呂事桂 劉江雪 何四華 李建起

（92941部隊44分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

脫靶量測量對于鑒定和評估攻擊性武器的性能起著關(guān)鍵的作用，在測量任務(wù)中通常需要進行脫靶量測量［1～5］。要完成實時高精度的脫靶量測量，必須選取合適的測量方法和高可靠性、高精度的測量設(shè)備。其中，雙目立體視覺是計算機視覺中被廣泛研究與應(yīng)用的一個重要分支，該系統(tǒng)模擬人眼視覺系統(tǒng)實現(xiàn)場景重組［6～10］。雙目立體視覺系統(tǒng)相對于單目、多目視覺系統(tǒng)，綜合性能更好，具有較好的優(yōu)越性，而且可靠性較高，在諸多領(lǐng)域具有很髙的實際應(yīng)用價值。 本文針對靶標艦面環(huán)境復(fù)雜，海上末端脫靶量有效測量距離較小的實際情況，基于雙目視覺測量原理設(shè)計了一種靶載便攜短基線集成式全向雙目視覺矢量脫靶量測量系統(tǒng)。通過單攝像機移動確定基線對系統(tǒng)進行了驗證試驗，驗證了系統(tǒng)測量結(jié)果具有較好的置信水平。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

雙目立體視覺基于人眼光學(xué)成像系統(tǒng)，通過在不同視點拍攝同一場景，利用三角測量原理計算像素間的視差，實現(xiàn)二維圖像到空間三維物體的還原。如圖1 所示，典型的雙目立體視覺流程包括圖像獲取、攝像機標定、特征提取、立體匹配和三維重組五個部分［11～13］。

圖1 雙目立體視覺流程

圖像的獲取方式比較多，可以利用單個攝像機通過平移或旋轉(zhuǎn)獲取圖像，也可以利用雙攝像機在不用位置直接獲取，具體的獲取方式根據(jù)具體的條件決定，過程相對簡單。攝像機標定是以獲取攝像機內(nèi)外參數(shù)為目的，消除攝像機崎變影響，為三維重組提供數(shù)據(jù)，提離定位精度。特征提取部分是可選的，如果立體匹配部分采用了特征匹配，那么該部分就是必須的，常用的圖像特征有角點、特征點、灰度以及邊緣點等。立體匹配是為了獲得同一物點在左右視圖中的匹配點，匹配點的精度將直接影響重組的精度，對于整個系統(tǒng)來說相當重要，如何獲得精確的匹配點和正確的視差圖，是雙目立體視覺的難點和重點。三維重組是利用得到的視差圖及相關(guān)參數(shù)進行計算，對物體或者對場景進行可視化還原。

海上靶標為逼真模擬被攻擊目標，通常裝有目標特性模擬設(shè)備、干擾環(huán)境構(gòu)設(shè)設(shè)備等各類靶載設(shè)備，造成靶標艦面環(huán)境復(fù)雜，給雙目攝像機的精確安裝及其相對位置標定帶來極大的不便。另外，海上末端脫靶量的測量距離要求不大（一般在百米左右）。為此，系統(tǒng)設(shè)計成短基線便攜集成的形式，其靶載測量分系統(tǒng)如圖2 所示，主要由觸發(fā)授時裝置、同步控制器、全向雙目廣角圖像采集裝置、圖像采集及存儲系統(tǒng)等組成。

圖2 靶載測量分系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)工作原理如圖3 所示，工作過程中，靶載測量分系統(tǒng)安裝在海上靶標上，岸基布置遠端控制分系統(tǒng)實現(xiàn)遙控及監(jiān)視。由全向雙目廣角圖像采集裝置完成視景來襲目標的捕獲，視覺采集及存儲系統(tǒng)實現(xiàn)來襲目標過靶段圖像數(shù)據(jù)實時存儲記錄，遠端控制分系統(tǒng)通過無線信道實現(xiàn)靶載測量分系統(tǒng)的遙控控制。來襲目標過靶后，岸基監(jiān)控系統(tǒng)可通過圖像序列查找方式，對過靶時間段的雙目圖像進行壓縮回傳，并通過對回傳雙目圖像處理，實現(xiàn)過靶參數(shù)測量。

圖3 便攜式雙目視覺系統(tǒng)工作原理

3 系統(tǒng)測量模型及參數(shù)解算

系統(tǒng)選擇雙目橫向模型作為視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用對空視角安裝。超過水平面后的不可視來襲目標運動軌跡可根據(jù)前序圖像幀序列，通過視場內(nèi)來襲目標空間位置求解，實現(xiàn)過靶段來襲目標運動軌跡的數(shù)值擬合和估算。假設(shè)攝像機已經(jīng)標定好，忽略相機自身畸變，且左右相機的各對應(yīng)軸精確平行。這種情況下的測量原理可以借助圖4 來分析，這里給出兩鏡頭連線所在平面的示意圖。將攝像機坐標系疊加到第一個攝像機坐標系上，B 為兩攝像機之間的距離即基線，f1和f2分別為兩攝像機焦距?？臻g任意一點P（X，Y，Z）在兩攝像機坐標系下的坐標分別為P1（X1，Y1，Z1）和P2（X2，Y2，Z2），且Z= Z1= Z2。該點投影在兩圖像平面下的坐標分別為p1（x1，y1）和p2（x2，y2），兩攝像機的光軸與圖像平面的交點為相機的主點，坐標分別為（x10，y10）和（x20，y20）。

