运动物体姿态的CCD检测算法研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 3.03MB 73 页 15积分
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摘 要
随着科学技术的不断发展，工业生产和日常生活中越来越多地利用自动化设备
来把人类从恶劣的工作环境或者繁杂的工作任务中解放出来。而自动化程度较高
的设备一般都有运动的部件。为了精确地监控这些运动物体，我们在其运动过程
中必须获得它各种正确的位置和姿态信息。而在物体的运动过程中，这些信息会
受到各种干扰的影响，彼此之间也会相互影响。因此，有必要对运动物体的动态
测量进行深入的研究。
本文旨在通过实验方法研究寻找一种检测运动物体姿态的有效而简单的方法。
本课题是探索性课题，试图构造一个数学模型，设计一个检测系统，进行一定的
实验测试，并将得到数据进行分析。
本文第二章建立了基于双目测距的运动参数测量模型，通过对目标在运动物体
摄像机成像平面上的投影和有关坐标系的转换与数据处理，推导出了小车的相对
位置及相对姿态的计算模型。第三章利用图像采集卡提供的 SDK 库函数对图像进
行了预处理，并采用区域分割和模式识别的方法得出特征点的质心位置。第四章
在介绍了各种不同的摄像机标定方法以后，利用 Tsai 标定方法对摄像机进行标定，
得出摄像机的内外部参数，以提供测试实验的参数。第五章介绍了测量系统的组
成和实验的过程，并对数据进行记录分析。最后对本课题的研究进行了总结，并
提出下一步需要改进的地方。
关键字：运动物体 姿态检测 相对位姿 图像处理 标定技术
ABSTRACT
With the continuing development of science and technology, automatic devices are
more and more frequently used to make humans free from poor working conditions and
complex working tasks in industry and daily life. The device which is more automatic
usually contains moving components. In order to control those moving objects precisely
we should attain all correct position and t attitude information in their rate process.
Other factor from outside will disturb those signals of the information in the object rate
process, as well as the signals from their own system. Therefore, it is necessary to
research thoroughly on the mobile dynamic measurement.
This paper is based on the project of research of angle and intelligent control for
moving automobile. The aim of the project is to research a simple and usable method to
measure the angle for moving object. The project is research project, and it is to find an
algorithm model, design a measure system, do testing experiment, and analyze the data
which is obtained by the experiment.
In chapter II of this thesis, we establish a model to measure the movement
parameter based on the principle of range finder by binocular. After projecting the
object on the camera image formulation plane on the moving object, transforming the
related coordinate system, processing the data, we have inferred the computation model
of the car’s relative position and attitude. In chapter III, with the help of Image Grabber
SDK，we program to pre-processing the image. Then we get the mass center position of
the characteristic points by region segmentation and pattern recognition. After
introducing different ways of camera calibration in chapter IV, we calibrate the camera
by Tsai and get the inner and outer parameters of the camera for the next attitude
experiment. In chapter V, we introduce the organization of the measurement system and
the experiment flow, record and process the testing data. Finally, we conclude the
research of the project, and present which we should improve in the future.
