专利名称：一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法
技术领域：
本发明涉及一种四幕投影系统的设计与调试方法，利用单目摄像方法获取四块幕布及幕布上步枪瞄准点的图像，根据图像所包含的信息计算步枪瞄准点坐标，再结合步枪位置求解步枪瞄准线方程，从而实现远距离监测士兵对步枪的使用状况。该方法借助软件程序来设计、调试四幕投影系统的布置，大幅度提高了测算结果的准确程度。
背景技术：
单目摄像方法是利用单个摄像头对被拍物体进行拍摄，并根据所得图像获取被拍物信息的一种技术。相对于双目或多目摄像方法，单目摄像技术具有成本低、系统结构简单、灵活易用等优点，因而得到了广泛的关注和应用。士兵射击训练时，远距离测算士兵射击时的瞄准线方程对射击评价、射击指导而言具有重要意义。利用单目摄像方法的关键在于获得步枪瞄准点坐标的方法。为增加摄像头位置与拍摄方向的可操作性，需要在二者任意设置的情况下，使得四幕及幕布上瞄准点的图像可被有效利用。为了获取幕布上瞄准点的坐标，需要将四块幕布划分成若干矩形区域，这些矩形区域的长宽比例各不相同，且四个顶点均被涂成黑色。当摄像头以任意位置、任意方向对幕布进行拍摄时，所得图像上将呈现大小不一的若干不规则四边形。该方法将通过软件程序，设计并调试每个矩形区域的长宽比例，使其各不相同，从而建立幕布上诸矩形区域与幕布图像中诸不规则四边形的单映射关系。如此，当用摄像头对幕布拍照后，就可以先确定步枪瞄准点在图像中的像点所位于的四边形区域，再根据单映射关系来确定幕布上瞄准点所位于的矩形区域，最后根据一定的算法得到瞄准点在世界坐标系中的坐标。因为步枪的位置(指在世界坐标系中步枪的坐标)为已知,故可与猫准点一起确定步枪的瞄准线方程。
发明内容
本方法的关键内容在于求得四块幕布上36个(每块幕布上9个)矩形区域的36个长宽比例。当摄像头拍摄位置、拍摄角度不断变动时，幕布图像中36个不规则四边形形状将不断变化，从而形成36个各不形同的比例范围。为了建立幕布上矩形区域与幕布图像中四边形的单映射关系，要求这36个比例范围始终保持各不相交。显然，要想设计一组合理的比例，就必须在世界坐标系中精确标定摄像头、步枪及四块幕布的坐标，还需确定拍摄时摄像头光轴(光轴即为镜头采光点与感光器件中心点所连直线)的三个角度(水平方位角α、垂直俯仰角β及轴向旋转角Y)。事实上，这些值的精确确定有一定的技术难度。为此，本发明提出了四幕投影系统的软件仿真方法。根据该方法，可以在软件程序中对镜头光轴的三个拍摄角度进行精准设定，还可以在空间直角坐标系中随意且准确地设定球幕上各点和摄像头采光点(亦称为“光心”)的相对位置，即在拍摄方式可任意选择的情况下，几乎毫无误差地获取所需图像(此时获取的图像是由程序绘制的模拟图像)。在程序中不断地调整摄像头的位置和拍摄方向，就可以得到大量不尽相同的幕布图像。利用数字图像拟合技术得到图像中所有四边形顶点在图像坐标系中的坐标，求得每张图像中各不规则四边形的长宽比例，就可以检验幕布上36个矩形区域划分得是否合理，从而为36组长宽比例的设定和调试提供数据支持。四幕被拍物由四块矩形幕布组成，它们之间的夹角为Θ (程序中将Θ值设置为135° )。软件程序中，为求得幕布图像中各不规则四边形的长宽比例，需要确定每个四边形的四个顶点在图像坐标系中的坐标。为了将四块幕布上每个矩形区域在所成图像中的像(即不规则四边形的四个顶点)表示出来，首先建立了由幕布与摄像头共同组成的拍摄系统的空间几何模型。在这个模型中，建立了世界坐标系，分别标定了幕布、摄像头镜头采光点和镜头感光器件在该坐标系中的坐标；在感光器件所在平面上建立了图像坐标系，成功根据小孔成像原理实现了由物点到像点的转换。具体而言，就是描绘连接物点与采光点之间的连线，该直线与感光器件所 在平面交于一点，如果该点处于感光器件(感光器件是一个矩形器件，其尺寸可根据器件规格和设计需求在程序中设定)所在矩形区域内，那么它即为物点在照片中的像点；否则，原物点不会在照片中成像，即超出了摄像头镜头的视场范围。在以上过程中，解决的核心问题是，在设定好摄像头镜头采光点位置、摄像头光轴三个扭转角度的基础上，获取感光器件在世界坐标系中的数据表示方法。