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基于线阵光学图像的运动参数测量技术及其应用研究

作　者: 赵竹新
导　师: 李德仁; 文贡坚
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 摄影测量与遥感运动参数光学图像线阵车速测量单幅卫星图像飞机速度球目标靶场测量弹丸
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

运动参数测量是计算机视觉、近景摄影测量与遥感等领域中的一个重要问题，在各种运动目标的检测、跟踪以及识别中有着广泛的应用需求。基于光学图像的运动参数测量方法具有设备简单、测量精度高的特点，且有着成熟的摄影测量和图像分析处理技术作为理论支撑，相比雷达等测量方法具有不可替代的优势。目前，几乎所有的基于光学图像的目标运动分析与研究都是采用面阵传感器获取的图像。近些年来，随着线阵CCD和CMOS传感器的快速发展，线阵光学图像的研究不断深入，特别是目前几乎所有的遥感测绘卫星都是采用推扫式线阵传感器进行数据获取的，使得线阵光学图像的应用和研究已然成为热点。线阵传感器独特的扫描成像原理，使得线阵光学图像可以在一幅图像中同时记录目标运动的时间和空间信息，这为利用线阵光学图像测量和估计目标的运动参数提供了可能。目前该方面的研究很少，线阵光学图像在运动目标分析方面的优势和潜质尚未得到展现。本文从线阵传感器的成像原理和成像模型出发，开展了基于线阵光学图像的目标运动参数测量技术及其应用的研究。论文的主要研究成果如下：（1）系统分析了线阵传感器的成像模型及其成像模型参数的标定方法，为利用线阵光学图像分析运动目标提供了理论基础。结合面阵像机的成像模型，论文分别研究了静止和运动成像时线阵传感器的成像模型，并从静止成像和扫描成像两个方面，综述和研究了线阵传感器内外方位元素的标定方法；（2）提出了基于特征点的线阵光学图像目标运动参数测量原理，并设计了它在车辆和飞机运动参数测量中的应用算法。该原理要求目标上至少存在五个能够在运动目标线阵图像上找出其对应成像点的特征点，利用这些特征点空间位置和其对应成像点之间的成像几何关系，建立包含目标运动参数的方程组，通过方程组的求解获得目标的运动参数值。具体过程如下：首先设立9个未知参数，它们分别是线阵传感器对运动目标线阵成像时的位置参数（3个）、姿态参数（3个）以及目标三维运动速度（3个），假设目标穿过线阵传感器时做匀速直线运动，则目标上各个特征点被拍摄时的位置参数可以根据这9个未知参数和它们在线阵图像上成像点所对应的时间信息表达出来；然后，对于每一对特征点和其对应的成像点，根据线阵传感器成像模型，可以在x和y方向分别建立一个包含9个未知数的方程式，从而可以得到不少于10个这样的方程式组成的方程组；最后利用非线性最小二乘法求解这个方程组，得到目标的三维运动参数。基于该原理，本文分别针对车辆和飞机目标运动参数的测量设计了两种应用算法。一是利用车辆牌照的线阵图像实现了车辆运动参数的测量。由于车辆牌照的几何尺寸已知，而且一般与车辆速度方向垂直，因此减少了所求未知参数的个数，仅仅利用车辆牌照四个端点以及它们在线阵图像对应的成像点，就可以根据线阵传感器的成像模型建立包含车辆位置、运动方向和速度参数的方程组，通过方程组的求解即可实现对车辆行驶方向和车速的准确测量。二是利用高分辨率推扫式光学卫星图像实现了从单幅图像中获取飞机目标的运动参数。该算法从线阵传感器的成像模型出发，利用飞机首尾和机翼端点以及它们在线阵图像中对应的成像点建立了包含飞机位置、运动方向和速度参数的方程组，通过方程组的求解就可以得到飞机的运动参数。该算法克服了现有方法中依赖多传感器的成像延迟来估计运动参数的局限性，能够处理单线阵传感器（如WorldView-1）获取的线阵图像，具有更广泛的适用性；（3）提出了一种基于三维几何模型的线阵光学图像目标运动参数测量原理，并设计了基于该原理的球目标和靶场弹丸目标运动参数的测量算法。对于球状或旋转体等目标，难以从目标上得到足够多能够在线阵图像上分辨出其对应成像点的特征点，基于特征点的测量方法难以适应。为了解决这个问题，论文创新性地将线阵图像中目标运动参数的测量问题转化为基于模型的图像最优化匹配问题，其主要思想是：首先，根据目标先验的几何参数构建目标的三维数字模型，然后通过计算机仿真的方法得到目标三维数字模型在传感器参数、运动参数设定情况下的理论模拟成像，最后构建以目标运动参数为输入参数的最优化模型，通过修正目标的运动参数输入值，不断减小理论模拟成像与目标实际成像中目标轮廓梯度方面的差异，将理论模拟成像结果与目标实际成像结果实现最优化匹配时的运动参数值作为最终的优化求解结果。根据该原理，本文分别针对球目标和靶场弹丸目标运动参数的测量设计了两种应用算法。一是提出了从线阵光学图像中测量球目标位置和速度参数的算法。该算法根据提出的测量原理，构建基于球模型的参数测量最优化模型，通过模型的优化求解，实现对球运动参数的精确测量；针对目前对传统的胶片式狭缝技术数字化改进的研究趋势，提出了一种利用线阵像机测量弹丸速度、姿态、攻角和转速等参数的数字狭缝测量算法，该算法通过单台线阵像机配合双向器实现对运动弹丸的立体交会测量，在一幅线阵图像上同时获得弹丸在两个方向上的立体线阵图像。根据提出的测量原理，构建了基于弹丸数字模型的运动参数立体测量的最优化模型，通过模型求解获得精确的弹丸运动参数测量结果，大大提高了测量的精度和稳定性。

