本發(fā)明涉及船舶消磁技術(shù)領(lǐng)域，具體的指一種船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中圖像匹配定位方法。

背景技術(shù)：

船舶磁場(chǎng)通常是指船舶在其周?chē)臻g產(chǎn)生的磁場(chǎng)，是敵方探測(cè)設(shè)備和水中兵器用于探測(cè)和攻擊的主要物理場(chǎng)。船舶磁性防護(hù)技術(shù)就是采取現(xiàn)代電磁方法和控制技術(shù)來(lái)控制船舶磁性，將船舶磁場(chǎng)消除或補(bǔ)償?shù)揭欢ǚ秶鷥?nèi)。按照檢測(cè)時(shí)船舶的狀態(tài)，船舶磁場(chǎng)檢測(cè)可分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩類(lèi)。

船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)是指在船舶與磁傳感器陣列相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下測(cè)量磁場(chǎng)，一般是在消磁站的入口或航道處布設(shè)一組環(huán)狀或者單列的磁傳感器，當(dāng)船舶緩慢通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)，測(cè)磁系統(tǒng)自動(dòng)采集船舶磁場(chǎng)，但是為了獲取測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于船舶中心的位置信息，同時(shí)需要采用GPS或者全站儀等定位裝置對(duì)其進(jìn)行航跡測(cè)量，最后將運(yùn)動(dòng)軌跡傳輸?shù)街髡具M(jìn)行數(shù)據(jù)處理。船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)使用方便，易于實(shí)施檢測(cè)，主要用來(lái)快速分析、評(píng)估船舶磁性狀態(tài)，以決定船舶是否需要進(jìn)入消磁站進(jìn)行磁性處理，既保障了船舶的磁性安全又提高了船舶磁場(chǎng)檢測(cè)的工作效率。

但是船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中船舶的定位問(wèn)題一直影響著船舶磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)的效率，之前采用的方法主要有以下不足：①船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)前需要將許多用于定位的設(shè)備提前送到船舶上，后期還要將其回收，方便下次使用；②定位設(shè)備需要專(zhuān)業(yè)的人員對(duì)其進(jìn)行安裝，防止其被干擾從而確保它的準(zhǔn)確性；③每次啟動(dòng)設(shè)備時(shí)要對(duì)多臺(tái)以及與其相配套的軟件進(jìn)行一系列的配置；④各個(gè)設(shè)備相互連接的串口較多，串口通信穩(wěn)定性需要加強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)相關(guān)技術(shù)中的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中通過(guò)圖像匹配定位船舶位置從而得到其航跡的方法，解決了現(xiàn)有船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中船舶定位操作繁瑣、效率較低等問(wèn)題，能適用于不同船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)站對(duì)船舶定位及其航跡的要求。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中圖像匹配定位方法，包括以下步驟：

S1：利用至少兩個(gè)攝像機(jī)對(duì)待測(cè)目標(biāo)船只進(jìn)行同步拍攝，獲取具有同名特征的立體像對(duì)，并完成目標(biāo)的立體影像匹配和實(shí)時(shí)定位重建；

S2：利用已測(cè)量好的靶標(biāo)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)參數(shù)標(biāo)定；

S3：在船只上進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)利用GPS測(cè)量其位置，利用多時(shí)相的影像構(gòu)成像點(diǎn)控制網(wǎng)，對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行外標(biāo)定；

S4：實(shí)時(shí)測(cè)量水域海平面高度；

S5：計(jì)算船只在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置；

S6：確定船只在實(shí)際地面中的坐標(biāo)；

S7：獲得船只的連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用圖像匹配定位方法測(cè)量船舶的航跡，主要利用了雙目攝像頭以及圖像處理軟件對(duì)攝像機(jī)拍攝的視頻進(jìn)行處理，從而得到了船舶的航跡圖。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是提高了船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的效率，節(jié)省了大量的人力物力，同時(shí)該方法具有較好的定位精度，能夠滿(mǎn)足后期船舶磁場(chǎng)的分析與判斷。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的一種船舶定位測(cè)量系統(tǒng)的示意圖；

