基于单台高速相机和先验信息的运动目标轨迹测量方法与流程

1.本发明涉及近景摄影测量、机器视觉、目标测量等技术领域，具体涉 及一种基于单台高速相机和先验信息的运动目标轨迹测量方法。


背景技术：

2.在装备试验中，为测量高速运动目标近地段的空间轨迹，当前采用的 是在目标理论落点周围，布设多台能同步触发的高速相机，对运动目标进 行高速摄像，基于交会测量原理来求解运动目标相应时刻的三维坐标，进 而测量出运动目标近地段的空间轨迹。多目交会高速相机系统布设复杂， 对同步精度要求高，现场调试需要耗费更多时间。若其中高速相机出现故 障无法进行拍摄，或运动目标只出现在一台高速相机视场范围内，则无法 通过交会的方式对运动目标进行轨迹测量。相比而言，单台高速相机系统 结构简单、布设灵活、调试便捷、实用性强，在装备试验中会得到越来越 广泛的应用。
3.目前，单台相机测量运动目标空间参数主要分为两类：第一类方法是 增加约束信息，如增加激光测距仪等辅助测距设备，得到目标的距离信息， 实现单台相机系统对运动目标定位。第二类方法是将单台相机系统改造为 虚拟双相机系统，通过成像光路设计，如借助三角棱镜，将目标实际成像 分解成两个虚拟相机的成像，从而将单相机系统等效为双相机测量系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种基于单台高速相机和先验信息的运动目标轨 迹测量方法，解决单台定视场高速相机对运动目标近地段空间轨迹无法测 量的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于单台高速相机和先验信息 的运动目标轨迹测量方法，具体技术方案包括如下步骤：
6.步骤1、标志点布设及单台高速相机调试
7.标志点的布设是为了高速相机的参数标定，调试高速相机确保相机工 作正常，将单台高速相机使用帧率记为f；
8.步骤2、高速相机内外参数标定
9.不考虑镜头的非线性畸变，摄影测量共线条件方程为：
[0010][0011]
(x,y,z)为目标点在物方空间坐标系的空间坐标，(x,y)为该点在像平面 坐标系的成像坐标；
[0012]
内参数标定根据出厂参数指标或者内标定法，高速相机的内参数包括 镜头焦距f、像元尺寸d、像主点坐标(u0,v0)。
[0013]
外参数标定根据控制点及相应像点坐标之间变换关系来确定，外参数 包括确定相机摄站(xs,ys,zs)和描述像平面坐标系在物方坐标系空间姿态 的三个角元素，三个角元素确定(ai,bi,ci),i＝1,2,3；
[0014]
进一步的，高速相机参数标定的模型和方法很多，这里以直接线性变 换(direct linear transformation,dlt)模型为例，进行高速相机标定。 dlt模型是建立像点坐标和相应物点物方空间坐标系之间的直接线性关系 的算法，控制点数量需要大于等于6个。由共线条件方程可得到dlt模型 的一般形式：
[0015][0016]
根据控制点及相应像点坐标，依据dlt模型对高速相机进行参数标定， 获取标定参数li,i＝1,2....11，将标定参数结果保存。
[0017]
步骤3、相机记录存储运动目标在预定区域近地着靶阶段的序列图像。 根据高速相机序列图像、结合图像时间戳信息，不妨将着靶时刻图像序号 记为0、时间记为t0、对应运动目标像点坐标w0(x0,y0)、实际落点坐标 p0(x0,y0,z0)。着靶前一帧的图像序号为1、时间戳为t1、对应目标像点坐标 w1(x1,y1)、实际空间坐标记为p1(x1,y1,z1)，再往前一帧图像序号为2、时间 戳为t2、对应目标像点坐标w2(x2,y2)、实际空间坐标记为p2(x2,y2,z2)，以 此类推，刚进入高速相机视场的一帧图像序号记为n、时间戳为tn、对应 目标像点坐标wn(xn,yn)、实际空间坐标记为pn(xn,yn,zn)。其中时间戳信息 满足tn＝t
0-n/f。
[0018]
步骤4、获取测量运动目标轨迹的先验信息。通过大地测量或者全站 仪测量的方式，获取运动目标实际落点坐标p0(x0,y0,z0)，对应上个步骤中 的图像序号为0、时间为t0；运动目标在近地段满足一定规律、可参数化 描述，这里不妨将运动目标空间轨迹x轴、y轴、z轴随时间的变化规律 表示为：
[0019][0020]
其中，m
x
