張 明，劉勝道，趙文春，周國華，高俊吉

?

基于圖像匹配定位技術的艦船航跡測量方法研究

張 明，劉勝道，趙文春，周國華，高俊吉

(海軍工程大學電氣工程學院，武漢430033)

艦船磁場動態(tài)檢測中需要對艦船進行遠距離高精度的航向和位置測量。根據(jù)圖像成像原理以及圖像處理技術，提出了一種新的基于圖像匹配定位的艦船航跡測量方法，當艦船通過測量區(qū)域時，兩臺攝像機對其進行同步拍攝然后將數(shù)據(jù)傳輸至主機，利用MeanShift算法和SURF特征對數(shù)據(jù)進行處理從而得到艦船在不同時刻的三維坐標，最終確定其航向和位置。實驗結果表明，在50米左右的拍攝距離下實驗誤差在0.1米左右，滿足對艦船航跡進行測量的要求。

磁場動態(tài)檢測GPS 全站儀 圖像匹配定位

0 引言

艦船磁場檢測按照檢測時艦船的狀態(tài)可分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩類，艦船磁場動態(tài)檢測是指在艦船與磁傳感器陣列相對運動的情況下測量磁場，一般是在檢測站布設一組磁傳感器，當艦船緩慢通過測量區(qū)域時，測磁系統(tǒng)自動采集艦船磁場[1]。但是為了獲取測量點相對于艦船中心的位置信息，同時需要采用GPS或者全站儀等定位裝置對其進行航跡測量[2]，然后將航跡傳輸?shù)街髡具M行數(shù)據(jù)處理，最終判斷出艦船是否需要進行消磁處理。

1 基于GPS的艦船航跡測量系統(tǒng)

隨著目前載波測量技術的不斷發(fā)展進步，利用實時動態(tài)載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術計算載體姿態(tài)信息的高精度測量產(chǎn)品已經(jīng)趨于成熟，目前其測量精度已經(jīng)可以達到厘米級[3]。文獻[4]建立了一套基于RTK技術的遠程動態(tài)航向船位測量系統(tǒng)，圖1為該系統(tǒng)各主要硬件的組成情況。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理中心、流動站狀態(tài)監(jiān)測終端、載波相位定位基站、載波相位測姿定位流動站等部分組成。

圖1 基于GPS的艦船航跡測量系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)的工作流程為：首先由基站里面的GPS接收機將計算出來的基站的位置數(shù)據(jù)和載波相位的觀測值以及流動站上面GPS測姿定位接收機測量到的艦船的航向和載波相位的觀測值通過RS232串口發(fā)送給串口以太網(wǎng)協(xié)議轉換設備；然后串口以太網(wǎng)協(xié)議轉換設備將這兩部分數(shù)據(jù)通過光纖傳送到數(shù)據(jù)處理中心；最后數(shù)據(jù)處理中心利用事先測量得到的高精度基站天線坐標和接收到的兩路載波相位觀測值，組成差分觀測值進行實時處理，最終將得到的高精度流動站位置以及航向數(shù)據(jù)提供給用戶動態(tài)測磁控制臺使用[4]。

該系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：第一，該系統(tǒng)定位精度高，為后續(xù)的艦船磁場分析打下了堅實的基礎；第二，目前的GPS商品化程度高，設備可以直接使用；第三，對設備應用范圍的約束條件較少，在各港口、碼頭大都可以使用。但是該系統(tǒng)也有以下幾個方面的不足：第一，該系統(tǒng)價格高，且數(shù)據(jù)的傳輸以及處理不方便；第二，基站GPS天線安裝時要求周圍環(huán)境沒有大的遮擋物且高度盡量高一些，防止GPS信號被遮擋或者干擾；第三，流動站天線安裝時同樣要求周圍無遮擋，同時要求它們的相位中心位于艦船的艏艉線上，且兩者之間相距一定的距離[4]；第四，由于各點之間孤立，不構成檢驗條件，因此各坐標之間接收精度的可靠性無法驗證[5]；第五，流動站需要在艦船靠岸停泊以后派人到艦船上安裝，然后讓艦船駛出并且通過特定的測量區(qū)域，測試完成以后還要再將其回收，使得整個系統(tǒng)的應用十分不便，嚴重影響工作效率。

2 基于全站儀的艦船航跡測量系統(tǒng)

全站型電子測速儀（簡稱全站儀）是由電子測角、電子測距、電子計算和數(shù)據(jù)存儲單元等組成的三維坐標測量系統(tǒng)，是一種常規(guī)的測量儀器[6]，不僅具有光學儀器高精度測量的特點，還具有目標自動追蹤的功能，同時全站儀可以將測量的數(shù)據(jù)通過接口直接傳輸?shù)诫娔X上，提高了工作效率。

文獻[2]提出了一種基于全站儀的艦船航跡測量系統(tǒng)。其系統(tǒng)結構與基于GPS的艦船航跡測量系統(tǒng)幾乎一樣，只是將流動站的GPS測姿定位接收機換成了棱鏡，因為全站儀可以在設備終端直接將數(shù)據(jù)導出，所以流動站與基站都不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O備，同時系統(tǒng)其他部分幾乎保持不變。

