基于雙目視覺的高速運(yùn)動(dòng)體飛行數(shù)據(jù)測(cè)量方法

杜 雪，余俊松，王 端，王邦宇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州450047）

1 概述

雙目視覺技術(shù)以其非接觸性、測(cè)量精度高及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在三維建模、質(zhì)量監(jiān)控、目標(biāo)識(shí)別、非接觸式面形測(cè)量等方面迅速發(fā)展，其應(yīng)用正逐漸滲透到航空航天、軍事裝備、生物醫(yī)療、工業(yè)測(cè)量和自動(dòng)化控制等諸多領(lǐng)域[1]。將雙目立體視覺與高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，能夠監(jiān)測(cè)高速運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、相對(duì)位移、運(yùn)動(dòng)速度、射向散布等飛行數(shù)據(jù)，在高速運(yùn)動(dòng)體的飛行數(shù)據(jù)測(cè)量方面具有重要的研究意義。

2 測(cè)量原理

2.1 圖像高速獲取技術(shù)

當(dāng)前，為獲得高速運(yùn)動(dòng)物體的飛行數(shù)據(jù)（位移、姿態(tài)、速度、角度等），往往采用高速攝像機(jī)/高速相機(jī)設(shè)備來(lái)高速拍攝記錄物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并生成影像或系列圖像數(shù)據(jù)，高速攝像機(jī)/高速相機(jī)一般由鏡頭、機(jī)身、感光芯片（CCD 或CMOS）、快采電路、高速閃存、電子快門以及時(shí)鐘發(fā)生器等部分組成。常見的高速相機(jī)有英國(guó)IX Camera 公司的iSpeed 系列高速相機(jī)、美國(guó)VRI 公司的Phantom 系列高速相機(jī)、日本Phonton 公司的Y 系列高速相機(jī)[2]。

2.2 非接觸式光學(xué)攝像被動(dòng)式測(cè)量技術(shù)

近年來(lái)隨著光學(xué)及電子元器件的廣泛應(yīng)用，非接觸式測(cè)量技術(shù)迅速發(fā)展。非接觸式測(cè)量技術(shù)具有高效、對(duì)被測(cè)目標(biāo)無(wú)破壞性、測(cè)量距離大等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的測(cè)量。非接觸式測(cè)量可以遠(yuǎn)距離非破壞性地對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量而不需要與待測(cè)物體接觸。非接觸式測(cè)量中主要采用的方法是光學(xué)非接觸式測(cè)量法[3]。

光學(xué)測(cè)量是高速運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)位移、姿態(tài)、速度、角度等飛行數(shù)據(jù)測(cè)量的重要手段之一，具有客觀、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域、武器裝備研制等試驗(yàn)及應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。利用高速攝像機(jī)等光學(xué)測(cè)量設(shè)備可以跟蹤拍攝得到待測(cè)物體飛行過(guò)程的一系列圖像，對(duì)這些圖像進(jìn)行分析，就能獲得待測(cè)物體的飛行位移、姿態(tài)、速度、角度等重要參數(shù)。

根據(jù)獲取目標(biāo)三維信息的基本方法，光學(xué)非接觸式三維測(cè)量技術(shù)可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類，如圖1 所示。

主動(dòng)式是利用特殊的受控光源即主動(dòng)光源照射被測(cè)物體，根據(jù)主動(dòng)光源的幾何、物體、光學(xué)等已知結(jié)構(gòu)信息獲取被測(cè)物體的三維數(shù)據(jù)。被動(dòng)式是在自然光或室內(nèi)可控照明光條件下，通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝的二維灰度圖像來(lái)獲取被測(cè)物體三維數(shù)據(jù)。

圖1 光學(xué)測(cè)量方式

由于被動(dòng)式?jīng)]有特殊的受控光源，無(wú)需復(fù)雜的光源設(shè)備，且更接近人類視覺習(xí)慣，因此，本文采用光學(xué)被動(dòng)式三維測(cè)量。光學(xué)被動(dòng)式三維測(cè)量是從一個(gè)或多個(gè)高速攝像機(jī)拍攝的二維圖像中獲取距離信息，從而形成三維數(shù)據(jù)，即單目、多目視覺[4]。用兩個(gè)或多個(gè)高速攝像機(jī)拍攝的不同視覺方向的二維圖像，將序列圖像通過(guò)相關(guān)匹配等運(yùn)算方法可以重建被測(cè)物體的三維構(gòu)型。

