基于圖像匹配定位技術(shù)的艦船航跡測(cè)量方法研究

張 明，劉勝道，趙文春，周國華，高俊吉

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基于圖像匹配定位技術(shù)的艦船航跡測(cè)量方法研究

張 明，劉勝道，趙文春，周國華，高俊吉

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033)

艦船磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中需要對(duì)艦船進(jìn)行遠(yuǎn)距離高精度的航向和位置測(cè)量。根據(jù)圖像成像原理以及圖像處理技術(shù)，提出了一種新的基于圖像匹配定位的艦船航跡測(cè)量方法，當(dāng)艦船通過測(cè)量區(qū)域時(shí)，兩臺(tái)攝像機(jī)對(duì)其進(jìn)行同步拍攝然后將數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)，利用MeanShift算法和SURF特征對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而得到艦船在不同時(shí)刻的三維坐標(biāo)，最終確定其航向和位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在50米左右的拍攝距離下實(shí)驗(yàn)誤差在0.1米左右，滿足對(duì)艦船航跡進(jìn)行測(cè)量的要求。

磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)GPS 全站儀 圖像匹配定位

0 引言

艦船磁場(chǎng)檢測(cè)按照檢測(cè)時(shí)艦船的狀態(tài)可分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩類，艦船磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)是指在艦船與磁傳感器陣列相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下測(cè)量磁場(chǎng)，一般是在檢測(cè)站布設(shè)一組磁傳感器，當(dāng)艦船緩慢通過測(cè)量區(qū)域時(shí)，測(cè)磁系統(tǒng)自動(dòng)采集艦船磁場(chǎng)[1]。但是為了獲取測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于艦船中心的位置信息，同時(shí)需要采用GPS或者全站儀等定位裝置對(duì)其進(jìn)行航跡測(cè)量[2]，然后將航跡傳輸?shù)街髡具M(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終判斷出艦船是否需要進(jìn)行消磁處理。

1 基于GPS的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)

隨著目前載波測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)計(jì)算載體姿態(tài)信息的高精度測(cè)量產(chǎn)品已經(jīng)趨于成熟，目前其測(cè)量精度已經(jīng)可以達(dá)到厘米級(jí)[3]。文獻(xiàn)[4]建立了一套基于RTK技術(shù)的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)航向船位測(cè)量系統(tǒng)，圖1為該系統(tǒng)各主要硬件的組成情況。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理中心、流動(dòng)站狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端、載波相位定位基站、載波相位測(cè)姿定位流動(dòng)站等部分組成。

圖1 基于GPS的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)的工作流程為：首先由基站里面的GPS接收機(jī)將計(jì)算出來的基站的位置數(shù)據(jù)和載波相位的觀測(cè)值以及流動(dòng)站上面GPS測(cè)姿定位接收機(jī)測(cè)量到的艦船的航向和載波相位的觀測(cè)值通過RS232串口發(fā)送給串口以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備；然后串口以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備將這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)通過光纖傳送到數(shù)據(jù)處理中心；最后數(shù)據(jù)處理中心利用事先測(cè)量得到的高精度基站天線坐標(biāo)和接收到的兩路載波相位觀測(cè)值，組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，最終將得到的高精度流動(dòng)站位置以及航向數(shù)據(jù)提供給用戶動(dòng)態(tài)測(cè)磁控制臺(tái)使用[4]。

該系統(tǒng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，該系統(tǒng)定位精度高，為后續(xù)的艦船磁場(chǎng)分析打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；第二，目前的GPS商品化程度高，設(shè)備可以直接使用；第三，對(duì)設(shè)備應(yīng)用范圍的約束條件較少，在各港口、碼頭大都可以使用。但是該系統(tǒng)也有以下幾個(gè)方面的不足：第一，該系統(tǒng)價(jià)格高，且數(shù)據(jù)的傳輸以及處理不方便；第二，基站GPS天線安裝時(shí)要求周圍環(huán)境沒有大的遮擋物且高度盡量高一些，防止GPS信號(hào)被遮擋或者干擾；第三，流動(dòng)站天線安裝時(shí)同樣要求周圍無遮擋，同時(shí)要求它們的相位中心位于艦船的艏艉線上，且兩者之間相距一定的距離[4]；第四，由于各點(diǎn)之間孤立，不構(gòu)成檢驗(yàn)條件，因此各坐標(biāo)之間接收精度的可靠性無法驗(yàn)證[5]；第五，流動(dòng)站需要在艦船靠岸停泊以后派人到艦船上安裝，然后讓艦船駛出并且通過特定的測(cè)量區(qū)域，測(cè)試完成以后還要再將其回收，使得整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用十分不便，嚴(yán)重影響工作效率。

2 基于全站儀的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)

全站型電子測(cè)速儀（簡稱全站儀）是由電子測(cè)角、電子測(cè)距、電子計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等組成的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，是一種常規(guī)的測(cè)量儀器[6]，不僅具有光學(xué)儀器高精度測(cè)量的特點(diǎn)，還具有目標(biāo)自動(dòng)追蹤的功能，同時(shí)全站儀可以將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過接口直接傳輸?shù)诫娔X上，提高了工作效率。

