摘要：
　　本文依據(jù)圖像識(shí)別法的原理，設(shè)計(jì)了一種低成本的頭部姿態(tài)測(cè)量裝置，該裝置使用普通攝像頭和摩托車頭盔，頭盔上做有標(biāo)記，攝像頭獲取圖像，計(jì)算機(jī)根據(jù)圖像中標(biāo)記的位置，計(jì)算出操作人員視線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。本設(shè)計(jì)適用于試驗(yàn)室環(huán)境。
　　關(guān)鍵詞:圖像識(shí)別，雙目測(cè)量，頭盔瞄準(zhǔn)具，轉(zhuǎn)動(dòng)角度
　　中圖分類號(hào): ＴＰ２７３文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791(2011)06(c)-0000-00
　　
　　第一部分：常見(jiàn)的測(cè)量裝置的工作原理簡(jiǎn)述
　　為了簡(jiǎn)化操作，提高人機(jī)功效，用測(cè)定視線的方法來(lái)控制武器的指向是一種理想的方法，然而直接測(cè)量視線方向的技術(shù)難度很大，于是在工程上就發(fā)展出了間接測(cè)量方法：測(cè)量裝置利用機(jī)電，電磁，光電，超聲波等手段，獲取操作人員的頭部姿態(tài)，配合固定在頭盔上的瞄準(zhǔn)鏡筒，就可以測(cè)量出視線方向?，F(xiàn)在筆者介紹一下常見(jiàn)的頭部姿態(tài)測(cè)量裝置的工作原理及其特點(diǎn)。
　　第一種:機(jī)電式
　　測(cè)量裝置將頭盔和參考基座用連桿連接在一起，頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿的前后平行滑動(dòng)，設(shè)置在連桿兩端方向接頭中的測(cè)角器，就可以測(cè)出頭部的方位、俯仰角。這種方法抗干擾能力強(qiáng)，不容易受到環(huán)境中的電磁、光照等因素的影響，缺點(diǎn)是裝置會(huì)限制妨礙頭部的運(yùn)動(dòng)，人機(jī)效用差。
　　第二種:電磁式
　　電磁式的原理是在頭盔頂部安裝三軸正交環(huán)形磁感應(yīng)天線，然后在基座相應(yīng)位置安裝定向磁場(chǎng)輻射器，利用分時(shí)磁場(chǎng)輻射，或磁場(chǎng)章動(dòng)，獲得輻射器與磁感應(yīng)天線之間的偏差，將頭盔相對(duì)飛機(jī)的方位、俯仰以及滾角的位置計(jì)算出來(lái)。該方法對(duì)電磁干擾比較敏感，頭盔附近的金屬物體也會(huì)影響其測(cè)量精度。
　　第三種:光電式
　　光電式測(cè)量裝置有旋轉(zhuǎn)光束法、V形狹縫法和線性比例法等幾種類型，一般由以下幾部分組成的：光感受器，掃描器和電子組件。以V形狹縫法為例，頭盔上有6個(gè)紅外發(fā)光二極管，每側(cè)3個(gè)組成等腰三角形來(lái)進(jìn)行安裝，輻射出來(lái)的紅外光由安裝在V形狹縫后的掃描器接收，接收器的電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，就可以確定瞄準(zhǔn)線。光電法環(huán)境適應(yīng)性好，是一種廣泛采用的方法。
　　第四種：超聲波式。
　　超聲波式探測(cè)的特點(diǎn)是抗電磁干擾性比較強(qiáng)、價(jià)格比較低。使用過(guò)程中可以將超聲發(fā)射器安放在一個(gè)等邊三角形上，然后將其固定在基座上，以獲得一個(gè)靜止準(zhǔn)直的參考位置，發(fā)聲器按照一定規(guī)律發(fā)出超聲波，接收器固定在頭盔上，在控制裝置的驅(qū)動(dòng)下，可以測(cè)算出相關(guān)的距離信息，根據(jù)距離信息結(jié)算得出頭部的移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)。其缺點(diǎn)是當(dāng)聲音環(huán)境不理想，聲場(chǎng)反射情況比較復(fù)雜時(shí)，其精準(zhǔn)度不夠。
　　本文的測(cè)量裝置采用的原理是圖像識(shí)別法。
　　第二部分：圖像識(shí)別法的基本原理
　　圖像識(shí)別法實(shí)際上是光電式中發(fā)展出來(lái)的，它利用攝像裝置觀察標(biāo)志點(diǎn)在攝像裝置視場(chǎng)中的移動(dòng)情況，最后計(jì)算得到頭部的姿態(tài)信息。根據(jù)攝像裝置的數(shù)目，它可分為單目測(cè)量法、雙目測(cè)量法。
