李寧寧，陳海洋，馮 曼，陳 貝

（中國飛行試驗研究院 技術(shù)中心測試所，陜西 西安 710089）

引言

在飛行試驗中，通常采用單臺或者2 臺高速像機進行攝影測量以計算目標的運動參數(shù)[1]，且拍攝目標、圖像獲取設(shè)備與工作人員在同一空間下，工作人員通過近距離操作即可完成高速像機的控制。在某型機的科研試飛過程中，由于空間限制，工作人員無法通過直視方式獲取影像，且需要在同一空間不同時間段獲取該型機多目標起飛著陸段高精度位移、速度、軌跡等試飛數(shù)據(jù)，因此在跑道兩側(cè)以及平臺高處布設(shè)了多臺不同類型高速攝影測量像機以及監(jiān)控像機，通過分布式網(wǎng)絡(luò)完成實時監(jiān)控以及事后數(shù)據(jù)分析，為飛機設(shè)計定型及飛行員培訓提供數(shù)據(jù)支持。

1 多維立體化高速攝影測量系統(tǒng)

多維立體化攝影測量系統(tǒng)[2]以高速攝影測量系統(tǒng)為主，遙測傳輸系統(tǒng)[3]、分布式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)[4]、機載測試系統(tǒng)等為輔。其中高速攝影測量系統(tǒng)主

要由攝像機控制及參數(shù)加載單元、影像獲取單元、影像數(shù)據(jù)卸載單元、高速攝影測量圖像與數(shù)據(jù)分析解算單元、高速影像壓縮存儲單元5 大部分組成，如圖1所示。

圖1 高速攝影測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of high-speed photogrammetry system

測量坐標系歸一化及多攝站融合處理[5]單元完成不同數(shù)據(jù)源的時域統(tǒng)一與空間坐標歸一[6]；高速攝影測量圖像及數(shù)據(jù)分析解算單元[7]采用攝影測量算法以及數(shù)據(jù)處理方法[8]實現(xiàn)課題需求的圖像解析。

為了確保大范圍內(nèi)的高精度測量，采用8 臺高速攝像機進行接力拍攝，并保證銜接部分具有足夠的重疊區(qū)[9]。如圖2所示是8 臺高速攝影測量站點分布圖，其中A01～A07 完成平臺與飛機接觸面的影像獲取，A02 分別與A01、A03 具有60度夾角的交匯區(qū)，A04 分別與A03、A05 具有60 度夾角的交匯區(qū)，B01 完成中層空間的模擬視頻獲取[10]，其采用短焦距、拼接靶面實現(xiàn)大范圍視場覆蓋。

圖2 多維立體化高速攝影測量站點分布圖Fig.2 Distribution diagram of multidimensional and stereoscopic high-speed photogrammetry stations

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 基于遙測實時多源信息的高速像機智能控制

2.1.1 影像獲取設(shè)備的工作模式

飛行試驗中采用具有觸發(fā)功能的高速像機，在正式開始任務(wù)之前，根據(jù)任務(wù)的具體特點（包括飛行速度、拍攝視場等）設(shè)置像機的觸發(fā)點[11]。如圖3所示，在觸發(fā)點之前內(nèi)存會以隊列的方式循環(huán)更新，之后繼續(xù)沿著時間軸進行存儲，保證像機存儲的視頻圖像連續(xù)完整。

圖3 高速像機工作模式Fig.3 Working mode of high-speed camera

2.1.2 無關(guān)聯(lián)信號的觸發(fā)判據(jù)研究

2.2 像機誤觸發(fā)研究

高速像機觸發(fā)后，工作站每秒提取5 幀視頻進行圖像處理，計算每幀圖像灰度值H以及清晰度P。H的計算方法為從高速像機的視頻流中獲取單幀圖像后，提取每個像素的RGB 數(shù)據(jù)，計算每個像素的灰度值，并疊加。其中灰度計算如（2）式。

設(shè)置f(x,y)為像素坐標(x,y)處的灰度值，通過（3）式中計算圖像的清晰度。

將順序得到的第1 幀與第2 幀灰度值H進行相減得到ΔH,同樣的方式得到 ΔP。依次計算10 幀圖片，設(shè)置門限值，ΔH累計值超出門限值時輸出標志量A，ΔP累計值超出門限值時輸出標志量B，同時出現(xiàn)標志量A 和標志量B 后，告警信號觸發(fā)，提醒工作人員進行補償操作。