、my、mz为待定系数集合。
[0021]
步骤5、根据高速相机标定结果、实际落点坐标、运动目标在图像序 列上的像点坐标，可平差求解运动目标空间轨迹的待定系数集合，进而计 算所有待求空间点的三维坐标，完成运动目标在近地段空间轨迹测量；
[0022]
由中心投影构像原理，可得共线条件方程另一种表达式
[0023][0024]
根据标定结果，每个待求空间点和对应像点坐标，可列上述2个方程， n个待求空间点可列2n个方程，所列方程中未知参数仅含待定系数集合， 当待定系数总个数小于等于2n时，可平差求解待定系数集合，进而计算所 有待求空间点的三维坐标，即完成运动目标近地段的空间轨迹测量。
[0025]
例如，在步骤2利用dlt进行相机标定后，在解出l系数后，由dlt 模型一般形式，可得
[0026][0027]
待求空间点三维坐标p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、
…
pn(xn,yn,zn)，共有 3n未知数。每个空间点由式(3)可列3个方程，由式(4)可列2个方程， 共可列5n个方程，分别如下式(5)(6)所示
[0028][0029][0030]
当待定系数集合中未知参数个数小于等于2n时，使用最小二乘方法， 可平差求解出描述运动目标空间轨迹的待定系数集合，进而计算出所有待 求空间点的3n个未知数。
[0031]
进一步的，根据求得的待定系数集合、空间点三维坐标，结合相机序 列图像的时间戳信息，能够推导出运动目标落速和弹道倾角，完成运动目 标在高速相机视场内随时间变化空间轨迹的确定。
[0032]
至此，完成了基于单台高速相机和先验信息测量高速运动目标的近地 段空间轨迹。
[0033]
本发明的有益效果：
[0034]
1.本发明基于单台高速相机结合运动目标落点坐标的先验信息，对靶 区运动目标空间轨迹进行测量，解决了单台高速相机对运动目标近地段空 间轨迹无法测量的技术问题。
[0035]
2.本发明在基于单台高速相机测得运动目标的近地段空间轨迹后，可 继续推导出运动目标落速和弹道倾角，为评价鉴定运动目标的性能指标等 提供依据支撑。
附图说明
[0036]
图1为本发明单台高速相机测量运动目标空间轨迹的布局示意图；
[0037]
图2为本发明高速相机拍摄的运动目标在近地段的序列图像示意图。
具体实施方式
[0038]
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
[0039]
针对靶区试验特点，大部分运动目标空间轨迹服从一定规律、满足参 数化描述的前提，如高速运动目标在预定区域的近地着靶阶段可看成匀速 直线运动，自由跌落试验的被试产品可看成初速度为零的匀加速直线运动 等等。本发明把运动目标轨迹满足参数化描述、落点坐标已知作为先验信 息，对运动目标近地段空间轨迹进行测量。
[0040]
本发明提出了一种基于单台高速相机和先验信息的运动目标轨迹测量 方法，采用仿真模拟成像的方式进行验证。本实施例提供了一组单目高速 相机仿真成像数据，对运动目标空间轨迹进行模拟测量。
[0041]
仿真成像场景为单台高速相机拍摄记录运动目标在预定区域近地着靶 阶段的场景。设定一组与时刻相关的运动目标空间轨迹，如图1所示，运 动目标在高速相机视场范围内可看作匀速直线运动，不妨将目标刚进入相 机视场范围时刻记为0，这里假设运动目标的轨迹用时间多项式描述为：
[0042][0043]
高速相机摄站坐标(xs,ys,zs)在局部坐标系o-xyz下的坐标为(20,0,0)， 主光轴与x轴平行重合，相机像元尺寸10um，像主点坐标(u0,v0)为(0,0)， 使用焦距100mm、使用帧率f为100。根据上述信息可确定仿真相机在局 部坐标系中的位置姿态，也就是可唯一确定相机的内外参数，可进行仿真 成像，成像效果如图2所示。
[0044]
取6个时刻的数据，在高速相机各曝光时刻，运动目标在局部坐标系 o-xyz和像平面坐标o-xy坐标如下表所示
[0045]
表1单目运动目标轨迹测量仿真成像参数
[0046][0047]
这里将目标着靶时刻设为0.05秒，也就是t0＝0.05，将t0时刻的目标三 维坐标作为已知先验信息，采用本发明提出的方法来计算运动目标空间轨 迹，与仿真成像条件下设定的理论值进行比对。
[0048]
计算过程：
