基于单台高速相机和先验信息的运动目标轨迹测量方法技术

本发明专利技术公开一种基于单台高速相机和先验信息的运动目标轨迹测量方法，属于近景摄影测量、机器视觉、目标测量等技术领域。首先标志点布设及单台高速相机调试，对高速相机内外参数进行，之后采用相机记录存储运动目标在预定区域近地着靶阶段的序列图像并获取测量运动目标轨迹的先验信息，然后根据高速相机标定结果、实际落点坐标、运动目标在图像序列上的像点坐标，来计算运动目标在关键帧图像上对应的空间三维坐标，最后根据求得的待定系数集合、空间点三维坐标，结合序列图像时间戳信息，完成确定运动目标在高速相机视场内随时间变化的空间轨迹。对靶区运动目标空间轨迹进行测量，解决了单台高速相机对运动目标近地段空间轨迹无法测量的技术问题。轨迹无法测量的技术问题。轨迹无法测量的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
基于单台高速相机和先验信息的运动目标轨迹测量方法


[0001]本专利技术涉及近景摄影测量、机器视觉、目标测量等
，具体涉 及一种基于单台高速相机和先验信息的运动目标轨迹测量方法。

技术介绍

[0002]在装备试验中，为测量高速运动目标近地段的空间轨迹，当前采用的 是在目标理论落点周围，布设多台能同步触发的高速相机，对运动目标进 行高速摄像，基于交会测量原理来求解运动目标相应时刻的三维坐标，进 而测量出运动目标近地段的空间轨迹。多目交会高速相机系统布设复杂， 对同步精度要求高，现场调试需要耗费更多时间。若其中高速相机出现故 障无法进行拍摄，或运动目标只出现在一台高速相机视场范围内，则无法 通过交会的方式对运动目标进行轨迹测量。相比而言，单台高速相机系统 结构简单、布设灵活、调试便捷、实用性强，在装备试验中会得到越来越 广泛的应用。
[0003]目前，单台相机测量运动目标空间参数主要分为两类：第一类方法是 增加约束信息，如增加激光测距仪等辅助测距设备，得到目标的距离信息， 实现单台相机系统对运动目标定位。第二类方法是将单台相机系统改造为 虚拟双相机系统，通过成像光路设计，如借助三角棱镜，将目标实际成像 分解成两个虚拟相机的成像，从而将单相机系统等效为双相机测量系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提出一种基于单台高速相机和先验信息的运动目标轨 迹测量方法，解决单台定视场高速相机对运动目标近地段空间轨迹无法测 量的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于单台高速相机和先验信息 的运动目标轨迹测量方法，具体技术方案包括如下步骤：
[0006]步骤1、标志点布设及单台高速相机调试
[0007]标志点的布设是为了高速相机的参数标定，调试高速相机确保相机工 作正常，将单台高速相机使用帧率记为F；
[0008]步骤2、高速相机内外参数标定
[0009]不考虑镜头的非线性畸变，摄影测量共线条件方程为：
[0010][0011](X,Y,Z)为目标点在物方空间坐标系的空间坐标，(x,y)为该点在像平面 坐标系的成像坐标；
[0012]内参数标定根据出厂参数指标或者内标定法，高速相机的内参数包括 镜头焦距f、像元尺寸d、像主点坐标(u0,v0)。
[0013]外参数标定根据控制点及相应像点坐标之间变换关系来确定，外参数 包括确定相机摄站(X
S
,Y
S
,Z
S
)和描述像平面坐标系在物方坐标系空间姿态 的三个角元素，三个角元素确定(a
i
,b
i
,c
i
),i＝1,2,3；
[0014]进一步的，高速相机参数标定的模型和方法很多，这里以直接线性变 换(Direct Linear Transformation,DLT)模型为例，进行高速相机标定。 DLT模型是建立像点坐标和相应物点物方空间坐标系之间的直接线性关系 的算法，控制点数量需要大于等于6个。由共线条件方程可得到DLT模型 的一般形式：
[0015][0016]根据控制点及相应像点坐标，依据DLT模型对高速相机进行参数标定， 获取标定参数L
i
,i＝1,2....11，将标定参数结果保存。
[0017]步骤3、相机记录存储运动目标在预定区域近地着靶阶段的序列图像。 根据高速相机序列图像、结合图像时间戳信息，不妨将着靶时刻图像序号 记为0、时间记为t0、对应运动目标像点坐标w0(x0,y0)、实际落点坐标 P0(X0,Y0,Z0)。着靶前一帧的图像序号为1、时间戳为t1、对应目标像点坐标 w1(x1,y1)、实际空间坐标记为P1(X1,Y1,Z1)，再往前一帧图像序号为2、时间 戳为t2、对应目标像点坐标w2(x2,y2)、实际空间坐标记为P2(X2,Y2,Z2)，以 此类推，刚进入高速相机视场的一帧图像序号记为n、时间戳为t
n
、对应 目标像点坐标w
n
(x
n
,y
n
)、实际空间坐标记为P
