像机链位姿传递摄像测量方法及船体变形测量研究.pdf

国防科学技术大学 博士学位论文 像机链位姿传递摄像测量方法及船体变形测量研究 姓名：姜广文 申请学位级别：博士 专业：光学工程 指导教师：于起峰 20100101 国防科学技术大学研究牛院博+ 学位论文 摘要 传统的摄影／摄像测量技术的应用基础是摄像机能够直接拍摄到被测物体的 图像，因此对不通视目标三维位置与姿态的测量无能为力为了解决不通视目标 位姿测量问题，本文提出了“像机链位姿传递摄像测量”的新概念，并将其应用 于船体变形测量问题，该问题一直是海军装备研究和全球造船行业的难点之一 基于像机链位姿传递摄像测量方法，本文研制了船体变形摄像测量系统，并进行 了海上试验论文的主要工作及创新点如下： 1 ．在国际上首次提出了像机链位姿传递摄像测量方法该方法使用多个摄像 机和标志物组成像机链，将不通视的待测目标和测量基准联系起来，进而传递测 量待测目标相对测量基准的三维位置、姿态及其变化量本文系统研究了像机链 位姿传递摄像测量方法的原理，探讨了测量传递站的形式，进行了精度分析和实 验验证像机链位姿传递摄像测量方法解决了传统摄像测量原理和方法无法完成 的两个或多个不通视物体间或超大视角物体间相对位置、姿态及其变化量的测量 问题，能够应用于船体及其它大型结构的变形测量。

像机链位姿传递摄像测量方法在传递测量位置姿态的同时也会传递测量误 差围绕着提高该方法的测量精度和实用性，本文对摄像机标定、特征标志定位 和多摄像机同步等几个关键技术展开了研究 2 ．针对常用摄像机标定方法中存在的参数过度耦合问题，提出了一种基于可 控旋转的摄像机标定方法控制摄像机围绕光心( 或光心附近) 做旋转运动，能 够将等效焦距与其他参数分离开来，求解精确的等效焦距；并在此基础上提出了 传统标定方法与基于可控旋转方法相结合的摄像机标定技术，用于高精度标定包 含像差系数在内的摄像机内外参数 3 ．设计和制作了能够适应全天候测量要求的由多个十字型红外光源组成的合 作目标针对摄像测量时可能出现的不规则十字丝情况，提出了灰度投影积分和 数字相关相结合的方法，首先利用灰度投影积分得到十字丝两臂的宽度及其与图 像坐标轴之间的夹角，然后据此生成模板进行相关，并利用相关系数拟合极值法 进行亚像素定位实验证明本方法鲁棒性好，噪声较小的情况下定位精度优于0 ．0 5 像素 4 ．设计了一种基于硬件同步触发和软件同步策略的多摄像机同步采集和处理 系统通过简单的编程控制将一种即插即用的数字输出模块作为同步信号发生装 置；在硬件同步的基础上，通过一定的同步策略实现多台摄像机拍摄图像的同步 处理。