該系統(tǒng)的工作流程為：首先提前在艦船上安裝目標棱鏡，同時將全站儀安裝在檢測站的某一固定位置；當艦船緩慢地通過磁場傳感器區(qū)域時，全站儀能夠自動記錄艦船的位置，這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上以后再利用坐標轉換即可推算出艦船相對于傳感器的位置。

該系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：第一，它有著GPS定位機不具備的一些優(yōu)點，如不需要衛(wèi)星信號，因此可以在比較封閉的環(huán)境下測量；第二，全站儀價格相對較低，觀測數(shù)據(jù)直觀，數(shù)據(jù)處理簡單，操作方便[2]。但是該系統(tǒng)也有以下幾個方面的不足：第一，該系統(tǒng)操作時光線不能太弱；第二，該系統(tǒng)受地形和人為因素的影響較大[7]；第三，棱鏡的安裝與拆卸都需要派專人到艦上進行操作，嚴重影響工作效率。

3 基于圖像匹配定位技術的艦船航跡測量系統(tǒng)

隨著視頻監(jiān)控的普及與應用，智能視頻監(jiān)控技術也隨之應運而生，運動目標檢測與跟蹤技術就是其重要的組成部分。運動目標檢測與跟蹤技術就是將運動目標從背景圖像中提取出來，然后對目標進行跟蹤和定位，從而滿足不同用戶的各種需求。

目前對圖像匹配的定位精度要求越來越高，雙目視覺也因此得到了較大的發(fā)展。雙目視覺模擬人類視覺，采用雙攝像機從不同角度獲取同一目標的數(shù)字圖像從而重建其形狀和位置，定位精度大大提高，因此該技術在移動機器人的感知控制上起到了重要作用。

3.1 攝像機內外參數(shù)求解

圖2為攝像機成像示意圖，根據(jù)成像投影原理可以得出像素平面坐標系與圖像平面坐標系、攝像機坐標系以及世界坐標系之間的關系[8]：

圖2 攝像機成像示意圖

3.2 圖像匹配算法

由于MeanShift算法具有很高的運行穩(wěn)定性，能夠適應目標形狀、大小的連續(xù)變化，而且計算速度很快、抗干擾能力強，能夠保證系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性；而SURF特征是SIFT特征的一種改進，主要是在特征提取的執(zhí)行效率上，比SIFT運行更快。因此，特征定位與跟蹤這一塊采用MeanShift算法結合SURF特征進行目標的跟蹤與特征的匹配。

首先用MeanShift算法跟蹤圖像中存在目標的區(qū)域，得到目標在圖像中的位置后，在存在目標的圖像區(qū)域內計算目標的SURF特征，對每一像片進行SURF特征提取，然后將這些特征進行匹配，從而得到多片之間的同名像點，對匹配出來的同名點利用多片空間前方交會計算各匹配點在物方中的坐標。

3.3 系統(tǒng)組成

圖3為基于圖像匹配定位的艦船航跡測量系統(tǒng)的示意圖：

圖3 基于圖像匹配定位的艦船航跡測量系統(tǒng)的示意圖

對于艦艇位置的實時動態(tài)監(jiān)測，需要至少兩個攝像機對待測目標進行同步拍攝，獲取具有同名特征的立體像對，并完成目標的立體影像匹配和實時定位重建。在數(shù)據(jù)傳輸接口方面，由于GigE在帶寬、線材長度和多攝像機功能方面提供了極大的技術靈活性，同時能夠解決攝像機在架設時附近可能沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)接收設備并且需要遠距離傳輸通信等實際問題，所以選用GigE Vision千兆網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸接口。同時海平面的高度由于潮汐作用并不是風平浪靜的，總是高低不平，當有風時更是如此，為了保證測量的精度可使用潮汐計（或其他方法）實時測量水域海平面高度。

3.4 誤差分析

1）雙目攝像機在架設時需要考慮攝像機的擺放位置。當雙目視覺系統(tǒng)取對稱式結構、攝像機光軸保持平行時總體的測量誤差較小[9]，但是由于現(xiàn)實場地的限制以及設備的安裝調試，攝像機的位置并不能保證左右對稱以及其光軸保持平行；

2）在成像過程中并不是像想象中的那么完美，實際上鏡頭在加工過程中會產(chǎn)生各種誤差，同時鏡頭的畸變同樣會對成像造成一系列的影響，另外圖像的主點坐標也會在攝像機與鏡頭的安裝、使用時產(chǎn)生一系列的偏差[10]，這些誤差都不可能完全避免，只能在攝像機標定過程中盡可能的彌補；

