机载影像测量消抖技术研究*

张建花，柳　琦，聂荣华（　中国飞行试验研究院测试所，西安　70089；　中航工业第一飞机设计研究院强度所，西安　70089）

机载影像测量消抖技术研究*

张建花1，柳琦1，聂荣华2
（1中国飞行试验研究院测试所，西安710089；2中航工业第一飞机设计研究院强度所，西安710089）

针对飞行试验机载环境下摄像机或镜头的抖动影响影像测量精度的问题，提出了一种机载影像测量消抖算法。通过在同一帧画面内将运动目标和固定不动的参考系加以区分，利用参考系内3个以上不动特征点采用空间后方交会算法逐帧解算摄像机的外方位元素，修正摄像机拍摄时刻的位置和姿态，消除或减小摄像机抖动对测量精度的影响。试验结果表明，该方法可使影像测量精度提升至毫米级，满足飞行试验数据精度要求。

摄像机消抖；影像测量；飞行试验

0　引言

随着新型号武器研制任务的快速发展，对飞行试验机载影像测量的要求越来越高。武器分离过程的试飞测试需要采集、记录相关的影像，然后对影像分析，得到所需空间变换参数。虽然加装的摄像机与飞机机体是刚性连接，但是由于飞行过程中机体的振动，仍然不能避免摄像机或镜头的微量抖动，必然会影响测量精度。为此，需要在测试方案中考虑如何消除或降低这些不利因素。文中主要研究在飞行试验中摄像机消抖算法，通过对影像测量算法的改进，达到机载影像测量消除或降低抖动的目的。

1　测量原理

摄像机抖动引起摄像机空间位置和姿态改变，即外方位元素变化。如果在拍摄被测目标时能将参考系统拍摄在内，则通过改进影像测量算法，逐帧解算摄像机拍摄每帧图片时的外方位元素。此时，影像测量计算公式中只有被测目标的运动参数和参考系统，即摄像机的振动不再对结果有影响。

1.1摄像机内外参数标定

摄像机标定包括内方位元素焦距f、像主点（x0，y0）、径向畸变（K1，K2，K3）、偏心畸变（P1，P2）、像平面畸变（B1，B2），以及摄像机外方位元素（Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ）的标定。在摄像机视场内布设一定数量控制点，根据共线方程，并引入摄像机畸变，得到物体点和图像点之间的关系方程：

其中，Δx、Δy为以上各类畸变的总和。对式（1）线性化后可得：

式中：V是像点坐标残差；X1、X2、X3分别为内参数、外参数和物方点坐标的改正数；A、B、C分别是它们对应的偏导数矩阵，L是观测值。对控制点而言其坐标已知，即X3=0，则式（2）可简化为：

其中：

对每张像片，有6个外方位元素和10个内参数，共计16个未知数。每个控制点可以根据上式列出2个方程式，则对单张像片来说，至少需要8个控制点解算式（3）。

1.2摄像机消抖方法

设计两组测量参考点，一组称为动点，另一组称为不动点。动点测量标志粘贴在运动目标上，和运动目标同步运动，用于计算目标运动参数；不动点测量标志粘贴在参考系统上，认为其是不动，不变形的。因此，不动点用于动态校准摄像机的空间位置和姿态，以消除由于摄像机相对于飞机机体的抖动而引起的画面抖动误差。两组标志同时成像到同一个画面上。

由于摄像机的内方位元素通过式（3）事先计算，可视为已知值。每一时刻的画面，利用3个以上不动点标志对式（3）求解X2的当前值，进行摄像机外参数校准，使摄像机的外参数回复其应有的位置。然后，根据当前的校准参数再对动点标志进行位置坐标解析计算。由此摄像机的位置和姿态不再影响测量结果，即消除了摄像机抖动的影响。

2　精度测试

2.1测试方法

验证文中算法的抗抖动能力测试采用的方法为：目标静止不动，摄像机随机抖动，配套图像采集器采集图像，事后计算抖动后静态点微动偏差。即测试本算法纠正摄像机抖动的能力。

2.2测试环境

将两台分辨率为1 920像素×1 080像素、像元大小为7.4 μm的某型高清摄像机安装在DC-1000 -13型振动台上，按照HB5830标准进行振动试验来模拟机载振动环境，摄像机在振动环境下获取被测物体的影像信息。测试物体为400 mm×300 mm标定板，见图1所示，测量距离为1.0 m。实验场景见图2所示。

图1　被测目标

图2　实验场景

2.2.1摄像机内参数

按上述摄像机标定原理完成两台摄像机的标定工作。表1为两台机载摄像机的内参数值。

表1　摄像机内参数值

2.2.2摄像机消抖

在采集的图像中随机选取14个状态，每个状态下选取3个以上已知坐标的测量标志计算摄像机的实时外参数。然后用双像机交会原理再次计算所有标志点的坐标值。

2.3 测试结果

在采集的14 个状态中，以首状态为基准，分别对物体上16 个点在剩余13 个状态下的坐标进行检测与比对，获得结果如表2 所示。

表2 点位坐标比较结果

本次测试目的为获得相机在抖动情况下数据的稳定性。对测试数据进行分析可知，285 点偏差最大，系统最大浮动为0. 385 5 mm，系统最大浮动标准差为0. 188 7 mm。

3 结论

文中主要针对飞行试验过程中由振动引起机载摄像机或镜头的微量抖动影响测量精度的问题，提出逐帧解算摄像机外方位元素的消抖算法，使摄像机的外参数回复到其应有的位置。然后，根据当前的校准参数再对运动目标上的标志进行位置坐标解析计算。实验结果表明，在抖动环境下，影像测量精度可以达到毫米级。由此可认为摄像机的位置和姿态对测量结果不再具有影响，即消除了摄像机抖动的影响。

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The Research of Airborne Image Measurement Debounce Technology

ZHANG Jianhua1，LIU Qi1，NIE Ronghua2
（1Test Institute，China Flight Test Establishment，Xi’an 710089，China；2Strength Institute，The First Aircraft Institute of AVIC，Xi’an 710089，China）

A algorithm for eliminating camera or lens’s micro-shaking which affects measurement accuracy caused by aircraft’s vibration during flight test was proposed，According to differentiating the moving target and stationary reference in the same frame，and then using 3 or more fixed feature points in the stationary reference of every frame to solve the camera’s exterior orientation elements based on space resection to correct the camera’s pose.After that，the effect on measurement accuracy can be eliminated or reduced.The test results show that this method allows image measurement accuracy up to millimeter level，which meets the accuracy requirements in flight test.

camera debounce；image measurement；flight test

TP391

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.043

2015-03-20

张建花（1983-），女，陕西商洛人，工程师，硕士，研究方向：飞行试验光电测试、影像测量、数字图像处理技术。