圖4 雙目橫向模型測量原理

根據(jù)坐標系轉(zhuǎn)換關(guān)系和小孔成像原理，可知在兩攝像機坐標系下存在如下關(guān)系：

令d=x-x0，整理得：

將上述關(guān)系轉(zhuǎn)換到攝像機坐標系即第一個攝像機的坐標系下，基線長度為B，則有：

得到：

因為左右兩攝像機各坐標軸精確平行，Z1=Z2=Z，解得深度公式：

若左右攝像機完全相同，即f1= f2=f，x10=x20=x0。令D=x2-x1為雙目視覺系統(tǒng)的視差，則上式簡化成：

同理根據(jù)坐標系轉(zhuǎn)換關(guān)系和小孔成像原理，有：

上式被稱為定位公式，可以獲取空間點的三維位置。

4 系統(tǒng)測量誤差分析

根據(jù)雙目立體視覺的測量原理分析，空間上任意一點的測量精度都應(yīng)是相同的。然而實際應(yīng)用中，系統(tǒng)必然受到硬件配置和圖像理解能力的限制，導(dǎo)致空間各點的實際測量精度不同。由雙目立體視覺的數(shù)學(xué)模型和深度公式，將空間點的三維坐標計算歸結(jié)為矢量函數(shù)關(guān)系式：

1）物點距離對測量精度的影響

假定攝像機已經(jīng)標定好，誤差傳遞系數(shù)：

Z方向測量精度為

若f1=f2=f，上式可以簡化為

物點距離越遠，測量誤差越大，而且測量精度與測量距離的平方成反比，即物體距離是影響測量精度的重要因素。

2）相機結(jié)構(gòu)對測量精度的影響

根據(jù)深度公式，分別對基線長度、相機標定焦距、攝像機主點求偏導(dǎo)：

當距離相同時，基線對測量距離的影響是線性的，設(shè)備基線距離越大，系統(tǒng)測量誤差越小。

上式表明，焦距對測量精度產(chǎn)生非線性影響，而且隨著d改變而變化。

攝像機光軸與圖像平面的交點稱為攝像機的主點。受相機制造技術(shù)和攝像機畸變的影響，相機主點與圖像幾何中心不重合。如果用圖像幾何中心代替相機主點進行測量，必然引入誤差。利用攝像機標定技術(shù)，可以求得主點坐標，這樣帶入計算可以大大提高測量精度。

3）圖像識別能力對測量精度的影響

雙目立體測量各個環(huán)節(jié)，包括目標識別及特征提取，進而獲得同一目標在雙目視覺的重疊視場中的位置，利用視差原理獲取物點深度信息。所以被測物點對應(yīng)兩攝像機上的像點坐標及其提取誤差，是影響測量精度的因素之一。

可見匹配點與相機主點的選取對測量結(jié)果的影響相同。在物點距離相同的情況下，匹配點與相機主點對測量精度的影響最為顯著。

5 試驗結(jié)果與分析

為了驗證系統(tǒng)測量的有效性，以單攝像機移動確定基線對便攜集成式雙目視覺系統(tǒng)進行了先期實測驗證，結(jié)果如表1 所示。試驗中，選取攝像機坐標系Z 軸方向距離0～10m、10m～20m、20m～30m、30m～40m、40m～50m、50m～60m、60m～70m 等距離范圍內(nèi)的空間點，空間點坐標測量值由矯正后的立體圖像對中手動提取角點。

表1 測試驗證數(shù)據(jù)

從表1 可知，測試結(jié)果數(shù)據(jù)總體較好，雖有部分數(shù)據(jù)偏差大于10%，但這主要是由于試驗過程中單攝像機移動確定基線，對測量結(jié)果引入了誤差，在系統(tǒng)采用雙目精準授時同步攝錄控制后，可消除基線誤差、攝錄不同步引入的測量影響，測量結(jié)果將會明顯得到改善。

6 結(jié)語

本文針對靶標艦面環(huán)境復(fù)雜、海上末端脫靶量測量有效距離要求低等工程應(yīng)用環(huán)境特點，基于雙目視覺測量原理設(shè)計了一種靶載便攜短基線集成式全向雙目視覺矢量脫靶量測量系統(tǒng)。通過單攝像機移動確定基線對系統(tǒng)進行實測驗證，結(jié)果表明測量結(jié)果具有較好的置信水平，系統(tǒng)采用雙目精準授時同步攝錄控制，在消除基線誤差、攝錄不同步等單攝像機移動帶來影響后，測量結(jié)果能得到顯著提高，滿足一般的工程應(yīng)用要求。