张 明，刘胜道，赵文春，周国华，高俊吉



基于图像匹配定位技术的舰船航迹测量方法研究

张 明，刘胜道，赵文春，周国华，高俊吉

(海军工程大学电气工程学院，武汉430033)

舰船磁场动态检测中需要对舰船进行远距离高精度的航向和位置测量。根据图像成像原理以及图像处理技术，提出了一种新的基于图像匹配定位的舰船航迹测量方法，当舰船通过测量区域时，两台摄像机对其进行同步拍摄然后将数据传输至主机，利用MeanShift算法和SURF特征对数据进行处理从而得到舰船在不同时刻的三维坐标，最终确定其航向和位置。实验结果表明，在50米左右的拍摄距离下实验误差在0.1米左右，满足对舰船航迹进行测量的要求。

磁场动态检测GPS 全站仪 图像匹配定位

0 引言

舰船磁场检测按照检测时舰船的状态可分为静态检测和动态检测两类，舰船磁场动态检测是指在舰船与磁传感器阵列相对运动的情况下测量磁场，一般是在检测站布设一组磁传感器，当舰船缓慢通过测量区域时，测磁系统自动采集舰船磁场[1]。但是为了获取测量点相对于舰船中心的位置信息，同时需要采用GPS或者全站仪等定位装置对其进行航迹测量[2]，然后将航迹传输到主站进行数据处理，最终判断出舰船是否需要进行消磁处理。

1 基于GPS的舰船航迹测量系统

随着目前载波测量技术的不断发展进步，利用实时动态载波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技术计算载体姿态信息的高精度测量产品已经趋于成熟，目前其测量精度已经可以达到厘米级[3]。文献[4]建立了一套基于RTK技术的远程动态航向船位测量系统，图1为该系统各主要硬件的组成情况。该系统主要由数据处理中心、流动站状态监测终端、载波相位定位基站、载波相位测姿定位流动站等部分组成。

图1 基于GPS的舰船航迹测量系统组成

该系统的工作流程为：首先由基站里面的GPS接收机将计算出来的基站的位置数据和载波相位的观测值以及流动站上面GPS测姿定位接收机测量到的舰船的航向和载波相位的观测值通过RS232串口发送给串口以太网协议转换设备；然后串口以太网协议转换设备将这两部分数据通过光纤传送到数据处理中心；最后数据处理中心利用事先测量得到的高精度基站天线坐标和接收到的两路载波相位观测值，组成差分观测值进行实时处理，最终将得到的高精度流动站位置以及航向数据提供给用户动态测磁控制台使用[4]。

该系统有以下几个优点：第一，该系统定位精度高，为后续的舰船磁场分析打下了坚实的基础；第二，目前的GPS商品化程度高，设备可以直接使用；第三，对设备应用范围的约束条件较少，在各港口、码头大都可以使用。但是该系统也有以下几个方面的不足：第一，该系统价格高，且数据的传输以及处理不方便；第二，基站GPS天线安装时要求周围环境没有大的遮挡物且高度尽量高一些，防止GPS信号被遮挡或者干扰；第三，流动站天线安装时同样要求周围无遮挡，同时要求它们的相位中心位于舰船的艏艉线上，且两者之间相距一定的距离[4]；第四，由于各点之间孤立，不构成检验条件，因此各坐标之间接收精度的可靠性无法验证[5]；第五，流动站需要在舰船靠岸停泊以后派人到舰船上安装，然后让舰船驶出并且通过特定的测量区域，测试完成以后还要再将其回收，使得整个系统的应用十分不便，严重影响工作效率。

2 基于全站仪的舰船航迹测量系统

全站型电子测速仪（简称全站仪）是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，是一种常规的测量仪器[6]，不仅具有光学仪器高精度测量的特点，还具有目标自动追踪的功能，同时全站仪可以将测量的数据通过接口直接传输到电脑上，提高了工作效率。

