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非量测相机检校与目标运动参数测量方法研究

回丙伟  
【摘要】:基于非量测相机的目标运动参数测量是指利用非专业测量相机拍摄的运动目标的图像或图像序列,从中解算目标位置、姿态、速度等参数的过程。基于非量测相机的目标运动参数测量有三个难点:一是非量测相机的内定向参数不太稳定,其内定向检校过程相对复杂;二是飞行的运动目标所在空间缺少控制点信息,外定向模型检校较为困难;三是运动目标在图像中所占区域面积较小,参数解算中可利用的图像信息不多,解算难度较大。论文在全面总结和分析国内外目标运动参数摄影测量方法的基础上,对上述三个难点问题开展研究,论文完成的主要工作和取得的主要创新点如下:1、总结了利用非量测相机测量目标运动参数的基本作业流程,明确了空间刚体变换模型及其参数的物理意义,用统一的过程推导了面阵和线阵非量测相机的几何成像模型。2、针对面阵和线阵非量测相机,分别提出了一种内定向模型检校方法。(1)提出了一种基于平面网格的面阵相机内定向模型检校方法,较好地解决了面阵相机视场范围大、难以布设检校场景的问题。该方法巧妙利用旋转矩阵约束和同一网格在不同视角下的图像,通过退化的投影方程对相机内定向模型参数实现直接线性解算。实践证明该方法可以利用常见的人造目标表面规则排列的网格纹理实现相机的较高精度的内定向模型检校,具有较强的可操作性。(2)提出了一种基于移动平台扫描成像的线阵相机内定向模型检校方法,较好地解决了线阵相机由于单次成像信息量少而难以识别空间点的问题。该方法通过在线阵相机模型中引入3个运动参数,使得能够在所获取的扫描图像中识别出大量的空间点,从而可以利用线阵相机的动态模型求解相机主要定向参数。实验证明该方法可获得较高精度的线阵相机检校结果。3、针对面阵和线阵非量测相机,分别提出了一种基于组合相机的检校方法。(1)设计了一种测量相机和检校相机固联摄影测量系统,并提出了自动确定其外定向模型参数的方法,可实现运动目标的大范围跟踪测量。该系统通过一台同步控制器控制组合在一起的两台相机成像,当观测相机在跟踪拍摄目标过程中发生摆动时,定向相机对准一检校场景发生近似绕其主光轴的旋转,从而可以利用定向相机拍摄的每一幅图像间接恢复出对应时刻测量相机的外定向模型。该系统能廉价地实现运动目标大范围跟踪测量。(2)提出一种基于面阵辅助相机的线阵相机检校方法。该方法在将两个相机固定在一起后经过两个相对独立的过程完成检校。首先在室内借助于一个二维的动态检校场景获得线阵相机内定向模型和两个相机之间相对方位关系。然后通过面阵辅助相机空间后方交会间接获取线阵相机的外定向模型参数,进而可构建立体观测模型。仿真和实测数据实验表明该方法可获得线阵相机较高的检校精度,具有较强的实用性。4、提出了两种基于目标先验知识的运动参数解算方法,较好地解决了运动参数解算中目标图像信息量少的问题。(1)提出了一种基于目标表面结构化特征点的运动参数估计方法,它能够利用立体线阵图像同时解算弹丸速度、初始位置和姿态等参数。该方法首先根据成像方程构建了参数求解的最优化数学模型,然后在解算过程中对待求参数进行线性与非线性分离,混合使用了Powell搜索算法和线性最小二乘方法得到问题的最优解。实验结果验证了该方法的有效性。(2)提出一种基于平面区域跟踪的目标位置姿态参数自动测量方法。该方法首先利用上一帧图像建立同时含有目标几何和纹理信息的平面模板,然后利用该模板在当前帧图像中建立以目标位置姿态参数为待求量的匹配优化模型并求解。重复上述过程可实现序列图像的自动递推测量。该方法一定程度上提高了测量的智能化水平。


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