楊 成，查光東

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基于紅外圖形的攝像法頭部位置測量系統(tǒng)設(shè)計

楊 成，查光東

（空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000）

為了實現(xiàn)頭部位置的精確測量，設(shè)計了一種由CCD固體攝像機(jī)和紅外輻射器陣列組成的攝像法頭部位置測量系統(tǒng)，通過軟件對采集的圖像信號進(jìn)行處理解算出頭部的位置。研究制定了光點分群和確定計算用三角形的策略，給出了頭部位置坐標(biāo)的計算方法。由于采用雙攝像機(jī)和雙紅外二極管陣列圖形，實現(xiàn)了對頭部位置的大范圍測量。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，頭部位置測量范圍和精度達(dá)到要求。

紅外圖形；攝像法；頭部位置；圖像處理；光點分群；探測視場；位置坐標(biāo)

0 引言

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和頭盔顯示系統(tǒng)中，精確測量頭部位置都是實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。頭部位置是指當(dāng)觀察者將眼睛對準(zhǔn)觀測的目標(biāo)時，眼睛的視線方向相對于某個測量基準(zhǔn)的位置，通常用視線與基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的方位、俯仰和橫滾角的大小來衡量。由于測量裝置常安裝在頭盔上，因此頭部位置測量又稱為頭盔位置測量。目前常用的頭部位置測量方法有光電法、電磁場法、超聲波法和攝像法等。其中采用攝像法，通過圖像識別測量頭部位置的方法，具有系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，沒有光機(jī)活動部件，可靠性高，頭部位置測量精度高，探測范圍大等優(yōu)點[1]。本文設(shè)計了一種采用攝像法的測量系統(tǒng)，基于對紅外圖形的采集、圖像識別和解算，實現(xiàn)頭部位置的測量，詳細(xì)說明了探測系統(tǒng)的組成和測量原理。

1 測量系統(tǒng)組成

頭部位置測量原理的2個明顯的特征是：在頭盔組件和基準(zhǔn)裝置（1個或多個裝置）之間的介質(zhì)以及用于傳遞信息的幾何圖形。這種傳遞可借助于光、聲或電磁能來進(jìn)行，最終結(jié)果是產(chǎn)生出電子裝置中計算視線方向用的信號。本系統(tǒng)中采用攝像法實現(xiàn)頭盔位置的測量，傳遞信息用紅外光，幾何圖形為三角形。

1.1 系統(tǒng)組成

為實現(xiàn)對頭部位置的測量定位，測量系統(tǒng)由安裝在頭盔上的紅外輻射器陣列、2部攝像機(jī)、控制計算機(jī)、電源、控制盒和軟件等組成，如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)硬件組成

紅外輻射器陣列通過安裝板安裝在頭盔上，用于形成探測用的幾何圖形。頭盔作為頭部組件的安裝支撐，輻射器安裝板用于安裝8個紅外輻射二極管，組成輻射器陣列。整個頭部組件是一個整體，可方便地從頭部上取下來。

攝像機(jī)及安裝架組成探測裝置。2個CCD攝像機(jī)用于采集頭部組件上紅外輻射二極管的光線，以實現(xiàn)頭盔位置的測量定位；攝像機(jī)安裝架用于安裝2個CCD攝像機(jī)，作為測量的基準(zhǔn)，需要確保攝像機(jī)的安裝精度，以保證頭部位置的測量精度。

為減少可見光干擾，紅外輻射器采用波長為940nm、5的紅外發(fā)光二極管，共采用8個紅外發(fā)光二極管，每4個為一組，從而組成2個三角形圖形。每組中由外邊的3個二極管組成一個等邊三角形，作為探測用的幾何圖形，正中央的1個二極管用于計算矩心。攝像機(jī)采用西安維視公司的工業(yè)級CCD攝像機(jī)MV-VS030FM，配合寬視場鏡頭，波長范圍為0.4～1mm，可探測波長為1mm以下的紅外光，鏡頭前加有波長940nm的單邊濾光鏡。因此系統(tǒng)工作時，可見光被濾除無法進(jìn)入攝像機(jī)中，達(dá)到很好的抗干擾和抗背景噪聲的效果[2]。