2.3 高速攝像測(cè)量技術(shù)

高速攝像是一種光學(xué)測(cè)量技術(shù)，利用光對(duì)物體的反射、透射、折射、衍射等特性，觀察事物的變化規(guī)律。高速攝像作為現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量的重要手段，能夠提供高速運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)飛行過(guò)程與姿態(tài)變化的大量細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，分析高速攝像機(jī)所記錄的圖像可以得到被測(cè)目標(biāo)的定量飛行數(shù)據(jù)，廣泛地應(yīng)用于高精度運(yùn)動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，與常規(guī)的攝像測(cè)量設(shè)備相比，高速攝像機(jī)具有測(cè)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍更廣、準(zhǔn)確度更高、參數(shù)更全面、內(nèi)容更豐富等優(yōu)點(diǎn)[5]。與高速攝像對(duì)應(yīng)的三維圖像分析技術(shù)迅速發(fā)展，高速攝像三維圖像分析技術(shù)分為高速相機(jī)標(biāo)定、圖像顯示、目標(biāo)自動(dòng)跟蹤、多目標(biāo)匹配、三維姿態(tài)處理等步驟。

2.4 雙攝像機(jī)三維交會(huì)測(cè)量原理

假設(shè)P 為空間坐標(biāo)系owxwywzw下的被測(cè)物點(diǎn)，O1，O2，O3分別為三個(gè)攝像機(jī)光心，P1，P2，P3分別為待測(cè)物點(diǎn)P在三個(gè)高速攝像機(jī)拍攝像面上的像點(diǎn)，如圖2 所示。

圖2 高速攝像機(jī)三維測(cè)量原理圖

根據(jù)理想針孔成像模型，任一臺(tái)高速攝像機(jī)關(guān)于被測(cè)物點(diǎn)P 的像點(diǎn)Pi、光心Oi和被測(cè)物點(diǎn)P 三點(diǎn)共線，像點(diǎn)Pi圖像坐標(biāo)（xi，yi）與被測(cè)物點(diǎn)P 的空間坐標(biāo)（xw，yw，zw）滿足共線方程。

式中：f 為攝像機(jī)焦距；r11，r22，r33和tx，ty，tz是由高速像機(jī)外部參數(shù)決定的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量中的元素，以上這些參數(shù)可通過(guò)特定的攝像機(jī)標(biāo)定方法確定。

被測(cè)物點(diǎn)、攝像機(jī)光心、攝像機(jī)圖像上對(duì)應(yīng)像點(diǎn)處于同一條光線上且滿足共線方程，這意味著由單個(gè)攝像機(jī)得到的圖像只能確定出目標(biāo)點(diǎn)所在的一條直線。為了確定被測(cè)物點(diǎn)的空間坐標(biāo)，使用不同位置的兩臺(tái)高速攝像機(jī)對(duì)被測(cè)物點(diǎn)成像，可各自確定出一條通過(guò)被測(cè)物點(diǎn)的直線，兩條直線的交點(diǎn)即為被測(cè)物點(diǎn)的位置，這就是線-線交會(huì)，也是雙攝像機(jī)三維交會(huì)測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)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(biāo)點(diǎn)的空間位置。通過(guò)圖像處理分析提取目標(biāo)上的線特征（圖像平面內(nèi)），同攝像機(jī)光心共同確定一個(gè)平面，兩個(gè)攝像機(jī)確定的兩個(gè)平面交線即是目標(biāo)的空間線，這就是面-面交會(huì)，是雙攝像機(jī)三維交會(huì)測(cè)量目標(biāo)三維姿態(tài)的基本原理。

3 高速運(yùn)動(dòng)體飛行數(shù)據(jù)測(cè)量方法

3.1 正交高速攝像機(jī)標(biāo)定方法

高速攝像機(jī)標(biāo)定是通過(guò)攝影測(cè)量標(biāo)定技術(shù)解算共線方程組的相關(guān)未知參數(shù)的過(guò)程[6]，而圖像標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)備是高速攝像機(jī)3D 標(biāo)定過(guò)程中所使用的基準(zhǔn)源，具體標(biāo)定方法如下：