　　以單目法為例，在進(jìn)行單目視覺(jué)測(cè)量時(shí)，可以安排攝像裝置垂直向下拍攝場(chǎng)景，攝像裝置的光軸垂直于頭盔上標(biāo)志點(diǎn)形成的特征平面，并穿過(guò)圓心。當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)時(shí)，連續(xù)拍攝這個(gè)標(biāo)志點(diǎn)平面，得到所要的標(biāo)志點(diǎn)位移參數(shù)，并按要求計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
　　單目測(cè)量成立的前提條件是攝像頭與頭盔相對(duì)距離不變或變化甚微，且頭盔平移幅度也很小。為了滿足單目測(cè)量的條件，則必須對(duì)操作人員的活動(dòng)加以一定的限制，這顯然妨礙了操作人員的正常操作活動(dòng)。為了使操作人員在視場(chǎng)范圍內(nèi)活動(dòng)更加自如，可以將單目測(cè)量延伸到雙目測(cè)量，使圖像識(shí)別法的適應(yīng)性得以增強(qiáng)。
　　從原理上講，雙目測(cè)量法與人類的視覺(jué)立體感知有很大的相似處：人類從兩個(gè)眼點(diǎn)觀察同一個(gè)物體，得到兩幅略微有所差別的圖像，最后在腦中形成立體視覺(jué)感知；而雙目法從兩個(gè)攝像裝置的得到兩幅差異圖像，以其中的標(biāo)志點(diǎn)為對(duì)象，計(jì)算這些點(diǎn)在像素平面上的位置偏離程度，再利用三角測(cè)量原理，來(lái)得到對(duì)象的三維狀態(tài)信息。
　　文獻(xiàn)5中給出了雙目測(cè)量系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)模型如下圖。
　　
　　其中Xw-Yw是標(biāo)志點(diǎn)平面，X1-Y1和X2-Y2分別是兩個(gè)攝像裝置焦平面，即圖像的像素平面。顯然標(biāo)志點(diǎn)平面上的P點(diǎn)，在兩個(gè)像素平面上對(duì)應(yīng)著p1和p2點(diǎn)，當(dāng)標(biāo)志點(diǎn)平面繞自身的Xw、Yw或Zw軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)時(shí)，P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的p1和p2點(diǎn)在像素平面也發(fā)生位置變化。如果依據(jù)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，就可以根據(jù)p1和p2點(diǎn)的像平面坐標(biāo)逆向推算出，實(shí)際P點(diǎn)的位置。因?yàn)槿c(diǎn)才能確定一個(gè)平面，所以除了P點(diǎn)外，還需要2個(gè)標(biāo)志點(diǎn)。
　　借鑒文獻(xiàn)5的構(gòu)思，本文提出了一種比較簡(jiǎn)單可行的方法，可以在大大節(jié)省成本和開(kāi)支的情況下，方便快捷地完成頭部姿態(tài)測(cè)量任務(wù)。
　　在白色的摩托車頭盔上按要求繪出6個(gè)黑色的標(biāo)志點(diǎn)，6個(gè)標(biāo)志點(diǎn)分為2組，每組3個(gè)，使用兩個(gè)普通的攝像頭，安裝在框架上，分別對(duì)準(zhǔn)其中1組標(biāo)志點(diǎn)，使兩個(gè)攝像頭同時(shí)拍攝，所獲得的圖像通過(guò)USB口傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理后，根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)在像素平面上的位置，實(shí)時(shí)解算頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
　　
　　第三部分：頭部姿態(tài)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)
　　