控制計算機(jī)是頭部位置測量系統(tǒng)的控制中心，由1臺工控機(jī)（含顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等外設(shè)）、2塊1394接口的圖像采集卡組成。工控機(jī)主機(jī)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件平臺，采用研華610H工業(yè)控制計算機(jī)。2塊圖像采集卡完成CCD攝像機(jī)圖像信號的采集、轉(zhuǎn)換，將攝像機(jī)攝取的紅外輻射二極管陣列的圖像信號轉(zhuǎn)換成視頻格式，以便計算機(jī)處理計算。

控制盒用于系統(tǒng)中紅外二極管的上電控制。

直流電源提供紅外二極管工作所需的1.2V電壓。

在測量系統(tǒng)中，軟件用于完成硬件管理和攝像機(jī)設(shè)置、實時圖像數(shù)據(jù)采集和處理、位置坐標(biāo)計算、界面顯示和工作狀態(tài)控制等。軟件采用VC＋＋6.0高級語言開發(fā)設(shè)計。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作時，由控制盒接通1.2V電壓驅(qū)動紅外輻射器發(fā)光。CCD攝像機(jī)攝取紅外二極管的圖像，輸出的視頻圖像信號經(jīng)圖像采集卡采集、轉(zhuǎn)換后，送主處理器處理，首先計算出各個二極管光點在顯示屏上成像的位置，再根據(jù)光點成像的位置與實際紅外圖形之間的關(guān)系，通過軟件算法計算出頭部視線的方位角、俯仰角和橫滾角，最后將計算出的視線方位角、俯仰角和橫滾角坐標(biāo)送到顯示器，以字符和圖形方式提供給用戶，并用于控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

2 頭部位置的測量方法

采用攝像法測量頭部位置的難點是需要確定圖像識別算法，可以根據(jù)探測裝置的結(jié)構(gòu)和測量原理進(jìn)行分析確定所需的算法[3]。根據(jù)測量的要求，系統(tǒng)中采用了雙CCD攝像機(jī)和紅外發(fā)光二極管陣列組成的雙幾何圖形來實現(xiàn)頭部位置測量。CCD固體攝像機(jī)攝取頭盔上紅外輻射器發(fā)光組成的幾何圖形，產(chǎn)生的圖像信號經(jīng)軟件處理后解算出頭部的位置。

2.1 頭盔位置的測量原理

紅外輻射器陣列發(fā)出的紅外光線在攝像機(jī)CCD陣列上成像。由于攝像機(jī)位置固定，紅外二極管在CCD陣列上成像的光點位置可計算出來。又由于攝像機(jī)鏡頭的焦距已知（為4.7mm），紅外二極管為邊長80mm的等邊三角形，因此可解算出在攝像機(jī)坐標(biāo)系中三角形中心處的法線向量，即向徑的大小和方向。在三維坐標(biāo)系中，知道了向量的向徑，即可以求出向量相對于3個坐標(biāo)軸的偏角，即頭部的方位、俯仰和橫滾角。最后經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將在攝像機(jī)坐標(biāo)系中求出的偏角轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)（攝像機(jī)安裝架）坐標(biāo)系，即可得到頭部視線的方位、俯仰和橫滾角。

2.2 頭部位置坐標(biāo)的解算

攝像機(jī)工作采集紅外輻射器陣列的圖像后，送顯示器顯示。采集的圖像需要軟件進(jìn)行處理，進(jìn)行光點分群，確定解算用的三角形，然后進(jìn)行頭部位置的計算。

2.2.1 圖像的采集處理

圖像采集處理是對攝像機(jī)攝取的輻射器陣列圖像的采集、轉(zhuǎn)換與處理[4]，求出紅外二極管發(fā)光在攝像機(jī)CCD陣列上形成的光點的數(shù)目、各個光點的坐標(biāo)、光點直徑大小，進(jìn)行光點分群，找出一組解算用的完整三角形光點的坐標(biāo)。

攝像機(jī)攝取輻射器陣列發(fā)光產(chǎn)生的圖像，經(jīng)采集卡采集后在屏幕上顯示光點圖像，屏幕上顯示的光點的分布情況如圖2所示。

圖2 屏幕上顯示的光點分布情況

首先找出所有采集到的光點：程序按照從上到下、從左到右的順序掃描圖像數(shù)據(jù)，若像素點的值（像素點的RGB值中的紅色）為255，且連續(xù)4個像素點值均為255，則認(rèn)為找到1個光點，接著搜索圖像數(shù)據(jù)找出該光點的最大直徑，最后記錄光點直徑、坐標(biāo)和光點數(shù)量等數(shù)據(jù)。

