远距离运动物体动态参数测试技术的理论和实验研究

论文题目: 远距离运动物体动态参数测试技术的理论和实验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 测试计量技术及仪器

作者: 张晓玲

导师: 林玉池

关键词: 双目立体视觉,光轴垂直,光轴平行,标定,立体匹配,三维轮廓测量,运动姿态,运行速度

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本研究为本实验室与二炮合作项目“导弹落地阶段动态参数测量技术的研究”的预研。本课题采用双目视觉立体成像技术,建立了适用于导弹航天测量的光电测量系统。在该测量系统中,摄像机以固定方式(非跟踪方式)对着预定空域,将光电经纬仪和弹道相机作用原理部分应用于解析摄影中,实现远距离运动物体的三维轮廓、运行姿态和运动速度的测量。该系统具有对硬件要求低,实现简单,成本低,精度较高,稳定性较高,运用范围广的特点。本论文主要完成以下研究工作:1.详细论述了简化的双目立体视觉测量系统,分别建立了光轴平行测量系统和光轴垂直测量系统的数学模型,并对高速摄像机参数选择进行了理论推导和选择。从光电经纬仪的测量原理及一般双目立体视觉测量系统分析出发,提出了简化的双目视觉系统,并分别建立了光轴平行测量系统和光轴垂直测量系统的数学模型。分析讨论了摄像机摆放位置与摄像机内部参数之间的关系。理论推导了测量用摄像机的内部参数的选择。通过实验,给出了当落弹范围要求不同时,摄像机摆放位置与摄像机内部参数之间的关系,给出了可选用的摄像机参数的部分数据。2.详细论述了两摄像机光轴平行和两摄像机光轴垂直时的摄像机标定方法。从理想透视原理出发,推导并建立了不考虑畸变的理想摄像机成像模型。在此基础上,论述了考虑径向和切向畸变的摄像机模型,并用罚函数法对畸变模型中的摄像机内外部参数进行了分析求解。详细研究了两摄像机光轴平行和光轴垂直的实现条件,并建立了相应的数学模型。通过实验,给出了左右CCD的内部和外部参数以及径向和切向畸变系数等标定结果,并分析了标定的误差,给出了两摄像机光轴平行和光轴垂直的标定图。结果表明,这种标定方法精度很高,X方向的标定误差最大只有±0.05pixel,Y方向的标定误差最大只有±0.07pixel。3.系统研究并分析了对远距离运动物体的图像进行边缘特征提取和立体匹配的方法,并给出了相应的解决方案。在研究三种常用的特征提取方法的基础上,提出以下特征提取方法:用灰度动态范围压缩方法对图像进行灰度预处理,用掩膜的方法将图像从背景中提取出来,用Sobel算子提取出图像的边缘信息。从摄像机的成像平面几何原理出发,用水平扫描线搜索的方法,得到匹配右像点的取值范围;用灰度相关与模板匹配相结合的方法,在取值范围内得到待匹配的右像点坐标;采用相关窗口方法对非边缘像点进行立体匹配,实现了远距离运动物体三维信息的恢复。应用水平顺序匹配约束策略对视差图进行误差检测与校正。通过实验,给出了不同被测物的边缘信息、视差图、经过校正的视差图以及恢复出的三维轮廓。4.详细研究讨论了在两种简化的双目测量系统中炮弹运行姿态和运动速度的求取方法。当采用两光轴平行系统时,利用运动目标表面点到弹轴的距离相等的原理,用最小二乘拟合法得到弹轴矢量。当采用两光轴垂直系统时,应用两种方法来求取弹轴矢量:一种是利用中轴线法推导出炮弹在两个CCD像面上所成的直线方程,通过透射原理得到弹轴矢量;另一种是利用光轴垂直原理求取弹轴矢量。从弹轴矢量出发,推导了姿态角的数学公式。应用三维插值方法,对立体匹配后得到的N个时刻坐标点进行插值,求取运行距离、平均速度。进行了求取炮弹模型在运动过程中的运行轨迹、运行姿态角、运动距离以及运动速度等运动参数的实验。实验结果表明,该测量方法具有较高的精度,能满足远距离运动物体运动参数的测量要求。

论文目录:

