靶载全向双目视觉脱靶量测量系统设计与分析∗

吕事桂 刘江雪 何四华 李建起

（92941部队44分队 葫芦岛 125001）

1 引言

脱靶量测量对于鉴定和评估攻击性武器的性能起着关键的作用，在测量任务中通常需要进行脱靶量测量［1～5］。要完成实时高精度的脱靶量测量，必须选取合适的测量方法和高可靠性、高精度的测量设备。其中，双目立体视觉是计算机视觉中被广泛研究与应用的一个重要分支，该系统模拟人眼视觉系统实现场景重组［6～10］。双目立体视觉系统相对于单目、多目视觉系统，综合性能更好，具有较好的优越性，而且可靠性较高，在诸多领域具有很髙的实际应用价值。 本文针对靶标舰面环境复杂，海上末端脱靶量有效测量距离较小的实际情况，基于双目视觉测量原理设计了一种靶载便携短基线集成式全向双目视觉矢量脱靶量测量系统。通过单摄像机移动确定基线对系统进行了验证试验，验证了系统测量结果具有较好的置信水平。

2 系统组成及工作原理

双目立体视觉基于人眼光学成像系统，通过在不同视点拍摄同一场景，利用三角测量原理计算像素间的视差，实现二维图像到空间三维物体的还原。如图1 所示，典型的双目立体视觉流程包括图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配和三维重组五个部分［11～13］。

图1 双目立体视觉流程

图像的获取方式比较多，可以利用单个摄像机通过平移或旋转获取图像，也可以利用双摄像机在不用位置直接获取，具体的获取方式根据具体的条件决定，过程相对简单。摄像机标定是以获取摄像机内外参数为目的，消除摄像机崎变影响，为三维重组提供数据，提离定位精度。特征提取部分是可选的，如果立体匹配部分采用了特征匹配，那么该部分就是必须的，常用的图像特征有角点、特征点、灰度以及边缘点等。立体匹配是为了获得同一物点在左右视图中的匹配点，匹配点的精度将直接影响重组的精度，对于整个系统来说相当重要，如何获得精确的匹配点和正确的视差图，是双目立体视觉的难点和重点。三维重组是利用得到的视差图及相关参数进行计算，对物体或者对场景进行可视化还原。

海上靶标为逼真模拟被攻击目标，通常装有目标特性模拟设备、干扰环境构设设备等各类靶载设备，造成靶标舰面环境复杂，给双目摄像机的精确安装及其相对位置标定带来极大的不便。另外，海上末端脱靶量的测量距离要求不大（一般在百米左右）。为此，系统设计成短基线便携集成的形式，其靶载测量分系统如图2 所示，主要由触发授时装置、同步控制器、全向双目广角图像采集装置、图像采集及存储系统等组成。

图2 靶载测量分系统构成

系统工作原理如图3 所示，工作过程中，靶载测量分系统安装在海上靶标上，岸基布置远端控制分系统实现遥控及监视。由全向双目广角图像采集装置完成视景来袭目标的捕获，视觉采集及存储系统实现来袭目标过靶段图像数据实时存储记录，远端控制分系统通过无线信道实现靶载测量分系统的遥控控制。来袭目标过靶后，岸基监控系统可通过图像序列查找方式，对过靶时间段的双目图像进行压缩回传，并通过对回传双目图像处理，实现过靶参数测量。

图3 便携式双目视觉系统工作原理

3 系统测量模型及参数解算

系统选择双目横向模型作为视觉系统的结构，采用对空视角安装。超过水平面后的不可视来袭目标运动轨迹可根据前序图像帧序列，通过视场内来袭目标空间位置求解，实现过靶段来袭目标运动轨迹的数值拟合和估算。假设摄像机已经标定好，忽略相机自身畸变，且左右相机的各对应轴精确平行。这种情况下的测量原理可以借助图4 来分析，这里给出两镜头连线所在平面的示意图。将摄像机坐标系叠加到第一个摄像机坐标系上，B 为两摄像机之间的距离即基线，f1和f2分别为两摄像机焦距。空间任意一点P（X，Y，Z）在两摄像机坐标系下的坐标分别为P1（X1，Y1，Z1）和P2（X2，Y2，Z2），且Z= Z1= Z2。该点投影在两图像平面下的坐标分别为p1（x1，y1）和p2（x2，y2），两摄像机的光轴与图像平面的交点为相机的主点，坐标分别为（x10，y10）和（x20，y20）。

