多維立體化高速攝影測量系統(tǒng)實(shí)時精準(zhǔn)控制技術(shù)

李寧寧，陳海洋，馮 曼，陳 貝

（中國飛行試驗(yàn)研究院 技術(shù)中心測試所，陜西 西安 710089）

引言

在飛行試驗(yàn)中，通常采用單臺或者2 臺高速像機(jī)進(jìn)行攝影測量以計算目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)[1]，且拍攝目標(biāo)、圖像獲取設(shè)備與工作人員在同一空間下，工作人員通過近距離操作即可完成高速像機(jī)的控制。在某型機(jī)的科研試飛過程中，由于空間限制，工作人員無法通過直視方式獲取影像，且需要在同一空間不同時間段獲取該型機(jī)多目標(biāo)起飛著陸段高精度位移、速度、軌跡等試飛數(shù)據(jù)，因此在跑道兩側(cè)以及平臺高處布設(shè)了多臺不同類型高速攝影測量像機(jī)以及監(jiān)控像機(jī)，通過分布式網(wǎng)絡(luò)完成實(shí)時監(jiān)控以及事后數(shù)據(jù)分析，為飛機(jī)設(shè)計定型及飛行員培訓(xùn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 多維立體化高速攝影測量系統(tǒng)

多維立體化攝影測量系統(tǒng)[2]以高速攝影測量系統(tǒng)為主，遙測傳輸系統(tǒng)[3]、分布式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)[4]、機(jī)載測試系統(tǒng)等為輔。其中高速攝影測量系統(tǒng)主

要由攝像機(jī)控制及參數(shù)加載單元、影像獲取單元、影像數(shù)據(jù)卸載單元、高速攝影測量圖像與數(shù)據(jù)分析解算單元、高速影像壓縮存儲單元5 大部分組成，如圖1所示。

圖1 高速攝影測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of high-speed photogrammetry system

測量坐標(biāo)系歸一化及多攝站融合處理[5]單元完成不同數(shù)據(jù)源的時域統(tǒng)一與空間坐標(biāo)歸一[6]；高速攝影測量圖像及數(shù)據(jù)分析解算單元[7]采用攝影測量算法以及數(shù)據(jù)處理方法[8]實(shí)現(xiàn)課題需求的圖像解析。

為了確保大范圍內(nèi)的高精度測量，采用8 臺高速攝像機(jī)進(jìn)行接力拍攝，并保證銜接部分具有足夠的重疊區(qū)[9]。如圖2所示是8 臺高速攝影測量站點(diǎn)分布圖，其中A01～A07 完成平臺與飛機(jī)接觸面的影像獲取，A02 分別與A01、A03 具有60度夾角的交匯區(qū)，A04 分別與A03、A05 具有60 度夾角的交匯區(qū)，B01 完成中層空間的模擬視頻獲取[10]，其采用短焦距、拼接靶面實(shí)現(xiàn)大范圍視場覆蓋。

圖2 多維立體化高速攝影測量站點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution diagram of multidimensional and stereoscopic high-speed photogrammetry stations

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 基于遙測實(shí)時多源信息的高速像機(jī)智能控制

2.1.1 影像獲取設(shè)備的工作模式

飛行試驗(yàn)中采用具有觸發(fā)功能的高速像機(jī)，在正式開始任務(wù)之前，根據(jù)任務(wù)的具體特點(diǎn)（包括飛行速度、拍攝視場等）設(shè)置像機(jī)的觸發(fā)點(diǎn)[11]。如圖3所示，在觸發(fā)點(diǎn)之前內(nèi)存會以隊(duì)列的方式循環(huán)更新，之后繼續(xù)沿著時間軸進(jìn)行存儲，保證像機(jī)存儲的視頻圖像連續(xù)完整。

圖3 高速像機(jī)工作模式Fig.3 Working mode of high-speed camera

2.1.2 無關(guān)聯(lián)信號的觸發(fā)判據(jù)研究

2.2 像機(jī)誤觸發(fā)研究

高速像機(jī)觸發(fā)后，工作站每秒提取5 幀視頻進(jìn)行圖像處理，計算每幀圖像灰度值H以及清晰度P。H的計算方法為從高速像機(jī)的視頻流中獲取單幀圖像后，提取每個像素的RGB 數(shù)據(jù)，計算每個像素的灰度值，并疊加。其中灰度計算如（2）式。

設(shè)置f(x,y)為像素坐標(biāo)(x,y)處的灰度值，通過（3）式中計算圖像的清晰度。

將順序得到的第1 幀與第2 幀灰度值H進(jìn)行相減得到ΔH,同樣的方式得到 ΔP。依次計算10 幀圖片，設(shè)置門限值，ΔH累計值超出門限值時輸出標(biāo)志量A，ΔP累計值超出門限值時輸出標(biāo)志量B，同時出現(xiàn)標(biāo)志量A 和標(biāo)志量B 后，告警信號觸發(fā)，提醒工作人員進(jìn)行補(bǔ)償操作。

