一种光学单站姿态处理二义性正确解确定方法_胡小丽.pdf

文章编号：1002-2082(2023)01-0055-06一种光学单站姿态处理二义性正确解确定方法胡小丽1，唐明刚1，蔡文泽2，吴海英1，张思琪2，张三喜1（1.华阴兵器试验中心，陕西华阴714200；2.西安现代控制技术研究所，陕西西安710065）摘摘 要：要：因单站成像的信息欠缺以及成像的对称性，光学单站姿态处理的二义性是普遍性难点问题，针对光学单站姿态处理二义性解问题，以目标主体直线矢量与姿态角对应关系为突破点，以主体直线矢量的物像映射关系为单站姿态处理基础，从处理结果界定局部二义性错误解，然后根据单站姿态求解关键步骤修正二义性解，修正前后处理结果与常规交会处理结果比较效果显著，在文中所述场景下，误差量级至少缩小 20%，该方法为光学单站姿态处理获取正确解提供了可靠理论支持。关键词：关键词：光学测量；姿态处理；二义性解；对称性中图分类号：TN29；TP394.1文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0101008Determination method for ambiguous correct solution of opticalsingle-station pose processingHUXiaoli1，TANGMinggang1，CAIWenze2，WUHaiying1，ZHANGSiqi2，ZHANGSanxi1（1.HuayinOrdnanceTestCenter,Huayin714200,China；2.XianModernControlTechnologyResearchInstitute,Xian710065,China）Abstract：Duetothelackofinformationandthesymmetricalimagingofsingle-stationimaging,theambiguityoftheopticalsingle-stationposeprocessingisacommonanddifficultproblem.Aimingattheambiguoussolutionofopticalsingle-stationposeprocessing,thecorrespondingrelationshipbetweenthetargetsubjectstraight-linevectorandtheposeanglewastakenasthebreakthroughpoint,andtheobject-imagemappingrelationshipofthetargetsubjectstraight-linevectorwastakenasthebasisofsingle-stationposeprocessing.Definedthepartialambiguouserrorsolutionfromthesingle-stationposeprocessingresults,andthentheambiguoussolutionwasmodifiedaccordingtothekeystepsofsingle-stationposesolution.Theeffectsofprocessing results before and after ambiguous correction were significant compared with that of theconventionalintersectionprocessingresults.Inthedescribedscenario,theerrormagnitudeisreducedbyatleast20%.Thismethodprovidesareliabletheoreticalsupportforobtainingthecorrectsolutionofopticalsingle-stationposeprocessing.Key words：opticalmeasurement；poseprocessing；ambiguoussolution；symmetry引言按照物像成像方式的对称性，光学单站姿态处理难以避免处理结果的二义性，因判读误差、其它输入参数测量误差耦合原因，处理结果并不会出现多解现象，优化处理结果通常处理为单解形式，除粗大误差外，数据趋势结果多表现为分段显著的 2 种变化趋势，如何通过单站序列图像姿态处理结果，将正确二义解解算出来，一直是单站姿态处理的固有难题。查阅大量单站姿态处理及姿态处理文献1-15，尚未见二义性修正相关报道。本文以基于直线矢量的物像映射关系为基础，从单站姿态处理结果着手分析数据结果曲线规收稿日期：2022-03-04；修回日期：2022-04-28基金项目：一般科研项目（012016018200A22304）作者简介：胡小丽（1979），女，工程师，主要从事光学姿态测量及数据处理技术研究。E-mail：第44卷第1期应用光学Vol.44No.12023年1月JournalofAppliedOpticsJan.2023律，根据曲线变化趋势确定整体正确解，之后对局部错误二义性解进行修正，后反向变换至基准坐标系中获取求解时刻特征矢量空间矢量，对矢量进行解析获取正确姿态解。