单台经纬仪三维姿态测量及处理方法

　　采用光电经纬仪、高速摄像机等光测设备对目标进行跟踪拍摄,获取图像,通过对图像特征检测、判读以及事后计算处理可获得目标的运动轨迹、速度和加速度[1]以及目标的空间三维姿态参数.

　　在数据处理中,有2种方法可以获得目标三维姿态信息,一种方法是将交汇后的目标首尾两点连接起来作为目标中轴线,以中轴线为处理对象,从而得到姿态信息.这种方法有以下3个缺点:(1)由于利用的图像信息很少,所以精度很低;(2)需要进行立体匹配[1],计算复杂,容易误配;(3)当不同经纬仪获得目标的不同部位,如一台获得目标的头部而另一台获得目标的尾部时,这种方法将由于没有对应图像点而完全失效.另一种方法是利用两站或多站图像获得目标三维姿态[2](方向角、俯仰角和滚动角)的方法,这种方法原理简单、测量精度高、对图像质量要求低,但要求至少有两站以上的目标图像.因此,研究用单站图像确定目标的三维姿态具有重要的实际应用价值.

　　设光测图像目标为图柱体,且目标距经纬仪距离较远.在这种应用背景下,可采用平行投影模型,充分利用目标几何形状上的约束条件.以下部分重点分析从单幅图像确定目标三维姿态的几种方法.

　　1　目标圆环椭圆度法

　　任意空间圆环在摄像机坐标系中对xcyc平面

　　平行投影的情况可分为三类[3]:空间圆环法线与投影平面垂直时,投影图形为圆;平行时,投影图形为直线;其他情况时,投影图形为椭圆,该椭圆的长轴a等于空间圆的直径.如图1a所示,n′为空间圆法线n在xcyc平面的投影,n和n′的夹角φ即为高低角,n′与xc轴的夹角ω为方位角.ω和φ就是空间圆法线在摄像机坐标系中的姿态角.

　　图1b是xcyc平面正视图.根据平行投影关系可知:法线n的投影n′和椭圆的长轴垂直,而和短轴重合.因此只要得到投影椭圆的长轴方向就可确定空间圆法线方位角ω.图1c是n′zc平面正视图,高低角φ与投影椭圆的长轴a和短轴b满足公式

　　φ=arcsin(b/a)                     (1)

　　通过提取图像中椭圆的边界点,然后用椭圆曲线拟合的方法得到椭圆长短轴和方向等信息,就可以测量出空间圆法线的方向角ω和高低角φ.其中φ的符号二义性可以由其他条件确定.例如对于轴对称目标,根据观测到的是上半椭圆,还是下半椭圆,可确定角度φ的符号取值.

　　这种方法适用于小视场远距离拍摄的情况,此时目标成像可以近似看作平行投影.如果目标为圆柱或圆锥形状,可以在目标表面做与目标轴线垂直的圆环特征线(边界线);如果目标的观测面为平面,则可以在该平面上制作圆形标志.从而通过测量此圆形标志的法线方向来获得目标的三维姿态角.