搜索完一整幅圖像數(shù)據(jù)后，找出所有光點，然后需進(jìn)行光點聚類分群，從而形成解算用的完整三角形。光點分群策略根據(jù)組成紅外二極管陣列的硬件結(jié)構(gòu)以及攝像機(jī)位置、視場制定，其目標(biāo)就是能夠在頭部轉(zhuǎn)動的整個范圍內(nèi)都能確定唯一的計算用三角形。光點分群策略如下：

1）找到的光點數(shù)量為3個以下：沒有三角形。

2）4個點：只有1個三角形。

3）8個點：有2個三角形，左邊4個點組成1個三角形，右邊4個點組成1個三角形。

4）5、6、7個點：只有1個三角形，另一個不完整。當(dāng)有5、6或7個光點時，判斷其中哪4個點組成一個完整的三角形的方法，是通過比較各光點之間在橫向（即行方向）的最小距離得出。具體方法是：首先計算出屏幕最右邊第一個點與最靠左邊的4個點之間的最小距離，然后計算出最左邊第1個點與最靠右邊4個點之間的最小距離。找出2個最小距離后，比較這2個最小距離。若前者小于后者，則最靠右邊4個點為1個三角形；反之，最靠左邊4個點為1個三角形。其中，2點之間沿行方向的距離只需將2點的橫坐標(biāo)相減即可得出。

光點分群得到了完整的三角形。但有時會同時出現(xiàn)2個三角形，以及三角形所屬位置的問題。因此，還需根據(jù)一定的策略確定解算用的三角形，才可用其進(jìn)行解算，從而求出頭部視線的方向角。

2.2.2 計算用三角形的確定

從探測系統(tǒng)原理可知，1臺攝像機(jī)和1個輻射器陣列圖形即可實現(xiàn)頭部位置測量，但探測視場小。為擴(kuò)大頭部位置探測范圍，系統(tǒng)中采用了雙CCD攝像機(jī)、雙輻射器陣列圖形的方法，使頭部位置探測視場最大化。其原理是先由1臺攝像機(jī)探測1組輻射器陣列圖形，解算頭部位置。當(dāng)使用者頭部轉(zhuǎn)動角度過大，超出攝像機(jī)視場時（指二極管組成的三角形從這臺攝像機(jī)視場中移出時），另一個三角形可以進(jìn)入攝像機(jī)視場，從而繼續(xù)測量和計算；如果2個三角形都從這臺攝像機(jī)的視場偏出時，則剛好能出現(xiàn)在另一臺攝像機(jī)的視場中，由另一臺攝像機(jī)“接力”進(jìn)行采集和計算。因此，采用雙攝像機(jī)和雙二極管陣列圖形可大大提高頭部位置探測視場，也大大提高了頭部允許探測的徑向活動范圍。

采用雙攝像機(jī)和雙輻射器陣列帶來了二極管圖形所屬位置判斷的難題。即當(dāng)出現(xiàn)1個二極管三角形圖形時，它是左側(cè)的三角形還是右側(cè)的三角形的問題。這需要通過一定的判據(jù)進(jìn)行判斷才能解決。探測圖形出現(xiàn)的邏輯見表1。

表1 探測圖形邏輯關(guān)系

通過詳細(xì)分析，制定確定計算用三角形的策略：

1）在表1中，第7、8種情況較為簡單。第7種情況，即當(dāng)頭部位置偏轉(zhuǎn)角不大，2個攝像機(jī)中都有完整的三角形時，若只有1個三角形，以左側(cè)攝像機(jī)中的三角形為主計算；若一側(cè)有1個、另一側(cè)有2個三角形，則以多的一側(cè)中的左三角形計算。第8種情況為超限，即超出視場范圍，則不計算。

2）第5、6種情況較為復(fù)雜。即當(dāng)頭部位置偏轉(zhuǎn)角較大，只有1個攝像機(jī)中同時出現(xiàn)2個三角形時，若為左側(cè)攝像機(jī)，則以左三角形為主；左三角形不完整時，切換到右三角形。若為右側(cè)攝像機(jī)同時出現(xiàn)2個三角形時，則以右三角形為主，右三角形不完整時，切換到左三角形。依次完成接力。

3）第1～4種情況最復(fù)雜。即當(dāng)頭部位置偏轉(zhuǎn)角很大，只有1個攝像機(jī)有1個完整三角形時，如何判斷出它是哪一側(cè)的三角形。具體又分為以下2種情況：

