張建花，柳　琦，聶榮華（　中國飛行試驗研究院測試所，西安　70089；　中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院強(qiáng)度所，西安　70089）

機(jī)載影像測量消抖技術(shù)研究*

張建花1，柳琦1，聶榮華2
（1中國飛行試驗研究院測試所，西安710089；2中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院強(qiáng)度所，西安710089）

針對飛行試驗機(jī)載環(huán)境下攝像機(jī)或鏡頭的抖動影響影像測量精度的問題，提出了一種機(jī)載影像測量消抖算法。通過在同一幀畫面內(nèi)將運動目標(biāo)和固定不動的參考系加以區(qū)分，利用參考系內(nèi)3個以上不動特征點采用空間后方交會算法逐幀解算攝像機(jī)的外方位元素，修正攝像機(jī)拍攝時刻的位置和姿態(tài)，消除或減小攝像機(jī)抖動對測量精度的影響。試驗結(jié)果表明，該方法可使影像測量精度提升至毫米級，滿足飛行試驗數(shù)據(jù)精度要求。

攝像機(jī)消抖；影像測量；飛行試驗

0　引言

隨著新型號武器研制任務(wù)的快速發(fā)展，對飛行試驗機(jī)載影像測量的要求越來越高。武器分離過程的試飛測試需要采集、記錄相關(guān)的影像，然后對影像分析，得到所需空間變換參數(shù)。雖然加裝的攝像機(jī)與飛機(jī)機(jī)體是剛性連接，但是由于飛行過程中機(jī)體的振動，仍然不能避免攝像機(jī)或鏡頭的微量抖動，必然會影響測量精度。為此，需要在測試方案中考慮如何消除或降低這些不利因素。文中主要研究在飛行試驗中攝像機(jī)消抖算法，通過對影像測量算法的改進(jìn)，達(dá)到機(jī)載影像測量消除或降低抖動的目的。

1　測量原理

攝像機(jī)抖動引起攝像機(jī)空間位置和姿態(tài)改變，即外方位元素變化。如果在拍攝被測目標(biāo)時能將參考系統(tǒng)拍攝在內(nèi)，則通過改進(jìn)影像測量算法，逐幀解算攝像機(jī)拍攝每幀圖片時的外方位元素。此時，影像測量計算公式中只有被測目標(biāo)的運動參數(shù)和參考系統(tǒng)，即攝像機(jī)的振動不再對結(jié)果有影響。

1.1攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定

攝像機(jī)標(biāo)定包括內(nèi)方位元素焦距f、像主點（x0，y0）、徑向畸變（K1，K2，K3）、偏心畸變（P1，P2）、像平面畸變（B1，B2），以及攝像機(jī)外方位元素（Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ）的標(biāo)定。在攝像機(jī)視場內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量控制點，根據(jù)共線方程，并引入攝像機(jī)畸變，得到物體點和圖像點之間的關(guān)系方程：

其中，Δx、Δy為以上各類畸變的總和。對式（1）線性化后可得：

式中：V是像點坐標(biāo)殘差；X1、X2、X3分別為內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)和物方點坐標(biāo)的改正數(shù)；A、B、C分別是它們對應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù)矩陣，L是觀測值。對控制點而言其坐標(biāo)已知，即X3=0，則式（2）可簡化為：

其中：

對每張像片，有6個外方位元素和10個內(nèi)參數(shù)，共計16個未知數(shù)。每個控制點可以根據(jù)上式列出2個方程式，則對單張像片來說，至少需要8個控制點解算式（3）。

1.2攝像機(jī)消抖方法

設(shè)計兩組測量參考點，一組稱為動點，另一組稱為不動點。動點測量標(biāo)志粘貼在運動目標(biāo)上，和運動目標(biāo)同步運動，用于計算目標(biāo)運動參數(shù)；不動點測量標(biāo)志粘貼在參考系統(tǒng)上，認(rèn)為其是不動，不變形的。因此，不動點用于動態(tài)校準(zhǔn)攝像機(jī)的空間位置和姿態(tài)，以消除由于攝像機(jī)相對于飛機(jī)機(jī)體的抖動而引起的畫面抖動誤差。兩組標(biāo)志同時成像到同一個畫面上。

由于攝像機(jī)的內(nèi)方位元素通過式（3）事先計算，可視為已知值。每一時刻的畫面，利用3個以上不動點標(biāo)志對式（3）求解X2的當(dāng)前值，進(jìn)行攝像機(jī)外參數(shù)校準(zhǔn)，使攝像機(jī)的外參數(shù)回復(fù)其應(yīng)有的位置。然后，根據(jù)當(dāng)前的校準(zhǔn)參數(shù)再對動點標(biāo)志進(jìn)行位置坐標(biāo)解析計算。由此攝像機(jī)的位置和姿態(tài)不再影響測量結(jié)果，即消除了攝像機(jī)抖動的影響。