中文摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 靶场光电测量技术以及国内外发展现状

1.2.1 光电经纬仪

1.2.2 弹道相机

1.2.3 激光测量技术

1.2.4 激光测量技术的应用

1.3 双目立体视觉技术

1.3.1 摄像机的选择和图像获取

1.3.2 摄像机模型及标定

1.3.3 图像预处理和特征提取

1.3.4 立体匹配

1.3.5 三维信息恢复

1.3.6 深度插值

1.4 本课题研究的意义和主要内容

第二章 测量系统的建模以及摄像机参数的选择

2.1 引言

2.2 双目立体视觉测量系.统及其数学模型

2.3 简化的双目立体视觉系统结构

2.3.1 两摄像机光轴平行且等高时的简化模型

2.3.2 两摄像机光轴垂直且等高时的简化模型

2.4 摄像机位置选择

2.4.1 摄像机光轴平行且等高

2.4.2 摄像机光轴交叉

2.4.3 光轴垂直且等高时成像系统

2.5 摄像机参数的选择

2.5.1 光电经纬仪的摄像机选取条件

2.5.2 视场角选择

2.5.3 分辨率

2.5.4 像面照度

2.5.5 摄像机的景深

2.5.6 摄像机及其参数的选择

2.6 实验结果与分析

2.6.1 摄像机光轴平行情况

2.6.2 摄像机光轴垂直情况

2.7 本章小结

第三章 双目立体视觉测量系统的标定

3.1 引言

3.2 常用摄像机标定方法

3.3 光学畸变的摄像机模型分析

3.3.1 不考虑畸变时的摄像机模型

3.3.2 考虑镜头径向和切向畸变时摄像机模型

3.3.3 考虑畸变的单个摄像机标定

3.4 两摄像机光轴平行的标定

3.4.1 标定两摄像机光轴平行

3.4.2 标定两摄像机光轴等高

3.5 两摄像机光轴垂直的标定

3.5.1 标定两摄像机光轴垂直

3.5.2 标定两摄像机光轴等高

3.6 实验和分析

3.6.1 摄像机独立标定实验

3.6.2 标定两摄像机光轴平行实验

3.6.3 标定两摄像机光轴垂直实验

3.7 本章小结

第四章 特征提取及立体匹配的研究与实现

4.1 引言

4.2 特征提取的解决方案

4.2.1 边缘检测方法

4.2.2 区域提取方法

4.2.3 重心提取方法

4.2.4 特征提取的解决方案

4.2.4.1 灰度校正

4.2.4.2 边缘特征提取

4.3 立体匹配的约束准则及解决方案

4.3.1 常用的立体匹配方法

4.3.1.1 相关匹配法

4.3.1.2 特征匹配法

4.3.1.3 松弛合作算法

4.3.2 立体匹配策略及约束准则

4.3.2.1 立体匹配约束准则

4.3.2.2 外极几何约束

4.3.3 立体匹配的解决方案

4.3.3.1 匹配点搜索

4.3.3.2 立体匹配

4.3.3.3 视差图确定

4.4 视差图误差检测与校正

4.5 实验和分析

4.5.1 实验1

4.5.2 实验2

4.5.3 实验3

4.6 本章小结

第五章 远距离运动物体运行姿态及运动速度测量的研究

5.1 引言

5.2 速度测量原理及方法

5.2.1 区截装置测速法

5.2.2 多普勒测速法

5.2.3 光栅法激光测速

5.2.4 利用位置函数测速

5.3 姿态测量原理及方法

5.4 运动姿态角求取

5.4.1 两CCD 光轴平行时

5.4.1.1 质心求取

5.4.1.2 弹轴矢量拟合

5.4.2 两CCD光轴垂直时

5.4.2.1 两平面相交法求弹轴方程

5.4.2.2 根据光轴垂直的原理求弹轴方程

5.4.3 炮弹模型姿态计算

5.5 运动速度求取

5.5.1 空间位置节点的三维插值

5.5.2 求取平均速度

5.6 实验和分析

5.6.1 光轴平行时

5.6.2 光轴垂直时

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

论文完成的主要工作

工作中的主要创新点

工作的下一步展望和计划

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况

致谢

发布时间: 2007-07-10

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