2.3 基于組播的高速像機測試影像遠程智能卸載技術(shù)

將8 臺攝像機與相應(yīng)的分控計算機通過交換機組網(wǎng)連接[13]，如圖4所示。其中高速攝像機1 至8 通過千兆網(wǎng)絡(luò)輸出端口與交換機連接，分控計算機1 至8 通過千兆網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口卡也與交換機連接，同時將主控計算機、大容量高速磁盤陣列（容量12 T）通過千兆網(wǎng)接口接入千兆網(wǎng)交換機，搭建完成系統(tǒng)鏈路[14]。

圖4 系統(tǒng)連接圖Fig.4 System connection diagram

高速攝像機陣地拍攝完成后，操作人員根據(jù)拍攝時長、有效圖像幀數(shù)與存放的內(nèi)存位置填寫相應(yīng)軟件的指令網(wǎng)絡(luò)包，并通過組播模式在主控網(wǎng)中進行發(fā)布。各臺分控計算機通過主控網(wǎng)組播模式接收到該指令網(wǎng)絡(luò)包，以事前規(guī)定好的格式提取其中的拍攝時長、有效圖像幀數(shù)與存放位置，并考慮各臺站點位置、角度、幀數(shù)區(qū)別，計算出自身的下載指令，并執(zhí)行指令。下載數(shù)據(jù)直接從IP 地址下載至磁盤陣列[15]。利用組播技術(shù)，完成高速像機測試影像遠程智能卸載，使8 臺高速像機在完成觸發(fā)拍攝任務(wù)后，不經(jīng)過人為干預(yù)，自動將視頻數(shù)據(jù)下載到8 臺不同的工作站中。

3 應(yīng)用效果

本文研究的多維立體化高速攝影測量系統(tǒng)實時精準控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于某型機飛行試驗試飛定型中。最終實現(xiàn)了8 臺高速像機的遠程精準控制，在起飛著陸高頻工作狀態(tài)的情況下，可實時完成跑道中線方向以理想著陸點為原點，-51 m～145 m范圍的測量，（-51 m～24 m）段高度測量范圍為0～8 m，（24 m～145 m）段高度測量范圍為0 ～5 m；偏心測量范圍-5 m～5 m（以跑道中線為零點）?？臻g測量精度：航向測量誤差＜0.1 m；高度測量誤差＜0.05 m；偏心距測量誤差＜0.15 m。如圖5（a）所示是（-30 m，30 m）下滑線上實現(xiàn)某特征局部位置的高值，其中豎直線指示飛機著陸的理想?yún)^(qū)域。圖5（b）所示是主輪著陸階段30 架飛機著陸點位置以及相應(yīng)的偏心距離。圖5（c）為30 架飛機右輪落點位置以及相應(yīng)的偏心距離，圖5（d）為30 架飛機右輪脫離平臺位置以及相應(yīng)的偏心距離，飛行期間誤觸發(fā)率降低至0.76%。

圖5 多維立體化高速攝影測量系統(tǒng)實測結(jié)果Fig.5 Measured results of multidimensional and stereoscopic high-speed photogrammetry system

4 結(jié)論

本文研究了多維立體化高速攝影測量系統(tǒng)實時精準控制技術(shù)，首次設(shè)計并搭建了以高速攝影測量系統(tǒng)為主，遙測傳輸系統(tǒng)、分布式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、機載測試系統(tǒng)等為輔的多維立體化攝影測量系統(tǒng)?；跓o線有線雙模式結(jié)合的方式實現(xiàn)了機載、動平臺等多源信息的獲取，通過分析研究高速像機的工作模式，設(shè)計了無關(guān)聯(lián)信號的觸發(fā)判據(jù)算法，并通過圖像處理的方法解決了像機誤觸發(fā)問題，誤觸發(fā)率降低至0.76%，大大降低了像機誤觸發(fā)概率，基于分布式組網(wǎng)完成了8 臺高速像機的遠程實時控制與海量數(shù)據(jù)的實時卸載，實現(xiàn)高速攝影測量系統(tǒng)的智能化，高效完成了某型機動平臺高速攝影測量的實時精準控制。