??? 摘? 要: 根據計算機視覺" title="計算機視覺">計算機視覺和CCD圖像分析測量原理,介紹了對FAST饋源艙多個位置和姿態的靜態定標,以及對艙體特征點" title="特征點">特征點的圖形坐標的攝取。推導了實驗中所需饋源艙的空間坐標變換矩陣,實現了對饋源艙的動態跟蹤,并為艙體的閉環控制提供了數據基礎。?

??? 關鍵詞: 計算機視覺? CCD圖像分析? 靜態定標? 動態跟蹤

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??? 作為國際新一代大射電望遠鏡(LT)陣計劃的第一步,擬在我國先行實施一項FAST(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope)項目工程。目前國際上正在更新的Arecibo系統難以滿足LT基本單元的要求:低造價、大天空覆蓋、寬帶以及偏振觀測。全球最大" title="最大">最大的射電望遠鏡是位于美國波多里格的Arecibo305m口徑天線,但它具有天空覆蓋小(天頂掃描角僅20°)的嚴重缺陷,以及造價太高、跟蹤精度低的不足。FAST項目計劃利用我國某地獨一無二的喀斯特(Karst)洼地,鋪設主天線的球面望遠鏡,建造口徑為500m的射電望遠鏡。這種射電望遠鏡取消了主反射面的運動,改用饋源移動跟蹤目標,基本不受重力形變的影響,可把主反射面建造得很大^[1]。?

??? 對射電望遠鏡的饋源艙實施閉環控制的前提條件是已知饋源艙的位置及姿態,故需對饋源艙進行動態跟蹤,以取得相關數據。本文根據計算機視覺和CCD圖像分析測量原理,詳細介紹了對實驗模型中的饋源艙進行靜態定標與動態跟蹤測量的原理及方法。?

1 CCD測量系統?

??? 結合課題情況,可考慮使用的測量方法有以下四種:(1)GPS定位系統:測量范圍大,差分處理后的測量精度" title="測量精度">測量精度較高,不足是測量時間較長^[2]。(2)無線電定位:受環境影響小,測量范圍大,可在較惡劣的環境中工作。但測量成本較高,且無線電信號會影響射電天文望遠鏡對宇宙信號的接收^[3]。(3)激光全站儀:測量范圍大、測量精度高、采樣周期高。但系統的采樣間隔具有不穩定性、時延性與較低的動態精度(3mm),這給控制帶來較大難度。另外受環境影響較大,在降雨和大風揚塵等較惡劣的環境下,測量精度會受影響,且價格很高(一臺Leica大約價值18萬元)。(4)CCD三維測量系統" title="測量系統">測量系統:成本低,測量范圍較小時測量精度較高。但由于測量數據量大,動態跟蹤測量的時間較長。另外環境因素對測量精度的影響也較大,夜間工作有一定限制。?

??? 根據實際情況以及順利實現測量的目的,測量系統應具有快速測量、自動跟蹤和成本低的特點。而CCD三維測量系統能夠滿足要求。CCD器件是一種固體化器件,體積小、可靠性高、壽命長;圖像畸變小,尺寸重現性好;具有較高的定位精度和測量精度;輸出信號易于數字化處理,易與計算機連接組成實時自動測量控制系統,便于擴大應用功能和使用范圍^[4]。?

??? CCD圖像分析測量系統的原理框圖如圖1所示。?

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2 測量原理與方法?

??? CCD三維測量系統的組成元件主要有CCD攝像機(MTV-1881EX、795×596)、圖像卡(大恒CG210)、計算機和視頻線等。整個系統的工作原理是:測量對象在CCD攝像機的測量范圍內沿任意方向運動,CCD攝像機從三個不同的角度對測量對象的特征點進行攝像,生成被測對象的視頻信號;通過圖像卡轉換成數字信號并輸送給控制計算機;計算機調用執行文件,根據一定算法計算被測目標的世界坐標,由此確定對象的位置與姿態。?

??? 50m實驗模型中的饋源艙由六根索向上拉,并分別通過六座鋼筋水泥塔與地面的卷揚機相連。其中三根索均布接在艙體頂部,另三根索均布接在艙體底圓上。取下拉索與艙體的絞合點(索耳中心)為特征點,這樣共有三個特征點a、b、c,三部CCD攝像機按照π/3間隔放置,結構分布如見圖2。

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??? 令P_i是待測特征點,則其世界坐標與其在攝像機中的投影坐標的關系式為:?

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??? 其中R、H分別是空間旋轉和平移變換矩陣。?

??? 每個特征點分別在左右兩個攝像機中投影,投影坐標滿足如下關系式:?