第1種情況為一側(cè)的1個攝像機(jī)有1個完整三角形的光點，以及1～3個不完整三角形的光點時，則哪個三角形完整以哪個三角形計算。

第2種情況為一側(cè)的1個攝像機(jī)有1個完整三角形的光點，且沒有不完整三角形的光點時，如何判斷出它是左側(cè)還是右側(cè)的三角形？由于紅外發(fā)光二極管采用常亮方式工作，這樣做使系統(tǒng)硬件電路非常簡單，但并沒有從輻射端區(qū)分出幾何圖形。因此，當(dāng)只有一側(cè)的1個攝像機(jī)有1個完整三角形的光點，且沒有冗余的光點時，軟件是無法區(qū)分出該三角形是左側(cè)的還是右側(cè)的陣列圖形的。其解決的方法是與硬件配合，即與二極管三角形的安裝、攝像機(jī)安裝角度配合實現(xiàn)。二極管三角形和攝像機(jī)安裝位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 二極管三角形和攝像機(jī)安裝位置關(guān)系

系統(tǒng)中CCD攝像機(jī)采用的是120°的寬視場鏡頭，相距為60cm，在50cm距離上，攝像機(jī)視場范圍覆蓋頭部。2個二極管三角形平面之間為135°角。經(jīng)計算和實驗，當(dāng)將2個攝像機(jī)鏡頭光軸都向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)22.5°時，可以保證當(dāng)左攝像機(jī)出現(xiàn)完整的右三角形圖案時，右攝像機(jī)完全沒有光點；同理，當(dāng)右攝像機(jī)出現(xiàn)完整的左三角形圖案時，左攝像機(jī)完全沒有光點。這樣就保證了能判斷出只有一側(cè)的1個攝像機(jī)有1個完整三角形的光點且沒有不完整三角形的光點時，它是左還是右側(cè)的三角形。即只有一側(cè)的1個攝像機(jī)有1個完整三角形時，左側(cè)相機(jī)按右三角形計算，而右側(cè)相機(jī)按左三角形計算。

2.2.3 頭部位置坐標(biāo)的解算

光點分群策略得到完整三角形和確定了解算用的三角形后，程序可根據(jù)頭部位置定位算法計算出頭部視線向量。頭部位置的計算原理如圖4所示。

圖中頭盔上的二極管、、組成1個等邊三角形，為三角形中心；、、、是、、、在CCD攝像機(jī)成像平面上形成的光點位置，它們在成像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)前面已求出（成像平面坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系相差1個鏡頭焦距的距離）。為攝像機(jī)鏡頭中心位置，也是攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點。

圖4 頭盔位置的計算原理

在圖4中，、、、的坐標(biāo)已求出，鏡頭焦距為已知，因此，可求出各成像光點與二極管之間連線的向徑、、的大小和方向；又由于二極管三角形邊長為已知的80mm，所以，可求解出、、各點到攝像機(jī)鏡頭中心的距離，進(jìn)而求出、、各點在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，從而求出了三角形所在的平面。二極管安裝在頭盔上，隨頭部運動，所以三角形所在的平面的位置，就是頭部的位置，其法線方向就是頭部的視線方向。

實際計算方法如下：

、、點在攝像機(jī)坐標(biāo)系中用來表示，設(shè)是二極管與對應(yīng)圖像連線上的單位矢量（從原點指向相應(yīng)的二極管），則的坐標(biāo)可通過式(1)獲得[5]：

＝v,＝1，2，3 (1)

式中：為向量長度。只要求出就可求出、、各點的坐標(biāo)。

由于用向量表示、、三個點之間的距離為：

D＝?êW－W?ê，≠(2)

將式(1)代入式(2)得到關(guān)于的3個如下形式的二次方程：

其中等式左邊的3個根據(jù)三角形結(jié)構(gòu)已經(jīng)知道（＝80mm），3個點積×根據(jù)光點的坐標(biāo)也可算出，這樣計算3個點坐標(biāo)的問題變成求有3個未知量的3個二次方程組(4)的問題：

