杜 雪，余俊松，王 端，王邦宇

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州450047）

1 概述

雙目視覺技術(shù)以其非接觸性、測量精度高及響應(yīng)速度快等特點，在三維建模、質(zhì)量監(jiān)控、目標(biāo)識別、非接觸式面形測量等方面迅速發(fā)展，其應(yīng)用正逐漸滲透到航空航天、軍事裝備、生物醫(yī)療、工業(yè)測量和自動化控制等諸多領(lǐng)域[1]。將雙目立體視覺與高速運(yùn)動目標(biāo)識別技術(shù)相結(jié)合，能夠監(jiān)測高速運(yùn)動小目標(biāo)的運(yùn)動軌跡、相對位移、運(yùn)動速度、射向散布等飛行數(shù)據(jù)，在高速運(yùn)動體的飛行數(shù)據(jù)測量方面具有重要的研究意義。

2 測量原理

2.1 圖像高速獲取技術(shù)

當(dāng)前，為獲得高速運(yùn)動物體的飛行數(shù)據(jù)（位移、姿態(tài)、速度、角度等），往往采用高速攝像機(jī)/高速相機(jī)設(shè)備來高速拍攝記錄物體的運(yùn)動過程，并生成影像或系列圖像數(shù)據(jù)，高速攝像機(jī)/高速相機(jī)一般由鏡頭、機(jī)身、感光芯片（CCD 或CMOS）、快采電路、高速閃存、電子快門以及時鐘發(fā)生器等部分組成。常見的高速相機(jī)有英國IX Camera 公司的iSpeed 系列高速相機(jī)、美國VRI 公司的Phantom 系列高速相機(jī)、日本Phonton 公司的Y 系列高速相機(jī)[2]。

2.2 非接觸式光學(xué)攝像被動式測量技術(shù)

近年來隨著光學(xué)及電子元器件的廣泛應(yīng)用，非接觸式測量技術(shù)迅速發(fā)展。非接觸式測量技術(shù)具有高效、對被測目標(biāo)無破壞性、測量距離大等優(yōu)點，可以對目標(biāo)進(jìn)行動態(tài)或靜態(tài)的測量。非接觸式測量可以遠(yuǎn)距離非破壞性地對待測物體進(jìn)行測量而不需要與待測物體接觸。非接觸式測量中主要采用的方法是光學(xué)非接觸式測量法[3]。

光學(xué)測量是高速運(yùn)動小目標(biāo)位移、姿態(tài)、速度、角度等飛行數(shù)據(jù)測量的重要手段之一，具有客觀、準(zhǔn)確等特點，在航空航天領(lǐng)域、武器裝備研制等試驗及應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。利用高速攝像機(jī)等光學(xué)測量設(shè)備可以跟蹤拍攝得到待測物體飛行過程的一系列圖像，對這些圖像進(jìn)行分析，就能獲得待測物體的飛行位移、姿態(tài)、速度、角度等重要參數(shù)。

根據(jù)獲取目標(biāo)三維信息的基本方法，光學(xué)非接觸式三維測量技術(shù)可分為主動式和被動式兩大類，如圖1 所示。

主動式是利用特殊的受控光源即主動光源照射被測物體，根據(jù)主動光源的幾何、物體、光學(xué)等已知結(jié)構(gòu)信息獲取被測物體的三維數(shù)據(jù)。被動式是在自然光或室內(nèi)可控照明光條件下，通過高速攝像機(jī)拍攝的二維灰度圖像來獲取被測物體三維數(shù)據(jù)。

圖1 光學(xué)測量方式

由于被動式?jīng)]有特殊的受控光源，無需復(fù)雜的光源設(shè)備，且更接近人類視覺習(xí)慣，因此，本文采用光學(xué)被動式三維測量。光學(xué)被動式三維測量是從一個或多個高速攝像機(jī)拍攝的二維圖像中獲取距離信息，從而形成三維數(shù)據(jù)，即單目、多目視覺[4]。用兩個或多個高速攝像機(jī)拍攝的不同視覺方向的二維圖像，將序列圖像通過相關(guān)匹配等運(yùn)算方法可以重建被測物體的三維構(gòu)型。

2.3 高速攝像測量技術(shù)