（1）將圖像標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)備架設(shè)在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的飛行方向上，控制調(diào)節(jié)基準(zhǔn)標(biāo)定模板使其位于兩臺(tái)高速攝像機(jī)的光軸交匯處，并使標(biāo)定模板的中心垂線與兩臺(tái)攝像機(jī)的光軸位于同一個(gè)平面上，此時(shí)兩臺(tái)攝像機(jī)同步拍攝一張照片。

（2）控制調(diào)節(jié)標(biāo)定模板沿著中心垂線平行移動(dòng)（上移動(dòng)兩次、下移動(dòng)兩次），每次移動(dòng)的距離在5mm～10mm 之間（該距離通過(guò)支架上的標(biāo)尺精確獲得），每次兩臺(tái)攝像機(jī)均同步拍攝一張照片。

圖3 正交高速攝像機(jī)標(biāo)定過(guò)程示意圖

（3）將標(biāo)定模板復(fù)位后，控制調(diào)節(jié)標(biāo)定模板旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩次、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩次），每次旋轉(zhuǎn)的角度在5～10°之間（該角度通過(guò)支架上的高精度角度傳感器精確獲得），每次兩臺(tái)攝像機(jī)均同步拍攝一張照片。

（4）利用鷹眼3D 專業(yè)分析軟件對(duì)這9 張照片進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定計(jì)算，從而建立攝像機(jī)的三維計(jì)算基礎(chǔ)模型，即完成對(duì)高速運(yùn)動(dòng)體飛行數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的標(biāo)定工作，標(biāo)定過(guò)程示意圖如圖3 所示。

3.2 測(cè)量流程

高速運(yùn)動(dòng)體飛行數(shù)據(jù)測(cè)量首先要對(duì)發(fā)射系統(tǒng)的軸線位置進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定方法為：在全系統(tǒng)安裝固定完成的情況下，通過(guò)高強(qiáng)度激光系統(tǒng)對(duì)發(fā)射系統(tǒng)軸線及高速運(yùn)動(dòng)體飛行基準(zhǔn)線進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，判斷其系統(tǒng)誤差。通過(guò)正交高速攝像測(cè)量系統(tǒng)對(duì)軸心激光拍攝一張照片作為高速運(yùn)動(dòng)體飛行數(shù)據(jù)測(cè)量的基準(zhǔn)。

在400mm×250mm 的拍攝視場(chǎng)內(nèi)，兩臺(tái)高速攝像機(jī)組成正交系統(tǒng)，在運(yùn)動(dòng)體高速飛行過(guò)程中，通過(guò)電控或手動(dòng)同步觸發(fā)攝像機(jī)記錄高速運(yùn)動(dòng)體飛行過(guò)程圖像。測(cè)量結(jié)束后，將兩臺(tái)高速攝像機(jī)的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)傳遞到圖像處理工作站，并利用3D 圖像測(cè)量分析軟件分析判讀高速運(yùn)動(dòng)體在X、Y 兩個(gè)方向上的系列飛行位置并進(jìn)而分析得到高速運(yùn)動(dòng)體在某一特定飛行段的飛行數(shù)據(jù)（運(yùn)動(dòng)軌跡或射向散布數(shù)據(jù)）。測(cè)量流程如圖4 所示。

4 測(cè)量精度與誤差分析

4.1 測(cè)量精度

（1）位移測(cè)量精度

在不考慮系統(tǒng)誤差源對(duì)攝像機(jī)的影響下，位移測(cè)量精度主要取決于高速攝像機(jī)的分辨率，設(shè)置分辨率為1280×800，攝像機(jī)拍攝窗口橫向視場(chǎng)Lc=400mm，在不使用軟件技術(shù)提高測(cè)量精度的情況下，硬件的位移測(cè)量精度計(jì)算如下：

圖4 測(cè)量流程圖

即在拍攝視場(chǎng)橫向尺寸為400mm 的情況下，位移測(cè)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(shí)現(xiàn)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(gè)像素時(shí)，利用軟件結(jié)合硬件的測(cè)量精度，可以實(shí)現(xiàn)0.15mm 的位移測(cè)量精度。