1 算法分析1.1 目标主体直线矢量选取依据目标坐标系主体架构，分别是目标中轴、目标尾翼以及与前两者垂直的目标特征，这 3 者可作为直线矢量选取的 3 个矢量基，分别是 e1(100)T、e2(010)T、e3(001)T，其他目标直线矢量均可由这3 者组合而成。按照姿态处理通常坐标系定义，3 个矢量基由初始零姿态向求解时刻姿态旋转为（e1e2e3)，有：(e1e2e3)=R(YT,)R(ZT,)R(XT,)(e1e2e3)（1）式中：R 为姿态旋转过程中涉及的矩阵。由（e1e2e3)中涉及的姿态角可获得各类直线矢量涉及的姿态角信息，为后续特征直线矢量选取提供依据。1.2 单站姿态处理算法关键步骤分析1）能表征需求姿态角的关键直线矢量选择，如中轴、尾翼等直线矢量；L1 L22）上述关键矢量由初始零姿态经 3 姿态角（偏航、俯仰、滚转）旋转至求解时刻矢量状态，如图 1 所示、；YO目标坐标系XOCminf(x)=(klRklS)2XCL2l1Rl1Sl2Sl2SL1YCZCZ摄像机坐标系测量基准系图 1 单站直线矢量姿态映射图示Fig.1 Diagram of pose mapping for single-station straightline vector l1S l2S3）将上一步矢量模拟投影映射至摄像机坐标系，进一步转换为像面坐标系模拟矢量状态、；l1R l2R4）在实际图像中提取中轴矢量、尾翼矢量实际成像矢量、；5）模拟矢量与实际矢量匹配，由于姿态实质minf(x)=(kliRkliS)2基于方向相对关系，故可仅匹配对应矢量之间的方向表征即可，即匹配成像斜率即可，求解即可获取所需的姿态角信息。坐标系说明：所有涉及坐标系以常规姿态处理算法中涉及的坐标系为基准。其中目标坐标系以目标中轴为 XT轴，头部为正；基准坐标系以北向为 X 轴；摄像机坐标系以光轴指向为 XC轴，平行于像面向上为 YC轴；像面坐标系 y、z 轴分别平行于像机坐标系 YC轴、ZC轴。1.3 单站姿态处理二义性正确解获取取典型目标关键直线矢量向像面映射的俯视图进行二义性说明，2 类目标共处于摄像机坐标系下进行投影变换，左侧为弹类目标，以中轴作为其关键矢量；右侧为飞机类目标，以中轴矢量和尾翼矢量作为其关键矢量；2 种目标相对 ZC轴呈完全对称模式，故相对像面成像状态完全等效，若出现解的二义性，必为此环节所致。弹类、飞机类目标相对像面投影二义性说明，如图 2 所示。可能解 1XC可能解 2可能解 2ZC弹类目标模拟飞机类目标模拟可能解 1图 2 弹类、飞机类目标相对像面投影二义性说明Fig.2 Ambiguous description of projection to image planeof missile and aircraft targets根据 1.2 单站姿态处理算法关键步骤分析，可知光学单站姿态测量二义性，实质是目标关键矢量相对于摄像机像面投影的对称性，按照常规姿态测量坐标系定义，则实质是目标关键矢量在X 方向的分量相对于摄像机像面投影的对称二义性。基于姿态测量关键矢量物像映射及空间重构过程，本文提出了二义性正确解获取流程。单站姿态处理二义性正确解修正步骤，如图 3 所示。以弹类轴对称回转体目标为例，具体分析过程如下：1）对单站序列图像姿态处理结果（偏航角、俯仰角）进行分析，数据变换趋势总体趋势为正确解趋势，其中局部集合存在单站姿态处理的二义性解；56应用光学第44卷第1期2）主流变化趋势保留，根据二义性错误解反向推断正确解，按照 1.3 节所述，必须将此二义解由基准坐标系变换至摄像机坐标系下反向推算正确映射结果，代入单站姿态处理二义性错误解（偏航角、俯仰角）和光轴指向（AE），将中轴矢量（100）T由求解时刻状态 L(coscossinsincos)T向摄像机坐标系变换映射得到 Lc（lCmCnC）T；LC=R(E)R(A)L（2）3）将 Lc（lCmC nC）T修正为 Lc（lCmC nC）T；4）将 Lc（lCmC nC）T反向变换至基准坐标系，得中轴矢量求解时刻正确解 L(l m n)T；L=R(A)R(E)LC（3）5）解析 L(lm n)T，获取正确解、。=tan1(nl)=tan1(ml2+n2)（4）飞机类则按照中轴矢量流程增加尾翼矢量，解析 3 个姿态角。2 算法验证2.1 平飞段二义性修正实验航线姿态设置及布站：某飞机沿主靶道近似平飞；机上有遥测位置姿态数据；分站 1#布设于飞机弹道侧方，其中 X，Z 分别为：（3500m，1500m）；飞机飞行航迹与飞行姿态参数：X（4400m6600m），Z（295m37m），Y（1182m1184m），（7.32.3），（0.62），（3.58.6）其中，Y、均为量值变化范围，变化过程随飞机飞行过程呈现非均匀起伏状态。处理条件：分别提取飞机中轴和尾翼直线特征，各边成像以通常定义的目标体坐标系为依据，分别为中轴（178pixs48pixs）、尾翼（451pixs338pixs），其中中轴线性特征良好，尾翼线性特征一般。如图 4 所示，单站姿态测量数据总体与遥测数据吻合良好，由于判读误差的随机性，存在一定的随机误差。