Key Words: moving object, attitude measurement, relative position
and attitude，image processing, calibration technique
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 引言 ...................................................................................................................1
§1.2 课题背景和意义 ...............................................................................................1
§1.2.1 运动物体的姿态测量 .............................................................................1
§1.2.2 基于双 CCD 的运动物体姿态测量 ...................................................... 3
§1.3 有关运动物体姿态检测的国内外研究的状况 ................................................3
§1.4 基于双 CCD 姿态测量方法及关键技术 ......................................................... 5
§1.5 本文章节安排 ....................................................................................................7
第二章 双目视觉测量原理 .............................................................................................9
§2.1 测量系统坐标系介绍 ........................................................................................9
§2.2 摄像机透视投影模型 ......................................................................................10
§2.2.1 针孔成像模型 .......................................................................................10
§2.2.2 成像平面替换 .......................................................................................11
§2.3 双目立体视觉原理 .........................................................................................12
§2.3.1 平视双目立体视觉三维测量原理 ........................................................12
§2.3.2 双目立体视觉数学模型 ........................................................................13
§2.3.3 双目三角测距方法 ................................................................................14
§2.4 小车运动参数的测量 ......................................................................................16
§2.4.1 相对位置的测量 ...................................................................................17
§2.4.2 相对姿态的测量 ...................................................................................17
§2.5 姿态算法—三点测姿法 ..................................................................................19
§2.6 本章小结 ..........................................................................................................22
第三章 数字图像预处理 ...............................................................................................23
§3.1 引言 .................................................................................................................23
§3.2 数字图像的基本类型 .....................................................................................23
§3.2.1 颜色模式 ...............................................................................................23
§3.2.2 数字图像类型 .......................................................................................24
§3.3 真彩色图像的灰阶处理 .................................................................................26
§3.3.1 图像模式的转换 ...................................................................................26
§3.3.2 灰度直方图 ...........................................................................................27
§3.4 二值图像的处理 .............................................................................................28
§3.4.1 图像分割、目标提取方法概述 ...........................................................28
§3.4.2 基于区域的图像分割 ...........................................................................30
§3.4.3 物体与背景的分割 ...............................................................................31
§3.4.4 二值化方法 ...........................................................................................32
§3.5 模式识别 ..........................................................................................................32
§3.5.1 模式识别概述 ........................................................................................32
§3.5.2 图像的标识及特征提取 .......................................................................34
§3.5.3 质心法确定特征点中心 .......................................................................36