全文目录

摘要  10-12
Abstract  12-15
第一章绪论  15-38
  1.1 研究背景和意义  15-17
  1.2 研究现状分析  17-20
  1.3 线阵光学成像设备及平台  20-35
    1.3.1 线阵传感器  20-23
    1.3.2 线阵像机  23-24
    1.3.3 推扫式光学卫星  24-32
    1.3.4 运动目标线阵成像的特点  32-35
  1.4 论文的主要工作和创新点  35-38
第二章线阵传感器的成像模型  38-50
  2.1 成像模型  38-46
    2.1.1 相关知识  38-43
    2.1.2 静止成像模型  43-45
    2.1.3 运动成像模型  45-46
  2.2 内外方位元素的标定  46-49
    2.2.1 静止成像标定  47
    2.2.2 扫描成像标定  47-49
  2.3 小结  49-50
第三章基于特征点的目标运动参数测量原理及其应用算法  50-78
  3.1 测量原理  50-54
    3.1.1 测量模型  50-53
    3.1.2 模型求解  53-54
  3.2 车辆运动参数测量算法  54-63
    3.2.1 研究现状  54-56
    3.2.2 算法描述  56-59
    3.2.3 实验分析  59-63
  3.3 高分辨率卫星图像中飞机运动参数测量算法  63-76
    3.3.1 研究现状  63-65
    3.3.2 算法描述  65-71
    3.3.3 实验分析  71-76
  3.4 小结  76-78
第四章基于三维几何模型的目标运动参数测量原理及其应用算法  78-121
  4.1 测量原理  79-88
    4.1.1 测量模型  81-86
    4.1.2 模型求解  86-88
  4.2 球目标运动参数测量算法  88-102
    4.2.1 研究现状  88-89
    4.2.2 算法描述  89-94
    4.2.3 实验分析  94-102
  4.3 靶场弹丸目标运动参数测量算法  102-120
    4.3.1 研究现状  102-107
    4.3.2 算法描述  107-114
    4.3.3 实验分析  114-120
  4.4 小结  120-121
第五章结论与展望  121-124
  5.1 论文总结  121-122
  5.2 未来研究展望  122-124
致谢  124-125
参考文献  125-133
作者攻读博士学位期间取得的学术成果  133-135
作者在学期间参与的科研任务  135

基于线阵光学图像的运动参数测量技术及其应用研究

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