一种对点目标进行跟踪测量的系统及方法与流程

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种对点目标进行跟踪测量的系统及方法。

背景技术：

点目标一般具有以下特征：图像尺寸小，只包含一个或几个像素，基本不携带目标形状和图案信息。通常，当物体成像距离较远，或者实际关注的成像目标只是物体上的特征点时，均可以将物体作为点目标进行处理。

针对点目标，一般无法获得其形状轮廓和表面纹理等特征，主要关注的是点目标在观察视场投影面上的存在性、点目标的位置坐标和运动轨迹等，亦即，在观察视场投影面上，观察点目标是否存在，点目标相对于观察平台的位置以及点目标在观察视场投影面上的实际运动轨迹等。基于此，如果不关注物体的轮廓和表面特征，只关注物体的运动轨迹时，就可以将物体作为点目标进行观测处理，例如：军事中观察远处的飞机、红外谱段上的坦克等，由于此类目标自身运动速度极快，且距离观察平台的距离较远，通常不会关注其自身的轮廓或表面特征，只会对其运动情况进行跟踪测量，此种情况下，就可以将飞机和坦克作为点目标进行跟踪测量；在工业领域和科学实验中，可以通过在被测对象上贴标志点的方法，将被测对象转换为点目标，通过对点目标(标志点)的运动和姿态变化的跟踪测量，实现对被测对象的跟踪测量。

现有技术中，通常采用圆透镜和面阵相机对点目标在观察视场投影面上的运动轨迹进行成像记录，通过分析图像进行点目标的跟踪测量，但现有的面阵相机的分辨率和帧频通常较低。目前常见面阵相机帧频通常在10Hz～50Hz，面阵行列像元数小于2048pixel。更高的像元数的面阵相机帧频更低，价格也非常昂贵。对于速度较快的点目标，用其进行测量跟踪时，速度指标和精确度指标均无法满足实际测量需求。

所以，现有的对点目标进行跟踪测量的系统，对于速度较快的点目标在观察视场投影面上的运动轨迹的跟踪和测量，速度指标和精度指标均无法满足实际测量需求，适用性较差。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种对点目标进行跟踪测量的系统及方法，以解决现有的对点目标进行跟踪测量的系统，对于速度较快的点目标在观察视场投影面上的运动轨迹的跟踪和测量，速度指标和精度指标均无法满足实际测量需求，适用性较差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种对点目标进行跟踪测量的系统，该系统包括：两个成像单元和图像处理装置；每个所述成像单元包括一个柱透镜和一个线阵相机，每个所述成像单元的线阵相机与所述图像处理装置通过信号传输线相连接；每个所述成像单元中，其线阵相机的像元排列方向垂直于其柱透镜的母轴，点目标经过该柱透镜成像后形成光条纹，该光条纹与该线阵相机的像元排列方向垂直，该线阵相机用于在点目标于观察视场投影面上运动的过程中实时拍摄该光条纹；所述两个成像单元的柱透镜的母轴相互垂直且位于同一平面上；所述两个成像单元的柱透镜的成像光轴相互平行，均指向所述点目标；所述图像处理装置用于在所述点目标于所述观察视场投影面上运动的过程中，以预设频率为检测频率，检测每个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值以及每个拍摄到相应光条纹的像元的拍摄时间，并根据所述像素坐标值和所述拍摄时间合成所述点目标在所述观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述两个成像单元相同。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述预设频率的最小值为0，所述预设频率的最大值为所述线阵相机的行频。

结合第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式和第一方面的第二种可能的实现方式中的任意一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述图像处理装置用于在所述点目标于所述观察视场投影面上运动的过程中，以预设频率为检测频率，检测每个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值以及每个拍摄到相应光条纹的像元的拍摄时间之前，还用于：建立测量坐标系O-uvw，所述测量坐标系的坐标原点O设置于两个柱透镜的成像光心之间，所述测量坐标系的u轴和v轴确定的平面u-v平面与两个柱透镜的母轴确定的平面重合，所述测量坐标系的u轴和v轴与每个柱透镜的母轴的夹角均为45°，所述测量坐标系的w轴指向所述点目标。