高速攝像是一種光學(xué)測量技術(shù)，利用光對物體的反射、透射、折射、衍射等特性，觀察事物的變化規(guī)律。高速攝像作為現(xiàn)代光學(xué)測量的重要手段，能夠提供高速運(yùn)動小目標(biāo)飛行過程與姿態(tài)變化的大量細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，分析高速攝像機(jī)所記錄的圖像可以得到被測目標(biāo)的定量飛行數(shù)據(jù)，廣泛地應(yīng)用于高精度運(yùn)動測量領(lǐng)域，與常規(guī)的攝像測量設(shè)備相比，高速攝像機(jī)具有測量數(shù)據(jù)動態(tài)范圍更廣、準(zhǔn)確度更高、參數(shù)更全面、內(nèi)容更豐富等優(yōu)點[5]。與高速攝像對應(yīng)的三維圖像分析技術(shù)迅速發(fā)展，高速攝像三維圖像分析技術(shù)分為高速相機(jī)標(biāo)定、圖像顯示、目標(biāo)自動跟蹤、多目標(biāo)匹配、三維姿態(tài)處理等步驟。

2.4 雙攝像機(jī)三維交會測量原理

假設(shè)P 為空間坐標(biāo)系owxwywzw下的被測物點，O1，O2，O3分別為三個攝像機(jī)光心，P1，P2，P3分別為待測物點P在三個高速攝像機(jī)拍攝像面上的像點，如圖2 所示。

圖2 高速攝像機(jī)三維測量原理圖

根據(jù)理想針孔成像模型，任一臺高速攝像機(jī)關(guān)于被測物點P 的像點Pi、光心Oi和被測物點P 三點共線，像點Pi圖像坐標(biāo)（xi，yi）與被測物點P 的空間坐標(biāo)（xw，yw，zw）滿足共線方程。

式中：f 為攝像機(jī)焦距；r11，r22，r33和tx，ty，tz是由高速像機(jī)外部參數(shù)決定的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量中的元素，以上這些參數(shù)可通過特定的攝像機(jī)標(biāo)定方法確定。

被測物點、攝像機(jī)光心、攝像機(jī)圖像上對應(yīng)像點處于同一條光線上且滿足共線方程，這意味著由單個攝像機(jī)得到的圖像只能確定出目標(biāo)點所在的一條直線。為了確定被測物點的空間坐標(biāo)，使用不同位置的兩臺高速攝像機(jī)對被測物點成像，可各自確定出一條通過被測物點的直線，兩條直線的交點即為被測物點的位置，這就是線-線交會，也是雙攝像機(jī)三維交會測量目標(biāo)點空間位置的基本原理。

用最小二乘方法可以求解X、Y、Z，即得到了目標(biāo)點的空間位置。通過圖像處理分析提取目標(biāo)上的線特征（圖像平面內(nèi)），同攝像機(jī)光心共同確定一個平面，兩個攝像機(jī)確定的兩個平面交線即是目標(biāo)的空間線，這就是面-面交會，是雙攝像機(jī)三維交會測量目標(biāo)三維姿態(tài)的基本原理。

3 高速運(yùn)動體飛行數(shù)據(jù)測量方法

3.1 正交高速攝像機(jī)標(biāo)定方法

高速攝像機(jī)標(biāo)定是通過攝影測量標(biāo)定技術(shù)解算共線方程組的相關(guān)未知參數(shù)的過程[6]，而圖像標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)備是高速攝像機(jī)3D 標(biāo)定過程中所使用的基準(zhǔn)源，具體標(biāo)定方法如下：

（1）將圖像標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)備架設(shè)在運(yùn)動目標(biāo)的飛行方向上，控制調(diào)節(jié)基準(zhǔn)標(biāo)定模板使其位于兩臺高速攝像機(jī)的光軸交匯處，并使標(biāo)定模板的中心垂線與兩臺攝像機(jī)的光軸位于同一個平面上，此時兩臺攝像機(jī)同步拍攝一張照片。

（2）控制調(diào)節(jié)標(biāo)定模板沿著中心垂線平行移動（上移動兩次、下移動兩次），每次移動的距離在5mm～10mm 之間（該距離通過支架上的標(biāo)尺精確獲得），每次兩臺攝像機(jī)均同步拍攝一張照片。

