用于著艦圖像分析的飛機圖像由數(shù)字?jǐn)z像機提供，高分辨率數(shù)字圖像首先通過數(shù)字?jǐn)z像機及網(wǎng)絡(luò)通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、接口轉(zhuǎn)換處理，然后通過千兆網(wǎng)線傳輸至圖像分析處理計算機進(jìn)行分析、解算，得到著艦圖像分析數(shù)據(jù)。

2.2 單目視覺測量原理

2.2.1 坐標(biāo)系建立

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

著艦坐標(biāo)系坐標(biāo)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(biāo)系的作用是提供一個與像機成像過程無關(guān)的、對飛機的三維結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行描述的坐標(biāo)框架。飛機坐標(biāo)系以水平狀態(tài)下質(zhì)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(biāo)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(biāo)系，本文設(shè)定像平面坐標(biāo)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(biāo)系指的是以像機的光心為原點建立的3D坐標(biāo)系，其z軸為像機的主光軸方向，x、y軸分別與像平面坐標(biāo)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(tài)的方法，需要事先標(biāo)定獲取攝像機的內(nèi)外參數(shù)，才能得到攝像機坐標(biāo)系與跑道坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系，通過求解得到飛機坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系，這樣即可轉(zhuǎn)換得到飛機坐標(biāo)系與跑道坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系。

基于控制點標(biāo)定像機的過程是：首先構(gòu)造若干空間坐標(biāo)己知的控制點，然后使用待標(biāo)定像機采集控制點圖像，再根據(jù)“空間控制點一一攝像機參數(shù)一一圖像點”間的關(guān)系求解攝像機參數(shù)。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(shù)標(biāo)定

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

在事先標(biāo)定中，在跑道上設(shè)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(biāo)，當(dāng)攝像機在完成掃描觀察并穩(wěn)定不動后，在飛機降落前拍攝一幅圖像，標(biāo)定子系統(tǒng)能夠根據(jù)視場內(nèi)特征目標(biāo)的分布情況，用人機交互方式提取若干已知跑道坐標(biāo)系下坐標(biāo)的特征點線對應(yīng)的像點，控制點和攝像機自身的坐標(biāo)輸入至系統(tǒng)中，進(jìn)而依據(jù)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(xù)數(shù)據(jù)處理所需的攝像機內(nèi)、外參數(shù)。

實時標(biāo)定與事先標(biāo)定的原理和過程基本相同，但它是針對飛機著艦掛到目標(biāo)索瞬間的圖像進(jìn)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(biāo)系下坐標(biāo)己知的部分特征點對應(yīng)的像點，旨在消除攝像機參數(shù)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(shù)之前，需要提供飛機上結(jié)構(gòu)尺寸為己知的4個點的坐標(biāo)，在已經(jīng)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(jīng)過解算就得到了飛機在相平面坐標(biāo)系中的二維坐標(biāo)，將相平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為著艦坐標(biāo)，即可得到飛機在跑道坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

飛機合作控制點選取的原則是，標(biāo)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(biāo)志點在機體上均勻分布于飛機棱角邊緣，便于進(jìn)行人工或自動識別提取。飛機標(biāo)定點的確定：機體共提取了機頭、機尾和翼尖4個有效標(biāo)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(jù)當(dāng)前一幀目標(biāo)位置預(yù)測目標(biāo)當(dāng)前特征點的位置，用最小二乘相關(guān)檢測當(dāng)前目標(biāo)亞像素位置，將目標(biāo)當(dāng)前位置輸出，并做為下一幀的目標(biāo)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(jìn)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(shù)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(jìn)而求出像機與目標(biāo)之間的相對位置關(guān)系。如圖8所示。

假定目標(biāo)上設(shè)置四個目標(biāo)點A，B，C，D成正八邊形布置，目標(biāo)點在目標(biāo)坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置己知，正八邊形的邊長己知，每一個目標(biāo)點大小尺寸己知，攝像機光學(xué)鏡頭的焦距f己知，攝像機的內(nèi)外參數(shù)已標(biāo)定完好。

6 試驗效果與分析

6.1 測量效果

經(jīng)過本系統(tǒng)處理后，將飛機的三維坐標(biāo)、俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角、偏心距、偏航角和運動軌跡等數(shù)據(jù)繪制成曲線，可用來輔助判斷飛機在著艦?zāi)┒物w行軌跡是否異常，從而對飛行進(jìn)行評估。處理之后的飛機著艦軌跡和位姿測量數(shù)據(jù)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(biāo)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(guān)。攝像機標(biāo)定誤差與特征點結(jié)構(gòu)尺寸誤差和圖像提取誤差有關(guān)，由于標(biāo)定是在靜態(tài)條件下實施，其誤差可以得到較好的控制?？梢员ＷC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(jìn)行了仿真計算。仿真結(jié)果：飛機偏航角誤差：0.12度。考慮到實際上各種不可預(yù)計因素，偏航角的測量精度可以達(dá)到±0.20。

我們在實驗室搭建了仿真環(huán)境，使用模型機模擬飛機掛到目標(biāo)索的飛行狀態(tài)。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(tǒng)對仿真飛行測量數(shù)據(jù)與測量真值的初始偏心距、偏航角的結(jié)果比較，其誤差均達(dá)到了指標(biāo)要求。

表2給出了本系統(tǒng)對仿真飛行測量數(shù)據(jù)與測量真值的相對點的位置和姿態(tài)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(jié)果。其誤差達(dá)到了指標(biāo)要求。

通過大量仿真飛行試驗驗證，本系統(tǒng)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(shù)據(jù)精度滿足實際應(yīng)用要求。

7 總結(jié)

本論文以基于單目視覺的飛機著艦參數(shù)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(biāo)的結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)的反演問題。獲取觀測目標(biāo)的位置、姿態(tài)和軌跡等參數(shù)，在軍事目標(biāo)偵察、測量中具有重要的推廣意義。

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