杜 雪，余俊松，王 端，王邦宇

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州450047）

1 概述

双目视觉技术以其非接触性、测量精度高及响应速度快等特点，在三维建模、质量监控、目标识别、非接触式面形测量等方面迅速发展，其应用正逐渐渗透到航空航天、军事装备、生物医疗、工业测量和自动化控制等诸多领域[1]。将双目立体视觉与高速运动目标识别技术相结合，能够监测高速运动小目标的运动轨迹、相对位移、运动速度、射向散布等飞行数据，在高速运动体的飞行数据测量方面具有重要的研究意义。

2 测量原理

2.1 图像高速获取技术

当前，为获得高速运动物体的飞行数据（位移、姿态、速度、角度等），往往采用高速摄像机/高速相机设备来高速拍摄记录物体的运动过程，并生成影像或系列图像数据，高速摄像机/高速相机一般由镜头、机身、感光芯片（CCD 或CMOS）、快采电路、高速闪存、电子快门以及时钟发生器等部分组成。常见的高速相机有英国IX Camera 公司的iSpeed 系列高速相机、美国VRI 公司的Phantom 系列高速相机、日本Phonton 公司的Y 系列高速相机[2]。

2.2 非接触式光学摄像被动式测量技术

近年来随着光学及电子元器件的广泛应用，非接触式测量技术迅速发展。非接触式测量技术具有高效、对被测目标无破坏性、测量距离大等优点，可以对目标进行动态或静态的测量。非接触式测量可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量而不需要与待测物体接触。非接触式测量中主要采用的方法是光学非接触式测量法[3]。

光学测量是高速运动小目标位移、姿态、速度、角度等飞行数据测量的重要手段之一，具有客观、准确等特点，在航空航天领域、武器装备研制等试验及应用中发挥着重要作用。利用高速摄像机等光学测量设备可以跟踪拍摄得到待测物体飞行过程的一系列图像，对这些图像进行分析，就能获得待测物体的飞行位移、姿态、速度、角度等重要参数。

根据获取目标三维信息的基本方法，光学非接触式三维测量技术可分为主动式和被动式两大类，如图1 所示。

主动式是利用特殊的受控光源即主动光源照射被测物体，根据主动光源的几何、物体、光学等已知结构信息获取被测物体的三维数据。被动式是在自然光或室内可控照明光条件下，通过高速摄像机拍摄的二维灰度图像来获取被测物体三维数据。

图1 光学测量方式

由于被动式没有特殊的受控光源，无需复杂的光源设备，且更接近人类视觉习惯，因此，本文采用光学被动式三维测量。光学被动式三维测量是从一个或多个高速摄像机拍摄的二维图像中获取距离信息，从而形成三维数据，即单目、多目视觉[4]。用两个或多个高速摄像机拍摄的不同视觉方向的二维图像，将序列图像通过相关匹配等运算方法可以重建被测物体的三维构型。

2.3 高速摄像测量技术

高速摄像是一种光学测量技术，利用光对物体的反射、透射、折射、衍射等特性，观察事物的变化规律。高速摄像作为现代光学测量的重要手段，能够提供高速运动小目标飞行过程与姿态变化的大量细节数据，分析高速摄像机所记录的图像可以得到被测目标的定量飞行数据，广泛地应用于高精度运动测量领域，与常规的摄像测量设备相比，高速摄像机具有测量数据动态范围更广、准确度更高、参数更全面、内容更丰富等优点[5]。与高速摄像对应的三维图像分析技术迅速发展，高速摄像三维图像分析技术分为高速相机标定、图像显示、目标自动跟踪、多目标匹配、三维姿态处理等步骤。

2.4 双摄像机三维交会测量原理

假设P 为空间坐标系owxwywzw下的被测物点，O1，O2，O3分别为三个摄像机光心，P1，P2，P3分别为待测物点P在三个高速摄像机拍摄像面上的像点，如图2 所示。

图2 高速摄像机三维测量原理图

根据理想针孔成像模型，任一台高速摄像机关于被测物点P 的像点Pi、光心Oi和被测物点P 三点共线，像点Pi图像坐标（xi，yi）与被测物点P 的空间坐标（xw，yw，zw）满足共线方程。