结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述图像处理装置用于根据所述像素坐标值和所述拍摄时间合成所述点目标在所述观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线，具体包括：所述图像处理装置用于执行下述操作：根据所述像素坐标值和所述拍摄时间，按照下述公式确定所述点目标在每一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移；其中，u表示所述测量坐标系的u轴的坐标变量，v表示所述测量坐标系的v轴的坐标变量，du表示所述点目标在任一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移沿所述测量坐标系的u轴方向的分量，dv表示所述点目标在该拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移沿所述测量坐标系的v轴方向的分量，S表示点目标至所述测量坐标系的坐标原点的距离，f表示每个柱透镜的焦距，a_C表示每个线阵相机的传感器的像元的分辨率，n_L1，n_R1表示所述点目标在起始位置时两个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值，n_L2，n_R2表示所述点目标在该拍摄时间对应的位置时两个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值；根据所述拍摄时间与所述点目标在每一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移合成所述点目标在所述观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线。

第二方面，本发明实施例提供了一种采用第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式中的系统对点目标进行跟踪测量的方法，该方法包括：点目标在观察视场投影面上运动的过程中，采用所述系统的两个线阵相机实时拍摄点目标经所述系统的相应柱透镜成像后形成的光条纹；采用所述系统的图像处理装置以预设频率为检测频率，检测每个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值以及每个拍摄到相应光条纹的像元的拍摄时间，并根据所述像素坐标值和所述拍摄时间合成所述点目标在所述观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，采用所述系统的图像处理装置以预设频率为检测频率，检测每个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值以及每个拍摄到相应光条纹的像元的拍摄时间之前，该方法还包括：采用所述系统的图像处理装置建立测量坐标系O-uvw，所述测量坐标系的坐标原点O设置于两个柱透镜的成像光心之间，所述测量坐标系的u轴和v轴确定的平面u-v平面与两个柱透镜的母轴确定的平面重合，所述测量坐标系的u轴和v轴与每个柱透镜的母轴的夹角均为45°，所述测量坐标系的w轴指向所述点目标。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，根据所述像素坐标值和所述拍摄时间合成所述点目标在所述观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线的过程，具体包括：根据所述像素坐标值和所述拍摄时间，按照下述公式确定所述点目标在每一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移；其中，u表示所述测量坐标系的u轴的坐标变量，v表示所述测量坐标系的v轴的坐标变量，du表示所述点目标在任一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移沿所述测量坐标系的u轴方向的分量，dv表示所述点目标在该拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移沿所述测量坐标系的v轴方向的分量，S表示点目标至所述测量坐标系的坐标原点的距离，f表示所述系统的每个柱透镜的焦距，a_C表示所述系统的每个线阵相机的传感器的像元的分辨率，n_L1，n_R1表示所述点目标在起始位置时两个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值，n_L2，n_R2表示所述点目标在该拍摄时间对应的位置时两个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值；根据所述拍摄时间与所述点目标在每一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移合成所述点目标在所述观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线。

结合第二方面的第二种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述预设频率的最小值为0，所述预设频率的最大值为所述系统的线阵相机的行频。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本发明提供了一种对点目标进行跟踪测量的系统及方法，该系统中，设置有两个成像单元，每个成像单元包括一个柱透镜和一个线阵相机。这两个成像单元的柱透镜的母轴的延伸方向相互垂直，点目标经过这两个成像单元的柱透镜成像后分别形成一条光条纹，这两个成像单元中的线阵相机分别用于对各自成像单元中的光条纹进行实时拍摄，图像处理装置与这两个线阵相机通过信号传输线相连接，并且用于记录两个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值和拍摄时间。点目标在观察视场投影面上的运动，可以分解为两个相互垂直方向的分运动，这样，可以采用该系统的两个成像单元分别对点目标的两个分运动进行测量，从而实现对点目标的运动轨迹的跟踪测量，并且，对于高速运动的点目标，线阵相机亦可精确拍摄到相应的光条纹，从而实现对其运动轨迹的精确跟踪测量，适用性更好。