文獻(xiàn)[2]提出了一種基于全站儀的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基于GPS的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)幾乎一樣，只是將流動(dòng)站的GPS測(cè)姿定位接收機(jī)換成了棱鏡，因?yàn)槿緝x可以在設(shè)備終端直接將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，所以流動(dòng)站與基站都不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，同時(shí)系統(tǒng)其他部分幾乎保持不變。

該系統(tǒng)的工作流程為：首先提前在艦船上安裝目標(biāo)棱鏡，同時(shí)將全站儀安裝在檢測(cè)站的某一固定位置；當(dāng)艦船緩慢地通過磁場(chǎng)傳感器區(qū)域時(shí)，全站儀能夠自動(dòng)記錄艦船的位置，這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上以后再利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即可推算出艦船相對(duì)于傳感器的位置。

該系統(tǒng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，它有著GPS定位機(jī)不具備的一些優(yōu)點(diǎn)，如不需要衛(wèi)星信號(hào)，因此可以在比較封閉的環(huán)境下測(cè)量；第二，全站儀價(jià)格相對(duì)較低，觀測(cè)數(shù)據(jù)直觀，數(shù)據(jù)處理簡單，操作方便[2]。但是該系統(tǒng)也有以下幾個(gè)方面的不足：第一，該系統(tǒng)操作時(shí)光線不能太弱；第二，該系統(tǒng)受地形和人為因素的影響較大[7]；第三，棱鏡的安裝與拆卸都需要派專人到艦上進(jìn)行操作，嚴(yán)重影響工作效率。

3 基于圖像匹配定位技術(shù)的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)

隨著視頻監(jiān)控的普及與應(yīng)用，智能視頻監(jiān)控技術(shù)也隨之應(yīng)運(yùn)而生，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤技術(shù)就是其重要的組成部分。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤技術(shù)就是將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)從背景圖像中提取出來，然后對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和定位，從而滿足不同用戶的各種需求。

目前對(duì)圖像匹配的定位精度要求越來越高，雙目視覺也因此得到了較大的發(fā)展。雙目視覺模擬人類視覺，采用雙攝像機(jī)從不同角度獲取同一目標(biāo)的數(shù)字圖像從而重建其形狀和位置，定位精度大大提高，因此該技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人的感知控制上起到了重要作用。

3.1 攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)求解

圖2為攝像機(jī)成像示意圖，根據(jù)成像投影原理可以得出像素平面坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系以及世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系[8]：

圖2 攝像機(jī)成像示意圖

3.2 圖像匹配算法

由于MeanShift算法具有很高的運(yùn)行穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)目標(biāo)形狀、大小的連續(xù)變化，而且計(jì)算速度很快、抗干擾能力強(qiáng)，能夠保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性；而SURF特征是SIFT特征的一種改進(jìn)，主要是在特征提取的執(zhí)行效率上，比SIFT運(yùn)行更快。因此，特征定位與跟蹤這一塊采用MeanShift算法結(jié)合SURF特征進(jìn)行目標(biāo)的跟蹤與特征的匹配。

首先用MeanShift算法跟蹤圖像中存在目標(biāo)的區(qū)域，得到目標(biāo)在圖像中的位置后，在存在目標(biāo)的圖像區(qū)域內(nèi)計(jì)算目標(biāo)的SURF特征，對(duì)每一像片進(jìn)行SURF特征提取，然后將這些特征進(jìn)行匹配，從而得到多片之間的同名像點(diǎn)，對(duì)匹配出來的同名點(diǎn)利用多片空間前方交會(huì)計(jì)算各匹配點(diǎn)在物方中的坐標(biāo)。

3.3 系統(tǒng)組成

圖3為基于圖像匹配定位的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)的示意圖：

圖3 基于圖像匹配定位的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)的示意圖

對(duì)于艦艇位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，需要至少兩個(gè)攝像機(jī)對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行同步拍攝，獲取具有同名特征的立體像對(duì)，并完成目標(biāo)的立體影像匹配和實(shí)時(shí)定位重建。在數(shù)據(jù)傳輸接口方面，由于GigE在帶寬、線材長度和多攝像機(jī)功能方面提供了極大的技術(shù)靈活性，同時(shí)能夠解決攝像機(jī)在架設(shè)時(shí)附近可能沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)接收設(shè)備并且需要遠(yuǎn)距離傳輸通信等實(shí)際問題，所以選用GigE Vision千兆網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸接口。同時(shí)海平面的高度由于潮汐作用并不是風(fēng)平浪靜的，總是高低不平，當(dāng)有風(fēng)時(shí)更是如此，為了保證測(cè)量的精度可使用潮汐計(jì)（或其他方法）實(shí)時(shí)測(cè)量水域海平面高度。