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??? 式中:(1+k_l1r²+k_l2r⁴)和(1+k_r1r²+k_r2r⁴)分別為左右攝像機鏡頭沿徑向的畸變程度,(x_l,y_l)、(x_r,y_r)分別是左右攝像機鏡頭的光心坐標,A_l1,…,A_l11、A_r1,…,A_r11分別是測量點在左右兩攝像機的投影坐標變換參數。?

??? 采用靜態定標的方法確定式(2a)、(2b)中的未知參數。測量系統靜態定標的原理是:在地面上合適位置(坐標已知)安置兩架電子經緯儀,并在饋源艙的工作空間區域選擇測量點,利用經緯儀測量若干位置特征點的俯仰角和方位角,通過坐標幾何變換確定這些點的世界坐標(x,y,z),并認為是實際坐標。同時記下它們在攝像機中相應的圖像坐標(u,v),這里需注意對應關系。把世界坐標與相應投影坐標代入式(2a)、(2b)中,用最小二乘法求解超靜定方程組,確定未知參數。?

??? 確定空間坐標變換矩陣后需進行靜態檢測,即通過經緯儀測量一些靜態特征點的坐標,與CCD靜態測量結果比較,計算靜態定標的rms誤差。若不滿足精度要求,則重新定標直至滿足。?

??? 靜態定標后即可對特征點進行動態跟蹤。其跟蹤原理是基于面積的邊沿提取跟蹤算法^[5]。每部攝像機讀取并確定其中兩個特征點在CCD靶面的投影坐標,得到三特征點在攝像機中的六個投影坐標后,根據投影坐標的位置關系與特征點附近區域在靶面投影區域的相關性,確定每個特征點在其對應的兩攝像機靶面的投影坐標,再采用雙目定位法得到它們的世界坐標。例如攝像機3和1可同時對目標點a進行測量跟蹤,攝像機1在t時刻采集到圖像的左特征點a_t附近方形區域作為模板TR_t,攝像機3在t時刻采集到圖像的右特征點a_t附近方形區域作為模板TL_t,實現兩幅圖的配準。然后分別以TL_t和TR_t為模板,在t+1時刻兩攝像機3、1采集的兩幅圖像中搜索有相似灰度值分布的TL_t+1和TR_t+1(如圖3)。判斷此兩模板是否滿足最大相關性,若滿足,則認為兩模板的中心點就是攝像機動態跟蹤目標點的投影;否則繼續搜索特征區域,直至滿足。?

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??? 兩模板最相似需滿足的最大相關性條件是:當?

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最小時,左右模板中的特征點匹配。?

??? 動態跟蹤測量給出饋源艙三只索耳C₁、C₂和C₃的直角坐標(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂)和(x₃,y₃,z₃)。采用下述方法反算饋源艙的位置與姿態。因索耳均布在艙體底圓上(如圖2),則底圓中心O1的直角坐標為:?

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??? 設艙體底圓中心O₁與頂端O₂的連線為艙體對稱軸Z₁的單位矢量則:?

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??? 其中分別表示索耳C₁指向C₂和C₃的矢量。所以饋源艙的方位角α與俯仰角γ為:?

??? α=arctank_1y/k_1x??? (6a) ?? γ=arccosk_1z?????? (6b)?

3 實驗數據分析?

??? 為了準確得到定標的精度,采用檢測發光二極管的方法。檢測時間選在夜間,這樣做有利于經緯儀精確地測量目標。表1給出了11個坐標檢測結果(饋源艙速度2cm/s)。?

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??? 通過對測量數據進行分析可得到測量系統的rms誤差為9.53463mm。?

??? 在測量范圍內定標精度是毫米級。具體情況是X方向上的最大位置誤差為10mm,Y方向上的最大位置誤差為12mm,Z方向上的最大位置誤差為7mm,很好地滿足了初期實驗模型定標精度為1.5cm的要求。?

??? 電子經緯儀精度、人為測量誤差都對靜態定標精度有影響,對動態跟蹤精度也有影響。實際跟蹤過程中,如果背景的光線變化過大(例如太陽恰位于空中艙體的一面),會出現跟蹤目標丟失的情況,此時應在其它合適環境下再試驗。動態跟蹤時饋源艙的運動速度有所限制,應低于10cm/s。?

??? 本文提出的CCD動態跟蹤方法精度高,為閉環控制的實施提供了重要的數據基礎。因CCD攝像機的視角范圍小,如想擴大測量范圍,需設計云臺以進行分段測量。?

參考文獻?

1 南仁東,邱育海.1999—FAST學術年會工作報告[Z].北京:?北京天文臺,1999?

2 徐紹銓. GPS測量原理及應用[M].武漢: 武漢大學出版社,2003?

3 方 英. 無線電定位計算原理[M].北京:海洋出版社,1986?

4 蔡文貴.CCD技術及應用[M].北京:電子工業出版社,1992?

5 奧林特國際圖像有限公司.計算機視覺三維測試系統使用說明書, 2001