2023年12月19日发(作者：宛辉)
变焦摄像机跟踪定位与测量技术
变焦摄像机跟踪定位与测量技术
变焦(变倍率)光学成像系统是指被摄物距在沿光轴方向发生变化时,为了得到合适大小的图像,光学系统的焦距可以在一定范围内连续调整的光学系统。变焦光学成像系统目前在摄影、摄像、安全监控、视觉跟踪、精密测量等领域得到广泛应用。民用摄影领域中,变焦距镜头已经代替固定焦距镜头,成为照相机的重要组成部分。在全景成像时,让变焦镜头绕着透视投影中心旋转,拍摄多幅图像,采用图像拼接技术可获得更大画幅的全景图像。在视觉跟踪与导航领域,使用方位角、俯仰角和倍率可以调整的Pan-Tilt-Zoom (PTZ)摄像机或相机,在被跟踪目标距离发生变化时,能够保持跟踪得到的图像大小不变,同时保持较高的影像分辨率,还可能获得目标的姿态和位置信息。因此,研究变焦光学系统成像过程中的相关技术与科学问题,具有重要的学术研究与应用价值。对于由固定焦距组成的定焦光学系统,视觉模型参数是固定的常量,模型的定标只需要我们对系统进行测量和估计模型中常数项的值。但对于变焦镜头组成的光学成像系统,这些参数随着不同镜头结构设置而变化,因此使用变焦光学系统进行跟踪、定位与测量,在技术上具有巨大的挑战。本论文在国家863项目课题的支持下,针对变焦光学成像系统在精密跟踪、定位与测量中存在的一些科学与技术问题,开展分析与研究。论文主要研究工作和取得的研究成果如下：
(1)针对变焦光学系统结构参数随着倍率、对焦和光阑孔径大小的调整而发生变化的特点,对变焦光学系统的小孔模型和厚透镜模型进行了详细的分析与讨论,研究结果表明厚透镜视觉模型具有更高的建模精度,更适合变焦光学成像系统的建模。
(2)从理论分析和实验验证两个方面出发,阐明了变焦光学系统小孔透视模型透视中心的物理位置,分析与研究了变焦成像光学系统影像中心的变化规律。研究结果表明,变焦光学系统的透视中心在变焦镜头的入瞳位置；在变焦光学系统视觉透视建模时,影像中心位置应该用透视中心到像面垂线的交点来定义；为了获得理想的模型精度,变焦镜头的入瞳位置在变焦过程中应保持恒定不变。这些结论为建立
高精度的变焦光学系统视觉模型和设计能够用于精密跟踪、定位与测量的变焦光学系统,提供了理论支持。
(3)研究了PTZ摄像机通过改变水平旋转角、俯仰角、倍率和对焦等参数,实现跟踪、定位与测量物体的方法,建立了包含全局坐标系、水平和俯仰旋转云台坐标系、相机坐标系、实时变化的相机内部参数的三维视觉模型数学表达式。
(4)研究了一种基于PTZ摄像机的视觉跟踪6D测量技术及系统。该变焦视觉跟踪6D测量系统主要由自变焦视觉跟踪摄像机、彩色伪随机编码六自由度测头和计算机组成,利用测头编码标准球上的彩色伪随机编码在摄像机成像面上的位置变化来确定靶标的姿态,从而实现大尺寸空间六自由度的测量。在组合测量、大型设备安装定位中具有广阔的应用前景。
(5)研究了变焦视觉跟踪图像中基本几何特征——角点、直线和椭圆等基本几何特征的识别方法与算法。针对经典Hough变换算法直线检测技术的不足,提出了改进的算法,提高了检测准确度的同时降低了运算时间；研究了两种基于计算边缘曲率的新的角点检测算法——小波变换检测法与轮廓多边形近似检测法；研究了在强噪声环境下提高椭圆检测正确率的迭代Hough变换算法；给出了一种新的椭圆检测算法——改进的曲线弧分割检测法,通过实验验证了此方法可用于解决Hough变换算法与最小二乘算法的遗留问题。(6)总结了像素级和亚像素级边缘检测技术,提出了两种改进的亚像素边缘检测算法,一种是基于高斯曲面拟合亚像素边缘检测算法,另外一种是基于径向基函数插值亚像素边缘检测算法。