圖2為相機(jī)成像示意圖；

圖3靶標(biāo)模型示意圖；

圖4雙目系統(tǒng)示意圖；

圖5相機(jī)成像原理圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例所述的一種船舶磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中圖像匹配定位方法，包括以下步驟：

步驟1)：對(duì)于船舶位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，如圖1所示，需要至少兩個(gè)攝像機(jī)對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行同步拍攝，獲取具有同名特征的立體像對(duì)，并完成目標(biāo)的立體影像匹配和實(shí)時(shí)定位重建。為確保后續(xù)船舶位置計(jì)算的精度，需要目標(biāo)具備足夠的像素信息，即目標(biāo)在影像上達(dá)到一定的占比，如圖5所示，根據(jù)公式(1.1)小孔成像的原理可計(jì)算出所需攝像機(jī)的焦距f；

其中h為物體的像長(zhǎng)，f為相機(jī)的焦距，H為物體的長(zhǎng)度，S為物距。

步驟2)：對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)參數(shù)標(biāo)定。如圖2所示，攝像機(jī)成像幾何模型遵循針孔相機(jī)原理，以物點(diǎn)與像點(diǎn)的共線(xiàn)方程為解算基礎(chǔ)，另外也需要考慮內(nèi)方位元素和影像畸變的影響。

在單幅像坐標(biāo)系中，以攝影中心S為像方原點(diǎn)，影像向右的方向?yàn)閤軸，向上的方向?yàn)閥軸，向外的方向?yàn)閦軸。在理想狀況下，影像呈矩形，攝影中心在影像上的垂足o’與影像中心o重合，因此關(guān)于攝影機(jī)坐標(biāo)系的攝影中心坐標(biāo)S(x_s，y_s，z_s)為(0，0，0)，像點(diǎn)坐標(biāo)p_i為(x_i，y_i，-f)。以攝影中心為攝影機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)，以物方標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸方向?yàn)閿z影機(jī)坐標(biāo)系三個(gè)軸方向不變。在物方坐標(biāo)系中，已知的地面標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)p_A為(X_A，Y_A，Z_A)，攝影中心坐標(biāo)為(X_S，Y_S，Z_S)。

根據(jù)透視投影成像原理，如果用一個(gè)完美的相機(jī)攝影，則物方點(diǎn)、鏡頭中心和像點(diǎn)3點(diǎn)是共線(xiàn)的。事實(shí)上由于各種干擾因素的存在，使得像點(diǎn)在焦平面上相對(duì)其理論位置存在偏差。顧及實(shí)際像點(diǎn)偏差的共線(xiàn)條件方程為

Δx和Δy是像點(diǎn)的系統(tǒng)性誤差，包括徑向畸變差、偏心畸變差和像平面內(nèi)仿射畸變差。

對(duì)共線(xiàn)條件方程式線(xiàn)性化，可寫(xiě)成如下矩陣形式：

V＝A₁X₁+A₂X₂+A₃X₃-L (3)

式中V為像點(diǎn)坐標(biāo)殘差，X₁、X₂和X₃分別為外方位元素、物方點(diǎn)坐標(biāo)和內(nèi)參數(shù)；A₁、A₂和A₃分別為相應(yīng)參數(shù)的系數(shù)陣；L為像點(diǎn)觀測(cè)坐標(biāo)與近似值計(jì)算坐標(biāo)的差值。內(nèi)參數(shù)X₃包括內(nèi)方位元素、鏡頭畸變參數(shù)以及像平面內(nèi)x軸與y軸的尺度因子和不正交參數(shù)。