（2）射向散布測(cè)量精度

在不考慮系統(tǒng)誤差源對(duì)攝像機(jī)的影響下，射向散布測(cè)量精度同樣主要取決攝像機(jī)的分辨率，根據(jù)位移測(cè)量精度的分析過(guò)程，可知在不不使用軟件技術(shù)提高測(cè)量精度的情況下，硬件對(duì)位置的定位精度為△d=0.3mm，目標(biāo)發(fā)射點(diǎn)距兩臺(tái)高速攝像機(jī)拍攝位置的距離為L(zhǎng)s=18000mm，射向角的測(cè)量由進(jìn)入和飛出兩幅畫面中目標(biāo)的位置連線和基準(zhǔn)線的位置確定，則射向散布的測(cè)量精度計(jì)算如下：

即角度的測(cè)量精度可達(dá)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(shí)現(xiàn)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(gè)像素時(shí)，利用軟件結(jié)合硬件的測(cè)量精度，可以實(shí)現(xiàn)0.017mrad 的測(cè)量精度。

4.2 系統(tǒng)誤差分析

誤差按其性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，其中對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度影響較大的為系統(tǒng)誤差，對(duì)光學(xué)圖像測(cè)量系統(tǒng)來(lái)講，系統(tǒng)誤差主要包括光學(xué)成像誤差、計(jì)算方法誤差及標(biāo)定誤差；隨機(jī)誤差主要來(lái)源有圖像噪聲干擾、光源閃爍影響等[7-8]。

對(duì)高速運(yùn)動(dòng)體飛行數(shù)據(jù)測(cè)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(dòng)、照明視場(chǎng)噪聲、標(biāo)定、圖像噪聲等。下面分別對(duì)這些誤差源進(jìn)行分析，并提出解決方法以滿足高精度測(cè)量的需求。

（1）熱電子噪聲：在CMOS（CCD）攝像機(jī)、A/D 轉(zhuǎn)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(chǎn)生熱電子噪聲。根據(jù)這種噪聲的特性可采用平滑濾波或多次測(cè)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(tài)圖像傳感器由離散的光敏像素組成，一個(gè)像元的輸出可能被在其區(qū)域光的特殊分布及落在相鄰像元光量所影響，響應(yīng)的不均勻性一般為1%，為了在測(cè)量中實(shí)現(xiàn)高精度，通過(guò)計(jì)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(jī)安裝所產(chǎn)生的徑向和切向誤差，該類誤差可由高精度標(biāo)定模板和優(yōu)化的軟件計(jì)算方法進(jìn)行鏡頭畸變標(biāo)定后克服，一般可將鏡頭畸變引起的測(cè)量誤差降低到0.3%～0.5%左右。

（4）溫度：溫度會(huì)影響CMOS（CCD）感光芯片的熱膨脹系數(shù)，一般攝像機(jī)的預(yù)熱漂移可達(dá)0.3個(gè)像素，為消除溫度的影響，首先必須在預(yù)熱以后再圖像采集，同時(shí)可采取保證環(huán)境溫度恒定的方法來(lái)消除溫度對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備的影響。

（5）振動(dòng)：可采用適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)隔離方法來(lái)減小隨機(jī)振動(dòng)，如將攝像機(jī)的各測(cè)量部件置于隔振平臺(tái)上，同時(shí)提高快門的拍攝速率也可以減少振動(dòng)所產(chǎn)生的影響。

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

（7）標(biāo)定：標(biāo)定誤差是測(cè)量系統(tǒng)誤差中最重要的部分，因此在標(biāo)定過(guò)程中應(yīng)盡量保證標(biāo)定板移動(dòng)后，標(biāo)定平面高度數(shù)據(jù)讀取的標(biāo)準(zhǔn)一致，標(biāo)志塊的邊緣以及靶標(biāo)點(diǎn)要保證清晰，以減少標(biāo)定的誤差。

（8）圖像噪聲：用濾波、平均值等方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，在解像的時(shí)候展開路徑繞過(guò)噪聲點(diǎn)，降低圖像噪聲對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響。通過(guò)低通濾波對(duì)條紋圖進(jìn)行處理以盡可能減小甚至消除高頻噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于雙目視覺的高速運(yùn)動(dòng)體飛行數(shù)據(jù)測(cè)量方法，通過(guò)非接觸式光學(xué)攝像被動(dòng)式測(cè)量技術(shù)及雙攝像機(jī)三維交會(huì)測(cè)量原理，用兩臺(tái)正交高速攝像機(jī)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)拍攝圖像，基于圖像處理技術(shù)，從多幅二維圖像中提取目標(biāo)的位移和多個(gè)目標(biāo)的射向散布偏差角等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)體飛行數(shù)據(jù)的測(cè)量。