CN103925909A - 两个高速摄像机测量开舱点位置的方法及装置 - Google Patents

两个高速摄像机测量开舱点位置的方法及装置 Download PDF

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Abstract

两个高速摄像机测量开舱点位置的方法及装置，属于视觉测量领域，为快速、准确地获取较高精度的子母弹开舱点位置，时统终端连接第一高速摄像机，时统终端连接第二高速摄像机；控制计算机连接第一高速摄像机，控制计算机连接第二高速摄像机；相机靶标特征点均能在两高速摄像机的交叉视场内成清晰的图像；时统终端通过串行接口为第一高速摄像机提供同步脉冲信号和时间信息，其通过串行接口为第二高速摄像机提供同步脉冲信号和时间信息；控制计算机通过网络接口接收第一高速摄像机的相机靶标及子母弹开舱点的图像信息，其通过网络接口接收第二高速摄像机的相机靶标及子母弹开舱点的图像信息；控制计算机经过数据处理后交会出子母弹开舱点的位置信息。

Description

两个高速摄像机测量开舱点位置的方法及装置
技术领域
本发明属于视觉测量领域，具体涉及利用两个高速摄像机测量开舱点位置的方法及装置。
背景技术
子母弹用于对付集群目标，作为大纵深、大面积的压制兵器，其射击效力主要由子弹落点的分布和散布特性决定。而子弹落点的分布和散布取决于子母弹开舱点的位置及速度，因此有必要测量子母弹开舱点的空间位置。传统方法是用多台光电经纬仪跟踪母弹航迹，获得子母弹开舱点附近的图像，进而推算出子母弹的开舱点位置及速度。该方法因为开舱后目标的突变，致使经纬仪提取目标困难，很难获取精确的开舱点位置和速度，而且光电经纬仪的采样频率较低，导致开舱点的位置和速度精度较低。
发明内容
为了快速、准确地获取较高精度的子母弹开舱点位置，弥补传统测量方法的不足，本发明提出了利用两个高速摄像机测量开舱点位置的方法及装置。
本发明的技术方案为：
两个高速摄像机测量开舱点位置的方法，包括以下步骤，
步骤一，第一高速摄像机的视场为ab、cd间的夹角，第二高速摄像机的视场为ac、bd间的夹角，摄像机靶标及理论开舱点位于四边形abdc中，两个高速摄像机的世界坐标Oj(xj,yj,zj)j＝1,2，摄像机靶标的世界坐标O3(x3,y3,z3)，三者相距一定距离，且摄像机靶标在第一高速摄像机和第二高速摄像机视场内成清晰的图像；
步骤二，控制计算机利用网络接口采集第一高速摄像机拍摄的摄像机靶标的图像，并提取特征点，控制计算机利用网络接口采集第二高速摄像机拍摄的摄像机靶标的图像，并提取特征点，利用线性成像模型标定两个高速摄像机参数，利用高速摄像机与摄像机靶标的位置关系解算出摄像机与世界坐标系X轴的方位角α、与水平面的高低角λ；
其中，高速摄像机的图像坐标系和世界坐标系关系如式①，
Z c x y 1 = a u 0 u 0 0 a v v 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 R T 0 T 1 X W Y W Z W 1    ①
(au,av)为高速摄像机成像器件的像素尺寸；
(u0,v0)为高速摄像机的光轴与图像平面的交点；
R、T分别为摄像机坐标系与世界坐标系的旋转矩阵、平移矩阵；
利用高速摄像机与摄像机靶标的位置关系，根据式②解算出高速摄像机与世界坐标系X轴的方位角α、与水平面的高低角λ，
α = arctg ( X i - X 3 Z i - Z 3 ) λ = arctg ( Y j - Y 3 ( Z j - Z 3 ) 2 + ( X j - X 3 ) 2 )    ②
Oj(xj,yj,zj)j＝1,2表示两个高速摄像机在世界坐标系中的坐标；