这两种算法的基本原理是首先选用Canny算子对图像进行边缘粗定位,然后在粗定位的边缘基础上给定一个窗口,对窗口内进行精细定位。实验结果表明,这两种算法均可达到0.1个像素的精度,分辨率为0.03个像素。(7)基于研制的PTZ摄像机的视觉跟踪6D测量实验系统,对本文提出的一些观点、算法进行了实验验证,对PTZ变焦跟踪实验系统的性能进行了测试,总结了PTZ变焦跟踪视觉测量的特点和应用前景。论文最后还对未来的工作重点进行了简要说明。 摘要8-10ABSTRACT10-12目录12-15插图清单15-19表格清单19-20第一章 绪论20-32
1.1 变焦光学系统及其发展概况20-24
1.2 变焦光学系统在视觉跟踪应用中的存在问题24-25
1.3 变焦光学系统在精密测量应用中存在的问题25-30
1.4 本文研究内容30-32第二章 相机小孔模型32-44
2.1 相机小孔理想模型32-36
2.2 镜头畸变建模36-40
2.3 镜头畸变小孔相机透视变换求解40-41
2.4 相机薄透镜和厚透镜模型41-42
2.5 小结42-44第三章 镜头透视中心44-56
3.1 透视中心的概念与重要性44-45
3.2 透镜成像规律与光线追迹45-49
3.3 孔径光阑对成像规律的影响49-50
3.4 入瞳与出瞳对成像的影响50-52
3.5 透视中心位置52-54
3.6 小结54-56第四章 像面上的影像中心56-68
4.1 影像中心(影像主点)的概念56-59
4.2 影像中心的种类59-60
4.3 影像中心位置的标定方法60-63
4.4 影像中心变化规律实验研究63-66
4.5 小结66-68第五章 变焦摄像机视觉建模68-86
5.1 变焦镜头的发展与种类68-69
5.2 光学补偿式变焦镜头的结构形式与特点69-73
5.3 机械补偿式变焦镜头的结构形式与特点73-78
5.4 变焦成像系统的视觉建模78-82
5.5 PTZ变焦成像系统三维视觉建模82-84
5.6 小结84-86第六章 基于PTZ摄像机的视觉跟踪测量系统86-104
6.1 引言86-88
6.2 PTZ摄像机视觉跟踪6D测量系统组成原理88-90
6.3 彩色伪随机编码6D跟踪测头原理设计90-95
6.4 6D测头机械结构设计95-97
6.5 测头精度分析97-102
6.6 小结102-104第七章 影像中的几何特征识别方法104-130
7.1 几何特征图像分割104-105
7.2 直线的识别105-110
7.3 角点探测110-117
7.4 椭圆识别与检测117-128
7.5 小结128-130第八章 几何特征亚像素边缘检测算法130-152
8.1 概述130-131
8.2 高斯曲面拟合亚像素边缘检测算法131-134
8.3 基于径向基函数插值的亚像素边缘检测算法134-138
8.4 实验分析与比较138-151
8.5 小结151-152第九章 PTZ视觉跟踪测量系统性能测试152-1729.1 编码标准球特征点提取及匹配152-1599.2 编码标准球标定与变焦相机参数自标定159-1679.3 变焦跟踪系统性能测试167-1719.4 小结171-172第十章 全文总结172-17810.1 变焦光学系统概念、性能与评价指标172-17310.2 变焦光学系统研究与应用中存在的技术难题173-17410.3 本文的研究工作与取得的成果174-17610.4 未来的工作重点176-178
参考文献
178-184攻读博士学位期间发表的论文184-186致谢186-188