2.3 基于組播的高速像機(jī)測試影像遠(yuǎn)程智能卸載技術(shù)

將8 臺攝像機(jī)與相應(yīng)的分控計算機(jī)通過交換機(jī)組網(wǎng)連接[13]，如圖4所示。其中高速攝像機(jī)1 至8 通過千兆網(wǎng)絡(luò)輸出端口與交換機(jī)連接，分控計算機(jī)1 至8 通過千兆網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口卡也與交換機(jī)連接，同時將主控計算機(jī)、大容量高速磁盤陣列（容量12 T）通過千兆網(wǎng)接口接入千兆網(wǎng)交換機(jī)，搭建完成系統(tǒng)鏈路[14]。

圖4 系統(tǒng)連接圖Fig.4 System connection diagram

高速攝像機(jī)陣地拍攝完成后，操作人員根據(jù)拍攝時長、有效圖像幀數(shù)與存放的內(nèi)存位置填寫相應(yīng)軟件的指令網(wǎng)絡(luò)包，并通過組播模式在主控網(wǎng)中進(jìn)行發(fā)布。各臺分控計算機(jī)通過主控網(wǎng)組播模式接收到該指令網(wǎng)絡(luò)包，以事前規(guī)定好的格式提取其中的拍攝時長、有效圖像幀數(shù)與存放位置，并考慮各臺站點(diǎn)位置、角度、幀數(shù)區(qū)別，計算出自身的下載指令，并執(zhí)行指令。下載數(shù)據(jù)直接從IP 地址下載至磁盤陣列[15]。利用組播技術(shù)，完成高速像機(jī)測試影像遠(yuǎn)程智能卸載，使8 臺高速像機(jī)在完成觸發(fā)拍攝任務(wù)后，不經(jīng)過人為干預(yù)，自動將視頻數(shù)據(jù)下載到8 臺不同的工作站中。

3 應(yīng)用效果

本文研究的多維立體化高速攝影測量系統(tǒng)實(shí)時精準(zhǔn)控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于某型機(jī)飛行試驗(yàn)試飛定型中。最終實(shí)現(xiàn)了8 臺高速像機(jī)的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制，在起飛著陸高頻工作狀態(tài)的情況下，可實(shí)時完成跑道中線方向以理想著陸點(diǎn)為原點(diǎn)，-51 m～145 m范圍的測量，（-51 m～24 m）段高度測量范圍為0～8 m，（24 m～145 m）段高度測量范圍為0 ～5 m；偏心測量范圍-5 m～5 m（以跑道中線為零點(diǎn)）。空間測量精度：航向測量誤差＜0.1 m；高度測量誤差＜0.05 m；偏心距測量誤差＜0.15 m。如圖5（a）所示是（-30 m，30 m）下滑線上實(shí)現(xiàn)某特征局部位置的高值，其中豎直線指示飛機(jī)著陸的理想?yún)^(qū)域。圖5（b）所示是主輪著陸階段30 架飛機(jī)著陸點(diǎn)位置以及相應(yīng)的偏心距離。圖5（c）為30 架飛機(jī)右輪落點(diǎn)位置以及相應(yīng)的偏心距離，圖5（d）為30 架飛機(jī)右輪脫離平臺位置以及相應(yīng)的偏心距離，飛行期間誤觸發(fā)率降低至0.76%。

圖5 多維立體化高速攝影測量系統(tǒng)實(shí)測結(jié)果Fig.5 Measured results of multidimensional and stereoscopic high-speed photogrammetry system

4 結(jié)論

本文研究了多維立體化高速攝影測量系統(tǒng)實(shí)時精準(zhǔn)控制技術(shù)，首次設(shè)計并搭建了以高速攝影測量系統(tǒng)為主，遙測傳輸系統(tǒng)、分布式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、機(jī)載測試系統(tǒng)等為輔的多維立體化攝影測量系統(tǒng)?；跓o線有線雙模式結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)載、動平臺等多源信息的獲取，通過分析研究高速像機(jī)的工作模式，設(shè)計了無關(guān)聯(lián)信號的觸發(fā)判據(jù)算法，并通過圖像處理的方法解決了像機(jī)誤觸發(fā)問題，誤觸發(fā)率降低至0.76%，大大降低了像機(jī)誤觸發(fā)概率，基于分布式組網(wǎng)完成了8 臺高速像機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時控制與海量數(shù)據(jù)的實(shí)時卸載，實(shí)現(xiàn)高速攝影測量系統(tǒng)的智能化，高效完成了某型機(jī)動平臺高速攝影測量的實(shí)時精準(zhǔn)控制。