本发明中，世界坐标系是以镜头采光点为原点建立的。在该坐标系中，摄像头光轴与y坐标轴重合，作为初始拍摄方向；感光器件与χΟζ面平行，且其四条边分别与X轴、z轴平行，这样就对感光器件的初始位置进行了设定。当用该方法对幕布进行拍摄时，幕布在世界坐标系中的位置将随镜头米光点(即坐标系原点)位置的确定而确定；而且，镜头光轴的拍摄方向一旦确定，光轴与其初始拍摄方向之间的偏角也可由前面提到的三个角度(水平方位角α、垂直俯仰角β及轴向旋转角Y)定量标定。本发明采用的技术方案一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法，用于获取四幕被拍物3的图像，其特征是，摄像头拍摄时的三个角度α、β、Y均可预先设定，摄像头与四幕被拍物3在世界坐标系中的相对位置可预先设定，照相机感光器件Ia尺寸(lpI2与焦距I的长度)可预先设定。所述的一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法，在程序中设定好摄像头拍摄时的三个偏转角度(即α、β、Υ )、摄像头与四幕被拍物3在世界坐标系中的相对位置以及摄像头感光器件Ia尺寸后，B"、Β/，、Β2"，、Β3"，、Β4"，在世界坐标系中坐标值吸七成)、^^ ,B1/，Blz' )、(B2x' ,B2/，Β2ζ' )、(Β3χ'，Β3/，Β3ζ')、(B4x' ,B4/ ,B4/ )的求解算法。所述的一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法，B"、B1" '、Β2" '、Β3" '、Β4"'在世界坐标系中的坐标值求出后，像点5在图像坐标系中坐标(Pj/，Ρ/ )的求解算法，特别是图像坐标系中Clpd2与Px'、Ρ/的正负关系。所述的一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法，36组长宽比例调试合理后，根据建立的单映射关系，由瞄准点4的像点5在幕布图像中位于的四边形区域确定瞄准点4在幕布上所属的矩形区域，进而计算瞄准点4在世界坐标系中的坐标。
所述的一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法，瞄准点4坐标确定后，与步枪坐标8共同确定步枪9的瞄准线10方程。后文将结合附图及具体实施方式
对发明内容进行详细论述。
图1是摄像头对四幕被拍物拍摄时的数学模型简略示意图；图2是摄像头对四幕被拍物拍摄时的数学模型示意图；
图3是像点由世界坐标系到图像坐标系的转换关系不意图；图4是四幕被拍物被划分成36个矩形区域后的正视图(带网格并编号)；图5是四幕被拍物上保留网格交点并去除网格线后的正视图；图6是摄像头参数α、β、Y分别设定为10°、20°、3°后四幕被拍物的图像(黑色矩形代表图像边界，区域外的部分未能成像);图7是摄像头镜头焦距、感光器件尺寸与镜头视场角范围的关系示意图。符号说明Ia是初始位置的感光器件，Ib是设定水平方位角为α后的感光器件，Ic是在Ib的基础上再设定竖直俯仰角为β后的感光器件，Id是在Ic的基础上绕光轴旋转Y角度后的感光器件，2是镜头采光点(光心)，3是四幕被拍物，4是物点，5是像点，6是图像坐标系原点，7是摄像头光轴(焦距)，8是步枪位置坐标，9是步枪，10是瞄准线。
具体实施例方式四幕被拍物3的实际情形如图5所示，其上分布有52个点，每4个点围成一个标准的矩形区域(为了将36块矩形区域区分得更加明确，图4在图5的基础上画出了网格线，并对每个区域进行了编号)。其中，Ia1A12U A12A13U A13A14U A14A15U A15A16U A16A17U