O3(x3,y3,z3)表示靶标在世界坐标系中的坐标；
步骤三，第一高速摄像机和第二高速摄像机在时统终端的同步脉冲作用下，通过网络接口获取目标的开舱点图像信息，经过图像处理得到开舱点的脱靶量信息；
步骤四，控制计算机利用两个高速摄像机的参数及高速摄像机与世界坐标系X轴的方位角α、与水平面的高低角λ信息，再根据公式③计算出开舱点的位置信息（x，y，z），
m 1 = cos α 1 ( x 1 - x 2 ) + tg λ 1 ( y 1 - y 2 ) + sin α 1 ( z 1 - z 2 ) m 2 = cos α 2 ( x 2 - x 1 ) + tg λ 2 ( y 2 - y 1 ) + sin α 2 ( z 2 - z 1 ) K = ( cos ( α 1 - α 2 ) + tg λ 1 tg λ 2 ) 2 - sec 2 λ 1 sec 2 λ 2 l 1 = m 2 ( cos ( α 1 - α 2 ) + tg λ 1 tg λ 2 ) + m 1 sec 2 λ 2 K l 2 = m 1 ( cos ( α 1 - α 2 ) + tg λ 1 tg λ 2 ) + m 2 sec 2 λ 1 K x = 0.5 ( x 1 + l 1 cos α 1 + x 2 + l 2 cos α 2 ) y = 0.5 ( y 1 + l 1 tg λ 1 + y 2 + l 2 tg λ 2 ) z = 0.5 ( z 1 + l 1 sin α 1 + z 2 + l 2 sin α 2 )    ③
Oj(xj,yj,zj)j＝1,2表示两个高速摄像机在世界坐标系中的坐标；
(αj,λj)j＝1,2表示两个高速摄像机与世界坐标系X轴的方位角、与水平面的高低角。
利用高速摄像机测量开舱点位置的方法所应用的测量装置，时统终端依靠串行接口连接第一高速摄像机，时统终端依靠串行接口连接第二高速摄像机；控制计算机依靠网络接口连接第一高速摄像机，控制计算机依靠网络接口连接第二高速摄像机；
摄像机的标定靶标，其特征点均能在两个高速摄像机的视场内成清晰的图像；
时统终端，其通过串行接口为第一高速摄像机提供同步脉冲信号和时间信息；其通过串行接口为第二高速摄像机提供同步脉冲信号和时间信息；
控制计算机，其通过网络接口接收第一高速摄像机的靶标及子母弹开舱点的图像信息；其通过网络接口接收第二高速摄像机的靶标及子母弹开舱点的图像信息；控制计算机经过数据处理后交会出子母弹开舱点的位置信息。
本发明的有益效果是：利用两个高速摄像机采集靶标的特征点图像（两个高速摄像机及靶标位置已知），解算出摄像机参数、方位角和高低角；在时统终端的作用下，两个高速摄像机同时获取开舱点的图像信息，提取脱靶量信息，交会计算出开舱点的位置信息。此方法简单易行、测量精度较高，可有效降低测量成本。
附图说明
图1：本发明两个高速摄像机测量开舱点位置的方法所用装置的示意图。
图2：本发明两个高速摄像机测量开舱点位置的方法的工作流程图。
图3：本发明中高速摄像机的线性成像模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，两个高速摄像机测量开舱点位置的方法所应用的装置，包括时统终端3依靠串行接口5连接第一高速摄像机1，时统终端3依靠串行接口6连接第二高速摄像机2；控制计算机4依靠网络接口7连接第一高速摄像机1，控制计算机4依靠网络接口8连接第二高速摄像机2。
摄像机靶标9特征点均能在第一高速摄像机1和第二高速摄像机2的交叉视场内成清晰的图像。
时统终端3通过串行接口5为第一高速摄像机1提供同步脉冲信号和时间信息；时统终端3通过串行接口6为第二高速摄像机2提供同步脉冲信号和时间信息。