§3.6 本章小结 .........................................................................................................37
第四章 摄像机标定技术 ...............................................................................................38
§4.1 标定技术研究 ..................................................................................................38
§4.1.1 标定技术概述 .......................................................................................38
§4.1.2 双目视觉标定 .......................................................................................39
§4.2 标定参数说明 ..................................................................................................41
§4.2.1 内部参数 ...............................................................................................42
§4.2.2 外部参数 ...............................................................................................42
§4.3 标定几何关系 ..................................................................................................42
§4.4 摄像机内外部参数计算 ..................................................................................44
§4.5 本章小结 ..........................................................................................................45
第五章 实验过程和数据处理 .......................................................................................46
§5.1 动态检测系统的组成 ......................................................................................46
§5.1.1 检测系统的硬件实现 ...........................................................................46
§5.1.2 图像采集系统组成 ...............................................................................46
§5.2 检测系统设备的选型 ......................................................................................47
§5.2.1 彩色摄像机的选型 ...............................................................................47
§5.2.2 视频捕捉卡的选型 ...............................................................................48
§5.2.3 运动物体的选型 ...................................................................................49
§5.3 软件设计流程 ..................................................................................................50
§5.4 摄像机标定实验 ..............................................................................................50
§5.4.1 标定模板设计 .......................................................................................50
§5.4.2 标定数据输入输出 ...............................................................................52
§5.4.3 实时标定程序 .......................................................................................54
§5.4.4 标定实验流程 .......................................................................................55
§5.5 姿态测量实验 ..................................................................................................58
§5.5.1 姿态测量实验方案 ................................................................................58
§5.5.2 姿态测量实验流程 ................................................................................59
§5.5.3 实验数据分析 ........................................................................................61
§5.6 误差分析 .........................................................................................................62
§5.6.1 摄像机标定过程误差分析 ....................................................................62
§5.6.2 三维重建中的误差分析 ........................................................................63
§5.6.3 实验系统误差 ........................................................................................63
§5.7 本章小结 .........................................................................................................64
第六章 结论与展望 .......................................................................................................65
§6.1 结论 ..................................................................................................................65
§6.2 展望 ..................................................................................................................65