n
(X
n
,Y
n
,Z
n
)。其中时间戳信息 满足t
n
＝t0‑
n/F。
[0018]步骤4、获取测量运动目标轨迹的先验信息。通过大地测量或者全站 仪测量的方式，获取运动目标实际落点坐标P0(X0,Y0,Z0)，对应上个步骤中 的图像序号为0、时间为t0；运动目标在近地段满足一定规律、可参数化 描述，这里不妨将运动目标空间轨迹X轴、Y轴、Z轴随时间的变化规律 表示为：
[0019][0020]其中，M
X
、M
Y
、M
Z
为待定系数集合。
[0021]步骤5、根据高速相机标定结果、实际落点坐标、运动目标在图像序 列上的像点坐标，可平差求解运动目标空间轨迹的待定系数集合，进而计 算所有待求空间点的三维坐标，完成运动目标在近地段空间轨迹测量；
[0022]由中心投影构像原理，可得共线条件方程另一种表达式
[0023][0024]根据标定结果，每个待求空间点和对应像点坐标，可列上述2个方程， n个待求空间点可列2n个方程，所列方程中未知参数仅含待定系数集合， 当待定系数总个数小于等于2n时，可平差求解待定系数集合，进而计算所 有待求空间点的三维坐标，即完成运动目标近地段的空间轨迹测量。
[0025]例如，在步骤2利用DLT进行相机标定后，在解出L系数后，由DLT 模型一般形式，可得
[0026][0027]待求空间点三维坐标P1(X1,Y1,Z1)、P2(X2,Y2,Z2)、
…
P
n
(X
n
,Y
n
,Z
n
)，共有 3n未知数。每个空间点由式(3)可列3个方程，由式(4)可列2个方程， 共可列5n个方程，分别如下式(5)(6)所示
[0028][0029][0030]当待定系数集合中未知参数个数小于等于2n时，使用最小二乘方法， 可平差求解出描述运动目标空间轨迹的待定系数集合，进而计算出所有待 求空间点的3n个未知数。
[0031]进一步的，根据求得的待定系数集合、空间点三维坐标，结合相机序 列图像的时间戳信息，能够推导出运动目标落速和弹道倾角，完成运动目 标在高速相机视场内随时间变化空间轨迹的确定。
[0032]至此，完成了基于单台高速相机和先验信息测量高速运动目标的近地 段空间轨迹。
[0033]本专利技术的有益效果：
[0034]1.本专利技术基于单台高速相机结合运动目标落点坐标的先验信息，对靶 区运动目标空间轨迹进行测量，解决了单台高速相机对运动目标近地段空 间轨迹无法测量的技术问题。
[0035]2.本专利技术在基于单台高速相机测得运动目标的近地段空间轨迹后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于单台高速相机和先验信息的运动目标轨迹测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、标志点布设及单台高速相机调试标志点的布设是为了高速相机的参数标定，调试高速相机确保相机工作正常，将单台高速相机使用帧率记为F；步骤2、高速相机内外参数标定不考虑镜头的非线性畸变，摄影测量共线条件方程为：(X,Y,Z)为目标点在物方空间坐标系的空间坐标，(x,y)为该点在像平面坐标系的成像坐标；内参数标定根据出厂参数指标或者内标定法，高速相机的内参数包括镜头焦距f、像元尺寸d、像主点坐标(u0,v0)；外参数标定根据控制点及相应像点坐标之间变换关系来确定，外参数包括确定相机摄站(X
S
,Y
S
,Z
S
)和描述像平面坐标系在物方坐标系空间姿态的三个角元素，三个角元素确定(a
i
,b
i
,c
i
),i＝1,2,3；自行选择高速相机参数标定方法，并存储相机标定参数；步骤3、相机记录存储运动目标在预定区域近地着靶阶段的序列图像。根据高速相机序列图像、结合图像时间戳信息，不妨将着靶时刻图像序号记为0、时间记为t0、对应运动目标像点坐标w0(x0,y0)、实际落点坐标P0(X0,Y0,Z0)；着靶前一帧的图像序号为1、时间戳为t1、对应目标像点坐标w1(x1,y1)、实际空间坐标记为P1(X1,Y1,Z1)，再往前一帧图像序号为2、时间戳为t2、对应目标像点坐标w2(x2,y2)、实际空间坐标记为P2(X2,Y2,Z2)，以此类推，刚进入高速相机视场的一帧图像序号记为n、时间戳为t
n
、对应目标像点坐标w
n
(x
n
,y
n
)、实际空间坐标记为P
n
(X
n
,Y
n
,Z
n
)，其中时间戳信息满足t
n
＝t0‑
n/F；步骤4、获取测量运动目标轨迹的先验信息；通过大地测量或者全站仪测量的方式，获取运动目标实际落点坐标P0(X0,Y0,Z0)，对应上个步骤中的图像序号为0、时间为t...

【专利技术属性】
技术研发人员：高新，郭凯，叶虎，张永栋，田野，曹锐，靳国旺，杨军，张洋，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三六六零部队，
类型：发明
国别省市：