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光电经纬仪跟踪飞机的3D计算机视觉研究

作　者: 王习文
导　师: 陈娟
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械电子工程
关键词: 光电经纬仪 3D计算机视觉运动轨迹运动参数 3D姿态
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光电经纬仪获取的跟踪测量图像,记录了目标飞机运动过程的各种事件和姿态信息:如空间位置、运动轨迹、运动速度、运动加速度及俯仰、偏航、滚动的3D姿态变化等。但传统光电跟踪图像处理将目标飞机等效为一个质点,因而得不到飞机的3D姿态信息,致使图像中蕴含的目标飞机外形形状及姿态信息都舍弃了。本文开展的光电经纬仪跟踪飞机的3D计算机视觉研究,就是设法利用光电经纬仪获得的跟踪数据,去充分挖掘跟踪图像中隐含的信息:既得到飞机的运动信息,又得到飞机的3D姿态信息,并可在事后还原飞机当时的运动情形,以便对飞机的飞行性能进行分析、判断、评估和验证,或者在试验分析、事故鉴定、训练评估、飞控系统检验及新型号的设计定型等方面发挥相应的作用。为此本论文主要围绕三个方面的问题展开:一是依据光电经纬仪的跟踪数据,求解出飞机在跟踪测量期间的运动轨迹和运动参数;二是依据跟踪图像和跟踪数据,求解出飞机在跟踪测量期间的3D姿态;三是建立相应的仿真模型,按跟踪测量的时间节点,关联飞机的运动轨迹、运动参数和3D姿态参数,在计算机仿真环境中驱动事先建好的飞机3D模型,还原飞机在跟踪测量期间的运动全过程。首先根据光电经纬仪的测量原理,推导出单站跟踪,双站交会跟踪两种模式下确定目标空间位置的基本公式,据此给出光电经纬仪测量坐标系、图像坐标系、地心坐标系、发射坐标系等空间坐标系间的转换关系;其次以形心(或质心)跟踪测量方法,确定目标飞机在空间的定位,用多项式曲线拟合方法得到其在特定坐标系X、Y、Z三个方向的运动轨迹方程,对轨迹方程求取一阶、二阶导数,给出相应的速度、加速度方程,并对运动轨迹、运动速度和加速度的求解进行精度分析;然后在现有3D姿态测量方法的基础上,提出测量飞机3D姿态的角平分线方向向量法,利用2台经纬仪交会测量得到的飞机图像序列,通过图像预处理、边缘检测、特征信息提取、机翼边缘特征线方向向量求解,机翼角平分线的方向向量求解等过程,得到各跟踪测量时间节点时飞机的俯仰、偏航和滚动3D姿态,并对计算结果进行相应的精度分析;再利用三维CAD软件建立目标飞机外形的3D几何模型,导入到3DSmax软件中,关联上运动轨迹、运动参数和3D姿态信息,建立了光电经纬仪跟踪测量飞机的仿真模型,成功地模拟光了电经纬仪跟踪测量飞机的运动情况,获取以跟踪时间为序的单站和双站交会跟踪的图像序列;最后通过分析飞机的眼镜蛇机动过程,对本文提出的光电经纬仪跟踪飞机的3D计算机视觉过程进行仿真实验验证,在计算机仿真环境中再现了飞机的运动和姿态随跟踪时间的变化情况,结果表明所提出的方法合理、可行,具有实用性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-18
第一章绪论  18-30
  1.1 引言  18
  1.2 课题研究背景  18-19
  1.3 计算机视觉及其在光电跟踪系统中应用  19-21
    1.3.1 计算机视觉的发展与现状  19-20
    1.3.2 计算机视觉在光电跟踪系统中的应用  20-21
  1.4 靶场光电跟踪系统概述  21-27
    1.4.1 国外靶场光电跟踪系统的发展  21-23
    1.4.2 国内靶场光电跟踪系统的发展  23-24
    1.4.3 光电经纬仪结构  24-25
    1.4.4 靶场光电经纬仪布站方式  25-27
  1.5 论文主要内容及结构安排  27-29
    1.5.1 论文主要研究内容  27-28
    1.5.2 论文结构安排  28-29
  1.6 本章小结  29-30
第二章目标跟踪测量理论基础  30-46
  2.1 引言  30
  2.2 投影理论  30-32
    2.2.1 常用投影类型  30-31
    2.2.2 中心投影模型  31
    2.2.3 平行投影模型  31-32
    2.2.4 中心投影和平行投影间的关系  32
  2.3 光电经纬仪摄像机模型  32-36
    2.3.1 针孔成像模型  32-34
    2.3.2 透镜成像模型  34-35
    2.3.3.CCD 摄像机成像模型  35-36
  2.4 常用空间坐标系及其转换关系  36-45
    2.4.1 地心坐标系  36-37
    2.4.2 发射坐标系  37
    2.4.3 测量坐标系  37-38
    2.4.4 目标坐标系  38
    2.4.5 大地坐标系与天文坐标系  38-39
    2.4.6 图像坐标系与摄像机坐标系  39-40
    2.4.7 地心坐标系与发射坐标系间的转换关系  40-41
    2.4.8 发射坐标系与测量坐标系间的转换关系  41-42
    2.4.9 测量坐标系与目标坐标系间的转换关系  42
    2.4.10 测量坐标系与图像坐标系间的转换关系  42-45
  2.5 本章小结  45-46
第三章飞机运动轨迹及参数的确定  46-69
  3.1 引言  46
  3.2 飞机空间坐标测量方法  46-51
    3.2.1 单站测量方法  46-47
    3.2.2 双站交会测量方法  47-51
  3.3 飞机运动轨迹及参数的确定  51-52