需要注意的是，3 个姿态角的起始段落，同步相对遥测数据有明显偏差，考虑处理算法的影响因素，定位为二义性错误解。1001020304060507080123456789101112131415161718192021222324251234567891011121314151617181920212223242512345678910111213141516171819202122232425偏航角/()相对时间/s(a)偏航角处理结果偏航角-遥测偏航角1#50510152025俯仰角/()相对时间/s(b)俯仰角处理结果俯仰角-遥测俯仰角1#121068420246滚转角/()相对时间/s(c)滚转角处理结果滚转角-遥测滚转角1#图 4 飞机姿态数据处理-平飞Fig.4 Data processing of aircraft in level flight attitude按照 1.3 节对上述数据进行二义性修正。从图 5 可知，相比于图 4，与遥测数据对比差异明显减少，整体更多体现的是判读误差的随机性。相对误差均方根指标二义性修正前后如表 1所示。表 1 进一步说明，二义性修正前后相对遥测结果差异明显，精度量级得到了显著提高。正确解二义部分开始姿态处理后二义性区域识别参与计算的直线矢量以二义错误解旋转变换至摄像机坐标系获取摄像机坐标系下的对称解将对称解旋转变换至基准坐标系获取关键直线矢量空间直线矢量解析空间直线矢量获取姿态正确解结束图 3 单站姿态处理二义性正确解修正步骤Fig.3 Modified steps of ambiguous correct solution ofsingle-station pose processing应用光学2023，44（1）胡小丽，等：一种光学单站姿态处理二义性正确解确定方法572.2 终点段二义性修正实验航线姿态设置及布站：为验证算法正确性，将某型飞机沿参考系 X 向飞行 03km，其中偏航角设置为 5以内，俯仰角设置为 21812先升后降，滚转角控制在正负 5内。为保证算法二义性校正结果对比，设置交会测量条件，将姿态测量系统（2#、3#）布设于飞机侧方，保证航线内交会结果满足精度基准要求；处理条件：采集图像后，采用交会及 2#单站同时进行姿态处理，其中 2#单站基本处于目标航线斜侧方，基本保证了目标飞机轮廓三角的稳定性，为后续特征准确提取奠定基础。分别提取中轴及三角形三边，各边成像以通常定义的目标体坐标系为依据，分别为中轴（215pixs246pixs）、右侧（123pixs160pixs）、尾翼（149pixs168pixs）、左侧（130pixs165pixs）、单站。按照 1.1 节进行处理，截取其中一段数据，处理结果如图 6 所示。数据说明：1)单站多站数据趋势大体一致；2)3 姿态角的局部段落，同时相对多站有明显偏差，定位为二义性错误解。按照 1.3 节对上述数据进行二义性修正。从图 7 可知，相比于图 6，交会与单站处理结果差异明显减少，3 个姿态角的误差更多体现为判表 1 二义性修正前后结果指标对比Table 1 Comparison of outcome indexes before and afterambiguous modification相对误差/（）修正前修正后RMSE23.832.11RMSE8.861.27RMSE5.631.20420246810123456789101112131415161718192021222324251234567891011121314151617181920212223242512345678910111213141516171819202122232425偏航角/()相对时间/s(a)偏航角处理结果偏航角-遥测二义性修正后431201234俯仰角/()相对时间/s(b)俯仰角处理结果俯仰角-遥测二义性修正后1084620246滚转角/()相对时间/s(c)滚转角处理结果滚转角-遥测二义性修正后图 5 飞机平飞段姿态数据经二义性修正后处理结果对比Fig.5 Comparison of processing results of aircraft attitudedata in level flight after ambiguous modification15105051015191725334149576573818997105113121129137145153161169177185193201偏航角/()相对时间/s(a)偏航角处理结果2#3#交-偏航角2#-偏航角20155100510152025191725334149576573818997105113121129137145153161169177185193201俯仰角/()相对时间/s(b)俯仰角处理结果2#3#交-俯仰角2#-俯仰角605030402010010191725334149576573818997105113121129137145153161169177185193201滚转角/()相对时间/s(c)滚转角处理结果2#3#交-滚转角2#-滚转角图 6 飞机姿态数据处理Fig.6 Data processing of aircraft attitude58应用光学第44卷第1期读误差引发的不同步随机性误差。