如圖3所示，選擇合適的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，確定好相機(jī)的位置后利用已測(cè)量好的靶標(biāo)，對(duì)合適的靶標(biāo)進(jìn)行相片的拍攝。相機(jī)分別選擇3個(gè)位置拍攝足夠多相片，然后篩選出可以進(jìn)行解算的相片，利用上述方法進(jìn)行解算，計(jì)算出相機(jī)的內(nèi)參數(shù)并進(jìn)行精度評(píng)定，直到達(dá)到精度要求為止。

步驟3)：對(duì)相機(jī)進(jìn)行外參數(shù)標(biāo)定。通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換將像方坐標(biāo)統(tǒng)一到攝影機(jī)坐標(biāo)系，則有

其中a₁、a₂、a₃等為旋轉(zhuǎn)矩陣各元素。加上內(nèi)方位元素(f_x、w_x、c_x等)參數(shù)矩陣(包括相機(jī)畸變參數(shù))后，公式變?yōu)?/p>

利用DLT(直接線(xiàn)性變換解法)，將公式(3.2)變?yōu)?/p>

將靶標(biāo)布設(shè)在實(shí)驗(yàn)區(qū)域，布設(shè)靶標(biāo)按照攝像機(jī)清楚看見(jiàn)、水平方向豎直方向在一塊區(qū)域內(nèi)均勻分布的原則進(jìn)行布設(shè)，布設(shè)12個(gè)靶標(biāo)。

靶標(biāo)以黑白相間的格子為主要組成部分，這樣攝像機(jī)在拍攝的時(shí)候，容易找到能進(jìn)行解算的點(diǎn)。以其中一個(gè)靶標(biāo)作為相對(duì)原點(diǎn)，利用全站儀(或其它定位精度高的儀器)來(lái)測(cè)量其它靶標(biāo)，采用區(qū)域網(wǎng)平差方法進(jìn)行解算，得到其它靶標(biāo)的相對(duì)位置。然后攝像機(jī)利用上述原理進(jìn)行相片拍攝和解算，得到相機(jī)的外方位元素，進(jìn)行精度評(píng)定，直到精度滿(mǎn)足要求。

步驟4)：用潮汐計(jì)(或其它方法)實(shí)時(shí)測(cè)量水域海平面高度；

步驟5)：計(jì)算船只在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置。如圖4所示，雙目定位采用影像前方交會(huì)原理，其核心思想是利用共線(xiàn)條件方程，在已知相機(jī)的位置和姿態(tài)的情況下，可以由立體像對(duì)上同名像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)通過(guò)最小二乘平差原理計(jì)算出物方點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。共線(xiàn)條件方程的一般形式為：

式中：f為相機(jī)主距；像方坐標(biāo)系下，(x，y)為像點(diǎn)坐標(biāo)，(x₀，y₀)為主點(diǎn)坐標(biāo)；物方坐標(biāo)系下，(X，Y，Z)為物方點(diǎn)坐標(biāo)，(X_S，Y_S，Z_S)為相機(jī)中心坐標(biāo)，a_i，b_i，c_i(i＝1，2，3)是角元素的函數(shù)，表示主光軸的朝向。

將共線(xiàn)方程式(5.1)線(xiàn)性化，得到像點(diǎn)坐標(biāo)改正數(shù)方程式，為

式(5.2)是一個(gè)迭代運(yùn)算過(guò)程。其中為像點(diǎn)坐標(biāo)改正數(shù)；(x)和(y)是像點(diǎn)坐標(biāo)前一次運(yùn)算結(jié)果的近似值，像點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)每個(gè)變量的偏導(dǎo)數(shù)可依據(jù)式(5.1)得到。

當(dāng)內(nèi)、外方位元素均已知時(shí)，像點(diǎn)坐標(biāo)改正數(shù)方程式可簡(jiǎn)化為

對(duì)于一個(gè)成像于立體像對(duì)上的物方點(diǎn)，可按式(5.3)列出4個(gè)誤差方程，采用最小二乘平差方法可以求出3個(gè)物方坐標(biāo)未知數(shù)(X，Y，Z)。