式中：f 为摄像机焦距；r11，r22，r33和tx，ty，tz是由高速像机外部参数决定的旋转矩阵和平移向量中的元素，以上这些参数可通过特定的摄像机标定方法确定。

被测物点、摄像机光心、摄像机图像上对应像点处于同一条光线上且满足共线方程，这意味着由单个摄像机得到的图像只能确定出目标点所在的一条直线。为了确定被测物点的空间坐标，使用不同位置的两台高速摄像机对被测物点成像，可各自确定出一条通过被测物点的直线，两条直线的交点即为被测物点的位置，这就是线-线交会，也是双摄像机三维交会测量目标点空间位置的基本原理。

用最小二乘方法可以求解X、Y、Z，即得到了目标点的空间位置。通过图像处理分析提取目标上的线特征（图像平面内），同摄像机光心共同确定一个平面，两个摄像机确定的两个平面交线即是目标的空间线，这就是面-面交会，是双摄像机三维交会测量目标三维姿态的基本原理。

3 高速运动体飞行数据测量方法

3.1 正交高速摄像机标定方法

高速摄像机标定是通过摄影测量标定技术解算共线方程组的相关未知参数的过程[6]，而图像标定系统设备是高速摄像机3D 标定过程中所使用的基准源，具体标定方法如下：

（1）将图像标定系统设备架设在运动目标的飞行方向上，控制调节基准标定模板使其位于两台高速摄像机的光轴交汇处，并使标定模板的中心垂线与两台摄像机的光轴位于同一个平面上，此时两台摄像机同步拍摄一张照片。

（2）控制调节标定模板沿着中心垂线平行移动（上移动两次、下移动两次），每次移动的距离在5mm～10mm 之间（该距离通过支架上的标尺精确获得），每次两台摄像机均同步拍摄一张照片。

图3 正交高速摄像机标定过程示意图

（3）将标定模板复位后，控制调节标定模板旋转（顺时针旋转两次、逆时针旋转两次），每次旋转的角度在5～10°之间（该角度通过支架上的高精度角度传感器精确获得），每次两台摄像机均同步拍摄一张照片。

（4）利用鹰眼3D 专业分析软件对这9 张照片进行摄像机标定计算，从而建立摄像机的三维计算基础模型，即完成对高速运动体飞行数据获取系统的标定工作，标定过程示意图如图3 所示。

3.2 测量流程

高速运动体飞行数据测量首先要对发射系统的轴线位置进行标定，其标定方法为：在全系统安装固定完成的情况下，通过高强度激光系统对发射系统轴线及高速运动体飞行基准线进行比对测量，判断其系统误差。通过正交高速摄像测量系统对轴心激光拍摄一张照片作为高速运动体飞行数据测量的基准。

在400mm×250mm 的拍摄视场内，两台高速摄像机组成正交系统，在运动体高速飞行过程中，通过电控或手动同步触发摄像机记录高速运动体飞行过程图像。测量结束后，将两台高速摄像机的图像数据通过千兆网络传递到图像处理工作站，并利用3D 图像测量分析软件分析判读高速运动体在X、Y 两个方向上的系列飞行位置并进而分析得到高速运动体在某一特定飞行段的飞行数据（运动轨迹或射向散布数据）。测量流程如图4 所示。

4 测量精度与误差分析

4.1 测量精度

（1）位移测量精度

在不考虑系统误差源对摄像机的影响下，位移测量精度主要取决于高速摄像机的分辨率，设置分辨率为1280×800，摄像机拍摄窗口横向视场Lc=400mm，在不使用软件技术提高测量精度的情况下，硬件的位移测量精度计算如下：

图4 测量流程图

即在拍摄视场横向尺寸为400mm 的情况下，位移测量精度为0.3mm，利用鹰眼3D 图像软件的亚像素定位分析方法，在图像非常清晰的情况下，可以实现0.1～0.5 像素的定位精度，取鹰眼3D 软件的定位精度为0.5个像素时，利用软件结合硬件的测量精度，可以实现0.15mm 的位移测量精度。