2　精度測試

2.1測試方法

驗證文中算法的抗抖動能力測試采用的方法為：目標(biāo)靜止不動，攝像機(jī)隨機(jī)抖動，配套圖像采集器采集圖像，事后計算抖動后靜態(tài)點微動偏差。即測試本算法糾正攝像機(jī)抖動的能力。

2.2測試環(huán)境

將兩臺分辨率為1 920像素×1 080像素、像元大小為7.4 μm的某型高清攝像機(jī)安裝在DC-1000 -13型振動臺上，按照HB5830標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動試驗來模擬機(jī)載振動環(huán)境，攝像機(jī)在振動環(huán)境下獲取被測物體的影像信息。測試物體為400 mm×300 mm標(biāo)定板，見圖1所示，測量距離為1.0 m。實驗場景見圖2所示。

圖1　被測目標(biāo)

圖2　實驗場景

2.2.1攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)

按上述攝像機(jī)標(biāo)定原理完成兩臺攝像機(jī)的標(biāo)定工作。表1為兩臺機(jī)載攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)值。

表1　攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)值

2.2.2攝像機(jī)消抖

在采集的圖像中隨機(jī)選取14個狀態(tài)，每個狀態(tài)下選取3個以上已知坐標(biāo)的測量標(biāo)志計算攝像機(jī)的實時外參數(shù)。然后用雙像機(jī)交會原理再次計算所有標(biāo)志點的坐標(biāo)值。

2.3 測試結(jié)果

在采集的14 個狀態(tài)中，以首狀態(tài)為基準(zhǔn)，分別對物體上16 個點在剩余13 個狀態(tài)下的坐標(biāo)進(jìn)行檢測與比對，獲得結(jié)果如表2 所示。

表2 點位坐標(biāo)比較結(jié)果

本次測試目的為獲得相機(jī)在抖動情況下數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，285 點偏差最大，系統(tǒng)最大浮動為0. 385 5 mm，系統(tǒng)最大浮動標(biāo)準(zhǔn)差為0. 188 7 mm。

3 結(jié)論

文中主要針對飛行試驗過程中由振動引起機(jī)載攝像機(jī)或鏡頭的微量抖動影響測量精度的問題，提出逐幀解算攝像機(jī)外方位元素的消抖算法，使攝像機(jī)的外參數(shù)回復(fù)到其應(yīng)有的位置。然后，根據(jù)當(dāng)前的校準(zhǔn)參數(shù)再對運動目標(biāo)上的標(biāo)志進(jìn)行位置坐標(biāo)解析計算。實驗結(jié)果表明，在抖動環(huán)境下，影像測量精度可以達(dá)到毫米級。由此可認(rèn)為攝像機(jī)的位置和姿態(tài)對測量結(jié)果不再具有影響，即消除了攝像機(jī)抖動的影響。

［1］ 于寧峰. 數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)中非量測CCD 相機(jī)標(biāo)定算法［J］. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007，26 （2） ：190- 193.

［2］ 張劍清，潘勵，王樹根. 攝影測量學(xué)［M］. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2003：16.

［3］ 馮文灝. 近景攝影測量：物體外形與運動狀態(tài)的攝影法測定［M］. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2002：9-14.

［4］ TANG Zhengzong，LIANG Jin，XIAO Zhenzhong，et al.Three-dimensional digital image correlation system for deformation measurement in experimental mechanics ［J］.Optical Engineering，2010，49（10） ：1-9.

［5］ XIAO Zhenzhong，LIANG Jin，YU Dehong，et al. An accurate stereo vision system using cross-shaped target selfcalibration method based on photogrammetry ［J］. Optics and Lasers in Engineering，2010，48（12） ：1252-1261.

The Research of Airborne Image Measurement Debounce Technology

ZHANG Jianhua1，LIU Qi1，NIE Ronghua2
（1Test Institute，China Flight Test Establishment，Xi’an 710089，China；2Strength Institute，The First Aircraft Institute of AVIC，Xi’an 710089，China）

A algorithm for eliminating camera or lens’s micro-shaking which affects measurement accuracy caused by aircraft’s vibration during flight test was proposed，According to differentiating the moving target and stationary reference in the same frame，and then using 3 or more fixed feature points in the stationary reference of every frame to solve the camera’s exterior orientation elements based on space resection to correct the camera’s pose.After that，the effect on measurement accuracy can be eliminated or reduced.The test results show that this method allows image measurement accuracy up to millimeter level，which meets the accuracy requirements in flight test.

camera debounce；image measurement；flight test

TP391

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.043

2015-03-20

張建花（1983-），女，陜西商洛人，工程師，碩士，研究方向：飛行試驗光電測試、影像測量、數(shù)字圖像處理技術(shù)。