参考文献 .........................................................................................................................67
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................70
致 谢 .............................................................................................................................71
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
2008 年9月25 日，我国成功发射了神舟七号载人航天飞船，航天员翟志刚也
成功地进行了出舱行走，标志着我国的载人航天事业进入了一个崭新的阶段。再
以后的几年中，我国还将发射目标飞行器，实现飞行器空间交会对接，为未来建
立永久太空站打下基础。军事方面，近年来我国导弹技术取得了长足的进步，战
略洲际导弹、巡航导弹、防空导弹、以及各种机载舰载战术导弹门类齐全。日常
生活方面，随着对高速铁路建设的不断投入，我国已经或者将要建成一大批时速
在300km 以上的高速铁路干线，已经动工的京沪高铁将成为世界上最长的高速铁
路干线。诸如以上这些领域，无不需要对运动物体之间的具体位置姿态需要精确
测量估计，因此对此方面的基础性研究具有很重要的意义。
§1.2 课题背景和意义
§1.2.1 运动物体的姿态测量
物体的姿态信息是运动控制系统中对控制对象的进行控制的重要参数，姿态检
测作为提供这一参数的功能部分，在军事和民用的各个自动控制场合起着重要作
用。大到卫星的定位，小到日常车辆的舒适度控制，都有姿态检测与控制的存在。
常见的运用姿态检测的场合有以下几种：
1）航空的引导
2）导航和控制
3）天线的稳定
4）地图绘制和地理勘探
5）车辆控制和动态检测
6）姿态参考
7）航海导航
8）指导采矿和耕作
9）铁路和海面跟踪
在航空领域，姿态控制的前提是姿态测量,即探测出飞行器的当时姿态。姿态
敏感器是实现空间飞行器姿态检测与控制的仪器。确定飞行器姿态的一般方法是
选择一个可靠的参考系。随着空间科学技术的发展，在航天器空间站交会对接,空
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2
间目标跟踪、逼近等任务中,需实时精确地获取航天器间相对位置和相对姿态。在
相对距离较远，且对相对位置和姿态检测精度要求不高的任务中，一般借助 GPS
系统及地面测控网进行定位和控制。而在相对距离较近,需对相对位置及姿态作精
确检测时，无论是 GPS 系统，还是地面测控网都无法达到要求。一般认为，基于
计算机视觉的检测方法，可较好地满足这一需求。
在军事领域，弹道的设计，导弹的飞行姿态等，是姿态检测的重要应用场合。
弹丸的飞行姿态是指弹丸在自由飞行时的轴的空间方位。它是分析研究弹丸围绕
质心运动和绕心运动对质心运动的影响,计算弹丸各个空气动力系数,研究弹丸
飞行稳定性,分析各种扰动因素对飞行稳定性和射击密集度的影响的首要条件。弹
丸在飞行时,尤其是在炮口附近飞行时的姿态变化,如章动角、进动角及加速度等
参数是引信安全系统设计的重要环境参数。章动角所产生的前冲加速度,可能引起
引信保险机构提前解除保险,也是早期引信产生炮口早炸的重要原因之一。
在民用方面，最近十多年来,随着地面载体如高级的汽车、列车和工程机械等，
对先进、复杂电子系统日益增加的需求,其中一些承担有特殊任务的载体,需要随
时了解自身所处的坐标和所对准的方向，也就是自身的姿态信息。目前热点的汽
车工业上，也广泛应用着姿态检测。越是高级舒适的汽车上，姿态检测越是起着
重要的作用。与汽车的需求不同，工程机械上的姿态检测不是决定舒适度，而是
安全度的保证。另外，列车的动态检测系统，铁轨的间隙状态程度，都有着姿态
检测的身影。
图1.1 显示了姿态检测的应用范围。其中各个姿态检测的领域，对姿态检测方
法的选择各有不同。
第一章 绪论
3
列车动态检测系统
消费电子
工程机械
海洋船舶
军事工业
仪器检测
姿态检测
图1.1 姿态检测的应用
§1.2.2 基于双 CCD 的运动物体姿态测量
双目立体视觉是计算机视觉的一个重要分支。即由不同位置的两台或者一台摄
像机(CCD)经过移动或旋转拍摄同一幅场景，通过计算空间点在两幅图像中的视
差，获得该点的三维坐标值。80 年代美国麻省理工学院人工智能实验室的 MARR
提出了一种视觉计算理论并应用在双眼匹配上，使两张有视差的平面图产生有深
度的立体图形，莫定了双目立体视觉发展的理论基础。相比其它类的体视方法，
如透镜板三维成像、投影式三维显示、全息照相术等，双目体视直接模拟人类双
眼处理景物的方式，可靠简便。在许多领域均极具应用价值。如微操作系统的位
姿检测与控制、机器人导航与航测、三维测量学及虚拟现实等。
因此，选用双目立体视觉，利用图像处理的方法实现目标器、追踪器相对位置
姿态测量不失为一种好的解决方法[1、2]。
§1.3 有关运动物体姿态检测的国内外研究的状况
物体的动态检测中目前采用的姿态传感器、陀螺传感器的精度和速度较低，
在动态检测过程中仰俯和侧向倾角的检测结果都达不到理想要求。如俄罗斯生产
的全固态光纤陀螺传感器，美国生产的微电子机械系统（MEMS）的惯性陀螺传
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感器，它们的随机漂移（<1°/h），动态范围小于±60°/S，标度因子误差小于 2％
等。因此快速（>30km/h＝8.33m/S）准确的检测和精确控制都不能满足要求。单
独采用 GPS 定位系统的定点位置也只能达到几米直径的范围的精度等级。
光纤陀螺方面，美、英、法、前苏联从 1962 年开始研制用激光作为方位测向
器，称之为激光陀螺仪，其原理是利用光程差来检测旋转角速度（Sagnac 效应）。
但是激光陀螺固有的闭锁效应以及零漂误差等给激光陀螺的研制带来许多困难，
直到 70 年代，美国和法国的一些公司才陆续有激光陀螺产品问世。1975 年，霍尼
韦尔公司又研制出机械抖动偏频的单轴激光陀螺，并首次成功地应用于战术飞机。
激光陀螺从此进入实用阶段。并且成功地应用到战术导弹、直升机、潜艇、运载
火箭等项目上。
直到 80 年代初期，激光陀螺才进入批量生产阶段。80 年代后期，霍尼韦尔公
司和 Litton 公司研制成功的激光陀螺产品零漂值优于 0.01°/h，在航空领域获得广
泛的应用。90 年代，他们又解决了激光陀螺的光学集成和数字化技术，使其更加
易于工程实现。1994 年2月，日本 H-2 运载火箭呼啸升空，激光陀螺首次在航天
运载器中取代挠性陀螺。
90 年代末期，美国 Litton 公司研制的四频差动激光陀螺，
由于采用光学方法消除陀螺“闭锁”现象，所以又称为第二代激光陀螺，其零漂
值已达 0.001°/h，使激光陀螺精度又达到一个新的水平，其最佳时的零漂值已优
于0.0003°/h，显然会成为纯惯性远程军用武器系统的优选对象。
目前世界上研制和生产激光陀螺及其系统的主要国家有美、英、德、法、日
本和俄罗斯，其中美国和法国研制的水平最高，激光陀螺技术发展很成熟，并形
成了二频机抖、四频差动、空间三轴、塞曼陀螺等不同类型的系列产品。低成本、
小体积的激光陀螺以霍尼韦尔的 GG1308 为代表，其采用 BK-7 级（类似我国 K9）
玻璃，通过镜片、电极整体烧结工艺一次成形，总体积小于 2立方英寸，其精度
可达 1o/h，重量为 60 克，能承受 20g 的振动，每个仅为 1000 美元。由于这种激
光陀螺体积小，重量轻，成本低，所以在武器装备上得到广泛应用。
目前，由于光纤陀螺技术也已经成熟，许多武器系统已开始采用光纤陀螺。
为了进一步降低成本并避免部件过时带来的问题，2004 年后交付的联合直接攻击
弹采用由光纤陀螺及 MEMS 加速度计构成的惯性检测装置，取代以激光陀螺为组
件的惯性检测装置。
但是目前陀螺仪精度有限，远低于倾角传感器的检测精度。因此在要求高精
度的场合，倾角传感器还是首选器件。
惯性检测方面，通过检测飞行器的加速度(惯性)，并自动进行积分运算，获得
飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行
摘要：

摘要随着科学技术的不断发展，工业生产和日常生活中越来越多地利用自动化设备来把人类从恶劣的工作环境或者繁杂的工作任务中解放出来。而自动化程度较高的设备一般都有运动的部件。为了精确地监控这些运动物体，我们在其运动过程中必须获得它各种正确的位置和姿态信息。而在物体的运动过程中，这些信息会受到各种干扰的影响，彼此之间也会相互影响。因此，有必要对运动物体的动态测量进行深入的研究。本文旨在通过实验方法研究寻找一种检测运动物体姿态的有效而简单的方法。本课题是探索性课题，试图构造一个数学模型，设计一个检测系统，进行一定的实验测试，并将得到数据进行分析。本文第二章建立了基于双目测距的运动参数测量模型，通过对目标...

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