2023年12月19日发(作者：宛辉)
变焦摄像机跟踪定位与测量技术
变焦摄像机跟踪定位与测量技术
变焦(变倍率)光学成像系统是指被摄物距在沿光轴方向发生变化时,为了得到合适大小的图像,光学系统的焦距可以在一定范围内连续调整的光学系统。变焦光学成像系统目前在摄影、摄像、安全监控、视觉跟踪、精密测量等领域得到广泛应用。民用摄影领域中,变焦距镜头已经代替固定焦距镜头,成为照相机的重要组成部分。在全景成像时,让变焦镜头绕着透视投影中心旋转,拍摄多幅图像,采用图像拼接技术可获得更大画幅的全景图像。在视觉跟踪与导航领域,使用方位角、俯仰角和倍率可以调整的Pan-Tilt-Zoom (PTZ)摄像机或相机,在被跟踪目标距离发生变化时,能够保持跟踪得到的图像大小不变,同时保持较高的影像分辨率,还可能获得目标的姿态和位置信息。因此,研究变焦光学系统成像过程中的相关技术与科学问题,具有重要的学术研究与应用价值。对于由固定焦距组成的定焦光学系统,视觉模型参数是固定的常量,模型的定标只需要我们对系统进行测量和估计模型中常数项的值。但对于变焦镜头组成的光学成像系统,这些参数随着不同镜头结构设置而变化,因此使用变焦光学系统进行跟踪、定位与测量,在技术上具有巨大的挑战。本论文在国家863项目课题的支持下,针对变焦光学成像系统在精密跟踪、定位与测量中存在的一些科学与技术问题,开展分析与研究。论文主要研究工作和取得的研究成果如下：
(1)针对变焦光学系统结构参数随着倍率、对焦和光阑孔径大小的调整而发生变化的特点,对变焦光学系统的小孔模型和厚透镜模型进行了详细的分析与讨论,研究结果表明厚透镜视觉模型具有更高的建模精度,更适合变焦光学成像系统的建模。
(2)从理论分析和实验验证两个方面出发,阐明了变焦光学系统小孔透视模型透视中心的物理位置,分析与研究了变焦成像光学系统影像中心的变化规律。研究结果表明,变焦光学系统的透视中心在变焦镜头的入瞳位置；在变焦光学系统视觉透视建模时,影像中心位置应该用透视中心到像面垂线的交点来定义；为了获得理想的模型精度,变焦镜头的入瞳位置在变焦过程中应保持恒定不变。这些结论为建立
高精度的变焦光学系统视觉模型和设计能够用于精密跟踪、定位与测量的变焦光学系统,提供了理论支持。
(3)研究了PTZ摄像机通过改变水平旋转角、俯仰角、倍率和对焦等参数,实现跟踪、定位与测量物体的方法,建立了包含全局坐标系、水平和俯仰旋转云台坐标系、相机坐标系、实时变化的相机内部参数的三维视觉模型数学表达式。
(4)研究了一种基于PTZ摄像机的视觉跟踪6D测量技术及系统。该变焦视觉跟踪6D测量系统主要由自变焦视觉跟踪摄像机、彩色伪随机编码六自由度测头和计算机组成,利用测头编码标准球上的彩色伪随机编码在摄像机成像面上的位置变化来确定靶标的姿态,从而实现大尺寸空间六自由度的测量。在组合测量、大型设备安装定位中具有广阔的应用前景。
(5)研究了变焦视觉跟踪图像中基本几何特征——角点、直线和椭圆等基本几何特征的识别方法与算法。针对经典Hough变换算法直线检测技术的不足,提出了改进的算法,提高了检测准确度的同时降低了运算时间；研究了两种基于计算边缘曲率的新的角点检测算法——小波变换检测法与轮廓多边形近似检测法；研究了在强噪声环境下提高椭圆检测正确率的迭代Hough变换算法；给出了一种新的椭圆检测算法——改进的曲线弧分割检测法,通过实验验证了此方法可用于解决Hough变换算法与最小二乘算法的遗留问题。(6)总结了像素级和亚像素级边缘检测技术,提出了两种改进的亚像素边缘检测算法,一种是基于高斯曲面拟合亚像素边缘检测算法,另外一种是基于径向基函数插值亚像素边缘检测算法。