本发明实施例应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种对点目标进行跟踪测量的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种采用上述对点目标进行跟踪测量的系统对点目标进行跟踪测量的方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种对点目标进行跟踪测量的系统及方法，该系统中设置有两个成像单元，每个成像单元包括一个柱透镜和一个线阵相机，可以将点目标在观察视场投影面上的运动分解为两个相互垂直的方向上的分运动，之后采用该系统的两个成像单元分别对两个分运动进行跟踪拍摄，从而实现对点目标的运动轨迹的跟踪测量，而且，由于线阵相机的拍摄频率较高，对于运动速度较高的点目标，亦可采用该系统对其运动轨迹进行精确的跟踪测量。

下面结合附图，详细介绍本发明的具体实施例。

如图1所示，图1示出的是本发明实施例提供的一种对点目标进行跟踪测量的系统的结构示意图，该系统包括：

两个成像单元和图像处理装置(图中未示出)；

每个所述成像单元包括一个柱透镜1和一个线阵相机2，每个所述成像单元的线阵相机2与所述图像处理装置通过信号传输线相连接；

每个所述成像单元中，其线阵相机2的像元排列方向垂直于其柱透镜1的母轴，点目标3经过该柱透镜1成像后形成光条纹4，该光条纹4与该线阵相机2的像元排列方向垂直，该线阵相机2用于在点目标3于观察视场投影面上运动的过程中实时拍摄该光条纹4；

所述两个成像单元的柱透镜1的母轴相互垂直，且两个柱透镜的母轴位于同一平面上；

所述两个成像单元的柱透镜1的成像光轴相互平行，均指向所述点目标3；

所述图像处理装置用于在所述点目标3于所述观察视场投影面上运动的过程中，以预设频率为检测频率，检测每个线阵相机2中拍摄到相应光条纹4的像元的像素坐标值(本文中，将每个线阵相机中任意一个像元沿该线阵相机的像元排列方向，在该线阵相机中所占据的像素位置定义为该像元在该线阵相机中的像素坐标值)以及每个拍摄到相应光条纹4的像元的拍摄时间，并根据所述像素坐标值和所述拍摄时间合成所述点目标3在所述观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线。该系统由于应用两相互垂直的柱透镜1将点目标3的位置和运动分解为两正交方向，并在对应的线阵相机2上成像，能够以更高的采样频率和更高的分辨率对点目标3进行定位和跟踪测量，适用性更好。

通常，点目标经过某个柱透镜成像后，会在该柱透镜的象平面上成像为一条直线光条纹，而对于点目标在观察视场投影面上的二维运动，通常可以分解为两个相互垂直的方向上的分运动，这两个方向可以随意选取，例如，将其中一个方向选为与该柱透镜的母轴垂直的方向，将另一个方向选为该柱透镜的母轴的延伸方向，点目标在观察视场投影面上运动时，沿与该柱透镜的母轴垂直的方向的分运动对应为该柱透镜的象平面上的光条纹的平移，在该柱透镜的象平面上放置一个线阵相机，且该线阵相机的像元排列方向(本文中，将线阵相机的传感器的像元的排列长度方向定义为该线阵相机的像元排列方向)与该柱透镜的母轴垂直时，光条纹的平移可以被该线阵相机检测到。参照前述，采用另一个母轴与前述柱透镜的母轴垂直的柱透镜，以及另一个像元排列方向与前述线阵相机的像元排列方向垂直的线阵相机，则可以检测到点目标沿前述柱透镜的母轴的延伸方向的分运动，之后，综合两个线阵相机的信息，就可以合成点目标在观察视场投影面上运动的运动轨迹。基于上述原理，本发明实施例提出了上述对点目标进行跟踪测量的系统。