该方案具有通用性，并且操作简便，能够解决连接在一台或多台计算机上 的多个摄像机之间的同步问题 第i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 5 ．在原理研究、关键技术研究和方案论证的基础上，设计了基于像机链位姿 传递摄像测量方法的船体变形摄像测量系统，并用于实船变形测量，进行了海上 试验，得到了甲板上某部位与舰船选定基准之间和船体艏艉之间的长时间、连续 的三维位置和姿态变形测量数据经过更加深入的研究和完善，该方法将在船体 及其他大型结构的变形测量和长期监测领域有广阔的应用前景 主题词：摄像测量，位姿传递，像机链，不通视，位姿估计，摄像机标定， 摄像机同步，船体变形 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 A B S T R A C T T r a d i t i o n a lp h o t o g r a m m e t r y ／v i d e o m e t r i c sm e t h o d sa n dt e c h n i q u e sa r ei n v a l i dt o m e a s u r et h r e e —d i m e n s i o n a lp o s i t i o n sa n da t t i t u d e so fn o n i n t e r v i s i b l eo b je c t s ，f o rt h e b a s i st h a tt h ec a m e r am u s tc a p t u r ei m a g e so fo b j e c t st ob em e a s u r e d ．A ni n n o v a t i v e p r i n p l eo f ‘‘p o s er e l a yv i d e o m e t r i c sw i t hc a m e r a - s e r i e s ’’i sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t or e s o l v et h ep r o b l e mo fp o s em e a s u r e m e n tb e t w e e nn o n i n t e r v i s i b l eo b j e c t s ．T h en e w m e t h o dh a sb e e na p p l i e di n s h i pd e f o r m a t i o n sm e a s u r e m e n t ，w h i c hh a sb e e no n e d i f f i c u l t yi nn a v ye q u i p m e n tr e s e a r c ha n ds h i pb u i l d i n gi n d u s t r y ．T h ep r o t o t y p es y s t e m f o rs h i pd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n tb a s e do np o s e —r a l yv i d e o m e t r i c si sd e v e l o p e d ，a n d t h e ns e at r i a l sa r ec a r d e do n ．T h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e a sf o l l o w s ： 1 ．P o s er e l a yv i d e o m e t r i c sw i t hc a m e r a - s e r i e sm e t h o di Sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e i n t e m a t i o n a l l y ．T h em e t h o dU S e Sas e r i e so fc a m e r a sa n dm a r k e r st ob u i l du p c a m e r a - s e r i e sa n dc o n n e c tt h en o n i n t e r v i s i b l em e a s u r i n gt a r g e ta n dr e f e r e n c e ．a n dt h e n t h et h r e e ·d i m e n s i o n a lp o s i t i o n s ，a t t i t u d e sa n dt h e i rc h a n g e sa r eo b t a i n e db yp o s er e l a y ． P r i n c i p l e so fp o s er e l a yv i d e o m e t r i c sm e t h o db yc a m e r a - s e r i e sa r es t u d i e ds y s t e m i c l y , a n dt h ef o r m so fr e l a ys t a t i o n sa r ed i s c u s s e d ．I ns u c c e s s i o n ，p r e c i s i o na n a l y s i sa n d v a l i d a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do n ．T h em e t h o dC a nr e s o l v et h ep r o b l e mo fp o s ea n d d e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n to ft w oo rm o r en o n i n t e r v i s i b l eo b j e c t s ，a n dt h o s eo fo b j e c t s w i t hav e r yl a r g ea n g l eo fv i e w , w h i c hc a n n o tb ep r o c e s s e db yc o n v e n t i o n a lp r i n c i p l e s a n dm e t h o d so fv i d e o m e t r i c s ．S Ot h a ti tC a nb ea p p l i e di nd e f o r m a t i o n sm e a s u r e m e n to f s h i p sa n do t h e rl a r g es t r u c t u r e s ． T h ep o s er e l a yv i d e o m e t r i C Sm e t h o dw i t hc a m e r a ．s e r i e sr e l a y se r r o r sw h i l e r e l a y i n gp o s e ．S u r r o u n d i n gh o w t oi m p r o v et h ep r e c i s o na n dp r a c t i c a l i t y , s e v e r a lk e y t e c h n i q u e ss u c ha sc a m e r ac a l i b r a t i o i n ，m a r k e rd e t e c t i o na n dc a m e r a ss y n c h r o n i z a t i o n a r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ． 2 ．Ac a m e r ac a l i b r a t i o nm e t h o db a s e do nc o n t r o l l a b l er o t a t i o ni Sp r o p o s e dt o r e s o l v et h ep r o b l e mo fo v e r m u c hc o u p l e dp a r a m e t e r sw i t hm a n yc o m m o n l yu s e d c a l i b r a t i o nm e t h o d s ．T h ec a m e r ai Sc o n t r o l l e dt or o t a t eak n o w na n g l ea r o u n d ( o ra r o u n d n e a r b y ) t h eo p t i c a lc e n t e rt oc a l c u l a t et h ea c c u r a t ee f f i c i e n tf o c u sl e n g t hd e p a r t e df r o m。