一种弹丸单目视频位姿测量方法及靶标图案的制作方法
【专利摘要】本发明涉及针对弹丸的一种靶标图案，以及应用该图案的一种单目视频位姿测量方法。靶标图案为围绕弹丸外圆周表面的带状区域，沿弹轴方向等分为颜色间隔设置的6个子区域，在子区域的内部设置编码区域，每个子区域的4个顶点作为特征点。应用该靶标图案进行位姿测量，应使弹丸位于摄像机的视场中。为每个子区域设置唯一的三位二进制编码。根据编码识别子区域，再根据特征点在子区域上的位置识别特征点。解算所述弹丸位姿时，首先从摄像机的图像中确定特征点的图像坐标，然后结合对应特征点在弹丸坐标系的坐标值，通过坐标系变换并建立方程组，联合求解得到弹丸的位姿。本发明的方法简单适用范围广。
【专利说明】一种弹丸单目视频位姿测量方法及靶标图案【技术领域】
[0001]本发明涉及一种针对飞行目标的弹丸靶标图案，以及应用该弹丸靶标图案的一种弹丸的单目视频位姿测量方法。
【背景技术】
[0002]在炮弹弹丸的研制和试验过程中，经常需要获取弹丸的位姿参数，如弹丸的着陆姿态等。但弹丸上通常没有安装精密的位姿测量设备，因而弹丸的位姿测量就成为难题。
[0003]于起峰等的《用光测图像确定空间目标俯仰角和偏航角的中轴线法》(国防科技大学学报，2000年22卷(2):15-19页)，提出了中轴线法，该方法先利用弹丸轮廓特征拟合弹丸的中轴线方程，再根据中轴线方程求出弹丸的俯仰角及偏航角，但该方法无法获取弹丸的滚转角，同时由于采用的是双目视频测量方案，测量范围较小。通常，由于弹丸表面光滑、纹理单一，摄像机拍摄的弹丸图像不能提供足够特征信息来解算弹丸的六维位姿参数，因而需要在弹丸表面设计靶标图案。目前靶标图案通常设计在平面上，例如文献“基于平面目标跟踪的无人机三维位姿估计方法”提出的方案中，在地面上设计了多个黑白块特征的革巴标图案，实现无人机自主着陆，(参见:Iv' an F, 3D pose estimation based on planarobject tracking for UAVs control2010IEEE International Conference on Roboticsand Automation, Alaska, USA:IEEE,May, 2010:35-41 )? 赵锐的“基于单目视觉的物体位姿测量方法研究”，提出了采用发光体光标，利用单摄像机摄像实现了三维空间目标的位置和姿态测量(参见:基于单目视觉的物体位姿测量方法研究，合肥工业大学学位论文，2005)。而有关弹丸表面的靶标图案设计以及相关的测量方法还未见报道。
[0004]靶标图案的设计对弹丸位姿测量精度有显著影响，在弹丸的曲面上设计靶标图案主要存在3个难点:第一，弹丸为回转体，应确保在弹丸转动时摄像机始终能在靶标图案上拍摄到足够的特征点；第二，弹丸整体为一个立体曲面，靶标图案的设计应具有满足一定约束(如共面)的特征点；第三，应使靶标图案适应弹丸外形特征。
[0005]本发明的弹丸是指通常意义上的弹丸形状，即顶端大致呈锥形、中下端大致呈圆柱形、整体呈回转体结构且弹丸中部没有舵片的弹丸，这种结构在弹丸中最为常见。
[0006]对于单目位姿测量系统，根据胡占义等的《关于P4P问题的一点讨论》(参见《自动化学报》，2001年27卷(6) =770-776页)，若已知被测目标上4个共面的特征点的图像坐标可得到目标位姿参数的唯一解。因此需要保证摄像机能在弹丸的靶标图案中始终拍摄到4个共面的特征点。
【发明内容】
[0007]为了解决现有平面靶标无法适应弹丸曲面结构的问题，以及提高弹丸的位姿测量精度，本发明的目的是:在弹丸表面设计一种靶标图案，该靶标图案在摄像机的视场中有4个以上共面特征点，并提出与其相对应的弹丸单目视频位姿测量方法。
[0008]本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:[0009]一种弹丸的靶标图案，以及应用该图案的弹丸单目视频位姿测量方法。
[0010]弹丸上的靶标图案设置为围绕弹丸外圆周表面的带状区域，并沿弹轴方向等分为6个子区域；所述子区域设置为两种颜色且相邻子区域的颜色不同，所述的两种颜色与弹丸表面颜色有明显的对比度。