其中，该系统的两个成像单元可以相同，即两个柱透镜1相同，两个线阵相机2也相同，同样，该系统的两个成像单元也可以不同。通常，为了使用过程中检测和计算更加方便，会将该系统的两个成像单元设置为相同的状态。而对于某些特殊的应用场景，例如，点目标3在观察视场投影面上运动时，对于两个运动方向的测量精度要求不同时，通常会将该系统的两个成像单元设置为不同的状态。对于每个成像单元中的柱透镜1，可以选择截面为圆形的柱透镜，也可以选择截面为半圆形的柱透镜。

预设频率预先存储于系统的图像处理装置中，用户可以根据自己的测量需要随意进行设定，预设频率的最小值可以设定为0，预设频率的最大值可以设定为线阵相机2的行频，用户在具体应用中，如果需要较高的测量精度和测量频率，可以将预设频率的值设置为相对大一些的值，例如可以将预设频率的值设置为线阵相机2的行频，同样，如果测量精度的要求较低的话，可以将预设频率的值设置为相对小一些的值，例如可以将预设频率的值设置为比线阵相机2的行频低一个或两个数量级的某一个值。

在具体实施时，对该系统的图像处理装置进行设置时，该图像处理装置用于在所述点目标3于所述观察视场投影面上运动的过程中，以预设频率为检测频率，检测每个线阵相机2中拍摄到相应光条纹4的像元的像素坐标值以及每个拍摄到相应光条纹4的像元的拍摄时间之前，还用于：建立测量坐标系O-uvw，所述测量坐标系O-uvw的坐标原点O设置于两个柱透镜1的成像光心之间，例如，将所述测量坐标系O-uvw的坐标原点O设置于两个柱透镜1的成像光心的连线正中，所述测量坐标系O-uvw的u轴和v轴确定的平面u-v平面与两个柱透镜1的母轴确定的平面重合，所述测量坐标系O-uvw的u轴和v轴与每个柱透镜1的母轴之间具有一定的夹角，在具体实施时，该夹角可以在0°～90°的范围内随意设置，但不可以设置为0°，也不可以设置为90°，通常为了测量和计算都更加简单，将所述测量坐标系O-uvw的u轴和v轴与每个柱透镜1的母轴之间的夹角均设置为45°，所述测量坐标系的w轴指向所述点目标3。

图像处理装置用于根据像素坐标值和拍摄时间合成点目标3在观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线，具体包括：该图像处理装置用于执行下述操作：根据所述像素坐标值和所述拍摄时间，按照下述公式确定所述点目标3在每一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移；其中，u表示所述测量坐标系O-uvw的u轴的坐标变量，v表示所述测量坐标系O-uvw的v轴的坐标变量，du表示所述点目标3在任一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移沿所述测量坐标系O-uvw的u轴方向的分量，dv表示所述点目标3在该拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移沿所述测量坐标系O-uvw的v轴方向的分量，S表示点目标3至所述测量坐标系O-uvw的坐标原点O的距离，f表示每个柱透镜1的焦距，a_C表示每个线阵相机2的传感器的像元的分辨率，n_L1，n_R1表示所述点目标3在起始位置时两个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值，n_L2，n_R2表示所述点目标3在该拍摄时间对应的位置时两个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值；根据所述拍摄时间与所述点目标3在每一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移合成所述点目标3在所述观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线。

本发明实施例提供的对点目标进行跟踪测量的系统中，设置有两个成像单元和与这两个成像单元通过信号传输线相连接的图像处理装置，其中，每个成像单元包括一个柱透镜和一个线阵相机，点目标经过该柱透镜后成像为一条光条纹，采用该线阵相机可以对该光条纹进行拍摄，将两个成像单元分别布置于两个相互垂直的方向上，可以对点目标在观察视场投影面上的二维运动在这两个方向上的分运动进行跟踪测量，并采用图像处理装置合成点目标在观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线，从而实现对点目标在观察视场投影面上的二维运动的跟踪测量，该系统的线阵相机的拍摄频率较高，对于运动速度较快的点目标在运动中通过柱透镜成像形成的光条纹也可以清楚拍摄到，实现对高速度点目标的运动的高精度跟踪测量，适用性更好。

