變焦攝像機跟蹤定位與測量技術.pdf

1、變焦（變倍率）光學成像系統(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，光學系統(tǒng)的焦距可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整的光學系統(tǒng)。變焦光學成像系統(tǒng)目前在攝影、攝像、安全監(jiān)控、視覺跟蹤、精密測量等領域得到廣泛應用。民用攝影領域中，變焦距鏡頭已經(jīng)代替固定焦距鏡頭，成為照相機的重要組成部分。在全景成像時，讓變焦鏡頭繞著透視投影中心旋轉，拍攝多幅圖像，采用圖像拼接技術可獲得更大畫幅的全景圖像。在視覺跟蹤與導航領域，使用方位角、俯仰角和倍率

2、可以調(diào)整的Pan-Tilt-Zoom(PTZ)攝像機或相機，在被跟蹤目標距離發(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，還可能獲得目標的姿態(tài)和位置信息。因此，研究變焦光學系統(tǒng)成像過程中的相關技術與科學問題，具有重要的學術研究與應用價值。
　　 對于由固定焦距組成的定焦光學系統(tǒng)，視覺模型參數(shù)是固定的常量，模型的定標只需要我們對系統(tǒng)進行測量和估計模型中常數(shù)項的值。但對于變焦鏡頭組成的光學成像系統(tǒng)，這些參數(shù)隨

3、著不同鏡頭結構設置而變化，因此使用變焦光學系統(tǒng)進行跟蹤、定位與測量，在技術上具有巨大的挑戰(zhàn)。本論文在國家863項目課題的支持下，針對變焦光學成像系統(tǒng)在精密跟蹤、定位與測量中存在的一些科學與技術問題，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)針對變焦光學系統(tǒng)結構參數(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，對變焦光學系統(tǒng)的小孔模型和厚透鏡模型進行了詳細的分析與討論，研究結果表明厚透鏡視覺模型具有

4、更高的建模精度，更適合變焦光學成像系統(tǒng)的建模。
　　 (2)從理論分析和實驗驗證兩個方面出發(fā)，闡明了變焦光學系統(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系統(tǒng)影像中心的變化規(guī)律。研究結果表明，變焦光學系統(tǒng)的透視中心在變焦鏡頭的入瞳位置;在變焦光學系統(tǒng)視覺透視建模時，影像中心位置應該用透視中心到像面垂線的交點來定義;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保持恒定不變。這些結論為建立高精度的變焦光學系

5、統(tǒng)視覺模型和設計能夠用于精密跟蹤、定位與測量的變焦光學系統(tǒng)，提供了理論支持。
　　 (3)研究了PTZ攝像機通過改變水平旋轉角、俯仰角、倍率和對焦等參數(shù)，實現(xiàn)跟蹤、定位與測量物體的方法，建立了包含全局坐標系、水平和俯仰旋轉云臺坐標系、相機坐標系、實時變化的相機內(nèi)部參數(shù)的三維視覺模型數(shù)學表達式。
　　 (4)研究了一種基于PTZ攝像機的視覺跟蹤6D測量技術及系統(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、彩色偽

6、隨機編碼六自由度測頭和計算機組成，利用測頭編碼標準球上的彩色偽隨機編碼在攝像機成像面上的位置變化來確定靶標的姿態(tài)，從而實現(xiàn)大尺寸空間六自由度的測量。在組合測量、大型設備安裝定位中具有廣闊的應用前景。
　　 (5)研究了變焦視覺跟蹤圖像中基本幾何特征——角點、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的不足，提出了改進的算法，提高了檢測準確度的同時降低了運算時間;研究了兩種基于計算邊緣曲率的新

7、的角點檢測算法——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——改進的曲線弧分割檢測法，通過實驗驗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)總結了像素級和亞像素級邊緣檢測技術，提出了兩種改進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算子對圖像進行邊緣粗定位，然后在粗定位的邊緣基礎上給定一個窗口，對窗口內(nèi)進行精細定位。實驗結果表明，這兩種算法均可達到0.1個像素的精度，分辨率為0.03個像素。
　　 (7)基于研制的PTZ攝像機的視覺跟蹤6D測量實驗系統(tǒng)，對本文提出的一些觀點、算法進行了實驗驗證，對PTZ變焦跟蹤實驗系統(tǒng)的性能進行了測試，總結了PTZ變焦跟蹤視覺測量的特點和應用前景。
　　 論文最后還對未來的工作重點進