3.4 誤差分析

1）雙目攝像機(jī)在架設(shè)時(shí)需要考慮攝像機(jī)的擺放位置。當(dāng)雙目視覺系統(tǒng)取對(duì)稱式結(jié)構(gòu)、攝像機(jī)光軸保持平行時(shí)總體的測(cè)量誤差較小[9]，但是由于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)地的限制以及設(shè)備的安裝調(diào)試，攝像機(jī)的位置并不能保證左右對(duì)稱以及其光軸保持平行；

2）在成像過程中并不是像想象中的那么完美，實(shí)際上鏡頭在加工過程中會(huì)產(chǎn)生各種誤差，同時(shí)鏡頭的畸變同樣會(huì)對(duì)成像造成一系列的影響，另外圖像的主點(diǎn)坐標(biāo)也會(huì)在攝像機(jī)與鏡頭的安裝、使用時(shí)產(chǎn)生一系列的偏差[10]，這些誤差都不可能完全避免，只能在攝像機(jī)標(biāo)定過程中盡可能的彌補(bǔ)；

3）攝像機(jī)像面上的實(shí)際成像存在光學(xué)畸變誤差。攝像機(jī)實(shí)際成像的光學(xué)畸變誤差主要由偏心畸變、薄棱鏡畸變和徑向畸變所引起的[11]。Tsai認(rèn)為在對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的過程中如果考慮過多的非線性畸變，則反而會(huì)引入過多的非線性參數(shù)導(dǎo)致求解結(jié)果不穩(wěn)定，降低攝像機(jī)的標(biāo)定精度[12]，因此在標(biāo)定過程中只需考慮徑向畸變對(duì)成像的影響。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于圖像匹配定位技術(shù)的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)的可行性，開展了一次模擬實(shí)驗(yàn)，由于場(chǎng)地有限，因此選用短焦鏡頭對(duì)50米左右的物體進(jìn)行拍攝，分析比較目標(biāo)位置的計(jì)算值與GPS測(cè)量值之間的誤差。實(shí)驗(yàn)過程為：首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定，攝像機(jī)分別選擇3個(gè)位置對(duì)已測(cè)量好的標(biāo)靶拍攝足夠多的相片，篩選出可以進(jìn)行解算的相片，多次計(jì)算攝攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)，取最優(yōu)效果作為攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)；第二，在某學(xué)校田徑場(chǎng)上進(jìn)行攝像機(jī)外參數(shù)標(biāo)定，利用全站儀來測(cè)量各標(biāo)靶位置，采用區(qū)域網(wǎng)平差方法對(duì)其進(jìn)行解算，多次計(jì)算攝像機(jī)的外參數(shù)，取最優(yōu)效果作為攝像機(jī)的外參數(shù)；第三，在田徑場(chǎng)布設(shè)多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，采用GPS測(cè)量其位置，最后與圖像處理軟件解算出來的目標(biāo)在世界坐標(biāo)系里的坐標(biāo)進(jìn)行分析比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在50米左右的拍攝距離下實(shí)驗(yàn)誤差在0.1米左右。

（a）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（b）相機(jī)標(biāo)定

（c）標(biāo)靶定位1

（d）標(biāo)靶定位2

圖4 實(shí)驗(yàn)過程示意圖

5 結(jié)束語

基于GPS的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)與基于全站儀的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際的操作過程中需要有專人提前到艦船上安裝測(cè)量設(shè)備，測(cè)量完成以后再將設(shè)備帶回以便下一次的測(cè)量，這極大的降低了工作效率。針對(duì)這個(gè)問題提出了基于圖像匹配定位的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)，此次實(shí)驗(yàn)作為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)選擇的攝像機(jī)的分辨率只有500萬像素，影響了該系統(tǒng)的定位誤差，但是就目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言該系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足對(duì)艦船航跡進(jìn)行測(cè)量的要求。該方法對(duì)艦船進(jìn)行磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)無需被測(cè)艦艇的配合，在工作效率上有了較大的提高，同時(shí)該方法也可用于測(cè)量外國海軍艦艇的磁場(chǎng)，從而掌握其磁場(chǎng)特征，具有重大的軍事意義與應(yīng)用價(jià)值。

本文僅對(duì)基于圖像匹配定位的艦船航跡測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了短距離驗(yàn)證，下一步將根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的攝像機(jī)以及鏡頭，分步驟進(jìn)行中遠(yuǎn)距離（200米左右）以及遠(yuǎn)距離（1000米）的實(shí)驗(yàn)，為基于圖像匹配定位技術(shù)的艦船航跡測(cè)量方法的實(shí)用化奠定基礎(chǔ)。

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Study on Measurement Method of Warship Track Based on Image Matching and Localization Technology

Zhang Ming，Liu Shengdao，Zhao Wenchun，Zhou Guohua，Gao Junji

（College of Electrical Engineering, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China）

U666.134

A

1003-4862（2017）09-0001-04

2017-05-15

國家自然科學(xué)基金（51377165）

張明（1992-），男，碩士。研究方向：電氣工程。