變焦攝像機(jī)跟蹤定位與測量技術(shù).pdf

1、變焦（變倍率）光學(xué)成像系統(tǒng)是指被攝物距在沿光軸方向發(fā)生變化時，為了得到合適大小的圖像，光學(xué)系統(tǒng)的焦距可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整的光學(xué)系統(tǒng)。變焦光學(xué)成像系統(tǒng)目前在攝影、攝像、安全監(jiān)控、視覺跟蹤、精密測量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。民用攝影領(lǐng)域中，變焦距鏡頭已經(jīng)代替固定焦距鏡頭，成為照相機(jī)的重要組成部分。在全景成像時，讓變焦鏡頭繞著透視投影中心旋轉(zhuǎn)，拍攝多幅圖像，采用圖像拼接技術(shù)可獲得更大畫幅的全景圖像。在視覺跟蹤與導(dǎo)航領(lǐng)域，使用方位角、俯仰角和倍率

2、可以調(diào)整的Pan-Tilt-Zoom(PTZ)攝像機(jī)或相機(jī)，在被跟蹤目標(biāo)距離發(fā)生變化時，能夠保持跟蹤得到的圖像大小不變，同時保持較高的影像分辨率，還可能獲得目標(biāo)的姿態(tài)和位置信息。因此，研究變焦光學(xué)系統(tǒng)成像過程中的相關(guān)技術(shù)與科學(xué)問題，具有重要的學(xué)術(shù)研究與應(yīng)用價值。
　　 對于由固定焦距組成的定焦光學(xué)系統(tǒng)，視覺模型參數(shù)是固定的常量，模型的定標(biāo)只需要我們對系統(tǒng)進(jìn)行測量和估計模型中常數(shù)項(xiàng)的值。但對于變焦鏡頭組成的光學(xué)成像系統(tǒng)，這些參數(shù)隨

3、著不同鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)置而變化，因此使用變焦光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤、定位與測量，在技術(shù)上具有巨大的挑戰(zhàn)。本論文在國家863項(xiàng)目課題的支持下，針對變焦光學(xué)成像系統(tǒng)在精密跟蹤、定位與測量中存在的一些科學(xué)與技術(shù)問題，開展分析與研究。論文主要研究工作和取得的研究成果如下:
　　 (1)針對變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)隨著倍率、對焦和光闌孔徑大小的調(diào)整而發(fā)生變化的特點(diǎn)，對變焦光學(xué)系統(tǒng)的小孔模型和厚透鏡模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析與討論，研究結(jié)果表明厚透鏡視覺模型具有

4、更高的建模精度，更適合變焦光學(xué)成像系統(tǒng)的建模。
　　 (2)從理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個方面出發(fā)，闡明了變焦光學(xué)系統(tǒng)小孔透視模型透視中心的物理位置，分析與研究了變焦成像光學(xué)系統(tǒng)影像中心的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，變焦光學(xué)系統(tǒng)的透視中心在變焦鏡頭的入瞳位置;在變焦光學(xué)系統(tǒng)視覺透視建模時，影像中心位置應(yīng)該用透視中心到像面垂線的交點(diǎn)來定義;為了獲得理想的模型精度，變焦鏡頭的入瞳位置在變焦過程中應(yīng)保持恒定不變。這些結(jié)論為建立高精度的變焦光學(xué)系

5、統(tǒng)視覺模型和設(shè)計能夠用于精密跟蹤、定位與測量的變焦光學(xué)系統(tǒng)，提供了理論支持。
　　 (3)研究了PTZ攝像機(jī)通過改變水平旋轉(zhuǎn)角、俯仰角、倍率和對焦等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)跟蹤、定位與測量物體的方法，建立了包含全局坐標(biāo)系、水平和俯仰旋轉(zhuǎn)云臺坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、實(shí)時變化的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)的三維視覺模型數(shù)學(xué)表達(dá)式。
　　 (4)研究了一種基于PTZ攝像機(jī)的視覺跟蹤6D測量技術(shù)及系統(tǒng)。該變焦視覺跟蹤6D測量系統(tǒng)主要由自變焦視覺跟蹤攝像機(jī)、彩色偽

6、隨機(jī)編碼六自由度測頭和計算機(jī)組成，利用測頭編碼標(biāo)準(zhǔn)球上的彩色偽隨機(jī)編碼在攝像機(jī)成像面上的位置變化來確定靶標(biāo)的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)大尺寸空間六自由度的測量。在組合測量、大型設(shè)備安裝定位中具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 (5)研究了變焦視覺跟蹤圖像中基本幾何特征——角點(diǎn)、直線和橢圓等基本幾何特征的識別方法與算法。針對經(jīng)典Hough變換算法直線檢測技術(shù)的不足，提出了改進(jìn)的算法，提高了檢測準(zhǔn)確度的同時降低了運(yùn)算時間;研究了兩種基于計算邊緣曲率的新

7、的角點(diǎn)檢測算法——小波變換檢測法與輪廓多邊形近似檢測法;研究了在強(qiáng)噪聲環(huán)境下提高橢圓檢測正確率的迭代Hough變換算法;給出了一種新的橢圓檢測算法——改進(jìn)的曲線弧分割檢測法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法可用于解決Hough變換算法與最小二乘算法的遺留問題。
　　 (6)總結(jié)了像素級和亞像素級邊緣檢測技術(shù)，提出了兩種改進(jìn)的亞像素邊緣檢測算法，一種是基于高斯曲面擬合亞像素邊緣檢測算法，另外一種是基于徑向基函數(shù)插值亞像素邊緣檢測算法。這兩種算

8、法的基本原理是首先選用Canny算子對圖像進(jìn)行邊緣粗定位，然后在粗定位的邊緣基礎(chǔ)上給定一個窗口，對窗口內(nèi)進(jìn)行精細(xì)定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種算法均可達(dá)到0.1個像素的精度，分辨率為0.03個像素。
　　 (7)基于研制的PTZ攝像機(jī)的視覺跟蹤6D測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對本文提出的一些觀點(diǎn)、算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對PTZ變焦跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試，總結(jié)了PTZ變焦跟蹤視覺測量的特點(diǎn)和應(yīng)用前景。
　　 論文最后還對未來的工作重點(diǎn)進(jìn)