[0011]所述子区域的侧边与弹轴共面，所述子区域的上边和下边位于垂直于弹轴的截面圆上。
[0012]在所述子区域的内部设置面积较小的区域作为编码区域，所述编码区域的颜色与所在的子区域颜色有明显的对比度；编码区域的形状可以为方形或圆形，或者是其它易于识别的形状；且，相同颜色的子区域内部设置的编码区域数量不同；所述每个子区域的4个顶点作为靶标图案的特征点。
[0013]一种应用所述靶标图案的弹丸单目视频位姿测量方法，包括以下步骤:摄像机设置在可调整基座上，朝向要进行位姿测量的带有所述靶标图案的弹丸，并使得弹丸位于摄像机的视场中且摄像机光轴与弹轴的夹角在30°?150°范围内，摄像机能拍摄弹丸侧面；
[0014]摄像机的分辨率像素为640X480以上，视场角为25°?45° (相应的等效焦距为 43.5mm ?81.2mm);
[0015]所述弹丸的表面设置本发明的上述靶标图案，所述每个子区域的4个顶点作为靶标图案的特征点，使所述靶标图案在摄像机的视场中始终有4个以上共面特征点。
[0016]拍摄弹丸的图像，并将摄像机采集到的图像数据发送给处理器，解算弹丸的位姿参数；
[0017]根据本发明的靶标图案所述子区域的颜色及子区域内包含编码区域的数量，为每个子区域设置唯一的识别编码进行识别。
[0018]编码可以采用三位二进制编码，所述的三位二进制编码第一位代表子区域颜色，编码的第二位和第三位代表所述每个子区域内包含的编码区域的数量。根据所述的编码，例如三位二进制编码来识别子区域，再根据所述的特征点在所述子区域上的分布位置识别特征点。
[0019]解算所述弹丸位姿时，首先从摄像机的图像中提取并识别所述靶标图案的特征点的图像坐标，然后结合对应特征点在弹丸坐标系的坐标，进行坐标系变换并建立方程组，联合求解得到弹丸的相对位姿；
[0020]建立弹丸坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系，确定所述的特征点在弹丸坐标系中的坐标；提取所述特征点在图像坐标系中坐标，提取步骤如下:
[0021](I)采用背景差法检测出弹丸成像区域；
[0022](2)在弹丸成像区域，利用阈值法对靶标图案的图像进行分割，并对分割后的图像进行连通区域分析，将包含像素数量最多的连通区作为靶标图案的子区域，根据分割时采用的阈值及该连通区域内包含小连通区域数量来构造子区域编码，以识别该子区域；
[0023](3)提取该连通区域的轮廓，利用Hough变换法从子区域轮廓中提取子区域侧边上的点所形成的直线点，并拟合两条直线；从子区域轮廓中分离子区域上边和下边上的点所形成的曲线点，并拟合椭圆曲线，分别求直线与该椭圆曲线的交点，获得作为靶标图案特征点的子区域顶点在图像坐标系中的坐标；[0024](4)在识别子区域且获得特征点图像坐标后，根据所述的特征点在所述子区域上的分布位置识别特征点；
[0025]所述特征点在弹丸坐标系下的对应坐标为已知量，利用所述特征点在弹丸坐标系中的坐标和其对应的图像坐标系中的坐标，经坐标系变换解算出弹丸相对于摄像机的位姿。
[0026]由于靶标图案设计在弹丸的侧面上，所以安放摄像机时应保证摄像机能够拍摄到弹丸的侧面。如果在弹丸的位姿变化幅度较大的场景，例如经常弹丸出现翻转的状态时，则需要两套或者两套以上摄像机和相应的图像处理单元，分别组成两套或者两套以上单目视频测量系统，调整摄像机的位置和朝向，使其在弹丸姿态变化过程中至少有一个摄像机始终能够拍摄到弹丸侧面。
[0027]本发明的方法，相比于陀螺等传统的弹丸位姿测量方法具有不接触弹丸、测量误差不累积的优点。而且由于采用单目视频测量系统，相比于现有技术中的中轴线法系统结构更简单、测量范围大且能够测量出弹丸的滚转角。通过采用本发明的靶标图案，将弹丸的表面分成6个子区域，并且每个子区域内的特征点都满足共面性约束，克服了现有平面靶标无法适应弹丸曲面结构的不足。本发明的靶标图案能用于各种具有回转体结构的弹丸及导弹，不受弹丸口径或其它尺寸限制，适用范围很广。
[0028]以下结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行详细的描述后，本发明的其他特征和优点将会更加清楚地显现。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明的弹丸的单目视频位姿测量方法的系统构成示意图；
