多维立体化高速摄影测量系统实时精准控制技术

李宁宁，陈海洋，冯 曼，陈 贝

（中国飞行试验研究院 技术中心测试所，陕西 西安 710089）

引言

在飞行试验中，通常采用单台或者2 台高速像机进行摄影测量以计算目标的运动参数[1]，且拍摄目标、图像获取设备与工作人员在同一空间下，工作人员通过近距离操作即可完成高速像机的控制。在某型机的科研试飞过程中，由于空间限制，工作人员无法通过直视方式获取影像，且需要在同一空间不同时间段获取该型机多目标起飞着陆段高精度位移、速度、轨迹等试飞数据，因此在跑道两侧以及平台高处布设了多台不同类型高速摄影测量像机以及监控像机，通过分布式网络完成实时监控以及事后数据分析，为飞机设计定型及飞行员培训提供数据支持。

1 多维立体化高速摄影测量系统

多维立体化摄影测量系统[2]以高速摄影测量系统为主，遥测传输系统[3]、分布式网络通信系统[4]、机载测试系统等为辅。其中高速摄影测量系统主

要由摄像机控制及参数加载单元、影像获取单元、影像数据卸载单元、高速摄影测量图像与数据分析解算单元、高速影像压缩存储单元5 大部分组成，如图1所示。

图1 高速摄影测量系统结构Fig.1 Structure diagram of high-speed photogrammetry system

测量坐标系归一化及多摄站融合处理[5]单元完成不同数据源的时域统一与空间坐标归一[6]；高速摄影测量图像及数据分析解算单元[7]采用摄影测量算法以及数据处理方法[8]实现课题需求的图像解析。

为了确保大范围内的高精度测量，采用8 台高速摄像机进行接力拍摄，并保证衔接部分具有足够的重叠区[9]。如图2所示是8 台高速摄影测量站点分布图，其中A01～A07 完成平台与飞机接触面的影像获取，A02 分别与A01、A03 具有60度夹角的交汇区，A04 分别与A03、A05 具有60 度夹角的交汇区，B01 完成中层空间的模拟视频获取[10]，其采用短焦距、拼接靶面实现大范围视场覆盖。

图2 多维立体化高速摄影测量站点分布图Fig.2 Distribution diagram of multidimensional and stereoscopic high-speed photogrammetry stations

2 关键技术研究

2.1 基于遥测实时多源信息的高速像机智能控制

2.1.1 影像获取设备的工作模式

飞行试验中采用具有触发功能的高速像机，在正式开始任务之前，根据任务的具体特点（包括飞行速度、拍摄视场等）设置像机的触发点[11]。如图3所示，在触发点之前内存会以队列的方式循环更新，之后继续沿着时间轴进行存储，保证像机存储的视频图像连续完整。

图3 高速像机工作模式Fig.3 Working mode of high-speed camera

2.1.2 无关联信号的触发判据研究

2.2 像机误触发研究

高速像机触发后，工作站每秒提取5 帧视频进行图像处理，计算每帧图像灰度值H以及清晰度P。H的计算方法为从高速像机的视频流中获取单帧图像后，提取每个像素的RGB 数据，计算每个像素的灰度值，并叠加。其中灰度计算如（2）式。

设置f(x,y)为像素坐标(x,y)处的灰度值，通过（3）式中计算图像的清晰度。

将顺序得到的第1 帧与第2 帧灰度值H进行相减得到ΔH,同样的方式得到 ΔP。依次计算10 帧图片，设置门限值，ΔH累计值超出门限值时输出标志量A，ΔP累计值超出门限值时输出标志量B，同时出现标志量A 和标志量B 后，告警信号触发，提醒工作人员进行补偿操作。

2.3 基于组播的高速像机测试影像远程智能卸载技术

将8 台摄像机与相应的分控计算机通过交换机组网连接[13]，如图4所示。其中高速摄像机1 至8 通过千兆网络输出端口与交换机连接，分控计算机1 至8 通过千兆网网络接口卡也与交换机连接，同时将主控计算机、大容量高速磁盘阵列（容量12 T）通过千兆网接口接入千兆网交换机，搭建完成系统链路[14]。

图4 系统连接图Fig.4 System connection diagram

高速摄像机阵地拍摄完成后，操作人员根据拍摄时长、有效图像帧数与存放的内存位置填写相应软件的指令网络包，并通过组播模式在主控网中进行发布。各台分控计算机通过主控网组播模式接收到该指令网络包，以事前规定好的格式提取其中的拍摄时长、有效图像帧数与存放位置，并考虑各台站点位置、角度、帧数区别，计算出自身的下载指令，并执行指令。下载数据直接从IP 地址下载至磁盘阵列[15]。利用组播技术，完成高速像机测试影像远程智能卸载，使8 台高速像机在完成触发拍摄任务后，不经过人为干预，自动将视频数据下载到8 台不同的工作站中。

3 应用效果

本文研究的多维立体化高速摄影测量系统实时精准控制技术已经应用于某型机飞行试验试飞定型中。最终实现了8 台高速像机的远程精准控制，在起飞着陆高频工作状态的情况下，可实时完成跑道中线方向以理想着陆点为原点，-51 m～145 m范围的测量，（-51 m～24 m）段高度测量范围为0～8 m，（24 m～145 m）段高度测量范围为0 ～5 m；偏心测量范围-5 m～5 m（以跑道中线为零点）。空间测量精度：航向测量误差＜0.1 m；高度测量误差＜0.05 m；偏心距测量误差＜0.15 m。如图5（a）所示是（-30 m，30 m）下滑线上实现某特征局部位置的高值，其中竖直线指示飞机着陆的理想区域。图5（b）所示是主轮着陆阶段30 架飞机着陆点位置以及相应的偏心距离。图5（c）为30 架飞机右轮落点位置以及相应的偏心距离，图5（d）为30 架飞机右轮脱离平台位置以及相应的偏心距离，飞行期间误触发率降低至0.76%。

图5 多维立体化高速摄影测量系统实测结果Fig.5 Measured results of multidimensional and stereoscopic high-speed photogrammetry system

4 结论

本文研究了多维立体化高速摄影测量系统实时精准控制技术，首次设计并搭建了以高速摄影测量系统为主，遥测传输系统、分布式网络通信系统、机载测试系统等为辅的多维立体化摄影测量系统。基于无线有线双模式结合的方式实现了机载、动平台等多源信息的获取，通过分析研究高速像机的工作模式，设计了无关联信号的触发判据算法，并通过图像处理的方法解决了像机误触发问题，误触发率降低至0.76%，大大降低了像机误触发概率，基于分布式组网完成了8 台高速像机的远程实时控制与海量数据的实时卸载，实现高速摄影测量系统的智能化，高效完成了某型机动平台高速摄影测量的实时精准控制。