相对误差均方根指标二义性修正前后如表 2 所示。表 2 二义性修正前后结果指标对比Table 2 Comparison of outcome indexes before and afterambiguous modification相对误差/（）修正前修正后RMSE11.182.65RMSE18.553.15RMSE27.032.19表 2 进一步说明，二义性修正前后相对交会处理结果差异明显，精度量级得到了显著提高，达到了修正目的。3 总结本文以承载姿态的主要矢量为分析对象，根据姿态处理结果分析整体正确解趋势和局部二义性错误解，按照姿态变换关系，对直线矢量进行中间环节映射修正，后反向变换至基准坐标系中获取求解时刻矢量状态，并根据姿态旋转矩阵姿态承载关系解析获取正确姿态解，为实际轴对称回转体和非轴对称回转体目标单站光学姿态处理获取可靠的二义性正确解提供理论依据。参考文献：苏国中.基于光电经纬仪影像的飞机姿态测量方法研究D.武汉:武汉大学,2005:1-184.SUGuozhong.Researchonthemethodofaircraftposesurveyingfromimagesequencesobtainedbyphotoelec-trictheodoliteD.Wuhan:WuhanUniversity,2005:1-1841蔡伟柯;基于模型的单相机位姿参数估计方法研究D;长沙：国防科学技术大学,2006:1-37CAIWeike,Studyonposeestimationusingsinglecam-erabasedonobjectmodelD.Changsha:NationalUni-versityofDefenseTechnology,2006:1-37.2王晓明,乔彦峰,宋立维,等.用单站光电雷达一体化系统测量目标三维姿态J.光学精密工程,2011,19（8）:1779-1786.WANGXiaoming,QIAOYanfeng,SONGLiwei,etal.Measurementofthree-dimensionalattitudebysingleopto-electricalandradarintegrationinstrumentJ.OpticsandPrecisionEngineering,2011,19（8）:1779-1786.3赵汝进,刘恩海,张文明,等.一种基于弱透视成像模型的目标姿态测量方法J.光子学报，2014，43（5）：0512002.ZHAORujin,LIUEnhai,ZHANGWenming,etal.Meas-urementsof3Dposeofobjectsbasedonweakperspect-ive modelJ.Acta Photonica 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modification应用光学2023，44（1）胡小丽，等：一种光学单站姿态处理二义性正确解确定方法59位姿单目视觉确定算法J,中国科学（信息科学）,2010,40（4）:591-604.ZHANGShijie,CAOXibin,ZHANGFan,etal.3Dposi-tion and pose determination method of spatial targetsbased on feature points from mono-viewJ.ScientiaSinicaInformations,2010,40（4）:591-604.张三喜,姚敏,孙卫平.高速摄像及其应用技术M.北京:国防工业出版社,2006:2734.ZHANG Sanxi,YAO Min,SUN Weiping.High speedphotogrammetry and applicationM.Beijing:NationalDefenceIndustryPress,2006:2734.8张三喜,张伟光,李宏凯,等.弹道特征参数摄像测量M.北京:国防工业出版社,2014:115.ZHANG Sanxi,ZHANG Weiguang,LI Hongkai,et al.Ballistic characteristic parameters of visionmeasurementM.Beijing:National Defence Industry Press,2014:115.9赵学颜,李迎春.靶场光学测量M.北京:国防大学出版社,2001:168230.ZHAO Xueyan,LI Yingchun.Optical measurement inshooting rangeM.Beijing:National Defense Press,2001:168230.10王之卓.摄影测量原理M.武汉:武汉大学出版社,2007.11WANGZhizhuo.TheprinciplesofphotogrammetryM.Wuhan:WuhanUniversityPress,2007.张祖勋,张剑清.数字摄影测量学M.武汉:武汉大学出版社,1997.ZHANGZuxun,ZHANG Jianqing.Digital 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