圖3 正交高速攝像機(jī)標(biāo)定過程示意圖

（3）將標(biāo)定模板復(fù)位后，控制調(diào)節(jié)標(biāo)定模板旋轉(zhuǎn)（順時針旋轉(zhuǎn)兩次、逆時針旋轉(zhuǎn)兩次），每次旋轉(zhuǎn)的角度在5～10°之間（該角度通過支架上的高精度角度傳感器精確獲得），每次兩臺攝像機(jī)均同步拍攝一張照片。

（4）利用鷹眼3D 專業(yè)分析軟件對這9 張照片進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定計算，從而建立攝像機(jī)的三維計算基礎(chǔ)模型，即完成對高速運(yùn)動體飛行數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的標(biāo)定工作，標(biāo)定過程示意圖如圖3 所示。

3.2 測量流程

高速運(yùn)動體飛行數(shù)據(jù)測量首先要對發(fā)射系統(tǒng)的軸線位置進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定方法為：在全系統(tǒng)安裝固定完成的情況下，通過高強(qiáng)度激光系統(tǒng)對發(fā)射系統(tǒng)軸線及高速運(yùn)動體飛行基準(zhǔn)線進(jìn)行比對測量，判斷其系統(tǒng)誤差。通過正交高速攝像測量系統(tǒng)對軸心激光拍攝一張照片作為高速運(yùn)動體飛行數(shù)據(jù)測量的基準(zhǔn)。

在400mm×250mm 的拍攝視場內(nèi)，兩臺高速攝像機(jī)組成正交系統(tǒng)，在運(yùn)動體高速飛行過程中，通過電控或手動同步觸發(fā)攝像機(jī)記錄高速運(yùn)動體飛行過程圖像。測量結(jié)束后，將兩臺高速攝像機(jī)的圖像數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)絡(luò)傳遞到圖像處理工作站，并利用3D 圖像測量分析軟件分析判讀高速運(yùn)動體在X、Y 兩個方向上的系列飛行位置并進(jìn)而分析得到高速運(yùn)動體在某一特定飛行段的飛行數(shù)據(jù)（運(yùn)動軌跡或射向散布數(shù)據(jù)）。測量流程如圖4 所示。

4 測量精度與誤差分析

4.1 測量精度

（1）位移測量精度

在不考慮系統(tǒng)誤差源對攝像機(jī)的影響下，位移測量精度主要取決于高速攝像機(jī)的分辨率，設(shè)置分辨率為1280×800，攝像機(jī)拍攝窗口橫向視場Lc=400mm，在不使用軟件技術(shù)提高測量精度的情況下，硬件的位移測量精度計算如下：

圖4 測量流程圖

即在拍攝視場橫向尺寸為400mm 的情況下，位移測量精度為0.3mm，利用鷹眼3D 圖像軟件的亞像素定位分析方法，在圖像非常清晰的情況下，可以實現(xiàn)0.1～0.5 像素的定位精度，取鷹眼3D 軟件的定位精度為0.5個像素時，利用軟件結(jié)合硬件的測量精度，可以實現(xiàn)0.15mm 的位移測量精度。

（2）射向散布測量精度

在不考慮系統(tǒng)誤差源對攝像機(jī)的影響下，射向散布測量精度同樣主要取決攝像機(jī)的分辨率，根據(jù)位移測量精度的分析過程，可知在不不使用軟件技術(shù)提高測量精度的情況下，硬件對位置的定位精度為△d=0.3mm，目標(biāo)發(fā)射點距兩臺高速攝像機(jī)拍攝位置的距離為Ls=18000mm，射向角的測量由進(jìn)入和飛出兩幅畫面中目標(biāo)的位置連線和基準(zhǔn)線的位置確定，則射向散布的測量精度計算如下：

即角度的測量精度可達(dá)到0.033mrad，如果利用鷹眼軟件的亞像素定位分析方法，在圖像非常清晰的情況下，可以實現(xiàn)0.1～0.5 像素的定位精度，取鷹眼3D 軟件的定位精度為0.5個像素時，利用軟件結(jié)合硬件的測量精度，可以實現(xiàn)0.017mrad 的測量精度。