3）攝像機像面上的實際成像存在光學畸變誤差。攝像機實際成像的光學畸變誤差主要由偏心畸變、薄棱鏡畸變和徑向畸變所引起的[11]。Tsai認為在對攝像機進行標定的過程中如果考慮過多的非線性畸變，則反而會引入過多的非線性參數(shù)導致求解結果不穩(wěn)定，降低攝像機的標定精度[12]，因此在標定過程中只需考慮徑向畸變對成像的影響。

4 實驗驗證

為了驗證基于圖像匹配定位技術的艦船航跡測量系統(tǒng)的可行性，開展了一次模擬實驗，由于場地有限，因此選用短焦鏡頭對50米左右的物體進行拍攝，分析比較目標位置的計算值與GPS測量值之間的誤差。實驗過程為：首先在實驗室內進行攝像機的內參數(shù)標定，攝像機分別選擇3個位置對已測量好的標靶拍攝足夠多的相片，篩選出可以進行解算的相片，多次計算攝攝像機的內參數(shù)，取最優(yōu)效果作為攝像機的內參數(shù)；第二，在某學校田徑場上進行攝像機外參數(shù)標定，利用全站儀來測量各標靶位置，采用區(qū)域網(wǎng)平差方法對其進行解算，多次計算攝像機的外參數(shù)，取最優(yōu)效果作為攝像機的外參數(shù)；第三，在田徑場布設多個實驗目標，采用GPS測量其位置，最后與圖像處理軟件解算出來的目標在世界坐標系里的坐標進行分析比較。實驗結果表明，在50米左右的拍攝距離下實驗誤差在0.1米左右。

（a）實驗設備

（b）相機標定

（c）標靶定位1

（d）標靶定位2

圖4 實驗過程示意圖

5 結束語

基于GPS的艦船航跡測量系統(tǒng)與基于全站儀的艦船航跡測量系統(tǒng)在實際的操作過程中需要有專人提前到艦船上安裝測量設備，測量完成以后再將設備帶回以便下一次的測量，這極大的降低了工作效率。針對這個問題提出了基于圖像匹配定位的艦船航跡測量系統(tǒng)，此次實驗作為驗證性實驗選擇的攝像機的分辨率只有500萬像素，影響了該系統(tǒng)的定位誤差，但是就目前實驗結果而言該系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足對艦船航跡進行測量的要求。該方法對艦船進行磁場動態(tài)檢測時無需被測艦艇的配合，在工作效率上有了較大的提高，同時該方法也可用于測量外國海軍艦艇的磁場，從而掌握其磁場特征，具有重大的軍事意義與應用價值。

本文僅對基于圖像匹配定位的艦船航跡測量系統(tǒng)進行了短距離驗證，下一步將根據(jù)應用場景選擇合適的攝像機以及鏡頭，分步驟進行中遠距離（200米左右）以及遠距離（1000米）的實驗，為基于圖像匹配定位技術的艦船航跡測量方法的實用化奠定基礎。

[1] 喻洲．消磁站磁傳感器陣列電磁定位技術研究[D] ．武漢：海軍工程大學，2013．

[2] 李金祿，張連嵩，鄭永良，等．Trimble全站儀在動態(tài)測磁工程中的應用[J]．船電技術，2013，33（6）：51-53．

[3] 許江寧，朱濤，卞鴻?。瓽PS姿態(tài)測量技術綜述[J]．海軍工程大學學報，2003，15（3）：17-22．

[4] 傅軍，朱濤，肖騫．艦船消磁遠程動態(tài)航向船位測量系統(tǒng)設計[J]．計算機測量與控制，2010，18（11）：2462-2464．

[5] 黑志堅，周秋生，曲建光，等．GPS RTK測量成果的精度估計及應用探討[J]．哈爾濱工業(yè)大學學報, 2006,38 (8)：35-38．

[6] 劉偉．GPS全站儀在礦山中的應用[J]．中國科技信息, 2009,（6）：70-72．

[7] 劉局明，劉小梅，李榮輝．談全站儀特點及其在測量中的應用[J]．科技信息，2011,（18）：8．

[8] 張廣軍．視覺測量[M]．北京：科學出版社，2008：102．

[9] 劉瓊，秦現(xiàn)生，應申舜，等．雙目視覺測量系統(tǒng)結構參數(shù)設計及精度分析[J]．中國機械工程，2008,19（22）:2728-2732．

[10] 姜雨彤．雙目測距系統(tǒng)及標定方法研究[D]．長春：長春理工大學, 2013．

[11] 馬巖．基于RAC標定法的CCD攝像機參數(shù)標定技術研究[J]．光學儀器，2012，25（2）：112-114．

[12] RY Tsai．An efficient and accurate camera calibration technique for 3D machine vision，In：Proceeding of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition，1986：364-374．

Study on Measurement Method of Warship Track Based on Image Matching and Localization Technology

Zhang Ming，Liu Shengdao，Zhao Wenchun，Zhou Guohua，Gao Junji

（College of Electrical Engineering, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China）

U666.134

A

1003-4862（2017）09-0001-04

2017-05-15

國家自然科學基金（51377165）

張明（1992-），男，碩士。研究方向：電氣工程。