1 常见的测量装置的工作原理简述
为了简化操作, 提高人机功效, 用测定视线的方法来控制武器的指向是一种理想的方法, 然而直接测量视线方向的技术难度很大, 于是在工程上就发展出了间接测量方法:测量装置利用机电, 电磁, 光电, 超声波等手段, 获取操作人员的头部姿态, 配合固定在头盔上的瞄准镜筒, 就可以测量出视线方向。现在笔者介绍一下常见的头部姿态测量装置的工作原理及其特点。
第一种:机电式。
测量装置将头盔和参考基座用连杆连接在一起, 头部运动时, 连杆的前后平行滑动, 设置在连杆两端方向接头中的测角器, 就可以测出头部的方位、俯仰角。这种方法抗干扰能力强, 不容易受到环境中的电磁、光照等因素的影响, 缺点是装置会限制妨碍头部的运动, 人机效用差。
第二种:电磁式。
电磁式的原理是在头盔顶部安装三轴正交环形磁感应天线, 然后在基座相应位置安装定向磁场辐射器, 利用分时磁场辐射, 或磁场章动, 获得辐射器与磁感应天线之间的偏差, 将头盔相对飞机的方位、俯仰以及滚角的位置计算出来。该方法对电磁干扰比较敏感, 头盔附近的金属物体也会影响其测量精度。
第三种:光电式。
光电式测量装置有旋转光束法、V形狭缝法和线性比例法等几种类型, 一般由以下几部分组成的:光感受器, 扫描器和电子组件。以V形狭缝法为例, 头盔上有6个红外发光二极管, 每侧3个组成等腰三角形来进行安装, 辐射出来的红外光由安装在V形狭缝后的扫描器接收, 接收器的电信号经过处理, 就可以确定瞄准线。光电法环境适应性好, 是一种广泛采用的方法。
第四种:超声波式。
超声波式探测的特点是抗电磁干扰性比较强、价格比较低。使用过程中可以将超声发射器安放在一个等边三角形上, 然后将其固定在基座上, 以获得一个静止准直的参考位置, 发声器按照一定规律发出超声波, 接收器固定在头盔上, 在控制装置的驱动下, 可以测算出相关的距离信息, 根据距离信息结算得出头部的移动和偏转。其缺点是当声音环境不理想, 声场反射情况比较复杂时, 其精准度不够。
本文的测量装置采用的原理是图像识别法。
2 图像识别法的基本原理
图像识别法实际上是光电式中发展出来的, 它利用摄像装置观察标志点在摄像装置视场中的移动情况, 最后计算得到头部的姿态信息。根据摄像装置的数目, 它可分为单目测量法、双目测量法。
以单目法为例, 在进行单目视觉测量时, 可以安排摄像装置垂直向下拍摄场景, 摄像装置的光轴垂直于头盔上标志点形成的特征平面, 并穿过圆心。当头部转动起来时, 连续拍摄这个标志点平面, 得到所要的标志点位移参数, 并按要求计算出转动角度。
单目测量成立的前提条件是摄像头与头盔相对距离不变或变化甚微, 且头盔平移幅度也很小。为了满足单目测量的条件, 则必须对操作人员的活动加以一定的限制, 这显然妨碍了操作人员的正常操作活动。为了使操作人员在视场范围内活动更加自如, 可以将单目测量延伸到双目测量, 使图像识别法的适应性得以增强。
从原理上讲, 双目测量法与人类的视觉立体感知有很大的相似处:人类从两个眼点观察同一个物体, 得到两幅略微有所差别的图像, 最后在脑中形成立体视觉感知;而双目法从两个摄像装置的得到两幅差异图像, 以其中的标志点为对象, 计算这些点在像素平面上的位置偏离程度, 再利用三角测量原理, 来得到对象的三维状态信息。
文献5中给出了双目测量系统的一种数学模型 (图1) 。
其中Xw-Yw是标志点平面, X1-Y1和X2-Y2分别是两个摄像装置焦平面, 即图像的像素平面。显然标志点平面上的P点, 在两个像素平面上对应着p1和p2点, 当标志点平面绕自身的Xw、Yw或Zw轴发生转动或移动时, P点对应的p1和p2点在像素平面也发生位置变化。如果依据坐标系之间的关系, 就可以根据p1和p2点的像平面坐标逆向推算出, 实际P点的位置。因为三点才能确定一个平面, 所以除了P点外, 还需要2个标志点。
借鉴文献5的构思, 本文提出了一种比较简单可行的方法, 可以在大大节省成本和开支的情况下, 方便快捷地完成头部姿态测量任务。
在白色的摩托车头盔上按要求绘出6个黑色的标志点, 6个标志点分为2组, 每组3个, 使用两个普通的摄像头, 安装在框架上, 分别对准其中1组标志点, 使两个摄像头同时拍摄, 所获得的图像通过USB口传给计算机, 计算机进行图像处理后, 根据标志点在像素平面上的位置, 实时解算头部的转动角度。
3 头部姿态测量装置的设计
头部姿态基本上可以用6个参数来表示, 即高度, 左右位移, 前后位移, 俯仰角, 方位角和横滚角, 但在应用中, 主要关心的是头部的俯仰方位姿态角, 再具体到本装置的应用场合, 要求的测量范围是:方位+/-60°, 俯仰+/-30°。
实际上, 头盔的使用者在使用过程中, 其身体位置基本保持不变, 在高度, 左右和前后方向上头部的平移幅度都比较小, 另外一般人很少歪头操作, 因此头部横滚角很小, 这些都为测量装置的设计带来一定的便利。
首先需要建立测量装置的坐标体系, 通过它们, 可以将标志点的在焦平面上移动, 解算成头部姿态 (图2) 。