Α”Α181、IA18A191、IA19A1101、IA110A1111、| A111A1121、IA112A2 的比值可调,IA1A211、IA21A311、IA31A4的比值亦可调。当以上两组比值设置恰当时，四幕被拍物3上各矩形区域的长宽比值将各不相同。并且，无论摄像头光轴7与幕布平面的夹角为何值(这个夹角根据实际工程背景有一定限制)，幕布图像上每个不规则四边形区域(如图6所示，为原幕布上相应矩形区域的像)的长宽比值将保持不同。如此，就可以根据36组各不相同的长宽比值，将幕布图像中的不规则四边形区域(像)与原幕布上的矩形区域(物)一一对应。幕布各矩形区域与幕布图像中各不规则四边形区域建立起一一对应关系后，就可以进一步将矩形区域中的点与相应不规则四边形中的点建立映射关系，从而实现由像点坐标(在图像坐标系中)到物点坐标(在世界坐标系中)的转换。本发明的主体内容就是求得软件程序所需算法。通过该软件程序可以建立世界坐标系和图像坐标系，确定四.被拍物3与摄像头光心2的相对位直，精确设定摄像头的拍摄角度(即α、β、Y三个角度)，进而获取幕布3在当前拍摄情形下的图像。获取图像的最终目的在于为设置两组合理的比值(IA1A121、IA12A131、IA13A141、IA14A151、| A15A161、| A16A171、
I Α”Α181、IA18A191、IA19A1101、IA110A1111、IA111A1121、A112A2 的比值与 A1A21U A21A3IU A31A4的比值)做准备。下面阐释本专利所述方法的主体内容。
图7画出了摄像头内感光器件la、光轴(焦距)7与镜头视场角范围的关系。设B1B2长度为I1, B2B3长度为12。O点为摄像头镜头采光点2, OB为其焦距7 (0B垂直于四边形B1B2B3B4所在平面，垂足为B)，长度为I。A1, A2分别为B1B2' B3B4的中点，分别作直线OA1、OA2 (如图7中虚线所示)，两线夹角为β，则角β即为摄像头竖直方向的视角(设B1B2水平放置，B2B3竖直放置)。β、1与I2的关系如(I)式所示。
权利要求
1.一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法，其特征是，用于获取四幕被拍物3的图像，摄像头拍摄时的三个角度α、β、Y均可预先设定，摄像头与四幕被拍物3在世界坐标系中的相对位置可预先设定，照相机感光器件Ia尺寸(I1U2与焦距 I的长度)可预先设定。
2.根据权利要求1所述的一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法，其特征是，在程序中设定好摄像头拍摄时的三个偏转角度(即α、β、Y)、摄像头与四幕被拍物3在世界坐标系中的相对位置以及摄像头感光器件Ia尺寸后，B"、Β/，、 B2" '、Β3" '、Β4"'在世界坐标系中坐标值(Bx，By，ΒΖ)、(Β1;/ , B1/ , B1/ )、(B2/， B2/ ,B2/ )、(Β3χ'，Β3/，Β3ζ' )、(Β4χ' ,B4/，Β4ζ')的求解算法。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法，其特征是，B"、Β/，、Β2"，、Β3"，、Β4"，在世界坐标系中的坐标值求出后， 像点5在图像坐标系中坐标(Px' , P/ )的求解算法，特别是图像坐标系中Clpd2与Px'、 P/的正负关系。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法，其特征是，36组长宽比例调试合理后，根据建立的单映射关系，由瞄准点4的像点5在幕布图像中位于的四边形区域确定瞄准点4在幕布上所属的矩形区域，进而计算瞄准点4在世界坐标系中的坐标。
5.根据权利要求1或4所述的一种用于测算步枪瞄准线方程的四幕投影系统的设计与调试方法，其特征是，瞄准点4坐标确定后，与步枪坐标8共同确定步枪9的瞄准线10的方程。
全文摘要
本发明公开了一种四幕投影系统的设计与调试方法，利用单目摄像方法获取四块幕布及幕布上步枪瞄准点的图像，根据图像所包含的信息计算步枪瞄准点坐标，再结合步枪位置求解步枪瞄准线方程，从而实现远距离监测士兵对步枪的使用状况。该方法借助软件程序来设计、调试四幕投影系统的布置，大幅度提高了测算结果的准确程度。
文档编号G01B11/00GK103017737SQ20121053540
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者刘雷, 刘文俭, 刘乘源 申请人:哈尔滨飞羽科技有限公司
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