（2）射向散布测量精度

在不考虑系统误差源对摄像机的影响下，射向散布测量精度同样主要取决摄像机的分辨率，根据位移测量精度的分析过程，可知在不不使用软件技术提高测量精度的情况下，硬件对位置的定位精度为△d=0.3mm，目标发射点距两台高速摄像机拍摄位置的距离为Ls=18000mm，射向角的测量由进入和飞出两幅画面中目标的位置连线和基准线的位置确定，则射向散布的测量精度计算如下：

即角度的测量精度可达到0.033mrad，如果利用鹰眼软件的亚像素定位分析方法，在图像非常清晰的情况下，可以实现0.1～0.5 像素的定位精度，取鹰眼3D 软件的定位精度为0.5个像素时，利用软件结合硬件的测量精度，可以实现0.017mrad 的测量精度。

4.2 系统误差分析

误差按其性质可分为系统误差和随机误差，其中对系统测量精度影响较大的为系统误差，对光学图像测量系统来讲，系统误差主要包括光学成像误差、计算方法误差及标定误差；随机误差主要来源有图像噪声干扰、光源闪烁影响等[7-8]。

对高速运动体飞行数据测量的主要误差源有：热电子噪声、CMOS（CCD）性能、镜头畸变、温度、振动、照明视场噪声、标定、图像噪声等。下面分别对这些误差源进行分析，并提出解决方法以满足高精度测量的需求。

（1）热电子噪声：在CMOS（CCD）摄像机、A/D 转换器和采集电路中均有大量的电阻性器件。由于热电子起伏，产生热电子噪声。根据这种噪声的特性可采用平滑滤波或多次测量取平均值的方法将噪声的影响降低到0.5%左右。

（2）CMOS（CCD）性能：固态图像传感器由离散的光敏像素组成，一个像元的输出可能被在其区域光的特殊分布及落在相邻像元光量所影响，响应的不均匀性一般为1%，为了在测量中实现高精度，通过计量校正可以将不均匀性引起的误差由1%降低到0.3%左右。

（3）镜头畸变：考虑由缺陷镜头形状引起的径向位置误差、由不合适镜头以及摄像机安装所产生的径向和切向误差，该类误差可由高精度标定模板和优化的软件计算方法进行镜头畸变标定后克服，一般可将镜头畸变引起的测量误差降低到0.3%～0.5%左右。

（4）温度：温度会影响CMOS（CCD）感光芯片的热膨胀系数，一般摄像机的预热漂移可达0.3个像素，为消除温度的影响，首先必须在预热以后再图像采集，同时可采取保证环境温度恒定的方法来消除温度对系统硬件设备的影响。

（5）振动：可采用适当的振动隔离方法来减小随机振动，如将摄像机的各测量部件置于隔振平台上，同时提高快门的拍摄速率也可以减少振动所产生的影响。

（6）照明视场噪声：采用专业软件消除照明视场不均匀性的影响，在不降低系统测量精度的同时可降低对照明系统的要求。3D 分析软件中的边缘检测十字窗口算法可很好的消除照明视场噪声的影响，可将误差影响降低到0.2%左右。

（7）标定：标定误差是测量系统误差中最重要的部分，因此在标定过程中应尽量保证标定板移动后，标定平面高度数据读取的标准一致，标志块的边缘以及靶标点要保证清晰，以减少标定的误差。

（8）图像噪声：用滤波、平均值等方法对图像进行预处理，在解像的时候展开路径绕过噪声点，降低图像噪声对系统测量精度的影响。通过低通滤波对条纹图进行处理以尽可能减小甚至消除高频噪声对测量精度的影响。

5 结束语

本文研究了基于双目视觉的高速运动体飞行数据测量方法，通过非接触式光学摄像被动式测量技术及双摄像机三维交会测量原理，用两台正交高速摄像机对高速运动小目标拍摄图像，基于图像处理技术，从多幅二维图像中提取目标的位移和多个目标的射向散布偏差角等数据，实现对高速运动体飞行数据的测量。