[0030]图2是本发明的单目弹丸成像模型示意图；
[0031]图3是本发明的弹丸截面单目成像模型示意图；
[0032]图4是本发明的弹丸子区域划分示意图；
[0033]图5是本发明的弹丸特征点共面设计示意图；
[0034]图6是本发明的靶标图案的特征点分布及子扇区编码设计图；
[0035]图7是本发明的靶标图案结构图；
[0036]图8是本发明的弹丸的轴线与摄像机光轴夹角为30°时的靶标图案；
[0037]图9是本发明的弹丸单目视频位姿测量系统的各个坐标系定义；
[0038]图10是本发明的标准坐标系变换图；
[0039]图11是本发明的理想坐标系变换图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和一个典型的【具体实施方式】，对本发明弹丸的靶标图案的技术方案，以及一种弹丸的单目视频位姿测量方法进行详细说明。
[0041]参见图6，7，8所示，一种弹丸的靶标图案，设计为围绕弹丸的外圆周表面的带状区域，并且所述的靶标图案沿弹轴方向等分为6个子区域5 ;相邻的子区域的颜色间隔设置为两种颜色，所述的两种颜色与弹丸表面颜色有明显的对比度。靶标图案位于弹丸外表面，且尽量设置在弹丸横截面中直径较大的部分。[0042]弹丸的6个子区域5分别设置为与弹丸本身的表面颜色对比度明显的另外两种颜色。参见图7所示，由于本【具体实施方式】中的弹丸为灰色，选用黑色和白色来设计靶标图案。也可以根据具体情况，使用红色、黑色或者蓝色等颜色。
[0043]子区域的侧边8与弹轴共面，子区域的上边9和下边10位于垂直于弹轴的截面圆上。
[0044]为识别各个子区域5，在相同颜色的子区域内部设置O?2个编码区域7。编码区域7为面积较小的区域，与子区域5颜色有明显的对比度。本【具体实施方式】中，在黑色子区域中的编码区域选用白色，白色子区域中的编码区域选用黑色。
[0045]编码区域7的形状可以为方形或圆形，也可以采用其它易于识别的形状。
[0046]结合编码区域7的数量及所在子区域5的颜色给每个子区域5设计唯一的三位二进制编码。靶标图案的特征点6为子区域的4个顶点。
[0047]所述子区域的侧边与弹轴共面，所述子区域的上边和下边位于垂直于弹轴的截面圆上。
[0048]在所述子区域的内部设置面积较小的区域作为编码区域，所述编码区域的颜色与所在的子区域颜色有明显的对比度；编码区域的形状可以为方形或圆形，或者是其它易于识别的形状；所述相同颜色的子区域内部设置的编码区域数量不同，本实施例中的编码区域数量为O?2个。
[0049]所述子区域的4个顶点作为靶标图案的特征点。
[0050]参见图1所示，是本发明的应用上述靶标图案的弹丸单目视频位姿测量方法的系统构成不意图。包括摄像机I和具有上述祀标图案的弹丸3,摄像机I设置在可调基座2上。调整基座，使摄像机I朝向弹丸3，所述的弹丸3位于摄像机I的视场中。由摄像机采集到的图像数据发送到处理器中解算弹丸的位姿参数。
[0051]所述摄像机的分辨率像素为768X576，视场角为30°，等效焦距为67.2mm。
[0052]首先详细描述如何解决靶标图案的局部遮挡问题。
[0053]在弹丸位姿变化过程中，摄像机只能拍摄到弹丸部分表面。为保证靶标图案成像中始终有足够的特征信息，用靶标图案将弹丸表面划分成一定数量的子区域，使弹丸在运动过程中至少有一个完整的子区域能被摄像机拍摄到；再在每个子区域内设计一定数量的特征点，就可以保证靶标图案的成像中始终有足够的特征信息。结合图2，详细描述划分子区域的过程。
[0054]参见图2建立弹丸单目成像模型，分析子区域划分数量。Θ表示摄像机光轴οεζ。与弹丸轴线间的夹角，15表示弹丸长度，I1表示弹丸的成像长度。用I/表示弹丸在图像平面4的投影长度，它们之间关系为:
[0055]I' P=IpSinej1Ocip'⑴
[0056]当Θ e (O, 30° ) U (150。，180。)时，Ip'〈0.51p，I1 也小于它在 Θ =90。时长度的一半，此时弹丸成像的形变量较大，设计在弹丸表面的靶标图案成像形变也较大，导致特征点无法提取。因此仅针对Θ e [30° ,150° ]范围内设计标记，使标记在Θ的这个范围内结构清晰。(这个范围内祀标图案成像形变相对较小)。