　　頭部姿態(tài)基本上可以用6個(gè)參數(shù)來(lái)表示，即高度，左右位移，前后位移，俯仰角，方位角和橫滾角，但在應(yīng)用中，主要關(guān)心的是頭部的俯仰方位姿態(tài)角，再具體到本裝置的應(yīng)用場(chǎng)合，要求的測(cè)量范圍是：方位+/-60°，俯仰+/-30°。
　　實(shí)際上，頭盔的使用者在使用過(guò)程中，其身體位置基本保持不變，在高度，左右和前后方向上頭部的平移幅度都比較小，另外一般人很少歪頭操作，因此頭部橫滾角很小，這些都為測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的便利。
　　首先需要建立測(cè)量裝置的坐標(biāo)體系，通過(guò)它們，可以將標(biāo)志點(diǎn)的在焦平面上移動(dòng)，解算成頭部姿態(tài)。
　　
　　相關(guān)的坐標(biāo)系包括基座坐標(biāo)系、攝像頭1和2的成像坐標(biāo)系，頭盔轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系，和頭盔坐標(biāo)系。把頭盔假定成一個(gè)球體后，就可以簡(jiǎn)單地把標(biāo)志點(diǎn)在頭盔上的位置表示出來(lái)。另外頭部運(yùn)動(dòng)是由頸部發(fā)起的，所以頭盔坐標(biāo)系和頭盔轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)并不重合，特別是當(dāng)頭部做俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，標(biāo)志點(diǎn)會(huì)有的比較明顯的前后移動(dòng)。通過(guò)一系列坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以得到標(biāo)志點(diǎn)和俯仰/方位角之間的轉(zhuǎn)換矩陣。
　　焦距是攝像頭的關(guān)鍵參數(shù)。為了在感光芯片上完整成像，需要根據(jù)目標(biāo)的高度和寬度分別計(jì)算焦距，取其中較小的值為攝像頭焦距。計(jì)算公式如下：
　　焦距 = （拍攝距離 * CCD尺寸）/（目標(biāo)尺寸 + CCD尺寸）
　　攝像頭將頭盔上的標(biāo)志點(diǎn)在空間三維位置，通過(guò)投影轉(zhuǎn)化為二維圖像的時(shí)候，因?yàn)榄h(huán)境條件的的不同，形成的圖像會(huì)有一定的差別。這對(duì)于精確地獲取標(biāo)志點(diǎn)在圖像平面上的位置，有很大影響。影響圖像質(zhì)量的主要有視角、光照、傳感器的性能等因素，使得兩幅圖像之間在圖像灰度、幾何形狀變形、標(biāo)志點(diǎn)遮擋或溢出視場(chǎng)等方面的存在差異，同時(shí)形成的照片自身也存在著一定的噪聲。圖像處理算法必須克服這些因素的影響，并完成圖像的二值分割。
　　為了加快圖像處理算法的運(yùn)行速度，軟件采用了跟蹤框算法，算法根據(jù)上一幀圖像中標(biāo)志點(diǎn)的位置，以其為中心，形成一個(gè)跟蹤框，在處理當(dāng)前幀圖像時(shí)，軟件只對(duì)跟蹤框內(nèi)的圖像進(jìn)行灰度統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)灰度分布，找出2個(gè)灰度分布的極大值和像素計(jì)數(shù)值，該極大值、像素計(jì)數(shù)值和上一次獲得的參數(shù)進(jìn)行比較，判定灰度統(tǒng)計(jì)的有效性后，再完成圖像二值分割。如果標(biāo)志點(diǎn)溢出跟蹤框，則自動(dòng)將跟蹤框擴(kuò)大，重復(fù)上述算法。跟蹤框使得圖像匹配算法的計(jì)算量減小。
　　獲得二值圖像后，對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行形狀判斷，實(shí)際就是空間濾波，將噪聲點(diǎn)消除，最后得到標(biāo)志點(diǎn)中心在攝像頭像素平面上的坐標(biāo)。
　　
　　標(biāo)定是制約測(cè)量精準(zhǔn)度的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。前文提到頭部姿態(tài)可以用6個(gè)參數(shù)來(lái)表示，測(cè)量裝置測(cè)量的是俯仰方位姿態(tài)角，其它4個(gè)量在實(shí)際中就是操作人員身高，座椅前后左右的位移等，它們都會(huì)使俯仰方位角出現(xiàn)測(cè)量誤差。另外標(biāo)定，也是消除系統(tǒng)安裝誤差的必要手段。