这两种算法的基本原理是首先选用Canny算子对图像进行边缘粗定位,然后在粗定位的边缘基础上给定一个窗口,对窗口内进行精细定位。实验结果表明,这两种算法均可达到0.1个像素的精度,分辨率为0.03个像素。(7)基于研制的PTZ摄像机的视觉跟踪6D测量实验系统,对本文提出的一些观点、算法进行了实验验证,对PTZ变焦跟踪实验系统的性能进行了测试,总结了PTZ变焦跟踪视觉测量的特点和应用前景。论文最后还对未来的工作重点进行了简要说明。 摘要8-10ABSTRACT10-12目录12-15插图清单15-19表格清单19-20第一章 绪论20-32
1.1 变焦光学系统及其发展概况20-24
1.2 变焦光学系统在视觉跟踪应用中的存在问题24-25
1.3 变焦光学系统在精密测量应用中存在的问题25-30
1.4 本文研究内容30-32第二章 相机小孔模型32-44
2.1 相机小孔理想模型32-36
2.2 镜头畸变建模36-40
2.3 镜头畸变小孔相机透视变换求解40-41
2.4 相机薄透镜和厚透镜模型41-42
2.5 小结42-44第三章 镜头透视中心44-56
3.1 透视中心的概念与重要性44-45
3.2 透镜成像规律与光线追迹45-49
3.3 孔径光阑对成像规律的影响49-50
3.4 入瞳与出瞳对成像的影响50-52
3.5 透视中心位置52-54
3.6 小结54-56第四章 像面上的影像中心56-68
4.1 影像中心(影像主点)的概念56-59
4.2 影像中心的种类59-60
4.3 影像中心位置的标定方法60-63
4.4 影像中心变化规律实验研究63-66
4.5 小结66-68第五章 变焦摄像机视觉建模68-86
5.1 变焦镜头的发展与种类68-69
5.2 光学补偿式变焦镜头的结构形式与特点69-73
5.3 机械补偿式变焦镜头的结构形式与特点73-78
5.4 变焦成像系统的视觉建模78-82
5.5 PTZ变焦成像系统三维视觉建模82-84
5.6 小结84-86第六章 基于PTZ摄像机的视觉跟踪测量系统86-104
6.1 引言86-88
6.2 PTZ摄像机视觉跟踪6D测量系统组成原理88-90
6.3 彩色伪随机编码6D跟踪测头原理设计90-95
6.4 6D测头机械结构设计95-97
6.5 测头精度分析97-102
6.6 小结102-104第七章 影像中的几何特征识别方法104-130
7.1 几何特征图像分割104-105
7.2 直线的识别105-110
7.3 角点探测110-117
7.4 椭圆识别与检测117-128
7.5 小结128-130第八章 几何特征亚像素边缘检测算法130-152
8.1 概述130-131
8.2 高斯曲面拟合亚像素边缘检测算法131-134
8.3 基于径向基函数插值的亚像素边缘检测算法134-138
8.4 实验分析与比较138-151
8.5 小结151-152第九章 PTZ视觉跟踪测量系统性能测试152-1729.1 编码标准球特征点提取及匹配152-1599.2 编码标准球标定与变焦相机参数自标定159-1679.3 变焦跟踪系统性能测试167-1719.4 小结171-172第十章 全文总结172-17810.1 变焦光学系统概念、性能与评价指标172-17310.2 变焦光学系统研究与应用中存在的技术难题173-17410.3 本文的研究工作与取得的成果174-17610.4 未来的工作重点176-178
参考文献
178-184攻读博士学位期间发表的论文184-186致谢186-188