文献[2]提出了一种基于全站仪的舰船航迹测量系统。其系统结构与基于GPS的舰船航迹测量系统几乎一样，只是将流动站的GPS测姿定位接收机换成了棱镜，因为全站仪可以在设备终端直接将数据导出，所以流动站与基站都不需要数据传输的设备，同时系统其他部分几乎保持不变。

该系统的工作流程为：首先提前在舰船上安装目标棱镜，同时将全站仪安装在检测站的某一固定位置；当舰船缓慢地通过磁场传感器区域时，全站仪能够自动记录舰船的位置，这些数据传输到电脑上以后再利用坐标转换即可推算出舰船相对于传感器的位置。

该系统有以下几个优点：第一，它有着GPS定位机不具备的一些优点，如不需要卫星信号，因此可以在比较封闭的环境下测量；第二，全站仪价格相对较低，观测数据直观，数据处理简单，操作方便[2]。但是该系统也有以下几个方面的不足：第一，该系统操作时光线不能太弱；第二，该系统受地形和人为因素的影响较大[7]；第三，棱镜的安装与拆卸都需要派专人到舰上进行操作，严重影响工作效率。

3 基于图像匹配定位技术的舰船航迹测量系统

随着视频监控的普及与应用，智能视频监控技术也随之应运而生，运动目标检测与跟踪技术就是其重要的组成部分。运动目标检测与跟踪技术就是将运动目标从背景图像中提取出来，然后对目标进行跟踪和定位，从而满足不同用户的各种需求。

目前对图像匹配的定位精度要求越来越高，双目视觉也因此得到了较大的发展。双目视觉模拟人类视觉，采用双摄像机从不同角度获取同一目标的数字图像从而重建其形状和位置，定位精度大大提高，因此该技术在移动机器人的感知控制上起到了重要作用。

3.1 摄像机内外参数求解

图2为摄像机成像示意图，根据成像投影原理可以得出像素平面坐标系与图像平面坐标系、摄像机坐标系以及世界坐标系之间的关系[8]：

图2 摄像机成像示意图

3.2 图像匹配算法

由于MeanShift算法具有很高的运行稳定性，能够适应目标形状、大小的连续变化，而且计算速度很快、抗干扰能力强，能够保证系统的实时性和稳定性；而SURF特征是SIFT特征的一种改进，主要是在特征提取的执行效率上，比SIFT运行更快。因此，特征定位与跟踪这一块采用MeanShift算法结合SURF特征进行目标的跟踪与特征的匹配。

首先用MeanShift算法跟踪图像中存在目标的区域，得到目标在图像中的位置后，在存在目标的图像区域内计算目标的SURF特征，对每一像片进行SURF特征提取，然后将这些特征进行匹配，从而得到多片之间的同名像点，对匹配出来的同名点利用多片空间前方交会计算各匹配点在物方中的坐标。

3.3 系统组成

图3为基于图像匹配定位的舰船航迹测量系统的示意图：

图3 基于图像匹配定位的舰船航迹测量系统的示意图

对于舰艇位置的实时动态监测，需要至少两个摄像机对待测目标进行同步拍摄，获取具有同名特征的立体像对，并完成目标的立体影像匹配和实时定位重建。在数据传输接口方面，由于GigE在带宽、线材长度和多摄像机功能方面提供了极大的技术灵活性，同时能够解决摄像机在架设时附近可能没有现成的数据接收设备并且需要远距离传输通信等实际问题，所以选用GigE Vision千兆网作为数据传输接口。同时海平面的高度由于潮汐作用并不是风平浪静的，总是高低不平，当有风时更是如此，为了保证测量的精度可使用潮汐计（或其他方法）实时测量水域海平面高度。

3.4 误差分析

1）双目摄像机在架设时需要考虑摄像机的摆放位置。当双目视觉系统取对称式结构、摄像机光轴保持平行时总体的测量误差较小[9]，但是由于现实场地的限制以及设备的安装调试，摄像机的位置并不能保证左右对称以及其光轴保持平行；