[0049]
步骤1、标志点布设及单台高速相机调试。这里使用仿真成像数据， 可根据仿真信息来获取相机的内外参数，仿真相机使用帧率f为100。
[0050]
步骤2、高速相机内外参数标定。根据仿真成像信息，其中镜头焦距 f为100mm，像主点坐标(u0,v0)为(0,0)；摄站坐标(xs,ys,zs)为(20,0,0)， 主光轴与x轴平行重合，可确定主光轴在局部坐标系o-xyz下的空间指 向，即确定了像平面坐标系在局部坐标系的三个空间姿态角元素，可得
[0051][0052]
结合式(1)的共线条件方程，变形为dlt模型，可得
[0053][0054]
可得dlt模型参数为
[0055]
l＝[l1,l2...l
11
]
t
＝[0,-5,0,0,0,0,5,0,-0.05,0,0]
t
ꢀꢀ
(10)
[0056]
在解出l系数后，代入式(4)，可得
[0057][0058]
步骤3、此步骤是为了获取运动目标在仿真序列图像上的像点坐标， 根据运动目标的仿真成像平面坐标，在提取运动目标像点坐标时，随机加 入1像素以内的提取误差，由像元尺寸可知对应像平面的0.01mm。本实施 例中提取使用的像点坐标如下表所示
[0059]
表2运动目标在仿真序列图像上提取使用的像点坐标
[0060][0061][0062]
步骤4、获取测量运动目标轨迹的先验信息。包括运动目标实际落点 坐标p0(645,5,0)，时刻为0.05s；运动目标在近地段满足匀速直线运动，这 里不妨将运动目标空间轨迹x轴、y轴、z轴随时间的变化规律表示为：
[0063][0064]
其中，v
x
、vy、vz为待定系数集合，则空间待求点可表示为 p1(645-0.01v
x
,5-0.01vy,-0.01vz)、p2(645-0.02v
x
,5-0.02vy,-0.02vz)、 p3(645-0.03v
x
,5-0.03vy,-0.03vz)、p4(645-0.04v
x
,5-0.04vy,-0.04vz)、 p5(645-0.05v
x
,5-0.05vy,-0.05vz)。
[0065]
步骤5、根据高速相机标定结果、落点坐标先验信息、运动目标在图 像序列上的像点坐标，来计算待定系数v
x
、vy、vz。
[0066]
将用待定系数表示的p1、p2、p3、p4、p5五个点分别代入式(11)，5个 空间待求点可列10个方程，未知变量只含有3个待定系数，可平差求解出 待定系数v
x
、vy、vz。
[0067]
将每个点带入后，误差方程式表示为：
[0068]
av＝b
ꢀꢀ
(13)
[0069]
其中，
[0070]vt
＝[v
x v
y vz]
ꢀꢀ
(14)
[0071][0072]bt
＝[109.375
ꢀ‑
607.5 213.75
ꢀ‑
1215.625 321.875
ꢀ‑
1846.875 432.5
ꢀ‑
2475.0 539.375
ꢀ‑
3127.5]
ꢀꢀ
(1)
[0073]
根据最小二乘平差原理，可得
[0074]
v＝(a
t
pa)-1at
pb
ꢀꢀ
(17)
[0075]
令权矩阵p为单位阵，平差计算可得
[0076][0077]
步骤6、根据平差结果，可求出5个待求点空间坐标，分别为 p1(639.91 6.001 5.996)p2(634.83 7.003 11.992)p3(629.74 8.004 17.988) p4(624.65 9.006 23.984)p5(619.57 10.007 29.980)；同时得出运动目标在近地 着靶阶段的速度弹道倾角为-49.69253
°
，运 动目标在近地段空间轨迹如下式所示
[0078][0079]
仿真场景中的相机与运动目标之间摄影距离约600米，与真实场景中 的距离相符合。将测量结果与设定的理论值比较，可得5个空间点的测量 平均误差小于0.3米，运动目标速度测量误差在1％以内，弹道倾角测量误 差在1％以内。
[0080]
至此，本实施例已完成基于单台高速相机和先验信息来测量运动目标 的空间轨迹。
[0081]
以上对本发明的实施例进行了描述，但并不局限于上述的实施例，还 有很多其它适用场景，如已知出点坐标、测量子弹出镗后的空间轨迹。上 述具体实施方式是示意性的而非限制性的，本领域技术人员在本发明启示 下，可将本发明应用于很多不同场景，这些均属于本发明的保护之内。