针对目标姿态测量的中轴线测算方法研究

摘要

姿态参数是靶场目标的重要参数。其俯仰、偏航等信息对于靶场试验的实时安控和事后处理具有重要意义。通过分析处理靶场光测设备拍摄的目标图像进行目标姿态参数测量是一种重要的姿态测量途径。中轴线法是光学测姿中的主要方法，其原理是利用两台或多台相机对目标进行拍摄，提取像平面上的中轴线方程，再进行空间交会计算轴线的空间位置，进而获取目标俯仰、偏航等姿态信息。然而，在实际测量任务中，受噪声、光照、目标尺寸等诸多因素影响，往往存在轴线提取算法适应性差，提取精度不高等问题。本文主要从求取边缘直线中心线和计算区域主轴这两个方向出发，结合对轴线提取误差因素的分析，提出了五种不同的回转体目标中轴线提取算法，极大提高了测量系统的适应性，同时测量精度满足任务需要。
　　本文首先介绍了靶场光学姿态测量系统的软、硬件构成，以及双目交会原理，并通过分析系统产生误差的两个主要环节，得到造成轴线提取误差的主要因素，以及轴线提取误差与姿态测量误差的传递关系。
　　将轴线提取方法分为基于边缘直线和基于区域主轴两个方向。分别给出两个方向下求取目标中轴线的思路和整体流程。
　　分析了基于边缘直线提取中轴线的各个步骤，比较了梯度模算子边缘检测、Canny算子边缘检测、GAC轮廓提取在边缘信息提取上的优缺点；比较了Hough变换直线检测、LSD直线检测在提取边缘直线上的适用范围，通过引入最小线段长度以及角度量化容忍度等参数，对Hough变换进行了必要的改进，以适应靶场测量任务寻求。
　　分析了基于区域主轴理论提取中轴线的原理及适用条件。介绍了单侧光照条件下轴线提取任务的难点，分析了光照所造成目标内部变化的规律；以区域主轴理论为基础，提出了通过补偿目标光照区域从而实现轴线高精度提取的方法。
　　最后，对靶场回转体目标的中轴线提取任务进行了分类，基于对轴线提取问题的分析总结和算法理论铺垫，给出了5种不同条件下的轴线提取算法，并通过实验对算法可靠性及精度进行了验证。
　　本文对多种情况下目标轴线高精度提取方法进行了探索与研究，在与工程实际有效结合后，将极大提高光学姿态测量系统的测量精度和环境适应能力。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 光学姿态测量研究及应用现状

1.3 本文的研究内容及结构安排

第二章 光学姿态测量系统总体结构及误差分析

2.1 双目交会测量目标姿态的基本原理

2.2 系统硬件配置

2.3 系统软件构成

2.4系统姿态测量误差分析

2.5 本章小结

第三章 基于目标边缘直线的中轴线提取算法研究

3.1 靶场目标边界信息获取

3.2 靶场目标边缘直线提取

3.3 根据边缘直线参数解算目标中轴线

3.4 本章小结

第四章 基于目标区域主轴的中轴线提取算法研究

4.1 利用区域主轴理论进行中轴线提取

4.2 光照条件下对称目标的姿态高精度提取研究需求分析

4.3 单侧光照目标的灰度特征分析

4.4 基于光照补偿的目标中轴线提取

4.5 本章小结

第五章 轴线提取解决方法分类及实验论证

5.1 轴线提取类型分类及解决方法设计

5.2 轴线提取仿真实验及可靠性验证

5.3 本章小结

第六章 总结和展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果