控制计算机4通过网络接口7接收第一高速摄像机1的靶标及子母弹开舱点的图像信息；控制计算机4通过网络接口8接收第二高速摄像机2的靶标及子母弹开舱点的图像信息；控制计算机4经过数据处理后交会出子母弹开舱点的位置信息。
如图2所示，两个高速摄像机测量开舱点位置的方法，实现步骤如下：
步骤一，按图1所示，第一高速摄像机1的视场为ab、cd间的夹角，第二高速摄像机2的视场为ac、bd间的夹角，摄像机靶标9及理论开舱点位于四边形abdc中，在世界坐标系中，两个高速摄像机位于坐标Oj(xj,yj,zj)j＝1,2，靶标位于坐标O3(x3,y3,z3)，三者相距一定距离，且靶标在第一高速摄像机1和第二高速摄像机2视场内成清晰的图像。
步骤二，控制计算机4利用网络接口7接收第一高速摄像机1的摄像机靶标9的图像，并提取特征点，控制计算机4利用网络接口8接收第二高速摄像机2的摄像机靶标9的图像，并提取特征点。由图3可以得到摄像机的图像坐标系和世界坐标系关系如式①，
Z c x y 1 = a u 0 u 0 0 a v v 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 R T 0 T 1 X W Y W Z W 1    ①
(au,av)为高速摄像机成像器件的像素尺寸；
(u0,v0)为高速摄像机的光轴与图像平面的交点；
R、T分别为摄像机坐标系与世界坐标系的旋转矩阵、平移矩阵。
利用高速摄像机与摄像机靶标的位置关系解算出摄像机与世界坐标系X轴的方位角α、与水平面的高低角λ，
α = arctg ( X i - X 3 Z i - Z 3 ) λ = arctg ( Y j - Y 3 ( Z j - Z 3 ) 2 + ( X j - X 3 ) 2 )    ②
Oj(xj,yj,zj)j＝1,2表示两个高速摄像机在世界坐标系中的坐标；
O3(x3,y3,z3)表示摄像机靶标9在世界坐标系中的坐标。
步骤三，第一高速摄像机1和第二高速摄像机2在时统终端3的同步脉冲作用下，通过网络接口获取目标的开舱点图像信息，经过图像处理得到开舱点的脱靶量信息。
步骤四，控制计算机4利用两个高速摄像机的参数及高速摄像机与世界坐标系X轴的方位角α、与水平面的高低角λ信息，根据公式③计算出开舱点的位置信息（x，y，z），
m 1 = cos α 1 ( x 1 - x 2 ) + tg λ 1 ( y 1 - y 2 ) + sin α 1 ( z 1 - z 2 ) m 2 = cos α 2 ( x 2 - x 1 ) + tg λ 2 ( y 2 - y 1 ) + sin α 2 ( z 2 - z 1 ) K = ( cos ( α 1 - α 2 ) + tg λ 1 tg λ 2 ) 2 - sec 2 λ 1 sec 2 λ 2 l 1 = m 2 ( cos ( α 1 - α 2 ) + tg λ 1 tg λ 2 ) + m 1 sec 2 λ 2 K l 2 = m 1 ( cos ( α 1 - α 2 ) + tg λ 1 tg λ 2 ) + m 2 sec 2 λ 1 K x = 0.5 ( x 1 + l 1 cos α 1 + x 2 + l 2 cos α 2 ) y = 0.5 ( y 1 + l 1 tg λ 1 + y 2 + l 2 tg λ 2 ) z = 0.5 ( z 1 + l 1 sin α 1 + z 2 + l 2 sin α 2 ) ③
Oj(xj,yj,zj)j＝1,2表示两个高速摄像机在世界坐标系中的坐标；
(αj,λj)j＝1,2表示两个高速摄像机与世界坐标系X轴的方位角、与水平面的高低角。