由于MeanShift算法具有很高的運(yùn)行穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)目標(biāo)形狀、大小的連續(xù)變化，而且計(jì)算速度很快，抗干擾能力強(qiáng)，能夠保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。而SURF特征是SIFT特征的一種改進(jìn)，主要是在特征提取的執(zhí)行效率上，比SIFT運(yùn)行更快。因此，特征定位與跟蹤這一塊計(jì)劃采用MeanShift算法結(jié)合SURF特征進(jìn)行目標(biāo)的跟蹤與特征的匹配。計(jì)劃首先用MeanShift算法跟蹤圖像中存在目標(biāo)的區(qū)域；然后在該區(qū)域內(nèi)提取SURF特征，避免在整個(gè)圖像內(nèi)計(jì)算特征；最后將每個(gè)像片提取的SURF特征進(jìn)行匹配，獲得同名點(diǎn)。

MeanShift基本原理如下：

首先需要在初始幀內(nèi)為選中的跟蹤目標(biāo)建立概率模型，即計(jì)算核函數(shù)窗口中的直方圖分布。設(shè)初始內(nèi)核窗口的帶寬h，x₁，x₂，…，x_n為內(nèi)核窗口所包含采樣點(diǎn)，x₀為目標(biāo)中心，則目標(biāo)的直方圖分布為：

式中：k為核函數(shù)，m為特征空間中特征值個(gè)數(shù)，δ為Kronecker函數(shù)，b(x_i)為像素對(duì)應(yīng)的特征值，C為歸一化系數(shù)。

位于y候選目標(biāo)可以描述為：

因此物體跟蹤可以簡(jiǎn)化為尋找最優(yōu)的y，使得p(y)與q最相似。p(y)與q的相似度用Bhattacharrya系數(shù)來(lái)度量，即

Bhattacharrya系數(shù)最大的y即為目標(biāo)在下一幀圖像中的位置。

得到目標(biāo)在圖像中的位置后，在存在目標(biāo)的圖像區(qū)域內(nèi)計(jì)算目標(biāo)的SURF特征，對(duì)每一像片進(jìn)行SURF特征提取，然后將這些特征進(jìn)行匹配，從而得到多片之間的同名像點(diǎn)，對(duì)匹配出來(lái)的同名點(diǎn)利用多片空間前方交會(huì)計(jì)算各匹配點(diǎn)在物方中的坐標(biāo)X，Y，Z。

步驟6)：求船只在實(shí)際地面中的坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)多片前方交會(huì)，可以得到船只在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置，即(X，Y，Z)。為了求得船只在實(shí)際地面中的坐標(biāo)，即(X_G，Y_G，Z_G)，需要將相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)系中，這需要利用相對(duì)定向原理。相對(duì)定向原理如下：

設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T進(jìn)行變換，則相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可表示為如下式子：

式中：a_i，b_i，c_i(i＝1，2，3)是角元素的函數(shù)，表示相機(jī)坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系各個(gè)坐標(biāo)軸之間的旋轉(zhuǎn)角。將式(5.7)進(jìn)行線(xiàn)性化，得到相機(jī)坐標(biāo)改正數(shù)方程：

式中：(X)、(Y)和(Z)是相機(jī)坐標(biāo)前一次運(yùn)算結(jié)果的近似值。

由式(5.8)可知一個(gè)相機(jī)坐標(biāo)點(diǎn)可以列出3個(gè)方程，而未知數(shù)共有6個(gè)，所以，只要在相機(jī)坐標(biāo)系中選取2點(diǎn)就可以求解得出兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系。為了得到更加精確的結(jié)果，選取多于2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算。

計(jì)算完成之后就可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T求出船只的位置和姿態(tài)：

位置按下式求解：

姿態(tài)按下式求解：

步驟7)：根據(jù)船只位置和姿態(tài)獲得船只的運(yùn)動(dòng)軌跡。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。