　　應(yīng)用中，在操作席的前方設(shè)定若干個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)和操作席的角度關(guān)系確定，操作人員佩戴頭盔后，按要求的次序穩(wěn)定瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，這時(shí)頭盔的偏轉(zhuǎn)角就是測(cè)量裝置的標(biāo)稱值。計(jì)算機(jī)依次采集平滑獲得的圖像，按照預(yù)定的標(biāo)定算法，求出轉(zhuǎn)換矩陣的各個(gè)參數(shù)，標(biāo)定過(guò)程也就完成了。
　　人員在每次使用前，必須進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)和標(biāo)定不同，校準(zhǔn)只需要對(duì)瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)中的一個(gè)，這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)一般位于零度俯仰/方位角，校準(zhǔn)獲得的值和轉(zhuǎn)換矩陣中的某些參數(shù)進(jìn)行比較，如果在誤差范圍內(nèi)，頭部姿態(tài)測(cè)量裝置就可以使用了。
　　第四部分：其它的設(shè)想和總結(jié)
　　裝置測(cè)的量誤差主要存在于標(biāo)定、圖像處理、幾何關(guān)系重建三個(gè)步驟之中，標(biāo)定過(guò)程在其中起著決定性的作用，由于所標(biāo)定的參照物的選擇和標(biāo)定的方法直接影響了投影矩陣的數(shù)值，從而間接影響了重建的結(jié)果。
　　圖像處理中三維重建過(guò)程是攝像頭標(biāo)定的一個(gè)逆過(guò)程，它使研究對(duì)象的三維姿態(tài)信息得以重建，對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)，利用標(biāo)定參數(shù)計(jì)算的結(jié)果誤差比較小，而基準(zhǔn)點(diǎn)之間的位置，其計(jì)算結(jié)果必然誤差相對(duì)較大。
　　誤差來(lái)源還有以下幾點(diǎn):1.模型是建立在線性攝像機(jī)基礎(chǔ)上，沒(méi)有考慮到攝像頭的非線性畸變，而真實(shí)情況和線性模型之間的差別，使得圖像不能準(zhǔn)確描述實(shí)物的幾何關(guān)系，從而影響測(cè)量精度；2.圖像處理中在進(jìn)行空間濾波時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生1到2個(gè)像素的誤差，對(duì)特征點(diǎn)的提取定位不夠精確，也會(huì)影響重建結(jié)果；3、頭盔在使用中發(fā)生松動(dòng)，會(huì)使頭盔不能真實(shí)跟隨人員頭部的運(yùn)動(dòng)，也會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響。
　　關(guān)于頭部姿態(tài)測(cè)量裝置，還有許多方面值得研究和改進(jìn)。比如說(shuō)裝置工作波段是可見(jiàn)光，在這個(gè)波段光照環(huán)境復(fù)雜，圖像處理的運(yùn)算量還是比較大的，因此對(duì)計(jì)算機(jī)的容量和性能要求較高。如果在解算器體積重量以及處理能力受限的情況下，可以在頭盔上安裝紅外發(fā)光二極管，并使用紅外攝像頭，使圖像背景簡(jiǎn)化，圖像對(duì)比度增強(qiáng)，則有利于圖像的分割和標(biāo)志點(diǎn)的提取，使算法的計(jì)算量大大減少。
　　還可以考慮增加頭盔上的標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量，擴(kuò)大裝置的測(cè)量范圍；或者把標(biāo)志點(diǎn)改為標(biāo)志圖案，研究單目法是否可以獲得同樣的測(cè)量精度和測(cè)量范圍;如果需要進(jìn)行