Claims (2)

1.两个高速摄像机测量开舱点位置的方法，其特征是，包括以下步骤，
步骤一，第一高速摄像机（1）的视场为ab、cd间的夹角，第二高速摄像机（2）的视场为ac、bd间的夹角，摄像机靶标（9）及理论开舱点位于四边形abdc中，两个高速摄像机的世界坐标Oj(xj,yj,zj)j＝1,2，摄像机靶标（9）的世界坐标O3(x3,y3,z3)，三者相距一定距离，且摄像机靶标（9）在第一高速摄像机（1）和第二高速摄像机（2）视场内成清晰的图像；
步骤二，控制计算机（4）利用网络接口（7）采集第一高速摄像机（1）拍摄的摄像机靶标（9）的图像，并提取特征点，控制计算机（4）利用网络接口（8）采集第二高速摄像机（2）拍摄的摄像机靶标（9）的图像，并提取特征点，利用线性成像模型标定两个高速摄像机参数，利用高速摄像机与摄像机靶标（9）的位置关系解算出摄像机与世界坐标系X轴的方位角α、与水平面的高低角λ；
其中，高速摄像机的图像坐标系和世界坐标系关系如式①，
Z c x y 1 = a u 0 u 0 0 a v v 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 R T 0 T 1 X W Y W Z W 1    ①
(au,av)为高速摄像机成像器件的像素尺寸；
(u0,v0)为高速摄像机的光轴与图像平面的交点；
R、T分别为摄像机坐标系与世界坐标系的旋转矩阵、平移矩阵；
利用高速摄像机与摄像机靶标的位置关系，根据式②解算出高速摄像机与世界坐标系X轴的方位角α、与水平面的高低角λ，
α = arctg ( X i - X 3 Z i - Z 3 ) λ = arctg ( Y j - Y 3 ( Z j - Z 3 ) 2 + ( X j - X 3 ) 2 )    ②
Oj(xj,yj,zj)j＝1,2表示两个高速摄像机在世界坐标系中的坐标；
O3(x3,y3,z3)表示靶标在世界坐标系中的坐标；
步骤三，第一高速摄像机（1）和第二高速摄像机（2）在时统终端（3）的同步脉冲作用下，通过网络接口获取目标的开舱点图像信息，经过图像处理得到开舱点的脱靶量信息；
步骤四，控制计算机（4）利用两个高速摄像机的参数及高速摄像机与世界坐标系X轴的方位角α、与水平面的高低角λ信息，再根据公式③计算出开舱点的位置信息（x，y，z），
m 1 = cos α 1 ( x 1 - x 2 ) + tg λ 1 ( y 1 - y 2 ) + sin α 1 ( z 1 - z 2 ) m 2 = cos α 2 ( x 2 - x 1 ) + tg λ 2 ( y 2 - y 1 ) + sin α 2 ( z 2 - z 1 ) K = ( cos ( α 1 - α 2 ) + tg λ 1 tg λ 2 ) 2 - sec 2 λ 1 sec 2 λ 2 l 1 = m 2 ( cos ( α 1 - α 2 ) + tg λ 1 tg λ 2 ) + m 1 sec 2 λ 2 K l 2 = m 1 ( cos ( α 1 - α 2 ) + tg λ 1 tg λ 2 ) + m 2 sec 2 λ 1 K x = 0.5 ( x 1 + l 1 cos α 1 + x 2 + l 2 cos α 2 ) y = 0.5 ( y 1 + l 1 tg λ 1 + y 2 + l 2 tg λ 2 ) z = 0.5 ( z 1 + l 1 sin α 1 + z 2 + l 2 sin α 2 )    ③
Oj(xj,yj,zj)j＝1,2表示两个高速摄像机在世界坐标系中的坐标；
(αj,λj)j＝1,2表示两个高速摄像机与世界坐标系X轴的方位角、与水平面的高低角。
2.利用高速摄像机测量开舱点位置的方法所应用的测量装置，其特征是，时统终端（3）依靠串行接口（5）连接第一高速摄像机（1），时统终端（3）依靠串行接口（6）连接第二高速摄像机（2）；控制计算机（4）依靠网络接口（7）连接第一高速摄像机（1），控制计算机（4）依靠网络接口（7）连接第二高速摄像机（2）；
摄像机靶标（9），其特征点均能在两个高速摄像机的视场内成清晰的图像；
时统终端（3），其通过串行接口（5）为第一高速摄像机（1）提供同步脉冲信号和时间信息；其通过串行接口（6）为第二高速摄像机（2）提供同步脉冲信号和时间信息；
控制计算机（4），其通过网络接口（7）接收第一高速摄像机（1）的靶标及子母弹开舱点的图像信息；其通过网络接口（8）接收第二高速摄像机（2）的靶标及子母弹开舱点的图像信息；控制计算机（4）经过数据处理后交会出子母弹开舱点的位置信息。
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