图4 双目横向模型测量原理

根据坐标系转换关系和小孔成像原理，可知在两摄像机坐标系下存在如下关系：

令d=x-x0，整理得：

将上述关系转换到摄像机坐标系即第一个摄像机的坐标系下，基线长度为B，则有：

得到：

因为左右两摄像机各坐标轴精确平行，Z1=Z2=Z，解得深度公式：

若左右摄像机完全相同，即f1= f2=f，x10=x20=x0。令D=x2-x1为双目视觉系统的视差，则上式简化成：

同理根据坐标系转换关系和小孔成像原理，有：

上式被称为定位公式，可以获取空间点的三维位置。

4 系统测量误差分析

根据双目立体视觉的测量原理分析，空间上任意一点的测量精度都应是相同的。然而实际应用中，系统必然受到硬件配置和图像理解能力的限制，导致空间各点的实际测量精度不同。由双目立体视觉的数学模型和深度公式，将空间点的三维坐标计算归结为矢量函数关系式：

1）物点距离对测量精度的影响

假定摄像机已经标定好，误差传递系数：

Z方向测量精度为

若f1=f2=f，上式可以简化为

物点距离越远，测量误差越大，而且测量精度与测量距离的平方成反比，即物体距离是影响测量精度的重要因素。

2）相机结构对测量精度的影响

根据深度公式，分别对基线长度、相机标定焦距、摄像机主点求偏导：

当距离相同时，基线对测量距离的影响是线性的，设备基线距离越大，系统测量误差越小。

上式表明，焦距对测量精度产生非线性影响，而且随着d改变而变化。

摄像机光轴与图像平面的交点称为摄像机的主点。受相机制造技术和摄像机畸变的影响，相机主点与图像几何中心不重合。如果用图像几何中心代替相机主点进行测量，必然引入误差。利用摄像机标定技术，可以求得主点坐标，这样带入计算可以大大提高测量精度。

3）图像识别能力对测量精度的影响

双目立体测量各个环节，包括目标识别及特征提取，进而获得同一目标在双目视觉的重叠视场中的位置，利用视差原理获取物点深度信息。所以被测物点对应两摄像机上的像点坐标及其提取误差，是影响测量精度的因素之一。

可见匹配点与相机主点的选取对测量结果的影响相同。在物点距离相同的情况下，匹配点与相机主点对测量精度的影响最为显著。

5 试验结果与分析

为了验证系统测量的有效性，以单摄像机移动确定基线对便携集成式双目视觉系统进行了先期实测验证，结果如表1 所示。试验中，选取摄像机坐标系Z 轴方向距离0～10m、10m～20m、20m～30m、30m～40m、40m～50m、50m～60m、60m～70m 等距离范围内的空间点，空间点坐标测量值由矫正后的立体图像对中手动提取角点。

表1 测试验证数据

从表1 可知，测试结果数据总体较好，虽有部分数据偏差大于10%，但这主要是由于试验过程中单摄像机移动确定基线，对测量结果引入了误差，在系统采用双目精准授时同步摄录控制后，可消除基线误差、摄录不同步引入的测量影响，测量结果将会明显得到改善。

6 结语

本文针对靶标舰面环境复杂、海上末端脱靶量测量有效距离要求低等工程应用环境特点，基于双目视觉测量原理设计了一种靶载便携短基线集成式全向双目视觉矢量脱靶量测量系统。通过单摄像机移动确定基线对系统进行实测验证，结果表明测量结果具有较好的置信水平，系统采用双目精准授时同步摄录控制，在消除基线误差、摄录不同步等单摄像机移动带来影响后，测量结果能得到显著提高，满足一般的工程应用要求。