4.2 系統(tǒng)誤差分析

誤差按其性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，其中對系統(tǒng)測量精度影響較大的為系統(tǒng)誤差，對光學(xué)圖像測量系統(tǒng)來講，系統(tǒng)誤差主要包括光學(xué)成像誤差、計算方法誤差及標(biāo)定誤差；隨機(jī)誤差主要來源有圖像噪聲干擾、光源閃爍影響等[7-8]。

對高速運(yùn)動體飛行數(shù)據(jù)測量的主要誤差源有：熱電子噪聲、CMOS（CCD）性能、鏡頭畸變、溫度、振動、照明視場噪聲、標(biāo)定、圖像噪聲等。下面分別對這些誤差源進(jìn)行分析，并提出解決方法以滿足高精度測量的需求。

（1）熱電子噪聲：在CMOS（CCD）攝像機(jī)、A/D 轉(zhuǎn)換器和采集電路中均有大量的電阻性器件。由于熱電子起伏，產(chǎn)生熱電子噪聲。根據(jù)這種噪聲的特性可采用平滑濾波或多次測量取平均值的方法將噪聲的影響降低到0.5%左右。

（2）CMOS（CCD）性能：固態(tài)圖像傳感器由離散的光敏像素組成，一個像元的輸出可能被在其區(qū)域光的特殊分布及落在相鄰像元光量所影響，響應(yīng)的不均勻性一般為1%，為了在測量中實現(xiàn)高精度，通過計量校正可以將不均勻性引起的誤差由1%降低到0.3%左右。

（3）鏡頭畸變：考慮由缺陷鏡頭形狀引起的徑向位置誤差、由不合適鏡頭以及攝像機(jī)安裝所產(chǎn)生的徑向和切向誤差，該類誤差可由高精度標(biāo)定模板和優(yōu)化的軟件計算方法進(jìn)行鏡頭畸變標(biāo)定后克服，一般可將鏡頭畸變引起的測量誤差降低到0.3%～0.5%左右。

（4）溫度：溫度會影響CMOS（CCD）感光芯片的熱膨脹系數(shù)，一般攝像機(jī)的預(yù)熱漂移可達(dá)0.3個像素，為消除溫度的影響，首先必須在預(yù)熱以后再圖像采集，同時可采取保證環(huán)境溫度恒定的方法來消除溫度對系統(tǒng)硬件設(shè)備的影響。

（5）振動：可采用適當(dāng)?shù)恼駝痈綦x方法來減小隨機(jī)振動，如將攝像機(jī)的各測量部件置于隔振平臺上，同時提高快門的拍攝速率也可以減少振動所產(chǎn)生的影響。

（6）照明視場噪聲：采用專業(yè)軟件消除照明視場不均勻性的影響，在不降低系統(tǒng)測量精度的同時可降低對照明系統(tǒng)的要求。3D 分析軟件中的邊緣檢測十字窗口算法可很好的消除照明視場噪聲的影響，可將誤差影響降低到0.2%左右。

（7）標(biāo)定：標(biāo)定誤差是測量系統(tǒng)誤差中最重要的部分，因此在標(biāo)定過程中應(yīng)盡量保證標(biāo)定板移動后，標(biāo)定平面高度數(shù)據(jù)讀取的標(biāo)準(zhǔn)一致，標(biāo)志塊的邊緣以及靶標(biāo)點要保證清晰，以減少標(biāo)定的誤差。

（8）圖像噪聲：用濾波、平均值等方法對圖像進(jìn)行預(yù)處理，在解像的時候展開路徑繞過噪聲點，降低圖像噪聲對系統(tǒng)測量精度的影響。通過低通濾波對條紋圖進(jìn)行處理以盡可能減小甚至消除高頻噪聲對測量精度的影響。

5 結(jié)束語

本文研究了基于雙目視覺的高速運(yùn)動體飛行數(shù)據(jù)測量方法，通過非接觸式光學(xué)攝像被動式測量技術(shù)及雙攝像機(jī)三維交會測量原理，用兩臺正交高速攝像機(jī)對高速運(yùn)動小目標(biāo)拍攝圖像，基于圖像處理技術(shù)，從多幅二維圖像中提取目標(biāo)的位移和多個目標(biāo)的射向散布偏差角等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對高速運(yùn)動體飛行數(shù)據(jù)的測量。