[0057]在图2中用面横切弹丸，得到的弹丸截面近似为椭圆形。参见图3，建立该弹丸横截面的单目视觉模型。[0058]L表示摄像机光心O。到椭圆圆心O。的距离；C点为摄像机光轴oez。与椭圆的交点，弧线fg、
【权利要求】
1.一种弹丸靶标图案，其特征在于，靶标图案设置为围绕弹丸外圆周表面的带状区域，并沿弹轴方向等分为6个子区域；所述子区域设置为两种颜色且相邻子区域的颜色不同，所述的两种颜色与弹丸表面颜色均有明显对比度； 所述子区域的侧边与弹轴共面，所述子区域的上边和下边位于垂直于弹轴的截面圆上； 所述子区域的内部设置面积较小的区域作为编码区域，所述编码区域的颜色与其所在的子区域颜色有明显的对比度；所述编码区域的形状可以为方形或圆形，或者是其它易于识别的形状； 且，相同颜色的子区域内部设置的编码区域数量不同； 所述每个子区域的4个顶点作为靶标图案的特征点。
2.根据权利要求1所述的弹丸靶标图案，其特征在于，所述子区域和编码区域的颜色分别采用黑色和白色；所述每个子区域内的编码区域的数量为O~2个。
3.一种应用权利要求1或2所述的靶标图案的弹丸单目视频位姿测量方法，其特征在于包括以下步骤: 摄像机设置在可调整基座上，使摄像机朝向带有所述靶标图案的弹丸且使摄像机光轴与弹轴的夹角在30°~150°沮围内，摄像机能拍摄到弹丸侧面且能在所述祀标图案上拍摄到4个以上共面特征点； 所述摄像机的分辨率像素为640X480以上，视场角为25°~45° ; 所述摄像机拍摄弹丸的图像，并将摄像机采集到的图像数据发送给处理器，用于解算弹丸的位姿参数； 根据所述靶标图案的子区域的颜色、子区域内包含编码区域的数量，为所述每个子区域设置唯一的识别编码； 根据所述的编码来识别子区域，再根据所述的特征点在所述子区域上的分布位置识别特征点； 解算所述弹丸位姿时，首先从摄像机的图像中提取并识别所述靶标图案的特征点的图像坐标，然后结合对应特征点在弹丸坐标系的坐标，进行坐标系变换并建立方程组，联合求解得到弹丸的相对位姿； 建立弹丸坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系，确定所述的特征点在弹丸坐标系中的坐标；提取所述特征点在图像坐标系中坐标，提取步骤如下: (1)采用背景差法检测出弹丸成像区域； (2)在弹丸成像区域，利用阈值法对靶标图案的图像进行分割，并对分割后的图像进行连通区域分析，将包含像素数量最多的连通区作为靶标图案的子区域，根据分割时采用的阈值及该连通区域内包含小连通区域数量来构造子区域编码，以识别该子区域； (3)提取该连通区域的轮廓，利用Hough变换法从子区域轮廓中提取子区域侧边上的点所形成的直线点，并拟合两条直线；从子区域轮廓中分离子区域上边和下边上的点所形成的曲线点，并拟合椭圆曲线，分别求直线与该椭圆曲线的交点，获得作为靶标图案特征点的子区域顶点在图像坐标系中的坐标； (4)在识别子区域且获得特征点图像坐标后，根据所述的特征点在所述子区域上的分布位置识别特征点；所述特征点在弹丸坐标系下的对应坐标为已知量，利用所述特征点在弹丸坐标系中的坐标和其对应的图像坐标系中的坐标，经坐标系变换解算出弹丸相对于摄像机的位姿。
4.根据权利要求3所述的弹丸单目视频位姿测量方法，其特征在于，为所述每个子区域设置唯一的三位二进制编码；所述的三位二进制编码第一位代表子区域颜色，第二位和第三位代表所述每个子区域内包含的编码区域的数量。
5.根据权利要求3或4所述的弹丸单目视频位姿测量方法，其特征在于，在弹丸的位姿变化幅度较大的场合，设置两套或者两套以上的摄像机和相应的图像处理单元，分别组成两套或者两套以上单目视频测量系统；并调整摄像机的位置和朝向，使其在弹丸姿态变化过程中至少有一个摄 像机能拍摄到弹丸侧面。
【文档编号】G01C11/36GK103512559SQ201310464872
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】谌德荣, 李蒙, 王长元, 宫久路, 周广铭, 蒋玉萍, 高翔霄, 杨晓乐 申请人:北京理工大学, 北京宇航系统工程研究所