    3.3.1 飞机运动轨迹的确定  51
    3.3.2 飞机运动参数的确定  51-52
  3.4 飞机运动轨迹及参数测量的精度分析  52-57
    3.4.1 单站法测量飞机空间位置的精度分析  52-53
    3.4.2 双站交会法测量飞机空间位置的精度分析  53-56
    3.4.3 飞机运动轨迹的精度分析  56-57
    3.4.4 飞机运动参数的精度分析  57
  3.5 飞机跃升机动的仿真分析  57-68
    3.5.1 飞机跃升机动的参数设定  57-58
    3.5.2 单站测量法的运动轨迹及参数  58-61
    3.5.3 双站测量法的运动轨迹及参数  61-63
    3.5.4 两种测量方法的结果比较  63-64
    3.5.5 跃升机动仿真的精度分析  64-68
  3.6 本章小结  68-69
第四章飞机3D 姿态的双站交会测量  69-94
  4.1 引言  69-70
  4.2 3D 姿态测量方法概述  70-72
    4.2.1 3D 姿态内测法  70
    4.2.2 3D 姿态外测法  70-72
  4.3 飞机 3D 姿态测量的角平分线方向向量法基本依据  72-75
    4.3.1 飞机3D 姿态的定义  72-73
    4.3.2 角平分线方向向量法测量飞机3D 姿态的依据  73-75
  4.4 飞机 3 D 姿态测量的角平分线方向向量法基本原理  75-78
    4.4.1 机翼边缘特征线方向向量的交会测量  75-77
    4.4.2 角平分线方向向量的求解  77-78
    4.4.3 由角平分线方向向量求解飞机3D 姿态  78
  4.5 飞机 3D 姿态测量的仿真试验  78-87
    4.5.1 试验参数设置  78-79
    4.5.2 试验跟踪图像及其预处理  79-81
    4.5.3 图像的边缘检测  81-82
    4.5.4 机翼边缘特征点的确定及其坐标变换  82-85
    4.5.5 机翼边缘特征线所在π平面的求解  85-86
    4.5.6. 3D 姿态测量结果及其与设定值的比对分析  86-87
  4.6 飞机3D 姿态测量的精度分析  87-93
    4.6.1. 3D 姿态测量中误差产生的原因  87
    4.6.2 机翼边缘特征点空间定位的精度分析  87-89
    4.6.3 机翼边缘特征线方向向量的精度分析  89-90
    4.6.4 角平分线方向向量的精度分析  90-91
    4.6.5 飞机3D 姿态测量的精度分析  91-92
    4.6.6 仿真试验的精度分析  92-93
  4.7 本章小结  93-94
第五章光电经纬仪跟踪飞机3D 计算机视觉模型的建立  94-111
  5.1 引言  94-95
  5.2 飞机 3D 模型的建立  95-99
    5.2.1 逆向建模方式及J-10 飞机3D 模型的建立  95-98
    5.2.2 正向建模方式及F-15E 飞机3D 模型的建立  98-99
  5.3 3DSMAX 软件中飞机运动及姿态变化的实现  99-101
    5.3.1 飞机3D 模型的导入、格式变换与渲染处理  99
    5.3.2 飞机3D 模型与运动轨迹及运动参数的关联处理  99-100
    5.3.3 飞机3D 模型与姿态参数的关联处理  100-101
  5.4 跟踪飞机运动过程俯仰、方位运动的模拟  101-103
  5.5 跟踪飞机的成像模拟  103-107
    5.5.1 3DSMAX 中的自由摄像机  103
    5.5.2 自由摄像机成像原理  103-105
    5.5.3 自由摄像机成像与摄影测量成像的关系  105
    5.5.4 自由摄像机成像与摄影测量成像的一致性  105-107
  5.6 飞机平飞滚转的仿真模拟  107-110
    5.6.1 仿真条件设置  107-108
    5.6.2 仿真结果及验证  108-110
  5.7 本章小结  110-111
第六章飞机眼镜蛇机动分析  111-129
  6.1 引言  111
  6.2 飞机眼镜蛇机动仿真参数  111-118
    6.2.1 眼镜蛇机动介绍  111-112
    6.2.2 光电经纬仪的布设及其性能参数  112-113
    6.2.3 飞机的眼镜蛇机动参数  113-116
    6.2.4 光电经纬仪的跟踪参数  116-118
  6.3 飞机眼镜蛇机动运动轨迹、参数求解及精度分析  118-122
    6.3.1 眼镜蛇机动运动轨迹求解及精度分析  118-121
    6.3.2 眼镜蛇机动运动参数求解及精度分析  121-122
  6.4 飞机眼镜蛇机动3D 姿态求解及精度分析  122-128
    6.4.1 眼镜蛇机动过程的图像序列  122-125
    6.4.2 飞机眼镜蛇机动3D 姿态求解及精度分析  125-128
  6.5 眼镜蛇机动过程的视觉再现  128
  6.6 本章小结  128-129
第七章总结与展望  129-132
  7.1 主要工作总结  129-130
  7.2 主要创新点  130-131
  7.3 展望  131-132
参考文献  132-139
在学期间学术成果情况  139-140
指导教师及作者简介  140-141
致谢  141

光电经纬仪跟踪飞机的3D计算机视觉研究

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