由于方程有多組解，最多8組[6]。為求出反映二極管實際位置的一組解，采用雅可比矩陣，通過牛頓迭代法對方程組進(jìn)行求解，流程如圖5所示。

求出k、k、k后，由公式(1)可得出多組、、點的坐標(biāo)，根據(jù)三點與點之間的位置關(guān)系可以計算出點坐標(biāo)。利用點坐標(biāo)驗證解的正確性，當(dāng)點、鏡頭中心和光點成一條直線時則可以判定該解為真實解，其余的解應(yīng)排除。

圖5 方程求解流程

計算出、、點的坐標(biāo)(1,1,1)、(2,2,2)、(3,3,3)之后，再計算出三角形法線在攝像機(jī)坐標(biāo)系中3個坐標(biāo)軸的分量、、，計算公式如下：

求得三角形的法線向量后，再根據(jù)三角形和頭盔的位置關(guān)系，可以計算出頭部視線向量，利用視線向量在攝像機(jī)坐標(biāo)系求出方位角、俯仰角和橫滾角，最后將計算出的角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系，就得到頭部轉(zhuǎn)動的方位角、俯仰角和橫滾角。

2.3 測量結(jié)果分析

測量工作時的系統(tǒng)調(diào)試界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)調(diào)試界面

當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動時，2臺攝像機(jī)探測的圖像同時顯示在界面上。由于采用940nm紅外光和濾光鏡，可見光不進(jìn)入攝像機(jī)，因此只顯示紅外二極管的光點，圖中顯示清晰的紅外光點圖像。下方有各光點的坐標(biāo)、半徑和計算出的頭部位置角度等。

圖中是頭部向右轉(zhuǎn)動一定角度時的圖像，此時左側(cè)攝像機(jī)圖像中有1個完整三角形圖案，右側(cè)攝像機(jī)圖像中有2個完整三角形圖案。根據(jù)判據(jù)此時計算用的三角形為右攝像機(jī)中的左三角形。下方顯示解算出的頭部轉(zhuǎn)動角，例如此時方位角為16.25°。

為保證測量精度和大的測量范圍，系統(tǒng)中采取以下措施：測量前調(diào)整好攝像機(jī)亮度、對比度和焦距；采用精密機(jī)械加工保證二極管三角形的安裝精度以及攝像機(jī)安裝架的精度；選用高品質(zhì)紅外二極管保證成像光點盡量為圓形；為達(dá)到更好的效果矩心處的二極管安裝時要高出三角形平面。

系統(tǒng)實現(xiàn)的測量范圍方位為180°，俯仰和橫滾各為90°，全視場范圍內(nèi)測量精度為0.5°。

3 結(jié)束語

在采用攝像法的頭部位置測量系統(tǒng)設(shè)計中，通過對攝像機(jī)采集的紅外二極管發(fā)光形成的圖像進(jìn)行處理，計算出三角形各個光點的位置，再通過計算得出三角形中心法線向量的向徑，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求出頭部視線位置，使頭部位置測量精度高，且測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。由于采用雙攝像機(jī)、雙紅外輻射器陣列圖形組成探測裝置，通過運用光點分群策略，系統(tǒng)自動識別計算用的三角形圖形，實現(xiàn)了在大角度時對頭部位置的測量，大大擴(kuò)展了頭部位置的測量范圍。并使擴(kuò)大角度探測范圍十分容易，例如只需增加2臺攝像機(jī)并適當(dāng)調(diào)整攝像機(jī)安裝角，即可實現(xiàn)覆蓋方位360°的探測視場。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高，頭部位置探測范圍大，測量精度達(dá)到要求。

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Design of the Measuring System of the Head Position Based on the Video Recording Method

YANG Cheng，ZHA Guang-dong

(,464000,)

In order to realize the accurate measurement of the head position, a measuring system of head position based on the video recording method that is composed of a CCD solid camera and an infrared radiator array is designed. The head position is calculated by the software to deal with the sampling video. The grouping method of luminous points and the confirming tactics of the calculating triangle are discussed and the calculation method of the coordinates of head position is given. Because of adopting pairs of camera and pairs of infrared diode array, measurement of head position on a large scale is realized. Application indicates that the system structure is simple and its dependability is high. The measuring range and precision of the head position meet the requirement.

infrared figure，video recording method，position of head，figure process，grouping of luminous points，measuring field，position coordinate

TN216

A

1001-8891(2015)12-1005-06

2015-04-24；

2015-12-01.

楊成（1964-），男，浙江寧波人，學(xué)士，副教授，主要研究方向是光電技術(shù)應(yīng)用。