2）在成像过程中并不是像想象中的那么完美，实际上镜头在加工过程中会产生各种误差，同时镜头的畸变同样会对成像造成一系列的影响，另外图像的主点坐标也会在摄像机与镜头的安装、使用时产生一系列的偏差[10]，这些误差都不可能完全避免，只能在摄像机标定过程中尽可能的弥补；

3）摄像机像面上的实际成像存在光学畸变误差。摄像机实际成像的光学畸变误差主要由偏心畸变、薄棱镜畸变和径向畸变所引起的[11]。Tsai认为在对摄像机进行标定的过程中如果考虑过多的非线性畸变，则反而会引入过多的非线性参数导致求解结果不稳定，降低摄像机的标定精度[12]，因此在标定过程中只需考虑径向畸变对成像的影响。

4 实验验证

为了验证基于图像匹配定位技术的舰船航迹测量系统的可行性，开展了一次模拟实验，由于场地有限，因此选用短焦镜头对50米左右的物体进行拍摄，分析比较目标位置的计算值与GPS测量值之间的误差。实验过程为：首先在实验室内进行摄像机的内参数标定，摄像机分别选择3个位置对已测量好的标靶拍摄足够多的相片，筛选出可以进行解算的相片，多次计算摄摄像机的内参数，取最优效果作为摄像机的内参数；第二，在某学校田径场上进行摄像机外参数标定，利用全站仪来测量各标靶位置，采用区域网平差方法对其进行解算，多次计算摄像机的外参数，取最优效果作为摄像机的外参数；第三，在田径场布设多个实验目标，采用GPS测量其位置，最后与图像处理软件解算出来的目标在世界坐标系里的坐标进行分析比较。实验结果表明，在50米左右的拍摄距离下实验误差在0.1米左右。

（a）实验设备

（b）相机标定

（c）标靶定位1

（d）标靶定位2

图4 实验过程示意图

5 结束语

基于GPS的舰船航迹测量系统与基于全站仪的舰船航迹测量系统在实际的操作过程中需要有专人提前到舰船上安装测量设备，测量完成以后再将设备带回以便下一次的测量，这极大的降低了工作效率。针对这个问题提出了基于图像匹配定位的舰船航迹测量系统，此次实验作为验证性实验选择的摄像机的分辨率只有500万像素，影响了该系统的定位误差，但是就目前实验结果而言该系统已经可以满足对舰船航迹进行测量的要求。该方法对舰船进行磁场动态检测时无需被测舰艇的配合，在工作效率上有了较大的提高，同时该方法也可用于测量外国海军舰艇的磁场，从而掌握其磁场特征，具有重大的军事意义与应用价值。

本文仅对基于图像匹配定位的舰船航迹测量系统进行了短距离验证，下一步将根据应用场景选择合适的摄像机以及镜头，分步骤进行中远距离（200米左右）以及远距离（1000米）的实验，为基于图像匹配定位技术的舰船航迹测量方法的实用化奠定基础。

[1] 喻洲．消磁站磁传感器阵列电磁定位技术研究[D] ．武汉：海军工程大学，2013．

[2] 李金禄，张连嵩，郑永良，等．Trimble全站仪在动态测磁工程中的应用[J]．船电技术，2013，33（6）：51-53．

[3] 许江宁，朱涛，卞鸿巍．GPS姿态测量技术综述[J]．海军工程大学学报，2003，15（3）：17-22．

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[6] 刘伟．GPS全站仪在矿山中的应用[J]．中国科技信息, 2009,（6）：70-72．

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Study on Measurement Method of Warship Track Based on Image Matching and Localization Technology

Zhang Ming，Liu Shengdao，Zhao Wenchun，Zhou Guohua，Gao Junji

（College of Electrical Engineering, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China）

U666.134

A

1003-4862（2017）09-0001-04

2017-05-15

国家自然科学基金（51377165）

张明（1992-），男，硕士。研究方向：电气工程。