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
运动物体姿态的 CCD 检测算法研究
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。
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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