如图2所示，图2示出的是本发明实施例提供的一种采用上述对点目标进行跟踪测量的系统对点目标进行跟踪测量的方法的流程示意图，该方法包括：

步骤101、点目标在观察视场投影面上运动的过程中，采用所述系统的两个线阵相机实时拍摄点目标经所述系统的相应柱透镜成像后形成的光条纹。

点目标在观察视场投影面上运动的过程中，点目标经过系统的两个柱透镜成像后形成的光条纹会随着点目标的运动而发生移动，采用系统相应的线阵相机对相应的光条纹进行拍摄时，点目标运动至不同的位置，每个线阵相机拍摄到相应光条纹的像元会发生变化，因此，通过系统的两个线阵相机实时拍摄点目标经该系统的相应柱透镜成像后形成的光条纹，并记录每个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的位置可以了解到点目标的运动轨迹。

步骤102、采用所述系统的图像处理装置以预设频率为检测频率，检测每个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值以及每个拍摄到相应光条纹的像元的拍摄时间，并根据所述像素坐标值和所述拍摄时间合成所述点目标在所述观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线。

通常，对点目标进行跟踪测量时，会建立一个测量坐标系，作为测量点目标的运动的参考标准。因此，采用所述系统的图像处理装置以预设频率为检测频率，检测每个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值以及每个拍摄到相应光条纹的像元的拍摄时间之前，该方法还包括：采用所述系统的图像处理装置建立测量坐标系O-uvw，所述测量坐标系O-uvw的坐标原点O设置于两个柱透镜的成像光心之间，例如，将所述测量坐标系O-uvw的坐标原点O设置于两个柱透镜的成像光心的连线正中，所述测量坐标系O-uvw的u轴和v轴确定的平面u-v平面与两个柱透镜的母轴确定的平面重合，所述测量坐标系O-uvw的u轴和v轴与每个柱透镜的母轴的夹角均为45°，所述测量坐标系O-uvw的w轴指向所述点目标。

进一步，根据像素坐标值和拍摄时间合成点目标在观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线的过程，具体包括：根据所述像素坐标值和所述拍摄时间，按照下述公式确定所述点目标在每一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移；其中，u表示所述测量坐标系O-uvw的u轴的坐标变量，v表示所述测量坐标系O-uvw的v轴的坐标变量，du表示所述点目标在任一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移沿所述测量坐标系O-uvw的u轴方向的分量，dv表示所述点目标在该拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移沿所述测量坐标系O-uvw的v轴方向的分量，S表示点目标至所述测量坐标系O-uvw的坐标原点的距离，f表示所述系统的每个柱透镜的焦距，a_C表示所述系统的每个线阵相机的传感器的像元的分辨率，n_L1，n_R1表示所述点目标在起始位置时两个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值，n_L2，n_R2表示所述点目标在该拍摄时间对应的位置时两个线阵相机中拍摄到相应光条纹的像元的像素坐标值；根据所述拍摄时间与所述点目标在每一拍摄时间对应的位置相对于其起始位置的位移合成所述点目标在所述观察视场投影面上运动的运动轨迹曲线，即在测量坐标系中，描绘出拍摄时间与位移的位移时间曲线，从而实现对点目标进行跟踪测量的目的。

进一步，预设频率的最小值为0，所述预设频率的最大值为所述系统的线阵相机的行频。

本发明实施例提供的对点目标进行跟踪测量的方法，其中采用两个成像单元对点目标在观察视场投影面上的运动进行跟踪测量，每个成像单元中包含一个线阵相机和一个柱透镜，对于高速运动的点目标，线阵相机亦可以精确的拍摄到该点目标经过相应柱透镜成像形成的光条纹，从而实现对该高速运动的点目标的运动的精确测量，适用性更好。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。