相关的坐标系包括基座坐标系、摄像头1和2的成像坐标系, 头盔转动坐标系, 和头盔坐标系。把头盔假定成一个球体后, 就可以简单地把标志点在头盔上的位置表示出来。另外头部运动是由颈部发起的, 所以头盔坐标系和头盔转动坐标系的原点并不重合, 特别是当头部做俯仰运动时, 标志点会有的比较明显的前后移动。通过一系列坐标间的转换关系, 可以得到标志点和俯仰/方位角之间的转换矩阵。
焦距是摄像头的关键参数。为了在感光芯片上完整成像, 需要根据目标的高度和宽度分别计算焦距, 取其中较小的值为摄像头焦距。计算公式如下:
焦距= (拍摄距离×CCD尺寸) / (目标尺寸+CCD尺寸)
摄像头将头盔上的标志点在空间三维位置, 通过投影转化为二维图像的时候, 因为环境条件的的不同, 形成的图像会有一定的差别。这对于精确地获取标志点在图像平面上的位置, 有很大影响。影响图像质量的主要有视角、光照、传感器的性能等因素, 使得两幅图像之间在图像灰度、几何形状变形、标志点遮挡或溢出视场等方面的存在差异, 同时形成的照片自身也存在着一定的噪声。图像处理算法必须克服这些因素的影响, 并完成图像的二值分割。
为了加快图像处理算法的运行速度, 软件采用了跟踪框算法, 算法根据上一帧图像中标志点的位置, 以其为中心, 形成一个跟踪框, 在处理当前帧图像时, 软件只对跟踪框内的图像进行灰度统计, 并根据灰度分布, 找出2个灰度分布的极大值和像素计数值, 该极大值、像素计数值和上一次获得的参数进行比较, 判定灰度统计的有效性后, 再完成图像二值分割。如果标志点溢出跟踪框, 则自动将跟踪框扩大, 重复上述算法。跟踪框使得图像匹配算法的计算量减小。
获得二值图像后, 对标志点进行形状判断, 实际就是空间滤波, 将噪声点消除, 最后得到标志点中心在摄像头像素平面上的坐标。
标定是制约测量精准度的一个非常重要的环节。前文提到头部姿态可以用6个参数来表示, 测量装置测量的是俯仰方位姿态角, 其它4个量在实际中就是操作人员身高, 座椅前后左右的位移等, 它们都会使俯仰方位角出现测量误差。另外标定, 也是消除系统安装误差的必要手段。
应用中, 在操作席的前方设定若干个基准点, 基准点和操作席的角度关系确定操作人员佩戴头盔后, 按要求的次序稳定瞄准基准点, 这时头盔的偏转角就是测量装置的标称值。计算机依次采集平滑获得的图像, 按照预定的标定算法, 求出转换矩阵的各个参数, 标定过程也就完成了。
人员在每次使用前, 必须进行校准, 校准和标定不同, 校准只需要对瞄准基准点中的一个, 这个基准点一般位于零度俯仰/方位角, 校准获得的值和转换矩阵中的某些参数进行比较, 如果在误差范围内, 头部姿态测量装置就可以使用了。
4 其它的设想和总结
装置测的量误差主要存在于标定、图像处理、几何关系重建三个步骤之中, 标定过程在其中起着决定性的作用, 由于所标定的参照物的选择和标定的方法直接影响了投影矩阵的数值, 从而间接影响了重建的结果。
图像处理中三维重建过程是摄像头标定的一个逆过程, 它使研究对象的三维姿态信息得以重建, 对于基准点, 利用标定参数计算的结果误差比较小, 而基准点之间的位置, 其计算结果必然误差相对较大。
误差来源还有以下几点: (1) 模型是建立在线性摄像机基础上, 没有考虑到摄像头的非线性畸变, 而真实情况和线性模型之间的差别, 使得图像不能准确描述实物的几何关系, 从而影响测量精度; (2) 图像处理中在进行空间滤波时, 可能会产生1到2个像素的误差, 对特征点的提取定位不够精确, 也会影响重建结果; (3) 头盔在使用中发生松动, 会使头盔不能真实跟随人员头部的运动, 也会对结果造成影响。
关于头部姿态测量装置, 还有许多方面值得研究和改进。比如说装置工作波段是可见光, 在这个波段光照环境复杂, 图像处理的运算量还是比较大的, 因此对计算机的容量和性能要求较高。如果在解算器体积重量以及处理能力受限的情况下, 可以在头盔上安装红外发光二极管, 并使用红外摄像头, 使图像背景简化, 图像对比度增强, 则有利于图像的分割和标志点的提取, 使算法的计算量大大减少。
还可以考虑增加头盔上的标志点的数量, 扩大装置的测量范围;或者把标志点改为标志图案, 研究单目法是否可以获得同样的测量精度和测量范围;如果需要进行商品化, 可以考虑使用工业摄像头。
这些仅仅是图像识别法的简单应用, 在一些复杂的情况下, 如果需要更高精度的测量结果, 还可以考虑, 增加摄像头, 利用立体多点视觉匹配算法。鉴于自身的经验和能力的不足, 关于立体多点视觉匹配算法试验和研究还只停留在方案设想与实验室简单模拟的阶段, 需要继续努力探索。
本文的测量装置简便、实用, 在规定的测量范围内, 可以达到比较好的精度操作人员头部负担小, 经过扩展和推广后, 在类似的其它场合的非接触测量中具有非常好的前景。
摘要：本文依据图像识别法的原理, 设计了一种低成本的头部姿态测量装置, 该装置使用普通摄像头和摩托车头盔, 头盔上做有标记, 摄像头获取图像, 计算机根据图像中标记的位置, 计算出操作人员视线的转动角度。本设计适用于试验室环境。
关键词：图像识别,双目测量,头盔瞄准具,转动角度
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